Università degli Studi di Napoli Federico II. C.d.L specialistico in Ingegneria Biomedica

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II C.d.L specialistico in Ingegneria Biomedica CORSO INTEGRATO DI Biochimica Applicata, Fisiopatologia Diagnostica per Immagini e Radioterapia Anno C. Tomografia Computerizzata Arturo Brunetti Dipartimento di Scienze Biomorfologiche e Funzionali Università degli Studi di Napoli Federico II IBB-CNR & CEINGE - Napoli 1 Schema della presentazione! Introduzione Principi generali L apparecchio TC L immagine TC componenti evoluzione tecnologica TC spirale presentazione elaborazione Cenni su applicazioni diagnostiche 1

2 Tomografia Computerizzata! - definizione tradizionale -! La Tomografia Computerizzata (TC) é una tecnica che produce, con l impiego dei raggi X e con l ausilio di un computer, immagini digitali di strati (sezioni) del corpo basate sulla misurazione della densità dei tessuti. Tomografia Computerizzata! - definizione aggiornata -! La Tomografia Computerizzata (TC) é una tecnica che produce, con l impiego dei raggi X e con l ausilio di un computer, immagini digitali di strati e volumi del corpo basate sulla misurazione della densità dei tessuti. 2

3 Radiografia Premio Nobel 1901! "in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him"! Wilhelm Conrad Röntgen ab/10/2009! La limitazione della radiologia tradizionale 3

4 Con la Tomografia si focalizza il campo di osservazione a strati TOMOGRAFIA IN RADIOLOGIA STRATIGRAFIA - svil TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA svil AB

5 Tomografia non computerizzata AB Stratigrafia (tomografia non computerizzata) AB

6 Stratigrafia renale (dopo mdc) Fegato Rene dx Milza Rene sn 11 AB 2011 Tomografia ricostruttiva computer-assistita da Brooks e Di Chiro AB

7 Tomografia Assiale Computerizzata Da Seeley, mod 13 Tomografia Computerizzata! M(ϕ,ξ)! Tubo Radiogeno! 7

8 Viste (Proiezioni)! TC 15 La ricostruzione della immagine TC! Nella ricostruzione delle immagini TC le sezioni corporee vengono suddivise in una serie di blocchi (elementi di volume, voxels), a ciascuno dei quali viene assegnato un numero proporzionale al suo coefficiente di attenuazione del fascio di raggi X =μ) Nx =N0 e -μx N x = N 0 e -µx 8

9 I voxel di uno strato sono molti (256 x 256; 512x 512)! Lʼimmagine tomografica digitale! il valore di ciascun elemento dell immagine (picture element = pixel) corrisponde alla densità misurata dall apparecchio TC per ciascun elemento di volume che compone lo strato (volume element = voxel) 9

10 Unità Hounsfield!! I coefficienti di attenuazione sono troppo difficili da ricordare (numeri decimali e difficilmente ricordabili)! Per questo i coefficienti di attenuazione sono convertiti in un valore numerico intero correlato al coefficiente di attenuazione! Questo numero, normalizzato rispetto alla densità dell acqua e moltiplicato per 1000, è il numero TC (Hounsfield Units). Unità Hounsfield! HU =! K ( µ t - µ w )! µ w - µ a! K = 1000 ;! µ t = Coefficiente di attenuazione lineare tessutale! µ w = Coefficiente di attenuazione lineare dellʼacqua! µ a = Coefficiente di attenuazione lineare dellʼaria! HU di H2O = 0! 10

11 Unità Hounsfield! / 2000 / 4000! Nella scala dei numeri TC sono assegnati il valore 0 all acqua e all aria.! Le unità di questa scala sono dette Unità Hounsfield (HU) Unità Hounsfield! 1000 OSSO! Valori di densità delle principali strutture corporee ACQUA SANGUE FEGATO RENE Surrene GRASSO MILZA Pancreas Encefalo Grigia Bianca -400 POLMONE ARIA 11

12 Volume Parziale! Quando nel voxel esaminato vi sono più strutture a densità differente lʼapparecchio non è in grado di distinguerle, ed attribuisce a questo un unico valore densitometrico medio che può non corrispondere alla densità di alcuna struttura del voxel.! Metodi tradizionali di ricostruzione delle immagini TC! ITERATIVI più lenti e impegnativi per il computer (30 anni fa) ANALITICI più veloci, ma comunque impegnativi 12

13 Metodi tradizionali di ricostruzione delle immagini TC! I metodi di calcolo iterativi furono utilizzati per la prima volta da Bracewell nel 1956 nella ricostruzione di immagini astronomiche (mappe di emissioni solari) e da Gordon (1970) nella ricostruzione di immagini al microscopio elettronico. Il metodo di calcolo adottato da Hounsfield per il primo apparecchio TC era di tipo iterativo 13

14 Metodi analitici! trasformata di Fourier bidimensionale (2DFT) Filtered Back-Projection (FBP) (Radon filtering; convolution filtering; FFT) Computed Tomography Historical remarks The Nobel Prize in Physiology or Medicine! 1979 "for the development of computer assisted tomography"! ab/10/2005! Godfrey N. Hounsfield! ! Allan M. Cormack!

15 Tomografia Computerizzata! Godfrey N. Hounsfield! Willy Kalender! La vecchia sigla: TAC (CAT)! Tomografia Assiale Computerizzata Tomografia Assistita dal Computer Computerized Axial Tomography Computer Assisted Tomography 15

16 Componenti del sistema TC! Gantry tubo radiogeno detettori collimatori Tavolo portapaziente Consolle Computer Generatore Consolle! 16

17 Sistema di controllo Starter Generatore ad alto voltaggio Sistema di controllo raggi X Raggi X Control. Preamplificatore TAVOLO PAZIENTE Unità elaborazione Immagini Sistema di controllo Consolle centrale di controllo Sistema di Archiviazione TC TUBI RADIOGENI! Radiazione monocromatica: ideale (ricostruzione semplice e più precisa)! Le prime generazioni usavano tubi radiogeni ad anodo fisso (macchia focale 2 x 16 mm; 120 kv e 30 ma. Il fascio era fortemente filtrato.! Gli apparecchi TC moderni hanno anodi rotanti e macchie focali piccole (fino a 0.6 mm), ad alta capacità termica con carichi elevati! Generatori ad alta frequenza (5-50 khz) Con slip ring! Slip ring ad alto voltaggio (~120 kv) con generatore stazionario! Slip ring a basso voltaggio (480 V) con generatore rotante! 17

18 Collimatori! Tubo radiogeno Raggi X Oggetto Collimatore Collimatore Detettore! sono fatti di Piombo e permettono la rilevazione delle sole radiazioni perpendicolari al detettore, collimando il fascio di raggi X sia in uscita dal tubo che in arrivo ai detettori.la distanza tra i collimatori determina lo spessore dello strato/volume di acquisizione Detettori o Rivelatori! Misurano i raggi X che oltrepassano il corpo senza essere attenuati.! In passato! * Gassosi! * Solidi! scintillatori classici! Attualmente! * Solidi! fotodiodi (materiali ceramici speciali)! Il dettaglio dellʼimmagine è inversamente proporzionale alla dimensione dei rivelatori. Una sensibilità elevata è fondamentale per poter contenere la dose di radiazioni erogata al paziente! 18

19 Detettori Gassosi! Misurano la conduttività indotta in un volume di gas volume dalle ionizzazioni prodotte dai raggi X! i raggi X ionizzano le molecole dei gas! Gli ioni sono attirati verso gli elettrodi da un campo elettrico Le coppie di ioni prodotte sono intensità del fascio di raggi X Raggi X Catodo - + Anodo Amperometro Camera di ionizzazione Detettori Gassosi! In genere contengono Xenon (alto Z) ad alta pressione (fino a 30 atm) per aumentare l efficienza Costo contenuto Eccellente stabilità Ampio range dinamico Elevata risoluzione spaziale Bassa efficienza 19

20 Detettori a scintillazione! Materiali che emettono lampi di luci con l interazione dei raggi X La luce viene misurata con l uso di un fotomoltiplicatore (PMT) o di un fotodiodo (PD) Scintillatori! per PMT: NaI(Tl), BGO! per PD: CdWO 4, CsI, ossidi di terre rare Spessore sufficiente a fornire una quantum efficiency ~ 100% Detettori solidi! Collimatore Cristallo Fotomoltiplicatore Catodo - Raggi X Anodo + Dinodi Fotocatodo 20

21 Tubi fotomoltiplicatori (PMT)! Fotone luminoso La luce prodotta nel cristallo viene convertita in un flusso di elettroni Gli elettroni vengono accelerati Sui dinodi si crea una valanga di elettroni secondari con amplificazione del flusso Amplificazione del segnale: G = δ N circa. ~10 6 (N: numero di dinodi δ: guadagno per per dinodo ~4) Scintillatore Elettrodo focalizz. Dinodo Fotocatodo Elettroni Anodo Da WIKIPEDIA modificata Fotodiodi! I fotoni creano coppie elettroni-trappola in semiconduttori (effetto fotoelettrico)! Conversione diretta di fotoni visibili in energia elettrica! La produzione di fotocorrente (~0.5 A / 1 W opt ) richiede un amplificatore di precisione! Assemblaggio nel rivelatore TC ab/10/2009! 21

22 Rivelatori a stato solido!! Il cristallo converte i raggi X in luce! Il semiconduttore produce una corrente proporzionale alla luce Semiconduttore a fotodiodo Raggi X Luce Segnale elettrico Rivelatori a stato solido attuali!! Segnale elettrico amplificato! Risposta rapida! Ampio range dinamico! Alta efficienza di cattura e conversione dei fotoni (quasi 100%)! Materiali Scintillatori! tungstato di cadmio! materiali ceramici speciale 22

23 Lʼevoluzione tecnologica della TC!! Sviluppi dei primi 15 anni! I e II generazione movimento di rotazione e traslazione! III generazione - arco di detettori (rotazione-rotazione)! IV - anello completo di detettori (rotazione tubo)! Dal 1990: TC spirale su apparecchi di III e IV generazione! 1 strato! multistrato (fino a > 256 strati)! Electron- beam CT Tomografia Computerizzata: 25 anni di progressi ab/10/2009! 23

24 Tomografia Computerizzata di Prima Generazione ab/10/2009! T. Scansione 7 min., Risoluzione 80x80 pixel, FOV 25 cm SIRETOM (1974) Evoluzione tecnologica della TC ! LE GENERAZIONI :! Descrivono l evoluzione tecnologica delle apparecchiature TC.! Ciò che le caratterizza è essenzialmente l evoluzione del movimento del tubo e dei detettori ed il numero di questi ultimi. 24

25 PRIMA GENERAZIONE! Sistema traslazione/rotazione - fascio pencil beam! Corpo paziente Tubo Detettore unico Movimenti solidali di traslazione e rotazione : (dopo ogni traslazione il sistema ruota di volte) Tempo di scansione circa 8-10 min. 1 Detettore SECONDA GENERAZIONE! Sistema traslazione/rotazione - fascio fan beam! Tubo Fascio di raggi X a ventaglio, con ampiezza variabile da 5 a 10 gradi; Batteria di detettori (8-30). Corpo paziente I movimenti del sistema sono ancora traslazione e rotazione, ma con spostamenti maggiori, con un minor numero di posizioni (6-9). Il tempo di scansione è circa

26 TERZA GENERAZIONE! Sistema rotazione/rotazione! Il movimento del sistema tubo - detettori è di sola rotazione. Paziente Fascio di raggi X a ventaglio, con maggior angolo di divergenza (in modo da includere completamente il corpo del paziente); Arco di detettori ( ); Tempo di scansione = 2-10 sec. QUARTA GENERAZIONE! Sistema stazionario/rotazione! Matrice fissa di detettori Solo il tubo radiogeno ruota Fascio di raggi X a ventaglio Corona di detettori fissi Tempo di scansione < 2 sec Sorgente Raggi X 26

27 Una TC ultraveloce senza parti meccaniche in movimento ma senza successo commerciale: Electron-beam CT! Cannone elettronico Fascio di elettroni Bobine di focalizzazione Bobine di deflessione Sistema di acquisizione anelli - detettori Raggi X 4 semianelli di tungsteno cannone elettronico al posto del tubo radiogeno assenza di parti in movimento un fascio di elettroni viene diretto sui semianello di tungsteno Pompe di vuoto Tavolo portapaziente Anelli - bersaglio massima velocità di scansione 24 frames al secondo TAC convenzionale! Uno strato per volta Il tubo radiogeno ruota alternativamente in senso orario e antiorario e si ottengono misure di trasmissione dei raggi X da una serie di punti di osservazione (proiezioni) NB: i movimenti del tubo sono limitati dal sistema di cavi di collegamento 27

28 : unʼinnovazione tecnica fondamentale: SLIP RING! Contatti striscianti (slip ring) permettono la rotazione continua del tubo in senso unico Paziente TC spirale! Spiral CT - Helical CT - Volumetric CT Sviluppo reso possibile da maggiori capacità caloriche dei tubi migliore efficienza dei detettori uso della tecnologia slip-ring (con rotazione continua) per l alimentazione della sorgente radiogena in movimento continuo. Willy Kalender (

29 TC spirale! All emissione dei raggi in rotazione continua viene associato l avanzamento del tavolo portapaziente a velocità costante Paziente TC spirale o volumetrica!! Simultaneo avanzamento del tavolo e rotazione del tubo radiogeno che un set di dati volumetrici elicoidale senza punti predefiniti di riferimento lungo l asse Z e fette ricostruibili in qualsiaisi posizione! Nessuna fetta contiene tutti i dati necessari per la ricostruzione delle immagini ; quindi è necessaria un interpolazione dei dati vicini al piano 29

30 Ricostruzione spirale Le proiezioni di uno strato non corrispondono ad un solo piano Pertanto devono essere interpolati con dati esterni allo strato 1 a 2 a 3 a 4 a Rotazione 1 a 2 a 3 a 4 th Rotazione 0 0 dati diretti dati complementari Interpolazione: gradi lineari Standard (180 gradi lineari TC spirale multistrato voxel isotropici! strati strati strati strati strati strati > 300 strati... 30

31 Una precisazione tecnica!! gli apparecchi TC spirale monostrato avevano un arrangiamento tubo-detettori di terza o quarta generazione! attualmente gli apparecchi TC multistrato hanno un arrangiamento tubo-detettori di terza generazione Alcuni vantaggi della TC spirale! Valutazione volumetrica Minore durata dell esame Ridotta quantità di mezzo di contrasto Migliore risoluzione anche lungo l asse longitudinale (asse Z) e, quindi ricostruzioni multiplanari migliori Con il multistrato i vantaggi aumentano e si aggiunge una più efficiente utilizzazione del tubo 31

32 Svantaggi della TC spirale?! Maggiore complessità degli algoritmi di ricostruzione che devono tenere conto del fatto che non vi sono dati relativi a singoli strati! Costi maggiori! TC acquisizione/presentazione immagini! KV fisso (al più due possibilità)! Durata (mas) della scansione e spessore dello strato sono variabili! I dati delle immagini possono essere elaborati con diversi algoritmi e le immagini possono essere presentate con differenti settaggi di finestra...! 32

33 Variabili tecniche dellʼ esame TC standard! Parametri di Acquisizione Tempo di scansione Milliamperaggio (KV) FOV (campo di vista) Campionamento Spessore di strato Parametri di Ricostruzione Matrice Filtro di convoluzione Visualizzazione Finestra { Centro Ampiezza Variabili tecniche dellʼ esame TC spirale! Parametri di Acquisizione Tempo di scansione Milliamperaggio (KV) FOV (campo di vista) Campionamento Spessore di strato PITCH Parametri di Ricostruzione Matrice Filtro di convoluzione Visualizzazione Finestra { Centro Ampiezza 33

34 Pitch! E il parametro relativo, cioè adimensionale che descrive il rapporto tra lo spostamento del tavolo rispetto alla collimazione Pitch = Spostamento del tavolo (mm)! in una rotazione del gantry! Collimazione del fascio (mm)! Pitch: radioprotezione e qualità di immagine! Se il pitch è < 1 c è una significativa sovrapposizione degli strati (qualità migliore e dose maggiore) Se il pitch = 1 si hanno strati contigui Se il pitch è > 1 la qualità delle immagini è significativamente peggiorata (con dose minore) 34

35 Esempi di dose di radiazioni da TC! Pitch: dal monostrato al multistrato! Pitch detettore = Spostamento del tavolo (mm)! in una rotazione del gantry! Ampiezza del detettore (mm)! Pitch fascio = Pitch detettore! Numero di detettori! 35

36 Esecuzione dellʼesame TC!! verifica della indicazione clinica, anamnesi...! preparazione per eventuale somministrazione ev di mezzo di contrasto! posizionamento su lettino! scanogramma di orientamento! acquisizione dei dati (volumetrica spirale o a strati singoli) SCANOGRAMMA o scout view per programmazione delle scansioni! Immagine ottenuta effettuando unʼacquisizione! durante lo scorrimento del tavolo porta paziente! nel gantry, senza alcun movimento del tubo e dei detettori.! Viene utilizzata per definire il campo di esame.! 36

37 Serie di scansioni TC! Pellicola 35 x 43 La TC misura le densità delle strutture anatomiche! Come sono misurate e come sono espresse le densità? 37

38 Visualizzazione delle immagini TC!! La scala dei grigi! Il centro e la finestra Finestra! L occhio umano non percepisce più di toni di grigio. Pertanto la gamma di densità rappresentate nell immagine è racchiusa in una finestra di 256 toni di grigio ognuno dei quali rappresenta circa 8-16 numeri Hounsfield. 38

39 Centro ed Ampiezza! La gamma di densità rappresentate (finestra) può essere localizzata in qualsiasi punto della scala Hounsfield; il valore centrale è detto centro, l estensione della finestra è detta ampiezza. Unitaʼ Hounsfield! 39

40 Le immagini TC - visualizzazione scelta della finestra Finestra per tessuti molli Finestra osso Centro = 20 Finestra = Centro = 0 Finestra = AB Le immagini TC - visualizzazione scelta della finestra Finestra per tessuti molli Finestra polmone AB

41 Le immagini TC - visualizzazione scelta del filtro Bassa definizione Alta definizione AB L esame TC -mezzo di contrasto ev Vena porta Aorta Pre-contrasto Post-contrasto AB

42 Le immagini TC - post-processing! Elaborazione! Misurazione di distanze, angoli, aree! Ricostruzione di immagini sagittali, dorsali, oblique! Ricostruzioni tridimensionali! Multiplanar reconstruction,! Maximum Intensity Projection! Volume Rendering, Surface Shaded Display! Endoscopia virtuale.! L esame TC spirale multistrato-ricostruzioni multiplanari MPR = Multi-Planar Reconstruction Ricostruzione sagittale Ricostruzione assiale Ricostruzione coronale AB

43 L esame TC spirale multistratoricostruzioni volumetriche MIP = Maximum Intensity Projection AB Elaborazione di immagini da TC spirale! Ricostruzione volumetrica 43

44 Elaborazione di immagini da TC spirale! Ricostruzion e volumetrica Elaborazione di immagini da TC spirale! Ricostruzion e volumetrica 44

45 Endoscopia Virtuale! 4D cuore! 45

46 Tomografia computerizzata advances! Anni 90 TC spirale! Analisi 4D Valutazione anatomica tridimensionale in funzione della dimensione temporale 2010 e oltre! Flat panel detectors?! Detettori più sensibili! e riduzione della dose erogata! ab/10/2009! Sviluppi della TC spirale!! Aumento del numero delle sorgenti! (dual-source = doppio tubo RX)! Aumento della velocità di rotazione! Nuovi tipi di detettori (dual layer)! Real-time CT fluoroscopy! Imaging 3D! Angiografia TC - Endoscopia TC 46

47 Sistemi tomografici dedicati Cone-beam CT studio del massiccio facciale - apparato masticatore Newtom 5G Cone Beam CT 93 AB 2011 Sistemi tomografici dedicati C-arm Cone-beam CT radiologia vascolare e interventistica AB 2011 Aadland TD, et al AJNR Am J Neuroradiol

48 L esame TC Si può eseguire su tutti i distretti corporei Eccellente per lo studio delle strutture scheletriche e del polmone Buona visualizzazione dei tessuti molli (ad es. addome, ma anche encefalo) ma per migliorare l informazione si esegue in molti casi prima e dopo somministrazione di mezzo di contrasto mdc endovena per studio vasi sanguigni e, vascolarizzazione degli organi e mdc orale per studio digerente L acquisizione con sistemi spirale multistrato consente un esplorazione rapida del corpo intero che può essere molto utile in urgenza (trauma - pronto soccorso) AB Indicazioni di massima dell esame TC Scheletro integrazione di RX per elevato dettaglio e valutazione 3D Torace Polmone (anche in alta risoluzione) Mediastino Cuore e mediastino (cardio TC / coronaro-tc con mezzo di contrasto e valutazione dinamica 4D AB

49 Indicazioni di massima dell esame TC Urgenze - Pronto soccorso Es. Traumatologia, Ictus, Embolia polmonare, aneurismi... Cranio encefalo (in urgenza), orecchio medio e interno, massiccio facciale Addome- Pelvi Fegato e vie biliari - Pancreas Tubo digerente Apparato urinario (e genitale) AB