Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11418
Title: TECNICHE TOMOGRAFICHE INNOVATIVE CON LUCE DI SINCROTRONE
Authors: PANI, SILVIA
Issue Date: 23-Jan-2001
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: 
Il lavoro di tesi qui riassunto ha riguardato lo studio, lo sviluppo e l'utilizzo di un sistema per tomografia con luce di sincrotrone presso la macchina di luce di sincrotrone Elettra di Trieste. La potenza della tecnica di imaging diagnostico detta Tomografia Assiale Computerizzata (TAC) o Computed Tomography (CT) fu chiara fin dalla sua scoperta all'inizio degli anni Settanta. Essa consentì, infatti, di superare la principale limitazione dell'imaging diagnostico planare, e cioè la mancanza di informazione sulla profondità di una struttura all'interno del paziente. Grazie alla disponibilità di calcolatori sempre più potenti e di tecnologie sempre più avanzate, gli apparati TAC clinici attuali consentono di ottenere, con scansioni di pochi secondi di durata, immagini con risoluzione spaziale dell'ordine di 10 coppie di linee/cm. Sistemi dedicati a studi particolari di microtomografia consentono una risoluzione spaziale dell'ordine delle decine di p,m. Recentemente, sono state studiate diverse applicazioni della luce di sincrotrone alla tomografia, poiché i fasci di raggi X monocromatici e altamente collimati ottenibili da una macchina di luce di sincrotrone appaiono uno strumento ottimale per questo tipo di indagine radiologica: infatti, la monocromaticità del fascio consente da un lato di ridurre la dose ceduta al campione e dall'altro di evitare l'uso di algoritmi di correzione degli artefatti dovuti all'indurimento del fascio; inoltre, grazie alla divergenza angolare molto piccola di un fascio di luce di sincrotrone, non si rendono necessarie correzioni geometriche agli algoritmi di ricostruzione per tenere conto della divergenza del fascio. Inoltre, sono state applicate alla tomografia tecniche tipiche della radiologia con luce di sincrotrone, e possibili grazie all'elevata coerenza spaziale della sorgente, quali il contrasto di fase e la Diffraction Enhanced Imaging (DEI): esse si basano sulla rivelazione degli effetti dovuti non all'assorbimento del fascio, come nell'imaging convenzionale, ma allo sfasamento subito dall'onda incidente nell'attraversamento del campione. Attualmente, però, nessuno studio è stato fatto per valutare l'applicabilità della tomografia alla mammografia, ambito diagnostico particolarmente delicato, poiché la necessità di una diagnosi precoce porta a dover individuare dettagli di dimensioni molto piccole o di contrasto molto basso mantenendo i livelli di dose quanto più bassi possibile per minimizzare il rischio di carcinogenesi indotta. La possibilità di impiegare fasci di raggi X monocromatici rende pensabile un impiego in mammografia della tomografia, poiché, come già dimostrato per la mammografia planare, selezionando una banda energetica molto stretta, si evita la cessione di dose da parte di componenti che contribuiscono in minima parte alla formazione dell'immagine. Questa tesi di dottorato è stata svolta nell'ambito della collaborazione SYRMEP, che ha realizzato presso la macchina di luce di sincrotrone ELETTRA a Trieste una beamline dedicata a uno studio di fattibilità di mammografia con fasci di raggi X monocromatici. Una delle attività più recenti della collaborazione si è svolta nell'ambito di un programma di cofinanziamento MURST coinvolgente le università di Ferrara, Trieste, Roma e Bologna per la realizzazione di un sistema integrato per mammografia TAC con fasci di raggi X quasimonocromatici e scintigrafia. Il ruolo del gruppo di Trieste all'interno di questa collaborazione era quello di fornire immagini che, grazie alle caratteristiche ottimali della radiazione di sincrotrone, fungessero da golden standard per le immagini acquisite con fasci quasi-monocromatici ottenibili da tubi a raggi X convenzionali mediante cristalli a mosaico. Il lavoro qui presentato si è sviluppato a partire da questo progetto: oltre a progettare, realizzare e studiare l'apparato impiegato per l'acquisizione di immagini di riferimento per l'esperimento TOMO-SPECT, si è valutata l'applicabilità diretta della tomografia con luce di sincrotrone alla mammografià. Inoltre, si sono studiate le modalità di utilizzo in tomografia della Diffraction Enhanced Imaging, già utilizzata nell'imaging planare: essa consente di ottenere informazione radiologica anche dalla radiazione diffusa, che nell'imaging convenzionale si vuole solitamente eliminare. Si è valutata, in particolare, la possibilità di impiegare anche questa tecnica in mammografia studiando la visibilità di dettagli di interesse mammografico e la dose ceduta per visualizzarli. Nel primo capitolo della tesi vengono presentate nel dettaglio le motivazioni dell'esperimento SYRMEP, le problematiche tipiche della mammografia convenzionale e le soluzioni proposte da SYRMEP. Vengono descritti la linea di luce SYRMEP a Elettra e i due sistemi di rivelazione utilizzati: un rivelatore laminare a pixel di silicio progettato appositamente per l'esperimento SYRMEP e un rivelatore bidimensionale commerciale di tipo a fosfori fotostimolabili, o imaging plate. Dei due rivelatori viene discussa in particolare l'efficienza al variare dell'energia, fondamentale per individuare l'energia ottimale di lavoro. Infine, si descrivono le motivazioni e gli obiettivi della collaborazione TOMO-SPECT: l'esperimento nasce dalla necessità di integrare l'informazione morfologica fornita dalla TAC a raggi X con quella funzionale fornita dalla scintigrafia. Inoltre, le immagini a raggi X sono utili a fornire una mappa precisa della distribuzione dei coefficienti di attenuazione dei materiali per effettuare correzioni alle immagini scintigrafiche. Nel secondo capitolo, dopo una trattazione teorica dei principi della ricostruzione tomografica e della tecnica di retroproiezione filtrata, si riportano i risultati di simulazioni volte a individuare l'intervallo di fluenza di fotoni incidenti sul campione entro il quale il rapporto segnale-rumore di un dettaglio cresce come √N come avviene nell'imaging planare. Si sono, inoltre, studiate le caratteristiche dei vari filtri impiegati per la ricostruzione dell'immagine e si sono valutati i filtri in grado di massimizzare il rapporto segnale-rumore di diversi dettagli di interesse mammografico. Il terzo capitolo presenta nel dettaglio le caratteristiche dell'apparato sperimentale progettato e poi realizzato per l'acquisizione di immagini tomografiche: si descrive, in particolare, la simulazione scritta per definire l'errore massimo tollerabile sulla non ortogonalità dell'asse di rotazione rispetto al piano del fascio. Successivamente, si presentano gli studi condotti per estendere alla geometria tomografica il concetto di dose ghiandolare media (DG M), comunemente usato per quantificare il danno ai tessuti in mammografia planare; sono state effettuate misure con dosimetri a termoluminescenza per determinare la distribuzione della dose in profondità all'interno dell'organo, e si è individuata una procedura per calcolare la dose che sarebbe necessaria cedere ad una mammella di diametro 12 cm per avere un rapporto segnale-rumore pari a quello ottenuto sperimentalmente in immagini di oggetti di piccole dimensioni contenenti dettagli di interesse mammografico. Si è inoltre studiata, per ciascuno dei due rivelatori e per dettagli di interesse sia della mammografia tomoagrafica raggi X, sia della SPECT, la figura di merito, grandezza che consente di determinare l'energia ottimale per minimizzare la dose ceduta a parità di informazione radiologica. Successivamente, si presentano le immagini di due oggetti-test progettati per valutare la risoluzione spaziale e la risoluzione in contrasto dei due rivelatori e per definire i parametri ottimali di scansione quali numero di proiezioni e tempi di acquisizione. Sulle immagini dell'oggetto-test utilizzato per valutare la risoluzione in contrasto si è verificata la capacità degli algoritmi di ricostruzione di riprodurre correttamente i coefficienti di attenuazione di materiali per i quali fossero reperibili dati in letteratura. Infine, per dimostrare la versatilità dell'apparato e degli algoritmi di ricostruzione studiati, si mostrano i risultati di alcuni studi di fattibilità di tomografia non concernenti la mammografia: tomografia di piccoli animali, di campioni di osso e di materiali compositi delle cui componenti si vuole determinare l'abbondanza. Nel quarto capitolo si valuta l'applicabilità alla tomografia della Diffraction Enhanced Imaging (DEI). Mediante l'uso di un cristallo di silicio uguale al monocromatore della linea posto tra il campione e il rivelatore, è possibile ottenere o immagini prive della componente di scattering oppure immagini in cui le componenti diffuse sono diversamente pesate. Si è valutata l'applicazione della DEI alla tomografia in due differenti casi: la rivelazione di effetti di bordo dovuti a repentine variazioni dell'indice di rifrazione nella direzione verticale e lo studio di effetti di modulazione del contrasto dovuti alla forma diversa delle curve di scattering di diversi materiali. Nel primo caso, la DEI ha consentito di completare l'informazione ottenuta dalla tomografia in assorbimento, grazie alla possibilità di risalire alla direzione di inclinazione di una struttura. Nel secondo caso, è stato possibile visualizzare dettagli non visibili con l'imaging in trasmissione, e misurare, combinando le immagini di scattering con l'immagine di puro assorbimento, le sezioni d'urto differenziali dei materiali presenti nell'oggetto test. Lo studio degli effetti di modulazione del contrasto è stato inoltre applicato ad un caso particolare, detto DEI digitale, della tecnica detta Digitai Phase Contrast; la DEI digitale consiste nell'acquisizione di immagini con effetti simili a quelli della DEI semplicemente disallineando il rivelatore laminare progettato per l'esperimento SYRMEP rispetto al fascio. Gli studi effettuati hanno provato non solo la possibilità di applicare, grazie all'impiego della luce di sincrotrone, la tomografia a un campo della radiologia critico come quello mammografico, ma anche di ottenere informazioni ulteriori, con modesti aumenti della dose, tramite l'uso di tecniche diverse da quelle impiegate nell'imaging convenzionale. Se gli stessi vantaggi verranno osservati su immagini di campioni in vitro, sarà pensabile l'applicazione della tomografia in assorbimento e con effetti di fase anche alla mammografia in vivo.
Description: 
1999/2000
URI: http://thesis2.sba.units.it/store/handle/item/12447
http://hdl.handle.net/10077/11418
Appears in Collections:PREGRESSO

Files in This Item:
File Description SizeFormat
19739.pdf48.02 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open
Show full item record


CORE Recommender

Page view(s)

1,038
checked on Jul 22, 2019

Download(s)

486
checked on Jul 22, 2019

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons