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Alcuni artefatti tomografia computerizzata...

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Principali artefatti delle immagini TC In generale, un artefatto presente in un’immagine TC riflette una discrepanza tra i valori dei coefficienti di attenuazione calcolati e quelli reali dell’oggetto esaminato. Un artefatto, quindi, conduce a immagini con erronee rappresentazioni dell’anatomia del paziente che, se non riconosciute, possono determinare errori nella diagnosi. La conoscenza delle cause che determinano la comparsa di artefatti e dunque fondamentale per cercare di prevenirli o eliminarli. Gli artefatti sono solitamente classificati secondo due criteri: l’ aspetto con cui si presentano nelle immagini e la causa che li ha generati. 7.4.1 Classificazione degli artefatti in base all’aspetto 7.4.1.1 Ring artifact (artefatti ad anello) Questi artefatti appaiono come anelli ( ring) sovrapposti all’immagine TC e sono presenti soprattutto negli scanner di terza generazione. Gli anelli possono essere completi o parziali: i primi sono facili da identificare e sono spesso causati da un malfunzionamento di uno o piu detettori e da errori nel processo di calibrazione. Gli anelli parziali (archi), specialmente se di piccole dimensioni, sono invece piu difficili da individuare e, potendo mimare strutture di tessuto, possono interferire nella diagnosi. 7.4.1.2 Streaking artifact Sono osservabili come strie strette e intense (iper- e ipodense), che attraversano l’immagine TC. In alcuni casi questo artefatto puo condurre a errori diagnostici, in quanto può mimare alcuni reperti (come piccoli emboli nel circolo arterioso polmonare o lembi di dissezione intimale); inoltre, una sua presenza eccessiva puo degradare l’immagine fino a renderla illeggibile. 7.4.1.3 Shading artifact Questo tipo di artefatto appare spesso come una zona “d’ombra” o iperdensa vicino a oggetti con elevato contrasto rispetto allo sfondo; puo comparire, per esempio, nei tessuti molli vicini a strutture ossee o a raccolte d’aria. Gli shading artifact non sono facili da identificare e possono condurre a errori di interpretazione.

7.4.2 Classificazione degli artefatti in base alla causa 7.4.2.1 Partial volume averaging e partial volume artifact

Com’e noto, ogni numero TC viene calcolato in base al valore del coefficiente di attenuazione lineare del corrispondente voxel. Se un voxel contiene piu tessuti “simili”, a ciascuno dei quali corrispondono numeri TC “vicini”, il numero TC del voxel sara dato dalla media dei valori relativi ai diversi tessuti; questo fenomeno e noto come partial volume averaging. Quando pero un voxel contiene tessuti con densita molto diversa (per esempio, ossa e tessuto molle), l’effetto di partial volume averaging puo condurre al partial volume artifact. Tale artefatto risulta solitamente piu accentuato in concomitanza con streaking artifact e puo essere ridotto utilizzando spessori di strato sottili e specifici algoritmi di ricostruzione. 7.4.2.2 Artefatti da indurimento del fascio (beam-hardening artifact) Nell’attraversare il paziente, il fascio X aumenta la propria energia media, poiche i fotoni con bassa energia vengono assorbiti dai tessuti corporei in misura maggiore rispetto a quelli ad alta energia. Il fascio emergente, rilevato dai detettori, ha dunque un’energia media maggiore di quello entrante nel paziente. Tale fenomeno e detto “indurimento del fascio” (beam hardening) e dipende principalmente dallo spessore dell’oggetto esaminato e dalla sua composizione: esso aumenta all’aumentare dello spessore o della densita. Se si esegue una scansione di un fantoccio omogeneo di forma sferica, l’indurimento del fascio e piu marcato al centro del fantoccio, poiche i fotoni X alla periferia del fascio attraversano uno spessore corporeo minore. Il risultato di questo fenomeno e un immagine che risulta piu scura nella parte centrale (cup artifact). L’indurimento del fascio puo inoltre comportare artefatti che si presentano come sottili bande ipodense tra strutture ad alta densita (come le rocche petrose). Cio e dovuto al fatto che i raggi appartenenti alle viste, provenendo da angolazioni diverse, subiscono un indurimento differente, introducendo distorsioni nell’algoritmo di ricostruzione. Gli artefatti da beam hardening possono essere ridotti con particolari algoritmi e utilizzando un’opportuna filtrazione del fascio radiante [14] (flat filters) (Fig. 7.9). 7.4.2.3 Scatter artifact I fotoni X interagiscono con i tessuti del paziente in modi diversi: possono essere assorbiti totalmente (effetto fotoelettrico), assorbiti in parte con emissione di un fotone secondario a minore energia (scattering o effetto Compton) o attraversare il paziente mantenendo la propria traiettoria. Lo scattering e tra le principali cause della degradazione della qualita

delle immagini nei sistemi di imaging che utilizzano raggi X: in radiologia tradizionale esso determina una riduzione del contrasto, mentre nelle immagini TC comporta la comparsa di artefatti rappresentati da bande ipodense [15, 16]. Tale degradazione dell’immagine e tanto piu importante quanto maggiore e la percentuale dei fotoni X deviati rispetto a quelli non deviati (radiazione primaria). E per questo motivo che il modo piu efficace per ridurre lo scattering consiste nel porre collimatori davanti ai detettori, cosi da impedire ai fotoni deviati di raggiungere il rilevatore. Mentre negli scanner a singolo strato il rapporto tra scattering e fascio primario e pari al 5% circa, negli attuali scanner TCMS puo raggiungere anche il 50%. Questa differenza e dovuta al fatto che negli strumenti attuali i detettori hanno dimensioni sempre piu piccole e il fascio radiante si estende maggiormente lungo la direzione z, interessando quindi un maggior volume del paziente. Nei tomografi TCMS si sta quindi considerando la possibilita di utilizzare collimatori a due dimensioni, cioe sia nella direzione assiale sia in quella longitudinale (simili a una griglia), anche se questo potrebbe condurre a una minore efficienza di rilevazione. Un’altra soluzione in fase di sperimentazione e l’utilizzo di detettori in grado di discriminare i fotoni di scattering da quelli appartenenti al fascio primario. Attualmente gli artefatti dovuti allo scattering possono essere attenuati utilizzando particolari algoritmi che correggono i dati acquisiti in base a una stima della radiazione di scattering. 7.4.2.4 Aliasing artifact Come abbiamo visto riguardo alla risoluzione spaziale, il numero di raggi che compone una vista determina la frequenza di campionamento con cui vengono acquisite le immagini. In base ai principi della teoria dei segnali, il teorema di Nyquist impone che tale frequenza sia almeno il doppio della piu alta frequenza spaziale contenuta nell’oggetto da acquisire. Se tale condizione non e soddisfatta, si verifica l’ aliasing, un fenomeno che determina la comparsa di streaking artifact nell’immagine. Oltre che a un’inadeguata frequenza di campionamento, l’aliasing e causato anche da un numero insufficiente di viste che, come gia osservato, comporta una riduzione della risoluzione spaziale soprattutto alla periferia dell’immagine. Per ridurre questo tipo di artefatto e dunque necessario aumentare la frequenza di campionamento o il numero di viste; qualora cio non fosse possibile o sufficiente, il fenomeno dell’aliasing puo essere ridotto applicando algoritmi di smoothing, che – com’e noto – agiscono come filtri passabasso nei confronti del contenuto spettrale dei dati TC. 7.4.2.5 Photon starvation artifact Questo tipo di artefatto e dovuto a un insufficiente numero di fotoni X rilevati dai detettori.

Tale condizione determina un aumento del rumore, che si traduce nella comparsa di streaking artifact nell’immagine. Cio puo accadere per diversi motivi: insufficienti valori di corrente e di tensione del tubo, errato posizionamento del paziente, tempo di rotazione del tubo troppo basso, limiti fisici dello scanner. Per ridurre tale artefatto e dunque necessario che l’operatore utilizzi un’esposizione adeguata all’anatomia del paziente e realizzi un corretto posizionamento di quest’ultimo. Gli attuali scanner TC, inoltre, offrono diversi strumenti che possono essere utili per ridurre o evitare questo tipo di artefatti, tra i quali ricordiamo: – particolari algoritmi di smoothing adattivi, che consentono di limitare gli streaking artifact senza un’eccessiva perdita di risoluzione spaziale; – modulazione automatica della corrente del tubo che, adattandosi all’anatomia del paziente, consente di aumentare l’intensita del fascio solo dove necessario. 7.4.2.6 Artefatti dovuti al movimento del paziente (motion artifact) Il movimento del paziente puo essere volontario o meno. I movimenti volontari sono controllabili dal paziente e sono, per esempio, quelli relativi alla deglutizione o alla respirazione. Quelli involontari, come il battito cardiaco, non sono ovviamente sotto il diretto controllo del paziente. In entrambi i casi, il movimento puo generare streaking artifact solitamente costituiti da strie tangenziali ai contorni con alto contrasto della parte in movimento. Il metodo piu efficace per evitare i movimenti del paziente consiste nell’istruirlo a restare il piu possibile immobile e, quando necessario, a trattenere il respiro durante l’acquisizione. Si possono anche utilizzare particolari dispositivi di contenzione e, in casi di assoluta necessita, si puo ricorrere alla sedazione farmacologica; in generale, e raccomandabile ridurre il piu possibile il tempo di scansione [18]. Per evitare gli artefatti da movimento relativi alla pulsatilita del cuore e dei grossi vasi, e possibile effettuare scansioni sincronizzate con il ritmo cardiaco (ECG-gated), come descritto nel Capitolo 8. 7.4.2.7 Artefatti metallici Questi artefatti sono causati da oggetti metallici presenti all’interno o all’esterno del paziente (protesi metalliche, pacemaker, clip chirurgiche, stent, elettrodi ecc.). L’artefatto metallico e il risultato della combinazione di piu errori (tra cui gli artefatti da volume parziale, da indurimento del fascio e da photon starvation) e appare nelle immagini come strie iper- o ipodense, tipicamente alternate tra loro e con una caratteristica forma a stella. In presenza di oggetti metallici inamovibili, per tentare di ridurre l’artefatto e possibile

inclinare il gantry in modo da evitare di includere il metallo nel campo di vista, diminuire lo spessore di strato, allargare la finestra di visualizzazione o utilizzare particolari algoritmi di correzione (Fig. 7.10) [19]. 7.4.2.8 Out-of-field artifact Come anticipato quando e stato definito lo SFOV, tutto cio che e esterno al campo di scansione e considerato dallo scanner come se fosse aria; quindi, la presenza di un elemento esterno allo SFOV determina errori sia nella fase di correzione dei dati (preprocessing) sia in quella di ricostruzione. Tali errori si manifestano con un artefatto costituito in genere da aree iperdense ai margini dell’immagine ricostruita (shading e streaking artifact). 7.4.2.9 Cone beam artifact Negli scanner TCMS puo comparire un particolare artefatto (cone beam artifact), che ha cause fisiche complesse e la cui spiegazione esula dai nostri scopi. Ci limiteremo a dire che e dovuto al fatto che, a differenza delle apparecchiature TC a singolo strato, negli scanner TCMS (e, in particolare, in quelli con 16 o piu file di detettori) il fascio radiante ha un’estensione non trascurabile lungo la direzione z, per cui la sua geometria si avvicina a quella di un cono ( cone beam) anziche a quella di un ventaglio ( fan beam). L’artefatto da cone beam viene ridotto utilizzando opportuni algoritmi di correzione....