Da Grey’s Anatomy a Dr. House, ecco come funzionano le immagini mediche

In ogni puntata le immagini mediche dei pazienti hanno un ruolo importantissimo, perchè permettono di fare delle diagnosi molto accurate.

Se negli ultimi 120 anni la lunghezza media della vita è aumentata da 32 a 72 anni, questo è stato possibile in gran parte grazie ai miglioramenti delle tecnologie delle immagini mediche. Per creare le rappresentazioni degli organi e dei tessuti interni dei pazienti, le tecniche di immagini mediche utilizzano in diversi modi le onde elettromagnetiche (la luce a lunghezze d’onda diverse) e le onde sonore.

https://www.researchgate.net/figure/The-complete-electromagnetic- spectrum-with-the-spectral-subdivisions-of-the-visible_fig2_320616988

Immagini tramite la trasmissione – i raggi X

I raggi X (10^-10 m) sono onde elettromagnetiche con una lunghezza d’onda molto inferiore a quella della luce visibile all’occhio umano (10^-6 m). Per realizzare un’immagine che utilizza i raggi X, il paziente deve stare fermo tra una fonte che emette i raggi X e uno schermo che rileva la presenza dei raggi. Diverse parti del corpo assorbono i raggi in diversi modi: i tessuti duri riflettono le radiazioni e quindi sull’immagine queste parti risultano bianche, i tessuti molli invece assorbono i raggi e quindi l’immagine risulta grigia o nera. Il risultato è una immagine 2D dell’interno del paziente.

Per avere un’ immagine 3D, viene utilizzata la tomografia computerizzata: il paziente sta fermo in una stanza mentre la fonte di radiazioni e lo schermo ruotano attorno a lui. I raggi X sono utilizzati anche per la mammografia, che è un’ immagine del petto e del seno utilizzata per identificare luoghi in cui il tessuto è più duro e quindi dove si trova un potenziale tumore. Per realizzare un’ immagine di angiografia invece, si svolgono due scan della vena o arteria o capillare del paziente: una antecedente e una successiva all’inserimento di un agente contrastante nel flusso sanguigno. Così, sottraendo un’ immagine all’altra, risulta molto più chiara la struttura esatta della vena, arteria o capillare.

Il rischio principale dell’utilizzo delle radiazioni dei raggi X è che questi apportino una grande energia al tessuto che colpiscono, e ciò potrebbe fare mutare il materiale genetico di alcune cellule del paziente, aumentando il rischio della formazione di tumori. Per questa ragione è meglio non eccedere con gli scan a raggi X, che sono consigliati solo quando il medico reputa che lo scan sia necessario.

https://slideplayer.com/slide/6286903/

Immagini tramite la riflessione – gli ultrasuoni

Per creare un’ immagine con gli ultrasuoni, un trasduttore pizoelettrico emette onde sonore della frequenza MHz nel paziente. Diversi tessuti hanno una impedenza diversa, cioè una diversa resistenza alla propagazione delle onde sonore. Il cambio di impedenza dovuto al cambio di tipo di tessuto incontrato dal raggio, crea un’ onda riflessa che è rilevata dal trasduttore. Con i dati ottenuti si ricostruisce un’ immagine che mostra le diverse parti del corpo con diverse densità.

La tecnologia a ultrasuoni è utilizzata per molti scopi. L’elastografia è utilizzata per studiare le proprietà elastiche dei tessuti molli. L’ecocardiografia utilizza le tecnologie a ultrasuoni insieme all’effetto Doppler per studiare la velocità e la direzione del flusso sanguigno e il movimento delle valvole cardiache.

Le immagini a ultrasuono prodotte, non permettono di vedere nel dettaglio l’interno del paziente; tuttavia i vantaggi principali sono dovuti al fatto che questa è una tecnologia molto sicura, che non induce radiazioni pericolose e che monitora in tempo reale gli organi del paziente. Per questo motivo tale tecnica è utilizzata per monitorare i feti.

https://www.physics.utoronto.ca/~jharlow/teaching/phy138_0708/lec04/ultras oundx.htm

Immagini tramite l’emissione – la scintigrafia,  la SPECT e la PET

La scintigrafia è una tecnica di immagine medica nell’ambito della medicina nucleare. Una sostanza tracciante radioattiva è iniettata nel paziente. Questa sostanza quando decade emette radiazioni gamma che sono rilevate da un apparecchio apposito. Questo è poi in grado di ricostruire la provenienza del raggio, creando una immagine  bidimensionale in base alla distribuzione della sostanza. Grazie alla scintigrafia, molte informazioni sui tessuti e sugli organi del paziente possono essere ottenuti.

La SPECT è la versione tomografica (ovvero tridimensionale) della scintigrafia: l’apparecchio che rileva i raggi gamma ruota attorno al paziente producendo una immagine tridimensionale. Per le immagini PET invece, si inietta nel paziente una sostanza che emette i positroni. Quando i positroni si scontrano con gli elettroni nel corpo, questi si annichiliscono e emettono due raggi gamma in direzioni opposte. Le radiazioni sono poi catturate da un apparecchio che riesce a riaccoppiare i raggi gamma e che ricostruisce l’immagine tomografica. La PET è utilizzata per monitorare malattie e infezioni nelle ossa o per individuare tessuti in cui un cancro cresce velocemente. Quando la sostanza di tracciamento viene iniettata, questa si lega al glucosio F-18, che evidenzia le funzioni metaboliche della crescita. La crescita del tessuto cancerogeno richiede molta energia ottenuta da meccanismi metabolici, che vengono così evidenziati.

Si stanno svolgendo molte ricerche per le sostanze traccianti in modo da migliorare la qualità delle immagini nucleari. Il rischio maggiore è che il paziente sia allergico al reagente. Un altro potenziale problema è che la piccola quantità di radiazioni emessa potrebbe aumentare il rischio della formazione di tumori.

https://imaging.cancer.gov/imaging_basics/cancer_imaging/nuclear_imaging .htm

Immagini tramite eccitazione e rilassamento – la risonanza magnetica

La risonanza magnetica è possibile grazie alla presenza di idrogeno nel corpo umano (nei tessuti con acqua o lipidi). L’idrogeno ha un momento magnetico con una direzione, e questo si allinea al campo magnetico a cui è sottoposto. Il paziente è posto in una stanza con un campo magnetico forte a cui l’idrogeno si allinea. Poi delle onde a frequenza radio sono emesse nel paziente e eccitano le molecole con l’idrogeno modificando la direzione dei momenti magnetici dell’idrogeno. Quando la frequenza radio viene spenta, le molecole di idrogeno si rilassano e tornano ad avere la direzione del campo magnetico forte e emettono un segnale radio che viene rilevato. Il tempo tra lo spegnimento del segnale radio emesso e quello ricevuto, insieme alle informazioni sul gradiente magnetico, permettono di localizzare l’idrogeno e ricostruire un’ immagine medica.

La risonanza magnetica è utile per individuare i tessuti cancerogeni, per monitorare tessuti come i tendini, i nervi e i legamenti. La risonanza magnetica funzionare è utilizzata nelle immagini neurologiche per individuare le regioni del cervello che sono coinvolte quando il paziente svolge una particolare attività. Infatti queste aree coinvolte ricevono più flusso sanguigno che viene ossigenato e deossigenato, alterando il campo magnetico.

La risonanza magnetica è una tecnica di immagine molto sicura; tuttavia può essere pericolosa per donne incinte e se il paziente ha all’interno del corpo apparecchi magnetici come i pacemakers. In questi casi non può essere effettuata.

https://www.researchgate.net/figure/A-The-right-knee-magnetic-resonance- imaging-MRI-showed-a-complete-discoid-medial_fig1_319424514

I progressi e le innovazioni

Si stanno effettuando molte ricerche per aumentare i vantaggi apportati dalle immagini mediche e per diminuire i rischi che queste tecnologie comportano. I progressi della tecnologia e l’utilizzo di modelli svolti a computer ci stanno aiutando a creare immagini migliori come ad esempio a tenere conto del movimento del paziente mentre l’immagine viene costruita.

Nuovi tipi di immagini, come la FNIR, le immagini fotoacustiche e la MPI sono in corso di sviluppo. Il primo servirebbe a creare immagini del cervello e delle connessioni tra i neuroni. Il secondo sarebbe una tecnologia ibrida che utilizzerebbe le proprietà ottiche di assorbimento e contrasto insieme alla tecnologia a ultrasuono, e sarebbe utile a mappare tumori, l’ossigenazione del sangue, i melanomi della pelle e le funzioni del cervello. Il terzo servirebbe a tracciare nano-particelle super magnetiche di ferro e ossigeno necessarie per le funzioni cardiovascolari e ad alcune cellule. Inoltre nuove sostanze traccianti si stanno sviluppando per utilizzare la PET per determinare se sono presenti infezioni batteriche o altre malattie.

I progressi nelle tecniche delle immagini mediche hanno rivoluzionato la medicina e la qualità della vita umana. Scoperte e avanzamenti in questo campo avranno enormi impatti sulla vita delle persone, e si spera che, in un futuro, queste tecnologie ci aiuteranno a diagnosticare le malattie con più precisione e più preavviso.

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