Unidades1_y_2_SIM2024.pdf

Sistemas de Imagenología Ingeniería Biomédica Agosto – Diciembre 2024 Dr. Aldo Rodrigo Mejía Rodríguez Información del curso 2 Ø Horario de clase (salón E1-302) § Martes y Jueves de 12:00 a 14:00 hrs. § Viernes de 13:00...

Sistemas de Imagenología Ingeniería Biomédica Agosto – Diciembre 2024 Dr. Aldo Rodrigo Mejía Rodríguez Información del curso 2 Ø Horario de clase (salón E1-302) § Martes y Jueves de 12:00 a 14:00 hrs. § Viernes de 13:00 a 14:00 hrs. ØHorario de asesoría (cubículo 413 ) § Lunes y miércoles de 12:00 a 14:00 h Por MS Teams Por correo a: [email protected] Nome relatore Información del curso 3 Semestre Teoria (hrs) Practica (hrs) Creditos VII 4 1 8 Entender los principios físicos y fisiológicos de la formación de las principales modalidades en imagenología médica. OBJETIVOS Conocer los principios de funcionamiento de las principales técnicas de imagenología para entender y analizar diferentes tipos de imágenes médicas. UNIDADES 1 - Conceptos básicos de imagenes 2 - Radiologia convencional (Rayos – X) 3 - Tomografia Computarizada 4 - Resonancia Magnetica CONTENIDO 5 - Imagenología por Ultrasonido 6 - Termografía 7 - Medicina Nuclear 8- Tomografia por Emisión de Positrones (PET) 9 - Microscopía Nome relatore Información del curso 4 Examenes 1° Unidades 1 a 3 Parciales 2° Unidades 4 a 6 40% Calificación final 3° Unidades 7 a 9 Exposiciones 20% de la calificación final Proyecto 25% de la calificación final Prácticas 10% de la calificación final EVALUACION Examen Ordinario 5% de la calificación final INDISPENSABLE ACREDITAR CADA RUBRO PARA APROBAR EL CURSO!!!! Se realizará por escrito y deberá Examen a Título abarcar la totalidad del programa. Examen de Se realizará por escrito y deberá Regularización abarcar la totalidad del programa. Nome relatore Bibliografía 5 Ø Bronzino J. D. (2000). The Biomedical Engineering Handbook, IEEE Press. Ø Webster J G, Medical Instrumentation, Houghton Mifflin Co, Boston, 1992. Ø Andrew Webb, Introduction to Biomedical Imaging, IEEE Press and Wiley-Interscience. Ø Najarian K, Splinter R, Biomedical Signal and Image Processing, Taylor and Francis, Boca Raton, FL, 2006. Nome relatore Calendario 6 NO HAY CLASES 16 y 30 de septiembre 25 al 27 de septiembre, Semana de IBM 18 de noviembre 2 al 5 de octubre, CLAIB 2024 7 al 9 de noviembre, CNIB 2024 Nome relatore Exposiciones 7 Equipos de max. 4 personas Presentación de aplicaciones recientes de cada técnica de imagenologia vista en clase. Las aplicaciones deben ser tomadas de publicaciones de revistas científicas recientes (máximo 5 años atras). Las presentaciones se realizarán al completar cada unidad. Criterios de evaluación Reporte inicial (23 de agosto) Ayuda visual Ponencia Preguntas Nome relatore Proyecto - Termografía 8 Sesiones cortas para uso de equipos disponibles en el LIBA Ø Trabajo en equipo (mismos equipos que en exposiciones). Ø Desarrollo de protocolo de investigación usando imágenes termográficas. Ø Tiempo limitado para adquisición de imágenes (2 a 3 h por equipo). Ø Procesamiento y análisis de imágenes Ø Generación de reporte tipo artículo científico (max. 4 cuartillas a doble columna) Ø Presentación oral final de resultados. * Adquisición de las imágenes se realiza posterior a concluir unidad de Termografía. Nome relatore  9 Sistemas de Imagenología Médica Unidad 1 Conceptos Básicos Nome relatore Conceptos Básicos 10 Conjunto multidimensional de propiedades definidas en OBJETO el espacio, que pueden ser suceptibles a medición. Representación en dos o mas dimensiones de las IMAGEN propiedades de un objeto(s). Nome relatore Conceptos Básicos 11 Elemento de la imagen (PIXEL) El elemento de la imagen, denominado PIXEL (del ingles picture element), se define como el área mas pequeña de una imagen a la que se le pueden atribuir propiedades puntuales, y que es diferenciable del resto de la información en la imagen. Nome relatore Conceptos Básicos 12 Resolución Espacial Medida de la distancia mínima en que dos objetos independientes son reconocidos como tales y no como un solo objeto. Nome relatore Conceptos Básicos 13 Sistema de imagenología humana Sistema humano para generar imágenes de su entorno es el SENTIDO DE LA VISTA. Organo receptor Integrador de información OJO SISTEMA NERVIOSO Nome relatore Conceptos Básicos 14 El ojo es sensible a ciertas frecuencias del espectro electromagnético. Frecuencia de la onda determina la percepción del color. Amplitud de la onda electromagnética determina la brillantez (intensidad). Nome relatore Conceptos Básicos 15 Fuente de Objeto Sistema de energía adquisición de imágenes Interacción radiación con la emitida radiación Nome relatore Conceptos Básicos 16 Sistema de Imagenología Médica Sistema de adquisición de imágenes (internas o externas) del cuerpo, útiles para auxiliar en ámbito clínico (diagnostico y seguimiento de tratamientos). Imágenes Anatómicas Imágenes Funcionales Nome relatore Conceptos Básicos 17 Formatos de Imagen JPEG (Joint Photografic DICOM Expert Group) TIFF (Tagged Image ANALYZE File Format) PNG (Portable Network NIFTI Graphics) Tarea 1 Realizar una tabla comparativa de estos diferentes típos de Imágenes (fecha de entrega jueves 15 de agosto antes de la hora de clase) Nome relatore  18 Sistemas de Imagenología Médica Unidad 2 Radiologia convencional Rayos X Nome relatore Radiología convencional 19 Rayos X Wilhelm Röntgen descubrió los rayos X en 1895, mientras experimentaba con los rayos catódicos. Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas fotográficas, para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana, usando la mano de su mujer. Nome relatore Radiología convencional 20 Radiografia Una radiografía es una técnica diagnóstica radiológica en donde la imagen se obtiene al interponer un objeto entre el receptor de imagen radiográfica y una fuente de radiación ionizante de alta energía. Las partes más densas del objeto aparecen con diferentes tonos en la escala de grises. Nome relatore Radiología convencional 21 Sistema de adquisición de imágenes Nome relatore Radiología convencional 22 Formacion de Rayos X Tubo de Rayos X Rx se observan cuando un haz de electrones (iones) de alta energía (orden de 1keV) se desaceleran al chocar contra un metal. El voltaje aplicado al tubo se traduce en nivel de penetración de la radiación en el tejido. Rendimiento de los Rayos X Ejemplo: −9 R = 1.1ZVx10 Tungsteno Z=74 V= 120 000 Z=numero atómico del elemento del filamento en el cátodo R= 0.01 1% Rx útiles V= Voltaje 99% calor Nome relatore Radiología convencional 23 Tubo de Rayos X Equipos portátiles de radiodiagnóstico y Tubos con Ánodo Fijo radiología dental. Poco poder de penetración. Poca energía. Para repartir el calor en una masa mayor y aplicar mayores niveles de Tubos con Ánodo Rotatorio energía que implican mayores niveles de profundidad. Para quipos de Rayos X fijos. Nome relatore Radiología convencional 24 Tubo de Rayos X Envoltura del Tubo de Rayos X Todos los tubos están aislados del exterior por una envoltura que protege a los pacientes y usuarios del sistema de las radiaciones emitidas en todas direcciones y de las altas tensiones empleadas en el tubo. Esta envoltura es un blindaje de plomo que está conectada a la tierra física de la instalación como protección contra altos voltajes. Además, esta recubierta de plomo también en su interior para reducir la salida de radiación secundaria. Nome relatore Radiología convencional 25 Tubo de Rayos X Generador de alto voltaje Los voltajes de un equipo de Rayos X van de 15 – 150 kV. Voltajes de 120-220 V ac de transformadores son convertidos a kV dc para uso del equipo. Ø Transformadores trifásicos – producen un voltaje casi constante Ø Transformadores con tubos de electrones – estabilizar el voltaje Nome relatore Radiología convencional 26 Tubo de Rayos X Generador de alto voltaje Los parámetros de control importantes en el generador de alto voltaje son: Ø Voltaje (kV pico) - selección manual o automática Ø Corriente (mAs) - selección manual o automática Ø Tiempo de exposición – selección manual (o automática en equipos modernos). Nome relatore Radiología convencional 27 Tubo de Rayos X Generador de alto voltaje Controla el voltaje aplicado al cátodo, por lo Voltaje # de Rayos X tanto controla el numero de rayos X formados. El voltaje también es utilizado para producir rayos X de energías especificas. Energía Penetración Contraste El Generador también controla la corriente que fluye del cátodo al ánodo y el tiempo que fluye la corriente. kV pico y mAs son los dos parámetros principales que describen la calidad de una imagen de rayos X Nome relatore Radiología convencional 28 Claridad de la imagen Imagen muy Imagen muy uniforme contrastada Imagen correcta Nome relatore Radiología convencional 29 Claridad de la imagen Para obtener una imagen idónea se deben de limitar factores que producen una imagen borrosa. 1. Aberraciones geométricas 2. Artefactos de movimiento 3. Radiaciones secundarias Aberraciones geométricas (zona de penumbra). Debidas a que el foco de emisión de la radiación no tiene dimensiones puntuales. La causa es el tamaño de la ventana de salida del tubo de Rayos X. Ventana pequeña menor zona de penumbra. mayor calentamiento Ventana grande mayor zona de penumbra. menor calentamiento Nome relatore Radiología convencional 30 Colimador El colimador es un dispositivo formado por placas de plomo que restringe el tamaño del haz de rayos-x. Ayuda a disminuir/evitar la zona de penumbra Nome relatore Radiología convencional 31 Colimador Nome relatore Radiología convencional 32 Claridad de la imagen Artefactos de movimiento. En la clínica es difícil que se efectúe una radiografía en condiciones de inmovilidad total. Existen movimientos involuntarios (cardiacos o peristálticos) que producen un movimiento del objeto, por lo tanto de la sombra. Solución – Tratar de disminuir el tiempo de exposición; esto implica que se debe de aumentar la corriente de excitación. Se debe encontrar un I T° tamaño penumbra balance adecuado entre estos dos artefactos. ventana Nome relatore Radiología convencional 33 Radiaciones Secundarias (Difusas) Este tipo de radiaciones producen un deterioro en la imagen, al disminuir los detalles dentro de la imagen (imágenes grises con poco contraste), lo que puede conllevar a un diagnostico erróneo. La radiación secundaria se diferencia de la radiación directa (primaria) por: Ø Son mucho más blandas. Ø Localización de la fuente de radiación: un cuerpo irradiado. Ø Dirección: la radiación primaria tiene una sola dirección mientras que la secundaria se emite en todas direcciones. Nome relatore Radiología convencional 34 Radiaciones Secundarias (Difusas) Las radiaciones secundarias tienen un origen triple: 1. Difusión simple (Rayleight): electrones excitados por el campo de una onda indecente de R-x emiten una onda de la misma longitud de onda incidente. 2. Difusión Compton: Choque entre un fotón X y un electrón; el rayo x pierde energía y cambia su dirección, el electrón gana velocidad y cambia dirección 3. Fluorescencia: Fenómeno similar al efecto Compton pero existe una extracción de un átomo de capas profundas produciendo una transformación del electrónNome a fotoelectrón. relatore Radiología convencional 35 Radiaciones Secundarias (Difusas) Nome relatore Radiología convencional 36 Radiaciones Secundarias (Difusas) Fluoresencia: Esta radiación es la que genera la mayor contribución de la dosis de radiación ionizante al paciente (no sale del cuerpo del paciente). Nome relatore Radiología convencional 37 Dispositivos Anti-difusores Existen tres técnicas o dispositivos para disminuir el efecto de las radiaciones secundarias: 1. Filtrado: empleo de filtros a la salida del tubo de R-x para disminuir la cantidad de radiaciones secundarias. Sin embargo, se filtra también parte de la radiación primaria, cuando se usan voltajes relativamente bajos. Nome relatore Radiología convencional 38 Dispositivos Anti-difusores Existen tres técnicas o dispositivos para disminuir el efecto de las radiaciones secundarias: 2. Separación entre el paciente y la película radiográfica: se aumenta relativamente la distancia del trayecto de la radiación secundaria, lo que disminuye su intensidad. También se aumenta la distancia de la radiación primaria pero en menor medida. El inconveniente de este procedimiento es el aumento del artefacto de aberraciones geométricas. Nome relatore Radiología convencional 39 Dispositivos Anti-difusores 3. Rejillas antifidusoras (Potter-Bucky, o Bucky): La rejilla anti-difusora es el elemento por excelencia para eliminar la radiación secundaria que llega al sistema de registro de la imagen, mejorando el contraste y la claridad. Se conjunta una trama compuesta de láminas opacas a los rayos X junto con una rejilla móvil. Este sistema fue creado por Gustav Bucky (inventor de la trama en 1920) y Hollis Potter (desarrollador de la rejilla móvil en 1920). Nome relatore Radiología convencional 40 Rejilla Anti-difusora Construcción de la trama: La trama está compuesta de láminas delgadas de plomo, separadas por un material radiolúcido (plástico o aluminio). Las láminas de plomo están orientadas de forma que converjan hacia el foco de los R-x. Este sistema elimina toda la radiación que no se dirija en el mismo sentido que la radiación primaria. Las láminas se inclinan progresivamente y de forma simétrica del centro hacia la periferia de la trama. La zona central debe estar en un plano ortogonal a la trama. Nome relatore Radiología convencional 41 Funcionamiento de la Rejilla Anti-Difusora 1. El foco de R-x (salida del colimador) emite radiación que atraviesa el cuerpo. 2. La rejilla anti-difusora se encuentra entre el cuerpo del paciente y el sistema de adquisición de la imagen. 3. La radiación primaria atraviesa el cuerpo y encuentra las laminas que ofrecen una superficie de absorción mínima (zona central del Bucky). 4. Los rayos oblicuos, generados por la radiación secundaria, encuentran en el Bucky un obstáculo a su paso. 5. Existe una absorción selectiva de la radiación difusa. Nome relatore Radiología convencional 42 Funcionamiento de la Rejilla Anti-Difusora Problema: debido a las tramas se da la aparición de líneas, correspondientes a la radiación que es absorbida. La solución fue el sistema de rejilla móvil, el cual genera un movimiento perpendicular al conjunto de laminillas y en general se hace en dos sentidos (ida y vuelta), utilizando un motor. El Bucky (rejilla antidifusora) es el conjunto de la trama junto con el sistema de movimiento de las rejillas. Nome relatore Radiología convencional 43 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Convencional Radiología Digital Placa física creada a partir Ausencia de película de una película radiográfica radiográfica para obtención de la imagen Nome relatore Radiología convencional 44 Sistema de Adquisición de la Imagen Nome relatore Radiología convencional 45 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Convencional El obscurecimiento de la película es el resultado de hechos físicos (absorción de R-x o luminosos) y eventos químicos que se producen en la emulsión fotográfica. Los R-x sobre la película forman una imagen latente (invisible) al descomponer haluros de plata (principalmente bromuro de plata) de la película, liberando la plata metálica que es opaca a la luz. Durante el revelado, la imagen latente se vuelve visible al fijar los granos de plata y retirar el bromuro de plata no expuesto. Nome relatore Radiología convencional 46 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Convencional Estructura interna de la película radiográfica Recubrimiento, cubierta protectora de gelatina para evitar rasguños y contaminación durante proceso de revelado. Emulsión, lugar donde se encuentran los cristales de haluro de plata y es el lugar activo de las reacciones químicas que suceden dentro de la placa. Capa adhesiva, para unir emulsión y base apropiadamente. Base, brinda estructura, rigidez, flexibilidad y resistencia a la película radiográfica. Nome relatore Radiología convencional 47 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Convencional Las placas radiográficas se encuentran dentro de un chasis, debido a que solo una pequeña cantidad de R- x llega a la película, se aumenta el rendimiento de la película utilizando pantallas amplificadoras de luminiscencia. Las pantallas amplificadoras tienen una capa de material fluorescente, que emiten luz de ciertas frecuencias cuando inciden los R-x en ellas. Permiten realizar una menor exposición al paciente a los R-x, mejorando el rendimiento del Tubo de R-x, eliminan los artefactos de movimiento, pero disminuyen la claridad de la imagen. Nome relatore Radiología convencional 48 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Convencional Radiología Digital Sustituye el chasis por un detector Sistemas en su mayoría digital de R-x el cual es una tira de analógicos, por lo que requieren oxisulfuro de gadolino a la que se un control muy estricto para acopla un arreglo lineal de obtener imágenes de calidad fotodiodos (múltiplos de 1024). aceptable, debido a que la película radiográfica tiene una latitud de exposición muy baja. Técnicas de procesamiento digital de imágenes permiten efectuar realces o mejoras en el contraste Ø Aumenta costos de imágenes adquiridas a dosis Ø Radiación innecesaria al bajas, obteniendo imágenes de paciente igual o mejor calidad que con la radiología convencional. Nome relatore Conventional radiology 49 Acquisition system (X-ray detection) Computer Radiography Phosphoresence Latent image 700 nm 400 nm Made out of BaFBr:Eu Nome relatore Conventional radiology 50 Acquisition system (X-ray detection) Computer Radiography Photo multiplier The cassette can be read 2 or 3 times before it looses all the energy. Cassette needs white light in order to erase the info. ADC Nome relatore Conventional radiology 51 Acquisition system (X-ray detection) Digital Radiography Scintillanting Layer Nome relatore Conventional radiology 52 Acquisition system (X-ray detection) Digital Radiography Screen film radiography Scintillating radiography Nome relatore Conventional radiology 53 Acquisition system (X-ray detection) Indirect Digital Radiography Optic fiber coupling Charged Couple Device (CCD) Nome relatore Conventional radiology 54 Acquisition system (X-ray detection) Indirect Digital Radiography Photodiode layer Detector element (del) Nome relatore Conventional radiology 55 Acquisition system (X-ray detection) Indirect Digital Radiography Nome relatore Conventional radiology 56 Acquisition system (X-ray detection) Direct Digital Radiography Amorphous selenium layer Electron holes Ø Great resolution Ø Can not handle high X-ray energies Ø Ideal for mamography Nome relatore Radiología convencional 57 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Digital Ø En este tipo de sistemas el tubo de R-x y el detector son controlados por una computadora. Ø La imagen resultante se almacena y se procesa en una computadora de forma digital. Ø El despliegue de la información se hace en un monitor (actualmente de HD). Ø La imagen puede ser salvada en memorias, discos, además se cuenta con la posibilidad de imprimir dicha imagen digital en una película de radiología convencional si se desea una copia analógica de la misma. Nome relatore Radiología convencional 58 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Digital Ø El control de las características de la imagen en el sistema de despliegue permite que se altere la presentación del rango completo de niveles de intensidad, mejorando el contraste de la imagen de forma digital. Ø Reducción de la dosis de radiación, controlando de forma digital el nivel de ruido requerido para observar características particulares, es decir, se define la relación señal a ruido. Ø Permite aplicar procesamientos (segmentación, corte, modificación de los niveles de intensidad de la imagen, etc.) imposibles de realizar en radiología convencional. Nome relatore Radiología convencional 59 Sistema de Adquisición de la Imagen Radiología Digital Ø Se optimiza el espacio empleado por los sistemas de archivo de radiología convencional. Ø Búsqueda automatizada vs. Búsqueda manual en sistemas de archivo convencionales. Ø Se evita la destrucción de placas convencionales (acción aplicada para evitar saturación y recuperación de plata por parte de las empresas). Ø Es posible tener un seguimiento de un paciente por un periodo de tiempo mas largo (aplica para todos los sistemas de imagenología digital) Nome relatore Radiología convencional 60 Control de calidad de la imagen Dentro de un programa de control rutinario, se deben de efectuar tomas de diferentes objetos de prueba (phantom) Esto permitirá al usuario: Ø Conocer los rangos de operación del equipo Ø Conocer las densidades de los objetos que serán posibles visualizar Ø Conocer los parámetros de cada objeto a analizar. Nome relatore Radiología convencional 61 Control de calidad de la imagen El uso de estos simuladores de estructuras de interés, permite al usuario (técnico radiólogo) mejorar sus habilidades para la adquisición de las imágenes. Sin embargo esto es solo un control extrínseco de la calidad de la imagen. Nome relatore Radiología convencional 62 Control de calidad de la imagen El control intrínseco de la calidad de la imagen se obtiene al cerciorarse del funcionamiento apropiado de los parámetros (programables y no programables) que es posible modificar en el equipo de Rayos X. Estos parámetros son: Ø Calibración del voltaje Ø Calibración del tiempo de exposición Ø Calibración de la salida del tubo de R-x Ø Tamaño del punto focal Ø Alineación y perpendicularidad del haz de R-x y la placa detectora de la imagen. Nome relatore Radiología convencional 63 Control de calidad de la imagen Calibración de voltajes. En radiología diagnostica se emplean diferentes rangos de voltajes de excitación (Tórax 120 kV pico, Mastografía 30 kV pico). En un equipo de R-x se deben realizar mediciones cada 10 kV a lo largo del rango de operación del equipo. Existen dos formas de realizar la medición del voltaje: Ø Kilovólmetro electrónico Ø Penetrámetro Son permitidos las variaciones de hasta 5kV. Nome relatore Radiología convencional 64 Control de calidad de la imagen Calibración de la exposición. Para asegurar que el kV y la exposición a la radiación sean correctas, se debe de controlar el tiempo de exposición. El control del tiempo de exposición se realiza mediante dos dispositivos: Ø Un disco de cobre que posee al menos una perforación, el cual esta conectado a un motor. Ø Sistemas de exposición electrónicos Los tiempos de exposición no deben de varias mas de 5% o 0.01 seg. del valor programado. Nome relatore Radiología convencional 65 Control de calidad de la imagen Calibración del control de salida. El potencial de excitación del Tubo de R-x puede modificarse por la corriente del mismo, de tal manera que es importante revisar los potenciales a distintos valores de corriente. Las mediciones de corriente se realizan con una cámara de ionización a la distancia focal del paciente. 1. Corriente Variable del tubo kV fijo / Tiempo de exposición fijo 2. Tiempo de exposición variable kV fijo / Corriente del tubo fija 3. kV variables Tiempo de exposición fijo / Corriente fija El equipo debe de ser consistente en un 95%. Nome relatore Radiología convencional 66 Control de calidad de la imagen Calibración del tamaño del punto focal. El área del punto focal es finita y esta produce imágenes borrosas cuando se esta fuera de foco. Los puntos focales están relacionados con el tamaño del filamento de tungsteno, los cuales dependen de la cantidad de calor que puedan disipar. Se debe de encontrar el punto focal adecuado de cada equipo utilizando una cámara de “pinhole” (agujero de 75 mm de diámetro en una placa de oro o aluminio montada en una placa de cobre) la cual proyecta la imagen del punto focal efectivo. Valores de punto focal de cada objeto de interés son proporcionados por el fabricante. Nome relatore Radiología convencional 67 Control de calidad de la imagen Calibración de la alineación y perpendicularidad. Para colimar el campo de los R-x al tamaño y posición correctos, se proyecta un rayo de luz a través de los colimadores para que coincida con el campo de los R-x. La luz debe de pasar por el centro de dos alambres opacos, y posteriormente se toma una imagen, si existe una buena alineación y perpendicularidad se deben de observar las sombras de los alambres en la imagen. Nome relatore