Tomografia Computerizzata, specchio di disuguaglianze socio-economiche

Negli ultimi vent’anni si sono susseguiti numerosi studi che hanno messo in relazione l’utilizzo dei TC scanners e lo Status socio-economico (SES) dei pazienti, dove per SES si intendono fattori come i risultati formativi, l’occupazione, il reddito, la salute e la deprivazione. Gli obiettivi di tali studi sono vari e i risultati si differenziano per Paese e area geografica.

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Due diversi studi statunitensi hanno ad esempio indagato la differenziazione nel trattamento diagnostico e conseguente accesso ai TC scanners. Uno dei due mostra come sia più probabile che gli uomini e le persone appartenenti alle fasce più alte di SES accedano a delle forme di diagnostica per immagini (come appunto la tomografia computerizzata), piuttosto che le donne e le persone con status socio-economico meno elevato [1]. L’altro si concentra invece sulla relazione tra i fattori demografici e socio-economici e l’incidenza di IMCOsImaging Missed Care Opportunities – cioè di pazienti che non si presentano agli appuntamenti per la diagnostica. I risultati indicano come sia la razza che lo status socio-economico abbiano un’influenza sugli IMCOs [2].

Un ulteriore studio, svolto invece in Inghilterra, ha l’obiettivo di rilevare se la frequenza di sottomissione a procedure mediche come la tomografia computerizzata sia in relazione con lo status socio-economico. Gli autori dello studio concludono che è più probabile che i giovani provenienti da aree povere si sottopongano un maggior numero di volte a dei TC scans [3].

Restando nell’ambito europeo, citiamo uno studio spagnolo che si è concentrato sulle differenze nel territorio nazionale nell’utilizzo del TC scan, per “identificare potenziali disparità nella fornitura e nell’utilizzo dei servizi di assistenza sanitaria”. I risultati mostrano come nonostante vi siano delle disparità a livello regionale – presumibilmente correlate all’organizzazione dei servizi sanitari – la differenza nel tasso di TC scans per persona tra appartenenti a gruppi SES più o meno avvantaggiati non è statisticamente rilevante [4].

Diversa è la situazione della Cina, Paese in cui sia i TC che gli MRI (Magnetic Resonance Imaging) scanners sono tendenzialmente più presenti nelle città e province con le condizioni di sviluppo socio-economico più elevate. Sembrerebbe comunque che la situazione per quanto riguarda i TC scanners stia migliorando, e che essi siano comunque più presenti degli MRI visto il loro costo minore [5].

Come possiamo trarre dalle conclusioni degli studi qui presentati, la relazione tra l’utilizzo e la presenza della Tomografia Computerizzata e lo status socio-economico varia a seconda del Paese. Ciò potrebbe essere legato non solo alle condizioni socio-economiche del Paese stesso, ma anche a quelle politiche; quindi ad esempio al diverso sistema di welfare che l’amministrazione politica introduce. E’ chiaro che in un Paese in cui le cure mediche come il TC scan sono più costose e a carico del cittadino, saranno esclusi maggiormente dal loro utilizzo i cittadini appartenenti a gruppi SES più svantaggiati. Mentre in aree geografiche dove i servizi medici anche di diagnostica per immagini sono più accessibili, si riscontrerà una minore diseguaglianza – o addirittura, nel caso dei TC scan, un maggiore utilizzo da parte delle fasce della popolazione meno avvantaggiate a causa dei tassi più elevati di lesioni (collegati ai tassi di criminalità) a cui vengono esposti.

Certamente questo si tratta di un ambito di ricerca con potenzialità tuttora inedite, i cui risultati potrebbero col tempo portare allo sviluppo di nuove strategia d’azione contro la disuguaglianza nell’accesso alle cure sanitarie.

Risorse:
– [1] Schoenfeld, D., Mohn, L., Agalliu, I. et al. Urolithiasis (2019). https://doi.org/10.1007/s00240-019-01136-y
– [2] Glover, Daye, Khalilzadeh et al. Journal of the American College of Radiology, Volume 14, Issue 11, November 2017, Pages 1403-1411. https://doi.org/10.1016/j.jacr.2017.05.015
– [3] Pearce MS, Salotti JA, McHugh K., et al. CT scans in young people in Northern England: Trends and patterns 1993-2002. Pediatr Radiol. 2011;41(7):832–838. https://doi.org/10.1186/1472-6963-12-24
– [4] Bosch de Basea M, Espinosa A, Gil M, Figuerola J, Pardina M, Vilar J, et al. (2018) CT scan exposure in Spanish children and young adults by socioeconomic status: Cross-sectional analysis of cohort data. PLoS ONE 13(5): e0196449. https://doi.org/ 10.1371/journal.pone.0196449
– [5] He L, Yu H, Shi L, et al. Equity assessment of the distribution of CT and MRI scanners in China: a panel data analysis. Int J Equity Health. 2018;17(1):157. Published 2018 Oct 5. https://doi.org/10.1186/s12939-018-0869-y
– Mackenbach, Stirbu, Roskam et al. Socioeconomic Inequalities in Health in 22 European Countries. June 5, 2008. N Engl J Med 2008; 358:2468-2481 https://doi.org/10.1056/NEJMsa0707519
– Demeter S, Reed M, Lix L, MacWilliam L, Leslie WD. Socioeconomic status and the utilization of diagnostic imaging in an urban setting. CMAJ. 2005;173(10):1173–1177. https://doi.org/10.1503/cmaj.050609

Evoluzione della Tomografia Computerizzata: dal 1967 al 2019 e oltre

Le grandi innovazioni non restano mai statiche nel tempo. Era inevitabile dunque che anche la Tomografia Computerizzata si evolvesse dal prototipo presentato da Hounsfield nel 1967, soprattutto grazie all’incredibile sviluppo tecnologico e digitale che ha caratterizzato la seconda metà del XX secolo [1].

Il primo TC scanner fu inventato da Godfrey Hounsfield nel 1967 e nel 1973 i primi scanners furono installati negli Stati Uniti. Sempre negli anni ’70 un grande passo avanti viene compiuto da Robert S. Ledley, che inventa l’ACTA – Automatic Computerized Transverse Axial – il primo TC scanner per l’intero corpo [2]. E’ il suo design che diventerà la base per i moderni TC scanners. Dagli anni ’90 in poi si sono susseguite ben quattro generazioni di scanner, ognuna con particolari caratteristiche e proprietà [3].

La prima generazione, a cui apparteneva l’originale scanner di Hounsfield, sfruttava due rivelatori che acquisivano tramite raggi X due immagini in contemporanea. I rivelatori venivano poi spostati e ruotati di circa 1° per volta, per poter acquisire la proiezione successiva. Tale metodo richiedeva delle tempistiche elevate per l’acquisizione dell’immagine finale (fino a 30 minuti) e produceva delle figure di bassa qualità, anche se comunque in grado di rappresentare l’anatomia del paziente molto meglio dei metodi preesistenti.

La seconda generazione sfrutta invece ben 30 rivelatori, coprendo un angolo di circa 10° e permettendo di ridurre notevolmente le tempistiche di acquisizione dell’immagine. Come gli scanners di prima generazione, era in grado di riprodurre solo una “fetta” del corpo esaminato per volta – single slice.

Nella terza generazione si assiste ad un’ulteriore evoluzione: a ruotare per acquisire le immagini non sono solo i rilevatori ma è anche il tubo dei raggi X. La proiezione viene ora costruita tramite le immagini acquisite da 700-900 rilevatori, che ruotano a spirale intorno al corpo – non più quindi, tramite l’accumulazione di misurazioni sequenziali.
Questa generazione è la più utilizzata tuttora e nel 2012 una rotazione a 360° del sistema richiedeva solamente 0,27 secondi.

Il meccanismo della quarta generazione, infine, permette solamente al tubo dei raggi X di ruotare, mentre i rivelatori sono statici. Ciò permette di effettuare delle rotazioni estremamente veloci, aumentando tuttavia i costi del sistema e facendo insorgere altre problematiche (come l’impossibilità di utilizzare dei collimatori per eliminare le radiazioni sparse e quindi ottenere un’immagine di qualità).
Per questi motivi i progetti di scanner di quarta generazione sono attualmente abbandonati.

Una pietra miliare dell’evoluzione della TC è sicuramente lo sviluppo, intorno al 2007, di una nuova generazione di scanner in grado di “fotografare” il cuore o le arterie coronarie durante il battito, in meno di un secondo. Ciò è stato possibile grazie all’introduzione dei cosiddetti area detectors, rivelatori di grandezza maggiore in grado di coprire interi organi (come per l’appunto il cuore).

Negli ultimi anni la ricerca sembra perseguire principalmente due obiettivi: la riduzione delle radiazioni emesse, e lo sviluppo di scanners di dimensioni ulteriormente ridotte tramite l’applicazione delle nanotecnologie [4, 5]. In particolare la Nano-TC permette di avanzare nello studio dei tessuti ossei e muscolari e espande notevolmente le prospettive di ricerca – ad esempio in campo odontoiatrico o neuro-patologico (citiamo a tal riguardo la recente ricerca di un gruppo di scienziati giapponesi sullo studio post-mortem di pazienti affetti da schizofrenia) [6].

Risorse:

Impatto della Tomografia Computerizzata sul welfare americano

L’innovazione tecnologica, a partire da un progetto iniziale, è tipicamente misurata attraverso l’osservazione di due fenomeni: la quantità di unità che vengono prodotte dall’ideatore o da terzi e i cambiamenti a cui essa va incontro nel suo percorso, che determinano la nascita di nuovi modelli più efficienti e performanti. Come visto in un altro nostro articolo, nel corso degli ultimi 50 anni si sono susseguite cinque generazioni di macchinari per la tomografia computerizzata, prodotte da numerosi brand, quali Hitachi Medical Corporation, Siemens Healthcare, Philips Healthcare o Shimadzu Corporation [1].

Già nella seconda metà degli anni ’70 il mercato era ampiamente diversificato e il numero sovrabbondante di macchinari in commercio richiese l’intervento del governo statunitense, che avviò una serie di controlli rigidi e terminò la produzione di numerose aziende; negli anni successivi il mercato si stabilizzò ed emersero nuovi nomi: General Electric divenne il leader del settore. Inizialmente si producevano solamente scanner per la testa ma dall’introduzione degli scanner per il corpo intero nel 1975 la vendita dei primi si è ridotta drasticamente ed è oggi quasi inesistente.

I parametri principali presi in analisi di uno scanner per la TC sono il tempo di scansione, la qualità dell’immagine e il suo tempo di ricostruzione. Il tempo di scansione, misurato in secondi, è cruciale a causa dei movimenti involontari degli organi interni: essi determinavano infatti distorsioni delle immagini nei primi apparecchi, che avevano tempi di scansione molto lenti. Per qualità dell’immagine si parla di risoluzione spaziale, rappresentato dalla quantità di dettagli che si è in grado di cogliere (grandezza massima del corpo più piccolo catturabile in condizioni ottimali). Il tempo di ricostruzione è l’intervallo di tempo che intercorre tra il termine della scansione e la sua visione e si misura in secondi.

Nella seguente tabella è illustrata la quantità di unità vendute, la loro velocità di scansione, il loro prezzo, il numero di aziende nel mercato e la spesa in R & D (ricerca e sviluppo) delle aziende, espressa in milioni di dollari.

Poiché l’esito delle scansioni non è certo al 100%, è difficile stimare il grado di utilità marginale o il guadagno netto da un punto di vista economico; ciò che è certo è l’aumento graduale della disponibilità di queste tecnologie e, di conseguenza, la possibilità di farvi ricorso in territori sempre più estesi in un lasso di tempo considerevolmente breve senza il bisogno di spostarsi da uno stato all’altro. Il cambiamento nel mercato a partire dal 1975 è stato accompagnato da un aumento degli investimenti nel campo, chiaro segno di fiducia e soddisfazione nei risultati conseguiti.

Qui sotto un confronto tra le innovazioni nei primi 10 anni della sua diffusione e i guadagni incrementali che ha generato. Le linee tratteggiate rappresentano la tendenza media in intervalli di 3 anni mentre la linea continua segue il suo percorso di anno in anno.

L’aumento della produzione nei primi anni è dovuto principalmente alla rivalità e competizione tra le varie aziende; se non ci fosse stato un interesse nella società e conseguenze positive in ambito medico, in seguito al calo dell’interesse generale verso l’ultima novità sarebbe seguito un calo nella produzione generale. Se il progresso tecnologico cessasse, anche la sua diffusione diminuirebbe in quanto i macchinari di cui già si dispone non sarebbero più considerati obsoleti.

Risorse:
– [1] https://www.hospitalmanagement.net/features/featuremedical-imaging-technology-diagnostic-device-manufacturers/
– Trajtenberg, Manuel. “The Welfare Analysis of Product Innovations, with an Application to Computed Tomography Scanners.” Journal of Political Economy, vol. 97, no. 2, 1989, pp. 444–479. JSTOR, www.jstor.org/stable/1831321

La TC e il pubblico

La storia della TC è stata accompagnata dalla nascita di numerose associazioni orientate attorno ad essa. L’obiettivo generale è il miglioramento delle condizioni di salute nei vari paesi in cui sono situate, sensibilizzare la popolazione in merito all’utilizzo e facilitare l’accesso a questi strumenti. Spesso sono inoltre affiancate da laboratori che operano nella ricerca scientifica verso l’innovazione delle tecniche di scansione e rilevazione in ambito medico.
Alcuni esempi sono:

– la SCCT, Society of Cardiovascular Computed Tomography, fondata nel 2005 e attualmente situata ad Arlington, Virginia;

– la SABI, Society for Advanced Body Imaging (precedentemente SCBT-MR, Society of Computed Body Tomography  & Magnetic Resonance), fondata nel 1978 e oggi situata a Reston, Virginia;

– il ISCT, International Society for Computed Tomography, la cui sede è a Palo Alto, California e a cui è annesso un programma di studi accademico focalizzato.

Esistono inoltre libri e riviste che si occupano di questo argomento, come il Journal of Cardiovascular Computed Tomography [1] o il Journal of Computer Assisted Tomography [2].

Per quanto riguarda la cultura popolare, la TC non è il soggetto di produzioni audiovisive specifiche al di fuori dall’ambiente medico accademico e informativo; gli unici esempi in Europa che possiamo ritrovare sono Vergiss mein Ich (in tedesco “Dimentica il mio ego”), film diretto nel 2014 da Jan Schomburg [3] e De smaak van De Keyser (in olandese “Il gusto di De Keyser”), serie televisiva belga ideata da Marc Didden [4]; in entrambi i casi essa viene tuttavia solamente menzionata, non rappresenta un punto nodale per il procedere della narrazione.
Negli Stati Uniti è spesso citata, soprattutto in programmi ambientati negli ospedali, quali Scrubs, Grey’s Anatomy e Dr. House. È interessante osservare il cambiamento nell’approccio a tale tecnica in quest’ultima serie: nell’episodio “Role Model” – della prima stagione – essa viene definita inutile dal protagonista in quanto produce risultati ambigui e facilmente travisabili. Nella quinta stagione, quattro anni dopo, essa viene consigliata in due episodi differenti (“The Social Contract” e “The Black Hole”) per eseguire scansioni di organi interni. Chiunque fosse interessato ad informarsi sulla Tomografia Computerizzata può trovare ogni sorta di video sull’argomento, come animazioni grafiche tridimensionali sul suo funzionamento, schemi semplificativi e dimostrazioni pratiche della procedura. Vi proponiamo due esempi nei link sottostanti


Risorse:
– [1] https://www.journalofcardiovascularct.com/
– [2] https://journals.lww.com/jcat/pages/default.aspx
– [3] https://www.imdb.com/title/tt2518294/
– [4] https://www.imdb.com/title/tt1010360/
https://en.wikipedia.org/wiki/Full-body_CT_scan

Non solo medicina: usi alternativi della TC

Non tutti sanno che l’innovazione apportata dalla tecnica della tomografia computerizzata non si è limitata all’ambito medico. Usi alternativi vengono identificati anche nelle scienze biologiche e paleontologiche, in antropologia, archeologia, geologia e ingegneria.

In ambito paleontologico la TC permette di realizzare delle ricostruzioni 3D a partire da fossili anche solo parzialmente visibili e manipolabili, come nel caso di un esemplare di Iridotriton hechti (primo scheletro di salamandra articolato) studiato da Evans et al. nel 2005 [1]: tramite la TC i ricercatori furono in grado di studiare e descrivere la parte dello scheletro nascosta dalla materia ambientale. Tale studio permise dunque di trarre delle conclusioni di natura biologica rispetto all’evoluzione delle salamandre. Un altro esempio è costituito dall’utilizzo della TC per scansionare la scatola cranica del primo esemplare di uccello con abilità di volare conosciuto – l’Archaeopteryx – riuscendo a stabilire quanto il suo sistema sensoriale fosse sviluppato – cosa che permise di confermare il fatto che l’esemplare aveva acquisito le capacità neurologiche e strutturali utili al volo.

Dal punto di vista antropologico l’utilizzo della Tomografia Computerizzata garantisce l’ottenimento di rappresentazioni 3D di resti ossei di elevato dettaglio, la cui accuratezza permette di avanzare nello studio dello sviluppo di specie animali e umane, nonché di effettuare esami al fine di garantire l’autenticità dei reperti.

Uno dei maggiori usi alternativi della TC è rappresentato dalla sua implementazione in ambito geologico. Ciò è dovuto alla possibilità offerta dalla TC di raffigurare i dati, le osservazioni e le misurazioni raccolte in immagini tridimensionali – attributo che si rivela particolarmente utile nello studio della petrologia. La caratteristica più interessante ed usufruibile è comunque la proprietà di poter visualizzare gli spazi vuoti della struttura di un materiale: ciò costituisce una nuova frontiera per l’analisi della conformazione e della composizione di rocce e coralli (lo studio di questi ultimi fornisce contributi consistenti agli studi ambientali) [2].
Allo stesso modo questa qualità si può applicare all‘ingegneria, e più nello specifico all’ingegneria edile, per avere immagini 3D di blocchi di asfalto o di altri materiali e poterne quindi monitorare l‘integrità nel tempo – ciò consentirebbe dunque di poter prevenire eventuali crolli.

Uno degli usi più interessanti della tecnologia della TC è la sua applicazione in ambito forense, e di conseguenza anche archeologico per quanto riguarda l’analisi di resti umani come le mummie, volta all’identificazione degli individui – ad esempio vittime di calamità. La TC permette infatti di raccogliere postmortem tutti quei dati che, se comparati con i dati antemortem, possono condurre più velocemente ad un’identificazione certa [3]. Inoltre, non bisogna dimenticare i vantaggi del poter ricostruire le immagini anche molto tempo dopo l’evento calamitoso e di poter poi condividere e trasmettere i dati raccolti in forma digitale (entrambi aspetti che facilitano il lavoro degli addetti).

In ambito archeologico uno dei più recenti usi innovativi della TC è portato avanti nella ricerca Reading the Invisible Library: Rescuing the Hidden Texts of Herculaneum di Brent Seales [4]. Seales è un informatico che ha creato un software con cui, utilizzando i dati strutturali e densitometrici raccolti tramite uno scanner TC, è in grado di leggere i cosiddetti “manoscritti invisibili”: cioè tutti quei manoscritti antichi purtroppo illeggibili fino ad ora perché danneggiati irreparabilmente [5].

Infine, alcuni dei recenti utilizzi della TC in biologia possono sembrare altamente improbabili: tra questi l’uso di un micro-TC scanner per osservare da vicino la struttura della lingua felina [6]. Ad interessare gli autori dello studio è in particolare la capacità delle papillae – piccole spine presenti sulla lingua dei gatti – di trasportare grandi quantità di fluidi come la saliva. Da queste ricerche è nato ad esempio un prototipo di spazzola chiamato TIGR – Tongue-Inspired GRooming – efficace e facile da pulire.

Risorse:
– [1] Evans and coauthors, Zoological Journal of the Linnean Society 143:599-616, 2005
– [2] Alonso and coauthors, Nature 430:666-669, 2004
http://www.ctlab.geo.utexas.edu/
– [3] Sidler, Jackowski, Dirnhofer, Vock & Thali, Use of multislice computed tomography in disaster victim identification – Advantafes and limitations; Forensic Science International, Volume 169, Issues 2-3, 4 July 2007, Pages 118-128
– [4] https://www.research.uky.edu/news/brent-seales-awarded-neh-grant-rescue-hidden-texts-herculaneum
– [5] https://www.engr.uky.edu/research-faculty/research/2019/reading-invisible-library-w-brent-seales
– [6] Noel & Hu, Cats use hollow papillae to wick saliva into fur, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS, 2018

Diffusione della TC nella società

Dalla sua introduzione nel 1974, la presenza di macchinari adibiti alla TC in tutto il mondo è aumentata esponenzialmente; ad esse si può accedere in 3 diverse modalità, in base alla necessità:

  • Alcuni macchinari sono sedentari, sono assegnati a specifici ospedali e vi si può accedere richiedendolo all’ente stesso;
  • Altri sono mobili, spesso acquisiti da società di servizi sanitari. Il servizio viene offerto ad un prezzo variabile in base alla nazione e ad altri fattori e si spostano in determinate macroaree, permettendo di raggiungere territori più isolati e privi di adeguate strutture assistenziali;
  • Infine, altri sono posseduti da privati o destinati a ricerche, studi accademici e non aperti al pubblico se non eccezionalmente.

Nel seguente grafico è riportata la frequenza di utilizzo della tomografia computerizzata per eseguire scansioni nello stato americano della California tra il 1974 e il 1981 [1]:

Fonte: US Food and Drug Administration

Nel 1977, 200 milioni di dollari erano stati spesi dai cittadini americani per effettuare scansioni usando la TC [2]. Nonostante il costo elevato, la spesa media per trattare determinate patologie in cui questa innovazione veniva applicata rimase pressoché invariata in quanto l’anticipazione della diagnosi permetteva di intervenire prima sul problema e intraprendere un percorso maggiormente consapevole. In particolare, si dimostrò fondamentale nella rilevazione di tumori intracranici, con un’affidabilità del 96% rispetto all’84% dei radionuclidi (i quali erano molto più nocivi a causa dell’elevata radioattività).

La quantità di angiografie – l’osservazione di vasi sanguigni o linfatici – eseguite è diminuito a seguito dell’introduzione della TC. In uno studio condotto precedentemente vi si faceva ricorso nel 36% delle malattie circolatorie, mentre in altri due studi successivi solamente nel 20% e 16% dei casi [3].
Per lo studio delle emorragie gli angiogrammi sono superflui e non eseguendoli si abbassa considerevolmente il costo delle terapie e l’impatto sulla sanità pubblica.

Ciò nonostante, l’utilizzo della TC non sempre si dimostra essere efficiente: in casi di emicranie e mal di testa cronici vi si fa ricorso per ricercare la presenza di tumori encefalici. L’uso improprio che se ne fa non permette di risparmiare ma al contrario genera consumi superflui: mentre i mal di testa sono infatti frequenti, i tumori a cui spesso sono erroneamente attribuiti si manifestano sporadicamente. White stima nel 1976 che ogni anno almeno 16 milioni di visite dal medico negli Stati Uniti  sono causate da tali sintomatologie, mentre solo 6300 pazienti sono ricoverati per tumori cerebrali [4].

Ricerche di tomografia computerizzata su google nel 2019

Risorse:
– [1] Peddecord, K. (1984). Utilization of Hospital-Based Computed Tomography Scanning in California. Medical Care,22(9), 863-870. Retrieved from www.jstor.org/stable/3764612
– [2] Larson, E., & Omenn, G. (1977). The Impact of Computed Tomography on the Care of Patients with Suspected Brain Tumor. Medical Care,15(7), 543-551. Retrieved from www.jstor.org/stable/3763623
– [3] Larson, E., Margolis, M., Loop, J. Impact of computed tomography on utilization of cerebral angiograms. 1977/08/01. 1, 3, 129. AJR. American Journal of Roentgenology. 10.2214/ajr.129.1.1
– [4] Sullivan LW. Testimony before the Subcommittee on Health, Committee on Labor and Public Welfare United States Senate. J Natl Med Assoc. 1976;68(3):250–245.

Hounsfield: l’uomo dietro la macchina

Nel 1979 il Karolinska Istitutet di Stoccolma prende la decisione di assegnare il Premio Nobel per la fisiologia o medicina al fisico Allan M. Cormack e all’ingegnere Godfrey N. Hounsfield. Nel comunicato stampa si indica come motivazione il loro contributo allo sviluppo della TC – tomografia computerizzata – descritta come un metodo radiologico rivoluzionario.

“This year’s Nobel Prize in physiology or medicine has been awarded to Allan M Cormack and Godfrey N Hounsfield for their contributions toward the development of computer-assisted tomography, a revolutionary radiological method, particularly for the investigation of diseases of the nervous system.”

The Nobel Foundation, 1979

Se a Cormack viene riconosciuto il contributo teoretico – egli pubblica nel 1963 e ’64 due studi, in cui analizza il problema matematico alla base della realizzazione della radiografia di una sezione trasversale del corpo umano – è Hounsfield ad essere considerato il vero e proprio padre di questa innovazione. E’ a lui infatti che si deve la realizzazione del primo TC scanner – che costruisce senza essere a conoscenza delle teorie di Cormack – e la sua introduzione nell’ambito della medicina.

Godfrey Newbold Hounsfield nasce a Newark (Inghilterra) il 28 agosto 1919, cresce nella piccola fattoria di famiglia e proprio lì comincia a sfruttare le opportunità della vita nella campagna industrializzata per sperimentare. Fin da piccolo è affascinato dai macchinari agricoli e nei suoi anni da teenager esordisce con la costruzione delle sue prime macchine. In particolare lo affascina il principio del volo, forse per questo allo scoccare della Seconda Guerra Mondiale si arruola come riserva nella Royal Air Force (RAF). Sfruttando le risorse del Royal College of Science – al tempo occupato dai RAF – segue corsi di radio-meccanica e si interessa di comunicazioni radio. Nel dopoguerra, grazie ai meriti ottenuti nei RAF, frequenta il Faraday House Electrical Engineering College di Londra e riceve finalmente il suo diploma.

Nel 1951 viene assunto ai Laboratori di Ricerca Centrale della Thorn EMI Ltd., ma è solo sedici anni dopo – nel 1967, studiando il potenziale della pattern recognition – che l’idea alla base della TC prende forma. Con il suo team lavora per inventare uno scanner a raggi X che potesse ruotare intorno al paziente. Nel corso della rotazione il macchinario avrebbe dovuto produrre delle immagini di sezioni della testa del paziente, che tramite un computer sarebbero poi state trasformate in immagini tridimensionali. Il primo TC scanner viene finalmente utilizzato nel 1971, a Wimbledon (Inghilterra), ma la costruzione dei primi prototipi lo terrà impegnato fino al 1976.

I primi TC scans furono installati negli Stati Uniti nel 1973 e nel 1980 si registrarono circa 3 milioni di esami fatti utilizzando gli scanners e nel 2005 si arrivò a più di 68 milioni. Godfrey Hounsfield muore il 12 agosto del 2004, senza mai sapere quindi che nel 2005 si arrivò a più di 68 milioni di esami e che oggi la sua invenzione è presente negli ospedali di tutto il mondo.

Risorse:
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1979
https://www.invent.org/inductees/godfrey-newbold-hounsfield
ASRT’s “Computed Tomography in the 21st Century: Changing Practice for Medical Imaging and Radiation Therapy Professionals”

I raggi X

La TC utilizza i raggi X per effettuare le sue scansioni. Essi costituiscono una tipologia di onde elettromagnetiche con λ (lunghezza d’onda) compresa tra 0,01 e 10 nm, e dunque un’energia al di sopra dei raggi ultravioletti.
La loro scoperta risale al 1895 ed è attribuita a Wilhelm Röntgen, un fisico tedesco che ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1901. La prima applicazione in ambito medico fu la radiografia, realizzata attraverso l’emissione di raggi X provenienti da un generatore sopra uno schermo fluorescente, definito rilevatore.

Con il termine raggi X si fa riferimento a diverse tipologie di onde: la principale distinzione è tra raggi X duri (se la loro energia fotonica supera i 5 KeV) e molli. L’energia fotonica è l’energia contenuta in un singolo fotone; l’unità di misura è l’elettronvolt ed è calcolabile con la seguente formula:

Dove h è la costante di Planck (6.626×10^-34 J), c la velocità della luce nel vuoto (2,998×10^8 m/s) e λ la lunghezza d’onda. I fotoni possono attraversare la materia solida senza variazioni di moto e, per questo motivo, vengono utilizzati per la radiodiagnostica.

Il generatore, definito anche tubo a raggi X o tubo radiogeno, genera un flusso di corrente tra un catodo e un anodo. Il catodo è costituito da un filamento riscaldatore, generalmente in rame, collegato ad un circuito ad alta tensione. L’anodo è invece un disco di metallo pesante (leghe di molibdeno) e può essere statico o mobile, per accelerare la dispersione del calore. Oltre al generatore classico è possibile trovare un altro modello, composto da nanotubi di carbonio. Esso produce una quantità di calore nettamente inferiore, richiede molto meno tempo e grazie all’avanzamento delle nanotecnologie può raggiungere le dimensioni di un accendino tascabile.

Sul rilevatore, solitamente digitale (precedentemente di tipo fotografico), le zone che corrispondono a tessuti densi come le ossa, appaiono come delle ombre, perché i fotoni sono stati assorbiti maggiormente che nelle zone meno dense. Per migliorare la qualità delle immagini nello studio di vasi sanguigno o organi cavi si utilizzano elementi di contrasto. Alcuni di essi, come il Torio, si rivelarono tossici e sono stati sostituiti oggi da Solfato di Bario (BaSO4) o composti a base di Iodio, quali l’acido diatrizoico (C11H9I3N2O4).

Struttura molecolare dell'acido diatrizoico.
Acido Diatrizoico

A seconda del tipo di scansioni, la quantità di radiazioni a cui si è sottoposti è variabile. L’unità di misura standard è basata sul rapporto tra la massa (in chilogrammi) e l’energia depositata (in Joule). La dose effettiva si esprime in mGy (milliGray) mentre la dose assorbita in mSv (milliSievert). Un’osteodensitometria, o DEXA, volta a calcolare la densità minerale ossea comporta un’esposizione media a 0,001 mSv in un adulto.
Una TC sulla regione addominale e pelvica, con o senza contrasto, comporta un’esposizione a 20 mSv.
Le conseguenze dell’esposizione intensa alle radiazioni sono molteplici, quali comparsa di malattie cardiache, oncologiche o danni nel breve termine (ustioni chimiche, ipertiroidismo, squilibrio ormonale).
In particolare, uno studio condotto nel 2009 [1] ha dimostrato che il 40% dei pazienti sottoposti a TC nella regione encefalica aveva riportato perdita dei capelli più o meno intensa [2].

tabella di radiazione medica tradotta in italiano

Ciononostante, i benefici continuano ad essere superiori agli svantaggi e la TC rappresenta uno strumento valido e privo di alternative meno invasive.


Risorse:
– [1]  Wintermark, M.H. LevAmerican. FDA Investigates the Safety of Brain Perfusion CTM. Journal of Neuroradiology Jan 2010, 31 (1) 2-3; https://doi.org/10.3174/ajnr.A1967
– [2] Furlow, BA. Radiaton dose in computed tomography. Radiol Technol. 2010 May-Jun;81(5):437-50.

Come funziona la TC?

La TC, Tomografia Computerizzata, è una tecnica di diagnostica per immagini: in seguito ad una scansione viene prodotta un’immagine di sezione, appunto la tomografia, nella quale i vari tessuti che costituiscono il nostro organismo vengono rappresentati diversamente in base alla loro densità.

Nelle macchine fotografiche antiche l’immagine era prodotta impressionando su una pellicola quanto veniva catturato da una camera oscura in cui la luce entrava da un obiettivo; nella TC, così come in tutte le moderne macchine fotografiche, l’immagine non è fisica bensì digitale, costituita da una lunga sequenza di bit convertita poi da programmi appositi. Questa tecnologia non è utilizzata unicamente per la diagnosi, ma è stata implementata anche in ambito industriale (ad esempio per l’esame di accoppiamenti meccanici o per lo studio della deformazione plastica dei corpi), geologico (per l’indagine microscopica di rocce e minerali, utile al loro studio e classificazione in base alla struttura molecolare) e archeologico (per verificare il contenuto di mummie e sarcofaghi senza rimuoverne il coperchio, che ne comprometterebbe la conservazione).

Macchinario per la tomografia computerizzata

Inizialmente tale procedura veniva definita TAC, Tomografia Assiale Computerizzata, in quanto la scansione avveniva solamente sul piano assiale, o trasversale, perpendicolare all’asse del paziente: oggi invece, il modello tridimensionale viene ricostruito confrontando proiezioni dello stesso oggetto da molte direzioni diverse. Tali proiezioni vengono realizzate attraverso l’irradiamento di raggi X, i quali grazie alla loro lunghezza d’onda molto piccola riescono ad attraversare i tessuti organici. In pratica, l’emettitore ruota attorno al paziente e il rivelatore ne cattura una serie di sezioni da diverse prospettive; contemporaneamente, il lettino su cui giace il paziente attraversa il tunnel di scansione. Per comodità spesso il medico stampa il risultato su pellicole fotografiche, in modo da poter consultare facilmente le analisi senza fare ricorso ad apparecchi informatici.

Scansione di un apparecchio di seconda generazione
La scansione

Uno dei vantaggi più evidenti della tomografia computerizzata è la capacità di penetrare la materia organica, permettendo di osservare ogni tipo di incongruenza in quanto ha una sensibilità tale da distinguere differenze dell’1% nella densità dei tessuti. Rispetto alla radiografia, essa non necessita l’inserimento di un catetere ed è più efficace nella scoperta di tumori negli stadi iniziali.

Tra gli svantaggi, troviamo il danneggiamento delle molecole di DNA dovuto all’esposizione ai raggi X, che potrebbe indurre il cancro sebbene non sia stata ancora dimostrata una consequenzialità diretta, poiché ciò si è verificato solamente nell’1% dei casi. Roxanne Nelson stima in un suo articolo [1] che solamente le scansioni avvenute nel 2007 saranno responsabili di 29 000 futuri casi di cancro. Un’ulteriore perplessità è dovuta agli agenti radio-contrastanti, somministrati ai pazienti prima della procedura, che spesso inducono nausea, vomito ed eruzioni cutanee. In casi estremi e molto rari, compare nefropatia di contrasto che può causare danni considerevoli ai reni (favorita da insufficienza renale preesistente).

Nonostante le perplessità, a partire dalla sua introduzione in ambito medico negli anni 70, si sono susseguite ben cinque generazioni di macchinari, contraddistinti da precisione e efficienza crescente. Nel 2008 l’azienda multinazionale Siemens ha lanciato una tipologia di scanner innovativa [2], in grado di catturare immagini in meno di un secondo. Essendo tali intervalli confrontabili alla durata del battito cardiaco ciò permette di catturare addirittura immagini delle arterie coronarie o del cuore stesso in fase di sistole o diastole.

Risorse:
– [1] Berrington de González A, Mahesh M, Kim KP, et al. Projected cancer risks from computed tomographic scans performed in the United States in 2007. Arch Intern Med. 2009;169(22):2071–2077. https://doi.org/10.1001/archinternmed.2009.440
– [2] http://www.stampa.siemens.biz/press/comunicati-stampa/la-tecnologia-dual-source-si-fa-largo-nella-tomografia.html
https://www.gvmnet.it/specialita/tac.aspx