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Imagens Médicas

O objetivo do imageamento médico é a avaliação médica de tecidos e funções orgânicas do corpo humano, normais e anormais - causadas por doenças ou acidentes, - por meio de imagens. Nosso objetivo é passar da imagem qualitativa clássica para a quantização das imagens, em formato tridimensional, para obter a máxima informação destas imagens, e diagnosticar doenças o mais cedo possível, com maior precisão, e com a menor exposição à radiação ionizante. Não incluímos interpretação das imagens, nem endoscopia e vídeo-laparoscopia, que importantes em si mesmos, são atribuições de clínicos, e não de físicos.

Embora mais de 75% de todas as imagens médicas ainda sejam de placas de raio X (radiografia), com o advento da Tomografia Computadorizada em 1972, o uso de computadores na medicina tem se desenvolvido bastante, mas precisa ainda progredir muito. Os computadores são utilizados principalmente na aquisição das imagens, mas o passo atual e do futuro é o uso da computação gráfica para auxiliar na quantização da imagem e tratamento para a melhor extração da informação possível. Nosso objetivo é oferecer os princípios físicos e matemáticos deste processo, bem como das ferramentas computacionais para a reconstrução da imagem.

hand Rontgen
Desde 8 de novembro de 1895, quando o físico alemão William Conrad Röntgen (1845-1923) descobriu o Raio X - radiação eletromagnética com comprimento de onda entre 0,01 e 1 Å (1 Å= 10-8 cm = 10-10 m), - e por esta descoberta recebeu o prêmio Nobel em física em 1901, demonstrando o uso destes raios para a visualização de ossos e outras estruturas do corpo humano, esta técnica tem sido a dominante no diagnóstico clínico. O primeiro raio-X do corpo humano foi obtido por Röntgen, da mão de sua esposa, Anna Bertha Ludwig. Nos 12 meses subsequentes à publicação da tradução para o inglês do artigo de descoberta, na revista Nature de 23 de janeiro de 1896, mais de 1000 publicações sobre os raios-X, ou raios de Röntgen, foram feitas. As aplicações médicas e o uso clínico dos raios-X logo tornaram-se rotineiros. Um comprimento de onda de 1 Åcorresponde a uma energia $ E=hc/\lambda=10$ keV, onde $ h$ é a constante de Planck, e $ c$ a velocidade da luz.

Muitos órgãos e estruturas musculares e esqueletais não são visíveis pelas técnicas radiográficas normais. Estas estruturas tornam-se visíveis pela ingestão, injeção, ou inalação, de substâncias chamadas de contrastes, que são opacos à radiação. Por exemplo, elementos pesados como o iodo e o bário podem ser injetados ou ingeridos e absorvem o raio-X, aumentando o contraste da imagem.

RaioX

O nascimento do imageamento nuclear se deve à descoberta da radioatividade natural pelo francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908) em 1896, e a descoberta do polônio pelo francês Pierre Curie (1859-1906) e sua esposa, a polonesa naturalizada francesa Marie Curie (Marja Sklodowska-Curie) (1867-1934), em 1898, pelos quais os três cientistas receberam o prêmio Nobel em física em 1903.

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Mas a obtenção
de imagens usando os isótopos radiativos (medicina nuclear)
<A NAME= data da publicação do artigo de G.E. More no jornal Science em 1947. Neste artigo ele descreve o uso de I-131 para determinar a presença de tumores cerebrais.
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A ultra-sonografia, baseada nos sonares usados na Segunda Guerra Mundial, entrou em uso rotineiro em 1966, e

ultrasom
mede a intensidade do eco espalhado para trás (retro-espalhado =backscattered), do som induzido no paciente por um transdutor.

Anger

O desenvolvimento da câmara de cintilação por Hal Anger em 1952, conhecida como a câmara Anger, é a base da medicina nuclear e do desenvolvimento da tomografia axial computadorizada (CAT ou CT).

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A tomografia computadorizada foi inventada pelo engenheiro eletrônico Godfrey N. Hounsfield (1919-), pela qual recebeu o prêmio Nobel em fisiologia e medicina em 1979, juntamente com o sul-africano naturalizado americano, físico Allan McLeod Cormack (1924-). Cormack desenvolveu em 1956 a teoria e a matemática de como múltiplos raios projetados sobre o corpo, em ângulos diferentes, mas em um único plano, forneceriam uma imagem melhor do que o raio único, usado na radiografia. Seus trabalhos foram publicados no Journal of Applied Physics, em 1963 e 1964. Sendo este um jornal de física, não era lido por radiologistas, e Hounsfield desenvolveu a teoria independentemente, e construiu o aparelho.

tomografia

Outras formas de imagear e identificar atividade bioquímica, são a SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography - Tomografia Computada de Emissão de Fóton Único), demonstrada em 1963 por Kuhl e Edwards,

spect
PET (Positron Emission Tomography - Tomografia de Emissão de Pósitrons), em que o paciente é injetado com glucose tratada com traçadores radiativos. Quando o organismo metaboliza a glucose, os PET e SPECT monitoram as partículas radiativas emitidas pelos traçadores na glucose. Estas imagens mostram as reações metabólicas e portanto são úteis no diagnóstico de tumores e lesões cerebrais. Entretanto, os isótopos têm vida curta, e portanto estas técnicas só podem ser totalmente utilizadas próximas a um acelerador ciclotrônico.
pet

Em 1945, a descoberta do momento nuclear magnético foi feita independentemente pelo suiço naturalizado americano Felix Bloch (1905-1983) e pelo americano Edward Mills Purcell (1912-). Esta descoberta lhes deu o prêmio Nobel em física de 1952. Em 1966, os trabalhos do suiço Richard R. Ernst (1933-) com a aplicação da modulação com sinais de rádio e o uso da transformada de Fourier no sinal da NMR (ressonância nuclear magnética) lhe garantiu o prêmio Nobel em química em 1991. Este desenvolvimento pode finalmente ser utilizado em 1973 por Damadian e Lauterbur na geração das primeiras imagens por MRI (Magnetic Resonance Imaging - Ressonância Nuclear Magnética).

mripanc

As vantagens da MRI são principalmente seu enorme contraste entre os vários órgãos, como veias, artérias, nervos e tumores, que não geram sombra nas radiografias. Durante uma MRI, eletromagnetos poderosos criam um campo magnético da ordem de 30 000 vezes o terrestre, que causam o alinhamento dos prótons nos átomos de hidrogênio no corpo. Ondas de rádio, emitidas 25 vezes ou mais por segundo, desalinham temporariamente estes prótons. Quando o pulso de rádio é desligado, os prótons se re-alinham com o campo em alguns segundos, emitindo radiação hiperfina característica, que são detectadas, produzindo as imagens. Por volta de 1983 os primeiros aparelhos hospitalares foram instalados. Comparação de CT com MRI do abdome:

ctabd mriabd

CT do fígado:

ctfig

Mais recente ainda, e ainda em fase de desenvolvimento, é a utilização de SQUID (superconducting quantum interference device - chave de interferência quântica supercondutora), que permite medir pequenas variações (10-15 Tesla) de campo magnético, medindo a atividade neuronal no cérebro, e eventualmente reconstruir a atividade tri-dimensionalmente. A unidade de campo magnético do Sistema Internacional de Unidades é o Tesla (1 Tesla = 10 000 Gauss), em honra do físico iugoslavo naturalizado americano Nikola Tesla (1856-1943).

Tesla

Infelizmente a quantização das imagens ainda está em sua infância, e o discernimento numérico de tecidos ainda não é factível na maioria dos casos.

Para obter a informação contida em uma imagem, precisamos conhecer adequadamente as propriedades físicas da interação da matéria com as ondas eletromagnéticas, ou sonoras. Se observamos uma imagem usando um sensor sensível a determinadas frequências, a informação obtida dependerá tanto da resposta espectral do sensor quanto do meio. Já que a resposta dos sensores é muito limita em comparação com o total do espectro eletromagnético, o problema é identificar a substância a partir do conjunto de valores espectrais aos quais os sensores são sensíveis. Para sanar parcialmente este problema, é necessário fazer o uso de informação complementar da estrutura extraída da própria imagem, como a geometria ou forma, mas principalmente de informação experimental prévia.

Embora a urgência clínica na maioria das vezes não permita um tratamento gráfico detalhado, o uso deste tratamento deve ser extensivo ao menos para calibrar o instrumento e verificar as condições de resolução e de ruído, mas principalmente na escolha de um novo aparelho.


Volta Instituto de Física


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Modificada em 19 jul 2000