curs 14_IM_web

7/26/2019 curs 14_IM_web

1/13

Curs 14Bazele fizice

ale imagisticii medicale

Disciplina de Biofizic

UMFCarol Davila,Bucuresti

Dr. Magda Mocanu

Sumar

1. Metode imagistice ce utilizeazultrasunetele

2. Metode imagistice ce utilizeazradia

ia X

3. Metode imagistice ce utilizeazizotopi radioactivi

4. Imagistica prin rezonanmagnetic

5. Metode imagistice de suprafa termografia

2

3

Introducere

Imagistica medical

= permite obinerea unor informaii privind starea organismului pe bazainterpretrii unor imaginiale corpului uman

4

Factor fizic Tehnic imagistic Alte aplicaii

RadiaiaX Radiografie Mamografie, DEXA (densitii osoase)

Radioscopie Tranzit baritat,urografie, angiografie, coronarografie

CT

Radiaia Scintigrafie

SPECT SPECT/CT

+ pozitroni PET PET/CT

Radiaia VIZ Endoscopie

Radiaia IR Termografie

Unde radioCmp magnetic

MRI

Ultrasunete Ecografie Ecocardiografie

Ecografie Doppler

Imagistica medical:

Anatomic (topografic)Starea fiziologica unor organeStarea patologica unor organeMalformaiiSarcinExistena unor tumori

FuncionalActivitatea unor organe

Impact minim asupra organismului uman

Expunerea medical

5

Doses Received Undergoing an Entire Procedure

Complete Exams Effective Dose, mSv

Intravenous Pyelogram (kidneys, 6 films)1 2.5

Barium swallow (24 images, 106 secfluoroscopy)1

1.5

Barium meal (11 images, 121 sec fluoroscopy)1 3.0

Barium follow-up (4 images, 78 secfluoroscopy)1

3.0

Barium enema (clisma) (10 images, 137 secfluoroscopy)1

7.0

CT head1 2.0

CT chest1 8.0

CT abdomen1 10

CT pelvis1 10

CT (headand chest)5 11

PTCA (heart study)6 7.557

Coronary angiogram6 4.615.8

Mammogram6 0.13

Plain Film X Rays

Single Radiographs Effective Dose, mSv

Skull (PA or AP)1 0.03

Skull (lateral)1 0.01

Chest (PA)1 0.02

Chest (lateral)1 0.04

Chest (PA and lateral)5 0.06

Thoracic spine (AP)1 0.4

Thoracic spine (lateral)1 0.3

Lumbar spine (AP)1 0.7

Lumbar spine (lateral)1 0.3

Abdomen (AP)1 0.7

Abdomen6 0.53

Pelvis (AP)1 0.7

Pelvis or hips6 0.83

Bitewing dental film6 0.004

Limbs and joints6 0.06

2014, Michael G. Stabin, Doses from Medical Radiation Sources6

Imaginile tomograficeTomografie

= obinerea unor imagini pe seciuni

voxel pixel

voxel = volume element

pixel = picture element

http://ehealthmd.com/library/mri/MRI_whatis.html

Pe calculator se construiete imaginea, a.. fiecruivoxel si corespundun element de imagine (pixel)

(lb. gr. tomein = a tia, graphein = a scrie)

7/26/2019 curs 14_IM_web

2/13

Metode imagistice ce utilizeazultrasunetele

7

Ultrasunetele aplicaii medicale (1)

8

2009, Suzanne Amador Kane, Introduction to physics in modern medicine

Obstetr ic Cardiologie Ginecologie Examinarea tumorilor de prostat Examinarea organelor abdominale Examinarea glandei tiroide

Aplicaii medicale: 2D, 3D, 4D

9

Ultrasunetele (US)

unde mecanice longitudinale cu frecvena mai mare de 20 kHz

http://www.newworldencyclopedia.org

1 MHz 30 MHz

Ultrasunetele utilizate n ecografie:

Cu ct frecvena este mai naltcu att se disting structuri mai fine

Viteza i impedana acustic(1)

10


Impedanacustic Densitatea

mediului

Viteza depropagare asemnalului

Viteza i impedana acustic(2)

11

Cu ct diferena de impedanacusticeste mai mare cu att fenomenul dereflexie e mai accentuat.

2009, SuzanneAmador Kane, Introduction to physics in modern medicine

Interfa

= zona de separare ntre doumedii (ex: aer-ap)

Ecografia (1)

12

Ecou

= fenomenul de reflexie a undelor acustice napoi n mediul iniial

Ecoul poate fi utilizat pentru:

Calcularea distanei la care se aflobiectul (ecolocaie)

Determinarea formei suprafeei care produce ecoul (ecografie)

Determinarea vitezei relative de deplasare a suprafeei care produceecoul (ecografie Doppler)

2

2

Se poate realiza o hart detaliata poziiei interfeelor care produc ecouri(ecografia)

7/26/2019 curs 14_IM_web

3/13

Ecografia (2)

13

Producerea ultrasunetelor:

efect piezoelectric invers

(tensiune electric US)

Detectarea ultrasunetelor:

efect piezoelectric direct

(US tensiune electric)

= transforma energia mecanicin energia electricai invers

College Physics, 2009, Vuille et al.

Pulsurile de ultrasunete sunt emise i detectate:cristale piezoelectrice

Cristal piezoelectric

Ex: cuarul (SiO2)

14

Ecografie ficat

Imaginea prezintesut hepatic.Liniile ntunecate reprezintvase de snge.

http://www.radiologyinfo.org

15

Ecografie calculi renali

www.radiologyinfo.org

Ecografia Doppler (1)

16


Aplicaii: Viteza de curgere a sngeluin inimsau vase sanguine Volum de snge n unitatea de timp

Regimul de curgere a sngelui (laminar sau turbulent)

17

Ecografie Doppler (2)

DopplerImagini ale vaselorde sange dininteriorul organelor

Fluxul de sangedinspre intestinspre ficat

http://www.radiologyinfo.org

Cod culoare Semnificaie

Rou strlucitor Flux mrit care se apropie

Rou ntunecat Flux redus care se apropie

Albastru Flux care se ndeprteaz

Galben/mozaic rou-albastru Curgere turbulent(anevrisme, stenoze ale lumenelor)

2009, SuzanneAmador Kane, Introduction to physics in modern medicine18

Metode imagistice ce utilizeazradiaii X

7/26/2019 curs 14_IM_web

4/13

19

Radiaia X

Radiaii electromagnetice ionizante (E > 10 eV, < 100 nm)

http://www.antonine-education.co.uk

20

Modaliti de producere a radiaiei X

Radiaie de frnare Radiaie caracteristic

http://www2.rgu.ac.uk/life_SEMWEB/xray.html

Electroni acceleraiElectroni accelerai

Electroni emiiElectroniemii

RX cuspectrudiscret

RX cuspectrucontinuu

Tehnicile imagistice

21

Tub Coolidge obinerea RX

1. catod (wolfram)2. anod (tungsten, molibden)

2010, Wolfson, Essential College Physics

(zeci sute kV)

RX avantaje i dezavantaje

Pros

Metode rapide (radiografia), nedureroase

Scop diagnostic

CT 3D, rezoluie mrit

Cons

Utilizarea radiaiei ionizante

RX nu este niciodatrecomandatfemeilor nsrcinate

Radiografia, radioscopia, CT abdominale nu sunt recomandatefemeilor n perioada fertil

Doza biologicpt CT este de cca 10 mSv ~ 2 x DMA; expunereandelungatpoate conduce la cancerizare

22

23

Radiografia. Radioscopia.

24

Radiografia

Imaginea se nregistreazpe unfilm fotografic:

Calciul absoarbe RX(oasele apar albe)

Grsimea i esuturile moiabsorb mai puin RX (apar gri)

Aerul nu absoarbe RX(apare negru)

Radiografia pulmonar

Gow et al., PLoS Med. 2005

Substane de contrast(elemente cu greutate atomicmare):

Bariu (tubul digestiv) Iod (vase de snge, sistem urinar)

7/26/2019 curs 14_IM_web

5/13

25

Detectarea recidivelor radiografie toracic

Gow et al., PLoS Med. 2005

Gefinitib

= inhibitor al fosforilriireceptorului pentruEGF

26

Radioscopie (1)

2007, Fodor et al., TMJ

Imaginile se proiecteazpe unecran fluorescent

Examinare radiologicn timp real

Organulinvestigat

Substanade

contrast

Explorareradioscopic

Tubdigestiv

Bariu Tranzit baritat

Sistemurinar

Iod Urografie

Vase desnge

Iod Angiografie,coronarografie

Atenie!Se verificsensibilitatea pacientului la sbde contast (iod) prevenire oc anafilactic

Zonele albe: bariuZonele ntunecate: aer

Mamografia

27

Mamografia

28

= examinarea glandei mamare cu o dozredusde radiaie X n scopdiagnostic sau screening (depistare n mas)

0,7 mSv

2011, Woods, Radiology

Mamografie (2)

29

, 48 aniIstoric familial:cancer mamar

Mamografia:MasneregulatdensstelatDgn: Carcinom ductolobular

2013, Menezes G et al., SpringerPlus

movie30

Tomografia computerizat

7/26/2019 curs 14_IM_web

6/13

31

1979, Premiul Nobel n Fiziologie i Medicin

Pentru optimizarea tomografieiasistate de calculator

http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1979/

Allan M. Cormack Godfrey N. Hounsfield

rinichi~ 1970

Furnizeazinformaii anatomice despre:esuturile moi Oasele

Photos: Copyright The Nobel Foundation

PN n Fiziologie i Medicin

32

CT componente principaleComponente principale:

1. Surse RX

2. Detectoare RXCristale scintilatoareFotomultiplicatoare

3. Sistem de reconstrucie aimaginii

2007, Introduction to CT physics

Modaliti de achiziie a imaginilor

33nregistrarea n spiralSeciune cu seciune2007, Introduction to CT physics

Scala Hounsfield

= scalcantitativcare descrie radiodensitatea

34

Convenie:Radiodensitate ap= 0Radiodensitate aer = 1000

1000

(pres, temp: cond standard)

HU = Hounsfield unit = coeficient de atenuare liniar

2007, Introduction to CT physics

35

Apical vertebra determined on anterio-posteriorradiogram (A) and corresponding CT scan (B)

Chun et al, Eur Spine J (2008) 17:22422936

3D CT scan image showing scoliosis ofthe spine with the rib cage.

Section through inferiormediastinum at infrascapularlevel

Chun et al, Eur Spine J (2008) 17:224229

7/26/2019 curs 14_IM_web

7/13

CT nivel toracic, gt, abdominal

2012 (~12 ani de la interveniainiial) fr evidene pt metastaze

37

2013, Choi et al., Endocrinology and Metabolism

,62 ani

1999, sarcom (tummaligna -es conj) artera pulmonarintervenie chirurgical+radioterapie fracionat(4500 cGy) +chemoterapie

2004, nodul tiroidianmetastatic tiroidoectomie

2006, metastaza la nivelulglandei suprarenale ndepratarea glsuprarenale

Movie

38

Computed tomography angiography (CTA)

J. D. Eastwood et al, AJR 2003; 180:3-12

, 54 aniDurere la nivelul gtului

Hemiparez

CT-angiografie:Ocluzie la nivelul arterei(trombus)

CT angiografie coronarian

39Plci de aterom calcifiate

artere coronare

2D

2013, Sabarudin et al., World J Cardiol

3D64 seciuni

40

Imagistica prin rezonanmagnetic

Tomografia computerizatprin rezonanmagneticnuclear(RMN)

41

Imagistica prin rezonanmagnetic

Tehnicneinvaziv utilzatnscop:

Diagnostic clinic

Explorare biomedical

Nuclee cu propriet

imagnetice

Nucleul atomului dehidrogen (protonul)

n esuturile biologice:

1H, 13C, 23Na, 31P, 39KCmp magnetic (foarte intens):

0,05 3 T (Tesla)

1T ~ 20000 mai mare dect cmpulmagnetic al Pmntului (0,00003 T)

42

Magneii nucleari

Orientare haotic Aliniere pedirecia cmpului magnetic

Curs Prof. Dr. Ganea

7/26/2019 curs 14_IM_web

8/13

43

Magneii nucleariexecuto micare de precesie

= (fiz.) micare a unuicorp n jurulaxei sale, axa descriind un con

cu vrful ntr-un punct fix


PRECSIE

44

Nucleele magnetice emit un semnal dupinteraciunea cu radiaia electromagnetic

Pentru a trece ntr-o stare excitatnucleul trebuie sprimeascdinexterior o energie proporionalcufrecvena micrii de precesie= frecvena de rezonan


La ncetarea pulsului deradiofrecven: nucleele revin n poziia iniial= timp de relaxare

Puls de radiofrecvenFrecvena de rezonana protonilor = 4,2 MHz

45

Timpi de relaxare


Timpi de relaxare:

T1 = timp de relaxare longitudinal(pt ap: 1000 ms)

T2 = timp de relaxare transversal(pt ap= 50 ms)

Situaii patologice T1, T2 prelungii

Substane de contrast

46

Atenie!

Se verificsensibilitatea pacientului la sbde contast prevenire oc anafilactic

Gadoliniu= reduce timpul de re-emisie al

radioundelor de ctre protoni imaginea este mailuminoas


47

Tipuri de seciuni la nivelul creieruluiThis series of three coronal T1-weighted studies, from an individual with autopsy-proven

Alzheimer disease (AD), were each acquired 1 yr apart and show progressive hippocampal(H) atrophy as the individual progressed from memory complaints

Johnson K A et al. Cold Spring Harb Perspect Med2012;2:a006213

2012 by Cold Spring Harbor Laboratory Press

7/26/2019 curs 14_IM_web

9/13

49

Brain stem lesions (arrows) on MRI of multiple sclerosis (MS). MRIshowing solitary pons lesion with sharply defined borders

PLoS One. 2011; 6(8): e22766.movie 50

Metode imagistice ce utilizeazizotopi radioactivi

Radionuclizi (radioizotopi)utilizai n medicina nuclear

51

2007, Advancing Nuclear Medicine Through Innovation

m = metastabil

= (despre un nivelenergetic) care are oviarelativ lung

Scintigrafia

52

Scintigrafia diagrama schematic

53

Detector = camera gama(camerde scintilaie):

2009, SuzanneAmador Kane, Introduction to physics in modern medicine

Monitor

Analizorde impulsuri

ColimatorCristale de scintilaieReea de PMT

Investigaie funcional54

RadioizotopiSubstana radioactiv= trasorul radioactiv:

Specificitate pentru un anumit esut

Timp de njumtire ct mai mic

Radionuclizi care emit radiaie de energie joas

Administrare: intravenoas

7/26/2019 curs 14_IM_web

10/13

55

Scintigrafie tiroidian

2012, Hamasaki et al., Thyroid Res. 2012; 5: 19.

A diffuse and significantly elevated uptake rate 3 and 24 hoursafter injection of 123I was 111% and 63% respectively

BoalaBasedow Graves(gua exoftalmic)

Hipertiroidie Oftalmopatie Dermopatie (ngroare derm)

2D

Pacient cu boala Graves

56

Scintigrafie renal

2009, Gilani et al., Cases J.; 2: 7509

Enalapril= antihipertensiv

99mTc-dimer captosuccinic acid (DMSA)

Reversibilitatea insuficienei renale acutedupoprirea tratamentului cu Enalapril

2D

Tomografia computerizatprinemisia unui foton unic (SPECT)

57 58

SPECT

Single-Photon Emission Computed Tomography

Radiaii Investigaie funcional

(tomografie computerizatprin emisia unui foton unic)

3D Aplicaii medicale:

Afeciuni ale creierului(demena, epilepsie, convulsii,leziuni la nivelul capului)

Afeciuni cardiace (blocareaarterelor coronare, scdereaeficienei inimii ca pomp)

Afeciuni osoase (vindecareafracturilor, progresia cancerului) 78 ani, pierdere de memorie, depresie

99mTc-hexamethyl propyleneamine oxime

2014, Santra et al, World Journal of Nuclear Medicine

coronaltransversal

59

Reconstructie 3D SPECT

S. Huang et al, Comput Math Methods Med. 2013; 2013: 647548.60

Detecia amilodozelor SPECT/CT

Minamimoto et al., Am J Nucl Med Mol Imaging. 2013; 3(3): 261271.

64 ani, mielom multiplu99mTc-aprotinin

aprotinin

= marker pt amiloidoze sistemice

SPECTCT

CT/SPECT

7/26/2019 curs 14_IM_web

11/13

Tomografia prin emisie de pozitroni

61

PET

62

Studiul activitii cerebrale

Detecia tumorilor(cerebrale, mamare, pulmonare etc)

Urmrirea activitii unorreceptori (dopamina, serotonin,noradrenalin)

Aplicaii medicale:

Positron Emission Tomography(tomografia prin emisie de pozitroni)

Johnson K A et al. Cold Spring Harb Perspect Med2012;2:a006213

2012 by Cold Spring Harbor Laboratory Press

63

Imaginea schematica unui aparat pentru PET

Lawrentschuk, N. et al. (2010)Functional imaging of renal cell carcinomaNat. Rev. Urol. doi:10.1038/nrurol.2010.40

n organism se introducsubstane marcate cu izotopiradioactivi care emit radiaie+ (pozitroni) i care au untimp de njumtire redus

64

PET substane radiofarmaceutice

FDG

= 18F fluorodeoxiglucoz (analog alglucozei marcat cu 18F)

= formarea imaginii pe bazametabolismului glucozei

Analogi ai aminoacizilor:11C metionin

= formarea imaginii pe baza sintezei deproteine

= permite diferenierea tumorilor deinflamaii

http://www.radiolabeling.org/theory/synthesis.htm

65

Detectarea recidivelor FDG-PET

J. Cuaron et al., Front Oncol. 2012; 2: 208.

67 ani, 4 luni 9 luni66

Detectarea tumorilor: FDG-PET/CT

FDG-PET/CT detected increasedmetabolism in the right breast

2012, Barata et al., Case Report Oncology

PET/CT movie~ 25 mSV

7/26/2019 curs 14_IM_web

12/13

Termografia

67

Digital image vs IR image

68

Detecteazdiferene de temp = 0,1 CTehnic neinvaziv

69

Anizotermie plantarla pacieni cu diabet

Anizotermie plantar(T 0.4C)la un pacient cu diabet

Balbinot et al., Clinics (Sao Paulo). 2012 December70

Infrared image of the anterior aspect of the knees

C. Hidebrandt et al., Sensors (Basel). 2010; 10(5): 47004715.

Ruptura ligamentului antreriorde la nivelul genunchiului drept

Profil hipertermic genunchiul drept este afectat

71

Imagini comparative ale termografiei mamare

Normal b reast thermogram Abnormal b reas t t hermogram

Umadevi V et al., Indian J Med Res. 2011 November; 134(5): 725731.

(Tumorile au activitate metabolicintenstemperatura crescut)

The lack of specificity makes it necessary to combine these measurementswith other, more structural modalities (X-ray, computed tomography),rather than using it as a replacement.

C. Hidebrandt et al., Sensors (Basel). 2010; 10(5): 47004715.

Imagine termic subiect care a vorbit latelefonul mobil 15 min

72

7/26/2019 curs 14_IM_web

13/13

73

Grad de invazivitate factor fizic

Tehnicimagistic Factor fizic utilizat/nregistrat

PET/CT Pozitroni, radiaie , radia

ie X

SPECT/CT Radiaie , radiaie X

PET Pozitroni, radiaie

SPECT Radiaie

Scintigrafie Radiaie

CT Radiaie X

Radioscopie Radiaie X

Radiografie Radiaie X

IRM (RMN) Unde radio, cmp magnetic

Ecografie Ultrasunete

Termografie nregistrare radiaie IR

curs 14_IM_web

Documents

Transcript of curs 14_IM_web