Imaging medico

Sottoclasse di	Imaging biologico ( in ) , visita medica , diagnosi medica

L' imaging medicale comprende i mezzi per acquisire e rendere immagini del corpo umano da vari fenomeni fisici come l'assorbimento dei raggi X , la risonanza magnetica nucleare , l'onda di riflessione ultrasonica o la radioattività che a volte combina tecniche di imaging ottico come l' endoscopia . Apparso per la più antica a cavallo del XX ° secolo , queste tecniche hanno rivoluzionato la medicina con il progresso di IT per consentire indirettamente visualizzare l' anatomia , la fisiologia e il metabolismo del corpo umano . Sviluppati come strumento diagnostico , sono anche ampiamente utilizzati nella ricerca biomedica per comprendere meglio il funzionamento dell'organismo. Stanno anche trovando sempre più applicazioni in vari campi come la sicurezza , l' archeologia e l'arte.

Storico

Gli inizi di imaging medico sono la conseguenza del lavoro di Wilhelm Röntgen su radiografie . Mentre lavorava sui raggi catodici nel 1895 , eseguì un esperimento che consisteva nello scaricare la corrente da una bobina di Ruhmkorff in un tubo a vuoto posto in una scatola di cartone. Riuscì a osservare la fluorescenza di uno schermo di platinocianuro di bario situato all'esterno di esso. Dopo aver ripetuto l'esperimento con diversi materiali, nota che queste radiazioni sono in grado di passare attraverso la materia. Nota anche che la densità sullo schermo dipende dal materiale attraversato come carta, gomma , vetro o legno. Ha quindi l'idea di mettere la mano davanti al tubo e osserva "ombre più scure dell'osso nell'immagine rispetto alle ombre della mano". Si tratta quindi di quello che diventerà il principio della radiografia . Altre prove lo portano all'utilizzo di pellicole fotografiche, tra cui le prime fotografie anatomiche radiografiche della moglie Anna Berthe Roentgen il22 dicembre 1895. Wilhelm Röntgen ricevette il primo Premio Nobel per la fisica nel 1901 “a testimonianza degli straordinari servizi resi dalla sua scoperta dei notevoli raggi in seguito a lui intitolati”.

Dalla fine degli anni '20, un paziente è stato iniettato con "Radium C" per monitorare la circolazione sanguigna utilizzando un contatore Geiger-Müller inventato nel 1928. Successivamente nel 1934, la radioattività artificiale fu scoperta da Irène e Frédéric Joliot-Curie. Da questo momento possiamo creare isotopi (attualmente chiamati radionuclidi). Nel 1938 siamo riusciti a produrre iodio 131, che è stato immediatamente utilizzato in medicina per l'esplorazione e la cura delle malattie della tiroide (cancro e ipertiroidismo). Poi la scoperta del Tecnezio (99mTc) nel 1937 da parte di Emilio Segre dell'atomo n ° 43 mentre mancava dalla tavola di Mendeleev. La scoperta di un isomero a emissione di gamma (99mTc) e la possibilità di produrlo in un servizio medico sotto forma di generatore ha permesso l'etichettatura di diverse molecole permettendo lo sviluppo della scintigrafia.

Principio

Lo scopo dell'imaging medico è quello di creare una rappresentazione visivamente intelligibile della natura medica dell'informazione . Questo problema è più in generale nel quadro dell'immagine scientifica e tecnica : l'obiettivo è infatti quello di poter rappresentare in un formato relativamente semplice una grande quantità di informazioni risultanti da una moltitudine di misurazioni acquisite secondo una buona modalità definita.

L'immagine ottenuta può essere elaborata dal computer per ottenere, ad esempio:

una ricostruzione tridimensionale di un organo o di un tessuto;
un film o un'animazione che mostra l'evoluzione o i movimenti di un organo nel tempo;
imaging quantitativo che rappresenta i valori misurati per alcuni parametri biologici in un dato volume.

In un senso più ampio, il campo dell'imaging medico comprende tutte le tecniche per memorizzare e manipolare queste informazioni. Esiste quindi uno standard per la gestione IT dei dati provenienti dall'imaging medico: lo standard DICOM .

Tecniche diverse

A seconda delle tecniche utilizzate, gli esami di imaging medico forniscono informazioni sull'anatomia degli organi (la loro dimensione, volume, posizione, forma di qualsiasi lesione, ecc.) O sul loro funzionamento (la loro fisiologia , il loro metabolismo , ecc.). Nel primo caso si parla di imaging strutturale e nel secondo di imaging funzionale .

Tra i metodi di imaging strutturale più comunemente usati in medicina figurano i metodi da un lato basati sia sui raggi X ( radiologia , radiologia digitale , TAC o TAC, angiografia , ecc.) O sulla risonanza magnetica nucleare ( MRI ), gli ultrasuoni metodi (che utilizzano gli ultrasuoni ) e infine metodi ottici (che utilizzano i raggi luminosi).

Anche i metodi di imaging funzionale sono molto vari. Esse riuniscono medicina nucleare tecniche ( PET , TEMP ) basati sulla emissione di positroni o raggi gamma di traccianti radioattivi che, dopo l'iniezione, sono concentrati nelle regioni di intensa attività metabolica, in particolare nel caso di metastasi ossee. Verificano in una fitta ambiente, tecniche elettrofisiologiche (come l'elettroencefalografia quantitativa ), quelle che misurano i cambiamenti nello stato elettrochimico dei tessuti (in particolare in connessione con l' attività nervosa ), tecniche risultanti dalla cosiddetta risonanza magnetica funzionale o misurazioni spettroscopiche termografiche o infrarosse .

Campi magnetici

Risonanza magnetica (MRI), utilizzando l'effetto di un intenso campo magnetico sullo spin dei protoni . Si tratta di un processo tomografico , che consente di ottenere "sezioni virtuali" del corpo seguendo tre piani di spazio ( sezione sagittale , sezione coronale e sezione assiale ). A seconda dei parametri scelti, la risonanza magnetica consente di ottenere immagini altamente contrastate di determinati tessuti in base alle loro proprietà istologiche . È quindi uno strumento particolarmente utilizzato nell'imaging cerebrale. Gli esami MRI sono attualmente considerati sicuri per il corpo. Tuttavia, qualsiasi oggetto ferromagnetico sensibile al campo magnetico ( piercing , pacemaker , alcune protesi , ecc.) È pericoloso.
La magnetoencefalografia (MEG) è una tecnica per misurare deboli campi magnetici indotti dall'attività elettrica dei neuroni del cervello . A differenza della risonanza magnetica, non si basa sulla precedente magnetizzazione dei tessuti. Pertanto, la presenza di oggetti magnetici non rappresenta un rischio.
La magnetocardiografia è una tecnica simile alla precedente per misurare i campi magnetici indotti dall'attività elettrica delle cellule del muscolo cardiaco nel tronco . Viene usato solo molto poco.

Radioattività

Viene utilizzato nella medicina umana per esplorare (scintigrafia) e per trattare i pazienti ( radioterapia interna vettorizzata ). Viene anche utilizzato in laboratorio ( saggi radioimmunologici o RIA). Le tecniche di scintigrafia (medicina nucleare ) si basano sull'utilizzo di un tracciante radioattivo che emette radiazioni rilevabili da dispositivi di misurazione. Queste molecole contrassegnate dalla radioattività ( radiofarmaci ) vengono scelte per legarsi preferenzialmente a determinate cellule o per tracciare determinate funzioni dell'organismo. Un quadro della biodistribuzione della radioattività viene prodotto e interpretato da un medico. È possibile calcolare i parametri ( frazione di eiezione del ventricolo, attività relativa di ciascuno dei due reni, ecc.). Le immagini ottenute possono essere planari o ricostruite sotto forma di sezioni (tomoscintigrafia).

Tomografia a emissione di fotone singolo (TEMP o SPECT): utilizza l'emissione di fotoni gamma da parte di una molecola contrassegnata da un isotopo radioattivo iniettato nel corpo.
Tomografia a emissione di positroni (PET o PET): il più delle volte utilizza fluorodeossiglucosio , un analogo del glucosio marcato con positroni emettitori di radioisotopi 18F Questi positroni interagiscono nella materia e due fotoni da 0,511 MeV vengono emessi in coincidenza consentendo la rilevazione. L' F-18 può vedere le cellule con un metabolismo elevato come le cellule tumorali o le infezioni.

Ciascuna delle due tecniche di scintigrafia ha i suoi vantaggi e svantaggi. La scelta dipende dalla diagnosi citata, ma anche dalla disponibilità di radiofarmaci e telecamere PET.

I radionuclidi più utilizzati sono 99m Tc nella scintigrafia convenzionale e 18 F nella scintigrafia a emissione di positroni. I radionuclidi utilizzati più spesso hanno un'emivita fisica molto breve (sei ore per 99mTc, due ore per 18F). Alla diminuzione legata al periodo fisico del radionuclide si aggiunge quella legata al periodo biologico .

Le maggior parte delle scansioni comuni sono la scintigrafia ossea , il polmone di scansione di ventilazione e la perfusione , la scintigrafia tiroidea , la scintigrafia miocardica , la determinazione della frazione di eiezione del ventricolo sinistro ... Ma praticamente tutti gli organi e tutte le funzioni può essere esplorata con questo metodo.

In un gran numero di casi, le immagini scintigrafiche in sezioni (funzionali) possono essere associate a immagini strutturali (ottenute con scanner a raggi X) dando così immagini di fusione molto utili per la diagnosi .

Raggi X

L'uso dei raggi X è pratica comune. Queste radiazioni, come i raggi gamma, sono ionizzanti e quindi pericolose. In particolare, l'irradiazione di una cellula in fase mitotica può provocare una mutazione del DNA e che può provocare la comparsa di cancro a termine. Tuttavia, grazie alle misure di protezione dalle radiazioni , il rischio inerente agli esami X è limitato il più possibile.

Diversi tipi di esami utilizzano i raggi X:

Radiografia , mediante raggi X e talvolta iniezione di mezzo di contrasto . Le immagini ottenute sono proiezioni di organi e diversi sistemi lungo un piano. Di solito, la radiografia viene utilizzata per il sistema osseo perché è il sistema più visibile su una radiografia del corpo.
Tomografia computerizzata a raggi X ( scanner a raggi X ). Le immagini ottenute sono sezioni millimetriche (o infra-millimetriche) che possono essere studiate in tutti i piani dello spazio, nonché immagini tridimensionali.
la tomosintesi , che è una modalità di acquisizione di immagini tomografiche, è stata effettuata con un angolo inferiore rispetto alla TC e con minori proiezioni, che consente di limitare la dose di radiazione erogata.
l' imaging volumetrico cone beam (o cone beam ) fornisce un'immagine accurata dei tessuti mineralizzati (denti, cartilagine, ossa) intestazione o piccole parti del corpo polsi, caviglie) o dispersione di un prodotto di contrasto.
Assorbimento a due fotoni a raggi X (DEXA) che misura il contenuto minerale osseo ( densitometria ossea ).

Negli Stati Uniti , nel 2010, la FDA ha deciso di rafforzare il proprio controllo, considerando che la tomografia a raggi X (TC) e la fluororoscopia sono i principali esami che spiegano l'aumento dell'esposizione alle radiazioni ionizzanti nei pazienti; secondo l' American Cancer Institute , queste overdose inducono 29.000 tumori ogni anno in più e 15.000 decessi nel paese.

È lo stesso in tutto il mondo. Le autorità insistono sulla giustificazione necessaria per questi atti, attualmente insostituibili per fare diagnosi affidabili e fare valutazioni prognostiche. In particolare, l'autoregistrazione di tali esami non dovrebbe essere autorizzata.

Ultrasuoni

Ultrasuoni , utilizzando gli ultrasuoni . L'immagine ottenuta è una sezione dell'organo studiata. Può essere associato ad un esame Doppler che analizza la velocità del sangue nei vasi o nelle camere cardiache oppure ad una misura del modulo di Young accoppiato ad una vibrazione a bassa frequenza (tecnica degli anni 2005 ).
Ultrasuoni ad alta frequenza , utilizzando ultrasuoni con una frequenza maggiore di 20 MHz. Questa tecnica consente di ottenere immagini con una migliore risoluzione ma la sua profondità di penetrazione rimane bassa, da qui il suo uso predominante nell'esplorazione veterinaria e dermatologica nell'uomo.

Raggi di luce

La spettroscopia funzionale del vicino infrarosso utilizza una misura del percorso ottico della luce emessa da una sorgente infrarossa per ricavare misure di aree di ossigenazione del tessuto attraverso (solitamente il cervello) al fine di dedurne l'attività.

Le tecniche OCT ( Optical Coherent Tomography ) consentono di ottenere un'immagine producendo un'interferenza ottica sotto la superficie del tessuto analizzato. Queste interferenze vengono misurate da una telecamera (OCT a campo pieno) o da un ricevitore dedicato (OCT tradizionale). Queste tecniche sono non distruttive e innocue.

OTTOBRE a tutto campo . È la più efficiente delle tecniche OCT. L'immagine risultante è una biopsia ottica virtuale. E 'una tecnica in fase di sviluppo che permette, grazie alla sua risoluzione (1 µm nelle tre dimensioni X, Y, Z) di vedere l'organizzazione cellulare in 3 dimensioni. Le immagini sono prese in pianta, come le foto scattate sopra il tessuto, ma a diverse profondità sotto la superficie del tessuto osservato. Questa tecnica utilizza una sorgente di luce bianca (ampio spettro).
OTTOBRE tradizionale . L'immagine ottenuta è una sezione del tessuto studiato. La risoluzione è dell'ordine di 10 a 15 um . Questa tecnica utilizza un laser per creare le immagini.

La tomografia ottica diffusa utilizza anche i raggi di luce del vicino infrarosso (da 600 nm a 900 nm ) per osservare il corpo umano in tre dimensioni.

Outlook, prospettiva

Le tendenze tecniche e informatiche dovrebbero consentire di avere immagini sempre più precise (imaging molecolare in alcuni casi), acquisite più rapidamente e con meno stress per il paziente, eventualmente rese tridimensionali e animate, consultabili da remoto.

Il supporto automatizzato per l'interpretazione delle immagini è probabilmente sviluppato attraverso software e librerie software per l' elaborazione delle immagini e algoritmi di intelligenza artificiale .

La proliferazione delle tecniche e la loro complementarità stanno spingendo il progresso nella direzione del cosiddetto imaging multimodale in cui i dati di più tecniche acquisite contemporaneamente o meno vengono riadattati , cioè messi in corrispondenza all'interno dello stesso documento. Ad esempio, è possibile sovrapporre alla stessa immagine la morfologia dei contorni del cuore ottenuta mediante risonanza magnetica con informazioni sulla mobilità delle pareti ottenute mediante ecografia Doppler . I dispositivi di imaging recenti e " interoperabili " a volte consentono la produzione di immagini multimodali durante un singolo esame (ad esempio, sistemi ibridi CT-SPECT). Inoltre, l'immagine potrebbe essere animata (battito cardiaco) e presentata in un blocco 3xD. Per produrre immagini multimodali sono possibili due metodi: uno si basa sulla fusione di immagini ottenute con processi diversi, e quindi in tempi diversi, che induce difficoltà nel regolare le immagini quando il paziente non era esattamente nella stessa posizione quando è stata scattata l'immagine . L'altro metodo consiste nello sviluppare macchine versatili in grado di acquisire più tipi di immagini diverse contemporaneamente sullo stesso paziente, quindi di unirle, possibilmente quasi in tempo reale.

Anche la microscopia dovrebbe evolversi, con ad esempio il rilevamento plasmonico di nano-oggetti, dispositivi di analisi automatica, imaging 3D ad alta risoluzione o animazione 3D, possibilmente in tempo reale e più preciso, utile ad esempio per le esigenze di neurologia, genetica o cancro ricerca (ad esempio, per studiare meglio i siti di adesione cellulare; un team franco-tedesco è stato così in grado nel 2012 di produrre l'equivalente di un film che presenta il movimento delle proteine essenziali alla vita di una cellula).

Note e riferimenti

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Vedi anche

Bibliografia

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