Intro Sistemi di Elaborazione delle Informazioni prof. Salvatore Siracusa ssiracusa@gmail.com ww2.unime.it/sei La storia delle immagini biomediche, iniziata poco più di cento anni fa con la scoperta dei raggi X da parte di W. C. Roentgen, è stata oggetto negli ultimi venti anni di una notevole spinta innovativa con lo sviluppo dell Angiografia Digitale, della Tomografia Assiale Computerizzata, dell Ecografia, della Risonanza Magnetica Nucleare e in ultimo della Radiologia Digitale. Attraverso le bioimmagini il medico estende la funzionalità dei propri organi di senso potendo esplorare l anatomia e la funzione degli organi interni, alla ricerca degli iniziali segni di malattia. Bioimmagini Volendo definire una Bioimmagine, a rigore, bisognerebbe affermare che essa è una qualsiasi immagine generata da un essere vivente (quindi rientrerebbe in questa categoria, per esempio, anche un elettrocardiogramma), ma molto più comunemente viene indicato con il termine di Bioimmagine un concetto ben più restrittivo, ossia una figura relativa all anatomia o alla fisiologia di parti interne del corpo Tecniche Per alcune metodiche la produzione delle immagini si realizza mediante la interazione di radiazioni elettromagnetiche o ionizzanti con le strutture del corpo umano da sottoporre ad indagine (Radiologia, Medicina Nucleare, TAC), per altre l interazione avviene attraverso onde acustiche (Ecografia) oppure onde radio e campi magnetici (Risonanza Magnetica). Radiografie Tomografia Computerizzata Le immagini da raggi X sono ottenute generando, appunto, un potente fascio di raggi X e facendolo passare attraverso il corpo del paziente. Tali raggi possono essere assorbiti dai tessuti del paziente, deviati dagli urti con gli atomi del corpo, o passare indisturbati e le frazioni in gioco dipendono dall'energia dei raggi utilizzati e dal tipo di tessuto irradiato. La Tomografia Computerizzata (TC) è una tecnica diagnostica che consente di ricostruire e di visualizzare sezioni del corpo umano, sfruttando la diversa attenuazione dei raggi x nell attraversare i differenti tessuti corporei della sezione 1
TC L esame TC presenta molte analogie con una normale radiografia: un fascio di raggi x attraversa il corpo del paziente, l attenuazione dei raggi x nei tessuti dipende dallo spessore e dalle caratteristiche di densità dei tessuti attraversati; l immagine che si forma è determinata dalle caratteristiche di attenuazione dei raggi x e rappresenta quindi la distribuzione delle densità dei tessuti. La singola immagine TC è tuttavia rappresentazione di una determinata sezione corporea e questo costituisce la principale differenza con una immagine radiografica, che mostra invece l attenuazione attraverso tutto lo spessore del corpo Risonanza Magnetica La Risonanza Magnetica () è una tecnologia altamente sofisticata e complessa, che permette di ottenere immagini di sezioni dell organismo di un paziente (immagini tomografiche) in modo incruento e non invasivo, cioè senza la necessità di somministrare al paziente alcuna sostanza. La tecnica sfrutta il fenomeno fisico della Risonanza Magnetica Nucleare, secondo il quale alcuni nuclei di elementi presenti nel corpo umano (in particolare il nucleo dell idrogeno) si comportano diversamente in risposta all applicazione di un campo magnetico esterno molto intenso. Il fenomeno fisico della Risonanza Magnetica Nucleare si verifica per l interazione all interno del corpo umano tra questo intenso campo magnetico e onde elettromagnetiche di opportuna frequenza, inviate al corpo del paziente. Per effettuare un indagine di Risonanza Magnetica, il paziente viene immerso in un campo magnetico all interno del tomografo, vengono indirizzati al paziente impulsi di onde elettromagnetiche e vengono rivelate le onde elettromagnetiche restituite dal paziente, modificate dai tessuti. SPECT e PET Come la Tomografia Computerizzata (TC), la fornisce immagini di sezioni dell organismo, ma il contenuto delle immagini e quindi le informazioni fornite sono diverse. In TC il contenuto delle immagini è associato alla diversa attenuazione di un fascio di raggi x nei tessuti, e quindi alla loro densità. Il contenuto delle immagini è associato a proprietà chimico fisiche dei tessuti. Per esempio, il contenuto delle immagini dipende dalla concentrazione di nuclei di idrogeno nei tessuti e poiché l idrogeno è presente nel corpo umano prevalentemente in forma di acqua, dalla concentrazione di acqua dei tessuti. A differenza di altre metodiche radiologiche che prevedono l esposizione del paziente a radiazioni ionizzanti (Radiologia convenzionale, TC, Medicina Nucleare), la Risonanza Magnetica fonda i suoi principi fisici su campi magnetici e su onde elettromagnetiche a radiofrequenza (a bassa energia rispetto alle radiazioni comuni) che non hanno effetti dannosi sui tessuti biologici. La tomografia ad emissione di singolo fotone (Single Photon Emission Computerized Tomography, SPECT) e la tomografia ad emissione di positroni (Positron Emission Tomography, PET) sono due tecniche diagnostiche tomografiche che consentono di ottenere, in vivo e in modo non invasivo, immagini di distribuzione di un tracciante radioattivo in sezioni dell organismo. Gli esami SPECT e PET consistono pertanto nella somministrazione in genere per via endovenosa del radiotracciante, nella rivelazione delle radiazioni e nella formazione delle immagini tomografiche. 2
SPECT e PET La SPECT e la PET hanno molte analogie, ma differiscono per i radionuclidi e radiotraccianti utilizzati e per i sistemi di rivelazione delle radiazioni. I radionuclidi impiegati in PET vengono prodotti mediante un ciclotrone, che deve trovarsi nei pressi del tomografo. Per questo motivo, la PET risulta una tecnica più complessa e costosa rispetto alla SPECT e questo spiega la sua più lenta e ridotta diffusione. Entrambe le metodiche SPECT e PET forniscono immagini funzionali dell organo in esame (che esprimono ad esempio la perfusione cerebrale, la perfusione miocardia, il metabolismo glucidico tissutale) e sono, in questo senso, complementari ad altre tecniche tomografiche, quali la Tomografia computerizzata a raggi x (TC) e la Risonanza Magnetica (), che forniscono invece immagini ed informazioni morfologiche. La SPECT e la PET hanno importanti applicazioni cliniche nella diagnostica neurologica, cardiologia ed oncologica. In quest ultimo ambito, in particolare, la PET ha assunto un ruolo fondamentale nell iter diagnostico del paziente affetto da tumore. Ecografia L'ecografia è un sistema di indagine diagnostica medica che non utilizza radiazioni ionizzanti, ma ultrasuoni e si basa sul principio dell'emissione di eco e della trasmissione delle onde ultrasonore. Interpretazione delle bioimmagini Fattori Soggettivi L interpretazione delle immagini biomediche, demandata all occhio esperto di Radiologi e Medici Nucleari, dipende spesso dalla visibilità di importanti dettagli contenuti nell immagine. la Percezione di un determinato reperto, che varia considerevolmente in rapporto all'esperienza del radiologo, alle condizioni tecniche di registrazione dell immagine e a quelle ambientali di illuminazione il Rendimento dell'osservatore, che risulta tutt'altro che costante ed estremamente sensibile al variare delle condizioni di osservazione. Fattori Oggettivi Elaborazione delle immagini Tra i parametri oggettivi che intervengono nel limitare la visibilità citiamo soprattutto la risoluzione spaziale, cioè la capacità di una metodica di registrare come separate due strutture situate a breve distanza l una dall altra e la risoluzione di contrasto, che è rappresentata dalla possibilità di visualizzare, con diversi livelli di grigio nell immagine in bianco e nero, due strutture caratterizzate da valori simili di interazione con le radiazioni elettromagnetiche, ionizzanti o con gli ultrasuoni. Fattori sia oggettivi che soggettivi condizionano pesantemente la corretta interpretazione delle immagini biomediche e ne riducono di conseguenza l accuratezza diagnostica. Per anni Radiologi, Medici Nucleari, Fisici e Ingegneri biomedici hanno analizzato tutti questi fattori cercando di intervenire su di essi ai fini di un miglioramento delle prestazioni cliniche offerte dalle bioimmagini. 3
L eidomatica Immagini analogiche L eidomatica, contrazione di eidos (immagine) e informatica, mette a disposizione del radiologo importanti operatori di analisi, per rendere più oggettive le sue valutazioni, e potenti strumenti di elaborazione, per cercare di migliorare la visibilità di alcuni dettagli importanti ai fini diagnostici. Ma per poter operare, utilizzando hardware dalle elevate velocità di calcolo e software estremamente sofisticato, l eidomatica ha bisogno di immagini di tipo digitale cioè di immagini in formato gestibile da un computer. Prendiamo in considerazione le immagini radiografiche, dette anche immagini analogiche Sappiamo che esse sono formate da un insieme di granuli di sali di argento che, ossidati dall'esposizione alle radiazioni X, precipitano durante il trattamento e assumono colore nero. Questi granuli, distribuendosi in maggiore o minore concentrazione sul supporto trasparente della pellicola, determinano nei diversi punti le differenti tonalità di grigio caratteristiche di questo tipo di immagine. Immagini digitali L'immagine digitale è formata da tanti piccolissimi quadratini, denominati pixels (da picture elements = elementi dell'immagine). Ciascun quadratino presenta nel suo interno un'unica tonalità di colore, tale tonalità varia per i diversi pixels a seconda dei punti dell'immagine. Tutti i pixels uniti assieme formano una matrice bidimensionale o tridimensionale che dà origine all'immagine finale. Acquisizione delle immagini digitali Nella Diagnostica per Immagini e nella Medicina Nucleare, le immagini digitali possono essere prodotte direttamente o indirettamente. La produzione diretta avviene quando l'immagine viene acquisita già in formato digitale, come nel caso della radiografia digitale, della TAC, della PET, della e dei sistemi ecotomografici. Acquisizione indiretta Accuratezza Nella produzione indiretta, invece, l'immagine viene acquisita prima in forma analogica e poi trasformata in formato digitale (conversione analogico-digitale) per esempio in alcuni sistemi di fluoroscopia digitale, l'immagine si forma prima sullo schermo fluorescente e poi viene digitalizzata mediante una telecamera con sensori allo stato solido altra procedura molto utilizzata per la digitalizzazione di immagini analogiche è quella che comporta l uso di uno scanner per pellicole o di una macchina fotografica digitale. Nella conversione analogico-digitale va sempre tenuta ben presente l'accuratezza della trasformazione, perchè questa conversione si accompagna sempre ad una perdita di una parte di informazioni. dobbiamo prendere in considerazione i due più importanti parametri che caratterizzano una immagine digitale: la risoluzione spaziale, definita dal numero di pixels che formano la matrice dell'immagine, ed il range dinamico, determinato dal numero di valori di grigio presenti nell'immagine. 4
Problema Rapporto Segnale/Rumore Se volessimo ottenere una immagine digitale con la stessa risoluzione spaziale di quella analogica, un radiogramma di formato 35 x 43 cm dovrebbe essere scomposto in una matrice di 175.000 x 215.000 pixels. Tali dimensioni appaiono spropositate soprattutto in considerazione dello spazio di memoria necessario per archiviare tale immagine (37,6 Gbytes) e del fatto che l'attuale tecnologia dispone di monitors per la visualizzazione con risoluzione massima di circa 2000 x 2000 punti. Il rumore e' una componente intrinseca, anche se indesiderata, dei processi di acquisizione e trattamento delle immagini, sia di quelle analogiche che di quelle digitali, ma riveste un ruolo sicuramente più importante nelle apparecchiature digitali dove i sistemi elettronici sono particolarmente gravati da alcuni tipi specifici di rumore. Essi intervengono producendo rumore, cioè inducendo un degrado o una perdita di una parte delle informazioni contenute nell'immagine Fonti di Rumore Vantaggi delle Immagini Digitali Le principali fonti di rumore sono rappresentate dal rumore quantico dal rumore elettronico dal rumore del convertitore analogicodigitale dal rumore indotto dai processi di elaborazione Gestione più semplice, più sicura e meno costosa Possono essere associate ai relativi referti e archiviate in cartelle elettroniche Sono disponibili in tempi brevi Posso essere elaborate elettronicamente 5