Fundamentos de la Detección de Radiación y Gammacámaras en Medicina Nuclear

Principios Fundamentales en la Detección de Radiación

La intensidad permite discriminar entre mayor y menor captación del trazador en distintas regiones corporales y conocer cómo se ha distribuido el radionúclido. La energía permite distinguir entre radiación primaria y dispersa, filtrándola y mejorando la resolución de la imagen.

Herramientas de Radiodetección

Herramientas diseñadas para una misión determinada:

• Simple detección de radiación: No útil para saber si hay contaminación.
• Medida de la intensidad de radiación: Para comparar la intensidad de radiación en una sola zona durante el paso del tiempo en estudios dinámicos.
• Medición de la energía de la radiación: Para seleccionar un fotopico de un radionúclido determinado o para discriminar las radiaciones emitidas por dos radionúclidos administrados simultáneamente.
• Conocimiento de la naturaleza de la radiación: (gamma o beta).

Tipos de Detectores de Radiación

Detectores de Gas

• Cámara de Ionización (voltaje bajo): Dosímetros de lectura directa. No genera ionización secundaria. La intensidad del amperímetro es proporcional a la ionización producida por la radiación.
• Contador Proporcional (mayor voltaje): Produce una ionización secundaria por aceleración de iones generados primitivamente por la radiación. La ionización secundaria produce una amplificación de la señal que será directamente proporcional a la intensidad de la radiación.
• Geiger-Müller: Muy intenso. Pierde la proporcionalidad. Muy sensible a la detección, con gran sensibilidad.

Detectores Fotográficos

Aprovechan la propiedad de las radiaciones ionizantes (RI) de revelar películas fotográficas. Son dosímetros de lectura indirecta (dosis acumuladas). La autorradiografía se realiza impregnando un microcorte de tejido con un radiofármaco (RF) in vivo con una emulsión fotográfica. El revelado proporciona una idea de la distribución del RF.

Detector de Centelleo

Emiten luz inmediatamente tras sufrir ionización. El detector inorgánico (yoduro de sodio activado con talio) tiene buena absorción de fotones y el yodo favorece el efecto fotoeléctrico. Se excitan con la energía absorbida, emitiendo destellos luminosos al desexcitarse. El yoduro sódico permite el efecto fotoeléctrico en el cristal, poniendo fin al fotón incidente. Su energía permite la fluorescencia del talio. Los fotones luminosos son transformados en corriente eléctrica a través de un Tubo Fotomultiplicador (TPM), formando una señal eléctrica que permite obtener la imagen.

Ventajas de los Detectores de Centelleo Sólidos:

• Más eficientes en detección de rayos X y gamma.
• Los sólidos son más eficientes para detectar la radiación que los gases.
• Mayor densidad determina más materia que ionizar.
• Tienen un tiempo muerto inferior al de los detectores de gas.

Cristal de Centelleo (NaI(Tl))

Circular o rectangular. Diámetro de 11-20 pulgadas. Espesor de 1/2”, 3/8” y 1/4" para estudios de cardiología nuclear, porque a mayor resolución espacial, menor eficiencia (sensibilidad). Un cristal más fino ofrece mayor resolución espacial, pero menor eficiencia en absorción. Una cara del cristal está acoplada por guía de luz al fotocátodo, que lleva un conjunto de TPMs, en matriz hexagonal de 19 a 96. Su escaso grosor lo hace apto para la baja energía de las RI más utilizadas (Tc99m, 140 keV).

El proceso es: Fotón → destello luminoso → TPM → impulso eléctrico de intensidad variable según la luz detectada. La superficie del cristal determina el campo visual de la Gammacámara (GC). El NaI permite la absorción del fotón gamma (γ), y los átomos de talio excitados emiten fotones de 3 eV. Se generan 20-20 fotones por cada 100 eV en el cristal.

Precauciones con el Cristal de Centelleo:

• Siempre que sea posible, dejar acoplado al detector.
• Si es necesario quitar el colimador, cubrirlo con una capa protectora.
• Evitar cambios de temperatura (Tº).
• Evitar la contaminación del cristal.
• Evitar la limpieza del cristal con productos abrasivos, el contacto con agua, o cambios bruscos de Tº, ya que pueden dañarlo.

Detectores Semiconductores

Son cámaras de ionización donde el gas es sustituido por un sólido. Utilizan cristal de germanio o silicio con impurezas de litio. Detectan energía de radiación muy baja (3 eV). Los iones producidos son recogidos directamente y usados para generar la señal al ser procesada. Elimina fuentes de error estadístico presentes en los cristales de centelleo. Ofrecen una resolución energética muy grande (1% en energías próximas a 140 keV). Sus aplicaciones son limitadas por su pequeño tamaño, alto coste y necesidad de temperaturas muy bajas (nitrógeno líquido).

Detector Termoluminiscente

Se basa en la capacidad de ciertos materiales para emitir luminiscencia, proporcional a la ionización por radiación absorbida, si se les calienta hasta una temperatura determinada. Son dosímetros de lectura indirecta.

Calibrador de Dosis (Activímetro)

Permite conocer la actividad de un trazador contenido en un vial y calcular la dosis a administrar. Es una cámara de ionización en forma de pozo, en cuyo interior se introduce el material radiactivo. La actividad se mide en términos de corriente de ionización producida por la radiación al interaccionar con el gas que contiene la cámara. Como la respuesta de la cámara de ionización a la radiación emitida desde diferentes radionúclidos varía de acuerdo con las características de cada uno de ellos, es necesario un ajuste de la amplificación de la señal de voltaje. Está blindado.

Componentes de una Gammacámara

Una Gammacámara consta de:

• Cabezas detectoras (colimador, cristal de centelleo, fotocátodo, TPM, amplificadores).
• Analizadores de pulsos eléctricos.
• Circuito de posicionamiento.
• Equipo informático.
• Gantry.
• Mesa.

Tubo Fotomultiplicador (TPM)

Convierte las señales del cristal en señales eléctricas de una cierta intensidad. Consiste en un fotocátodo frente a la salida de los destellos luminosos del cristal, una serie de dínodos y un ánodo en un tubo de cristal al vacío. Por efecto fotoeléctrico, un fotón incidente produce, en el fotocátodo, un electrón (e-) de baja energía. Este e- es acelerado hacia el primer dínodo por una diferencia de potencial entre el fotocátodo y ese dínodo (50-100V), adquiriendo energía cinética para desprender cierto número de e- cuando colisiona con el dínodo. Estos e- son acelerados al segundo dínodo y así sucesivamente (10-12 dínodos, 10⁵ a 10⁸ e- por fotón incidente). Estos e- generan una corriente eléctrica instantánea (pulso) de suficiente intensidad para ser amplificada y discriminada por un analizador de pulsos eléctricos. La intensidad del pulso eléctrico que sale del TPM es proporcional al número de fotones absorbidos en esa zona y refleja la distribución espacial de la radiación.

Preamplificador y Amplificador

La señal de salida de un TPM es de una impedancia muy diferente a la de la señal de un amplificador, lo que origina una distorsión y atenuación de la misma. Por ello, se utiliza un preamplificador. El preamplificador siempre está en contacto con el TPM, conectado por cable al amplificador. El amplificador aumenta el voltaje de los impulsos, ya que los recibe como una señal débil, en una relación (ganancia). Nos proporciona una corriente eléctrica de impulsos cuya amplitud es proporcional a la energía de la radiación incidente, y por tanto, proporcional a la intensidad de la radiación gamma (γ).

Analizador de Impulsos

Su función es establecer un filtro o ventana de detección, que solo permita el acceso a la formación de la imagen a las señales que corresponden a fotones de suficiente valor energético. Selecciona impulsos cuyos voltajes o energías se hallan entre dos umbrales inferior y superior (intervalo de ventana de detección o filtro). Un discriminador inferior y luego uno superior forman un analizador de altura de impulsos.

Para identificar las radiaciones emitidas por un determinado radionúclido, se ajusta la ventana en sus niveles inferior y superior, para que incluya la energía correspondiente al radionúclido (manual o automático). Se cuantifica su intensidad mediante un contador de impulsos que nos expresa la cantidad de impulsos durante cierto tiempo.

La radiación Compton puede dañar la resolución espacial. La mayoría de la radiación gamma (γ) emitida por el trazador atraviesa los tejidos sin sufrir interacción alguna y alcanza el cristal de centelleo. Parte de la emisión colisiona con los electrones corticales y sufre efecto Compton. El fotón emergente pierde energía y no mantiene su trayectoria, dejando de ser fiel a la distribución espacial del radiofármaco en el cuerpo (distorsión).

Consideraciones sobre la Ventana de Detección:

• Pico de valor energético del radionúclido: La ventana de detección se centra en el pico energético.
• Umbrales inferiores: Compromiso.
• Umbrales superiores: Fallo en TPM.
• La amplitud de la ventana es un equilibrio entre sensibilidad y resolución espacial.
• Ventanas anchas permiten incorporar un mayor número de fotones por tiempo, pero también permiten la degradación de la imagen por efecto Compton.
• Ventanas más pequeñas mejoran la resolución, pero requieren más tiempo de adquisición.
• La amplitud habitual es del 20%.

Analizador Multicanal

Dispositivo electrónico capaz de separar pulsos de diversos rangos de voltaje simultáneamente. Los pulsos así seleccionados pasan a un dispositivo de contaje. Puede ser un contador que recoge el número de pulsos producidos en un tiempo preseleccionado o el tiempo que tarda en producirse un número de pulsos preseleccionado, presentando estos datos en una pantalla que mide el número de pulsos por unidad de tiempo. Se presenta con una curva.

Circuito de Posicionamiento

Un fotón que interaccione en un cristal en una determinada posición producirá un destello luminoso, que generará a la salida de los TPMs un impulso eléctrico de intensidad variable según la luz detectada. Podemos conseguir dos coordenadas, X e Y, que nos proporcionan la posición en la que ha sido detectado el fotón. Se obtiene Z, proporcional a la energía del fotón incidente (para medidas espectroscópicas, selección de fotón de determinada energía).

Equipo Electrónico de Tratamiento de Señal y Creación de Imagen

La imagen puede recogerse de forma:

• Analógica: Distribución continua de densidades.
• Digital: Mediante un convertidor analógico-digital (CAD) y un equipo informático. Digitalizar es procesar la imagen para resumirla a valores numéricos que el sistema informático pueda manejar. Ejemplos: 72 píxeles por pulgada. 8 bits/píxel para blanco y negro, 24 bits para color.

Tipos de Gammacámaras

Gammacámara Simple

Colocada sobre un estativo para movimiento vertical y giro izquierdo. Utilizada para estudios planares 2D localizados.

Gammacámara de Cuerpo Entero

Montada sobre un sistema que permite el movimiento de traslación horizontal de cabezales y camilla. En el interior de la cámara y alrededor del sujeto, se encuentran cristales de centelleo (fijos con múltiples detectores o móviles para rastreo a lo largo del cuerpo). Indicada para rastreos corporales totales (RCT). Utilizada para la realización de pruebas diagnósticas como radioprotección.

Gammacámaras Tomográficas de Emisión

Capaces de describir órbitas circulares o elípticas.

• SPECT (Tomografía Computarizada por Emisión de Fotón Único): Basada en la detección de un único fotón gamma (γ) procedente de la desintegración del radionúclido.
• PET (Tomografía por Emisión de Positrones - Fotón Doble): Los positrones se aniquilan con un electrón cortical de los átomos de la materia diana, produciendo dos rayos gamma (γ) iguales, en la misma dirección pero en sentido opuesto. La detección simultánea de ambos permite localizar el isótopo de manera más precisa que SPECT.

Ordenador en Medicina Nuclear

Características de Hardware

• CPU conectada a la cámara.
• RAM de gran capacidad.
• Gran velocidad de procesamiento.
• Mínimo dos pantallas: una para texto, datos y control de software, y otra para imágenes.
• Monitor con dispositivo fotográfico.
• Disco duro de gran capacidad y unidades de disquete (floppy) y disco óptico.
• Ratón e impresora.

Características de Software

• Adquisición:

  • Estudios Estáticos: Matrices de 128x128, 256x256, 512x512. Word de 16 bits/píxel o byte de 8 bits, en función de la capacidad de adquisición y procesamiento de la GC.
  • Estudios Dinámicos: Utiliza matrices más simples (ej. 64x64x8) para la adquisición de imágenes en tiempos preseleccionados y durante un tiempo total también preseleccionado.
  • Estudios Gating (Cardiología): Permite introducir en el PC señales digitalizadas del ECG del paciente para determinar los espacios R-R y poder recoger información separada de cada fase del ciclo cardíaco.
  • Estudios Tomográficos: Ordena las condiciones de las SPECT. Datos de identificación.

• Procesado:

  • Tratamiento de Imágenes: Aumento de contraste entre zonas calientes y frías, reducción de actividad de fondo, sumación y sustracción de imágenes.
  • Delimitación de Áreas de Interés (ROI): Señalización en pantalla mediante lápiz o ratón (dibujar, copiar y mover áreas). Se puede eliminar del estudio el resto de los datos y seleccionar solo los incluidos en el área.
  • Cuantificación de los Datos:
    • Imágenes Estáticas: Los datos se expresan en forma de número de cuentas o de índices comparativos de la actividad de una zona con respecto a otra.
    • Estudios Dinámicos: Los datos se expresan en forma numérica, índices, curvas actividad/tiempo o imágenes elaboradas con los datos obtenidos.
    • Elaboración de Imágenes en Estudios Tomográficos: Reconstrucción de imágenes de cortes transaxiales, coronales y sagitales, reorientación de ejes, elaboración de imágenes 3D.