La tomografia computerizzata cone beam () o tomografia computerizzata a fascio conico è una tecnica di imaging biomedico in cui una tomografia computerizzata viene realizzata mediante dei fasci di raggi X a forma di cono.
La CT cone beam è diventata sempre più importante nella pianificazione del trattamento e nella diagnosi dell'implantologia e in particolare è indispensabile nelle tecniche di implantologia computer assistita. Questa tecnologia viene sempre più impiegata anche in altri campi dell'odontoiatria, come ad esempio l'endodonzia e l'ortodonzia. Oltre all'utilizzo in ambito odontoiatrico e maxillo-facciale, trova utilizzo anche nelle procedure angiografiche, di radiologia interventistica e per la radioterapia immagine-guidata (IGRT). Vi sono dei primi accenni per l'utilizzo in campo osteoarticolare e veterinario.
Durante una scansione cone beam, lo scanner ruota attorno alla testa del paziente, ottenendo fino a quasi 600 immagini distinte. Il software raccoglie i dati e ricostruisce le immagini, producendo un volume digitale composto da voxel di dimensione isotropica dei dati anatomici acquisiti, che possono poi essere "ricostruiti" con software appropriati.
Storia
L'introduzione delle radiografie panoramiche all'inizio degli anni '60 e la loro rapida diffusione ha permesso ai clinici di avere in una singola immagine tutte le strutture maxillofacciali. Questa tecnica diagnostica rimase per molti anni lo standard di riferimento per la radiologia odontoiatrica. Nel 1967 Sir Godfrey Hounsfield, un ingegnere della EMI, realizzò il primo prototipo di tomografo computerizzato, che gli avrebbe valso il premio Nobel per la Medicina nel 1979. I lavori di Hounsfield si concretizzarono nel 1972 quando il primo tomografo assiale computerizzato (TAC) venne immesso nel mercato. La metodica poté evolversi in tempi brevi, con l'introduzione di sistemi definiti di “seconda” (nel 1975), di “terza” e di ”quarta generazione” (entrambi nel 1976). Nel 1978 alla Mayo Clinic venne installato il primo scanner tomografico 3D volumetrico con tecnica Dynamic Spatial Reconstructor.
Nel frattempo la ricerca si stava concentrando sullo sviluppo di sistemi simili, ma sostanzialmente dotati di un fascio radiante di forma conica, invece che uno a pennello come nei tomografi TC.
Questa nuova tecnologia avrebbe preso il nome di Cone Beam Computed Tomography – CBCT. I primi problemi che i ricercatori dovettero superare si concentrarono sull'ottenimento di una soddisfacente risoluzione di contrasto e spaziale, obiettivi che in una tecnologia così giovane non erano ancora stati raggiunti. Il primo tomografo CBCT introdotto nella pratica clinica fu sviluppato per l'angiografia dalla Mayo Clinic nel 1982. Questo sistema consisteva in un arco a C, dotato di un intensificatore di immagine, utilizzabile nelle procedure angiografiche. Nel 1992 iniziarono i primi esperimenti nell'introduzione della CBCT come simulatore per la pianificazione della radioterapia.M. Silver, M. Yahata, Y. Saito, E. A. Sivers, S. R. Huang, B. Drawert, T. Judd Volume CT of anthropomorphic phantoms using a radiation therapy simulator Proc. SPIE 1651, Medical Imaging VI: Instrumentation, 197 (June 1, 1992); doi:10.1117/12.59398. Successivamente un sistema CBCT, installato dentro un gantry, fu sviluppato presso la divisione francese della General Electric Medical Systems. Questo sistema era pensato per il vascolare e vantava un sistema software per la sottrazione digitale delle immagini. Più tardi due ricercatori, Jaffy e Siewerdsen, del dipartimento di radioterapia del “William Beaumont Hospital” (Michigan – USA), svilupparono un sistema CBCT per la guida dei trattamenti radioterapici basato su un rilevatore flat panel realizzato con silicio amorfo (a-Si:H).
Sebbene la tecnologia cone beam CT stesse progredendo velocemente e fosse impiegata in ambiti clinici sempre più numerosi, il suo vero potenziale era ancora ampiamente sottovalutato. Verso metà degli anni '90, dei ricercatori, appartenenti ai Dipartimenti di Fisica Medica e di Radiologia del Policlinico Universitario G.B Rossi di Verona, iniziarono a proporre l'utilizzo della CBCT in ambito dento-maxillo-facciale.
Le loro ricerche furono pubblicate nel 1998 e culminarono con l'immissione nel mercato di un prodotto dedicato. L'applicazione di questa tecnologia nel campo dento-maxillo-facciale ebbe fin da subito un ottimo riscontro: se confrontata con i tradizionali scanner tomografici TAC, la relativa economicità e ingombro dell'apparecchiatura CBCT, la crescente disponibilità di detettori flat panel sempre più efficienti, una dose minore di radiazioni somministrate al paziente e l'alta risoluzione spaziale ottenibile, furono le principali motivazioni di questo successo..
Nel 2000, l'apparecchiatura veronese fu la prima Cone Beam CT approvata dalla statunitense Food and Drug Administration (FDA) per l'uso in odontoiatria. A partire dall'anno successivo tali apparecchi furono introdotti nel mercato statunitense diventandone presto uno standard di riferimento. Nel maggio del 2000, la American Academy of Oral and Maxillofacial Radiology pubblicò una relazione sui criteri di selezione delle metodiche radiologiche utili nello studio preliminare dei pazienti deputati ad implantologia dentale, nella quale si raccomandava l'utilizzo di sistemi che offrissero informazioni anatomiche acquisite sui tre piani spaziali. Tali raccomandazioni sono state ribadite, nel 2012, in un documento di revisione, edito dalla stessa società, in cui si pone sempre maggior interesse verso la CBCT per la diagnosi in odontoiatria e come strumento indispensabile nella pianificazione pre-implantologica.
Grazie alle sue peculiarità, la CBCT è diventata una scelta naturale per l'imaging dento-maxillo-facciale. Queste stesse caratteristiche stanno introducendo tale tecnologia anche in altri settori. Già negli ultimi anni alcuni studi propongono la CBCT negli ambulatori di otorinolaringoiatria per lo studio dei seni mascellari e temporali. In un futuro già annunciato, l'integrazione della CBCT con sistemi di chirurgia guidata con le immagini sarà utilizzata per interventi di chirurgia endoscopica funzionale dei seni paranasali per il trattamento delle patologie disventilatorie naso-sinusali, sinusopatie acute complicate, sinusiti ricorrenti o rinosinusiti croniche con o senza poliposi naso-sinusale.
Ulteriori apparecchiature di imaging 3D basate su CBCT e nuove applicazioni cliniche sono in fase di sviluppo. Notevole interesse suscita l'uso della Cone Beam nello studio dell'orecchio interno e nel post-operatorio degli interventi di impianto cocleare, in quanto si possono sfruttare i vantaggi della poca dose radiante e della bassa suscettibilità agli artefatti metallici dell'impianto stesso, a cui la TAC è particolarmente sensibile. Si può già segnalare lo sviluppo e l'interesse raggiunto nella radiologia veterinaria.
Principi tecnici
La Cone Beam Computed Tomography (CBCT) è una tecnologia di imaging radiologico che impiega una sorgente a raggi-X che compie un unico giro completo di 360° gradi (o di 180° in talune apparecchiature) intorno all'oggetto da esaminare, emettendo un fascio di forma conica o piramidale (da qui il nome “cone beam”). I raggi vengono acquisiti da un detettore bidimensionale (solitamente realizzato con tecnologia allo stato solido) posto dalla parte opposta dell'oggetto rispetto alla sorgente a raggi-X. Segue un processo di analisi e ricostruzione dei dati, al fine di ottenere una serie di immagini diagnosticamente valide su qualsiasi piano di osservazione. La sorgente può emettere una radiazione continua durante la scansione, oppure pulsata, come avviene nella maggior parte dei casi al fine di limitare la dose somministrata al paziente.
La particolarità di avere un fascio conico, invece che a “ventaglio” (fan-beam) come nei tomografi TC, permette ad ogni esposizione di coprire l'intero campo di vista (Field of view o FOV) e quindi in un unico giro, anziché in più giri a spirale, acquisire una serie immagini bidimensionali complete della parte anatomica in esame, nelle diverse proiezioni. Questa serie di immagini prende il nome di projection data. Il numero di immagini, o frame rate, è variabile e dipende dalle scelte dell'operatore e dalle caratteristiche del sistema: più immagini vengono acquisite, più si avrà una miglior qualità del risultato finale a scapito, tuttavia, di una maggior esposizione del paziente alle radiazioni ionizzanti. La serie di proiezioni acquisite verranno poi elaborate da un software che produrrà un set tridimensionale che servirà da base per successive rielaborazioni che porteranno alle ricostruzioni nei tre piani ortogonali (assiale, sagittale, coronale). Il risultato finale è un'immagine tridimensionale, composta da una serie di voxel la cui dimensione è corrispondente alla risoluzione spaziale ed è intrinsecamente correlata con la dimensione dei pixel del detettore. Solitamente la risoluzione è nell'ordine dei 0,09-0,4 mm. e questo determina la dimensione del voxel che generalmente assume la caratteristica di essere isotropico e questo permette di poter ricostruire l'immagine su ulteriori piani o realizzare modelli grafici tridimensionali.
Generazione del fascio a raggi X
La sorgente di raggi X in un sistema CBCT è costituita da un tubo radiogeno in grado di compiere un giro di 360° intorno alla parte anatomica di interesse. Caratteristica peculiare del fascio prodotto è la sua forma: conica o piramidale, in grado di proiettare istantaneamente l'intera parte anatomica di interesse sul detettore.. Intuitivamente si può pensare che l'erogazione del fascio sia continua per tutto il percorso dell'esposizione. Tuttavia, per ragioni squisitamente legate alla riduzione di dose al paziente, l'erogazione avviene in maniera pulsata. In questo modo la durata dell'esposizione è inferiore alla durata totale della scansione..
L'ampiezza del cono o della piramide dipendono da specifiche caratteristiche costruttive della sorgente: disegno e focalizzazione del catodo, disegno e angolo anodico oltre che da appositi collimatori. Appositi filtri riducono lo spettro delle radiazioni emesse filtrando normalmente quelle a maggior lunghezza d'onda, meno penetranti (raggi X molli). L'intensità del fascio nel lato opposto al catodo può essere inferiore anche del 40% a causa dell'effetto anodico. Al 2015, la grande maggioranza dei modelli in commercio utilizza una tensione di 110 KV per alimentare il tubo radiogeno. Rispetto ai primi modelli sono invece diminuiti notevolmente i mA (milliAmpere) e i secondi di esposizione reale, quantificabili tra i 2 e i 7 secondi per i modelli più attenti alla dose somministrata al paziente.
Dimensioni del campo di vista
Come già detto, il fascio conico tipico della CBCT è in grado di coprire tutto il Field of View (FOV), ovvero l'intera parte anatomica di interesse. Tuttavia è necessario che il FOV, per ragioni legate alla minor dose di radiazioni da somministrare al paziente, sia dimensionato in base alle reali necessità cliniche del paziente in esame variando con opportuna collimazione l'ampiezza del cono emesso. Per questo motivo, la maggior parte delle apparecchiature CBCT sono in grado di operare con FOV di dimensioni diverse, impostati dall'operatore; per esempio per un esame che necessiti solo di un'indagine di una singola regione Dento-alveolare o dell'articolazione temporo-mandibolare sarà sufficiente un campo di vista inferiore ai 5 cm, per una mascella o mandibola tra i 5 cm e i 7 cm, mentre per l'intera regione cranio-facciale si dovrà avere un FOV superiore ai 15 cm.