Diagnostica per immagini e software come dispositivo medico

Diagnostica per Immagini

La diagnostica per immagini è il processo che permette di osservare aree dell'organismo non visibili dall'esterno. La radiologia è la principale branca medica che si occupa di questo campo.

Le attività di diagnostica per immagini si dividono in diverse categorie:

• Radiologia tradizionale (includendo mammografo, ortopantomografo e simili)
• Ecografia
• Tomografia computerizzata
• Risonanza magnetica
• Angiografia
• Radiologia invasiva (diagnostica e interventistica)

Queste strutture conducono indagini strumentali per fini diagnostici o terapeutici, utilizzando radiazioni ionizzanti esterne e altre tecniche di formazione dell'immagine.

Separatamente, le seguenti attività appartengono alla medicina nucleare:

• Scintigrafia
• Tomografia ad emissione di positroni
• Tomografia ad emissione di fotone singolo

Radiologia

La radiologia si basa sull'interazione tra un fascio di fotoni (raggi X) e la materia interposta. Gli atomi del corpo esaminato assorbono parte dei fotoni in base al loro numero atomico, impedendo loro di raggiungere il recettore. Questo crea un'immagine "in negativo" dove appaiono impressi i fotoni non assorbiti.

Per l'esame radiologico, il paziente viene posizionato su un tavolo radiologico o uno schermo. I raggi X sono radiazioni ionizzanti impercettibili al passaggio attraverso il corpo, ma vengono assorbiti in modo diverso dalle varie strutture anatomiche.

La radiologia digitale utilizza cassette con sostanze "fotostimolabili" che vengono poi lette da appositi dispositivi che visualizzano l'immagine sul computer. I sistemi più moderni usano matrici di scintillatori e CCD per acquisire direttamente le immagini.

Mammografia

È un esame del seno che utilizza una bassa dose di raggi X. Durante la procedura il seno viene compresso delicatamente per:

• Uniformare il tessuto e migliorare la qualità dell'immagine
• Ridurre lo spessore del tessuto attraversato dai raggi X
• Diminuire la quantità di radiazione diffusa
• Ridurre la dose necessaria di radiazioni
• Minimizzare gli artefatti da movimento

I mammografi moderni sono digitali grazie all'uso di rilevatori digitali.Ortopantomografia Tecnica radiografica che fornisce un'immagine dei denti, arcate dentarie, ossa mandibolari e mascellari, e seni mascellari. L'apparecchio (ortopantomografo) consiste in un braccio articolato rotante con una sorgente di raggi X e un meccanismo di movimento della pellicola all'estremità opposta.

Per ottenere le proiezioni delle arcate, l'apparecchiatura ruota intorno alla testa del paziente, e contemporaneamente ruota anche la cassetta radiografica. Il cranio si trova tra il generatore di raggi X e il film. Il fascio di raggi X è estremamente sottile (radiografia a fessura) per attraversare sezioni sottili delle arcate e proiettarne l'immagine su punti precisi della pellicola.

Tomografia Computerizzata

La tomografia computerizzata (TC o CT) produce immagini in sezione e tridimensionali dell'anatomia attraverso l'analisi computerizzata dell'attenuazione di un fascio di raggi X mentre attraversa una sezione corporea. È anche nota come tomografia assiale computerizzata (TAC).

Il valore aggiunto delle macchine moderne è che le proiezioni non sono più su piani distinti ma a spirale, ottenuto facendo scorrere il lettino su cui si trova il paziente, permettendo ricostruzioni tridimensionali del segmento corporeo esaminato.

Il principio base della ricostruzione tomografica è acquisire molte proiezioni radiografiche dello stesso oggetto da angolazioni diverse, ricostruendo così l'oggetto in due dimensioni. Per la terza dimensione si utilizzano algoritmi matematici complessi che elaborano i pixel delle scansioni successive, tra cui:

• Metodi di retroproiezione filtrata (FBP) per fasci paralleli o a ventaglio
• Metodo di Fieldkamp per fasci conici
• Metodi iterativi

Dopo l'applicazione degli algoritmi si ottiene un'immagine digitale che rappresenta la distribuzione della densità dell'oggetto in una sezione interna (slice), il cui elemento più piccolo è chiamato voxel. Minore è il volume del voxel, maggiore è la risoluzione spaziale.

Le acquisizioni moderne sono concatenate in movimento a spirale, ottenuto muovendo il lettino con il paziente durante l'acquisizione dei dati iniziali.

Risonanza Magnetica

La risonanza magnetica utilizza il principio della risonanza magnetica nucleare (RMN), un fenomeno fisico dei nuclei esposti a un campo magnetico. Si basa sull'uso di un campo magnetico e onde elettromagnetiche a radiofrequenza per produrre immagini diagnostiche.

L'apparecchio è un grosso magnete molto potente in cui passano onde a radiofrequenza prodotte da bobine (antenne) specifiche per i vari segmenti corporei. La combinazione di queste energie rileva gli atomi di idrogeno, e quindi l'acqua che compone oltre il 70% dei tessuti, ricostruendo immagini ad altissima risoluzione di contrasto.

L'esame RM acquisisce:· Immagini morfologiche dettagliate sui tre piani dello spazio (assiali, coronali, sagittali)

• Informazioni su altri parametri: composizione biochimica dei tessuti, densità cellulare, perfusione ematica, metabolismo

Per questo è definita una tecnica "multiparametrica".

A differenza della TAC, che fornisce principalmente informazioni morfologiche, la RM offre una maggiore risoluzione di contrasto e permette di analizzare in tutti i piani dello spazio parti difficilmente esaminabili con altre tecniche, come:

• Encefalo
• Midollo spinale e radici nervose
• Muscoli, tendini, legamenti, menischi

L'elevata risoluzione di contrasto consente di mostrare aree contusive dell'osso anche quando la frattura non è visibile sulla radiografia.

Angiografia

L'angiografia è la rappresentazione diagnostica dei vasi sanguigni o linfatici tramite infusione di un mezzo di contrasto idrosolubile e generazione di immagini mediante varie tecniche:

• Radiografia (specialmente nella tecnica dell'angiografia sottrattiva o DSA)
• Tomografia computerizzata
• Risonanza magnetica
• Ecografia

L'invasività della tecnica dipende dal vaso da visualizzare. L'arteriografia o coronarografia richiede l'introduzione di un catetere da un vaso principale fino al distretto desiderato per iniettare il mezzo di contrasto. Questa tecnica è alla base anche di procedure terapeutiche di radiologia interventistica.

Nelle angiografie con risonanza magnetica (MRA), il mezzo di contrasto viene normalmente iniettato per via endovenosa o, in alcuni casi, si può procedere senza mezzo di contrasto (tecniche di risonanza magnetica dell'angiografia a tempo di volo e a contrasto di fase).

Gli esami angiografici più comuni utilizzano raggi X e mezzi di contrasto radio-opachi, necessari perché il sangue ha normalmente lo stesso coefficiente di attenuazione dei tessuti circostanti. Le immagini possono essere:

• Statiche: per informazioni morfologiche
• Dinamiche: con risoluzione di 30 immagini al secondo, per visualizzare la velocità del mezzo di contrasto e ottenere informazioni funzionali

Nella tecnica dell'angiografia sottrattiva (DSA), alle immagini con mezzo di contrasto viene sottratta un'immagine ottenuta prima dell'introduzione del contrasto, per eliminare strutture statiche dall'immagine.

Scintigrafia

La scintigrafia è un esame di medicina nucleare che utilizza un tracciante radioattivo per evidenziare, tramite gamme camere, l'accumulo preferenziale del tracciante nel tessuto studiato. I traccianti possono essere:

• £ Soluzioni saline di radioisotopi
• Radiofarmaci specifici (molecole farmacologicamente attive legate a un radioisotopo)

Il principio di funzionamento si basa sulla proprietà di alcuni cristalli di generare fotoni di luce visibile (scintille) quando colpiti da radiazioni. Gli impulsi luminosi vengono trasformati in impulsi elettrici tramite fotomoltiplicatori e ricostruiti come immagini digitali, rappresentando la distribuzione del radiofarmaco nel corpo.

Tomografia ad Emissione di Positroni (PET)

La PET è una tecnica diagnostica di medicina nucleare per la produzione di bioimmagini. A differenza di TC e RM, che forniscono informazioni morfologiche, la PET offre informazioni fisiologiche, creando mappe dei processi funzionali dell'intero corpo.

La procedura inizia con l'iniezione di un radiofarmaco formato da un radioisotopo tracciante a breve emivita, legato a una molecola metabolicamente attiva (vettore). Dopo un periodo di attesa, il soggetto viene posizionato nello scanner. L'isotopo decade emettendo un positrone che, dopo un breve percorso, si annichila con un elettrone producendo una coppia di fotoni gamma di energia 511 keV emessi in direzioni opposte.

Questi fotoni vengono rilevati quando raggiungono uno scintillatore nel dispositivo, creando un campo luminoso rilevato dai tubi fotomoltiplicatori. Cruciale è la rilevazione simultanea di coppie di fotoni: quelli che non arrivano in coppia entro pochi nanosecondi vengono ignorati.

Dalla posizione in cui i fotoni colpiscono il rilevatore, si può determinare la posizione di origine, permettendo di analizzare l'attività chimica nelle parti del corpo investigate. La PET digitale offre immagini di migliore qualità con minori dosi di radiofarmaco e tempi di acquisizione ridotti, utilizzando fotodiodi e fotomoltiplicatori al silicio per la conversione diretta dell'energia dei fotoni in segnale elettrico.

La densità dell'isotopo viene mostrata come sezioni trasverse distanziate di circa 5 mm. La mappa risultante rappresenta i tessuti in cui la molecola si è maggiormente concentrata.

I radionuclidi utilizzati hanno generalmente un breve tempo di dimezzamento e devono essere prodotti da un ciclotrone vicino allo scanner. Vengono incorporati in composti normalmente assimilati dal corpo (glucosio, acqua, ammoniaca) e iniettati per tracciare la loro distribuzione. Questi composti sono chiamati radiotraccianti o radiofarmaci.

Tomografia ad Emissione di Fotone Singolo (SPECT)

La SPECT è una tecnica tomografica in cui l'acquisizione dei dati avviene mediante rotazione delle testate di rivelazione della gamma camera intorno al paziente. Ad ogni angolazione viene acquisita un'immagine planare (proiezione); l'insieme di queste proiezioni fornisce informazioni tridimensionali, visualizzate come sezioni trasassiali - immagini di strati sottili (< 1 cm) delle strutture corporee, secondo piani trasversali rispetto all'asse corporeo.

Come la PET, la SPECT fornisce informazioni funzionali su organi specifici o sull'intero corpo. La radiazione interna viene somministrata tramite un farmaco con isotopo radioattivo o tracciante (tipicamente tecnezio) che può essere iniettato, ingerito o inalato. L'isotopo decade emettendo raggi gamma che, rilevati, formano un'immagine dell'interno del corpo.

La SPECT usa una tecnologia simile alla PET ma più semplice: i radiofarmaci sono marcati con isotopi che emettono direttamente radiazioni gamma. Questi raggi vengono raccolti nella