Formazione della immagine radiografica

Formazione della immagine radiografica

IL TUBO RADIOGENO

In DxI i raggi X sono prodotti dal tubo radiogeno. Il tubo radiogeno è costituito da una ampolla di vetro, dove vi è il vuoto spinto, e contiene un catodo ed un anodo. Il catodo è l'elemento negativo, costituito da un involucro metallico, denominato testa del catodo, realizzato in nichel o in ferro nichelato, contenente uno o due filamenti di tungsteno. Quando il filamento viene riscaldato, all'aumentare di temperatura aumenta l'energia cinetica dei suoi elettroni: al di sotto di un certo limite, diverso per ogni materiale, gli elettroni in questione non riescono a superare la barriera di potenziale e rimangono confinati nella loro struttura, oltre tale limite hanno invece energia a sufficienza per superare la barriera ed abbandonare la loro struttura ed uscire nello spazio. Essi percorrono un breve tragitto formando una nube di elettroni, ma vengono richiamati dai loro atomi che ora si trovano in uno stato di carica positiva per effetto del loro abbandono. Il filamento deve raggiungere almeno 2200°C affinché si possa ottenere una emissione elettronica utile, ma non oltre 2500°, altrimenti tenderebbe ad evaporare.

Per la formazione dei raggi X viene applicata una differenza di potenziale fra catodo ed anodo con carica positiva all'anodo. Gli elettroni a carica negativa vengono attratti dall'anodo. Per rendere omogeneo ed il più concentrato possibile questo fascio di elettroni, la spiralina viene in parte avvolta dalla coppa focalizzatrice che è caricata negativamente. Il punto di impatto degli elettroni sull'anodo prende il nome di macchia focale.

Dal frenamento per impatto degli elettroni si avrà l'1-3% di quanti di energia, i raggi X, ovviamente "caratteristica" della natura dell'anodo ed il 97-99% di formazione di calore.

Poiché l'ampolla di vetro è circondata da una cuffia di piombo che assorbe i raggi X, questi possono fuoriuscire solo da una piccola finestra praticata nella cuffia.

Nella loro propagazione i raggi X obbediscono alla legge della dispersione quadratica, ovvero l'entità del flusso fotonico diminuisce  in misura proporzionale all'inverso del quadrato delle distanze percorse.

Per quanto riguarda la qualità dell'immagine, sono di fondamentale importanza, per il raggiungimento di un buon livello qualità, i rapporti di reciproca distanza tra i tre elementi del sistema, e cioè tra il fascio di raggi X, l'oggetto da esaminare e la pellicola radiografica (di cui parleremo in seguito).

I fascio di raggi X, così ottenuto, ha forma conica e ciò comporta un ingrandimento dell'oggetto esposto.

E' possibile cercare di ridurre al minimo questo ingrandimento proiettivo avvicinando il più possibile l'oggetto in esame alla pellicola radiografica. Un altro accorgimento al fine di ridurre l'ingrandimento  geometrico dell'immagine radiografica è quello di aumentare la distanza fuoco-pellicola sfruttando solo le componenti centrali del fascio : queste infatti, oltre una certa distanza (convenzionalmente 2 metri), si possono considerare parallele fra loro e perpendicolari al piano dell'oggetto.

IL SISTEMA RADIOLOGICO

Per un sistema radiologico sono necessari i seguenti elementi:

1. tubo radiogeno, che produce raggi X
2. generatore ad alto voltaggio, che fornisce l'energia richiesta al tubo
3. collimatore, che posizionato all'uscita del tubo limita il campo dei raggi X
4. timer elettronico, che viene usato per controllare la durata dell'esposizione
5. controllo automatico dell'esposizione, che blocca il circuito in base alla quantità di radiazioni ricevute dal recettore dell'immagine.

RECETTORI DI IMMAGINI

Un recettore di immagine è un dispositivo che rileva e registra la quantità di radiazioni del fascio emergente dal soggetto, l'immagine radiante, cioè la risultante dei vari assorbimenti e quindi delle attenuazioni che il fascio di raggi X emesso dal tubo ha subito nell'attraversare i tessuti diversi per composizione e densità. Si ha quindi un fascio emergente dal distretto corporeo del paziente esaminato che sarà registrato come una distribuzione di intensità in forma bidimensionale.

I recettori di immagine usati in DxI sono sostanzialmente :

1. Schermi fluoroscopici
2. Pellicole radiografiche accoppiate a schermi di rinforzo ai fosfori
3. Sistemi computerizzati con cassette ai fosfori (CR)
4. Sistemi computerizzati con dispositivi digitali diretti di lettura (DR).

Gli schermi fluroscopici vengono oggi utilizzati durante indagini invasive per il controllo del corretto posizionamento di sonde, cateteri o protesi o come ausilio per il centraggio della zona di interesse prima della documentazione radiografica.

Gli schermi di rinforzo al fosforo vengono posizionati all'interno della cassetta radiografica che ha la funzione di assicurare la tenuta alla luce ed un contatto uniforme fra le superfici contrapposte degli schermi anteriore e posteriore e i due strati emulsionati della pellicola. Essi furono introdotti fin dagli albori della R.T. per ridurre i tempi di esposizione, rendendoli compatibili con il movimento degli organi da riprendere nonché con le dosi di radiazione.

L'immagine radiante è l'immagine potenziale determinata dal fascio di raggi X emergente dal segmento in esame, sommata ora alla luminescenza degli schermi di rinforzo; essa si traduce in immagine radiografica, quando diviene visibile in negativo sulla pellicola radiografica.

Questa è formata da un foglio di poliestere coperto su ambedue i lati da una emulsione di sali d'argento di bromuro o di ioduro e gelatina. Benché l'uso di due schermi di rinforzo sia giustificato da una maggiore efficienza nel rivelare i raggi X, tuttavia condizionano una minore definizione.

Poiché quest'ultima è invece di fondamentale importanza in mammografia, per rilevare le più fini alterazioni e calcificazioni. Per questo motivo, esclusivamente in questa indagine, si usano cassette dedicate con schermi singoli. Infatti, per ottenere una buona visualizzazione dei dettagli, somministrando al contempo una bassa dose di radiazioni, vengono usate pellicole con un solo strato di emulsione, tubi a fuoco piccolo, ottime griglie antidiffusione ed infine una tecnica di compressione della mammella con controllo della quantità di radiazioni diffuse che raggiungono il recettore.

I sistemi computerizzati con cassette ai fosfori furono introdotti agli inizi degli anni '80 per ottenere radiografie in formato digitale, poter elaborare ed  immagazzinare in un computer. Questa tecnologia fu nominata radiografia computerizzata (CR) e usa delle cassette, esternamente simili a quelle contenenti pellicole con schermi di rinforzo in fosforo. Questo sistema differisce da quello tradizionale, poiché, mentre nel primo si aveva l'emissione da parte degli schermi di rinforzo di fluorescenza immediatamente dopo l'assorbimento dei raggi X con la pellicola radiografica che fungeva da recettore, qui abbiamo la sola registrazione di un carica elettrica che è funzione del diverso grado di assorbimento e di attenuazione subito dai raggi X. Questo segnale registrato viene letto successivamente da un dispositivo che determina stimolazione tramite riscaldamenti localizzati degli schermi di fosforo. I segnali di luce visibile vengono convertiti in corrente elettrica e quindi digitalizzati ed immagazzinati sotto forma di immagini digitali in un computer. L'immagine così ottenuta potrà essere visualizzata su un monitor o stampata su una pellicola.

I vantaggi di questa modalità, rispetto alla radiologia convenzionale, consistono in:

facilità di ripresa dei radiogrammi con possibile manipolazione

semplicità di trasmissione ed archiviazione delle immagini

immediata digitalizzazione di tutte le apparecchiature radiografiche disponibili.

I limiti di questa modalità consistono in:

permane la necessità di un ampio numero di cassette e di diverso formato

permane la necessità di dover cambiare la cassetta ad ogni esposizione

le cassetteai fosfori possono rompersi od esaurirsi

I sistemi computerizzati con dispositivi digitali diretti di lettura (DR) differiscono dai precedenti per il fatto che non utilizzano cassette. In questo caso l'immagine è acquisita e digitalizzata direttamente.

I vantaggi di questa modalità consistono in:

assenza di rischio di danneggiamento delle cassette da parte dell'operatore

hanno una migliore risoluzione spaziale e minore rumore di fondo dei detettori.

I limiti di questa modalità consistono in:

possibilità di ottenere immagini digitali solo dalla apparecchiatura che disponga della lettura diretta

maggior costo rispetto al sistema CR nel digitalizzare un intero servizio.

QUALITA' DEI RADIOGRAMMI

Per garantire una alta qualità diagnostica dei radiogrammi sono necessarie:

1. Minimizzazione delle radiazioni diffuse
2. Tecnica radiografica appropriata
3. Programma per il controllo della qualità.

Il messaggio informativo è affidato esclusivamente alla radiazione primaria. Per radiazioni diffuse si intendono invece quelle che, oltre ai raggi X che hanno attraversato la sezione corporea in esame ed hanno determinato l'immagine radiografica, sono state assorbite e diffuse dai tessuti ma hanno subito anche delle deflessioni tali da compromettere la qualità dell'immagine radiografica. Questi fotoni disturbano la visione nitida dei dati che interessano perché riducono il contrasto e determinano un "annebbiamento" dell'immagine, cioè un aggiunta di segnale che non contiene nessuna informazione utile.

Per minimizzare questo inconveniente, vengono usate le griglie antidiffusione, che si propongono di arrestare la maggior parte dei fotoni X diffusi, grazie alla interposizione, fra volume corporeo e recettore, di una serie di sottili lamelle costituite da materiale X-assorbente, di solito il  piombo, interspaziate da sottili spessori di materiale X-trasparente: solo ai fotoni X primari sarà consentito il transito negli interspazi X-trasparenti, mentre i fotoni X diffusi, detti secondari, sono destinati ad impattare con il materiale assorbente, che costituisce le lamelle X-opache.

Attualmente lo spessore delle sottili lamelle di piombo è dell'ordine di 0,08-0,04 mm., quelle per uso mammografico raggiungono addirittura di 0,03 mm.

Si distinguono 3 tipi di griglie:

1. focalizzata, in cui le lamelle sono inclinate in modo da convergere in un unico punto chiamato fuoco della griglia
2. parallela, in cui le lamelle sono tutte parallele fra loro, adatte quando l'uso di una griglia focalizzata non è opportuno per il variare del centraggio come, ad esempio, per le radiografie a letto del paziente
3. crociata, in cui la combinazione delle griglie precedenti consente di esercitare la massima selezione dei raggi diffusi, e sono utilizzate solo nei craniostati o su archi a C con distanza focale fissa.

La quantificazione dell'effetto anti-diffondente è espresso dal "rapporto di griglia", cioè fra l'altezza della lamella (h) e lo spazio fra esse (d), comunemente definita ratio (R).

Infine le griglie possono essere mobili, se durante l'esposizione le lamelle sono in movimento, per rendersi meno evidenti sul radiogramma, altrimenti si definiscono griglie fisse.

Va ricordato che la sfocatura radiografica può essere dovuta sia:

1. alle radiazioni secondarie

ma anche alla radiazione primaria per:

2. sfocatura geometrica, riducibile distanziando il fuoco dall'oggetto, cioè avvicinando l'oggetto al recettore di immagine o diminuendo le dimensioni del fuoco del tubo radiogeno. Esempio classico è il radiogramma standard del torace, che viene assunto con tubo radiogeno ad almeno a 2 metri di distanza, a paziente in posizione ortostatica in proiezione posteroanteriore, avvicinando così il più possibile l'organo cardiaco alla pellicola per ridurne l'ingrandimento
3. sfocatura cinematica, riducibile operando in modo che fuoco, soggetto e pellicola radiografica rimangano immobili, con fasce di compressione, tempi di esposizione brevi ed apnea del paziente
4. sfocatura fotografica, dovuta agli schermi di rinforzo od alla pellicola, che vanno scelti in funzione dei risultati che si vogliono conseguire. 

La qualità di un'immagine è soggettiva e la sua definizione può cambiare in dipendenza delle informazioni che desideriamo ricevere dalle immagini, ma tre caratteristiche di base sono sempre  applicabili:

1. contrasto
2. rumore
3. risoluzione spaziale.

Il contrasto è la differenza di segnale esistente tra due regioni di un'immagine. Nella scala dei grigi, dove le differenze di segnale sono rappresentate da una variazione di sfumatura di grigio, l'elevato contrasto sta a significare che due zone di differente composizione nell'immagine appaiono molto scure e molto chiare. In un'immagine a basso contrasto, c'è poca differenza di variazione dei toni di grigio. Va distinto il contrasto dell'oggetto ed il contrasto della pellicola. Il contrasto dell'oggetto è funzione del differente segnale o intensità dei raggi dopo aver attraversato una sezione corporea con diverse componenti. Il contrasto della pellicola si riferisce alla abilità della pellicola a registrare il contrasto tra due parti diverse della sezione in esame e di rappresentarla una volta esaminata davanti ad un diafanoscopio. Nei sistemi digitali di immagine il contrasto legato ai detettori e quello legato alla visione delle immagini sono indipendenti. La visualizzazione video, d'altra parte, permette all'osservatore la possibilità di variazione del contrasto in funzione del bisogno.

Il rumore invece, descrive ogni componente dell'immagine che non trasmette una informazione utile.

Ci sono due tipi di rumore:

1. il rumore random
2. il rumore strutturale.

Il rumore random dipende dalla grana dell'immagine ed è funzione del numero di fotoni usati nella registrazione dell'immagine. Un immagine ottenuta con una grande quantità di fotoni apparirà meno disturbata dai rumori, o meglio si dirà che presenta un elevato rapporto segnale-rumore, rispetto ad un'immagine ottenuta con l'uso di una minore quantità di fotoni. Maggiore sarà il rumore random di un'immagine, maggiore sarà la difficoltà di percepire le informazione a basso contrasto.

Il rumore strutturale è rappresentato da quelle componenti che non originano dal soggetto in esame bensì da artefatti introdotti dai sistemi di acquisizione delle immagini o dal trattamento delle pellicole.

La risoluzione spaziale è la capacità dell'immagine di riprodurre fedelmente i dettagli più piccoli. Un'immagine che permette al radiologo di vedere molti più dettagli rispetto ad un'altra, presenta una elevata risoluzione spaziale. La risoluzione spaziale si può definire massima in una radiografia tradizionale di tipo analogico mentre diminuisce in quella digitale. Ad esempio, la risoluzione spaziale massima ottenibile oggi in radiologia tradizionale digitale con cassette ai fosfori è circa 0,1 mm Quest'ultima è composta infatti da una matrice, cioè l'immagine è formata da tanti piccoli quadratini, i pixel, ognuno rappresentato da un valore, e successivamente da un tono di grigio, all'interno del quale non è più possibile identificare la differenza di densità tra 2 punti contigui presenti all'interno del pixel. Quindi quanti più pixel formeranno la matrice, tanto maggiore sarà la risoluzione spaziale.

Al contrario, la radiologia digitale possiede una elevata risoluzione di contrasto, ossia la capacità di registrare infinite differenze di assorbimento fotonico. Tuttavia poiché l'occhio umano è in grado di apprezzare solo una ventina di differenti tonalità di grigio, è necessario selezionare nella nostra immagine la porzione di interesse ed evidenziare tutte le differenze di contrasto in essa presente, tramite una ridistribuzione ottimale dei livelli di grigio disponibili nella scala in uso.

Per garantire che l'esecuzione tecnica dell'indagine sia appropriata, la legislazione italiana ha previsto che la formazione e la presenza di un operatore sanitario specializzato, il tecnico sanitario di radiologia medica o TSRM.

Il TSRM esegue gli esami radiografici rispettando procedure che assicurino la interpretabilità e la ripetibilità in condizioni simili: infatti per ogni singolo organo od apparato esistono proiezioni codificate, da utilizzare di volta in volta in rapporto alle esigenze diagnostiche. Poiché la pellicola radiografica altro non è che la rappresentazione sommatoria, su un unico piano, di tutti i piani corporei attraversati dal fascio incidente, in radiodiagnostica tradizionale è frequente il ricorso ad almeno due proiezioni secondo piani tra loro ortogonali, scelti fra i tre di riferimento: coronale, sagittale e traverso assiale. L'orientamento dei radiogrammi è, convenzionalmente, di tipo speculare: essi cioè si osservano come se si avesse di fronte l'individuo per cui la destra del soggetto in esame risulterà a sinistra dell'osservatore e viceversa.

Il TSRM attua anche il programma di controllo della qualità. Esso deve ottimizzare la qualità dell'immagine mantenendo minimi i livelli di esposizione alle radiazioni, sia verso i pazienti che verso gli stessi operatori professionali  dello staff radiologico. Oggi sono disponibili sistemi automatici per il controllo dell'esposizione che permettono di conseguire una buona esposizione dell'immagine con un accettabile controllo del contrasto.

Egli provvede ad archiviare le immagini, ne cura la loro conservazione o la loro trasmissione presso altre strutture. Per facilitare quest'ultimo obiettivo, recentemente, in ambito internazionale, è stato recepito uno standard per la trasmissione delle immagini medicali, il DICOM.

La scelta della metodica, la loro sequenza più corretta, l'interpretazione dell'indagine e la relativa refertazione restano secondo la legislazione italiana compito esclusivo e responsabilità del medico chirurgo specializzato in radiodiagnostica.

DOMANDE

Quali metodiche di diagnostica per immagini impiegano le radiazioni ionizzanti?

Quali metodiche di diagnostica per immagini impiegano le radiazioni non ionizzanti?

Cosa sono i raggi X?

Quali sono i meccanismi di interazione dei raggi X con i tessuti biologici?

Che cos'è l'effetto fotoelettrico?

Che cos'è l'effetto Compton?

Che cos'è l'effetto diffusione coerente?

Come sono prodotti i raggi X?

A che serve il generatore?

A che serve il collimatore?

Cosa è la radiazione caratteristica?

A cosa serve la coppa focalizzatrice?

A cosa serve la cuffia di piombo?

Com'è fatto un tubo radiogeno?

Che cos'è la macchia focale?

Come si ottengono i radiogrammi?

Da cosa è costituito un sistema radiologico?

Come si riduce l'ingrandimento proiettivo?

Perché si assume un radiogramma standard del torace in proiezione PA e non in AP?

Cos'è l'immagine radiante?

Quanti sono i recettori di immagine usati in radiologia ?

Che cosa sono gli schermi di rinforzo?

A che scopo vengono usati gli schermi singoli di rinforzo?

Perché in mammografia si usano schermi di rinforzo singoli?

Qual è il vantaggio di un sistema computerizzato con cassette ai fosfori (CR)?

Qual è il vantaggio di un sistema computerizzato con dispositivi digitali diretti di lettura (DR)?

Com'è formata una pellicola radiografica?

Che cos'è la radiografia digitale?

Che cos'è il DICOM?

Come si consegue una alta qualità diagnostica dei radiogrammi?

Cosa sono le radiazioni diffuse?

Cosa si intende per annebbiamento dell'immagine?

Cosa sono le griglie antidiffusione?

Cosa esprime la ratio di una griglia antidiffusione?

Quanti tipi di griglie esistono?

Chi è il TSRM?

Quali sono le caratteristiche che descrivono la qualità dell'immagine?

Che cos'è il contrasto?

Che differenza c'è tra contrasto dell'oggetto e contrasto della pellicola?

Che cos'è il rumore random?

Che cos'è il rumore strutturale?

Che cos'è la risoluzione spaziale?

Che cos'è la risoluzione di contrasto?

Che cos'è un programma di controllo della qualità dell'immagine?

RADIOLOGIA TRADIZIONALE: mammografia

L'indagine radiologica della mammella necessita di apparecchi dedicati detti "mammografi".

Il mammografo è costituito da :

1. tubo radiogeno al molibdeno (più diffuso) od al tungsteno
2. braccio per supporto del tubo radiogeno
3. piano di appoggio per la mammella
4. dispositivo di compressione della mammella
5. alimentatore ad alta frequenza.

Inoltre, l'apparecchio mammografico può essere fornito di accessori per la stereotassia, che è una tecnica deputata alla localizzazione tridimensionale di una eventuale lesione clinicamente non palpabile, ma visibile alla mammografia, per la quale si renda necessario un prelievo citologico.

Mentre in radiologia convenzionale, la notevole differenza di densità tra le diverse strutture anatomiche (osso,parenchima polmonare,ecc.) consente un elevato contrasto della strutture da radiografare, nella mammella la differenza di densità dei suoi componenti (tessuto fibroso o connettivo, ghiandolare, adiposo) è modesta e non risulterebbe radiograficamente apprezzabile con le apparecchiature radiologiche convenzionali.

I mammografi utilizzano specifici alimentatori ad alta frequenza che consentono al tubo radiogeno di erogare un fascio di raggi abbastanza omogeneo e di bassa energia e quindi consente di utilizzare la gamma di tonalità di grigio apprezzabili dalla nostra vista in un ristretto range di energia dei raggi X.

Di notevole importanza sono i dispositivi di compressione che comprimendo la mammella tra due piastre orizzontali e parallele permettono:

1. di ottenere uno spessore ridotto e uniforme dell'organo che determina una maggiore uniformità del fascio che arriva sul film
2. di ridurre le sfumature geometrica ed anatomica, poiché grazie alla compressione tutte le strutture del seno vengono a trovarsi più vicine al piano dove si forma l'immagine, riducendo i piani di curvatura
3. di aumentare il contrasto delle immagini
4. di modulare i dati di esposizione con il minor costo-biologico.

La composizione anatomo-istologica del seno di una donna nel corso degli anni è variabile: prima della menopausa la presenza di tessuto adiposo è scarsa ma esso tende ad aumentare con l'età, fino a diventare il tessuto più rappresentativo dopo la menopausa. Per tale motivo la mammella di una paziente in giovane età presenta un corpo ghiandolare all'interno del quale risulta molto difficile riconoscere eventuali lesioni.

Poiché il tumore maligno del seno determina una distorsione delle strutture normali, che costituiscono il tessuto connettivale e può essere associata a microcalcificazioni anche di modeste entità, oggi la mammografia viene ancora eseguita con tecniche analogiche che garantiscono una alta risoluzione spaziale e non con tecniche digitali, la cui alta risoluzione di contrasto non compensa la bassa risoluzione spaziale nella ricerca di suddette microcalcificazioni.

DOMANDE

Che cos'è la mammografia?

Come è costituito un mammografo?

A che serve la stereotassia?

Quali sono i peculiari costituenti del mammografo rispetto alla radiologia convenzionale?

Per quale motivo si usa la compressione?

Perché non si pratica lo screening mammografico del tumore della mammella nelle giovani donne?

In mammografia si utilizzano apparecchiature analogiche o digitali?