Imagens harmônicas de raios X utilizando uma grade de atenuação: implementação, caracterização e aplicação

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Gobo, Michel Stephani da Silva
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Attenuation contrast; Contraste por atenuação; Contraste por espalhamento; Contraste por fase; Phase contrast; Raios X; Scattering contrast; X-rays
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59135/tde-17072024-091332/

Imagens de raios X podem ser obtidas através de diversos mecanismos de contraste baseados em grandezas de interação diferentes. Imagens baseadas no contraste por atenuação, são amplamente utilizadas; no entanto, podem apresentar limitações quando o coeficiente de atenuação linear dos materiais em estudo são próximos. Imagens baseadas em espalhamento e fase surgem como um complemento à técnica convencional; no entanto, as técnicas para obtenção dessas imagens apresentam limitações quanto a sua aplicação clínica. Uma possível solução para essas limitações, recentemente proposta na literatura, consiste no posicionamento de uma grade no caminho do feixe para criar um padrão de sombras o qual é modificado na presença de uma amostra posicionado atrás ou logo após a grade. Através da análise de Fourier das imagens da grade com e sem a amostra é possível reconstruir as imagens de atenuação, espalhamento e fase. A literatura carece de estudos rigorosos deste método, então, buscou-se otimizar os parâmetros de reconstrução das imagens, explorar qualitativamente e quantitativamente as características das imagens reconstruídas, aplicar o método na caracterização de materiais e adaptá-lo para o ambiente clínico. Dessa maneira, o objetivo desse trabalho é desenvolver um protótipo experimental capaz de adquirir, com apenas uma exposição da amostra, imagens de tal forma que os sinais de atenuação, espalhamento e fase pudessem ser separados em imagens independentes através de um algoritmo de reconstrução. O protótipo experimental consiste de uma fonte de raios X, uma grade e um detector de imagens alinhados. Para estudar capacidade do sistema em resolver estruturas finas, foram utilizados diversos materiais granulares como carbeto de silício (SiC) de diversos tamanhos (13 µm-180 µm) e líquidos com coeficiente de atenuação linear próximos (água, solução de água e açúcar e glicerina). Em um primeiro teste, um tubo de microfoco (alvo tungstênio (W), ponto focal de 10 µm), grades de fios de aço inoxidável e um detector digital odontológico (tamanho do pixel=20 µm) foram utilizados para estudar a influências das características da grade (visibilidade e período projetado) e das amostras (material, granularidade e espessura) nos sinais de atenuação e espalhamento. Em geral, as imagens reconstruídas apresentaram contraste aprimorado (85% maior) em relação ao daquelas obtidas pelo método convencional devido redução de ruído. As imagens de espalhamento foram capazes de detectar, embora não individualmente, a presença de grãos menores que a resolução do sistema e as imagens de fase apresentaram aprimoramento de borda. As análises das características das grades mostraram que grades com períodos projetados de alta visibilidade e baixo ruído são fundamentais para reconstrução de imagens com alto contraste. Resultados experimentais mostraram que os sinais de atenuação e espalhamento apresentam dependência com a espessura tornando possível a adaptação do método em tomografia. Esses sinais foram combinados em um gráfico de dispersão para caracterização de materiais granulares e líquidos a partir da inclinação dessas dispersões. Grãos de SiC de 180 µm apresentaram inclinações 70% maior que os grãos de 26 µm e água apresentou inclinação até 37% maior que glicerina e 14% maior que a solução de água e açúcar. Finalmente, o método foi adaptado para condições próximas das encontradas na clínica. Foram utilizados um tubo de raios X industrial (alvo W, ponto focal 1 mm), uma grade linear convencional e um detector de fósforo fotoestimulavel (tamanho de pixel=86 µm) comumente utilizado em clínica. Com exceção das imagens de atenuação, as de espalhamento e fase não foram reconstruídas de forma satisfatória devido à penumbra imposta pelo ponto focal e a baixa resolução do detector. Por fim, foi utilizado um tubo convencional (alvo W, ponto focal 0.6 mm), grade linear(tiras de chumbo e alumínio) e detector digital utilizado anteriormente. Neste caso, foi possível obter imagens de atenuação de alto contraste e de fase com excelente aprimoramento das bordas das amostras indicando que o tamanho do ponto focal e uma grade bem construída são fundamentais para reconstrução bem sucedida das imagens.