Tomografia de raios X

Gerações de tomógrafos

Desde a construção dos primeiros protótipos, os tomógrafos seguiram uma linha evolutiva, passando por diversas concepções e progressivos aperfeiçoamentos. Os primeiros tomógrafos eram extremamente lentos, levando várias horas ou até mesmo dias para adquirir um número suficiente de projeções. Os tomógrafos atuais aquisicionam dados e reconstroem imagens e estruturas tridimensionais em segundos.

A primeira geração de tomógrafos, ilustrada na figura 1, utilizava apenas um detector. O detector era transladado em conjunto com a fonte de raios X de forma a adquirir uma projeção. Em seguida, o sistema era girado de um pequeno incremento angular. O processo de translação era então repetido para obter a projeção seguinte. O feixe de raios X da primeira geração é chamado de pencil beam (feixe em forma de lápis).

[Fig. 1] Primera geração de tomógrafo.

A figura 2 mostra o processo de aquisição de um tomógrafo de primeira geração. Este processo é conhecido como translação + rotação.

[Fig. 2] Processo de aquisição de um tomógrafo de primeira geração.

Devido ao uso de apenas um detector, os tomógrafos de primeira geração possuem as seguintes vantagens:

• Baixo custo
• Processos de varredura e aquisição simples
• Algoritmo de reconstrução de imagens simples
• Maior qualidade de imagens devido ao uso de um único detector, não existindo pequenas variações entre um detector e outro.

Entretanto, esta geração apresenta as seguintes desvantagens:

• Processo de varredura muito demorado
• Apenas uma fatia é coletada a cada varredura

A segunda geração de tomógrafos de raios X caracteriza-se por utilizar vários detectores dispostos de forma linear. Esta geometria, apresentada na figura 3, é chamada de feixe em leque estreito (narrow fan beam). O feixe de raios X em leque geralmente forma um pequeno ângulo (em torno de 10^o).

[Fig. 3] Segunda geração de tomógrafo.

Nesta configuração, o conjunto de detectores realiza várias medidas simultaneamente. Ainda são necessários movimentos de translação e rotação para varrer toda a extensão do objeto. No entanto, devido ao uso de vários detectores, o incremento angular a cada rotação é maior, resultando em um número menor de rotações por varredura. Assim, a principal vantagem desta geometria em relação à primeira geração de tomógrafo é o seu menor tempo de coleta de dados.

Os tomógrafos de segunda geração apresentam duas principais desvantagens:

• Geralmente existem pequenas variações entre as respostas dos detectores. Este fator, se não corrigido por software, causa artefatos nas imagens finais.
• Como o raio interno do feixe de raios X deve tocar a superfície do objeto no início e no final de cada translação, dados inúteis são sempre coletados no processo de varredura.

A terceira geração de tomógrafos, assim como a segunda, emprega vários detectores. Entretanto, esta configuração utiliza um número maior de detectores, de maneira a cobrir toda a seção transversal do objeto em análise. Como mostra a figura 4, os detectores são dispostos ao longo de um arco de circunferência com centro na fonte de raios X.

[Fig. 4] Terceira geração de tomógrafo.

A terceira geração requer apenas um movimento de rotação para a coleta de dados. Portanto, em relação à primeira e à segunda gerações, a terceira geração apresenta como principais vantagens um sistema mecânico mais simples e um menor tempo de varredura.

O número fixo e maior de detectores de um sistema tomográfico de terceira geração traz algumas desvantagens:

• O diâmetro máximo do objeto a ser escaneado é limitado pelo número de detectores. Isto não acontecia na primeira e na segunda gerações, graças ao movimento de translação empregado por estas configurações.
• Quando objetos menores são escaneados, é coletada uma certa quantidade de dados inúteis, já que o feixe em leque cobre uma área maior.
• O espaçamento entre cada raio de uma projeção é fixado e limitado pelo número de detectores.
• Diferenças de resposta entre um detector e outro causam artefatos em forma de circunferência.
• Em relação às gerações anteriores, este sistema é mais caro devido ao maior número de detectores empregados.

A quarta geração, ilustrada na figura 5, é composta por uma circunferência de detectores, com a fonte de raios X colocada no seu interior. Assim, basta rotacionar a fonte ao redor do objeto (ou, quando possível, deixar a fonte fixa e rotacionar apenas o objeto) para coletar os dados. Esta configuração utiliza um número muito grande de detectores.

[Fig. 5] Quarta geração de tomógrafo.

As vantagens da quarta geração são as seguintes:

• Todos os pontos de cada projeção são adquiridos simultaneamente.
• Por requerer apenas um movimento de rotação, o sistema mecânico para movimentar a fonte de raios X (ou o objeto) é simples.
• Reduzido tempo de varredura graças ao simples movimento de rotação e ao feixe em leque cobrindo todo o objeto.

Por outro lado, a quarta geração possui as seguintes limitações:

• O tamanho do corpo em estudo é limitado pelo feixe em leque produzido pela fonte de raios X.
• Varreduras de objetos menores que o tamanho máximo resultam em coleta de dados desnecessários.
• Custo muito elevado devido ao grande número de detectores.
• Número de raios por projeção limitado pelo número de detectores coberto pelo feixe em leque, limitando a resolução espacial do sistema.

Existem algumas variações de tomógrafos de terceira ou quarta geração. A tomografia helicoidal, também conhecida como tomografia espiral, é bastante utilizada em medicina. Nesta modalidade, a fonte de raios X gira em torno do paciente ao mesmo tempo em que este é continuamente movimentado para dentro da abertura do tomógrafo. Deste modo, a fonte realiza um percurso helicoidal em relação ao corpo do paciente. Um algoritmo apropriado permite reconstruir uma imagem tridimensional do corpo ou objeto em estudo.

A tomografia helicoidal subdivide-se em tomografia helicoidal de fatia única (single-slice) e tomografia helicoidal multi-fatias (multi-slices). Como o próprio nome sugere, enquanto a tomografia helicoidal de fatia única utiliza apenas uma linha de detectores, a tomografia helicoidal multi-fatias emprega várias linhas de detectores. Desta forma, a tomografia multi-fatias permite coletar a cada aquisição um conjunto de dados correspondente a um volume inteiro, resultando na reconstrução de um numero maior de imagens que na tomografia de fatia única

Existe ainda uma quinta geração de tomógrafos. Esta configuração é pouco comum e difere bastante das gerações anteriores. Nestes tomógrafos, não existe nenhuma parte móvel. Como apresenta a figura 6, um feixe de elétrons é gerado, atingindo um alvo em forma de arco e produzindo um feixe de raios X. A direção do feixe de elétrons é controlada por uma bobina. Assim, os elétrons varrem o alvo de um extremo a outro, produzindo raios X em diferentes direções.

Uma vez que o feixe de elétrons pode ser defletido muito rapidamente, a quinta geração apresenta tempos de varredura extremamente baixos (na ordem de milisegundos). Estes sistemas também são conhecidos como ultrafast CT (tomografia computadorizada ultra-rápida), milisecond CT (tomografia computadorizada de milisegundo) ou electron beam CT (tomografia computadorizada de feixe de elétrons).