Diagnostica per Immagini: Radiologia, Risonanza Magnetica e Medicina Nucleare

02/03/2024 SECONDA LEZIONE

La "Radiologia" è una branca della medicina che sfrutta le radiazioni ionizzanti. Fino a poco tempo fa veniva chiamata con questo termine, attualmente è cambiata la terminologia perché ovviamente ci sono tecniche che utilizzano altri tipi di energia fisica, è per questo che viene chiamata "Diagnostica per Immagini".Quindi non solo radiazioni ma anche altri tipi di fonti di energia che possono essere gli ultrasuoni, la tomografia computerizzata, l'immagine a risonanza magnetica, l'immagine a medicina nucleare e la radiologia interventistica. Oltre a quella base della radiologia tradizionale, cambiano le fonti di energia. Nella radiografia e nella tomografia computerizzate utilizzeremo i raggi X, nell'ecografia gli ultrasuoni, in risonanza magnetica i campi magnetici e le radiofrequenze.

COME SI PRODUCONO I RAGGI

I raggi X furono scoperti da Rontgen per caso, perché aveva intuito che c'erano delle radiazioni o comunque un'energia che poteva oltrepassare i corpi opachi alla luce e erano in grado di emettere una fluorescenza se fatti interagire con sali di platino, zinco oppure altri metalli pesanti. Aveva intuito che questa energia poteva impressionare una lastra fotografica, quindi partiamo proprio da una lastra fotografica. Questo è il primo tubo radiogeno impiegato, per puro caso la moglie mise la mano durante l'emissione dei raggi e la mano della moglie venne impressionata sulla pellicola fotografica e qui fu la scoperta ovviamente che queste radiazioni di cui non si conosceva la provenienza per quello che furono chiamate raggi X, proprio perché erano sconosciute, riuscivano a passare il corpo umano e a impressionare i tessuti anatomici nella pellicola, quindi ovviamente la definizione delle immagini non era certamente ottimale, ma fu una grande scoperta. Come avviene la produzione dei raggi X? La produzione dei raggi X avviene all'interno di una struttura chiamata appunto tubo di Coolidge, in cui abbiamo un'ampolla di vetro o di plexiglass, in cuo è fatto un vuoto spinto. Ciò ovviamente permette una maggior velocità dell'energia che viene prodotta. Abbiamo due componenti essenziali, un catodo e un anodo. Sul catodo è posizionato un filamento di tungsteno. Le due strutture, il catodo e l'anodo, sono collegate attraverso un sistema elettrico di alta tensione, mentre solo sul catodo abbiamo un sistema elettrico di bassa tensione, quindi abbiamo due sistemi elettrici, una a bassa tensione sul catodo e un'altra ad alta tensione che collega i due strumenti. Nel momento in cui io do energia a bassa tensione al livello del catodo, in corrispondenza del filamento di tungsteno, io vado a eccitare gli elettroni del tungsteno e gli do l'energia necessaria per staccarsi dall'orbitale atomico.Si creerà quindi una nuvola di elettroni intorno al filamento. A questo punto do l'energia ad alta tensione, quindi differenza di potenziale tra catodo e anodo. La nuve di elettroni che si è formata avrà quindi la spinta per andare ad impattare sull'anodo. A questo punto gli elettroni interagiranno con il materiale dell'anodo, in parte trasformandosi in energia termica e generalmente al 90%, in parte trasformandosi in raggi X. L'anodo ha un'angolazione specifica che permette la proiezione dei raggi X attraverso una fessura chiamata "finestra" e quindi focalizzerà l'emissione dei raggi X soltanto in un punto. Questo perché per evitare la diffusione dei raggi X tutto intorno al tubo la parte di vetro è circondata da materiale ad alto peso molecolare come può essere per esempio il piombo che blocca la fuoriuscita dei raggi X. Gli elettroni interagiscono con il materiale dell'anodo attraverso tre tipi di proiezioni. Ad esempio attraverso le radiazione di frenamento, cioè arriva l'elettrone che interagisce con gli elettroni degli orbitali più esterni dando un'energia maggiore agli elettroni che si sposteranno di orbitale. Spostandosi di orbitale libereranno energia e l'orbitale più interno avrà un'energia tale da poter essere espulso. Questo causerà l'emissione dei raggi X. Altra interazione è quando l'elettrone passa talmente tanto vicino al nucleo che la forza del nucleo devia la sua direzione e in questa deviazione perderà energia sotto forma di raggi X. Il processo della produzione produce in maggior parte un'energia termica, quindi calore. Soltanto una piccola percentuale si trasformerà in raggi X, quindi il processo in realtà è antieconomico. In questo modo si crea un tale calore che deve essere disperso. In che modo viene disperso? Sia utilizzando dei materiali ad elevato punto di fusione, sia con opportuni sistemi di raffreddamento. I sistemi di raffreddamento consistono in far fluire tra la protezione di vetro e la capsula protettrice di piombo un fluido che generalmente è oleoso. Questo permette ovviamente di disperdere la maggior parte dell'energia di calore. I raggi X da punto di vista fisico sono dei fotoni. La quantità e l'energia dei fotoni prodotti dal tubo dipende sia dal numero di elettroni che viene liberato dal filamento del catodo, sia dall'intensità di corrente applicata al filamento, quindi la differenza di potenziale tra anodo e catodo. Se aumento l'energia del circuito a bassa tensione, aumenterà il numero degli elettroni prodotti. Se aumento la differenza di potenziale del circuito ad alta tensione, avremo un aumento dell'energia dei fotoni. Io posso gestire in questo modo la qualità dei fotoni e quindi utilizzarli in modo differente in base alla zona anatomica da dover studiare. Sono due i principali settori che definiscono l'immagine, la densità del tessuto, quindi il numero atomico del tessuto e lo spessore. Quindi abbiamo il catodo e l'anodo, l'emissione dei raggi X, l'oggetto, quindi il corpo umano. Subito al di sotto dell'oggetto abbiamo una pellicola radiografica dell'immagine analogica. Attualmente, visto che utilizziamo il digitale, avremo un piano in selenio amorfo che permette di visualizzare in real time l'immagine. L'osso ovviamente è il tessuto più denso, contiene calcio e fosforo, quindi alto peso molecolare e bloccherà molti più fotoni rispetto al muscolo per la diversa composizione atomica. Nell'osso avremo meno fotoni che emergeranno dalla parte opposta dell'oggetto, nel muscolo avremo più fotoni che emergeranno nella parte opposta. Stessa densità cambia lo spessore,ovviamente all'aumentare dello spessore si ridurrà il numero di fotoni che emergeranno nella parte opposta della struttura. Una volta che viene esposta a radiazioni avremo più fotoni che emergeranno sul tessuto molle rispetto a quelli sull'osso. Perché abbiamo questa scala di grigi e perché vediamo le immagini in bianco e nero? Perché inizialmente la pellicola era emulsionata con sali di argento, più sali di argento vengono ossidati, quindi dai raggi X, più fotoni arrivano sulla pellicola radiografica più avremo un'immagine scura, quindi nera. Meno fotoni arrivano sulla pellicola radiografica, meno sali di argento vengono impressionati e avremo l'immagine più chiara, quindi bianca. L'osso compatto sarà nettamente bianco, il midollo osseo sarà grigio chiaro, il tessuto muscolare sarà grigio scuro, l'aria sarà nera e definirà i contorni, il grasso è trasparente. Questi livelli di grigio, quindi dal nero al bianco vengono mantenuti anche nella digitale. Il torace è uno dei segmenti che ha un suo contrasto naturale perché contiene aria nei polmoni e la parte centrale formata dal mediastino e dal cuore, ovviamente tessuti molli e da ossa . Un tempo nella pellicola radiografica veniva usati dei sali d'argento, più era fine l'emulsione dei sali, quindi più erano piccoli sali, maggiore era il dettaglio anatomico, più grandi erano i sali, minore. Si è passati dalla Radiologia Analogica a questa attuale definita Radiologia Digitale. Quest'ultima può utilizzare uno sistema diretto oppure indiretto. Il metodo indiretto utilizza uno schermo cosiddetto a memoria, è sempre una pellicola, però abbiamo dei fosfori, un'emulsione di fosfori invece che di argento, sono fosfori a memoria in cui resta impressionata l'immagine che però è latente, che deve essere letta da un lettore laser. Il lettore laser legge l'immagine latente e la trasferisce nel computer, dove può essere rielaborata e processata e quindi poi stampata e archiviata. Gli ultimi, quelli che attualmente vengono più utilizzati sono i semiconduttori, sono dei sistemi generalmente in silicio amorfo, l'immagine latente che si forma viene direttamente rielaborata dal computer, quindi non abbiamo il lettore laser. Questo ci permette ovviamente di avere un'immagine in real time, cioè di visionare direttamente l'immagine che si sta formando sul monitor. Ovvio che il passaggio con l'immagine digitale ha portato alla possibilità di rielaborare l'immagine in post processing, che significa che io posso modificare i livelli di grigi, posso invertire la finestra, cioè fare in modo che quello che è nero diventi bianco e al contrario. In questo modo ho ridotto tantissimo la ripetizione degli esami che potevano essere eseguiti erroneamente per dati di scelti nella differenza di potenziale o nell'aumento o meno del circuito a bassa frequenza. Il termine "digitale" si riferisce alla preesenza dei pixel, che a loro volta determina la cosiddetta matrice. Più aumenta il numero della matrice, più abbiamo una definizione dell'immagine. Per ciascun pixel il computer definisce il grado di eccitazione del fosforo o del silicio e lo trasforma in un impulso elettrico che avrà l'intensità proporzionale all'eccitazione del fosforo o del silicio. Quindi a ciascun pixel è definito un valore elettrico a cui sarà associato un livello di grigio e quindi la formazione dell'immagine.

Svantaggi della Radiologia Digitale

Gli svantaggi della radiologia digitale sono: la creazione degli artefatti in postacquisizione, la rumorosità dell'immagine e talvolta un difficile posizionamento dei sensori soprattutto nella radiologia odontoiatrica.

UTILIZZO DEL MEZZO DI CONTRASTO

Fino a che naturalmente abbiamo un contrasto naturale, come il torac, ovviamente non abbiamo bisogno di utilizzare dei mezzi di contrasto. Quando invece abbiamo dei tessuti molli e quindi non riusciamo a individuare e studiare correttamente alcune strutture, possiamo utilizzare dei mezzi di contrasto. I mezzi di contrasto si dividono in positivi e negativi, i positivi aumentano la radiopacità, quindi sono bianchi, i mezzi di contrasto negativi aumentano la radiotrasparenza, quindi sono neri. I mezzi positivi sono i contrasti uroangiografici o il bario per quanto riguarda l'apparato gastrointestinale, i negativi sono l'aria. Esempio, voglio studiare la vescica, qua vedo l'immagine sfumata, l'ombra vescicale, ma non la definisco, attraverso un catetere posso mettere mezzo di contrasto uroangiografico. Quindi mi permette di distendere il viscere, di definirlo,non studio ciò che è fuori, ma studio soprattutto il lume del viscere. Nell'urografia, il mezzo di contrasto viene somministrato per via venosa e si aspetta il tempo di circolo urografico, quindi di eliminazione del mezzo di contrasto per via renale e si acquisiscono dei radiogrammi. Si opacizza tutto il sistema urografico, quindi dal bacinetto, i calici, il bacinetto, l'uretere in tutto il suo decorso fino allo sbocco in vescica. Tutte le strutture devono essere studiate in almeno due proiezioni ortogonali, quindi o frontale, quindi coronale, sagittale, il sagittale divide a metà simmetriche le due parti del corpo, in questo caso il cranio, o assiale. L'assiale al piano di riferimento è quello orizzontale tedesco di Francoforte che passa attraverso le linee di base antropologiche dei due lati, è ovviamente ortogonale al piano sagittale e coronale.

ECOGRAFIA

L'ecografia utilizza ultrasuoni e sfrutta la variazione di impedenza acustica, quindi l'opposizione del flusso di energia acustica da parte del mezzo di trasmissione per visualizzare diversi piani tessutali. È una tecnica molto diffusa, è una tecnica economica, è una tecnica che ci consente di valutare in real time le strutture, è una tecnica che però ha bisogno di grande esperienza dell'operatore perché è operatore dipendente. Le frequenze utilizzate a scopo diagnostico variano da 2 a 20 MHz, le frequenze più basse vengono utilizzate per addomi profondi, quelle più alte per strutture superficiali. L'impedenza acustica viene condizionata dall'interfaccia che si crea tra un tessuto e un altro, questa interfaccia fa sì che il fascio venga riflesso e questa riflessione è importante per la rielaborazione dell'immagine. L'interfaccia crea non solo riflessione ma anche rifrazione, cioè il cambiamento dell'angolo del fascio emergente. Visto che ciascun tessuto presenta una propria velocità di propagazione agli ultrasuoni, questa differenza può essere fondamentale nella rielaborazione dell'immagine. Anche la forza che si oppone alla trasmissione dell'energia nei vari tessuti, che dipende anche dalla densità del tessuto, varia a seconda del tessuto e anche questo è un altro fattore che determina l'immagine