Instrumentação em Imagiologia Médica

Instrumentação em Imagiologia Médica
Módulo 3. Imagiologia com Raios-X
Parte I. Radiografia
Leccionado por Vitaly Chepel,
Departamento de Física, Universidade de Coimbra
[email protected]
Ano lectivo 2013-2014
1
Introdução
Imagiologia com raios-X e com radioisótopos
Radiações ionizantes e não ionizantes
Raios-X versus raios gama
2
IIM 2013-2014
Imagiologia com Raios-X e com Radioisótopos
Fonte externa
A sua localização é
conhecida
Sinal: atenuação no
corpo
Fonte interna
É preciso localizar a
fonte
Sinal: distribuição das
fontes no corpo
3
IIM 2013-2014
Instrumentação em imagiologia com raios-X
Geradores de raios-X
Detectores de raios-X + electrónica associada
Hardware do sistema, e.g. gantry, sistema de movimento, de
alinhamento, sistemas de alimentação etc. (não vamos
falar dessas)
4
IIM 2013-2014
Radiações ionizantes e não ionizantes
Radiação ionizante – a que tem energia suficiente para ionizar o meio
Escala de energias: >~10eV (por exemplo, 13.6 eV - potencial de ionização do
átomo de hidrogénio)
Raios-X e raios gama usados em imagiologia médica: E ~ 50 keV a 500 keV
são radiações ionizantes
Exemplos de radiações electromagnéticas não ionizantes:
• Luz visível
• Infravermelhos
• Microondas
• Ondas de rádio
Os ultra-sons (ondas acústicas) e RMN (campo magnético)
não produzem ionização
5
IIM 2013-2014
Ionização e excitação
excitação
ionização
A + energia → A∗
I ex < I ion
A + energia → A+ + e −
Radiação ionizante também produz excitação
6
IIM 2013-2014
Raios-X e Raios γ
Ambos são ondas electromagnéticas (fotões)
A escala de energias:
Raios-X: de ~1 keV até ~200 keV
Raios γ: de ~100 keV até ~1 MeV (em medicina) ou até ∞ (em física)
A diferênça não está na energia dos fotões mas sim nos processos físicos
que dão origem a estes:
Os raios X são de origem atómica; são emitidos:
pelas partículas carregadas sujeitas a aceleração
em resultado de transições entre os níveis de um átomo (em semelhança com
transições ópticas, mas com energia muito superior)
Os raios γ são de origem nuclear: são emitidas em resultado de transições
entre diferentes níveis de energia de um núcleo – i.e. em resultado de um
decaimento radioactivo
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IIM 2013-2014
Descoberta dos raios-X
Tubo de raios catódicos (electrões)
Wilhelm Conrad Roentgen
Wilhelm Conrad Roentgen em 1895 ao estudar os raios catódicos observou que existia uma
luz fraca a ser emitida pela cartolina em que embrulhou a ampola.
Isto levou a descoberta de:
Raios-X
Uma substância que emite luz visivel sob acção dos raios-X (i.e. ecrã fluorescente)
8
IIM 2013-2014
Produção dos
Raios-X
Dois mecanismos de produção de raios-X
Ampola de raios-X
Espectro de emissão de uma ampola
9
IIM 2013-2014
Dois mecanismos de produção de Raios-X
Bremsstrahlung
Emissor – partícula acelerada
Em Alemão: bremsen - "to brake“
Strahlung - "radiation“
≈ braking radiation, deceleration radiation, stopping radiation
≈ radiação devida a desaceleração (aceleração), radiação de travagem
Transições atómicas
(também: Raios-X Características)
Kb
Ka
Emissor – átomo ionizado
10
IIM 2013-2014
Bremsstrahlung
Electromagnetismo:
uma carga acelerada emite ondas electromagnéticas
electrão
eelectrão
fotão
Aceleração:
Fc
1 e ⋅ Z eff e
a=
=
⋅
m 4πε 0 mr 2
Átomo
Fc – força de Coulomb
e – carga elementar
m - massa do electrão
Zeffe – carga efectiva do átomo (i.e.a carga “vista” pelo electrão)
11
IIM 2013-2014
Bremsstrahlung - 2
Potência emitida por uma partícula de carga e a mover-se com uma aceleração a:
µ0 2 2 6
P=
eaγ
6π c
onde
γ=
E
mc 2
P ∝ m −6
O efeito é mais significativo para as partículas leves (electrões e positrões)
Bremsstrahlung é radiação electromagnética (raios X) emitida no processo de
interacção de electrões com os átomos do meio
12
IIM 2013-2014
Espectro de Bremsstrahlung
Espectro de energia dos fotões emitidos neste processo:
dn 1
∝ ,
dE E
0 < E ≤ E0
(E0 – energia do electrão)
dn
dE
e-
E0
E1
E2
soma
0
Na medida que o electrão perde a energia
o espectro de fotões torna-se mais “soft”
E2 E1
E0 E
13
IIM 2013-2014
Raios-X característicos
e
Kb
e
Ka
e
Ionização
Uma vacância livre
Espectro de energia
dos fotões
Transição com
emissão de um fotão
Ka
Kb
Específico para um dado
elemento químico
( potencial diagnóstico)
IIM 2013-2014
E
14
Ampola de Raios-X
Raios-X
vácuo
Água para arrefecer o ânodo (A)
Aquecimento do cátodo (K)
por efeito de Joule
emissão térmica de
electrões
Potencial de aceleração de electrões Ua ≈ 10 – 200 kV
Energia de electrões incidentes ao ânodo E = e×Ua
(200 kV no ânodo
200 keV energia dos electrões)
e = 1.602⋅10-19 C – carga elementar
1 eV = 1.602⋅10-19 J (a energia que adqira uma carga e ao
atravessar uma differença de potencial de 1 V)
16
IIM 2013-2014
Definições kVp e mAs
Potencial de aceleração de electrões Ua
Energia dos electrões incidentes ao ânodo E = e×Ua
(i.e. 200 kV no ânodo
200 keV energia dos electrões)
Em radiologia costuma-se falar em
kVp – “kiloVolt peak” – em vez de kV (embora seja a mesma coisa, i.e. a
diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo) para reflectir o facto que esta
é a energia máxima dos raios-X que se pode obter com uma dada Ua.
mAs – mA × s (milliAmpere × seconds) – intensidade de corrente × tempo (a
corrente aqui é a dos electrões acelerados) – proporcional ao número de
fotões emitidos durante um exame
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IIM 2013-2014
Ampolas com ânodo rotativo
Bremsstrahlung não é o único processo resultante da interacção de
electrões com o ânodo.
Outros processos no ânodo:
ionização e exitação dos átomos pelos electrões
absorção de raios-X no ânodo
Calor (99% da energia
dos electrões)
Ânodo rotativo
A temperatura do ânodo pode
chegar a ~1000ºC
Potência típica P ~ 10 – 100 kW
IIM 2013-2014
Cátodo
Raios X
18
Espectro real
Ânodo de tungstâneo
Ka
Kb
Espectro da
bremsstrahlung
E
Raios-X característicos do tungstâneo
Espectro real =
Absorção no ânodo e na janela
o contínuo de Bremsstrahlung
+ linhas dos raios-X característicos
- absorção no ânodo e na janela
19
IIM 2013-2014
Interacção dos
Raios-X com a
materia
Coeficiente de atenuação linear
Coeficiente de atenuação mássico
Sinal em radiologia
20
IIM 2013-2014
Exame radiológico
O sinal = atenuação do fluxo de raios X, emitidos pela ampôla, no corpo do
paciente
Observação (detecção) do sinal = conversão de raios X que atravessaram o
corpo ao luz visível (seja quais forem os passos intermédios, o resultado final
é uma imagem visível)
21
IIM 2013-2014
Interacção dos raios X com a materia
I ( x) = I 0 e − µ x
I0
(número total de fotões, ou
fluxo, ou densidade de fluxo
etc.)
µ – coeficiente linear de atenuação (cm-1)
x
µ é uma função de:
1) energia dos fotões E,
2) número atómico do elemento Z,
3) densidade do meio, ρ
Z
ρ
µ(E,Z,ρ)
Para desacoplar a dependência do µ da densidade, µ é frequentamente expresso
em unidades de cm2/g e designado por µ´:
µ = µ ′ρ
em que
µ ′ = f (Z )
- coeficiente de atenuação mássico
Assim,
IIM 2013-2014
I ( x) = I 0 e − µ ′ρ x
22
Interacção com a matéria:
partículas carregadas vs fotões
Número de partículas/fotões transmitidas através de um material de
espessura x em função do x:
Partículas carregadas
N0
N(x)
R – alcance (range) das partículas
N(x)
x < R – todas as partículas são transmitidas
(embora com energia reduzida)
N0
x > R – nenhuma das partículas passa
x
0
R
x
Radiação electromagnética
N(x)
N0
x
N(x)
N0
0
N ( x) = N 0 e
−µ x
x
Qualquer que seja x, há fotões que
interagem com a folha e há os que
passam sem interagir.
Quando aumenta a espessura, mais
fotões interagem e menos passam;
N(x) → 0 só para x → ∞
23
Absorção fotoeléctrica e dispersão de Compton
Para as energias de fotões <1 MeV, dois processos dominam a atenuação:
- absorção fotoeléctrica e
- dispersão de Compton
O facto de a atenuação ser um processo exponencial permite definir
coeficientes de atenuação parciais:
I ( x) = I 0 e − µ x = I 0 e − (τ +σ )x = I 0 ⋅ e −τ x ⋅ e −σ x
µ =τ +σ
O mesmo é válido para o coeficiente
de atenuação mássica:
(τ´)––descreve
descreveatenuação
atenuaçãopor
por
ττ (τ´)
absorçãofotoeléctrica
fotoeléctrica
absorção
σ´)––descreve
descreveatenuação
atenuaçãopor
por
σσ ((σ´)
dispersãode
deCompton
Compton
dispersão
µ′ = τ ′ + σ ′
24
IIM 2013-2014
Exemplo: atenuação em água
µ´
100
µ′ = τ ′ + σ ′
H2O
3
µ', cm /g (or µ, cm given that ρ =1 g/cm )
1000
10
-1
1
Efeito fotoeléctrico
domina para as
energias <30 keV
σ´
0.1
τ´
2
0.01
Scattering domina
para >30 keV
0.001
1
10
100
1000
Gamma ray energy, keV
26
IIM 2013-2014
Exemplo: atenuação em Iódo
Camada L
10000
µ′ = τ ′ + σ ′
Iodine
1000
Camada K
2
µ ', cm /g
100
µ´
10
1
σ´
0.1
τ´
0.01
Efeito fotoeléctrico
domina para as
energias <300 keV
Scattering domina
para >300 keV
0.001
1
10
100
1000
Gamma ray energy, keV
27
IIM 2013-2014
O sinal em radiografia
I(a)
I0
detector
a
( ∑ µi ∆xi )
I (a ) = I 0 ⋅ e − µ1∆x1 ⋅ e − µ 2 ∆x2 ⋅ ... = I 0 ⋅ exp −
Mede-se
I(a)/I0
temos acesso a
∑ µ ∆x
i
i
a
→ ∫ µ ( x)dx
0
Como µ = f(ρ, Z), o sinal contém a informação sobre a densidade e o
número atómico dos tecidos que o feixe de raios X atravessa, mas essa
informação está na forma da soma (do integral) das contribuições das
diferentes partes do objecto ao longo do feixe.
28
IIM 2013-2014
Detecção dos
Raios-X
Sistemas analógicos
Sistemas semi-digitais
Sistemas digitais
29
IIM 2013-2014
Detecção dos raios-X em radiologia
- Ecrãs fluorescentes
Métodos
analógicos
- Filme fotográfico
- ecrã fluorescente + filme fotográfico
- digitalização (scan) do filme a posteriori
- Paineis fosforescentes fotoestimulados
Métodos
semi-digitais
- Detectores digitais
sinal
eléctrico
digitalizador
RX
Métodos
digitais
30
IIM 2013-2014
Métodos analógicos:
1
Ecrãs fluorescentes
31
IIM 2013-2014
De onde vem a luz ?
Energia depositada pela partícula = ionização + excitação + calor
(movimento
caótico dos
átomos)
eRX
ionização
dos átomos e moléculas do meio
excitação
de-excitação
(simplificado – os processos
envolvidos normalmente são
muito mais complexos! )
fotões
podem ser poucos ou
fora da gama visível…
Dependendo do meio, de-excitação também pode
ocorrer sem emissão de fotões, por exemplo em
collisões entre os átomos
calor em vez da luz
32
IIM 2013-2014
Ecrãs fluorescente
O papel usado pelo Roentgen estava coberto com platinocyanide de bário.
Thomas Edison investigou a capacidade de materiais de emitirem a luz visível quando
expostos aos raios-X e descobriu que o tungstanato de cálcio (CaWO4) é o mais eficáz
CaWO4 utiliza-se ainda hoje (mas há também outras substâncias com ainda maior
eficiência)
Etsrutura de um ecrã fluorescente:
Filme protector
Material fluorescente
gránulas de 4-8 µm
embebidas num matriz,
plástico, por exemplo
50 – 300 µm
Camada reflectora
Suporte
Röntgen examines a patient. From a German popular
scientific book of 1896. Mary Evans Picture Library
33
IIM 2013-2014
Materiais para ecrãs fluorescente
(fósforos - phosphors)
CaWO4 ,
Gd2SO2:Tb , LaOBr:Tm, YTaO4:Tm , YTaO4:Nb
(elementos do grupo de terras raras)
Alguns características (para 60 keV)
Eficiência da absorção dos RX
13
51
Eficiência da conversão
da energia dos RX em luz:
ε=
Eout
Ein
onde
e
Ein = E RX
Eout = N ph E ph
E ph - energia dos fotões visíveis
O número de fotões visíveis emitidos na
seguência de absorção de um RX:
N ph =
IIM 2013-2014
ε E RX
E ph
Por exemplo, em CaWO4 1 fotão de 60 keV
produz Nph ≈ 1000 fotões visíveis
34
Coeficientes de atenuação de alguns materiais usados
em ecrãs fluorescentes
Para Z ≥ 60 attenuação é
dominada pelo efeito fotoeléctrico
La Gd
Ta
La, Gd – têm maior eficiência
de absorção dos raios-X na
gama de energias < 70 keV
W
CaWO4 , Gd2SO2:Tb , LaOBr:Tm, YTaO4:Tm
Z=74
BK= 69.5 keV
IIM 2013-2014
Z=64
BK= 50.2 keV
Z=57
BK= 38.9 keV
Z=73
BK= 67.4 keV
35
Métodos analógicos:
2
Filme radiográfico
36
IIM 2013-2014
Filme radiológico
Camada protectora
Emulsão sensível aos raios-X
Camada adesiva
(AgBr + gelatina), ~20 µm
Base ~200 µm
Substância activa - AgBr (Z= 47, 35); gránulas de ~1 µm
Hoje, o filme não se utiliza para detectar os raios X directamente devido à baixa
eficiência de absorção desses (~2 a 6%) mas em cassetes, conjunto com um
ecrâ fluorescente
37
IIM 2013-2014
Métodos analógicos:
3
Ecrã fluorescente
+
Filme radiográfico
38
IIM 2013-2014
Filme radiológico com ecrã fluorescente
Camada reflectora
Filme
Material fluorescente
Uma cassette
RX
Probabilidade de interacção para RX
No filme ~2%
No ecrã fluorscente ~50%
O ecrã absorve os raios X e emite luz com λ ≈ 400-500 nm;
O filme absorve essa luz, cria-se uma imagem latente que se torna visível
após revelação química (a semelhança com o filme fotográfico)
39
IIM 2013-2014
Métodos analógicos:
4
Ecrã fluorescente
+
Intensificador da imagem
40
IIM 2013-2014
Intensificador da imagem
(image intensifier)
O princípio de funcionamento:
ecrã
fluorescente
ecrã
fluorescente
fotocátodo
luz intensa
eluz fraca
E
1 electrão
Efeito fotoeléctrico:
Q fotoelectrões
1 fotão
Q < 1 – eficiência quântica do fotocátodo
(tipicamente Q ~ 0.1 - 0.2)
fotão
11fotão
~102 - 103 fotões
Fotoelectrões acelerados no campo
eléctrico até as energias ~100 keV
Te=e∆V
~1022fotões
fotões
~10
Introduzidos pela Philips em 1955
IIM 2013-2014
41
Intensificadores da imagem
A imagem observa-se visualmente
Sinal electrónico
Um sistema de RX com
intensificador de imagem electrónico
42
IIM 2013-2014
Métodos
semi-digitais
43
IIM 2013-2014
Métodos semi-digitais
Fazer scan do filme já revelado:
adqirir a imagem num filme fotográfico e fazer um scan a posteriori com um
scanner, semelhante a um scanner comum, para processamento digital
Um digitalizador para filme radiológico
“Revelar” imagem latente num material especial por fotoestimulação:
usar um painel fosforescente em que se forme uma imagem latente que pode ser
revelada por estimulação com um feixe fino de laser medindo simultaneamente a
fosforescência em cada ponto – as vezes chama-se Computed Radiography (CR)
44
IIM 2013-2014
Métodos semi-digitais:
2
Paineis fosforescentes
fotoestimulados
45
IIM 2013-2014
Fluorescência vs fosforescência
Fotoluminescência - luminescência resultante da absorção de fotões.
A luz re-emitida tem comprimento de onda diferente da luz absorvida
hv1
hv1
>
hv2
λ1
<
λ2
excitação
E3
E3
E3
E2
E2
E2
E1
E1
E1
0
0
0
relaxação com emissão de
um fotão infravermelho ou
transferência da energia à
rede cristalina (vibração)
hv2
emissão
Fotoluminescência
Fluorescência – re-emissão “instantânea”
Fosforescência – re-emissão lenta, prolongada no tempo; resulta
da inibição de transição no sistema quântico por regras de selecção
46
IIM 2013-2014
Estimulação da fosforescência com luz
(fotoestimulação)
E3
E3
E2
E2
E1
X
0
Imagem latente: átomos excitados
num estado metaestável (i.e. com o
tempo de vida longo)
E1
0
Transição inibida
Estado excitado
existente (devido a
absorção dos RX,
por exemplo)
Laser
E3
E3
E2
E2
E1
E1
0
0
Detector
Absorção do fotão
emitido pelo laser
Emissão
Transição E2
(transição para o
estado fundamental)
E3
47
IIM 2013-2014
Painel fosforescente fotoestimulado
Um painel com material fosforescente (normalmente BaFBr:Eu3+) é exposto aos
Raios X num procedimento habitual
A absorção dos Raios X resulta em formação da imagem latente (centros de
excitação cuja transição para os níveis de energia mais baixa – de-excitação – são
inibidos)
O painel é transportada para um scanner de laser infravermelho (He-Ne
normalmente) com um feixe muito fino – de 50 µm a 200 µm.
Ao fazer o scan, a luz do laser estimula localmente a emissão da luz do material
fosforescente nas zonas onde existem centros de excitação latentes.
Esta luz, na zona do visível, é detectada por um fotomultiplicador
A correlação do sinal do fotomultiplicador com o varrimento do feixe do laser
permite reconstruir a imagem
fosforescência
laser
laser
fotomultiplicador
49
IIM 2013-2014
Paineis fosforescentes fotoestimulados
(optically stimulated phosphors)
Vantagens:
- Uma substituião fácil para o filme (mesmo tamanho, mesma cassette)
- resolução comparáveil com a do filme
- gama dinâmica mais alargada
- corrente de escuro virtualmente ausente
Tornam-se possíveis os estudos com
exposições longas e fluxo de Raios-X
muito reduzido
Desvantagens:
- precisam manuseamento (tal como o filme)
- continuam precisar revelação da imagem
tempo de espera
- impossível efectuar os estudos dinâmicos
50
IIM 2013-2014
Métodos digitais
51
IIM 2013-2014
Detectores de raios-X digitais
Lembrete: Imagiologia “Semi-digital”
adqirir a imagem num filme fotográfico e fazer um scan a posteriori ou
usar um painel fosforescente com imagem latente e visulaliza-lo (digitalizar) por
fotoestimulação
Imagiologia Digital
usar um detector que converte a energia dos raios-X em sinal eléctrico
Dois tipos de detectores
conversão directa
conversão indirecta
RX
RX
IIM 2013-2014
luz visível/UV
carga
detector de fotões
digitalizador
carga
digitalizador
scintilador
52
Métodos digitais:
1
Conversão directa
53
IIM 2013-2014
Detectores de conversão directa
RX
metal
-V
e0
Si ou Se amorfo - semicondutor puro
não há (lê poucas) cargas livres
(amorfo para conseguir grandes dimensões a
um preço razoável; também pode ser
policristalino ou monocristalino (muito melhor!)
mas é caro e difícil de fazer)
electrões
lacunas
Pixeis (pads), em que a carga é recolhida,
com leitura individual
Em princípio, pode funcionar no modo de detecção de fotões um a um – o problema é ruído
electrónico (100 keV
~30,000 e- ; o ruído de um amplificador símples > ~10,000 e-)
Em radiologia o fluxo dos RX é muito elevado
podemos acumular a carga criada por muitos
fotões durante a exposição e depois ler tudo de uma só vez (sinal/ruído ↑)
Leitura
Tecnologia TFT (thin film transistor)
54
IIM 2013-2014
TFT – Thin Film Transistor technology
Exemplo: TFT LCD (Thin Film Transistor Liquid Cristal Display)
Glass base + thing film of silicon (amorphous,
polycrystalline or crystalline)
TFT
Vdrain
pixel
TFT
Vgate
Liquid crystal cells
Switch
(FET - field effect tranistor)
(a fotografia em baixo foi tirada com uma luz externa)
55
IIM 2013-2014
Leitura de um detector de raios-X digital
RX
Q
detector
i
i
exposição
TFT FET
leitura
elemento sensível (pixel)
Q
V
N
ADC
N ∝ Q ∝ ∑ E RX
IIM 2013-2014
t
57
Métodos digitais:
2
Conversão indirecta
58
IIM 2013-2014
Detectores de conversão indirecta
RX
luz visível
conversão ao sinal eléctrico por efeito fotoeléctrico
RX
Scintillator
CsI(Tl)
Si photodiode
Cristais de
CsI(Tl)
Em comparação com os detectores com
conversão directa: têm uma efficiência maior
IIM 2013-2014
Detector de fotões
59
Exemplo: Detectores de Trixell (França)
CsI (cintilador)
Até 40x40 cm
TRIXELL flat-panel detectors are based on proven
core technologies : a cesium iodide scintillator (CsI)
and an active amorphous silicon array, controlled by
custom-designed, ultra-low noise electronics.
http://www.trixell.com
J.P.Moy, NIM A442(2000)26
60
IIM 2013-2014
Trixell Pixium 4600 digital detector
9·106 pixels
143 µm pixel size
resolução (semelhante a do filme)
gama dinâmica 14 bits (16,000 graduações na escala cinzenta)
tempo de exposição típicamente 0,5 s (pode ser até 3,5 s, se necessário)
tempo de leitura da imagem 1.25 s
imagem disponível imediatamente
usa-se com tensão na ampola entre 40 kV e 150 kV (determina a energia dos RX)
40x40 cm
http://www.trixell.com
61
IIM 2013-2014
Outras vantagens da radiografia digital
Eficiência quântica mais alta (~3x)
aquisição mais curto
a) menor dose ao paciente, b) tempo de
Gama dinâmica até 14 bits (16,000 graduações na escala cinzenta)
apenas
com uma exposição podem ser visualizadas detalhes com o nível de contraste
muito diferente (o contraste pode ser ajustado directamente na imagem)
Imagem na forma digital
facilidade de armazenamento, consulta remota,
processamento digital da imagem
Estudos dinâmicos tornam-se possíveis (até ~30 frames/s)
62
IIM 2013-2014
Detecção de raios-X: resumo
Ecrãs fluorescentes: têm a vantagem de fornecer imagem em tempo real,
com reposicionamento do paciente; usa-se cada vez menos devido à elevada
dose ao paciente e ao médico
Filme radiológico: alta resolução (~0.1 mm) mas baixa eficiência (~1%);
gama dinâmica bastante estreita; a imagem é latente – precisa de ser revelada;
usa-se principalmente em cassetes com paineis fluorescentes
Paineis fluorescentes + filme radiológico: os paineis absorvem os raios-X
com eficiência de ~20-50%; a imagem é registada no filme; existe sempre
tempo de espera entre a exposição e obtenção da imagem; estudos dinâmicos
não são possíveis
Digitalização do filme a posteriori – tempo de espera, manuseamento
Paineis fosforescentes fotoestimulados: reutilizáveis mas continuam ter
tempo de espera, necessitam manuseamento
Detectores digitais: é o futuro da radiologia, têm inúmeras vantagens (ver
slides anteriores); o preço é elevado
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IIM 2013-2014