INTRODUCCIÓN A LA TOMOGRAFÍA COMPUTADORIZADA (TC)

INTRODUCCIÓN A LA TOMOGRAFÍA
COMPUTADORIZADA (TC)
1. INTRODUCCIÓN
En el vigente ciclo formativo de “Técnico superior en imagen para el diagnóstico” figura
el módulo profesional número 3 “Fundamentos y técnicas de exploración radiológica
mediante equipos de digitalización de imágenes”, impartido en el primer curso de dicho
ciclo con un total de 240 horas.
La importancia del mencionado módulo radica precisamente en la digitalización de
imágenes.
Diseñado originariamente para ocuparse del TC y de la RNM, actualmente carece de
sentido su denominación, pues todas las exploraciones mediante imágenes en
medicina están ahora digitalizadas o lo estarán en breve, incluyendo la radiología
convencional o clásica, las pruebas de medicina nuclear (gammagrafías, PET, y
SPECT) y las exploraciones ecográficas.
Sin embargo en esta evolución hacia la digitalización el TAC o TC (como se denomina
ahora y veremos por qué) supuso un hito de trascendencia inimaginable en las
técnicas de diagnóstico por la imagen, sólo comparable al impacto que hace más de
un siglo tuvieron los rayos X.
Además el TC es la introducción para nuestro alumnado de las demás técnicas de
digitalización que irán estudiando a lo largo de todo el ciclo en otros módulos. Ni
siquiera la radiología convencional o el procesado de la imagen escapan actualmente
a la digitalización, de ahí la importancia que tiene el estudio de la digitalización de
imágenes en el TC.
2. DEFINICIÓN.
TAC son las iniciales de Tomografía Axial computadorizada.
“Tomografía” deriva de las palabras griegas que significan cortar y dibujo.
“Axial” significa a lo largo de un eje.
“Computadorizada” significa que la imagen se obtiene tratando los datos mediante un
ordenador.
En definitiva el TAC es una máquina que permite obtener “dibujos” (radiografías en
este caso) de “cortes” de una sección anatómica a partir de datos que se van a
procesar mediante un ordenador.
Actualmente se denomina simplemente TC, debido a un error en la interpretación de
la palabra “axial” en la bibliografía anglosajona.
Comos hemos indicado la palabra significa a lo largo de un eje. Está claro que todos
los cortes necesariamente han de realizarse a lo largo de un eje, pero los
anglosajones asignan el término “axial” a los cortes transversales.
Este tipo de corte era el único que podía hacer la TAC, de ahí su nombre original. Sólo
forzando la posición del paciente permitía cortes frontales en el cráneo.
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Actualmente, no de forma directa, sino mediante reconstrucciones, pueden obtenerse
cortes en cualquier plano, incluso reconstrucciones 3D, por este motivo ha pasado a
denominarse simplemente TC.
3. RESEÑA HISTÓRICA
En las últimas décadas hemos asistido a una auténtica revolución en las técnicas
mediante el diagnóstico por la imagen en medicina. Han aparecido o se han
perfeccionado técnicas que permiten obtener finas secciones en cualquier plano de la
anatomía del paciente, reconstrucciones en 3D e imágenes funcionales (nos muestran
algún aspecto del funcionamiento de órganos y sistemas, frente a las imágenes
morfológicas que son meramente descriptivas) con un poder de resolución que roza la
ciencia ficción.
Sin embargo los fundamentos físicos en los que se basan los aparatos o incluso el
propio aparato son conocidos desde hace bastante tiempo.
Pongamos como ejemplo el TC: apareció en la década de 1970, pero está basado en
dos principios conocidos desde hace casi 100 años:
1º Los RX, descubiertos de forma casual en 1995. El tubo de RX se perfeccionó
sensiblemente durante unos años, hasta 1913. A partir de entonces las modificaciones
que ha sufrido han sido meramente secundarias.
2º El principio que permite obtener “cortes” de secciones anatómicas, en vez de
proyecciones de órganos superpuestos, data de 1917 y fue postulado por el
matemático austriaco J. Radon que demostró que era posible reconstruir un objeto
tridimensional a partir de numerosas proyecciones bidimensionales.
La necesidad de idear una máquina de rayos X con las características del TC, es
decir, capaz de ofrecer “cortes” anatómicos nace como consecuencia de dos
inconvenientes importantes de las radiografías clásicas:
a) Superponer las estructuras corporales, lo que hacia invisibles las estructuras de
menor densidad radiológica tras las más densas.
b) Incapacidad de distinguir estructuras con similar densidad radiológica, debido al
limitado número de tonos de grises que el ojo humano puede percibir incluso en
condiciones ideales.
Estos dos inconvenientes llevaron a la búsqueda de soluciones. Una de ellas consistió
en obtener “cortes” radiográficos de las estructuras anatómicas simplemente
presentando “movida” la parte que no interesara. Nace así la primera tomografía
“analógica” en la década de 1950.
El principio para obtener solamente imágenes de una sección corporal era el mismo
que había propuesto J. Radon (múltiples proyecciones radiográficas de la zona) y se
denominó tomografía (del griego “tomos”, cortar). Aunque la imagen “cortada” se
obtenía a partir de múltiples proyecciones del área de interés, el procedimiento de
reconstrucción de la imagen era distinto, completamente analógico. Consistía en
obtener imágenes “movidas” y borrosas de la zona que no nos interesara, mientras el
área que se quería explorar permanecía estática. Se conseguía mediante la rotación
del tubo de Rx alrededor del paciente. La zona correspondiente al centro de rotación
se veía nítida (evidentemente el eje de rotación no gira), mientras el resto aparecía
borroso, “movido”, por el desplazamiento del tubo.
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El TC (tomografía computadorizada) actual utiliza los mismos principios que la
tomografía clásica (tubo de RX y movimiento alrededor del paciente para obtener
múltiples proyecciones).
Pero entre las imágenes obtenidas mediante ambos procesos existe un abismo
insalvable si se analizan desde cualquier parámetro que evalúe la calidad de una
imagen.
Sin embargo, la única diferencia entre ambas técnicas es la “C” de computadorizada.
Y por supuesto ha sido la informática la que verdaderamente ha revolucionado todas
las técnicas de diagnóstico por la imagen.
Hasta 1963 no se vuelve a retomar la idea de la posibilidad de hallar un resultado
práctico en Medicina a los postulados de J. Radon. A pesar de las brillantes ideas del
físico A. M. Cormack durante ese año, sus trabajos no condujeron a ningún resultado
práctico, debido a la limitación de los ordenadores de la época.
En 1967 el ingeniero Goodfrey N. Hoounsfield propuso la construcción de una
máquina capaz de unir el cálculo electrónico a las técnicas de Rayos X. El fin era
“crear una imagen tridimensional de un objeto oculto en el interior del organismo,
tomando múltiples mediciones del mismo con RX desde diferentes ángulos y utilizar
una computadora que permita reconstruirla a partir de cientos de planos superpuestos
y entrecruzados”. Se había esbozado el TC.
4. FUNDAMENTO
4.1 Reconstrucción de la imagen tomográfica
Como hemos visto es relativamente simple: Un tubo de Rx en funcionamiento rota
alrededor del paciente. La radiación emitida atraviesa a éste y llega a unos detectores
distribuidos estratégicamente alrededor del mismo, formando un ángulo de 180º o
360º, dependiendo de la generación de TC. Dicha radiación ha debido atravesar unas
estructuras anatómicas desde que entra en el paciente hasta que llega a su destino y
por lo tanto ha perdido intensidad, se ha “atenuado”.
Conocemos la radiación de origen, a la que denominaremos “Io”, que no varía y
puede considerarse igual a la emitida por el tubo de RX, y la final o emergente, “Ix”,
captada por el detector, que variará en función de las estructuras atravesadas por los
Rx en su trayectoria.
Tenemos esos datos de entrada y salida de la radiación en múltiples puntos (hay
miles de detectores de radiación alrededor del paciente) por lo que podemos
configurar un gigantesco “sudoku” con el que pretendemos calcular la “atenuación” o
radiación que ha sido absorbida en cada punto intermedio de la trayectoria del Rayo x.
En principio la radiación absorbida en la totalidad de cada trayecto será la radiación
incidente menos la captada por el detector, es decir Io-Ix. Luego sabiendo esos
valores en múltiples puntos finales es probable calcular la absorbida en los puntos
intermedios.
Vamos a verlo con un sencillo ejemplo. En la tabla inferior se ha querido mostrar a un
paciente sometido a un estudio mediante TC. Las celdillas centrales representan la
atenuación sufrida por los fotones de Rx en cada punto de su recorrido en el interior
del paciente. Las celdillas periféricas contienen los datos de la radiación incidente “Io”
y emergente “Ix”. Los datos que el ordenador va a calcular son los correspondientes a
las celdillas centrales.
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Representaremos tanto en toda la fila superior como en toda la columna de la
izquierda la radiación incidente, “Io”, que es constante, por ser la emitida por el tubo de
rayos X rotatorio, a la que asignaremos como ejemplo un valor simbólico de 6.
En toda la fila inferior y en la totalidad de la columna de la derecha representaremos la
radiación emergente, “Ix”, captada por los diferentes detectores situados alrededor del
paciente, que variará en cada punto. Calcularemos, mediante una simple sustracción
que la radiación absorbida en la fila 2ª superior es 3, en la 3ª es 6 y en la 4ª es 2.
También podemos deducir que la dosis absorbida en la 2ª columna de la izquierda es
5, en la 3ª es 2 y en la 4ª es 4.
Io 6 6 6
6
3
6
0
6
4
1 4 2 Ix
Con estos datos la solución de los valores centrales es la siguiente:
Io 6 6 6
6
1 0 2
3
6
3 1 2
0
6
1 1 0
4
1 4 2
Ix
En realidad los cálculos no son tan simples como se han comentado,
independientemente de que existen miles de detectores frente a los tres
representados. La razón se encuentra en que la absorción de los fotones que
componen un haz de rayos x no sigue un patrón lineal, es decir que no se absorben en
la misma proporción a lo largo de su recorrido. La máxima absorción ocurre en los
primeros centímetros del paciente y va decayendo rápidamente, siguiendo una curva
logarítmica, cuya pendiente depende fundamentalmente del coeficiente de atenuación
de la materia atravesada. El coeficiente de atenuación, o capacidad intrínseca de una
sustancia de absorber la radiación, es propio y característico de cada sustancia y en él
influyen el peso atómico de los átomos que lo forman y la densidad de la sustancia.
El fenómeno de la absorción rápida en los primeros centímetros tiene su explicación
en que un haz de rayos X, al igual que uno de luz visible, está formado por fotones con
distinta longitud de onda y por lo tanto con diferente frecuencia y energía. Los fotones
menos energéticos, que son mayoría, quedan absorbidos en los primeros centímetros
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del paciente. El resto sigue avanzando, siendo ahora su energía total menor, pero su
media mayor. Por lo tanto el haz cada vez tiene menos fotones, pero los que quedan
poseen más energía, por lo que serán más penetrantes que los originales y se
atenuarán en menor proporción, es decir cada vez se atenuarán menos.
El ordenador tiene en cuenta este hecho a la hora de efectuar los cálculos y averigua
de esta manera la radiación absorbida en cada punto intermedio a partir de la dosis
total absorbida en cada fila y en cada columna.
Para efectuar los cálculos es necesario delimitar exactamente cual es el volumen del
“punto” en el que ordenador va a calcular la atenuación. Pero ese “punto” es en
realidad una estructura tridimensional que vamos a representar bidimensionalmente
en una pantalla o en una placa. Esa unidad de volumen básica se conoce con el
nombre de “voxel” y aparecerá representada bidimensionalmente en forma de “píxel”.
Las dimensiones “x” e “y” del “voxel” dependerán del número de detectores. La tercera
coordenada (z) del “voxel” que nos falta es la anchura de corte que viene dada por la
anchura del haz de Rx. El cálculo de la atenuación del “voxel” es una media de lo que
existe en el mismo, por lo que es posible que existan a la vez aire y hueso y el
ordenador calcule una media similar a la del agua.
4.2 Determinación de los tonos de gris
La cantidad de radiación absorbida en cada “voxel” determinará la coloración de la
placa. Esto da lugar a cinco tipos clásicos de densidades radiológicas (o tonos de
grises presentes en una radiografía) reconocibles por el ojo humano.
El hueso y los metales, de elevada densidad y número atómico relativamente alto,
absorberán la mayoría de la radiación y la placa aparecerá blanca. Los gases, por el
contrario absorberán poca radiación y la placa se verá negra.
1º Densidad metal. El rayo X queda prácticamente atenuado en su totalidad, debido al
elevado peso atómico de sus átomos y a la densidad del metal. No llega prácticamente
ninguna radiación al detector. En una radiografía convencional aparecerá como una
zona completamente blanca, pues no ha recibido radiación. En el TC los detectores de
esa zona no recibirán ninguna radiación emergente.
2º Densidad hueso. El rayo X se atenúa en gran medida al atravesar un hueso, pero
no por completo. Esta atenuación es debida igualmente a la densidad del hueso y al
peso atómico del calcio. En las radiografías clásicas aparece como una zona blanca,
pero no homogénea, con irregularidades grisáceas, pues la densidad del hueso varía
de unas zonas a otras.
3º Densidad agua. Es la más frecuente en el organismo, pues la mayoría de los tejidos
“blandos” están formados en gran parte por ella. Su aspecto es de un color gris neutro.
4º Densidad grasa. Aparece de color gris negruzco, por su densidad algo menor a la
del agua.
5º Densidad aire. De color negruzco. El aire, debido a su escasa densidad, a pesar de
tener elementos con número atómico similares a los del agua, es atravesado con
facilidad por los RX.
Hay que tener en cuenta que la placa radiográfica tiene propiedades parecidas a una
película fotográfica, y que al igual que ésta, las zonas expuestas a la luz (o la radiación
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X en nuestro caso), se verán de color negro, pues no hay que olvidar que se trata del
negativo
Cuando el ordenador realiza los cálculos de la atenuación sufrida por el haz en cada
“voxel” del recorrido le asigna, a cada valor obtenido en las distintas celdas, un tono en
la gama de grises.
El número de tonos grises que puede representar es de 2000 a los que se les asignan
los valores comprendidos entre -1000 + 1000. Estos valores reciben el nombre de
unidades Hounsfield o simplemente UH. El valor 0 representa una zona neutra y se ha
asignado a la densidad radiológica del agua. Los valores negativos representan zonas
oscuras, es decir con poca densidad radiológica, como el aire. Los valores positivos
representan zonas de densidad radiológica alta, como el hueso o los metales.
El ojo humano distingue un número limitado de tonos grises, con lo que tenemos
cortes con 2000 tonos representados pero nuestro ojo no los puede captar todos. De
esta manera mucha información se perdería. La solución a este problema se realiza
mediante un proceso en el que intervienen dos nuevos conceptos: los denominados
centro y ventana.
Podemos comparar a este proceso con el que se produce cuando ampliamos una
imagen en una pantalla: Vemos más detalles de la parte ampliada, pero dejamos de
ver el resto. Aquí estamos en realidad haciendo una ampliación o “zoom” de colores:
nos situamos sobre el tono de gris que nos interesa (centro) y “ampliamos” lo que
creamos conveniente (ventana).
¿Qué ventajas nos aporta esto?
Nuestros ojos no distinguen muchos tonos de grises, por lo que estructuras
radiológicamente similares serán indistinguibles a nuestros ojos, aunque el ordenador
del TC las haya reconocido, asignándoles distinto número.
Si colocamos el tono gris neutro en la estructura que nos interesa y el blanco más
intenso y el negro más oscuro en valores próximos, podremos distinguir estructuras
que a simple vista no se observaban, a expensas de no ver más allá de la “ventana”.
Es decir fuera de la zona de interés sólo veremos tonos blancos o negros intensos.
Ejemplo: queremos visualizar un órgano con un valor de 45 UH y densidad radiológica
relativamente homogénea. En este caso situamos el centro en el valor 45 y abrimos
una ventana estrecha de por ejemplo 50 UH. Los tonos que originariamente se veían
de color ligeramente claro (45 UH) se verán ahora de color gris neutro (equivalente a
densidad agua, es decir 0 UH). Los tonos más claros que podemos percibir se sitúan
ahora en -5 UH (-5= 45-50) y los más oscuros en 95 UH (95=45+50). Todos los
valores por encima de 95 UH se verán muy blancos, mientras que todos los valores
por debajo de -5 UH aparecerán muy negros. Pero en cambio podemos distinguir toda
la gama de grises que perciben nuestros ojos en la zona que nos interesa.
Esto es particularmente útil en órganos con grandes diferencias en sus densidades
radiológicas como el tórax. Si queremos visualizar parénquima pulmonar, donde
predomina el aire, el centro debemos ponerlo en unidades negativas. Si queremos ver
la columna dorsal debemos colocar el centro en valores positivos altos. Si queremos
ver el corazón y el mediastino colocaremos el centro en valores próximos a 0. La
anchura de ventana dependerá de la densidad de las estructuras que queramos ver al
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mismo tiempo. Las ventanas estrechas sólo permiten ver en las inmediaciones del
centro, pero ofrecen toda la información que el ordenador tiene de la zona. Las
ventanas amplias permiten ver órganos con densidades distintas, pero perdemos
información de la zona. La elección del centro y la ventana dependerá en cada caso
del órgano a estudiar y de la patología que sospechemos.
5. EL TC ACTUAL
La TC supuso la mayor revolución en el diagnóstico médico desde la aparición de los
RX. Su éxito ha sido imparable desde sus comienzos.
Los primeros TAC utilizaban un número limitado de detectores y, aún así la
reconstrucción de la imagen era muy lenta y la calidad muy mala.
El tiempo de obtención de imágenes en los primitivos TAC era muy largo pues
requería de más de 4 minutos de rotación del tubo y unos 60 segundos al menos para
la codificación de la imagen. Las imágenes obtenidas eran todas del plano transversal,
pues con los datos obtenidos y los equipos informáticos de la época era impensable
intentar reconstrucciones en otros planos.
Actualmente los equipos TC utilizan miles de detectores y permiten realizar varios
cortes simultáneos. No necesitan esperar para efectuar el siguiente corte, sino que
pueden obtener múltiples mediante un movimiento “helicoidal” producido por la
rotación del tubo y la traslación simultánea de la camilla del paciente.
De esta manera son capaces de reconstruir en escasos segundos miles de imágenes
de alta resolución, obteniendo, no ya cortes aislados de un órgano, sino la totalidad de
la zona seccionada a intervalos iguales al grosor de corte. La cantidad de datos
obtenida es tan ingente que el ordenador dispone ahora de los elementos necesarios
para intentar realizar nuevas reconstrucciones en otros planos distintos al de corte.
Puede incluso interpolar resultados y realizar reconstrucciones en planos frontales y
sagitales, incluso agrupándolos todos realiza reconstrucciones 3D.
Esta nueva utilidad es tan importante que ha bastado por sí misma para cambiar el
nombre a la tomografía computadorizada, que ha pasado de llamarse TAC (tomografía
axial computadorizada) a simplemente TC.
6. CONCLUSIONES
El TC ha supuesto el mayor avance en el diagnóstico por la imagen desde la aparición
de los rayos x. Las indicaciones son muy numerosas entre ellas destacan el examen
global de las cavidades pélvica y abdominal, estudio del parénquima pulmonar y el
mediastino y sobre todo problemas neurológicos (traumatismos craneales,
hemorragias, pacientes en coma o no colaboradores).
Las técnicas posteriores han mejorado el contraste entre estructuras de densidad
similar, a veces de manera muy importante como la RNM, y obtenido imágenes
funcionales que rozan lo imposible, como el PET, sin embargo el TC abrió las puertas
a todas las demás técnicas, al iniciar la reconstrucción digital de las imágenes en
medicina. Para nuestro alumnado igualmente el TC sigue siendo la introducción a
todas las demás técnicas de exploración mediante digitalización de imágenes.
7. BIBLIOGRAFÍA
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