La tomografía computarizada , un método de estudio no destructivo capa por capa de la estructura interna de un objeto, fue propuesta en 1972 por Godfrey Hounsfield y Allan Cormack , quienes recibieron el Premio Nobel por este desarrollo . El método se basa en la medición y el procesamiento informático complejo de la diferencia en la atenuación de rayos X por tejidos de diferente densidad. Actualmente, la tomografía computarizada de rayos X es el principal método tomográfico para examinar los órganos internos humanos mediante rayos X.
Los primeros algoritmos matemáticos para CT fueron desarrollados en 1917 por el matemático austriaco I. Radon (ver Transformada de Radon ). La base física del método es la ley exponencial de atenuación de la radiación , que es válida para medios puramente absorbentes. En el rango de radiación de rayos X, la ley exponencial se cumple con un alto grado de precisión, por lo que los algoritmos matemáticos desarrollados se aplicaron por primera vez específicamente para la tomografía computarizada de rayos X.
En 1963, el físico estadounidense A. Cormack resolvió repetidamente (pero de una manera diferente a Radon) el problema de la restauración tomográfica, y en 1969, el ingeniero y físico inglés G. Hounsfield de la compañía EMI diseñó el "escáner EMI": el primer tomógrafo de rayos X computarizado, cuyos ensayos clínicos pasaron en 1971 , diseñado solo para escanear la cabeza. Los fondos para el desarrollo de CT fueron asignados por EMI, en particular, debido a los altos ingresos recibidos por el contrato con The Beatles [1] .
En 1979, "por el desarrollo de la tomografía computarizada", Cormack y Hounsfield recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina.
Las imágenes obtenidas por tomografía computarizada de rayos X tienen sus contrapartes en la historia del estudio de la anatomía . En particular, Nikolai Ivanovich Pirogov desarrolló un nuevo método para estudiar la posición relativa de los órganos por parte de los cirujanos operativos, llamado anatomía topográfica . La esencia del método era el estudio de cadáveres congelados, cortados en capas en varios planos anatómicos ("tomografía anatómica"). Pirogov publicó un atlas titulado "Anatomía topográfica, ilustrada por cortes realizados a través del cuerpo humano congelado en tres direcciones". De hecho, las imágenes del atlas anticiparon la aparición de imágenes similares obtenidas por métodos de investigación de tomografía de radiación. Por supuesto, los métodos modernos de obtención de imágenes capa por capa tienen ventajas incomparables: no traumáticas, lo que permite el diagnóstico de enfermedades in vivo; la posibilidad de representación de hardware en varios planos anatómicos (proyecciones) una vez recibidos los datos de TC "en bruto", así como la reconstrucción tridimensional ; la capacidad no solo de evaluar el tamaño y la posición relativa de los órganos, sino también de estudiar en detalle sus características estructurales e incluso algunas características fisiológicas , en función de los indicadores de densidad de rayos X y sus cambios durante la mejora del contraste intravenoso.
En neurocirugía , antes de la introducción de la tomografía computarizada, se utilizaban la ventriculoencefalografía y la neumoencefalografía propuestas en 1918-1919 por Walter Dandy . La neumoencefalografía por primera vez permitió a los neurocirujanos visualizar neoplasias intracraneales mediante rayos X. Se realizaron introduciendo aire directamente en el sistema ventricular del cerebro (ventriculografía) o a través de una punción lumbar en el espacio subaracnoideo (neumoencefalografía). La ventriculografía, propuesta por Dandy en 1918, tenía sus limitaciones, ya que requería la imposición de una trepanación y ventriculopunción con fines diagnósticos. La neumoencefalografía, descrita en 1919, era una técnica menos invasiva y muy utilizada para el diagnóstico de masas intracraneales. Sin embargo, ambos métodos eran invasivos y se acompañaban de la aparición de intensos dolores de cabeza, vómitos en los pacientes y conllevaban una serie de riesgos. Por tanto, con la introducción de la tomografía computarizada, dejaron de utilizarse en la práctica clínica. Estos métodos han sido reemplazados por la ventriculografía por TC y la cisternografía por TC más seguras, utilizadas con mucha menos frecuencia, de acuerdo con indicaciones estrictas [2] , junto con la tomografía computarizada cerebral sin contraste ampliamente utilizada.
Para la evaluación visual y cuantitativa de la densidad de las estructuras visualizadas por tomografía computarizada, se utiliza una escala de atenuación de rayos X, llamada escala de Hounsfield (su reflejo visual en el monitor del dispositivo es un espectro de imagen en blanco y negro). El rango de unidades de escala (" indicadores densitométricos , unidades inglesas de Hounsfield "), correspondiente al grado de atenuación de la radiación de rayos X por las estructuras anatómicas del cuerpo, es de −1024 a +3071, es decir, 4096 números de atenuación. El valor promedio en la escala de Hounsfield (0 HU) corresponde a la densidad del agua, los valores negativos de la escala corresponden al aire y tejido adiposo, los valores positivos corresponden a tejidos blandos, tejido óseo y más denso. sustancias (metal). En aplicaciones prácticas, los valores de atenuación medidos pueden variar ligeramente de un aparato a otro.
"Densidad de rayos X": el valor promedio de absorción de radiación por parte del tejido; al evaluar una estructura anatómica e histológica compleja, la medición de su "densidad de rayos X" no siempre nos permite establecer con precisión qué tejido se visualiza (por ejemplo, los tejidos blandos saturados de grasa tienen una densidad correspondiente a la densidad del agua) .
Un monitor de computadora común es capaz de mostrar hasta 256 tonos de gris, algunos dispositivos médicos especializados pueden mostrar hasta 1024 tonos. Debido al ancho significativo de la escala de Hounsfield y la incapacidad de los monitores existentes para reflejar todo su rango en blanco y negro, se utiliza un recálculo de software del gradiente de gris según el intervalo de escala de interés. El espectro en blanco y negro de la imagen se puede utilizar tanto en una amplia gama ("ventana") de indicadores densitométricos (se visualizan estructuras de todas las densidades, pero es imposible distinguir estructuras que tienen una densidad cercana) como en uno más o menos estrecho con un nivel dado de su centro y ancho (“ventana de pulmón”, “ventana de tejido blando”, etc., en este caso, se pierde información sobre estructuras cuya densidad está fuera del rango, pero las estructuras se cierran en densidad son claramente distinguibles). Cambiar el centro de una ventana y su ancho se puede comparar con cambiar el brillo y el contraste de una imagen, respectivamente.
| Sustancia | HU |
|---|---|
| Aire | −1000 |
| gordo | −120 |
| Agua | una |
| tejidos blandos | +40 |
| Huesos | +400 y superior |
Un escáner CT moderno es un complejo complejo de software y hardware . Los componentes y piezas mecánicas se fabrican con la máxima precisión. Los detectores ultrasensibles se utilizan para registrar la radiación de rayos X que ha pasado a través del medio . El diseño y los materiales utilizados en su fabricación se mejoran constantemente. En la fabricación de tomografía computarizada, se imponen los requisitos más estrictos a los emisores de rayos X. Una parte integral del dispositivo es un extenso paquete de software que le permite realizar toda la gama de estudios de tomografía computarizada (TC) con parámetros óptimos , para llevar a cabo el procesamiento y análisis posterior de las imágenes de TC.
Desde un punto de vista matemático, construir una imagen se reduce a resolver un sistema de ecuaciones lineales . Así, por ejemplo, para obtener un tomograma con un tamaño de 200 × 200 píxeles, el sistema incluye 40.000 ecuaciones. Para resolver este tipo de sistemas se han desarrollado métodos especializados basados en computación paralela .
El progreso de CT está directamente relacionado con un aumento en la cantidad de detectores, es decir, un aumento en la cantidad de proyecciones recolectadas simultáneamente.
El dispositivo de la primera generación apareció en 1973. La primera generación de máquinas CT fue paso a paso. Había un tubo dirigido a un detector. El escaneado se realizó paso a paso, realizando una vuelta por capa. Cada capa se procesó durante aproximadamente 4 minutos.
En la segunda generación de dispositivos CT, se utilizó un diseño tipo ventilador. Se instalaron varios detectores en el anillo de rotación opuesto al tubo de rayos X. El tiempo de procesamiento de la imagen fue de 20 segundos.
La tercera generación de escáneres CT introdujo el concepto de exploración CT helicoidal. El tubo y los detectores en un paso de la mesa realizaron sincrónicamente una rotación completa en el sentido de las agujas del reloj, lo que redujo significativamente el tiempo del estudio. El número de detectores también ha aumentado. Los tiempos de procesamiento y reconstrucción se han reducido notablemente.
La cuarta generación tiene 1088 sensores luminiscentes ubicados en todo el anillo del pórtico . Solo gira el tubo de rayos X. Gracias a este método, el tiempo de rotación se redujo a 0,7 segundos. Pero no hay una diferencia significativa en la calidad de la imagen con los dispositivos CT de tercera generación.
La TC helicoidal se ha utilizado en la práctica clínica desde 1988 , cuando Siemens Medical Solutions presentó el primer escáner de TC helicoidal. El escaneo en espiral consiste en la realización simultánea de dos acciones: rotación continua de la fuente, un tubo de rayos X que genera radiación alrededor del cuerpo del paciente , y movimiento de traslación continuo de la mesa con el paciente a lo largo del eje de escaneo longitudinal z a través de la apertura del pórtico . En este caso, la trayectoria del tubo de rayos X con respecto al eje z (la dirección de movimiento de la mesa con el cuerpo del paciente) tomará la forma de una espiral.
A diferencia de la TC secuencial , la velocidad de movimiento de la mesa con el cuerpo del paciente puede tomar valores arbitrarios determinados por los objetivos del estudio. Cuanto mayor sea la velocidad del movimiento de la mesa, mayor será la extensión del área de escaneo. Es importante que la longitud del recorrido de la mesa para una revolución del tubo de rayos X pueda ser de 1,5 a 2 veces mayor que el espesor de la capa tomográfica sin deteriorar la resolución espacial de la imagen.
La tecnología de escaneo helicoidal ha reducido significativamente el tiempo dedicado a los exámenes de TC y ha reducido significativamente la exposición del paciente a la radiación.
La tomografía computarizada multicapa ("multiespiral", "multicorte" - MSCT) fue presentada por primera vez por Elscint Co. en 1992. La diferencia fundamental entre la MSCT y los tomógrafos espirales de generaciones anteriores es que no se ubica una, sino dos o más filas de detectores a lo largo de la circunferencia del pórtico. Para que la radiación de rayos X sea recibida simultáneamente por detectores ubicados en diferentes filas, se desarrolló uno nuevo: una forma geométrica tridimensional del haz.
En 1992, apareció la primera MSCT de doble corte (doble hélice) con dos filas de detectores, y en 1998, de cuatro cortes (cuatro hélices) con cuatro filas de detectores, respectivamente. Además de las características anteriores, el número de revoluciones del tubo de rayos X se incrementó de una a dos por segundo. Por lo tanto, la MSCT de cuatro hilos de quinta generación es ahora ocho veces más rápida que la TC helicoidal convencional de cuarta generación. En 2004-2005, se presentaron MSCT de 32, 64 y 128 cortes, incluidos aquellos con dos tubos de rayos X. En 2007, Toshiba introdujo en el mercado los escáneres CT de 320 cortes, en 2013, los de 512 y 640 cortes. Permiten no solo obtener imágenes, sino que también hacen posible observar los procesos fisiológicos que ocurren en el cerebro y el corazón en tiempo casi “real”. .
Una característica de dicho sistema es la capacidad de escanear todo el órgano (corazón, articulaciones, cerebro, etc.) en una vuelta del tubo de rayos X, lo que reduce el tiempo de examen, así como la capacidad de escanear el corazón en pacientes que sufren de arritmias.
Ventajas de la MSCT sobre la TC helicoidal convencionalTodos estos factores aumentan significativamente la velocidad y el contenido de información de la investigación.
La principal desventaja del método sigue siendo la alta exposición a la radiación del paciente, a pesar de que durante la existencia de la TC se ha reducido significativamente.
La ventaja de una matriz de detectores es que el número de detectores en una fila se puede aumentar fácilmente para obtener más secciones por rotación del tubo de rayos X. Dado que el número de elementos en sí es menor en la matriz adaptativa de detectores, el número de espacios entre ellos también es menor, lo que reduce la exposición del paciente a la radiación y reduce el ruido electrónico. Por lo tanto, tres de los cuatro fabricantes mundiales de MSCT han elegido este tipo.
Todas las innovaciones anteriores no solo aumentan la resolución espacial , sino que, gracias a los algoritmos de reconstrucción especialmente desarrollados, pueden reducir significativamente la cantidad y el tamaño de los artefactos (elementos extraños) en las imágenes de TC.
La principal ventaja de la MSCT en comparación con la TC de un solo corte es la capacidad de obtener una imagen isotrópica cuando se escanea con un espesor de corte submilimétrico (0,5 mm). Se puede obtener una imagen isotrópica si las caras del vóxel de la matriz de la imagen son iguales, es decir, el vóxel toma la forma de un cubo . En este caso, las resoluciones espaciales en el plano transversal x—y ya lo largo del eje longitudinal z se vuelven iguales .
En 2005, Siemens Medical Solutions presentó el primer dispositivo con dos fuentes de rayos X (tomografía computarizada de doble fuente). Los requisitos teóricos para su creación se remontan a 1979 , pero técnicamente su implementación en ese momento era imposible.
De hecho, es una de las continuaciones lógicas de la tecnología MSCT. El hecho es que al examinar el corazón (angiografía coronaria por TC), es necesario obtener imágenes de objetos que están en constante y rápido movimiento, lo que requiere un período de exploración muy corto. En MSCT, esto se logró sincronizando el ECG y el examen convencional con la rotación rápida del tubo. Pero el tiempo mínimo requerido para registrar un corte relativamente estacionario para MSCT con un tiempo de rotación del tubo de 0,33 s (≈3 revoluciones por segundo) es de 173 ms , es decir, el tiempo de media vuelta del tubo. Esta resolución temporal es bastante suficiente para frecuencias cardíacas normales (los estudios han demostrado eficacia a frecuencias inferiores a 65 latidos por minuto y alrededor de 80, con una brecha de poca eficiencia entre estas frecuencias y valores más altos). Durante algún tiempo intentaron aumentar la velocidad de rotación del tubo en el pórtico del tomógrafo. En la actualidad se ha llegado al límite de las posibilidades técnicas para su aumento, ya que con un giro del tubo de 0,33 s, su peso aumenta en un factor de 28 ( sobrecargas de 28 g ). Para conseguir una resolución temporal inferior a 100 ms se requiere superar sobrecargas de más de 75 g.
El uso de dos tubos de rayos X colocados en un ángulo de 90°, da una resolución de tiempo igual a una cuarta parte del período de revolución del tubo (83 ms para una revolución de 0,33 s). Esto hizo posible obtener imágenes del corazón independientemente del ritmo de las contracciones.
Además, dicho dispositivo tiene otra ventaja significativa: cada tubo puede funcionar en su propio modo (a diferentes valores de voltaje y corriente, kV y mA, respectivamente). Esto permite diferenciar mejor los objetos cercanos de diferentes densidades en la imagen. Esto es especialmente importante cuando se contrastan vasos y formaciones que están cerca de huesos o estructuras metálicas. Este efecto se basa en la diferente absorción de la radiación cuando sus parámetros cambian en una mezcla de sangre y un agente de contraste que contiene yodo, mientras que este parámetro permanece sin cambios en la hidroxiapatita (la base del hueso) o en los metales.
De lo contrario, los dispositivos son dispositivos MSCT convencionales y tienen todas sus ventajas.
La introducción masiva de nuevas tecnologías y de la informática ha permitido poner en práctica métodos como la endoscopia virtual , que se basan en tomografías computarizadas y resonancias magnéticas .
Para mejorar la diferenciación de los órganos entre sí, así como las estructuras normales y patológicas, se utilizan varios métodos de mejora del contraste (con mayor frecuencia, utilizando agentes de contraste que contienen yodo ).
Los dos tipos principales de administración de agentes de contraste son orales (un paciente con un régimen determinado bebe una solución del fármaco) e intravenosos (realizados por personal médico). El objetivo principal del primer método es contrastar los órganos huecos del tracto gastrointestinal; el segundo método permite evaluar la naturaleza de la acumulación del agente de contraste por tejidos y órganos a través del sistema circulatorio. Los métodos de realce de contraste intravenoso en muchos casos permiten aclarar la naturaleza de los cambios patológicos detectados (incluso indican con bastante precisión la presencia de tumores, hasta la asunción de su estructura histológica ) en el contexto de los tejidos blandos que los rodean, como así como para visualizar cambios que no se detectan durante la investigación normal ("nativa").
A su vez, el contraste intravenoso se puede realizar de dos formas: contraste intravenoso “manual” y contraste en bolo .
En el primer método, el contraste es introducido manualmente por un ayudante de laboratorio de rayos X o una enfermera de procedimientos, el tiempo y la velocidad de administración no están regulados, el estudio comienza después de la introducción de un agente de contraste. Este método se usa en dispositivos "lentos" de las primeras generaciones; en MSCT, la administración "manual" de un agente de contraste ya no corresponde a las capacidades significativamente aumentadas del método.
Con la mejora del contraste en bolo, el agente de contraste se inyecta por vía intravenosa con un inyector de jeringa a una velocidad y un tiempo establecidos de administración de la sustancia. El realce de contraste en bolo tiene como objetivo delimitar las fases del realce de contraste. Los tiempos de escaneo varían entre máquinas, a diferentes tasas de inyección de agente de contraste y entre pacientes; en promedio, a una velocidad de inyección de fármaco de 4 a 5 ml/seg, la exploración comienza aproximadamente 20 a 30 segundos después del inicio de la inyección del inyector de contraste, mientras se visualiza el llenado de las arterias (fase arterial de aumento de contraste). Después de 40 a 60 segundos, el dispositivo vuelve a escanear la misma área para resaltar la fase venosa portal, en la que se visualiza el contraste de las venas. También se distingue una fase tardía (180 segundos después del inicio de la administración), en la que se observa la excreción del medio de contraste a través del sistema urinario.
La angiografía por TC le permite obtener una serie de capas de imágenes de los vasos sanguíneos; A partir de los datos obtenidos se construye un modelo tridimensional del sistema circulatorio mediante postprocesamiento informático con reconstrucción 3D.
La angiografía por TC espiral es uno de los últimos avances en tomografía computarizada de rayos X. El estudio se realiza de forma ambulatoria. Se inyecta un agente de contraste que contiene yodo en un volumen de aproximadamente 100 ml en la vena cubital . En el momento de la introducción de un agente de contraste, se realiza una serie de exploraciones del área en estudio.
Un método que le permite evaluar el paso de la sangre a través de los tejidos del cuerpo, en particular:
La tomografía computarizada se usa ampliamente en medicina para varios propósitos:
Al prescribir una tomografía computarizada, como al prescribir cualquier estudio de rayos X, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos [4] :
La decisión final sobre la viabilidad, el alcance y el tipo de investigación la toma el radiólogo [5] .
Sin contraste:
Con contraste:
Además, la tomografía computarizada aumenta la frecuencia de daño en el ADN . Al realizar una tomografía computarizada , la dosis de radiación fue 150 veces mayor que con una sola radiografía de tórax [6] .
| Métodos de imágenes médicas | |
|---|---|
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