TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA

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1 TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Storia Negli anni 30 il radiologo italiano Alessandro Vallebona propose un metodo per rappresentare un solo strato del corpo sulla pellicola radiografica: la stratigrafia. Sfruttando principi di geometria proiettiva, con la pendolazione del tubo radiogeno, tutti i piani al di sopra e al di sotto dello strato di interesse vengono eliminati. La stratigrafia ha rappresentato fino alla metà degli anni 80 uno dei pilastri della diagnostica radiologica, ma grazie all'avvento del computer è stata progressivamente soppiantata. 1

2 Storia Il metodo circolare alla base della TC fu ideato e realizzato dall'ingegnere inglese Godfrey N. Hounsfield e dal fisico sudafricano Allan M. Cormack, che per le loro scoperte vinsero il premio Nobel per la medicina nel Il primo tomografo computerizzato consentiva esclusivamente lo studio delle strutture del cranio e fu installato all'atkinson Morley Hospital di Londra nel Nel 1974 furono create le prime apparecchiature per lo studio del torace e dell'addome. 2

3 E una tecnica non invasiva che fornisce una serie di immagini assiali (trasversali) del corpo distinguendo i vari organi e tessuti in base alla loro DENSITÀ grazie ad un fascio di radiazioni X che attraversa il corpo da differenti punti di vista. Tomografia computerizzata 3

4 L'immagine del corpo da studiare viene creata misurando l'attenuazione di un fascio di raggi X che attraversa tale corpo. Questa varia in modo proporzionale alla densità elettronica dei tessuti attraversati, cioè alla distribuzione spaziale degli elettroni nello strato corporeo in esame. 4

5 L'emettitore del fascio di raggi X ruota attorno al paziente ed il rivelatore, al lato opposto, raccoglie l'immagine di una sezione del paziente; il lettino del paziente scorre in modo molto preciso e determinabile all'interno di un tunnel di scansione, presentando a ogni giro una sezione diversa del corpo. Le sequenze di immagini, assieme alla informazioni dell'angolo di ripresa, sono elaborate da un computer, che presenta il risultato sul monitor. 5

6 Nelle immagini risultanti i vari organi sono rappresentati in scala di grigio, corrispondente alla loro densità relativa. Poiché le immagini prodotte sono di tipo digitale, il corpo studiato viene suddiviso in elementi di volume (voxel), ai quali corrisponde un elemento unico d'immagine (pixel); il numero di pixel da cui è formata un immagine è detto matrice. Quanto più piccolo è il volume rappresentato da un singolo pixel tanto maggiore è la risoluzione spaziale. 6

7 A ciascun quadratino della matrice (pixel) viene assegnato un valore numerico che è in rapporto al coefficiente di attenuazione lineare della corrispondente porzione di tessuto in esame. Dato che ogni fetta ha uno spessore, ad ogni pixel corrisponde in realtà un volume di tessuto (voxel). 7

8 A ciascun voxel viene assegnato un valore numerico che rappresenta l attenuazione media del corrispondente volume di tessuto, detto numero TC o unità Hounsfield. L'attenuazione è direttamente proporzionale alla densità elettronica dei tessuti presenti nel voxel: il suo valore è detto "densitometrico". Un voxel con alta densità viene rappresentato con una gradazione di grigio più chiara. Edge Enhancement Filtro di rappresentazione che consente di esaltare l interfaccia che si crea al confine tra tessuti con elevata differenza di densità (es. osso-aria; osso-tessuti molli; osso compattospugnoso). Si realizza attraverso l impiego di una matrice numerica che dà maggior peso al voxel centrale

9 Effetto volume parziale Imprecisione dei numeri TC quando nel voxel sono presenti strutture a densità differente, delle quali viene rappresentata una media. Volume parziale a b 9

10 Indurimento del fascio Artefatto dovuto all assorbimento delle radiazioni di bassa energia ad opera di tessuti ad elevato numero atomico (es. osso), con incremento relativo della energia media del fascio radiogeno. Può essere corretto attraverso l impiego di filtri dedicati (BHC). Per visualizzare l immagine TC i valori numerici dei singoli pixel devono prima essere convertiti in segnali analogici e quindi rappresentati in una scala di livelli di grigio ciascuno con una luminosità o tono determinato dal valore del numero TC del corrispondente elemento tissutale. 10

11 Il numero di livelli di grigio che può essere rappresentato in una singola immagine è tipicamente di 256 (8 bit); di questi non più di 18 possono essere percepiti contemporaneamente dall occhio umano. 11

12 Ampiezza della finestra: range di rappresentazione dei grigi. I livelli al di sopra ed al di sotto dei limiti della finestra corrisponderanno al bianco ed al nero. I livelli intermedi verranno distribuiti in maniera lineare all interno della finestra. Condiziona il contrasto dell immagine. Centro della finestra: sposta il livello intermedio di grigio utilizzato sulla densità che vogliamo studiare; condiziona la luminosità dell immagine. Risoluzione spaziale: E la minima distanza che deve intercorrere tra due oggetti per poter essere percepiti come distinti. E funzione delle dimensioni della macchia focale del tubo e delle dimensioni dei pixel. E indipendente dalla dose. 12

13 Risoluzione di contrasto: E la minima differenza di densità rilevabile tra un oggetto ed un fondo omogeneo. Dipende dalla dose ed è limitata dal rumore Risoluzione temporale: E espressione della velocità di acquisizione dei dati. E in rapporto con la durata delle scansioni ed in quelle volumetriche aumenta all aumentare del pitch (pitch = (mm/sec * t rot )/mm). Il Rumore esprime la granulosità del sistema e limita la visibilità di particolari a basso contrasto; si distinguono: Rumore quantico Rumore elettronico E presente sia nei sistemi analogici che digitali. 13

14 Il Rumore quantico dipende dai meccanismi di produzione della radiazione a livello del tubo radiogeno e dai processi di interazione della radiazione con la materia. Entrambi questi processi sono descritti dalla meccanica quantistica e quindi da leggi probabilistiche (statistica di Poisson). Il Rumore elettronico è dovuto a tutte le fonti di rumore legate all'imperfezione dei vari componenti dei sistemi elettronici (resistenze, telecamere,...). 14

15 L'unità di misura della densità elettronica è l'uh (unità di Hounsfield - HU), la cui scala comprende 2001 diverse tonalità di grigio, dal nero al bianco. La densità dell'aria assume un valore di UH, l'acqua vale 0 HU e l'osso compatto vale

16 L insieme dei pixel forma la matrice. Le dimensioni delle matrici sono espresse con il numero di pixel per lato. Comunemente sono usate: 256 x 256, 512x512, 1024x1024. TOMOGRAFIA Ad EMISSIONE A TRASMISSIONE Medicina Nucleare (PET, SPECT) Radiologia Tomografia Computerizzata 16

17 Uso della TC E considerato un esame di 2 livello, ovvero volto a chiarire dubbi diagnostici di particolare importanza clinica ai quali gli esami radiologici ed ecografici più semplici e meno costosi non sono arrivati a dare una risposta definitiva. Uso della TC Poiché è in grado di fornire immagini assiali di ogni distretto, grazie a software dedicati, permette anche la elaborazione tridimensionale delle immagini acquisite. La TC consente lo studio anche di complesse strutture anatomiche ed è un esame oramai molto utilizzato, specialmente nella valutazione pre-chirurgica. 17

18 Uso della TC Spesso gli esami TC richiedono l'impiego di mezzo di contrasto, ovvero un farmaco a base di Iodio iniettato per via endovenosa che permette di evidenziare l organo o le strutture in esame, ottenendo immagini più nitide attraverso un maggior contrasto tra tessuti di diversa natura, permettendo di caratterizzare eventuali anomalie riscontrate nel corso dell indagine. Tc: l apparecchiatura E costituita da: Una struttura ad anello orizzontale (Gantry) che contiene la sorgente delle radiazioni (tubo radiogeno) ed il sistema di rilevazione (detettori), ed un lettino porta-paziente Una consolle in cui si impostano i parametri Un computer che analizza i dati e ricostruisce le immagini Un sistema di visualizzazione, uno d archivio ed uno di stampa 18

19 Tc: l apparecchiatura Il gantry è composto da: Tubo radiogeno Collimatori Detettori Alimentatore Sistemi di raffreddamento Il Tubo Radiogeno I raggi x sono prodotti attraverso l urto tra un fascio di elettroni ad alta energia ed un disco composto da un elemento ad alto numero atomico (in genere tungsteno); essi vengono prodotti all interno del tubo radiogeno. 19

20 Il Tubo Radiogeno E formato da un ampolla di vetro in cui è stato creato il vuoto, con agli estremi due elettrodi: uno positivo (l anodo), ed uno negativo (il catodo). Il catodo è costituito da un filamento di Tungsteno L anodo è costituito da un metallo pesante come ad esempio Tungsteno e Renio. Il Tubo Radiogeno Gli elettroni vengono estratti dal catodo, attraverso un effetto termoionico (riscaldamento effettuato tramite una piccola d.d.p.), ed accelerati verso l anodo; l entità della d.d.p. determina la velocità degli elettroni. Il numero di elettroni estratti rappresenta la corrente del tubo; con l aumento della corrente aumenta la produzione di raggi x. 20

21 Il Tubo Radiogeno Gli elettroni ad alta velocità provenienti dal catodo, sono bruscamente decelerati quando passano vicino agli atomi di tungsteno dell anodo. Gli elettroni, essendo a carica negativa, sono attratti dai nuclei a carica positiva e vengono deviati perdendo energia; la produzione di raggi x avviene malgrado l elevatissima dispersione d energia sotto forma di calore (97-99%). Tubo radiogeno e suo schema 21

22 Il Tubo Radiogeno L anodo è soggetto a riscaldamento. Per ridurre l usura si ricorre, quando necessario, ad un anello che ruota, fornendo al fascio di elettroni una superficie relativamente fredda. Questi sono detti tubi radiogeni ad anodo rotante. Tubo Radiogeno ad anodo fisso Tubo Radiogeno ad anodo rotante 22

23 Particolare dell anodo rotante Collimatori I raggi X emergendo dal tubo radiogeno tendono a divergere. 23

24 Collimatori E uno strumento ottico in grado di allineare i raggi di un fascio nella stessa direzione composto da una lente convergente nel cui piano focale è posto un diaframma con un foro o una fenditura. Possono essere posizionati sia all origine dei raggi che prima dei detettori. Determinano lo spessore del fascio radiogeno e di conseguenza lo spessore di strato. Detettori Servono per rilevare l energia trasmessa trasformando le radiazioni X in corrente elettrica permettendone la quantizzazione Possono essere sia solidi che gassosi Si trovano in posizione contrapposta al tubo radiogeno. 24

25 Il corpo da esaminare è posizionato al centro del sistema. Ad ogni scansione la radiazione trasmessa viene rilevata da un sistema di detettori che ne misura l attenuazione subita lungo la traiettoria del fascio radiogeno. Si producono pertanto dei profili di attenuazione dai quali, con l impiego di algoritmi di ricostruzione dedicati, viene generata una immagine digitale bidimensionale. 25

26 Utilizza un fascio di raggi X collimato monocromatico Monocromatico: radiazione perfettamente sinusoidale, cioè composta da una sola frequenza Collimato: mediante uno strumento ottico i raggi di un fascio sono allineati nella stessa direzione, o disposti paralleli a un dato piano. Poiché il fascio è collimato, con uno spessore variabile da 0,5 a 10 mm, il risultato sarà una fetta corrispondente alla sezione di corpo studiato. 26

27 I vantaggi sono: Esaminare un oggetto nelle condizioni naturali Visualizzare ogni area dell'oggetto in modo non distruttivo con sufficiente ingrandimento Utilizzo di un fascio collimato che fornisce un segnale quasi privo di radiazioni diffuse Uso di detettori che risentono del rumore meno dei tradizionali sistemi schermo-pellicola Immagini assiali che sono libere da sovrapposizioni Elevata sensibilità di contrasto: sono riconoscibili strutture con differenza di densità dello 0.5% Poter estrarre da ogni sezione o dall'intero volume dell'oggetto le caratteristiche numeriche della struttura interna (morfologia e composizione) Esecuzione dell esame TC 1. Posizionamento paziente 2. Centraggio con fasci luminosi 3. Esecuzione topogramma 4. Impostazione parametri scansione 5. Scansione 6. Stampa ed archiviazione esame 27

28 Esecuzione dell esame TC Posizionamento paziente: il paziente viene disteso viene fatto scorrere attraverso il gantry Centraggio con fasci luminosi: man mano che il lettino avanza nell anello i raggi emessi dal tubo attraversano il distretto corporeo da esaminare Esecuzione topogramma: i raggi che riescono ad attraversare le strutture corporee sono raccolti dai detettori che ruotano in concomitanza con il tubo e trasformati in immagine Esecuzione dell esame TC Parametri di scansione: Spessore della fetta Avanzamento del tavolo Energia del fascio (mas, Kv) FOV Filtro di costruzione 28

29 FOV E l area rappresentata nell immagine ricostruita. Condiziona le dimensioni del pixel a parità di matrice. Tanto minore è il FOV tanto piu piccoli saranno le dimensioni dei pixel e tanto più risoluta è l immagine risultante. Esempi: Matrice FOV = 20 cm FOV = 30 cm 512 x mm mm 1024 x mm mm Filtri di convoluzione Sono gli algoritmi matematici impiegati nella ricostruzione delle immagini a partire dai profili di attenuazione. Possono privelegiare la risoluzione spaziale o quella di contrasto esaltando rispettivamente le alte o le basse frequenze contenute nella trasformata di Fourier dell immagine originale. 29

30 Esecuzione dell esame TC Tipi di scansioni: Normali Dinamiche Volumetriche/Spirali Geometria del sistema tubo-detettori L evoluzione tecnologica delle apparecchiature TC ha portato ad una loro classificazione in generazioni, ciascuna delle quali è caratterizzata da una diversa geometria del complesso tubo-detettori. 30

31 Apparecchi di I generazione Il fascio radiante è costituito da un pennello di raggi x; è solidale con il rilevatore e si muove perpendicolarmente allo strato in esame (traslazione). Il sistema ruota intorno al paziente e la traslazione viene ripetuta ogni grado fino a 180 gradi. I tempi di scansione erano di 3-5 minuti per strato. Sistema di una TC di I generazione 31

32 Apparecchi di II generazione Il fascio radiante è costituito da un ventaglio di ampiezza variabile da 3 a 20 gradi che colpisce un sistema di 3-30 rilevatori. L acquisizione avviene mediante successivi movimenti di traslazione e rotazione, con passi angolari di 3-20 gradi, accorciando il tempo per singola scansione a secondi. Sistema di una TC di II generazione 32

33 Apparecchi di III generazione Il fascio radiogeno è costituito da un ampio ventaglio (35-50 gradi). I detettori sono , disposti ad arco di cerchio, opposti al tubo, con il quale sono solidali. La rotazione è di gradi. Il tempo di scansione può essere ridotto ad 1 sec circa. Sistema di una TC di III generazione 33

34 Apparecchi di IV generazione Un grande numero di detettori ( ), è disposto lungo una completa corona circolare intorno al paziente. Il fascio a ventaglio ruota mentre i detettori rimangono fissi. Tempi di scansione ridotti. Costo più elevato. Sistema di una TC di IV generazione 34

35 TC spirale Evoluzione delle apparecchiature della III generazione; il sistema tubo-detettori ruota continuamente intorno al paziente. Le immagini vengono acquisite durante l avanzamento del lettino, con una risultante traiettoria elicoidale dei raggi sul paziente. TC spirale Parametri peculiari della acquisizione volumetrica sono il pitch e l intervallo di ricostruzione. Pitch = (mm/sec * t rot )/mm Pitch = 1 Pitch < 1 Pitch >1 Pitch = 0 Scansioni contigue Scansioni embricate Scansioni distanziate Scansioni dinamiche 35

36 Sistema di una TC di III generazione Apparecchi di III generazione - Spirale Il principio tecnico è lo stesso, ma in questo caso il tubo e i detettori, solidali tra loro, possono ruotare all infinito attorno ad un asse centrale (paziente), grazie ad un sistema di contatti a slitta. Il lettino con il paziente avanza mentre il tubo ed i detettori ruotano: il fascio radiogeno forma una spirale attorno al paziente. Il tempo di una singola rotazione può essere inferiore al secondo (0,5 sec). 36

37 Apparecchi di III generazione - Spirale Viene acquisito un volume. Si riducono gli artefatti da movimento. E possibile ricostruire le immagini da una singola acquisizione con parametri diversi. Riduzione del tempo di esame; si elimina il tempo di attesa tra scansioni successive con aumento dell efficenza. Sistema di una TC di III generazione - Spirale 37

38 Sistema di una TC di III generazione Confronto tra rotazione semplice ed a spirale Efficienza: 50% Efficienza: 100% TC spirale Un tale sviluppo tecnologico è stato reso possibile dalle maggiori capacità caloriche dei tubi, dalla migliore efficienza dei detettori e dall uso della tecnologia a contatti striscianti (slip-ring) per l alimentazione della sorgente radiogena in movimento. 38

39 Apparecchi a Spirale Multislice Si basa sullo stesso principio della TC spirale, solo che ad ogni giro del sistema tubo detettori, vengono acquisite più fette contemporaneamente. Sistema di una TC Spirale Multislice 39

40 Apparecchi a Spirale Multislice Caratteristiche: Il tempo di scansione è inferiore al secondo (fino a 0,5 sec) Il numero di fette per rotazione: 4 o 16 Possibilità di multiple ricostruzioni sulla base dei dati acquisiti Apparecchi a Spirale Multislice Vantaggi: Velocità Aumento della risoluzione assiale Migliore gestione del mezzo di contrasto Qualità delle ricostruzioni più elevata 40

41 Sistema di detettori di una TC Spirale Multislice Apparecchi a Spirale Multislice Vantaggi: Velocità/volume: Aumento della risoluzione temporale Aumento della risoluzione spaziale sull asse Z con dati isotropici Aumento della concentrazione di contrasto nel lume vascolare Diminuzione del rumore (per la possibilità di aumentare la dose) Diminuzione degli artefatti nelle immagini Maggiore efficienza nello sfruttamento del tubo radiogeno La velocità può essere sfruttata per coprire un volume maggiore o per coprire lo stesso volume con fette più sottili. 41

42 Velocità di una TC a Spirale Multislice Diverse velocità di una TC a Spirale Multislice 42

43 Diverse velocità di una TC a Spirale Multislice Diverse velocità di una TC a Spirale Multislice 43

44 TC ultraveloce (Electron Beam TC) Non contiene parti mobili; il fascio elettronico viene focalizzato su 4 anodi fissi semicircolari. I raggi x così prodotti vengono rilevati da 2 corone di detettori. Il tempo di scansione è dell ordine di msec. TC ultraveloce (Electron Beam TC) 44

45 Le possibili tecniche Normale (scansione-avanzamento-scansione) Spirale (volume) Dinamica (localizzata) TC spirale (acquisizione volumetrica) L acquisizione volumetrica permette ricostruzioni retrospettive multiplanari e tridimensionali. M.P.R.: Multi Planar Reformation S.S.D.: Shaded Surface Display M.I.P.: Maximum Intensity Projection V.R.: Volume Rendering V.E.: Virtual Endoscopy 45

46 MPR - Multi Planar Reformation SSD - Shaded Surface Display E la prima tecnica di rappresentazione volumetrica dei dati densitometrici sviluppata negli anni 70 ed uso nella pratica clinica dal Visualizza l interfaccia che si viene a determinare nel set dei dati acquisiti attraverso la pre-selezione di valori soglia di densità. Trova principale applicazione nelle ricostruzioni 3D dell albero vascolare e dell app. scheletrico. 46

47 SSD SSD Angiografia 47

48 MPR SSD TC Multistrato MIP - Maximum Intensity Projection Con questa tecnica viene selezionato e visualizzato solo il voxel a contenuto densitometrico più elevato fra quelli disposti lungo una determinato raggio di vista

49 TC Multistrato MPR SSD MIP MIP 49

50 3D Volume Rendering Diversamente dalla SSD e dalla MIP che ne impiegano solo il 10%, tale metodo di ricostruzione volumetrica utilizza tutti i dati presenti nel volume acquisito, ed è pertanto in grado di visualizzare contemporaneamente vasi e parenchimi mantenendo inalterati i reciproci rapporti spaziali (= MIP). E di recente introduzione nella pratica clinica perché richiede consolle di elaborazione sofisticate ed ad elevata performance. MIP VR 50

51 MPR MIP VR Tecniche di ricostruzione Scopi: Permettere una rapida visualizzazione di un enorme quantità di dati Facilitare lo studio dei rapporti anatomici Facilitare la comunicazione delle patologie Risparmiare le pellicole 51

52 la tomografia computerizzata ad emissione di singolo fotone (SPECT), la tomografia ad emissione di positroni (PET) 52