Ridurre le radiazioni e incrementare la qualità degli esami: una nuova era per l’imaging di tomografia computerizzata
Nel 2018, in tutta l’UE sono state eseguiti circa 60 milioni di esami di tomografia computerizzata. Tale esame è uno dei metodi di diagnostica per immagini maggiormente impiegato e può essere usato per diverse patologie, tra cui ictus, malattie cardiovascolari, traumi, pneumopatie e tumori. Nei bambini, ad esempio, gli esami di tomografia computerizzata sono utilizzati per diagnosticare cardiopatie congenite, scovare tumori, studiare deformità scheletriche, individuare modifiche post-traumatiche nel cervello e pianificare interventi chirurgici. In alcuni casi, ad esempio nei tumori, bisogna eseguire diversi esami per tracciare nel tempo la progressione. Poiché le radiazioni ionizzanti sono potenzialmente nocive, la dose di radiazioni deve essere mantenuta al livello più basso possibile e ciò è particolarmente importante quando si esegue l’esame sui bambini. Tuttavia, quando è necessaria, i benefici superano i rischi. Il progetto LowD-CT dell’UE sta lavorando per ridurre il bisogno di esposizione. «Siamo riusciti a sviluppare un algoritmo di ricostruzione dell’immagine che ha migliorato sensibilmente la qualità della stessa per una data dose di radiazioni, sebbene non abbiamo ancora valutato le sue prestazioni rispetto allo stato attuale della tecnologia», dichiara Mats Persson, ricercatore principale e professore assistente di Fisica presso l’Istituto di tecnologia KTH Royal a Stoccolma in Svezia.
Un’immagine più nitida riducendo le radiazioni
Quando si esegue una tomografia computerizzata su un paziente, viene misurata la quantità di radiazioni a raggi X trasmessa attraverso il paziente da diverse direzioni. In seguito, viene utilizzato un processo conosciuto come «ricostruzione dell’immagine» per trasformare i dati misurati in un’immagine tridimensionale: in particolare, in una mappa delle proprietà di attenuazione dei raggi X del tessuto in ciascun punto nel volume dell’immagine. I macchinari commerciali per la tomografia computerizzata che sono stati utilizzati clinicamente fino ad ora sono tutti basati su un tipo di rilevatore denominato «integratore di energia», ovvero il rilevatore misura la quantità totale di energia a raggi X incidente per unità di tempo. Al contrario, i rilevatori per il conteggio di fotoni possono contare i singoli fotoni e misurare le loro rispettive energie. Queste informazioni aggiuntive migliorano la qualità dell’immagine. «Grazie a un rilevatore per il conteggio di fotoni», spiega Persson, «come quello sviluppato dal nostro gruppo di ricerca, possiamo ridurre le “interferenze” in queste immagini, migliorando inoltre la risoluzione spaziale.» Inoltre, il progetto valuta la distribuzione energetica dei raggi X trasmessi per individuare la composizione materica nel corpo. Al mondo esistono un numero limitato di macchinari prototipi per la tomografia computerizzata basata sul conteggio di fotoni e uno di questi è basato sul rivelatore al silicio sviluppato da un progetto di ricerca globale più ampio, di cui LowD-CT fa parte. Mentre l’obiettivo del progetto più ampio è quello di sviluppare la parte hardware e software di tale tecnologia, LowD-CT, finanziato da una sovvenzione di azioni Marie Skłodowska-Curie, si è concentrato sul software. «Abbiamo sviluppato nuovi metodi di ricostruzione dell’immagine per utilizzare al meglio le informazioni dell’immagine migliorata», osserva Persson.
Dal laboratorio all’ospedale: prove pilota e prototipi
Un macchinario di tomografia computerizzata con il nuovo rivelatore al silicio è in fase di preparazione per essere installato presso l’ospedale dell’Università Karolinska a Stoccolma, dove verrà impiegato per la valutazione clinica della nuova tecnologia sui pazienti. «Dopo di che la nostra speranza è che quei macchinari per la tomografia computerizzata basati su tale tecnologia siano disponibili in commercio nel prossimo futuro», aggiunge Persson. Poiché il prototipo di tomografia computerizzata basato sul conteggio di fotoni è ancora in fase di sviluppo, non è stato possibile applicare i nuovi metodi di ricostruzione dell’immagine ai dati sperimentali e confrontarli con lo stato attuale della tecnologia. Ma, come spiega Persson, nelle simulazioni il team è riuscito a dimostrare che i nuovi metodi di ricostruzione dell’immagine basati sull’apprendimento profondo superano notevolmente la ricostruzione dell’immagine della tomografia computerizzata tradizionale in termini di qualità delle immagini. «I passi successivi consisteranno quindi nel valutare tale metodo sui dati sperimentali e confrontarlo con le apparecchiature esistenti di imaging di tomografia computerizzata.» Persson, che ha pubblicato diversi articoli sul tema, è stato il co-autore di «Photon-counting x-ray detectors for CT» («Rilevatori ai raggi X per il conteggio di fotoni per la tomografia computerizzata»), che fornisce una panoramica della tecnologia. «Sono sbalordito dai notevoli miglioramenti nella qualità dell’immagine che è possibile ottenere tramite l’utilizzo dei metodi di ricostruzione dell’immagine basati sull’apprendimento profondo», afferma Persson. Nel prosieguo, il suo obiettivo sarà quello di sviluppare ulteriormente tali metodi che finora si sono dimostrati molto efficaci nelle analisi del progetto. «Tuttavia, sono anche impegnato nello sviluppo della nuova generazione di hardware del rilevatore per il conteggio di fotoni, che promette una risoluzione spaziale drasticamente migliore rispetto ad oggi», aggiunge Persson.
Parole chiave
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