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Leonardo Meomartino » 15.Tomografia Computerizzata: principi fisici e formazione delle immagini

Definizione

La Tomografia Computerizzata (TC) o Tomografia Assiale Computerizzata (TAC) è una tecnica di Diagnostica per Immagini che fornisce immagini tomografiche (cioè, di fette o strati corporei) disegnando i vari organi e tessuti sulla base della loro densità, rilevata grazie all’attenuazione di un fascio di raggi X che attraversa il paziente da differenti punti di vista.
Le immagini TC, inoltre, sono di tipo digitale, cioè, sono il frutto di miliardi di calcoli numerici eseguiti da un computer, che converte la densità dei tessuti attraversati dai raggi X in livelli di grigio.

Un po’ di storia

La TC rappresenta un tipico esempio di invenzione o scoperta a cui pervengono due scienziati o due gruppi di studi, in maniera indipendente.
Negli Stati Uniti, intorno alla prima metà degli anni ‘60, un fisico di origini sudafricane, Allan Cormack McLeod, pubblicava due lavori in cui descriveva le equazioni per ricostruire immagini sulla base dell’attenuazione di un fascio di raggi X attraversante un piano corporeo da diverse angolazioni.
In maniera indipendente, nel Regno Unito, l’ingegnere elettrotecnico Godfrey Hunsfield, che lavorava alla EMI, metteva a punto un sistema per l’elaborazione e la conversione in immagini di multipli fasci di raggi X attraversanti un corpo nel medesimo piano geometrico. (La leggenda vuole che le ricerche di Hunsfield fossero finanziate con gli enormi guadagni che l’EMI realizzava in quel periodo grazie ai Beatles!)
Nel 1972, veniva messo in produzione il primo modello commerciale di Tomografo, all’epoca prodotto dalla EMI. L’introduzione della TC ebbe un’eco altissima sia nella Medicina sia fra la gente comune.
Nel 1979, a Cormack e a Hunsfield veniva conferito il premio Nobel per la Medicina.

Allan Cormack McLeod

Godfrey N. Hunsfield

Come funziona la TC

Uno strato più o meno sottile del corpo viene attraversato da un fascio di raggi X altamente collimato, prodotto da un tubo che ruota intorno al paziente, in maniera consensuale a dei rivelatori posti al di là del paziente.
I dati relativi all’attenuazione del fascio, ottenuti dai diversi “punti di vista”, vengono inviati ad un elaboratore che, attraverso complessi algoritmi matematici, ricostruisce le immagini delle strutture anatomiche presenti nello strato considerato. La visualizzazione a strati delle strutture anatomiche elimina il problema della sovrapposizione presente invece nell’esame radiografico.

Schema delle tappe che portano all'Immagine TC

Voxel

Ogni strato corporeo viene suddiviso dalla macchina in unità di volume elementari (VOlume x Element = Voxel). L’attenuazione del fascio viene calcolata per ogni singolo voxel. Le dimensioni dei voxel dipendono dalla collimazione del fascio e dal numero e dalle dimensioni dei singoli rivelatori (detettori).

Scansione, strato, voxel

Profili di attenuazione

Nella TC, essendo nota l’intensità emessa (I0) e quella dell’intensità misurata dai rivelatori (I), è possibile calcolare il profilo di attenuazione che subisce il fascio di raggi X per ogni colonna di voxel attraversata.

Calcolo del coefficiente di attenuazione

Retroproiezione

I dati relativi all’attenuazione del fascio per ogni singolo voxel rappresentano la proiezione di un dato oggetto interposto tra la fonte ed il rivelatore dei raggi X. Per ricostruire l’immagine dell’oggetto si utilizza il metodo della retroproiezione: per ogni punto di vista o proiezione, la relativa immagine proiettata viene “retroproiettata”. Il processo di retroproiezione consiste nel riposizionare, tramite complessi algoritmi, tutte le immagini registrate e poi risalire a quelle originali andando “per esclusione”.
Quello che viene riportato è il coefficiente di attenuazione: il computer retroproietta quello che rimane del raggio X dopo che questo ha attraversato il corpo.

Proiezione e retroproiezione di due oggetti (sfere o cilindri)

Ricostruzione TC ottenuta attraverso 10 "punti di vista"

Filtraggio

Come si può notare in figura 1, nelle immagini risultanti dai 10 processi di retroproiezione, i due oggetti presentano una sorta di coda lungo i profili dovuta alla parziale attenuazione del raggio. Questa parziale attenuazione è responsabile di una sfocatura lungo i profili. Per eliminare, o meglio, attenuare questo effetto, il segnale giunto al rivelatore viene preventivamente filtrato, mediante particolari algoritmi matematici (filtri di convoluzione), prima di essere retroproiettato.
Esistono differenti filtri che accentuano più o meno la “pulizia” dei profili (filtri per osso, per tessuti molli, ecc.).

Fig. 1: Immagine non filtrata e filtrata

Scala e Unità di Hunsfield

La densità dei tessuti viene espressa da una scala di grigi costruita sulla base delle unità (o numeri) di Hunsfield (UH), così dette in onore dell’inventore della TC.
L’unità di Hounsfield o numero TC è un valore adimensionale proporzionale alla densità del tessuto. Le UH sono riferite alla densità dell’acqua che per convenzione è pari a 0. Al di sopra e al di sotto di tale valore si localizzano le densità dei diversi tessuti della materia vivente. La maggior parte dei tessuti molli e dei liquidi organici hanno una densità compresa tra +100 e -100 UH.
Negli esami TC si parla di densità: gli organi ed i tessuti potranno essere iperdensi, ipodensi o isodensi in relazione ad un altro organo o tessuto o alla densità di riferimento dell’acqua.

Scala delle Unità Hunsfield

Formazione dell’immagine TC

Sulla base del relativo profilo di attenuazione, ad ogni voxel viene assegnato un numero di Hunsfield. Tale numero rappresenta l’attenuazione media del corrispondente volume di tessuto esaminato.
Successivamente, ogni voxel, con il relativo numero in UH, viene assegnato alla matrice dell’immagine che, solitamente, è formata da 512 x 512 pixel. Quindi, alla fine del processo, ad ogni pixel della matrice corrisponde un numero di Hunsfield. La profondità cromatica è, di solito, di 8 bit (256 livelli di grigio) e la scala dei grigi è simile a quella radiografica: maggiore attenuazione = bianco; minore attenuazione = nero.
Anche nelle immagini TC, come in quelle radiografiche, è presente una certa quantità di “rumore”. Il rumore in TC può essere distinto in “rumore quantico” e “rumore elettronico“.
Il rumore quantico, come per l’esame radiografico, è l’espressione della natura probabilistica dell’interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia. La sua incidenza è, comunque, inferiore rispetto all’esame RX.
Il rumore elettronico, invece, è dovuto alla approssimazione dei procedimenti di calcolo che presiedono alla ricostruzione delle immagini.

Schema del processo di ricostruzione dell'Immagine TC

Formazione dell’immagine TC (segue)

È importante sottolineare che, “dietro” alle variazioni cromatiche di una immagine TC, ci sono e restano dei numeri, numeri che possono essere letti in un qualsiasi momento e che possono dare delle informazioni quantitative oggettive sulla densità del tessuto considerato.
Per questo, sulle immagini TC sono possibili una serie di operazioni, dopo l’acquisizione dei dati, che vanno sotto il nome di post-processing (variazioni dei grigi rappresentati, misurazioni lineari, angolari, di densità, ricostruzioni planari, 3D, ecc.).
La modalità di visualizzazione delle immagini TC può essere variata ed aggiustata in maniera tale da esaltare o sopprimere informazioni presenti nelle immagini stesse.
È così possibile discriminare anche piccole differenze di densità (fino a 0,5%) e rappresentarle con livelli di grigi differenti. Ciò si traduce in una maggiore risoluzione di contrasto rispetto all’esame RX.

Risoluzione di contrasto: confronto esame RX e TC

Ampiezza e livello della finestra

Il range di rappresentazione dei grigi viene definito ampiezza della finestra (Window Width = WW). I livelli al di sopra ed al di sotto dei limiti della finestra sono rappresentati come bianco e nero. I livelli di grigio intermedi vengono distribuiti in maniera lineare all’interno della finestra: se la finestra è ampia, molti livelli di grigio sono rappresentati; se la finestra è stretta, tra il bianco ed il nero ci saranno pochi livelli di grigio per cui saranno visibili anche lievi differenze di densità.
Oltre a modificare l’ampiezza della finestra, è possibile spostare il livello della finestra (Window Level = WL), cioè, il punto in cui, arbitrariamente, fissiamo il nostro centro al di sopra del quale stanno i tessuti più densi e al di sotto i tessuti meno densi della struttura che vogliamo studiare.
Una finestra ampia (>1500) con centro su valori elevati (400; 800) viene utilizzata per la visualizzazione dei tessuti duri, mentre con il centro spostato su valori molto negativi (-500;-700) viene usata per i tessuti aerati. Una finestra stretta (<500), con livelli compresi tra lo 0 dell’acqua e 70-80 UH, viene usata per i tessuti molli.

Cranio, finestra ampia (WW 1500; WL 400): visibili multiple fratture (frecce)

Cranio, finestra stretta (WW 120; WL 40): visibili danni encefalici (frecce)

Scansioni assiali e ricostruzioni planari

L’esame TC fornisce immagini tomografiche. Queste, di solito, sono assiali, cioè, tagliano perpendicolarmente l’asse sagittale mediano. Esse, come abbiamo detto eliminano il problema della sovrapposizione tra le varie strutture anatomiche considerate.
La valutazione in sequenza delle immagini assiali di uno studio permette di avere un quadro complessivo del distretto anatomico indagato.
La serie delle immagini assiali può essere ricostruita in maniera da ottenere delle immagini lungo piani anatomici diversi (sagittale, dorsale, obliqui o anche curvi) (MPR = Multi Planar Reformation).

Sequenza delle scansioni di un esame del torace di un cane

MPR frontali e sagittali del gomito di un cane

Ricostruzioni 3D

Oltre alle ricostruzioni planari, molti software di post-processing permettono di ottenere delle ricostruzioni 3D.
Esistono diversi protocolli di ricostruzione. Quelli più utilizzati sono il Maximum Intensity Projection (MIP), il Volume Rendering (VR) ed il Surface Rendering (SR).
Con gli apparecchi TC più moderni sono possibili ricostruzioni 3D per endoscopie virtuali e, per il cuore, 4D perché includono il tempo.

3D-VR del cranio di un bufalo affetto da enognatismo

3D-SR del ginocchio di un cane con OCD

Artefatto da volume parziale

È un’imprecisione dei numeri TC che si verifica quando nel voxel sono presenti strutture a densità molto diversa, della quale viene rappresentata una media che di fatto non corrisponde a nessuna di esse.
Più sottile è la fetta, minore saranno gli artefatti dovuti all’effetto del volume parziale.

Nel lobo caudato epatico è visibile una pseudo-lesione ipodensa (punte di frecce)

Nella scansione successiva c'è il polo craniale del rene dx

Artefatto da indurimento del fascio

Artefatto dovuto all’assorbimento delle radiazioni di bassa energia ad opera di tessuti ad elevato numero atomico (es. osso) con incremento relativo della energia media del fascio radiogeno. Può essere corretto in parte allungando i tempi di scansione o usando filtri dedicati.
Esistono numerosi altri tipi di artefatti TC. Chi volesse approfondire può consultare la presentazione del Dott. Schwarz nei materiali di approfondimento.