Diagnostica per Immagini - 3° Anno

Diagnostica per immagini - 3^o anno scienze motorie

Capitolo 1: Definizione di diagnostica per immagini e primi concetti

La definizione di diagnostica per immagini è “un insieme di tecniche che permettono di esplorare dall’esterno le strutture corporee con la creazione di immagini che possono fornire informazioni utili a fini diagnostici”. In breve, queste tecniche di diagnostica hanno lo scopo ultimo di diagnosticare e dare una prognosi (cioè quanto tempo ci vuole per recuperare dall’infortunio).

Le funzioni della diagnostica per immagini sono:

• Suggerire o confermare una diagnosi, cioè identificare il problema
• Monitorizzare l’evoluzione della malattia, cioè come si evolve l’infortunio
• Valutare la risposta terapeutica, cioè vedere come il corpo sta rispondendo alle cure

Capitolo 1.1: La storia della diagnostica per immagini

La storia della diagnostica per immagini inizia l’8 novembre 1895 con la scoperta dei raggi X da parte di Rontgen. Lo scienziato all’inizio non capì l’importanza reale di questi raggi e quanto sono utili oggigiorno. Prima di questa scoperta, non c’era modo di vedere all’interno del corpo se non nel corso di interventi chirurgici o dissezioni anatomiche.

Le prestazioni di diagnostica per immagini, a partire dagli anni '60, hanno subito una netta impennata e continuano ad aumentare anche grazie alle nuove tecnologie scoperte che rendono gli esami sempre più accurati e meno invasivi. Lo sviluppo più recente è quello del 2002 che consiste nello sviluppo di sistemi PET/TC.

Capitolo 1.2: Le tecniche della diagnostica per immagini

Le tecniche usate dalla diagnostica per immagini sono:

• Radiologia
• Ecografia, per vedere legamenti, muscoli e tendini
• Medicina nucleare, si utilizza principalmente nella medicina oncologica
• Tomografica Computerizzata, detta anche TAC o TC
• Risonanza Magnetica

I raggi usati dalle radiografie, dalle TAC e dalla medicina nucleare sono potenzialmente dannosi per il corpo umano ma è consigliato comunque fare questi esami in quanto permettono di curare patologie che possono provocare danni ben più gravi (ovviamente non bisogna esagerare con questi esami né farli “a vuoto”). Ogni tecnica dà informazioni diverse e con livello di dettaglio diverso: oggigiorno, le strumentazioni sviluppate permettono di avere informazioni molto più dettagliate e definite rispetto al passato.

Capitolo 1.2.1: La denominazione e gli strumenti fisici usati dalle indagini della diagnostica per immagini

Gli esami di radiologia sono chiamati radiografie/scopie e vengono fatti attraverso l’uso di raggi X. L’ecografia fa uso di ultrasuoni e pertanto prende il nome di eco-doppler. La medicina nucleare consiste principalmente nella scintigrafia (SPET, PET) e usa i raggi gamma. La tomografia computerizzata viene anche comunemente chiamata TAC (se fornisce immagini sul piano assiale) o TC (più moderna, fornisce immagini su tutti i piani); usa raggi X. La risonanza magnetica è anche detta RM e usa campi magnetici e radiofrequenze.

Capitolo 1.2.2: Le informazioni delle tecniche usate dalla diagnostica per immagini

Le informazioni che si ottengono dalle varie tecniche possono essere di tre tipi:

• Immagini morfologiche, a prevalente contenuto di informazioni anatomico-strutturali, quindi vede sostanzialmente l’anatomia dell’organo; questo tipo di informazione lo dà la radiografia.
• Immagini funzionali, a prevalente contenuto di informazioni funzionali di un organo o apparato, cioè vede come funziona un organo/apparato; questo tipo di informazione è dato da ecografia e medicina nucleare.
• Immagini metaboliche, a prevalente contenuto di informazioni metaboliche dell’attività cellulare; sono quelle immagini date dalle risonanze e dalla PET che fanno uso, ad esempio, di glucosio e servono per diagnosticare tumori e sviluppi neuro-degenerativi.

Per avere un quadro clinico completo è utile integrare tra loro queste immagini e quindi usare più tecniche.

Capitolo 1.2.3: Metodologie d’indagine (come funzionano le indagini)

La diagnostica radiologica vede le proprietà di attenzione alla radiazione X. La diagnostica ultrasonografica vede le proprietà di riflessione e trasmissione delle onde sonore. Queste vengono usate nelle ecografie e funzionano in modo molto simile a un radar: vengono infatti sparate delle onde ultrasoniche che rimbalzano su un oggetto/organo e tornano indietro dando l’immagine.

La diagnostica a risonanza magnetica per immagini usa le proprietà magnetiche dell’oggetto e le proprietà di legame fra le molecole. La diagnostica a risonanza magnetica per spettroscopia usa le proprietà magnetiche dell’oggetto e la distribuzione di particolari isotopi. La metodologia che impiega farmaci marcati (marker) con radioisotopi usa le proprietà funzionali dei vari organi ed è usata nella medicina nucleare. La metodologia che impiega la rivelazione di segnali elettrici o magnetici usa le proprietà elettriche e magnetiche dei vari organi.

Capitolo 1.2.4: Caratteristiche delle immagini diagnostiche

Le immagini diagnostiche si dividono in:

• Immagini analogiche, ormai in disuso
• Immagini digitali, oggi il 99% sono così

Ed in:

• Immagini planari, immagine completa su due dimensioni (2D) di un corpo 3D (lo è la classica radiografia)
• Immagini tomografiche, consiste in immagini che raffigurano una “fetta” di una struttura/corpo, cioè si taglia digitalmente una struttura e la si ricostruisce su un altro piano al fine di analizzarla bene (piano assiale, sagittale ecc.). In pratica, sono immagini in 3D e a seconda del piano in cui dividono il distretto si definiscono:
• Assiali/trasversali, piano trasverso
• Coronali, piano longitudinale
• Sagittali, piano sagittale
• Oblique, piano obliquo

Le immagini analogiche sono date dall’impressione di un raggio di luce su una pellicola. Le immagini digitali invece usano i pixel: ogni pixel consiste in un numero che forma un codice binario che poi si ritrasforma in immagine. Questo tipo di immagini sono nettamente più dettagliate: più piccoli saranno i pixel e più alta sarà la risoluzione spaziale dell’immagine. La tridimensionalità di un’immagine è data dai voxel.

Capitolo 1.2.5: Altre informazioni sui sistemi usati

Il sistema fisico che trasferisce energia (e che quindi emette le radiazioni) è chiamato sorgente: nel caso degli esami considerati sopra quindi, sono sorgenti il tubo radiogeno, il materiale radioattivo ecc. Nell’ecografia, la sorgente è anche il ricevente.

L’energia emessa e trasferita attraverso la materia, come detto, si chiama radiazione. In fisica il termine radiazione viene generalmente utilizzato per indicare un insieme di fenomeni caratterizzati dal trasporto di energia nello spazio (tipici esempi sono la luce o il calore).

Capitolo 1.3: Forme di trasferimento dell’energia – Tipi di radiazioni e loro caratteristiche

Esistono varie tipologie di radiazioni e sono:

• Onde elettromagnetiche
  • Onde radio
  • Infrarossi
  • Luce
  • Ultravioletto
  • Raggi X e raggi gamma
• Particelle
  • Elettroni positivi e negativi
  • Protoni e neutroni
  • Alfa, ioni, atomi, molecole
• Vibrazioni, queste sono sempre radiazioni ma sono le uniche che sono percepibili dal mondo animale
  • Suono, ultrasuoni
  • Calore

Le onde elettromagnetiche e le particelle non si possono percepire in quanto non producono alcuna sensazione, neanche quando sono molto forti. La materia che intercetta la radiazione assorbe parte o tutta l’energia trasportata e può aumentare quindi la sua temperatura: questa materia si dice esposta o irradiata (anche se ripetiamo, l’esposizione a queste non implica sensazioni).

Capitolo 1.3.1: Tipi di radiazioni

Le radiazioni si dividono in:

• Radiazioni corpuscolate, sono meno penetranti e più nocive
• Radiazioni elettromagnetiche/non corpuscolate, consistono in un trasporto puro di energia pertanto NON viene trasportata la massa; sono tutte onde con lunghezza (cioè lo spazio percorso nel tempo da ognuna è diverso), periodo (durata dell’oscillazione completa), velocità e frequenza (numero di oscillazioni nell’unità di tempo) diverse.

Tutte le radiazioni, come anticipato, sono penetranti (cioè attraversano la materia colpita), ed il loro potere di penetrazione dipende dalla massa e dalla velocità delle particelle per le radiazioni alfa e beta, mentre dipende dalla frequenza dell’onda elettromagnetica per quanto riguarda le radiazioni gamma e X. È bene precisare che l’uomo è sempre esposto a radiazioni di due tipi:

• Naturali, sono radiazioni cosmiche, telluriche, atmosferiche e interne
• Artificiali, sono radiazioni mediche, derivanti da ricadute radioattive, da voli aerei o da beni di consumo

Le radiazioni si misurano in milli-Sievert (mSv).

Capitolo 1.3.1.1: Radiazioni elettromagnetiche ionizzanti e non ionizzanti

Per quanto riguarda i processi di interazione con la materia, le radiazioni possono dividersi in due categorie:

• Radiazioni non ionizzanti, quelle non sufficienti a provocare effetti su esposti, lo sono ad esempio le onde corte, le microonde, gli infrarossi (in pratica non fanno male)
• Radiazioni ionizzanti, cioè quelle in grado di ionizzare gli atomi della materia esposta, lo sono i raggi X, i raggi gamma e le particelle. Queste in pratica, mandano via un elettrone esterno dell’atomo turbando quindi il suo equilibrio (e di conseguenza arrecare problemi): questo spiega perché queste radiazioni, usate negli esami medici, siano comunque dannose per l’uomo (ovviamente sono pericolose solamente in grandi quantità in quanto ci sono comunque meccanismi che riportano il tutto in equilibrio).

Le radiazioni ionizzanti sono usate in:

• Radiologia tradizionale e digitale (raggi X)
• Tomografica Computerizzata (raggi X)
• Medicina nucleare (raggi gamma)

Quelle non ionizzanti sono usate in:

• Ecografia (onde meccaniche elastiche)
• Risonanza magnetica (campi magnetici e radiofrequenza)

La sequenza di eventi indotti dall’interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia vivente è:

1. Interazione fisica che causa ionizzazioni ed eccitazioni in un intervallo di tempo brevissimo
2. Danno chimico dovuto alla perdita dell’elettrone che genera radicali liberi, sempre in pochissimo tempo
3. Danno molecolare che avviene in pochi secondi o ore
4. Danno biologico che può creare vari problemi che vanno dall’eritema alla morte; avviene in molte ore o addirittura anni

Capitolo 2: Radiologia tradizionale

La radiologia tradizionale usa un fascio di raggi X prodotti da una sorgente che passano attraverso il corpo del paziente. Non passano sempre tutti i raggi: la quantità di raggi che passa dipende dall’energia che questi hanno e dalle caratteristiche dei tessuti che devono attraversare.

Una volta passati, questi raggi ad inizio ‘900, scaricavano su uno schermo fluorescente che mostrava poi quello che oggi si vede nelle classiche radiografie. In questo modo però, anche il medico si beccava una grande quantità di radiazioni (questo perché doveva vedere “live” il risultato sullo schermo) e quindi bisognava trovare un’altra soluzione. Soluzione che è arrivata in seguito grazie all’utilizzo di film fotografici (una sorta di prima versione delle classiche lastre) che permettevano di vedere le immagini anche in secondo momento, evitando così di esporre anche il medico a radiazioni.

Nella radiodiagnostica esistono due tipi di indagini visive:

• Radiografia, che consiste in una immagine statica
• Radioscopia, che consiste in una immagine dinamica, cioè è un video (anche live) e si fa durante le azioni riallineamento di un osso; è poco utilizzata

Capitolo 2.1: Caratteristiche dei raggi X

I raggi X sono prodotti dalla forte decelerazione degli elettroni nelle collisioni con i nuclei atomici e dalle transizioni degli elettroni nelle orbite più profonde all’interno degli atomi. Sono stati scoperti da Roentgen nel 1895. Le loro caratteristiche sono:

• Sono radiazioni magnetiche ionizzanti invisibili
• Si propagano in linea retta alla velocità della luce nel vuoto e non hanno massa
• Impressionano emulsioni fotografiche
• Sono attenuati dai tessuti che attraversano
• Perdono d’intensità in misura proporzionale al quadrato della distanza
• Provocano il fenomeno fisico della fluorescenza, cioè eccitano alcune sostanze che poi producono lampi di luce nello spettro visibile

L’interazione tra i raggi X ed i tessuti biologici dà luogo ad un fenomeno di attenuazione dei raggi la cui causa, come detto, è dovuta a vari fattori:

• Il numero atomico degli atomi che costituiscono il mezzo o il numero atomico medio se il mezzo è costituito da specie atomiche differenti (come succede per esempio per il corpo umano che è composto da varie sostanze). Più è alto il numero atomico e più si attenuano e viceversa
• La densità del corpo/mezzo
• Lo spessore del mezzo attraversato
• La caratterizzazione energetica dello spettro del fascio di raggi X utilizzato

Capitolo 2.2: Tubo radiogeno

I raggi X sono prodotti dall’urto tra un fascio di elettroni ad alta energia ed un disco composto da un elemento ad alto numero atomico (in genere tungsteno): essi vengono prodotti all’interno del tubo radiogeno.

Il tubo radiogeno è formato da un’ampolla di vetro in cui è stato creato il vuoto e con agli estremi due elettrodi: uno positivo (anodo formato da tungsteno) e uno negativo (catodo formato da tungsteno e renio). In questo tubo è anche presente un circuito che collega i due poli e dentro il quale passa una corrente: in seguito a questa corrente avviene uno scontro molto violento tra elettroni e anodo che fa letteralmente disintegrare i primi liberando energia. È proprio questo scontro a creare i raggi X. Questo scontro avviene numerose volte e provoca il surriscaldamento dell’anodo: per ridurre l’usura di questo, si costruisce una struttura rotante che fa ruotare l’anodo facendo cambiare il punto di impatto e dissipare il calore.

Non tutti gli elettroni diventano raggi X: la maggior parte infatti, diventano energia termica che va appunto a surriscaldare l’anodo.

Il tubo radiogeno è contenuto in un contenitore che funge anche da “mirino”: questo infatti ha una apertura davanti e permette quindi di direzionare i raggi X nella direzione voluta.

La rappresentazione schematica di una radiografia è il seguente:

1. Produzione di Raggi X nel tubo radiogeno
2. Interazione dei raggi X con il segmento anatomico interessato
3. Impressione della superficie sensibile di un recettore di immagine (pellicola radiografica)

Capitolo 2.2.1: Schermi di rinforzo

Per migliorare la resa delle immagini sono utilizzati degli schermi di rinforzo costituiti da sostanze in grado di emettere fotoni se stimolati ad una certa lunghezza d’onda: questo permette di ottenere una maggiore conversione di raggi X in immagine. Questi in pratica, fanno generare l’immagine usando meno raggi X.

Capitolo 2.2.2: Alterazione della qualità dell’immagine

Le immagini generate possono subire delle alterazioni a causa di effetti ottici legati alla posizione dell’origine, alla posizione del corpo del paziente o del piano sensibile/d’immagine. Queste alterazioni sono:

• Ingrandimento, avviene quando il piano sensibile è lontano dal corpo del paziente e quindi il tutto appare più grande nelle immagini che non hanno un rapporto 1:1 anatomico. Questo effetto può anche essere voluto quando, per esempio, si vogliono analizzare lesioni da stress molto piccole. Per mitigare questo effetto si può o allontanare il tubo o avvicinare il paziente al piano sensibile/pellicola radiografica. Questo effetto deve essere sempre nullo per prassi, nelle radiografie del torace e in quelle della colonna vertebrale in ortostatismo fatte per vedere la scoliosi (in questi casi il tubo è molto lontano e il corpo del paziente è vicino al piano così i raggi X sono tutti paralleli)
• Annebbiamento o deformazione, per evitare l’annebbiamento dovuto a raggi X obliqui, si usano delle griglie che bloccano tutti i raggi non perpendicolari (azione anti-diffusione delle griglie)
• Attenuazione o sfumatura

Capitolo 2.3: Radiologia tradizionale – Parte 2

Come detto, non tutti i raggi X penetrano il corpo e questo dipende dalla loro energia e dalle caratteristiche del tessuto irradiato. Il materiale meno denso, e che quindi lascia passare più raggi X, è il grasso, il secondo è il muscolo mentre quello più denso è l’osso che quindi blocca tanti raggi X (in pratica più è alta la densità e più ne vengono fermati). Oltre alla densità, un’altra caratteristica importante del corpo da attraversare è lo spessore.

Capitolo 2.3.1: Immagine radiografica

I corpi con maggiore potere di attenuazione sono detti radio-opachi.