Prof. Dr. Charlie Antoni Miquelin. Conceitos de Aquisição de Dados

Transcrição

1 Conceitos de Aquisição de Dados

2 Esquema Básico de Aquisição de Dados Em TC, as medidas de transmissão coletada de um paciente, também são chamadas de projeções. A maneira como esta coleta é realizada varia de geração para geração e do fabricante de equipamento. A aquisição dos dados se refere a maneira como o paciente é escaneado para que se obtenham dados suficientes para a construção da imagem. A varredura é definida pela geometria do feixe, a qual caracteriza cada sistema de TC e também influencia a resolução espacial e a produção de artefatos no equipamento. Dois elementos em básicos de um esquema de aquisição de dados são a geometria do feixe e os componentes do sistema. A geometria do feixe se refere ao tamanho, forma, movimento e caminho do feixe de raios X durante a aquisição dos dados e os componentes referem se as peças do equipamento que dão forma e definem o feixe, medem a radiação transmitida pelo feixe que e convertem em dados digitais o que foi coletado.

3 Esquema Básico de Aquisição de Dados O sistema tubo e detetores se encontra alinhado em sua direção central. O sistema tubo e detetores escaneia o paciente para coletar um grande número de medidas de transmissão. O feixe é formatado por um filtro especial assim que deixa o tubo. O feixe é colimado para passar pela seção de interesse do paciente. O feixe é atenuado pelo paciente e os fótons transmitidos são medidos pelos detetores. Os detetores convertem os fótons de raios X em sinais elétricos (dados analógicos) Estes sinais elétricos são convertidos pelo CAD em dados digitais. Os dados digitais são enviados para o computador fazer a construção da imagem.

4 Terminologia Considere um sistema de aquisição tal qual Hounsfield utilizou em seus primeiros experimentos em TC. O feixe de raios X que sai do tubo consiste de muitos raios. Em TC um raio é a parte do feixe que chega aos detetores. A linha do tubo aos detetores é considerada um único raio e o conjunto destes raios em uma translação ou grau de rotação é chamado view ou vista. Os detetores ao coletar os fótons geram um sinal elétrico que representa uma assinatura da atenuação do feixe de raios X naquela translação ou grau de rotação. Este sinal, ou assinatura é chamado de profile ou perfil. Assim sendo, uma vista gera um perfil, assim como um raio gera uma pequena parte do perfil.

5 Terminologia Cada conjunto de medidas de transmissão adquiridas em uma translação ou rotação é chamado de amostra de dados. A produção de uma imagem de um corte em TC requer um grande conjunto de amostra de dados tomados em diferentes localizações para satisfazer o processo de construção da imagem. O número total de amostra de dados por escaneamento é dado por: DS total = número de detetores x número de amostra de dados por detetor ou DS total = número de amostra de dados por vista x número de vistas

6 Pr Geometria de Aquisição de Dados of r..d A geometria de aquisição de dados se refere basicamente ao formato do feixe (paralelo ou leque) e ao movimento do sistema tubo de raios X e detetores durante a aquisição. C e rli ha Esta categorização em muito se assemelha com as gerações de TC. A diferença é que esta nomenclatura se baseia na geometria do escaneamento, no movimento realizado para o escaneamento e no número de detetores. Geometria do Feixe Movimento do Sistema 1 2 paralelo leque translação/ translação/ rotação rotação um leque leque leque leque rotação rotação só do tubo sem movimento rotação de dois tubos conjunto semicircular conjunto circular vários conjuntos semicirculares lin conjunto linear 3 ue iq Número de Detetores M ni to An Gerações vários conjuntos semicirculares

7 Escaneamento de Geometria Helicoidal A necessidade de exames mais rápidos e melhores imagens 3D impulsionaram novas tecnologias que culminaram nos sistemas helicoidais hoje existentes. Juntamente com os sistemas multicortes foram as últimas grandes inovações tecnológicas dos equipamentos de TC. Neste tipo de equipamento, na sua vasta maioria de 3 a Geração, o sistema tubo de raios X e detetores giram de forma contínua ao redor da abertura do Gantry e portanto do paciente. Desta forma a mesa pode executar um movimento contínuo enquanto o sistema acoplado gira sem parar ocasionando a coleta de medidas de transmissão de um grande volume do paciente e não mais de apenas um corte. Este tipo de tecnologia que propicia a rotação contínua do sistema acoplado do tubo de raios X e detetores é chamada de slip-ring ou anel deslizante. O caminho traçado pelo feixe durante o escaneamento descreve um helicóide, daí o nome Helicoidal da geometria.

8 Sistemas de Geometria Curta e Longa Muitos fatores influenciam o tamanho do gantry no equipamento de TC, incluindo a distância da fonte ao isocentro, a distância da fonte ao detetor, tamanho do campo de visão e o ângulo de abertura do feixe (fan). Nos sistemas de geometria curta, a distância entre o tubo e o paciente no isocentro é menor do que na geometria longa. Este arranho aumenta a eficiência de detecção, já que mais fótons serão coletados. Entretanto como a concentração de fótons por unidade de área aumenta nestes sistemas, a dose aumenta também. Sistemas de geometria longa são necessários para melhorar o problema de borramento das imagens e para diminuir a dose no paciente.

9 Pr Tecnologia Slip-Ring.D of r. A rotação contínua do sistema de tubo de raios X e detetores acoplados só é possível graças a tecnologia de anel deslizante (slip-ring). C e rli ha Os anéis deslizantes são sistemas eletromecânicos que consistem de anéis circulares condutores e sistemas de escovas que transmitem energia elétrica ao longo da interface de rotação. M ni to An Atualmente todos os equipamentos de TC possuem esta tecnologia e se referem a ela como rotação contínua, TC Volumétrica ou equipamento slip-ring. Existem sistemas de sistemas de anéis deslizantes em forma de discos e em forma de cilindros. lin ue iq Nos sistemas em disco as linhas condutoras formam círculos concêntricos no plano de rotação e nos sistemas cilíndricos as linhas condutoras se encontram na parte externa ao longo do eixo de rotação.

10 Pr Tecnologia Slip-Ring r..d of As escovas são conjuntos de fios que podem receber ou transmitir eletricidade permitindo que seus componentes de contato se movimentem. rli ha C Nem sempre as escovas tem a aparência que o nome descreve. As escovas compostas são uma liga de prata e grafite para o contato deslizante. e Para manter o contato entre as escovas e os anéis são usados diferentes sistemas como molas ou trabalho de forças. M ni to An Nos sistemas tomográficos slice-by-slice, os cabos que alimentavam os componentes do TC, não permitiam que mais de uma rotação em uma mesma direção fosse feita. Nestes sistemas os cabos eram alimentados por um gerador de alta tensão localizados externos ao gantry. ue iq lin No equipamentos helicoidais (slip-ring) o gerador de alta tensão estão localizados no gantry. Dois sistemas deste tipo estão disponíveis: slip-ring de alta e baixa voltagem.

11 Tecnologia Slip-Ring Slip-ring da baixa voltagem: é o sistema mais comum atualmente. Neste sistema a tensão de entrada do equipamento é repassada ao anel deslizante, que por sua vez fornece tensão ao gerador de alta voltagem que alimenta o tubo de raios X. Neste sistema o tubo de raios X e o gerador estão contidos no conjunto orbital ou conjunto de rotação. Slip-ring de alta voltagem: neste sistema a tensão de entrada passa primeiro pelo gerador de alta voltagem que transmite esta tensão ao anel deslizante que alimenta diretamente o tubo de raios X. Neste sistema o gerador de alta voltagem não está contido no conjunto de rotação. A maior vantagem do sistema slip-ring é a facilidade de rotacionar continuamente durante a aquisição proporcionando a aquisição volumétrica dos dados de maneira muito mais rápida do que no sistema corte a corte. Além disto, o sistema slip-ring continua a proporcionar a aquisição em sistema corte a corte quando necessário.

12 O Sistema de raios X O sistema de raios X dos equipamentos de TC é composto pelo gerador de alta voltagem, o tubo de raios X, a filtragem do feixe de raios X e os colimadores. Os Geradores de Alta Tensão Os geradores de alta tensão utilizados atualmente são de alta frequência, compactos e mais eficientes que geradores trifásicos. Os geradores podem estar montados ou não no conjunto de rotação, mas todos estão dentro do gantry. O gerador de alta freqüência geralmente é chamado de circuito inversor de alta freqüência. A baixa voltagem (220 V AC) e a baixa freqüência (60 Hz) na entrada do gerador é convertida em alta voltagem ( kv DC) e alta freqüência ( Hz). As técnicas de exposição também dependem da potência de saída dos geradores. Os atuais geradores tem taxas de potência da ordem de 50 kw que permitem configurações na faixa de kvp e ma.

13 O Sistema de raios X Depois da retificação da alta voltagem, o ripple do gerador de alta freqüência é de cerca de 1%, muito menor quando comparado a 4% do gerador trifásico de 12 pulsos mais comumente utilizado em equipamentos de raios X convencional. A seqüência abaixo demonstra esta conversão.

14 Tubos de raios X Em relação a produção dos raios X, os tubos dos equipamentos de TC (exceto os de 5 a geração) se assemelham muito aos usados nos equipamentos de radiologia convencional. Os equipamentos de primeira e segunda geração usaram tubos de ânodo fixo, resfriados por óleo, mas os tubos de ânodo rotatório se tornaram comuns em TC devido a grande demanda de saída e potência necessárias neste tipo exame. Os tubos de ânodo rotatório produzem um feixe heterogêneo de radiação a partir de ânodo em forma de disco de largo diâmetro com pontos focais que facilitam a resolução os requerimentos de resolução espacial do equipamento. Em geral o ânodo é um disco composto de um liga de rênio, tungstênio e molibdênio (RTM) ou outros materiais com um pequeno ângulo de inclinação no alvo (12 o ) e velocidade de rotação de 3600 a rpm. A modalidade helicoidal exigiu outro nível de mudança dos tubos de raios X, já que nestes tipo de exame o tubo fica girando continuamente em sua potência máxima por vários segundos ou até mesmo minutos. Novas técnicas de construção dos tubos foram desenvolvidas par adequar as demandas de geração e dissipação de calor no processo de produção contínua de raios X.

15 Pr Tubos de raios X of.d O envelope do tubo, a montagem do ânodo rotatório e o design do alvo sofreram diversas alterações até os tubos mais modernos. r. Apesar do de prover boa dissipação de calor e isolamento elétrico, os envelopes que anteriormente eram de vidro (borosilicato) para preservar o vácuo no sistema, passaram ser de metal, para evitar os arcos elétricos causados pela deposição de tungstênio no vidro. rli ha C e Isoladores cerâmicos previnem o contato do envelope de metal com o ânodo e o cátodo do tubo. Em geral, tubos com envelope de metal possuem ânodos largos com cerca de 200 mm, em comparação aos modelos de envelope de vidro ( mm). M ni to An O cátodo consiste também de filamentos de tungstênio posicionados em copos focalizadores de bário. lin ue iq

16 Tubos de raios X Os sistemas de rotação dos ânodos deste tubos permitem velocidades da ordem de rpm, graças ao conjunto de rolamentos deste sistema, que possui metais líquidos como lubrificantes e como rolamentos, utilizando efeitos hidrodinâmicos para diminuir o atrito entre as partes. Esta tecnologia de rolamentos líquidos praticamente não possui ruídos e vibrações. Os conjuntos de rolamento são montados também com o objetivo de colaborar na dissipação do calor gerado na produção dos raios X. O rotor é um cilindro de cobre soldado a um cilindro de aço interno com um revestimento de cerâmica em torno do exterior para aumentar a irradiação de calor. Estes tipos de tubos possuem uma vida útil de a h, enquanto um tubo com rolamentos convencionais tem cera de h. Entretanto esta tecnologia de tubos de raios X não é a tecnologia mais moderna de tubos de raios X existente. A Siemens desenvolveu um tubo diferenciado com novas tecnologias que batizou de STRATON Technology.

17 Straton Technology Neste tipo de tubo o sistema de troca de calor do ânodo é diferenciado, já que o ânodo é diretamente resfriado pelo sistema. Este sistema permite altas taxas de resfriamento, eliminando a necessidade de uma grande capacidade de armazenamento de calor do ânodo. Atrasos de refrigeração em uma série de exames de longa cobertura são praticamente eliminados, mesmo em pacientes muito grandes. Este sistema foi o primeiro a permitir períodos de rotação de 0.37 s, e com varreduras de 20 s a 500 ma, possibilita 14 exames em uma hora. Varreduras de corpo inteiro podem ser feitas com 500 ma em menos de 20 s. Um exame de ATC de alta resolução pode ser realizado em 15 s. Estes tipos de tubos também são bem menores que os anteriores.

18 Pr r..d of e rli ha C M ni to An lin ue iq

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20 Straton Technology Em tubos de raios X convencionais, todo o ânodo incluindo os rolamentos é encapsulado no vácuo e não podem ser eficientemente alcançados pelo líquido de resfriamento. A taxa de arrefecimento destes tubos são, portanto, bastante baixas. OS engenheiros tentam aumentar a capacidade de armazenamento de calor de tubos de raios X, chegando a tubos com as capacidades de até Unidades de Calor (MHU). Estes tubos permitem varreduras até que a sua capacidade de armazenamento de calor esteja cheia. Os melhores tubos convencionais levam entre 10 a 15 min para resfriar até a temperatura de operação. O novo tubo Straton fornece resfriamento direto do ânodo com todos os rolamentos sendo localizados fora do vácuo. Semelhante a um diminuto Electron Beam CT, o feixe de elétrons no tubo é moldado e controlada por um campo eletromagnético. O resfriamento direto do ânodo permite taxas de resfriamento sem precedentes de 4.7 MHU / min e elimina a necessidade de grandes capacidades de armazenamento de calor. A capacidade de armazenamento térmico do novo ânodo está próxima de 0 MHU. Mesmo com carga máxima, o tubo Straton esfria dentro de apenas 20 segundos - muito menos tempo do que o necessário para iniciar a próxima varredura ou para posicionar o próximo paciente. Com o tempo de vida substancialmente mais elevado do tubo, mesmo em maior forças G, esta nova tecnologia aumenta a velocidade de rotação e causa redução de custos no ciclo de vida do equipamento.

21 A filtração Por utilizar raios X produzidos por tubos, A TC emprega um espectro de diferentes energias de fótons desta radiação. Para satisfazer a Lei de Beer-Lambert se faz necessário que a radiação seja monoenergética ou muito perto disto, o que não acontece quando o feixe deixa o tubo de raios X. Uma das maneiras de melhorar a condição para a Lei de Beer-Lambert e deixar o feixe polienergético muito próximo do monoenergético, o que pode ser conseguido através do endurecimento do feixe por meio da filtragem. Desta forma a filtragem em TC serve a dois propósitos básicos: 1. remover fótons com grandes comprimentos de onda, que não contribuem com a imagem e somente aumentam a dose no paciente. Como resultado desta filtração e energia média do feixe aumenta, tornando o feixe de maior ou melhor qualidade, mais duro. 2. formatar a distribuição de energia ao longo do feixe de radiação para produzir um feixe uniforme a ser irradiado no paciente. Estes tipos de filtros estão situados entre o tubo e o paciente e moldam o feixe para produzir uma radiação mais uniforme nos detetores.

22 Colimação Na radiologia convencional o colimador tem como um de seus objetivos proteger o paciente por restringir o feixe apenas a anatomia de interesse. Na TC, a colimação também afeta a dose no paciente e a qualidade da imagem. Uma colimação pré-paciente e uma pós-paciente (prédetetores) são necessárias. A colimação pré-paciente é construída de acordo com o tamanho do ponto focal do tubo, já que o efeito de penumbra está associado ao ponto focal. Quanto maior o ponto focal, maior a penumbra e mais complexos serão os sistemas de colimação pré-paciente. Na realidade existe um conjunto de colimadores no sistema para garantir um feixe de tamanho constante nos detetores e também que a espessura do feixe seja a mesma no paciente ao longo da irradiação. Os colimadores também tem como função impedir que a radiação espalhada chegue aos detetores, o que melhora muito a qualidade da imagem. A colimação pré-detetores colabora na definição da espessura do corte a ser feita a imagem. As espessuras de corte variam de equipamento para equipamento ficando na faixa de 0,25 a 10 mm.

23 Detetores Os detetores em geral precisam possuir diversas características para produção de imagens como eficiência, tempo de resposta, faixa dinâmica, alta reprodutibilidade e estabilidade. A eficiência se refere a capacidade de absorver e converter fótons de raios X em sinais elétricos. Os detetores em TC precisam ter alta eficiência de captura, eficiência de absorção e eficiência de conversão. A eficiência de captura é a capacidade do detetor de coletar os fótons transmitidos pelo paciente. O tamanho da face do detetor que fica exposta a radiação e a distância entre dois detetores influenciam a eficiência de captura. A eficiência de absorção refere-se a quantidade de fótons transmitidos que são captados, pelo detetor. Ela depende da tamanho da face do detetor. A eficiência de conversão é a capacidade do detetor de converter em sinais elétricos os fótons captados. Ela depende do número atômico do material, densidade e espessura da face do detetor. A estabilidade do detetor se refere constância da resposta do detetor. Se o sistema de detecção não é constante, são necessárias calibrações frequentes para tornar os sinais captados úteis para a formação da imagem. O tempo de resposta do detetor é a velocidade com a qual o detetor capta um fóton de raios X transmitido e o converte em sinal elétrico e consegue fazer a detecção de outro fóton.

24 Detetores A faixa dinâmica dos detetores é a razão do maior e o menor sinais a serem medidos. Para os equipamentos de TC esta faixa é em geral de 1000 para 1. A eficiência total dos detetores é o produto de todos os fatores já comentados. Tipos de Detetores A conversão dos fótons de raios X em sinais elétricos está baseada em dois princípios: cintilação e ionização em um gás. Nos detetores cintiladores os fótons são convertidos em luz e então transformados em sinais elétricos. Na ionização de um gás os detetores tem seu gás ionizado pelos fótons, criando diretamente um sinal elétrico em sua saída. feixe cristal TFM sinal elétrico feixe câmara com gás sinal elétrico

25 Detetores cristais Iodeto de Sódio Fluoreto de Cálcio Germanato de Bismuto Tungstato de Cadmio UFC - Terras raras Fotodiodos TFM Módulo de detetores

26 Pr Detetores r..d of e rli ha C M ni to An lin ue iq

27 Pr Detetores r..d of Um dos maiores problemas com os sistemas com uma única fileira de detetores (single-row) estava relacionada ao tempo necessário para adquirir os dados necessários em relação ao um volume (volume de cobertura). Isto porque ao longo de uma única rotação, apenas a imagem de um corte (single-slice) poderia ser construída. C e rli ha Nos sistemas desenvolvidos posteriormente, os dual-slice, duas fileiras de detetores (dual-row) foram introduzidas nos TC para aumentar o volume de cobertura por rotação. Assim,para um mesmo volume varrido pelo single-slice, no dual-slice a coleta levava metade do tempo. M ni to An Em 1992 a Elcint introduziu no mercado o primeiro equipamento dual-slice, dual-row, o que proporcionou exames muito mais rápidos. Este equipamento utilizava ainda o sistema de foco duplo (double dynamic focus) em seu tubo de raios X. Este sistema também ficou conhecido como Twin-Beam. lin ue iq A partir daí surgiram os equipamentos com mais de duas fileiras de detetores, os chamados equipamentos multi-row ou multislice, como ficaram mais conhecidos.

28 Detetores Os componentes eletrônicos situados entre o conjunto de detetores e o sistema computacional é chamado sistema de aquisição de dados ou DAS. O DAS tem como funções medir os sinais elétricos da conversão do feixe de radiação transmitida, converter os sinais medidos em dados binários e transmitir os dados binários ao computador. Os sinais elétricos gerados pelos detetores são tão pequenos que precisam ser amplificados por um préamplificador antes de serem analizados. As medidas de transmissão são então convertidos em função da atenuação e espessura, é calculada então a TR, que pode ser feita via hardware antes de ir para o CAD. No CAD os valores de TR são digitalizados, na maioria dos equipamentos em 16 bits. Uma vez digitalizados os dados são enviados ao computador para a construção da imagem. O método de transmissão varia entre os fabricantes, podendo ir de simples cabos de dados até fibras óticas.

29 Detetores A fim de obter a maior quantidade de amostra de dados possíveis durante a varredura, e consequentemente melhorando a qualidade da imagem construída, várias melhorias podem ser empregadas como a diminuição da espessura de corte, detetores encapsulados muito próximos e usando o feixe com espaçamento de 1/4 dos detetores. Este último sistema, também conhecido como detector shifting, ou flying focal spot proporciona dois conjuntos de dados que podem ser reconstruídos individualmente ou combinados para aumentar a quantidade de amostra de dados na construção da imagem.