Fonaments i Tecnologia de la Tomografia Computada (TC)

Conceptes Bàsics de la Tomografia Computada (TC)

Vòxel i Píxel

La imatge axial es forma mitjançant una matriu de quadrats anomenats píxels (elements d'imatge). Cada píxel conté un número TC o Unitat Hounsfield (UH), que representa el coeficient d’atenuació dels raigs X i es tradueix en un valor de gris. Com que cada tall té un gruix, el píxel representa un volum tridimensional anomenat vòxel. El vòxel és la unitat volumètrica més petita i el seu coeficient d’atenuació és la mitjana dels materials que conté.

FOV (Field of View) i Resolució

El FOV és la regió circular on es prenen les mesures d’atenuació. Pot tenir diferents mides (140-500 mm). El nombre de píxels en la matriu és constant (normalment 512x512 = 262.144), però la mida de cada píxel depèn del FOV.

Càlcul de la mida del píxel: Mida del píxel = FOV / Mida de la matriu

Processament de la Imatge en TC

Consta de dues etapes principals:

1. Mesura de l'atenuació dels raigs X que travessen el pacient i arriben als detectors.
2. Càlcul del coeficient d’atenuació lineal (μ) mitjançant un processament matemàtic.

A cada vòxel se li assigna un coeficient d'atenuació mitjà, que es tradueix en un píxel amb un to de gris en la imatge.

Escala de les Unitats Hounsfield (UH):

• Aire: -1000 UH
• Aigua: 0 UH
• Os: +1000 UH (aproximadament, pot variar)

Windowing (Ajust de Contrast)

Ample de finestra (WW - Window Width): Rang d'UH representades en l’escala de grisos. Menys tons de gris (WW més estret) implica més contrast entre els teixits dins d'aquest rang.

Nivell de finestra (WL - Window Level): Valor central de la finestra d’Unitats Hounsfield.

Exemple: Per estudiar os, es pot usar WW 1500 i WL 450.

Llei d’Atenuació Lineal

Relació entre la intensitat del feix de raigs X abans i després de travessar un material. En el cos humà, l’atenuació és més complexa perquè els raigs X travessen materials amb diferents densitats.

Aspectes Tècnics dels Equips de TC

Generador d’Alt Voltatge

• Subministra energia al tub de raigs X.
• Pot treballar amb altes tensions (125-150 kV) i intensitats (fins a 500 mA).
• S’instal·la sovint dins del gantry per estalviar espai.

Tub de Raigs X

Similar als de radiologia convencional, però amb algunes diferències:

• Ha de suportar altes tensions i intensitats.
• Conté filtres d’alumini per eliminar fotons de baixa energia.
• Utilitza ànodes de grafit per dissipar millor la calor.
• L’angulació de l’ànode és menor per millorar la transferència de calor.
• Ha de suportar forces centrífugues de fins a 13G per la rotació ràpida.

En equips avançats, es poden modificar els punts focals per obtenir més projeccions (sistemes de múltiple energia).

Algorismes de Reconstrucció de la Imatge

• Mètode iteratiu: Usat en la primera generació, requeria totes les projeccions abans de reconstruir la imatge.
• Mètode analític (retroprojecció filtrada): Permet reconstruir la imatge mentre es reben les dades, fent el procés més ràpid. És el més utilitzat actualment.

Altres Conceptes Rellevants

Angiomiolipoma

Tumor benigne compost de greix, múscul llis i vasos sanguinis, que es troba principalment al ronyó.

ROI (Region of Interest)

Àrea seleccionada dins de la imatge per estudiar característiques específiques, com la mesura de les UH mitjanes.

UH i Diagnòstic

• UH al voltant de -70 a -100 (valors negatius indicatius de greix) poden ser suggerents d'angiomiolipoma (AMLE) renal si es troben dins d'una massa.
• L’ordinador pot treballar amb milers d'UH diferents (sovint 12 bits = 4096 valors), però l’ull humà només percep uns 40 tons de gris simultàniament, d'aquí la importància del windowing.

Filtres del feix de raigs X

Els filtres, habitualment metàl·lics (com 2.5 mm d'Al i 0.4 mm de Cu), es col·loquen a la sortida del tub de raigs X i tenen dues funcions principals:

• Eliminar fotons de baixa energia que no contribueixen a la imatge però sí a la dosi al pacient (enduriment del feix).
• Augmentar l’energia efectiva del feix per aconseguir una atenuació més uniforme i millorar la qualitat de la imatge.

A la TC, s’utilitzen filtres "bowtie" (corbatí), que modelen la forma del feix per compensar la forma cilíndrica del pacient i adaptar-lo al sistema de detecció, reduint la dosi i millorant la uniformitat de la imatge.

Atenuació del feix de raigs X

L’atenuació depèn de l’energia del feix. Com que el feix és polienergètic (conté fotons de diferents energies), l'atenuació no és uniforme. Els fotons de menor energia (raigs X tous) s’atenuen més fàcilment (s'eliminen primer), mentre que els de més energia (raigs X durs) són més penetrants. Sense correcció mitjançant filtres i processos digitals, això pot provocar artefactes a la imatge (com l'enduriment del feix).

Col·limadors en TC

El sistema de col·limació defineix el feix de raigs X i pot ser:

• Pre-pacient: Situat a la sortida del tub, defineix la forma i l'amplada del feix que arriba al pacient en l'eix Z (gruix de tall en TC seqüencial o cobertura total en TC helicoïdal multitall).
• Post-pacient (o pre-detector): Situat després del pacient i abans del sistema de detecció, redueix la radiació dispersa que arriba als detectors i, en sistemes antics o alguns dissenys específics, podia definir el gruix del tall reconstruït.

Sistema de detecció i adquisició de dades (DAS)

El DAS transforma els raigs X incidents (després de travessar el pacient) en senyal elèctric, que es digitalitza per poder reconstruir les imatges.

Tipus de detectors

• Detectors de gas (xenó ionitzat, eficiència ~45%): S'han deixat d'utilitzar principalment per la seva menor eficiència quàntica comparats amb els detectors sòlids.
• Detectors de cristall de centelleig (estat sòlid, com tungstat de cadmi o ceràmics moderns, eficiència >90%): Converteixen els fotons de raigs X en llum visible (centelleig) i després un fotodiode converteix aquesta llum en senyal elèctric proporcional al nombre de fotons detectats. Són els estàndards actuals.

Evolució dels TC Multitall (TCMT)

Un TC Multitall (o Multidetector, TCMD) permet adquirir més d’un tall per rotació gràcies a múltiples files de detectors al llarg de l'eix Z.

Principals fites:

• 1992: TC Elscint Twin → 2 talls per rotació (5 mm de gruix cadascun).
• 1998: TC de 4 talls → Millora la velocitat i cobertura, però encara amb vòxels sovint anisotròpics (resolució Z pitjor que X-Y).
• 2000: TC de 8 talls → Redueix més el temps d’exploració, però la resolució longitudinal (eix Z) no millora substancialment respecte als 4 talls.
• 2002: TC de 16 talls → Permet obtenir un vòxel isotròpic real (mateixa resolució en X, Y, Z), millorant significativament la qualitat de les reconstruccions multiplanars (MPR) i 3D, i redueix encara més el temps d'adquisició.
• 2004: TC de 64 talls → Gran millora en TC cardíac (permetent congelar el moviment del cor), resolució longitudinal de fins a 0.5 mm.
• Actualitat: Equips de 128, 256, 320 o fins i tot més files de detectors (o capacitat equivalent mitjançant altres tecnologies), capaços d'explorar òrgans sencers (com el cor o el cervell) en una sola rotació.

Disseny dels sistemes de detecció

El conjunt de detectors forma un arc corbat en el pla axial (X-Y). En l'eix longitudinal (Z), els detectors tenen forma rectangular. Alguns sistemes inclouen detectors de referència externs que mesuren la intensitat inicial del feix per ajudar a calcular el coeficient d’atenuació amb més precisió.

Tipus de sistemes de detecció (en TCMT)

1. Detectors simètrics (matriu fixa): Utilitzats en els primers TC de 4 talls. Tenien espais morts entre detectors que podien reduir l'eficiència i augmentar la dosi relativa.
2. Detectors asimètrics (matriu adaptativa): Augmenten l’amplada dels detectors cap als extrems de l'arc per compensar la divergència del feix, corregint punts morts i l'efecte ombra (penombra).
3. Sistemes híbrids: Presenten diferents mides de detectors (més fins al centre, més amples a la perifèria) per optimitzar l'eficiència i la resolució (utilitzats en TC de 16 talls i posteriors).

Isometria vs. Anisometria

El vòxel és l’element de volum que conté la informació radiològica.

• Vòxel anisomètric: Les dimensions del vòxel no són iguals en els tres eixos (típicament, la dimensió Z és més gran que X i Y). Això resulta en menor resolució espacial en els plans reformats (coronal, sagital, oblics).
• Vòxel isomètric: Les dimensions del vòxel són iguals en els tres eixos (X = Y = Z). Això proporciona la mateixa alta resolució espacial en qualsevol pla de reconstrucció.

Treballar només amb imatges axials no aprofita tot el potencial del TC Multitall. Per obtenir un gruix de tall efectiu més fi i vòxels isotròpics, es necessiten més files de detectors prims, fet que ha impulsat l’augment del nombre de files i canals en els equips moderns.

Definició del Pitch en TC Helicoïdal

El pitch descriu la relació entre l'avanç de la llitera per rotació del tub i l'amplada del feix de raigs X.

• TC monotall: Pitch = Avanç de la llitera per rotació / Gruix de tall col·limat
• TC multitall: Pitch = Avanç de la llitera per rotació / Col·limació total del feix (Nº de files de detectors actives x Gruix de cada detector)

Exemple: Amb 16 files de detectors de 1.25 mm de gruix cadascuna, la col·limació total del feix és 16 x 1.25 mm = 20 mm. Si la llitera avança 20 mm per cada rotació del tub, el pitch és 1.0. Si avança 30 mm, el pitch és 1.5. Combinant la col·limació pre-pacient i l'agrupació electrònica dels canals del detector (binning), es poden obtenir diferents gruixos de tall reconstruïts a partir de les dades adquirides.