TC Torace: Ottimizziamo i Parametri di Acquisizione ed Elaborazione Massimo Imbriaco Universita’ degli Studi “Federico II” Napoli

Dal Singolo-strato al Multi-strato…. TCMS TCSS < 1998 1 x 5 mm 1998 4 x 1 mm 2004 16 x 0.75 mm TCMS

Dal Singolo-strato al Multi-strato…. TCMS

rapido processing (2 slice/sec) Breath-Hold Fette piu’ sottili Imaging Volumetrico Acquisizioni veloci e rapido processing (2 slice/sec) Ricostruzioni contigue

Perche’ TC Multislice ? TCMS TCSS Uguali tempi di scansione Tempo di rotazione del gantry: 0.5 sec TCSS Tempo di rotazione del gantry:1 sec Uguali tempi di scansione Per coprire la stessa distanza con TCSS un “compromesso” tra tempo e risoluzione e’ necessario: Tempi piu’ lunghi di scansione Collimazione piu’ ampia

Perche’ “piu’ veloce” e’ meglio ? Migliorata risoluzione temporale Migliorata risoluzione spaziale Migliorato rapporto segnale/rumore Migliorata efficienza di utilizzazione del tubo radiogeno Possibilita’ di ricostruzione retrospettiva con fette piu’ sottili Possibilita’ di ricostruzioni 3D

TC Image Quality Definizione dell’immagine Risoluzione Spaziale Risoluzione di contrasto TC Image Quality Rumore Risoluzione temporale Artefatti

Risoluzione spaziale Definizione di piccoli oggetti e dettagli che possono essere differenziati dalle strutture circostanti con una elevata differenza di densità.

Risoluzione di Contrasto Definizione di piccoli oggetti e dettagli che possono essere differenziati dalle strutture circostanti con minima differenza di densità.

Risoluzione Temporale Tempo totale di acquisizione dei dati per singola immagine; piu’ corta è l’acquisizione piu’ elevata sarà la risoluzione temporale e minori gli artefatti da movimento (essenziale per studi cardiaci).

Definizione dell’immagine …..rappresenta la chiarezza di un oggetto rispetto alle strutture vicine e dipende da: Tempo di scansione Spessore della fetta Kernel Image display Tecnica dell’operatore

Rumore ………si sovrappone all’immagine e puo’ determinare la classica immagine “granulosa” ed è a sua volta influenzato da: Kv mAs Kernel Spessore fetta Collimazione Dimensioni del paziente Image display

Artefatti ....Sono varie strutture o “pattern” che compaiono nella immagine TC ma non sono presenti nell’oggetto originale e dipendono da: Tempo di scansione Spessore fetta Collimazione Movimenti del paziente Errori dell’operatore Difetti tecnici

TCMS: Problematiche Configurazione dei Detettori Pitch Ottimizzazione nell’uso dei Mezzi di Contrasto Tecniche di ricostruzione Applicazioni cliniche

Configurazione dei Detettori: 4 slices…. Simmetrici Asimmetrici Misti 2002

16 elementi di uguale ampiezza Detettori Simmetrici Radiazione Incidente Segnale in Uscita 16 elementi di uguale ampiezza lungo l’asse Z General Electric 2 X 0.63 mm 4 X 1.25 mm 4 X 2.5 mm 4 X 3.75 mm 4 X 5 mm 2 X 10 mm

Detettori Asimmetrici Radiazione Incidente Segnale in Uscita 8 elementi di ampiezza diversa lungo l’asse Z Picker, Siemens Radiazione Incidente 2 X 0.5 mm 2 X 1.0 mm 2 X 1.5 mm 4 X 1.0 mm 4 X 2.5 mm 2 X 10 mm 5 2.5 1 1.5 1 1.5 2.5 5 Segnale in Uscita

Detettori Misti Peculiare della Toshiba

Da 6 a 16 Slices….. 2004

Take home points La geometria con detettori simmetrici è caratterizzata da una maggiore versatilità, grazie alla possibilità di poter ottenere un un maggiore numero di fette per rotazione, ma risulta potenzialmente meno efficace per la ridotta efficienza dei detettori.

Toshiba, Picker, Siemens Che tipo di configurazione è preferibile utilizzare nella pratica clinica con un sistema 4 Slices ? General Electric Toshiba, Picker, Siemens 2 X 0.63 mm 4 X 1.25 mm 4 X 2.5 mm 4 X 3.75 mm 4 X 5 mm 2 X 10 mm 2 X 0.5 mm 2 X 1.0 mm 2 X 1.5 mm 4 X 1.0 mm 4 X 2.5 mm 2 X 10 mm

Che tipo di configurazione è preferibile utilizzare nella pratica clinica con un sistema 8-16 Slices ? General Electric Philips, Siemens Toshiba 16 X 0.63 mm 16 X 1.25 mm 8 X 1.25 mm 8 X 2.5 mm 8 X 3 mm 16 X 0.75 mm 16 X 1.5 mm 8 X 3 mm 16 X 0.5 mm 16 X 1 mm 16 X 2 mm

Durata di scansione con sistemi a 16 slice Indicazione Lunghezza Configurazione Tempo Willis 3 cm 16x0.75 3 sec Encefalo 15 cm 16x0.75 4 sec Carotidi 25 cm 16x0.75 7 sec Torace 30 cm 16x0.75 8 sec Addome 40 cm 16x1.5 5 sec Tor+Add 60 cm 16x1.5 8 sec Run-off A-I 120 cm 16x1.5 17 sec

Definizione di Pitch con TC a Singolo-Strato Pitch = avanzamento del tavolo ampiezza nominale della fetta Avanzamento Collimazione Ampiezza fetta Pitch:

Definizione di Pitch con TC Multi-Strato 2 definizioni di Pitch con TCMS Pitchx = avanzamento del tavolo ampiezza fascio radiazioni Pitchd = avanzamento del tavolo ampiezza detettore

Fascio di radiazioni: 20 mm Pitchx Pitchd e Pitchx = 20 = 1 20 Pitchd = 20 = 4 5 Detettori da 5 mm Avanzamento del tavolo: 20 mm Fascio di radiazioni: 20 mm

Vi sono Pitch ottimali in TC Multi-strato ? Sistemi a 4 fette: Philips: Toshiba: Siemens: GE: Pitchd consigliati: 2.5, 3.5, 5, 7 Permette solo due Pitchd: 3 e 6 Non vi è un Pitch ottimale Pitchd consigliati: 3, 3.5, 4.5, 5, 5.5, 6

Pitch e qualità dell’immagine in TCMS Il rapporto tra il Pitch e la qualità dell’immagine non è lineare; in genere la qualità di una single-slice che lavora con un pitch di 1 si ottiene con un pitch 3 con una multislice. Pitch < 1 solo per applicazioni scheletriche. Esistono pitch “ottimizzati”, così da poter campionare un volume maggiore, con minime variazioni della qualità dell’immagine. La risoluzione lungo l’asse Z non è influenzata dal Pitch in TCMS grazie all’utilizzo di algoritmi di interpolazione (Adaptive Axial Multiple Plane Interpolation). Rapporto dose-rumore costante con il Pitch. McCollough CH, Zink FE. Med Phys; 1999 Nov; 26(11): 2223-2230

MDC e qualita’ dell’immagine in TCMS MDCT scanner sempre piu’ veloci !! Tempi di acquisizione variano tra i diversi scanners. Dinamica complessa dei mezzi di contrasto. Differenti territori anatomici studiati e diverse lesioni nell’ambito dello stesso organo e con diversa biologia. Variabilià tumorale

Quali fattori influenzano il grado di impregnazione ? Fattori legati al paziente: organo da studiare, le dimensioni del paziente, età, gittata cardiaca, funzione renale, accesso venoso Fattori legati all’iniezione: concentrazione, volume, rate, pattern, durata, flash salino Parametri di scansione: ritardo tra iniezione ed inizio scansione, durata scansione, bolus tracking

Problematiche del mdc con TCMS: Rate di Iniezione Ricircolo First Pass 4 ml/sec 8 ml/sec

Rate di Iniezione Durata di impregnazione prolungata è preferibile con scanner piu’ lenti. Iniezione veloce è preferibile con MSCT permettendo anche di ridurre il volume di contrasto. Per uno studio bi-fasico del fegato è preferibile un elevato rate di iniezione che amplifica la differenza di impregnazione tra sistema arterioso e parenchima

Problematiche del mdc con TCMS: Concentrazione Iodica Ricircolo First Pass 1.2 g/I/ml 2.4 g/I/ml

Problematiche del mdc con TCMS: Concentrazione Iodica Maggiore è la concentrazione minore puo’ essere il rate di iniezione !! Nessuna differenza tra 370-350 mg !! Svantaggio delle alte concentrazioni: viscosità del contrasto Picco di impregnazione aortico piu’ precoce e maggiore; meno evidente per la parenchimografia epatica

Problematiche del mdc con TCMS: Tipologia dell’iniezione Singola iniezione 4 ml/sec Doppia iniezione 6 ml/sec e 3 ml/sec

Problematiche del mdc con TCMS: Tipologia dell’iniezione Terzo tipo di iniezione: iniezione decellerata esponenziale Uniforme grado di impregnazione con ridotto volume rispetto all’iniezione monofasica

Problematiche del mdc con TCMS: Durata dell’iniezione Piu’ lunga è la durata dell’iniezione ritardato sarà il picco di enhancement; con iniezioni corte il tempo per raggiungere il picco di enhancement dipenderà da altri fattori: Gittata cardiaca, dinamica circolatoria etc..

Dinamica del contrasto e TCMS Key Points: Vi è una correlazione diretta tra il rate di iniezione, la concentrazione iodica, la durata dell’iniezione ed il grado di impregnazione arteriosa. Il tempo di circolo arterioso varia da paziente a paziente per cui diviene necessario adattare ed individualizzare i tempi di scansione per ogni paziente.

Bolus Tracking Definizione di una regione di interesse sull’aorta in fase pre-contrastografica. Viene stabilita “a priori” una soglia in HU, raggiunta la quale, dopo la somministrazione del contrasto partirà la scansione.

MDC e qualità delle immagini Take Home Points L’impregnazione arteriosa è direttamente proporzionale alla concentrazione di Iodio. In caso di acquisizioni lente (TCSS: 22-40 sec) utilizzare iniezioni bifasiche. In caso di acquisizioni veloci (TCMS: 10-20 sec) utilizzare alte concentrazioni ed elevati rate di infusione. Individualizzare il timing di iniezione (specie per studi cardiovascolari). Flashing salino “a tergo” per migliorare la qualità delle immagini.

Tecniche di Ricostruzione e Qualità delle Immagini

Grazie alla migliorata risoluzione temporale e spaziale la TCMS consente riformattazioni multiplanari (MPR) isotropiche (dimensioni uguali su tutti i lati). Partendo dall’immagine nativa sarà possibile riformattare la stessa su piani diversi con una qualità sovrapponibile a quella ottenuta sul piano di acquisizione. Isotropico Anisotropico MSCT SSCT

Riformattazione planare curvilinea (MPR Curvilinea) Sono singole immagini ottenute tracciando un “sentiero” curvilineo sulle immagini native lungo una particolare regione di interesse; l’immagine curvilinea ottenuta viene generata attraverso una operazione di interpolazione lineare sulle tre dimensioni. Consente di illustrare anche la piu’ complessa e tortuosa anatomia e patologia in una singola immagine 2D.

Trombosi VMS Tumore duodenale ipervascolarizzato

MPR: Quanto deve essere lo spessore ? Colonna Cervicale: 1 mm Osso Temporale: 1 mm Mediastino: 5 mm Addome: 4-6 mm Pelvi: 3 mm Prokop M. 2003

Algoritmi di ricostruzione 3D Shaded Surface Display Maximum Intensity Projection Volume Rendering

Shaded Surface Display (SSD) Definizione: ricostruzione 3D che dà un “calco” della lesione o dell’organo da studiare ma non consente di vedere ciò che c’è al suo interno. Vantaggi: richiede un numero limitato di informazioni per formare l’immagine e computer meno potenti. Utile nelle applicazioni muscolo-scheletriche. Svantaggi: utilizza solo il 10% delle informazioni di un volume con perdita della luminosità dell’oggetto.

Maximum Intensity Projection (MIP) Definizione: rappresenta la proiezione su di un piano del voxel piu’ luminoso. Vantaggi: particolarmente utile nelle ricostruzioni dei vasi. Svantaggi: utilizza solo il 10% delle informazioni di un volume con perdita della profondità e della visione prospettica.

Volume Rendering (VR) Definizione: somma pesata del contributo di ciascun voxel di un intero volume; vengono utilizzati 4 parametri per formare l’immagine: 1) opacità 2) livello 3) ampiezza della finestra 4) luminosità. Vantaggi: utilizza il 100% delle informazioni di un volume con conservazione della luminosità e della visione prospettica. Svantaggi: necessità di computer potenti e stato dell’arte.

TOPOGRAMMA Con la TC è possibile studiare il parenchima polmonare, le strutture mediastiniche, le componenti scheletriche etc. Lo studio, in base al quesito clinico, può essere fatto con o senza l’impiego di m.d.c. Il primo momento dell’esame è l’esecuzione del topogramma per definire i limiti della regione da studiare.

Finestra Mediastinica (apice polmonare) 1. Trachea 2. Esofago 3. M. Trapezio 4. Clavicola sin. 4*. Clavicola destra 5. M. Subscapulare 6. M. Infraspinato Finestra Mediastinica (apice polmonare) 7. M. Supraspinato 8. M. Grande Pettorale 9. M. Piccolo Pettorale 10. M Serrato Ant. 11. M Latis. Dorsale 12. M. e. dell’apofisi 13. A. Succlavia sin. 13* A. Succlavia (por. distale) 13. A. Succlavia dx 14. A. carotide com. dx 14* A. carotide com. dx 15. V. giugulare int. Sin. 15* V. giugulare int. dx 16. Scapola 17. Prima costa 21. V. brachiocefalica dx

Finestra Mediastinica (arco aortico) 1. Trachea 2. Esofago 5. M. Subscapulare 6. M. Infraspinato 11. M. Latissimus Dors. 12. M. Er. apofisi 18*. Corpo sternale 19. Arco Aortico 22. Vena Cava Superiore 24. Muscolo Teres Major 25. Muscolo Teres Minor

Finestra Mediastinica (arteria polmonare) 2. Esofago 3. M. Trapezio 6. M. Infraspinato 11. M. Latissimus Dors 18*. Corpo sternale. 19*. Aorta ascendente 19+ Aorta discendente 20. Vena Azygos 22. Vena Cava Superiore 24. M. Teres Major 29. Tronco Polmonare 30. A. Polmonare Dx 30*. A. Polmonare Sin.

Finestra Mediastinica (4 camere atrio-ventricolari) 19+ Aorta discendente 20. Vena Azygos 33. Ventricolo destro 34. Atrio Destro 35. Atrio Sinistro 36. Ventricolo sinistro 37. V. Polmonare Dx 37*. V. Polmonare Sin. 38. Setto interventric. 40. Valvola tricuspide

Finestra per Parenchima Polmonare Trachea

Bronco per il Lobo Superiore di destra

Bronco per il Lobo Medio

Bronchi per il Lobo Inferiore di destra

Bronchi per il Lobo Superiore di sinistra

Bronchi per il Lobo Inferiore di sinistra

Tecnica di Acquisizione con TCSS Stadiazione Area studiata Dall’apice del polmone alle ghiandole surrenaliche Rate di infusione 2 ml/sec Concentrazione Iodica 370 mgI/ml Delay 40-50 sec Tempo di scansione 25-35 sec Spessore fetta 5 mm Intervallo di ricostruzione Tecniche 3D N.A. Sezioni sottili (2-3 mm) Solo in casi selezionati per lo studio delle vie aeree

Tecnica di Acquisizione con TCSS Ricerca di Metastasi Polmonari Area studiata Dall’apice del polmone alle basi polmonari Rate di infusione 2 ml/sec Concentrazione Iodica 370 mgI/ml Delay 40-50 sec Tempo di scansione 35-40 sec Spessore fetta 5 mm Intervallo di ricostruzione 3-5 mm Tecniche 3D N.A. Il contrasto è necessario ? Puo’ bastare lo studio senza mdc; da utilizzare, tuttavia, per una migliore valutazione dell’ilo e del mediastino

Tecnica di Acquisizione con TCSS Sospetta Embolia Polmonare 3 mm Area studiata Dalle basi polmonari all’arco aortico Rate di infusione 3 ml/sec Concentrazione Iodica 370 mgI/ml Delay 18 sec o Bolus Track Tempo di scansione 30-35 sec Spessore fetta 3 mm Intervallo di ricostruzione 2 mm Tecniche 3D Volume Rendering - MIP Commento Eseguire lo studio in senso caudo-craniale; utile estendere lo studio agli arti inferiori per ricerca di TVP

TC ad alta risoluzione (HRCT) Indagine dedicata allo studio dell’interstizio polmonare, delle vie aeree di conduzione e degli spazi aerei. Può essere eseguita con tecnica convenzionale o volumetrica e si caratterizza per i peculiari parametri di acquisizione e di ricostruzione delle immagini.

Tecnica TC HRCT Coll. = 8-10 mm Intervallo = 8-10 mm mAs = 100-150 Filtro = Standard Matrice = 512 x 512 FOV = 35-40 cm Coll. = 1 mm Intervallo = 10 mm mAs = 200-250 Filtro = Alta Risoluzione Matrice = 512 x 512 FOV = 20-30 cm

Pleura e Scissure TC HRCT

TC ad alta risoluzione (HRCT) ATTENZIONE !! L’esame TC ad alta risoluzione rimane, per le sue intrinseche caratteristiche tecniche, un esame concettualmente di campionamento, oggi molto più accurato che in passato, ma sempre di campionamento …..

TC ad alta risoluzione

Filtro di ricostruzione Standard Alta Risoluzione Collimazione = 1 mm Collimazione = 1 mm

Filtro di ricostruzione Standard Alta Risoluzione Collimazione = 1 mm Collimazione = 1 mm

TC HRCT Enfisema parasettale Enfisema centrolobulare

Pleura e Scissure

Pleura e Scissure

Polmonite da Pneumocisti Carinii in HIV+, 31 aa

Ground Glass, vasi normali ed anormali

Piccole bolle di enfisema del tipo “centrolobulare”

Ricostruzione MPR Sagittale Coronale

Leiomiosarcoma arteria polmonare Assiale 2D convenzionale Leiomiosarcoma arteria polmonare Ricostruzione: MIP

Imaging Prospettico Volume Rendering Ricostruzione: MPR

Volume Rendering Bronco sinistro ostruito Bronco destro pervio

57 aa, Carcinoma non a piccole cellule del polmone Assiale 2D convenzionale 57 aa, Carcinoma non a piccole cellule del polmone 3D MPR

Gestione delle Immagini !! Quali sono i potenziali limiti legati alla realizzazione di una immagine 3D volumetrica del torace con TC Multidetettore ? Dose al paziente !! Gestione delle Immagini !!

TC Multidetettore Goal Realizzazione di voxel isotropici ed acquisizione di fette sempre piu’ sottili Aumento della dose al paziente di un fattore pari a x4 per mantenere una buona qualita’ dell’immagine Ottenere una elevata risoluzione spaziale ed una buona risoluzione di contrasto ad accettabili livelli di dose ! Goal

Dose al paziente con TCMS Voltaggio: 120 Kv Corrente: 280 mAs Spessore Fetta: 0.75 mm Pitch: 1 Range: 681 mm Tempo scansione: 29 sec Tempo di rotazione: 0.5 Dose massima (Tiroide): 22.1 mSv Dose effettiva (ICRP 60): 17.1 mSv !! Aumento della dose del 10-30% !!!

Quali presidi da attuare per ridurre la dose al paziente con TCMS ? Riduzione dei mAs (specie per il distretto toracico) “Smart Technique”: modulazione automatica della corrente del tubo che puo’ essere ridotta dove il diametro del paziente e l’attenuazione sono minori (antero-posteriore) ed aumentata dove il diametro e’ maggiore (latero-laterale) !! Multi Adaptive Filtering (MAF): reale sistema di filtrazione 3D che lavora sui 3 piani x, y z

Corrente del Tubo Costante Attenuazione: 2000 Rumore Elevato e Disomogeneo Attenuazione: 50 “Smart Technique”

Corrente del Tubo Modulata Attenuazione: 2000 Rumore Basso ed Omogeneo Attenuazione: 50 “Smart Technique”

49% riduzione della dose al paziente !!! Corrente Costante: 327 mAs Corrente Modulata: 166 mAs Kalender WA, Med Phys 26;2248-2253,1999 Gress H, RSNA 2001

Esplosione di dati

Fette da 1 mm Duplice uso Ricostruzione 1.25 mm Ricostruzione 5 mm Workstation PACS Pellicola

Gestione delle Immagini Intranet (Fast-Ethernet, Storage Area Network SAN) Shared Data Base vs DICOM Hardware e Workstation stato dell’arte PACS

Perche’ 3D ? Quale Futuro ? E’ il modo piu’ semplice per guardare ad una immensa mole di dati in un formato ristretto. Studi clinici prospettici di validazione della metodica. Accurata scelta dei parametri tecnici per ottenere una buona immagine 3D evitando di irradiare il paziente in modo ingiustificato !!! Aumentare la curva di apprendimento (per medici e tecnici) nel guardare a volumi e non solo a singole fette. “Visione prospettica e volumetrica delle immagini”