Radioprotezione

Radioprotezione – Lezione 1

Le tecnologie nella formazione dell’immagine diagnostica

Si ha uno scenario abbastanza ampio:

• Radiologia tradizionale che oggi è stata completamente sostituita dalla Radiologia digitale
• Ecotomografia
• Medicina nucleare come la scintigrafia, la PET, sono esami che fanno parte della medicina nucleare
• TC Tomografia Computerizzata (TCMS – multi strato)
• RM Risonanza Magnetica

Ciò che differenzia queste indagini è l’impiego o no di radiazioni ionizzanti. La radiologia digitale, la medicina nucleare, la TC, impiegano radiazioni ionizzanti. L'ecotomografia e la risonanza magnetica impiegano delle sorgenti fisiche, che non sono ionizzanti.

• Principali differenze in termini di utilizzo o no delle radiazioni ionizzanti.

Schema radiografia analogica

• Tubo a raggi x – prodotti dall’uomo attraverso un sistema che è il tubo a raggi x.
• Soggetto esposto ad indagine radiologica. I raggi x che attraversano l’oggetto vengono più o meno attenuati in termini di energia – quindi il fascio di raggi x viene attenuato perché gran parte o parte dell’energia viene arrestata dall’oggetto. Dopodiché il fascio di raggi x che fuoriesce, che ha attraversato l’oggetto ha memoria di quello che ha attraversato e va ad impressionare uno schermo di rinforzo, che trasforma questa informazione che giunge dai raggi x in luce, la luce va ad impressionare una pellicola radiografica e sulla pellicola si avrà la comparsa dell’immagine radiologica. Questo è il processo semplificato di quella che era la radiografia analogica.

Interazione dei raggi x con la materia

Com'è che i raggi x vengono attenuati dall'oggetto o dalla materia vivente? Fondamentalmente attraverso due fenomeni fisici:

• l'effetto fotoelettrico
• l'effetto Compton

L’effetto fotoelettrico è più frequente in ambito di diagnostica per immagini perché è un effetto che si verifica a basse dosi, cioè è sufficiente che il fotone abbia una dose non eccessiva. Che cosa accade? Un fotone interagisce con un elettrone legato in un orbitale di un atomo. L’energia viene trasferita completamente all’elettrone, a quel punto il fotone scompare e l'elettrone viene spostato dall’orbitala.

L'effetto fotoelettrico è un effetto a soglia perché si verifica solo quando l'energia del fotone incidente del raggio x incidente è di poco superiore all’energia di legame dell'elettrone – è un effetto frequente perché si verifica per tutti quei fotoni che hanno l'energia di poco superiore al legame di un elettrone scarsamente legato che in genere sono gli elettroni dell’orbita più esterna e quindi anche se l’effetto fotoelettrico può avvenire tramite per collisione del fotone x con qualsiasi elettrone all'interno dell'orbita, è molto più facile che avvenga con gli elettroni che sono nell’orbita più esterna perché questi hanno l'energia di legame nettamente più bassa.

L’altro effetto è l'effetto Compton, che realizza una minore attenuazione perché il fotone che incide sull'atomo è di nuovo sull'elettrone, ha un'energia nettamente superiore all’energia di legame. Allora accade che cede parte dell'energia l'elettrone che così può essere spostato dal suo orbitale con l'effetto ionizzante, ma lui continua il suo tragitto se pur deviato con l'energia che gli residua; è quindi un effetto tipicamente delle radiazioni con elevata energia.

Ovviamente tutte quelle radiazioni che subiscono l'effetto Compton sono poi quelle che ritroviamo una volta che l'oggetto è stato attraversato perché ovviamente hanno subito una minor attenuazione durante l'attraversamento dell'oggetto. C'è un altro effetto che viene descritto quando si parla di interazione tra fotoni (raggi x) e materia ed è l'effetto produzione di coppie.

L'effetto produzione di coppie in realtà non è un effetto che avviene in diagnostica per immagini, ma è un effetto che avviene in radioterapia perché è tipico di energie di fotoni che trasportano una elevatissima energia. Che cosa accade? Il fotone non interagisce più con gli elettroni degli orbitali, ma va ad interagire proprio con il campo coulombiano del nucleo, cede tutta la sua energia e vengono prodotti un elettrone ed un positrone; al termine del suo percorso il positrone si combina con l’elettrone libero e dà origine a due fotoni di annichilazione.

Poiché l'energia di elettrone e positrone è di 0.5 Mev, affinché avvenga l'effetto coppie il raggio x, il fotone che incide deve avere energia maggiore di 1.02 Mev – megaelettronvolt; quindi parliamo di energie molto elevate che non vengono utilizzate nella realizzazione delle immagini radiologiche, né in radiologia tradizionale e neppure in TC.

Sezione d’urto: fotoelettrico, Compton, coppie

È lo schema di come si verificano questi effetti in relazione all'energia dei fotoni. Questo è uno schema disegnato proprio da Enrico Fermi. La radiologia tradizionale è legata alla pellicola. Nel 1977 inizia il processo di digitalizzazione che vede via via negli anni una riduzione dell'impiego della pellicola fino praticamente alla scomparsa. Questi sono gli eventi principali dell'effetto di digitalizzazione che hanno portato allo sviluppo fondamentalmente della:

• Computed Radiography (CR - radiografia computerizzata)
• Dispositivi ad accoppiamento di carica (Charged Coupled Devices – CCD) – però non interessa la diagnostica per immagini, poiché fondamentalmente riguardano la parte delle videocamere, delle telecamere che sono deputate alla registrazione video continua.
• Digital radiography (DR – Radiografia Digitale) una modalità che va di pari passo con la CR.

Quali sono le differenze fondamentali?

Fondamentalmente scompare la pellicola, con l'introduzione della radiografia digitale, che poi nella pratica quotidiana molti di voi avranno visto viene sostituita dal CD.

Funzionamento della Computed Radiography

Questo tipo di tecnica si basa su due componenti essenziali:

• uno schermo con i fosfori a memoria, che sostituiscono in pieno le pellicole radiografiche
• i lettori, che non sono altro che delle stampanti laser.

L'esposizione avviene sempre attraverso il tubo a raggi x, perché è rimasto negli anni immodificato nel senso che è sempre la fonte che ci consente di produrre raggi x, quindi l'esposizione avviene sempre attraverso il tubo a raggi x, successivamente però, che cosa accade? Accade che dopo aver impressionato l'oggetto/il soggetto, i raggi x che fuoriescono dall'oggetto vanno ad impressionare i fosfori di questi schermi. I fosfori memorizzano per diverse ore l’energia assorbita durante l'esposizione dei raggi x e la rilasciano in seguito ad uno stimolo luminoso. L’energia che viene rilasciata viene raccolta poi da un fotomoltiplicatore, convertita in segnale elettrico e poi in immagine digitale. È cambiato che non c’è più la pellicola.

Nella Digital Radiography il processo si snellisce ulteriormente perché scompare anche la stampante laser. Fondamentalmente il tubo a raggi x va ad incidere sempre sull’oggetto/soggetto, il fascio di raggi x attenuato a seconda della materia attraversata va ad incidere sul detector (questa volta non c’è più uno schermo con fosfori a memoria, ma un detector) in grado direttamente di fornire l'immagine digitale.

Esistono due tipi di detector per la Digital Radiography:

• Conversione diretta, cioè i raggi x vanno ad impressionare questo detector che converte direttamente i raggi x in segnali elettrici (pannelli al Selenio)
• Conversione indiretta – Detector fatto in 2 strati; prima c’è uno strato ai fosfori o scintillatore che converte i raggi x in luce, poi c’è sotto uno strato che converte la luce in segnale elettrico (pannelli a ioduro di Cesio).

Quindi quello che fa il processo di digitalizzazione è eliminare la pellicola radiografica in due modi:

• CR – Computed Radiography con lo schermo con fosfori di memoria e l'utilizzo di una stampante laser, che slatentizza l'immagine latente
• Digital Radiography direttamente utilizzando un pannello che è in grado al posto della pellicola radiografica, di convertire direttamente i raggi x in segnali elettrici o di convertire i raggi x in luce e poi la luce in segnale elettrico.

Vantaggi della digitalizzazione diagnostica per immagini

Il vantaggio principale è la possibilità di avere un range dinamico sull'immagine molto più ampio (da 3000 a 40,000), mentre nella radiologia analogica da 25 a 100. Che cos'è il Range Dinamico? La possibilità di modificare il contrasto e la luminosità di un'immagine (es. foto cellulari). Nella radiografia analogica non erano possibili queste modificazioni perché una volta impressionata la pellicola radiografica musica il risultato in immagine, volgarmente detta troppo scura, troppo chiara, era ormai immodificabile ed era legato alla quantità di energia impiegata; se troppa con un fascio di raggi x eccessivamente carico di energia le immagini erano cosiddette troppo scure nel senso troppo contrastate, viceversa se poca esposizione dosimetrica, le immagini risultavano troppo chiare – Ma erano immodificabili quindi spesso la radiografia dovrà essere eseguita perché non leggibile quindi doppia esposizione del paziente.

Con la radiologia digitale questo è stato non completamente risolto, ma ovviamente superato così che si può recuperare un'immagine in cui l'esposizione, in termini di energia dei raggi x non è risultata sufficiente. Un altro vantaggio è strettamente legato al range dinamico è l’equalizzazione dei tessuti. Altro vantaggio e la possibilità di sottrarre le diverse energie e quindi, per esempio nella indagine radiologica del torace dire: “Voglio visualizzare tutte le strutture che sono visualizzabili a bassa energia, cioè i tessuti molli, oppure voglio visualizzare solo le strutture che sono visualizzabili ad alta energia da qui il nome di dual – energy (doppia energia) la possibilità di visualizzare attraverso lo stesso scatto radiografico, di separare le basse dalle alte energie e quindi di andare a studiare solo i tessuti che vengono visualizzati alle basse energie o solo i tessuti che vengono visualizzati alle alte energie.

CAD

La radiologia digitale si presta alla lettura anche da parte di sistemi che assistono la diagnosi, i cosiddetti CAD. Questi sono sistemi computerizzati da assistenza alla diagnosi che possono essere utilizzati come primo lettore o come secondo lettore insieme alla lettura del radiologo per andare a supportare la détection, cioè la possibilità di riscontro di alterazioni. Quindi i CAD, utilizzati come primo lettore, dunque come screening, o come seconda opinione, possono essere utilizzati per aiutare il lettore radiologo nella détection di qualcosa che può sfuggire.

Image Pasting – altro vantaggio

Cioè la possibilità di fondere in un'unica immagine delle strutture anatomiche che non entrerebbero in una pellicola tradizionale; una volta esistevano le pellicole extra lunghe per poter rappresentare il rachide, adesso il rachide in toto, si può acquisire in più scatti che poi possono essere fusi ed ottenere così una rappresentazione su un'unica immagine.

Tomografia digitale (Tomosintesi)

Il sistema digitale ha consentito anche l'evoluzione dell'imaging tomografico. Che cos'è? L’imaging tomografico, che prima era ovviamente realizzato in maniera analogica e che oggi invece è realizzato anche in maniera digitale: il sistema tomografico è la possibilità in diagnostica per immagini di valutare alcune strutture corporee eliminando delle sovrapposizioni; per esempio la TC – tomografia computerizzata – è di per sé un imaging tomografico perché non è un imaging di sommazione, un'immagine bidimensionale, come per esempio è l’RX del torace dove il fascio di raggi x attraversa tutto il torace e poi rappresenta su una singola immagine bidimensionale tutto quello che ha attraversato: i polmoni, il cuore, l’aorta, la trachea e quindi da un'immagine che soffre comunque di una sommazione.

In TC si fanno degli strati delle fette dell'organo che noi vogliamo studiare quindi di per sé la TC è un imaging tomografico (“tomo” dal greco appunto “fetta”). Se noi vogliamo andare a realizzare un imaging tomografico anche con la radiologia tradizionale, lo possiamo fare, lo possiamo fare anche con la radiologia digitale e prende il nome di tomosintesi. Praticamente che cosa accade? Il tubo radiogeno invece di essere fisso ed erogare una sola volta e fascio di raggi x eroga più scatti quindi più volte fascio di raggi x spostandosi nello spazio. Tutte le strutture all'interno del corpo possono essere non più sovrapposte, ma possono essere rappresentate su diversi livelli e quindi l'imaging tomografico, in particolar modo la tomosintesi elimina la sovrapposizione fra gli oggetti.

Quali sono i vantaggi? Es. La possibilità di vedere uno pneumotorace; più facilità nella détection delle lesioni traumatiche (rachide), delle lesioni neoplastiche, ecc.

Vantaggi pratici della digitalizzazione es. l'archiviazione delle immagini. Questo per quanto riguarda la radiografia e la radiologia digitale in particolare, che impiega radiazioni ionizzanti.

La radiologia la radiografia digitale spesso sono considerate una tecnica di primo livello, nel senso che quando c'è da iniziare un iter diagnostico o da fare in diagnostica per immagini, ovviamente spesso non si parte chiedendo subito delle indagini che impiegano grosse quantità di radiazioni ionizzanti o che siano molto complesse quali la TC o la risonanza magnetica – la risonanza per quanto riguarda la complessità non per l'Impiego di radiazioni ionizzanti; a volte ci può essere un’indicazione diretta, ma la maggior parte dei casi si inizia per gradi e spesso l'esame radiografico, che è un esame di primo livello, può essere affiancato dall’ecografia che è un altro esame di primo livello.

Ecografia

Meglio definita come ecotomografia perché anche questa è una tecnica tomografica, è una tecnica che non impiega radiazioni ionizzanti quindi è sicuramente una tecnica cui, in termini di radioprotezione, bisogna pensare quando si parla di bambini, giovani donne, o comunque persone con età inferiore ai 40 anni.

L'ecotomografia è: un insieme di tecniche che utilizzano ai fini diagnostici le riflessioni, dette “echi”, che un fascio di ultrasuoni di idonee caratteristiche subisce nell'attraversare i tessuti biologici. Quindi, in questo caso l'energia impiegata non è una radiazione elettromagnetica, non è ionizzante come i raggi x!! radiazione elettromagnetica non ionizzante – ultrasuoni.

• Infrasuono
• Suono
• Ultrasuono

Definizione ultrasuono: La frequenza rappresenta una perturbazione meccanica di un mezzo elastico con rarefazione e compressione delle particelle del mezzo stesso. Non si ha propagazione di materia, bensì la propagazione di una pressione che viene esercitata sugli strati successivi dei tessuti. Perché riusciamo ad eseguire l’ecotomografia? Perché si sfrutta l'effetto PIEZOELETTRICO del quarzo che è in grado, quando viene messo sotto una tensione alternata di mettere degli ultrasuoni e al tempo stesso nel momento in cui smette di emettere gli ultrasuoni in fase di ricezione di ricevere gli echi riflessi di ritorno. In genere il rapporto è:

• 1% di emissione
• 99% di ricezione

L'onda si propaga in linea retta; ovviamente i vari tessuti (aria, acqua, sangue, ossa, polmone, ecc.), potranno avere un'ecogenicità, cioè una visibilità in ecotomografia differente a seconda dell'impedenza acustica, cioè dell’impedenza che oppongono a farsi attraversare da parte degli ultrasuoni. Quelli con bassissima impedenza o altissima impedenza non sono belle studiabili con l'ecografia, mentre sono ben studiabili quelli che hanno un’impedenza intermedia, come l'acqua, il sangue, il muscolo, il fegato, sono tutti molto ben studiabili.

Diversi tipi di trasduttori

Cristalli di quarzo i trasduttori sono quelli che dal punto di vista fisico consentono le cosiddette sonde ecografiche, note volgarmente, con diverse forme a seconda se si vogliono studiare per esempio l’addome, cute, ecc.

Effetto Doppler

Con l’esame ecografico, si può anche studiare il flusso, grazie all’effetto Doppler, così chiamato per il fisico e matematico Christian Doppler. Perché è possibile studiare il flusso e quindi per esempio il flusso ematico? Perché: “la frequenza dell'onda elettromagnetica che incontra un oggetto in movimento subisce una variazione direttamente proporzionale alla velocità del movimento stesso”. Quindi a seconda della variazione che subisce l’onda elettromagnetica, noi possiamo valutare la velocità del movimento e quindi anche oggetti in movimento come può essere il flusso ematico per il movimento appunto del sangue. L'ecografia può essere utilizzata anche per lo studio della vascolarizzazione delle lesioni.