Riassunto esame Diagnostica per Immagini e radioterapia, prof. Carriero

Diagnostica per immagini

Tecniche radiologiche: raggi X

Per produrre raggi X occorre: una sorgente di elettroni, una forza che li acceleri e un bersaglio che li freni. Il tubo di Coolidge è un’ampolla di vetro in cui è creato il vuoto ed è internamente composto da una spiralina di tungsteno (catodo) portata all’incandescenza per effetto termoelettrico (Edison) che libera elettroni, che vengono accelerati in linea retta da una d.d.p. e che vanno a colpire l’anodo dove vengono frenati: l’energia cinetica degli elettroni si trasforma nel 99% in calore e nell'1% in raggi X. Questi raggi X possono essere distinti in raggi “di frenamento” con distribuzione dello spettro continua, e raggi “caratteristici” degli atomi dell’anodo (rame o tungsteno) che hanno uno spettro discontinuo. Siccome però il 99% dell’energia è sotto forma di calore, l’anodo è stato fatto ruotare per raffreddarlo. Si può quindi modellare il fascio di raggi X a seconda delle esigenze aumentando la corrente che passa nella spiralina (maggior flusso di raggi X) o aumentando la d.d.p. con raggi X più carichi di energia e quindi più duri.

Proprietà dei raggi X

• La probabilità di interazione con la materia è minore quanto maggiore è l’energia fotonica.
• La probabilità di interazione con la materia è tanto maggiore quanto maggiore è lo strato di materia attraversato.
• La probabilità di interazione con la materia dipende dal numero atomico medio del tessuto.
• All’atto dell’interazione con la materia cedono energia inducendo ionizzazioni ed eccitazioni.
• Inducono fluorescenza in certi materiali e sono in grado di impressionare le pellicole fotografiche.

I rischi nell'uso dei raggi

I raggi X possono dare un danno somatico, danno genetico (trasmesso alla progenie) e danno in gravidanza (molto sensibile il feto tra 15^o giorno e 7 settimana, periodo dell’organogenesi: esiste la regola dei 10 giorni). Se accidentalmente una donna è esposta a raggi X si decide di interrompere la gravidanza se ha assorbito più di 100­-150mSv di radiazioni.

Immagini radiologiche tradizionali

I raggi X raccolgono informazioni sulle strutture attraversate e bisogna considerare:

• Fascio incidente: caratterizzato dal fatto che in ogni suo punto il flusso di raggi X è costante (omogeneo), la sua propagazione genera un cono nello spazio (e quindi l’immagine radiologica può essere ingrandita) e allontanandosi dall’anodo, il flusso fotonico diminuisce in ragione del quadrato della distanza (occorre valutare bene quindi la distanza focale).
• Oggetto esposto: l’assorbimento di raggi X è funzione del numero atomico medio e della densità elettronica.
• Fascio emergente: il flusso è disomogeneo perché c’è stata rimozione di raggi X e reca l’immagine formatasi a seguito della rimozione dei fotoni da parte di tutte le strutture incontrate.

Metodi di visualizzazione

L’occhio umano non vede i raggi X e quindi sono necessari dei metodi di “visualizzazione”: radioscopia e radiografia.

Radioscopia tradizionale sfrutta il fenomeno della fluorescenza: l’energia dei fotoni X, assorbita da opportuni materiali detti “fosfòri” (come platinocianuro di bario), è commutata in energia di fotoni luminosi. Quindi uno schermo fluorescente per radioscopia è formato da uno strato di cristalli di fosfòro a sua volta ricoperto da vetro contenente piombo per proteggere l’osservatore; l’immagine va osservata in ambiente buio. Come si vedono le immagini radioscopiche? L’osso è nero e l’aria bianca. Questo perché l’osso assorbe molti raggi X mentre i gas quasi nulla e sullo schermo ci sarà massima fluorescenza per i fotoni che hanno passato l’aria e pochi per quelli che hanno passato l’osso. Si osservano immagini esattamente inverse alla radiografia. Oggigiorno è possibile sfruttare l’evoluzione tecnica della radioscopia con intensificatore di luminosità che permette di osservare anche in condizioni diurne.

Radiografia tradizionale sfrutta la capacità dei raggi X di impressionare le pellicole fotografiche. La parte sensibile della pellicola è formata da cristalli di bromuro d’argento su acetato di cellulosa: per effetto dei raggi X l’AgBr si decompone liberando argento metallico opaco alla luce (e produce quindi un'immagine latente che viene poi sviluppata). Per potenziare il fenomeno risparmiando al paziente radiazioni si può inserire la pellicola radiografica tra due schermi fluorescenti (metodo radioscopico con ossisolfuro di gadolinio) che potenziano e rinforzano la pellicola.

Lo sviluppo della pellicola consiste nella riduzione completa dell’AgBr che ha interagito con i raggi X conferendo un intenso colore nero e poi fissaggio per solubilizzazione dell’AgBr residuo: la pellicola fotografica è così annerita laddove molti fotoni hanno colpito la pellicola (e quindi hanno attraversato il corpo, come per l’aria) e quasi trasparente laddove pochi fotoni hanno colpito la pellicola (come per l’osso). Per migliorare l’immagine occorre ricordare che è preferibile una grande distanza focale (riduce l’ingrandimento proiettivo), un basso tempo di esposizione (riduce la sfumatura “cinetica”) e l’uso di una griglia antidiffusione che riveli solo i fotoni perpendicolari e non quelli obliqui generati per effetto Compton.

La radiologia digitale

Oggi giorno molto importanti sono diventate le tecniche digitali, che rendono possibili molteplici elaborazioni delle immagini radiologiche e la semplicità organizzativa e gestionale. Parametri delle immagini digitali sono il voxel (elemento unitario di volume corporeo deciso dall’operatore) e il pixel (elemento unitario dell’immagine digitale dove la gradazione di grigi è uniforme); l’immagine digitale è quindi rappresentata da una matrice numerica. La risoluzione spaziale di un’immagine digitale è in rapporto inverso alla dimensione del pixel. Si definisce profondità del pixel il numero di bit utilizzati per rappresentare i possibili valori della variabile in oggetto (scala di grigi).

Tutti i sistemi digitali utilizzano sempre raggi X, e sono costituiti da: tubo da raggi X, sistema di rivelazione (che converte i raggi X in un’energia più gestibile), sistema di registrazione e sistema informatico di visualizzazione e archiviazione. In radiologia convenzionale la pellicola svolge simultaneamente la funzione di rilevatore e di visualizzatore mentre nella radiologia digitale le due funzioni vengono separate. La radiografia moderna con tecniche digitali si basa su due importanti varianti:

• Radiografia computerizzata (CR): è una modalità di ricostruzione di immagini radiografiche digitali che utilizza un sistema passivo a cassette mobili. La parte sensibile è costituita da un sottile strato di fosfòro (flurobromuro di bario attivato con europio) contenuta in una cassetta di alluminio; i raggi X inducono alterazioni del reticolo cristallino del fosfòro con immagini che rimangono intrappolate. La cassetta è inserita nel lettore di immagini che “legge” con un fascio laser e poi la piastra viene quindi risettata mediante esposizione a luce di sodio ad alta intensità. È un sistema compatibile con le apparecchiature radiografiche tradizionali ma non risolve l’impegno del tecnico radiologo di posizionare la cassetta e far procedere la stessa nelle varie fasi di lettura.
• Radiografia digitale (DR): è una modalità di acquisizione diretta che non fa uso di cassette radiografiche poiché il detettore è in grado di convertire l’energia dei fotoni X in segnale digitale (grazie al silicio o selenio amorfo) utilizzando condensatori che convertono l’energia luminosa direttamente in segnale elettrico e quindi digitale.

Mezzi di contrasto nella radiologia tradizionale

L’esame radiografico può essere diretto quando si studia un organo sulla base del solo contrasto naturale tra tessuti diversi, o contrastografico quando si utilizza un mezzo di contrasto (MdC) per accentuare le strutture. Si definiscono mdc radiologici quelle sostanze che, introdotte per vie e con modalità opportune, modificano il numero atomico medio e quindi la capacità dei tessuti di assorbire raggi X. Prima grossa suddivisione dei mdc è in radiotrasparenti e radiopachi.

I mdc radiotrasparenti sono in grado di diminuire il numero atomico medio; sono di solito gas (anidride carbonica utilizzata nel DC del digerente), metilcellulosa o acqua (in TC). I mdc radiopachi si suddividono a loro volta in due grandi famiglie: solubili e non solubili. L’unico mdc non solubile utilizzato per la diagnostica del digerente è il solfato di bario (BaSO₄) che non è assorbito dalle mucose e transita liberamente fino all’espulsione delle feci ed è molto efficiente ma è un potente irritante delle sierose peritoneali e controindicazioni assolute sono la sospetta occlusione intestinale e la sospetta perforazione.

Altro grosso capitolo è quello dei mdc idrosolubili o mdc iodati per uso uroangiografico: introdotti nel sangue, diffondono negli spazi interstiziali e vengono escreti per filtrazione glomerulare [anello di benzene con sostituzioni degli atomi di H], a loro volta suddivisi in ionici (pericolosi per l’alta osmolarità) e non ionici (ridotta chemiotossicità, come lo Iopamidolo [Iopamiro]). Possono essere utilizzati per via venosa, arteriosa, subaracnoidea e per l’apparato digerente qualora si sospettino controindicazioni all’uso del solfato di bario.

Reazioni avverse ai mdc

• Effetti tipo A: sono prevedibili, dipendono dalla dose di mdc e hanno alta incidenza. Il più importante è sicuramente la nefropatia da mdc iodato, con diminuzione acuta della funzionalità renale nel 3­-7% degli esposti ma spesso transitoria perché solo nel 20% dei casi la nefropatia non regredisce.
• Effetti tipo B: sono imprevedibili, non dipendono dalla dose e hanno bassa incidenza; si manifestano quasi sempre nei primi 30 minuti. Essi sono i più svariati: dolore, vasospasmo, orticaria, vomito, brividi, ipotensione, arresto cardiaco, aritmie, sincopi e molto raramente (1:100.000) morte.

Tomografia computerizzata (TC)

Viene detta tomografia perché l’immagine riproduce uno strato corporeo e computerizzata perché per la sua produzione è necessario l’intervento del computer che ne guida il procedimento di acquisizione e ricostruzione. Il tomografo computerizzato (la TC) di 3^o generazione, quelli odierni, utilizzano un fascio di raggi X a ventaglio in grado di vedere interamente la sezione corporea in studio e un insieme di 500­-1000 detettori contrapposti, che ruotano assieme al tubo radiogeno compiendo in 2­-4 secondi una rotazione di 360° e riducendo a pochi secondi il tempo di scansione.

L’immagine TC è costruita misurando l’attenuazione di un fascio di raggi X in infinite traiettorie attraverso lo strato corporeo e determinando quindi, per via di calcolo, la componente di attenuazione avventa nei singoli voxel dello strato corporeo per poi visualizzare su monitor l’immagine così ricostruita. Poiché l’attenuazione del fascio di raggi X dipende in forma direttamente proporzionale alla densità elettronica dei tessuti presenti nel voxel, il valore di attenuazione è detto anche valore densitometrico e si esprime in Unità Hounsfield (UH) che sono calcolate ponendo a 0 il valore dell’acqua e raffrontando il tessuto nel voxel; si va da un massimo di +1000 (osso) a un minimo di -1000 aria. Se tutti i valori fossero rappresentati risulterebbe un immagine molto appiattita per cui si preferisce “aprire una finestra” definendo il valore densitometrico al quale si vuole corrisponda sul monitor il grigio medio (centro della finestra) e definire l’intervallo di valori densitometrici al di sopra e al di sotto del valore centrale che si vuole rappresentare con le gradazioni di grigio (ampiezza della finestra). Con la TC sono inoltre possibili ricostruzioni secondo piani diversi da quello di scansione.

Si possono usare mdc in genere somministrati “a bolo” che permettono di suddividere le scansioni in una fase arteriosa (visualizzazione dei vasi), parenchimatosa (equilibrio, in cui l’organo acquista un contrasto più o meno intenso definito come contrast enhancement o c.e.) e di eliminazione (uropielografica).

L'angiografia

È una metodica radiologica contrastigrafica avente la finalità di visualizzare i vasi, in passato molto utilizzata e oggigiorno riservata soprattutto a fini diagnostici e immediatamente interventistici. Grande impulso arrivò con la messa a punto del cateterismo selettivo (secondo Seldinger): previa anestesia locale ha luogo la puntura del vaso prescelto con agocannula all’interno della quale viene introdotta una guida metallica; dopo rimozione della cannula si introduce per scorrimento sulla guida un catetere radiopaco (aggiunta di solfato di bario) che viene posizionato nella sede voluta. Rimossa la guida si procede all’iniezione di mdc e all’assunzione delle immagini.

Oltre alle classiche immagini radiografiche è possibile sfruttare l’angiografia digitale sottrattiva: poiché la singola immagine radioscopica è posseduta in forma di matrice numerica, è possibile sottrarre i valori di una matrice di base (eseguita in situazione di esame diretto) da quelli di matrici successive ottenute con l’iniezione di mdc portando ad una vera e propria sottrazione di immagini con cancellazione più o meno completa delle strutture anatomiche presenti.

L'ecografia

Sotto il nome di ecografie si accomunano numerose tecniche che trovano il loro fondamento nella lettura del fascio riflesso di onde sonore, che comunemente viene detto eco. Alcune tecniche forniscono immagini di sezioni corporee (ecotomografia), altre tracciati più o meno complessi (ecografia A­-mode, TM­-mode, Doppler, ecc…). Loro pregi principali sono l’assoluta innocuità sulle strutture biologiche, la rapida realizzazione e il costo contenuto mentre principali difetti sono la necessità di interpretazione immediata e la dipendenza del risultato dalla perizia dell’operatore.

Gli ultrasuoni (US) sono onde acustiche con frequenza superiore a 20KHz e quindi non udibili dall’orecchio umano; in ecografia si utilizzano US con frequenze tra 1 e 20­-100 MHz. All’aumentare della frequenza degli US migliora la risoluzione spaziale lungo l’asse di propagazione del fascio ma aumenta l’assorbimento, sicché si riduce la profondità che è possibile esplorare. Gli US vengono prodotti sfruttando la proprietà di alcuni materiali di entrare in vibrazione ad alta frequenza quando eccitati da impulsi elettrici; gli US si propagano solamente nei mezzi materiali sotto forma di onde sonore (quindi di bande alternate di rarefazione e compressione delle particelle) ed ogni materia è caratterizzata da una certa “resistenza” intrinseca detta impedenza acustica. Nei punti di passaggio tra tessuti ad impedenza acustica diversa (le interfacce) parte del fascio di US viene riflessa verso il cristallo emittente e parte viene propagata ai tessuti sottostanti.

Aria e osso costituiscono i due principali ostacoli alla propagazione degli US nel contesto delle strutture corporee; la presenza di aria tra trasduttore e superficie corporea è impedita con l’interposizione di appositi gel idrosolubili. Questo perché nell’interfaccia tra tessuti molli e aria la frazione di US riflessa è del 99,9% (scomparsa del fascio oltre la struttura) mentre nell’interfaccia ossea è del 41% (forte attenuazione del fascio).

In ecografia sono utilizzati fasci “pulsanti” di US prodotti da un trasduttore (sonda) il cui componente fondamentale è il cristallo piezoelettrico (quarzo) che eccitato da impulsi elettrici genera US; successivamente il cristallo è posto in fase di ricezione (di ascolto) sì che gli US riflessi inducono la deformazione meccanica con generazione di impulsi elettrici.

Modernamente gli ecografi sono formati da un trasduttore costituito da una cortina di cristalli piezoelettrici disposti su un piano e attivati in sequenza predefinita; i trasduttori possono essere lineari (necessitano di una ampia finestra acustica e forniscono immagini rettangolari d’insieme), settoriali (a settore di cerchio appunto, laddove ci sia una piccola finestra) e trapezoidali o convex (immagine a tronco di cono con buona visualizzazione delle strutture profonde).

Tracciati importanti in ecografia

• A­-Mode (Amplitude Mode): usato in ecografia oculistica, l’esplorazione è effettuata lungo una sola linea e gli echi sono rappresentati come picchi di intensità (si può quantificare molto bene la distanza).
• TM-­Mode (Time­-Motion Mode): usato in ecocardiografia, mette in relazione il tempo con le escursioni delle parti del cuore durante il ciclo cardiaco.

L’immagine ecotomografica, detta anche B­-Mode (Brightness Mode) è una rappresentazione elettronica su monitor TV dei punti di formazione degli echi prodotti dal transito nella sezione corporea degli US. Nell’immagine ecotomografica la distribuzione degli echi consente di riconoscere i contorni e la struttura interna (ecostruttura) dell’entità in studio; l’assenza di echi dimostra che la struttura in esame è completamente omogenea e che il fascio non incontra interfacce mentre la presenza di echi dimostra che la struttura possiede un’organizzazione interna non omogenea.