16 Lug Nuove frontiere nella tomografia computerizzata  a raggi X per la diagnosi e trattamento del paziente

Antonio Sarno, ricercatore della sezione INFN di Milano, lavora per rendere la tomografia a raggi X con fascio conico sempre più accurata.

Alla ricerca dell’accuratezza

Come si può migliorare la qualità delle immagini ottenute per CBCT (Cone Beam Computed Tomography), estendendone l’utilizzo in campi dove non trova ancora largo impiego? Questa è la sfida che il gruppo di Antonio Sarno, presso la sezione INFN di Milano, vuole superare.

“rispetto alla tomografia tradizionale, la CBCT ha alcuni vantaggi” dice Sarno, “primo fra tutti il fatto che, usando un fascio conico, la creazione dell’immagine 3D avviene facendo percorrere alla sorgente di raggi X un solo giro attorno alla parte da analizzare, a differenza delle tomografie computerizzate (TAC)  tradizionali in cui la sorgente si muove a elica attorno al paziente. In questo modo si risparmia tempo e si riducono i costi, sia in termini economici che di dose al paziente.”

C’è però un limite alla qualità d’immagine: un fascio che si apre a cono aumenta la radiazione diffusa, causando artefatti e una riduzione del rapporto segnale rumore. La geometria di scansione poi, che limita la sorgente a ruotare in un piano fissato, permette la ricostruzione accurata solo del piano centrale dell’immagine. Queste limitazioni consentono di utilizzare la CBCT solamente come metodo di analisi anatomico – qualitativa: è possibile ricostruire in 3D la forma degli organi, ma le informazioni quantitative che si estraggono sono affette da scarsa accuratezza e precisione.

Verso una CBCT quantitativa

La natura qualitativa delle immagini CBCT ne riduce il campo di impiego. In radioterapia, per esempio, è possibile utilizzarla per allineare i piani di trattamento: prima di una sessione radioterapica si effettua una scansione sul paziente per riposizionare il fascio sul bersaglio tumorale, ma non è a oggi adoperata per rimodellare il piano di trattamento su eventuali modifiche anatomiche avvenute nel paziente. Viene utilizzata nella verifica pre-chirurgica per identificare il sito di trattamento e per la verifica a posteriori, ma non può verificare con accuratezza le caratteristiche fisiche del sito di impianto, né verificare con accuratezza la posizione di una protesi, in particolare nel caso di presenza di componenti metallici. La radiazione diffusa e la riduzione di cospicuità ai bordi possono prevenire la rivelazione e la caratterizzazione di piccoli dettagli fondamentali ai fini della diagnosi.

Il lavoro del gruppo di Sarno sta proprio nel rendere le immagini CBCT quantitative e quindi superare i paradigmi nell’uso della CBCT, ad oggi rilegati ad un uso qualitativo. L’idea innovativa, che ha generato due brevetti a oggi detenuti dall’INFN, è basata sul superamento dell’orbita di scansione circolare: ogni proiezione tomografica è divisa in diverse proiezioni più strette acquisite su una orbita di scansione sinusoidale. La riduzione dell’estensione della proiezione riduce la radiazione diffusa, e l’orbita sinusoidale compensa da una parte la riduzione del campo, dall’altra mitiga la limitazione in cospicuità dovute dall’orbita convenzionale circolare.

“Questo effetto si può ottenere muovendo fisicamente la sorgente, oppure accendendo e spegnendo elettronicamente una sorgente multi anodo, ovvero capace di produrre raggi X da più posizioni, come se inglobasse una molteplicità di sorgenti convenzionali” spiega Sarno, “ci sono vantaggi e svantaggi in ciascuna soluzione, noi le abbiamo brevettate entrambe. L’effetto finale è che si ottengono immagini di qualità migliore e con artefatti minimi, che quindi possono essere usate per misure quantitative.” Di particolare interesse è l’impiego delle sorgenti multi-anodo, che rappresentano una delle più grandi innovazioni nella produzione compatta di raggi X degli ultimi anni, e potranno essere una pietra miliare nella radiodiagnostica del prossimo futuro.

Il passaggio successivo: CBCT funzionale

“Esiste però un passaggio successivo a cui stiamo lavorando” continua Sarno, “le tomografie, sia standard che CBCT, producono immagini il cui contenuto ci fornisce informazioni morfologico-anatomiche del paziente, ma non sono in grado di fornirci informazioni riguardanti lo stato funzionale dei tessuti. Per superare questo paradigma, stiamo sviluppando mezzi di contrasto innovativi, che una volta iniettati nel paziente possano indirizzarsi a particolari tessuti, ad esempio alcuni tipi di tumori della mammella o del pancreas, e quindi poi essere ‘rintracciati’ attraverso un esame tomografico quantitativo. Ovviamente, in affiancamento allo sviluppo di tali mezzi di contrasto, c’è lo sviluppo di una serie di tecnologie hardware e software, nonché di metodologie fisiche per tale tracciamento”

Per questo è nato il progetto CIRCE, che vede la partecipazione di INFN e Università di Milano e la collaborazione con l’Istituto di scienze e tecnologie chimiche “Giulio Natta” del CNR e l’IRCCS Humanitas di Rozzano, il cui scopo è sviluppare nuovi mezzi di contrasto basati su nanoparticelle di ossido di hafnio (HfO₂) funzionalizzate che si leghino preferenzialmente alle aree dell’organo interessate da particolari patologie. In questo modo la CBCT potrebbe acquisire anche la capacità di analisi funzionale.

Applicazioni

Questa tecnologia ha anche applicazioni al di fuori dell’uso medico, per esempio per la verifica di prototipi e manufatti industriali e la scansione 3D dei bagagli negli aeroporti, o per l’ispezione dei carichi.

Il sistema tradizionale di scansione bagagli prevede di acquisire immagini radiologiche bidimensionali. La recente introduzione di sistemi CBCT permette la ricostruzione 3D dei contenuti dei bagagli per una ispezione più approfondita.

“Il mio sogno è aprire il laboratorio a terzi” conclude Sarno, “così da permettere a utilizzatori e industrie di testare le nostre tecnologie e, sperabilmente, di stabilire dei rapporti di collaborazione con INFN per sfruttarle commercialmente. Per questo scopo l’aiuto e il supporto del Servizio Trasferimento Tecnologico sono fondamentali.

Per saperne di più

Se siete interessati alla tecnologia CBCT e ai brevetti depositati da INFN, potete contattare il Servizio Trasferimento Tecnologico.

Puoi consultare le schede dei due brevetti su CBCT qui e qui