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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

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