Detail předmětu

Imaging Systems with Ionizeing Radiation

FEKT-MPA-ZIZAk. rok: 2023/2024

Tento kurz je zaměřen na využití ionizujícího záření v oblasti lékařského zobrazování. V první části kurzu jsou probírány základy atomové fyziky nutné pro pochopení fyzikálních principů využívaných v oblasti rentgenového a gama záření. Dále jsou probrány rentgenové (RTG) zobrazovací systémy od klasických skiagrafických systémů, přes skiaskopické systémy, mamografii, kostní denzitometrii až k zubním rentgenům. Diskutována je konstrukce systémů - rentgenka a detektory, výhody a nevýhody tohoto zobrazení. V návaznosti na tuto část jsou probrány systémy výpočetní tomografie (CT). Důraz je věnován na postupy pro rekonstrukci obrazů z projekcí (využití Radonova transformace) a konstrukci těchto systémů. V druhé části tohoto kurzu jsou probrány systémy nukleární medicíny pro lékařské zobrazování. Nejjednodušším systémem je planární gamagrafie, principy jsou dále rozvinuty a použity při jedno fotonové emisní tomografii (SPECT). Další modalitou je pozitronová emisní tomografie (PET), která využívá pozitronového záření. U těchto systémů je popsána příprava základních radiofarmak jako zdroj požadovaného typu záření, konstrukce detektorů a systému jako takového. V poslední skupině jsou probrány také hybridní systémy, které kombinují více modalit v jednom systému. Dále jsou diskutovány parametry celého procesu zobrazení a hodnocení kvality zobrazovacích systémů.  

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Nabízen zahraničním studentům

Všech fakult

Vstupní znalosti

Požadovány jsou základní znalosti v oblasti matematiky, fyziky a teorie zpracování signálů a obrazů na úrovni bakalářského studia.  

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Během semestru jsou hodnoceny výstupy laboratorních úloh a počítačových cvičení. Předmět je ukončen zkouškou, která kombinuje písemnou a ústní část.

Další informace obsahuje aktualizovaná vyhláška garanta předmětu vydávaná před začátkem příslušného semestru.  

Učební cíle

Cílem tohoto kurzu je rozšířit znalosti z bakalářského stupně v oblasti lékařské fyziky a zobrazovacích systémů (ZS). Tento kurz je zaměřen na využití ionizujícího záření v oblasti lékařského zobrazování. Postupně se zaměříme na klasické rentgenové (RTG) systémy, systémy výpočetní tomografie a ZS nukleární medicíny.   

Studijní opory

Materiály ke studiu jsou dostupné v e-learningu.

Základní literatura

JERROLD T. BUSHBERG . Essential physics of medical imaging. 3. ed., Internat. ed. S.l.: Lippincott Williams And W, 2011. ISBN 9781451118100. (CS)
BRONZINO, Joseph D. The biomedical engineering handbook. Medical Devices and Systems. 3rd ed. Boca Raton: CRC/Taylor & Francis, 2006. ISBN 0849321220. (CS)
CHERRY, Simon R, James A SORENSON a Michael E PHELPS. Physics in nuclear medicine. 4th ed. Philadelphia: Elsevier/Saunders, c2012. ISBN 978-1-4160-5198-5. (CS)
RUSSO, Paolo, [2017]. Handbook of X-ray imaging: physics and technology. Boca Raton. ISBN 14-987-4152-5. (CS)
Mettler, A.F., Guiberteau M. J.: Essentials of Nuclear Medicine and Molecular Imaging, 7th Edition, Elsevier, 2018 (EN)
Buzug T.M.: Computed Tomography: From Photon Statistics to Modern Cone-bean CT, Springer, 2010 (EN)
Gilmore D., Waterstram-Rich, K.: Nuclear Medicine and PET/CT: Technology and Techniques, 8th Edition, Mosby, 2016 (EN)

Elearning

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-BIO magisterský navazující 2 ročník, zimní semestr, povinný
  • Program MPAD-BIO magisterský navazující 2 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

1. Historie zobrazovacích systémů – prvotní seznámení s jednotlivými modalitami, základní fyzikální objevy související s vývojem ZS, kvantitativní a kvalitativní parametry popisující zobrazovací systémy.
2. Fyzika ionizujícího záření – elektromagnetické záření, atom a modely atomu, elektronové přechody a tvorba charakteristického záření a Augerových elektronů, stabilita jádra, radioaktivita, interakce záření s hmotou (všechny druhy), útlum záření.
3. RTG systémy – sumační zobrazení, rentgenka – princip činnosti, charakteristické a brzdné záření, konstrukční typy rentgenek, materiály vhodné pro anody, požadavky na napájení rentgenky, filtrace a kolimace generovaného záření, primární clona.
4. RTG systémy – rozptýlené záření, sekundární clona, detekce záření – fotografické filmy, digitální výpočetní radiografie (paměťové folie), flat panely s přímou i nepřímou detekcí záření, skiaskopická detekce – zesilovač jasu RTG obrazu, vliv nastavení parametrů akvizice na výsledný obraz.
5. RTG systémy – požadavky na specifické aplikace a jejich realizace – skiaskopie, využití kontrastních látek, mamografie, dentální rentgeny, kostní denzitometrie, víceenergetické snímání, 3D digitální tomosyntéza, hodnocení kvality RTG zobrazovacích systémů.
6. CT systémy – tomografické systémy, základní princip – paralelní projekce, rekonstrukce z projekcí – algebraická metoda (ilustrativní příklad), prostá zpětná projekce, filtrovaná zpětná projekce, iterativní rekonstrukce, současné používané algoritmy, vějířová projekce, metody interpolace helikálních dat a dat z vícevrstvých systémů, CT číslo.
7. CT systémy – historický přehled vývoje CT systémů – první, druhá a třetí generace, slip-ring technologie, systémy využívající elektronových děl, helikální systémy, vícevrstvé systémy, rentgenky pro CT systémy – požadavky, konstrukce, realizace.
8. CT systémy – detektory – ionizační, scintilační, principy výroby a konstrukce moderních vícevrstvých detektorů, akviziční parametry – anodové napětí, anodový proud, helical pitch, binning, požadavky na dílčí části zařízení – gantry, pacientský stůl, řízení akvizice, realizace od konkrétních výrobců, dosažitelné parametry, artefakty zobrazení.
9. ZS nukleární medicíny – radionuklidy jako zdroje ionizujícího záření, zobrazení sumační – planární gamagrafie, konstrukce Angerovy gamakamery, polovodičové detektory, využití.
10. ZS nukleární medicíny – tomografické systémy SPECT a PET – definice jednotlivých projekcí a následná rekonstrukce obrazu, využívané typy detektorů, koincidenční a „time of flight“ detekce, používané radionuklidy a jejich příprava (Tc-99m, FDG, a další).
11. Hybridní zobrazovací systémy – kombinace více modalit, výhody a nevýhody, korekce útlumu u ZS nukleární medicíny, realizace hardwarová i softwarová.
12. Radiační biologie – dávka záření, možné negativní účinky ionizujícího záření během diagnostických vyšetření, limity pro dávky, měření a simulací záření .

 

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Sada následujících počítačových cvičení:
  1. Simulace útlumu RTG záření s různými energiemi, simulace Comptonova rozptylu.
  2. Simulace spektra RTG záření - vliv anodového napětí, proudu a filtrace různými materiály.
  3. Rekonstrukce obrazu pro CT zobrazení - prostá zpětná a filtrovaná zpětná projekce.
  4. Pokročilé metody pro rekonstrukce obrazu - iterativní postupy, SIRT, SART, aj.
  5. Princip PET zobrazování - anihilace pozitronu, šíření a detekce dvou fotonů, odhad sinogramu.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

Sada následujících laboratorních úloh:
  1. Základy RTG zobrazování - akviziční geometrie, prostorové rozlišení.
  2. Spektrum rentgenky – kombinace charakteristického a brzdného záření.
  3. Výpočetní tomografie – akvizice dat, singoram, metody rekonstrukce obrazu.
  4. Vlastnosti obrazových detektorů - měření šumu za temna, linearizace převodu mezi počtem fotonů a jasem obrazu.
  5. Základní měření s radioaktivními látkami - alfa, beta, gama rozpad, vliv vzdálenosti.  

Elearning