bazele fizice ale imagisticii medicale

Metodele de vizualizare

- permit obţinerea unor date cât mai precise privind modificările de structură şi/sau funcţie a organelor interne

- esenţial pentru stabilirea diagnosticului şi a tratamentului adecvat

• Pentru obţinerea informaţiilor un factor fizic trebuie să

interacţioneze cu organul investigat, modificându-şi

caracteristicile

• metoda să fie cât mai puţin invazivă

• utilizarea factorilor fizici cu energie cât mai mică

• utilizarea unor detectoare cât mai sensibile

• rezoluţia spaţială să fie cât mai bună

• factorii fizici să interacţioneze cât mai specific cu ţesuturile

pentru diferenţierea informaţiilor

• Metode ce utilizează ultrasunete

– Ecografia

– Ecografia Doppler

• Metode care folosesc radiaţii electromagnetice

– Termografie (radiaţii infraroşii)

– Radiografie, radioscopie şi tomografia computerizată (radiaţii X)

– Tehnica RMN – rezonanţa magnetică nucleară (radiounde)

• Metode bazate pe radioizotopi

– Scintigrafia

– SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)

– Tomografia prin emisie de pozitroni (PET- positrons emission tomography)

• Se bazează pe reflexia ultrasunetelor pe suprafeţele de separaţie dintre diferitele regiuni din corpul uman

• Aplicarea de parafină pe pielepentru a micşora reflexia ultrasunetelor

• Folosirea simultană a maimultor sonde – imagini 3D

• Utilizează modificarea frecvenţei undelor la reflexia pe obiecte aflate în mişcare pentru a determina viteza de deplasare a acestora

• Dacă reflexia are loc pe hematii se poate determina

– viteza de curgere a sângelui în inimă sau vase sanguine,

– regimul de curgere (laminar sau turbulent),

– volumul care curge în unitatea de timp

Înregistrările pot fi făcute utilizând• pulsuri de ultrasunete (PWD- Pulsed Wave Doppler)

– emiţătorul şi detectorul pot fi acelaşi cristal

– PWD este utilizată atât în investigarea inimii cât şi a vaselor sanguine (regiunea investigată este mai puţin bine delimitată în schimb vitezele sunt determinate cu acurateţe).

• regim de emisie şi recepţie continuă (CWD- Continuu Wave Doppler) – emiţătorul şi detectorul sunt cristale diferite

– CWD utilizată pentru investigarea cordului (regiunea investigată este bine delimitată dar determinarea vitezelor nu este foarte precisă)

Metode care folosesc radiaţii electromagnetice

• Se bazează pe absorbţia emisia şi, eventual, re-emisia diferenţiată de către diferitele ţesuturi a anumitor tipuri de radiaţii electromagnetice

• Se utilizează:

–– radiaradiaţţiile infraroiile infraroşşii ii îîn n TermografieTermografie,

–– radiaradiațții Xii X (Roentgen) în Radiografie (R.X.), Radioscopie şi Tomografia Computerizată (CT)

–– rradioundele adioundele în tehnicile Rezonanță Magnetică Nucleară (RMN)

Avantaje şi dezavantaje• Radiaţiile X sunt ionizante: la doze mari ele ar putea fi periculoase

pentru organism

• Se folosesc detectori de mare sensibilitate iar fasciculele de radiaţii sunt

bine direcţionate

• Efectele radiaţiilor ionizante sunt cumulative în timp: investigaţiile nu

trebuie repetate la intervale mici de timp

• Radioundele sunt neionizante, ele nu sunt periculoase, dar rămân

insuficient cunoscute efectele câmpurilor magnetice intense şi variabile

– efectele specifice asupra unor structuri nu pot fi mari, deoarece câmpul

magnetic nu poate transfera direct energie particulelor

Termografia • Reprezintă o tehnică de înregistrare a radiaţiilor infraroşii emise de

suprafaţa corpului uman

• Emisia de radiaţii infraroşii este dependentă de temperatură

• Temperatura este determinată de activitatea locală (metabolică, circulatorie etc.)

• Determinarea diferenţelor de temperatură între diferite regiuni ca şi a modificărilor de temperatură, în timp, în acelaşi loc permite semnalarea modificărilor de structură şi/sau funcţie a diverselor organe chiar şi înainte de declanşarea bolii

• Permite diagnosticarea unei multitudini de boli (cancere, infecţii, afecţiuni tiroidiene etc.)

• Metoda este total neinvazivă

• Costurile sunt mici

Sindromul Raynaud – atacuri vasospastice care determina vasoconstricţia capilarelor de la

extremităţi

Radiaţiile X• unde electromagnetice cu λ ϵ (0,1- 100) Å

• fotoni cu energii ϵ (0,1- 100) keV

• sunt radiaradiaţţii ionizanteii ionizante (ca şi radiaţiile nucleare putând avea aceleaşi efecte ca şi acestea)

• radiaţiile X pot fi produse în două moduri:

– prin frânarea bruscă electronilor puternic acceleraţi (energii cinetice mari): radiaţii X de frânare, spectru continuu (folosite în imagistică)

– prin dezexcitarea electronilor pe un nivel interior al unui atom greu: radiaţii X caracteristice şi au un spectru discret

Radiaţia X de frânare

Radiaţia X caracteristică

Obţinerea radiaţiilor X de frânare

1. obţinerea unui fascicul de electroni de energie mare

2. frânarea bruscă a acestora pe ţinte metalice cu generarea de radiaţii X

•în tubul Coolidge: radiaţii X de energie nu foarte mare

Radiografia şi radioscopia

• Permit obţinerea de imagini pe film fotografic (radiografia convenţională) sau pe un ecran ce conţine o substanţă luminescentă (radioscopia)

• Dezavantaje

– imaginea tuturor ţesuturilor întâlnite de o rază X vor fi suprapuse pe imagine ceea ce duce la micşorarea rezoluţiei

– ţesuturile cu densităţi apropiate nu sunt bine diferenţiate pe imagine

• În acest caz se folosesc substanţe de contrast (substanţe ce conţin iod sau bariu mărind absorbţia radiaţiilor X - contrast mai bun); vizualizarea cavităţilor abdominale

Tomografia computerizată (CT)

• Oferă informații referitoare la o secțiune perpendiculară pe axa

longitudinală a corpului examinat

• Din imaginile secţiunilor

succesive pot fi asamblate

imagini tridimensionale ale

organelor interne

• Pentru mărirea contrastului pe

ţesuturi mai puţin dense se

folosesc substanţe de contrast ce

conţin iod (absoarbe radiaţiile X)

administrate intravenos sau pe

cale orală

Etapele CT• flux îngust de radiaţii X pe o direcţie din secţiunea a cărei imagine vrem să o

obţinem.

• radiaţiile emergente sunt detectate iar computerul calculează absorbţia pe direcţia investigată.

• emiţătorul îşi schimbă poziţia înregistrându-se absorbţia pe altă direcţie.

• după baleierea întregii suprafaţe computerul construieşte imaginea pe monitor.

CT torace, fereastră plămân

CT în spirală

Reconstrucţia imaginii tomografice

• voxeli (volume elements) – elemente de volum.

• Voxel → semnal (răspunsul la factorul fizic utilizat)

↓• pixel (picture element) – element de imagine digitală

• pixelii – ordonați într-o matrice

• n2

• fiecărui pixel i se asociază convenţional o anumită culoare sau nuanţă de gri şi un grad de luminozitate.

pixel voxel

Substanţa Unităţi HounsfieldAer -1000Grasime -120Apa 0Muşchi +40Oase Peste 400

Tomografia RMN(Rezonanţă Magnetică Nucleară )

• Se bazează pe proprietatea nucleelor paramagnetice de a absorbi radiounde atunci când sunt plasate într-un câmp magnetic adecvat (H1, P31, Na21, Fl19)

• Nucleele - mici magneţi orientați haotic

• în câmp magnetic extern puternic nucleele se vor orienta paralel (starea excitată) sau antiparalel (starea fundamentală) cu acesta

• mișcare de precesie în jurul acestei direcții.

• Trecerea între cele două orientări se face prin absorbţia sau emisia de radiounde

• Relaxarea - timpii de relaxare

–– longitudinallongitudinalăă (timpul după care magnetizarea pe direcţia paralelă cu câmpul revine la 0,63 din valoarea iniţială)

–– transversaltransversalăă (timpul după care magnetizarea pe direcţia perpendiculară pe câmp scade la 0,37 din valoarea de după excitare)

– diferă de la un tip de nucleu la altul şi chiar la acelaşi tip în funcţie de substanţa chimică căreia îi aparţine

• frecvenţele de rezonanţă pentru diferite nuclee sau izotopi ale acestora diferă

• Ex: pentru un câmp de 0,1 T (1000 Gauss) frecvenţa de rezonanţă a protonilor este 4,2 MHz, iar a fosforului 1,7 MHz.

• specificitatea permite explorarea selectivă a diferitelor specii de nuclee, prin utilizarea unor frecvenţe adecvate ale pulsurilor de radiofrecvenţă

• În MRI imaginile se obţin pe baza absorbţiilor şi re-emisiilor radioundelor de către nucleele H1

• Imagini foarte precise pentru ţesuturile bogate în apă

• metode care permit urmărirea proceselor metabolice în care sunt implicate diverse nuclee paramagnetice.

• urmărirea proceselor metabolice poate fi suprapusă peste imaginea anatomică

• Pacientul este plasat în interiorul unui

electromagnet ce creează un câmp

magnetic foarte intens (0,05 – 3 T

aproximativ de 20.000 de ori câmpul

magnetic terestru)

ExamenRMN

cerebral preoperator

Metode bazate pe utilizarea radioizotopilor

• Presupun introducerea în organism a nucleelor radioactive

• Presupun riscuri pentru organism şi de aceea se impun unele restricţii în utilizarea lor (în cazul femeilor gravide, a copiilor etc.)

• Izotopii radioactivi nu sunt introduşi ca atare în organism, ci sunt inseraţi în substanţe (substanţe marcate) implicate în funcţionarea unor organe

ScintigrafiaScintigrafia

• introducerea în organism a substanţelor, specifice funcţionării organului de investigat, marcate cu izotopi radioactivi emiţători de radiaţii γ

• introducerea substanţei marcate poate fi făcută prin injectare, inhalare sau pe cale orală

• se înregistrează radiaţiile emise de izotopii radioactivi (după timpul necesar substanţei marcate pentru a ajunge în organul de investigat)

• folosind calculatorul, datele înregistrate privind emisia de radiaţii γ sunt transformate într-o imagine pe monitor

Elementele camerei de scintilație

• colimatorul

• cristalele de scintilaţie

• reţeaua de fotomultiplicatoare

• analizorul de impulsuri

• monitorul

Tomografia prin emisie de pozitroni (PET-Positrons Emission Tomography)

• În organism se introduc substanţe marcate cu izotopi radioactivi ce emit radiaţii β+ (antiparticula electronului)

• Ciocnirea pozitronului cu electronul va genera doi fotoni γ

• Detectarea simultană a celor doi fotoni γ indică existenţa reacţiei de anihilare şi deci a emisiei unui pozitron

• Mai multe detectoare cu scintilaţie sunt montate în coincidenţă: spre calculator va fi trimis un semnal doar dacă două detectoare înregistrează simultan câte un foton

• Calculatorul înregistrează reacţiile de anihilare şi pe baza lor generează o imagine pe monitor

PET (Positron Emission Tomography –Tomografie prin emisie de pozitroni)

Avantajele PET• Metoda foarte sensibilă, permite observarea unor fenomene

fiziologice: metabolismul glucozei, transportul oxigenului, sinteza proteinelor

• Permite diagnosticarea tendinţelor de îmbolnăvire de exemplu în cazul cancerelor sau a bolii Alzheimer prin identificarea modificărilor de metabolism (în cazul celulelor canceroase are loc o metabolizare mai rapidă a glucozei)

• Diagnosticarea înainte de declanşarea bolii (în cazul bolii Alzheimer chiar cu ani înainte) permite terapii care să prevină sau măcar să încetinească evoluţia bolii