APPARECCHIATURE Cenni storici Struttura di un sistema TC Gantry Lettino Generatore Tubo radiogeno Sistema di collimazione Sistema di rilevamento Detettori Sistema di acquisizione dei dati Sistema informatico

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA L’immagine radiologica tradizionale è il risultato della trasformazione di una realtà tridimensionale in bidimensionale

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA In radiologia convenzionale si ha la facile discriminazione di strutture ad elevata differenza di densità, mentre difficile risulta il riconoscimento di tessuti con densità tra di loro simili

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA La maggior parte dei tessuti che costituiscono i parenchimi hanno densità tra loro simili SOLUZIONI?

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Esaltazione delle differenze di densità Mezzi di contrasto Stratigrafia

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Immagine priva di sovrapposizioni Diversa da stratigrafia che ha ombre di sovrapposizione

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA L’immagine tradizionale è un’immagine analogica PELLICOLA CRISTALLI DI SALI DI Ag REAZIONE CHIMICA IMMAGINE

Presupposto teorico Possibilità di ricostruire la forma di un oggetto a partire dalle sue proiezioni

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA In TC l’immagine subisce una trasformazione da analogica in digitale REAZIONE ATTENUATA CIFRE NUMERICHE

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA CONVERTITORE ANALOGICO-DIGITALE ELABORATORE PER SOFISTICATI CALCOLI ALGORITMI

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Già nei lavori di Fourier del 1895 è contenuto un esempio di trasformazione analogico-digitale. La trasformata di Fourier è tutt’oggi utilizzata in tutti i sistemi digitali di rappresentazione dell’immagine come TC, US o RM

1917 – Un matematico austriaco di nome Radon proponeva il teorema per cui, conosciute tutte le sue possibili proiezioni, è possibile ricostruire un oggetto tridimensionale

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Oldenford (1961) e Colmark (1963)proposero l’utilizzo dell’elaboratore elettronico al fine di risalire a differenze di densità di oggetti fisici sfruttando l’energia dei raggi X rilevata da detettori a cristalli sensibili in luogo della tradizionale lastra fotografica

TC

1971 – Hounsfield realizza il primo prototipo di TC basandosi sul calcolo matriciale

Ambrose, 1973

Nella TC un fascio di raggi X strettamente collimato attraversa una sezione corporea seguendo in successione numerose traiettorie diverse

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA 2 4 3 Proiezione di 1 1 Proiezione di 4 Proiezione di 3 Proiezione di 2

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZARTA Numerose proiezioni per ottenere il prodotto del rilevamento di una densità da collocare in un piccolo elemento detto PIXEL MATRICI (80 X 80 - 256 X 256 - 512 X 512 - 1024 X 1024)

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZARTA La base dei vari metodi di ricostruzione è la cosiddetta “back-projection” (retroproiezione) Metodo iterativo per correggere gli artefatti sostituito oggi dalla convoluzione lineare

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Presenza di filtri numerici nel calcolo degli algoritmi per ridurre gli artefatti TRASFORMATA DI FOURIER RETROPROIEZIONE LEGGE DELL’ATTENUAZIONE LINEARE

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZARTA STRUTTURA DI UN SISTEMA TC UNITA’ DI SCANSIONE=gantry (tubo, collimatori, detettori, ADC, generatore, lettino Pz ELABORATORE ELETTRONICO UNITA’ DI VISUALIZZAZIONE SISTEMI DI ARCHIVIAZIONE

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Convertitore Analogico/digitale Elaboratore elettronico Unità di scansione Monitor di visualizzazione Archiviazione Tubo RX Detettori Sistemi di stampa dell’immagine

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA LETTINO PORTAPAZIENTI Precisione di movimento con tolleranza di 0,25 mm Spostamenti verticali fino a 30 cm. dal pavimento Spostamento longitudinale da 100 a 170 cm. Inclinazione di qualche grado lungo l’asse Z Carico critico 150-200 Kg

GANTRY Contenitore rettangolare in cui trovano sede le varie componenti dell’unità di scansione. Presenta un apertura circolare dentro la quale scorre il lettino porta pazienti.

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA GANTRY Dimensioni Angolazione Apertura fino a + 30° fino a 65-70 cm di diametro Centratore luminoso ad incandescenza o laser 100 cm. con forte svasatura conica

GANTRY Apertura fino a 70 cm

Tilt Gantry fino a +/- 30°

Cosa c’è nel gantry Tubo Raggi X Apertura Detettori Componenti della TC Cosa c’è nel gantry Tubo Raggi X Apertura Detettori

Cosa c’è nel Gantry: Generatore Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System (DAS) Slip-Ring

GENERATORE Cosa c’è nel Gantry: Alta frequenza (20000 Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System Slip-Ring GENERATORE Alta frequenza (20000 impulsi/sec controllo digitale) Dimensioni ridotte Alte potenze (60 KW) Alte tensioni (140 KV), costanti Ampia varietà di mA

TUBO RADIOGENO Cosa c’è nel Gantry: Generatore Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System Slip-Ring TUBO RADIOGENO

TUBO RADIOGENO Cosa c’è nel Gantry: Generatore Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System Slip-Ring System TUBO RADIOGENO Elevati parametri di esposizione per lungo periodo di tempo Molto importante la capacità termica espressa In Million Heat Units (MHU) e la velocità di dispersione del calore (HU/minuto)

TUBO RADIOGENO Produce il fascio di raggi X che viene collimato e conformato a ventaglio

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA TUBO RADIOGENO Fascio Rx a pennello con anodo fisso (I Gen.) - a ventaglio fino a 50° con anodo rotante (oggi) Elevata capacità termica (5 MHU) Elevata capacità di dissipazione (0,9 MHU/minuto) I e II Gen. Emissione continua (sfumatura da movimento) III e IV Gen. Emissione pulsata Macchie focali da 0,8 a 2 mm 2

COLLIMATORI Cosa c’è nel Gantry: Collimatori Generatore Tubo Radiogeno Detettori Data Acquisition System Slip-Ring COLLIMATORI La collimazione: - riduce la dose inutile - riduce sfumatura da radiazione diffusa - predetermina lo spessore di strato Collimatori posti a due livelli: Tube Collimators Detectors Collimators

Cosa c’è nel Gantry: COLLIMATORI

COLLIMAZIONE PRIMARIA Tube Collimators (Source Collimators) Cosa c’è nel Gantry: COLLIMAZIONE PRIMARIA Tube Collimators (Source Collimators) - Collima lo spessore del fascio di raggi X all’uscita dal tubo radiogeno - Determina lo spessore del fascio e pertanto la collimazione di strato (slice collimation)

COLLIMAZIONE SECONDARIA Cosa c’è nel Gantry: COLLIMAZIONE SECONDARIA Detector Collimators - Collima lo spessore del fascio di raggi X dopo l’attraversamento del paziente e prima dell’ingresso nel detettore - E’ una regolazione più fine

DETETTORI Cosa c’è nel Gantry: Generatore Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System Slip-Ring DETETTORI Creano una corrente elettrica misurabile, proporzionale all’intensità dei raggi X Rendono possibile la misurazione del fascio di raggi X Trasformano l’energia dei fotoni attenuati in un unico segnale elettrico (integrazione di corrente)

Incremento del n° nell’evoluzione del sistema n° 1 in I generazione Cosa c’è nel Gantry: DETETTORI Incremento del n° nell’evoluzione del sistema n° 1 in I generazione n° 900 in III generazione n° 5000 in IV generazione Più che il numero è importante la densità per grado irradiato (nelle macchine moderne di poco inferiore a 20)

DETETTORI Spaziatura Efficienza di conversione Cosa c’è nel Gantry: DETETTORI Apertura attiva Spaziatura Efficienza di conversione Efficienza geometrica (Aa/Aa + S %) Stabilità e linearità di risposta Persistenza dello stato di eccitazione

DETETTORI Cosa c’è nel Gantry: Cristalli fotoscintillatori con tubo fotomoltiplicatore Gas Xenon Tempo Detettori solidi High light

Cosa c’è nel Gantry: DETETTORI

DETETTORI – STATO SOLIDO Cosa c’è nel Gantry: DETETTORI – STATO SOLIDO 70-80% di conversione, meno stabili, maggiore persistenza

45% di conversione, più stabili, minor persistenza Cosa c’è nel Gantry: DETETTORI - XENON 45% di conversione, più stabili, minor persistenza

Detettori ceramici tipo Ultrafast richiedono il 30% di dose Cosa c’è nel Gantry: DETETTORI Detettori ceramici tipo Ultrafast richiedono il 30% di dose in meno rispetto ai detettori allo Xenon in grado di effettuare il campionamento ogni msec. per un totale di 800.000-1.000.000 campionamenti per scansione

DETETTORI

DATA ACQUISITION SYSTEM Cosa c’è nel Gantry: Generatore Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System Slip-Ring DATA ACQUISITION SYSTEM Misura il segnale dei detettori e lo trasmette come segnale analogico Analog to Digital Converter Il segnale digitale può essere processato

DATA ACQUISITION SYSTEM Stabilità di funzionamento Linearità di risposta Range dinamico (capacità di integrare segnali di ampiezza differente) Per minimizzare il rumore termico proprio del circuito 10.000 : 1 in TC 1000 : 1 videocamere

SISTEMA INFORMATICO Raccoglie i dati dal SAD, li integra e li trasforma in un’immagine diagnostica oltre che gestire e modulare l’intero processo, dal funzionamento del tubo all’ordine di out-put alla stampante

SISTEMA INFORMATICO Hardware Retroprocessore Array processor Central process unit Multitasking Random access memory Hard Disk Esecuzione da 5 a 10 milioni di operazioni al secondo con capacità di memoria superiori a 3000 MB

Le diverse generazioni TC

1a Generazione Un unico fascio di raggi X a pennello incide su un singolo detettore. Dopo un movimento di traslazione l’intero sistema ruota di 1°-2° per 180 volte in un tempo di 8-10 min, con matrici di 80 x 80 o 160 x 160 pixel

di 10-30° alla volta in un tempo di 20-30 sec 2a Generazione Un unico fascio di raggi X a ventaglio di 20-30° incide su 8-30 detettori. Dopo un movimento di traslazione l’intero sistema ruota di 10-30° alla volta in un tempo di 20-30 sec

Incremento dell’angolo di divergenza del fascio (35-40°) 3a Generazione Incremento dell’angolo di divergenza del fascio (35-40°) e del numero di detettori (300-1200), rotazione del tubo e dei detettori (240-360°). Tempi di scansione fino a 1.5-3.6 sec. con matrici da 256 x 256 – 512 x 512

Corona completa di detettori 1200-4800, con rotazione del solo tubo 4a Generazione Corona completa di detettori 1200-4800, con rotazione del solo tubo

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Problemi da risolvere Eseguire scansioni fortemente ravvicinate nel tempo Cogliere in fase sincrona un fenomeno fisiologico Assicurarsi scansioni anatomicamente contigue Ridurre i tempi di scansione Ridurre gli artefatti da movimento

TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA Soluzione Consiste nell’ottenere una scansione continua Annullare la necessità di arresti del movimento del tubo tra una scansione e la successiva, facendolo ruotare continuamente in un senso Abolire il vincolo fisico costituito dai cavi di alimentazione

SLIP-RING Cosa c’è nel Gantry: Slip-Ring Generatore Tubo Radiogeno Collimatori Detettori Data Acquisition System Slip-Ring SLIP-RING Componenti della TC

Tecnologia Slip-Ring Cosa c’è nel Gantry: Per ottenere una scansione continua è necessario abolire il vincolo fisico costituito dai cavi di alimentazione COTATTI STRISCIANTI Componenti della TC

Slip-Ring Cosa c’è nel Gantry: - Dispositivi elettromeccanici che consentono di eliminare i lunghi cavi ad alta tensione che sono presenti nelle prime TC. - La presenza dei cavi obbligava a fermarsi dopo ogni rotazione e ad effettuare una rotazione in un senso e la successiva nel senso contrario.

Cosa c’è nel Gantry: Tecnologia Slip-Ring Componenti della TC

Contatti striscianti Scariche elettriche

Contatti striscianti Camere stagne con gas inerte o olii dielettrici Progressiva elevazione del voltaggio, trasferendo corrente a media differenza di potenziale attraverso l’anello di contatto ed elevandola con un generatore posto nella porzione ruotante Utilizzo di un basso voltaggio a livello dei contatti striscianti ed elevazione della differenza di potenziale completamente all’interno del gantry mignaturizando il generatore

Cosa c’è nel Gantry:

TC SPIRALE TC CONVENZIONALE TC SPIRALE

TC Spirale o Volumetrica

TC MULTI-SLICE

MPR coronale

Volume Rendering dell’addome con diversi livelli di valore di soglia

Volum Rendering con diversi valori di soglia

Endoscopia virtuale: carena bronchiale (a) bronchi lobari medio ed inferiore (b)

3D SSD (a) e volume rendering endoscopico (b) dell’aorta addominale