Tomografia Computerizzata

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1 Tomografia Computerizzata Con il metodo tomografico, mettendo in movimento contrapposto la sorgente radiogena e il rivelatore, ed usando appositi algoritmi, si può fornire una mappa dei coefficienti di assorbimento di una sezione trasversale all'asse del corpo in esame, eliminando le tracce degli altri piani anatomici. Tale mappa viene ricostruita a partire da una serie di (idealmente) infinite proiezioni radiografiche del corpo stesso, eseguite per direzioni diverse, su un angolo di almeno 180 gradi. Per eseguire la TAC il paziente viene posizionato tra la sorgente radiogena e il sistema di rivelazione in un'apposita apertura circolare, in modo che il piano individuante lo strato da analizzare coincida con la sezione mediana di detta apertura. Lo spessore dello strato, dell'ordine di 3-10 mm, é determinato dallo stesso fascio di raggi X. Successivamente, il soggetto viene irradiato ed una serie di rivelatori rivela l entità dei RX che lo raggiungono, dopo avere attraversato il corpo. In questo modo, scandendo in sequenza strati del corpo del soggetto, è possibile ricostruire l intero corpo tramite le sue sezioni. 1

2 La TAC trova applicazione nel caso di diagnosi di sospette lesioni alla colonna ed al cranio (anche per ematomi o tumori intracranici), e per lesioni gastrointestinali, addominali, epatiche, ed eventuali tumori relativi, per l apparato muscolo scheletrico o per esaminare i maggiori vasi sanguigni. A partire dalle immagini degli strati successivi del corpo, è possibile, tramite opportuni algoritmi, ottenere la ricostruzione 3D del corpo stesso, e ripresentarla secondo varie viste. Collimazione Primaria Collimazione Secondaria Tubo RX Filtro Rivelatore di riferimento Strato Oggetto Rivelatore di Misura Figura 2 Schema di principio del complesso tubo RX-rivelatore. 2

3 Ricostruzione dell'immagine TAC Gli elementi essenziali di un sistema TAC detto di prima generazione, sono un fascio X a pennello e dei rivelatori (Fig. 2). In questo sistema l'analisi completa dello strato, cioè la scansione, viene ottenuta con movimenti traslatori e rotatori successivi della sorgente radiogena e del rivelatore, meccanicamente solidali. I metodi matematici di ricostruzione dell'immagine di un oggetto da una serie di sue proiezioni sono stati affrontati da J. Radon, il quale dimostrò che per ricostruire un qualsiasi oggetto a due o tre dimensioni é necessaria una serie infinita di proiezioni. Hounsfield (1968) suddivise l'oggetto in esame in un gran numero di piccoli cubi, per i quali è possibile la misura del valor medio del coefficiente di assorbimento quando vengono attraversati da un fascetto X. Algoritmi di ricostruzione: il metodo di ricostruzione algebrica o metodo iterativo, utilizzato dai primi sistemi TAC, ed il metodo di convoluzione attualmente l'algoritmo più utilizzato. Il metodo di ricostruzione iterativo é un metodo di approssimazioni successive, con cui viene scelta un'immagine di partenza caratterizzata da valori arbitrari dei coefficienti di assorbimento, la quale viene via via comparata con misurazioni effettive e corretta per ottenere l'immagine finale. 3

4 Esempio semplificato, supponendo che lo strato in esame sia costituito da quattro elementini, dimensionalmente uguali, ciascuno costituito da un mezzo omogeneo, con m uguale a 5, 7, 6, 2 rispettivamente. Facendo attraversare lo strato in diverse direzioni da un fascetto X è possibile misurare l'attenuazione totale del fascetto emergente nelle varie direzioni, corrispondente alla somma delle attenuazioni dei singoli elementi. Tramite iterazioni successive, il valore dell attenuazione di ogni elementino viene modificato, fino a raggiungere il valore dei coefficienti di assorbimento reali. Inconvenienti: lentezza del calcolo dovuta all'elevato numero di iterazioni necessarie; il calcolo stesso può iniziare solamente dopo che tutti i dati sono stati acquisiti, ossia al termine della scansione dello strato. 4

5 Fig. 3 Schema di principio della ricostruzione iterativa 5

6 Attualmente, i sistemi TAC utilizzano l'algoritmo di convoluzione lineare (Convolution o Filtered Back-Projection). Nel metodo di sovrapposizione lineare (Back-Projection) l'immagine che si vuole ricostruire viene ottenuta punto per punto per retro-proiezione, sommando le varie proiezioni dei raggi passanti per quel punto. La sovrapposizione di tutte le proiezioni (P) dell'oggetto circolare omogeneo (O) dà un'immagine (I) approssimata, la cui sezione diametrale S2 è deformata rispetto all'originale S1 ( artefatti a stella dovuti al metodo stesso). Infatti, retroproiettando tutte le proiezioni sulla sezione, e ripartendo uniformemente il valore dell attenuazione misurata, vi è una spalmatura dell immagine anche in zone in cui non vi sono strutture. L'algoritmo di convoluzione lineare introduce correzioni in ciascuna proiezione prima di procedere alla retroproiezione. La funzione con cui le proiezioni vengono convolute è tale da modificare le proiezioni in modo che la loro somma comporti la presenza di termini sia positivi che negativi, e quindi l artefatto a stella è eliminato. A seconda del tipo di tessuti che si vogliono mettere in evidenza, è possibile scegliere una diversa funzione di convoluzione. L algoritmo è applicabile in tempo reale. Infatti, ogni volta che si acquisisce una proiezione dello strato, si può immediatamente calcolare il profilo filtrato, farne la retroproiezione e ricostruire l'immagine durante la scansione. 6

7 Figura 4 Principio del metodo di ricostruzione detto di "sovrapposizione lineare" (Back-Projection) 7

8 Evoluzione dei sistemi TAC Dalla comparsa della prima apparecchiatura commerciale (Emi Scanner 1971), limitata alla tomografia computerizzata della testa, le tecnologie connesse alla ricostruzione delle immagini hanno registrato un impulso straordinario, con perfezionamento sia nell'hardware che nel software. Il tempo di esplorazione é stato ridotto di almeno un ordine di grandezza estendendo la tecnica a sezioni dell'intero corpo del paziente, che é così in grado di trattenere il respiro per la durata dell'intera operazione. Processi fisiologici non sufficientemente stazionari, come il battito cardiaco e le contrazioni peristaltiche, inseriscono impulsi spuri (motion artifacts) nell'immagine ricostruita. In prototipi sono stati raggiunti tempi di esplorazione dell'ordine dei ms. 8

9 I progressi nel software riguardano la sostituzione o il perfezionamento degli algoritmi di ricostruzione nel senso di una precisione più spinta o di una riduzione del tempo di calcolo. Nella tecnologia del rivelatore, si é ormai affermata quella del fan-beam, cioè un allineamento di sensori fermi rispetto alla sorgente che rivelano in parallelo un numero discreto di cammini di un fascio divergente. La riduzione del tempo di esplorazione é proporzionale all'ampiezza del fascio. É in uso una classificazione cronologica in base a "generazioni" di macchine TAC, anche se questa dizione si riferisce prevalentemente alla geometria del fascio X, ai rivelatori ed al principio di acquisizione di dati. 9

10 Sistemi di prima generazione (ormai da tempo abbandonati) Il fascetto X é a "pennello" e si usa un solo rivelatore (oppure due rivelatori affiancati nella direzione normale allo strato, nel caso di analisi simultanea di due strati). Il principio di acquisizione si basa su movimenti successivi di traslazione e di rotazione della sorgente radiogena e del rivelatore, meccanicamente solidali. L'angolo di scansione é di 180 gradi e i passi angolari sono di 1 o 2 gradi. Eccessivo tempo di scansione, dell'ordine di 3 minuti per l'analisi di uno strato craniale, dell'ordine di 5 minuti per uno strato dell'addome o del torace. Sistemi di seconda generazione Il fascetto X é a "ventaglio" con apertura da 3 a 20 gradi. Si effettuano movimenti successivi di rotazione e di traslazione della sorgente radiogena e del complesso dei rivelatori, a questa meccanicamente solidale. Gli angoli di scansione sono di 180 gradi ed oltre con passi di scansione da 3 a 20 gradi. Al termine di ogni traslazione il complesso di acquisizione ruota di un angolo adeguato e ricomincia la scansione. Netta riduzione del tempo di scansione, poiché vengono simultaneamente effettuate tante proiezioni elementari quanti sono i rivelatori (15-18 secondi per uno strato del cranio e secondi per uno strato del corpo). 10

11 Fig. 5. Aspetto radiologico delle ricostruzioni TAC I TAC delle due prime generazioni sono descritti come scanner a traslazione rotazione. Un'ulteriore riduzione del tempo di scansione è possibile tramite la soppressione del movimento di traslazione ed un più elevato numero di rivelatori i quali vengono disposti in modo da coprire la totalità del campo di scansione (macchine di terza e quarta generazione). Sistemi di terza generazione Il fascetto X é a "ventaglio" con apertura da 35 a 50 gradi, in modo da inglobare interamente l'oggetto in esame in un campo di circa 50 cm; i 11

12 rivelatori sono in numero molto elevato, da 300 a 1000, assemblati su un arco di cerchio (gantry) centrato sul fuoco del tubo radiogeno. L acquisizione consiste in un movimento di rotazione sincrono della sorgente radiogena e dei rivelatori per un angolo normalmente di 360 gradi, talvolta inferiore. Il paziente è così sempre completamente illuminato dai RX. Si possono raggiungere tempi minimi di scansione dell'ordine di 1,5-3,5 secondi con possibilità di estensione a 6-12 secondi. Durante l'acquisizione vengono fatte misure in ogni punto, secondo tutte le incidenze. Sistemi di quarta generazione Il fascetto X é a "ventaglio" con un'apertura da 40 a 50 gradi, che congloba interamente l'oggetto in esame; il numero dei rivelatori é elevato, da 600 a 5000, disposti lungo una corona circolare completa, in posizione fissa attorno all'oggetto. Solo la sorgente radiogena ruota all'interno della corona dei rivelatori ed intorno al centro di questa, che corrisponde al centro del campo di misura. Il gantry risulta così più leggero e semplificato, e per angoli di rotazione di 360 gradi si raggiungono tempi minimi di scansione dell'ordine del secondo con possibilità, ovviamente, anche di acquisizioni con tempi più lunghi. 12

13 Durante la rotazione della sorgente radiogena, un raggio del fascio X emergente va a colpire un rivelatore ed esplora tutto il campo di misura, formando una proiezione conica comparabile a quella del sistema precedentemente esposto. In genere, questi sistemi si accoppiano con la tecnica a slip ring. 13

14 Sistemi spiral scan Con la tecnica a slip ring (contattori ad anello) si semplifica il sistema di cablaggio e connessione e si evita la necessità di fermare il movimento dei rivelatori e/o del sistema di emissione alla fine di ogni rotazione e di invertire il verso di rotazione, per non intrecciare i cavi. Questo sistema di connessione è costituito da un insieme di contatti su cui corrono una serie di spazzole conduttive, in modo da non richiedere il cambio di verso durante la rotazione continua. E così possibile utilizzare la tecnica di scansione a spirale, in cui i rivelatori e/o il tubo a RX ruotano con continuità mentre il tavolo trasla (con velocità fino a 20 mm/s), introducendo il paziente nel gantry, e sottoponendo così all esame sempre nuove sezioni del corpo da cui vengono acquisiti i dati. Vantaggi/Svantaggi: più ridotti tempi di scansione complessivi (da a 5 10 minuti) minori movimenti del paziente durante l esame; però. generatori RX più potenti e con maggiore capacità di dissipare calore. Le sezioni acquisite possono esser ricostruite in un qualsiasi momento durante la scansione. Si riesce a realizzare sezioni con spessore dell ordine del millimetro, dato il movimento continuo, con una minore dose di radiazioni, minori artefatti da movimento e miglior contrasto. I sistemi TAC a spirale trovano applicazione anche nell angiografia TAC, per ottenere immagini di vasi sanguigni (aneurismi, carotidi, arterie renali etc.). 14

15 Rappresentazione dell immagine di una TAC Rispetto alle radiografie tradizionali, la TAC fornisce un immagine chiara e dettagliata delle parti molli che altrimenti compaiono come un grigiore diffuso. La ricostruzione spaziale, rispetto alle radiografie tradizionali, è modesta, mentre si possono distinguere piccole variazioni di densità (fino all ordine dello 0.3%), ad esempio la variazione tra sostanza bianca e grigia nel cervello o la differenza tra sangue normale e grumi sanguigni. La TAC della regione toracica ed addominale permette di discernere strutture scheletriche e connettive, lesioni e coaguli. Lo strato analizzato viene suddiviso in tanti elementini di volume o "voxel" di dimensioni fissate, per ciascuno dei quali viene calcolato un numero che può essere assimilato, in una scala arbitraria, al coefficiente di attenuazione medio dei tessuti ivi compresi. Con la TAC vengono così ricostruite immagini numeriche di strati anatomici trasversi, essendo le immagini stesse rappresentabili sotto forma di una matrice di numeri le cui dimensioni, per un dato campo di scansione, definiscono le dimensioni dell'elemento di immagine o "pixel", indice del potere di risoluzione del sistema stesso. I valori numerici elaborati dal sistema per ogni strato possono quindi assumere un significato clinico, dal momento che possono essere distinte strutture normali da modificazioni patologiche. Questi numeri possono venire rappresentati in unità di misura fisiche (cm-1) nelle quali si considera uguale a zero il coefficiente di attenuazione dell'aria, oppure in unità arbitrarie, nelle quali si considera convenzionalmente uguale a zero il coefficiente di attenuazione dell'acqua. 15

16 Attualmente si utilizza la scala Hounsfield in unità arbitrarie che va da (aria), a 0 (acqua), a ed oltre (osso compatto). Il numero di Hounsfield (HU) si ottiene a partire dalla mappa di attenuazione tramite la: µ(hu) = 1000.[m m(h2o)]/µ(h2o) Da un punto di vista informatico la scala utilizzata é caratterizzata da un numero totale di livelli (o dal logaritmo in base 2 di questo numero, che permette di sapere quante cifre binarie sono necessarie per definire il valore del coefficiente TAC calcolato per ogni elemento di volume dello strato). Un numero elevato di bits permette una buona precisione, anche se aumenta la dimensione dell'immagine da archiviare. Le macchine attuali utilizzano fino a 12 bits, ossia 4096 valori densitometrici (scala che va da a +3000). Un immagine numerica è rappresentata in forma matriciale, caratterizzata dalle sue dimensioni (in genere matrici quadrate) e dal numero di bits per punto: ad esempio una matrice di (256*256) punti, ciascuno di 12 bits, può anche essere indicata come (256*256*12). Al termine di ogni scansione, l'immagine numerica dello strato viene sia immagazzinata che visualizzata su un monitor televisivo in una opportuna scala di grigi, producendo una distribuzione di intensità luminose determinate dai valori numerici della matrice. Poiché i tubi televisivi standard (l'immagine viene visualizzata su un monitor televisivo) o anche i supporti per hard copy, possono differenziare solo un limitato numero di livelli di grigio, nella conversione dell'immagine numerica in immagine visibile, non si avrebbe una risoluzione sufficiente per l'esame dei fini dettagli e la discriminazione dei bassi contrasti. 16

17 Quindi si visualizzano in scala di grigi solo una gamma limitata dei 2000 coefficienti numerici, quella corrispondente alle strutture che interessano. Questa gamma é determinata da una finestra (W) e da un numero medio (M); la larghezza della finestra rappresenta il numero dei coefficienti densitometrici da visualizzare ed il numero medio il punto rispetto al quale tali valori sono centrati. Numero medio e finestra (window/level technique) sono quindi scelti in base ai tipi di tessuto che si vogliono esaminare, e possono essere variati in qualsiasi momento. Questa pratica non rappresenta una limitazione nell esame TAC poiché i numeri di attenuazione dei tessuti occupano una gamma di valori relativamente ridotti. In ogni caso, il sistema può selezionare la finestra di osservazione delle densità su tutta la scala dei valori di grigio, adattandosi quindi alle densità nella zona di interesse. 17

18 Presentazione/Elaborazione dell immagine TAC Le unità di visualizzazione rappresentano su televisore le immagini dei vari strati esaminati, e ne consentono il trattamento, le misure geometriche e quantitative. I trattamenti di immagine danno come risultato un'immagine elaborata, mentre le misure forniscono risultati riferentesi all'immagine visualizzata. Si possono effettuare: trattamenti puntuali: modificano il valore di ciascun punto dell'immagine in funzione del proprio valore quali variazione della finestra e del valor medio, o l'inversione del contrasto (variazione bianco/nero); trattamenti locali: modificano ciascun punto (o ne creano nuovi) in funzione dei punti vicini. quali i filtraggi, operazioni che modificano le frequenze spaziali dell'immagine al fine di aumentarne la risoluzione spaziale o in densità; o i cambiamenti di dimensioni quali gli ingrandimenti di immagine. Questi sono realizzati aumentando il numero di punti della matrice con la ripetizione di ciascun punto e quindi di ciascuna riga, nello stesso rapporto, oppure aggiungendo punti intermedi per interpolazione; ricostruzioni 3D, utili per meglio visualizzare la situazione di un distretto anatomico (chirurgia ricostruttiva maxillo-facciale, valutazioni di strutture osse, valutazioni post-operatorie). Alcuni SW consentono anche di ruotare l immagine, per ottenere un miglior punto di visuale. E possibile passare dalle immagini ottenute tramite le proiezioni ad altre immagini, secondo i diversi piani di interesse (sagittale, coronale, obliquo) in modo da migliorare la leggibilità delle immagini stesse. misure geometriche: ossia misura della distanza tra due punti, misure di aree e di regioni di interesse sull'immagine, misure di angoli in direzioni prefissate. Tali misure aiutano ad esempio nelle biopsie, in cui è necessario misurare posizioni ed orientazioni degli aghi da biopsia. 18

19 misure quantitative: ossia misure numeriche che esprimono la densità radiologica dei pixels dell'immagine, la densità media di regioni di interesse; il tracciato di profili densitometrici riferentisi a segmenti individuati sull'immagine stessa; il tracciato di istogrammi, indicanti la ripartizione del numero di pixels in funzione della densità lungo un segmento o una regione di interesse. 19

20 Qualità dell immagine, risoluzione e dose erogata al paziente La qualità complessiva dell immagine TAC dipende da diversi fattori, quali la dose fornita, il numero di misure di attenuazione prese, gli algoritmi di ricostruzione, le dimensioni della matrice di immagine, gli artefatti eventualmente presenti. Un immagine TAC consente una migliore discriminazione di densità rispetto ai RX (differenza di densità 0.3%) ma presenta una minore risoluzione (circa 1 mm nel piano della sezione, mentre la RX raggiunge valori di circa 0.2 mm). In genere questa minore risoluzione non è un problema, a meno che non si vogliano indagare strutture di piccole dimensioni. La discriminazione tra zone adiacenti con contrasto limitato (attenuazione di poco differente) può migliorare aumentando la dose di radiazioni, e quindi riducendo il rumore sull immagine. In tal modo è come se si avesse un aumento della risoluzione spaziale. Anche la scelta di un diverso filtro di ricostruzione dell immagine può modificare sia la risoluzione che la discriminazione dell attenuazione nell immagine. Pertanto, occorre specificare le prestazioni del sistema, come tensione di picco, milliampere x secondo, dose e algoritmi di ricostruzione quando si voglia indicarne in maniera esauriente le prestazioni come risoluzione spaziale. 20

21 Elementi che peggiorano la risoluzione e/o la determinazione dei coefficienti di assorbimento sono: gli artefatti da movimento (che peggiorano i risultati degli algoritmi di convoluzione). Le striature sono più evidenti in corrispondenza alle brusche variazioni di densità (da tessuto ad osso, ad esempio) il fascio X in uscita da un tubo radiogeno, oltre ad avere dimensioni finite non è monoenergetico. Si ha un errore nella determinazione del coefficiente di attenuazione, poiché i fotoni a minor energia vengono assorbiti più degli altri ( indurimento del fascio, beam hardening). Di conseguenza, un oggetto di maggiori dimensioni appare meno assorbente di uno più piccolo, anche se con le stesse caratteristiche di attenuazione. E quindi, per pazienti di differenti dimensioni (un adulto o un bambino), i risultati possono esser diversi (un organo interno apparirà più assorbente per un bambino, in quanto di dimensioni più ridotte), a meno che questo effetto non venga corretto. Analogamente, una porzione del corpo più spessa apparirà meno densa di una più sottile, con notevoli possibilità di errori sulla diagnosi. Una correzione di questo effetto si può fare tramite un filtro a forma di cravattino a farfalla attraverso il quale risulta irraggiato il corpo del paziente. L attenuazione del filtro crescente nelle varie sezioni verso i bordi del filtro compensa l attenuazione del corpo del paziente, minore verso i bordi del corpo, in modo che l errore è corretto. La dose erogata al paziente dipende da diversi fattori. Dapprima la collimazione dei RX, che in linea di principio sono limitati allo strato irradiato, anche se gli strati adiacenti ricevono comunque una certa dose. La dose normalmente erogata per esami normali arriva a 2 rad, ma nel caso di procedure speciali, con sezioni molto sottili, si arriva a valori di 10 rad. 21

22 Struttura tipica di una TAC Le componenti principali di una apparecchiatura TAC sono le seguenti: Gantry (anello porta rivelatori e tubo) Tavolo portapaziente Complesso radiogeno Generatore Sistema di detettori Computer Memoria di massa Consolle di comando Sistema di riproduzione di immagini Il gantry è la struttura meccanica a cui sono rigidamente fissati il tubo radiogeno ed i detettori. Consente la rotazione del sistema tubo-detettori durante la scansione e comprende il tunnel dentro il quale viene inserito il paziente per l esame. Il tavolo portapaziente è il lettino su cui si distende il paziente per l esame. Consente movimenti verticali e longitudinali (velocità fino a 20 mm/s), di solito servoassistiti, per l inserimento nel tunnel e per l esatto posizionamento. Il complesso radiogeno è costituito da un tubo a raggi X ad anodo rotante, con o senza griglia, ad emissione pulsata o continua. Nei sistemi pulsati una singola emissione ha una durata dell ordine di alcuni millisecondi e ad essa corrisponde una vista dell oggetto in esame. Sono richieste alta capacità di smaltimento del calore e stabilità nell intensità della radiazione. Il generatore e un generatore ad alta tensione con elevata stabilità (ripple minore dell 1%) per l alimentazione del tubo radiogeno. 22

23 Per i detettori esistono due tipologie costruttive. La prima è basata su rivelatori a stato solido (soprattutto ioduro di cesio, CsI, e tungstato di cadmio) che producono radiazione luminosa se irradiati a RX, combinati con fotomoltiplicatori o fotodiodi. La seconda è basata su camere a ionizzazione con gas ad alta pressione (xenon). I detettori con gas ad alta pressione (dai 600 ai 2500 kpa, per aumentare l efficienza di rivelazione) producono una corrente in uscita proporzionale all intensità della radiazione che ionizza gli atomi di xenon, ed hanno un efficienza di detezione relativamente bassa e stabilità non molto elevata. In alcuni modelli di TAC, il fotomoltiplicatore è stato sostituito da un fotodiodo allo stato solido che consente la costruzione di un complesso di rivelatori di dimensioni ridotte (detettori allo stato solido). In tali sistemi è possibile modificare via software il guadagno dei fotodiodi. Le prestazioni dei due tipi di rivelatori sono globalmente equivalenti, poiché i rivelatori a stato solido hanno un efficienza maggiore di quelli a ionizzazione che però possono esser realizzati con dimensioni minori, in modo da favorire un loro maggior compattamento. I computer utilizzati sono in genere general purpose, con funzioni di comando e controllo di stato, interfacciato ad uno o piu microprocessori dedicati all acquisizione e visualizzazione dell immagine. La memoria di massa per la conservazione delle immagini digitali è costituita da Hard Disk, memorie magnetiche, dischi ottici etc.. 23

24 La consolle di comando è solitamente costituita da due monitors (uno per i comandi ed uno per la visualizzazione dell immagine) con una tastiera alfanumerica ed una con i comandi pre-programmati. E utilizzata principalmente per la conduzione dell esame e per il trasferimento dell immagine in archivio. A volte è disponibile una seconda consolle utilizzabile solo per la refertazione degli esami. Sistema di riproduzione delle immagini: dopo essere stata visualizzata sul monitor e memorizzata, una immagine TAC può venire riprodotta su una lastra radiografica mediante camera multiformato tradizionale o riproduttore laser. 24