Tomografia computerizzata a conteggio dei fotoni, il futuro dell’imaging medico
La tomografia computerizzata a conteggio dei fotoni è una tecnica avanzata di imaging medico che offre una risoluzione spaziale, spettrale e di contrasto superiore rispetto alla TC convenzionale, fornendo benefici significativi per la caratterizzazione della malattia e consentire nuovi approcci diagnostici.
La tomografia computerizzata a conteggio dei fotoni (PCCT) è una tecnica avanzata di imaging medico che si differenzia dalla TC a raggi X convenzionale in quanto può discriminare tra le energie dei singoli fotoni rilevati.
Offrendo una risoluzione spaziale, spettrale e di contrasto superiore rispetto alla TC convenzionale, il PCCT potrebbe offrire benefici significativi per la caratterizzazione della malattia e consentire nuovi approcci diagnostici.
La TAC convenzionale misura l’attenuazione delle radiografie dopo il passaggio del corpo, permettendo ai clinici di monitorare l’anatomia normale e anomala e fornendo informazioni preziose per la diagnosi e il trattamento delle malattie.
I vantaggi promessi dal PCCT derivano principalmente dalle diverse caratteristiche dei rivelatori: gli scanner CT convenzionali utilizzano rivelatori integranti di energia (EID) mentre i PCCT impiegano rivelatori a semiconduttori con conteggio dei fotoni.
I sistemi PCCT offrono una migliore efficienza di dosaggio rispetto alla TC convenzionale e richiedono una dose di radiazione inferiore rispetto alla TAC standard, riducendo il rischio per la persona sottoposta alla scansione.
Gli scanner PCCT, invece, impiegano rivelatori di conteggio dei fotoni che convertono direttamente l’energia dei fotoni in segnali elettrici.
Questi rivelatori consistono in uno strato di semiconduttore posto tra un catodo sul lato superiore e un anodo sottostante.
La TC convenzionale si basa su software di post-elaborazione per migliorare la risoluzione dell’immagine e ridurre il rumore elettronico intrinseco nel suo hardware fisico.
Ma gli algoritmi tradizionalmente usati per la ricostruzione delle immagini – che includono la retroproiezione, la retroproiezione filtrata e gli algoritmi di ricostruzione iterativa – possono ridurre la risoluzione spaziale e causare sfocatura.
La ricostruzione basata sul deep learning, invece, può indurre artefatti (come generare oggetti che non esistono o rimuovere vere piccole strutture anatomiche), specialmente in scenari a bassa dose dove i dati di addestramento sono limitati.
Per ottenere un’alta risoluzione nella TC convenzionale, è necessario un filtro a bassa energia nel fascio di raggi X, che aumenta la dose di radiazione richiesta.
Il design del rivelatore PCCT, con dimensioni di pixel ridotte, lo rende una tecnica intrinsecamente ad alta risoluzione.
La qualità dell’immagine può essere ulteriormente migliorata utilizzando algoritmi come la ricostruzione quantistica iterativa, che ha dimostrato di ridurre il rumore dell’immagine fino al 34,5%.
La capacità del PCCT di distinguere l’energia dei fotoni consente anche la decomposizione dei materiali, che consente la generazione di una gamma di immagini avanzate.
Ciò include immagini monoenergetiche virtuali ricostruite a un singolo livello energetico per amplificare gli agenti di contrasto senza ridurre la dose, e immagini virtuali senza contrasto, che permettono la sottrazione digitale di particolari materiali senza necessità di una nuova scansione.
I vantaggi tecnici della PCCT hanno migliorato significativamente le applicazioni diagnostiche della TC in una moltissima di discipline mediche.
Ad esempio, uno studio prospettico su 200 adulti con cancro ai polmoni che hanno sottoposto sia PCCT che EID CT ha mostrato che PCCT ha superato la TC convenzionale nella gestione del cancro polmonare.
I principali risultati sono stati che PCCT aveva una dose efficace di radiazione inferiore, una minore esposizione allo iodio (un colorante usato per aumentare il contrasto dell’immagine) e una maggiore fiducia nella rilevazione e nella diagnosi per le caratteristiche maligne correlate all’amplificazione.
Analogamente, in uno studio sull’angiografia polmonare con TC, la PCCT ha ridotto il carico totale di iodio del 26,7% e il volume dell’indice di dose della CT del 24,4%.
Questo può potenzialmente ridurre il rischio per il paziente, oltre a fornire benefici ambientali e finanziari.
L’elevata efficienza dosistica del PCCT lo rende particolarmente efficace in applicazioni pediatriche, poiché i bambini sono più radiosensibili rispetto agli adulti.
I bambini hanno anche organi più piccoli, rendendo la risoluzione ultra-alta fornita dal PCCT particolarmente utile, ad esempio nella rilevazione di piccoli e complessi difetti cardiaci in neonati e neonati.
La produzione dei materiali semiconduttori utilizzati nel PCCT è però costosa :gli scanner PCCT possono costare oltre 2 milioni. E i grandi set di dati generati dalla scansione multi-energetica richiedono una grande quantità di potenza di calcolo e tempo per essere elaborati e ricostruiti.
Il PCCT è una tecnologia altamente promettente che sostituisce i tradizionali meccanismi di rilevamento indiretto con il rilevamento diretto utilizzando materiali semiconduttori.
Il PCCT offre una qualità dell’immagine superiore grazie a una maggiore risoluzione spaziale e spettrale, maggiore efficienza nelle dosi e la capacità di eseguire imaging quantitativo.
Le capacità multi-energetiche del PCCT spostano l’immagine dal fornire informazioni puramente strutturali all’includere anche informazioni funzionali.
L’uso clinico attuale è limitato principalmente a causa dei costi più che della capacità diagnostica, con la mancanza di studi clinici che rende difficile giustificare l’elevato costo.
Tuttavia, i potenziali impatti per ottimizzare l’assistenza sanitaria potrebbero essere enormi. Forse è inevitabile che, con la diminuzione dei costi con l’evoluzione della tecnologia, l’uso clinico della PCCT superi in futuro la TAC convenzionale e diventi la tecnica standard.
Immagine: MARS Bioimaging
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