La scienza e le applicazioni dell'imaging medico

Gli organi interni e le ossa del nostro corpo sono coperti da barriere cutanee e altri tessuti e quindi non sono visibili ad occhio nudo. Il termine «imaging medico» viene utilizzato per riferirsi a tecniche che ci consentono di visualizzare l'interno del corpo. Questo articolo ti aiuterà a capire cos'è l'imaging medico e in che modo svolge un ruolo importante nella gestione del paziente oggi.

Che cos'è la diagnostica per immagini mediche?

La diagnosi è il processo di identificazione di una specifica malattia o malattia sulla base di un esame approfondito del paziente. Sfortunatamente, la maggior parte delle malattie e delle condizioni colpisce aree del corpo che normalmente non sono visibili ad occhio nudo. L'imaging medico diagnostico può aiutare nella diagnosi consentendoci di visualizzare eventuali anomalie che potrebbero esistere all'interno del corpo. Ad esempio, in un paziente che ha subito un trauma, l'imaging medico può dirci se alcune ossa sono rotte o lussate.

Come funziona l'imaging medico?

L'imaging medicale diagnostico si basa sull'uso di onde «invisibili», come radiazioni elettromagnetiche, campi magnetici o onde sonore. Conoscere questi diversi tipi di onde ci aiuta a capire in cosa consiste la scienza dell'imaging medico. Le onde in genere provengono da una sorgente posizionata su un lato del corpo, viaggiano attraverso il corpo (e attraverso la regione di interesse) e colpiscono un rilevatore posizionato sull'altro lato del corpo. Le onde vengono assorbite a vari livelli da diversi tessuti corporei. In questo modo il rilevatore sviluppa un'immagine composta da «ombre» di vari tessuti corporei. Le prime forme di imaging medicale, come le radiografie, utilizzavano una piastra fotorilevatore, che richiedeva l'elaborazione della pellicola prima della visualizzazione. L'imaging medicale avanzato oggi consente di acquisire direttamente le immagini tramite una telecamera di rilevamento e le immagini possono essere visualizzate digitalmente su un monitor.

Per che cosa si usa Medical Imaging?

Sebbene gran parte dell'imaging medicale venga eseguita principalmente per motivi diagnostici, ha anche molte altre applicazioni. Di seguito sono descritte alcune delle applicazioni più comuni dell'imaging medicale:

• Diagnosi spot: come suggerisce il nome, questa è l'applicazione più comune dell'imaging medico diagnostico. Un'immagine può dirci, a colpo d'occhio, cosa c'è esattamente che non va nel paziente. Le radiografie semplici e le TC aiutano a rilevare fratture, cisti, tumori e anomalie dell'osso.

• Monitoraggio della progressione della malattia: l'imaging medico diagnostico viene spesso utilizzato per determinare lo stadio e la progressione della malattia. In un paziente affetto da cancro, è possibile utilizzare una TC con mezzo di contrasto o una risonanza magnetica per determinare lo stadio esatto della malattia, mentre le scansioni PET possono rilevare eventuali metastasi. La SPECT, un tipo di scansione ossea, è stata trovata utile per monitorare la progressione nella malattia di Parkinson.

• Pianificazione del trattamento: l'imaging medico aiuta anche nella pianificazione del trattamento consentendo ai chirurghi di determinare in anticipo le dimensioni di una lesione e quindi l'estensione dell'intervento chirurgico. I chirurghi possono eseguire interventi chirurgici virtuali utilizzando la tecnologia di imaging medicale, direttamente nel software o dopo aver importato e creato modelli stereolitografici.

• Valutazione dell'efficacia del trattamento: Le scansioni PET sono spesso utilizzate nei pazienti oncologici sottoposti a trattamento per verificare se il regime di trattamento è stato efficace nel ridurre le dimensioni del tumore. I chirurghi utilizzano anche l'imaging medico durante una procedura chirurgica per verificare se le ossa sono state allineate correttamente o se gli impianti sono stati posizionati nella loro posizione corretta. L'imaging può essere eseguito per valutare l'efficacia a lungo termine delle procedure di trattamento. Ad esempio, l'analisi volumetrica del contenuto orbitale viene spesso eseguita sei mesi dopo la procedura per verificare se la riduzione e la fissazione orbitale dopo il trauma sono state eseguite con precisione.

• Calcoli legati all'età: l'età può spesso essere determinata valutando la crescita delle strutture corporee interne. Ad esempio, l'età fetale e l'età gestazionale materna sono spesso determinate attraverso un'ecografia. Alcune radiografie, come le radiografie mano-polso e dentistiche, sono ampiamente utilizzate per calcolare l'età di un paziente se è sconosciuta o necessaria per scopi legali.

Imaging medicale: diverse tecnologie e applicazioni

Esistono diversi tipi di immagini medico-diagnostiche, a seconda della natura fisica delle onde impiegate e del metodo di acquisizione delle immagini. Non esiste un'unica tecnologia di imaging superiore alle altre in quanto ognuna ha i suoi vantaggi e svantaggi. Sulla base di queste limitazioni, i radiologi oggi hanno trovato una «nicchia» specifica più adatta per ciascuna modalità di imaging:

Ecografia

Come indicato dal nome, gli ultrasuoni utilizzano le onde sonore per acquisire immagini mediche. Poiché non comporta radiazioni elettromagnetiche, è probabilmente la forma più sicura di diagnostica per immagini mediche. Le onde sonore viaggiano dalla sonda a ultrasuoni attraverso un gel conduttore nel corpo. Le onde colpiscono quindi varie strutture anatomiche all'interno del corpo e si riprendono. Vengono catturati e trasformati in immagini che possono essere visualizzate su un monitor. Una forma specializzata di ultrasuoni, chiamata Doppler, ci consente di visualizzare il movimento del sangue all'interno dei vasi sanguigni.

Radiografie

Le radiografie sono la prima forma di diagnostica per immagini mediche. Sono generalmente utilizzati per visualizzare le ossa e sono stati in gran parte sostituiti da sistemi di imaging medicale più avanzati. Tuttavia, la radiografia tradizionale è ancora utile in determinate situazioni cliniche:

• Mammografia: Questa è una radiografia del seno. È usato come strumento di screening nelle donne per rilevare il cancro al seno.

• Fluoroscopia: Questa tecnica utilizza radiografie in combinazione con un mezzo di contrasto che viene iniettato o ingerito. Il percorso del mezzo di contrasto viene seguito tramite radiografie per determinare ostruzioni, ulcere e altri processi patologici.

Tomografia computerizzata

In questa tecnica, il paziente si trova all'interno di una camera TC, che contiene sia il rivelatore che la sorgente. La sorgente e il rivelatore si trovano uno di fronte all'altro e viaggiano in un arco attorno al paziente, ottenendo immagini in serie. Le immagini sono scattate in fette di pochi millimetri ciascuna e in tre assi diversi, producendo sezioni coronali, assiali e sagittali. Queste sezioni possono quindi essere ricostruite per formare un'immagine tridimensionale. Le immagini CT possiedono dettagli molto maggiori rispetto alle radiografie tradizionali. Tuttavia, la scansione TC fornisce una dose di radiazioni sostanzialmente più elevata al corpo.

Imaging a risonanza magnetica

Questa tecnologia di diagnostica per immagini medicali utilizza le onde radio all'interno di un campo magnetico. Il corpo umano è in gran parte composto da acqua. Quando vengono inseriti nello scanner MRI, gli ioni idrogeno all'interno delle molecole d'acqua si allineano in base al campo. Quando vengono applicate le onde a radiofrequenza, questo allineamento cambia e dopo di che gli ioni tornano nella loro posizione originale. Queste modifiche all'allineamento vengono registrate ed elaborate per creare un'immagine. La risonanza magnetica è utile per visualizzare strutture dei tessuti molli come muscoli, tendini e spazi articolari. Sebbene non vi sia alcun rischio di radiazioni, la risonanza magnetica può essere pericolosa per le persone che hanno impianti metallici a causa dell'uso di un forte campo magnetico. Ciò include pazienti con articolazioni artificiali, pacemaker o altri tipi di impianti.

Imaging per medicina nucleare

Questa tecnica prevede l'uso di molecole radioattive chiamate «traccianti». I traccianti vengono ingeriti o iniettati nel flusso sanguigno. Una volta all'interno del corpo, i traccianti vengono assorbiti da tessuti specifici. I raggi gamma emessi da questi traccianti vengono catturati su una gamma camera e convertiti in immagini digitalizzate. I traccianti possono essere scelti in base alla regione di interesse. Ad esempio, l'imaging della ghiandola tiroidea richiede iodio radioattivo, poiché questo composto viene assorbito preferenzialmente dalle cellule tiroidee. La scansione ossea per le malattie infettive utilizza tecnezio, gallio o indio. Le aree che occupano il materiale emetteranno più radiazioni e appariranno come «punti caldi» sulle immagini acquisite.

Un tipo speciale di imaging nucleare è la tomografia a emissione di positroni (PET). Può usare una forma radioattiva di glucosio. Il glucosio viene assorbito preferenzialmente dalle cellule che hanno un alto tasso di metabolismo, come le cellule tumorali. Pertanto, questa tecnica avanzata di diagnostica per immagini può aiutare a identificare metastasi a distanza nei pazienti oncologici.

Cosa c'è in serbo per il futuro dell'imaging medico?

Mentre l'imaging medico continua ad evolversi, i ricercatori stanno trovando modi per migliorare la diagnosi e la pianificazione del trattamento. Una delle aree più interessanti attualmente oggetto di ricerca è l'applicazione dell'intelligenza artificiale (AI) all'imaging medico. L'intelligenza artificiale è la capacità del software o delle macchine di replicare il pensiero cognitivo esibito dagli esseri umani. Possono quindi aiutare nelle attività di risoluzione dei problemi. L'intelligenza artificiale nell'imaging medico può spingere nuove frontiere sia per quanto riguarda la diagnosi delle malattie che per la pianificazione e il monitoraggio dell'efficacia del trattamento. Di seguito sono riportate alcune applicazioni dell'IA nell'imaging medico:

• Identificazione delle sezioni di interesse: una singola scansione TC o RM di un paziente può generare letteralmente centinaia di immagini, poiché ogni fetta è lunga solo pochi millimetri. Per il radiologo, passare attraverso ogni singola fetta per rilevare anomalie può essere un processo che richiede molto tempo. L'intelligenza artificiale può essere utilizzata per setacciare tutte le fette e raccogliere solo quelle fette che interessano il radiologo.

• Rilevamento di anomalie più sottili: differenze molto minori nel colore o nel contrasto potrebbero non essere visibili ad occhio nudo. Tuttavia, queste differenze possono segnalare l'insorgenza precoce di una malattia invasiva. L'intelligenza artificiale può essere utilizzata per rilevare differenze anche minime, favorendo così l'accuratezza diagnostica che non può essere raggiunta con mezzi manuali.

• Recupero di vecchi record: l'intelligenza artificiale può passare attraverso i database per recuperare immagini più vecchie dalle cartelle cliniche dei pazienti. Queste immagini possono essere utilizzate per il confronto con qualsiasi immagine attuale scattata. Questo può essere usato per valutare la progressione della malattia o per valutare l'efficacia del trattamento.

• Screening su larga scala: una nuova applicazione dell'IA nell'imaging medico è lo screening medico su larga scala. È stata sviluppata una recente applicazione basata sull'intelligenza artificiale per lo screening di immagini mediche su più database ospedalieri. L'IA è stata addestrata a rilevare l'ostruzione di grandi vasi, un segno precoce di ictus. Se questo funziona, l'applicazione può avvisare il paziente e lo specialista dell'ictus in via prioritaria. Ridurrà il tempo necessario per il trattamento, il che può migliorare significativamente i risultati dei pazienti.

• Preparazione di report diagnostici: l'intelligenza artificiale sarebbe in grado di tradurre le anomalie nel colore e nel contrasto in risultati diagnostici reali. Ciò potrebbe essere fatto fornendo informazioni basate su precedenti record di casi. Utilizzando le informazioni diagnostiche, l'intelligenza artificiale può essere utilizzata anche per generare report di imaging.

DICOM e PACS: il cuore della comunicazione per immagini mediche

Dopo tutto, le immagini mediche sono solo immagini. Migliore è la qualità di un'immagine, maggiori sono le informazioni che può fornire. Tenendo presente questo aspetto, la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) ha rilasciato un formato standard di alta qualità per la visualizzazione e la memorizzazione di immagini mediche. DICOM, acronimo di Digital Imaging and Communications in Medicine, è accettato a livello mondiale. Non è possibile accedervi dai normali programmi per computer. Applicazioni software speciali, chiamate visualizzatori DICOM, sono necessarie per visualizzare e modificare le immagini mediche moderne.

Poiché le immagini basate su DICOM sono di alta qualità e più immagini di una singola scansione del paziente richiedono molto spazio di archiviazione, è necessario predisporre disposizioni speciali per archiviare e recuperare le immagini in formato DICOM. Il database e il sistema server in cui sono memorizzate le immagini DICOM sono denominati PACS (Picture Archiving and Communication System). In generale, ogni ospedale ha il proprio server PACS interno e le immagini acquisite dai pazienti solo in quell'ospedale sono archiviate lì. Lo svantaggio di questo è che i pazienti che cambiano ospedale per vari motivi potrebbero non essere in grado di accedere alle immagini precedenti.

L'introduzione di PACS basati su cloud ha semplificato notevolmente la visualizzazione e l'accesso ai file DICOM. La tecnologia cloud consente di archiviare ed elaborare i file DICOM tramite Internet. È possibile accedere a questi file da qualsiasi luogo, utilizzando qualsiasi dispositivo che disponga delle autorizzazioni e del software richiesti. Semplifica l'accesso alle cartelle cliniche di un paziente da diverse aree geografiche.

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