Il documento fornisce una panoramica dei fondamenti delle bioimmagini, descrivendo vari metodi diagnostici come la radiologia tradizionale, la tomografia computerizzata, la medicina nucleare e la risonanza magnetica. Viene anche discussa l'importanza delle bioimmagini in diagnosi e terapia, fornendo dati e cifre relative all'uso di tali tecnologie in Italia. Infine, il documento esplora la storia delle bioimmagini e la loro classificazione in base a parametri fisici e invasività.

1. Fondamenti di bioimmagini:
come si guarda dentro un
corpo umano.
a.a. 2011/2012 ing. Nicola Volonterio

2. Fondamenti di bioimmagini
Lezione 1
● Introduzione, glossario e classificazione dei
metodi diagnostici;
● radiologia tradizionale (RX);
● tomografia computerizzata (TAC)
Lezione 2
● Medicina Nucleare (γ-camera, PET e SPECT);
● risonanza magnetica (RMN);
● ecografia.
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3. Fondamenti di bioimmagini
Lezione 1
● Introduzione, glossario e classificazione dei
metodi diagnostici;
● radiologia tradizionale (RX);
● tomografia computerizzata (TAC)
Lezione 2
● Medicina Nucleare (γ-camera, PET e SPECT);
● risonanza magnetica (RMN);
● ecografia.
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4. Un po' di esempi.
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5. Cos'è una bioimmagine?
Mappa della distribuzione di una
grandezza associata a una
caratteristica della struttura
studiata, ottenuta tramite
l'interazione con una (o più) forme
di energia.
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6. Lo spettro elettromagnetico
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7. Quando sono utili le bioimmagini?
cura
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8. Quando sono utili le bioimmagini?
cura
● trattamento farmaceutico
● trattamento chirurgico
● radioterapia
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9. Quando sono utili le bioimmagini?
diagnosi cura
● trattamento farmaceutico
● trattamento chirurgico
● radioterapia
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10. Quando sono utili le bioimmagini?
diagnosi cura
● esami di laboratorio ● trattamento farmaceutico
● esami strumentali ● trattamento chirurgico
● ECG, PA, sPO2, ... ● radioterapia
● bioimmagini
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11. Quando sono utili le bioimmagini?
diagnosi cura
● esami di laboratorio ● trattamento farmaceutico
● esami strumentali ● trattamento chirurgico
● ECG, PA, sPO2, … ● radioterapia
● bioimmagini
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12. Qualche cifra (1)
32 TAC/giorno per A.O.
dati CERGAS Bocconi2010 e Ministero della Salute 2008
12 MR/giorno per A.O.
28.842 esami radiologici/giorno in Lombardia
più di 1 esame/anno per abitante
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13. Qualche cifra (2)
Diagnostiche installate in Italia
1.739
scanner TAC
10200
8200
1.073
scanner RM
6200 scanner CT
scanner MR
apparecchi RX 10.385
4200
diagnostiche RX
14.541
2200
dati ISTAT 2007
200
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
ecotomografi
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14. Qualche cifra (3)
dati Ministero della Salute 2011
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15. Qualche cifra (4)
dati OECD 2009
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16. Qualche cifra (5)
Ripartizione per tipologia e per valore delle apparecchiature installate
presso un'Azienda Ospedaliera da circa 1000 posti letto - 2006
Il 35% del valore dell'installato è ripartito
sul 9% delle apparecchiature a più alto
contenuto tecnologico.
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17. Qualche cifra (6)
1.500.000 €
costo medio di uno scanner per RM
dati CERGAS Bocconi 2010
pari a 5,7 Ferrari FF con allestimento base
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18. Qualche cifra (7)
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19. Storia delle bioimmagini (1)
1890
Pierre Curie scopre l'effetto
piezoelettrico.
1895
Wilhelm Conrad Roentgen
scopre i raggi X.
1900 1950 2000
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20. Storia delle bioimmagini (2)
dal 1896
i raggi X si diffondono
negli studi medici.
1917
matematica della ricostruzione delle proiezioni.
1900 1950 2000
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21. Storia delle bioimmagini (3)
1935 1940
produzione di K.T. Dussik pubblica “Der
radionuclidi artificiali Ultraschall in der Medizin”.
da parte dei coniugi
1946
Joliot-Curie.
primi studi sul
fenomeno della RMN.
1900 1950 2000
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22. Storia delle bioimmagini (4)
1950
Viene messa in commercio la
prima apparecchiatura a US.
1957
Al Anger costruisce
la prima ɣ-camera.
1900 1950 2000
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23. Storia delle bioimmagini (5)
1972 1975
Hounsfield costruisce Primo scanner
il primo scanner TAC. PET.
1977
1973 Damadian
Lauterbur pubblica la brevetta il primo
prima immagine MR. scanner MR.
1900 1950 2000
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24. Storia delle bioimmagini (6)
2001
Prima ecografia 4D.
1998
Primo scanner
multimodalità CT-PET.
1985
Primo ecografo con
ecocolordoppler realtime.
1900 1950 2000
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25. Classificazione secondo le
caratteristiche fisiche
● Risoluzione spaziale
● Risoluzione temporale
● Risoluzione in ampiezza
● Rapporto segnale-rumore
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26. Risoluzione spaziale
La distanza minima tra due punti
perchè siano riconosciuti come
distinti.
Intrinseca → dipendente dal principio fisico (es. lunghezza
d'onda).
Estrinseca → dipendente da fattori esterni (es. post-processing,
catena di acquisizione, movimenti del paziente).
RX → 1/10 mm
PET → 5-10 mm
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27. Risoluzione temporale
Numero di immagini acquisite in
un'unità di tempo.
Nella pratica coincide con il
tempo necessario per acquisire
(e processare) l'immagine.
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28. Post elaborazione
● Correzione toni di grigio;
● filtraggio;
● combinazione di immagini;
● trasformazioni geometriche;
● ricostruzione 3D;
● riscostruzione di superfici. Pianificazione di un impianto dentale a
partire da una ricostruzione 3D della
mascella.
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29. Correzione dei toni di grigio
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30. Post elaborazione
● Correzione toni di grigio;
● filtraggio;
● combinazione di immagini;
● trasformazioni geometriche;
● ricostruzione 3D;
● riscostruzione di superfici. Pianificazione di un impianto dentale a
partire da una ricostruzione 3D della
mascella.
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31. Classificazione anatomica - funzionale
Immagini anatomiche → consentono di
visualizzare forma e dimensioni di una struttura
all'interno del corpo umano.
Immagini funzionali → consentono di visualizzare
un processo biologico in atto nel corpo umano.
Spesso sono combinate con un'immagine
anatomica.
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32. Immagini anatomiche (1)
Ecografia della base dell'encefalo
RX del torace
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33. Immagini anatomiche (2)
Ricostruzione a partire da TAC dei vasi Ricostruzione DTI delle fibre nervose del
del collo tronco dell'encefalo
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34. Immagini funzionali
Sovrapposizione di TAC e PET RM funzionale
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35. Mezzo di contrasto
Sostanze che consentono di evidenziare alcune
strutture anatomiche o processi fisiologici.
Indicatori → raggiungono il bersaglio per via
meccanica
Traccianti → raggiungono il bersaglio per via
metabolica
Ogni tecnica di immagine utilizza un diverso
mezzo di contrasto.
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36. Invasività degli esami radiologici (1)
Invasività → capacità di un
esame clinico di compromettere
lo stato di salute del paziente.
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37. Invasività degli esami radiologici (2)
L'invasività degli esami radiologici è dovuta alle
radiazioni ionizzanti erogate che possono
interagire con le cellule.
Possibili effetti delle
radiazioni:
● reazioni cutanee
● lesioni al cristallino
● malformazioni fetali
● neoplasie
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38. Classificazione secondo l'invasività
Dose efficace in
Procedura
RX torace
RX torace 1
RX anca 15
RX addome 50
TAC addome 390
TAC cranio 85
angiografia cardiaca 150-500
SPECT tiroide 100
PET encefalo 250
PET total body 250-1500
Linee guida nazionali di riferimento diagnostica
per immagini
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39. Sostituibilità dei metodi di indagine
Linee guida nazionali di riferimento diagnostica per immagini
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40. Fondamenti di bioimmagini
Lezione 1
● Introduzione, glossario e classificazione dei
metodi diagnostici;
● radiologia tradizionale (RX);
● tomografia computerizzata (TAC)
Lezione 2
● Medicina Nucleare (γ-camera, PET e SPECT);
● risonanza magnetica (RMN);
● ecografia.
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41. Radiologia tradizionale
Produce immagini planari
sfruttando il diverso
assorbimento dei raggi X
da parte di tessuti diversi.
Particolarmente indicata
per la visualizzazione di
materiali densi (ossa, denti,
protesi, …)
Immagini in sequenza
creano filmati.
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42. Raggi X
Componente ionizzante dello
spettro elettromagnetico (fotoni)
capace di attraversare alcuni
materiali dopo essere stata
parzialmente assorbita o rifratta
e di impressionare materiali
fotosensibili.
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43. Generazione dei raggi X
I raggi X sono il prodotto della collisione di elettroni con un
anodo rotante.
Il fascio di elettroni è generato da un'elevata tensione
imposta ai due capi di un tubo vuoto.
Si genera uno spettro continuo di raggi X con dei picchi
caratteristici dipendenti dalle tensioni imposte e dal
materiale di cui è composto l'anodo.
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44. Interazione dei raggi X con i tessuti
Tessuti densi assorbono o
deviano la maggior parte
dei fotoni → osso e metalli
sono bianchi
Tessuti molli permettono il
passaggio della maggior
parte dei fotoni → gli organi
sono poco definiti
L'aria permette il passaggio
di tutti i fotoni → i polmoni
sono neri
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45. MdC radiologici (1)
Modificano localmente la
densità dei tessuti.
BaSO4 → non essendo
assorbito dalle mucose
digestive è utilizzato per
studi dell'apparato digerente
in combinazione con gas
che distendono l'intestino
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46. MdC radiologici (2)
MdC Iodati → utilizzati in
angiografia e urografia.
I MdC radiologici possono
essere mal tollerati e
causare effetti collaterali,
dalla nausea fino allo
shock anafilattico.
BaSO4 è tossico se entra
in contatto con il peritoneo.
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47. Detezione dei raggi X
I detettori convertono i raggi X che hanno
attraversato il paziente in un'immagine visibile:
● pellicola
● detettori digitali indiretti (CR)
● detettori digitali diretti (DR)
● intensificatori di brillanza per fluoroscopia
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48. Computed Radiology
I raggi X vengono raccolti da
una cassetta che memorizza
temporaneamente l'immagine.
Le casette vengono inserite in
uno scanner laser per la
digitalizzazione.
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49. Intensificatore di brillanza
Converte i raggi X in luce visibile.
Consente di produrre immagini dinamiche in
tempo reale (fluoroscopia) a scapito della
risoluzione.
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50. Hardware RX
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51. Radiologia Ossea
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52. Clisma Opaco
Sono utilizzati in
combinazione gas che
distendono le pareti
dell'intestino e BaSO4
che aderisce alle pareti.
Permette di evidenziare
eventuali lesioni o
occlusioni.
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53. Urografia
L'esame è eseguito in più
fasi per verificare il corretto
smaltimento da parte dei
reni attraverso l'urina del
MdC iodato iniettato per via
endovenosa.
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54. Angiografia
L'esame è eseguito in più
fasi per verificare la
circolazione di alcuni
distretti corporei (cuore,
cervello, ...).
La fisiologia del flusso
sanguigno è osservata
tramite l'iniezione di un
MdC iodato.
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55. Radiologia Interventistica
Attraverso l'imaging dinamico si
segue il posizionamento di
dispositivi medici. Un arco con un
generatore su un'estremità e un
detettore sull'altra consente di
produrre immagini su piani diversi.
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56. Ortopantomografia
Una particolare apparecchiatura consente di
ottenere la panoramica di tutta l'arcata dentale
ruotando contemporaneamente il generatore e il
detettore attorno alla testa del paziente.
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57. Mammografia
Consente di individuare
precocemente i tumori alla
mammella sfruttando la loro
densità diversa rispetto il
tessuto sano circostante.
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58. Fondamenti di bioimmagini
Lezione 1
● Introduzione, glossario e classificazione dei
metodi diagnostici;
● radiologia tradizionale (RX);
● tomografia computerizzata (TAC)
Lezione 2
● Medicina Nucleare (γ-camera, PET e SPECT);
● risonanza magnetica (RMN);
● ecografia.
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59. Tomografia Computerizzata (CT -TAC)
Le immagini sono una rappresentazione del
coefficiente di attenuazione dei raggi X sulla una
sezione di un oggetto.
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60. Raggi X
Componente ionizzante dello
spettro elettromagnetico (fotoni)
capace di attraversare alcuni
materiali dopo essere stata
parzialmente assorbita o rifratta
e di impressionare materiali
fotosensibili.
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61. Generazione dell'immagine (1)
Una serie di
proiezioni di fette
di paziente sono
ottenute ruotando
un tubo a raggi X
allineato a una
“fila” di detettori.
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62. Generazione dell'immagine (2)
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63. Generazione dell'immagine (3)
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64. Generazione dell'immagine (4)
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65. Generazione dell'immagine (5)
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66. Generazione dell'immagine (6)
sinogramma
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67. Ricostruzione dell'immagine (1)
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68. Ricostruzione dell'immagine (2)
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69. Ricostruzione dell'immagine (3)
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70. Ricostruzione dell'immagine (4)
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71. Ricostruzione dell'immagine (5)
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72. Ricostruzione dell'immagine (7)
Le proiezioni sono
“moltiplicate” per un
filtro a rampa.
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73. Ricostruzione dell'immagine (8)
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74. Ricostruzione dell'immagine (9)
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75. Fantoccio di Shepp-Logan
90
360
Crude BPR Filtered BPR
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76. Un esempio reale
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77. hardware CT
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78. Scanner 1° generazione
● un singolo detettore
allineato con il tubo
radiogeno
● il complesso tubo-
detettore trasla per
coprire tutta la sezione
e poi ruota
● tempo di acquisizione
di 5 minuti
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79. Scanner 2° generazione
● n detettori allineati con
il tubo radiogeno
● il complesso tubo-
detettore trasla per
coprire tutta la sezione
e poi ruota
● tempo di acquisizione
ridotto di un fattore n
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80. Scanner 3° generazione
● n detettori disposti ad
arco per coprire tutto il
campo visivo
● non è più necessaria la
traslazione, il complesso
tubo - detettore ruota
solamente
● tempo di acquisizione
ridotto a circa 1s
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81. Scanner 4° generazione
● detettori fissi disposti ad
anello
● ruota soltanto il tubo
radiogeno
● tempo di acquisizione
ridotto a meno di 1s
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82. Spiral CT
Il movimento del lettino è
sincronizzato con il
movimento del tubo
radiogeno.
Permette di acquisire
volumi più velocemente,
richiede l'interpolazione
di alcuni campioni che
non sono coperti dalla
scansione.
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83. Multi slice CT
Più righe di detettori
sono affiancate così
da acquisire più fette
con un singolo giro del
tubo radiogeno.
Attualmente sono
costruiti scanner con
256 slice.
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84. Tomografia a fascio elettronico - EBT
● Le sorgenti di raggi
X sono posizionate
lungo tutto l'anello a
fianco dei detettori e
sono eccitate da un
fascio di elettroni.
● I tempi di scansione
sono inferiori ai
50ms per fetta.
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85. Imaging whole body
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86. Imaging dei tessuti molli
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87. Tomografia ossea
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88. Colonscopia virtuale
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89. Tomografia vascolare
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90. Tomografia cardiaca
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91. Imaging CT 4D
La riduzione dei tempi di
acquisizione consente di
realizzare immagini in
quasi tempo reale.
Studio della perfusione del
fegato di un maiale con scanner
a 256 slice.
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92. Tomografia a fascio elettronico - EBT
● Le sorgenti di raggi
X sono posizionate
lungo tutto l'anello a
fianco dei detettori e
sono eccitate da un
fascio di elettroni.
● I tempi di scansione
sono inferiori ai
50ms per fetta.
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93. Invasività degli esami CT
Dose efficace in
Procedura
RX torace
RX torace 1
TAC addome 390
TAC cranio 85
Su 57 milioni di esami eseguiti negli stati uniti nel 2007 circa
29'000 (0,5‰) potrebbero aver causato un cancro, mortale nel
50% dei casi.*
Lo screening con CT ha ridotto del 20% la mortalità per cancro ai
polmoni tra fumatori pesanti rispetto allo screening con RX.**
* Projected Cancer Risks From Computed Tomographic Scans Performed in the United States in 2007; Berrington de Gonzalez et
al.; Arch Intern Med. 2009;169(22):2071-2077
** Reduced Lung-Cancer Mortality with Low-Dose Computed Tomographic Screening; The National Lung Screening Trial Research
Team; N Engl J Med 2011; 365:395-409
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94. VERO MHI-TM2000
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