1. Formação das imagens
convencionais e
digitais: raios X
Paulo Roberto da Fonseca Filho
Concurso Docente 2014/2
Edital nº 19/PROAD/SGP/2014
CUIABÁ/CUR/CUS/CUA
Prova didática – Biofísica Radiológica
1

2. Onde se usa raios X?
http://www.imagingdomain.com/media/54463.jpg
2

3. Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
3

4. Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
 Mamografia
4

5. Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
 Mamografia
 Fluoroscopia
5

6. Motivação
 Raios X são a base de qualquer sistema de:
 Radiografia
 Mamografia
 Fluoroscopia
 Tomografia computadorizada
6

7. O que é um aparelho de
raios X?
7

8. “anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
8

9. “anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
9

10. “anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Posicionamento
10

11. “anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Estativa
 Posicionamento
11

12. “anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Estativa
 Detectores
 Bucky + filme ou IP
 CCD, DRd ou DRi
12

13. “anatomia”
aparelho de raios X
 Cabeçote
 Tubo de raios X +
blindagem
 Colimador
 Mesa
 Estativa
 Detectores
 Transformadores /
retificadores
13

14. Como se opera?
14

15. (Sprawls)
Profissional
de ciências
radiológicas
Médico
radiologista15

16. O que são os raios X?
16

17. Ondas eletromagnéticas de
alta energia
𝐸 = ℎ. 𝑓 =
ℎ. 𝑐
𝜆 17

18. 18

19. Como são produzidos?
19

20. Produção de raios-X
 Resultado da conversão de energia cinética de elétrons
desacelerados em radiação eletromagnética.
 Isso ocorre no tubo de raios X.
20

21. 21

22. Sistema de raios X: Gerador + tubo
22

23. Circuito do filamento
23

24. Circuito do tubo (alta voltagem + retificador)
24

25. Características importantes
do tubo
 Anodo (alvo)
 Elevado número atômico
 Elevado ponto de fusão
 Na maioria dos casos, é rotativo
(fan-beam)
 Permite distribuir melhor a carga do tubo
 Melhora resfriamento
 Portanto, aumenta a vida útil do tubo
 Filamentos
 Tungstênio (W)
 Fonte de elétrons – efeito termoiônico
 Foco fino/foco grosso
 Definição de imagem
Anodo rotativo danificado por superaquecimento
25

26. Além disso...
 Colimador
 Diafragmas, que limitam as dimensões do feixe em X e Y.
 Blindagem
 uma camada significativa de chumbo reveste todo o tubo,
exceto a saída do feixe “principal”
 Filtração inerente
 A ampola de raios X, já filtra fótons de baixa energia,
fenômeno conhecido como filtração inerente
26

27. Além disso...
 Tamanho de campo,
 Magnificação,
 Ponto focal,
 etc...
27

28. Sistema de raios X
 parâmetros selecionáveis pelo usuário
 mAs  intensidade do feixe
 Corrente no tubo (mA - 6,24 . 1015 e/s)
 Tempo de exposição (s)
 kV  energia do feixe
28

29. Controle do circuito
29

30. Produção de raios X
 1) Aplicação de corrente no filamento
 Emissão termoiônica
 2) Aplicação de voltagem entre catodo e anodo
 50.000 – 150.000 V (50 – 150 kV)
 3) Elétrons interagem com alvo
 4) Energia cinética dos elétrons  fótons de raios X
30

31. 31

32. Radiação característica
 Exemplo, para tungstênio (W)
 Neste exemplo, um elétron salta
da camada L para camada K
 Energia emitida:
 -11,5 – (-69,5) = 57,0 keV
Camada Energia de ligação (keV)
K -69,5
L -11,5
M -2,5
32

33. Espectro resultante
 O espectro resultante de todas as interações contém:
 Espectro contínuo: radiação de fretamento (bremsstrahlung)
 Espectro discreto: radiação característica
33

34. Variando kV (energia)
34

35. Variando mAs (intensidade)
35

36. Interação dos raios X com
a matéria
Efeitos fotoelétrico e compton
36

37. Interação de raios-X com a
matéria
37

38. 38

39. Resumindo...
Efeito Fotoelétrico
 Raios X é totalmente
absorvido na interação.
Efeito Compton
 Raios X é espalhado.
 Parte da energia é
“perdida” a cada
interação.
 Para altas energias,
𝑃 𝛼
𝑍
𝐸
3
𝑃 𝛼 𝜌 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎
𝑃 𝛼
1
𝐸 39

40. 40

41. Atenuação
 A relação entre a fluência de fótons incidentes sobre um
material de espessura x e a transmitida é dada por
 µ: coeficiente de atenuação linear (cm-1)
 x: espessura (cm)
 𝜇 = 𝜇 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑒𝑙 + 𝜇 𝑅𝑎𝑦𝑙𝑎𝑖𝑔ℎ𝑡 + 𝜇 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑡𝑜𝑛 + 𝜇 𝑃.𝑃.
41

42. Atenuação
42

43. Resumindo,
43

44. Contraste da imagem
radiográfica
44

45. Panorama da formação de
imagens
45

46. Lembrando: atenuação diferencial
46

47. Contraste
 Contraste físico do objeto
 Para ser visível, o objeto deve possuir contraste físico em relação
ao meio, isso é, diferença de densidade ou composição química (Z)
Material Zef
Densidade
(g/cm3)
Água 7.42 1.0
Músculo 7.46 1.0
Gordura 5.92 0.91
Ar 7.64 0.00129
Cálcio 20.0 1.55
Iodo 53.0 4.94
Bário 56.0 3.5
Compton
Fotoelétrico
Não interage
80 kV
B
(arcos costais e área cardíaca)
47

48. Contraste
 Contraste físico do objeto
 Para ser visível, o objeto deve possuir contraste físico em relação
ao meio, isso é, diferença de densidade ou composição química (Z)
Material Zef
Densidade
(g/cm3)
Água 7.42 1.0
Músculo 7.46 1.0
Gordura 5.92 0.91
Ar 7.64 0.00129
Cálcio 20.0 1.55
Iodo 53.0 4.94
Bário 56.0 3.5
Compton
Compton
Não interage
120 kV
A
(parênquima e vasos)
48

49. Contraste radiográfico em
função da energia
49

50. Contraste Radiográfico em função da
intensidade
50

51. Técnicas de redução de
espalhamento
 O espalhamento pode ser reduzido com
 Menor campo de irradiação
 Grades anti-difusoras
 Criando “air gaps“ entre o detector e o objeto
51

52. Grade anti-difusora
52

53. Dessa maneira, o equipamento
de raios-X contém
 Tubo
 Grade anti-difusora
 Sistema de registro de imagens
 Filme
 Digital
53

54. Sistema tela-filme
(radiologia convencional)
54

55. 55

56. Chassi
Raio-X Convencional
Mamografia56

57. Filme
 Emulsão contendo haletos de prata
Cristais
pequenos
Cristais
médios
Cristais
grandes57

58. Tela intensificadora
 Haletos de prata são mais
sensíveis à luz que aos raios X
 Solução: tela intensificadora
 Fluorescência
 95% da sensibilização do
filme
58

59. 59

60. Sistela Tela-filme “convencional”
Écran
Écran
Filme radiográfico
60

61. Sem tela intensificadora  Com tela intensificadora
61

62. 62

63. Processo fotográfico do filme
63

64. Processadora Automática
A processadora automática é constituída por compartimentos
(tanques) repletos de químicos específicos para cada etapa do
processamento do filme radiográfico.
Bandeja
Revelador
Fixador
Lavagem
Secagem
64

65. 65

66. Densidade óptica
66

67. 67

68. Fatores que alteram a
sensibilidade do filme
68

69. Radiologia digital
69

70. Visão geral
 Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando
ambientes digitais
70

71. Visão geral
 Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando
ambientes digitais
 Instrumentações digitais
 CT e MRI
 Desenvolvidas a partir de sistemas digitais
 Ultrassom e Medicina Nuclear
 a partir de 1970
71

72. Visão geral
 Serviços de diagnóstico por imagens estão se tornando
ambientes digitais
 Instrumentações digitais
 Exceção: Radiologia “convencional”
 Hoje, sistemas tela-filme estão sendo substituídos
gradualmente por receptores digitais mas...
72

73. a mudança é “lenta”
 Sistema tela-filme
 Bem conhecido e amplamente estudado
 Excelente qualidade de imagem na maioria dos casos
 Não houve muito estímulo à mudança
 Novos detectores não trouxeram melhora de qualidade
 Profissionais da área já estão habituados ao sistema tela-filme
73

74. Um sistema de imagem
“tem”:
Detecção
Registro
Visualização
Análise
Comunicação
Armazenamento
Sistema
tela-filme
74

75. Sistema tela-filme x digital
 Registro: Curva não linear | Curva linear
 Processamento: Químico | Digital
 Visualização: Negatoscópio | Monitor
 Condições ambientais
 Análise
 Subjetividade (médico) | menor subjetividade
 processamento
 Sistemas CAD
 Transmissão: difícil (cópia física) | fácil (PACS)
 Armazenamento:
 Espaço físico + funcionário (s) | Banco de dados + servidores (HIS/RIS)
 “Casos” não compartilhados (arquivo) | compartilhado (rede)
75

76. Sistemas digitais
 Indiretos
 Digitalização de filme analógico
 Digitalização de placa de imagem (CR)
 Diretos (DR)
 Conversão indireta
 Conversão direta
http://www.ge-mcs.com/pt/radiography-x-ray/digital-x-ray.html
76

77. Fluxo de trabalho?
1ª exposição Ultima exposição
1º filme
revelado
Ultimo filme
revelado
C
Q
Recebe
paciente
Paciente
liberado
1º chassi
lido
Ultimo
chassi lido
Paciente
liberado
Ultima exposição
+ CQ
5% repetições
Recebe
paciente
Recebe
paciente
1ª
exposição
1ª exposição +
CQ
Ultima
exposição
Mínimas
repetições
Mínimas
repetições
Paciente liberado + exame na
workstation
Workstation
+ CQ
0:100:05
0:45
0:30
Adaptado de Pina, D.R.
1:30 2:151:00
1:30
1:30
1:00 2:15 0:05 0:30
0:45
Filme:
15
min
CR:
15
min
DR: 5
min
77

78. Sistemas digitais
Lança & Silva, 2008
78

79. Sistemas CR
Computed Radiography
79

80. Radiologia computadorizada
 Radiologia computadorizada* é um termo comercial para
detector de fósforo foto-estimulável **
 Neste caso, o termo “fósforo” refere-se ao material que
emite luz quando atingido por um feixe de raios-X
 Exemplo: Gd2O2S
 *CR: Computed Radiography
 ** PSP: photoestimulable phosphor detector
80

81. PSP
 Quando o feixe de raios X é absorvido
 Parte é convertida em luz imediatamente
 Parte é armazenada e pode ser “lida” posteriormente
 Por este fato, PSP as vezes são referidos como
 Fósforos de armazenamento
 Placa de imagem – IP
81

82. Constituição
 As placas de CR geralmente são BaFBr ou BaFI
 + Eu para aumentar eficiência de detecção
 Comumente referidos como fluoreto de bário
82

83. 83

84. CRTela - filme
84

85. Leitura
 1 : O cassete é inserido na unidade de leitura
85

86. Leitura
 2: A placa é movimentada e “escaneada” por um
sistema de laser
86

87. Leitura
 3: laser estimula a emissão da energia armazenada na
placa
87

88. Leitura
 4: a luz emitida é coletada por um guia de fibra óptica e chega a um TFM
88

89. Leitura
 4: a luz emitida é coletada por um
guia de fibra óptica e chega a um
tubo fotomultiplicador (TFM)
Powsner & Powsner
89

90. em outras palavras...
Lança & Silva, 2008
90

91. Apagamento
 5: Sinal elétrico é digitalizado e armazenado
 Computador  imagem final
 6: Placa é exposta a luz branca de alta intensidade
 Apagamento
 7: Placa é devolvida para o cassete e está pronta para uso
91

92. Sensibilidade
 Uma das vantagens da CR
é a sua resposta
Bushberg Lança & Silva, 2008
92

93. Sistema
tela-filme
Sistema digital:
Radiologia
Computacional (CR)
Sub-exposição Super-exposição
93

94. Sistemas DR
94

95. Desafio:
imagem digital de alta resolução
http://www.anrad.com/solutions-breast-imaging.htm
95

96. CCD
CCD – (dispositivo de carga acoplada - charge-coupled
device)
96

97. CCD
 Charge coupled devices
 Mesmo sistema empregado em câmeras digitais
 PSPs recebem uma imagem analógica que é digitalizada
na leitora
 CCDs já discretizam a imagem em coordenadas espaciais
 O outro processo de discretização (digitalização) é
realizado na intensidade
97

98. CCD
 Charge coupled devices
98

99. CCD + tubo intensificador
99

100. CCD + tela intensificadora + fibra óptica
100

101. CCD + tela intensificadora
101

102. Flat pannels
“Detectores planos”
TFT – (transistor de filme fino - thin-film transistor)
102

103. http://www.anrad.com/products-direct-xray-detectors.htm
103

104. http://www.anrad.com/products-direct-xray-detectors.htm
The larger size LMAM detector is designed to address the USA
and European mammography markets. Its key features are:
• Field of view: 24 cm x 30 cm (10”x12”)
• Pixel pitch: 85 µm
• Superior image quality: high DQE, high MTF, high contrast,
high dynamic range
• High dynamic range
• High patient throughput
• Tomosynthesis capability
104

105. “Flat pannels”
Bushberg
105

106. Leitura
Lança & Silva, 2008
106

107. Leitura
Bushberg Lança & Silva, 2008
107

108. Dois tipos
 DR direto
 DR indireto
108

109. DR - indireto
http://www.analog.com/en/content/digital_x-
ray_technology_improves_patient_exp/fca.html
109

110. DR – indireto
110

111. DR - direto
http://www.analog.com/en/content/digital_x-
ray_technology_improves_patient_exp/fca.html
111

112. DR - direto
conjnto de semicondutores que recebem
radiação e transforma em sinal elétrico.
Raios-X
TFT
Capacitor
a-Se camada de
250 mm de
espessura
Eletrodo
superior
Eletrodo coletor
Saída de sinal
112

113. Desvantagem de imagens
digitais
 Ocupam muito espaço para armazenamento
 Requerem grande largura de banda para transmissão em
um sistema PACS*
 Requerem monitores de alta luminosidade e resolução
 2000 x 2500
 Elevado custo: em torno de 25000 dólares
 *PACS: picture archiving and communication
system
113

114. Então qual é a melhor
instrumentação digital?
114

115. Sistema tela-filme
Prós
 Fácil uso
 Barato
 Baixo investimento
inicial
Contras
 Processamento químico
 Baixo nível de
integração (analógico)
 Mais subjetivo
 Alto índice de
repetições
115

116. CR
Prós
 Semelhante a tela-filme
 Detector
 mais robusto
 “barato”
 vários tamanhos
 Aproveita equipamentos
de imagem disponíveis
 Baixo investimento inicial
Contras
 DQE baixo
 Dose de radiação maior
 Fluxo de trabalho longo
 Imagem não disponível
imediatamente
 Leitora
 Maior tempo de exame
 Detector sujeito a danos
 Vida útil
116

117. DR
Prós
 DQE elevado
 Menor dose de radiação
 Boa resposta dinâmica
 Resolução espacial
 Fluxo de trabalho curto
 Menor tempo de exame
Contras
 Custo inicial alto
 Detector frágil
 Detector caro
117

118. Considerações finais
118

119. Considerações finais
 Sistemas convencionais estão se tornando obsoletos
 Realidade no Brasil?
 A migração para sistemas digitais oferece muitas
vantagens
 Diversas tecnologias digitais estão disponíveis
 CR
 DRd
 DRi
 É necessário escolher com cautela a tecnologia a ser
adotada num serviço  próxima aula: desempenho e
qualidade de sistemas de imagem.
119

120. Bibliografia
 Bushberg, “The essential physics of
medical imaging”, 2nd edition , Lippincott
Williams & Wilkins
 COSTA, E.T. , “EQUIPAMENTOS DE RAIOS –
X”
 LANÇA, L.; SILVA, A. "Digital radiography
detectors–A technical overview: Part
2." Radiography v.15(2), p.134-38. 2009.
 LANÇA, L.; SILVA, A. "Digital radiography
detectors–A technical overview: Part
2." Radiography v. 15, p. 58, 2008.
 J. Anthony Seibert, “Physics of Computed
Radiography”
 SEIBERT, J. A. “X-Ray Imaging Physics for
Nuclear Medicine Technologists. Part 1:
Basic Principles of X-Ray Production”,J Nucl
Med Technol, v. 32(3), p. 139-47, 2004
 SEIBERT, J. A. “X-Ray Imaging Physics for
Nuclear Medicine Technologists. Part 2: X-
Ray interactions and Image Formation”, J
Nucl Med Technol, v. 33(1), p. 3-18, 2005
 SPRAWLS, P. Physical Principles of Medical
Imaging, disponível em
www.sprawls.org/ppmi2
120