Tomografía Axial Computarizada

Tomografía Axial Computarizada

Principios físicos de la Tomografía axial computarizada

Felipe Castillo

En este documento se presenta que es una tomografía axial computarizada, sus diferencias básicas con otros métodos imagenológicos y los principios físicos que rigen a este método de diagnostico utilizado en la medicina

INTRODUCCIÓN

La tomografía  axial o computarizada (TAC) o también conocida como tomografía computarizada es un método imagenológico de diagnóstico médico, que permite observar el interior del cuerpo humano, a través de cortes milimétricos transversales del eje céfalo caudal, mediante la utilización de rayos X.

Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por Wilhelm Röntgen, al realizar experimentos con tubos de rayos catódicos, donde observó la naturaleza de rayos desconocidos a los que llamó rayos X. Ésta radiación está constituida por ondas electromagnéticas de frecuencias superiores a la radiación ultravioleta .

Las imágenes obtenidas por un tomógrafo se muestran de tal manera al médico, que éste visualiza el corte, lo debe pensar como si estuviese mirando al paciente desde los pies.

Sus usos son variados en medicina, ya que permite la detección de patologías o anormalidades alojadas en el cerebro, médula espinal, etc. Producto de las características de las imágenes que entrega, permite que hoy los médicos puedan dar diagnósticos más certeros, lo que se traduce en una mejora en la calidad de vida del paciente, por cuanto los errores al momento de diagnosticar, disminuyen.

Además, para mejorar la definición de las imágenes, que por sí es alta, se puede agregar medios de contraste, obteniendo así imágenes mucho más nítidas. (1)

RESEÑA HISTÓRICA

Los fundamentos matemáticos de la tomografía axial computarizada fueron establecidos en el año 1917 por el matemático J. Radon, quién probó que era posible la reconstrucción de un objeto bidimensional a tridimensional, a partir de un conjunto de infinitas proyecciones.

Pero fue en 1963, que el descubrimiento de radón se aplicó a la medicina, naciendo así la tomografía axial computarizada.

El primer aparato de tomografía axial computarizada fue producido por la disquera EMI, pero fue en el año 1955 que se diversificó y  fue un laboratorio central de investigación que instaló uno de estos objetos, para poder atraer la atención de científicos abocados a proponer proyectos interesantes en diversos campos y de esta manera generar nuevas formas de generar ingresos.

Sin embargo el creador y desarrollador del aparato de tomografía axial computarizada fue N. Hounsfield, quién ingresó en 1951 a EMI y en 1967 propuso la construcción del escáner EMI, instrumento que fue la base para desarrollar la tomografía axial computarizada , como una máquina que unía el cálculo electrónico a las técnicas de rayos X, con el fin de crear una imagen tridimensional de un objeto tomando múltiples mediciones del mismo, con rayos X, desde diferentes ángulos , usando una computadora para reconstruir la figura del cuerpo a partir de ciertos planos superpuestos y entrecruzados. (2)

DIFERENCIAS DE LA TOMOGRAFÍA AXIAL COMPUTARIZADA CON OTROS MÉTODOS IMAGENOLÓGICOS

Es importante no confundir la tomografía axial computarizada con la radiología convencional de rayos X por ejemplo, que igualmente permite la visualización de estructuras internas del individuo, pero ésta vista es solo en dos dimensiones y, con mucho menos detalle, ya que se superponen las diferentes estructuras del organismo sobre la misma imagen, porque en este caso la radiación es emitida en forma difusa, es decir en la radiación convencional con rayos X, las imágenes se traslapan y a veces es difícil distinguirlas.

 Por otro lado la tomografía axial computarizada utiliza un haz de radiación muy bien definida y con un grosor determinado, que depende del tamaño a de la estructura a estudiar, entregándonos finalmente una “rebanada” del cuerpo. 

En la siguiente imagen se esquematizan los dos métodos imagenologicos, con la letra (a) se señala la técnica de radiología convencional con rayos X y en (b) la tomografía axial computarizada.

Es importante recalcar que la tomografía axial computarizada es un tipo de radiografía especial, que es realizada por un aparato denominado escáner, conceptos que comúnmente suelen confundirse. (3)

RAYOS X

En 1895, Wilhelm Röntgen descubrió que cuando los electrones son acelerados por un alto voltaje en un tubo de vacío y se les permite golpear una superficie de vidrio (o metálica) dentro del mismo tubo, los minerales fluorescentes situados a cierta distancia empiezan a brillar. Röntgen atribuyó este efecto a un nuevo tipo de radiación al que dio el nombre de rayos X.

Los rayos X están constituidos por las ondas electromagnéticas con longitud de onda comprendido entre los 10̄̄̄̄  ̄² nm y 10 nm aproximadamente, intervalo que se produce fácilmente en un tubo de rayos X. Esta radiación posee frecuencias superiores a las de la radiación ultravioleta.

Los rayos X tienen la propiedad de atravesar con cierta facilidad, sustancias de baja densidad (como los músculos de una persona por ejemplo) y de ser absorbidos por materiales de alta densidad (como los huesos del cuerpo humano). Debido a esta propiedad, es que son ampliamente usados en medicina para obtener vistas de los órganos internos.

 Es por lo anterior que esta radiación, hoy en día es ampliamente usada en radiografías, en el tratamiento contra el cáncer, en investigación de la estructura cristalina de sólidos, en pruebas industriales y en muchos campos de la ciencia y tecnología. (4)

PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA TOMOGRAFÍA AXIAL COMPUTARIZADA

El principio básico que descansa sobre la tomografía axial computarizada es el de emitir un haz delgado de rayos X colimado, vale decir que se ha hecho recto, y que pasa a través de un cuerpo, para llegar a un detector, que mide la intensidad transmitida. Dichas mediciones se realizan en grandes puntos, a medida que la fuente y el detector se desplazan juntos a través del cuerpo. Luego se hace girar levemente el aparato, alrededor del eje del cuerpo y se vuelve a llevar a cabo el barrido. Lo anterior se hace generalmente en intervalos de 1° aproximadamente, hasta alcanzar un total de 180°.

La intensidad de haz transmitido para los puntos de cada barrido y de cada ángulo, se envían a una computadora que reconstruye la imagen de la rebanada.

A raíz de lo anterior podemos decir que la tomografía axial computarizada se basa en los siguientes principios:

1.      Reconstrucción de proyecciones: el principio básico de la tomografía axial computarizada es que la estructura interna de un objeto puede reconstruirse a partir de múltiples proyecciones de un objeto.

2.      Principio de Hounsfield: el coeficiente de atenuación lineal expresa la atenuación que sufre un haz de rayos X, al atravesar una determinada longitud de una sustancia dada. Al calcular la atenuación total a lo largo de un rayo particular, es igual a la suma de los coeficientes de atenuación, de todos los elementos que el rayo atraviesa.

3.      Técnicas de adquisición: en la tomografía axial computarizada se utilizan 4 técnicas para la adquisición de datos , que se asocian al desarrollo de esta tecnología:

·       Escáneres de primera generación (Tipo I Translación-rotación)

El funcionamiento se basa en un tubo de Reacción y un detector, este sistema hace el movimiento de translación rotación. Para obtener un corte topográfico son necesarias muchas mediciones y, por tanto muchas rotaciones del sistema, lo que nos lleva a tiempos de corte muy grandes (superiores a 5 minutos). Se usa para hacer Cráneos. 

                                                 

·       Escáneres de segunda generación (Tipo II Translación-rotación)

En esta generación se utilizan varios detectores y un haz de reacción en abanico (lo que aumentaba la radiación dispersa), con esto se consigue que el tiempo de corte se reduzca entre 20 y 60 seg.

4.      ·     Escáneres de tercera generación (Rotación-rotación)

En los cuales el tubo de reacción y la matriz de detectores giraban en movimientos concéntricos alrededor del paciente. Como equipos de sólo rotación, los escáneres de tercera generación eran capaces de producir una imagen por segundo. El escáner de Tomografía axial computarizada de tercera generación utiliza una disposición curvilínea que contiene múltiples detectores y un haz en abanico. El número de detectores y la anchura del haz en abanico, de entre 30 y 60° y  el haz en abanico y la matriz de detectores permiten ver al paciente completo en todos los barridos. La disposición curvilínea de detectores se traduce en una longitud constante de la trayectoria del conjunto fuente-detector, lo que ofrece ventajas a la hora de reconstruir las imágenes. Esta característica de la matriz de detectores de tercera generación permite además obtener una mejor colimación del haz de reacción, con la reducción de la radiación dispersa.  

5.      ·       Escáneres de cuarta generación (Rotación-estacionaria)

Los escáneres de cuarta generación poseen sólo movimiento rotatorio. El tubo de reacción gira, pero la matriz de detectores no. La detección de la radiación se realiza mediante una disposición circular fija de detectores. El haz de rayos X tiene forma de abanico, con características similares a las de los haces usados en equipos de tercera generación. Estas unidades alcanzan tiempos de barrido de 1 segundo y pueden cubrir grosores de corte variables, así como suministrar las mismas posibilidades de manipulación de la imagen que los modelos de generaciones anteriores.

La matriz de detectores fijos de los escáneres de cuarta generación no produce una trayectoria de haz constante desde la fuente a todos los detectores, sino que permite calibrar cada detector y normalizar su señal durante cada barrido.

El principal inconveniente de los escáneres de  de cuarta generación es la alta dosis que recibe el paciente, bastante superior a la que se asocia a los otros tipos de escáneres.

                    

4. Presentación de la imagen

El resultado final de la reconstrucción por la computadora, es una matriz de números, que no se visualiza en pantalla, por lo que un procesador asigna a cada número un tono de gris. Los valores numéricos de la imagen se relacionan con los coeficientes de atenuación. (5)

COMPONENTES DE UN TOMÓGRAFO

En el diseño del escáner, cabe distinguir tres componentes principales: la gantry, el ordenador y la consola del operador.

Gantry. Contiene un tubo de rayos X, la matriz de detectores, el generador de alta tensión, la camilla de soporte del paciente y los soportes mecánicos. Estos subsistemas se controlan mediante órdenes electrónicas transmitidas desde la consola del operador, y transmiten a su vez datos al ordenador con vistas a la producción y análisis de las imágenes obtenidas.

   Tubo de rayos x. En la mayoría de los tubos se usan rotores de alta velocidad para favorecer la disipación del calor.  Los escáneres de TC diseñados para la producción de imágenes con alta resolución espacial contienen tubos de reacción con punto focal pequeño.

     Detectores. Reciben los rayos X transmitidos después que atravesaron el cuerpo del paciente y los convierten en una señal eléctrica

Colimador. Elemento que permite regular el tamaño y la forma del haz de rayos. Aquí se puede variar el espesor, desde 1 a 10 nm

Ordenador. Se requiere de un ordenador digitalde gran velocidad ya que se requiere resolver simultáneamente del orden de 30.000 ecuaciones; por tanto, es preciso disponer de un ordenador de gran capacidad. Con todos estos cálculos el ordenador reconstruye la imagen. 

Consola de control. Numerosos escáneres de TC disponen de dos consolas, una para el técnico que dirige el funcionamiento del equipo y la otra para el radiólogo que consulta las imágenes y manipula su contraste, tamaño y condiciones generales de presentación visual. La consola del operador contiene dispositivos de medida y control para facilitar la selección de los factores técnicos radiográficos adecuados, el movimiento mecánico del gantry y la camilla del  paciente y los mandatos comunicados al ordenador para activar la reconstrucción y transferencia de la imagen. La consola de visualización del médico acepta la imagen reconstruida desde la consola del operador y la visualiza con vistas a obtener el diagnóstico adecuado. (6)

PROCEDIMIENTO Y FORMA DE PREPARAR AL PACIENTE

Primero se le solicita al paciente que se despoje de todas sus pertenencias metálicas, para que luego se recueste sobre la camilla, en la cual es amarrado, para evitar que éste se mueva mediante el procedimiento. El técnico radiólogo, luego deja al paciente para ubicare en una habitación contigua desde donde visualiza el proceso, desde donde puede manejar la consola. A veces el examen puede ser detenido para inyectar contraste, para así resaltar algunas estructuras.

Generalmente el procedimiento puede tener una duración entre 30 y 90 minutos, dependiendo del tomógrafo utilizado. (7)

CONCLUSIÓN

La tomografía axial computarizada ha contribuido de gran manera al avance técnico de la medicina en nuestros días. Es gracias a este método que hoy en día se puede acceder a diagnósticos más exactos y evidenciar con mayor certeza patologías a través de métodos menos invasivos. Sin dudas este avance no solo se traduce en una mejora en los diagnósticos, como ya fue mencionado, si no que se traduce en una serie de beneficios para el paciente.

BIBILOGRAFÍA

GIANCOLI, Douglas. Física, principios con aplicaciones. Traducido por Prentice- Hall, Inc. Cuarta edición. México. Edit Prentice-Hall, 1997. 732, 733, 734, 735, 736, 737 p.

MÁXIMO, Antônio, ALVARENGA, Beatriz. Física General con experimentos sencillos. Cuarta edición. México, edit Oxford, 2005. 1145, 1146, 1147 p.

Fundamentos de la tomografía axial computarizada [Base de datos] tsid. URL disponible en http://www.tsid.net/tac/fundamentos.htm

Tomografía axial computarizada [Base de datos en línea] Paraguay: Universidad de la República Oriental de Paraguay. 2004. URL disponible en http://www.nib.fmed.edu.uy/Corbo.pdf