RADIOLOGIA:
GENERALITA’
di TECNICA
1
CENNI STORICI
(Lezione realizzata dal Prof. C. Fava, Univ. di Torino)
Possiamo ottenere IMMAGINI
a scopo diagnostico utilizzando:
• RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
IONIZZANTI
• RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
NON IONIZZANTI
• ONDE MECCANICHE
• FENOMENI MAGNETICI
Il 28 dicembre 1895
W.C.Roentgen,
professore di fisica di
Wurzburg,
annunciava la
scoperta dei Raggi X,
radiazioni
elettromagnetiche che
egli aveva constatato
uscire da un tubo a
raggi catodici che
stava usando nel
proprio laboratorio
ROENTGEN
La definizione di
“raggi X” (= misteriosi)
è dello stesso
Roentgen.
Si trattava di radiazioni
elettromagnetiche,
caratterizzate da
lunghezza d’onda
inferiore a quella della
luce visibile.
RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE
TIPI DI RADIAZIONI
Onde radio
Raggi infrarossi
Luce visibile
Raggi Ultravioletti
Raggi X e γ
LUNGHEZZA
D’ONDA
ENERGIA
FREQUENZA
1000 m
100 m
10 m
1m
100 mm
10 mm
1 mm
100 μm
10 μm
1 μm
100 nm
10 nm
1 nm
100 pm
10 pm
1 pm
0,1 pm
0,01 pm
1,24 neV
12,4 neV
124 neV
1,24 μeV
12,4 μeV
124 μeV
1,24 meV
12,4 meV
124 meV
1,24 eV
12,4 eV
124 eV
1,24 KeV
12,4 KeV
124 KeV
1,24 MeV
12,4 MeV
124 MeV
300 KHz
3 MHz
30 MHz
300 MHz
3 GHz
30 GHz
300 GHz
3 THz
30 THz
300 THz
3 PHz
30 PH
300 PHz
3 EHz
30 EHz
300 EHz
3000 Ehz
30000 EHz
RAGGI X impiegati in
diagnostica e radioterapia
superficiale
Lunghezza d’onda: da 1A a 0,1A
Energia: da 12.400 ev a 124.000 ev
La energia del fotone è legata alla frequenza
Energia = h x frequenza
h: costante di
Planck (6,61 x 10 -34 j x s)
Le RADIAZIONI
ELETTROMAGNETICHE :
•
•
•
procedono in linea retta
possono attraversare il vuoto
non sono influenzate dai campi
magnetici
Se le radiazioni
elettromagnetiche
incontrano un ostacolo, si determina
la formazione di
un’ombra, dovuta
all’assorbimento
del fascio
FUOCO
OGGETTO
OMBRA
Le RADIAZIONI
ELETTROMAGNETICHE :
•
•
•
•
procedono in linea retta
possono attraversare il vuoto
non sono influenzate dai campi
magnetici
se incontrano un corpo solido ne
vengono assorbite
I RAGGI X:
•
•
•
•
procedono in linea retta
possono attraversare il vuoto
non sono influenzate dai campi
magnetici
attraversano i corpi solidi venendone parzialmente assorbiti
La diversa lunghezza d’onda (legata alla
diversa energia) è motivo del differente
comportamento:
• i raggi luminosi non attraversano i corpi
solidi (con poche eccezioni), ma ne
sono assorbiti o riflessi;
• i raggi X attraversano i corpi solidi
venendone parzialmente assorbiti al
passaggio. La loro energia è tale da
determinare ionizzazioni.
•
•
i raggi X sono in grado di
attraversare i corpi opachi
alla luce
al passaggio, il fascio viene
assorbito: l’assorbimento è in
rapporto alla quantità e alla
qualità della sostanza
attraversata
La qualità della sostanza è di fatto
rappresentata dal numero atomico (Z)
dei costituenti:
•
•
•
•
H
O
C
Ca
= 1
= 8
= 6
= 20
•
•
•
•
I
Ba
W
Pb
=
=
=
=
53
56
74
82
Le differenze di densità
tra le diverse componenti
anatomiche sono alla base del
contrasto naturale.
In generale, tanto maggiore è il
contrasto naturale, tanto più è
agevole riconoscere le diverse
componenti anatomiche.
Vi sono condizioni
(soprattutto in RT), nelle quali il
contrasto naturale non è
sufficiente per distinguere tra loro le
diverse componenti anatomiche.
In questi casi si ricorre a sostanze
che, introdotte in vario modo
nell’organismo, sono in grado di
creare un contrasto artificiale.
Queste sostanze si chiamano MEZZI
DI CONTRASTO (mdc).
Il loro impiego è vecchio quanto è
vecchia la radiologia.
Classicamente vengono distinti in
mdc opachi e mdc trasparenti.
I primi (opachi o radiopachi) sono di
gran lunga i più usati.
Addome diretto
Addome con bario
RADIOLOGIA:
GENERALITA’
di TECNICA
2
PRODUZIONE RAGGI
X
Le RADIAZIONI
ELETTROMAGNETICHE
IONIZZANTI sono:
• create da macchine
(= raggi X)
• naturali
(= raggi )
PRODUZIONE DI
RAGGI X
MEDIANTE MACCHINE:
I TUBI RADIOGENI
Caratteristica comune di tutte
queste macchine è di determinare
l’accelerazione di elettroni nel
vuoto per effetto di una differenza
di potenziale elevata.
Gli elettroni così accelerati
causeranno la formazione di raggi
X per interferenza con gli atomi
del metallo (abitualmente
Tungsteno)
di cui è costituito l’anodo.
MECCANISMI DI FORMAZIONE
DEI RAGGI X:
• Radiazione “di frenamento”
(o Bremsstrahlung)
• Radiazione caratteristica
MECCANISMI DI FORMAZIONE
DEI RAGGI X:
• Radiazione “di frenamento”
(o Bremsstrahlung)
• Radiazione caratteristica
PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO
e-
PRODUZIONE DI RAGGI X PER FRENAMENTO
e-
MECCANISMI DI
FORMAZIONE
DEI RAGGI X:
• Radiazione “di
frenamento” (o
Bremsstrahlung)
• Radiazione caratteristica
o eccitazione
PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE
e-
PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE
e-
PRODUZIONE DI RAGGI X PER ECCITAZIONE
e-
La radiazione caratteristica
concorre in misura
quantitativamente modesta
alla composizione del fascio:
alla tensione di 100 kVp solo il
15% dei fotoni riconosce
questo meccanismo di
formazione.
Il rendimento del tubo
radiogeno è molto basso, in
quanto il 95% circa
dell’energia ceduta dagli
elettroni accelerati sull’anodo
si trasforma in calore.
Questo calore si sviluppa dalla
macchia focale,
“bombardata” dagli elettroni.
Ciò crea importanti problemi, in
quanto per migliorare la qualità
dell’immagine è soprattutto
importante ridurre il più
possibile le dimensioni della
macchia focale:
il fuoco ideale è puntiforme.
Si delineano pertanto le
necessità antitetiche di ridurre le
dimensioni e insieme la
temperatura della
macchia focale.
OMBRA E PENOMBRA
F
D
1
D
2
D
O
F’
F’’
O
O
FUOCO
PUNTIFORM
E
FUOCO NON
PUNTIFORM
E
TUBO DI COOLIDGE
La macchia focale è in realtà
un’astrazione geometrica,
essendo la proiezione su una
determinata direttrice di una
superficie inclinata.
In un tubo riconosciamo:
• un fuoco elettronico
• un fuoco ottico
• un fuoco termico
Il FUOCO ELETTRONICO è la
porzione di anodo colpita dagli
elettroni liberati dalla spiralina
catodica ed accelerati dalla
differenza di potenziale.
E’ l’area sulla quale si formano
i raggi X.
FUOCO
ELETTRONICO
Il FUOCO OTTICO è la
proiezione geometrica del fuoco
elettronico lungo la direzione del
fascio: è quindi una entità
apparente, le cui dimensioni
condizionano peraltro in modo
determinante la qualità
dell’immagine radiologica.
FUOCO OTTICO
Le dimensioni del fuoco ottico
possono essere ridotte senza
variare le dimensioni del fuoco
elettronico, giuocando sul
fattore proiettivo
(incrementando, cioè,
l’inclinazione del piano
anodico).
EFFETTO DELL’INCLINAZIONE DEL
PIANO ANODICO SULLE DIMENSIONI
DEL FUOCO OTTICO
Il FUOCO TERMICO è la parte di
anodo sottoposta a riscaldamento
per effetto del “bombardamento”
degli elettroni.
Nei tubi ad anodo fisso coincide
con il fuoco elettronico.
Nei tubi ad anodo rotante
possiede una superficie che
aumenta
con il crescere del
diametro del piatto anodico.
FUOCO TERMICO
FUOCO TERMICO = FUOCO ELETTRONICO
NEI TUBI AD ANODO FISSO
TUBO AD ANODO
ROTANTE
FUOCO TERMICO
FUOCO ELETTRONICO
FUOCO OTTICO
Esistono peraltro ulteriori
opzioni tecnologiche per
ottenere il raffreddamento
dell’anodo: una via molto
seguita è quella della
circolazione di liquido
refrigerante (acqua, olio...)
all’interno della cuffia di
protezione del tubo radiogeno.
MODALITA’ DI
ATTENUAZIONE DEL
FASCIO
INTERAZIONE DEI FOTONI X
CON LA MATERIA:
• EFFETTO TOMPSON
• EFFETTO
FOTOELETTRICO
• EFFETTO COMPTON
• FORMAZIONE DI COPPIE
•
EFFETTO
FOTOELETTRICO:
il fotone incidente cede tutta la
propria energia a un elettrone, che
viene sbalzato dall’orbita; un altro
elettrone viene allora richiamato da
un’altra orbita, con l’emissione di
un fotone di fluorescenza
EFFETTO FOTOELETTRICO
o di FLUORESCENZA
e-
EFFETTO COMPTON:
•
il fotone incidente cede parte
della propria energia a un
elettrone (elettrone Compton, che
viene sbalzato dall’orbita),
cambiando direzione e
aumentando la propria lunghezza
d’onda
EFFETTO COMPTON
e-
RIVELATORI DI
RAGGI X
RIVELAZIONE
L’immagine di assorbimento di un
fascio è una immagine latente.
Perché acquisti significato pratico
deve essere “rivelata”.
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
OGGETTO (CON LESIONE)
IMMAGINE LATENTE DI
ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (“RADIORILIEVO”)
ANCORA DA RIVELARE
Già Roentgen si era
accorto (peraltro in modo
casuale) che i raggi X
erano in grado di:
• annerire le emulsioni
fotografiche
• rendere fluorescenti
alcune sostanze
RIVELATORI DI RAGGI X:
•
SOSTANZE FLUORESCENTI
•
EMULSIONI FOTOGRAFICHE
•
CRISTALLI FOTOEMITTENTI
•
CAMERE DI IONIZZAZIONE
•
CAMPI ELETTRICI
RADIOLOGIA:
GENERALITA’
di TECNICA
3
RIVELATORI DI RAGGI X
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
OGGETTO (CON LESIONE)
IMMAGINE LATENTE DI
ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (“RADIORILIEVO”)
ANCORA DA RIVELARE
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
OGGETTO (CON LESIONE)
IMMAGINE LATENTE DI
ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (c.d. radiorilievo)
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
OGGETTO (CON LESIONE)
IMMAGINE LATENTE DI
ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (c.d. radiorilievo)
PELLICOLA
TUBO RADIOGENO
FASCIO DI RADIAZIONI
OGGETTO (CON LESIONE)
IMMAGINE LATENTE DI
ASSORBIMENTO NEL
FASCIO (c.d. radiorilievo)
PELLICOLA
IMMAGINE “RIVELATA “
Già Roentgen si era accorto
(peraltro in modo casuale) che
i raggi X erano in grado di:
• annerire le emulsioni
fotografiche
• rendere fluorescenti alcune
sostanze
RIVELATORI DI RAGGI X:
•
SOSTANZE FLUORESCENTI
SCHERMO PER RADIOSCOPIA (sezione)
RISCHI PER L’OPERATORE CONNESSI ALLA
RADIOSCOPIA
INTENSIFICATORE DI BRILLANZA
INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO
STRATO FOTOSENSIBILE
SCHERMO
SECONDARIO
LUCE
CILINDRO SOTTO VUOTO
INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO
SCHERMO
PRIMARIO
STRATO FOTOSENSIBILE
SCHERMO
SECONDARIO
RAGGI X
CILINDRO SOTTO VUOTO
RIVELATORI DI RAGGI X:
•
SOSTANZE FLUORESCENTI
•
EMULSIONI FOTOGRAFICHE
•
CRISTALLI FOTOEMITTENTI
•
CAMERE DI IONIZZAZIONE
•
CAMPI ELETTRICI
EMULSIONE
1
SUPPORTO
(un tempo di
acetato, ora
di plastica)
EMULSIONE
2
Granuli
della
emulsione
0,2
mm
Nell’esecuzione di radiografie
l’effetto di annerimento diretto e l’attitudine
ad evocare fluorescenza vengono
utilizzati contemporaneamente
con un semplice, efficacissimo, artificio
PELLICOLA TRADIZIONALE
CON DOPPIA EMULSIONE
SCHERMO DI
RINFORZO FRONT
EMULSIONE I
SUPPORTO
EMULSIONE II
SCHERMO DI
RINFORZO BACK
L’annerimento delle pellicole è
dovuto in larga prevalenza
all’azione degli schermi di rinforzo
40 : 1
Questo forte incremento di annerimento
corrisponde ad eguale riduzione della dose.
Il prezzo da pagare, però, è uno scadimento
della qualità dell’immagine, dovuta a diversi
fattori.
SCHERMO DI
RINFORZO FRONT
SUPPORTO
SCHERMO DI
RINFORZO BACK
“CROSS-OVER”
e altri difetti da schermi
PELLICOLA
DOSE
SCHERMO DI RINFORZO
FRONT
2 emulsioni,
2 schermi
EMULSIONE I
SUPPORTO
EMULSIONE II
1
SCHERMO DI RINFORZO
BACK
SCHERMO DI RINFORZO
1 emulsione,
1 schermo
2 emulsioni,
non schermi
EMULSIONE
SUPPORTO
EMULSIONE I
SUPPORTO
EMULSIONE II
2/3
40
SENZA
SCHERMI
UNO SCHERMO
DUE SCHERMI
Il fascio di raggi X viene assorbito in
misura maggiore o minora in rapporto alla
quantità e qualità (= densità)
dei tessuti attraversati.
Il tessuto poco denso assorbe
scarsamente il fascio: è, cioè,
trasparente al fascio o radiotrasparente.
All’opposto, il tessuto denso che assorbe
molto il fascio si definisce radiopaco.
Se si utilizza una pellicola come rivelatore, là
dove il fascio giunge poco assorbito si osserva
un notevole annerimento.
Pertanto sulla pellicola (che è un negativo!) il
forte annerimento significa radiotrasparenza
(o trasparenza).
Scarso
annerimento è
invece sinonimo
di radiopacità
(od opacità).
Se invece si utilizza come rivelatore uno
schermo di radioscopia, le cose vanno in
modo inverso: là dove il fascio giunge poco
attenuato (ipodensità!) si ha infatti forte
illuminazione dello schermo.
Forte illuminazione
(= bianco) significa
radiotrasparenza,
mentre scarsa
illuminazione (=
nero) sta per
opacità.
E’ l’opposto della
pellicola!
Il concetto - fondamentale in Radiologia di opacità e trasparenza deve dunque
prescindere del sistema di rilevazione,
che ne può far variare
le modalità di presentazione.
Trasparente (“radiotrasparente”) è la
struttura che assorbe poco
il fascio di raggi X,
opaco (“radiopaco”) è l’oggetto che
assorbe molto il fascio.
RISOLUZIONE SPAZIALE:
E’ l’attitudine di una metodica di imaging a
riconoscere come distinti tra loro due
punti (o due linee).
La risoluzione spaziale indica in pratica la
capacità di rappresentare particolari fini.
Si valuta in paia di linee per millimetro
(=iquante coppie di linee per millimetro,
l’una bianca e l’altra nera, la metodica è in
grado di riconoscere come distinte).
RISOLUZIONE DI CONTRASTO:
In RT e TC è l’attitudine di una metodica di
imaging a riconoscere gli scarti di densità
tra strutture diverse (= bianco dal nero).
In RM il concetto è analogo, ma basato,
invece che sulla densità, sulle differenze di
distribuzione di protoni ovvero sulle
differenze dei tempi di rilassamento nelle
varie componenti anatomiche.
In ecografia il contrasto trae origine dalle
differenze di impedenza acustica.
MODALITA’ DI
FORMAZIONE
DELL’IMMAGINE
RADIOGRAFICA
RADIOLOGIA:
GENERALITA’
di TECNICA
4
FORMAZIONE IMMAGINE
FUOCO
FASCIO DI
RADIAZIONI
E SUO
ASSORBIMENTO
OGGETT
O
OMBRA
I problemi con i quali dobbiamo
confrontarci sono
fondamentalmente due:
• l’immagine radiografica è
bidimensionale, e corrisponde
alla vista in pianta dell’oggetto
nella specifica proiezione
• il fascio di raggi X diverge
1
L’immagine radiografica è
bidimensionale, e corrisponde
alla vista in pianta dell’oggetto
nella specifica proiezione
SOLIDI
DIVERSI:
loro
immagine di
proiezione
lungo l’asse
del fascio
incidente
2
Il fascio di raggi X diverge
Le radiazioni
elettromagnetiche
(e tra queste i
raggi X)
procedono in
linea retta
dalla sorgente
verso l’infinito,
divergendo tra
loro.
F
La divergenza del
fascio causa
ingrandimento
dell’ombra rispetto
all’oggetto
O
P
O
’
F
Fattore
di ingrandimento:
d2
d1
=
distanza F-P
distanza F-O
P
O
O
’
RADIOLOGIA:
GENERALITA’
di TECNICA
5
RADIOGRAFIA DIGITALE
RIVELATORI DI RAGGI X:
•
SOSTANZE FLUORESCENTI
•
EMULSIONI FOTOGRAFICHE
•
CRISTALLI FOTOEMITTENTI
•
CAMERE DI IONIZZAZIONE
•
CAMPI ELETTRICI
RIVELATORI DI RAGGI X:
•
SOSTANZE FLUORESCENTI
•
EMULSIONI FOTOGRAFICHE
•
CRISTALLI FOTOEMITTENTI
•
CAMERE DI IONIZZAZIONE
•
CAMPI ELETTRICI
RIVELATORI DI RAGGI X:
•
SOSTANZE FLUORESCENTI
•
EMULSIONI FOTOGRAFICHE
•
CRISTALLI FOTOEMITTENTI
•
CAMERE DI IONIZZAZIONE
•
SEMICONDUTTORI
Successivamente allo sviluppo della TC, si è
assistito alla comparsa di altre tecniche
che forniscono immagini di tipo digitale
(cioè su matrice numerica).
Si tratta di immagini analoghe ai
radiogrammi, ma elaborate dal computer
partendo da sistemi di rivelazione diversi
dalla pellicola radiografica.
Si definiscono RADIOGRAFIE DIGITALI.
Le radiografie digitali, al pari di tutte le
immagini digitali, sono basate sul
ricorso ad una MATRICE, nella quale
l’immagine viene scomposta in un
numero finito di unità elementari di
superficie, per lo più quadrate,
chiamate PIXEL
MATRICE
PIXEL
In una matrice tanto più piccoli sono
i pixel, tanto più dettagliata è
l’immagine.
Una matrice fitta è indispensabile
quando si richieda una elevata
risoluzione spaziale.
In una matrice tanto più piccoli sono i
pixel, tanto più dettagliata è
l’immagine.
Una matrice fitta è indispensabile
quando si richieda una elevata
risoluzione spaziale.
In quest’ottica, il banco di prova di gran
lunga più impegnativo è rappresentato
dello studio radiologico del torace.
Si conoscono attualmente quattro modalità
principali di radiografia digitale:
•
•
•
•
rad. digitale da intensificatore di
brillanza
rad. digitale ai “fosfori con memoria”
rad. digitale con CCD
rad. digitale a piastra di materiale
semiconduttore
• INTENSIFICATORE DI
BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE
SEMICONDUTTORE
• INTENSIFICATORE DI
BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE
SEMICONDUTTORE
• INTENSIFICATORE DI
BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE
SEMICONDUTTORE
FOSFORI A MEMORIA
Sistema sviluppato da una ditta
giapponese a partire dagli anni ‘80, è
stato progressivamente migliorato ed è
attualmente l’unica modalità digitale
per radiologia generale ampiamente
diffusa e sperimentata
FOSFORI CONVENZIONALI
RAGGI X
LUCE
FOSFORI A MEMORIA
RAGGI X
LUCE +
ENERGIA
MEMORIZZATA
LASER
LUCE
E’ ben noto che la qualità
dell’immagine nel radiogramma
digitale è in relazione a due fattori:
• la scala dei grigi
• la finezza della matrice
Anche se un po’ impropria, una
valutazione in quest’ottica del
radiogramma analogico può
essere tentata:
6 p linee/mm
43 cm
35
cm
pixel = 0.083 mm
LIVELLI DI GRIGIO
Sono determinati dal numero di bit
disponibili per la codifica:
8 bit:
256 livelli di grigio
10 bit: 1.024 livelli di grigio
12 bit: 4.098 livelli di grigio
14 bit: 16.392 livelli di grigio
RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO
Rad. Tradiz.
Intensificatore
Fosfori
MATRICE
PIXEL (μm)
Bit
5160 x 4200
83
780
250
8
10
10
512 x 512
1700 x 1700
• INTENSIFICATORE DI
BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE
SEMICONDUTTORE
• INTENSIFICATORE DI
BRILLANZA
• FOSFORI CON MEMORIA
• CCD
• PIASTRA DI MATERIALE
SEMICONDUTTORE
The Evolution of Image Capture
Technologies
CURVA CARATTERISTICA DI UNA PELLICOLA
CURVA DI RISPOSTA AI RAGGI X
DI UN DETETTORE DIGITALE
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
10
20
RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO
Rad. Tradiz.
Intensificatore
MATRICE
PIXEL (μm)
Bit
5160 x 4200
83
780
250
176
205
143
139
8
10
10
12
14
14
14
512 x 512
Fosfori
1700 x 1700
Thoravision
2448 x 2166
G. E.
2000 x 2000
Trixel
3000 x 3000
Hologic
3072 x 2550
DQE
0.1
1
10
100
2 lp/mm
105
Selenio
Fosfori
Detective
Quantum
Schermi
“verdi”
104
Efficiency
Schermi
“blu”
103
104
105
106
107
RAD. DIGITALE: SVANTAGGI
•
•
•
Risoluzione spaziale inferiore (in
quasi tutte le apparecchiature) al
radiogramma tradizionale
Necessità di apparecchiature
“dedicate”
Costi molto elevati
RAD. DIGITALE: VANTAGGI
•
•
•
•
•
Leggero risparmio di dose (con le
metodiche più recenti)
Ampia latitudine di esposizione
(scomparsa degli errori tecnici)
Ottimizzazione del contrasto
Possibilità di post-processing
Archiviazione in forma digitale