RADIOLOGIA:GENERALITA’

di TECNICA

1CENNI 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

ROENTGEN

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

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

Onde radio

300 KHz3 MHz30 MHz

300 MHz3 GHz

30 GHz300 GHz

3 THz30 THz300 THz3 PHz30 PH

300 PHz3 EHz

30 EHz300 EHz3000 Ehz

30000 EHz

1000 m100 m10 m1 m

100 mm10 mm1 mm

100 μm10 μm1 μm

100 nm10 nm1 nm

100 pm10 pm1 pm

0,1 pm0,01 pm

TIPI DI RADIAZIONI

Raggi infrarossi

Luce visibile

Raggi Ultravioletti

Raggi X e γ

LUNGHEZZA D’ONDA

FREQUENZAENERGIA

1,24 neV12,4 neV124 neV1,24 μeV12,4 μeV124 μeV1,24 meV12,4 meV124 meV1,24 eV12,4 eV124 eV

1,24 KeV12,4 KeV124 KeV1,24 MeV12,4 MeV124 MeV

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)

• procedono in linea retta

• possono attraversare il vuoto

• non sono influenzate dai campi magnetici

Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE :

FUOCO

OGGETTO

OMBRA

Se le radiazioni elettromagnetiche incontrano un osta-colo, si determina la formazione di un’ombra, dovuta all’assorbimento del fascio

• procedono in linea retta

• possono attraversare il vuoto

• non sono influenzate dai campi magnetici

• se incontrano un corpo solido ne vengono assorbite

Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE :

• procedono in linea retta

• possono attraversare il vuoto

• non sono influenzate dai campi magnetici

• attraversano i corpi solidi venen-done parzialmente assorbiti

I RAGGI X:

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

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di TECNICA

2PRODUZIONE RAGGI

X

• create da macchine (= raggi X)

• naturali (= raggi )

Le RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE IONIZZANTI sono:

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 F’ F’’

O O OD 1

D 2

D 3

FUOCO NONPUNTIFORME

FUOCOPUNTIFORME

TUBO DI COOLIDGE

• un fuoco elettronico

• un fuoco ottico

• un fuoco termico

La macchia focale è in realtà un’astrazione geometrica, essendo la proiezione su una determinata direttrice di una superficie inclinata.In un tubo riconosciamo:

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

FUOCO TERMICO

FUOCO ELETTRONICOFUOCO OTTICO

TUBO AD ANODO ROTANTE

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

• 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:

EFFETTO FOTOELETTRICO o di FLUORESCENZA

e-

• 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:

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”.

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL

FASCIO (“RADIORILIEVO”) ANCORA DA RIVELARE

OGGETTO (CON LESIONE)

TUBO RADIOGENO

FASCIO DI RADIAZIONI

• annerire le emulsioni fotografiche

• rendere fluorescenti alcune sostanze

Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di:

• SOSTANZE FLUORESCENTI

• EMULSIONI FOTOGRAFICHE

• CRISTALLI FOTOEMITTENTI

• CAMERE DI IONIZZAZIONE

• CAMPI ELETTRICI

RIVELATORI DI RAGGI X:

RADIOLOGIA:GENERALITA’

di TECNICA

3RIVELATORI DI RAGGI X

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL

FASCIO (“RADIORILIEVO”) ANCORA DA RIVELARE

OGGETTO (CON LESIONE)

TUBO RADIOGENO

FASCIO DI RADIAZIONI

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL

FASCIO (c.d. radiorilievo)

OGGETTO (CON LESIONE)

TUBO RADIOGENO

FASCIO DI RADIAZIONI

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL

FASCIO (c.d. radiorilievo)

PELLICOLA

OGGETTO (CON LESIONE)

TUBO RADIOGENO

FASCIO DI RADIAZIONI

IMMAGINE LATENTE DI ASSORBIMENTO NEL

FASCIO (c.d. radiorilievo)

PELLICOLA

OGGETTO (CON LESIONE)

TUBO RADIOGENO

FASCIO DI RADIAZIONI

IMMAGINE “RIVELATA “

• annerire le emulsioni fotografiche

• rendere fluorescenti alcune sostanze

Già Roentgen si era accorto (peraltro in modo casuale) che i raggi X erano in grado di:

• SOSTANZE FLUORESCENTI

RIVELATORI DI RAGGI X:

SCHERMO PER RADIOSCOPIA (sezione)

RISCHI PER L’OPERATORE CONNESSI ALLA RADIOSCOPIA

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO

CILINDRO SOTTO VUOTO

STRATO FOTOSENSIBILE

SCHERMO SECONDARIO

LUCE

INTENSIFICATORE DI BRILLANZA RADIOLOGICO

RAGGI X CILINDRO SOTTO VUOTO

STRATO FOTOSENSIBILE

SCHERMO SECONDARIO

SCHERMO PRIMARIO

• SOSTANZE FLUORESCENTI

• EMULSIONI FOTOGRAFICHE

• CRISTALLI FOTOEMITTENTI

• CAMERE DI IONIZZAZIONE

• CAMPI ELETTRICI

RIVELATORI DI RAGGI X:

SUPPORTO (un tempo di acetato, ora di plastica)

EMULSIONE 1

EMULSIONE 2

Granuli della

emulsione

0,2 mm

Nell’esecuzione di radiografie l’effetto di annerimento diretto e l’attitudine

ad evocare fluorescenza vengonoutilizzati contemporaneamente

con un semplice, efficacissimo, artificio

PELLICOLA TRADIZIONALECON DOPPIA EMULSIONE

SUPPORTOEMULSIONE II

EMULSIONE I

SCHERMO DI RINFORZO FRONT

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.

SUPPORTO

SCHERMO DI RINFORZO FRONT

SCHERMO DI RINFORZO BACK

“CROSS-OVER”e altri difetti da schermi

SUPPORTO

EMULSIONE II

EMULSIONE I

SCHERMO DI RINFORZO FRONT

SCHERMO DI RINFORZO BACK

SUPPORTOEMULSIONE

SCHERMO DI RINFORZO

SUPPORTO

EMULSIONE II

EMULSIONE I

2 emulsioni, 2 schermi

1 emulsione, 1 schermo

2 emulsioni, non schermi

1

2/3

40

PELLICOLA DOSE

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

4FORMAZIONE IMMAGINE

FUOCO

OGGETTO

OMBRA

FASCIO DI RADIAZIONI E SUO ASSORBIMENTO

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

L’immagine radiografica è bidimensionale, e corrisponde alla vista in pianta dell’oggetto

nella specifica proiezione

1

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.

La divergenza del fascio causa ingrandimento dell’ombra rispetto all’oggetto

O

O’

F

P

Fattoredi ingrandimento:

d2 distanza F-P

d1 distanza F-O

=O

O’

F

P

RADIOLOGIA:GENERALITA’

di TECNICA

5RADIOGRAFIA DIGITALE

• 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

RIVELATORI DI RAGGI X:

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

PIXEL

MATRICE

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

FOSFORI A MEMORIA

RAGGI X

LASER

RAGGI X LUCE

LUCE + ENERGIAMEMORIZZATA

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

pixel = 0.083 mm

43 cm

35 cm

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

Intensificatore

Fosfori

512 x 512 780

250

Rad. Tradiz.

1700 x 1700

MATRICE

83

PIXEL (μm) Bit

8

10

10

5160 x 4200

• 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 XDI UN DETETTORE DIGITALE

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0

0 10 20

RISOLUZ. SPAZIALE/CONTRASTO

Intensificatore

Fosfori

G. E.

Trixel

512 x 512 780

250

205

143

Rad. Tradiz.

Hologic 139

1700 x 1700

2000 x 2000

3000 x 3000

3072 x 2550

MATRICE

83

PIXEL (μm) Bit

8

10

10

14

14

14

Thoravision 1762448 x 2166 12

5160 x 4200

DQE

Detective

Quantum

Efficiency

2 lp/mm

Schermi “blu”

105

104

103

Fosfori

Schermi “verdi”

Selenio

104 105 106 107

0.1 1 10 100

RAD. DIGITALE: SVANTAGGI

• Risoluzione spaziale inferiore (in quasi tutte le apparecchiature) al radiogramma tradizionale

• Necessità di apparecchiature “dedicate”

• Costi molto elevati

• 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

RAD. DIGITALE: VANTAGGI