Procesamiento de Imágenes Médicas

Transcripción

1 Procesamiento de Imágenes Médicas Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad de Ciencias de la Computación Daniel Alejandro Valdés Amaro, Ph.D

2 2. Adquisición de imágenes médicas

3 2.2 Imágenes de Rayos X

4 2.2.1 Introducción

5 Introducción Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Wilhelm Röntgen. Se dio cuenta de que un tipo desconocido de rayo emitido por un tubo de rayos catódicos (CRT) penetraron fácilmente el papel, aluminio y muchos otros materiales, pero no una placa de plomo.

6 Introducción Las imágenes en rebanadas generalmente se reconstruyen a partir de algún tipo de proyección, la cual sin embargo, puede causar ar tefactos adicionales. Descubrió además que los rayos ennegrecido una película, de manera que imágenes fotográficas se podrían producir. Röntgen llamó a este tipo desconocido de radiación rayos X.

7 Introducción Una cantidad específica de la energía de un rayo X es atenuada al penetrar un material. Por primera vez en la historia, una técnica no invasiva permitía una visualización del cuerpo humano (véase la figura siguiente).

8 Introducción Los aspectos nocivos de los rayos x no se conocían en los primeros años. Se empleó para todo tipo de propósitos sin equilibrar la potencial ganancia de información a través deformación de imágenes contra la nocividad a la exposición a la radiación.

9 Introducción Por ejemplo, hasta la década de los 60s, algunas tiendas de zapatos todavía ofrecían un servicio en el que los pies del cliente usando los zapatos a ser comprados se tomaban usando rayos X. Pocas precauciones se tomaron para asegurar a los operadores de máquinas de rayos X a la exposición nociva.

10 Introducción Los rayos X son ondas electromagnéticas con una longitud de onda por encima del espectro visible. La radiación electromagnética tiene las características de las olas, pero en realidad está viajando como agrupamientos de energía llamados fotones con una longitud de onda dada. Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio de transporte tal como las ondas de sonido y viajan a la velocidad de la luz.

11 Introducción Ejemplos de ondas electromagnéticas, en orden creciente de energía son: ondas de radio, la luz visible y los rayos X o rayos gamma (véase la figura siguiente).

12 Generación de rayos X La comprensión de los diferentes tipos de rayos x requiere algunos conocimientos sobre su generación. Los electrones en un átomo se organizan en capas alrededor del núcleo. Ya que los electrones cargados negativamente son atraídos a los protones en el núcleo, la capa más interior contiene electrones de menor energía.

13 Generación de rayos X Se requiere entonces de energía para mover un electrón de una capa interior a una exterior, que es equivalente a la diferencia entre niveles de energía de las dos capas. Si un electrón se libera de una capa, la cantidad de energía equivale a la diferencia entre su nivel actual de energía y el nivel de la capa más externa, más la energía para quitar un electrón de la capa más externa.

14 Generación de rayos X Los electrones de la capa más externa son, pues, los más fáciles de quitar y son llamados electrones de valencia. Los rayos X se generan como exceso de energía de los electrones en el material de un Tubo de Rayos Cátodicos (TRC) cuando se calienta el cátodo. La energía de calentamiento hace que los electrones sean liberados desde el cátodo y acelerados hacia el ánodo.

15 Generación de rayos X

16 Generación de rayos X El exceso de energía se libera como rayos X y depende de la diferencia de energía entre las capas del exterior y las internas. Por lo anterior, la radiación de este proceso es monocromo y este tipo de rayos X es denominado radiación de rayos X característica o monocroma. Los tubos de rayos X se caracterizan por la cantidad total de energía que se emite como rayos X y la calidad de la radiación.

17 Generación de rayos X Un tubo de alta calidad tiene una mayor proporción de radiación de alta energía y de radiación monocromática. Una alta calidad de la radiación impone una menor dosis en el paciente y generalmente produce mejores imágenes.

18 2.2.2 Imágenes de rayos X

19 Imágenes de rayos X Las imágenes de rayos X usan la dependencia de la absorción fotoeléctrica en el número atómico para producir una imagen significativa para el diagnóstico.

20 Generación de rayos X El equipo de diagnóstico para imágenes de rayos X consiste en al menos en un tubo de rayos catódicos que emite rayos X, y se el paciente se coloca entre el emisor y el receptor. El receptor puede ser una película, un intensificador de imagen o un detector de panel plano, con estos dos últimos usados para producir imágenes digitales.

21 Generación de rayos X Detector: Película TFT (Pantalla) Intensificador de imagen Fuente de rayos X

22 Imágenes de rayos X El proceso de obtención de imágenes descrito anteriormente es idealizado respecto a que se supone que la fuente de la radiografía es una fuente puntual. En realidad, el punto focal de una fuente de rayos X cubre una área finita, lo que conduce a una pérdida de resolución debido a la penumbra. Su extensión depende de las distancias entre la fuente, el objeto y el receptor, así como en el diámetro del punto focal (véase la fig. siguiente).

23 Imágenes de rayos X Diferentes tamaños de el punto focal causan diferente desenfoque incluso si la abertura es lo misma.

24 Imágenes de rayos X Los rayos X convencionales de los CRT tienen un punto focal con un diámetro de 1 mm, los tubos de rayos catódicos finos de enfoque tiene uno con un diámetro de 0.5 mm y los CRT de microfoco tiene un punto de diámetro focal de 0.2 mm. La colocación del paciente entre la fuente y el receptor causa un endurecimiento adicional del haz de rayos X.

25 Imágenes de rayos X De los tres tipos de receptores la película analógica es el más antigua y la más generalizada. La película puede ser digitalizada, pero los receptores como los intensificadores de imagen y detectores de panel plano se prefieren si lo que se desea es postprocesado asistido por computadora. Un intensificador de imágenes produce una imagen visible de rayos X de forma similar que un CRT convencional.

26 Imágenes de rayos X Los rayos X se convierten en luz visible en una pantalla de fósforo en un tubo de vacío, que después se convierte en electrones por un fotocátodo. Los electrones se concentran y se aceleran hacia el ánodo y se proyectan en el fósforo de salida produciendo la imagen intensificada. La mejora a través de un intensificador de imagen, aumenta el brillo del fósforo de salida más de 1000 veces con respecto a la muy débil señal en la entrada de fósforo.

27 Imágenes de rayos X El intensificador de imágenes se inventó originalmente para crear una señal visible sin la necesidad de utilizar y revelar una película. Tiene la ventaja adicional de permitir la transmitancia de la señal electrónica y su digitalización por medio de un convertidor A/D. Las imágenes de un intensificador de imagen sufren de un número de artefactos de los cuales 3 son relevantes para procesamiento posterior:

28 Imágenes de rayos X 1. Viñeteado 2. Distorsión de tipo acerico 3. Distorsión S

29 Imágenes de rayos X Un receptor completamente digital de rayos X es el detector de panel plano TFT que se ha desarrollado en los últimos años. Un detector de panel plano combina un centelleador de pantalla plana, que convierte los rayos X en luz visible con un detector que convierte la luz en una señal eléctrica analógica, que luego puede ser digitalizada.

30 Imágenes de rayos X Varios estudios han establecido la adecuación del uso de un detector de panel plano en proyección de imágenes de diagnóstico con la ventaja adicional de menores dosis necesarias para la formación de las imágenes. Sin embargo, la resolución espacial en la radiografía digital es todavía menor que la de la película, pero los recientes avances en el diseño del detector TFT han mejorado la resolución alcanzable y ahora cae en el rango de la película (alrededor de pixeles).

31 Imágenes de rayos X Una ventaja de la radiografía digital utilizando un detector TFT o un intensificador de imagen es que el operador puede elegir la resolución espacial.

32 2.2.3 Fluoroscopia y angiografía

33 Fluoroscopia y angiografía La fluoroscopia es un tipo específico de imágenes de r a y o s X q u e permite visualizar o b j e t o s e n movimiento o que presentan cambio e n e l c u e r p o humano.

34 Fluoroscopia y angiografía La técnica recibe su nombre debido a que los rayos X se convierten en luz visible con una pantalla fluorescente. Los primeros sistemas de fluoroscopia colocaban la pantalla directamente detrás de el tubo de rayos X y del paciente; el médico estaba sentado delante de la pantalla.

35 Fluoroscopia y angiografía La fluorescencia de rayos X es muy débil, de manera que la introducción del intensificador de imagen hizo de las imágenes de fluoroscopia una herramienta mucho más viable. La mayoría de los dispositivos actuales de imágenes fluoroscópicas pueden producir imágenes digitales y permiten también la creación de películas de rayos X. Los dispositivos de formación de imágenes fluoroscópicas no son necesariamente estáticos.

36 Fluoroscopia y angiografía

37 Fluoroscopia y angiografía Cuando se monta apropiadamente, puede ser rotado alrededor del paciente para producir proyecciones a lo largo de direcciones arbitrarias. La Fluoroscopia se utiliza para el diagnóstico y apoya las intervenciones quirúrgicas. Se trata de una técnica de imagen atractiva para el uso de este último caso porque las imágenes pueden ser producidos durante la intervención.

38 Fluoroscopia y angiografía

39 Fluoroscopia y angiografía A una imagen fluoroscópica del sistema vascular usando un agente de contraste se le llama angiografía. El agente de contraste se aplica mediante un catéter guiado a la ubicación a ser representada en una imagen, por ejemplo, el cerebro o la pared del corazón.

40 Fluoroscopia y angiografía Ta l e s s i s t e m a s d e adquisición también pueden utilizarse para la reconstrucción de imágenes 3D a partir de una secuencia de p r oye c c i ó n d e s d e diferentes ángulos s i m i l a r e s a l a t o m o g r a f í a computarizada.

41 Fluoroscopia y angiografía La información anatómica de todas las demás estructuras se pueden eliminar restando una imagen, lo cual se hace antes de dar el agente de contraste. Aunque es posible, y que se ha hecho, hacer la resta mecánicamente usando película, ahora se hace con imágenes digitales. La técnica se llama angiografía por substracción digital (ASD).

42 Fluoroscopia y angiografía La ASD mejora los vasos sanguíneos mucho más en comparación con la angiografía, pero las imágenes pueden sufrir de la aparición de artefactos causados por el movimiento.

43 2.2.4 Mamografía

44 Mamografía El propósito de la mamografía es detectar lesiones pequeñas, no palpables en la mama femenina. El objetivo del análisis humano asistido por computadora en la mamografía es encontrar calcificaciones que son potenciales sitios de tumores. Esto requiere de una calidad de imagen mucho más alta que en los rayos X normales con respecto al contraste y la resolución espacial.

45 Mamografía

46 Mamografía Dado que el contraste y la resolución se ven afectados por dispersión, los tubos de la mamografía, reducen la radiación de frenado (desaceleración de una partícula cargada) mediante ciertos filtrados adecuados. Además, los tubos de mamografía utilizan un material (molibdeno) que produce un rayo X casi monocromático con picos de energías alrededor de 17 a 19 kev.