RADIOLOGIA: GENERALITA’ di TECNICA 1 CENNI STORICI (Lezione realizzata dal Prof. C. Fava, Univ. di Torino)

Possiamo ottenere IMMAGINI a scopo diagnostico utilizzando: RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE NON IONIZZANTI ONDE MECCANICHE FENOMENI MAGNETICI

Il 28 dicembre 1895 W.C.Roentgen, professore di fisica di Wurzburg, annunciava la scoperta dei Raggi X, radiazioni elettromagnetiche che egli aveva constatato uscire da un tubo a raggi catodici che stava usando nel proprio laboratorio ROENTGEN

La definizione di “raggi X” (= misteriosi) è dello stesso Roentgen. Si trattava di radiazioni elettromagnetiche, caratterizzate da lunghezza d’onda inferiore a quella della luce visibile.

RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Onde radio 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 3 THz 30 THz 300 THz 3 PHz 30 PH 300 PHz 3 EHz 30 EHz 300 EHz 3000 Ehz 30000 EHz 1000 m 100 m 10 m 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 μm 10 μm 1 μm 100 nm 10 nm 1 nm 100 pm 10 pm 1 pm 0,1 pm 0,01 pm TIPI DI RADIAZIONI Raggi infrarossi Luce visibile Raggi Ultravioletti Raggi X e γ LUNGHEZZA D’ONDA FREQUENZA ENERGIA 1,24 neV 12,4 neV 124 neV 1,24 μeV 12,4 μeV 124 μeV 1,24 meV 12,4 meV 124 meV 1,24 eV 12,4 eV 124 eV 1,24 KeV 12,4 KeV 124 KeV 1,24 MeV 12,4 MeV 124 MeV

RAGGI X impiegati in diagnostica e radioterapia superficiale Lunghezza d’onda: da 1A a 0,1A Energia: da 12.400 ev a 124.000 ev La energia del fotone è legata alla frequenza Energia = h x frequenza h: costante di Planck (6,61 x 10 -34 j x s)

Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE : procedono in linea retta possono attraversare il vuoto non sono influenzate dai campi magnetici

la formazione di un’ombra, dovuta all’assorbimento Se le radiazioni elettromagnetiche incontrano un osta-colo, si determina la formazione di un’ombra, dovuta all’assorbimento del fascio FUOCO OGGETTO OMBRA 6

Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE : procedono in linea retta possono attraversare il vuoto non sono influenzate dai campi magnetici se incontrano un corpo solido ne vengono assorbite

I RAGGI X: procedono in linea retta possono attraversare il vuoto non sono influenzate dai campi magnetici attraversano i corpi solidi venen-done parzialmente assorbiti

La diversa lunghezza d’onda (legata alla diversa energia) è motivo del differente comportamento: i raggi luminosi non attraversano i corpi solidi (con poche eccezioni), ma ne sono assorbiti o riflessi; i raggi X attraversano i corpi solidi venendone parzialmente assorbiti al passaggio. La loro energia è tale da determinare ionizzazioni.

i raggi X sono in grado di attraversare i corpi opachi alla luce al passaggio, il fascio viene assorbito: l’assorbimento è in rapporto alla quantità e alla qualità della sostanza attraversata

La qualità della sostanza è di fatto rappresentata dal numero atomico (Z) dei costituenti: H O C Ca = 1 8 6 20 I Ba W Pb = 53 56 74 82

Le differenze di densità tra le diverse componenti anatomiche sono alla base del contrasto naturale. In generale, tanto maggiore è il contrasto naturale, tanto più è agevole riconoscere le diverse componenti anatomiche.

creare un contrasto artificiale. Vi sono condizioni (soprattutto in RT), nelle quali il contrasto naturale non è sufficiente per distinguere tra loro le diverse componenti anatomiche. In questi casi si ricorre a sostanze che, introdotte in vario modo nell’organismo, sono in grado di creare un contrasto artificiale.

Queste sostanze si chiamano MEZZI DI CONTRASTO (mdc). Il loro impiego è vecchio quanto è vecchia la radiologia. Classicamente vengono distinti in mdc opachi e mdc trasparenti. I primi (opachi o radiopachi) sono di gran lunga i più usati.

Addome diretto Addome con bario

RADIOLOGIA: GENERALITA’ di TECNICA 2 PRODUZIONE RAGGI X

Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI sono: create da macchine (= raggi X) naturali (= raggi )

PRODUZIONE DI RAGGI X MEDIANTE MACCHINE: I TUBI RADIOGENI

di cui è costituito l’anodo. Caratteristica comune di tutte queste macchine è di determinare l’accelerazione di elettroni nel vuoto per effetto di una differenza di potenziale elevata. Gli elettroni così accelerati causeranno la formazione di raggi X per interferenza con gli atomi del metallo (abitualmente Tungsteno) di cui è costituito l’anodo.

MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X: Radiazione “di frenamento” (o Bremsstrahlung) Radiazione caratteristica

MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X: Radiazione “di frenamento” (o Bremsstrahlung) Radiazione caratteristica

PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO

PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO

MECCANISMI DI FORMAZIONE DEI RAGGI X: Radiazione “di frenamento” (o Bremsstrahlung) Radiazione caratteristica o eccitazione

PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE

PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE

PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE

La radiazione caratteristica concorre in misura quantitativamente modesta alla composizione del fascio: alla tensione di 100 kVp solo il 15% dei fotoni riconosce questo meccanismo di formazione.

Il rendimento del tubo radiogeno è molto basso, in quanto il 95% circa dell’energia ceduta dagli elettroni accelerati sull’anodo si trasforma in calore. Questo calore si sviluppa dalla macchia focale, “bombardata” dagli elettroni.

il fuoco ideale è puntiforme. Ciò crea importanti problemi, in quanto per migliorare la qualità dell’immagine è soprattutto importante ridurre il più possibile le dimensioni della macchia focale: il fuoco ideale è puntiforme. Si delineano pertanto le necessità antitetiche di ridurre le dimensioni e insieme la temperatura della macchia focale.

OMBRA E PENOMBRA F F’ F’’ O O O D 1 D 2 D 3

FUOCO PUNTIFORME FUOCO NON PUNTIFORME

TUBO DI COOLIDGE

un fuoco elettronico un fuoco ottico un fuoco termico La macchia focale è in realtà un’astrazione geometrica, essendo la proiezione su una determinata direttrice di una superficie inclinata. In un tubo riconosciamo: un fuoco elettronico un fuoco ottico un fuoco termico

E’ l’area sulla quale si formano Il FUOCO ELETTRONICO è la porzione di anodo colpita dagli elettroni liberati dalla spiralina catodica ed accelerati dalla differenza di potenziale. E’ l’area sulla quale si formano i raggi X.

FUOCO ELETTRONICO

dell’immagine radiologica. Il FUOCO OTTICO è la proiezione geometrica del fuoco elettronico lungo la direzione del fascio: è quindi una entità apparente, le cui dimensioni condizionano peraltro in modo determinante la qualità dell’immagine radiologica.

FUOCO OTTICO

Le dimensioni del fuoco ottico possono essere ridotte senza variare le dimensioni del fuoco elettronico, giuocando sul fattore proiettivo (incrementando, cioè, l’inclinazione del piano anodico).

EFFETTO DELL’INCLINAZIONE DEL PIANO ANODICO SULLE DIMENSIONI DEL FUOCO OTTICO

Nei tubi ad anodo fisso coincide con il fuoco elettronico. Il FUOCO TERMICO è la parte di anodo sottoposta a riscaldamento per effetto del “bombardamento” degli elettroni. Nei tubi ad anodo fisso coincide con il fuoco elettronico. Nei tubi ad anodo rotante possiede una superficie che aumenta con il crescere del diametro del piatto anodico.

FUOCO TERMICO FUOCO TERMICO = FUOCO ELETTRONICO NEI TUBI AD ANODO FISSO

TUBO AD ANODO ROTANTE FUOCO TERMICO FUOCO ELETTRONICO FUOCO OTTICO

Esistono peraltro ulteriori opzioni tecnologiche per ottenere il raffreddamento dell’anodo: una via molto seguita è quella della circolazione di liquido refrigerante (acqua, olio...) all’interno della cuffia di protezione del tubo radiogeno.

MODALITA’ DI ATTENUAZIONE DEL FASCIO

INTERAZIONE DEI FOTONI X CON LA MATERIA: EFFETTO TOMPSON EFFETTO FOTOELETTRICO EFFETTO COMPTON FORMAZIONE DI COPPIE

EFFETTO FOTOELETTRICO: il fotone incidente cede tutta la propria energia a un elettrone, che viene sbalzato dall’orbita; un altro elettrone viene allora richiamato da un’altra orbita, con l’emissione di un fotone di fluorescenza

EFFETTO FOTOELETTRICO o di FLUORESCENZA e-

EFFETTO COMPTON: il fotone incidente cede parte della propria energia a un elettrone (elettrone Compton, che viene sbalzato dall’orbita), cambiando direzione e aumentando la propria lunghezza d’onda

EFFETTO COMPTON e-

RIVELATORI DI RAGGI X

RIVELAZIONE L’immagine di assorbimento di un fascio è una immagine latente. Perché acquisti significato pratico deve essere “rivelata”.

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (“RADIORILIEVO”) ANCORA DA RIVELARE OGGETTO (CON LESIONE) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI

annerire le emulsioni fotografiche Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di: annerire le emulsioni fotografiche rendere fluorescenti alcune sostanze

RIVELATORI DI RAGGI X: SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI

RADIOLOGIA: GENERALITA’ di TECNICA 3 RIVELATORI DI RAGGI X

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (“RADIORILIEVO”) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI OGGETTO (CON LESIONE) IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (“RADIORILIEVO”) ANCORA DA RIVELARE

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI OGGETTO (CON LESIONE) IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo)

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI OGGETTO (CON LESIONE) IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) PELLICOLA

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) TUBO RADIOGENO FASCIO DI RADIAZIONI OGGETTO (CON LESIONE) IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL FASCIO (c.d. radiorilievo) PELLICOLA IMMAGINE “RIVELATA “

Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di: annerire le emulsioni fotografiche rendere fluorescenti alcune sostanze

RIVELATORI DI RAGGI X: SOSTANZE FLUORESCENTI

SCHERMO PER RADIOSCOPIA (sezione)

RISCHI PER L’OPERATORE CONNESSI ALLA RADIOSCOPIA

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO CILINDRO SOTTO VUOTO STRATO FOTOSENSIBILE SCHERMO SECONDARIO LUCE

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO RAGGI X CILINDRO SOTTO VUOTO STRATO FOTOSENSIBILE SCHERMO SECONDARIO SCHERMO PRIMARIO

RIVELATORI DI RAGGI X: SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI

SUPPORTO (un tempo di acetato, ora di plastica) Granuli della emulsione EMULSIONE 1 SUPPORTO (un tempo di acetato, ora di plastica) 0,2 mm EMULSIONE 2

Nell’esecuzione di radiografie l’effetto di annerimento diretto e l’attitudine ad evocare fluorescenza vengono utilizzati contemporaneamente con un semplice, efficacissimo, artificio

PELLICOLA TRADIZIONALE CON DOPPIA EMULSIONE SUPPORTO EMULSIONE II EMULSIONE I SCHERMO DI RINFORZO FRONT SCHERMO DI RINFORZO BACK

L’annerimento delle pellicole è dovuto in larga prevalenza all’azione degli schermi di rinforzo 40 : 1

Questo forte incremento di annerimento corrisponde ad eguale riduzione della dose. Il prezzo da pagare, però, è uno scadimento della qualità dell’immagine, dovuta a diversi fattori. SUPPORTO SCHERMO DI RINFORZO FRONT SCHERMO DI RINFORZO BACK “CROSS-OVER” e altri difetti da schermi

PELLICOLA DOSE 1 2/3 40 2 emulsioni, 2 schermi 1 emulsione, 1 schermo SUPPORTO EMULSIONE II EMULSIONE I SCHERMO DI RINFORZO FRONT SCHERMO DI RINFORZO BACK 2 emulsioni, 2 schermi 1 SUPPORTO EMULSIONE SCHERMO DI RINFORZO 1 emulsione, 1 schermo 2/3 2 emulsioni, non schermi SUPPORTO EMULSIONE II EMULSIONE I 40

SENZA SCHERMI UNO SCHERMO DUE SCHERMI

dei tessuti attraversati. Il fascio di raggi X viene assorbito in misura maggiore o minora in rapporto alla quantità e qualità (= densità) dei tessuti attraversati. Il tessuto poco denso assorbe scarsamente il fascio: è, cioè, trasparente al fascio o radiotrasparente. All’opposto, il tessuto denso che assorbe molto il fascio si definisce radiopaco.

Se si utilizza una pellicola come rivelatore, là dove il fascio giunge poco assorbito si osserva un notevole annerimento. Pertanto sulla pellicola (che è un negativo!) il forte annerimento significa radiotrasparenza (o trasparenza). Scarso annerimento è invece sinonimo di radiopacità (od opacità).

Se invece si utilizza come rivelatore uno schermo di radioscopia, le cose vanno in modo inverso: là dove il fascio giunge poco attenuato (ipodensità!) si ha infatti forte illuminazione dello schermo. Forte illuminazione (= bianco) significa radiotrasparenza, mentre scarsa illuminazione (= nero) sta per opacità. E’ l’opposto della pellicola!

le modalità di presentazione. Il concetto - fondamentale in Radiologia - di opacità e trasparenza deve dunque prescindere del sistema di rilevazione, che ne può far variare le modalità di presentazione. Trasparente (“radiotrasparente”) è la struttura che assorbe poco il fascio di raggi X, opaco (“radiopaco”) è l’oggetto che assorbe molto il fascio.

RISOLUZIONE SPAZIALE: E’ l’attitudine di una metodica di imaging a riconoscere come distinti tra loro due punti (o due linee). La risoluzione spaziale indica in pratica la capacità di rappresentare particolari fini. Si valuta in paia di linee per millimetro (=iquante coppie di linee per millimetro, l’una bianca e l’altra nera, la metodica è in grado di riconoscere come distinte).

RISOLUZIONE DI CONTRASTO: In RT e TC è l’attitudine di una metodica di imaging a riconoscere gli scarti di densità tra strutture diverse (= bianco dal nero). In RM il concetto è analogo, ma basato, invece che sulla densità, sulle differenze di distribuzione di protoni ovvero sulle differenze dei tempi di rilassamento nelle varie componenti anatomiche. In ecografia il contrasto trae origine dalle differenze di impedenza acustica.

MODALITA’ DI FORMAZIONE DELL’IMMAGINE RADIOGRAFICA

RADIOLOGIA: GENERALITA’ di TECNICA 4 FORMAZIONE IMMAGINE

FUOCO OGGETTO OMBRA FASCIO DI RADIAZIONI E SUO ASSORBIMENTO 6

I problemi con i quali dobbiamo confrontarci sono fondamentalmente due: l’immagine radiografica è bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta dell’oggetto nella specifica proiezione il fascio di raggi X diverge

1 L’immagine radiografica è bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta dell’oggetto nella specifica proiezione

SOLIDI DIVERSI: loro immagine di proiezione lungo l’asse del fascio incidente

Il fascio di raggi X diverge 2 Il fascio di raggi X diverge

Le radiazioni elettromagnetiche (e tra queste i raggi X) procedono in linea retta dalla sorgente verso l’infinito, divergendo tra loro. 56

La divergenza del fascio causa ingrandimento P La divergenza del fascio causa ingrandimento dell’ombra rispetto all’oggetto

Fattore di ingrandimento: d2 distanza F-P d1 distanza F-O =

RADIOLOGIA: GENERALITA’ di TECNICA 5 RADIOGRAFIA DIGITALE

RIVELATORI DI RAGGI X: SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI

RIVELATORI DI RAGGI X: SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE CAMPI ELETTRICI

RIVELATORI DI RAGGI X: SOSTANZE FLUORESCENTI EMULSIONI FOTOGRAFICHE CRISTALLI FOTOEMITTENTI CAMERE DI IONIZZAZIONE SEMICONDUTTORI

Si definiscono RADIOGRAFIE DIGITALI. Successivamente allo sviluppo della TC, si è assistito alla comparsa di altre tecniche che forniscono immagini di tipo digitale (cioè su matrice numerica). Si tratta di immagini analoghe ai radiogrammi, ma elaborate dal computer partendo da sistemi di rivelazione diversi dalla pellicola radiografica. Si definiscono RADIOGRAFIE DIGITALI.

Le radiografie digitali, al pari di tutte le immagini digitali, sono basate sul ricorso ad una MATRICE, nella quale l’immagine viene scomposta in un numero finito di unità elementari di superficie, per lo più quadrate, chiamate PIXEL

PIXEL MATRICE

In una matrice tanto più piccoli sono i pixel, tanto più dettagliata è l’immagine. Una matrice fitta è indispensabile quando si richieda una elevata risoluzione spaziale.

In una matrice tanto più piccoli sono i pixel, tanto più dettagliata è l’immagine. Una matrice fitta è indispensabile quando si richieda una elevata risoluzione spaziale. In quest’ottica, il banco di prova di gran lunga più impegnativo è rappresentato dello studio radiologico del torace.

Si conoscono attualmente quattro modalità principali di radiografia digitale: rad. digitale da intensificatore di brillanza rad. digitale ai “fosfori con memoria” rad. digitale con CCD rad. digitale a piastra di materiale semiconduttore

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

diffusa e sperimentata FOSFORI A MEMORIA Sistema sviluppato da una ditta giapponese a partire dagli anni ‘80, è stato progressivamente migliorato ed è attualmente l’unica modalità digitale per radiologia generale ampiamente diffusa e sperimentata

FOSFORI CONVENZIONALI RAGGI X LUCE FOSFORI A MEMORIA LUCE + ENERGIA MEMORIZZATA RAGGI X LASER LUCE

E’ ben noto che la qualità dell’immagine nel radiogramma digitale è in relazione a due fattori: la scala dei grigi la finezza della matrice

Anche se un po’ impropria, una valutazione in quest’ottica del radiogramma analogico può essere tentata: 43 cm 6 p linee/mm 35 cm pixel = 0.083 mm

LIVELLI DI GRIGIO Sono determinati dal numero di bit disponibili per la codifica: 8 bit: 256 livelli di grigio 10 bit: 1.024 livelli di grigio 12 bit: 4.098 livelli di grigio 14 bit: 16.392 livelli di grigio

RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO MATRICE PIXEL (μm) Bit 83 8 Rad. Tradiz. 5160 x 4200 780 10 Intensificatore 512 x 512 250 10 Fosfori 1700 x 1700

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA FOSFORI CON MEMORIA CCD PIASTRA DI MATERIALE SEMICONDUTTORE

The Evolution of Image Capture Technologies

CURVA CARATTERISTICA DI UNA PELLICOLA

CURVA DI RISPOSTA AI RAGGI X DI UN DETETTORE DIGITALE 1000 2000 3000 4000 5000 6000 10 20

RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO MATRICE PIXEL (μm) Bit 83 8 Rad. Tradiz. 5160 x 4200 780 10 Intensificatore 512 x 512 250 10 Fosfori 1700 x 1700 176 12 Thoravision 2448 x 2166 205 14 G. E. 2000 x 2000 143 14 Trixel 3000 x 3000 139 14 Hologic 3072 x 2550

DQE Detective Quantum Efficiency 2 lp/mm Schermi “blu” 105 104 103 Fosfori Schermi “verdi” Selenio 106 107 0.1 1 10 100 DQE Detective Quantum Efficiency

RAD. DIGITALE: SVANTAGGI Risoluzione spaziale inferiore (in quasi tutte le apparecchiature) al radiogramma tradizionale Necessità di apparecchiature “dedicate” Costi molto elevati

RAD. DIGITALE: VANTAGGI Leggero risparmio di dose (con le metodiche più recenti) Ampia latitudine di esposizione (scomparsa degli errori tecnici) Ottimizzazione del contrasto Possibilità di post-processing Archiviazione in forma digitale