Wstęp do diagnostyki
obrazowej
Andrzej Dąbrowski
Zakład Fizyki Medycznej
Świętokrzyskie Centrum Onkologii
Diagnostyka obrazowa
nieinwazyjna metoda odwzorowania wewnętrznych
narządów człowieka.
2
Promieniowanie w diagnostyce obrazowej
1896  W. C. Roentgen: odkrycie promieni X,
pierwszy radiogram dłoni
4
Diagnostyka rentgenowska  przez pierwsze 50 lat to
jedyna technika obrazowania stosowana w medycynie.
Modyfikacje i zmiany (nowe technologie i rozwiązania
konstrukcyjne):
" generator wysokiego napięcia z mechanicznym
prostownikiem (C. Snook, Victor Electric Co., 1904),
prostownikiem (C. Snook, Victor Electric Co., 1904),
" rentgenowska lampa pró\
niowa z gorącą katodą (W.D.
Coolidge, 1913),
" kratka przeciwrozproszeniowa (G. Bucky, 1913),
" ekrany wzmacniające (C.V.S. Patterson, 1916),
" filmy dostosowane do diagnostyki rtg (Kodak, 1896-1923),
" lampy z wirującą anodą (A. Bouwers, 1929),
" prace nad wzmacniaczem obrazu (J.V. Coltman, 1938)
5
Rozwój technik obrazowania I
6
Rozwój technik obrazowania II
7
Profesjonalne opracowanie teoretycznych podstaw
procesów obrazowania pozwalające na całościowe ujęcie
postępowania diagnostycznego.
Wymagało to:
" uwzględnienia zagadnień dotyczących zale\
ności
" uwzględnienia zagadnień dotyczących zale\
ności
parametrycznych, energetycznych i geometrycznych wiązki
promieniowania u\
ywanej w danej metodzie diagnostycznej,
" określenia fizycznych warunków ekspozycji,
" zapoznania się z oddziaływaniem promieniowania w
obiekcie i układzie detekcyjnym.
8
Osobny problem:
" zdefiniowanie jakości otrzymywanych obrazów w aspekcie
ich przydatności w wykrywaniu określonych struktur
anatomicznych.
Techniki obrazowania wykorzystujące promieniowanie
jonizujące:
" określenie otrzymywanych przez pacjentów dawek
połączone z próbą ich minimalizacji.
9
Rozpiętość w wartościach parametrów obrazów
rejestrowanych ró\
nymi technikami na przykładzie
rozdzielczości (pl/mm)  zmiana o dwa rzędy wielkości.
10
W ka\
dej aparaturze diagnostycznej mo\
na
wydzielić następujące elementy:
" y
ródło promieniowania o energii umo\
liwiającej penetrację
wiązki przez obiekt biologiczny charakteryzujący się określoną
grubością i gęstością tkankową. Wydajność z
ródła powinna
zapewniać wymaganą gęstość informacji w obrazie w przyjętym
czasie ekspozycji.
" Nośniki informacji obrazowej, których zmiany ilościowe po
przejściu przez badany obiekt tworzą obiekt tych zmian będący
podstawą oceny klinicznej badanego narządu.
11
W ka\
dej aparaturze diagnostycznej mo\
na
wydzielić następujące elementy:
" Układ detekcji rejestrujący przechodzące przez obiekt
promieniowanie w celu przetworzenia go w sygnały czytelne
dla systemów prezentacji danych obrazowych.
" Układ współrzędnych przypisujący ka\
demu zdarzeniu
zarejestrowanemu przez detektor dwóch wartości określających
jego miejsce na płaszczyz
nie obrazu. U\
ywana w niektórych
metodach trzecia współrzędna wyznacza energię zdarzenia do
określenia widma energetycznego na wyjściu z detektora.
12
W ka\
dej aparaturze diagnostycznej mo\
na
wydzielić następujące elementy:
5. Układ filtrujący i bramkujący celem eliminacji sygnałów nie
zawierających informacji lokalizacyjnej o badanym obiekcie.
6. System obrazowania zapewniający liniowe odwzorowanie na
płaszczyz
nie obrazu obiektu, realizowane dowolną techniką
planarną lub tomograficzną.
13
W ka\
dej aparaturze diagnostycznej mo\
na
wydzielić następujące elementy:
7. Urządzenia zapewniające bezpieczeństwo pacjenta i obsługi.
Przedstawione wymagania powinny dodatkowo spełniać
warunki określone standardami stosowanymi w nowoczesnej
diagnostyce obrazowej.
14
Klasyfikacja metod obrazowania
Podział technik obrazowania według cech charakterystycznych
dla techniki odwzorowania lub zastosowanych rozwiązań
konstrukcyjnych
konstrukcyjnych
15
Obrazowanie w medycynie
16
Klasyfikacja metod obrazowania
" Podział na metody transmisyjne i emisyjne. Do pierwszej
zaliczają się te techniki, w których z
ródło promieniowania
znajduje się na zewnątrz pacjenta (diagnostyka rentgenowska),
znajduje się na zewnątrz pacjenta (diagnostyka rentgenowska),
do drugiej  techniki ze z
ródłem promieniowania znajdującym
się wewnątrz pacjenta (diagnostyka izotopowa). Jest to zgodne z
podziałem radiologii na rentgenodiagnostykę i medycynę
nuklearną.
17
Klasyfikacja metod obrazowania
" Podział uwzględniający rodzaj nośnika informacji obrazowej
wykorzystywanej w klinicznej ocenie badania. Dla technik
rentgenowskich będą to współczynniki absorpcji
rentgenowskich będą to współczynniki absorpcji
promieniowania X, dla technik izotopowych wybiórcze
gromadzenie radiofarmauceutyku w organizmie, dla
ultradz
więków przewodność akustyczna tkanki, dla rezonansu
magnetycznego stę\
enie protonów i czasy relaksacji.
18
Klasyfikacja metod obrazowania
" Podział na statyczne i dynamiczne metody obrazowania. W
badaniach statycznych obraz rejestrowany jest w jednej lub kilku
projekcjach, w dowolnym czasie i przy optymalnie dobranych
projekcjach, w dowolnym czasie i przy optymalnie dobranych
parametrach badania uwzględniających wymagania kliniczne. W
badaniach dynamicznych obrazy rejestrowane są w sekwencjach
czasowych wynikających z rodzaju badania, co pozwala
wyznaczyć zmiany w czasie czynnika charakteryzującego funkcje
dynamiczne badanego narządu.
19
Klasyfikacja metod obrazowania
" Podział na techniki planarne i tomograficzne. W technikach
planarnych obiekt rzutowany jest na płaszczyznę obrazu bez
informacji o jego grubości. W technikach tomograficznych
informacji o jego grubości. W technikach tomograficznych
informacja zbierana jest z wybranej warstwy przekroju obiektu i
po rekonstrukcji komputerowej prezentowana w postaci obrazu tej
warstwy, której współrzędne określają trzeci wymiar
odwzorowania.
20
Technika planarna
Konwencjonalna diagnostyka rtg  zbiorcza informacja po
przejściu promieniowania przez obiekt
21
Technika tomograficzna
Dwu wymiarowa informacja o pacjencie
22
Klasyfikacja metod obrazowania
" Podział uwzględniający szkodliwość wykonywanych badań
dla pacjentów. Rozró\
nia on wszystkie techniki stosujące
promieniowanie jonizujące od pozostałych (ultrasonografia,
promieniowanie jonizujące od pozostałych (ultrasonografia,
rezonans magnetyczny).
23
Nośniki informacji w metodach obrazowania
stosujących promieniowanie jonizujące
kwanty promieniowania X emitowane z lampy rentgenowskiej
 rentgenodiagnostyka,
ł
kwanty promieniowania ł powstające w wyniku rozpadu
ł
ł
izotopów promieniotwórczych  medycyna nuklearna
24
Nośniki informacji w metodach obrazowania
stosujących promieniowanie jonizujące
dominująca rola obu technik obrazowania w całej diagnostyce
klinicznej,
zło\
one oddziaływanie tych nośników z obiektem i
zło\
one oddziaływanie tych nośników z obiektem i
detektorem
Efekt oddziaływania działa degradująco na jakość otrzymywanych
obrazów klinicznych wprowadzając jednocześnie zagro\
enie
związane z ekspozycją pacjentów na promieniowanie jonizujące
25
Wszystkie metody obrazowania dą\
ą do
uzyskania mo\
liwie silnego  sygnału
małego poziomu  szumu
Sygnał  liczba kwantów docierająca do detektora.
Szum  wielkość składowej rozproszeniowej wiązki promieniowania
Ograniczenia dla:
" sygnał  dawka
" promieniowania rozproszonego  skuteczność jego eliminacji
26
W zakresie stosowanych energii prom. w diagnostyce
medycznej (20  120 keV) i małej gęstości ośrodka (~ gęstość
wody) liczącym się oddziaływaniem jest
" efekt fotoelektryczny
" rozproszenie komptonowskie
" rozproszenie komptonowskie
ze znaczącą dominacją tego ostatniego.
Istotna jest bezpośrednia transmisja przez obiekt (prom.
pierwotne  tylko ono zawiera u\
yteczną informację o
obrazowanym obiekcie!
27
Zastosowania diagnostyki obrazowej
4 główne zastosowania diagnostyki obrazowej:
1. Wizualizacja
2. Analiza ilosciowa
3. Lokalizowanie
4. Badania przesiewowe (screening)
28
1. Wizualizacja
Pytanie które sie stawia: czy widoczne są symptomy/cechy choroby
(tak/nie)
Nowoczesne techniki obrazowania umo\
liwiają przeprowadzenie
specjalizowanej procedury diagnostycznej zorientowanej na
konkretne schorzenie (np. przez dostosowanie skali szarości w CT)
konkretne schorzenie (np. przez dostosowanie skali szarości w CT)
Procedury techniczne:
 odszumianie,
 wzmacnianie krawędzi,
 wyostrzanie rozmytych obrazów,
 wizualizacja 3D,
  odsłanianie zasłoniętych organów
29
2. Analiza ilościowa
Zbieranie/obliczanie mierzalnych parametrów opisujących
wybrany organ pacjenta,
Przykłady: objętość komór serca, wielkość dziecka w łonie matki,
Typowo:
estymacja objętości organów na podstawie pomiarów 2D,
przy zało\
eniu o uproszczonym kształcie (cylindry, elipsoidy);
3D daje mo\
liwość du\
o b. precyzyjnych pomiarów, ale
parametrów będzie/jest zbyt du\
o i pomiar
elektroniczny/komputerowy będzie niezbędny.
30
30
3. Lokalizowanie
Cel: dokładna lokalizacja uszkodzenia (urazu lub zmiany
patologicznej)
Głównie w chirurgii i terapii radiacyjnej równie) istotne dla
interwencyjnych procedur radiologicznych (np. punkcje, biopsje,
drena\
e), np. wrzody
drena\
e), np. wrzody
Poza lokalizacją zmiany/uszkodzenia tak\
e wybór drogi dostępu
(kąt, głębokość)
Dane 3D bardzo cenne, bo lokalizacja uszkodzenia musi z reguły
odnosić sie do zewnętrznych punktów orientacyjnych na ciele
pacjenta (np. trzy centymetry nad pępkiem) analogicznie do
potrzeb terapii radiacyjnej
31
31
31
4. Badania przesiewowe
Cel: odsianie z du\
ej populacji osób pacjentów/obrazów
 podejrzanych i przeznaczenie ich do dalszej analizy przez
specjalistę
 mo\
e dotyczyć wielu badań lub jednego badania którego
wyniki są bardzo obszerne
Interpretacja du\
ej liczby wyników (obrazów) jest \
mudna np.
rutynowe:
rutynowe:
 przedoperacyjne prześwietlanie klatki piersiowej, okresowe
 badania mammograficzne
Charakterystyczne dla badań przesiewowych:
 względnie niskie prawdopodobieństwo wyniku pozytywnego,
  zmęczenie wynikami negatywnymi
 mo\
liwość komputerowo wspomagana interpretacja
obrazów radiologicznych (z powodzeniem zastosowane w
EKG)
32
32
32
32