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TC MULTISTRATO

Principi Tecnici

L’introduzione della tecnologia multistrato ha consentito di superare gli intriseci limiti dei sistemi a spirale single-slice che imponevano il compromesso tra risoluzione spaziale e risoluzione temporale. La disposizione infatti di più righe di detettori lungo l’asse longitudinale del paziente ha permesso di eseguire esami con coperture volumetriche sempre più ampie per singola rotazione e con spessori sempre più sottili. La conseguente elevata velocità di acquisizione associata alla capacità di acquisire voxel isotropici sub-millimetrici ha migliorato notevolmente la pratica radiologica rendendo possibile un nuovo approccio alla valutazione dell’anatomia del cuore ed alla sua vascolarizzazione.

I benefici di un sistema TC Multistrato rispetto ad un sistema TC spirale a singolo strato sono significativi:

-         Migliore risoluzione temporale a parità di volume esplorato.

L’acquisizione di più strati contemporanei consente una scansione più veloce del volume in esame, riducendo i tempi di apnea del paziente e conseguentemente gli artefatti dovuti a movimento sia volontario che involontario.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-         Migliore risoluzione spaziale lungo l’asse z a parità di volume esplorato.

La possibilità di acquisire sezioni più sottili consente un incremento della risoluzione longitudinale, riducendo gli artefatti da volume parziale, garantendo l’accuratezza diagnostica.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-         Maggiore copertura anatomica a parità di tempo di acquisizione e di spessore di strato nominale.

L’acquisizione di più strati contemporanei consente di coprire volumi più estesi mantenendo inalterata la risoluzione spaziale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-         Uso efficiente del tubo.

A parità di volume esplorato, tempo di scansione e spessore di strato nominale, è possibile aumentare il numero di informazioni (mAs), sovrapponendo gli strati in acquisizione, senza maggiorazioni di carico per il tubo radiogeno, ottenendo così una migliore risoluzione di contrasto.

 

 

 

 

 

 

 

Questi fattori portano ad aumentare contemporaneamente risoluzione spaziale, temporale e di contrasto nelle immagini, migliorando significativamente l’accuratezza diagnostica dell’esame. La tecnologia multislice ha quindi superato quel limite rappresentato dall’obbligato compromesso tra qualità di immagine e volume/velocità di acquisizione che la TC-spirale single slice aveva conservato.

 

Artefatti da fascio conico - Ricostruzioni conebeam

L’incremento della dimensione del detettore lungo l’asse longitudinale ha come conseguenza l’allargamento del fascio radiogeno nella stessa direzione in modo che sia in grado di investire completamente la superficie di detezione. Gli algoritmi di ricostruzione 2-D fanbeam convenzionali assumono che ogni corona di detettori venga irradiata da una sorgente radiogena separata disposta perpendicolarmente ad essa. Questo provoca una registrazione dei dettagli anatomici su piani di immagine diversi da quello reale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gli artefatti che ne derivano sono tanto più rilevanti quanto maggiore è la distanza dei detettori dall’asse centrale. Inoltre, poichè la distanza relativa dei detettori dall’asse centrale dipende anche da parametri di acquisizione quali Collimazione del fascio, Pitch e FOV (Field Of View), gli artefatti da cone-beam sono fortemente legati ad essi, aumentano con l’aumentare del valore dei parametri stessi.

I moderni algoritmi di ricostruzione 3-D conebeam sono in grado di retroproiettare i dati nella esatta direzione di irradiazione della sorgente assicurando un corretto allineamento dei piani immagine e l’assenza di distorsioni nelle ricostruzioni anche delle strutture anatomiche più piccole come ad esempio accade per le arterie coronarie. 

La disponibilità di sistemi di calcolo in grado di effettuare un elevato numero di operazioni in tempi inferiori al secondo ha permesso l’introduzione di questi algoritmi complessi senza rendere la ricostruzione delle immagini un processo critico nel flusso di lavoro di reparto. La velocità di ricostruzione delle immagini dei sistemi TC di recente introduzione sul mercato raggiunge infatti una frequenza di 40 immagini/secondo.

 

 

 

 

 

 

 

IMAGING DELLE CORONARIE

Il rapido sviluppo tecnologico ha visto l’introduzione di sistemi a 8, 10 e 16 canali, già da tempo presenti sul mercato, e la presentazione di tomografi in grado di acquisire fino a 32 – 40 – 64 strati contemporanei per rotazione.

L’incremento del numero di canali di acquisizione va di pari passo, oltre che con la velocità di acquisizione, con la progressiva riduzione dello spessore degli strati acquisibili contemporaneamente (intorno a 0,8 mm di spessore effettivo per sistemi a 16 canali). Il risultato dell’utilizzo di spessori sottili è la disponibilità del voxel isotropico sub-millimetrico, cioè un elemento di volume che ha la medesima dimensione lungo i tre assi x,y,z, e volume inferiore al millimetro, pertanto è possibile utilizzare vantaggiosamente la tecnica di ricostruzione multiplanare (MPR), ampiamente in uso già da diversi anni, rendendo non più necessaria l’acquisizione diretta di sezioni nella direzione di visualizzazione ed estendendo la possibilità di indagine anche verso strutture anatomiche di dimensioni ridotte. La possibilità inoltre di sincronizzare le acquisizioni con il tracciato elettrocardiografico del paziente espande le possibilità cliniche dei sistemi TC anche in ambito cardiaco, fornendo una buona rappresentazione delle arterie coronarie, caretterizzazndone la loro composizione e mettendo in evidenza eventuali stenosi.

Numerosi sono i fattori che hanno contribuito ad introdurre la procedura TC per l’maging delle coronarie:

-         è una metodica in grado di produrre informazioni morfologiche accurate e riproducibili;

-         è una metodica diffusa e i dati che ne derivano sono facilmente interpretabili;

-         è una procedura clinica non invasiva.

Queste caratteristiche sono proprie dei sistemi TC, indipendentemente dal numero di canali di acquisizione. L’imaging delle coronarie impone però la considerazione anche di alcune esigenze cliniche:

-         Le arterie coronarie sono dei piccoli vasi con un diametro delle dimensioni da 4 mm a 1 mm circa (dalla parte prossimale alla distale), la risoluzione spaziale gioca un ruolo cruciale per ottenere una soddisfacente capacità diagnostica.

-         Durante il ciclo cardiaco, il cuore, e di conseguenza le arterie coronarie, si trovano in una condizione di movimento detrminata dall’attività cardiaca stessa, il primo bisogno clinico è quello di “freezare” il movimento cardiaco, è necessaria un’adeguata risoluzione temporale (compresa almeno tra 70 e 250 ms) per assicurare l’assenza di movimento sia della coronaria destra che della sinistra;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I fattori importanti per la buona riuscita di un esame per la valutazione delle arterie coronarie sono quindi:

-         elevata risoluzione spaziale lungo i tre assi per ridurre effetti da volume parziale;

-         disponibilità del voxel isotropico, per ottenere ricostruzioni multiplanari lungo l’asse dei vasi prive di distorsioni;

-         elevata risoluzione di contrasto, per assicurare una corretta estrazione dei vasi;

-         assenza di artefatti da movimento.

I sistemi TC Multislice sono in grado di soddisfare le esigenze relative alla risoluzione spaziale, temporale e di contrasto, garantendo sia qualità di immagine, grazie alla possibilità di utilizzare spessori di strato sottili senza compromettere la durata dell’esame, sia maggiore comfort al paziente, che dovrà mantenere l’apnea per un tempo limitato.

E’ necessario adottare delle specifiche tecniche di acquisizione in grado di garantire l’assoluta immobilità del cuore al fine di poter estrapolare immagini qualitativamente soddisfacenti e prive di artefatti da movimento.

 

Artefatti da movimento

Gli artefatti da movimento nelle ricostruzioni del distretto cardiaco possono essere originati principalmente da due cause:

-                     movimento del torace durante l’atto respiratorio

-                     contrazione del cuore durante il ciclo cardiaco

Il problema legato al movimento del torace è facilmente superabile: con l’introduzione dei sistemi TC multistrato la durata dell’esame si riduce a pochi secondi di acquisizione, di conseguenza consentono di completare la scansione in una singola apnea del paziente, garantendo quindi l’assenza di movimenti dovuti alla respirazione.

Evitare gli artefatti originati dalla contrazione del muscolo cardiaco è un problema più difficilmente gestibile in quanto questi dipendono, oltre che dalla frequenza cardiaca del paziente, anche dalla loro variabilità, più o meno lineare, nel tempo.

Una soluzione immediata prevede che l’acquisizione TC per l’imaging delle coronarie venga effettuata in sincronizzazione con il tracciato elettrocardiografico del paziente.

Il segnale ECG  rilevato viene correlato temporalmente alle immagini acquisite in modo da poter ricostruire la regione anatomica esplorata solo nella fase cardiaca destinata alla diagnosi, permettendo così di ottenere immagini “congelate” nel tempo e quindi prive di artefatti.

La fase di ricostruzione corrisponde generalmente alla fase di fine diastole, dove il volume del ventricolo sinistro rimane pressocchè costante per un tempo sufficiente ad acquisire l’immagine (200 ms).

Il sistema TC riconosce come singolo ciclo cardiaco gli intervalli di tempo inclusi tra due picchi R consecutivi ai quali assegna virtualmente le percentuali di 0% e 100%, che indicano l’inizio e la fine del singolo ciclo. La fase di fine diastole viene individuata in corrispondenza di una percentuale pari al 75% del ciclo rilevato. L’istante corrispondente al 75% del ciclo viene considerato dal sistema come il centro della finestra temporale di acquisizione e/o di ricostruzione, che viene stabilita misurando il tempo che intercorre tra i picchi R-R e definendo con quale ritardo da ogni picco R effettuare la scansione e/o la ricostruzione.

 

Sincronizzazione cardiaca

La modalità di sincronizzazione può essere di tipo Prospettivo, con avanzamento cioè sequenziale del lettino portapaziente ed emmissione del fascio radiogeno esclusivamente durante la fase cardiaca da ricostruire, che viene quindi determinata prima dell’inizio della scansione:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’acquisizione con sincronizzazione prospettiva viene generalmente utilizzata per la valutazione delle placche calcifiche. In questo caso l’indagine è di tipo statico, non è strettamente necessario disporre della ricostruzione anatomica del cuore nelle diverse fasi del ciclo, ma è sufficiente ricostruire un’unica fase cardiaca, quella di acquisizione, che coincide con la fine-diastole. L’obiettivo della sincronizzazione è unicamente quello di ridurre gli artefatti da movimento nella ricostruzione delle immagini, il dettaglio anatomico richiesto non è necessariamente inferiore al mm, questo consente, nei sistemi multistrato a 16 canali contemporanei di acquisizione, di aprire la collimazione sull’intera copertura del detettore lungo l’asse Z, di esplorare quindi fino 24 mm per rotazione, riducendo a pochi secondi la durata dell’esame, e di conseguenza l’apnea del paziente.

La modalità di acquisizione con sincronizzazione Restrospettiva prevede l’acquisizione volumetrica del distretto cardiaco sincronizzta temporalmente con il tracciato ECG del paziente. Il sistema è in grado di correlare le coordinate spaziali della scansione con il ciclo cardiaco e consentire la ricostruzione delle immagini scegliendo a posteriori una o più fasi del ciclo che assicurano l’assenza di artefatti nella zona di interesse .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Questa modalità di acquisizione è dedicata alle valutazioni morfologiche del distretto cardiaco. Risulta quindi potenzialmente idonea sia al follow-up non invasivo delle procedure interventistiche (valutazione del posizionamento di stent o bypass), che nello screening di massa, attraverso la valutazione di eventuali stenosi nelle arterie coronarie.

In questo caso è necessario ottenere contemporaneamente sia la massima risoluzione spaziale, in quanto le strutture anatomiche in esame hanno una dimensione dell’ordine del millimetro, sia la migliore risoluzione temporale, per evitare che gli artefatti da movimento rendano l’immagine ricostruita non dignostica. Il protocollo di acquisizione prevede quindi necessariamente uno spessore di strato sub-millimetrico ed una velocità di rotazione intorno a 0,4 secondi.

 

Risoluzione temporale  - Algoritmo di ricostruzione multiciclo

Generalmente la frequenza cardiaca del paziente calcolata in fase di preparazione dell’esame non si mantiene costante per l’intera durata della scansione, ma tende ad aumentare in relazione alla durata dell’apnea, come mostrato dal grafico, ed a causa dell’iniezione del mezzo di contrasto.

Di conseguenza la durata del ciclo cardiaco tende a ridursi durante l’acquisizione:

Poichè il sistema calcola il ritardo dal picco R, per centrare la finestra di scansione/ricostruzione in corrispondenza della fase di fine diastole (quindi del 75% del ciclo), prima dell’inizio della scansione, se tale ritardo rimanesse fisso durante l’intera esecuzione dell’esame, accadrebbe che, con l’aumento della frequenza cardiaca del paziente, la finestra temporale tenderebbe ad essere spostata verso la fase di sistole del ciclo successivo.

60 BPM Intervallo R-R: 1000 ms

75 BPM Intervallo R-R: 800 ms

100 BPM Intervallo R-R: 600 ms

Come conseguenza la finestra immagine verrebbe centrata fuori dal momento in cui il volume del ventricolo sinistro si mantiene costante, originando così in ricostruzione artefatti da movimento che rendono le immagini ottenute non diagnostiche.

 

Figura 13: Relazione tra Finestra Immagine e qualità diagnostica delle ricostruzioni. Il posizionamento errato della finestra immagine è causa di artefatti da movimento.

 

 

 

Il sistema per la sincronizzazione cardiaca della famiglia di prodotti Brilliance CT (Philips) include un algoritmo di calcolo dinamico del ritardo (Delay Algotithm®), basato sul riadattamento della finestra immagine durante la scansione. Al rilevamento di ogni picco R dal tracciato ECG, il sistema misura la distanza temporale con il picco R precedente, in base a questa aggiorna il valore della frequenza cardiaca e ricalcola il nuovo ritardo che garantisce il corretto posizionamento della finestra immagine nella fase desiderata, per tutta la durata della scansione, indipendentemente dalla rapidità di variazione della frequenza cardiaca del paziente in esame.

L’algoritmo di sincronizzazione proposto ha l’obiettivo di rendere le immagini ricostruite “motion-free” e consentire un’analisi accurata anche dei vasi delle dimensioni più ridotte.

Nei casi in cui la frequenza cardiaca del paziente superi 80-90 BPM, anche il riadattamento dinamico previsto dal Delay Algotithm® potrebbe non essere sufficiente a garantire l’assenza di artefatti da movimento. Anche la finestra temporale minima, di 200 ms, per  l’acquisizione dell’immagine, risulta più lunga del tempo in cui il ventricolo sinistro si mantiene a volume costante, risulta pertanto impossibile, in questi casi, ottenere delle immagini di qualità diagnostica.

La soluzione a questo problema consiste nel ridurre ulteriormente la risoluzione temporale dei sistemi TC. La tecnologia attualmente a disposizione non consente di scendere sensibilmente al di sotto di 0,4 secondi per rotazione su 360°, non è possibile quindi ottenere vantaggi apprezzabili scegliendo la strada della riprogettazione meccanica. Di conseguenza i costruttori hanno messo a punto un sistema di segmentazione dei dati acquisiti gestito interamente via software, conosciuto come Algoritmo di Ricostruzione Multiciclo.

Occorre precisare che, per la ricostruzione di una immagine da un’acquisizione cardiaca, i sistemi TC utilizzano l’algoritmo di interpolazione a 180°. I dati relativi ai 360° di una rotazione completa vengono cioè ottenuti memorizzando le proiezioni campionate su 180° (metà rotazione) e, presupponendo che ad ogni proiezione ne corrisponda una di stesso valore rilevabile nella stessa direzione ma in verso opposto, i 180° già memorizzati vengono duplicati in ordine invertito sui 180° rimanenti. Per ottenere una rotazione completa, vengono cioè acquisiti dati per metà rotazione e creati virtualmente per la seconda metà.

L’apertura della finestra temporale di acquisizione, con tempo di rotazione di 0,4 (400 ms) secondi su 360°, è quindi pari a 200 ms (tempo necessario per eseguire una rotazione di 180°), in grado di garantire assenza di artefatti solo in presenza di frequenza cardiaca sufficientemente bassa.

Con l’aumentare della frequenza cardiaca, con la riduzione quindi della durata del singolo ciclo, è possibile dimezzare la finestra immagine combinando i  dati acquisiti in corrispondenza di due cicli cardiaci consecutivi, ma in corrispondenza dello stesso volume anatomico. La finestra immagine in questo caso si riduce virtualmente a 100 ms.

Questa particolare modalità di ricostruzione non implica un aumento della dose al paziente in quanto non è necessario acquisire due volte lo stesso volume, ma semplicemente utilizzare i dati rilevati da corone differenti di detettori.

Il protocollo di acquisizione volumetrica prevede valori di Pitch compresi tra 0,2 e 0,4, una sovrapposizione quindi del 60% - 80% per ogni rotazione. I dati campionati in rotazioni successive, relativi a cicli cardiaci consecutivi, ma riferiti alla stessa porzione di volume sono quindi già a disposizione del sistema, che provvede off-line a combinarli in modo opportuno.

L’algoritmo “Adaptive Multicycle Algorithm” della famiglia TC Brilliance è in grado di dimezzare ulteriormente la risoluzione temporale combinando i campionamenti derivanti da quattro cicli consecutivi e ridurre la finestra immagine virtuale a 50 ms.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Estrazione dell’albero coronarico

La disponibilità di sistemi di calcolo evoluti consente di gestire facilmente anche volumi di dati corrispondenti a centinaia di immagini, come accade nelle indagini Cardio TC. L’automatismo raggiunto dai programmi di post-processing rende i tempi di elaborazione dell’ordine di pochi minuti mantenendo l’accuratezza dei risultati.

L’estrazione dei vasi da analizzare, dal volume di interesse acquisito, viene effettuato tramite algoritmi di generazione del percorso computer-assistiti dove l’operatore definisce un punto sul vaso da ricostruire su un’mmagine assiale o direttamente su una ricostruzione in Volume Rendering.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il programma individua nello spazio tutti i voxel contigui il cui valore rappresenta la densità del mezzo di contrasto, ne traccia automaticamente il percorso lungo il centro e lo rappresenta in 2D con ricostruzioni multiplanari oblique o disponendo il percorso lungo una linea retta, da cui risulta più immediata la visualizzazione dei punti di ostruzione.

L’individuazione automatica dei vasi consente di ottenere le sezioni della singola struttura sempre perpendicolari al suo centro, in qualsiasi punto del percorso calcolato. Le valutazioni sui livelli di ostruzione vengono poi automaticamente determinate mettendo in relazione i valori calcolati di diametro e di area delle sezioni dell’intero vaso.

 

Valutazione dei parametri funzionali

La possibilità di disporre di informazioni morfologiche accurate e riconducibili a qualsiasi fase del ciclo cardiaco, ottenute con brevissimi tempi di acquisizione ed elaborazione e con un’invasività pressocchè inesistente per il paziente, sta aprendo nuove frontiere che riguardano la valutazione della funzionalità cardiaca, fino ad oggi oggetto di indagine di metodiche differenti dalla Tomografia Computerizzata.

La differenza del valore di Unità Hounsfield tra liquido di contrasto e parete muscolare consente l’individuazione delle superfici delle camere cardiache. Attraverso le ricostruzioni multiplanari lungo l’asse corto, l’asse lungo orizzontale e l’asse lungo verticale è possibile individuarne i volumi, che, se correlati tra loro nelle diverse fasi del ciclo, consentono di ottenere una valutazione quantitativa dei parametri funzionali rappresentabili sia numericamente (Fig. 23) che una rappresentazione grafica del movimento attraverso ricostruzioni 3D-SSD (Fig. 24) o mappe di Bull’s Eye (Fig. 25).