Diagnostica per immagini

INDICE

1. Bioingegneria………………………………………………………………

…………………………………1

2. Scienze

tecniche………………………………………………………………………

……………………14

3. Medicina

nucleare………………………………………………………………………

………………..21

4. Radioterapia…………………………………………………………………

………………………………43

5. 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.

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

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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.

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.

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

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atomi della materia tramite urti: ad ogni urto cedono energia e quando

l’energia è completamente persa la particella si ferma.

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

N moltiplicato per e , dove x è lo spessore dell’oggetto e µ è il coefficiente di

-µx

0

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 N .

0

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).

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

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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. 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.

L’attenuazione dei raggi X è il fenomeno fisico alla base della formazione delle

immagini radiologiche. L’energia è modulata spazialmente dall’attenuazione

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nel corpo del paziente. L’immagine primaria (fascio di raggi X) viene convertita

in un’immagine visibile da parte di un sistema di rivelazione:

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).

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