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La Diagnostica per Immagini: Un'Introduzione

La diagnostica per immagini, o imaging, è un termine moderno che indica tutte le modalità di formazione delle immagini biomediche utilizzate a scopo diagnostico e, in alcuni casi, terapeutico. Le varie tecniche di imaging utilizzano l'energia fornita da una sorgente e misurano l'interazione tra questa energia e l'organo bersaglio. Quando l'energia prodotta dalla sorgente incontra l'organo bersaglio, una parte viene riflessa, una parte viene rifratta e una parte viene assorbita. Lo studio quantitativo di questi fenomeni fisici permette la formazione dell'immagine su un idoneo supporto, dopo opportune rivelazioni e trasduzioni.

Ogni tecnica di diagnosi è fondata sui principi generali appena enunciati. Tuttavia, l'andamento qualitativo e quantitativo dei fenomeni fisici che intervengono nelle singole tecniche è fortemente caratterizzato, oltre che dal tipo di energia impiegata, dalla tipologia del tessuto che si sta analizzando. Conseguentemente, l'immagine prodotta dallo strumento presenta caratteristiche e valori dei parametri che fanno riscontro sia alle peculiarità della tecnica diagnostica sia alla realtà anatomica e fisiologica oggetto della diagnosi.

Le tecniche di imaging sono fortemente caratterizzabili sulla base della risoluzione dei dettagli e del contrasto con il quale rivelano differenti tipologie di tessuti. La risoluzione è il parametro che precisa la capacità del sistema di rilevare il più fine dettaglio possibile ai fini per i quali esso è stato costruito. Il termine contrasto indica l'escursione dei valori di una qualche grandezza legata all'intensità dell'immagine, rapportata al valor medio.

Evoluzione Delle Tecniche di Imaging

Radiologia: Gli Inizi

La prima tecnica di diagnostica per immagini a essere scoperta e utilizzata è stata la radiologia, legata alla scoperta dei raggi X da parte di W.C. Röntgen nel 1895. L'evidenza radiologica delle strutture del corpo umano e di eventuali loro condizioni patologiche si basa sull'esistenza di differenze di contrasto tra tessuti diversi. Molto spesso, il contrasto 'naturale' degli organi del corpo umano e delle loro possibili lesioni non è sufficiente per consentirne l'evidenziazione. Per tale motivo, fin dall'inizio della radiologia, è stata sviluppata una serie di mezzi di contrasto artificiali che permettono di incrementare la visibilità radiologica naturale dei vari organi.

Nei più di cento anni trascorsi dalla nascita della radiologia, i progressi tecnologici e metodologici sono stati notevolissimi. Ricordiamo, tra i primi, i miglioramenti apportati alle pellicole radiografiche e agli schermi di rinforzo, che consentono oggi di produrre immagini radiologiche di eccezionale dettaglio con dosi di radiazioni notevolmente ridotte, e il grande progresso delle apparecchiature che sono alla base della radioscopia televisiva e della radiocinematografia, cioè gli intensificatori di immagine. Uno dei progressi tecnologici maggiori si è avuto, inoltre, con l'applicazione dell'informatica alla radiologia, grazie alla quale è possibile sia ottenere immagini radiologiche su una superficie sensibile che riproduce l'immagine stessa su uno schermo televisivo, anziché su una pellicola convenzionale, sia disporre di sistemi di trattamento automatico di pellicole e immagini.

Sempre a proposito di evoluzione della radiologia, un cenno particolare merita la stratigrafia o tomografia, che, nata negli anni Trenta, costituisce ancora oggi un indispensabile ausilio diagnostico. Contrariamente alla radiografia, la tomografia consente di rappresentare solo uno strato preselezionato del volume corporeo in esame. Va ricordato che tutte le successive tecniche di imaging, quali, per es., l'ecografia o ecotomografia, la tomografia computerizzata e la risonanza magnetica, sono tecniche stratigrafiche il cui sviluppo si è giovato delle cognizioni acquisite con la stratigrafia convenzionale.

Ecografia: Oltre la Radiologia

A partire dagli anni Settanta, si è assistito a uno straordinario progresso della diagnostica per immagini, dapprima con l'avvento della ecografia e della tomografia computerizzata, poi con quello della risonanza magnetica. L'ecografia sfrutta il principio della riflessione delle onde ultrasonore. Il progresso tecnologico ha poi messo a disposizione apparecchi sempre più perfezionati, capaci di fornire immagini ricche di dettaglio. Alla informazione ecografica è stata associata quella velocimetrica e flussimetrica vascolare (eco-color-doppler), così da ottenere informazioni di determinante interesse diagnostico di tipo non solo morfologico, ma anche funzionale, riguardante il flusso vascolare e la perfusione di organi o lesioni.

Tomografia Computerizzata (TC)

La tomografia computerizzata (TC), si fonda sulla ricostruzione, operata dal calcolatore, delle densità degli strati del corpo umano che viene attraversato da un fascio collimato di raggi X. Nel suo percorso, l'energia di tale fascio diminuisce in proporzione alla densità dei diversi tessuti, e l'attenuazione viene misurata da rivelatori situati dal lato opposto del tubo radiogeno, rispetto al paziente; il calcolatore, poi, converte i valori di attenuazione in una scala di grigi che fornisce l'immagine visibile.

La tomografia computerizzata è stato il primo esame non invasivo con cui si sono potute eseguire indagini all'interno della scatola cranica; per la sua elevatissima risoluzione e il notevole contrasto costituisce oggi l'indagine principe in numerose condizioni patologiche, non soltanto del cranio e del torace, ma anche dell'addome e degli arti.

Risonanza Magnetica (RM)

Ultima nata delle tecniche di diagnostica per immagini è la risonanza magnetica (RM). L'indagine si fonda su un fenomeno fisico complesso, chiamato appunto 'risonanza del protone dell'idrogeno', che si verifica quando questo sia sottoposto all'azione di un intenso campo magnetico e, nel contempo, a esso venga ceduta energia tramite l'irradiazione con un'onda di radiofrequenza. L'indagine ha una risoluzione di dettaglio per lo più inferiore a quella della tomografia computerizzata, ma ha un contrasto notevolmente superiore; essa permette inoltre una visione del corpo in tutti i piani dello spazio, e non solo in quello trasversale, come nel caso della tomografia computerizzata.

Un vantaggio non indifferente della ecografia e della risonanza magnetica, rispetto alla radiologia e alla tomografia computerizzata, che fanno uso di raggi X, è che le prime non usano radiazioni ionizzanti e sono pertanto del tutto prive di effetti biologici; non comportando quindi alcun rischio per il paziente, possono essere utilizzate anche in pazienti molto giovani e in gravidanza.

Imaging Digitale e Informatica

I computer hanno assunto un ruolo fondamentale nell'imaging diagnostico, al punto che la disciplina dipende ormai quasi completamente dalla tecnologia informatica per l'acquisizione e l'elaborazione dei dati, nonché per la gestione, l'archiviazione, il recupero e la trasmissione dei dati relativi ai pazienti. Le immagini diagnostiche sono utilizzate con due diversi scopi principali, ossia la diagnosi delle malattie e il monitoraggio della risposta al trattamento. Le informazioni fornite dalle immagini diagnostiche possono essere potenziate tramite l'applicazione di procedure quali il miglioramento del contrasto, la ricostruzione tridimensionale, la navigazione virtuale, la segmentazione, la coregistrazione e la fusione.

Un'immagine digitale è composta da elementi discreti, denominati pixel, disposti in una matrice bidimensionale. Il numero di pixel che descrive un'immagine digitale definisce le dimensioni della matrice. Nella matrice di un'immagine in scala di grigi, ogni pixel è identificato da tre numeri: due di questi definiscono la posizione del pixel all'interno della matrice (riga e colonna), mentre il terzo definisce il contenuto delle informazioni, cioè il 'valore' del pixel che verrà convertito nel livello di grigio corrispondente nell'immagine risultante.

In genere, più alto è il numero di pixel per un determinato campo visivo, maggiore sarà la massima risoluzione spaziale ottenibile. Nelle immagini mediche, l'identificazione degli elementi diagnostici rilevanti dipende non solo dalla risoluzione spaziale, ma anche dalla risoluzione di contrasto, cioè dai diversi livelli di colore o di grigio delle strutture contigue. Più alto è il numero di livelli della scala di grigi, migliore sarà la risoluzione del contrasto.

Standard DICOM

Per rendere possibile la telecomunicazione e l'utilizzazione di immagini diagnostiche in postazioni remote, tutti i file con i dati delle immagini devono condividere una struttura di file e un protocollo di scambio comuni. Lo standard DICOM definisce il formato di file nel quale vengono codificate le immagini, consentendo la visualizzazione e la postelaborazione dei dati senza perdita di qualità. Un file DICOM si compone di due parti: (a) un'intestazione contenente una serie di elementi di dati e quindi (b) i dati originali relativi ai pixel o ai voxel.

Risoluzione Spaziale e di Contrasto

La risoluzione spaziale e la risoluzione di contrasto sono due parametri fondamentali per valutare la qualità di un'immagine diagnostica. Di seguito una tabella riassuntiva:

Parametro	Descrizione	Importanza
Risoluzione Spaziale	Capacità di distinguere due oggetti adiacenti come separati.	Permette di visualizzare dettagli fini e strutture piccole.
Risoluzione di Contrasto	Capacità di distinguere diversi livelli di colore o di grigio tra strutture contigue.	Permette di identificare differenze sottili tra tessuti e lesioni.

In conclusione, la capacità di estrarre informazioni diagnostiche da un'immagine dipende da una combinazione di risoluzione spaziale e di contrasto, nonché dalla possibilità di alterare l'immagine.