A apresentação está carregando. Por favor, espere

A apresentação está carregando. Por favor, espere

Tomografia Instituto Superior Técnico Mestrado em Engenharia Mecânica

Apresentações semelhantes


Apresentação em tema: "Tomografia Instituto Superior Técnico Mestrado em Engenharia Mecânica"— Transcrição da apresentação:

1 Tomografia Instituto Superior Técnico Mestrado em Engenharia Mecânica
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: s Nº de detectores: 864 Tempo de vida do tubo raio X: 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 Positron Emission Tomography (PET)
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 Positron Emission Tomography (PET)
2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Positron Emission Tomography (PET) Radionuclidos Tomografia

20 Positron Emission Tomography (PET)
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 (trajectória oposta – 180º)
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

22

23

24

25

26

27 Positron Emission Tomography (PET)
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

28

29

30

31

32

33

34 Positron Emission Tomography (PET)
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 Positron Emission Tomography (PET)
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 Single Photon Emission (SPECT)
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 Single Photon Emission (SPECT)
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 Single Photon Emission (SPECT)
2. Técnicas nucleónicas Tomografia nucleónica por emissão Single Photon Emission (SPECT) Colimador: Tomografia

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

40 Algoritmos de reconstrução de imagem:
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 Princípio de funcionamento: 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 Imagens recolhidas através de MRI
3. Técnicas tomográficas: Ressonância magnética Imagens recolhidas através de MRI Tomografia

46 » 4. Métodos por microondas Comprimento de onda Radiação difractada
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 Detectores Radiação incidente 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 Aplicações 4. Métodos por microondas
Observações meteorológicas e ecológicas por satélite - Space Sensor Microwave / Imager Sonda DMSP 5D-2 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 Tomografia

51 5. Métodos acústicos Algoritmo de reconstrução Transmissão acústica
O sinal obtido é linear O algoritmo de reconstrução das propriedades do meio baseia-se nos mesmos princípios que a transmissão nucleónica Métodos directos: Métodos iterativos: Inversão de Fourier Filtered backprojection Algebric Reconstruction Technique Tomografia

52 Aplicações 5. Métodos acústicos Oceanografia:
Medição da temperatura em profundidade (Jamstec in Tomografia

53 Aplicações 5. Métodos acústicos Oceanografia: Transmissão acústica
Medição da temperatura em profundidade (Jamstec in (Ocean Acoustics Lab in Tomografia

54 Aplicações Medicina: Transmissão acústica - ultrasons
Observação da estrutura óssea Ensaio de tomografia acústica de transmissão por ultrasons: Unidade de transmissão, objecto de estudo (mão), lentes, unidade de recepção. Tomografia

55 5. Métodos acústicos Reflexão acústica
Fundamento: a tomografia através da reflexão acústica baseia-se na determinação da radiação que é reflectida por uma partícula quando sobre esta se faz incidir um sinal acústico Emissores / Detectores Desvantagem: O sinal reflectido pode ser influenciado pela geometria do corpo Tomografia

56 Algoritmo de reconstrução
5. Métodos acústicos Reflexão acústica Algoritmo de reconstrução O comprimento de onda é da ordem de grandeza do diâmetro das partículas presentes no meio O algoritmo tem apenas em conta a radiação que é reflectida, não contemplando a radiação difractada nas outras direcções Backprojection Tomografia

57 Aplicações 5. Métodos acústicos Sonar: Reflexão acústica
O sistema sonar mais comum inclui: sensor colocado numa cabeça rotativa processador do sinal registador do sinal computador A velocidade de rotação da sonda é relativamente baixa, cerca de segundos para uma rotação de 360º. (Imagem do fundo do oceano in

58 6. Métodos eléctricos Este método utiliza a diferença de potencial ou a intensidade da corrente eléctrica como fonte de energia de excitação. As medidas são obtidas aplicando uma série de eléctrodos ao meio em estudo, registando depois as variações obtidas relativamente à: resistência do meio – Electrical Resistivity Tomography (ERT) capacitância do meio – Electrical Capacitance Tomography (ECT) indutância do meio – Electrical Inductance Tomography (EIT) (in Vantagens: É mais barato que os métodos nucleónicos, muito mais pequeno e não necessita de radiação ionizante. Permite obter milhares de imagens por segundo, com um intervalo de 10 milisegundo entre duas imagens consecutivas Desvantagem: Baixa resolução espacial (ex. 32 x 32 pixels)

59 O sinal obtido é não-linear
6. Métodos eléctricos Algoritmo de reconstrução O sinal obtido é não-linear O algoritmo de reconstrução das propriedades do meio já não se baseia nas equações de onda, mas sim equações que regem o campo electroestático (geralmente as equações de Poisson) Nos campos electroestáticos, quando a corrente eléctrica encontra um campo com condutividade diferente, as linhas são desviadas, como tal, não podemos aplicar os algoritmos destinados à tomografia de transmissão. Backprojection

60 Electrical Resistivity Tomography (ERT)
Fundamento: baseia-se no facto de substâncias diferentes apresentarem resistências diferentes à passagem da corrente eléctrica. O método consiste na aplicação de uma certa corrente eléctrica a um meio, através de eléctrodos. Posteriormente, mede-se a voltagem desenvolvida em eléctrodos colocados em diferentes posições em redor do meio em estudo. Localização dos eléctrodos Sinal obtido e processamento de imagem (in Funcionamento: Geralmente são colocados 8 a 16 eléctrodos metálicos em redor do meio em estudo. Através de combinações entre os eléctrodos, é possível a obtenção de imagens a 2D Colocando os eléctrodos a diferentes profundidades ao longo do meio, é possível a obtenção de imagens a 3D

61 Aplicações Engenharia genética:
Electrical Resistivity Tomography (ERT) Aplicações Engenharia genética: Reconstrução de um modelo 3D a partir de imagens consecutivas tiradas em microscópio electrónico de tomografia ( in Tomografia

62 Aplicações Engenharia geológica:
Electrical Resistivity Tomography (ERT) Aplicações Engenharia geológica: Monitorização do processo de infiltração de água num perfil de solo no Novo México, com base na medição da humidade (in

63 Electrical Capacitance Tomography (ECT)
Fundamento: baseia-se no facto de substâncias diferentes terem capacidades diferentes de armazenar energia eléctrica. O método consiste na aplicação de uma diferença de potencial um meio, através de eléctrodos. Posteriormente, mede-se a capacitância lida nos sensores colocados em diferentes posições. (in O método ECT é constituído por: um sensor de capacitância uma unidade de medida da capacitância um computador Tomografia

64 Aplicações Combustão: Mecânica dos fluídos:
Electrical Capacitance Tomography (ECT) Aplicações Combustão: Monitorização de chamas Mecânica dos fluídos: Monitorização de escoamentos gás/óleo ou gás/sólidos (in Tomografia

65 7 - Referências bibliográficas
Fischer, W. and Burkhardt, H. (1990). “Three-dimensional temperature measurements in flames by multispectral tomographic image analysis” in Applications of Digital Image Processing Xie, C. G. Review of image reconstruction methods for process tomography. Helmut Ermert, Oliver Keitmann, Ralph Oppelt, Bernd Granz, Andreas Pesavento, Markus Vester, Bernd Tillig, Volker Sander. ”A New Concept For A Real-Time Ultrasound Transmission Camera” Avinash C. Kak, Malcom Slaney, “Principles of Computerized Tomographic Imaging”, IEEE Press Tomografia


Carregar ppt "Tomografia Instituto Superior Técnico Mestrado em Engenharia Mecânica"

Apresentações semelhantes


Anúncios Google