Tomografia Assiale Computerizzata - TAC

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Oggi parliamo di una tecnica diagnostica per immagini che sfrutta le radiazioni ionizzanti: la TAC, acronimo di tomografia assiale computerizzata. Accenni sulle generazioni della tac, campi di applicazione, prestazioni e criticità in termini di qualità dell'immagine, criteri di progettazione ed effetti biologici.


Che cos'è la TAC?

Schema di una TACIn radiologia la TAC è una metodica che sfrutta le radiazioni ionizzanti e consente di riprodurre sezioni o strati del corpo del paziente.
Lo strumento è composto da un’unità di scansione chiamata gantry, da un generatore di raggi X e da un lettino sul quale si adagia il paziente e sul quale viene fatto progressivamente scorrere all’interno del gantry. Un computer controlla l'intero sistema acquisendo ed elaborando le immagini.
Durante una TAC la radiazione elettromagnetica erogata dal tubo radiogeno attraversa il corpo del paziente e viene captata dai detettori (sensori) capaci di trasformare il segnale emerso dal corpo del paziente in un segnale elettrico che, una volta elaborato attraverso algoritmi piuttosto complessi, fornisce l’immagine dettagliata della parte esaminata.
Per poter ottenere informazioni su specifiche aree del corpo è necessario radiografare la sezione da più angolazioni. Tanto maggiore è il numero di prospettive che si riescono ad ottenere, tanto più dettagliata sarà l’immagine che si riuscirà ad osservare.

Accenni sulle generazioni delle TAC

TAC di prima generazione

TAC di prima generazioneIl tomografo di prima generazione, prevedeva l'emissione da parte del tubo radiogeno di un fascio lineare di raggi X. A questo tubo erano consentite due tipologie di movimento: la traslazione e la rotazione. Ad ogni traslazione seguiva una rotazione di un grado; questa sequenza di movimenti veniva ripetuta fino ad ottenere una rotazione complessiva di 180 gradi. Con questi macchinari tuttavia i tempi di scansione erano molto elevati, dai 5 ai 10 minuti per immagine, in quanto i raggi X venivano rilevati da un solo detettore, elemento che permetteva da un lato di calcolare la densità delle strutture del corpo misurandone l'attenuazione e dall'altro di trasformare in segnali digitali le radiazioni. Il detettore era solidale al tubo radiogeno ed in posizione diametralmente opposta rispetto ad esso.

TAC di seconda generazione

TAC di seconda generazione
Un'importante miglioria si è riscontrata nei tomografi della seconda generazione, che consentivano anche lo studio di parti del corpo in movimento, quali addome e torace. In questa generazione di macchinari il fascio di raggi X emesso dal tubo radiogeno, al quale veniva richiesto, differentemente dalla generazione precedente, il solo movimento di rotazione intorno al lettino sul quale è disteso il paziente, non è più lineare ma presenta una geometria a lama. Anche i detettori passarono da 1 ad un gruppo di 20-30 mantenuti, come nella generazione precedente, solidali al movimento del tubo radiogeno. Con l'introduzione di questa tecnologia il tempo necessario ad ogni singola scansione era notevolmente inferiore, approssimativamente variabile da 15 a 30 secondi.

TAC di terza generazione

TAC di terza generazioneI tomografi di terza generazione, alcuni dei quali sono ancora oggi in uso, risultano essere frutto di una miglioria tecnica piuttosto che dell'introduzione di un nuovo principio di funzionamento. Il fascio di raggi X risulta infatti avere sempre geometria a ventaglio ma apertura maggiore, dai 30 ai 50 gradi, in modo tale da riuscire a coprire l'intera zona da esaminare. Il numero dei detettori risulta ulteriormente incrementato fino ad un massimo di 800. Il tempo richiesto per una singola scansione raggiunge in questi macchinari valori compresi tra un minimo di 2 e un massimo di 4 secondi.

Le tipologie di macchinari fin qui presentate acquisivano un unico strato per volta in quanto la rotazione doveva avvenire prima in un senso e poi nel senso opposto perchè il tubo radiogeno era collegato ai cavi di alimentazione che impedivano un movimento combinato di traslazione e rotazione continua del sistema tubo-detettori.

TAC di quarta generazione

TAC di quarta generazioneI tomografi sequenziali di quarta generazione infine non ebbero molto successo in quanto furono presto soppiantati dall'avvento della tomografia computerizzata a spirale. Nei macchinari di quarta generazione il tubo radiogeno ruotava all'interno di una corona circolare fissa di detettori il cui numero era variabile da 600 a 1200. Nonostante questo accorgimento consentiva di portare il tempo di scansione singola a valori prossimi al secondo, rimaneva insormontabile il problema relativo all'impossibilità di eseguire rotazioni continue monodirezionali a causa della presenza dei cavi di alimentazione.
La "rivoluzione" elettromeccanica sono stati i primi tomografi computerizzati a spirale. Questa nuova tipologia di tomografi permetteva una rotazione continua e unidirezionale attorno al paziente supino su di un lettino grazie all'introduzione della tecnologia "a contatti striscianti", slip rings, che permise l'eliminazione dei cavi di alimentazione, il trasferimento dei comandi di scansione e la diffusione dei dati raccolti al computer. L'energia di alimentazione necessaria al funzionamento del macchinario veniva applicata al complesso tubo-detettori mediante sfregamento di un elemento fisso, spazzole (brush) di materiale altamente conduttivo collegate direttamente al sistema di alimentazione, su di un elemento rotante, anelli in rame solidali al sistema tubo-detettori stesso. In questo modo l'energia poteva essere applicata in modo continuativo per un numero potenzialmente infinito di rotazioni.
Era così possibile acquisire immagini continue ruotando attorno al pazienze mentre, contemporaneamente, il lettino seguiva un opportuno movimento traslatorio. Il tempo per effettuare una scansione si riduce ulteriormente e si avvicina a valori prossimi ad 1 secondo.
Il problema di questa tecnologia era il raffreddamento, che avveniva ad olio, del tubo radiogeno la cui temperatura si aggirava intorno ai 900 gradi durante le scansioni. I materiali con cui venivano inizialmente costruiti i tubi avevano un'esigua capacità termica che non permetteva di effettuare scansioni di durata molto elevata a causa di rilevanti effetti di surriscaldamento.
La TAC a spirale rispetto a quella sequenziale presenta notevoli miglioramenti:
- grazie ad una maggiore velocità di acquisizione delle immagini si ha una riduzione degli artefatti da movimento;
- è possibile acquisire con un'unica apnea del paziente volumi sufficientemente ampi;
- vengono acquisiti volumi, non più solo strati, con una migliore qualità nella ricostruzione delle immagini planari e con la possibilità di rappresentare in 3D le immagini acquisite.

La Tomografia Computerizzata Multistrato

TAC MultistratoNella tomografia computerizzata multistrato, il sistema tubo-detettori ruota attorno al paziente mentre il lettino porta paziente scorre all'interno del tunnel di scansione, gantry, presentando ad ogni rotazione una sezione diversa del corpo in esame.
Le immagini vengono create misurando l'attenuazione di un fascio di raggi X collimato che attraversa il corpo che si sta analizzando e vengono acquisiti dei segnali digitali che dovranno essere trasformati in segnali analogici. Per questo il macchinario suddivide ogni strato in esame in unità di volume elementari detti voxel, ai quali corrisponde un elemento unico di immagine, pixel. Le dimensioni dei voxel dipendono dalla tipologia di collimazione e dal numero e dimensione dei detettori.
L'attenuazione del fascio di raggi X (valore densitometrico), che attraversa il corpo, varia in modo proporzionale alla densità elettronica delle strutture del corpo umano e viene calcolata per ogni voxel d: nota l'intensità emessa dal tubo radiogeno I0 e quella misurata dai detettori I è possibile calcolare il profilo di attenuazione che subisce il fascio per ogni colonna di n voxel attraversata.
La densità dei tessuti è espressa da una scala di grigi con profondità cromatica pari ad 8 bit, 256 livelli di grigio, costruita sulla base delle unità o numeri di Hounsfield UH in onore del suo inventore. Questi numeri adimensionali si riferiscono alla densità dell'acqua al quale corrisponde il valore di 0 UH. Partendo da tale valore si assegnano gli altri a seconda della densità delle strutture.
I numeri di Hounsfield, assegnati ad ogni voxel, vengono successivamente attribuiti ad una matrice dell'immagine che solitamente presenta dimensioni pari a 512x512 pixel. Infine, grazie a complessi algoritmi matematici, un potente calcolatore è in grado di ricostruire l'immagine.
Dopo l'acquisizione dei dati sono possibili molte operazioni dette post-processing come le variazioni di grigi, le ricostruzioni planari e quelle 3D. Esistono diverse modalità di visualizzazione delle immagini TC che possono essere variate per esaltare informazioni di particolare interesse o sopprimerne altre se ritenute non rilevanti modificando il range di grigi detto ampiezza della finestra, Window Width. Cambiando questi valori, al di sopra e al di sotto della finestra considerata, si avranno rispettivamente i colori bianco e nero.
Un'altra modalità per variare la visualizzazione delle immagini consiste nello spostare il livello della finestra, ovvero il punto in cui si fissa, arbitrariamente, il centro del range di tonalità di grigio, al di sopra del quale si troveranno i tessuti più densi e al di sotto quelli meno densi rispetto alla struttura in esame.

Campo di applicazione della TAC

La TAC è un esame indicato in numerosi ambiti patologici sia nello studio del tessuto osseo, senza mezzo di contrasto, che soprattutto nello studio dei parenchimi con mezzo di contrasto.

Riferimenti Normativi

Gli esami radiologici utilizzano radiazioni ionizzanti, dette comunemente raggi X, che sono potenzialmente dannose per l'organismo, ad esempio per il sangue e per gli organi ad alto ricambio cellulare. Tuttavia, l'utilizzo di questa tipologia di raggi risulta utile, ed in alcuni casi indispensabile, per l'identificazione e la valutazione di patologie, in atto o pregresse, altrimenti non rilevabili tramite l'utilizzo di strumenti diversi o attraverso visite specialistiche.
Per eseguire un corretto esame di diagnostica basato sull'acquisizione e l'analisi di immagini, come ad esempio radiografia, ecografia, TAC e risonanza magnetica, occorre attenersi a precise indicazioni normative. In caso queste non vengano osservate l'esame viene annullato e demandato a data da destinarsi.

Prestazioni in termini di qualità dell'immagine

La qualità dell'immagine diagnostica ottenuta tramite TAC è fondamentale per il medico e quindi è ovvio che ai fini di una diagnosi ottimale si deve ragionare in termini di qualità dell'immagine. Non a caso infatti nella TAC esistono vari metodi di ricostruzione dell'immagine, atti a garantire il perfetto profilo radiologico: retroproiezione filtrata, trasformata di Radon, metodo algebrico.

Retroproiezione filtrata

Metodo di ricostruzione dell'immagine utile quando si vuole codificare l'entita di Pθ(τ) ovvero della radiazione che perviene al paziente mediante un tono di grigio più o meno pronunciato. In questo caso si perviene alla formazione di proiettori sotto forma di strisce che si presentano come array, all'interno dei quali è presente il valore della proiezione codificato tramite un valore numerico che viene successivamente identificato sullo schermo tramite uno specifico livello di grigio.

In poche parole retroproiezione significa retroproiettare dai detector verso la sorgente la proiezione stessa ottenuta per quell'angolo θ e quindi al variare di P. Praticamente si prende il valore della proiezione a 0 gradi, che significa assegnare a tutti gli elementi riga della matrice il medesimo livello di grigio, e si varia l'angolo θ per effettuare un'altra retroproiezione. Quello che si ottiene sono due proiezioni risultato delle diverse inclinazioni: una di 90 gradi rispetto all'altra. Questo procedimento corrisponde ad assegnare ad un certo punto e ad un pixel il numero di linee di attenuazione proporzionale a tutte le volte che questo è stato attraversato lungo la linea di propagazione dei RX. Tale numero è pari alla somma di tutte le attenuazioni subite, ovvero si sta assegnando a tutti i pixel, lungo quella linea di propagazione, lo stesso valore di attenuazione.

Trasformata di Radon

Metodo di ricostruzione dell'immagine. Definisce la posizione della linea di scansione t in funzione dell'angolo di scansione θ e delle coordinate x e y nel piano della sezione. La trasformata di Radon, praticamente, permette di eliminare la dipendenza da s e di reinterpretare l'integrale di una linea. Più sinteticamente può essere definita come un modo per esprimere la mappa dei μ(x,y). La proiezione risultante è la trasformata di Radon della funzione di partenza che in questo caso è il coefficiente di attenuazione.

Metodi algebrici

Il detettore misura le intensità attenuate, e a valle dell'amplificatore logaritmico si hanno i valori di μxd in cui d è noto in quanto lo sono sia gli angoli di proiezione che il FOV.

Si nota come in quasi tutti i pixel si incontrano 4 rette, ognuna con il proprio valore assegnato e le rette che geometricamente coincidono con i fasci ideali di raggi X, altro non sono che le rette della retroproiezione. A questo punto è possibile assegnare ad ogni pixel un coefficiente di assorbimento dato dalla media dei coefficienti determinati per ogni retta che passa all'interno di esso.

Criticità in termini di qualità dell'immagine

Nella TAC, in generale si indica con il termine di “artefatti” una serie di fenomeni il cui effetto è quello di degradare la qualità dell'immagine.
Si distingue tra artefatti insiti nella metodologia di misura, e artefatti considerabili come errori casuali. Nel primo caso si tratta di errori sistematici da minimizzare (aliasing, indurimento del fascio, artefatto ad anello, artefatto da radiazione diffusa, effetto volume parziale), nel secondo caso si parla di tutti quegli artefatti dovuti al movimento del paziente, o al disallineamento dell'apparato.


Artefatti ad anello (di natura prettamente deterministica)

Sono causati dal malfunzionamento di un detettore dell'array o di un suo componente elettronico di canale. Questo tipo di errore, quando si vengono a sovrapporre le proiezioni ottenute dai vari angoli, causa un artefatto circolare, facilmente correggibile osservando il diametro del cerchio da cui si riesce ad identificare il detettore mal funzionante. Di solito è sufficiente una variazione dell'amplificazione di un canale dello 0,1% per fare apparire questo tipo di artefatto ed è per questo che i detettori si devono calibrare periodicamente.

Artefatti da radiazione diffusa

Vengono identificati come effetti omogenei su tutte le proiezioni e si verificano quando i detettori non registrano la vera attenuazione a causa della radiazione diffusa ma rilevano la somma di due profili di proiezione: il profilo Pθ che varia con l'angolo e il profilo Pd causato dalla radiazione diffusa (che rimane costante con l'angolo). L'errore causato è una riduzione del contrasto tanto maggiore quanto maggiore è la componente costante dovuta allo scatter. Gli artefatti possono essere eliminati misurando la radiazione diffusa Nsi per mezzo di dettori ausiliari posti appena fuori del piano dell'immagine in modo tale da non essere raggiunti dalla radiazione residua uscente dalla sezione del paziente. A questo punto, si ipotizza lo scatter costante Nsi= Ns (valore medio delle misure effettuate dai detettori) e si assegna ad ogni detettore un nuovo valore dell'intensità di radiazione pari alla differenza tra il valore NθM (t) da essi misurato e quello costante dovuto alla diffusione.

Artefatti da indurimento del fascio

Si verificano quando viene rivelato un valore dell'attenuazione tanto minore quanto maggiore è lo spessore del materiale attraversato. Effettivamente il materiale viene attraversato da RX sempre più duri, cioè sempre più penetranti e quindi meno attenuati generando una sottostima del valore della proiezione. Questo tipo di artefatto è molto difficile da correggere perché è il campione stesso è causa del suo artefatto. Il coefficiente di assorbimento è circa proporzionale all'inverso dell'energia del fascio, e la conseguenza è che i fotoni a bassa energia sono i più assorbiti.

Si hanno due conseguenze:

1. Esiste un numero di fotoni a bassa energia che contribuisce ad aumentare la dose e che è completamente inutile ai fini della ricostruzione dell'immagine.
2. Artefatto “a coppa”, che tende ad appiattire il profilo di assorbimento nella zona centrale del campo di scansione. Questo fenomeno tende a formare delle strisce ipodense interposte tra strutture ad elevata densità.

Artefatti da Beam Hardening

Ricordando la legge di Beer che mi dice che l'attenuazione va come lo spessore e il μ, si conclude che l'artefatto da Beam Hardening dipende sia dallo spessore che da μ: I μ(X) calcolati risultano sempre più bassi all'aumentare dello spessore.

Gli artefatti da beam hardening si possono correggere usando due spettri di radiazione diversi, ovvero facendo due scansioni: una a bassi kV e una ad alti kV, in quanto questo artefatto attacca i livelli di grigio ma non gli spessori. A questo punto basta misurare tutti gli spessori dell'oggetto e conoscendo la curva ideale dei μ si può determinare quanto beam hardening c'è stato per quel determinato spessore.

Artefatti da Volume parziale

Vengono causati dallo spessore finito del fam beam. Questo spessore dovrebbe essere idealmente pari a 0, dovrebbe cioè poter scandagliare un piano alla volta. In realtà il potere risolutivo lungo z non è infinito, perché non si può collimare infinitamente il fascio di RX in una direzione o in qualsiasi direzione, e quindi il fascio ha uno spessore dz. Quindi visto che il piano di scansione non è infinitamente sottile, pertanto se si va a scandagliare un volume a cavallo di due materiali con μ diversi, viene restituito un μ medio.

Considerando l'interfaccia tra due organi, l'errore causato dall'effetto volume parziale si verifica quando la fetta ricostruita non fornisce un valore omogeneo del coefficiente di attenuazione, cioè quello che si verifica è che in corrispondenza delle zone dove un organo invade la slice, ho una sorta di media pesata definita dall'integrale di tutti i μ del singolo organo.
Le correzioni vanno attuate sulle proiezioni, prima dell'esecuzione o dell'antitrasformata. La proiezione corretta è quella inserita in uno sviluppo in serie, o polinomiale, in cui compare a vari gradi: si tratta di una formula semiempirica poiché la formula di correzione deve essere il più rapida possibile e facile da eseguire.
Altro modo per evitare questo tipo di artefatto è la riduzione della slice thickness.

Artefatti da aliasing:

Si verificano perché il sistema è discretizzato e causano, nel dominio delle frequenze, la produzione di frequenze non proprie del segnale originale. Parallelamente si può verificare anche dal dominio della frequenza al dominio del tempo producendo una distorsione del segnale originario.

In questo caso, per non perdere le informazioni durante il campionamento, è importante rispettare il teorema di Nyquist, cioè utilizzare come ultima frequenza utile, f = 1/2τ (τ = campionamento nel piano di scansione). Se si usa un filtro antialiasing si riesce ad eliminare nella proiezione tutte le componenti superiori ad f.

Cone beam artifacts

Questi artefatti, più evidenti per le file di rivelatori più esterne che per quelle interne, si verificano man mano che il sistema tubo – rivelatori ruota intorno al paziente e i dettagli dell'oggetto appartenenti ad uno stesso piano vengono “visti” da due diversi rivelatori. I dettagli presenti nell'oggetto che si trovano in posizione lontana dall'asse sono proiettati su diverse file di rivelatori per differenti angolazioni del tubo. Questa errata registrazione dei dati rende gli artefatti tanto più evidenti quanto maggiore è l'angolo del cono e quanto più sottile è lo strato (e maggiore è il numero di strati acquisiti simultaneamente).

Risoluzione

Si definisce detector pitch la velocità di avanzamento del tavolo rispetto allo spessore del detector e si esprime come il rapporto tra la velocità di avanzamento del tavolo T e la dimensione del detettore D.
Si definisce collimator pitch il rapporto tra il detector pitch e il numero N dei detector che costituiscono tutte le slice che sto ricostruendo.
Il detector pitch e il collimator pitch vanno ad influire sul potere risolutivo, sul tempo di scansione (a parità di T, se N è grande impiego meno tempo) e sulla dose. In questo ultimo caso se T è uguale a ND si riesce ad effettuare gli esami più rapidamente e al contempo senza incrementare la dose al paziente. Praticamente non ripassando mai sulla stessa posizione, la dose è equivalente e anche il potere risolutivo (come se avessi nTAC monostrato che lavorano tutte insieme).

Per collimator pitch > 1

Non si scansionano tutte le zone, ovvero ne rimane una scoperta e le slice sono più difficili da interpolare; diminuisce la dose e si perde potere risolutivo.

Per collimator pitch < 1

Si sovrappone DN e si incrementa la dose. Si hanno più punti da interpolare, una ridondanza di dati e maggiore accuratezza anche a parità di Nyquist (fornisce l'intervallo di integrazione quindi lo spessore del detector). Aumentando il numero di fotoni assorbiti (i voxel) aumenta il potere risolutivo. Questo è il principale motivo per cui si preferisce la TAC alla radiografia: si da più dose e successivamente si ricostruiscono gli elementi con la scala di Hounsfield.

Per collimator pitch = 1

Il tavolo si sposta di poco (dello spessore di un detector) e si ha il massimo della sovrapposizione tra le eliche portando il gap a 0.

Criteri di progettazione

In generale, ogni strategia coordinata per una prestazione ottimale dei dispositivi biomedici, è strettamente dipendente dalla progettazione, dalla realizzazione, dall'esercizio e dalla manutenzione.
Il primo ruolo di definizione del grado di affidabilità e di sicurezza di uno strumento biomedicale viene svolto dalla progettazione e dalla realizzazione del macchinario stesso.
La progettazione si basa su criteri di previsione delle prestazioni e delle esigenze del macchinario e quindi in generale si tende a ragionare in termini di maggiorazione. Questo significa procedere con coefficienti maggiorativi di “ignoranza”.
Nella fase progettuale è fondamentale prima di tutto effettuare un' analisi funzionale e di sicurezza dell'impianto elettrico del macchinario, nel caso più generale, nell'ambito delle funzioni individuate, è opportuno fare una valutazione del livello qualitativo di prestazione da garantire nei rispettivi limiti di tolleranza ammissibili.
La verifica della sicurezza elettrica risulta importante non solo per gli utilizzatori ma anche per i pazienti, in quanto i rischi di natura elettrica a cui possono essere sottoposti in caso di contatto diretto o indiretto sono: macroshock e microshock.
Anche nel caso di apparecchiature elettromedicali, i criteri di progettazione devono rispettare le normative sulla sicurezza delle apparecchiature biomediche, identificate dalla legge CEI 62353-1 (ex CEI 62-5).
Queste linee guida definiscono gli aspetti per il mantenimento, la conservazione e l'utilizzo sicuro della strumentazione biomedica nei locali ad uso medico.
Visto che i componenti del macchinario come trasformatori, generatori, cavi, tavolo di comando, gantry e tubo radiogeno sono generalmente prodotti e reperibili in serie standard, non si procede ad un calcolo per la definizione dei parametri di dimensionamento dei componenti, ma ad una individuazione del componente serie che più coordina nel contesto dell'architettura del macchinario.
Si procede cioè ad un assemblaggio dei componenti a mosaico poiché non esistono parametri di dimensionamento realmente indipendenti ma esistono componenti di serie con proprie caratteristiche dimensionali (diceva un detto: Est modus in rebus).
I parametri caratteristici di ciascun componente, (come intensità della radiazione, la sezione dei conduttori, la classe di utilizzo etc.) presentano valori correlati ed attesi. Sulla base della classe di utilizzo e delle condizioni al contorno, se si sceglie un parametro, gli altri assumono valori correlati.
Per quanto riguarda la scelta dei componenti, la strada più efficace è quella che tende a garantire un'elevata sicurezza per l'utilizzatore e al mantenimento delle prestazioni.
A questo punto risulta ovvio, saper coordinare gli stessi componenti al fine di garantire nel tempo le tolleranze stesse.
In conclusione, affinché ciascun componente garantisca il livello di prestazione previsto è indispensabile la coordinata attuazione di una strategia progettuale-esecutiva, senza soluzione di continuità, nella fase gestionale-manutentiva della vita del macchinario, con interventi non solo di riadeguamento ma anche di eventuale correzione delle deviazioni sugli obiettivi previsti e non raggiunti.

Eventuali bioeffetti e danni biologici

I rischi causati dall'utilizzo dell'apparecchiatura diagnostica TAC sono legati all'utilizzo delle radiazioni ionizzanti e alla corrente elettrica.
Il rischio fondamentale che è connesso con le radiazioni ionizzanti è quello del cancro, nonostante il rischio di morire di cancro per un esame radiografico condotto con macchine di elevata qualità e tecnologia da personale di buona specializzazione, sia obiettivamente basso.
Durante un esame TAC il paziente assorbe una quantità di dose, ovvero una quantità di energia trasferita direttamente dai fotoni X agli elettroni per unità di massa investita.
Gli effetti derivati dal danno subito dalle cellule da parte delle radiazioni ionizzanti, possono essere classificati in base:
- popolazioni cellulari coinvolte: sulla base di questo criterio distinguiamo danni somatici, se riguardano le cellule somatiche, da danni genetici, se riguardano le cellule germinali;
- epoca di comparsa: secondo questo criterio i danni sono classificati in precoci o tardivi;
- modalità di comparsa: sulla base di questo criterio distinguiamo effetti stocastici da effetti deterministici.
In particolare, gli effetti deterministici sono caratterizzati da una dose soglia al di sotto della quale non si verificano danni rilevanti. Sono solo somatici ed hanno un periodo di latenza breve. È improbabile che possano comparire come conseguenza di una indagine diagnostica TAC, che non supera mai praticamente la dose soglia.
Gli effetti stocastici invece sono casuali e possono comparire anche senza il superamento di una dose soglia. Hanno un lungo periodo di latenza e possono essere somatici o genetici.
I principali effetti biologici che si hanno a causa delle radiazioni ionizzanti, come detto precedentemente, si classificano in effetti somatici e in effetti genetici.
Gli effetti somatici, possono essere precoci o tardivi. Quelli precoci sono tanto più gravi quanto più alta è la dose ricevuta e, tenendo conto che gli organi del corpo umano presentano diverso assorbimento della stessa dose, i principali danni si hanno a carico del midollo osseo e del sistema emopoietico, degli epiteli del sistema gastrointestinali e degli epiteli bronco-polmonari, delle gonadi maschili e femminili e della cute con la formazione di flogosi. Gli effetti somatici tardivi sono di natura casuale e possono essere causati da esposizioni croniche a basse dosi (categorie professionali radioesposte), oppure da esposizioni acute a dosi modeste (pazienti sottoposti a ripetute indagini diagnostiche con radiazioni ionizzanti). L'effetto casuale somatico più temuto è la comparsa di tumori, in particolare i più frequenti sono i tumori cutanei, la leucemia, i tumori ossei, i tumori polmonari, il cancro della mammella e le neoplasie tiroidee.
Gli effetti genetici causati dalle radiazioni ionizzanti sono le mutazioni geniche e le mutazioni cromosomiche. Ad ogni modo lo studio del danno genetico da radiazioni ionizzanti è reso difficoltoso dalla comparsa del danno nelle generazioni successive a quella irradiata e dalla scarsità di dati disponibili.
Particolare attenzione bisogna porre sulle categorie che devono essere protette da radiazioni ionizzanti, ovvero l'età pediatrica e la donna durante il periodo della gestazione. Le radiazioni sull'embrione possono essere mortali, causare malformazioni, ritardi mentali e ritardo nella crescita.
Pertanto prima di sottoporre un paziente ad un esame TAC di screening diagnostico bisogna tener presente il rapporto tra costo biologico dell'indagine radiologica e il beneficio derivante da una diagnosi precoce, ad esempio di un tumore.
Inoltre, altri danni biologici possono manifestarsi in funzione dell'intensità della corrente elettrica e gli effetti fisiopatologi provocati sull'uomo sono i seguenti: tetanizzazione, arresto della respirazione, fibrillazione ventricolare e ustioni.
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