Imaging medico Marcello Demi CNR, Institute of Clinical Physiology, Pisa, Italy

Imaging medico Le principali tecniche di imaging: Rx Risonanza magnetica nucleare Ultrasuoni Radioisotopi Nessuna di esse e’ vincente rispetto alle altre Le informazioni fornite sono complementari e devono essere integrate

Raggi X L'energia delle radiazioni si misura in elettronvolt (eV). 1 eV è l'energia che una carica elettrica unitaria (come un elettrone) acquista attraversando una differenza di potenziale di un Volt. Le energie per radiodiagnostica ricadono nel range keV I fotoni X sono caratterizzati dalla loro lunghezza d’onda

Tubo radiogeno gli elettroni sono accellerati con differenze di potenziale dell’ordine di decine di kV e colpiscono l’anodo due delle interazioni degli elettroni con l’anodo producono raggi X: interazione con il nucleo, interazione con elettroni dell’orbitale K Necessario un filtro per fermare le basse energie, assorbe anche una percentuale dei fotoni X su tutto lo spettro

Spettro di emissione di un tubo radiogeno spettro diffuso piu’ radiazioni a righe caratteristiche del materiale dell’anodo

Tubo radiogeno

Spettro di emissione Aumentando la tensione di alimentazione aumenta l’energia cinetica degli elettroni e quindi la massima energia degli X. Aumenta anche la corrente nel tubo e il rendimento dell’anodo, quindi il numero di fotoni e quindi il numero di fotoni che passano il filtro

Interazione Rx-corpo umano coefficiente di attenuazione  (cm -1 ) rappresenta la probabilita’ che un fotone interagisca con la materia (legge di Lambert-Beer)

Componenti fotoelettrica e Compton del coefficiente di attenuazione

Mezzi di contrasto i mezzi di contrasto modificano il numero atomico equivalente di una struttura e quindi il loro coefficiente di attenuazione modeste differenze del  dei tessuti molli come pure tra sangue e muscolo solfato di bario per l’apparato digerente e iodio per angiografia possono indurre disturbi nel paziente

Recettori il recettore converte il segnale dei fotoni X in una immagine visibile pellicole fotografiche e intensificatore di brillanza importanti l’efficienza e il potere risolutivo l’efficienza riduce la dose il potere risolutivo consente di esplorare i dettagli delle strutture

Intensificatore di brillanza IB e’ un tubo a vuoto con schermo frontale di alluminio su cui e’ depositato uno strato fluorescente (Ioduro di Cesio) che converte i fotoni X in luce visibile (2000:1) i fotoni luminosi colpiscono un fotocatodo che emette elettroni (10:1) gli elettroni sono accelerati e focalizzati su di uno schermo fluorescente di uscita risoluzione spaziale  200  m (pellicola 20  m) scopia con bassi flussi fotonici (mA) grafia pulsata (100 mA)

IB

DSA Digital Subtraction Angiography sottrae una o piu’ immagini (maschere) acquisite prima dell’iniezione del mezzo di contrasto dalle restanti immagini della sequenza acquisite dopo l’iniezione la sottrazione viene effettuata sul logaritmo dell’immagine

Sottrazione energetica si ottiene commutando rapidamente la tensione del tubo spostando lo spettro di emissione da valori inferiori a valori superiori al K-edge dello iodio

Tomografia computerizzata consente di superare i problemi legati alla natura proiettiva e alla scarsa risoluzione di contrasto della radiografia convenzionale rappresenta la distribuzione del coefficiente di attenuazione  (x,y) in una sezione del corpo umano tomografo piu’ sistema di calcolo risoluzione spaziale dell’ordine di mezzo millimetro

Geometria di scansione Tempi di acquisizione di una slice: 10’, 1’, 1’’, <1’’

Spiral CT

Electronic Beam Tomography acquisizione di una slice 50 ms

Immagini radioisotopiche La radioattivita’ puo’ essere introdotta per iniezione, inalazione, o ingestione Durante la formazione delle immagini si conosce la localizzazione del solo sensore L’irraggiamento del paziente dipende dalla emivita del radioisotopo I flussi fotonici sono relativamente bassi e le misure sono a conteggio diretto dei singoli fotoni 

Aspetti positivi e negativi Consente di ottenere immagini legate alla funzione dell’organo, non solo alla sua anatomia bassissima efficienza dovuta all’isotropia dell’emissione e dalla necessita’ di un collimatore il materiale radioattivo puo’ distribuirsi in organi non di interesse

Radiofarmaci Sono composti marcati con radioisotopi ottenuti legando molecole radioattive emittenti fotoni gamma o positroni a molecole biologiche di interesse clinico. La molecola biologica e’ scelta in base all’informazione richiesta. E’ possibile individuare variazioni patologiche di funzionalita’ di un organo o tessuto. E’ possibile studiare il metabolismo seguendo la distribuzione spazio temporale delle molecole marcate.

Tecnezio 99m Nel 1993 Tecnezio 99m, oggi rappresenta il 90% dei radionuclidi impiegati in radiodiagnostica Il 99m Tc emette , e’ producibile in loco, ha una emivita di 6 ore Sono oggi disponibili numerosi farmaci in grado di concentrarsi selettivamente in diversi organi e tessuti Il farmaco viene marcato mescolandolo con una soluzione di 99m Tc Si ottiene dal 99 Mo che decade a 99m Tc che a sua volta decade a 99 Tc cessando di essere radioattivo

Radioisotopi  +

Schema di gamma camera Inventata da Anger 1958

Collimatore I fotoni  fuoriescono da tutte le direzioni. Il collimatore garantisce una certa corrispondenza tra direzione di emissione e punto di rivelazione

Rivelatore a scintillazione Lo spessore del cristallo (NaI) e’ un compromesso tra efficienza e risoluzione spaziale Costante di decadimento 230 ns, risoluzione temporale: circa colpi al secondo (RX<1mGy, 1mGy=1mR nel muscolo, 1mR a 60KeV= fotoni/mm. 2 ) Il segnale luminoso e’ proporzionale all’energia del fotone  Risoluzione energetica 10% a 150keV Il 90% dei fotoni a 150 keV e’ assorbito da uno spessore di 10 mm, a 150 keV il  NaI =2,22 cm -1.

Tubi fotomoltiplicatori Sono raggruppati in un array esagonale di 7, 19, 37 fino a un centinaio Sono tubi a vuoto con fotocatodo e una catena di dinodi che accelerano gli elettroni emessi I dinodi sono elettrodi ricoperti di materiale ad alto potere di emissione secondaria di elettroni Il fotocatodo emette elettroni per effetto fotoelettrico, mentre i dinodi li emettono per effetto termoelettrico Generano un segnale elettrico proporzionale all’intensita’ dell’impulso luminoso

Fotomoltiplicatori

Aritmetica di posizione La scintilla di luce viene vista da tutti i fotomoltiplicatori con intensita’ inversamente proporzionale alla distanza del punto di scintillazione Un circuito elettrico fornisce la posizione della scintilla La somma di tutti i segnali dei PMT produce un impulso proporzionale all’energia del  Un circuito di analisi di ampiezza consente di eliminare la radiazione diffusa per effetto Compton Risoluzione spaziale: 3-5 mm. che scende a 8-15 mm. con il collimatore

Analisi di ampiezza Consente anche di scartare eventi dovuti alla contemporanea interazione di due o piu’ fotoni Consente anche di discriminare fotoni emessi da differenti radiofarmaci Somministrando contemporaneamente 99m Tc e 201 Tl e’ possibile registrare i segnali acquisiti su due diverse immagini

Tomografia ad emissione di fotoni ECT la gamma camera fornisce immagini bidimensionali di distribuzioni tridimensionali questo limite puo’ essere superato con tecniche tomografiche le piu’ importanti sono la SPECT e la PET

SPECT Single Photon Emission Computed Tomography Una gamma camera in grado di ruotare intorno al paziente Le righe della matrice di ogni proiezione rappresentano i profili di radioattivita’ delle diverse sezioni tomografiche Tipica SPECT 64 proiezioni (ogni 5.6º), matrice 128X128,

SPECT Sistemi con piu’ teste: aumenta l’efficienza e diminuisce il tempo di acquisizione

SPECT contro CT Peggiore risoluzione spaziale: mm. per il Tallio e 13 mm. per il Tecnezio E’ necessario un algoritmo di correzione del conteggio fotonico perche’ le regioni centrali distano dal rivelatore 8 cm. piu’ delle periferiche e quindi cambia l’assorbimento Questi ultimi non sono molto efficienti

PET Fornisce informazioni biochimiche che nessuna altra tecnica puo’ fornire I traccianti PET includono elementi radioattivi che sono i costituenti base dei substrati biologici: carbonio, ossigeno, azoto e fluoro Fluorodesossiglucosio (FDG) mima il comportamento del glucosio e dell’ossigeno accumulandosi dove c’e’ maggior consumo (cervello) Utilizza isotopi radioattivi emittenti positroni Breve emivita implica la produzione locale del farmaco con il ciclotrone

Tomografo PET Un anello di rivelatori (germanato di bismuto BGO) con circuiteria per rivelazione di coincidenza Il positrone emesso viaggia per circa 1 mm., si annichilisce con un elettrone, le loro masse si trasformano in energia producendo due fotoni da 511 keV in direzioni quasi opposte Il rivelamento di due fotoni entro una finestra temporale fornisce la linea di evento La radiazione diffusa non si scarta per assenza di collimatore e differenze di energia che rientrano nella tolleranza dei rivelatori

Schema di una PET Efficienza per assenza del collimatore, risoluzione spaziale (5 mm) La finestra temporale e’ di 4-10 ns. Cristalli al BaF 2 (cost.dec. 0.7 ns) per misurare il tempo di volo dei , ma anche cosi’ avremmo incertezze dell’ordine di 10 cm. (c=30 cm/ns)

Whole body PET con FDG Tre diverse fasi di trattamento chemioterapico Scomparsa di metastasi

NMR Nel 1946 si scopre il fenomeno della risonanza magnetica nucleare la tecnica si diffonde in ambito clinico negli anni 80, usata per immagini morfologiche negli anni 90 si diffonde la fMRI notevole capacita’ di discriminare i tessuti molli radiazioni non ionizzanti immagini di sezioni

Momento magnetico il moto rotatorio (spinning) di un protone intorno all’asse nucleare genera un momento magnetico  =  P proporzionale al momento angolare P il rapporto giro magnetico  e’ una costante caratteristica del nucleo, quindi di un isotopo ben preciso di un elemento

Momento magnetico In assenza di sollecitazioni esterne l’orientamento di  e’ casuale a livello macroscopico quindi non si osserva alcun campo magnetico sottoposto ad un campo magnetico statico B 0, la componente di  si orienta in un numero di direzioni che dipende dal numero di spin Nel caso di 1 H si hanno solo due orientamenti preferenziali

Applicazione del campo magnetico statico

Moto di precessione poiche’ il protone sta ruotando (spinning) intorno all’asse nucleare nasce un moto di precessione intorno alla direzione di B 0 analogia meccanica con il moto della trottola la componente di  ortogonale a B 0 continua ad avere un orientamento casuale (ruota con fase casuale) la velocita’ angolare del moto di precessione e’ proporzionale all’intensita’ del campo magnetico B 0, legge di Larmor

Applicazione del campo magnetico variabile un campo B 1, ruotante alla frequenza di Larmor  B 0 di 1 H, eccita soltanto i nuclei di 1 H (frequenza di risonanza magnetica nucleare ) perche’  e’ caratteristica di 1 H

Il segnale quando interrompiamo l’eccitazione del campo variabile il vettore M torna all’equilibrio la componente trasversale del vettore M si annulla lentamente il segnale a radiofrequenza (FID) e’ raccolto da una bobina le nostre misure sono i tempi di rilassamento T 1 e T 2 delle componenti longitudinale e trasversale di M oppure la densita’ protonica  T1 determinato dalle interazioni tra i singoli spin e il mezzo circostante (cessione di energia al mezzo) T2 determinato dalle interazioni mutue fra gli spin (sfasamento)

Free Induction Decay (FID) la frequenza di risonanza dei nuclei 1 H dell’idrogeno in un campo statico di 2T e’ circa 90 MHz radiazione non ionizzante se l’impulso di eccitazione e’ isolato l’ampiezza del FID dipende dalla densita’ protonica  e solo l’andamento temporale del FID dipende dalle due costanti di tempo T 1 e T 2 adottando sequenze di eccitazione opportune possiamo pero’ fare in modo che l’ampiezza del FID dipenda da , T 1 o T 2

MX MX FID: caso di cm statico omogeneo B 0 FID

Acquisizione del tomogramma Sistema di riferimento x, y, z e B 0 secondo z Si applica un gradiente lineare G z di campo magnetico secondo z durante l’eccitazione con un B 1 di frequenza  (B 0 + G z z 1 ) in modo da eccitare solo gli 1 H del piano z 1 Al termine dell’eccitazione si applicano due gradienti lineari G x e G y nelle direzioni x ed y di ampiezza tale da generare un gradiente lineare G  secondo la direzione  per avere un FID codificato in frequenza/spazio. N acquisizioni con differenti valori di G x e G y forniscono le N proiezioni per ricostruire la distribuzione di T 1, T 2, o  del piano z 1.

Agenti di contrasto comunemente detti magnetofarmaci modificano temporaneamente le proprieta’ magnetiche di aree del corpo umano modificano T 1 e T 2 in generale sono soluzioni di agenti paramagnetici (Gadolinio) e riducono entrambi i tempi di rilassamento consentono di discriminare vasi o tessuti perfusi da altre aree non perfuse

Risonanza magnetica funzionale fMRI tecnica NMR basata su agenti di contrasto endogeni, immagini della distribuzione (concentrazione) di un metabolita di interesse come l’emodinamica locale celebrale riflette l’attivita’ neuronale (sfruttata nella PET), la tecnica BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) sfrutta le differenti proprieta’ magnetiche dell’emoglobina ossigenata (diamagnetica) e deossigenata (paramagnetica)