Fundamentos de la Tomografía Computarizada: Principios, Componentes y Aplicaciones

Fundamentos de la Tomografía Computarizada (TC)

La Tomografía Computarizada (TC), también conocida como sección transversal computarizada o imagen digital en tonos de grises, se basa en el principio de las infinitas proyecciones.

Historia y Desarrollo

• Godfrey Hounsfield y Allan Cormack fueron pioneros en el desarrollo de la TC. Cormack describió cómo cuantificar la absorción de rayos X por parte de los tejidos, mientras que Hounsfield construyó el primer tomógrafo.
• El primer tomógrafo de Hounsfield utilizaba un tubo de rayos X con un único detector y un movimiento de traslación.

Conceptos Básicos de Imagen

• Pixel: Elemento bidimensional de la imagen.
• Voxel: Elemento tridimensional de volumen.
• Bit: Dígito binario (2ⁿ). Una TC de 12 bits puede representar 4095 niveles de gris.

Principio Físico de la Atenuación

La ley de atenuación de los rayos X describe la relación entre la intensidad de la radiación incidente y la transmitida:

Ix = Io * e-u*d

• Io: Intensidad de radiación que incide en el objeto.
• Ix: Intensidad de radiación transmitida por el objeto.
• e: Número de Euler.
• u: Coeficiente de atenuación lineal del material.
• d: Espesor del objeto o distancia recorrida por el haz.

Escala de Unidades Hounsfield (HU)

La TC utiliza la escala de Unidades Hounsfield (HU) para cuantificar la atenuación de los rayos X. El valor de referencia es el agua (0 HU).

• Aire: -1000 HU
• Pulmones: Aproximadamente -800 HU
• Agua: 0 HU (isodenso)
• Valores positivos indican hiperdenso.
• Valores negativos (respecto al agua) indican hipodenso.

Ventanas de Visualización

Las ventanas permiten ajustar el rango de valores de HU desplegados en la imagen para visualizar estructuras específicas. Con un rango total de 1024 niveles de gris (de 0 a 3072 HU):

• Abdomen: Centro (C) 50 HU, Ancho (A) 350 HU.
• Cerebro: C 35 HU, A 100 HU.
• Pulmón: C -200 HU, A 1800 HU.
• Hueso: C 500 HU, A 1500 HU.

Componentes del Tomógrafo

Un tomógrafo consta de:

• Gantry: Estructura principal que aloja el tubo de rayos X y los detectores.
• Camilla: Mesa móvil donde se posiciona el paciente.
• Ordenador: Procesa los datos y reconstruye las imágenes.
• Consola: Interfaz para el operador.
• Generador: Suministra la energía al tubo de rayos X.

Componentes del Gantry

• Colimadores: Definen el grosor y la forma del haz de rayos X.
• Tubo de Rayos X: Genera la radiación.
• Matriz de Detectores: Capturan la radiación atenuada.
• DAS (Digital Acquisition System): Sistema de adquisición de datos.

Tubo de Rayos X

• Alta capacidad calórica.
• Foco fino para mayor resolución espacial.
• Rotor que gira a altas velocidades (6,000 a 10,000 rpm).

Sistema de Adquisición de Datos (DAS)

• Los detectores convierten la radiación X en luz y luego en señal eléctrica.
• El CAD (Conversor Analógico-Digital) transforma la señal eléctrica analógica en datos digitales.

Consola de Operación y Adquisición

• Planificación: Selección de protocolos de estudio.
• Visualización: Presentación de las imágenes.
• Reprocesamiento: Aplicación de filtros y ventanas.

Clasificación de Tomógrafos

Los tomógrafos se clasifican según:

• Geometría de detección.
• Modalidad de barrido.
• Número de cortes adquiridos simultáneamente.

Evolución Tecnológica (Generaciones de Tomógrafos)

• 1ª Generación (1972): Hounsfield, 1 corte, haz pencil beam, movimientos de traslación y rotación.
• 2ª Generación (1974): Múltiples detectores, haz en abanico, traslación y rotación.
• 3ª Generación (1976): Eliminación de la traslación, conjunto de detectores en anillos, rotación continua.
• 4ª Generación (1978): Detectores estacionarios, movimiento de nutación del tubo.

Tipos de Escaneo y Configuración

• Pitch: Relación entre el desplazamiento de la camilla y el grosor del haz por rotación del gantry.
• Pitch = 1: Hélice continua, sin solapamiento ni separación.
• Pitch > 1: Hélice estirada, menor solapamiento, menor dosis.
• Pitch < 1: Hélice superpuesta, mayor solapamiento, mayor detalle, mayor dosis.
• Monocorte: 1 fila de detectores, 1 corte.
• Multicorte (MDCT): 2 o más filas de detectores, adquiere múltiples cortes simultáneamente.

Matriz de Imagen y Campo de Visión (FOV)

• Matriz: Define la resolución espacial.
• Simétrica: Mismo tamaño de píxeles en ambos ejes.
• Adaptativa: Aumenta el tamaño de los píxeles en los extremos.
• Mixta: Píxeles pequeños en el centro y grandes en los extremos.
• Celdillas: Unidades de detección. Más celdillas pequeñas mejoran la diferenciación.
• FOV (Field of View): Campo de visión. Un FOV pequeño con celdillas pequeñas mejora la resolución espacial.

Parámetros de Calidad de Imagen

• Resolución Espacial: Capacidad de distinguir objetos pequeños y cercanos. Aumenta al disminuir el tamaño del píxel y el grosor de corte.
• Blurring (Desenfoque): Suavizado de la imagen.
• Resolución Temporal: Capacidad de capturar el movimiento. Mejora con mayor velocidad de rotación del gantry y mayor pitch.
• Ancho de Ventana: Rango de HU desplegado.
• Centro de Ventana: Valor central del rango de HU.

Procesamiento de Imágenes

• Post-Proceso: Se realiza después de la adquisición de datos brutos (raw data).
• Reconstrucción: Aplicación de filtros de kernel a los datos brutos para mejorar la nitidez o suavizar la imagen.
• Despliegue: Aplicación de ventanas para la visualización.
• Voxel Isotrópico: Voxel con dimensiones iguales en los tres ejes (X, Y, Z).

Parámetros de Adquisición

• Ángulo del Gantry
• KVP (Kilovoltaje pico): Energía del haz de rayos X.
• mA (miliamperios)
• Tiempo de Rotación
• Grosor de Corte
• FOV
• Kernel (Filtro de Reconstrucción)
• Pitch

Detectores y Conversión de Señal

• Detectores de Centelleo (Cristal Cerámico): Convierten rayos X en luz.
• Fotodiodos: Convierten la luz en corriente eléctrica.
• Detectores de Ionización (Gas Xenón): Ionizan el gas al ser expuesto a rayos X, generando una señal eléctrica.
• El DAS amplifica la señal eléctrica recibida de los detectores.
• El CAD convierte la señal eléctrica analógica en digital.

Artefactos en TC

Los artefactos son distorsiones en la imagen que no corresponden a la anatomía real. Pueden ser causados por:

• Físicos: Movimiento, metal.
• Paciente: Movimiento, densidad.
• Equipo: Mal funcionamiento de detectores, colimadores.
• Adquisición: Parámetros incorrectos.

Tipos Comunes de Artefactos y Correcciones

• Endurecimiento del Haz (Beam Hardening): Atenuación preferencial de los fotones de baja energía. Se corrige con filtros metálicos, calibración y software.
• Artefacto de Volumen Parcial: Cortes gruesos que promedian diferentes densidades, resultando en valores de HU irreales. Se corrige disminuyendo el grosor del corte.
• Bandas Negras (Streaking): Causadas por la presencia de materiales muy densos (metal).
• Anillo: Defectos en los detectores o en la calibración.

Dosis en Tomografía Computarizada

La dosimetría en TC es crucial para la protección radiológica.

• CTDI (Computed Tomography Dose Index): Índice de dosis en TC.
• CTDIw: Ponderado, considera la distribución espacial de la dosis.
• CTDIvol: Volumen, se calcula como CTDIw / Pitch.
• DLP (Dose Length Product): Producto de la longitud del barrido por el CTDIvol (DLP = CTDIvol * L).
• Dosis Absorbida: Medida en Gray (Gy).
• Dosis Equivalente: Medida en Sievert (Sv).
• Dosis Efectiva: Medida en milisievert (mSv), representa el riesgo estocástico para todo el organismo.

Factores que Afectan la Dosis

• Parámetros de Adquisición: mA, KVP, tiempo de rotación, pitch.
• Geometría del Paciente: Diámetro.
• Colimación: Grosor del haz.
• Rotaciones Adicionales (Overranging): Rotaciones del gantry más allá del área de interés.
• Penumbra del Haz: Zona de transición del haz.

Principios de Protección Radiológica

• Justificación: El beneficio del estudio debe superar el riesgo.
• Optimización (Principio ALARA - As Low As Reasonably Achievable): Mantener la dosis tan baja como sea razonablemente posible.
• Limitación de Dosis: Establecer límites máximos de dosis para la población y los trabajadores expuestos.
• Triada de Protección: Tiempo, Distancia y Blindaje.

Medios de Contraste

Se utilizan para mejorar la visualización de estructuras y patologías.

• Basados en Yodo: Osmolaridad 300 mOsm/kg, hidrosolubles. El yodo tiene número atómico 53.
• Basados en Bario: Utilizados principalmente para estudios del tracto gastrointestinal. El bario tiene número atómico 56.