A tomografia computadorizada | Projeto Filos
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CT Scan da serpente Sibynomorphus sp. Coleção de Herpetologia do Museu de Zoologia da USP.
Você provavelmente já ouviu falar de tomografia em um hospital ou laboratório de exames médicos. Mas como é essa técnica e qual a sua aplicação na Ciência?
A tomografia computadorizada, CT Scan ou CAT Scan (em inglês, computed tomography scan ou computer axial tomography scan, respectivamente) é amplamente utilizada na área médica. Com essa técnica, é possível observar estruturas internas maiores e complexas, como ossos e órgãos, ou mais reduzidas como ligamentos, vasos e nervos. Um exame que leva em média menos de 1 hora permite, na maioria das vezes, identificar irregularidades no organismo, como tumores e corpos estranhos, ajudando a diagnosticar mais precisamente uma enfermidade ou doença.
Mas no que consiste exatamente a tomografia? Qual é a ciência por trás dela? Como a máquina "lê" a informação e a passa para o computador? Antes de responder a essas perguntas, precisamos primeiro conhecer uma outra técnica, que está intimamente associada à tomografia: o raio-X.
Os raios-X foram "descobertos" pela primeira vez em 1896, pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen[1,2]. Embora já tivessem sido observados por outros estudiosos, Röntgen foi o primeiro a descrevê-los e a compreender a sua importância. Através de um experimento "acidental", Röntgen obteve uma imagem de raio-X da mão de sua esposa, marcando um grande passo na história da Medicina Diagnóstica (figura 1). Nos anos seguintes, o uso do raio-X difundiu-se de tal maneira que até mesmo as pessoas que não trabalhavam com radiografia se interessaram por essa técnica, para os mais diversos fins: observar o interior de malas, de móveis, moedas e escrituras antigas e demais objetos. É claro que o uso médico foi o que mais prevaleceu, principalmente para o diagnóstico de doenças que, antes, só eram possíveis de serem descobertas em estágios mais avançados, como a tuberculose. A sua descoberta modificou tão profundamente o potencial diagnóstico da medicina que, em 1901, Röntgen foi agraciado com o primeiro Prêmio Nobel de Física do mundo[1]. A sua popularização foi tanta que até hoje, na Alemanha, os raios-X são chamados de "raios-Röntgen", em homenagem ao físico.
Figura 1. Imagem de raio-X da mão de Anna Bertha Ludwig, esposa de Röntgen. Crédito: WikiMedia Commons.
A descoberta do raio-X foi, de fato, uma das grandes descobertas científicas do final século 19 e início do século 20. Mas a radiografia tinha, no entanto, um problema que limitava a sua capacidade de resolução, que é a justaposição de partes do corpo na imagem gerada. Isso era particularmente um problema quando se desejava analisar, por exemplo, o sistema de vasos sanguíneos que se encontra envolta em uma estrutura óssea, como o crânio, uma vez que o osso tende a se sobrepor e ofuscar as estruturas sanguíneas mais delicadas em uma imagem chapada.
Para tentar contornar isso, os cientistas passaram anos pesquisando técnicas que possibilitariam gerar imagens sem a justaposição de estruturas. Foi daí que surgiu a tomografia computadorizada.
Também obtida a partir da técnica de raio-X, a tomografia computadorizada nada mais é do que uma imagem de cada fatia do objeto (seja ele animado ou não) que está sendo escaneado nos três eixos: horizontal, vertical e transversal[3]. Essas fatias podem ser menores que 1µm (0,001mm)! A reconstrução dessas fatias cria uma imagem tridimensional do objeto, diferente do raio-X, que gera uma imagem bidimensional, limitando a análise de estruturas mais complexas.
A história do CT Scan
A história da tomografia computadorizada tem início já na década de 1930, quando foi criada a primeira máquina de tomografia convencional, que produziu as primeiras imagens de fatias do corpo humano livres da justaposição indesejada da radiografia (figura 2). Mas embora os avanços tecnológicos na época tenham sido notáveis, ainda faltavam dois elementos principais para melhorar a performance e velocidade da tomografia: computadores capazes de processar grandes quantidades de dados simultaneamente e a base matemática necessária para calcular as imagens geradas.
Duas figuras centrais na invenção e no avanço da tomografia computadorizada são o físico americano Allan Cormack, que fez cálculos e estudos matemáticos para entender a reação que os raios-X apresentavam em diferentes partes do corpo, e o engenheiro britânico Godfrey Hounsfield, que é considerado o pai da tomografia computadorizada[3]. Hounsfield e sua equipe construíram a primeira máquina de CT Scan, em fevereiro de 1971, no departamento em que trabalhavam na Electric and Musical Industries (EMI) (multinacional que inclui a EMI Records, gravadora e distribuidora de discos, que tem entre os seus principais selos os Beatles, Michael Jackson e Madonna) e com o apoio do Departamento de Saúde e Segurança Social da Inglaterra (DHSS, na sigla em inglês). O CT Scan foi recebido com grande entusiasmo pela comunidade médica, e posto em prática já em outubro de 1971, quando o primeiro paciente foi escaneado poucos meses depois da sua invenção. Tanto Cormack quanto Hounsfield ficaram conhecidos mundialmente pelos seus trabalhos inovadores e foram agraciados, em 1979, com um Prêmio Nobel em Medicina.
A descoberta do raio-X foi, de fato, uma das grandes descobertas científicas do final século 19 e início do século 20. Mas a radiografia tinha, no entanto, um problema que limitava a sua capacidade de resolução, que é a justaposição de partes do corpo na imagem gerada
Já em 1975, a Siemens criou uma nova máquina de CT Scan, a SIRETOM. Desenvolvida especificamente para a análise de estruturas da cabeça, ela tinha a vantagem de ser muito mais rápida do que a máquina inventada por Hounsfield. Levando em consideração também o conforto do paciente dentro da máquina e tentando minimizar a duração do exame, a SIRETOM levava pouco mais de 5 minutos para realizar todo o scan e gerava imagens em resolução de 128 por 128 pixels. Essa foi a primeira máquina de CT Scan produzida em série.
Figura 2. A) Primeiro tomógrafo convencional, criado em 1934. B) O modelo de produção em série da máquina SIRETOM, da Siemens®, 1975. C) Imagem de uma tomografia de cabeça realizada no protótipo do SIRETOM, em 1974. D) Imagem de uma tomografia de cabeça realizada no modelo SOMATOM, em 1983. E) O modelo SOMATOM 2, de 1979. F) Imagem de scan de Archaeopteryx lithographica, do Museu de Berlim, em 1986. Crédito das figuras: The History of Computed Tomography at Siemens: A retrospective.
Mas a SIRETOM foi desenvolvida exclusivamente para a análise da cabeça, uma vez que não tinha um local para acomodar o corpo inteiro de um paciente. Assim, a equipe da Siemens passou mais alguns anos pesquisando e desenvolvendo uma nova máquina, e foi assim que surgiu, em 1979, a SOMATOM, que permitia a análise de um corpo humano inteiro. Entretanto, os scans de corpo apresentavam um problema que era a movimentação do paciente (mesmo imóvel, o movimento de respiração do peito gerava erro na imagem final). Por isso, o tempo de escaneamento da SOMATOM foi reduzido de 5 minutos para menos de 60 segundos!
Com o passar dos anos, novas tecnologias foram desenvolvidas e os CT Scans se tornaram cada vez mais eficientes. Essa tecnologia passou a ser amplamente utilizada em outras áreas da Ciência, como a Antropologia – para estudos de múmias e demais objetos encontrados em sítios arqueológicos – e a Paleontologia – o primeiro fóssil a ser escaneado foi o famoso exemplar de Archaeopteryx lithographica do Museu de Berlim, um dos primeiros dinossauros com penas encontrados. Cada vez mais, novas descobertas científicas são desvendadas pelo uso do CT, que passou a ser uma ferramenta essencial nessas áreas do conhecimento.
Já sabemos agora que o CT Scan surgiu em meados da década de 70, que funciona à base de raios-X, como uma radiografia comum, e que a imagem gerada é tridimensional. Mas voltando à pergunta inicial, como os raios-X leem a informação e a passam para o computador a fim de gerar a imagem final?
A técnica associada ao CT Scan
Como numa máquina de radiografia, o tomógrafo ou CT Scan possui três elementos principais: o ponto focal ou fonte de energia radioativa (raio-X), o objeto e o detector. A diferença entre os dois equipamentos é que no raio-X o ponto focal é fixo, enquanto no tomógrafo ele é rotativo (figura 3). Isso possibilita que os raios passem por todos os eixos do objeto, como já vimos acima, em vez de em apenas um único eixo. Ao passar pelo objeto, os raios-X são atenuados, uma vez que parte da sua energia é absorvida pelo objeto. A intensidade dessa atenuação depende da densidade do objeto. Assim, em uma imagem de CT Scan, as diferentes tonalidades de cinzas correspondem a diferentes atenuações dos raios-X, indicando assim diferentes densidades. Isso é particularmente importante na análise de sistemas compostos por materiais ou tecidos variados, como é o caso de um organismo ou parte de um organismo (por exemplo, o crânio).
Figura 3. Os três elementos de um CT Scan: emissor de raios-X, objeto e detector. Adaptado de: X-View CT.
Uma das grandes vantagens da tomografia computadorizada frente à técnica de raio-X convencional é a rotatividade do sistema, permitindo assim que os raios penetrem o objeto em um ângulo de 360˚. Modelos mais modernos unem a rotação em 360˚ com uma rotação helicoidal, de forma que cada pequena fração do objeto é atingida pelos raios mais de uma vez, gerando assim mais de uma imagem da mesma fatia. Isso reduz os erros de leitura significativamente, aumentando assim a resolução da imagem.
A espessura das fatias é pré-determinada no momento do escaneamento. Quanto mais espessas forem as fatias, menor será a resolução final. Um CT Scan médico convencional pode chegar a 1-2mm de espessura por fatias, em uma escala de centímetro-metro. Para pesquisas diagnósticas, esse valor é bastante apropriado, mas para análises mais detalhadas de objetos mais complexos espera-se uma resolução maior. Os equipamentos de alta-resolução, como o disponível no Laboratório de Microtomografia Computadorizada do Museu de Zoologia da USP, as fatias apresentam entre 100-200µm de espessura. Isso garante uma resolução altíssima até mesmo de estruturas numa escala de decímetro-centímetro.
Com o passar dos anos, novas tecnologias foram desenvolvidas e os CT Scans se tornaram cada vez mais eficientes. Essa tecnologia passou a ser amplamente utilizada em outras áreas da Ciência, como a Antropologia e a Paleontologia
Os primeiros CT Scans, conhecidos como 1ª geração, apresentavam tanto rotação quanto translação do ponto focal e do detector, enquanto o emissor de raios-X era fixo. Esse emissor emitia ondas a partir de um sistema conhecido como pencil-beam, ou seja, os raios-X eram emitidos como se fossem um feixe único de radioatividade. Já os CT Scans que se seguiram, conhecidos como 2ª geração, também apresentavam a rotação e translação do ponto focal e do detector, mas, diferentemente dos de 1ª geração, a emissão de raios-X era em formato fan-beam, ou seja, como um leque. Os CT Scans de 3ª geração, que são hoje os mais utilizados nas pesquisas científicas, apresentam a rotação tanto do ponto focal quanto do detector, e não a translação desse último, e o emissor de raios-X é em formato de cone (cone-beam). As máquinas de 4ª geração em diante ainda são mais utilizadas para estudos médicos e não diferem tanto dos tomógrafos de 3ª geração, com a diferença de terem sido criadas para atenuar os efeitos de artefatos produzidos pelos scans da geração anterior[4].
Vimos como o tomógrafo, ou CT Scan, funciona do ponto de vista físico. Mas, e quanto à formação da imagem final que aparece no computador? Como essa imagem é lida pelos programas? Bem, como numa radiografia, o detector do tomógrafo capta a energia de incidência dos raios-X, que corresponde ao resultado da energia transmitida menos a energia que foi absorvida ou dispersada ao atingir o objeto. Cada imagem adquirida contém informações sobre a posição e diferentes características de densidades e absorção da amostra (figura 4). O conjunto destes dados (níveis de cinza) contidos em cada imagem é lido como uma matriz (linhas vs. colunas), onde cada valor numérico é ocupado por um pixel. A sequência de imagens de fatias do objeto é reconstruída no computador e cada pixel contém um valor que corresponde à atenuação do raio-X naquela posição exata. A reconstrução é feita em camadas ou fatias, que vão sendo consolidadas e empilhadas para gerar a representação tridimensional do objeto. Na reconstrução tridimensional, esse valor passa a corresponder a um voxel, que difere de um pixel. O pixel seria, portanto, a representação bidimensional de um voxel (figura 5).
Figura 4. Gráfico mostrando os diferentes níveis de cinza de diferentes componentes como ar, matriz (composto rochoso no qual está inserido o fóssil) e dente. Adaptado de Zhang et al., 2018[5].
Um outro aspecto importante do tomógrafo diz respeito ao tamanho do ponto focal. De modo geral, quanto maior o tamanho focal, menor é a intensidade de incidência de energia radioativa. Isso porque os raios terão que percorrer uma área relativamente maior e, portanto, estarão sujeitos a uma maior dispersão. Por outro lado, quanto menor for o tamanho do ponto focal, maior será a incidência dos raios no objeto, e, portanto, a resolução da imagem final será melhor. A energia transmitida pode ser menor, uma vez que a dispersão de energia não será tão elevada, e a velocidade e tempo de escaneamento também serão mais rápidos.
A reconstrução final do objeto tem aplicações diversas na pesquisa, docência e extensão universitárias, através dos recursos visuais disponíveis que permitem a manipulação tridimensional da peça, que pode ser decomposta em cortes virtuais que evidenciem uma região de interesse. É possível também segmentar e atribuir cores às diferentes superfícies e estruturas, gerando imagens e vídeos de alta qualidade.
Figura 5. Diferença entre pixel e voxel. Crédito: https://carestreamdentalblogdotcom1.wordpress.com
A reconstrução final do objeto tem aplicações diversas na pesquisa, docência e extensão universitárias, através dos recursos visuais disponíveis que permitem a manipulação tridimensional da peça
Nos últimos 30 anos, os avanços tecnológicos permitiram o desenvolvimento de máquinas cada vez mais eficientes, capazes de produzirem scans de alta-resolução em menos de 1 minuto. A história do CT Scan viu surgirem máquinas de primeira até sexta geração, com mecanismos cada vez mais especializados. O que será que o futuro nos guarda na evolução tecnológica dos CT Scans?
Saiba mais sobre a tomografia computadorizada:
[1] The History of Computed Tomography at Siemens
[2] Brief history of CT
[4] http://199.116.233.101/index.php/Generations_of_CT_Scanners#References
[5] Zhang, Y., Leng, Z., Dong, Z., Liu, Z., Zhang, Z., Tan, Z. 2018. Performance verification of various bulk density measurement methods for open and gap graded asphalt mixtures using X-ray computed tomography. Construction and Building Materials, 158: 855-863.
Os raios-X são ondas eletromagnéticas que produzem um tipo de radiação com frequências superiores à radiação ultravioleta, ou seja, maiores que 1018 Hz. Os raios-X possuem a capacidade de atravessar corpos de baixa densidade e são absorvidos por materiais de densidade maior, permitindo assim criar "imagens" que refletem a diferença de densidade presente na matéria atravessada pelos seus raios.