Tomografia computerizzata

Lettino e gantry di una TC.

Immagine di una scansione TC del cervello.

In radiologia la tomografia computerizzata, indicata con l'acronimo TC o CT (dall'inglese computed tomography), è una metodica diagnostica per immagini, che sfrutta radiazioni ionizzanti (raggi X) e consente di riprodurre sezioni o strati (tomografia) corporei del paziente ed effettuare elaborazioni tridimensionali. Per la produzione delle immagini è necessario l'intervento di un elaboratore di dati (computerizzata).

La TC produce un volume di dati che possono essere manipolati, attraverso un sistema noto come "windowing", per visualizzare le varie strutture anatomiche interne di un corpo in base alla loro capacità di bloccare il fascio di raggi X. Anche se storicamente le immagini sono sempre state generate sul piano assiale o trasversale, perpendicolare cioè all'asse lungo del corpo, le macchine moderne permettono di ricostruire l'oggeto anche sui piani sagittale e coronale oppure di generare rappresentazioni tridimensionali. Anche se il suo utilizzo peculiare è nel campo della medicina, la TC è utilizzata anche in altri campi, come ad esempio test non distruttivi dei materiali. Un altro esempio è il suo utilizzo in archeologia per ottenere le immagini dei contenuti di sarcofagi o delle mummie.

L'utilizzo della TC in ambito medico è notevolmente aumentato nei due decenni a cavallo tra il XX e il XXI secolo. Si stima che circa 72 milioni di scansioni siano state eseguite solamente negli Stati Uniti nel 2007. Si stima che lo 0,4% dei casi di cancro attualmente in corso negli Stati Uniti sia dovuto all'esposizione alle radiazioni dei raggi-x utilizzati nelle scansioni TC.

È nota anche come tomografia assiale computerizzata o TAC (in inglese CAT da computed axial tomography). L'aggettivo "assiale", in riferimento al "piano assiale", veniva usato perché la rielaborazione avveniva in riferimento solo a un piano. Adesso invece si parla semplicemente di TC perché l'immagine non è ricostruita solo in senso assiale, ma anche longitudinale e coronale: è attraverso la rielaborazione di queste tre immagini che si ottiene un'immagine 3D, dandoci l'idea di un preparato anatomico.

Storia

Ricostruzione assiale di una scansione TC di un encefalo sede di un glioblastoma.

Negli anni trenta il radiologo italiano Alessandro Vallebona propose una metodica per rappresentare un solo strato del corpo sulla pellicola radiografica: questo esame porta il nome di stratigrafia.

Sfruttando principi di geometria proiettiva, con la pendolazione del tubo radiogeno, tutti i piani al di sopra e al di sotto dello strato di interesse vengono eliminati.

La stratigrafia ha rappresentato fino alla metà degli anni ottanta uno dei pilastri della diagnostica radiologica. Con l'avvento del computer è stata progressivamente soppiantata.

La metodica circolare alla base della TC fu ideata e realizzata dall'ingegnere inglese Godfrey Hounsfield e dal fisico sudafricano Allan Cormack, che vinsero il premio Nobel per la medicina nel 1979 per "the development of computer assisted tomography". Il primo tomografo computerizzato consentiva esclusivamente lo studio delle strutture del cranio e fu installato all'Atkinson Morley Hospital di Londra nel 1971. Nel 1974 furono create le prime apparecchiature per lo studio del torace e dell'addome.

Fino ai primi anni settanta la TAC era impiegata esclusivamente per la ricerca e lo studio delle patologie cerebrali. Era opinione comune e fortemente radicata che l'innovativa tecnica non potesse in alcun modo travalicare questo ambito. Fu un radiologo americano di origine italiana, il professor Ralph Alfidi, ad avere l'intuizione che tale metodica poteva essere estesa all'intero corpo.

Alfidi, allora direttore dell'Istituto di Radiologia dell'Università di Cleveland, già noto per i suoi studi sull'angiografia, era convinto che il principio della tomografia computerizzata fosse destinato ad avere una ben più ampia utilizzazione. Circondato da un'atmosfera di scetticismo, Alfidi, con l'appoggio di un Hounsfield inizialmente titubante, ma via via sempre più convinto della validità di questa idea, iniziò un lungo periodo di ricerche. Gli esperimenti vennero attuati utilizzando macchinari realizzati nel 1972 dalla Technicare e culminarono nel 1975 con l'effettuazione della prima TAC "ufficiale" dell'addome. Allo storico evento erano presenti pochi colleghi, fra i quali l'italiano Giovanni Simonetti che in passato era stato allievo di Alfidi (attualmente è direttore dell'Istituto di Radiologia dell'Università di Tor Vergata di Roma).

Metodica

Ricostruzione coronale di una scansione TC del medesimo tumore.

L'immagine del corpo da studiare viene realizzata misurando l'attenuazione di un fascio di raggi X che lo attraversa. Questa varia in modo proporzionale alla densità elettronica dei tessuti attraversati, cioè alla distribuzione spaziale degli elettroni nello strato corporeo in esame. Poiché le immagini sono di tipo digitale, il corpo studiato viene suddiviso in una serie discreta di elementi di volume (voxel), ai quali corrisponde un elemento unico d'immagine (pixel), seguente la scala dei grigi. Quanto più piccolo è il volume rappresentato da un pixel, tanto maggiore è la risoluzione spaziale. L'attenuazione è direttamente proporzionale alla densità elettronica dei tessuti presenti nel voxel: il suo valore è detto "densitometrico". Un voxel con alta densità viene rappresentato con una gradazione di grigio più chiara. L'unità di misura della densità elettronica è l'UH (unità di Hounsfield – HU), la cui scala comprende 2001 diverse tonalità di grigio, dal nero al bianco. La densità dell'aria assume un valore di -1000 UH, l'acqua vale 0 HU e l'osso compatto vale +1000 HU. Le dimensioni di un'immagine sono normalmente di 512×512 pixel e profondità di 16 bit/pixel. La metodica TC consente risultati migliori della radiologia tradizionale per quanto riguarda la differenziazione dei tessuti molli. La dose di radiazioni ionizzante fornita al paziente è molto più elevata rispetto a una radiografia tradizionale, tanto più nel caso dei tomografi multistrato, pertanto si dovrebbe ricorrere alla TC solo se strettamente necessario, soprattutto se i tessuti irradiati sono in accrescimento, per es. nei bambini. Lo studio TC può essere migliorato dall'infusione di mezzo di contrasto endovenoso organo-iodato, che consente una migliore differenziazione di strutture con densità simile, o della stessa struttura in tempi diversi, programmabili attraverso un iniettore a flusso variabile.

Il tomografo computerizzato

Esempi di immagini solitamente fornite da una TC: in alto a sinistra la ricostruzione volumetrica, a destra il piano assiale, in basso i piani sagittale e frontale.

L'emettitore del fascio di raggi X ruota attorno al paziente ed il rivelatore, al lato opposto, raccoglie l'immagine di una sezione del paziente; il lettino del paziente scorre in modo molto preciso e determinabile all'interno di un tunnel di scansione, presentando a ogni giro una sezione diversa del corpo. Le sequenze di immagini, assieme alle informazioni dell'angolo di ripresa, sono elaborate da un computer, che presenta il risultato sul monitor. Tale risultato è costituito da una serie di sezioni non necessariamente contigue di spessore preimpostato: l'insieme delle sezioni ricostruite costituiscono i dati inerenti al volume di scansione che possono essere ricostruiti da un software di rendering tridimensionale per produrre immagini tomografiche di qualsiasi piano spaziale (frontale, sagittale, assiale) o, in alternativa, per ottenere immagini tridimensionali o endoscopiche. Per ottenere le immagini tomografiche del paziente a partire dai dati "grezzi" della scansione (RAW Data) il computer dedicato alla ricostruzione impiega complessi algoritmi matematici di ricostruzione dell'immagine. I processi più importanti per ottenere le immagini dai dati grezzi sono la convoluzione e la retroproiezione o backprojection (trasformata di Radon). Le immagini di partenza di tutte le sezioni vengono normalmente registrate su un sistema di archiviazione (PACS) e le sezioni più importanti vengono talvolta stampate su pellicola. Il rivelatore ad alta efficienza è normalmente costituito da cesio ioduro, calcio fluoruro, cadmio tungstato.

Il tomografo di I generazione si basava sull'emissione di un fascio lineare di raggi X emesso da un tubo radiogeno in movimento di traslazione e di rotazione e rilevato da un rilevatore solidale nel movimento. Il tempo di esecuzione dello studio era dell'ordine dei minuti.

Nel tomografo di II generazione il fascio di raggi X ha una geometria a ventaglio di 20-30º connesso con un gruppo di 20-30 rilevatori: il tempo di esecuzione era ridotto a decine di secondi.

I tomografi di III generazione impiegano un fascio di raggi X a ventaglio di 30-50º che possono comprendere tutta la sezione corporea in esame, attraverso centinaia di rilevatori contrapposti, che compiono una rotazione completa attorno al paziente in 1-4 secondi. Nei primi modelli, ad una rotazione ne seguiva un'altra nel senso inverso, in modo che i cavi di alimentazione ritornassero nella posizione di partenza, senza attorcigliarsi. Tale metodica obbligava all'acquisizione di un solo strato per volta.

Una TAC di pronto soccorso (Ospedale di Ancona Torrette).

I tomografi di IV generazione presentavano sensori fissi e sono stati abbandonati. I tomografi moderni derivano da quelli di terza generazione ma hanno una caratteristica fondamentale, quella di acquisire a spirale: nei tomografi a rotazione continua unidirezionale infatti il tubo radiogeno e i rilevatori sono montati su un anello rotante che si alimenta a "contatti striscianti", senza più il problema dei cavi che si attorcigliano. Questa metodica consente l'acquisizione delle immagini in modo continuo: mentre il tavolo che porta il paziente si muove su un piano di scorrimento, i piani di scansione descrivono un'elica attorno al paziente, ottenendo una scansione a "spirale". I tomografi spiroidei più comuni compiono una rotazione in più o meno un secondo e consentono un'acquisizione completa di un volume corporeo in 40 secondi - un minuto: questa avviene in un'unica apnea, riducendo gli artefatti di movimento del paziente. I moderni tomografi multistrato possono impiegare anche solo pochi secondi, ottenendo decine di scansioni per ogni singola rotazione. Tomografi superveloci possono consentire lo studio del cuore. Recentemente è stata ideata anche una tecnica che consente l'esecuzione di una vera e propria colonscopia virtuale. Sempre recentemente si assiste alla comparsa di TC con doppio tubo radiogeno, dette "dual source". Queste TC dispongono per l'appunto di due tubi radiogeni che funzionano a differenti energie, in questo modo, a causa della differente attenuazione dei tessuti sulle radiazioni a energia differente, si riesce ad avere una risoluzione di contrasto migliore.

Bibliografia

• G. Cittadini, Diagnostica per immagini e radioterapia, IV edizione, Genova, Edizioni culturali internazionali, 2002. ISBN 9788875441388
• R. Pozzi Mucelli, TC e TC spirale nella pratica clinica, Napoli, Idelson Gnocchi editori, 2000. ISBN 9788879472845
• Alfidi R.J., Computed Tomography of the human body (in inglese), 1977.
• Alfidi R.J., Symposium on Wole Body Tomography (in inglese), 1977.
• Alfidi R.J., Medical Imaging Tecniques: A Comparison (in inglese), 1997.
• Fernando Mazzucato, Anatomia radiologica, Piccin, 2009, Vol. 2. ISBN 978-88-299-1980-2
• Luigi Cei, Tecniche di Tomografia Computerizzata e di Risonanza Magnetica, II edizione, SEU, 2011. ISBN 9788865150160

Voci correlate

• Mezzo di contrasto
• Radiologia
• Stratigrafia
• Radiografia tradizionale
• Radiografia computerizzata
• Imaging a risonanza magnetica
• Tomografia ottica a coerenza di fase
• Fusion imaging
• Ecotomografia
• Medicina nucleare
• Ring artifact
• Risonanza magnetica nucleare
• Tac delle coronarie

Altri progetti

• Commons

• Wikimedia Commons contiene file multimediali su Tomografia computerizzata

Collegamenti esterni

• Godfrey Hounsfield, premio Nobel.
• Allan M. Cormack, premio Nobel.
• Informazioni cliniche e immagini di Tomografia Computerizzata
• Variazioni anatomiche e casi clinici con immagini di Tomografia Computerizzata - CT Cases.net
• Il ricordo della prima T.A.C. a cui ha assistito la neurologa Rosa Urcioli, da Memoro - la Banca della Memoria
• Associazione Italiana di Bioingegneria

Portale Ingegneria

Portale Medicina