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TECNICHE RICOSTRUZIONE IMMAGINI TOMOGRAFICHE

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TECNICHE DI RICOSTRUZIONE              
DELLE IMMAGINI TOMOGRAFICHE


Tecniche di ricostruzione delle immagini

L’evoluzione dei calcolatori in termini di potenza di calcolo e lo sviluppo di software sempre più articolati e diversificati, hanno consentito di elaborale i dati per generare immagini ricostruite orientate all’analisi secondo piani diversi, con possibilità di calcolare distanze e volumi.
 
La ricostruzione delle immagini è affidata a tecniche bidimensionali e tridimensionali; le prime sono rappresentate dalla “Riformattazione Multi Planare", le seconde sono essenzialmente tecniche proiettive, di superficie e di volume. Nella ricostruzione bidimensionale, l’immagine è generata attraverso una tecnica prospettica con mappatura della densità di ogni singolo punto nelle tre coordinate.
 
La struttura ed i difetti possono sovrapporsi, generando un’immagine virtuale con la posizione spaziale della struttura e degli eventuali difetti.
 
La Riformattazione Multiplanare ( MPR: Multi Planar Reformatting o Reconstruction ) , la più semplice e diffusa modalità di elaborazione di immagini, disponibile ormai da diversi anni, consente di creare nuove immagini a partire da una “pila” di immagini, secondo piani diversi da quello caratteristico delle slice originali (in generale il piano prescelto è ortogonale al precedente).

Questa tecnica consente così di visualizzare nel modo più significativo, ai fini di una corretta analisi diagnostica, strutture che si sviluppano su piani diversi da quello assiale; è pertanto possibile ottenere ricostruzioni secondo piani differenti da quello di acquisizione, in particolare è possibile visualizzare le diverse strutture anche su piani specifici.
Per mezzo di comandi software è quindi possibile sezionare l’oggetto a nostra discrezione ed escludere le regioni prive di interesse.

Le tecniche di ricostruzione 3D, sono quelle proiettive (Proiezione di Massima Intensità), di superficie (Surface rendering) e di volume (Volume rendering). I dati acquisiti possono essere utilizzati per ricostruire immagini secondo altri piani o per ricostruire immagini di volume.
 
Le tecniche proiettive e di superficie, le prime ad essere sviluppate, sono ormai disponibili da diversi anni.
 
Rispetto alle tecniche bidimensionali, hanno il vantaggio di consentire l’isolamento di una struttura dal contesto generale mediante una tecnica nota come segmentazione, una procedura manuale o automatica che consente di rimuovere dall’immagine le strutture prive di interesse.


Immagini tomografiche




Immagine Tomografica 3D industriale
Immagine in radioscopia digitale 2D Industriale


Img. 1 -  Immagine tomografica 3D
vista di slice centrale del componente

Img. 2 - Immagine radioscopica 2D
vista in trasparenza del componente
                Img. 1                                                                                                                                   Img. 2
Unità di scansione e i suoi componenti
 
La qualità d’immagine ottenibile, in termini di contrasto e risoluzione spaziale, dipende strettamente dalle caratteristiche della sorgente e del rivelatore e dalla geometria della irradiazione. L’influenza della sorgente utilizzata sulla qualità della ricostruzione dipende sia da questa geometria, ossia dalla tipologia della scansione (fascio parallelo, fascio a ventaglio o fascio conico) che dalle stesse caratteristiche del fascio. Uno dei parametri più importanti è la composizione spettrale del fascio, dato che tanto più questa è estesa tanto più saranno presenti artefatti sulle immagini. Con riferimento all’analisi di un campione omogeneo, gli artefatti si presentano come risultato indesiderato delle varia­zioni del coefficiente di assorbimento nella direzione radiale.
 
Questi artefatti sono correggibili, ma solo in parte, per mezzo di strumenti software specifici. Altri parametri importanti sono la dimensione della macchia locale e la dimensione del pixel della matrice utilizzata, dato che si tratta di valori che hanno influenza significativa sul sistema agendo direttamente sul contrasto e quindi sulla risoluzione spaziale.


 
Sorgente radiogena
 Sappiamo che le caratteristiche che qualificano una sorgente di raggi X sono la dimensione della macchia focale, lo spettro dei raggi X generato e la intensità della radiazione. La dimensione della macchia focale e la geometria di ripresa (distanza tra sorgente, oggetto e rivelatore) influenzano la risoluzione spazia­le di un sistema CT. Lo spettro di energia determina la capacità di penetrazione del fascio, così come l’attenuazione imposta dalla densità dei differenti materiali attraversati. I fotoni ad alta energia penetrano in modo più efficace rispetto a quelli a bassa energia, ma sono meno sensibili alle variazioni di densità del materiale attraversato. L’intensità della radiazione influenza il rapporto segnale-rumore e quindi la nitidezza dell’immagine. Energie più elevate hanno penetrazione maggiore, ma una maggiore potenza va a discapito della dimensione delle macchie focali e quindi della risoluzione (Fig. XXIV) Sono disponibili anche tubi a raggi X con un doppio filamento per poter selezionare due macchie focali, selezionabili a piacere; la dimensione della macchia focale determina la quantità e qualità della radiazione imposta dallo spessore e densità dell’oggetto. I tubi ad altissima risoluzione possono arrivare a macchie focali al di sotto del micron, ma le potenze in gioco non superano i 400W. In alcuni tubi è possibile regolare dall’esterno la focalizzazione del fascio elettronico incidente e quindi la dimensione della macchia focale; all'aumentare del carico si aumenta la dimensione per evitare danni termici irreversibili alla placca anodica. Nella tabella che segue è indicato il criterio generale di scelta.
Grafico che relaziona il potere penetrante e macchia focale









Grafico che relaziona potere penetrante e Macchia focale.
Tabella di scelta della macchia focale nella tomografia

Filtri
 
Sappiamo che la distribuzione di energia generata è di solito riferita all’energia massima espressa in keV o MeV, ma in realtà lo spettro è continuo con la sovrapposizione di righe legate alla radiazione caratteristica; il livello di massima intensità è in genere raggiunto al 50% del valore massimo di kV.
 
Come già indicato, variazioni nella forma dello spettro continuo per mezzo di filtri aggiunti, possono portare ad una riduzione degli artefatti escludendo la necessità di ricorrere ad altri metodi ma, per contro, l’aumento della durezza della radiazione può portare alla perdita di informazioni che potrebbero risultare importanti ai fini diagnostici.
 
Si definiscono più penetranti i fotoni ad alta energia, rispetto a quelli ad energie minori, essendo in grado di attraversare spessori maggiori di materiale.
 
Per cui è importante selezionare le energie più idonee a fornire le informazioni d’interesse.
 
Aumentando la filtrazione il fascio si “indurisce”, cioè aumenta la sua energia media riducendo la componente di bassa energia.
 
In genere possono essere impiegati filtri di diverso materiale (alluminio, stagno, rame, ecc.); la scelta è condizionata dell’esame richiesto e dal tipo di materiale da controllare. Nella figura XXIV.49 è descritto l’effetto di diversi filtri sullo spettro emesso da una sorgente RX.


Rivelatore
 
Le caratteristiche dei rivelatori come l’area del campo di ripresa, la risoluzione della matrice e l’efficienza nel catturare i fotoni che li raggiungono influenzano la qualità d’immagine.
 
La dimensione di un singolo elemento della matrice determina l’area che può essere identificata con un solo valore di intensità, mentre il numero degli elementi determina la quantità di dati che possono essere raccolti e quindi anche il livello di risoluzione massima possibile.
 
L’efficienza dei rivelatori a scintillazione varia con l’energia dei raggi X, essendo i fotoni ad alta energia più penetranti rispetto a quelli a bassa energia; questa realtà determina il livello del segnale atteso in ingresso al rivelatore. Attualmente i rivelatori più utilizzati, i “Flat Panel” (FP), possono offrire immagini con una elevata qualità ma la loro dimensione non è compatibile con la ripresa di oggetti di grosse dimensioni.
 
Quando le dimensioni dell’oggetto lo impongono, sono utilizzati i rivelatori lineari (LDA), utilizzando una sola linea di scintillatori ma sfruttando un movimento relativo fra oggetto e rivelatore attraverso cui ricostruire la sua immagine completa. Nonostante questo processo sia lungo e costoso, i sistemi LDA rimangono i più indicati per analizzare componenti di grosse dimensioni con una buona risoluzione locale e un’ottima qualità d’immagine.
Spettro ai raggi-x con filtrazione in tomografia



Variazione dello spettro per effetto di filtri aggiunti. Si vede che l'aumento della durezza comporta una riduzione significativa della dose emessa.


La filtrazione permette di ottenere un fascio adatto ai fini diagnostici. La qualità del fascio e stimata dall'HVL, Half valur layer o strato emivalente, SEV, cioè lo spessore di un dato materiale (in genere Alluminio elettrolitico) capace di dimezzare del fascio rispetto al suo valore originario

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Cabine di tomografia Metrologiche in campo industriale
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