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Tomografia Assiale
Computerizzata
(Computed Tomography)
Sommario
• Introduzione
• Descrizione del sistema
–
–
–
–
meccanica (gantry)
generazione di raggi X
rivelazione
trasmissione dati
• Ricostruzione
• Applicazioni
Definizione
• La Tomografia Computerizzata (CT o TAC) è
una tecnica di medical imaging per la
visualizzazione di sezioni del corpo del
paziente
• Componendo le immagini tomografiche dei
vari piani tale tecnica consente la
ricostruzione tridimensionale delle
informazioni anatomiche del paziente
• La CT fa uso di radiazioni ionizzanti (raggi-X)
• Tomografia in trasmissione
Principio di funzionamento
X-ray
Computed Tomography
(CT)
Principio di funzionamento
X-ray
CT
Principio di funzionamento
X-ray
CT
Principio di funzionamento
X-ray
CT
Principio di funzionamento
X-ray

proiezione 2D
CT

dati 2D
Differenza con X-Ray convenzionali
Chest X-ray Image
Cross-sectional Image of Abdomen
Nuove possibilità

3D data
Tomografia in emissione
PET
Positron Emission Tomography
CT Scanner
1st Generation
2nd Generation
CT Scanner
3nd Generation
4th Generation
Confronto
V Generazione CT
IMATRON electron beam CT system
Data acquisition system
Focus coil
Deflection coils
Electron gun
Tungsten target ring
Translating couch
Scanning electron beam
Detector ring/amplifier
Scansione elicoidale
Scansione in una sola apnea
velocità di avanzamento del tavolo
collimazione (apertura dei collimatori)
minor artefatti
a sezioni sovrapposte o disgiunte
Evoluzione CT
2a
Evoluzione
1a
Evoluzione
Multi-Linea
Singola Linea
Volume
Descrizione del sistema
• Gantry
• Lettino paziente
Descrizione del sistema
• Gantry
• Lettino paziente
• Tubo a raggi X
Descrizione del sistema
• Gantry
• Lettino paziente
• Tubo a raggi X
• Detector
Descrizione del sistema
• Gantry
• Lettino paziente
• Tubo a raggi X
• Detector
• Servizi: trasformatori, connessioni,
sistema di trasmissione dati, slip ring,
elaboratori
Rivelatori
Ref: Kalendar
• Rivelazione diretta
– materiali fotoconduttori ad alto peso atomico sono usati per convertire
direttamente i raggi X in coppie elettrone/lacuna: CZT (CdZnTe)
CT detectors – xenon gas – old style
-
rivelatore a gas (alta efficienza di conversione):
- cella chiusa, piena di Xenon ad alta pressione;
radiazione ionizza le molecole di gas,
gli ioni si depositano sul rispettivo elettrodo
Rivelatori
• Rivelazione indiretta
– scintillatore (alta efficienza di assorbimento): assorbe i raggi-X
riemettendo radiazione visibile, rivelata tramite un fotodiodo o un
fotomoltiplicatore
– Esempi: CsI, CdWO4, leghe di ittrio e gadolinio
Rivelatori nel CT Gantry
Ricostruzione immagine
Raysum misura fatta da ciascun rivelatore
Proiezione insieme dei raysum relativo a ciascun angolo
Ricostruzione immagine
I1  I 0 exp( 1 x)
n
I  I 0 exp(  x  i )
i 1
Ricostruzione immagine
n
I
ln   x  i
i 1
I0
Caso reale:
- raggi X poly E
- fan beam
indurimento del fascio
artefatti
aumento della complessità di ricostruzione
Ricostruzione immagine
Realizzare tante misure quanti sono i voxel (coefficienti di attenuazione):
Ulteriore problema:
512 x 512 pixel = 262144 voxel
misura di 262144 raysum
262144 equazioni !!!!
Ricostruzione immagine
Tecnica algebrica
14
5 4
1 9
9
10
5 6 13
0 0
3
6.5
0 0
3
6.5
6- 0 13- 0
14-9.5
5-9.5
2.75
6.25
3.25
6.75
5 4
1 9
9- 9.5
10- 9.5
Ricostruzione immagine
Back Projection semplice
Artefatti: star pattern
Scarsa qualità
Ricostruzione immagine
Back Projection Filtrata
Eliminazione degli artefatti
Ottima qualità
Velocità di ricostruzione
Trasmissione dati
Voxel
•
•
•
•
pixel
pixel
3-5 rot/s
1200-2400 proiezioni/rot
1000 pixel/proiezione
3 byte/pixel
1,2 GB/s
17-18 bit
(8 bit = 1 byte)
3 kB/pro
detector multilinea (64)
6 MB/rot
20 MB/s
Parametri di un’immagine
• Risoluzione
– più piccola dimensione dell’oggetto
• X-ray film: 0.05 mm (granulosità della pellicola)
• CT detector: 0.35 mm (dimensione del detector)
• Contrasto
– minima differenza di luminosità tra parti
contigue dell’immagime
Pellicola raggi X: Contrasto
0.5 mAs
2 mAs
Under-exposed
4 mAs
8 mAs
16 mAs
32 mAs
Over-exposed
63 mAs
Numeri CT
Unità di Hounsfield
i   w
N i  1000 
w
CT numbers
Rivelatori: Contrasto
typical usage
Ottenere contrasti paragonabili diminuendo la dose!
Dosi nelle differenti applicazioni
Diagnostic Procedure
Typical Effective
Dose (mSv)1
Number of Chest
X rays (PA film) for
Equivalent Effective
Dose2
Time Period for Equivalent
Effective Dose from Natural
Background Radiation3
Chest x ray (PA film)
0.02
1
2.4 days
Skull x ray
0.07
4
8.5 days
Lumbar spine
1.3
65
158 days
I.V. urogram
2.5
125
304 days
Upper G.I. exam
3.0
150
1.0 year
Barium enema
7.0
350
2.3 years
CT head
2.0
100
243 days
CT abdomen
10.0
500
3.3 years
1. Effective dose in millisieverts (mSv).
2. Based on the assumption of an average "effective dose" from chest x ray (PA film) of 0.02 mSv.
3. Average "effective dose" from natural background radiation of 3 mSv per year in the United States.
Parametri dei rivelatori nella CT
Rivelatori a conversione indiretta
Substrato di materiale ceramico
Diffusione di lacune in 10 us
Circuito di lettura
Convertitore corrente-frequenza, A/D converter
Nuovi trend nei circuiti di lettura
• Integrazione dei fotodiodi nei wafer
Nuovi trend nei circuiti di lettura
• Rivelatori a conteggio di fotoni per l’analisi energetica
Nuovi trend nei circuiti di lettura
• Rivelatori a conteggio di fotoni per l’analisi energetica
– Necessità di calibrazione
Conteggi fino a 105 ph/s per pixel
Applicazioni
• Radiologia
• Densitometria ossea
• Visualizzazione di tumori
• Progetto di protesi
• Pianificazioni di radioterapie
Application
Head CT image that depicts the
brain parenchyma and the fused
spaces in the head (ventricular and
subarachnoid space). CT scans are
helpful in detecting abnormalities of
the brain.
Face (Sinus) CT is typically done to
look for fractures or sinus disease.
Application
Neck CT can be performed to look for
lymph nodes associated with cancer, for
traumatic injuries, and for inflammatory
conditions such as an abscess
spreading from the face down towards
the neck
Orbit CT scanning is performed
to evaluate for disease in the
orbits such as trauma or
tumors. In this patient there is
proptosis on the right side.
Three-dimensional Face CT
CT angiography (CTA)
Visualize blood flow in arterial vessels throughout the body, from arteries serving the brain to
those bringing blood to the lungs, kidneys, and the arms and legs.
Cisternogram
Diagnosis of CSF (cerebrospinal fluid) leakage. In order to determine the
position of the leak a contrast material is injected into the subarachnoid space
via a lumbar approach. The patient is then tilted with the head down and a CT
scan is performed to see where the CSF and the contrast is leaking out.
CT Guided Biopsy
CT guided biopsies are done percutaneously
when lesions are not palpable and cannot be
done in the clinical setting. CT guided biopsies
offer a noninvasive alternative to open surgical
biopsies.The image to the right shows a
needle placed inferior to the foramen ovale.
The second case below shows an orbital
lesion that was biopsied with a fine needle
technique.
Cardio Computed Tomography
CT Imaging Workflow
Auto transfer
Patient
Prep
Recon
1~2 min
Acquisition
Post Processing
Review/Bookmark mode
CT ColonographyTM
~6 min
Analyze
Analyze: Nav+
~3 min
~3 min
VR
Cut
Endoluminal view
~2 min
~2 min
~2 min