La linea di luce di sincrotrone per mammografia ad ELETTRA
F. Arfelli, D. Dreossi, A. Bergamaschi, F. Montanari*, R. Longo, A. Olivo, R.H. Menk*,
S. Pani, L. Rigon, G. Tromba*, C. Venanzi, L. Dalla Palma**, E. Castelli
Dipartimento di Fisica, Università di Trieste e INFN, Sezione di Trieste
*Sincrotrone Trieste ScpA
** Dipartimento Universitario Clinico di Scienze cliniche, Morfologiche e Tecnologiche, Università di Trieste
Introduzione
La collaborazione SYRMEP (SYnchrotron Radiation for MEdical Physics) conduce da
tempo ricerche nel campo dell’imaging medico diagnostico utilizzando la radiazione di
sincrotrone come sorgente di raggi X [1]. L’obbiettivo principale è l’ottimizzazione degli
esami in mammografia con il proposito di migliorare la qualità delle immagini riducendo al
tempo stesso la dose di radiazione. A tale scopo è stata costruita una linea di luce [2] presso
ELETTRA (Trieste) che sfrutta le caratteristiche peculiari della radiazione di sincrotrone
come l’elevato flusso, la geometria laminare e l’elevata coerenza spaziale. Presso tale
laboratorio sono state investigate diverse tecniche di imaging [3] ed è stato sviluppato un
rivelatore a pixel di silicio ad alta efficienza per mammografia digitale utilizzando diversi
oggetti test e campioni di tessuto in vitro.
Gli incoraggianti risultati ottenuti nel primo periodo di attività hanno evidenziato l'efficacia
delle tecniche studiate e la possibilità di effettuare esami con una riduzione della dose
somministrata. A seguito di ciò è iniziato il progetto di una linea di luce dedicata alla
mammografia in vivo, su pazienti per le quali la diagnosi ospedaliera risulti dubbia. Tale
progetto comprende sostanziali modifiche dell’esistente linea di luce, in particolare
riguardo per il sistema di sicurezza e il sistema dosimetrico.
L’imaging diagnostico alla linea di luce
L’elevato flusso di radiazione di sincrotrone rende possibile l’utilizzo di un sistema di
monocromatizzazione effettuato mediante la diffrazione alla Bragg da un doppio cristallo di
silicio in riflessione [111]. La linea di luce prevede un fascio monocromatico ad energia
variabile da 8.5 a 35 keV, intervallo ideale per imaging di tessuti molli, con una sezione
naturale di circa 4 mm verticali e 150 mm orizzontali alla stazione sperimentale. La natura
laminare del fascio rende possibile la forte riduzione della radiazione diffusa senza
l’utilizzo delle griglie antidiffusione usate nei convenzionali sistemi mammografici. D’altro
canto l’acquisizione di un’immagine bidimensionale deve essere ottenuta facendo una
scansione del campione nel fascio simultaneamente al rivelatore ad area (sistema schermopellicola o imaging plate). Durante l’acquisizione delle immagini le dimensioni del fascio
sono controllate con precisione e normalmente ridotte ad un’altezza di circa 1 mm da un
sistema micrometrico di fenditure motorizzate.
Incoragganti risultati sono stati ottenuti anche nel campo della mammografia digitale grazie
ad un rivelatore laminare a pixel di silicio ad alta efficienza sviluppato all’interno del
progetto stesso [4]. Sono stati utilizzati oggetti test e campioni di tessuto mammario in vitro
e le immagini hanno dimostrato un’ottima risoluzione in contrasto, una buona risoluzione
spaziale e una notevole diminuzione della dose [5].
Una delle tecniche di imaging esplorate alla linea di luce che ha portato ad interessanti
risultati è il cosiddetto Phase Contrast Imaging, metodo basato su effetti di variazione di
fase del fronte d’onda di radiazione quando questa attraversa il campione da esaminare.
Tale tecnica è particolarmente efficace per oggetti a basso contrasto dove cioè il segnale
dovuto al convenzionale assorbimento è debole. Gli studi eseguiti hanno dimostrato la
possibilità di migliorare notevolemente la qualità delle immagini eseguite con un sistema
schermo-pellicola con una dose paragonabile o minore di quella fornita da un mammografo
convenzionale [6,7]. In Fig.1 sono mostrati alcuni dettagli di un fantoccio standard per
mammografia che rappresentano microcalcificazioni, fibre e masse ottenute con tecniche
diverse; sono riportate le immagini ottenute con un mammografo convenzionale (27 kVp,
109 mAs) (Fig.1a), con luce di sincrotrone a 17 keV a contatto (Fig.1b), con luce di
sincrotrone a 17 keV in Phase Contrast (Fig.1c). Le dosi ghiandolari medie sono 1.9 mGy,
1.3 mGy e 1.5 mGy, rispettivamente.
Fig. 1. Immagini di un fantoccio standard per mammografia: (a) con mammografo
convenzionale, (b) con luce di sincrotrone a 17 keV, (c) a 17 keV in Phase Contrast
La linea di luce per la sperimentazione in vivo
La sperimentazione su pazienti ha richiesto la modifica degli ambienti sulla linea di luce e
l’introduzione di appositi sistemi di sicurezza e di controllo del fascio di raggi X. Date le
novità introdotte nell’esame mammografico con luce di sincrotrone, si rende necessario
anche un adattamento dei comuni protocolli d’esame e dei controlli di qualità al nuovo tipo
di sorgente di radiazione. Lo schema della linea è rappresentato in Fig.2.
In particolare, vista la natura laminare del fascio, l’esame mammografico sarà eseguito con
una scansione della paziente distesa prona su un lettino che si muoverà a velocità
controllata.
La progettazione e realizzazione di tale sistema di movimentazione sono risultate piuttosto
complicate poichè le tolleranze sulla variazione della velocità vuole essere inferiore al 10%
e al tempo stesso il sistema nel suo insieme, inclusa la paziente, deve poter sopportare un
peso di 135 kg. In una prima fase, per avere un confronto diretto con il sistema
convenzionale, come rivelatore si utilizzeranno le comuni pellicole mammografiche
accoppiate a schermi di rinforzo, mentre un rivelatore digitale è previsto in una seconda
fase del progetto. Il sistema schermo-pellicola, che si può muovere verticalmente in
sincronismo con il lettino, è posizionato su un binario che permette di selezionare la
distanza dall’organo da pochi cm fino ad un massimo di 2 m per ottimizzare la distanza in
modalità Phase Contrast. Un esposimetro, opportunamente calibrato, composto da una
serie di fotodiodi posti dietro al rivelatore, determinerà i parametri ottimali di scansione in
modo da impressionare correttamente la pellicola.
È inoltre previsto un sistema dosimetrico sviluppato ad hoc per la particolare struttura
laminare del fascio. Esso consiste in due camere a ionizzazione ad azoto con una finestra
sensibile di 220 x 15 mm2. Tale sistema permetterà di controllare e registrare la dose
somministrata durante l’esame ed inoltre esso sarà collegato al sistema di sicurezza
determinando l’intervento degli shutter veloci in caso di anomalie di fascio o di
superamento delle dose prestabilita.
monocromatore
sorgente
camere a ionizzazione
filtri
shutter veloci
shutter
fenditure
fenditure
sala paziente
Fig.2. Lo schema della linea di luce per mammografia su pazienti
Tutti i sistemi che riguardano la sicurezza dell’operatore e della paziente (sia essa
meccanica, elettrica o di radioprotezione) sono stati non solo duplicati, ma anche
differenziati nella logica di implementazione.
Il progetto è stato completato, la parte costruttiva dei sottosistemi è praticamente conclusa e
sono in corso la fase dei test definitivi su fascio e la stesura della documentazione per la
richiesta delle autorizzazioni necessarie per procedere agli esami su pazienti.
Bibliografia
[1] F. Arfelli, G. Barbiellini, V. Bonvicini, A. Bravin, G. Cantatore, E. Castelli, L. Dalla Palma, M. Di
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[2] F. Arfelli, G. Barbiellini, V. Bonvicini, A. Bravin, G. Cantatore, E. Castelli, L. Dalla Palma, M. Di
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