Computed Tomography

Intelligenza artificiale e tecnologia Photon-Counting nel presente (e futuro) della diagnostica per immagini

Nel cuore della tecnologia che promette di aprire una nuova era della Tomografia Assiale Computerizzata consentendo un enorme passo avanti nell’ambito della ricerca e della diagnosi

21 Feb 2022

Dopo l’introduzione della TAC a spirale nel 1990 e della TAC Dual Source nel 2005, la tomografia assiale computerizzata è diventata una modalità consolidata.
Nonostante il progresso tecnologico, permangono delle limitazioni per l’attuale tecnologia CT.

Imaging: stato dell’arte e limitazioni

L’Imaging, nelle ultime due decadi, ha subito una notevole accelerazione grazie alle spinte tecnologiche e alle innumerevoli applicazioni cliniche utilizzate in diagnostica.
In particolare, la CT e la MR sono divenuti strumenti irrinunciabili non solo a livello di ricerca ma, anche, nella gestione clinica routinaria e negli ambiti più complessi come quello oncologico e cardiovascolare.
Ad oggi, lo stato dell’arte tecnologico consente un ottimo imaging in qualsiasi ambito clinico, come ad esempio in quello cardiovascolare, con un’adeguata rilevazione delle stenosi coronariche e in quello oncologico, con un buon livello di caratterizzazione tissutale. Sono però ancora presenti delle limitazioni legate alla risoluzione spaziale a causa delle piccole dimensioni delle strutture oggetto di studio oppure legate alla caratterizzazione di piccole lesioni.

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A volte, le tecnologie esistenti migliorano a tal punto da cambiare completamente quello che c’era in precedenza ed è proprio in queste occasioni che l’innovazione tecnologica porta l’imaging medicale a livelli unici e costringe a ripensare a ciò che prima effettivamente vedevamo e quello che ora vediamo con un dettaglio e una definizione mai raggiunti.

Dopo anni di ricerca e sviluppo, il progresso tecnologico ha prodotto la TAC Photon Counting, una tecnologia radicalmente innovativa nella pratica clinica.

Cos’è e quali vantaggi offre la TAC Photon Counting

Si tratta di un sistema innovativo che prevede l’uso di un nuovo tipo di detettore con differenze significative rispetto ai detettori a semiconduttore standard.
Questi detettori Photon Counting superano i limiti degli attuali detettori CT, fornendo dati:

  • ad altissima risoluzione spaziale
  • senza rumore elettronico
  • con un miglior rapporto contrasto-rumore
  • con una bassa dose di radiazioni
  • con informazioni spettrali intrinseche
Photon counting detector (fonte: Siemens Healthineers)

I vantaggi del detettore Photon Counting sono:

  1. Elevata risoluzione spaziale senza incremento di dose: infatti, i pixel sono più piccoli dei detettori convenzionali e non necessitano di setti o filtri
  2. Assenza di rumore elettronico: elevata qualità d’immagine anche nei pazienti obesi e nelle scansioni a bassa dose
  3. Miglior rapporto segnale/rumore: immagini nitide e ben contrastate
  4. Sensibilità spettrale intrinseca: sono numerose le applicazioni che si possono avere con il detettore Photon Counting. Inoltre, tutte le ricostruzioni multienergetiche sono calcolate direttamente sulla base delle informazioni spettrali disponibili presenti nei dati grezzi. Il detettore Photon Counting rileva i singoli fotoni e misura la loro energia a pieno FoV. Le scansioni risultanti forniscono sempre dati multi-energia che consentono, ad esempio, una reale quantificazione dello iodio anche a livelli di dose ridotti.

Un enorme passo avanti nella ricerca e nella diagnosi

La tecnologia Photon Counting è destinata a ridefinire ciò che sarà possibile studiare ed aprirà nuove potenzialità in qualsiasi ambito clinico TC.

Ad esempio, in cardiologia si potranno fornire dettagli rilevanti su placche calcifiche e si potrà così studiare in maniera più dettagliata ciò che si trova all’interno di piccoli vasi.
Tutte queste informazioni in una sola acquisizione TAC, evitando quindi di sottoporre i pazienti a più scansioni.
Alcuni esempi sono l’applicazione Photon Counting Pure Lumen che può essere utilizzata per visualizzare la morfologia dei vasi (ad esempio, le coronarie) rimuovendo i depositi di calcio e valutare più facilmente stenosi e Photon Counting Direct Angio che rimuove automaticamente l’osso dal set di dati dell’angiografia CT (CTA).

In oncologia, le scansioni TAC faciliteranno la decisione clinica. Le immagini di follow-up, infatti, saranno precise e riproducibili per consentire una valutazione corretta del trattamento e non sarà più una sfida studiare e caratterizzare anche le più piccole lesioni.
L’applicazione Photon Counting Monoenergetic Plus simula immagini che sono equivalenti alle immagini scansionate con un fascio di energia di un singolo fotone, a seconda dell’energia (keV). Modificando l’energia (keV), è possibile migliorare il contrasto tra materiali diversi. Le immagini standard monoenergetiche prodotte consentono ai radiologi di eliminare una possibile fonte di errore. La comparabilità tra più acquisizioni permette agli utenti di stabilire con certezza se eventuali cambiamenti siano dovuti alla terapia o alla fisiologia delle lesioni e non siano invece causate dalla definizione di parametri di imaging non adeguati.
L’applicazione Photon Counting Virtual Unenhanced (incl. Iodine Map) permette, invece, di visualizzare la concentrazione del mezzo di contrasto nei tessuti molli del corpo. L’applicazione genera immagini virtuali senza contrasto (VNC) sottraendo lo iodio dai set di dati spettrali. La base di questo approccio è la scomposizione a 3 materiali: mezzo di contrasto, grasso e tessuto dell’organo. Le immagini VNC possono essere utilizzate per le misurazioni della densità di base.

Ci sono poi altre innumerevoli applicazioni che permettono di caratterizzare e quantificare i materiali come:

  • Photon Counting Calculi Characterization che permette di visualizzare le differenze chimiche tra i calcoli renali scomponendoli in: tessuto, acido urico e ossalato (calcoli di calcio)
  • Photon Counting Hard Plaques che visualizza le placche calcifiche all’interno di grandi vasi
  • Photon Counting Liver VNC che permette la visualizzazione e la quantificazione della concentrazione di iodio nel fegato in mg/ml.

Infine, questa tecnologia permette di ottenere informazioni quantitative, in aggiunta a quelle morfologiche, in modo ancora più semplice e immediato.
Applicando i protocolli adeguati a seconda del paziente e integrando tutte le acquisizioni necessarie in un’unica scansione, consente anche di avere a portata di mano tutte le informazioni necessarie per affrontare il percorso diagnostico.

“Con il sistema Photon Counting CT – spiegano Armando Cioffi, CT Business Manager e Ilaria Crippa, CT Product Specialist di Siemens Healthineers –  si apre una nuova era della Tomografia Assiale Computerizzata come primo sistema CT con questo tipo di detettore unico nel suo genere. Il sistema rappresenta una TAC di ultima generazione e consente un enorme passo avanti nell’ambito della ricerca e della diagnosi. Questa tecnologia rivoluzionaria – chiariscono gli esperti – permette di raggiungere livelli mai visti di qualità di immagine e performance di dose. Con essa, inoltre, è possibile esplorare nuovi campi nell’imaging mediante l’utilizzo di nuovi mezzi di contrasto”.

Intelligenza artificiale e tecnologia Photon-Counting

Sul nuovo sistema Photon-Counting sono presenti una serie di sistemi basati su Artificial Intelligence che utilizzano l’Alpha Technology e che permettono di:

  • migliorare il flusso di lavoro, ad esempio con il calcolo automatico del posizionamento del paziente e operando un controllo di qualità sull’immagine acquisita
  • supportare la visualizzazione, ad esempio con etichettatura automatica delle anatomie
  • velocizzare i risultati, ad esempio grazie all’automatismo nella generazione di immagini Dual Energy

Questi sistemi di Intelligenza Artificiale aiutano l’operatore a generare risultati costantemente eccellenti e migliorarne l’accuratezza diagnostica.

AI: un grande aiuto in tutte le fasi della TAC 

Alpha Technology è una tecnologia che entra in gioco al momento del posizionamento del paziente, scansione e ricostruzione dell’esame e aiuta a leggere le immagini più velocemente e in modo più standardizzato.
Essa utilizza un algoritmo Deep learning tramite il quale il sistema “impara” a individuare i landmark anatomici di interesse per il corretto posizionamento anatomico.
Ma dove l’AI incontra il workflow?
A partire dal posizionamento e scansione paziente, per arrivare alla ricostruzione e, infine, al post processing delle immagini.

Tutte le fasi di un esame TAC incontrano, quindi, i sistemi di Intelligenza artificiale.

Il primo step riguarda proprio il posizionamento del paziente.
Ad oggi, molto spesso, i pazienti non vengono posizionati correttamente all’isocentro e questo comporta sia dose inutile conferita al paziente che perdita in qualità di immagine.
Infatti, anche solo una variazione di 3 cm rispetto all’isocentro comporta il 18% in più di dose e un incremento del rumore sulle immagini.
Grazie alla Fast 3D Camera, che lavora utilizzando landmarks di riferimento basati su un modello intrinseco, il sistema è in grado di identificare tutte le regioni corporee, calcolare in automatico il range di scansione dello scout, identificare l’orientamento del paziente (ad esempio: se il paziente è “Head First” o “Feet First”) e identificare l’isocentro in automatico, così da portare il paziente direttamente alla posizione di scansione senza che l’operatore debba centrarlo manualmente.

Alpha Technology trova la sua massima espressione con l’introduzione delle tecnologie Go, una particolare tecnologia implementata sugli ultimi sistemi TAC di Siemens Healthineers.

Come funziona Alpha Technology

Gli step che caratterizzano questa tecnologia sono i seguenti:

  1. Scan&GO, per la gestione della centratura e la registrazione dell’esame paziente
  2. Check&GO, un applicativo software dedicato alla più veloce e standardizzata impostazione di scansione e ricostruzione del pacchetto, per un flusso di lavoro più veloce e più sicuro sullo scanner. Questo applicativo automatizza il flusso di lavoro e permette di risparmiare tempo e fatica nella preparazione della scansione. Il pacchetto di scansione si posiziona in maniera del tutto automatica sull’organo da acquisire. Ciò impedisce che l’intervallo di acquisizione impostato sia o troppo corto o troppo lungo, evitando così che l’organo possa essere tagliato e il paziente irradiato inutilmente
  3. Recon&GO, tecnologia che riduce la post-elaborazione a zero click, integrandola nelle attività di ricostruzione standard. Consente di risparmiare tempo e, ottimizzando il workflow, fornisce risultati standardizzati e di elevata qualità. Grazie, infatti, a questa tecnologia, il sistema segmenta e nomina le vertebre e le coste e ne calcola la posizione per la ricostruzione anatomicamente corretta dell’immagine. Questo procedimento consente di risparmiare tempo nella ricostruzione spinale completa, riducendo il rischio di errori.

Il software di Intelligenza artificiale che aiuta l’operatore 

In tale contesto, un nuovo software di Intelligenza artificiale, myExam Companion, è stato progettato per facilitare il lavoro dell’utente, garantendo un’elevata qualità d’immagine e informazioni esaustive. Esso offre una guida intuitiva e interattiva per qualsiasi procedura e per qualsiasi utente, ottimizzando in modo automatico i parametri di acquisizione e di ricostruzione per il singolo paziente.
Come input, myExam Companion utilizza la caratterizzazione del paziente in tempo reale (taglia, sesso, età, ECG) e le domande guidate nella lingua clinica dell’utente (ad esempio: “Il paziente ha una protesi metallica?”, “Si tratta di un paziente sotto screening?”, “Il paziente è in grado di trattenere il respiro?”).
Questo input viene utilizzato in modo intelligente dai Decision Tree in background, permettendo a qualsiasi utente di trovare la migliore combinazione delle impostazioni di ricostruzione e acquisizione per un’eccellente qualità delle immagini e dei risultati.

Come un assistente di navigazione intelligente, myExam Companion individua il percorso più efficace scegliendo le tecnologie CT più idonee.

Il motore centrale di questo software di Intelligenza artificiale è myExam Cockpit che è azionato dall’interfaccia utente centrale per la configurazione rapida e intuitiva dei protocolli.
In questa modalità esperta, l’operatore sfrutta l’elevata flessibilità del sistema per modificare i protocolli predefiniti e per integrare la propria conoscenza nei protocolli standardizzati, rendendoli disponibili a tutti gli operatori.


Contributo editoriale sviluppato in collaborazione con Siemens Healthineers

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