RUOLO DELLA TOMOGRAFIA COMPUTERIZZATA A DOPPIA ENERGIA NELLE MALATTIE MUSCOLOSCHELETRICHE

AUTORI:

Marina Carotti¹, Fausto Salaffi², Paola Piccinni¹, Andrea Giovagnoni¹

¹Dipartimento di Radiologia, Ospedali Riuniti, Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy,

²Clinica Reumatologica, Ospedale “Carlo Urbani” Jesi, Ancona Dipartimento di Scienze Cliniche e Molecolari, Università Politecnica delle Marche

Introduzione

La tomografia computerizzata a doppia energia (DECT) è una tecnica di imaging innovativa, il cui utilizzo ha avuto un progressivo interesse nell’ultimo decennio, giocando un ruolo fondamentale in molte applicazioni cliniche, come nel campo della neuroradiologia e nello studio del torace, del sistema cardiovascolare, degli organi addominali ed in ambito muscoloscheletrico. A differenza della Tomografia Computerizzata (TC) convenzionale, dove ogni immagine è acquisita con la stessa energia, La DECT acquisisce immagini con fasci di raggi X a diversa energia. La sensibilità e l’accuratezza nella scomposizione dei materiali è dipendente dalla separazione spettrale dei fasci di raggi. La DECT offre notevoli vantaggi in termini di separazione spettrale, erogando fasci di raggi X con energie variabili da 70 kV a 150kV, con filtro di stagno. La DECT è superiore alla TC a singola energia per la sua capacità di differenziare i materiali in base alla loro composizione chimica. L’ uso di due tubi a raggi X, con diversi livelli di energia, consente di estrarre informazioni per caratterizzare la composizione chimica del materiale, in base ai diversi gradi di assorbimento e attenuazione del fascio di raggi X che, a loro volta, dipendono dal numero atomico delle diverse componenti in esame. In post-processing, confrontando i diversi livelli di attenuazione rispettivamente ad alta e bassa energia, la DECT permette la decomposizione dei materiali, utilizzando specifici software dedicati (Figura 1) Ci sono diversi approcci tecnici, ciascuno dei quali possiede vantaggi intrinseci e svantaggi, soprattutto per quanto riguarda il contrasto spettrale e l’efficienza di dose. Una delle importanti applicazioni cliniche della DECT è quella in ambito muscoloscheletrico. Essa include il riconoscimento di cristalli di urato monosodico in pazienti affetti da artropatia gottosa, differenziandoli da quelli di pirofosfato diidrato di calcio, in soggetti con condrocalcinosi, la valutazione dell’edema osseo intraspongioso (BME), mediante la tecnica tecnica “virtual non calcium subtraction” (tecnica VNCa), sia nella patologia traumatica che infiammatoria (osteite) o nell’ algoneurodistrofia, la caratterizzazione di strutture collagene, come tendini, legamenti e dischi intervertebrali; la minimizzazione degli artefatti da “indurimento” del fascio nello studio della protesi metalliche.

Principi base della tecnica DECT

La DECT si basa sul principio secondo il quale l’attenuazione dei tessuti (espresso dal numero di attenuazione CT, in unità Hounsfield [HU]) dipende dalla loro densità, ma anche dal loro numero atomico Z, nonché dall’energia del fascio radiante. Il termine “TC a doppia energia” o “DECT” si riferisce all’utilizzo di due spettri di fotoni; pertanto, la DECT è a volte definita anche come “TC spettrale”. In DECT, due “pacchetti” di dati vengono acquisiti con differenti livelli energetici; i diversi potenziali del tubo vengono utilizzati per generare gli spettri; le informazioni spettrali, a loro volta possono essere ottenute da detettori di strato o da detettori quantici. Diversi approcci tecnici come l’acquisizione sequenziale, la rapida alternanza del voltaggio, la TC a doppia sorgente, il rilevamento di strati, il conteggio quantico, offrono diversi contrasti spettrali ed efficienze di dose. Vari algoritmi di post-elaborazione forniscono rapidamente le informazioni spettrali clinicamente rilevanti. Tre tipi principali di algoritmi sono attualmente utilizzati per elaborare i dati ottenuti in doppia energia: 1) algoritmi di elaborazione delle immagini che di solito forniscono tre pacchetti di dati: due pacchetti in monoenergia (generalmente a 80 o 100 keV e a 140 KeV) ed uno prodotto dalla combinazione di dati a bassi livelli energetici, che forniscono immagini con elevato contrasto, e dati ad alti livelli energetici che forniscono immagini a basso rumore; 2) algoritmi che permettono la differenziazione dei materiali attraverso metodiche colorimetriche; 3) algoritmi di quantificazione e decomposizione dei diversi materiali attraverso metodiche colorimetriche e sulla base del contenuto di iodio nelle scansioni post-contrastografiche.

Figura 1. Software di ricostruzione. Immagini in codifica di colore sui 3 piani dello spazio e immagine in scala di grigi in acquisizione assiale. I cristalli di urato monosodico appaiono di colore verde a livello della caviglia destra e, di minore entità, del piede sinistro. L’osso trabecolare appare di colore rosa. I parametri di rielaborazione delle immagini si trovano nel pannello di sinistra.

Applicazioni della DECT per l’imaging muscoloscheletrico

Artropatia gottosa. La gotta è una delle forme più comuni di artrite infiammatoria, con tassi di prevalenza superiori all’1% in gran parte del mondo. La tecnica DECT rappresenta una modalità di imaging promettente e non invasiva per valutare e diagnosticare la gotta in fase precoce, allo scopo di prevenire le complicanze della fase avanzata di malattia (gotta cronica). Attraverso l’identificazione dei depositi di cristalli di urato monosodico (MSU) si può facilmente giungere alla diagnosi di gotta in pazienti con livelli sierici normali di urato o escluderlo in pazienti con sola iperuricemia. La DECT è in grado di separare i diversi materiali, per esempio è possibile differenziare il calcio (un elemento con alto peso molecolare) dall’ acido urico (a basso peso molecolare), così come l’osso corticale dall’osso trabecolare. I materiali vengono, quindi, codificati mediante colori e sovrapposti alle immagini DECT standard in una workstation multimodale, dove è possibile eseguire “volume rendering” multiplanare e immagini tridimensionali; queste ultime possono essere visualizzate a 360° attorno a qualsiasi asse per poter riconoscere al meglio i depositi MSU. Alla codifica di colore i depositi di cristalli di urato monosodico sono rappresentati di colore verde, il calcio e l’osso corticale in blu e l’osso midollare in rosa (Figura 2). 

Figura 2. Paziente di 60 anni affetta da artrire reumatoide. Dual Energy CT. Volume Rendering con color overlay per cristalli di urato monosodico. La codifica di colore mostra multipli depositi di acido urico, espressi dal colore verde, a livello dei tessuti molli del carpo e delle dita della mani, bilateralmente (A), delle ginocchia (B) e dei piedi e caviglie (C). Il software consente il calcolo del volume totale dei depositi di acido urico.

Più recentemente, grazie alla disponibilità di software automatizzati, è possibile calcolare il volume dei tofi gottosi; tale possibilità di quantificare il reale deposito dei cristalli di MSU è particolarmente utile nel monitoraggio della risposta terapeutica e nella implementazione di una strategia “treat-to-target”. Negli anni più recenti, numerosi studi hanno dimostrato che la DECT mostra una elevata capacità di rilevare i depositi di cristalli di MSU e nel differenziare la gotta da altre forme di artrite da precipitazione di cristalli. Una nostra recente metanalisi di 17 studi pubblicati ha mostrato una sensibilità globale pari al 85% (95% CI 70% – 90%) ed una specificità pari al 88% (95% CI 77% – 94%), rispettivamente (Figura 3). 

Figura 3: Sensibilità (A) e specificità (B) stimata per la Dual Energy CT nella diagnosi di gotta. Analisi di 17 studi pubblicati in letteratura (Carotti M, Salaffi F, Filippucci E, Barile A, Floridi C, Masciocchi C. Giovagnoni A. Clinical utility of dual energy computed tomography in gout: current concepts and applications. Acta Bio Medica Atenei Parmensis. In press.)

Studi di comparazione fra la DECT e l’ecografia hanno dimostrato valori di sensibilità e specificità simile fra le due metodiche, con una maggiore sensibilità per gli US, in particolare nella gotta non tofacea, nelle fasi precoci della malattia e nei casi di prima insorgenza, mentre la DECT è risultata più specifica. L’ecografia può, quindi, essere considerata un ottimo strumento di screening, sebbene dotata di scarsa specificità nelle fasi di monitoraggio terapeutico. L’evidenziazione dei cristalli di MSU mediante DECT dipende dalle loro dimensioni, dalla densità e dai parametri dello scanner. Diversi studi hanno dimostrato la capacità della DECT di svelare la presenza di cristali di MSU in pazienti con iperuricemia asintomatica. La DECT ha, inoltre, dimostrato una migliore performance rispetto all’esame del liquido sinoviale nella fase di inquadramento diagnostico. Recentemente, i nuovi criteri classificativi ACR-EULAR della gotta hanno inserito la DECT fra le tecniche di imaging, in alternativa all’ecografica, insieme all’esame radiografico.

Edema osseo intraspongioso. La risonanza magnetica (RM) rappresenta la tecnica gold standard per l’evidenziazione dell’edema osseo intraspongioso; la TC convenzionale, infatti, nonostante l’implementazione di numerosi protocolli, non consente la visualizzazione del midollo osseo perché non è in grado di rimuovere l’osso trabecolare. La metodica a doppia energia acquisisce simultaneamente due “pacchetti” di dati a differenti livelli energetici, permettendo in tal modo di caratterizzare e differenziare le varie componenti chimiche, attraverso l’impiego di protocolli mirati di decomposizione dei materiali. I software di post-processing (Figura 1) sono utilizzati per rimuovere il calcio nell’osso trabecolare, attraverso un processo chiamato “virtual non calcium subtraction” (VNCa subtraction), che consente la creazione di immagini rielaborate, capaci di visualizzare il midollo osseo, privo della sovrapposizione del calcio. Recentemente, “Siemens Healthcare” ha proposto e validato un software innovativo contenente un’applicazione CT-VNCa potenziata a doppia energia, codificata per colore. Alla codifica di colore l’edema osseo viene rappresentato di colore verde, sovrapposto alle immagini in scala di grigi o tridimensionali. L’edema osseo può essere riconducibile ad una malattia infiammatoria articolare (osteite in corso di artrite reumatoide) (Figura 4) ad un trauma, all’algoneurodistrofia (Figura 5) o ad una patologia maligna infiltrativa, come le metastasi. Queste condizioni differiscono leggermente in densità, e vi può, pertanto, essere una certa sovrapposizione, che può tuttavia essere superata con l’analisi densitometrica e la valutazione clinico-anamnestica del paziente. Nonostante i considerevoli vantaggi di questa tecnica, bisogna tener presente la possibilità di artefatti, che possono indurre dei falsi positivi; in particolare appare difficoltosa la valutazione del midollo osseo immediatamente adiacente alla corticale, l’osso sclerotico o la presenza di aria, che può essere responsabile di artefatti. Esistono evidenze della letteratura che hanno dimostrato la capacità della DECT di evidenziare l’edema osseo a livello articolare in corso di malattie reumatiche infiammatorie, quale l’artrite reumatoide (RA) e le spondiloentesoartriti. In tutti gli studi, è stata eseguita una RM come tecnica gold standard di riferimento per lo studio dell’edema osseo. La tecnica DECT-VNCa ha, inoltre, dimostrato un’elevata accuratezza nel rilevare la presenza dell’edema osseo nelle fratture vertebrali post-traumatiche ed in quelle da insufficienza a carico del distretto toraco-lombare in pazienti oncologici. Recenti lavori della letteratura hanno, inoltre, evidenziato come la DECT-VNCa sia in grado di rilevare l’edema osseo a livello delle articolazioni sacro-iliache in pazienti con spondiloartrite assiale (axial-SpA) e di rappresentarlo in colore verde alla codifica di colore. Mediante il posizionamento della ROI è possibile quantificarlo, calcolando la densità, in HU (Figura 6). Nella nostra  esperienza, la DECT ha mostrato, in confronto alla RM, una sensibilità ed una specificità pari al 95,8% e 83,3% rispettivamente, nel documentare la presenza dell’edema osseo a carico delle sacroiliache di soggetti con axial-SpA. Il valore ottimale di discriminazione (optimal cutoff point), in termini di unità Hounsfield, è risultato pari a –1,6 HU (maximum Youden’s index = 0,828). Tale valore rappresenterebbe il livello ottimale di performance della DECT nel discriminare la presenza/assenza dell’edema osseo, corrispondente ad una sensibilità del 90.0% (95% CI 73,5 – 97,9) e una specificità del 92.8% (95% CI 76,5 – 99,1).

Figura 4. Paziente di 55 anni affetta da artrire reumatoide. Dual Energy CT: immagine di fusione CT MPR coronale e color overlay. La tecnica “virtual non-calcium-subtraction” consente la visualizzazione dell’edema intraspongioso, rappresentato di colore verde alla codifica di colore, a carico del capitato del polso sinistro (A) e della base della II (B) e III (C) falange prossimale della mano sinistra. Il software dedicato permette il calcolo preciso dei valori di attenuazione da riferire all’edema nella regione di interesse (ROI).

Figura 5. Paziente di 40 anni con algoneurodistrofia. RM: Sequenza STIR in sezione assiale (A); Dual Energy CT: immagine di fusione CT MPR sagittale e color overlay (B). La tecnica “virtual non-calcium-subtraction” consente la visualizzazione dell’edema intraspongioso, rappresentato di colore verde alla codifica di colore, a carico dell’astragalo del piede destro, nella stessa sede ove è apprezzabile alla RM. Il software dedicato permette il calcolo preciso dei valori di attenuazione da riferire all’edema nella regione di interesse (ROI). Il colore verde immediatamente adiacente alla corticale del calcagno è riferibile ad artefatto

Figura 6. Paziente di 39 anni affetto da spondiloartrite assiale. RM: Sequenza STIR in sezione assiale (A); Dual Energy CT: immagine di fusione in assiale e color overlay (B). La tecnica “virtual non-calcium-subtraction” consente la visualizzazione dell’edema intraspongioso, rappresentato di colore verde alla codifica di colore, nelle stesse sedi ove è apprezzabile alla RM a carico di entrambe le articolazioni sacro-iliache. Il software dedicato permette il calcolo preciso dei valori di attenuazione da riferire all’edema nella regione di interesse (ROI).

Studio di tendini, legamenti e dischi intervertebrali. La DECT si propone come nuovo metodo di imaging anche per lo studio dei tendini e dei legamenti. Attraverso le metodiche di scomposizione dei materiali e grazie alla loro densità relativamente elevata, dovuta alla presenza di catene di idrossilisina e di idrossiprolina, la DECT è in grado di visualizzare le strutture collagene, come quelle dei legamenti e dei tendini e di riconoscerne eventuali condizioni patologiche. Utilizzando un software dedicato, queste strutture possono essere codificate mediante mappe colorimetriche e rapportate alle immagini TC in scala di grigi. Studi recenti hanno dimostrato come la DECT sia in grado di visualizzare alcune strutture legamentose del ginocchio, come il legamento crociato anteriore, il legamento crociato posteriore, il legamento rotuleo ed il legamento collaterale fibulare, senza iniezione di mezzo di contrasto intra-articolare. Sebbene la sensibilità nel riconoscimento delle lesioni legamentose sia risultata inferiore alla RM, la DECT può essere comunque considerata una metodica di imaging alternativa nei pazienti con controindicazioni alla RM (pacemaker, claustrofobia e obesità). La DECT può, inoltre, svolgere un ruolo non trascurabile anche nella valutazione dei tendini, in particolare nella visualizzazione della continuità e della corretta inserzione. Mediante le metodiche di “volume rendering” è possibile identificare l’esatta localizzazione, rispetto alle strutture ossee limitrofe.

DECT e tecniche contrastografiche

La mappatura dello iodio è una tecnica di elaborazione delle immagini utilizzata in DECT per migliorare la risoluzione del contrasto dello iodio. Con tale tecnica è possibile enfatizzare l’enhancement del contrasto iodato e di creare un’immagine di sovrapposizione; tale immagine di sovrapposizione rappresenta la cosidetta “mappatura dello iodio”, particolarmente utile negli studi di perfusione regionale, in particolare in ambito polmonare nella diagnosi di embolia. Di recente, questo innovativo metodo di imaging, è stato utilizzato anche nel campo delle malattie muscoloscheletriche, per rilevare lesioni infiammatorie come la sinovite e la tenosinovite a carico delle articolazioni periferiche. Attraverso la mappatura dello iodio viene enfatizzata la sua distribuzione e i dati acquisiti vengono poi elaborati con un software dedicato, che, attraverso la tecnica di decomposizione dei materiali, può identificare lo iodio e creare anche un’immagine virtuale, priva di mezzo di contrasto. Nelle artropatie infiammatorie, per esempio nell’artrite reumatoide e nell’artrite psoriasica, il mezzo di contrasto iodato si accumula nel sito di infiammazione e, grazie al contributo di immagini ad alta risoluzione, si può riconoscere la flogosi anche in fase precoce, Fukuda et al. hanno descritto l’importanza della mappatura dello iodio in DECT per la valutazione della sinovite e della tenosinovite a carico di mani e piedi in pazienti con artrite reumatoide e artrite psoriasica; gli autori hanno concluso che la mappatura dello iodio in doppia energia è una tecnica performante e affidabile per delineare le lesioni infiammatorie ed i cambiamenti strutturali, di particolare importanza, non solo nella diagnosi precoce, ma anche nella valutazione della risposta terapeutica. Gli stessi autori in un altro studio hanno valutato l’affidabilità della DECT con mappatura dello iodio (IOI DECT) per la valutazione dell’impegno delle mani in pazienti con artrite psoriasica. I risultati di questo studio hanno dimostrato che la sensibilità e la specificità di IOI DECT per l’individuazione precoce delle lesioni infiammatorie erano del 78% e 87%, rispettivamente, con un grado di concordanza interlettore eccellente. Rispetto alla RM la IOI DECT è risultata superiore alla RM con mezzo di contrasto nell’evidenziare la flogosi articolare a livello delle articolazioni interfalangee prossimali e distali, mentre la RM è risultata più sensibile per le articolazioni metacarpofalangee. Il principale vantaggio della DECT rispetto alla RM è quello della miglior valutazione del danno strutturale. Sebbene siano necessari ulteriori studi, alcuni contributi della letteratura, hanno evidenziato come la DECT sia superiore all’artrografia RM e all’artrografia TC per la valutazione delle lesioni meniscali e della cartilagine articolare gleno-omerale e nello studio di alcune patologie dell’anca.

 

Ruolo della DECT nello studio delle lesioni neoplastiche e metastatiche

Studi di comparazione con la DEXA (Dual-Energy X-ray Absorptiometry) hanno dato risultati promettenti per la valutazione della densità minerale ossea con tecnica DECT. Risultati incoraggianti, sebbene preliminari, sono stati osservati anche nella ricerca delle lesioni metastatiche dell’osso mediante DECT. Mediante software dedicati che consentono la decomposizione quantitativa e qualitativa dei tessuti, la creazione di un imaging virtuale senza contrasto e la mappatura dello iodio, la DECT permette la definizione dell’osso corticale e trabecolare e di identificare l’eventuale presenza di tessuto sostitutivo ed interruzioni della corticale. Tali tecniche richiedono, tuttavia, ulteriori approfondimenti, prima di poterne convalidare la loro applicazione in ambito clinico.

 

DECT e artefatti metallici 

Numerosi contributi della letteratura sostengono l’impiego della DECT nella riduzione degli artefatti metallici, attraverso l’implementazione di una tecnica post-processing specifica che ottenga uno spettro virtuale di energia monocromatica. L’ipotesi è che queste immagini monocromatiche vengano create dopo eleborazione dei dati a basso e ad alto KiloVoltaggio. Inoltre, la workstation consente di regolare il livello di energia al fine di ottimizzare i dettagli dei tessuti molli. Rispetto alla CT policromatica convenzionale, la DECT dimostra una sensibilità inferiore agli artefatti da indurimento del fascio, fornisce una migliore visualizzazione dell’osso corticale, dell’osso trabecolare e dei tessuti molli adiacenti, senza un aumento della dose totale di radiazioni.

Conclusioni

In conclusione, la DECT rappresenta una tecnica innovativa nell’ambito dell’imaging TC. La sua capacità di differenziare i materiali, in base al loro numero atomico, la rende particolarmente utile in un vasto campo di applicazioni cliniche ed in particolare in ambito muscolo-scheletrico. Consente l’evidenziazione dell’edema osseo nella patologia traumatica, nell’algoneurodistrofia e nell’infiammazione (osteite) e la visualizzazione di tendini e legamenti. La mappatura dello iodio con DECT viene clinicamente utilizzata per rilevare lesioni infiammatorie, come la sinovite e la tenosinovite a carico delle articolazioni periferiche (prevalentemente di mani e polsi e piedi) dei pazienti affetti da malattie infiammatorie articolari. La DECT consente, inoltre, di ridurre l’esposizione alle radiazioni ionizzanti, poiché offre la possibilità di sostituire gli esami multifase con acquisizioni singole più specifiche. Sono state sviluppate numerose applicazioni e sono al momento in corso studi clinici prospettici per valutare la reale performance di queste tecniche nel campo delle patologie muscolo-scheletriche.