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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:

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

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

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