Diagnostica per immagini

Indice

• Bioingegneria…………………………………………………………………………………………………1
• Scienze tecniche……………………………………………………………………………………………14
• Medicina nucleare………………………………………………………………………………………..21
• Radioterapia…………………………………………………………………………………………………43
• Radiologia diagnostica………………………………………………………………………………….54

1. Bioingegneria

Bioimmagine: rappresentazione nella forma di immagine di informazioni relative ad un distretto corporeo, rappresentando l’anatomia, la morfologia o la fisiologia di parti interne del corpo.

• Tecniche morfologiche → informazioni strutturali.
• Tecniche funzionali → informazioni funzionali.

Le bioimmagini possono essere ottenute da fenomeni fisici naturali o indotti. Le tecniche basate su fenomeni fisici naturali comprendono la termografia (raggi infrarossi → trasportano energia termica, visualizzano tumori, infiammazioni e la vascolarizzazione), mappe elettroencefalografiche ed elettrocardiografiche, mappe di magnetoencefalografia e di magnetocardiografia.

Nelle bioimmagini da fenomeni fisici indotti si induce un fenomeno fisico all’interno del paziente applicando una forma di energia prodotta dall’esterno. Il segnale si trasforma in modo tale da fornire informazioni su un distretto corporeo. Questo è ciò che avviene, ad esempio, nella radiologia convenzionale, in cui si utilizza un fascio di raggi X che viene modificato in base ai materiali che incontra e allo spessore tissutale.

Si distinguono immagini planari e tomografiche. Le immagini planari (radiologia e scintigrafia) sono immagini di proiezione, cioè rappresentano una struttura tridimensionale come un’immagine bidimensionale. La tomografia rappresenta la grandezza fisica di interesse attraverso diverse sezioni del corpo, formando immagini bidimensionali. Accostando le sezioni tomografiche del distretto studiato viene recuperata la terza dimensione e si ha una rappresentazione puntuale della grandezza fisica di interesse.

Tecniche di bioimmagine

• Radiologia → si somministrano raggi X e si va a studiare la loro attenuazione. Le immagini possono essere planari o tomografiche.
• Ecografia → utilizza come sorgente di energia gli ultrasuoni, il fenomeno fisico studiato è l’eco (riflessione degli ultrasuoni quando incontrano una superficie di separazione tra due materiali). L’ampiezza del segnale ecografico è informativa sulle caratteristiche dei due tessuti che hanno generato l’eco, mentre il tempo di riflessione fornisce informazioni sulla distanza tra la sonda e la superficie riflettente (profondità).
• Risonanza magnetica → la fonte energetica è il campo magnetico omogeneo. Si indirizzano sul paziente onde radio, che mandano i nuclei all’interno del campione in risonanza con un assorbimento di energia e una restituzione di energia che dipendono dalla densità protonica. Perciò dà informazioni sulle caratteristiche dell’acqua nei tessuti, attraverso due parametri di rilassamento T1 e T2.
• Medicina nucleare → si somministra al paziente un radiotracciante in grado di tracciare un processo fisiologico (ad esempio glucosio in cui il carbonio è stato sostituito con carbonio radioattivo).

Si distinguono bioimmagini analogiche (radiologia tradizionale, continuità sia spaziale che delle tonalità di grigio) e digitali (immagini tomografiche, sono immagini con rappresentazione matriciale in cui si assegna ai numeri una tonalità di grigio). Nelle immagini tomografiche si considera il voxel, il quale, oltre alla dimensione del pixel nel piano dell’immagine, ha anche una dimensione verticale rappresentata dallo spessore della sezione tomografica.

1

L’obiettivo delle bioimmagini è discriminare un tessuto rispetto ad un altro. La qualità delle immagini è tanto migliore quanto minore è la perdita di informazioni. Per definire la qualità in maniera quantitativa si valutano:

• Contrasto → rappresenta il rapporto tra il segnale nella struttura di interesse rispetto al segnale nelle strutture circostanti. Si distinguono il contrasto fisico e contrasto immagine. Il contrasto fisico dipende dalle caratteristiche dei tessuti e dal fenomeno fisico studiato (e quindi dalla tecnica di imaging). Il contrasto immagine dipende da tutti i processi che contribuiscono alla formazione dell’immagine: acquisizione, ricostruzione, visualizzazione. Il contrasto fisico può essere creato somministrando il mezzo di contrasto. Le immagini tomografiche hanno contrasto maggiore rispetto a quelle planari perché non si ha sovrapposizione tra le strutture.
• Risoluzione spaziale → capacità del sistema di discriminare i dettagli. Il blurring è l’effetto per cui l’imaging rappresenta una struttura puntiforme come una macchia, cioè il segnale viene disperso rispetto al punto sorgente. La risoluzione spaziale può anche essere definita come la distanza minima tra due punti perché questi possano essere riconosciuti come distinti. Dipende anche dalla dimensione del pixel, quindi bisogna disporre di matrici di grandi dimensioni. Le tecniche funzionali, come la medicina nucleare, presentano risoluzione peggiore rispetto alle tecniche morfologiche.
• Rumore → fluttuazioni statistiche del valore di ciascun pixel. Il rumore quantico dipende dalla quantità di informazioni, il rumore elettronico dipende dalla catena di trattamento del segnale, il rumore di quantizzazione dipende dalla conversione analogico-digitale, il rumore dei processi di elaborazione dipende dai processi di elaborazione mirati ad una riduzione del rumore.

Radiazioni

Le radiazioni rappresentano una forma di propagazione di energia nel vuoto. Si distinguono radiazioni corpuscolari (α, β-, β+, neutroni) e radiazioni elettromagnetiche (γ, raggi X).

Le radiazioni α sono costituite da due protoni e due neutroni e vengono prodotte, come β- e β+, attraverso fenomeni di trasformazione a livello nucleare. Le radiazioni β- sono costituite da elettroni e vengono prodotti da fenomeni di decadimento radioattivo. I positroni β+ sono costituiti da elettroni positivi (antielettroni emessi in fenomeni di decadimento). Le radiazioni α hanno una modalità particolare di cessione dell’energia: quanto più la particella è lenta, tanto maggiore è la cessione di energia, che si concentra in una regione specifica. Questa caratteristica viene sfruttata in tecniche di radioterapia o brachiterapia, in cui la sorgente di radiazioni α viene inserita in corrispondenza di una massa tumorale. Viceversa, le radiazioni β presentano un’intensità del fascio di radiazioni che diminuisce esponenzialmente attraversando un materiale. Le radiazioni corpuscolari interagiscono con gli atomi della materia tramite urti: ad ogni urto cedono energia e quando l’energia è completamente persa la particella si ferma.

2

Le radiazioni elettromagnetiche non sono associate a corpuscoli, si distinguono due diversi modelli. Il modello ondulatorio considera le radiazioni elettromagnetiche come un campo elettrico e un campo magnetico che variano con andamento sinusoidale, perpendicolari l’uno rispetto all’altro. La velocità di propagazione è la velocità della luce (c = 300.000 km/s). La velocità della luce è correlata alla frequenza e alla lunghezza d’onda tramite la formula c = νλ. Secondo il modello quantistico le radiazioni elettromagnetiche non sono pensate come onde, ma come pacchetti discreti di energia (quanti) con un’energia = hν (h → costante di Planck).

Le radiazioni X e γ interagiscono con la materia attraverso:

• Fenomeni di diffusione classica: le radiazioni vengono deviate rispetto alla traiettoria originale senza perdita di energia, avvengono ad energie molto basse che non interessano l’applicazione medica.
• Effetto fotoelettrico: fenomeno d’interazione tra una radiazione X o γ con un elettrone atomico (probabilità maggiore per elettroni più legati, cioè più vicini al nucleo). Le radiazioni cedono energia all’elettrone (fotoelettrone) provocando la sua liberazione dal nucleo. E = E - E fotoelettrone fotone incidente legame.
• Effetto Compton: l’interazione ha una maggiore probabilità per elettroni meno legati. L’energia della radiazione X o γ è utilizzata per liberare l’elettrone, ma determina anche la produzione di un raggio X o γ diffuso (deviato rispetto alla traiettoria originale e con energia inferiore). E = E + [E + E ] fotone incidente fotone diffuso legame elettrone Compton.
• Produzione di coppie: energia maggiore rispetto a quelle di interesse in medicina.

Legge dell’attenuazione → se un fascio di raggi X attraversa un certo spessore, il numero di quanti trasmessi Nt è pari al numero di quanti incidenti N0 moltiplicato per e^-µx, dove x è lo spessore dell’oggetto e µ è il coefficiente di attenuazione, rappresentativo dell’attenuazione dei raggi X in un determinato tessuto (dipende sia dall’energia delle radiazioni che dalle caratteristiche del materiale, come densità e numero atomico).

Spessore emivalente (SEM) → spessore di materiale per cui si ha una riduzione dell’intensità del fascio alla metà di N0.

Radiazioni ionizzanti → possiedono abbastanza energia (≥ 12 eV) da trasformare gli atomi in particelle elettricamente cariche. Si ha quindi la formazione di una coppia di ioni di carica opposta. Possono essere direttamente ionizzanti (radiazioni corpuscolari elettricamente cariche, come radiazioni α o β, che determinano una serie di urti con la materia e possono produrre una ionizzazione) o indirettamente ionizzanti (radiazioni X e γ, liberano un elettrone tramite effetto fotoelettrico che poi, interagendo con gli atomi, può produrre una traiettoria di ionizzazione).

Tubo a raggi X

Un tubo a raggi X è costituito da un’ampolla all’interno della quale è fatto il vuoto e sono presenti un filamento e un catodo e un anodo tra cui è presente una differenza di potenziale e una finestra attraverso cui fuoriescono i raggi X prodotti. All’interno del tubo a raggi X si forma un flusso di elettroni (corrente elettrica) diretto dal catodo all’anodo. Gli elettroni arriveranno all’anodo con un’energia E = qV (in cui q è la carica degli elettroni e V è la differenza di potenziale). Un elettronvolt corrisponde all’energia acquistata da un elettrone quando viene sottoposto ad una differenza di potenziale di un volt.

3

L’anodo è un disco (solitamente di tungsteno) in cui avviene la conversione dell’energia degli elettroni in raggi X e calore (che viene dissipato). Il tungsteno viene scelto perché presenta elevato punto di fusione, elevata conducibilità termica ed elevato numero atomico, per produrre una grande quantità di raggi X. Gli elettroni colpiscono una parte dell’anodo che è la macchia focale, più è piccola, migliore sarà la risoluzione. L’anodo è rotante per consentire una migliore dispersione energetica.

Raggi X caratteristici → quando un elettrone colpisce un atomo di tungsteno viene liberato un elettrone. Di conseguenza, un elettrone delle orbite più esterne si trasferisce nell’orbita interna rimasta vacante cedendo una quantità di energia pari alla differenza di energia tra le due orbite. Questo porta alla formazione di un quanto di raggi X. Si parla di raggi X caratteristici perché i livelli energetici delle orbite hanno valori di energia ben definiti, caratteristici dell’atomo.

Radiazione di frenamento (Bremsstrahlung) → l’elettrone incidente interagisce con un nucleo, cede energia e viene deflesso rispetto alla traiettoria originale muovendosi con energia minore e producendo un raggio X detto di frenamento. L’energia non è caratteristica, ma può variare da 0 all’energia dell’elettrone incidente.

I parametri di funzionamento del tubo a raggi X sono: la tensione del tubo (differenza di potenziale tra catodo e anodo), corrente, durata dell’esposizione, prodotto della corrente per il tempo di esposizione espresso in mAs (quantità di raggi X che arrivano al paziente).

Griglia anti-scatter → viene utilizzata a causa della deviazione dei raggi X per effetto Compton, che può causare una perdita di contrasto. È una lastra in piombo con dei fori che hanno la direzione di propagazione dei raggi X. In questo modo solo i raggi X che hanno attraversato il corpo del paziente senza interagire raggiungono il rivelatore. I raggi deviati vengono assorbiti dai setti della griglia anti-scatter.

Il contrasto dell’immagine è dato dalla differenza tra i raggi X assorbiti per effetto fotoelettrico ed i raggi X non assorbiti del tutto che raggiungono il rivelatore. Dipende dallo spessore, dal numero atomico e dalla densità e dall’energia dei raggi X. Il livello di esposizione dipende, invece, dal numero di fotoni che raggiungono il rivelatore. Si distinguono quindi tessuti più radiopachi e tessuti più radiotrasparenti.

Il rumore dipende dalla quantità di informazioni, cioè dal numero di radiazioni rivelate. Il rumore viene ridotto aumentando l’intensità dei raggi X (ma così si aumenta la dose per il paziente) o aumentando la durata di esposizione.

Sistemi di rivelazione

L’attenuazione dei raggi X è il fenomeno fisico alla base della formazione delle immagini radiologiche. L’energia è modulata spazialmente dall’attenuazione nel corpo del paziente. L’immagine primaria (fascio di raggi X) viene convertita in un’immagine visibile da parte di un sistema di rivelazione:

4

• Pellicola radiografica → si tratta di una lastra fotografica: quanta più luce e quanti più raggi X la colpiscono, tanto più la lastra viene impressionata. Tra il rivelatore e il paziente era presente una griglia anti-scatter. L’esame si sviluppava in due momenti: esposizione alla lastra (acquisizione dell’informazione) e sviluppo (sviluppo, lavaggio intermedio, fissaggio, lavaggio finale ed essiccamento). Era un sistema poco efficiente, i raggi X che colpivano la lastra avevano bassa probabilità di impressionarla → sono stati introdotti degli schermi di rinforzo, degli strati luminescenti. I raggi X colpiscono lo strato luminescente o fluorescente, l’energia elevata di un fotone viene convertita in tanti fotoni luminosi di più piccola energia aumentando l’efficienza del sistema di rivelazione. Questo perché i fotoni prodotti hanno energia minore (e maggiore probabilità di impressionare la lastra) e sono presenti in numero maggiore.
• Piastra di fosfori a memoria → sostituisce la pellicola all’interno della casetta nella radiografia computerizzata (CR). I fosfori assorbono l’energia dei raggi X e la immagazzinano. La fase di lettura avveniva facendo una scansione della piastra con una sorgente di luce laser che, liberando l’energia intrappolata e assorbita dopo l’esposizione ai raggi X dai fosfori, permetteva la lettura attraverso un sistema fotomoltiplicatore. La luce viene quindi convertita in un impulso elettrico che viene digitalizzato.
• Detettore digitale → i rivelatori sono detti flat panel, che vengono inseriti all’interno del tavolo radiografico. Non si distinguono più i due momenti di esposizione e lettura, l’immagine si forma direttamente. Esistono sistemi a conversione diretta (i raggi X colpiscono un materiale fotoconduttore venendo direttamente convertiti in elettroni) e indiretta (i raggi X colpiscono uno scintillatore, l’energia dei raggi X viene convertita in luce e la luce colpisce una matrice di transistor formando l’immagine digitale).

Fluoroscopia e intensificatori d’immagine

La radiografia è una tecnica statica, da sempre c’è stato interesse per immagini radiografiche in tempo reale, per poter eseguire diagnosi di tipo dinamico. Quindi, si sono sviluppate tecniche fluoroscopiche che sono basate sulla presenza di uno schermo fluorescente e un fascio di raggi X trasmesso. I raggi X colpiscono lo schermo fluorescente producendo fotoni luminosi, permettendo la visualizzazione sullo schermo dell’immagine luminosa.

Un’innovazione si ebbe con l’introduzione degli intensificatori d’immagine → rendono il sistema più efficiente migliorando la qualità dell’immagine. È un grosso tubo in cui viene fatto il vuoto. I raggi X colpiscono uno schermo fluorescente producendo un’immagine luminosa. Dopo lo schermo vi è un fotocatodo che converte l’immagine luminosa in un’immagine elettronica, cioè un flusso di