Introduzione alla bioingegneria, bioimmagini e immagini radiologiche

Introduzione al corso di Bioingegneria

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Bioingegneria #01
Introduzione al corso, bioimmagini e immagini radiologiche
Prof. Gilardi - 2.03.21 - Autore: Noemi Infantino - Revisore: Eleonora Bergo

Introduzione al corso

L'obiettivo del corso di diagnostica per immagini e radioterapia è quello di indirizzare un paziente
al corretto iter diagnostico ed iter terapeutico, considerando sia la sua storia clinica che
formulando un sospetto diagnostico utilizzando tecniche di diagnostica per immagini. Pertanto il
fine del corso è fornire delle conoscenze di base relative alla fisica ed alle tecniche della
diagnostica per immagini e alla radioterapia, le indicazioni cliniche delle principali metodiche di
diagnostica per immagini, il riconoscimento dei principali quadri patologici ed un confronto,
secondo le diverse patologie, dell'efficacia diagnostica delle metodiche. In questo senso verranno
tenute delle lezioni integrate da parte di un medico nucleare e di un radiologo per fornire diverse
prospettive ed i principi tecnici e clinici dell'uso delle radiazioni ionizzanti in radioterapia, con
applicazioni in oncologia.

Il corso è abbastanza articolato e l'aspetto principale riguarda le tecniche e le applicazioni della
diagnostica per immagini, la quale comprende le seguenti discipline:

• Radiodiagnostica: comprendente la radiologia, la radiologia digitale, la tomografia
  computerizzata a raggi x, la radiologia interventistica, la risonanza magnetica e l'ecografia
• Neuroradiologia: la quale si avvale delle medesime tecniche della radiodiagnostica tc,
  risonanza magnetica e la neuroradiologia interventistica con applicazioni a livello cerebrale
• Medicina nucleare: con scintigrafia, tomografia ad emissione di fotone singolo (SPECT) e
  tomografia ad emissione di positroni (PET)

A questo macromodulo si agganciano le lezioni che riguardano i principi fisici alla base e le
tecniche e le tecnologie utilizzate per la diagnostica per immagini, inoltre ci saranno lezioni
riguardanti l'utilizzo di traccianti e mezzi di contrasto. I traccianti o radiotraccianti, utilizzati in
particolare in medicina nucleare, ed i mezzi di contrasto, utilizzati in tutte le tecniche di radiologia
e neuroradiologia, sono necessari per creare un contrasto, quindi per permettere di visualizzare in
maniera chiara le strutture quando queste, nelle immagini, non sono abbastanza evidenti rispetto
ai tessuti circostanti.

Un altro aspetto importante riguarda
la radioprotezione, quindi criteri e
regole di protezione nell'utilizzo delle
radiazioni sia per il personale, che è
professionalmente esposto, sia per i
pazienti.
Verrà trattata anche la radiobiologia:
quali sono gli aspetti biologici delle
radiazioni, quali possono essere le
TECNOLOGIE
BIOMEDICHE
.......
RADIODIAGNOSTICA
RADIOLOGIA E RADIOLOGIA DIGITALE
RADIOLOGIA INTERVENTISTICA
TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA
RISONANZA MAGNETICA
ECOGRAFIA
DIAGNOSTICA
PER IMMAGINI
NEURORADIOLOGIA
TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA
RISONANZA MAGNETICA
NEURORADIOLOGIA INTERVENTISTICA
MEDICINA NUCLEARE
SCINTIGRAFIA
TOMOGRAFIA AD EMISSIONE DI FOTONE SINGOLO
TOMOGRAFIA AD EMISSIONE DI POSITRONI
RADIOPROTEZIONE
TRACCIANTI E MEZZI
DI CONTRASTO
RADIOBIOLOGIA
RADIOTERAPIABioingegneria #01 - Gilardi - Introduzione, bioimmagini e immagini radiologiche
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conseguenze di una importante esposizione alle radiazioni, come questi effetti possono essere
utilizzati per danneggiare cellule patologiche ed in particolare come tali effetti siano utilizzati in
radioterapia nella cura dei tumori.

Recapiti dei docenti

Nell'immagine sottostante sono riportati i nominativi dei docenti del corso con i relativi recapiti.
RECAPITI
TECNOLOGIE BIOMEDICHE
Prof.ssa Maria Carla Gilardi
02 6448 8014
maria.gilardi@unimib.it
DIAGNOSTICA PER IMMAGINI
Prof. Sandro Sironi
039 233 9639
sandro.sironi@unimib.it
Prof.ssa Rosa Maria Moresco
02 2643 3817
rosamaria.moresco@unimib.it
Prof. Claudio Landoni
039 233 9130
claudio.landoni@unimib.it
Prof. Luca Guerra
039 233 9871
luca.guerra@unimib.it
Prof. Gianpaolo Basso
026448 8253
gianpaolo.basso@unimib.it
RADIOBIOLOGIA/RADIOPROTEZIONE E RADIOTERAPIA
Prof. Stefano Arcangeli
039 233 3663
stefano.arcangeli@unimib.it
SEGRETERIA DIDATTICA DELL'AREA RADIOLOGICA
Sig.ra Simona Becchio
039 233 9639
radiobicocca@unimib.it

Lezioni ed esercitazioni

La sequenza delle lezioni è la seguente: introduzione alle tecniche, introduzione ai traccianti ed ai
mezzi di contrasto, le tecniche di diagnostica per immagini, radioprotezione, radiobiologia e le
tecniche di radioterapia.
Il corso prevede anche delle esercitazioni idealmente in presenza, tuttavia l'anno scorso si sono
svolte in remoto ed i docenti stanno organizzando quelle dell'anno in corso. Esse prevedono una
discussione di casi clinici basati sull'imaging, in seguito verranno forniti ulteriori dettagli.

Testi di riferimento

MATERIALE DIDATTICO

• R.Passariello e G.Simonetti
  Compendio di Radiologia
  Idelson Gnocchi Ed.
• P.Torricelli e M.Zompatori
  Manuale di Diagnostica per Immagini
  Esclulapio Ed.
• Dispense tratte dalle lezioniPag. 3 a 25
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Esame

L'esame consta di 30 quiz a scelta multipla su tutti gli argomenti trattati durante il corso da
svolgere in 45 minuti, ed un colloquio con almeno due docenti; si cercherà di indirizzare lo
studente ai docenti relativi alle materie nelle quali è risultato meno preparato allo scritto, in
maniera tale da discutere anche il compito ed eventuali errori.

Lezioni introduttive

Gli argomenti che saranno trattati nelle lezioni introduttive saranno: l'introduzione alle
bioimmagini, quali tipi di bioimmagini esistono e come possono essere descritte e caratterizzate,
un'introduzione al concetto di qualità dell'immagine, definita come l'accuratezza con cui le
immagini riescono a riprodurre la situazione reale, il distretto corporeo e gli aspetti fisiopatologici
rappresentati.

Bioimmagini

Una bioimmagine è una rappresentazione nella forma di immagine di informazioni relative ad un
distretto corporeo, rappresentando l'anatomia, la morfologia o la fisiologia di parti interne del
corpo. In passato venivano applicate in maniera distinta tecniche morfologiche, che fornivano
informazioni strutturali, e tecniche funzionali che fornivano informazioni di tipo funzionale;
attualmente invece l'evoluzione tecnologica ha portato ad una maggiore commistione di questi
due aspetti.

Tipologie di bioimmagini

Le immagini si distinguono in:

• Immagini che si ottengono da fenomeni fisici naturali;
• Immagini che si ottengono da fenomeni fisici indotti, cioè per la cui formazione è
  necessario fornire una qualche forma di stimolo al paziente.

Bioimmagini da fenomeni fisici naturali

Le tecniche basate su fenomeni fisici naturali rivelano segnali fisiologicamente emessi dal corpo,
tipicamente sono:

• la termografia: rivela raggi infrarossi;
• le mappe elettroencefalogra
• le mappe di magnetoencefalografia (MEG) o di magnetocardiografia (MCG).

Attraverso l'EEG, la MEG, l'ECG o la MCG vengono rilevati dei segnali nel tempo a livello dei punti
di campionamento, in corrispondenza ad elettrodi. Pertanto utilizzando una mappa densa di punti
di campionamento è possibile formare delle immagini che sono delle mappe dell'attività elettrica
o dell'attività magnetica ottenute rilevando i segnali elettromagnetici.Bioingegneria #01 - Gilardi - Introduzione, bioimmagini e immagini radiologiche
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Oggi le applicazioni della termografia sono abbastanza limitate ed è considerata soprattutto una
tecnica complementare.
Il corpo emette radiazioni elettromagnetiche, nel dettaglio radiazioni infrarosse, che trasportano
energia termica in maniera proporzionale alla temperatura corporea; di conseguenza le immagini
termografiche sono immagini di temperatura e siccome la temperatura dipende dal metabolismo
cellulare dei tessuti e dalla vascolarizzazione superficiale tali immagini sono rappresentative
dell'attività metabolica. Di conseguenza trovano applicazione in ambito oncologico oppure
possono essere utilizzate per valutare la vascolarizzazione dei tessuti ed eventuali infiammazioni.
Come per l'EEG e l'ECG, non viene somministrata al paziente alcuna forma di energia, ma vengono
rilevati i segnali fisiologici naturalmente emessi dal paziente.
Esempi di termografia:
asintomatica
Arto inferiore sinistro: vene varicose; flebite
pre fumo
post fumo
Indagine per cervicalgia: Periartrite spalla dx
Mani di un fumatore con vasocostrizione periferica

Bioimmagini da fenomeni fisici indotti

Nelle bioimmagini da fenomeni fisici indotti invece si induce un fenomeno fisico all'interno del
paziente, tramite stimolazione del corpo, in cui convivono diversi sistemi (idraulico, elettrico,
meccanico), applicando una forma di energia prodotta all'esterno. Questo sistema rivela il segnale
in ingresso, il segnale in uscita ed il confronto, cioè come si trasforma il segnale, permettendo
quindi di ottenere informazioni su un particolare aspetto del distretto corporeo in studio.
Questo processo viene utilizzato nella radiologia convenzionale, in cui si ha un fascio di raggi X di
intensità omogenea, paragonabile alla sorgente di energia in ingresso, che viene indirizzato al
corpo del paziente, per poi essere trasformato da quest'ultimo a seconda dei materiali che
incontra e lo spessore tissutale. Di conseguenza in uscita si avrà un fascio di raggi X modulato in
intensità secondo la trasformazione dovuta all'attenuazione dei raggi all'interno del corpo. In
conclusione il segnale in uscita è differente rispetto al segnale di ingresso a causa della
modificazione dovuta alla struttura, allo spessore e alla composizione dei tessuti incontratiBioingegneria #01 - Gilardi - Introduzione, bioimmagini e immagini radiologiche
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all'interno del corpo. Utilizzando un rilevatore, in questo caso una lastra radiografica, si ottiene
un'immagine di attenuazione dei raggi X nel corpo del paziente.
Per le immagini indotte da fenomeni naturali non bisogna somministrare alcuna forma di energia
al paziente, invece nel caso delle immagini da fenomeni fisici indotti, si studia la trasformazione di
una forma di energia applicata dall'esterno che induce un fenomeno fisico all'interno del corpo del
paziente.
Per ottenere le bioimmagini che si formano da fenomeni fisici indotti si utilizzano le tecniche
riportate nell'immagine che segue:

TECNICA
MODO
SORGENTE
(input)
FENOMENO
FISICO
INFORMAZIONE
RAPPRESENTATA
IMMAGINE
RADIOLOGIA
PLANARE
RAGGI X
inviati al paziente
ATTENUAZIONE
DEI
RAGGI X
Coefficiente di
attenuazione ai raggi X,
associato a:
TOMOGRAFIA
COMPUTERIZZATA
TC
TOMOGRAFICA
. DENSITA' (g/cm3)
· NUMERO ATOMICO
ECOGRAFIA
TOMOGRAFICA
ULTRASUONI
inviati al
paziente
RIFLESSIONE
ULTRASUONI
(ECO)
· TEMPO DI ECO
· AMPIEZZA DI ECO
RISONANZA
MAGNETICA
TOMOGRAFICA
CAMPO MAGNETICO
E
ONDE RADIO
inviate al paziente
RISONANZA
MAGNETICA
· DENSITA' PROTONICA
· parametri di
rilassamento T1 e T2
SCINTIGRAFIA
PLANARE
RADIOTRACCIANTI
iniettati al paziente
EMISSIONE
DI RADIAZIONI
CONCENTRAZIONE DI
RADIOTRACCIANTE
TOMOGRAFIA AD
EMISSIONE
SPECT e PET
TOMOGRAFICA

Modo delle immagini

Le immagini prodotte da queste tecniche possono essere planari o tomografiche.

Immagini planari

Le immagini planari, che sono la radiografia in radiologia e la scintigrafia in medicina nucleare,
sono immagini di proiezione, cioè rappresentano una struttura volumetrica tridimensionale, come
il corpo del paziente, come appiattita a formare un'immagine bidimensionale.
Considerando la radiografia: tramite essa si studia l'attenuazione dei raggi X nella direzione di
propagazione del fascio di raggi, e l'immagine ottenuta è l'integrale dell'attenuazione dei raggi X
nella direzione di propagazione. Di conseguenza si perdono informazioni puntuali all'interno del
corpo del paziente e si ha un'immagine di proiezione che rappresenta l'integrale della
caratteristica che si sta studiando nella direzione di propagazione dei raggi X, perdendo
l'informazione tridimensionale.

Immagini tomografiche