Bioimmagini

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Organizzazione del corso

• Orari delle lezioni

• Lezione il martedì ore 14.30 – 16.30, aula 1B ed il venerdì

8.30 - 10.30, aula 1D

• Esercitazioni al posto delle lezioni al LADISPE di via Boggio

quando indicato dal docente

• Docenti

• ing. Filippo Molinari, tel. 4135, filippo.molinari@polito.it

• ing. Silvia Delsanto, tel. 4136, silvia.delsanto@polito.it

• Materiale didattico

• copia delle slide del corso (insufficienti!)

• elenco dei testi disponibile sul portale

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In medicina da sempre si fa uso di “simulacri” per trasmettere il sapere medico.

Leonardo da Vinci (1452 – 1519)

Visible Human (1986)

Vesalius “De Humani corporis fabrica” (1543)

Manuali di anatomia (nella foto: Testut)

Tavole di anatomia di Netter

Un po’ di storia …

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1895 2000199019801970196019501940.......

1859 – 1940

Raggi X (anodo rotante)

Risoluzione spaziale

1945 – 1970

Gamma camera

Ultrasuoni

TC – SPECT – PET

Risoluzione in ampiezza

RM – DSA – Spiral CT

Risoluzione temporale

RX digitale – MEG - fMRI

Evoluzione tecnologica

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Cos’è una bioimmagine?(1)

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Si indica col termine bioimmagine una figura relativa all’anatomia oalla fisiologia di parti interne del corpo.

Ma questadefinizione èesauriente?

Funzione Invasività

Scala (macro

o microscopica)

Morfologia

o

funzioneTecnica

Cos’è una bioimmagine?(2)

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Il medico e` solito classificare le bioimmagini inbase alla loro funzione: un cardiologo classificale immagini cardiologiche in base alla lorovalenza diagnostica, terapeutica o riabilitativa.

La tecnica che sta alla base delle immagini haimportanza minore.

L’ingegnere e` solito classificare le bioimmagini sulla basedella loro natura, cioe` in base alla tecnica con la qualesono state ottenute.

Si parla quindi di radiografie, immagini TAC, ecografie,immagini di risonanza magnetica …

Classificazione delle bioimmagini(1)

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In base alla funzione

• bioimmagini MORFOLOGICHE

• bioimmagini FUNZIONALI

In base all’uso clinico

• analisi di strutture anatomiche

• diagnostica

• analisi di patologie (cause)

• monitoraggio terapia, follow – up

In base alle caratteristiche

• radiazioni ionizzanti o non ionizzanti

• invasivita` della tecnica

• somministrazione o meno di mezzo dicontrasto

Classificazione delle bioimmagini(2)

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Le bioimmagini si generano sfruttando opportunamente l’interazione di unqualche tipo di energia con il corpo umano.

I principali meccanismi sfruttati sono:

assorbimento

radiologia, TAC

riflessione

ultrasonografia

diffusione

SPECT, PET

Come si genera una bioimmagine?

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Le prestazioni di un sistema di generazione di immagini a scopo diagnostico possonoessere valutate a partire da un numero limitato di parametri.

• ia valor medio dell’immagine valutato sull’areola

• is valor medio dell’immagine valutato sullo sfondo

CONTRASTO

Rappresenta la variazione relativa del valoreassunto dai pixel appartenenti ad una zonadell’immagine rispetto allo sfondo.

S

A

Parametri fisici descrittivi di un’immagine(1)

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RISOLUZIONE

Risoluzione spaziale: capacita` di vederecome distinti oggetti piccoli e ravvicinati

hh

Risoluzione temporale: numero diimmagini acquisibili nell’unita` di tempo

Risoluzione in ampiezza: minimo valore dii rilevabile sull’immagine (strettamente

legata al contrasto)

Legge di Weber (per ilsistema occhio umano)

Parametri fisici descrittivi di un’immagine(2)

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RAPPORTO SEGNALE – RUMORE

A causa del rumore presente, il valore dell’immagine in un punto non e` unacostante, ma piuttosto una variabile casuale (si supponga una v.c. gaussiana condeviazione standard pari a i)

Detto iavg il valor medio dell’immagine in un punto, il rapporto segnale – rumore (SNR)vale:

Tuttavia il valore assoluto del SNR non e` sempre molto significativo, spessointeressa maggiormente una misura di SNR differenziale, relativa ad esempio ad undettaglio a su uno sfondo s. In questo caso il valore del SNR differenziale vale:

Parametri fisici descrittivi di un’immagine(3)

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• Le bioimmagini vengono praticamente sempre ricavate in vivo, cioe`direttamente sul tessuto umano.

• Le bioimmagini rappresentano spesso una visione parziale della realta`,adattata ad uno specifico problema.

• Lo studio in vivo delle strutture del corpo umano avviene sempre secondoqueste modalita`:

emissione spontanea del corpo umano

interazione con energia inviata sul corpo umano

interazione mirata a specifiche strutture del corpo umano

Caratteristiche comuni delle bioimmagini

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E` stato dimostrato che il corpo umano emette spontaneamentediversi tipi di energia:

• energia magnetica

• energia elettrica

• energia meccanica

• energia elettromagnetica

Nel corso degli anni sono stati messi a punto sofisticati sistemi per ilmonitoraggio e l’acquisizione dei dati forniti da questo tipo di emissionispontanee; esempi classici in questo campo sono le apparecchiature perelettroencefalografia, elettrocardiografia, elettromiografia e termografia.

Emissione spontanea del corpo umano

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La termografia consente di ottenere una mappatura della distribuzione ditemperatura sulla superficie dell’epidermide.

Importanza diagnostica

notevoli simmetrie bilateralinel corpo umano e specificipattern associati a soggettisani

Possibilita` di condurre un esamesenza contatto tra paziente estrumento di misura

Risposta in tempo reale

Pregi e difetti

Capacita` di rivelare alterazionimetaboliche o circolatorie

Elevato numero di falsi allarmi

Metodica utilizzataprevalentemente per loscreening (analisi preliminarisu vasti gruppi)

Es: tumore al seno in donne diuna certa fascia d’eta`.

Termografia(1)

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Termografia(2)

Sensibilità dei sensori all’infrarosso

Risoluzione termica di 15 - 20 mK

Ottica intercambiabile da 50mm

Frame - rate massimo di 200 Hz

Temperatura di esercizio dei sensori di

circa 40 - 60 K

Matrice d’uscita di 512x512 px codificati

su 16 bit

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Organi del corpo umano (cervello, occhi, cuore, stomaco, muscoli scheletrici…)emettono radiazione magnetica si vuole tradurre in mappe 2D o 3D la distribuzionedi campo magnetico in un organo

L’applicazione principale e` nello studio del cervello in risposta a determinati patterndi stimolazione esterni (campo della ricerca)

Caratteristiche del segnale magnetoencefalografico:

• ampiezza di pochi pT, ma spesso solo qualche decina di fT

• banda compresa tra 0.1 Hz e 600 Hz

• problema del rumore ambientale, di circa 8 ordini di grandezza maggiore delsegnale

utilizzo di sensori Superconducting Quantum Interference Devices(SQUID) con temperatura di lavoro a circa –200 C (bagno di elio oazoto)

Magnetoencefalografia(1)

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Magnetoencefalografia(2)