La tomografia computerizzata, in radiologia, indicata con l'acronimo TC o CT (dall'inglese computed tomography), è una tecnica di indagine radiodiagnostica (diagnostica per immagini), con la quale è possibile riprodurre immagini in sezione (tomografia) e tridimensionali dell'anatomia, create da un'analisi generata al computer, dell'attenuazione di un fascio di raggi X mentre passa attraverso una sezione corporea.Herman, G. T., Fundamentals of computerized tomography: Image reconstruction from projection, 2nd edition, Springer, 2009
È nota anche come tomografia assistita dal computer o TAC (in inglese CAT da computer-assisted tomography). Il principio è che da proiezioni di un oggetto in differenti direzioni si può ricostruire l'immagine dell'oggetto. Inizialmente il software di elaborazione permetteva solo il piano assiale o trasversale, perpendicolare cioè all'asse lungo del corpo. Il vero valore aggiunto delle macchine attuali però è che le proiezioni non sono più su piani distinti ma a spirale, facendo scorrere il lettino su cui si trova il paziente. Ciò permette successivamente di ottenere ricostruzioni tridimensionali del segmento corporeo esaminato.
Anche se il suo utilizzo peculiare è nel campo della medicina, la TC è utilizzata anche in altri campi, come ad esempio test non distruttivi dei materiali; in questo ambito viene definita tomografia industriale computerizzata. Un altro esempio è il suo utilizzo in archeologia per ottenere le immagini dei contenuti di sarcofagi o delle mummie.
L'utilizzo della TC in ambito medico è notevolmente aumentato nei due decenni a cavallo tra il XX e il XXI secolo. Si stima che più di settanta milioni di scansioni vengano eseguite ogni anno negli Stati Uniti, ma che solo lo 0,4% dei casi di cancro nel Paese sia dovuto all'esposizione alle radiazioni dei raggi X utilizzati nelle scansioni TC.
Storia
Nel 1930 il radiologo italiano Alessandro Vallebona propose una tecnica per rappresentare un solo strato del corpo sulla pellicola radiografica, la stratigrafia. Sfruttando principi di geometria proiettiva, con la rotazione o pendolazione del tubo radiogeno, tutti i piani al di sopra e al di sotto dello strato di interesse vengono eliminati. La stratigrafia ha rappresentato fino alla metà degli anni ottanta uno dei pilastri della diagnostica radiologica. Con l'avvento del computer è stata progressivamente soppiantata.
La metodica circolare alla base della tomografia assiale computerizzata fu inizialmente concepita, nel 1967, dall'ingegnere inglese Sir Godfrey Hounsfield, che realizzò la prima apparecchiatura TAC insieme al fisico sudafricano Allan Cormack presso il Central Research Laboratories della EMI a Hayes nel Regno Unito.. Tali ricerche valsero ai due scienziati il premio Nobel per la medicina nel 1979 con la motivazione "the development of computer assisted tomography". Il primo tomografo computerizzato commerciale consentiva esclusivamente lo studio delle strutture del cranio e fu installato all'Atkinson Morley Hospital di Londra nel 1971.
Il prototipo originale del 1971 era caratterizzato da un'unità di scansione che ruotava di 180°, un grado alla volta, intorno alla testa del paziente, immagazzinando 160 immagini da ogni posizione, per un totale di immagini; tale procedimento richiedeva da 5 a oltre 10 minuti. Le immagini ottenute, quindi, venivano elaborate con algoritmi di ricostruzione algebrici grazie all'utilizzo di un grande calcolatore che impiegava 2 ore e mezzo per eseguire tali calcoli. Le immagini dell'encefalo così ottenute rendevano possibile apprezzare i diversi tessuti di cui esso è composto; i medici riconobbero subito il valore e l'utilità di tale tecnologia e, nonostante il prezzo fosse molto elevato, circa $Ibid. Pag. 34, cifra considerevole per quel periodo, la EMI Corporation non ebbe difficoltà a vendere il prodotto. Negli Stati Uniti la prima installazione di un tomografo computerizzato avvenne presso la Mayo Clinic. In Italia la prima TAC EMI viene installato a Bologna nel 1974 presso l'Ospedale Bellaria a cura del prof. Giovanni Ruggiero che l'anno seguente sarà eletto presidente della ESNR – European Society of Neuroradiology.
Inizialmente, fu opinione comune e fortemente radicata che l'innovativa tecnica non potesse in alcun modo travalicare l'ambito dello studio del cervello. Fu un radiologo americano di origine italiana, il professor Ralph Alfidi, ad avere l'intuizione che tale metodica poteva essere estesa all'intero corpo. Alfidi, allora direttore dell'Istituto di Radiologia dell'Università di Cleveland, già noto per i suoi studi sull'angiografia, era convinto che il principio della tomografia computerizzata fosse destinato ad avere una ben più ampia utilizzazione. Circondato da un'atmosfera di scetticismo, Alfidi, con l'appoggio di un Hounsfield inizialmente titubante, ma via via sempre più convinto della validità di questa idea, iniziò un lungo periodo di ricerche. Gli esperimenti vennero attuati utilizzando macchinari realizzati nel 1972 dalla Technicare e culminarono nel 1975 con l'effettuazione del primo impiego della TAC per lo studio dell'addome.
Il primo sistema TC in grado di realizzare immagini di qualsiasi parte del corpo fu l'ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) progettato da Robert Ledley, presso la Georgetown University. Questa macchina possedeva, come rilevatori, 30 tubi fotomoltiplicatori ed era in grado di completare una scansione in soli nove cicli di traslazione/rotazione, una velocità molto superiore a quella dell'apparecchiatura della EMI. Utilizzava 34 calcolatori PDP-11 sia per comandare i servo-meccanismi, sia per acquisire ed elaborare le immagini.. La casa farmaceutica Pfizer acquista il prototipo dall'università, insieme con i diritti per la fabbricazione di esso. Pfizer ha iniziato quindi a commercializzare il modello, chiamandolo "200FS" (FS significa “scansione veloce”), ottenendo un grande successo nelle vendite. Questa apparecchiatura produceva immagini in una matrice di 256×256, consentendo una molto migliore risoluzione spaziale rispetto a quella della EMI che era di 80×80.
Da questo momento in poi la tecnologia della TAC migliorò costantemente, anche grazie alla sempre maggiore capacità di calcolo dei computer. I grandi miglioramenti nella velocità di scansione, nel numero di proiezioni acquisibili e nella qualità delle immagini, sono stati fondamentali perché tale tecnologia venisse presa in considerazione anche per l'imaging cardiaco. Nel 2008 Siemens ha introdotto una nuova generazione di scanner in grado di acquisire un volume di una certa dimensione in meno di 1 secondo, una velocità sufficiente per produrre immagini nitide di cuori che battono e delle arterie coronarie.
Al 2025 esistono macchinari di nuova generazione che consentono un'esposizione ai raggi X 20 volte inferiore e l'acquisizione dell'intera colonna vertebrale in 3D in meno di 3 secondi, nonché di immagini di tutto il corpo in posizione eretta, inclusi piedi e caviglie. Permettono diagnosi precoci, precise, veloci e sicure, a vantaggio soprattutto di chi deve ripetere frequentemente l'esame e dei minorenni, più sensibili all'esposizione.
Metodica
La legge dell'assorbimento dei raggi X spiega come, dato un fascio di raggi X di una certa intensità iniziale , esso venga attenuato in intensità in misura esponenzialmente decrescente al coefficiente di attenuazione di massa e al cammino percorso nel mezzo . Il coefficiente di attenuazione di massa dipende dalla densità del materiale attraversato e dall'energia del fascio di raggi X.
Quindi il fascio di raggi X attraversando un oggetto verrà attenuato tanto più quanto attraverserà materiali ad alto numero atomico, tanto più sarà bassa l'energia e maggiore sarà lo spessore attraversato; viceversa, se attraversa un materiale a bassa densità, percorre uno spessore piccolo e l'energia è più alta, allora l'attenuazione sarà minore. Questo è il motivo per cui nelle radiografie analogiche gli oggetti a densità maggiore appaiono chiari (massima attenuazione) e gli oggetti a densità minore appaiono più scuri (minima attenuazione).
Il principio iniziale su cui si basa la ricostruzione tomografica è che acquisendo tante proiezioni radiografiche dello stesso oggetto ad angolazioni diverse è possibile ricostruire l'oggetto nelle due dimensioni. Per ottenere la terza dimensione si utilizzano complessi algoritmi matematici che elaborano i pixel delle successive scansioni tra i quali i metodi di retroproiezione filtrata (algoritmo Filtered Back Projection, FBP) se il fascio di raggi X è parallelo o a ventaglio, il metodo di Feldkamp se il fascio è conico oppure metodi iterativiA. C. Kak and Malcolm Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, IEEE Press, 1988.Principles of Computerized Tomographic Imaging . Per poter applicare questi algoritmi è necessario riprendere le proiezioni radiografiche in immagini digitali cioè una matrice di numeri organizzata il cui più piccolo elemento è chiamato pixel e il valore al suo interno è un numero in scala di grigi a cui corrisponde una misura dell'attenuazione del fascio in quel punto. Dopo aver applicato gli algoritmi di ricostruzione si ottiene un'immagine digitale che rappresenta la distribuzione della densità dell'oggetto in una sua sezione interna (slice) e il cui più piccolo elemento viene chiamato voxel in quanto si tratta di un elemento di volume. Quanto più piccolo è il volume rappresentato da un voxel, tanto maggiore è la risoluzione spaziale. Per velocizzare le acquisizioni, ora sono concatenate in acquisizioni di dati con movimento a spirale, ottenuto muovendo non il gantry, ma il lettino col paziente durante l'acquisizione della riga di dati iniziali (dati h).
Al fine di confrontare i risultati della tomografia ottenuti da diversi strumenti tomografici si definisce e si prende a riferimento la Scala di HounsfieldSpiral CT of the Abdomen, François Terrier, Marianne Grossholz, Christoph D. Becker, Springer, 2000 Spiral CT of the Abdomen - F. Terrier, Marianne Grossholz, Christoph D. Becker - Google Libri. L'unità di misura dei valori numerici ricostruiti è HU (unità di Hounsfield). Il numero all'interno del voxel è detto , rappresenta la densità dell'oggetto in quel punto e si misura in HU se opportunamente calibrato secondo la seguente relazione:
La formula per il calcolo delle HU evidenzia come l'acqua venga presa a riferimento. Infatti il numero CT dell'acqua è 0 HU; la densità dell'aria è considerata nulla e quindi il numero CT dell'aria assume un valore di -1000 HU; per l'osso, che ha una densità all'incirca doppia di quella dell'acqua, il numero CT è +1000 HU.
Le dimensioni di un'immagine tomografica in uno scanner medicale standard sono normalmente di 512×512 voxel e profondità di 16 bit/pixel, anche se la tecnologia attuale permette di ottenere risultati anche migliori sia in termini di numero di voxel sia di risoluzione spaziale. La metodica TC consente risultati migliori della radiologia tradizionale per quanto riguarda la differenziazione dei tessuti molli. Infatti la TC produce un volume di dati che possono essere manipolati, attraverso un sistema noto come "windowing", per visualizzare le varie strutture anatomiche interne di un corpo in base alla loro capacità di attenuare il fascio di raggi X. Lo studio TC, a seconda dei distretti corporei e degli organi da valutare, può essere implementato con l'infusione di mezzo di contrasto endovenoso organo-iodato, che consente una migliore differenziazione di strutture con densità simile, o la valutazione della stessa struttura in tempi diversi, con acquisizioni multiple delle immagini e attraverso l'uso di un iniettore a flusso variabile.