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Ruído

A qualidade da imagem pode ser testada com um vaso de água, para calcular o número CT e também o desvio padrão médio. O ruído aumenta com a redução do número de fótons observados, e portanto aumenta com pacientes mais espessos, e quando o feixe atravessa materiais muito opacos, como próteses. A resolução pode ser testada utilizando-se uma placa de Perspex com buracos de diferentes tamanhos e profundidades cheios de água, que testam os diferentes contrastes. Contraste de uma imagem é a amplitude das variações dos níveis de cinza de uma imagem. Uma estrutura só será detectada se seu contraste com o meio for maior do que 3 a 5 vezes o ruído. Quanto maior for a estrutura, melhor é a resolução em contraste. Uma estrutura de 10 mm de diâmetro pode ser detectada com diferenças de números CT de 4 ou 5, aproximadamente 10 vezes melhor do que com filme, devido ao menor tamanho do feixe.

Nos scanners de terceira geração, que utilizam muitos detectores simultaneamente, um pequeno desbalanço na sensibilidade dos detectores de cintilação produzem artefatos em forma de anel, já que a projeção de um anel cai sempre no mesmo detector em uma volta completa.

Para apresentar a imagem em um monitor, os dados são convertidos através de um conversor digital-analógico (DAC), em uma voltagem que controla o feixe de elétrons do monitor, modulando o brilho da mancha de luz que aparece na tela.

Os valores digitalizados podem ser manipulados em várias formas antes de serem apresentados na tela. Como o olho humano só consegue notar 32 níveis distintos de cinza em um monitor, os valores de intensidade podem ser re-escalonados, ou re-mapeados, para optimizar os valores de contraste e brilho dos tecidos e áreas de interesse. Podemos também subtrair um valor constante de todos os pixeis, para aumentar o contraste, principalmente o ruído médio da imagem. Podemos também calcular imagem média de várias exposições armazenadas no computador, pixel a pixel. Desta maneira, o sinal em cada pixel de cada imagem se adiciona, mas o ruído, que varia aleatoriamente, se cancela. Logo, a razão sinal/ruído aumenta com a raiz quadrada do número de imagens adicionadas. Naturalmente este processo depende da imobilidade do paciente durante as várias exposições.

Uma técnica de redução de ruído chamada de filtro de baixa banda consiste em adicionar uma porção do valor dos oito pixeis adjacentes e tomar a média. Este filtro diminui o ruído mas também a resolução. Pequenas áreas claras ou escuras são removidas, sejam elas devido ao ruído ou devido ao sinal, deixando as imagens de objetos maiores.

Um filtro de alta banda, ou realce de borda (edge enhancement) pode ser usado para reduzir o efeito de borramento (blurring). Quando o valor de um pixel muda em uma borda, seu gradiente é aumentando matematicamente. Desta maneira, aumenta-se o contraste da estrutura, mas aumenta-se o ruído. A teoria da informação sempre tem que ser levada em conta, de que não podemos aumentar o conteúdo total de informação. Se aumentamos em uma região, diminuímos em outra.

Subtração digital, como em angiografia, pode ser utilizada para obter-se a imagem de vasos cheios de contraste, em relação aos outros tecidos, e com menor administração de contraste. Imagens da mesma região são obtidas em sucessão rápida, antes e depois da ingestão do contraste, minimizando-se o movimento do paciente e do equipamento. Os sinais de vídeo são convertidos eletronicamente para seus logaritmos, para emular a atenuação exponencial dos raios-X pelo tecido, e então são digitalizadas. A imagem antes e depois da ingestão do contraste são registradas, isto é, deslocadas para que os mesmos pixeis se correspondam, e então subtraídas pixel a pixel. A imagem resultante é somente dos vasos com contraste. Naturalmente o ruído da imagem subtraída é maior do que o da imagem com e sem o contraste. O sinal se subtrai, mas o ruído se reforça, reduzindo a razão sinal/ruído. As imagens também sofrem pelo movimento de qualquer tecido, devido à respiração, movimentos cardíacos, pulsação vascular, etc. Estes movimentos podem às vezes ser eliminados com o re-alinhamento (re-registro) das imagens antes da subtração.

\epsfig{file=subt.epsf,width=5cm,clip=}

Nesta figura pode-se ver como uma subtração pode mostrar estruturas completamente invisíveis antes dela:

\epsfig{file=subtr1.epsf,width=5cm,clip=}

Uma outra forma de subtração, chamada de subtração de energia, consiste em tomar duas imagens em sucessão de vasos cheios de iodo, com feixes mono-energéticos de 32 e 34 keV, respectivamente, um em cada lado da banda K do iodo. A atenuação e contraste do iodo diferirá marcadamente entre as duas imagens, enquanto a atenuação dos ossos e tecidos macios quase não muda. Subtraindo-se as duas imagens elimina os ossos e tecidos macios, deixando somente a imagem do iodo.

Um dos objetivos deste curso é a apresentação dos equipamentos de aquisição de imagens, como câmaras de vídeo, e CCDs, a aquisição de dados e o tratamento numérico das imagens, principalmente transformadas de Fourier.

Tipo Sensor bpp 2/3D Tamanho Resolução (pares/mm)
Raio-X Filme 16 2D 50 cm 100
CT Scan 12 3D $ 512^2\times 100$ 1
MRI Scan 12 3D $ 256^2\times 40$ 1
Fluoroscopia vídeo 8 2D $ 525\times 325$ 1
Ultrasom Microf. 8 2D $ 512^2$ 0,2
Imageamento Gama Cint. 8 3D $ 128^2$ 0,1

A aquisição de imagens trata da transformação da imagem de um objeto físico em um conjunto de dados digitais.

Grande parte dos tratamentos de imagens nos equipamentos são realizados por firmware, mas a análise numérica e reconstrução das imagens requer o acesso aos dados, e sua compreensão.

Atualmente, ao invés de placas fotográficas, se pode utilizar câmaras eletrônicas, chamadas câmaras CCD (Charge Coupled Device), que têm a função de converter fótons em elétrons, gerando uma corrente elétrica que pode ser quantificada com um conversor analógico-digital (ADC).

A maior limitação das câmaras digitais, comparado a placas fotográficas, é seu pequeno tamanho. Considerando-se um CCD de 2048x2048 pixeis, cada um com 22 $ \mu$m, mede 4,5 cm de lado, enquanto uma placa fotográfica mede facilmente 50 cm. Entretanto, sua maior vantagem é a quantização imediata dos dados, e portanto a possibilidade de tratamento matemático destes. Para cobrir uma área adequada, a fonte ou o detector precisam ser movidos. Atualmente fabricam-se CCDs com 4096$ \times$4096 pixeis, mas seus preços ainda não são comerciais. Uma das vantagens de CCDs, comparados com filmes e fotomultiplicadoras, é sua grande eficiência quântica; enquanto em uma fotomultiplicadora somente 30% dos fótons são convertidos, em um CCD 80% dos fótons o são.

\epsfig{file=ccd.epsf,width=7cm,clip=} \epsfig{file=ccd1.epsf,width=7cm,clip=}


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Modificada em 21 set 1998