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LA NOSTRA MISSIONE: RIDUZIONE DELLA DOSE

La capacità di produrre informazioni diagnostiche ad alta risoluzione hanno reso la TC protagonista tra le modalità di imaging. L’incremento del suo utilizzo e dei suoi campi di applicazione hanno spinto la Toshiba a sviluppare una particolare attenzione nei confronti della dose erogata al paziente.

Toshiba ha sempre condiviso queste visioni ed è stata sempre attivamente coinvolta nello sviluppo

di strumenti per ridurre la dose TC, coerente con il principio ALARA “As Low As Reasonably

Achivable”.

Quando applicato all’imaging medicale, il principio ALARA afferma che solo il minimo di radiazioni

necessarie per portare a termine l’esame dovrebbe essere utilizzato per mantenere il rischio

radiologico il più basso possibile.

Con il principio ALARA ben in mente, il dipartimento di ricerca e sviluppo della Toshiba è sempre allo

studio per sviluppare tecnologie in grado di minimizzare la quantità di radiazioni necessarie per

ottenere immagini del più elevato livello diagnostico.

ALARA in azione

Nel mettere in pratica il principio ALARA, la Toshiba ha indirizzato ogni aspetto del suo prodotto

leader del mercato “Aquilion/Astelion” verso l’ottimizzazione per la massima efficienza dosimetrica.

A partire dal progetto originale fino all’installazione ed ai training applicativi presso i clienti, la

riduzione della dose è una priorità lungo tutto il percorso di sviluppo del prodotto: dal hardware al

software ed allo sviluppo di protocolli clinici.

Persino la vernice utilizzata per le coperture del gantry è stata formulata per schermare i segnali

indesiderati e quindi impedire l’ingresso di rumore elettronico che potrebbe degradare la qualità

dell’immagine.

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LA VERA MISURA DELL’EFFICIENZA DOSIMETRICA:

RISOLUZIONE A BASSO CONTRASTO

La riduzione al minimo della dose erogata al paziente minimizza il rischio correlato all’esame.

Tuttavia, un equilibrio accurato deve scaturire dal giusto compromesso tra il rischio correlato alla

dose e la qualità immagine; infatti, se la qualità immagine scende al di sotto di un certo limite,

l’efficacia diagnostica delle immagini risulterà irrimediabilmente compromessa. Un sistema

efficiente di gestione della dose può ottimizzare la conversione della dose paziente in immagini di

alta qualità, consentendo di mantenere l’efficacia diagnostica al livello ragionevolmente più basso

possibile di rischio per il paziente.

Un modo semplice di misurazione dell’efficienza della dose di un sistema TC è quello di esaminarne

la rivelabilità a basso contrasto (LCD). La LCD misura l’accuratezza di un sistema TC nel visualizzare

un oggetto piccolo con densità molto simile a quella dei tessuti circostanti. È evidente che quanto

più gli oggetti diventano piccoli e il loro numero TC si avvicina a quello del fondo, tanto più

diventano difficili da visualizzare.

L’aumento del rumore immagine compromette la capacità di visualizzare gli oggetti piccoli. Anche

con un livello relativamente basso di rumore immagine, gli oggetti più piccoli e quelli più prossimi al

numero TC del fondo iniziano a svanire completamente. È questa dipendenza dal rumore immagine

che fa della LCD un valido indicatore della capacità del sistema di gestire situazioni con basso segnale

(dose).

LCD è misurato utilizzando un fantoccio standard da 20 cm (Catphan) ed è lo standard universale a

cui tutti i produttori di sistemi TC già si riferiscono. Permette di valutare e di confrontare le efficienze

dosimetriche tra i differenti sistemi in modo semplice e diretto.

Il catphan è un fantoccio standard che consiste in oggetti di dimensioni e densità note. Tipicamente

la LCD è definita come la dose necessaria per visualizzare oggetti con una differenza di HU del 0,3 %

rispetto allo sfondo.

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LA PIÙ BASSA DOSE COME DIMOSTRATO DAL VALORE DELL’LCD

La LCD è indicata da tre parametri: dimensione dell’oggetto, contrasto e dose. Ad esempio, la

rivelabilità LCD di Aquilion/Astelion è di 2 mm allo 0,3% con una dose di soli 18,6 mGy, significa che

un oggetto di 2 mm che differisce dal fondo solo dello 0,3% (equivalente a 3 unità Hounsfield) può

essere visualizzato con una dose inferiore a 19 mGy. È importante che la dose sia inclusa nelle

specifiche poiché questo ci offre un punto di riferimento per confrontare i diversi sistemi. Il

significato clinico di un sistema TC con eccellente LCD, ad esempio, consiste nella sua capacità di

visualizzare le placche molli nelle arterie coronarie o di rilevare piccoli tumori nei tessuti molli.

I sistemi TC Aquilion/Astelion sono stati i primi a raggiungere le specifiche di risoluzione a basso

contrasto di 2mm @ 0,3%. Questa straordinaria specifica garantisce, come già descritto, esami di

qualità diagnostica superiore esaltando piccole strutture a basso contrasto. Il grafico sotto riportato,

basato su dati ufficiali pubblicati, confronta le specifiche di risoluzione a basso contrasto del sistema

Aquilion/Astelion e degli altri produttori.

La famiglia Aquilion/Astelion è in grado di rilevare oggetti a basso contrasto di 2mm con una dose

del 27% inferiore rispetto al produttore A. In confronto al migliore LCD del produttore B, la famiglia

Aquilion/Astelion è in grado di rilevare oggetti a basso contrasto di 5mm con il 25% in meno di dose.

Progettata dalle basi per ottenere un’eccellente efficienza alle basse dosi, la TC Aquilion/Astelion

della Toshiba è in grado di ottenere immagini di alta qualità con la dose più bassa.

Confronto tra le LCD della Aquilion ed i sistemi degli altri produttori

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HARDWARE PROGETTATO PER MINIMIZZARE LA DOSE AL PAZIENTE

Dal generatore x-ray al segnale in uscita dal detettore Quantum, l’hardware del sistema

Aquilion/Astelion lavora per minimizzare l’esposizione per tutti i pazienti di tutte le corporature e

pesi. Accoppiato con le esclusive innovazioni software della Toshiba, questi componenti permettono

all’Aquilion/Astelion di guidare il modo con cui si riduce l’esposizione del paziente, incrementando la

qualità dei dati diagnostici forniti ai medici.

FILTRAZIONE PRE-PAZIENTE.

I sistemi Aquilion/Astelion TC utilizzano filtri a contorni adattativi “bow-tie” per conformare e

rimuovere i fotoni a bassa energia prima che il fascio passi attraverso i collimatori e raggiunga il

paziente. Rimuovendo i fotoni a più bassa dose, che contribuirebbero alla sola dose paziente e non

all’immagine, l’efficienza dosimetrica dello scanner è ulteriormente incrementata. Conformato il

fascio, i filtri “bow-tie” assicurano una distribuzione uniforme del flusso fotonico lungo tutta

l’estensione del detettore e quindi alta qualità immagine

Disponibile in tre misure: Large, Medium e Small, questi filtri fisici, adattano il profilo del fascio e

l’energia in funzione del tipo di procedura diagnostica.

Per esempio un fascio radiogeno più “duro” è

necessario per una maggiore efficienza dosimetrica

negli esami encefalo. Avere tre filtri di dimensioni

differenti, rispetto ad uno universale, è particolarmente

utile per ridurre le radiazioni non volute quando si

esaminano pazienti cardiaci o pediatrici. Il filtro “bow-

tie” corretto è automaticamente selezionato dal

sistema.

MIGLIORAMENTI GANTRY

Modellizzazione al computer e processi di progettazione

iterativa assicurano che il gantry della famiglia

Aquilion/Astelion operi con bassissime vibrazioni e il minimo

rumore elettronico sebbene è soggetto a forze centrifughe

dell’ordine dei 20 G. Il risultato è che il potenziale per la

degradazione del segnale dal gantry è minimizzato.

Per concludere, vernici speciali “stealth” sono applicate sui

cover del gantry per schermare il sistema dalle interferenze

elettromagnetiche esterne.

Questa particolare attenzione per eliminare il rumore dal

sistema TC incrementa il rapporto segnale rumore nelle

immagini acquisite, permettendo di effettuare scansioni

routinarie a bassa dose.

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SISTEMA DI DETEZIONE QUANTUM

Il componente più critico di ogni sistema TC è il sistema detettori, che converte i fotoni X in segnali

digitali che possono essere elaborati per generare le immagini. Le vere fondamenta del progetto di

un sistema efficiente è quanto bene le informazioni sia conservato durante questo processo.

Avvalendosi della sua leadership globale nella progettazione dei semiconduttori, Toshiba ha

sviluppato il Quantum Detector Acquisition System (DAS) che si comporta in modo eccezionale nelle

condizioni di basso segnale (bassa dose). Il cuore del detettore Quantum è il cristallo scintillatore di

materiale ceramico, così come il processo proprietario di produzione (brevetti Toshiba). L’utilizzo del

Ossisolfuro di Gadolinio (GOS), grazie al suo rapido tempo di risposta e all’elevata luce in uscita, fa si

che il detettore Quantum cattura più del 99% dei fotoni X incidenti.

Toshiba ha anche sviluppato una tecnica di sinterizzazione della polvere ceramica in mini lingotti

solidi, permettendo una lavorazione estremamente precisa in elementi di detezione della

dimensione di soli 0,5 mm ed eliminando la possibilità che si creano fratture che influirebbero

negativamente sulla loro efficienza. L’abilità di ottenere elementi di detezione lavorati a 0,5 mm

permette l’utilizzo di setti ultra sottili per isolare otticamente gli elementi e quindi ottenere

un’elevatissima efficienza geometrica lungo l’asse Z (maggiore del 90%), minimizzando la dose al

paziente.

La rivoluzionaria innovazione nella progettazione del DAS ha condotto alla creazione del chip

Multiplex Sequential Sampling, che è in grado di elaborare i dati di un’intera riga di detezione

tramite un solo conduttore. La Tecnologia Multiplex riduce drasticamente il rumore elettronico

generato dal crosstalk che si verifica nei detettori con elementi con connessione uno a uno.

Utilizzando un singolo filo, la massima ampiezza del segnale è preservata per il sistema di

ricostruzione.

TECNOLOGIA MULTIPLEX SINGLE WIRE (A FILO SINGOLO)

Aquilion/Astelion è il primo e solo sistema che ha

sviluppato e mantenuto la configurazione dei

detettori con dimensione minima di 0,5 mm durante

tutta l’evoluzione, dai sistemi a 4 canali (1999) fino

agli attuali 320 canali.

Con elementi di detezione del 20% più piccoli di

qualunque altro sistema TC oggi sul mercato, il

detettore Quantum genera slice da 0,5 mm della più

alta qualità e del massimo valore clinico senza

esporre i pazienti a livelli di radiazione non

necessarie.

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WORKFLOW OTTIMIZZATO PER RIDURRE LA DOSE AL PAZIENTE.

Dal momento in cui il paziente è registrato, le TC Aquilion/Astelion ottimizzano il flusso operativo per

aiutare a garantire che gli esami siano completati in modo sicuro con la dose più bassa.

REGISTRAZIONE PAZIENTE E SELEZIONE DEI PROTOCOLLI

Immediatamente dopo la registrazione del paziente, i

sistemi TC Aquilion/Astelion offrono automaticamente

all’operatore i protocolli adatti in funzione dell’età del

paziente. Inoltre, modalità di scansione innovativi, come il SureCardio Prospective e il Variable Helical Pitch (vHP)

possono essere utilizzati per limitare automaticamente la

dose al paziente e migliorare la qualità delle immagini.

SUREEXPOSURE 3D

SureExposure 3D è una soluzione user-friendly per controllare automaticamente l’esposizione,

utilizzabile in ogni protocollo clinico memorizzato.

Basato su livelli di qualità dell’immagine,

selezionabili dall’operatore, e per mezzo dei

valori di attenuazione ottenuti dagli

scanogrammi (AP e LL), il sistema è in grado di

modulare la corrente del tubo (mA) in modo

automatico sui tre assi (x, y e z), per mantenere

la qualità delle immagini a livelli costanti su tutto

il volume acquisito.

Come conseguenza il SureExposure 3D può da solo

permettere una riduzione di dose fino al 40%.

SureExposure 3D fornisce dei preset selezionabili

per controllare facilmente il rapporto qualità-

dose in modo che il principio ALARA sia soddisfatto automaticamente durante ogni procedura

diagnostica.

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RIDUZIONE DELLA DOSE NEI DATI GREZZI E NELLA RICOSTRUZIONE.

Ci sono due approcci fondamentali per incrementare il rapporto segnale rumore durante

l’acquisizione delle immagini. Il primo approccio consiste nell’aumentare il segnale (quindi la dose)

con l’utilizzo di parametri esposimetrici più elevati, da qui la necessità di adottare generatori e tubi

radiogeni con potenze maggiori (la stragrande maggioranza dei competitors). Altrimenti un

approccio più responsabile è quello di sviluppare metodi per ridurre il rumore nel dominio dei dati

grezzi e nelle immagini. Sui principi del motto “Made for Life” Toshiba ha focalizzato le risorse per

creare nuove ed innovative tecnologie per la riduzione del rumore e, di conseguenza, la riduzione

della dose di esposizione a parità di qualità dell’immagine.

BOOST 3D

Il numero di fotoni che raggiungono il detettore possono essere pesantemente ridotte in anatomie

altamente attenuanti come le spalle, la pelvi o aree con presenza di impianti metallici. A causa di un

rumore eccessivo e artefatti “Streak”, queste aree sono tradizionalmente acquisite incrementando i

mAs e/o i kVp per superare la moria dei fotoni. In risposta a questa problematica, gli ingegneri di

Toshiba hanno sviluppato un filtro tridimensionale in grado di adattarsi automaticamente che

corregge selettivamente i raw data nelle aree caratterizzate da basso conteggio di fotoni. Questo

algoritmo, denominato Boost3D, ricerca le parti dei dati grezzi di proiezione che presentano una

perdita sproporzionata di segnale (elevata attenuazione dei raggi-x) e applica, localmente su tali

aree, il filtro tridimensionale per ridurre il rumore immagine e gli artefatti. Sulle aree in cui il segnale

è normale, non viene applicata alcuna correzione e viene preservata la qualità immagine originale.

Queste tecniche locali, o adattative, producono i migliori risultati proprio perché il filtro viene

applicato solo laddove necessario. Poiché questo algoritmo rimuove gli artefatti generati

dall’eccessiva attenuazione dei fotoni, può dunque essere applicato per intensificare le immagini

utilizzando le impostazioni convenzionali dei kVp e mAs, oppure per consentire un imaging a bassa

dose con qualità immagine accettabile riducendo la tecnica di scansione e, di conseguenza, la dose

paziente. Riducendo il rumore e mitigando gli effetti della scansione a bassa dose, le tecniche

automatiche, quali Boost3D, sono un contributo inestimabile che testimonia l’impegno di Toshiba

nel realizzare un imaging focalizzato sul paziente.

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QUANTUM DENOISING SOFTWARE (QDS)

Il Quantum Denoising Software è un potente strumento che Toshiba ha sviluppato per rimuovere il

rumore nelle immagini ricostruite. Introdotto nel 2004, QDS è un algoritmo adattativo per la

riduzione del rumore che selettivamente ammorbidisce le aree di densità uniforme, preservando le

informazioni sui contorni presenti nell’immagine, quindi aumentando il rapporto segnale rumore e

migliorando la qualità dell’immagine.

Per armonizzare il filtraggio passa basso ed i filtri per i contorni, QDS utilizza informazioni locali

campionate nell’immagine. In aree con densità uniformi con pochi contorni, QDS ammorbidisce e

riduce il rumore. Vicino ai confini e altre strutture complesse con tanti contorni, QDS applica un filtro

per l’esaltazione dei contorni per migliorare l’immagine.

QDS è attivo su immagini sia bidimensionali che tridimensionali, può drasticamente ridurre il rumore

immagine consentendo una corrispondente riduzione della dose al paziente.

Queste tecniche si rivelano particolarmente utili nella riduzione della dose paziente quando sono

integrate nel meccanismo di controllo automatico dell’esposizione del sistema TC. Il software SUREExposure di Toshiba regola la tecnica mAs in base alla riduzione del rumore prevista dal filtro

automatico. La riduzione della dose paziente è dunque direttamente integrata nel software della

console di Aquilion/Astelion.

QDS riduce la dose fino al 50% mantenendo sia la risoluzione a basso che ad alto contrasto.

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ADAPTIVE ITERATIVE DOSE REDUCTION

Adaptive iterative Dose Reduction (AIDR 3D) è stato sviluppato da Toshiba per essere un ulteriore

passo nell’evoluzione delle tecnologie per la riduzione della dose.

Il progetto dell’algoritmo iterativo.

AIDR 3D è un sofisticato algoritmo che è stato sviluppato per lavorare nel dominio dei dati grezzi e

nel dominio delle immagini. Il risultato del processo AIDR 3D è una robusta riduzione del rumore,

che è essenziale per permettere esami a bassissima dose nella routine clinica.

Abbassare l’esposizione ai raggi-x e quindi ridurre il numero di fotoni che raggiungono il detettore

comporta una diminuzione del rapporto segnale-rumore nel dominio dei dati grezzi. L’algoritmo

AIDR 3D dapprima analizza il rumore nel dominio dei dati grezzi e quindi applica una correzione del

rumore basata sul conteggio dei fotoni. Questo processo incrementa il rapporto segnale rumore, in

modo particolare nelle acquisizioni a bassa dose.

Dopo la correzione del rumore nei dati grezzi viene effettuata una ricostruzione primaria. L’AIDR 3D

utilizza un algoritmo iterativo per il miglioramento dei campioni nel domino della ricostruzione.

Questo algoritmo si adatta ai differenti organi e massimizza la riduzione del rumore senza

compromettere la risoluzione spaziale.

Il processo finale integra una media pesata tra l’immagine iterata e quella primaria (ottenuta con la

FBP). Il risultato di questo mix è che le immagini AIDR 3D mantengono un aspetto naturale, come se

fossero state acquisite con parametri espositivi standard.

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UN’IMPORTANTE RIDUZIONE DELLA DOSE

AIDR 3D può essere utilizzato per tutte le modalità di acquisizione nella routine clinica ed è in grado

di ridurre il rumore dell’immagine fino al 50% che equivale ad un risparmio di dose fino al 75%

Poiché l’AIDR 3D è un algoritmo iterativo che si adatta ad ogni regione anatomica, il livello di

riduzione del rumore varierà significativamente da caso a caso. Tipicamente la diminuzione di dose

al paziente può variare tra il 67% al 73%.

Grazie alla natura adattativa dell’algoritmo è importante selezionare la dose corretta prima della

scansione per assicurare la massima riduzione di dose. Questi parametri possono essere calcolati

automaticamente dal sistema prima di ogni scansione, adattandosi alla conformazione del paziente.

RIDUZIONE DI DOSE INTEGRATA

La funzione di “riduzione dose integrata” è essenziale per una gestione ottimale della dose ed è per

questo che l’AIDR 3D è stato completamente integrato con lo SureExposure 3D, software di gestione

automatica della corrente del tubo radiogeno.

Lo SureExposure 3D è una potente funzione per la riduzione della dose che modula l’esposizione per

ogni paziente basandosi su preset di qualità di immagine memorizzati (indice di rumore). Quando

utilizzato con l’AIDR 3D, i fattori espositivi sono automaticamente ridotti prima della scansione in

modo da mantenere la qualità immagine scelta per il livello di riduzione del rumore atteso.

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MINIMIZZARE LA DOSE GRAZIE AD UNA CATENA DI IMAGING AUTOMATIZZATA.

La catena di imaging nella TC include l’acquisizione delle immagini, l’ottimizzazione nel dominio dei

dati grezzi e l’applicazione di parametri appropriati per la ricostruzione. Toshiba fornisce una suite di

software avanzati basata su algoritmi per ridurre la dose, ma la reale potenza del sistema è

l’integrazione, una soluzione di continuità di tecnologie per la riduzione della dose in ogni protocollo

clinico.

L’integrazione dello SureExposure 3D e del QDS in un protocollo clinico producono una riduzione

completamente automatica della dose che può raggiungere il 70% rispetto alla tecnica a mA fissi.

Con l’introduzione e l’integrazione del AIDR 3D nella catena di imaging, la riduzione della dose al

paziente può raggiungere l’85%.

La missione Toshiba di rendere il principio ALARA completamente integrato, permette di essere

fruito da tutti i pazienti ed assicurare al personale clinico che siano state utilizzate tutte le tecniche

per poter minimizzare la dose erogata.

Le scansioni sul fantoccio dimostrano che la riduzione automatica della dose attuata dal SureExposure

3D e dal SureExposure 3D con il QDS, direttamente integrate nel protocollo,

è del 66% pur mantenendo la stessa qualità immagine.

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PROTEZIONE INTEGRATA PER L’IMAGING A BASSA DOSE

I sistemi TC Aquilion/Astelion integrano molteplici sistemi di sicurezza automatici e di stand by per

rendere effettivo il principio ALARA e prevenire esposizioni accidentali del paziente a livelli di dose

non necessari.

Per assicurare che i bambini ricevano una bassa dose e per prevenire che alti livelli esposimetrici

possano essere utilizzati, lo SureExposure 3D pediatrico commuta ai protocolli “bambino” basandosi

sull’età immessa in fase registrazione paziente.

Una password protegge i protocolli da eventuali modifiche non autorizzate dei livelli di dose.

Un sistema integrato “Dose Check” può essere configurato per avvertire gli operatori se un livello di

dose troppo elevato venga richiesto durante la creazione di un protocollo.

In aggiunta, come specificato dal IHE, il Radiation Exposure Monitoring Profile è disponibile nelle

ultime revisioni software. Il software registra automaticamente tutti i dati di scansione in modo che

la dose al paziente possa essere accuratamente tracciata.

PROTOCOLLI LOW-DOSE PRE INSTALLATI.

Un pacchetto di protocolli pre installati pronti per

essere utilizzati con SureExposure 3D, QDS e AIDR

3D permettono di configurare il sistema per

soddisfare le richieste di ogni cliente.

Fino a 360 protocolli possono essere raggruppati

secondo regioni anatomiche, per un semplice

accesso in modo che l’operatore possa selezionare

un protocollo specifico per adulto, pediatrico o

trauma, con un semplice click di mouse.

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ALARA POSSIBILE PER OGNI PAZIENTE

Il rapido incremento nell’utilizzo ed il sempre crescente range di applicazioni delle procedure TC

hanno creato la necessità di sviluppare nuovi metodi per aiutare ad assicurare che ogni paziente

riceva immagini di alta qualità diagnostica con bassa dose radiante. Questo è il perché i sistemi TC

Aquilion/Astelion siano stati specificatamente progettati per garantire il principio ALARA per ogni

paziente indipendentemente dall’età, dalla corporatura e dalla procedura clinica.

L’integrazione dei sistemi individuali di ottimizzazione dell’esposizione è essenziale per la riduzione

complessiva della dose. Come parte della nostra missione, Toshiba focalizza soluzioni innovative che

vengono integrate in modo automatico e trasparente nel workflow della routine clinica.

Toshiba continua a guidare la via dello sviluppo di soluzioni TC a bassa dose, assicurando ai clinici che

i sistemi Aquilion/Astelion forniscono le informazioni di cui necessitano per la massima cura del

paziente e con la massima sicurezza.