TC - generazioni e principi fisici PDF

Preview

Summary

evoluzione della TC e struttura macchinario TC...

Description

Cenni storici sulla tomografia computerizzata La tomografia computerizzata (TC) rappresenta una delle principali innovazioni mediche degli ultimi quarant'anni. Dalla sua introduzione, avvenuta nel 1972, la TC si è trasformata in uno strumento indispensabile per l'imaging diagnostico in una molteplicità di applicazioni cliniche. Dai pioneristici tomografi degli anni '70 siano giunti alle moderne TC multistrato, in grado di produrre con brevissimi tempi di acquisizione immagini di elevata qualità dell'intero distretto corporeo, fornendo informazioni di tip sia anatomico sia funzionale, impensabili fino a pochi anni fa. Il principio su cui si basa la TC ha origine dal lavoro del matematico austriaco Johann Radon, che nel 1917 dimostrò la possibilità di ricostruire un oggetto tridimensionale mediante un numero infinito di proiezioni bidimensionali dell'oggetto stesso. Tale teoria, modificata per un numero finito di proiezioni, è stata utilizzata in numerosi campi, dall'astronomia alla microscopia elettronica, ma inizialmente non fu ideata per scopi medici. Occorre infatti arrivare agli anni '60 per trovare le prime applicazioni in campo medico delle teorie matematiche sulla ricostruzione di oggetti tridimensionali mediante acquisizione tomografica. Nel 1961 il neurologo William H. Oldendorf studiò la possibilità di produrre immagini mediante proiezioni ottenute con una fonte di raggi gamma generata dall'isotopo I – 131: Oldendorf utilizzò un detettore a scintillazione per misurare l'intensità della radiazione trasmessa attraverso un oggetto che ruotava tra la sorgente e il detettore. In precedenza, verso la metà degli anni '50, il fisico Allan Cormack si era interessato alla variazione, durante i trattamenti radioterapici, della distribuzione di dose causata dalla disomogeneità dei tessuti: egli comprese che tali variazioni potevano essere previste conoscendo i coefficienti di attenuazione delle zone interessate. Nel 1957 Cormack si trasferì alla Tuffs university di Boston e riprese il suo lavoro sull'imaging proiettivo solo nel 1963, quando ripeté le misurazioni utilizzando un nuovo dispositivo. Mediante un oggetto test asimmetrico, egli riuscì a ottenere una distribuzione altamente accurata dei coefficienti di attenuazione dell'oggetto, misurati attraverso proiezioni angolari intervallate di 7°. I risultati, pubblicati sulla rivista Physics Review, passarono tuttavia quasi inosservati; solo tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70, diversi gruppi di ricerca iniziarono a occuparsi di imaging tomografico come possibile strumento utile per la diagnosi e il planning radioterapico. La transizione dell'imaging proiettivo da semplice curiosità sperimentale a vera e propria applicazione clinica è stata resa possibile, in gran parte, dal lavoro di una sola persona: l'ingegnere inglese Godfrey Hounsfield. Questi, conseguita la laurea in ingegneria meccanica, entrò nel 1951 a far parte dello stass della EMI (Electrical Music Industries), dove iniziò a lavorare su progetti inerenti la tecnologia dei computer, giungendo allo sviluppo di EMIDEC 1100, il primo computer a diffusione commerciale prodotto in Gran Bretagna. In seguito Hounsfield iniziò a interessarsi alle tecniche di ricostruzione delle immagini mediante computer. Egli ipotizzò che fosse possibile ottenere informazioni sulle strutture interne di un oggetto facendolo attraversare da un fascio di raggi X da molteplici direzioni e misurando l'attenuazione di tutte le proiezioni. Hounsfield riuscì a risolvere questa complessa sfida fisico – matematica senza conoscere il lavoro svolto in precedenza da Radon e Cormack. Sostenuto dalle strutture governative inglesi, e favorito dagli introiti che negli stessi anni la EMI otteneva per il successo planetario dei Beatles, nel 1967 Hounsfield mise a punto il primo tomografo sperimentale, costituito da una sorgente di Am – 241 e da un detettore di materiale scintillante montati su un dispositivo che consentiva movimenti sia di traslazione sia di rotazione.

A causa della bassa intensità della radiazione emessa dall'isotopo Am – 241, questo dispositivo necessitava di circa 9 giorni per acquisire l'oggetto; nella fase successiva un computer impiegava 2.5 ore per elaborare re ricostruire le 28.000 misurazioni raccolte dal detettore. Per aumentare l'intensità delle radiazioni, Hounsfield produsse immagini di numerose specie animali, che presentavano una capacità di risoluzione dei tessuti di densità simili decisamente superiore a quella ottenibile con le tecniche radiografiche tradizionali. Incorraggiato dai buoni risultati ottenuti, l'ingegnere inglese decise di progettare un tomografo da utilizzare sugli esseri umani; scelse di esaminare l'encefalo, in quanto i movimenti fisiologici caratteristici della regione toraco – addominale avrebbero reso difficile la produzuone di immagini, a causa degli elevati tempi di acquisizione il prototipo di TC, denominato EMI Mark 1, fu costruito in gran segreto nel reparto radiologico dell'Atkinson Morley Hospital di Londra; nell'ottobre del 1971 fu prodotta la prima immagine di u encefalo, dalla quale risultava chiaramente la presenza di una lesione tumorale nel lobo frontale. Il prototipo, basato su movimenti di traslazione e rotazione del complesso tubo radiogeno – detettore, produceva un'immagine su una matrice di 80 x 80 con una risoluzione spaziale di 0,5 cm, e richiedeva per l'acquisizione e la ricostruzione di ciascuna fetta, rispettivamente, 4 e 7 minuti. Nel 1972 furono sottoposti a esame tomografico ben 70 pazienti e i risultati furono presentati al congresso annuale del British Institute of Radiology di Londra; nello stesso anni, i risultati ottenuti furono pubblicati su un articolo del London Times e l'entusiasmo per questa nuova tecnica diagnostica crebbe notevolmente. La EMI diede di produrre cinque nuovi scanner, che furono immediatamente acquistati da quattro ospedali inglesi e da uno americano, e ben presto ricevette numerosi nuovi ordini. Il primo tomografo in grado di acquisire il distretto toraco – addominale fu prodotto dalla Pfizer nel 1973 e installato nell'ospedale di Geargetown: tale tomografo, chiamato ACTA (Automatic Computerized Transverse Axia), produceva immagini su una matrice di 256 x 256 e utilizzava, come lo strumento messo a punto da Hounsfield, una combinazione di movimenti di traslazione e rotazione. I movimenti fisiologici del distretto toraco – addominale rappresentavano, tuttavia, un forte limite nell'acquisizione delle immagini. Successivamente, la EMI presentò un nuovo modello di scanner tomografico, caratterizzato dalla presenza di due detettori di scintillazione in grado di acquisire due immagini per ciascuna rotazione, riducendo cosi il tempo di acquisizione a circa 20 secondi e fornendo immagini di qualità superiore rispetto a quelle del tomografo ACTA prodotto dalla Pfizer. I proprietari della casa inglese si resero comuqque conto che, con il passaggio da una fase prettamente di ricerca a una di commercializzazione, non avrebbero acuto la capacità di gestire un prodotto che si collocava in un mercato diverso da quello loro familiare. Decisero quindi di proporre alla multinazionale statunitense General Electric (GE) di distribuire per la EMI gli scanner tomografici; non ponendo particolare fiducia nello sviluppo di questa tecnologia, la GE rifiuto l'offerta. Ma a distanza di soli due anni, in seguito al grande successo conseguito dalla EMI negli Stati Uniti, la GE si rese conto di aver sottovalutato l'enorme potenziale della TC e in un solo anno produsse un nuovo prototipo in grado di ridurre il tempo di acquisizione a pochi secondi. Nel 1979 Cormack e Hounsfield vinsero il Nobel per la scoperta ella TC. Verso la fine degli anni '70 lo sviluppo tecnologico della TC sembrava aver raggiunto il suo picco e nel successivo decennio non vi furono progressi di rilievo. Fu con l'introduzione della tecnologia slip ring (avvenuta nel 1989) e l'ulteriore sviluppo tecnologico dei vari componenti, che la TC suscità un rinnovato e forte interesse per le possibili applicazioni aggiuntive in ambito medico.

Alla fine degli anni '80, iniziò una vera e propria competizione per produrre strumenti capaci di velocità di acquisizione e qualità dell'immagine sempre maggiori, che portarono al susseguirsi delle varie tecnologie fino alle moderne TC multistrato. Nel 1979, soltanto sei anni dopo l'introduzione della TC, ben 1300 strumenti erano stati installati negli Stati Uniti. Nel 1980 furono eseguiti 3 milioni di esami TC, nel 2006 si arrivò a 62 milioni e si stima che nel 2010 si possano raggiungere i 100 milioni. Oggi la TC rappresenta una metodica di indagine radiologica di fondamentale importanza diagnostica in numerose discipline, tra le quali neurologia, ortopedia e gastroenterologia. I progressi tecnici della TC sono continui e orientati in diverse direzioni: dall'integrazione con altre metodiche (TC – SPECT e TC – PET) alla realizzazione di apparecchi di micro – TC per applicazioni scientifiche.

EVOLUZIONE TECNOLOGICA DEI SISTEMI TC La tomografia computerizzata nasce negli anni '70 grazie al lavoro dell'ingegnere Godfrey Newbold Hounsfield e del fisico Allan McLeod Cormack, anche se il principio matematico su cui si basa era già stato proposto da Radon nel 1917. Il primo tomografo, l'EMI Mark I, fu montato all'Atkinson Morley Hospital di Londra nel 1971 e consentiva solo l'acquisizione di immagini dell'encefalo. Da allora la TC ha conosciuto un notevole progresso tecnologico, le cui tappe sono rappresentate dalle generazioni. I Generazione La prima generazione di scanner TC, di cui faceva parte l'EMI Mark I, era rappresentata da macchine con un fascio di raggi X estremamente collimato e per questo motivo definito “a matita” (pencil beam). Il tubo radiogeno era contrapposto a 1 – 2 detettori che, dopo una traslazione, compivano in sincronia una rotazione di 1 – 2°. l'intralcio dei cavi di collegamento consentiva una rotazione di soli 180°, per cui dopo una semirotazione il tubo doveva ruotare in senso opposto. Questo tipo di strumenti TC richiedeva circa 4 – 5 minuti per l'acquisizione di ogni singola scansione e poteva quindi essere impiegato solo per lo studio di organi privi di movimento, come l'encefalo.

II Generazione L'introduzione della seconda generazione permise per la prima volta l'acquisizione di immagini della regione toraco – addominale. Pur mantenendo il principio della traslazione/rotazione, gli scanner di seconda generazione erano caratterizzati da un fascio di raggi X di 20 – 30°, che raggiunge una serie di detettori disposti linearmente, in numero variabile da 20 a 50. ai movimenti di traslazione, ridotti rispetto alla prima generazione, erano associate rotazioni di 5°, fino a compiere un totale di 180°. Tale configurazione produceva un piccolo fascio a ventaglio (fan beam) generato dal tuo radiogeno; i raggi X – contrariamente agli scanner di prima generazione, dove assumevano un andamento parallelo – acquistavano una direzione divergente, richiedendo nuovi algoritmi che tenessero conto del diverso angolo di proiezione del fascio a ventaglio.

L'incremento dell'angolo di rotazione, unito all'aumento del numero di detettori, determinò la diminuzione del tempo di scansione, fino ad arrivare a circa 20 secondi; ciò rappresentò una pietra miliare nell'evoluzione della TC, in quanto per la prima volta fu possibile effettuare acquisizioni in tempi che consentivano alla maggior parte dei pazienti l'esecuzione di un'apnea inspiratoria.

III Generazione I tomografi di terza generazione sono stati quelli maggiormente commercializzati e rappresentano il sistema base su cui si sono sviluppati i moderni apparecchi TC multidetettore. Questi tomografi sono caratterizzati da tubi radiogeni con un ampio fascio X a ventaglio (circa 30 – 50°), che ruotano continuativamente intorno al paziente per 360°, eliminando quindi il movimento di traslazione tipico delle prime due generazioni. Il tubo è contrapposto a un arco di rivelatori in numero variabile: da 300, nelle prime apparecchiature, a 800, in quelle più recenti. La terza generazione consentiva di registrare dati molto più velocemente di quanto fosse possibile con le precedenti, con tempi di scansione di 1 – 3 sec.

IV Generazione La quarta generazione, che è in realtà un ampliamento della terza, è costituita da apparecchiature in cui il solo tubo radiogeno ruota intorno a un anello stazionario di detettori; questi ultimi, il cui numero è compreso tra 600 e 4800, sono soltanto del tipo allo stato solido, in quanto quelli gassosi sono grandangolari. Le apparecchiature della quarta generazione sono molto costose a causa dell'elevato numero di detettori e non hanno mai sostituito la terza generazione, su cui si basa l'attuale tecnologia della TC spirale.

Principali componenti di uno scanner TC REQUISITI STRUTTURALI E TECNOLOGICI DI UNA SALA TC I requisiti strutturali di una sala in cui si svolge attività diagnostica mediante tomografia computerizzata variano in funzione del tipo di apparecchiatura prevista e dalla tipologia di esami che saranno effettuati. In linea generale, una diagnostica TC prevede tre aree distinte: 1. Sala diagnostica: è il locale nel quale sono posizionati lo scanner TC (gantry e lettino porta – paziente), il generatore, l'iniettore del mdc e i dispositivi di assistenza ed emergenza (attacco dei gas medicinali, aspiratore, sistema di monitoraggio elettrocardiografico e defibrillatore, respiratore automatico, pulsimetro, carrello delle emergenze); 2. Locale console: vi si trovano le postazioni dell'operatore e del medico radiologo, dalle quali viene diretta l'esecuzione dell'esame TC; 3. Locale tecnico: vi alloggiano le componenti del quadro elettrico e tutto il materiale necessario ai tecnici delle ditte costruttrici per le manutenzioni programmate. Di norma la superficie dell'area in cui è presente il macchinario TC non deve essere inferiore ai 25 m2, in modo da consentire il coretto posizionamento del tomografo e gli spostamenti del personale di radiologia (medico, tecnico, infermieristico, ecc.), nonché favorire l'ingresso dei pazienti soprattutto dei non deambulanti. I locali devono essere opportunamente climatizzati mediante sistema dedicato. Il locale console, in cui opera il TSR, deve avere una facile comunicazione con la sala diagnostica e deve essere dotato di dispositivi per la visualizzazione diretta (vetro schermato) e indiretta (telecamera) del paziente e di interfono per permettere all'operatore di dialogare con il paziente durante l0esecuzione dell'esame. La diagnostica TC è collocata all'interno di un servizio di radiologia, che comprende tutti gli spazi previsti dalla specifica normativa sanitaria: aree di attesa per l'utenza, spazi per l'accettazione, sevizi igienici per operatori e utenti, aree di refertazione, depositi per il materiale d'uso. È molto importante che la diagnostica TC sia prossima a un servizio di anestesia e rianimazione, sia per motivi logistici sia per conformità a quanto previsto dalla normativa in materia.

Componenti di uno scanner TC I principali componenti di uno scanner TC sono il gantry e il tavolo su cui viene collocato il paziente; tutti i tavoli posta – paziente disponibili in commercio, indipendentemente dal costruttore, hanno caratteristiche abbastanza simili. Altre parti essenziali per il funzionamento del tomografo sono il generatore di alta tensione, i sistemi elettronici per la trasmissione dei dati e i computer per la visualizzazione e l'elaborazione delle immagini. Per garantire una piena operatività del sistema, è necessario che tutte le unità siano correttamente integrate tra di loro.

Gantry e slip ring Il gantry rappresenta la struttura principale di uno scanner TC e contiene il tubo radiogeno, i detettori, il generatore di alta tensione, i dispositivi per la trasmissione dell'energia, i collimatori e il DAS (Data Acquisition System). Tipicamente il gantry ha un peso variabile da 1500 a 2000 kg ed è caratterizzato da un'apertura ad anello, del diametro di circa 70 cm; il campionamento dei dati viene seguito su un campo di vista (Sampling Field of View, SFOV) del diametro massimo di 50 cm.

I moderni sistemi TC multistrato (TCMS) si basano sulla geometria della cosiddetta TC di terza generazione, in cui un arco costituito da più file di detettori ruota intorno al paziente in maniera solidale con il tubo radiogeno, al quale è contrapposto di 180°. l'asse di rotazione del gantry può essere inclinato rispetto all'asse longitudinale del paziente entro limiti pari a + 30° a una velocità di 1°/s. Nelle moderne apparecchiature TCMS il complesso tubo – detettori può arrivare a compiere una rotazione di 360° in 0,3 s, generando un'accelerazione centrifuga che raggiunge anche i 30 g. La rotazione continua del complesso tubo – detettori, introdotta con la terza generazione, è stata resa possibile dalla tecnologia slip ring (“a contatti striscianti”). Si tratta di dispositivi elettromeccanici costituiti da anelli circolati concentrici e paralleli all'asse del gantry, che conducono energia elettrica, accoppiati a spazzole che trasmettono l'energia elettrica su una corona circolare anch'essa elettroconduttiva. I cavi sono stati sostituiti da guide di rame o anelli: l'anelo ruota insieme al sistema tubo – rivelatori scorrendo al di sotto di una fila di spazzole o contatti striscianti che lo toccano per tutta la lunghezza. Le spazzole sono realizzate con materiale conduttore che permette la trasmissione dei dati e delle energie ad alto voltaggio. In questo modo, gli slip ring eliminano il fastidioso problema del riavvolgimento dei cavi dell'alta tensione che caratterizzava le prime due generazioni della TC, consentendo una rotazione continua del complesso tubo – detettori contemporaneamente all'avanzamento del lettino senza interruzioni. Grazie a questa soluzione, nei tomografi con tecnologia slip ring il generatore di alta tensione – che nelle TC di prima e seconda generazione era posizionato all'interno della stanza TC – è posto all'interno del gantry e può ruoyare insieme al complesso tubo – detettori.

Tubo radiogeno Il tubo a raggi X rappresenta il cuore din un tomografo computerizzato. Rispetto ai tubi a raggi X della diagnostica radiologica tradizionale, il tubo radiogeno di una TC deve possedere un'elevata capacità di dissipazione termica, requisito che ha rappresentato storicamente uno dei principali problemi per le diverse case costruttrici. Nei tomografi di prima e seconda generazione l'anodo era di tipo stazionario, ma l'esigenza di una capacità termica sempre più elevata e i relativi problemi di dissipazione del calore prodotto hanno portato allo sviluppo di anodi rotanti, in grado di produrre un fascio eterogeneo di radiazioni mediante diametri eloevati e macchie focali capaci di fornire la risoluzione spaziale richiesta dalla TC con un adeguato rapporto segnale – rumore. Strutturalmente il tubo radiogeno è costituito da un involucro, mantenuto sotto vuoto tramite pompe, che contiene sia il catodo sia l'anodo. Tale involucro può essere di vetro in borosilicato – che, a fronte di un ottimo isolamento termico ed elettrico, è soggetto più facilmente a fenomeni di vaporizzazione del tubgsteno – oppure (come si osserva nelle moderne TCMS) di metallo. Il catodo è costituito da uno o due filamenti di tungsteno inseriti in un alloggiamento chiamato “coppa focalizzatrice”. L'anodo, formato da un disco collegato a un rotore, è costituito da atomi pesanti, come renio, tungsteno o molibdeno, e possiede una macchia focale che presenta un angolo di inclinazione del target di circa 12° e una velocità di rotazione variabile tra 3500 e 10.000 rpm (rotazioni per minuto). La continua rotazione del complesso tubo – detettore dei moderni scanner TCMS ha spinto

l'industria verso la ricerca di dispositivi in grado di gestire gli elevati livelli termici che si vengono a produrre (5 – 10 MHU – Million Heat Unit: 1 MHU = 740 kJ). Le potenze fornite dai tubi a raggi X delle TCMS variano normalmente da 20 a 150 kW, con una tensione al tubo compresa in genere tra 80 e 140 kV e una corrente che può raggiungere valori di 800 mA continui, anche se le potenze massime non possono essere sostenute per lunghi tempi di acquisizione per non eccedere i limiti di dissipazion...