João Mestre Dias José Valério Palmeira

1. Instituto Superior Técnico Mestrado em Engenharia Mecânica Tomografia Métodos Experimentais em Energia e Ambiente João Mestre Dias José Valério Palmeira

2. 1. Introdução Tomografia – (da palavra grega “tomos” que significa corte ou secção). A tomografia permite a reconstrução de uma imagem a duas ou três dimensões a partir da utilização de técnicas baseadas em diferentes princípios físicos. Tomografia

3. 1. Introdução Tomografia

4. 1. Introdução De uma forma geral, a tomografia consiste na reconstrução de uma imagem a partir da sua projecção. Poderemos entender como projecção num determinado ângulo, como o integral da imagem na direcção específica desse ângulo. Tomografia

5. 1. Introdução Do ponto de vista puramente matemático, a solução do problema de como reconstruir uma função a partir da sua projecção, remonta ao início do século. Só depois da invenção do Scanner de Raio-X em 1971, de Hounsfield, se verificou um grande “boom” na aplicação das técnicas tomográficas. Os grandes progressos verificados a partir da invenção de Hounsfield devem-se em grande parte ao desenvolvimento de algoritmos matemáticos para a reconstrução de imagens. Tomografia

6. 1. Introdução Esta apresentação, tem como objectivo descrever brevemente algumas das técnicas tomográficas mais utilizadas, e os princípios físicos em que se baseiam. Tomografia

7. 2. Técnicas nucleónicas Estas técnicas baseiam-se na reconstrução de imagens a partir da utilização de radiações de elevada energia (Ex: Raios x e Raios Gama). Iremos abordar as seguintes técnicas: Tomografia nucleónica por transmissão Tomografia nucleónica por emissão Tomografia

8. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Princípio de funcionamento: A intensidade da radiação é atenuada ao atravessar o objecto, devendo-se esta atenuação a dois efeitos: - Efeito fotoeléctrico - Efeito de Compton Tomografia

9. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Princípio de funcionamento: Tomografia

10. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Princípio de funcionamento: Sistemas Tomográficos 1ª geração 2ª geração Tomografia

11. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Princípio de funcionamento: • Sistemas Tomográficos • 3ª geração • Características: • O tubo de raio X e o multidetector rodam à volta do objecto • O raio X projectado deverá cobrir o objecto • Uma vez que a informação recolhida não corresponde a raios paralelos, este sistema requer complexos algoritmos para reconstrução da imagem Tomografia

12. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Princípio de funcionamento: • Sistemas Tomográficos • 4ª geração • Características: • usado quase exclusivamente em aplicações médicas • existe um anel de detectores fixos, e apenas a fonte de raio X roda à volta do objecto • cada detector cobrirá todos os pontos do objecto • muitos sistemas de 4ª geração conseguem realizar um scan em 1 segundo Tomografia

13. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Princípio de funcionamento: • Detector de Gás Xenon • Características: • collecting plates: cobre • h.v electrode: tantalum • l = 8 cm • tensão aplicada = 170 V • Pressão do gás = 10 atm • Vantagens: • relativamente menos dipendiosos • boa compactação dos detectores (janelas de 1mm) Tomografia

14. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Exemplo: Esta imagem a três dimensões, representa a gama de densidades de uma amostra de solo, desde os espaços porosos, materiais orgânicos, até aos componentes de lítio de alta-densidade. Tomografia

15. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Exemplo: Esta imagem seccional revela os componentes que constituem um míssel de cruzeiro Tomografia

16. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por transmissão Exemplo: Utilização da tomografia como ensaio não destrutivo para as pás do rotor de helicópteros • Características equipamento: • Field size: 96 – 480 mm • Espessura da imagem: 1.5 – 10 mm • Nº projecções : 3600 (em 360º) • Tempo de reconstrução: 11 - 16 s • Nº de detectores: 864 • Tempo de vida do tubo raio X: 40000 shots Tomografia

17. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Na tomografia por emissão podemos destacar duas técnicas: Positron Emission Tomography (PET) Single Photon Emission CT (SPECT) Nestas técnicas o princípio de funcionamento baseia-se na emissão de radiação gama a partir do objecto de estudo, sendo esta captada por detectores. Estas técnicas são largamente utilizadas em aplicações médicas. O objectivo é determinar a distribuição de radioactividade, resultante da biodistribuição de um radiofármaco. Tomografia

18. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) • Produção do radionuclido • Ligação do radionuclido a um fármaco • Administração do radiofármaco no doente. • Aquisição de informação através dos detectores. • Processamento de informação e reconstrução de imagem Tomografia

19. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Radionuclidos Tomografia

20. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Radiofármacos Exemplo: O fluorino-18 é ligado a uma molécula de glucose, o que permite o estudo do metabolismo de açúcar no cérebro ou detecção de tumores. Tomografia

21. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Como é emitida radiação a partir de um positrão ? Protão Neutrão + Positrão Positrão + Electrão 2 raios gama (trajectória oposta – 180º) Tomografia

27. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Detector: Raios gama Material cristalino Radiação visível Impulso eléctrico Aquisição de sinal e processamento de dados Tubo fotomultiplicador Tomografia

34. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Exemplo:Imagens que demonstram tumores malignos que não foram revelados por técnicas tomográficas convencionais como CT e MRI. Tomografia

35. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Exemplo:Imagem à esquerda: Coração que sofreu um enfarte. As zonas apontadas pelas setas indicam tecido do miocárdio que está “morto”. Imagem à direita: Coração normal Tomografia

36. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Single Photon Emission (SPECT) Radionuclidos Como é emitida radiação ? Emissão de radiação gama + Estado não excitado do núcleo Protão + Electrão Neutrão + Estado excitado do núcleo Tomografia

37. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Single Photon Emission (SPECT) Detector: • Iguais aos utilizados em PET • Apenas difere a técnica de captação da radiação • Para determinar a direcção da radiação, recorre-se à utilização de colimadores Tomografia

38. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Single Photon Emission (SPECT) Colimador: Tomografia

39. 2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Single Photon Emission (SPECT) Exemplo: Imagem tranversal do corpo humano Tomografia

40. 2. Técnicas nucleónicas Algoritmos de reconstrução de imagem: Tomografia Nucleónica por transmissão Método directo: Fourier Inversion Filtered back-projection Método iterativo: Algebraic reconstruction tecnique (ART) Tomografia Nucleónica por emissão PET Fourier Inversion (Met. Directo) SPECT Métodos directos por utilização de pseudoinversão de matrizes Métodos iterativos baseados em aproximação estatística Tomografia

41. Princípio de funcionamento: 3. Técnicas tomográficas: Ressonância magnética Quando os elementos existem no seu estado natural, os núcleos tem um spin com diferentes momentos magnéticos Quando o núcleo é sujeito a um campo magnético, os núcleos irão ficar alinhados com o campo magnético aplicado. Tomografia

42. 3. Técnicas tomográficas: Ressonância magnética Magnetização: Estado de menor energia Estado de maior energia Quando o campo magnético é desligado: Estado de menor energia Estado de maior energia Os núcleos vão emitir energia na mesma frequência que foi anteriormente absorvida. Os núcleos de diferentes elementos têm a propriedade de emitir frequências distintas quando sujeitos a um campo magnético (Larmor frequency). Exemplo: Para um campo magnético de 0.1 T (1000 gauss) frequência de ressonância do hidrogénio = 4.2 MHz frequência de ressonância do fósforo = 1.7 MHz Tomografia

43. 3. Técnicas tomográficas: Ressonância magnética O sinal emitido pelos núcleos quando o campo magnético é desligado (free induction decay signal), é captado por uma antena do MRI scanner (receiver coil). Tomografia

44. 3. Técnicas tomográficas: Ressonância magnética Estas técnicas podem ser aplicadas na reconstrução de imagens quando a variável desconhecida é a velocidade e/ou concentração Algoritmo de reconstrução de imagem: Fourier Inversion Tomografia

45. 3. Técnicas tomográficas: Ressonância magnética Imagens recolhidas através de MRI Tomografia

46. Detectores Radiação incidente 4. Métodos por microondas Fundamento: a tomografia através de microondas baseia-se na determinação da radiação que é difractada por uma partícula quando sobre esta se faz incidir uma radiação com comprimento de onda na região das microondas (de 300MHz a 300GHz). Comprimento de onda » Partículas do meio Radiação difractada Radiação incidente Radiação dispersada Tomografia

47. 4. Métodos por microondas Algoritmo de reconstrução O sinal obtido é não-linear A radiação da faixa das microondas tem um comprimento de onda da mesma ordem de grandeza das partículas presentes no meio Não podemos desprezar os fenómenos de refracção e a difracção da radiação incidente Não podemos aplicar os princípios seguidos na tomografia de transmissão Inversão de Fourier Método simplificado de Newton-Kantorovich

48. Sonda DMSP 5D-2 4. Métodos por microondas Aplicações Observações meteorológicas e ecológicas por satélite - Space Sensor Microwave / Imager A radiação recebida pelo satélite corresponde à radiação emitida pela superfície da Terra, pelas nuvens, camadas de gelo, humidade na atmosfera, etc.. Medições realizadas:humidade do solo, velocidade do vento na superfície dos oceanos, humidade absoluta nas nuvens, espessura da neve e gelo, concentração de gelo nos polos, etc.

49. 4. Métodos por microondas Space Sensor Microwave / Imager Inverno Verão

50. 5. Métodos acústicos Transmissão acústica Fundamento: tal como nos métodos nucleónicos, os sinais acústicos emitidos atravessam o meio em estudo sem que a sua direcção seja alterada, mas a sua intensidade é atenuada. O grau de atenuação depende da densidade do meio. Experiências no Lago Genéve, Suiça (1822) (in http://www.marine-group.com/acoustic.htm) Tomografia