• ASIR
• dose in TC
• MTF
• NPS

Le diverse tecniche di imaging radiologico sono diventate nel corso degli anni uno strumento indispensabile nella diagnosi di un numero sempre maggiore di patologie umane, grazie alla loro grande evoluzione tecnologica. L'uso di radiazioni ionizzanti in diagnostica medica ha avuto, per questo motivo, un notevole incremento negli ultimi decenni. In particolare, la tomografia computerizzata (TC) a raggi X è stata oggetto di rilevante sviluppo, che ha consentito un miglioramento della qualità delle immagini tomografiche ed introdotto nuove applicazioni cliniche. Parallelamente, nei paesi industrializzati, la TC è diventata la maggiore fonte di esposizione della popolazione alle radiazioni ionizzanti, il cui impiego comporta rischi per i pazienti che non possono essere sottovalutati.
La crescente attenzione a proposito dei rischi legati all'impiego di radiazioni ionizzanti, le prospettive di utilizzo della TC a bassa dose come metodica di screening per il cancro del colon e del polmone, ed i recenti progressi nell'ambito dei metodi di ricostruzione delle immagini TC, sono le motivazioni principali che hanno portato allo sviluppo di questo lavoro, che ha l'obiettivo di valutare le potenzialità ed i limiti di un particolare algoritmo di ricostruzione iterativa (ASIR, da Adaptive Statistical Iterative Reconstruction, software commerciale della General Electric) a proposito dell'ottimizzazione del compromesso dose-qualità delle immagini.
In questo lavoro di tesi è stata effettuata una caratterizzazione accurata e sistematica delle immagini ricostruite interamente mediante tale algoritmo ASIR ed un confronto con immagini, realizzate nelle stesse condizioni sperimentali, ricostruite mediante algoritmi tradizionali (FBP, da Filtered Back-Projection) e mediante diverse combinazioni ASIR-FBP ("livelli" ASIR). E' stato necessario effettuare questo tipo di analisi (a partire dai "risultati", cioè dalle immagini) in quanto si tratta di algoritmi commerciali di cui non sono noti i dettagli tecnici; a causa di queste difficoltà, infatti, in letteratura non esistono studi rigorosi e sistematici su ASIR.
In particolare, inizialmente sono stati approfonditi gli aspetti relativi alla TC come metodica di imaging, riservando particolare attenzione ai metodi di ricostruzione e al problema dosimetrico; è stato dato ampio spazio all'analisi sperimentale ed alla descrizione dei principali parametri di qualità delle immagini, come il rumore e la risoluzione spaziale.
Sono stati infatti introdotti i fenomeni fondamentali di interazione radiazione-materia, necessari alla comprensione della TC, e le principali grandezze dosimetriche, che permettono di discutere accuratamente i metodi di riduzione della dose e le possibili applicazioni della TC nell'ambito dei programmi di screening. Sono stati esposti i fondamenti teorici delle due tipologie principali di algoritmi di ricostruzione delle immagini (FBP ed algoritmi iterativi), essenziali per presentare l'analisi sperimentale. Nella pratica, sono state acquisite immagini tomografiche di fantocci standard adoperati normalmente nei controlli di qualità delle macchine TC, seguendo i protocolli di scansione tipici della pratica clinica. La successiva analisi delle immagini ha riguardato uno studio del rumore (inteso come deviazione standard dei livelli di grigio su una regione d'interesse dell'immagine (ROI da Region Of Interest)) e della risoluzione spaziale assiale, che sono i principali parametri di qualità di un'immagine TC.
Più in dettaglio, per quanto riguarda l'analisi del rumore, sono state acquisite immagini di due fantocci omogenei di diverse dimensioni (fantoccio GE utilizzato per controlli di qualità e Catphan 504) ed è stato valutato il livello di rumore per diversi protocolli in funzione dei principali parametri di scansione (corrente del tubo, voltaggio, spessore dello strato ricostruito e pitch). I risultati sono stati interpretati tenendo conto anche degli andamenti attesi dalla teoria. Poichè il livello di rumore nelle immagini è legato strettamente alla dose erogata durante l'esame TC, per tutte le variazioni dei protocolli è stato eseguito un confronto ASIR-FBP (per diversi livelli ASIR) e sono state esaminate le potenzialità di ASIR a proposito della riduzione della dose. In aggiunta, è stata valutata la dipendenza del rumore dalla dimensione della ROI considerata e dalla sua posizione nell'immagine, evidenziando la correlazione con le dimensioni dei due fantocci. Infine, è stato analizzato il rumore nel dominio delle frequenze spaziali tramite un'analisi spettrale, attraverso il calcolo del Noise Power Spectrum (NPS) in 3D, 2D e 1D. Anche in questo caso è stato fatto un confronto ASIR-FBP per immagini ricostruite con diversi livelli ASIR, mettendo in luce le differenze tra i NPS per i due algoritmi. Da questa analisi è emerso principalmente che l'algoritmo ASIR ha ridotto il rumore nelle immagini rispetto alla FBP, spostando il picco del NPS verso le basse frequenze spaziali.
Per quanto riguarda la risoluzione spaziale assiale, sono state acquisite immagini di una regione del fantoccio Catphan 504, contenente degli inserti di diversi materiali in un ampio range di contrasto. La risoluzione spaziale è stata valutata nel dominio delle frequenze spaziali, tramite il calcolo della Modulation Transfer Function (MTF), calcolata attraverso il metodo della Edge Spread Function, in funzione del contrasto e della corrente anodica. Per verificare questo metodo, è stato eseguito anche un calcolo della MTF tramite il metodo "standard" adoperato nei controlli di qualità in TC, ossia tramite il metodo della Point Spread Function. Anche in questo caso l'analisi è stata effettuata al variare dei livelli di ASIR ed è stato eseguito un confronto con la FBP per tutti i valori della corrente e per i vari contrasti. A differenza di quanto emerso nel caso di ricostruzione con FBP, per ASIR si è osservata una dipendenza della MTF dal contrasto e dalla corrente in situazioni di basso contrasto e bassi valori dei mA. Questa dipendenza è maggiormente accentuata per alte percentuali dei livelli ASIR ed in questi casi ASIR ha peggiorato la risoluzione spaziale rispetto alla FBP. Nelle altre situazioni esaminate, ASIR non ha degradato la risoluzione spaziale e dunque, considerando i risultati dell'analisi di rumore, si propone come validissima alternativa alla FBP.
Grazie ai dati derivanti dall'analisi di rumore e a quelli ottenuti dall'analisi della risoluzione spaziale assiale, è stato possibile fare una valutazione oggettiva delle potenzialità di ASIR per quanto riguarda la riduzione della dose e dei suoi limiti in termini di degrado della risoluzione spaziale assiale.
L'analisi del rumore e della MTF, eseguita per diversi protocolli vicini alla pratica clinica, in funzione di differenti livelli di ASIR, rende questo lavoro un importante punto di riferimento per l'ottimizzazione del compromesso dose-qualità delle immagini.