Ricostruzione tomografica

La ricostruzione tomografica è un processo fondamentale nel campo della tomografia computata (TC), che consente di ottenere una rappresentazione tridimensionale dettagliata degli oggetti in esame.

Questo processo si basa sull'acquisizione di una serie di proiezioni bidimensionali dell'oggetto da diverse angolazioni.

L'obiettivo è utilizzare queste proiezioni per ricostruire una rappresentazione tridimensionale dell'oggetto, rivelando informazioni sulla sua forma, struttura e composizione interna.

L'algoritmo di ricostruzione tomografica svolge un ruolo cruciale in questo processo.

Esso elabora le proiezioni digitali bidimensionali e le trasforma in una distribuzione tridimensionale dei coefficienti di densità dell'oggetto.

L'algoritmo utilizza principi matematici avanzati, come la retroproiezione filtrata, per calcolare i valori di densità dei voxel all'interno del volume tridimensionale ricostruito.

Questo richiede una notevole potenza di calcolo e viene eseguito su computer con elevate prestazioni per garantire risultati accurati e tempi di elaborazione ragionevoli.

Elaborazioni delle immagini

La qualità dell'immagine ricostruita dipende da diversi fattori.

Uno di questi è il numero di proiezioni acquisite durante la scansione.

Un maggior numero di proiezioni offre una maggiore copertura angolare e contribuisce a una migliore risoluzione e dettaglio nell'immagine finale.

Tuttavia, un numero eccessivo di proiezioni può aumentare il tempo di acquisizione e l'onere computazionale dell'algoritmo di ricostruzione.

Un altro fattore critico è la dose di radiazioni utilizzata durante la scansione.

L'obiettivo è utilizzare la dose minima necessaria per ottenere un'immagine di qualità sufficiente, riducendo al contempo l'esposizione del paziente alla radiazione.

Gli algoritmi di ricostruzione sono progettati per compensare eventuali riduzioni di dose e ridurre al minimo l'effetto del rumore sulla qualità dell'immagine.

Analisi delle immagini

La scelta degli algoritmi di ricostruzione è anch'essa un elemento importante.

Esistono diverse tecniche di ricostruzione, come la retroproiezione filtrata, l'algoritmo di algebra di proiezione, l'algoritmo di compressione di proiezione e l'algoritmo di retroproiezione iterativa.

Ogni algoritmo ha vantaggi e limitazioni specifiche, e la scelta dipende dall'applicazione e dalle esigenze specifiche del caso.

Una volta ottenuta la ricostruzione tridimensionale, l'output viene condizionato e può essere visualizzato attraverso un modulo di analisi e visualizzazione.

Questo modulo consente agli operatori di esplorare l'oggetto ricostruito da diverse prospettive, applicare strumenti di analisi per misurazioni precise, evidenziare regioni di interesse e valutare le caratteristiche strutturali dell'oggetto.

La visualizzazione può essere effettuata in vari modi, come tagli assiali, coronali o sagittali, e possono essere applicati filtri e regolazioni per migliorare la chiarezza dell'immagine.

 

GUI (Graphic User Interface)

È l’applicazione principale da cui accedere alle singole funzioni del tomografo.

È caratterizzata da un design grafico ben definito e realizzata tenendo ben presenti le regole base di ergonomia e usabilità del software.

Caratteristiche e qualità d’immagine            

In conclusione, la ricostruzione tomografica è un processo complesso ma fondamentale nella tomografia computata.

Grazie all'uso di algoritmi sofisticati e potenti calcolatori, è possibile ottenere rappresentazioni tridimensionali dettagliate degli oggetti in esame, consentendo diagnosi più precise e approfondite in ambiti come la medicina, l'ingegneria e le scienze materiali.

La continua evoluzione delle tecniche di ricostruzione e l'aumento della potenza di calcolo offrono nuove opportunità per migliorare la qualità delle immagini e per esplorare ulteriormente il mondo tridimensionale dell'imaging tomografico.

Rumore

Anche le immagini TC, come tutte quelle prodotte sfruttando altre tecniche, sono affette da rumore.

Il rumore d’immagine, determinato dall’oscillazione dei valori di TC acquisiti in determinati punti (dopo la fase di elaborazione), è valutato in termini di scostamento rispetto ad un valore medio o nominale.

Abbiamo visto che il rumore può presentarsi nell’immagine TC anche in un’altra forma, quella nota come rumore strutturale o artefatti.

A rigore, il rumore dovrebbe essere misurato a partire da una serie di scansioni di un determinato oggetto, sempre nelle medesime condizioni.

Tuttavia, un approccio più pratico consiste nell’esprimere il rumore in termini di deviazione standard normalizzata relativa ad un insieme di numeri TC misurati al centro di un’immagine di un oggetto omogeneo (il numero TC è il valore assunto da ciascun voxel).

Questa misura di varianza del campione include il contributo di altri fattori in aggiunta al rumore casuale o quantico, quali il rumore elettronico o il rumore strutturale.

 

Risoluzione spaziale

La risoluzione spaziale nel piano dell’immagine tomografica descrive la capacità di distinguere piccoli dettagli ad alto contrasto; può essere determinata sia soggettivamente che quantitativamente.

In modo soggettivo osservando l’immagine di una serie regolare di barre ad alta risoluzione, oppure quantitativamente direttamente dalla (PSF) Point Spread Function  o (ESF) Edge Spread Function  dalle quali è possibile risalire alla curva MTF applicando algoritmi matematici.

 

Artefatti

Le immagini TC possono presentare artefatti, cioè discrepanze sistematiche tra i numeri TC dell’immagine ricostruita ed i coefficienti di attenuazione reali dell’oggetto esaminato.

La presenza di artefatti può avere origine diverse quali:

• Indurimento del fascio (beam hardening) - Lo spettro di energia di un fascio di raggi X varia nel l’attraversare diversi strati di materia, dato che i fotoni di bassa energia sono assorbiti in percentuale maggiore e l’energia media del fascio aumenta con l’aumentare dello strato attraversato. L’indurimento del fascio viene interpretato dal tomografo come una minor attenuazione e quindi, di fatto, come una minore densità dell’oggetto in esame.

• Volume parziale - Se in un voxel sono compresi mezzi con densità diversa, il valore del punto associato è proporzionale alla media pesata dei coefficienti di attenuazione dei singoli oggetti, con conseguente sotto o sovra-stima del valore associato.

• Photon starvation - In corrispondenza di strutture ad elevata attenuazione, è possibile che, in particolari posizioni angolari del tubo, un numero insufficiente di fotoni raggiunga i rivelatori, dando luogo a proiezioni più rumorose; la ricostruzione amplifica ulteriormente il rumore fino a lasciarne tracce evidenti sull’immagine.

• Sottocampionamento - Un numero insufficiente di fotoni emessi o un ridotto numero di proiezioni acquisite durante una rotazione produce artefatti a strisce che irradiano dai bordi di strutture dense.