LIM-Laboratorio de Imagen Médica - Desarrollo Tecnológico
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Desarrollo Tecnológico
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Sistemas de imagen CT

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Diseño y desarrollo de un sistema micro-CT de alto rendimiento

Motivación

La utilización de técnicas de medicina nuclear, como la PET en pequeños animales de laboratorio, está demostrando ser una práctica de interés creciente en diferentes campos de la investigación biomédica. Los datos obtenidos con esta modalidad de imagen son, en ocasiones, difíciles de interpretar debido a una localización ambigua de la captación del trazador. El registro de imágenes PET con imágenes morfológicas de alta resolución espacial, como las de tomografía por rayos X (CT), ha demostrado ser una técnica válida para evitar este problema. Debido a ello, en nuestro laboratorio se vienen desarrollando durante los últimos años sistemas de imagen multi-modalidad capaces de realizar estudios combinados intrínsecamente registrados. Como parte de este grupo de trabajos, se ha desarrollado un sistema micro-CT de alto rendimiento, adecuado para la complementación de los datos obtenidos por técnicas de imagen funcional o para la obtención in-vivo de imagen anatómica de alta calidad.

Descripción del sistema

El diseño básico del sistema se basa en el montaje sobre un soporte rotatorio motorizado de un tubo micro-foco de rayos-X y un detector digital plano. El prototipo cuenta a su vez con una camilla motorizada para desplazar el objeto bajo estudio a lo largo del campo de visión y permitir la adquisición de imágenes de cuerpo entero. La interacción de los componentes del sistema durante la adquisición de datos se controla por medio de un computador de propósito general. Los datos adquiridos para cada posición del elemento rotatorio son recogidos mediante una tarjeta capturadota de vídeo por el programa de control. Durante la adquisición, este programa es capaz de realizar el procesado y las correcciones necesarias sobre los datos crudos del detector, para así obtener una imagen que representa el coeficiente de atenuación de los diferentes tejidos, proyectado sobre un plano, para cada posición angular.

 
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 La imagen muestra el prototipo de micro-CT, con los componentes básicos del sistema. El haz cónico generado en el tubo de rayos-X (izquierda), traspasa el objeto situado en la camilla y es detectado en el sensor digital de imagen (derecha). El anillo rotatorio permite realizar la adquisición de múltiples proyecciones.

 

Reconstrucción de imagen

Para la reconstrucción tomográfica de las imágenes de proyección adquiridas durante el proceso de adquisición se ha implementado un algoritmo tipo FDK de alta velocidad, adaptado a la geometría específica del sistema.

Las siguientes imágenes muestran ejemplos de diferentes estudios realizados con el sistema.

 
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 Cortes sagital, coronal y axial del abdomen de un ratón. Adquisición de 360 proyecciones (Avimgs=16) realizadas a 33kV y 400μA. La imagen tiene un tamaño de píxel de 125μm y fue reconstruida en 1,5 minutos (274x274x288 píxeles).

 

 
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Corte coronal de un ratón de cuerpo entero, adquirido en dos posiciones con un tamaño de píxel de 125 μm, con 360 proyecciones, 40 kV y 200 μA. 

 

 
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Render Volumétrico

Artefactos en imagen CT

web_ct_fusion.jpgLa tomografía computarizada (CT) se ha erigido en las últimas décadas como una de las técnicas no invasivas más importantes para diagnóstico. En concreto, la micro-tomografía (o micro-CT) está resultando especialmente útil para la investigación oncológica en modelos biológicos sobre pequeños animales.

Los datos que produce un sistema de tomografía computarizada  son extremadamente precisos, por lo que cualquier error o artefacto introducido por la máquina o el algoritmo de reconstrucción es apreciable y puede disminuir seriamente la calidad de la imagen. Esto influye, por añadidura, en la calidad de imágenes de fusión (por ejemplo, en sistemas PET-CT o SPECT-CT), que dependen de la imagen CT para información anatómica de referencia.

En el Laboratorio se han desarrollado distintas herramientas de diagnóstico y corrección de artefactos para imagen micro-CT de alta resolución, con aplicaciones en sistemas ya comercializados.

Desalineamientos

En el Laboratorio se ha desarrollado un simulador de desalineamientos mecánicos, con el propósito de estudiar el efecto de varios tipos de desalineamiento, tanto en el soporte del sujeto bajo estudio como en el panel de detección, en imágenes de micro-CT. Además ha permitido evaluar la tolerancia de un sistema haz cónico y alta resolución espacial para a estos desalineamientos.

Asimismo, esta herramienta resulta útil como ayuda al diagnóstico de estos artefactos, ya que permite aislar los efectos de cada uno en una imagen determinada.

Beam hardening o endurecimiento del haz

Otro artefacto muy común y perjudicial en la cuantificación de imágenes de CT es el llamado cupping, una depresión cóncava aparente en datos de volúmenes y materiales homogéneos, visible tanto en los perfiles tomados de las proyecciones como en la imagen reconstruida. Este artefacto se debe al llamado efecto de beam hardening o endurecimiento del haz, cuyo origen está en la policromía de las fuentes de rayos X, que provoca una no linealidad de la atenuación total medida en objetos homogéneos.

Una solución implementada en el Laboratorio corrige este artefacto, abordando esa no linealidad. Mediante un ajuste a polinomios de la atenuación medida y de la teórica, se busca una función de transformación entre una y la otra válida para un solo material de cualquier grosor. No es necesario conocer el espectro de la fuente de rayos X ni realizar una reconstrucción preliminar; sí lo es tener acceso a las proyecciones originales, puesto que es ahí donde se aplica la corrección previa a la reconstrucción.

El método ha sido implementado para un tomógrafo computarizado para pequeños animales (micro-CT), empleado especialmente para el estudio a bajas energías de objetos de poca densidad, especialmente tejido blando y animales cuya masa ósea es poco densa.

Artefacto de anillo

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Corte transaxial de ratón, antes (A) y después de la corrección (B)

Otro artefacto muy común en los tomógrafos de rayos x es el llamado artefacto de anillo, originado por inhomogeneidades en el detector. Estas inhomogeneidades se compensan comúnmente con lo que se denomina corrección de campo plano (adquisición de una proyección sin objeto en el escáner). Sin embargo, esta corrección no es suficiente para eliminar los anillos por completo ya que, por lo general, las celdas del detector tienen distintas respuestas no lineales dependientes de la señal recibida (lo que depende de la muestra). Por eso es necesario un algoritmo para corregir cada conjunto de proyecciones adquirido. En el laboratorio se ha desarrollado un algoritmo para reducir el efecto del artefacto de anillo válido para geometría cónica. El algoritmo genera una imagen de corrección formada por los factores de corrección aditivos para cada posición del detector.

 

 

 

 

 


Gating respiratorio retrospectivo en CT

La tomografía computarizada (Computed Tomography, CT) ha sido ampliamente utilizada durante las últimas décadas para el diagnóstico de numerosas enfermedades debido a la precisión de la información anatómica que proporciona de forma no invasiva. De todos modos, los estudios in-vivo de tórax mediante imágenes de tomografía computarizada de dichas enfermedades se ven fuertemente limitado por los artefactos y el emborronamiento provocados por el movimiento respiratorio, tanto en las proyecciones como en las imágenes reconstruidas en 3D.

En el laboratorio se dispone de escáneres para pequeño animal equipados con fuente de haz cónico y detector plano, en los que sólo existe rotación alrededor del eje axial para obtener las proyecciones. En el proceso de adquisición es muy común obtener en cada posición de la fuente y el detector no una, sino varias imágenes (comúnmente llamados frames). El objetivo es promediarlas todas para mejorar la relación señal a ruido (SNR- signal to noise ratio) de esa proyección; pero si se promedian imágenes con el diafragma en distintas posiciones, la proyección resultante aparece emborronada también, y este emborronamiento de las proyecciones se traslada a la imagen reconstruida.


 
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Fila superior: cortes coronal y sagital de un estudio sin gating. A) Vista coronal de un estudio dinámico obtenido con gating retrospectivo. B) Vista sagital.

 

El gating retrospectivo (ó 4DCT) consiste en dividir el ciclo respiratorio en ventanas temporales de modo que cada una se corresponda con una fase respiratoria distinta, para posteriormente asignar a cada proyección adquirida con el escáner la fase respiratoria correspondiente. A continuación las proyecciones adquiridas en cada fase respiratoria se reconstruyen por separado, obteniendo una secuencia temporal de volúmenes que conforman un estudio dinámico. Y de ahí el nombre de 4D-CT (tomografía computarizada en cuatro dimensiones), puesto que se obtiene una secuencia temporal de varias imágenes 3D. De este modo se evita el uso de un sistema de sincronización a la vez que se obtiene un estudio dinámico completo con una sola adquisición, aunque la señal respiratoria sigue siendo necesaria para asignar la fase correspondiente a cada imagen adquirida a posteriori. En nuestro laboratorio se ha desarrollado un método de post-procesado para  obtenerla mediante análisis de imagen offline y evitar así el empleo de instrumentación adicional de monitorización.

En cualquier caso se ha continuado trabajando en la aplicación de otras técnicas más complejas como el registro elástico de imágenes que podría proporcionar mejores resultados. 

 

 



 
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