Tomografia computerizzata

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 elaborazioni tridimensionali. Per la produzione delle immagini è necessario l’intervento di un elaboratore di dati (computerizzata).

È nota anche come Tomografia Assiale Computerizzata o TAC (in inglese CAT da Computerized Axial Tomography); questa definizione è parzialmente corretta in quanto inizialmente si ottenevano immagini radiologiche solo sul piano assiale mentre attualmente, grazie alla potenza dei calcolatori, si ottengono immagini radiologiche sui piani assiale, coronale e sagittale. Nelle TAC l’acquisizione avviene in sequenza: il lettino si sposta, si ferma, avviene l’acquisizione di un numero di strati corrispondenti al numero di barrette di sensori e cosi via. Nelle TC di nuova generazione oltre a questa possibilità esiste un’acquisizione detta a spirale, dove il lettino è in continuo movimento. Con la tecnica a spirale vengono acquisiti dei volumi, ai quali corrispondono dei Voxel.

Storia
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, ma grazie all’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 for 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 un’indagine diagnostica impiegata esclusivamente per la ricerca e lo studio delle sole patologie cerebrali. Era opinione comune e fortemente radicata che l’innovativa tecnica non potesse in alcun modo travalicare questo specifico ambito. Fu un radiologo americano di origine italiana, il professor Ralph Alfidi, ad avere l’intuizione che tale metodica diagnostica potesse essere estesa all’intero corpo umano.

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 appositamente 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 suo allievo ed attualmente è direttore dell’Istituto di Radiologia dell’Università di Tor Vergata di Roma.

Metodica
L’immagine del corpo da studiare viene creata misurando l’attenuazione di un fascio di raggi X che attraversa tale corpo. 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 prodotte 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 singolo 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. Le dimensioni di una singola immagine sono normalmente di 512×512 pixel, per una 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 ragionevolmente 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
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.

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 attorciglino. 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 energy”. 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.

Collegamenti esterni

• Godfrey Hounsfield, premio Nobel.
• Allan M. Cormack, premio Nobel.
• Informazioni cliniche e immagini di Tomografia Computerizzata
• 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

Bibliografia

• G. Cittadini, ed. Diagnostica per immagini e radioterapia. Edizioni culturali internazionali Genova, IV edizione 2002.
• R. Pozzi Mucelli, ed. TC e TC spirale nella pratica clinica. Idelson Gnocchi editori Napoli, 2000.
• Alfidi R.J., Haaga J. et al., Computed Tomography of the human body-1977.
• Alfidi R.J., Symposium on Wole Body Tomography-1977.
• Alfidi R.J., Medical Imaging Tecniques: A Comparison-1979.

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