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 classi: 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.

TAC Tomografia Assiale Computerizzata

Nel campo delle onde elettromagnetiche sono compresi i raggi X, la cui lunghezza d'onda è moltro più corta delle onde elettomagnetiche nel visibile. I raggi X possono penetrare e attraversare molti materiali, facilmente i tessuti molli, meno facilmente i tessuti più densi come i muscoli e poco o niente attraverso ossa e metalli. Questo spiega perché in una radiografia della mano si possono distinguere le ossa delle dita, la pelle i muscoli circostanti e l'anello metallico. La radiografia è molto utile, però soffre di tre limitazioni. Per superare la seconda e la terza limitazione, si dovrebbero ottenere più immagini con maggiori particolari distinguibili e con diverse angolazioni; tuttavia, questo si scontrerebbe con la prima limitazione, la somministrazione di dosi eccessive di raggi X.

La soluzione è offerta da un sistema decisamente più efficace e costoso, noto come TAC (Tomografia assiale computerizzata). Il sistema, richiede raggi X di minore intensità - in quanto la lastra è sostituita da sensori molto più sensibili - e questo permette di appezzare piccolissime differenze di densità tissutale, per cui un medico può esaminare il cervello di un paziente valutandone le esatte dimensioni, oppure individuare la forma e la collocazione spaziale di un tumore o di un coagulo sanguino. Questo vantaggio offerto dalla TAC è conseguenza del fatto che l'immagine non è ottenuta mediante una lastra, bensì mediante l'elaborazione computerizzata di dati diagnostici rilevati da appositi sensori sensibili ad una minore dose di raggi X.
L'immagine è ricostruita, sezione dopo sezione, in modo seriale. Il procedimento è descrivibile con un semplice esempio per il quale utilizzeremo un raggio laser e un esposimetro (misuratore dell'intensità luminosa).

rilevatore con esposimetro

monitor con profilo bidimensionaleImmaginiamo di collocare un pezzo di vetro di forma irregolare su un cerchio diviso in 10 settori numerati. Posizionando la sorgente laser sul vertice 3 e l'esposimetro sul vertice 8, potremo leggere su questo il valore dell'intensità del raggio dopo aver attraversato il vetro.Poi, spostado la sorgente laser sul vertice 4 e l'esposimetro sul 9, misureremo un altro valore d'intensità in quanto il percorso attraverso il vetro è maggiore. Ripetendo il procedimento, otterremo 10 misure differenti. Come risultato, otterremo sul monitor collegato al nostro dispositivo un'immagine simile a quella riportata nella figura a destra, ovviamente migliorabile aumentando il numero di settori. L'immagine mostrata sul monitor è solo una fetta (tomos) "ritagliata" nel vetro. Per ottenere l'immagine completa, è sufficiente spostarsi lungo un piano verticale al quadrante che abbiammo immaginato diviso in 10 settori. In questo modo, ad ogni spotamento potremo fermarci ed effettuare 10 nuove misurazioni, fino a completare lo spazio in cui è racchiuso il nostro pezzo di vetro.

Compreso il procedimento, passiamo alla realtà, cioè la TAC. In questo caso, al posto della sorgente laser abbiamo una emittente di raggi X a bassa intensità; al posto dell'esposimetro vi è un rilevatore (fotomoltiplicatore) che riceve i raggi X e amplifica la lettura. Le letture vengono eseguite non in coppie di punti (1 e 6; 2 e 7; ...) ma con una rotazione continua per formare un circolo completo.
Il paziente è adagiato su un lettino mobile che si sposta lentamente dentro l'apparecchiatura in modo da ottenere le "fette" circolari realtive alla lunghezza della parte interessata. A seconda delle dimensioni dell'organo o degli organi da eseminare,e dei dettagli desiderati (cioé la distanza tra e varie sezioni), l'esecuzione di una TAC può richiedere da pochi secondi a più di un'ora.
Acquisiti i dati, il computer visulizza su monitor l'immagine di una sezione dopo l'altra dell'organo; tutte le sezioni possono essere memorizzate (o stampate) e conservate.


Scintigrafia

L'esame, eseguito dopo la somministrazione al paziente per via endovenosa di un adatto radiofarmaco, viene effettuato esclusivamente nei centri di medicina nucleare forniti di autorizzazione. La radioattività contenuta nel radiofarmaco, sebbene relativamente limitata, espone il paziente a radiazioni ionizzanti (di intensità paragonabile a quella impiegata per le radiografie, la TAC, la PET e la SPECT), pertanto il medico deve prescrivere questi esami nei casi in cui ciò sia effettivamente necessario. Nel caso di esami pediatrici la quantità di radiofarmaco somministrata è proporzionata al peso.

Il radiofarmaco presente nel corpo del paziente, emette raggi X o gamma che raggiungono un rilevatore che li converte in fotoni di luce visibile (scintille, da cui il nome di scintigrafia); mediante l'uso di fotomoltiplicatori, gli impulsi luminosi vengono trasformati in impulsi elettrici e ricostruiti in forma di immagini analogiche su schermo consentendo la visualizzazione della distribuzione del radiofarmaco all'interno del corpo.

apparecchiatura per scintigrafia La scintigrafia è utile per ottenere informazioni sulla fisiologia di alcuni organi, per es. cuore, polmone, tiroide, cicolazione sanguigna, oppure per individuare tessuti anomali come le metastasi. La generazione delle immagini sulle quali è basata la diagnosi, avviene in tempo reale sul monitor della consolle di acquisizione, ma le immagini spesso necessitano una successiva elaborazione e miglioramento che non ne permette l'esame immediato.

Nel caso della scintigrafia ossea, il radiofarmaco (metilendifosfonato, MDP, marcato con 99mTc) si concentra a livello del tessuto osseo in modo proporzionale all'attività osteoblastica locale, quindi è più concentrato nelle parti dove questa è più elevata, per es. fratture, traumi, metastasi osteoblastiche. Gli altri radiofarmaci principalmente usati sono il (Tallio 201), nella scintigrafia miocardica, il (Tc-99m pertecnetato), nella scintigrafia tiroidea ed il (99mTc-DMSA acido dimercaptosuccinico) nella scintigrafia renale.

PET

La Pet è una delle più nuove e costose tecniche di diagnostica medica. PET è l'acronimo di Tomografia ad Emissione di Positroni (Positron Emission Tomography), un'apparecchiatura che, sfruttando i positroni emessi in conseguenza del decadimento di alcuni radioisotopi, permette di visualizzare il funzionamento dinamico di un organo. Il termine "emissione" distingue le indagini radioisotopiche da quelle radiologiche: ad esempio la TAC è una tomografia per trasmissione, giaché le radiazioni vengono dall'esterno.

I radionuclidi utilizzati per la marcatura sono gli isotopi emettitori β+ e β- degli elementi naturali a maggior diffusione nel corpo umano (11C, 13N, 15O e 18F): questo permette di marcare con questi isotopi molecole naturali o artificiali senza alterarne le proprietà chimiche e biologiche.

radionuclide prodotto
11C 20' 11B
18F 110' 18O
13N 10' 13C
13O 2' 15N
radioisotopi utilizzati nella PECT

L'esame PET segue questa procedura: si inietta il radiofarmaco più adatto per il processo biologico da studiare. Per esempio, nel caso di un tumore si usa il glucosio in quanto il tessuto tumorale, rispetto al tessuto normale, è caratterizzato da un aumentato metabolismo energetico: per produrre l'energia necessaria all'elevata velocità di riproduzione cellulare, consuma grandi quantità di glucosio che possono essere individuate con la PET.

Dall'esame della tabella degli isotopi impiegati nella PET, si vede immediatamente che tutti gli isotopi decadono in prodotti stabili e quindi il paziente non emette radioattività. D'altra parte, con l'eccezione del fluoro-18 (18F), tutti gli isotopi hanno una emivita talmente breve da richiedere la preparazione in situ mediante un ciclotrone.

L'isotopo più utilizzato è il fluoro-18 (18F) (t½ = 110 min), un isotopo radioattivo artificiale che, incorporato alla molecola di glucosio, forma il fluorodesossiglucosio (18-FDG).
Questo composto, appena prodotto con appositi kit, viene immediatamente iniettato nel paziente che, dopo circa 45 minuti (tempo necessario per la distribuzione nell'organismo (45 minuti circa), viene fatto distendere su un lettino collegato alla PET per essere sottoposto all'indagine diagnostica.

annichilazione elettrone positroneGli atomi radioattivi del fluoro-18, che sono particolarmente concentrati nelle cellule tumorali, iniziano a decadere emettendo positroni secondo questa reazione:

I positroni emessi, dopo un cammino libero medio di pochi millimetri, incontrano un elettrone di un altro atomo e danno origine ad una reazione di annichilazione, cioè si distruggono a vicenda emettendo energia sotto forma di due fotoni gamma che si allontanano l'uno dall'altro in direzioni opposte (v. animaz. a dx). Dette annichilazioni si producono diverse migliaia di volte al secondo nel corso dell'esame ed è questo che permette la PET.

Le coppie di raggi gamma di energia pari a 511 KeV, sono in grado di fuoriuscire dal corpo del paziente e quindi possono essere facilmente rivelate. Così, grazie ad una serie di rivelatori disposti in circolo attorno al paziente, vengono registrati i fotoni gamma emessi durante le annichilazioni (il rilevamento viene acquisito solo quando sono raggiunti "simultaneamente" due rilevatori opposti in modo da attribuirne con ragionevole certezza l'origine ad un unico isotopo) e sono trasformati in segnali elettrici. Poiché per ogni annichilazione si può tracciare una retta che unisce i due rilevatori raggiunti dai fotoni gamma, è ovvio che il punto d'impatto si trova su questa retta. Combinando le rette che raggiungono i vari rilevatori, si può circoscrivere con elevata precisione l'organo o la parte di organo interessata dal tumore. Tramite appositi algoritmi, il computer - a partire dai dati - ricostruisce delle immagini della zona analizzata in due o tre dimensioni.

rivelatori raggi gamma

L'effetto della doppia emissione di raggi γ permette un particolare metodo di rivelazione: si possono posizionare due rivelatori (detector) in modo che la zona dell'impatto β+ β- sia tra un detector e l'altro: se essi rilevano contemporaneamente una radiazione gamma di annichilazione (511 KeV), si può essere abbastanza certi i due raggi provengono dalla stessa interazione (salvo alcuni casi particolari, v. "fonti di errore" appresso). Tra i due punti di impatto si può tracciare una retta e l'origine della radiazione sarà su questa retta. Se i detectors sono qualche decina di migliaia, come avviene nelle apparecchiature attualmente in uso, le linee sono molte e i loro punti di incrocio individuano con esattezza le sedi di captazione del radiofarmaco.

Mentre la TAC e la RMN permettono di identificare alterazioni organiche e anatomiche nel corpo umano, quindi statiche, le scansioni PET sono dinamiche perché permettono di rilevare alterazioni a livello biologico molecolare che spesso precedono l'alterazione anatomica. Questo risultato è reso possibile dall'uso di marcatori molecolari che presentano un diverso ritmo di assorbimento a seconda del tessuto interessato. Una scansione PET permette analisi fisiologiche in quanto è possibile visualizzare e quantificare con discreta precisione il cambio di afflusso sanguigno nelle varie strutture anatomiche (attraverso la misurazione della concentrazione dell'emettitore di positroni iniettato).
La PET trova prevalente impiego in campo oncologico (le principali indicazioni riguardano il cancro del polmone, il melanoma, i linfomi, il cancro dell'intestino, dello stomaco, dell'ovaio, della mammella e le neoplasie della testa e del collo), in quanto fornisce precise informazioni sulle cellule maligne e sul loro progressivo sviluppo, particolarmente quando altri esami diagnostici lasciano dei dubbi sulla natura di noduli sospetti. Qeste informazioni sono utilissime per la diagnosi e/o per valutare l'andamento della terapia: questo permette di evitare inutili interventi invasivi per l'analisi isotologica dei noduli sospetti, con vantaggi evidenti per il paziente e risparmi per il Sistema Sanitario Nazionale. La PET può anche servire per verificare la presenza di alcune malattie neurologiche o per controllare il funzionamento del cuore. Viene inoltre impiegata, nella ricerca, per studiare l'attività del cervello: ad esempio per stabilire quale area di esso si attiva durante una specifica azione.

SPECT

In contrapposizione alla costosa PET (Positron Emission Tomography), tomografia per emissione con doppio fotone, è disponibile la meno costosa SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) la tomografia per emissione con fotoni singoli. Una apparecchiatura PET costa circa 10 volte più di una SPECT (0.5-1 ml euro) e non richiede la contemporanea presenza di un ciclotone; per questa ragione le prime sono molto meno presenti sul territorio.

radionuclide
99mTc 6
123I 13
101Tl 67
radioisotopi utilizzati nella SPECT
Esistono differenze tra le tecnologie di acquisizione SPECT e PET. La diagnostica si esegue sempre con radiazioni gamma, però i metodi e le apparecchiature sono diverse a seconda del tipo di emissione. l'emissione γ utilizzata nella PET è indotta dall'urto β+ β- e prende il nome di emissione da annichilazione; l'emissione γ utilizzata nella SPECT è una emissione diretta (non indotta) e prende il nome di emissione di fotone singolo.

Nella SPECT uno o più grandi rivelatori (diametro di circa 50 cm x 50 cm) ruotano intorno al paziente, nella PET una grande quantità (10-30.000) di piccoli rivelatori viene arrangiata secondo la geometria del cilindro. Nella SPECT, che è quindi basata su una tecnologia più semplice, si registrano solo le radiazioni dirette perpendicolarmente al rivelatore, nella PET due rivelatori colpiti contemporaneamente da fotoni con direzione obliqua rispetto all'asse del cilindro possono ugualmente registrare la radiazione. Questo complesso di condizioni rende la PET più veloce della SPECT e con una maggior risoluzione. La velocità di esecuzione è un requisito essenziale perché i radioisotopi usati in PET hanno generalmente emivita più breve di quelli usati in SPECT.

detectors PET SPECT

Analogamente alla PET, la tomografia computerizzata a emissione singola di fotoni permette di ottenere delle informazioni funzionali sull'intero corpo del paziente o su uno specifico organo. La radiazione interna è ottenuta per mezzo di un farmaco marcato con un isotopo radioattivo (tipicamente il tecnezio) che può essere iniettato, ingerito, o inalato. L'isotopo radioattivo decade mediante emissione dei raggi gamma che, in seguito alla rivelazione, forniscono un'immagine di ciò che avviene all'interno del corpo del paziente.

tomografia di trasmissione e di emissione: fonti di errore

falsi tracciatiUna delle fonti di errore nella SPECT è dovuta all'attenuazione dei fotoni che provengono dai tessuti più interni. Infatti i fotoni emessi nelle zone più interne hanno più probabilità di essere deviati (scattering) e cambiare energia, di conseguenza arrivano più fotoni dagli strati più esterni. Per questa ragione, PET (con la doppia rilevazione) e SPECT hanno una efficienza e una risoluzione molto differenti: nella SPECT si riescono a rivelare da 1 a 10 fotoni su 10.000 emessi, nella PET si ha una efficienza circa 100 volte superiore. La risoluzione è peggiore che nella TAC: nella PET è di circa 2 mm mentre nella SPECT è intorno ai 7 mm.

Dunque, tutte le tomografie, di trasmissione (TAC) o emissione (PET, SPECT) producono dati digitali che devono essere ricostruiti: la grande quantità di dati viene elaborata da un computer che posiziona il valore della quantità di informazione nel corretto elemento di volume. Fra le due tomografie esistono delle significative differenze per quanto riguarda la ricostruzione delle immagini:


PET-TAC

Nei sistemi più moderni (e costosi) al rivelatore di radioattività viene accoppiata una TAC. Essa serve essenzialmente a correggere le immagini dagli errori dovuti alla differente densità dei tessuti. Questo si ottiene sovrapponendo i risultati riguardanti la forma e l'anatomia degli organi forniti dalla TAC con quelli sul funzionamento delle cellule provenienti dalla PET.

A proposito dell'interazione radiazioni-materia sappiamo che i fotoni gamma hanno bassa probabilità di interagire con materiali poco densi come l'acqua. Questo è importante perché ogni interazione con la materia è una radiazione in meno registrata dall'apparecchiatura di rilevazione. Così, se due sorgenti di radiazioni risiedono una in superficie (ad esempio nel tessuto sottocutaneo) e l'altra in profondità (ad esempio al centro dell'addome) le radiazioni gamma provenienti dalla sorgente superficiale saranno tutte registrate, mentre qualcuna di quelle provenienti dalla sorgente profonda interagirà con i tessuti e non verrà registrata. Questo è ancora più evidente per radiazioni che attraversano strutture ossee. Conoscendo la densità dei tessuti per mezzo della TAC, un complesso algoritmo permette di calcolare il numero di radiazioni provenienti da una qualsiasi unità di volume, che sono andate perdute nell'immagine a causa di interazioni. L'immagine può essere dunque corretta assegnando maggiore radioattività in una sede piuttosto che in un'altra in ragione della densità dei tessuti attraversati dalle radiazioni. Questa operazione prende il nome di "correzione dell'attenuazione".


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Marcello Guidotti, copyright 2012
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