I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC CAPITOLO 1 I RAGGI X E LE METODICHE CORRELATE: RADIOLOGIA TRADIZIONALE E TC

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1 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 9 CAPITOLO 1 I RAGGI X E LE METODICHE CORRELATE: RADIOLOGIA TRADIZIONALE E TC 1. Le radiazioni ionizzanti e i raggi X Francesco Giovagnorio Una radiazione, in termini fi sici, è un insieme di fenomeni che comporta trasferimento di energia da un punto all altro dello spazio, che può avvenire anche in assenza di qualsiasi mezzo (cioè, nel vuoto) e che non comporta lo spostamento di quantità signifi cative di materia. Sebbene tutte le radiazioni cedano energia alla materia (per esempio, l energia luminosa e termica), alcune di esse sono in grado di cedere alla materia una quantità di energia suffi ciente a ionizzarne gli atomi e sono pertanto defi nite radiazioni ionizzanti. Da un punto di vista fi sico, le radiazioni ionizzanti si distinguono in elettromagnetiche e corpuscolate, ammettendo che le prime si trasferiscano senza alcun trasporto di materia (raggi x, raggi γ), mentre le seconde siano costituite da particelle dotate di energia cinetica proporzionale al quadrato della velocità (elettroni, protoni, positroni, neutroni, particelle α) (Fig. 1); questa distinzione è in realtà superata, in quanto ormai si ammette che ogni radiazione possa esibire comportamenti corpuscolari e ondulatori a seconda delle diverse condizioni fi siche e materiali nelle quali si trova. Fig. 1 - Vari tipi di radiazioni ionizzanti

2 10 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica La distinzione più importante in Diagnostica per Immagini divide le radiazioni in naturali e artifi ciali: le prime possono generarsi spontaneamente in natura (nei fenomeni di decadimento radioattivo di nuclei atomici instabili, che si trasformano in nuclei più stabili liberandosi dell energia e/o delle particelle in eccesso), mentre le seconde sono pressoché esclusivamente generate durante procedure tecniche complesse. I raggi x, tanto fondamentali in Diagnostica per Immagini da aver costituito l unica fonte di energia per l acquisizione di immagini diagnostiche per circa un secolo, sono l esempio più tipico di radiazione artifi ciale: sebbene possano essere generati nell universo nel corso di particolari eventi astrofi sici, quelli presenti nell ecosistema terrestre sono generati artifi cialmente. 2. Produzione dei raggi X I raggi x e i raggi γ sono praticamente indistinguibili tra loro, in quanto assolutamente identici da un punto di vista fi sico: quello che li differenzia è l origine, poiché i raggi γ originano nei nuclei degli atomi, in seguito al decadimento nucleare e spesso come risultato della dissoluzione dell energia di legame delle particelle nucleari, mentre i raggi x originano dagli orbitali degli atomi, dove gli elettroni presenti vengono infl uenzati, e spesso allontanati con conseguente ionizzazione, da fasci di elettroni accelerati, dotati di notevole energia cinetica, generati artifi cialmente e sparati verso gli atomi bersaglio. Quanto premesso porta a concludere che per generare raggi x è necessario produrre fasci di elettroni accelerati e spararli (cioè, direzionarli) verso determinati atomi bersaglio, possibilmente dotati di un gran numero di elettroni (cioè, ad elevato numero atomico) per poter rendere più probabile l interazione tra elettroni. Proprio di questo si occupa il cosiddetto tubo radiogeno. Il tubo radiogeno (Fig. 2) è un ampolla di vetro sotto vuoto spinto, contenente un polo negativo (o catodo) e uno positivo (anodo, talvolta detto anche anticatodo), collegati da un circuito elettrico ad alta tensione capace di generare una notevole differenza di potenziale tra i due. Il catodo contiene un fi lamento metallico in grado di surriscaldarsi (per questo è attraversato da un circuito elettrico a bassa Fig. 2 - Schema di tubo radiogeno.

3 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 11 tensione), mentre l anodo è costituito da un disco obliquo di tungsteno (o di molibdeno, o rodio), che possiede le caratteristiche necessarie alla sua funzione: ha un alto numero atomico (fondamentale, come si è detto, per le interazioni elettroniche) e un elevatissimo punto di fusione (fondamentale per assorbire senza conseguenze la grande quantità di energia termica sviluppata durante il processo). Il circuito a bassa tensione surriscalda il fi lamento del catodo, che emette elettroni per effetto termoionico; intorno al catodo si forma quindi una nube elettronica, attirata verso l anodo dalla notevole differenza di potenziale, così da trasformarsi in un fascio di elettroni ad alta velocità e notevole energia cinetica. Il fascio colpisce l anodo e nell impatto l energia cinetica si trasforma per quasi il 99% in energia termica e per circa l 1% in raggi x, attraverso l interazione degli elettroni accelerati con quelli orbitali del tungsteno. Il disco di tungsteno che costituisce l anodo è rotante, per evitare che gli elettroni ne colpiscano sempre lo stesso punto, il che ne accorcerebbe notevolmente la vita. Il tubo radiogeno è circondato da una guaina metallica riempita di olio dielettrico, con funzioni di dissipazione di calore e schematura. Il vantaggio principale del tubo radiogeno rispetto ad altri strumenti di produzione dei raggi x è la modulabilità, cioè la possibilità, da parte dell operatore, di intervenire per modifi care quasi tutte le caratteristiche dei raggi x prodotti: aumentando il milliamperaggio (cioè, l intensità della corrente elettrica, espressa in ma) del circuito a bassa tensione che attraversa il fi lamento, si ottengono più elettroni e quindi un maggior numero di raggi x; aumentando il chilovoltaggio (ovvero, la differenza di potenziale, espressa in kv) del circuito ad alta tensione tra il catodo e l anodo, si aumenta l energia cinetica degli elettroni e quindi si producono raggi x più energetici, o, come si dice in gergo radiologico, più duri (cioè, più penetranti). La produzione di raggi x, che, come si è detto, avviene attraverso l interazione degli elettroni accelerati con quelli orbitali del tungsteno, si verifi ca attraverso due fenomeni diversi (Fig. 3). Nel primo, il più importante, gli elettroni accelerati passano in prossimità del nucleo del tungsteno, ne subiscono l attrazione e vengono rallentati, perdendo energia cinetica che viene emessa sotto forma di raggi x: si tratta della cosiddetta radiazione di frenamento (detta anche bremsstrahlung perché originariamente descritta da autori tedeschi). Dal momento che il frenamento può avere diversa entità, anche i raggi x prodotti in questo modo possono avere diversa energia: sono, cioè, distribuiti secondo uno spettro continuo. Fig. 3 - Modalità di produzione dei raggi x. A sinistra, il fenomeno del frenamento,dovuto alla brusca decelerazione di un elettrone per fenomeni di attrazione nucleare, con rilascio della variazione di energia cinetica sotto forma di fotone x; a destra, il fenomeno della radiazione k, dovuta all allontanamento di un elettrone dell orbitale k ad opera di un elettrone proiettile, con occupazione dell orbitale libero ad opera di un altro elettrone, che cede la differenza di energia sotto forma di fotone x.

4 12 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig. 4 - Distribuzione dell energia (spettro) dei raggi x prodotti da un tubo radiogeno. La maggior parte dei raggi è generata per frenamento e si distribuisce secondo una curva gaussiana, cioè in maniera continua; la parte generata per radiazione k occupa invece un unico picco in corrispondenza di un valore univoco di energia. 3. Interazione dei raggi X con la materia Nel secondo, accade che un elettrone accelerato colpisce un elettrone dell orbitale K, espellendolo dall atomo che si ionizza; la lacuna nell orbitale K è appianata con lo spostamento di un elettrone da un orbitale esterno verso l orbitale K, transizione che è accompagnata dall emissione di energia, pari alla differenza delle energie di legame degli elettroni coinvolti, sotto forma di raggi x. Questa radiazione, detta caratteristica, o tipica, o radiazione K, può ovviamente avere un energia unica e tipica (70 kev) e quindi rappresenta un picco nell ambito dello spettro dei raggi x prodotti dal tubo radiogeno (è cioè una radiazione discreta e non continua) (Fig. 4). I raggi x generati dal tubo radiogeno, di quantità stabilita dall operatore e di energia diversa (costituenti quindi un fascio policromatico di raggi x) vengono direzionati verso la materia da esplorare (nello specifi co, verso la materia vivente che costituisce organi ed apparati oggetto di studio). L incontro dei raggi x con gli atomi della materia vivente si sviluppa attraverso alcune forme di interazione caratteristiche, dipendenti dall energia dei raggi x (espressa in chiloelettronvolt o kev) e di importanza fondamentale nel processo di formazione dell immagine. Effetto Thomson: si verifi ca con i raggi x di minore energia (meno di 10 kev) ed è pertanto poco frequente. Il Fig. 5 - Effetto Thomson. Con raggi X di energia inferiore a 10 kev, il fotone incidente è totalmente assorbito da un elettrone, che non acquista però energia suffi ciente per essere espulso dall atomo e torna allo stato iniziale emettendo energia come fotone X. raggio x è totalmente assorbito da un elettrone, che però non acquista l energia suffi ciente ad allontanarsi dall orbitale ed è costretto a cedere l energia assorbita all ambiente, sotto forma di raggio x con caratteristiche identiche a quello assorbito ma con direzione di propagazione diversa. Quindi non si verifi ca ionizzazione dell atomo ma, a conti fatti, solo differente direzione di propagazione del raggio x (Fig. 5). Effetto fotoelettrico: si verifica con i raggi x di maggiore energia (meno di 25 kev), posseduta da buona parte del

5 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 13 Fig. 6 - Effetto fotoelettrico. Con raggi X di energia inferiore a 25 kev, il fotone incidente è totalmente assorbito da un elettrone di un orbitale interno. Il fotone incidente scompare e l elettrone acquista energia suffi ciente per essere espulso dall atomo. fascio di raggi x usati in diagnostica; si tratta quindi di un effetto decisamente frequente. Il raggio x è totalmente assorbito da un elettrone, che questa volta acquista energia suffi ciente per allontanarsi dall atomo, producendo uno ione ed eventualmente provocando ulteriori fenomeni di ionizzazione interagendo con altri elettroni. Quindi si verifi ca ionizzazione dell atomo e scomparsa del raggio x (Fig. 6). Effetto Compton: si verifi ca con i raggi x di maggiore energia tra quelli usati in diagnostica (oltre 25 kev) ed è abbastanza frequente. Il raggio x è totalmente assorbito da un elettrone, che acquista energia suffi ciente per allontanarsi dall atomo e rilascia nell ambiente, sotto forma di raggio x, una quantità di energia pari alla differenza tra l energia del raggio x assorbito e l energia suffi ciente per allontanarsi dall atomo. Quindi si verifi ca ionizzazione dell atomo e produzione di un nuovo raggio x, di energia inferiore all originale e direzione di propagazione differente (Fig. 7). Effetto coppia: non si verifi ca alle energie usate in radiodiagnostica, perché necessita di raggi x di altissima energia (1022 kev o 1,02 MeV). Il raggio incidente trasforma la sua energia in materia, dando vita ad un elettrone negativo e uno positivo o positrone (la quantità di energia necessaria per formare un elettrone o un positrone è appunto 511 kev), che si allontanano in direzione diametralmente oppo- Fig. 7 - Effetto Compton. Con raggi X di energia superiore a 25 kev, il fotone incidente è totalmente assorbito da un elettrone di un orbitale esterno. L elettrone acquista energia suffi ciente per essere espulso dall atomo ed emette l energia residua sotto forma di fotone X (di energia inferiore, quindi lunghezza d onda superiore).

6 14 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig. 8 - Effetto coppia. Con raggi X di energia uguale o superiore a 1,022 MeV, il fotone incidente si annulla trasformandosi in un elettrone (-) e un positrone (+), ciascuno dei quali ha massa di 511 kev. sta. L effetto coppia, non riscontrabile in radiodiagnostica, è tuttavia alla base di una metodica diagnostica fondamentale, la Tomografi a ad Emissione di Positroni o PET (Fig. 8). Risulta evidente che l interazione dei raggi x con la materia porta in tutti i casi a defl essione o scomparsa dei raggi x, che non proseguono il cammino iniziale ma, nella migliore delle ipotesi, cambiano direzione, eventualmente continuando l attraversamento della materia su piani diversi, sino ad emergere in punti anche molto distanti: costituiscono, cioè, la cosiddetta radiazione diffusa. La radiazione di interesse diagnostico, che emerge dalla materia lungo l asse iniziale di propagazione, dove può essere rilevata e misurata, è quella che non ha interagito con gli atomi della materia vivente e viene denominata radiazione trasmessa (Fig. 9). Fig. 9. Nell attraversare la materia, i raggi X possono annullarsi (per effetto fotoelettrico) o trasformarsi in raggi con minore energia e direzione diversa (effetto Compton); in nessuno dei due casi contribuiscono alla formazione dell immagine (radiazione diffusa). Gli unici raggi X che contribuiscono attivamente alla formazione dell immagine radiologica sono quelli che attraversano la materia senza interagine con essa (radiazione trasmessa).

7 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC Caratteristiche della materia e radiodensità La materia, quindi, possiede delle caratteristiche che rendono più o meno probabile l interazione dei raggi x con gli atomi che la costituiscono: si può dire, in termini pratici, che maggiore è il numero o la grandezza degli atomi della materia, maggiore è la probabilità che i raggi x interagiscano con essi e quindi cessino di essere utili ai fi ni diagnostici, non facendo parte della radiazione trasmessa ed andando a costituire quella diffusa. Le caratteristiche della materia che infl uenzano l interazione con i raggi x sono pertanto la densità (maggiore densità = maggior numero di atomi), lo spessore (maggior spessore = maggior numero di atomi) e il numero atomico (più alto numero atomico = atomi più grandi ). La differente presenza di queste caratteristiche in punti diversi della materia determina maggiore o minore attraversabilità di essa da parte dei raggi x (dove un punto più attraversabile è uno nel quale i raggi x hanno maggiori probabilità di essere trasmessi che diffusi ): in altre parole, determina una maggiore o minore radiodensità della materia, con i punti maggiormente radiodensi (o radiopachi) in grado di trasmettere una bassa percentuale di raggi x (perché la maggior parte interagisce con gli atomi) e i punti meno radiodensi (o radiotrasparenti) in grado di trasmettere la maggior parte del fascio (perché la probabilità di interazione con atomi è bassa). Il concetto di radiodensità è fondamentale in radiodiagnostica, perché la radiodensità è il parametro alla base della formazione dell immagine radiografi ca, che può essere considerata una sorta di mappa della radiodensità dei tessuti attraversati, espressa visivamente in livelli di grigio, con quelli prossimi al nero indicanti radiotrasparenza e quelli prossimi al bianco radiopacità. 5. Rilevazione della radiazione trasmessa e pellicola radiografica La radiazione trasmessa, non avendo interagito con la materia, fuoriesce dal punto diametralmente opposto a quello di ingresso, dove può essere rilevata e misurata se in quel punto si posiziona un sistema di rilevazione. Misurando l entità della radiazione trasmessa, il sistema permette di risalire alla radiodensità del tratto di tessuto attraversato. La pellicola radiografica è il sistema di rilevazione più usato sin dalla nascita della radiologia: è in grado di tradurre le differenze di trasmissione dei raggi x, tra un punto e l altro della materia, in differenze di densità ottica (cioè di livelli di grigio) tra un punto e l altro della sua superfi cie (Fig. 10). Concettualmente non è dissimile da una pellicola fotografi ca: è costituita da una base di poliestere, con funzione di supporto, e da due strati di emulsione, contenenti i granuli di alogenuto d argento immersi in una matrice di gelatina con funzioni di legante. I raggi x trasmessi colpiscono i granuli, formando ioni argento, poi trasformati in argento metallico durante lo sviluppo; nella successiva fase del fi ssaggio vengono eliminati dalla pellicola i granuli non esposti (Fig. 11). Alla fi ne, nelle zone colpite da maggior radiazione trasmessa sarà presente nella pellicola un maggior numero di particelle d argento, che, essendo nere a causa del processo chimico, daranno vita ad un area della pellicola che non lascia fi ltrare la luce; dove la radiazione trasmessa sarà stata più scarsa, le particelle saranno in numero minore, la maggior parte dei granuli saranno risultati non esposti e quindi lavati via durante il fi ssaggio e l area della pellicola lascerà fi ltrare una maggior quantità di luce. Ponendo la pellicola sviluppata, ormai costituente un radiogramma, su un diafanoscopio, le aree più scure, che non lasciano fi ltrare la luce, corrisponderanno alla materia più radiotrasparente, mentre quelle più chiare, che lasciano fi ltrare la luce del diafanoscopio, corrisponderanno alla materia più radiodensa.

8 16 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig La pellicola radiografi ca ha il compito di tradurre le differenze di trasmissione dei raggi X in differenze di densità ottica, ovvero in diversi livelli di grigio. Maggiore radiotrasparenza dei tessuti sovrastanti ciascun punto della pellicola (tonalità più scura) si traduce in una maggiore esposizione della pellicola, che quindi risulterà più nera. Fig La pellicola radiografi ca è costituita da una base di poliestere, con funzione di supporto, e da due strati di emulsione, costituiti da gelatina e granuli di alogenuro d argento. I raggi X colpiscono i granuli formando ioni argento, trasformati in argento metallico durante lo sviluppo; durante il fi ssaggio, vengono eliminati dall emulsione i granuli non esposti.

9 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC Schermi di rinforzo, cassetta e griglie La pellicola radiografi ca, in realtà, non è un sistema di rilevazione molto effi cace, in quanto i granuli di alogenuro d argento sono molto più sensibili alla luce che ai raggi x: sarebbe quindi necessario un maggior numero di raggi x per impressionare la pellicola in maniera adeguata, ma questo si tradurrebbe in una maggiore esposizione del paziente. La scoperta degli schermi di rinforzo ha permesso di risolvere effi cacemente il problema: lo schermo di rinforzo è uno strato sottile a contatto con l emulsione, contenente fosfori che, colpiti dai raggi x, emettono radiazione luminosa, che colpisce poi i granuli della pellicola formando un maggior numero di ioni argento e quindi un immagine radiografi ca più visibile anche con una bassa dose di radiazioni. E quindi corretto dire che non è la radiazione x trasmessa ad annerire la pellicola, ma la luce proveniente dagli schermi di rinforzo (Fig. 12). La pellicola e gli schermi di rinforzo sono contenuti in una struttura a scatola chiamata cassetta radiografica. Avendo analizzato il percorso della radiazione trasmessa, dall origine sino alla rilevazione su pellicola, è ora necessario accennare al destino della radiazione diffusa. I raggi x spuri, prodotti soprattutto per effetto Compton e Thomson, decorrono obliquamente all interno della materia, fuoriuscendo in punti anche distanti ed impressionando zone della pellicola lontane da quella di origine: per questo motivo, la radiazione diffusa è un fattore di disturbo capace di alterare la rilevazione della radiodensità dei tessuti e va fi ltrata. Di questo si occupano le griglie antidiffusione, costituite da sottili lamine metalliche, interposte tra paziente e cassetta durante l esecuzione di esami nei quali si produce molta radiazione diffusa (come la radiografi a diretta dell addome): la presenza di lamelle verticali blocca qualsiasi radiazione a decorso obliquo (Fig. 13). Fig. 12. Lo schermo di rinforzo contiene fosfori che trasformano i raggi X in luce visibile, aumentando così la quantità di granuli esposti da ogni singolo raggio X.

10 18 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig La radiazione diffusa decorre obliquamente fi no a raggiungere punti della pellicola lontani da quelli immediatamente sottostanti, determinando così una valutazione falsata della radiopacità. Prima dell esecuzione di alcuni esami radiografi ci nei quali il rischio di radiazione diffusa è maggiore (es. radiografi a diretta dell addome), il posizionamento di una griglia metallica tra il paziente e la pellicola è utile per impedire alla radiazione diffusa di impressionare la pellicola. 7. La radiografia e il radiogramma Il termine radiografia dovrebbe indicare la procedura (appena descritta) di formazione di un immagine radiografi ca su pellicola, mentre quest ultima dovrebbe essere denominata radiogramma, ma, come spesso accade, la confusione tra produzione e prodotto ha portato all identifi cazione di entrambe, nel linguaggio comune, con il termine radiografi a (Tab. 1). Ancora più impropriamente il radiogramma è spesso chiamato lastra, termine ormai storico che risale a quando non esistevano i supporti di poliestere delle pellicole, ma erano usate al loro posto delle lastre di vetro.

11 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 19 Radiografi a: procedimento deputato alla produzione di immagini radiologiche su pellicola. Radiogramma: immagine radiologica su pellicola. Esame radiografi co: valutazione completa di un organo o un apparato mediante procedure radiografi che. Radioscopia: procedimento deputato alla produzione di immagini radiologiche in movimento su schermo televisivo. Serigrafi a: Teleradiografi a: Mammografi a: Angiografi a: Tabella 1 - Terminologia di impiego comune in radiodiagnostica. acquisizione di numerose immagini radiografiche in serie per documentare un processo dinamico. produzione di immagini radiologiche con distanza di almeno 1,5 m tra tubo radiogeno e paziente, per minimizzare l ingrandimento. produzione di radiogrammi della mammella con apparecchiatura dedicata. radioscopia di parte del sistema vascolare, con esecuzione di radiogrammi dei tratti di interesse. Il radiogramma è quindi un immagine bidimensionale nella quale si proiettano strutture tridimensionali complesse, spesso mal visualizzabili per fenomeni di sovrapposizione. L asse di incidenza del fascio di raggi x determina il piano di proiezione, cosicché l asse di incidenza antero-posteriore realizza una proiezione frontale, l asse latero-laterale realizza una proiezione sagittale, mentre l asse cranio-caudale realizza una proiezione assiale (Fig. 14). Per poter osservare al meglio le strutture, svincolandosi dagli effetti negativi delle sovrapposizioni, è necessario produrre radiogrammi diversi su piani di sezione ortogonali tra loro (le cosiddette proiezioni radiografi che). Fig L incidenza postero-anteriore del fascio realizza la proiezione omonima, così come l antero-posteriore: entrambe producono una sezione frontale (o coronale). Sia la latero-laterale dx che la latero-laterale sinistra (a seconda dell ingresso e dell uscita del fascio di radiazioni) producono invece delle proiezioni sagittali.

12 20 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica 8. Qualità dell immagine radiografica Le caratteristiche fi siche del processo di formazione dell immagine radiologica comportano inevitabilmente la formazione di alcuni artefatti, la conoscenza dei quali è necessaria per non incorrere in errori di interpretazione. L ingrandimento proiettivo deriva dalla divergenza del fascio di raggi x all emergenza dal tubo radiogeno, fattore che altera la proiezione dell oggetto sulla pellicola determinandone un ingrandimento che può essere calcolato secondo le leggi dell ottica geometrica: è pertanto inevitabile che l oggetto venga rappresentato sulla pellicola con dimensioni superiori a quelle reali. Per minimizzare l effetto (dato che eliminarlo è impossibile) e ottenere una proiezione di dimensioni più simili a quelle reali, è necessario ridurre la distanza dell oggetto dalla pellicola (distanza oggetto-pellicola) o aumentare la distanza dell oggetto dal punto di origine dei raggi x (distanza fuoco-oggetto), perché, a grandi distanze, la divergenza del fascio diminuisce (Fig. 15). Quest ultima tecnica di riduzione dell effetto è più diffusa e viene impiegata nello studio radiografi co delle dimensioni cardiache (telecuore). Fig La divergenza del fascio di raggi X altera la proiezione dell oggetto sulla pellicola, determinandone un ingrandimento che può essere calcolato con le leggi dell ottica geometrica. Per ridurre l effetto e ottenere una proiezione di dimensioni più simili a quelle reali è necessario ridurre la distanza oggetto-pellicola o aumentare la distanza fuoco-oggetto: quest ultima tecnica è più diffusa e viene impiegata nello studio radiografi co delle dimensioni cardiache (telecuore).

13 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 21 La deformazione proiettiva deriva anch essa dalla divergenza del fascio di raggi x, a causa della quale i raggi più lontani dall asse del fascio assumono un decorso più obliquo, deformando la proiezione dell oggetto sulla pellicola in maniera tanto maggiore quanto maggiore è la distanza laterale dell oggetto dall asse del fascio. Questo fenomeno può comportare rappresentazioni diverse di oggetti identici, soltanto per la loro diversa localizzazione rispetto all asse del fascio (Fig. 16). Fig La divergenza del fascio di raggi X deforma la proiezione dell oggetto sulla pellicola, in maniera tanto maggiore quanto maggiore è la distanza laterale dell oggetto dall asse del fascio di raggi X. 9. La radioscopia Un altro sistema di rilevazione della radiazione trasmessa, capace di produrre immagini radiografi che su un monitor, è la cosiddetta radioscopia o fluoroscopia (Fig. 17). In questo caso, i raggi x trasmessi non colpiscono i fosfori dello schermo di rinforzo, ma quelli di un monitor televisivo, che si illuminano maggiormente (quindi diventano bianchi) se la radiazione che li colpisce è maggiore, mentre rimangono spenti (quindi appaiono neri) se la radiazione è scarsa. L immagine radiografi ca risultante

14 22 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig Nella radioscopia i raggi X, invece di impressionare una pellicola, colpiscono uno strato di fosfori che emettono fotoni di luce che, opportunamente amplifi cati (con intensifi catore di brillanza), formano un immagine sullo schermo di un monitor. È impiegata negli esami contrastografi ci (esofagografi a, esame del digerente, colecistografi a, clisma opaco, urografi a, angiografi a, isterosalpingografi a). è quindi invertita rispetto a quella su pellicola: nell immagine radioscopica, infatti, le zone radiopache appaiono scure, mentre quelle radiotrasparenti appaiono chiare. Dal momento che i fosfori del monitor sono poco sensibili alle radiazioni, il sistema è dotato di un amplifi catore di brillanza, dispositivo elettronico che riceve la radiazione trasmessa, la converte in luce e aumenta la luminosità dell immagine su monitor. La radioscopia tradizionale è ormai ovunque sostituita dalla radioscopia digitale, nella quale la radiazione trasmessa colpisce una matrice di sensori CCD (analoga a quelle delle telecamere digitali) producendo immagini digitali automaticamente elaborate per esaltarne luminosità e contrasto e poi trasmesse al monitor. La radioscopia produce immagini in movimento (anzi, fornisce l illusione del real-time visualizzando sul monitor almeno immagini al secondo) ed è quindi usata per studiare il movimento di organi interni (tipicamente, la peristalsi dei visceri cavi) o lo scorrimento di fl uidi (il fl usso del sangue all interno dei vasi). È quindi alla base degli esami contrastografi ci dell apparato digerente ed urinario e della diagnostica angiografi ca, oltre a fornire un supporto visivo alle procedure interventistiche. 10. Mezzi di contrasto baritati La possibilità di riempire alcuni organi cavi con una sostanza ad alta radiodensità, con la conseguente distensione dell organo e la visualizzazione della morfologia del lume, ha prodotto alcune delle applicazioni più effi caci della Diagnostica per Immagini, quali lo studio del tubo digerente: le due modalità di studio classiche della radiologia tradizionale, ovvero l esame radiografi co del tubo digerente e il clisma opaco, sono state per decenni le uniche modalità di studio di questo apparato, fi nché i progressi dell endoscopia e la comparsa di nuove tecniche di Diagnostica per Immagini non ne hanno provocato una lenta involuzione. La sostanza impiegata per raggiungere questo scopo è il solfato di bario in sospensione, che possiede le caratteristiche richieste, dal momento che il bario ha un elevato numero atomico (56) e non

15 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 23 è tossico (quando è in sospensione, mentre lo è in soluzione). È disponibile in commercio già pronto, con l aggiunta di additivi che lo rendono adatto alla somministrazione orale (per eseguire l esame radiografi co del tubo digerente), o in polvere, da diluire con acqua e somministrare per clisma (per eseguire il clisma opaco). Il solfato di bario rimane nel lume intestinale senza essere assorbito (anche se viene concentrato per assorbimento di acqua da parte della mucosa) e viene eliminato con le feci. Dal momento che il prolungato ristagno nel lume può portare a un eccessiva concentrazione, fi no alla trasformazione in masse semisolide (baritomi), ne è sconsigliato l uso in caso di occlusione intestinale, mentre l intensa irritazione che determina sulla sierosa peritoneale ne esclude l uso in caso di sospetta perforazione. 11. Imaging analogico e imaging digitale La rivoluzione digitale, che negli ultimi anni ha interessato qualsiasi campo dell imaging, si è affacciata molto precocemente nella Diagnostica per Immagini, dal momento che le prime applicazioni del computer nella formazione di immagini diagnostiche risale alla fi ne degli anni 70. Attualmente, le metodiche tradizionali (o analogiche) di imaging diagnostico sono pressoché scomparse, lasciando il posto alle metodiche digitali, determinando quindi il successo della rivoluzione che ha portato alla nascita della radiologia digitale. Accanto a metodiche che producono immagini direttamente in formato digitale (come l ecografi a, la TC e la RM), anche la radiologia classica è passata al nuovo formato, visto che la radioscopia, come si è detto, è ormai digitale, e la radiografi a sta rapidamente adottando metodi di rilevazione della radiazione trasmessa alternativi al complesso schermo-pellicola. Sono infatti disponibili già da parecchi anni sistemi di radiografi a digitale, nei quali la pellicola è sostituita da una piastra di detettori, i quali, colpiti dalla radiazione trasmessa, entrano in uno stato energizzato, quantitativamente variabile a seconda del numero di raggi assorbiti. La piastra, sistemata al posto della cassetta, viene poi inserita in un condizionatore, che legge lo stato energetico di ogni sensore esprimendolo in forma numerica, producendo così un immagine radiografi ca digitale con matrice di circa 4000 x 4000 pixel, nella quale ogni pixel ha un valore numerico corrispondente alla radiodensità del tessuto attraversato (Fig. 18); successivamente il condizionatore scarica i detettori, rendendo la piastra riutilizzabile per un numero illimitato di esposizioni. Si avvicina quindi il momento della scomparsa della pellicola, con trasformazione del dipartimento di Diagnostica per Immagini in fi lmless department, nel quale le pellicole saranno solo un ricordo del passato. Per quanto riguarda le immagini eseguite in precedenza e disponibili su pellicola, sarà sempre possibile la digitalizzazione tramite scanner. Nel dipartimento senza pellicole il fl usso di immagini digitali è gestito da sistemi di archiviazione, visualizzazione e trasmissione di immagini detti P.A.C.S. (Picture Archiving And Communication Systems), interfacciati con il sistema di gestione dei dati anagrafi ci e clinici del paziente, detto R.I.S. (Radiology Information System). I vantaggi dell imaging diagnostico digitale sono innumerevoli: a parte la valutazione obiettiva della radiodensità dei tessuti, espressa in termini numerici e non più affi data alla sensibilità dell occhio umano, l archiviazione digitale permette di compattare migliaia di immagini su un DVD, determinando notevoli risparmi di spazio ed economici, oltre a vantaggi clinici pratici derivanti dalla possibilità, per ciascun paziente, di portare ad ogni controllo tutte le immagini diagnostiche eseguite anche nel corso di parecchi decenni, mentre la disponibilità immediata di tutte le immagini prodotte evita la ripetizione inutile di esami; la teletrasmissione di immagini, con possibilità di valutazione a distanza da parte di radiologi al momento non presenti (teleradiologia); l elaborazione digitale (image processing) permette di esaltare dettagli che l occhio dell osservatore potrebbe non rilevare.

16 24 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig Una radiografi a digitale si ottiene utilizzando una matrice di detettori radiosensibili, ciascuno dei quali viene rappresentato da un pixel sull immagine; ogni detettore quantifi ca fedelmente la radiazione trasmessa e permette di risalire esattamente alla radiodensità del volume tessutale sovrastante. 12. La TC: definizione e principi operativi La Tomografia Computerizzata (TC) nasce dall esigenza di utilizzare le proprietà esploranti dei raggi x minimizzando i fattori che, nella radiologia tradizionale, ne limitano le possibilità diagnostiche, quali i fenomeni di sovrapposizione e la scarsa effi cacia della pellicola come sistema di rilevazione della radiazione trasmessa. Si è quindi scelto di utilizzare, per la prima volta, alcune tecnologie poi destinate a un grande successo, tanto da essere estese, come si è visto, alla radiografi a: un sistema di detettori al posto della pellicola e la produzione di immagini in formato digitale, con i vantaggi che questo comporta, soprattutto in termini di obiettività delle rilevazioni densitometriche. L idea di rappresentare una sola sezione, o strato, degli organi esplorati risale in realtà agli anni 40, quando venne proposta la tecnica della stratigrafia (o tomografi a), che ebbe notevole successo fi nché non venne progressivamente soppiantata dalla TC. Il principio operativo della stratigrafi a era il movimento del tubo radiogeno (che rimane invece fi sso nella radiografi a), in maniera tale da causare una riproduzione sfocata sulla pellicola di tutte le strutture, con l eccezione di quelle presenti su un piano defi nito (corrispondente al fulcro del movimento del tubo), che erano quindi le uniche a risultare nitide e quindi ben differenziabili da quelle circostanti (Fig. 19). La TC si propone di utilizzare una versione più sofi sticata e digitale della tecnica della tomografi a (da cui il nome di Tomografi a Computerizzata), allo scopo di produrre immagini di sezioni del corpo

17 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 25 Fig La stratigrafi a è una tecnica che utilizza i raggi X per effettuare radiografi e nelle quali risulta a fuoco soltanto uno strato, di circa 1 cm di spessore, della struttura in esame. L esecuzione di un esame stratigrafi co si basa su un movimento pendolare opposto del tubo e della pellicola intorno a un fulcro, che viene fatto coincidere con il piano di interesse: le strutture situate sul piano del fulcro risulteranno a fuoco, mentre quelle al di fuori saranno sfuocate dal movimento della pellicola. Si tratta di una tecnica ormai caduta in disuso per essere sostituita dalla tomografi a computerizzata. umano di spessore sottile (attualmente, fi no a 6 mm), nelle quali la radiodensità di ogni punto viene accuratamente quantizzata e quindi misurata in maniera obiettiva. Per parecchi anni, le uniche sezioni ottenibili con la TC erano effettuate sul piano assiale, motivo per il quale era chiamata Tomografi a Assiale Computerizzata o TAC, denominazione che oggi andrebbe abbandonata. Elementi costitutivi di un apparecchiatura TC sono quindi il tubo radiogeno (che deve essere di alta qualità, per garantire la produzione di un fascio di raggi x omogeneo per parecchi secondi di esposizione continua), il sistema di detettori (che rappresenta l elemento più variabile nelle diverse generazioni di apparecchiature) e una workstation dedicata (con software di ricostruzione e visualizzazione delle immagini). Alla base del funzionamento dell apparecchiatura c è il movimento rotatorio del tubo radiogeno su un piano ortogonale all asse longitudinale del paziente (sdraiato su un lettino), con il sistema di detettori pronto a misurare continuamente la radiazione emergente e ad inviare i dati alla workstation per la ricostruzione (Fig. 20).

18 26 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig L apparecchio comprende un tubo radiogeno capace di generare un fascio collimato di radiazioni le quali, dopo l attenuazione dovuta all attraversamento dei tessuti, vengono rilevate e misurate da un sistema di detettori. I detettori producono una lettura accurata dell energia dei raggi e sono in grado di dedurre la densità dei tessuti attraversati sulla base dell entità dell attenuazione. Il computer ricostruisce un immagine a partire dai dati estratti, che costituisce una mappa accurata della densità dei tessuti. 13. Algoritmo di retroproiezione, scala di Hounsfield e finestra Ciascun elemento di volume della sezione corporea esplorata, detto voxel, viene attraversato dai raggi x alcune centinaia di volte durante la rotazione di 360 gradi del tubo radiogeno, e la sua radiodensità viene valutata in maniera accurata, estrapolandola da tutti i voxel circostanti, mediante un algoritmo matematico detto algoritmo di retroproiezione, che riceve in input le centinaia di letture per i circa voxel della scansione, per un totale di oltre di letture, e deve fornire il risultato in tempi il più possibile rapidi. La potenza di calcolo delle workstation attuali permette di ottenere il risultato in tempo reale, ma le prime apparecchiature TC, sviluppate nei primi anni 70, impiegavano diverse ore per ogni scansione (Fig. 21). L output dell algoritmo è il cosiddetto insieme di dati grezzi, costituito dai circa valori assoluti di radiodensità per tutti i voxel dello strato corporeo esplorato. Questi valori assoluti sono disposti su una scala densitometrica che, dal nome dell inventore della TC, prende il nome di scala

19 I raggi X e le metodiche correlate: radiologia tradizionale e TC 27 Fig Alla base della costruzione dell immagine TC c è un algoritmo matematico detto di retroproiezione, che calcola la densità di ogni singolo voxel dello strato esplorato sulla base dei dati derivanti da 360 attraversamenti del voxel da parte del fascio di raggi X (uno per ogni rotazione di un grado del tubo radiogeno). Il risultato è la formazione di una matrice di pixel contenenti i valori di densità dei voxel esplorati. di Hounsfield, che comprende tradizionalmente 2000 valori, misurati in Unità Hounsfi eld (abbreviato in HU, da Hounsfi eld Unit). Nella parte più bassa della scala (-1000 HU) c è la zona della radiotrasparenza (l aria è ovviamente situata nel punto più basso), mentre nella parte più alta della scala, che termina a HU, c è la radiopacità più assoluta (osso). Il punto corrispondente a 0 HU identifi ca la densità dell acqua (Fig. 22). La fase successiva del procedimento implica la ricostruzione di un immagine visualizzabile sul monitor della workstation, e comporta l attribuzione, a ciascun pixel dell immagine digitale, di un livello di grigio corrispondente alla densità in HU del voxel che ciascun pixel rappresenta. Dal momento che i monitor non permettono l impiego di più di 256 livelli di grigio, e ciascuna immagine è codifi - cata con 2000 livelli densitometrici, è necessario selezionare, di volta in volta, il range di valori di radiodensità che si vuole visualizzare su monitor nelle migliori condizioni: Fig I valori di densità rilevati dall apparecchiatura a carico di ogni singolo voxel sono unità di una scala detta scala di Hounsfi eld, che prevede 2000 U.H.

20 28 Manuale di diagnostica per immagini nella pratica medica Fig La costruzione dell immagine digitale in TC rende necessaria la selezione di una sola parte della scala di Hounsfi eld contenuta nella scansione ( fi nestra ), altrimenti l immagine risultante avrebbe un contrasto troppo basso. La fi nestra viene defi nita con due parametri: ampiezza (window width, o WW), ovvero il numero di UH selezionato, e livello (window level, o WL), ovvero il numero di UH centrale. La stessa scansione può essere utilizzata per costruire un gran numero di immagini con diverse fi nestre. questo range, che prende il nome di finestra, viene defi nito attraverso due valori, ovvero quello centrale del range (detto WL, dalle iniziali di Window Level) e l ampiezza del range stesso (WW, da Window Width) (Fig.). Per esempio, dato che le parti molli hanno radiodensità variabile tra -100 HU e +200 HU, per vederle con il miglior contrasto si usa una fi nestra con WL= 50 e WW= 300. In determinati distretti anatomici, quale per esempio il torace, ciascuna sezione deve essere ricostruita più volte con fi nestre diverse: con quella per il polmone (mediante la quale vengono visualizzate con il migliore contrasto le aree con valori di radiodensità più bassi) e quella per il mediastino (che ricostruisce con il miglior contrasto il range di valori di densità delle parti molli) (Fig. 23). L immagine TC risultante non è molto diversa, da un punto di vista interpretativo, da un immagine radiografi ca: è anch essa una mappa dei valori di radiodensità degli organi esplorati, con le tonalità più chiare rappresentanti le aree relativamente più radiodense e quelle più scure rappresentanti le aree relativamente più radiotrasparenti; l avverbio relativamente si rende necessario perché l applicazione di fi nestre diverse modifi ca la disposizione dei livelli di grigio. La valutazione assoluta della radiodensità di ciascun punto, espressa in HU, può comunque essere visualizzata durante la lettura dell immagine. 14. Dalla I alla IV generazione, fino alla TC spirale e multistrato Lo sviluppo delle apparecchiature TC, dagli anni 70 fi no a oggi, ha visto l ingresso sul mercato di cinque generazioni tecnologiche, ciascuna delle quali capace di garantire tempi di acquisizione più rapidi e una migliore qualità dell immagine rispetto alla precedente, quest ultima realizzabile sia per aumento della risoluzione spaziale sia per riduzione degli artefatti da movimento come conseguenza di una scansione più veloce. Parallelamente, la disponibilità di computer con maggiore potenza di calcolo ha progressivamente ridotto i tempi necessari per la ricostruzione dell immagine dopo la scansione. Così, se nelle apparecchiature di I generazione erano necessari circa 5 minuti per ogni scansione e

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