Assorbimetria fotonica

3 Assorbimetria fotonica I fotoni emessi attraversano un materiale (tessuto osseo o molle) e vengono assorbiti in modo proporzionale alla densità del materiale indagato. L intensità fotonica sarà tanto minore quanto è maggiore lo spessore del tessuto attraversato. Con l assorbimetria fotonica è possibile calcolare anche la densità delle componenti grasse e magre dei tessuti molli circostanti il tessuto scheletrico (Body composition).

4 I=I o e -µs La legge che regola la densitometria fotonica: I= intensità fotonica trasmessa Io= intensità fotonica incidente µ= coefficiente lineare di attenuazione S= spessore del tessuto in esame (Wahner, Fogelman, 1994)

5 I=I o e -µs Per un materiale (x), di spessore w(x) espresso in centimetri, di densità P espressa in g/cm3 e un coefficiente di attenuazione di massa Mm espresso in cm2/g, la legge diventa: I(x)= I o e -MmPw(x)

6 Assorbimetria fotonica Calcolo avviene con due passaggi: 1) nel primo (body composition) il corpo indagato viene considerato diviso in due comparti tessuto osseo e quello molle (soft tissue). 2) nel secondo, il tessuto molle viene ulteriormente suddiviso in componente grassa e magra (fat tissue, lean mass o water-equivalent tissue). osseo molle grasso magro

7 Assorbimetria fotonica Calcolo della body composition: Il flusso fotonico emesso dalla sorgente e Io vengono comparati da un sistema di elaborazione dati. La misura della attenuazione fotonica dei tessuti viene corretta. La separazione della massa grassa da quella magra si ottiene per mezzo di una curva di calibrazione nota e memorizzata.

8 Sorgenti radioattive Iodio: 125 I (rad. Gamma da kev) Gadolinio: 153 Gd (rad. Gamma da kev) Americio: 241 A (rad. Gamma da 60 kev) detector Manicotto d acqua sorgente

9 MOC a SPA Utilizza una sorgente a bassa energia di radiazioni gamma monocromatiche emesse in un fascio sottile (inferiore a 70 kev per ottenere il miglio contrasto osso-tessuto molle). Il sistema di rilevazione è composto da un collimatore e da un detector (NaI- Ioduro di Cesio, accoppiato con un tubo fotomoltiplicatore). La conversione del segnale viene espressa in grammi sulla lunghezza della sezione micurata (g/cm o g/cm 2 ).

10 Le fonti di energia monocramatica sono installate su densitometri per scansioni rettilineari di segmenti scheletrici periferici quali as es. l avambraccio, mentre per le sorgenti dicromatiche trovano applicazione negli strumenti per scansioni total body. Per avere uno spessore costante d omogeneo dei tessuti molli, la parte corporea in esame viene circondata da materiale a densità simile a quella dei tessuti molli, come acqua o manicotti di gomma speciale riempiti d acqua. Lo spessore costante consente di rendere direttamente proporzionali al contenuto minerale osseo i cambiamenti di intensità del fascio rilevati dal detector.

11 Questo aspetto tecnico rende applicabile la SPA solo allo studio densitometrico dello scheletro appendicolare (avambraccio, calcagno o siti scheletrici sedi di fratture da osteoporosi come il femore o la colonna). Questa limitazione ha permesso lo sviluppo della DPA (Dual Photon Absorptiometry) con il Gadolino 153, caratterizzato da una doppia emissione energetica da 44 e 100 kev.

12 MOC a DPA Con la metodica a due spettri, si ricava per ogni punto di misurazione un valore di bassa e alta energia, dalla differenza di attenuazione, si ricava la massa ossea esprimendola in grammi sulla lunghezza del campo di misurazione. detector Direzione scansione radio ulna avambraccio sorgente

13 MOC a DPA L acquisizione dei dati si basa sulla scomposizione dei materiali di base: con fotoni a bassa energia risultano più ampie le differenze di attenuazione fra tessuti molli e ossa, rispetto a quanto accade con fotoni ad alta energia (molto simile a quanto accada in radiologia tradizionale fra radiogrammi ottenuti con elevati valori di kv e quindi più contrastanti, rispetto a quelli meno contrastati ottenuti sul medesimo oggetto con energia più elevate).

14 QDR DPX - DEXA La sostituzione delle sorgenti radioisotopiche con una a raggi X (1987, Stein) ha consentito un effettivo miglioramento qualitativo delle metodiche di densitometria ossea computerizzata: Quantitative Digital Radiography Dual Photon X Ray Absorptiometry Dual Energy X Ray Absorptiometry Si configurano due differenti tecnologie radiologiche: 1)Energia filtrata 2)Doppia energia pulsata

15 Schema di un densitometro a energia filtrata. Detector 2 Detector 1 Paziente piano filtri Tubo a raggi X

16 Sistema a energia FILTRATA Impiega un generatore a raggi X, anodo stazionario o rotante: potenza costante e stabile (voltaggio 76 o 100 o 125 o 134 kv). Corrente anodica 1-5 ma Filtro samario (terre rare) K-edge: 46,8 kev (livello d assorbimento). Fascio diaframmato a pennello in modo filtrato, cioè separato in due componenti distinte di bassa e alta energia: 40 e 70 kev.

17 Sistema a energia FILTRATA I fotoni separati vengono captati da un rivelatore cristallo (Ioduro di Sodio o Tungstenato di cadmio) e tubo fotomoltiplicatore, vengono interpretati come segnale composto da impulsi. Gli impulsi sono classificati in bassa e media energia e successivamente elaborati con algoritmi in risultati quantitativi numerici.

18 Sistema a doppia energia PULSATA (pencil-beam) Differente presupposto iniziale: la differenza di potenziale applicata al tubo è commutata in due differenti livelli energetici: 70 e 140 kev, in sincronismi con la tensione di rete. Due pennelli di di raggi X a differente energia colpiscono un fantoccio di materiale con densità nota (equivalente al tessuto osseo e molle) per una calibrazione continua. Il fantoccio è rappresentato da un disco che ruota in sicronismo con gli impulsi dei raggi X, consentendo una calibrazione automatica del fascio pixel x pixel..

19 Sistema a doppia energia PULSATA (pencil-beam) I fotoni che raggiungono il detettore vengono trasformati in segnale (come nel sistema filtrato). Nel sistema pencil-beam, viene utilizzata una sorgente a raggi x con collimatore puntiforme (o doppio collimatore) e un singolo detettore; la sorgente e il rivelatore si muovono in modo sincrono e con scansioni rettolineari.

20 Sistema a doppia energia PULSATA (fan-beam) Consentono una riduzione dei tempi di scansione sostituendo il collimatore puntiforme con uno a fessura (ventaglio) e il singolo rivelatore con un sistema di multi-detector. Sorgente radiogena e rivelatori si muovono in modo sincrono, effetuando scansioni a largo raggio in una sola direzione (no rettilineare).

21 Densitometria con TC quantica Tomografia computerizzata quantica (QCT) offre la possibilità di fornire immagini e dati quantitativi di una sede anatomica precisa separando le strutture corticali e trabecolari (questo aspetto è importante in quanto nell analisi dei corpi vertebrali si può ottenere, con la QCT, la determinazione quantica della sola struttura spongiosa della vertebra, senza l interferenza delle strutture compatte degli archi posteriori).

22 Densitometria con TC quantica Sorgente a raggi X Numero variabile di detettori collegati alla sorgente da un meccanismo che sincronizza gli spostamenti di rotazione e traslazione del tubo/detettori. Ampio ventaglio: ma e kv Spessore degli strati 1-10 mm, previa scout-view Scansioni trasversali D12-L3 o radio o tibia (in questo caso di parla di Peripheral Quantitative COmputed Tomography: pqct).

23 Densitometria a ultrasuoni Suoni e ultrasuoni sono regolati dai principi delle vibrazioni elastiche, le quali differiscono dalle vibrazioni elettromagnetiche in quanto sono di natura meccanica e non si propagano nel vuoto, ma solo attraverso un mezzo materiale. Le strumentazioni cliniche densitometriche a ultrasuoni, prevedono un doppio trasduttore (cristallo piezoelettrico). Applicando una corrente elettrica ad alta frequenza ad un cristallo piezoelettrico, si ottiene un cambiamento di forma del cristallo con pulsazioni della sua superficie.

24 Densitometria a ultrasuoni La perturbazione d onde attraversa il mezzo d indagine, subisce un cambiamento di comportamento dell onda dovuto alle modificazioni della sua velocità e della quantità di energie trasmessa. Misurando parametri di velocità e di attenuazione dell onda si ricavano informazioni quantitative e qualitative sulla composizione del materiale attraversato dal treno d onde. I parametri in considerazione: Attenuazione a banda larga di frequenza (0,2-1 MHz BUA Broadband Ultrasound Attenuation) Velocità di trasmissione degli US (SOS: speed of sound).

25 Altre metodiche densitometriche: Attivazione neuotrinica Se si espongono a irraggiamento neutronico determinati elementi, una parte di essi si trasforma in forma isotopica radioattiva. Bombardando con neutroni termici di energia inferiore a 0,4 ev il corpo in esame, si ha come conseguenza la trasformazione dell isotopo 48 del calcio (48Ca) che ha una forma instabile, con tempo di dimezzamento 8,8-9 minuti e con emissione di radiazione istantanea gamma di 3,1 MeV.

26 Altre metodiche densitometriche: Attivazione neutrinica La quantità di radiazione emessa dal corpo esaminato e così bombardato è direttamente proporzionale alla quantità complessiva del calcio presente nell organismo. Sorgenti neutroniche: Ciclotrone Sorgenti di plutonio-berillio Sorgenti di deuterio-trizio.

27 Altre metodiche densitometriche: Attivazione neutrinica L effetto T2-star è inversamente proporzionale alla densità ossea. Su questo preciso punto si fonda l applicazione, sperimentale, della RMN nello studio della densità minerale ossea, ottenendo informazioni quantitative e qualitative ossee valutando l intensità del segnale di immagini ottenute con Gradient.Echo T2- star dipendente.