Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)

Strumento per analisi SPECT

Fig.1 - Strumento per analisi SPECT

Introduzione

La SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) è una tecnica tomografica in cui l'acquisizione dei dati si effettua mediante rotazione delle testate di rivelazione della gammacamera intorno al corpo del paziente. Ad ogni diversa angolazione, viene acquisita un'immagine planare (planar-imaging) detta proiezione; l'insieme di tali proiezioni consente poi di ottenere delle informazioni più realistiche, in tre dimensioni (SPECT-imaging), visualizzabili sotto forma di sezioni transassiali - immagini radiologiche relative a sottili strati (di spessore inferiore a 1 cm) delle strutture corporee indagate, ricavate secondo piani assiali, cioè trasversali rispetto all’asse corporeo maggiore - ottenute tramite utilizzo di appositi algoritmi di ricostruzione.[1]

Sezioni transassiali del cuore ricavate tramite la tecnica di SPECT-imaging

Fig.2 - Sezioni transassiali del cuore ricavate
tramite la tecnica di SPECT-imaging

Analogamente alla PET, la tomografia computerizzata a emissione singola di fotoni permette di ottenere delle informazioni funzionali su un organo specifico o su tutto il corpo del paziente. La radiazione interna è amministrata per mezzo di un farmaco marcato con un isotopo radioattivo, o elemento tracciante (tipicamente il tecnezio). Esso può essere iniettato, ingerito, o inalato. L'isotopo radioattivo decade mediante emissione dei raggi gamma che, in seguito alla rivelazione, forniscono un'immagine di ciò che avviene all'interno del corpo del paziente.
La SPECT sfrutta dunque una tecnologia simile alla PET ma più semplice: in questo caso infatti si impiegano dei radiofarmaci marcati con isotopi che emettono direttamente radiazioni g. Come il nome stesso suggerisce (TC a emissione di fotoni singoli), i raggi g emessi dal tracciante radioattivo sono la sola fonte delle informazioni ottenute: essi vengono raccolti nella gammacamera e poi analizzati al fine di ricostruire un'immagine della struttura di provenienza. In questo modo è possibile determinare il funzionamento di un organo o un'altra particolare struttura corporea.

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Principi di Funzionamento

La scintigrafia SPECT utilizza la radioattività per differenti scopi: diagnosticare la presenza di un tumore o le sue metastasi; studiare il funzionamento del cuore o del fegato; per verificare la presenza di un embolo che ostruisce un vaso sanguigno; etc. Con un'unica iniezione di tracciante radioattivo si può anche studiare tutto il corpo. La radioattività è debole e quindi non pericolosa, e la sostanza radioattiva viene eliminata entro qualche giorno.

Il tracciante più comunemente utilizzato è il tecnezio. Esso viene inserito in composti sintetizzati in modo tale da essere assimilati specificamente dal tessuto da indagare. Ad esempio, volendo studiare le ossa, il tecnezio viene unito a molecole contenenti fosfato, che è un elemento di base nella formazione delle ossa. Il composto marcato così ottenuto, dopo essere stato iniettato nel corpo del paziente, si fissa sulle ossa. Essendo radioattivo, il tecnezio emette raggi gamma rivelabili tramite la gammacamera multitesta che viene fatta muovere lentamente al di sopra del paziente disteso. Le molecole marcate con il tecnezio appaiono sullo schermo di un computer come punti scintillanti. La presenza eventuale di una concentrazione anomala di punti su un osso, evidenzia un'iperattività che spesso è sinonimo di lesione o malattia.[2]

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Protocolli di acquisizione

La SPECT camera consente di effetture vari tipi di acquisizione

  1. Planar Imaging
  2. Planar Imaging Dinamico
  3. SPECT Imaging
  4. Gated SPECT Imaging

Planar Imaging

Si tratta del più semplice protocollo di acquisizione dell'immagine. In questo caso i rivelatori sono mantenuti in posizione fissa rispetto al paziente, e i dati ottenuti provengono, dunque, da un'unica angolazione. L'immagine creata mediante questo tipo di acquisizione è simile ad una radiografia a raggi X. Tale protocollo si applica generalmente per gli esami delle ossa.

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Planar Imaging Dinamico

Dal momento che la gammacamera, in un'analisi di tipo planare, viene mantenuta in posizione fissa, è possibile osservare il movimento del radiotracciante attraverso il corpo tramite acquisizione di una serie successiva d'immagini planari del paziente, in un determinato periodo di tempo.
Ciascuna proiezione è il risultato dell'insieme dei dati ottenuti durante un breve intervallo di tempo, tipicamente 1-10 secondi. Se si effettuano diverse proiezioni in un tempo più lungo, allora è possibile vedere l'animazione del movimento del tracciante e, su questa base, si può effettuare l'analisi dei dati. Il planar imaging dinamico è comunemente usato per misurare il flusso attraverso i filtri glomerulari renali.

SPECT Imaging

Ruotando la gammacamera attorno al paziente, essa acquisterà una serie di proiezioni della distribuzione del tracciante ottenute sotto differenti angolazioni. Mettendole insieme, è possibile operare la ricostruzione di un'immagine tridimensionale della distribuzione del radiofarmaco nel corpo.

Gated-SPECT Imaging

La scintigrafia miocardica gated-SPECT è una metodica non invasiva di carattere funzionale. Essa consente di valutare, in un unico test e mediante un'unica acquisizione di immagini, informazioni sulla perfusione miocardica e la funzione ventricolare (regionale e globale).

Perfusione miocardica e funzione ventricolare

Dal momento che il cuore è un organo in movimento, tramite una SPECT regolare si ottiene un'immagine complessiva corrispondente alla posizione media dell'organo nel tempo dell'esplorazione. E' possibile "vedere" il cuore ai vari stadi del suo ciclo di contrazione, scomponendo l'immagine media così ottenuta, nella serie delle proiezioni acquisite, ognuna, in una minima frazione del tempo complessivo dell'analisi. Ciascuna di queste "sotto-immagini" descrive il cuore ad un stadio differente del ciclo. Per fare questo, la macchina SPECT deve essere collegata ad una macchina di ECG per la misura del battito del cuore. [3]
Animazione di una traccia ECG normale in prima derivazione

Fig.5 - Animazione di una traccia ECG normale in prima derivazione

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Ricostruzione delle Immagini

L'algoritmo di ricostruzione tomografica delle immagini più comunemente utilizzato è la Retroproiezione Filtrata (Filtered Backprojection Metod, FBP).
Esso consente la ricostruzione d'immagini di buona qualità e di rilevante utilità diagnostica in tempi accettabili per l'impiego clinico. Gli stadi del processo sono i seguenti:

  1. Proiezione dei dati originali
  2. Trasformazione dei dati (dominio di Fourier)
  3. Filtraggio dei dati
  4. Trasformazione inversa dei dati (dominio spaziale)
  5. Retroproiezione

Proiezione dei dati

Mentre la gammacamera ruota attorno al paziente, essa crea una serie d'immagini planari dette proiezioni. Ogni volta che si ferma, soltanto i fotoni muoventisi in direzione perpendicolare rispetto alla superficie della camera riescono a passare attraverso il collimatore. Dal momento che molti di questi fotoni provengono da sorgenti radioattive localizzate su organi disposti a differenti profondità nel corpo del paziente, si ottiene, come risultato, la sovrapposizione dei segnali emessi da tutti gli organi che si trovano lungo uno specifico percorso; una situazione molto simile, questa, a quella che si verifica generalmente in una radiografia a raggi X, dove il passaggio dalla realtà tridimensionale alla proiezione bidimensionale provoca inevitabilmente la sovrapposizione di certe strutture anatomiche

Fig.6 - Proiezione in due dimensioni di un oggetto tridimensionale

A differenza della radiologia, però, uno studio di SPECT può disporre di molte immagini planari acquistate a varie angolazioni. Lo scopo finale è di ottenere immagini tomografiche, cioè di sezioni del corpo, in genere assiali, dal cui insieme sia possibile ottenere una visione tridimensionale, più realistica e accurata, della struttura in analisi

Film che visualizza l'insieme delle proiezioni
acquisite per l'esplorazione delle ossa di un paziente Fig.7 - Film che visualizza l'insieme delle proiezioni
acquisite per l'esplorazione delle ossa di un paziente
La ricostruzione avviene a partire dal sinogramma, che è una matrice in cui sono raccolte le proiezioni di una singola, sottile sezione, ottenute ruotandole attorno. In questo modo, l'immagine tomografica elimina le ambiguità di interpretazione, dovute alle sovrapposizioni, mostrando una fedele riproduzione della sezione stessa.
Lo scopo del processo di ricostruzione è richiamare la distribuzione spaziale del radiofarmaco dai dati della proiezione.[4a]


Sinogramma spina dorsale


Fig.8 - Sinogramma spina dorsale




Immagine tridimensionale spina dorsale

Fig.9 - Immagine tridimensionale spina dorsale

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Trasformazione dei dati

La retroproiezione consente di ottenere le immagini relative alla distribuzione dell'attività dell'oggetto in esame partendo dalle proiezioni acquisite e retroproiettando verso il centro del sistema di rotazione (isocentro della gammacamera) i profili dei conteggi acquisiti.

Retroproiezione di un oggetto rettangolare tramite due proiezioni

Fig.10 - Retroproiezione di un oggetto rettangolare tramite due proiezioni.

Proiezioni e Retroproiezioni di un sorgente radioattiva, acquisite a intervalli di 45°, rappresentate come i lati di un ottagono

Fig.11 - Proiezioni (A) e Retroproiezioni (B) di un sorgente radioattiva,
acquisite a intervalli di 45° e rappresentate come i lati di un ottagono

Le immagini illustrano semplici esempi di retroproiezione: si tratta di riproiettare le immagini planari ottenute lungo le stesse direzioni di provenienza dei fotoni originari ma in verso opposto, al fine di ottenere un'approssimazione dell'oggetto. Le proiezioni interagiscono costruttivamente nelle regioni corrispondenti alle sorgenti d'emissione.

Dagli esempi, però, si evince che la retroproiezione non potrà mai produrre una buona ricostruzione, infatti, l'intensità di una data proiezione è applicata a tutti i punti lungo il raggio che la ha prodotta, quindi anche i punti esterni all'oggetto originario ricevono un contributo. Nelle condizioni suddette, si producono, all'atto della ricostruzione tipici artefatti detti "a stella" (vedi Fig.12):

Artefatti a stella in una ricostruzione d'oggetti localizzati

Fig.12 - Artefatti a stella in una ricostruzione d'oggetti localizzati.

Aumentando il numero delle proiezioni utilizzate (che in ogni modo nel caso pratico resterà limitato), gli artefatti a stella tendono ad essere sempre più mascherati e a lasciare in ogni caso un annebbiamento di fondo nella ricostruzione (vedi Fig.12). [5]

Inoltre, data la natura casuale degli eventi radioattivi, si registra, nei dati, un rumore tale da provocare la degenerazione delle immagini ricostruite.

Per ovviare a tali problemi è necessario filtrare le immagini, cioè effettuare un'operazione di convoluzione tra la funzione immagine e la funzione filtro. Si tratta di un'operazione informaticamente intensa che associa a due funzioni, definite in un dominio, una terza funzione data dalla combinazione delle precedenti. In questo caso, combinando l'output (immagine) ottenuto dal sistema con il filtro (funzione correttiva), il rapporto convolutivo consente di ottenere un output corretto, il più vicino possibile alla distribuzione spaziale reale del radiofarmaco.
Il processo di convoluzione nel dominio spaziale è equivalente ad una moltiplicazione nel dominio di frequenza[6]

operazione di convoluzione

Per comprendere il significato di dominio spaziale e dominio di frequenza si consideri il seguente esempio illustrativo:

la casa della vecchia signora Fourier
La figura mostra lo steccato circostante la casa della vecchia signora Fourier. Poiché la signora ha vissuto a lungo qui senza mai occuparsi della manutenzione del suo steccato, esso risulta piuttosto decrepito: una volta i picchetti erano tutti uniformemente distanziati tra di loro e, in termini di dominio spaziale, se ne contavano esattamente 33 lungo i 10 metri di larghezza della proprietà della signora. Tutto ciò può essere espresso nel dominio di frequenza dicendo che la frequenza del picchetto è di 3.3 picchetti per metro (3.3 m-1).

Quando la recinzione era nuova, si poteva tracciare graficamente, nel dominio spaziale, il numero di picchetti contro la lunghezza; lo stesso diagramma è tracciato anche nel dominio di frequenza:

Diagrammi nel dominio spaziale e di frequenza

Fig.13 - Diagrammi nel dominio spaziale (n° picchetti vs lunghezza) e di frequenza (n° picchetti vs frequenza)

Nel dominio spaziale, si trova un picco ogni 0.3 m sulla lunghezza complessiva di 10 m; il passaggio al dominio di frequenza porta ad ottenere, invece, un grande picco a 3.3 m-1, che corrisponde alla frequenza alla quale compaiono tutti i picchetti dello steccato.

Non appena alcuni dei picchetti spariscono a causa dell'usura, si verifica un cambiamento in questi diagrammi:

Diagrammi nel dominio spaziale e di frequenza

Fig.14 - Diagrammi nel dominio spaziale (n° picchetti vs lunghezza) e di frequenza (n° picchetti vs frequenza)

Alcuni dei picchi scompaiono dal diagramma spaziale, mentre nello spazio di frequenza emerge un secondo picco a 1 m-1 (ora non tutti i picchetti si trovano a 0.3 m l'uno dall'altro, alcuni sono distanziati di 1 m).

Questo cambiamento nel modo di visualizzare gli stessi dati è detto trasformazione. Nella formazione di un'immagine SPECT viene operata una trasformazione simile dei dati di proiezione nel dominio di frequenza in maniera tale da poter filtrare più efficientemente i dati. Tale trasformazione è la cosiddetta Trasformata di Fourier Monodimensionale. [4b]

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Filtraggio dei dati

Una volta che i dati sono stati trasformati nel dominio di frequenza, essi vengono filtrati in maniera tale da ridurre gli effeti negativi del fondo eliminando le componenti a basse ed alte frequenze, di scarsa utilità per la ricostruzione dell'immagine, che sono generalmente caratterizzate da un pessimo rapporto segnale/rumore.

Esistono diversi tipi di filtri:

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Trasformazione inversa dei dati[4c]

A questo punto, i dati filtrati devono essere riportati nel dominio spaziale (trasformazione inversa) al fine di ottenere le coordinate cartesiane (x,y,z) della distribuzione. Tale trasformazione si effettua in modo analogo a quanto fatto per la trasformazione iniziale, solo che in questo caso deve essere applicata la Trasformata monodimensionale inversa di Fourier.

I dati così ottenuti risultano simili al sinogramma originale (a sinistra), rispetto al quale godono, tuttavia, grazie al processo di filtraggio, di maggior chiarezza e nitidezza:

Sinogramma prima del filtraggio

Fig.15 - Sinogramma prima del filtraggio
Sinogramma dopo il filtraggio

Fig.16 - Sinogramma dopo il filtraggio

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Retroproiezione[4d]

L'ultimo step consiste nel cosiddetto processo di retroproiezione: ciascuna proiezione viene "spalmata" all'indietro lungo la stessa direzione in cui è stata ottenuta, cioè perpendicolarmente alla superficie d'entrata dei fotoni emessi nella gammacamera. Le regioni in cui le linee di retroproiezione provenienti da diverse angolazioni s'intersecano, rappresentano le aree a più alta concentrazione di radiotracciante.

Retroproiezione


Fig.17 - Retroproiezione (clicca sull'immagine per vedere un filmato MPEG rappresentante il processo di retroproiezione).

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Applicazioni della SPECT [8]

Questa sezione fornisce alcuni esempi dei numerosi studi che possono essere effettuati tramite la tecnica SPECT. Tra i più importanti compaiono:

  1. Heart Imaging (Imaging del Cuore)

    Esame miocardico in condizioni di stress, effettuato con tracciante MIBI Fig.18 - Esame miocardico in condizioni di stress, effettuato con tracciante MIBI. Le regioni del cuore non irrorate sono visualizzate con un colore più freddo.


  2. Brain Imaging (Imaging del Cervello)

    Immagine trasversale del cervello Fig.19 - Immagine transassiale del cervello. Si notino i punti più chiari nella parte inferiore destra.


  3. Kidney/Renal Imaging (Imaging dei Reni)

    Serie d'immagini planari dei reni ottenute usando il tracciante MAG3 (un analogo del glucosio) Fig.20 - Serie d'immagini planari dei reni ottenute usando il tracciante MAG3 (un analogo del glucosio). Clicca sull'immagine per visualizzare un breve filmato sulla dinamica del processo.


  4. Bone Scans (Imaging delle Ossa)

    Analisi dello scheletro per la valutazione della crescita delle ossa e dell'eventuale presenza di tumori in esse. Fig.21 - Analisi dello scheletro per la valutazione della crescita delle ossa e dell'eventuale presenza di tumori (macchie scure nell'immagine) in esse.

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Bibliografia

  1. torna su Di Cesaria L. Validazione di un protocollo per l'analisi semiquantitativa di SPECT celebrali, con ligando dei trasporatori della dopamina tramite prove su "fantoccio", 2005, tesi, p. 19 (Full text).
  2. torna su http://www.torinoscienza.it/ (Scintigrafia).
  3. torna su http://www.physics.ubc.ca/~mirg/home/tutorial/acquisition.html
  4. torna su a b c d http://www.physics.ubc.ca/~mirg/home/tutorial/fbp_recon.html
  5. torna su http://info.casaccia.enea.it/triga/TRITON/italiano.htm (Ricostruzione dell'immagine: il problema tomografico).
  6. torna su Di Cesaria L. Validazione di un protocollo per l'analisi semiquantitativa di SPECT celebrali, con ligando dei trasporatori della dopamina tramite prove su "fantoccio", 2005, tesi, pp. 20-21 (Full text).
  7. torna su Di Cesaria L. Validazione di un protocollo per l'analisi semiquantitativa di SPECT celebrali, con ligando dei trasporatori della dopamina tramite prove su "fantoccio", 2005, tesi, pp. 21-22 (Full text).
  8. torna su http://www.physics.ubc.ca/~mirg/home/tutorial/applications.html
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