Radioprotezione e qualità d immagine. Bixio Monti Scuola Superiore Medico Tecnica Locarno Anno

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1 Radioprotezione e qualità d immagine Bixio Monti Scuola Superiore Medico Tecnica Locarno Anno

2 COPERTINA... 1 INDICE... 2 ABBREVIAZIONI... 3 ABSTRACT INTRODUZIONE, OBIETTIVO E STRATEGIA ADOTTATA INTRODUZIONE OBIETTIVO METODO E STRATEGIA ADOTTATI QUADRO TEORICO DOSIMETRIA DANNI DA RADIAZIONI Danni deterministici Danni stocastici I PARAMETRI D'ESECUZIONE DELL'ESAME RADIOGRAFICO Il funzionamento del tubo radiogeno Lo spettro d'emissione Conseguenze delle scelte dei kv e dei mas sulla dose erogata LE LEGGI SULLA RADIOPROTEZIONE LA QUALITÀ DELL'IMMAGINE La radiazione diffusa Risoluzione spaziale Risoluzione di contrasto L'indice d'esposizione La griglia antidiffusione RISULTATI ACQUISIZIONE DEI DATI TRATTAMENTO DATI RISULTATI CONCLUSIONI...30 RINGRAZIAMENTI...31 BIBLIOGRAFIA

3 Abbreviazioni Sv Sievert, unità di misura della dose equivalente Gy kv ma mas TRM LrAP ROI SD IE Gray, unità di misura della dose assorbita multiplo di Volt sottomultiplo di Ampere millesimo di Ampere per secondo Tecnico in Radiologia Medica Legge sulla radioprotezione Region of Interest Deviazione standard Indice d Esposizione 3

4 Abstract Nell osservare la realizzazione di alcune radiografie al torace tramite dispositivi mobili, sono rimasto colpito dal fatto che, per compensare i tipici influssi degli apparecchi mobili con conseguenze qualitativamente negative sull immagine radiografica, venissero a volte effettuate con dei parametri d esecuzione differenti da quelli normalmente usati, parametri che comportano un aumento di dose erogata al paziente. Mi sono chiesto in quale misura vari la dose in funzione dei parametri d esecuzione e, rispettivamente, in quale misura varino i parametri qualitativi dell immagine radiografica prodotta. Cercando di identificare le relazioni tra qualità dell immagine e dosi mi sono prefisso di trovare dei suggerimenti che vadano nella direzione della radioprotezione. Sono state effettuate delle radiografie, tramite un sistema radiografico portatile, di un fantoccio (ETR-1 Wellhofer) con differenti parametri d esecuzione. Nel fantoccio sono presenti delle strutture le cui immagini radiografiche permettono delle misure sulla risoluzione spaziale e sulla risoluzione di contrasto. Sono stati registrati anche gli indici d esposizione e i parametri d esecuzione dell esame relativi ad ogni radiografia. Con il dispositivo radiografico analizzato, 110kV si può ottenere, rispetto a 125kV, un incremento nella risoluzione spaziale di circa l 8% senza significativi aumenti nella dose erogata. A 100kV non si hanno, rispetto a 110kV, apprezzabili aumenti della risoluzione spaziale nonostante un incremento nella dose del 21%. A 80kV si ha, rispetto a 125kV, un incremento della risoluzione spaziale del 38% ma con un incremento di dose del 213%. 4

5 1 Introduzione, obiettivo e strategia adottata 1.1 Introduzione La motivazione del mio lavoro nasce dall'osservazione che nell'esecuzione delle radiografie del torace al di fuori del reparto di radiologia, eseguite cioè tramite un dispositivo radiografico mobile (come presso le cure intense e nelle varie sale del pronto soccorso), al fine di ottenere delle immagini qualitativamente simili a quelle ottenute nel reparto di radiologia con dispositivi radiografici fissi, a volte si ricorre alla somministrazione al paziente di una dose più elevata. La dose più elevata é cioè il lato negativo di un sistema che può venire utilizzato per sopperire a quella serie di fattori, tipici dell'esecuzione delle radiografie tramite dispositivi mobili, che influiscono negativamente sulla qualità dell'immagine prodotta. Allo stato attuale la scelta dei parametri con cui si eseguono queste radiografie, e dunque delle dosi somministrate ai pazienti, non sono protocollati e dipendono dunque dalle scelte dei singoli TRM che le eseguono. Quindi, oltre ad una possibile maggior dose al paziente, questa variazione delle dosi si ripercuote in modo non prevedibile sul rapporto costi/benefici che tali radiografie comportano. Il primo principio della radioprotezione prevede infatti che occorre giustificare ogni irradiazione attraverso un preciso calcolo costi/benefici, ma se il costo (la dose assorbita dal paziente) cambia in modo non prevedibile, allora anche la stessa giustificazione con cui si esegue la radiografia ne risente. I principi della radioprotezione rendono anche attenti alla necessità di eseguire le radiografie con la minima dose possibile. Visti i danni che provocano le radiazioni e credendo importante uno sforzo verso una possibile ottimizzazione delle dosi mi sono quindi chiesto se fosse possibile cercare di ottimizzare la radioprotezione del paziente pur mantenendo una certa qualità d immagine. 5

6 1.2 Obiettivo Identificare e quantificare le relazioni tra parametri d esecuzione (kv, mas), dosi erogate, risoluzione spaziale e di contrasto, indice d esposizione, in modo da poter determinare delle possibili soluzioni per valorizzare la radioprotezione del paziente per quanto riguarda le radiografie del torace eseguite tramite un dispositivo radiografico mobile. 1.3 Metodo e strategia adottati In un primo tempo è stato utilizzato un fantoccio antropomorfo ma le successive analisi non hanno permesso di trarne conclusioni significative. Perciò si è resa necessaria una seconda serie di acquisizione dei dati tramite un fantoccio che permettesse di misurare sia la risoluzione spaziale che la risoluzione di contrasto. Sono state eseguite delle serie di radiografie del fantoccio. Le radiografie sono state eseguite con differenti parametri di esecuzione. Le serie differiscono tra di loro secondo il parametro kv, ossia la tensione applicata al dispositivo radiogeno (serie 1: 80kV, serie 2: 100kV, serie 3: 110kV, serie 4: 115kV, serie 5: 125kV). Per ogni serie sono state eseguite più radiografie modificando il parametro mas, ossia la quantità di radiazioni prodotte. Per poter comparare tra di loro le radiografie in funzione del solo parametro kv si è reso necessario avere una singola immagine per ognuna delle serie. Si tratta cioè di ricostruire i dati che corrispondono al parametro mas ideale per avere una esposizione ottimale. Infatti è la combinazione ideale tra i due parametri di esecuzione che stabilisce il corretto indice di esposizione. Che non sempre sia possibile ottenere questa combinazione ideale è dovuto al fatto che il dispositivo radiografico permette unicamente la scelta di valori mas discreti. Per ricostruire questi dati sono state perciò analizzate le relazioni tra i parametri di esecuzione (kv, mas), l indice di esposizione e i risultati misurati. In seguito è stato possibile confrontare tra loro le caratteristiche qualitative e dosimetriche di ogni serie. 6

7 2 Quadro teorico 2.1 Dosimetria Per poter quantificare le conseguenze delle radiazioni sulla materia sono state definite due grandezze: - La dose assorbita (A), misurata in Gray (Gy), quantifica l energia scaricata da una radiazione su una data massa (1 Gy = 1 J/Kg). - La dose equivalente (H), misurata in Sievert (Sv), quantifica il danno biologico che una data dose assorbita produce sull organismo. Essa considera anche il tipo di radiazione, infatti radiazioni differenti come ad esempio le radiazioni α e X producono sull organismo danni diversi a parità di dose assorbita. Vale infatti la seguente relazione: H[Sv] = A[Gy]. Wr[Sv/Gy]. Wr é detto fattore di ponderazione della radiazione e dipende dalla dannosità biologica delle radiazioni, per quanto riguarda i raggi X é stato fissato a 1 Sv/Gy. Una radiografia del torace in posteroanteriore richiede, secondo i valori di riferimento europei, 0.3 msv. 2.2 Danni da radiazioni I danni da radiazione dipendono dall energia che esse rilasciano nella materia che attraversano. Una prima classificazione dei danni é tra somatici e genetici. I danni somatici si hanno quando l interazione é con un tessuto biologico qualsiasi mentre i danni genetici si hanno quando ad essere interessato é l apparato riproduttore e il danno si verifica sulla progenie. I danni somatici si distinguono inoltre in due grandi gruppi: 7

8 2.2.1 Danni deterministici Causano una degenerazione dei tessuti, sono caratterizzati da una precisa soglia di dose oltre la quale si manifestano con certezza determinate patologie. La dose soglia dipende da molti fattori ma può indicativamente essere posta, nel caso di una singola irradiazione, a 1Sv. La loro comparsa può essere immediata o comunque palesarsi entro brevi periodi, a dipendenza della dose. Precocità e gravità delle patologie indotte sono proporzionali alla dose. Essendo i valori soglia ben al di sopra delle dosi utilizzate in radiodiagnostica questo argomento non é ulteriormente trattato in questo lavoro Danni stocastici Non sono caratterizzati da soglie ma sono il risultato della somma di tutte le radiazioni assorbite nel corso della vita: non richiedono il superamento di una certa soglia per potersi manifestare. Sono a carattere probabilistico ma la loro insorgenza aumenta con l'aumentare della dose. Una maggior dose non causa maggiori danni, ma solo un aumento della probabilità di manifestazione. Consistono in danni al nucleo cellulare e in particolare al DNA. La loro comparsa avviene dopo anni, a volte dopo decenni dall'irradiazione. É importante capire che sono il risultato di ogni minimo contributo di dose, ci danno quindi l informazione che qualsiasi irradiazione, seppur apparentemente insignificante, va se possibile evitata. Di questa categoria fanno parte sia i danni somatici che quelli genetici. Per quanto riguarda i danni genetici stocastici possiamo distinguere inoltre tra aberrazioni cromosomiche, quali malformazioni congenite, e mutazioni genetiche, quali l aumentata frequenza delle naturali mutazioni tra una generazione e l altra. 8

9 2.3 I parametri d'esecuzione dell'esame radiografico I parametri d'interesse per il mio lavoro sono quelli che l'operatore, il Tecnico di Radiologia Medica, sceglie durante l'esecuzione dell'esame, nello specifico i kv e i mas Il funzionamento del tubo radiogeno Per capire meglio il significato di kv e mas trattiamo brevemente il funzionamento del tubo radiogeno di cui vediamo uno schema: Figura 1 Sul catodo K é presente una spiralina (come nelle vecchie lampadine ad incandescenza) che, alimentata da una tensione Uh, per effetto Edison (detto anche effetto termoelettrico o ancora effetto termoionico) 1 produce una nube di elettroni proporzionale ai mas impostati. Questi elettroni vengono prodotti nella fase precedente l'esposizione radiografica e al momento dello scatto vengono accelerati in direzione dell'anodo A dall'applicazione di una alta tensione tra anodo e catodo, questa alta tensione Ua é definita dal parametro kv. La durata di questa accelerazione dipende anch'essa dagli mas impostati, in quanto sono il prodotto dei ma per un secondo d'esposizione. Dato che l'esposizione per motivi di praticità non può durare un intero secondo, i ma verranno aumentati dalla macchina in maniera 1 9

10 indirettamente proporzionale alla diminuzione della durata dell'esposizione stessa. Esposizioni prolungate possono infatti introdurre sull'immagine delle sfumature cinetiche, ovvero risentire dei fisiologici movimenti degli organi. Per completezza d'informazione, due sono i modi con cui la radiazione X viene prodotta, dipendenti da come l'elettrone interagisce con il materiale metallico dell'anodo: 1. L'elettrone interagisce con il campo elettrico di un nucleo di un atomo subendo una decelerazione ed una relativa perdita d'energia che viene emessa sotto forma di fotoni X. Questo fenomeno é noto come l'effetto di frenamento L'elettrone interagisce con uno degli elettroni più interni di un atomo dell'anodo: l'elettrone viene diffuso fuori dall'atomo e produce una vacanza elettronica, un vuoto che viene subito riempito da un elettrone che si trova in un'orbita più esterna. Nel cambio d'orbita, essendoci tra le due orbite una differenza energetica, l'elettrone che ne prende il posto emette a sua volta un fotone con energia corrispondente alla differenza energetica tra le due orbite. Questo fenomeno prende il nome di radiazione caratteristica 3 e dipende strettamente dal tipo di materiale bersaglio e dai suoi livelli energetici. Figura 2 I raggi X generati sono in quantità direttamente proporzionale ai mas impostati e con

11 energia direttamente proporzionale al valore kv impostato. I kv determinano cioè l'energia del fascio di raggi X, più alti i kv, più alta l'energia del fascio radiante. I ma determinano invece la quantità di raggi X prodotti, più alti i ma, più raggi vengono prodotti Lo spettro d'emissione Ho deciso di illustrare brevemente lo spettro d emissione del tubo radiogeno per far comprendere che anche con scelte di kv elevati abbiamo comunque la generazione di raggi X a bassa energia. L'energia del fascio radiante come abbiamo visto é in relazione al valore dei kv impostati. Dato però che i fenomeni di generazione della radiazione non avvengono sempre allo stesso modo, ovvero nel caso del frenamento, data la sua traiettoria, l'elettrone non cede sempre la stessa quantità d'energia, abbiamo uno spettro d'emissione che considera una grande variabilità energetica. Nel grafico sottostante é riportato lo spettro d'emissione di un tubo radiogeno con anodo in tungsteno ed una tensione applicata di 100kV: Figura 3 Per diminuire il contributo dei raggi con poca energia, il cui influsso sulla formazione dell immagine è minore, l apparecchio radiografico prevede, per legge, una filtrazione tramite uno spessore minimo di alluminio di 2.5mm. Questo spessore limita in maggior misura i raggi con energie basse rispetto a quelli con energie alte. 11

12 L'energia media dei fotoni emessi é 2/3 del valore dei kv impostati Conseguenze delle scelte dei kv e dei mas sulla dose erogata A dipendenza dell'energia del fascio radiante e della sua intensità, che come abbiamo visto sono rispettivamente riconducibili ai parametri kv e ma, la radiazione X interagisce in modo differente quando attraversa la materia. Alti valori energetici (parametro kv elevato) conferiscono al fascio radiante una elevata capacità di penetrazione, ciò significa che la sua probabilità d'interagire con la materia é bassa. La loro bassa probabilità d'interazione con la materia determina una ugualmente bassa cessione d'energia. Nonostante quindi che il loro potenziale energetico sia elevato, la quantità di energia che scaricano sulla materia é relativamente bassa. Al contrario, fasci di radiazione con energie basse subiranno nel loro attraversare la materia molte più interazioni ed andranno di conseguenza a scaricare in proporzione molta più energia. 2.4 Le leggi sulla radioprotezione A livello di direttive europee, in riferimento alla radiodiagnostica per immagini: Le esposizioni mediche di cui all'articolo 1, paragrafo 2 devono mostrare di essere sufficientemente efficaci mediante la valutazione dei potenziali vantaggi diagnostici o terapeutici complessivi da esse prodotti, inclusi i benefici diretti per la salute della persona e della collettività, rispetto al danno alla persona che l'esposizione potrebbe causare, tenendo conto dell'efficacia, dei vantaggi e dei rischi di tecniche alternative disponibili, che si propongono lo stesso obiettivo ma che non comportano un'esposizione, ovvero comportano un'esposizione inferiore alle radiazioni ionizzanti 4 A livello Svizzero, la legge federale sulla radioprotezione, all'articolo 5, stabilisce che: Un attività è giustificata, ai sensi dell articolo 8 LRaP, qualora i vantaggi ad essa 4 Direttiva europea 97/43/Euratom

13 connessi superino nettamente gli svantaggi dovuti alle irradiazioni e qualora non siano disponibili soluzioni complessivamente più favorevoli all uomo e all ambiente che non comportino esposizione a radiazioni. 5 Mentre l'articolo 6 della stessa legge specifica: Per attività giustificate la radioprotezione è ritenuta ottimale qualora: a. le diverse soluzioni adeguate siano state valutate e confrontate dal punto di vista della radioprotezione; b. sia possibile ricostruire il processo decisionale che ha portato alla soluzione scelta; c. si sia tenuto conto del rischio di incidente e dello smaltimento delle sorgenti radioattive. 6 La legge sulla radioprotezione prevede dunque che ogni somministrazione di radiazioni a scopi medici debba essere giustificata da un preciso calcolo costi/benefici che allo stato attuale, come visto sopra, non é ottimale. Stabilisce che la dose somministrata al paziente sia la più bassa possibile. Stabilisce che si devono valutare diverse soluzioni per l esecuzione dell esame (ad es. scelta dei kv per avere comunque una qualità accettabile). Interessante per la giustificazione del mio lavoro di diploma anche il punto b. dell'articolo 6 della LrAP in quanto la variabilità soggettiva dei parametri d'esecuzione degli esami radiografici in questione non permette la ricostruzione del processo decisionale che ha portato alla richiesta di una radiografia. 5 Art 5 della LraP Art 6 della LraP

14 2.5 La qualità dell'immagine La qualità dell'immagine ottenuta con dispositivi mobili dipende da differenti fattori. Quelli considerati in questo lavoro comprendono unicamente i parametri d esecuzione. Altri fattori, come ad esempio la perpendicolarità tra il fascio radiante centrale e il piano d esposizione, vengono mantenuti in questo studio costanti e quindi resi ininfluenti sui risultati La radiazione diffusa Nel passaggio dei raggi X nella materia, alcuni di essi interagiscono e perdono la loro energia causando la produzione di fotoni la cui traiettoria é deviata rispetto al fascio primario. Questi raggi non contengono informazione utile alla costituzione dell'immagine e si dicono radiazione diffusa. La radiazione diffusa risulta sull'immagine come rumore e produce una diminuzione nella risoluzione spaziale e di contrasto. Per ridurre questa conseguenza si ricorre in genere a griglie antidiffusione. L altro accorgimento possibile é quello di diminuire il valore dei kv in modo che si generi una quantità di radiazione diffusa minore Risoluzione spaziale La risoluzione spaziale è la capacità di un sistema di imaging di distinguere tra di loro dei punti di un oggetto che sono separati da una piccola distanza, come due punti adiacenti. Il termine risoluzione o distanza minima risolvibile è la distanza minima tra oggetti distinguibili di un immagine per cui gli oggetti rimangono distinguibili.. È anche misurabile e definibile in qualità di numero di linee (distinguibili) per millimetro. È un indice di qualità di tutto il processo che porta alla formazione dell'immagine Risoluzione di contrasto La risoluzione di contrasto è la capacità di un sistema di imaging di distinguere tra le differenze in intensità di un'immagine. E' la capacità di distinguere tra loro strutture vicine con intensità differenti, o altrimenti la più piccola variazione di intensità rilevata. 14

15 È un indice di qualità di tutto il processo che porta alla formazione dell'immagine L'indice d'esposizione L'indice d'esposizione è un valore che tiene conto della quantità d'esposizione ricevuta dal detettore. Si basa su un calcolo della media dei valori di tutti i pixel dell'immagine. Tiene conto quindi delle aree di sovra e di sottoesposizione e ritorna un indice globale di qualità dell'immagine. L indice di esposizione è dunque un indice della qualità dell immagine che deve rimanere entro certi limiti, stabiliti dalla casa che ha prodotto apparecchiature e software. Il range ottimale dell indice d esposizione, nel caso di un sistema Philips, vanno da 300 a La griglia antidiffusione La griglia antidiffusione è composta da una serie di lamelle radioopache (in piombo) intercalate da lamelle radiotrasparenti. In questo modo la radiazione che è parallela alla griglia viene lasciata passare mentre quella che presenta un certo angolo minimo con la griglia viene fermata. Le peculiarità costruttive della griglia antiradiazione diffusa utilizzata in questo studio, in particolare il come é costruita (numero di lamine di piombo, il loro spessore e la loro altezza che in un sistema mobile sono mediate dalla necessità di ridotte dimensioni e ridotto peso per questioni di portabilità) e il fatto che sia fissa, influiscono negativamente sulla capacità di filtrazione della radiazione diffusa rispetto ad una griglia mobile di un sistema radiografico fisso. Il limite rappresentato dal modo in cui é costruita riguarda il potere di fermare la radiazione diffusa superiore a 80kV. L'energia media della radiazione diffusa prodotta dall'interazione con il corpo del paziente é di circa 2/3 di quella del raggio primario. Da questo si può immaginare che già a 120Kv la griglia é posta davanti ai suoi limiti. Il fatto inoltre che la griglia fissa non sia di tipo mobile influisce negativamente sull'immagine togliendo informazione in punti fissi, corrispondenti alla posizione delle lamelle di piombo. Le griglie portatili offrono dunque una minore capacità di filtrazione della radiazione diffusa rispetto quelle mobili dei dispositivi radiografici fissi all'interno del reparto di radiologia. A causa di questo si verifica, sull'immagine prodotta, una minore risoluzione spaziale e di contrasto, dipendente dalla maggior percentuale di radiazione diffusa non filtrata. 15

16 3. Risultati 3.1 Acquisizione dei dati Le radiografie sono state eseguite con l ausilio di un fantoccio ETR-1 della ditta Wellhofer 7 e di un filtro di 20 cm di acqua, posto tra il fantoccio ed il tubo radiogeno, per riprodurre la generazione di radiazione diffusa di un paziente standard. Il fantoccio ETR-1 della Wellhofer dispone di una serie di strutture in metallo la cui immagine radiografica permette di valutare i parametri di qualità dell intero processo che porta all'immagine, come la risoluzione spaziale, la risoluzione di contrasto, la perpendicolarità del fascio e la distorsione dell'immagine. Figura 4 Le strutture relative alla risoluzione spaziale sono dei gruppi di tre linee metalliche

17 distinti tra di loro dalla differente distanza tra le linee e loro spessore. Ad ogni gruppo corrisponde un valore che gli é adiacente, presente sotto forma di numero in metallo, che indica di quel gruppo il numero di linee per mm. Di seguito viene riportata una fotografia della parte del fantoccio che serve per la misura della risoluzione spaziale e la sua immagine radiografica. Figura 5 Figura 6 Di queste strutture, una volta ottenuta un immagine radiografica, ne viene valutata la visibilità: il gruppo di linee più piccole che si possono ancora distinguere tra di loro determina la risoluzione spaziale. 17

18 Le strutture relative alla risoluzione di contrasto sono una serie di differenti spessori metallici di rame, che vediamo in questa immagine radiografica. Figura 7 Su questa scala di grigi è possibile eseguire delle misure sulla risoluzione di contrasto tramite le ROI (vedi punto 3.2). La perpendicolarità del fascio viene verificata controllando che le immagini dei due concentrici cilindri metallici al centro del fantoccio non si sovrappongano. La distorsione dell immagine viene verificata accertandosi che non ci siano distorsioni nel reticolo o nei cerchi concentrici dell immagine. Per semplificare la procedura di posizionamento e renderla il più riproducibile possibile, fantoccio e spessore di acqua sono stati fissati tra di loro e sul piano di esposizione (cassetta radiografica per il sistema mobile o detettore digitale per il sistema fisso) è stata marcata la posizione del fantoccio. La distanza tra tubo radiogeno e superficie dello spessore di acqua è stata mantenuta fissa a 1.2m e la posizione del tubo radiogeno del sistema portatile è stata controllata tramite una livella a bolla in modo da rendere il raggio centrale della radiazione perpendicolare al rilevatore di immagine. Per ogni radiografia è stato registrato l indice d esposizione ed i parametri d esecuzione (kv, mas). Sono state eseguite delle radiografie anche tramite un dispositivo radiografico fisso, questo per avere dei dati che permettessero di confermare alcune particolarità e per avere un idea dei parametri qualitativi di un immagine eseguita in condizioni ideali. 18

19 3.2 Trattamento dati Per poter valutare la ripetibilità delle misure dell indice della risoluzione di contrasto sono state eseguite e confrontate tra loro 10 misure di una medesima struttura: sono state tracciate delle ROI 8 su un singolo grigio della scala di grigi della Figura 7 (pagina 18). I valori ottenuti dimostrano variazioni al di sotto delle variazioni registrate a causa del cambiamento dei parametri d esecuzione. Valori ottenuti: numero misura valore SD Tabella 1 Media: Deviazione standard: 0.24 Dalle immagini delle strutture metalliche di differente spessore (Figura 7) si ottengono delle immagini che idealmente dovrebbero essere una scala di precisi livello di grigi uniformi, ma data la radiazione diffusa presenteranno una certa variazione nei pixel che ne compongono l immagine generata. Questa variazione, indice della risoluzione di contrasto, viene quantificata tracciando sull immagine radiografica una ROI che permette di calcolare il valore medio dei pixel contenuti e la deviazione standard dei pixel rispetto quel valore. Sono state tracciate 3 ROI circolari per i corrispondenti valori relativi agli spessori metallici di rame (0mm, 0.3mm e 0.6mm): SD0, SD0.3 e SD0.6. Le ROI, di dimensione fissa cm^2, vengono tracciate al centro delle immagini prodotte dai diversi spessori. Le immagini delle linee (Figura 6) permettono invece di valutare la risoluzione spaziale, infatti più alta é la risoluzione più si riesce a distinguere tra di loro le linee delle serie di linee più ravvicinate. Il numero che si trova a fianco del più piccolo 8 Una Region Of Interest è una figura chiusa che si può disegnare sull immagine e che permette di effettuare delle misure sui pixel che vi sono contenuti. La ROI può essere disegnata a mano libera o avere forme geometriche semplici preimpostate. 19

20 gruppo di linee che sono ancora distinguibili tra di loro determina la risoluzione spaziale. Queste misure sono state effettuate per cinque volte senza riscontrare discrepanze tra una e l altra. Per poter comparare tra di loro le radiografie occorre un indice che ne attesti la qualità in generale, come l indice d esposizione (IE). Idealmente andrebbero comparate tra loro immagini con indici d esposizione uguali. Non disponendo della possibilità di ottenerle (a causa dei valori discreti dei mas) ho eseguito delle regressioni per poter ricostruire i dati mancanti alla comparazione. Per fare questo sono ricorso all indice d esposizione: per capire come l IE si comporta in funzione degli altri parametri sono stati eseguiti delle regressioni per ottenere delle formule per potere interpolare i valori intermedi. E stato dunque possibile ricostruire la dose, il valore dei mas corrispondenti ad un certo IE, i valori della SD corrispondenti ad un determinato mas e i valori della risoluzione spaziale corrispondenti ad un certo kv. È stato cosi possibile confrontare tra di loro dei dati corrispondenti ad un preciso IE, in particolare la dose ed i mas necessari per un dato IE. Per stabilire la dose superficiale in entrata ho utilizzato una formula dell Ufficio Federale della Sanità Pubblica 9 che, nonostante presenti una precisione assoluta media del ±30%, permette di comparare con precisione le differenze relative di dose: U [ kv ] 2 1[ m ] 2 D [ mgy ] K [ mgy / mas ].( ). Q[ mas ].( ). RSF [ kv ] DFS [ m ] Equazione 1 U: tensione di picco in kv Q: corrente del tubo come prodotto ma per il tempo d esposizione in secondi DFS: distanza tubo radiogeno superficie K: costante caratteristica dell impianto radiogeno RSF: fattore di retrodiffusione, normalmente pari a 1.35 Necessitando unicamente di un rapporto tra le varie dosi e non del loro valore assoluto, nei calcoli non è stato necessario conoscere la costante K del tubo radiogeno ed il fattore di retrodiffusione RSF. 9 Circolare R

21 Segue la tabella con i dati misurati, le prime due colonne contengono i parametri di esecuzione. 21 Tabella 2

22 indice esposizione indice esposizione indice esposizione Le dosi nella precedente tabella sono state calcolate grazie alla Equazione 1 di pagina 20 e sono state arbitrariamente normalizzate ad 1 sul valore 125kV con 3.2 mas. Di seguito sono riportati i grafici, basati sulla precedente tabella, delle relazioni tra dose ed indice d esposizione con le relative formule di interpolazione e l indice di correlazione utilizzati per calcolare i dati della Tabella 3 che segue a pagina 26. In questi grafici si nota come l indice di esposizione sia correlato con la dose assorbita in modo pressoché perfetto, infatti l indice di correlazione media è che corrisponde ad un indice di Normalmente si ritiene una correlazione valida se l indice è superiore a 0.4. La correlazione risulta perfetta se r=1. Tramite questi grafici è stato possibile ricostruire la dose necessaria per un indice di esposizione ideale. 80kV dose relativa y = x r² = dose relativa 100kV y = x r² = dose relativa 110kV y = x r² =

23 indice esposizione indice esposizione 115kV dose relativa y = x r² = kV y = x r² = dose relativa Figura 8 Seguono i grafici di correlazione tra la SD e i mas dove si nota la corrispondenza tra il parametro mas e l indice sulla risoluzione di contrasto SD. L indice medio di correlazione e pari a 0.91 ed Tramite questi grafici è stato possibile ricostruire la SD corrispondente ad un certo valore di mas. S D kV y = x x r² = mas 23

24 S D S D S D S D mas 100kV mas 110kV mas 115kV mas 125kV y = x x r² = y = x x r² = y = x x r² = y = x x r² = 1 Figura 9 Infine i grafici relativi alle corrispondenze tra indice di esposizione e risoluzione spaziale. In questo ultimo caso i valori di r sono, seppur non ottimali, accettabili per affermare che esiste una relazione: è e La spiegazione del valore non ottimale è che, nella analisi della risoluzione spaziale, nella fase di lettura dei risultati alcuni valori sono stati sottostimati ed alcuni sovrastimati: infatti i valori leggibili sulle immagini sono discreti (vedi Figura 5, pagina 17). 24

25 IE IE IE IE kV y = 562x r² = Risoluzione Spaziale 100kV y = x r² = Risoluzione Spaziale kV y = x r² = Risoluzione Spaziale kV y = 985x r² = Risoluzione Spaziale 25

26 IE kV y = 775x r² = Risoluzione Spaziale Figura 10 Nella seguente tabella vengono riportati, per ogni valore del parametro kv, i valori calcolati grazie alle regressioni: Tabella 3 In questa ultima tabella sono riportati unicamente i dati ricostruiti, in modo da avere sempre lo stesso Indice di Esposizione. I dati ricostruiti sono le caratteristiche dosimetriche e qualitative di ipotetiche immagini aventi un indice di esposizione ideale, in modo da poterle comparare tra di loro. 26

27 3.3 Risultati L indice della risoluzione di contrasto SD non si comporta come aspettato. Dovrebbe infatti aumentare all aumentare del valore dei kv, come confermato da acquisizioni effettuate con un dispositivo fisso. Dai risultati ottenuti con il dispositivo mobile non lo si può quindi confermare. Sistema radiografico mobile: Tabella 4 Sistema radiografico fisso: Tabella 5 27

28 Risoluzione Spaziale (ln/mm) Una possibile spiegazione dell inconsistenza dell indice SD risiede nel riposizionamento cassetta-fantoccio che occorre effettuare, unicamente con il dispositivo mobile, tra una acquisizione e l altra: è infatti possibile che seppure piccole variazioni nella geometria influiscano sui risultati. E da notare comunque che la risoluzione di contrasto, nel caso di radiografie del torace, non ha particolarmente importanza in quanto il parenchima polmonare presenta già un forte contrasto con l aria contenuta nei polmoni. Si può quindi affermare che nel caso specifico di questo lavoro la risoluzione spaziale è la componente più importante nella determinazione della qualità dell immagine prodotta. La risoluzione spaziale mostra una chiara proporzionalità inversa con il parametro kv, ossia aumenta al diminuire del valore dei kv. Risoluzione spaziale - kv R² = Tensione (kv) Figura 11 Come si vede nella figura 11 esiste una chiara correlazione anche tra i valori ricostruiti della risoluzione spaziale e i valori dei kv. Il corrispondente indice di qualità della correlazione è Per quanto riguarda la dose, rispetto a 125kV, si nota un significativo incremento a 80kV (+100%), mentre a 100kV aumenta del 20% e sembra rimanere invariata tra 110 a 125kV. 28

29 kv/dose D o s e kv Figura 12 29

30 3.5 Conclusioni Con il sistema radiografico portatile analizzato, si evidenzia che a 110kV si può ottenere, rispetto a 125kV, un incremento nella risoluzione spaziale di circa l 8% senza però dover aumentare in modo significativo la dose erogata. Questo risultato mostra come sia possibile, rispetto ad una acquisizione a 125kV, aumentare la qualità dell immagine senza aumentare la dose assorbita dal paziente. A 100kV non si hanno, rispetto a 110kV, apprezzabili aumenti della risoluzione spaziale nonostante un incremento nella dose del 21%. Questo risultato dimostra i vantaggi della scelta dei 110kV rispetto a 100kV. A 80kV si ha, rispetto a 125kV, un incremento della risoluzione spaziale del 38% (valore che corrisponde alla risoluzione spaziale ottenibile con il dispositivo fisso) ma con un incremento di dose del 213%, sempre rispetto a 125kV. 30

31 Ringraziamenti Al professor F. Bezzola, per i suggerimenti. Al Signor D. Gatti, per aver fornito il secondo fantoccio. Al reparto di radiologia dell Ospedale regionale di Bellinzona e Valli, in particolar modo al capo reparto F. Mascaro per la disponibilità dell apparecchio radiografico portatile. Al reparto di radioterapia dell Ospedale regionale di Bellinzona e Valli, per la disponibilità del fantoccio antropomorfo. Al professor C. Naiaretti, per le indicazioni metodologiche. Al professor G. Pioda, per i consigli su come trattare i dati. Al reparto di radiologia dell Ospedale Civico di Lugano, in particolare al capo reparto E. Rezzonico, per la disponibilità dell apparecchio radiografico portatile e fisso. 31

32 Bibliografia Ordinanze: UFSP, Divisione radioprotezione. Ordinanza sulla radioprotezione (OraP) del (stato al 1 gennaio 2008). Materiale in rete: A pilot study of chest X-ray doses and dose variability within the West Midlands Regional Health Authority, Visitato il Direttiva europea 97/43/Euroatom, Visitato il Patient dose optimization in plain radiography based on standard exposure factors, Visitato il A phantom for dose-image quality optimization in chest radiography, Visitato il Commissione Europea, sezione Ambiente, Linee guida per I livelli diagnostici di riferimento (LDR) nelle esposizioni a scopo medico, Visitato il Direttiva europea 97/43/Euratom, Visitato il