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Luca Brombal

Tomografia al seno con luce di sincrotrone: un confronto con la pratica clinica

Corso di Dottorato in Fisica

Su base mondiale il carcinoma alla mammella è la causa del maggior numero di morti dovute al cancro tra la popolazione femminile e l’efficacia delle terapie beneficia fortemente di una diagnosi precoce. Attualmente, la mammografia 2D è l’indagine diagnostica di riferimento e il suo utilizzo per scopi di screening ha comportato una riduzione di mortalità del cancro al seno. Tale tecnica ha, tuttavia, delle limitazioni, talvolta mostrando sensibilità e specificità subottimali e causando dolore alla paziente. Per superare queste criticità, nell’ultimo decennio è stato profuso un grande sforzo nello sviluppo della Tomografia Computerizzata alla Mammella (TCM). La TCM fornisce immagini tridimensionali, evitando sia l’effetto di sovrapposizione dei tessuti, tipico delle tecniche planari, sia la compressione del seno. In questo ambito la sfida principale è combinare la capacità di distinguere i tessuti molli (alto rapporto segnale-rumore) e di identificare piccole calcificazioni (alta risoluzione spaziale), mantenendo bassa la dose di radiazione da raggi-X. La difficoltà di soddisfare queste richieste allo stesso tempo ha portato ad una transizione piuttosto lenta della TCM nel contesto clinico e, ad oggi, sono stati commercializzati solo due scanner TCM, adottati da un esiguo numero di strutture ospedaliere (meno di dieci nel mondo). In questo contesto il progetto SYRMA-3D (SYnchrotron Radiation MAmmography) mira a sviluppare, a Trieste, il primo esame TCM basato su tecniche di contrasto di fase con luce di sincrotrone. SYRMA-3D è finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e da Elettra Sincrotrone S.C.p.A., e coinvolge molti ricercatori dell’Università di Trieste. Al confronto con la TCM convenzionale, dove il contrasto nell’immagine deriva dall’attenuazione dei raggi-X, la novità chiave del progetto è la sua sensibilità alla rifrazione dei raggi-X. Questo effetto è molto più marcato rispetto all’attenuazione, portando a una maggiore visibilità di strutture di interesse nella mammella. Una delle tecniche sensibili alla rifrazione è denominata a propagazione libera: questa tecnica richiede l’utilizzo di una sorgente a raggi-X con caratteristiche molto stringenti (alta coerenza spaziale), che sono soddisfatte dal sincrotrone. In quest’ottica, è stato svolto uno studio quantitativo, primo nel suo genere, di comparazione tra uno scanner TCM clinico e il sistema in sviluppo al sincrotrone, con l’obiettivo di testare il potenziale diagnostico del contrasto di fase e i suoi vantaggi rispetto a sistemi TCM convenzionali.

Figura 1 : Visibilità delle fibre in funzione del diametro.

Lo studio è basato su un oggetto test, realizzato ad-hoc, che simula forma e composizione di una mammella. L’oggetto include una varietà di dettagli che simulano masse tumorali, strutture fibroghiandolari e cluster di microcalcificazioni. Il campione è stato scansionato con il sistema ospedaliero presso il Radboud University Medical Center (Nimega, Paesi Bassi), che collabora allo studio, utilizzando dei settaggi clinici (dose ghiandolare media di 6 mGy). La scansione, allo stesso livello di dose, è stata ripetuta presso la linea di luce SYRMEP di Elettra, in cui è presente una stanza che sarà dedicata ai pazienti. Alcuni dei risultati ottenuti sono qui riportati. Ad esempio, la Fig. 1 mostra il confronto in termini di visibilità in funzione del diametro effettuato su fibre sottili. È chiaro che la qualità delle immagini offerta dal sincrotrone è sensibilmente migliore, e permette di identificare fibre con diametri inferiori a 0.15 mm, mentre il limite di risoluzione del sistema ospedaliero si attesta attorno a 0.3 mm. Analoghe conclusioni si traggono dalla Fig. 2, dove il confronto coinvolge cluster di calcificazioni. La rivelazione di tali strutture è di grande importanza clinica dato che esse possono indicare la presenza di una lesione maligna.

Figura 2 - Visibilità delle microcalcificazioni in funzione della dimensione.

Dando per assodato il fatto che le applicazioni radiologiche del sincrotrone non potranno raggiungere un vasto numero di persone a causa dei grandi costi infrastrutturali ed economici, questi studi costituiscono un punto di riferimento, mostrando efficacemente la massima qualità di immagine raggiungibile in condizioni ideali. In questo contesto crediamo che una diffusione di queste applicazioni sia la chiave per raggiungere la “massa critica” di medici e scienziati necessaria per innescare la transizione, attesa da tempo, delle tecniche a contrasto di fase dai sincrotroni agli ospedali, risultando in una diagnostica migliore e disponibile a un maggior numero di persone.

Autori ed affiliazioni

Luca Brombal^1,2, Fulvia Arfelli1^1,2, Pasquale Delogu^3,4, Sandro Donato^1,2, Giovanni Mettivier^5,6, Koen Michielsen⁷, Piernicola Oliva^8,9, Angelo Taibi^10,11, Ioannis Sechopoulos^7,12, Renata Longo^1,2 & Christian Fedon^7,2

Contatto

Luca Brombal, email: lbrombal@units.it

Riferimento bibliografico

Luca Brombal, Fulvia Arfelli, Pasquale Delogu, Sandro Donato, Giovanni Mettivier, Koen Michielsen, Piernicola Oliva, Angelo Taibi, Ioannis Sechopoulos, Renata Longo, Christian Fedon
Image quality comparison between a phase-contrast synchrotron radiation breast CT and a clinical breast CT: a phantom based study
Scientific Reports 9, 17778 (2019)
DOI: 10.1038/s41598-019-54131-zj