Sistemas de imagen médica

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Figura 1. En la imagen de la izquierda, TAC de rayos X. Sobre un disco circular se observa el emisor de rayos X y a la derecha se observa la placa del sensor. En el centro del disco circular se puede distinguir una pequeña camilla donde se sitúa el animal. En la imagen inferior se muestra la imagen planar (2D) de una rana obtenida con este sistema.

Medical Imaging Systems.
In this article, we briefly describe the operating principles of the most important techniques used for medical diagnostics based on imaging. Some recent trends in instrumentation for medical imaging are also summarized. We illustrate these trends with images obtained with state-of-the-art prototypes developed by the Medical Imaging Systems group at the Universitat de València-Institut de Física Corpuscular (CSIC-Universitat de València).

El objetivo principal de la medicina desde los tiempos de Hipócrates, en los que nace como ciencia, es el de sanar la vida humana y aliviarla del sufrimiento de la enfermedad. El propio paciente detecta muchas veces la enfermedad al notar un dolor, malestar o debilidad. El médico trata de identificar la causa de la enfermedad mediante la observación del color de la piel, los ojos, etc. Pero la mayoría de las veces la observación visual externa no es suficiente para determinar el problema interno que sufre el paciente. Nos gustaría poder ver el cuerpo por dentro con la esperanza de detectar una anomalía en la estructura, forma o color del organismo para poder corregirla.

Pero, ¿cómo podemos observar el cuerpo humano por dentro? La forma más evidente y que se ha practicado durante siglos es la cirugía: abrir el cuerpo mediante un bisturí. Últimamente también se han desarrollado cámaras de vídeo que se introducen por los orificios del paciente para observar por dentro la nariz, la garganta, el estómago, etc. Estos métodos son invasivos y no están exentos de un considerable riesgo (infecciones, anestesia, etc.), hasta el punto que en ocasiones son simplemente impracticables, como en las lesiones localizadas en el cerebro o en el diagnóstico del feto en su gestación. Los métodos de imagen médica son no invasivos.

Si nos preguntamos cómo es el cuerpo por dentro tendremos que responder que depende de cómo lo observemos, igual que si tratamos de describir con precisión cómo es un perro. Si utilizamos nuestro olfato, tendrá un tipo de olor particular; si utilizamos el tacto, diremos que tiene un pelo más o menos suave; si utilizamos la vista, que es de un color determinado; también podremos escuchar su respiración o sus ladridos. Así, la observación del objeto de interés dependerá del medio físico que se emplee (por ejemplo, iluminando con luz desde fuera o dentro, aplicando la presión del tacto o mediante las ondas sonoras), del tipo de sensor utilizado para transformar la señal obtenida en información (sensores optimizados para un tipo de luz u onda de sonido o electromagnética determinados, por citar algunas), y también de aquellas características o procesos en los que estemos interesados, dado que no todas las técnicas son igualmente idóneas o poseen la misma relación coste-beneficio. Por citar algunos casos, para fracturas de material óseo la TAC (tomografía axial computarizada) o las radiografías son las más idóneas. En tejidos acuosos como los ligamentos o la masa cerebral donde se necesita información anatómica, la resonancia magnética o la ecografía según los casos, son insuperables. Para procesos más complejos como el tratamiento de tumores cancerosos, donde la información anatómica no es suficiente sino que se requiere información metabólica de la actividad vital, la medicina nuclear abre un camino de grandes expectativas.

Durante el último siglo y especialmente durante los últimos treinta años, el hombre ha podido desarrollar instrumentos que permiten detectar distintos tipos de señales que interaccionan o son emitidas por el cuerpo humano y que son más penetrantes y sensibles que las que detectan nuestros cinco sentidos. En algunos sistemas de diagnóstico por imagen, el emisor de las señales es externo. Dichas señales interaccionan con el cuerpo y al ser a su vez detectadas por el sistema nos proporcionan información sobre éste. Otras veces, como sucede en el caso del diagnóstico por imagen en medicina nuclear, se inyectan fármacos en el paciente que emiten las señales que detecta el sistema. En este caso, la imagen proporciona la distribución de las moléculas en el paciente aportando información sobre el funcionamiento del organismo. Por lo tanto, las técnicas de diagnóstico médico por imagen están basadas en diferentes señales físicas que los seres humanos no podemos percibir pero que son detectadas por distintos sistemas desarrollados por el hombre. Los sistemas que detectan dichas señales las convierten en datos que son procesados para formar una imagen.

En la segunda mitad del siglo pasado se produjo un desarrollo exponencial en el perfeccionamiento y utilización de las técnicas de imagen para el diagnóstico y la investigación en la mayor parte de las especialidades médicas. En el fondo no puede sorprendernos este crecimiento porque en la medicina hay una estrecha correlación entre forma y función a todos los niveles: orgánico, tisular, celular o molecular. En la patología traumática es evidente la relación entre pérdida de forma (discontinuidad de un vaso, un nervio, un músculo o un tejido) y la pérdida de función correspondiente. La anatomía patológica ha puesto de manifiesto las relaciones entre forma y función alteradas a nivel tisular, es decir, en lo relativo a los tejidos de los organismos, y celular en la mayor parte de los procesos y hoy sabemos que en los procesos patológicos metabólicos y bioquímicos también existe una expresión morfológica molecular. Por todo ello cabe esperar que la demanda de imagen en medicina siga creciendo.

Resulta interesante destacar que fue desde la física, en simbiosis con las matemáticas y la informática, de donde surgieron los procedimientos de generación, reconstrucción y tratamiento de imagen que darían lugar a los actuales métodos de vanguardia.

En este artículo resumimos brevemente las técnicas de diagnóstico por imagen más utilizadas así como las tendencias más recientes en instrumentación médica en dicho campo. Así, exponemos el principio de funcionamiento básico de los aparatos de rayos X, TAC, cámara gamma, cámara PET (tomografía por emisión de positrones) o resonancia magnética. Ilustramos también algunas de las nuevas tendencias en instrumentación médica para diagnóstico por imagen mediante imágenes obtenidas con prototipos innovadores de vanguardia desarrollados por nuestro grupo. Algunos de estos desarrollos, como las minicámaras gamma para la detección intraoperatoria de tumores cancerosos de mama y ganglio centinela, han sido transferidos a la industria médica y se encuentran actualmente en fase de ensayos clínicos en centros hospitalarios, donde se están incorporando a la práctica médica.

La imagen por rayos X

Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Roentgen. Este descubrimiento posibilitó el desarrollo de la radiología y aportó el primer procedimiento de imagen que permitía a la medicina explorar el interior del cuerpo humano. La radiografía proporcionó imágenes estáticas, instantáneas, de procesos dinámicos. Los principales desafíos técnicos en sus comienzos fueron, primero, mejorar los contrastes y, más tarde, tras conocer los efectos potencialmente nocivos de la radiación, disminuir la exposición de los pacientes.

En un sistema de rayos X, un emisor externo al paciente emite los rayos en dirección a éste y un sensor situado tras el organismo detecta los rayos que han conseguido atravesarlo. En la figura 1 se muestra un sistema de rayos X para realizar estudios con animales pequeños y la imagen planar (2D) de una rana. Actualmente, se tiende a que los sensores que detectan los rayos X sean capaces de obtener una imagen digital, cualidad importante porque permite almacenarla en un sistema informático, analizarla mediante un ordenador y transferirla a otros lugares.

Este sistema de obtener imágenes planares de rayos X está muy extendido en el mundo, pues es relativamente barato. Pero presenta el inconveniente de que sólo se visualiza una proyección del objeto y así, en la misma imagen, se mezclan, por ejemplo, las costillas del pecho y de la espalda. Es más conveniente obtener una imagen tridimensional del objeto. Esto se consigue mediante la tomografía computarizada (TAC). Esta técnica comenzó a utilizarse en 1973 y fue desarrollada por A. McLeod Cormack y G. Newbold Hounsfield, quienes recibieron por ello el premio Nobel de Medicina en 1979.

En una TAC se adquieren muchas imágenes del mismo objeto, realizadas desde distintos ángulos. El sistema mostrado en la figura 1 es realmente una TAC ya que un motor permite girar el disco del emisor y el sensor de rayos X alrededor de la camilla donde se sitúa el animal y obtener imágenes de éste desde ­todos los ángulos. Las distintas proyecciones adquiridas se almacenan en un ordenador y un programa informático de reconstrucción de la imagen obtiene la representación del objeto en tres dimensiones.

La imagen por rayos gamma

Los descubrimientos de la radiactividad natural por Henri Becquerel en 1896 y de la radiactividad artificial por Frédéric e Irène Joliot-Curie en 1935 marcaron los principios de la medicina nuclear. Se puede considerar que el diagnóstico por imagen de rayos gamma (gammagrafía) se inicia cuando Hevesy demuestra en 1913 que las radiaciones emitidas por una sustancia radiactiva incorporada a un organismo se podían detectar desde el exterior.

Los rayos gamma también son de la misma naturaleza que la luz visible, pero con mayor energía que los rayos X. Con los rayos gamma no se persigue obtener una imagen producida por la absorción de éstos en el organismo, sino utilizarlos como marcadores. Primero se introduce un contraste en el paciente y, una vez que dicho contraste se ha extendido por sus órganos, se le examina con la cámara. El proceso es similar a tomar una fotografía interior del paciente, excepto en que se detecta luz de longitud de onda mucho menor que la de la luz visible, y que aporta información sobre la región donde se ha acumulado el contraste.

 

«Los rayos X fueron el primer procedimiento de imagen que permitía a la medicina explorar el interior del cuerpo humano»

 

 

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Figura 2. Minicámara gamma portátil e imagen de la glándula tiroide de un paciente con hipertiroidismo obtenida con esta cámara y reconstruida en un ordenador portátil.

 

«El hombre ha desarrollado instrumentos que permiten detectar distintos tipos de señales que interaccionan o son emitidas por el cuerpo humano y que son más penetrantes y sensibles que las que detectan nuestros cinco sentidos»

Para poder obtener este tipo de imágenes fue necesario desarrollar detectores sensibles a dicho tipo de radiación. Primero se utilizaron placas fotográficas, después, desde 1910, detectores como el de Geiger-Muller y más adelante la cámara gamma de Hal Anger, desarrollada en 1958 y precursora de los equipos actuales de información digital procesada por ordenador.

La mayoría de las cámaras gamma actuales van equipadas con un detector de centelleo como elemento sensible a la radiación gamma. Estos detectores de centelleo al ser excitados por la radiación gamma emiten radiación luminosa. La radiación luminosa (fotones ópticos) es amplificada por tubos fotomultiplicadores y las señales así producidas se recogen como pulsos eléctricos que son guardados para analizarlos posteriormente.

En la figura 2 se muestra un novedoso diseño de cámara gamma. Con apenas un kilogramo de peso, puede ser empleada en un quirófano gracias a la posibilidad de conectarse a un ordenador portátil. Además de su tamaño, la cámara destaca por su bajo coste en comparación con los sistemas disponibles, cuyos modelos estándares cuestan más de diez veces su precio. La cámara no permite examinar regiones grandes del cuerpo pero sí zonas pequeñas con altísima resolución.

Las imágenes así obtenidas son imágenes planares del objeto. Se puede decir que de la misma manera que la tomografía computarizada (TAC) derivó de la radiología, las tomografías computarizadas de emisión (fotón único o positrones) proceden de la gammagrafía. La tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT, por Single-Photon Emission Computed Tomography) proporciona una imagen tridimensional del órgano estudiado. Su funcionamiento se basa en la utilización de al menos una cámara gamma rotatoria. De esta forma se obtienen imágenes de una zona en concreto desde diferentes ángulos, lo que permite reconstruirlos posteriormente en tres dimensiones. Así, en la figura 3a, se muestra una fotografía del sistema SPECT para animales pequeños, en el que dos cámaras gamma giran alrededor de la camilla. En la figura 3b, se muestra el resultado de una exploración de la tiroides de un ratón con una resolución de 0,8 milímetros.

  
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Figura 3. a) Cámara SPECT para la realización de estudios de investigación con animales pequeños a partir de la cámara gamma desarrollada. b) Imagen (vistas transaxial, sagital y coronal) del tiroide de un ratón obtenida con esta cámara

 

«La mayoría de las veces la observación visual externa no es suficiente para determinar el problema interno que sufre el paciente»

La imagen por emisión de positrones

La tomografía por emisión de positrones (PET en sus siglas en inglés, Positron Emission Tomography) es un caso particular de imagen por rayos gamma. Los positrones son electrones con carga positiva. Son emitidos por radioisótopos (radionucleidos) de vida muy corta. Tan corta que muchos necesitan ser preparados en el mismo lugar en el que se emplean para utilizarlos de inmediato, porque su vida media es de segundos o pocos minutos. Solamente algunos con vida media relativamente larga, como el 18F, pueden ser producidos en ciclotrones y ser distribuidos rápidamente a los hospitales que lo necesitan.

El positrón se aniquila inmediatamente al encontrar un electrón del organismo emitiendo dos rayos gamma de la misma energía y dirección pero en sentidos opuestos. Por lo tanto, en una cámara PET se detectan dos rayos gamma mediante al menos dos cámaras situadas en lados opuestos alrededor del paciente (en la fotografía de la figura 4 se puede observar un prototipo con ocho cámaras alrededor de la camilla). Precisamente, al detectar la posición del impacto de ambos rayos gamma se conoce la dirección de éstos y no es necesario utilizar colimadores de rayos gamma. Con ello, se aumenta drásticamente la sensibilidad del sistema en comparación con la SPECT (tomografía computarizada por emisión de fotón único). La otra gran ventaja es que los átomos emisores de positrones (flúor, carbono, oxígeno y nitrógeno) forman parte de casi todas las moléculas orgánicas y se pueden incorporar fácilmente a éstas mediante métodos químicos. No obstante, la avanzada tecnología que requieren estos costosos equipos, la necesidad de disponer de un ciclotrón y su complicado mantenimiento limitaron la difusión de estos equipos. En España, el primer Centro de Tomografía por Emisión de Positrones se inauguró en Madrid en 1995, situado en la Universidad Complutense de Madrid.

  
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Figura 4. A la izquierda, cámara PET para realizar estudios de investigación con animales pequeños. A la derecha, imagen (vistas transaxial, sagital y coronal) del miocardio de ratón obtenida con esta cámara.

 

«Los positrones son electrones con carga positiva emitidos por radioisótopos de vida tan corta que muchos necesitan ser preparados en el mismo lugar en el que se emplean»

Imagen por resonancia magnética

Una resonancia magnética recoge el eco de ondas de radiofrecuencia lanzadas por un emisor. Las cámaras de resonancia magnética se basan en la propiedad de la resonancia magnética nuclear para crear imágenes. Si se aplica un campo magnético intenso sobre el núcleo de un átomo de hidrógeno, éste tiende a alinearse con el campo. Al aplicar dicho campo sobre el cuerpo humano, debido al gran contenido en agua que éste posee, se magnetiza. Si ahora se aplica un campo adicional de baja intensidad (en la banda de las ondas de radio), es posible excitar determinadas áreas del cuerpo humano de forma que los pequeños imanes se alejen de la dirección del campo magnético inicial. Cuando se deja de aplicar el campo, los protones vuelven a alinearse con el campo inicial y realizan un movimiento de precesión como una peonza. A su vez, y dado que los protones son partículas cargadas, esta precesión genera una señal de radiofrecuencia, que se detecta mediante una antena, dando lugar a una imagen (fig. 5).

El fenómeno de la resonancia magnética nuclear fue descubierto en 1946 por los norteamericanos Felix Bloch, de la Universidad de Stanford, y Edward Purcell, de la Universidad de Harvard, que recibieron por ello el premio Nobel en 1952. La resonancia magnética nuclear fue utilizada en el análisis químico durante muchos años. En 1971, Raymond V. Dadmadian, analizando la resonancia magnética nuclear de los núcleos de hidrógeno, encontró diferencias entre los tejidos normales y cancerígenos en la rata. El uso clínico amplio comenzó en 1983, cuando el American College of Radiology dio a la resonancia magnética nuclear el reconocimiento oficial de técnica de imagen estándar para el diagnóstico médico.

En la actualidad se ha logrado crear aparatos de resonancia magnética abierta (Open-RM), especialmente indicados para pacientes claustrofóbicos o muy voluminosos. Usa la misma tecnología que la resonancia magnética tradicional, pero el aparato no es un cilindro cerrado.

El futuro: imagen multimodalidad

Las diversas técnicas de imagen médica proporcionan información complementaria sobre el estado físico-fisiológico del órgano u organismo en estudio. De hecho, cuando han aparecido nuevas técnicas de imagen médica no han ido reemplazando a las ya existentes, sino que éstas se han introducido como pruebas complementarias que aportan aspectos diferentes que confirman, matizan y en algunos casos modifican el diagnóstico realizado con las técnicas más antiguas.

 

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© Imagen cedida por el profesor M. A. Pozo, Universidad Complutense de Madrid
Figura 5. Imagen obtenida de una resonancia magnética de la cabeza.

77-2009 © Imagen cedida por el profesor M. A. Pozo, Universidad Complutense de Madrid
Figura 6. Fusión de la imagen del cerebro de una rata obtenida mediante la cámara PET de animales pequeños desarrollada y una microrresonancia magnética (MR) de 4,7 teslas (unidad de medida del campo magnético). La ausencia de captación de glucosa en el hemisferio izquierdo se debe a una isquemia cerebral inducida.
 

«La tendència més innovadora en l’equipament de diagnòstic per imatge és el desenvolupament d’instruments multimodalitat, és a dir, que permeten introduir almenys dues tècniques d’imatge complementàries en el mateix aparell»

La tendencia más innovadora en el equipamiento de diagnóstico por imagen es el desarrollo de instrumentos multimodalidad, es decir, que permitan introducir al menos dos técnicas de imagen complementarias en el mismo aparato. Generalmente, una de ellas proporciona información anatómica de gran precisión y la otra información metabólica (funcional), de manera que su fusión permite obtener un conocimiento más profundo y comprensivo de los procesos estudiados. Así, en la figura 6 se muestra la imagen obtenida con una resonancia magnética y con una PET del cerebro de una rata. La resonancia magnética suministra información de tipo morfológico, presentando una descripción de alta resolución de la estructura del organismo, mientras que la PET proporciona una imagen de tipo metabólica, de menor resolución pero que aporta una valiosa información funcional del órgano o tejido. En este caso, la imagen PET muestra una ausencia de captación de glucosa en el hemisferio izquierdo.

El desarrollo de sistemas de imagen médica presenta un futuro prometedor. La continua elevación de los estándares de atención médica representa un incentivo para el desarrollo y mejora de las técnicas actuales. Por otro lado, la aparición de nuevos sensores y sistemas electrónicos cada vez más sofisticados y sensibles junto con la multidisciplinariedad que los nuevos avances requieren posibilitan y estimulan la mejora continua y la aparición de nuevos sistemas de imagen médica. La obtención de información anatómica y funcional integrada de gran precisión que permita desentrañar los procesos fisiológicos más recónditos de los organismos (detección temprana del cáncer y el Alzheimer, fisiología del pensamiento, expresión génica o desarrollo de nuevos fármacos, por citar sólo algunos casos), junto con los recientes avances en la nanociencia, donde los procesos de interés transcurren a escala celular y subcelular y requieren una sensibilidad y precisión todavía fuera del alcance de los sistemas actuales, marcan los grandes retos a los que se enfrenta la imagen médica. Los resultados son esperanzadores, pero aun queda un largo camino por recorrer, eso sí, cada vez más cercano.

José María Benlloch Baviera i Filomeno Sánchez Martínez. Instituto de Física Corpuscular (IFIC), Centro mixto CSIC – Universitat de València.
Antoni Munar Ara. Departamento de Física. Universitat Jaume I. Castellón.
© Mètode, Anuario 2009.

  
© Mètode 2011 - 57. Radiaciones - Contenido disponible solo en versión digital. Primavera 2008