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Gruppo Regionale Liguria
CORSO DI AGGIORNAMENTO APERTO
Nuove apparecchiature di diagnostica radiologica:
aggiornamenti delle procedure di quality assurance e dosimetria
19 febbraio 2014
TC multistrato/dual energy,
caratterizzazione e dose
Fabrizio LEVRERO
S.C Fisica Medica e Sanitaria
IRCCS Azienda Ospedaliera Universitaria San Martino – IST
1972: Housfield e il primo esame TC
• N strati
12
• Spessore strato
13 mm
• Matrice
80×80
• Tempo di acquisizione di
un’immagine
300 s
• Tempo di ricostruzione
dell’esame
35 min
F. Levrero – MS/DE CT
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•
•
•
•
•
•
•
•
Cronistoria
1978 prima TC Liguria (EMI II gen.) - Clinica Montallegro
1980 prima TC S. Martino (EMI solo cranio)
1990 tomografo a rotazione continua  TC spirale
1998 MSCT 4 strati
2004 MSCT 64 strati
2005 DSCT
2007 MSCT 256 e 320 strati legge di Moore sulla MSCT
Sviluppi successivi
– Tempo di rotazione GE, PHILIPS
– Estensione dei rivelatori TOSHIBA
– Doppio tubo SIEMENS
F. Levrero – MS/DE CT
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Sistemi TC
• Gantry
• Generatore
• Tubo RX
• Rivelatori ed elettronica asservita
• Trasmissione dei dati
• Sistema computerizzato di ricostruzione
ed elaborazione delle immagini
F. Levrero – MS/DE CT
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Gantry
• Geometria rotate/rotate - SFOV 50 cm – 360°
• Velocità di rotazione
– GE
– PHILIPS e TOSHIBA
– SIEMENS
0.35 s
0.40 s
0.33 s
 Vantaggi
– Più spazio in meno tempo
– Meno artefatti da movimento
– Migliore risoluzione temporale
 Svantaggi
– Elevate forze centrifughe
• 10  33 g (0.33 s 33 g)
• Stabilità, vibrazioni
• Per t < 0.2 s forza > 75 g!
F. Levrero – MS/DE CT
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Gantry
• Perdita di qualità di immagini
– N proiezioni inferiore a parità di campionamento
– «tante» file di 700 rivelatori
• rivelatore: attenuazione a posizione angolare definita
• 700 misure costituiscono una proiezione o vista
• 1000 proiezioni ogni 360° di rotazione
• Estrema stabilità della posizione della macchia focale
e dei rivelatori
Generatore
• Potenze di picco di 60-100 kW
F. Levrero – MS/DE CT
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Tubo RX
• Tubo convenzionale
– anodo diametro 160 – 220 mm
– capacità termica 5 – 9 MHU heat (HU) = 1.4 x heat (J)
• Strati di grafite nel retro dell’anodo
F. Levrero – MS/DE CT
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• PHILIPS
Tubo RX
– Eliminazione cuscinetti, Sospensione anodo a metallo liquido
– Raffreddamento dell’anodo a olio
– Capacità Termica Effettiva: 26 MHU (1.6 MHU/min)
F. Levrero – MS/DE CT
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Tubo RX
• SIEMENS Rotation Envelope Tube (STRATON)
– Anodo costituisce parete rotante dell’involucro
– Rateo di dissipazione 5 MHU/min
– Capacità termica praticamente non necessaria
– Deflessione elettromagnetica del fascio di elettroni
• Utilizzata anche nella double z-sampling technology
F. Levrero – MS/DE CT
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Tubo RX
• Macchia Focale Dinamica Dynamic Focal Spot
– piano x-y in-plane
• raddoppia le viste del campione nell’unità di tempo
(a parità di tempo di rotazione…)
• migliora la risoluzione
F. Levrero – MS/DE CT
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Tubo RX
• Macchia Focale Dinamica Dynamic Focal Spot
– double z-sampling
technology
– Movimento periodico del
fuoco sull’anodo nella
direzione longitudinale
– Raddoppia il numero di
acquisizioni
• 32  0.6 mm
• 64  0.6 mm
parzialmente sovrapposti
– Distanza di campionamento
all’isocentro pari a 0.3 mm
F. Levrero – MS/DE CT
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Tubo RX
• Macchia Focale Dinamica Dynamic Focal Spot
– Catphan lungo asse
x
– Z-flying focal spot
– risoluzione di 15
lp/cm
indipendente dal
pitch
F. Levrero – MS/DE CT
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Rivelatori
• Rivelatori allo stato solido
– Materiale sensibile alla radiazione
• Tungstato di cadmio, ossido di gadolinio,
ossisulfuro di gadolinio drogato
• Conversione fotoni X  fotoni visibili
– Fotodiodo al Si
– Corrente elettrica amplificata e
digitalizzata
• Alta efficienza (elevato Z), basso
tempo di abbagliamento
• M=1 M=2
– collimazione pre-paziente (ma anche post…)
• M>2
– Geometria fissa/adattativa
F. Levrero – MS/DE CT
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Rivelatori
• Configurazione dei banchi
40 mm di copertura
F. Levrero – MS/DE CT
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Rateo e trasmissione dei dati
• 700 ÷ 900 elementi × 64-128 banchi × 2 Byte
~ 200000 Byte a vista  1.6 Mbit
• 4 strati, 0.5 s a rotazione
– 1000 × 700 × 4 × 2 Byte a rotazione =
5.6 MB a rotazione = 11.2 MB/s
• 128 strati, 0.33 s a rotazione
~ 500 MB/s
• Limiti:
– considerare velocità scrittura su disco, rete, etc…
– ulteriore collo di bottiglia sulla statistica dei rivelatori e sui tempi
di ricostruzione
– se andiamo lenti abbiamo viste contigue, se andiamo veloci viste
distanti
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
• Dal FAN beam al CONE beam
– Oggetti che si trovano sullo stesso piano vengono visti da rivelatori
diversi nella rotazione del tubo
– Più l’oggetto è periferico e maggiore è la distanza tra i rivelatori coinvolti
• possono essere generati artefatti
– Offset: distanza tra le proiezioni dei due oggetti sul banco dei rivelatori
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
• Quando un fascio FAN
diventa CONE?
– angolo sotteso dai
rivelatori esterni < 1°
• Offset inferiore allo spessore
di strato
• Fascio fan
• Geometria planare
– angolo sotteso dai
rivelatori esterni > 1°
• Offset superiore allo spessore
di strato
• Fascio cone
• Metodi di ricostruzione
specifici
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
•
Ricostruzione
–
–
Advanced Single-Slice Rebinning (ASSR)
Adaptive Multiple Plane Reconstruction (AMPR)
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
•
Ricostruzione 3D filtered back-projection Feldkamp
–
–
–
Tecnica 3D che calcola la retroproiezione filtrata per ciascun
«fascio x elementare»
I voxel sono ricostruiti da dati che si riferiscono a rivelatori e
angoli di rotazione diversi
Molto onerosa dal punto di vista del calcolo
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
• Metodi Iterativi
– la sezione del corpo in esame è un array di incognite e si può scrivere
un sistema di equazioni algebriche (lineari) per le incognite in funzione
dei dati misurati (proiezioni)
f j incognite 1 j n2 = N (5122 = 262144)
gi con i=1...M con M prodotto nriv × nviste (~700000)
aij fattore peso: contributo della jma cella all’ imo raggio
– manca il termine legato al rumore… soluzione «quasi esatta»
– aumentando il tempo di elaborazione miglioro la soluzione, miglioro
SNR, posso diminuire la dose…
– sono metodi di ricostruzione dell’immagine particolarmente onerosi
dal punto di vista delle risorse di calcolo
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
F. Levrero – MS/DE CT
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Ricostruzione
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose in MSCT - generalità
• penombra del fascio
– utilizzata in SSCT, esclusa in MSCT
• overbeaming
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose in MSCT - generalità
• Aumento dello spessore di collimazione
• Riduzione dell’efficienza geometrica
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose in MSCT - generalità
Sistemi reali  problemi
• Termici, meccanici
Per sicurezza  profilo di dose più ampio
• Aumento del CTDI del 10-30% rispetto a SSCT
– minore per spessori complessivi maggiori
– ancora minore con aumento larghezza detettori
– maggiore in spessori di strato submillimetrici
F. Levrero – MS/DE CT
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•
Dose in MSCT
volume di scansione
– Lunghezza di scansione lungo z
• Deve essere mantenuta all’estensione richiesta
• Per un dato paziente il DLP è direttamente proporzionale alla lunghezza di scansione
• A regione di scansione definita (es. torace) la Dose Efficace è direttamente proporzionale alla
lunghezza di scansione
•
corrente al tubo (mA)
– La Dose Efficace è direttamente proporzionale alla corrente
– Il valore appropriato di mA dipende dal tomografo e dalle dimensioni del paziente
• adattare la corrente alle dimensioni del paziente, valore di riferimento per il paziente std
• BMI per ciascun paziente e valore appropriato della combinazione mA/kV
•
tensione al tubo (kV)
– La dose a parità di mA varia proporzionalmente al quadrato della tensione
– Tensioni maggiori hanno penetrazione maggiore, numero più elevato di fotoni sui
rivelatori, migliore statistica, peggiore CNR
– Pazienti corpulenti richiedono tensioni elevate per avere livelli di rumore accettabili
– BMI < 30 kg/m2 la tensione può diminuire fino a 100/80 kV
• Riduzione di dose del 30 – 50 %
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose in MSCT
• Collimazione dinamica
– In scansione elicoidale ci sono irraggiamenti che si estendono oltre la
lunghezza della scansione
– La collimazione dinamica (o adattativa) si utilizza per limitare
l’irraggiamento del paziente al di fuori della lunghezza di scansione
• Il massimo di risparmio di dose (25%) si raggiunge con intervalli di
scansione corti combinati a fasci ampi lungo z
– In scansione assiale si procede per passi legati all’estensione dei
rivelatori
• Se l’ultima scansione è troppo estesa viene schermata parzialmente
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose in MSCT
• Controllo automatico della corrente
– È un controllo normalmente presente nei protocolli non cardiaci
– Sulla maggior parte dei tomografi la corrente deve essere impostata
manualmente tenendo conto della corporatura del paziente
• Schermature in bismuto
– Usate per ridurre la dose a organi superficiali radiosensibili
• Occhi, tiroide, mammelle
– Alcuni studi raccomandano di utilizzare in alternativa il controllo
automatico della corrente per evitare qualunque detrimento della
qualità d’immagine
• Controllo non sempre disponibile in cardio CT
• ICRP 103 ha aumentato Wt per la mammella
• Riduzione della dose ghiandolare del 23 – 41 % con 1 mm di Bi
 Riconsiderarne l’uso
F. Levrero – MS/DE CT
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TC Dual Energy
• 2 acquisizioni successive a tensione differente, iniezione MdC
• 2 acquisizioni simultanee (TC Dual Source)
• Applicazioni neuro
– Discriminazione osso-MdC nelle
immagini angio
– Identificazione placche calcifiche
– Rimozione osso base cranio
• Applicazioni articolari
– Tendini e legamenti
– protesi
• Applicazioni body
F. Levrero – MS/DE CT
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TC a
doppio tubo
• Due tubi, due serie
corrispondenti di rivelatori
– Angolazione 90°
– Z-flying focal spot
• Applicazioni
– Cardio TC
• Risoluzione temporale trot/4 = 83 ms
– 160 kWp
• Pazienti obesi
– Dual energy
• Informazioni funzionali
F. Levrero – MS/DE CT
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Screening TC polmone
• Protocolli IEO (10 anni di screening polmonare)
– GE OPTIMA 64
F. Levrero – MS/DE CT
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Screening TC polmone
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose Efficace in TC
• European Guidelines on Quality Criteria for Computed
Tomography – EUR 16262 EN – 1999
Dose locale CTDI
Dose globale DLP
E = DLP×EDLP
[EDLP]=mSv mGy-1 cm-1
F. Levrero – MS/DE CT
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Dose Efficace in TC
20×0.02 = 0.4
dose efficace RX torace
0.05 ÷ 0.1 mSv
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione assiale prospettiva (ECG trigger)
– Modalità più comune di acquisizione
• Bassa dose
• Segnale ECG fa partire l’acquisizione nella fase di minore motilità cardiaca
• Aumento prudenziale della finestra temporale (padding)
– Copertura del volume cardiaco non ottenuta con una singola rotazione
•
•
•
•
Avanzamento del lettino inferiore alla larghezza del fascio lungo Z
Attesa della fase per l’acquisizione
Lunghezza di scansione 140 mm
Es. SIEMENS: estensione dei detettori 40 mm
– 4 acquisizioni in 7 cicli cardiaci
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione assiale prospettiva (ECG trigger)
• Es. PHILIPS: estensione dei detettori 80 mm
– 2 acquisizioni in 3 cicli cardiaci
• Es. TOSHIBA: estensione dei detettori 160 mm
– Unica rotazione in un unico ciclo cardiaco
– 160 mm di estensione del fascio che su una FOV di 250 mm darebbe 125
mm di copertura; il metodo di ricostruzione permette la copertura della
lunghezza piena di scansione
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione assiale retrospettiva
– L’acquisizione avviene su tutte le fasi del ciclo cardiaco
– L’ECG viene registrato e accoppiato ai dati CT per permettere la scelta
retrospettiva della/e fase/i da ricostruire
• Informazioni funzionali
• Grande flessibilità
– Se l’estensione è minore l’acquisizione avviene su diversi cicli
– Se il tomografo ha una estensione dei detettori sufficiente i dati vengono
acquisiti in un solo ciclo
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione assiale retrospettiva
– Se la corrente viene modulata in funzione dell’ECG, la dose diminuisce
considerabilmente
– Se la corrente viene azzerata al di fuori della finestra temporale relativa
alla fase di interesse la scansione assiale retrospettiva diventa prospettiva
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione elicoidale retrospettiva
– E’ il primo approccio introdotto
• L’unico possibile con tomografi con copertura dei detettori inferiore alla
lunghezza del cuore in caso di ritmo instabile
– La scansione avviene continuamente con pitch minimo, determinato
principalmente dal ritmo cardiaco e dalla velocità di rotazione del tubo
• Su alcuni tomografi selezione automatica del pitch in base al ritmo
• Registrazione simultanea del tracciato ECG
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione elicoidale retrospettiva
– La ricostruzione può essere fatta in qualunque fase cardiaca, al limite
diversa per ciascuna coronaria
• Importante se il ritmo è elevato o instabile
– Dose elevata
• Dovuta all’irraggiamento continuo e al pitch minimo, necessario perché il ciclo
cardiaco (1000 ms a 60 bpm) è maggiore del tempo di rotazione (300 ms)
• 3 rotazioni in un ciclo cardiaco: il movimento del lettino deve essere
sufficientemente lento per acquisire dati senza vuoti alla fase cardiaca richiesta
– Riduzione della dose se si modula la corrente al di fuori della fase di
interesse
F. Levrero – MS/DE CT
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Cardio TC
• Scansione elicoidale prospettiva
– Modalità relativamente nuova, concettualmente equivalente alla scansione
assiale prospettiva
– Scansione elicoidale prospettiva a pitch elevato
• Solo sul modello di tomografo a doppio tubo
• Come nella scansione assiale prospettiva
l’irraggiamento avviene a un tempo definito dopo
l’onda R, il lettino si muove a velocità elevata
– Pitch fino a 3.4, avanzamento del lettino di 466 mm/s
– Copertura della lunghezza cardiaca di 140 mm in 440
ms
– Ciascuna immagine ricostruita ha una risoluzione
temporale di 75 ms (1/4 del tempo di rotazione)
– La fase cardiaca della prima immagine differisce di
305 ms dall’ultima
F. Levrero – MS/DE CT
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… grazie per l’attenzione!

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