diagnostica per immagini

Dalla scoperta dei raggi X ad oggi, le nuove acquisizioni scientifiche e l'evoluzione tecnologica hanno porato a strumenti di indagine diagnostica sempre più affidabili, accurati e costosi. Questi strumenti si possono dividere in due calssi: con utilizzo di radiazioni nucleari e senza utilizzo di radiazioni nucleari.


Esaminando il disegno, si vede che l'emissione di raggi X (radiazioni elettromagnetiche) attraverso il corpo del paziente è alla base delle comuni radiografie e della TAC; invece la Scintigrafia, la Pet e la Spect richiedono l'assunzione di un nuclide radioattivo (soggetto alla registrazione come medicinale) la cui emissione di radiazioni permette di ottenere un referto ottico.

Vi sono poi altri strumenti di indagine quali RMN, l'ecografia e la termografia e che non richiedono l'utilizzo di radiazioni ionizzanti.

RMN

La Risonanza Magnetica (RMN) è una tecnologia che permette di ottenere immagini di sezioni dell'organismo di un paziente (immagini tomografiche) in modo incruento e non invasivo, ovverosia senza la necessità di somministrare al paziente alcuna sostanza.

La tecnica sfrutta il fenomeno fisico della Risonanza Magnetica Nucleare, secondo il quale alcuni nuclei di elementi presenti nel corpo umano (in particolare il nucleo dell'idrogeno) si comportano diversamente in risposta all'applicazione di un campo magnetico esterno molto intenso. Il fenomeno fisico della Risonanza Magnetica Nucleare si verifica per l'interazione all'interno del corpo umano tra questo intenso campo magnetico e onde elettromagnetiche di opportuna frequenza, inviate al corpo del paziente. Le onde elettromagnetiche a radiofrequenza (a bassa energia rispetto alle radiazioni comuni) non hanno effetti dannosi sui tessuti biologici.

Per eseguire un'indagine RMN, il paziente viene "immerso" in un campo magnetico presente all'interno dell'apparecchiatura dalla quale vengono indirizzati al paziente impulsi di onde elettromagnetiche e vengono rivelate le onde elettromagnetiche restituite dal paziente, modificate dai tessuti.
Come la TAC la RMN fornisce immagini di sezioni dell'organismo, però il contenuto delle immagini e quindi le informazioni fornite sono diverse. Nella TAC il contenuto delle immagini è legato alla diversa attenuazione di un fascio di raggi X nei tessuti, e quindi alla loro densità. Il contenuto delle immagini RM è legato a proprietà chimico fisiche dei tessuti. Infatti, il contenuto delle immagini RMN dipende dalla concentrazione di nuclei di idrogeno nei tessuti e, in definitiva, poiché l'idrogeno è presente nel corpo umano essenzialmente in forma di acqua, dalla concentrazione di acqua dei tessuti. Per questa ragione, le informazioni fornite dalle immagini di risonanza magnetica sono diverse rispetto a quelle degli altri metodi di imaging, infatti sulla base della particolare composizione biochimica dei diversi tessuti, è possibile la loro distinzione.

Dunque, si tratta di comprendere perché è possibile la distinzione fra i tessuti. Infatti, si potrebbe pensare che la RM sia poco utile in quanto ogni nucleo attivo dovrebbe entrare in risonanza con il campo esterno alla sua frequenza, e tutti gli isotopi uguali si comporterebbero allo stesso modo. Però questo non accade in quanto è estremamente difficile che i nuclei attivi risuonino quando dovrebbero. Questo perché i nuclei attivi oltre che circondati dalla propria "nube" elettronica, sono immersi in un insieme di atomi: altri atomi, altre molecole. Così il campo magnetico applicato induce, sull'intorno elettronico di ogni nucleo, un campo magnetico locale opposto (fenomeno di induzione).

spettro NMR dell'etanoloLo spettro RM a destra, esemplifica visivamente quanto detto: i protoni dell'idrogeno assorbono energia a frequenze differenti a seconda della distribuzione elettronica degli atomi circostanti.
Le immagini di risonanza magnetica hanno normalmente dimensioni cha variano da 256x256 pixel (immagini cardiache) a 1024x1024 pixel (immagini cerebrali ad alta risoluzione) per una profondità di 16 bit/pixel (cinque bit per il rosso e il blu e sei per il verde). Questo comporta una risoluzione spaziale intrinseca piuttosto bassa (particolari di 1 mm sono praticamente al limite della visibilità), ma l'importanza di questo esame sta nel fatto di poter discriminare, per esempio, tra un tessuto del fegato ed uno della milza (che rispetto ai raggi X presentano la stessa densità ottica), oppure i tessuti sani dalle lesioni. I tempi di scansione sono molto più lunghi rispetto alle altre tecniche radiologiche (un esame completo di risonanza magnetica dura da 30 a 60 minuti), e la risoluzione temporale è generalmente piuttosto bassa (qualche immagine al secondo per le risoluzioni spaziali inferiori).
Una caratteristica fondamentale della risonanza è la possibilità di variare la tipologia di contrasto dell'immagine semplicemente modificando la sequenza di eccitazione eseguita dall'apparecchiatura. Ad esempio è possibile evidenziare oppure sopprimere il segnale dovuto al sangue, oppure ottenere informazioni di carattere funzionale invece che semplicemente morfologico.

osservazioneLe informazioni fornite dalle immagini di RM si differenziano dagli altri metodi di imaging in quanto permettono di vedere esclusivamente i tessuti molli e, al contrario delle altre tecnologie, è possibile la discriminazione tra tipologie di tessuti. L'indagine RM, non essendo legata all'assorbimento di radiazioni ionizzanti da parte del paziente, è indicata rispetto alla TC quando non c'è necessità di avere un'altissima risoluzione spaziale. Inoltre risulta più utile in caso di lesioni localizzate in tessuti vicini a strutture ossee, che potrebbero non essere rilevabili attraverso i raggi X.

Ecografia

L'ecografia è una tecnica diagnostica per immagini che utilizza ultrasuoni (onde elastiche) per produrre in tempo reale immagini di sezioni delle strutture corporee.

pipistrello in cacciaGli ultrasuoni sono il mezzo attraverso il quale i pipistrelli si orientano nel buio, e questo adattamento evolutivo è stato il suggerimento per produrre il sonar: uno strumento sviluppato dopo l'affondamento del Titanic (1912) e nel corso della I guerra mondiale per la individuazione di sottomarini. Il sonar può essere considerato il precursore dell'ecografo.

Per esempio, i pipstrelli emettono ultrasuoni da 14.000 a oltre 100.000 Hz; quindi, essendo la velocità del suono in aria circa 340 m/sec, la lunghezza d'onda, λ, per questa frequenza è λ = velocità/frequenza = 340/100.000 = 0,0034 m = 0,3 cm : questa è la dimensione minima che può essere individuata da un pipistrello... certamente sufficiente per nutrirsi di insetti.
Durante la caccia, i chirotteri emettono circa 10-20 impulsi al secondo finché, individuata la preda, - per localizzarne la posizione - aumentano il numero di impulsi emessi, fino a raggiungere 200 impulsi al secondo).

ecolocalizzazione delfiniAnalogamente ai pipistrelli, anche i delfini sfruttano il fenomeno dell'eco per muoversi e cacciare in condizioni di scarsa o nulla visibilità. Tuttavia, i delfini grazie al loro cervello più sviluppato, dispongono di un "biosonar" perfezionato: possono scambiarsi messaggi fino alla distanza di 220 km.
I "click" si ripetono da 20 a 30 volte ogni secondo, con una durata di circa 50 ms e , e contengono frequenze fino a 130 kh, così tenendo conto che la velocità del suono in acqua 1430 m/s (a 25º C) la risoluzione è λ = 1.430/130.000 = 0,011 m = 1,1 cm : meno dei pipistrelli... però le loro prede devono essere più grandi!

Premesso che solo un'onda continua può essere caratterizzata da una singola frequenza, ne segue che un'onda impulsiva (cioè localizzata e di breve durata) come quelle emesse dai pipistrelli e dai delfini, deve essere costituita da due o più frequenze. In particolare, gli impulsi ultrasonici usati in diagnostica sono tipicamente caratterizzati da una lunghezza d'onda ottenuta dalla combinazione di sole due frequenze.

osservazioneGli ultrasuoni sono prodotti da trasduttori che convertono energia elettrica in energia meccanica grazie a cristalli piezolettrici [bariotitanato, piombo-zirconato-titanato]. Questi cristalli sono costituiti da innumerevoli "dipoli" che per azione di un campo elettrico tendono a cambiare orientamento spaziale modificando le dimensioni del cristallo che sono accompagnate dall'emissione di ultrasuoni. Inversamente, onde sonore che fanno vibrare i cristalli piezoelettrici determinano l'induzione di una corrente in un circuito elettrico collegato al cristallo.

La velocità di un'onda è indipendente dalla sua frequenza (determinata dalla sorgente) ed è costante in un mezzo omogeneo; d'altra parte, ogni mezzo oppone una certa "resistenza" alla propagazione di un'onda sonora. Questa resistenza, detta "impedenza", è una proprietà fondamentale della materia ed è alla base della formazione degli echi. L'impedenza è direttamente proporzionale alla densità del materiale attraversato e alla velocità del suono. La sua unità di misura è il Rayl (dal nome del fisico inglese Rayleigh, che pose le basi teoriche della fisica dei suoni). La formula per calcolare il Rayl è: Z = ρ v

dove: Z = impedenza acustica; ρ = densità (g/cm3); v = velocità del suono nel mezzo.

Quando gli ultrasuoni attraversano il tessuto biologico, perdono una certa porzione della loro energia: questo processo è conosciuto con il nome di attenuazione. L'assorbimento è la causa principale dell'attenuazione degli ultrasuoni. L'energia ultrasonora è assorbita dal tessuto ed è alla fine convertita in calore.

osservazione
Alla frequenza di 1 MHz la lunghezza d'onda in acqua è di 1,5 mm, e questa corrisponde alla minima dimensione rilevabile con tale frequenza: oggetti più piccoli non sono individuabili. Per avere una risoluzione maggiore si dovrebbe aumentare la frequenza (diminuzione della lunghezza d'onda); però, questa non può essere aumentata eccessivamente in quanto alle alte frequenze l'interazione con la materia è maggiore e quindi l'assorbimento dell'energia delle onde sonore da parte dei tessuti limita la penetrazione raggiungibile. Così, per lo studio degli organi addominali si utilizzano frequenze di lavoro comprese tra 3 e 5 Mega Hertz, mentre frequenze più alte, a maggiore capacità risolutiva, sono utilizzate per la valutazione dei tessuti superficiali (tiroide, mammella, scroto ecc.) .

Il coefficiente di assorbimento, a, è usato come una misura dell'assorbimento in vari tessuti. Per gli ultrasuoni con incidenza perpendicolare su tessuti omogenei, si può ritenere che l'assorbimento sia proporzionale allo spessore del tessuto attraversato:

I(x) = -I0 a dx          (1)

dove:
I(x) è l'intensità alla profondità x;
I0 è l'intensità alla superficie;
a è il coefficiente di assorbimento che varia con il materiale attraversato e la specifica frequenza.

Risolvendo l'equazione differenziale (1) si ottiene :

I(x) = I0 e-ax          (2)

mezzo velocità [m/s]
aria a 0 °C 332
aria a 20 °C 344
acqua a 20 °C 1480
tessuto molle 1540
muscolo 1580
osso 4080
alluminio 6260
ferro 5850
La (2) mostra come l'attenuazione dell'onda ultrasonica, nell'attraversare un tessuto, diminuisce con modalità esponenziale.

Come si vede dalla tabella a sinistra, la velocità del suono nel tessuto vivente, escluso il tessuto osseo, è prossima a quella dell'acqua (il componente principale degli organismi viventi); tuttavia, sebbene la velocità del suono nei tessuti sia abbastanza costante la velocità presenta comunque variazioni da tessuto a tessuto che comunque non sono tali da compromettere la rilevazione mediante ultrasuoni giacché una velocità costante è necessaria per il calcolo della distanza tra un oggetto riflettente e la sonda.

La differenza nella velocità del suono tra il muscolo e tessuto molle, corisponde al 2.5%

(1580-1540)x100/1540 = 2.5

Un impulso ultrasonoro trasmesso alla pelle, attraversa i tessuti molli (la differenza di impedenza tra i tessuti molli è minima, consentendo la progressione del fascio ultrasonoro in profondità) fino a raggiunge il muscolo dal quale viene rinviata un eco che arriva 20 μsec dopo.

I punti di passaggio tra tessuti con impedenza acustica diversa vengono chiamati interfacce. Ogni volta che gli ultrasuoni incontrano un'interfaccia, il fascio viene in parte riflesso ed in parte rifratto (cioè deviato dai tessuti sottostanti). Il fascio riflesso (eco) si dirige nuovamente verso il trasduttore dove eccita il cristallo della sonda generando ora una corrente elettrica. In pratica, l'effetto piezoelettrico trasforma prima i segnali elettrici in ultrasuoni che riflessi raggiungono nuovamente il trasduttore dove sono convertiti in segnali elettrici che vengono elaborati tramite un computer e trasformati in un immagine sul video in tempo reale. Occorre considerare che l'interfaccia tessuto molle-aria riflette quasi tutto il fascio ultrasonoro e quindi è necessario interporre tra la sonda e la pelle un gel conduttore. Al contrario, l'interfaccia tessuto molle-osso riflette la maggior parte del fascio ultrasonoro.

Tramite l'analisi delle caratteristiche dell'onda ultrasonora riflessa, è possibile ottenere informazioni utili per differenziare strutture con diversa densità. L'energia di riflessione è direttamente proporzionale alla variazione di impedenza acustica tra due superfici. Per significative variazioni, come per esempio il passaggio tra l'aria e la cute, il fascio ultrasonoro può subire una riflessione totale; per questo è necessario l'uso di sostanze gelatinose tra sonda e cute: questi gel sostituiscono l'interfase aria/pelle con gel/pelle.

Se la velocità di propagazione dell'onda nel mezzo è conosciuta, allora i tempi fra la trasmissione e la ricezione del segnale possono essere trasformati in distanze dal trasduttore, a patto che la posizione e l'orientamento del trasduttore e del ricevitore siano conosciuti e gli echi siano di intensità adeguata alla rilevazione. Può essere così costruita una mappa bidimensionale, una sorta di immagine delle strutture all'interno del corpo.

il tempo trascorso dall'emissione dell'impulso al ritorno dell'eco è

t = 2d /v

dove d è la distanza tra sonda e oggetto e v è la velocità del suono.

spiegazione grafica ecoOra, poiché la velocità del suono è praticamente uguale per tutti i tessuti molli, è ovvio che questi non possono essere differenziati: quello che si ottiene è una rappresentazione bidimensionale in cui le diverse tonalità di grigio permettono di conferire all'immagine una sorta di tridimensionalità.

Per esempio, se una serie di impulsi ultrasonici trasmessi dalla pelle e dai tessuti molli, raggiungono il tessuto muscolare dal quale vengono riflessi e quindi rilevati dopo 30 µsec e poi, spostando la sonda dopo 40 µsec, le distanza dal muscolo al trasduttore sono: 30·10-6 · 1540 /2 = d = 0,0231 m = 2,31 cm; poi 40·10-6 · 1540 /2 = d = 0,0308 m = 3,08. I due echi possono essere mostrati su uno schermo come una serie di ombre, più chiare quelle relative alla riflessione più superficiale e più scure via via che aumenta il tempo di ritorno dell'impulso.

In questo esempio esplicativo si è implicitamente ammesso che l'interfaccia tra i tessuti sia piana ed omogenea e quindi che l'ultrasuono riflesso torni tutto al ricevitore... non è vero: l'onda ultrasonica segue le leggi della riflessione e della rifrazione rendendo complessa la rilevazione in quanto si ha dispersione del segnale. Comunque il posizionamento della sonda perpendicolarmente alla struttura da studiare evita o quantomeno riduce notevolmente la rifrazione. Inoltre, come già ricordato, vi è un assorbimento da parte del tessuto stesso dell'energia ultrasonora che si trasforma principalmente in calore. Poiché l'ultrasuono è trasmesso attraverso il tessuto come una vibrazione meccanica, se il livello di potenza è elevato ne può derivare un danno meccanico sotto forma di effetto termico e creazioni di cavità. Un sistema doppler con una erogazione continua di potenza cede 0,5 mW/mm2; al tessuto. Gli ecografi oggi in uso hanno potenze ben inferiori ai valori biologicamente dannosi. Comunque, particolare attenzione và posta al feto che ha un piccolo e delicato sistema uditivo.

osservazione
Si deve tener presente che che gli ultrasuoni possono rompere la catena della cromatina (del DNA delle cellule) però, mentre con le radiazioni ionizzanti (raggi X) la riparazione avviene con minore frequenza, in questo caso essa si ha sempre. Ecco perché l'ecografia può essere utilizzata senza alcun rischio per il monitoraggio della gravidanza (nei casi normali, 1 eco ogni tre mesi, nei casi critici, 1 eco al mese).

Uno studio svolto dalla Società Italiana di diagnosi prenatale e medicina materno fetale (Sidip), ha rilevato che l'ecografia prenatale, effettuata di routine verso la 23 esima settimana di gestazione al fine di individuare eventuali malformazioni del feto, non garantirebbe un risultato infallibile. Infatti, i dati raccolti dimostrano che 1 bambino su 10 nasce con malformazioni, e queste nel 30% dei casi sono anche gravi. Così, si è scoperto che, in realtà, solo 6 casi su 10 sono visibili dal ginecologo al momento dell'ecografia morfologica.

Termografia

termografia al senoLa termografia è un esame assolutamente privo di effetti collaterali, indolore, non invasivo, di semplice esecuzione e senza utilizzo di radiazioni pericolose. Si basa sulla constatazione che tutti gli organismi viventi omeotermi (mammiferi e uccelli) producono calore che, per la maggior parte, viene disperso nell'ambiente attraverso la pelle; in particolare, diversi processi patologici provocano un aumento della produzione di calore nella regione corporea interessata e sono proprio queste variazioni locali di temperatura che, in forma di radiazioni elettromagnetiche infrarosse, vengono rilevate con la termografia.

*La temperatura corporea non è uniforme in tutto l'organismo: non solo esiste una differenza tra la temperatura cutanea (in equilibrio termico con la temperatura esterna) e quella degli organi interni (temperatura interna o centrale), ma si osservano differenze regionali nei vari distretti: la t. cutanea ascellare, nell'uomo sano in condizioni basali, è di circa 36,5 °C, mentre quella inguinale è più elevata di pochi decimi; quella orale è di circa 36,7 °C; quella rettale di 37 °C; variazioni di 0,5 °C sono da considerarsi normali in condizioni basali. Dopo sforzo, fumo o assunzione di cibo, si osservano variazioni superiori a 0,5 °C. Esistono inoltre variazioni fisiologiche nel corso delle 24 ore, innalzamento nelle ore serali e diminuzione nelle prime ore della mattina, con una escursione complessiva che può anche superare 1 °C. Altre variazioni sono legate allo stato funzionale dell’organismo, soprattutto in rapporto con il lavoro muscolare e, nel caso particolare della donna, con la fase dell’ovulazione, durante la quale si osserva un lieve innalzamento.

Variazioni della t. esterna (entro limiti abbastanza ampi) non modificano la t. interna degli animali omeotermi o la modificano solo in piccolo grado, mentre la t. cutanea varia secondo la t. dell’ambiente (aria e acqua) e secondo che la pelle sia coperta o nuda. Negli animali pecilotermi (Rettili, Anfibi, pesci e invertebrati) la t. corporea interna oscilla parallelamente a quella dell’ambiente, mantenendosi però, di solito, superiore di qualche decimo di grado alla t. esterna. Gli animali pecilotermi sopportano facilmente t. molto alte e molto basse (fino a 70 °C e più alcuni Protozoi, fino a -28 °C le rane e -50 °C alcuni Artropodi).

*adattatato da Enciclopedia Treccani

Prima dell'esame, è opportuno non fumare, non sottoporsi a medicazioni, non assumere farmaci, non esporsi al sole o a lampade abbronzanti, non usare creme ed astenersi dallo svolgere intensa attività fisica.
Durante la termografia il paziente deve essere messo a proprio agio in un ambiente ad illuminazione costante. Dopo aver rilevato la temperatura orale (che non deve superare i 37,5°C) la superficie cutanea da analizzare deve essere esposta direttamente all'aria per circa 15 minuti in modo da portarla in equilibrio termico con l'ambiente (che costituisce il fondo). La temperatura ambiente deve essere tra i 20° ed i 24°C, con umidità relativa tra il 35 e il 60%.
Durante l'esame, il paziente deve trovarsi in posizione comoda, in un ambiente ad illuminazione costante e sufficientemente tranquillo, cercando di ridurre al minimo gli spostamenti d'aria sulla superficie esposta, che qualora si usino telecamere all'infrarosso potrebbero alterare la lettura.

Quest'esame viene utilizzato per la diagnosi di alcuni tumori non profondi, soprattutto della mammella e della tiroide, nonché per valutare le alterazioni del flusso del sangue negli arti. Consente, inoltre, di rilevare stati infiammatori a livello del sistema muscolare o lesioni ischemiche, sempre però in aree superficiali.

Esistono due tipi di termografia:

Al contrario degli impieghi tecnici ed industriali, in cui la termografia è molto utile per indagini preliminari e a distanza, la termografia medica offre modesti risultati, dovuti essenzialmente alla ridotta risoluzione spaziale di questa metodica d'indagine. Per esempio, con la termografia si possono individuare le zone di dispersione termica di un edificio, ma anche - all'opposto, perché zone più fredde - si possono prevedere le zone di probabile distacco dal muro del rivestimento in cortina o a piastrelle. Infatti, in questo caso, il distacco è provocato dall'acqua che si infiltra dietro le piastrelle (figura a sx, zone in blu) e durante le gelate invernali ne provoca il distacco, con pericolo per i passanti. Ovviamente, come per la dispersione termica, anche le infiltrazioni non sono visibili ad occhio nudo.

Indubbiamente, grazie al progresso dei sensori ultraminiaturizzati e al contemporaneo enorme sviluppo della potenza di calcolo degli elaboratori, è stata sviluppata una nuova generazione di termocamere completamente digitali che offrono migliori prestazioni e permettono allo stesso tempo di effettuare un'analisi più potente ed accurata delle immagini acquisite. Tuttavia, se negli anni settanta la teletermografia clinica costituiva un metodo praticamente unico (oltre ad essere di semplice esecuzione, la teletermografia non utilizza radiazioni dannose e quindi risulta priva di effetti collaterali) e non invasivo per la diagnosi ed il monitoraggio di un ampio spettro di condizioni patologiche, dalla diagnostica precoce del carcinoma mammario, alla reumatologia, ai disturbi neurologici e circolatori, alle lesioni cutanee. D'altra parte, poiché attualmente non esistono studi clinici randomizzati e controllati che ne dimostrino l'efficacia e che consentano un confronto con le altre metodiche diagnostiche correntemente in uso nella pratica ospedaliera, non è disponibile alcuna evidenza in grado di attestarne l'efficacia diagnostica. In conclusione, la termografia medica si può considerare un esame che non sostituisce altri test diagnostici in quanto la risoluzione delle immagini non è elevata, ma è un notevole complemento dell'ecografia e comunque fornisce informazioni che aiutano lo specialista nella diagnosi e trattamento di varie patologie.


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Marcello Guidotti, copyright 2012
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