Energía dual TC: Fundamentos técnicos y aplicaciones clínicas

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1 Energía dual TC: Fundamentos técnicos y aplicaciones clínicas Poster no.: S-1323 Congreso: SERAM 2012 Tipo del póster: Presentación Electrónica Educativa Autores: M. Roibás Urraca; Madrid/ES Palabras clave: Caracterización de tejidos, Física, Aspectos técnicos, TC, Investigación, Física de la radiología, Aplicaciones informáticas DOI: /seram2012/S-1323 Cualquier información contenida en este archivo PDF se genera automáticamente a partir del material digital presentado a EPOS por parte de terceros en forma de presentaciones científicas. Referencias a nombres, marcas, productos o servicios de terceros o enlaces de hipertexto a sitios de terceros o información se proveen solo como una conveniencia a usted y no constituye o implica respaldo por parte de SERAM, patrocinio o recomendación del tercero, la información, el producto o servicio. SERAM no se hace responsable por el contenido de estas páginas y no hace ninguna representación con respecto al contenido o exactitud del material en este archivo. De acuerdo con las regulaciones de derechos de autor, cualquier uso no autorizado del material o partes del mismo, así como la reproducción o la distribución múltiple con cualquier método de reproducción/publicación tradicional o electrónico es estrictamente prohibido. Usted acepta defender, indemnizar y mantener indemne SERAM de y contra cualquier y todo reclamo, daños, costos y gastos, incluyendo honorarios de abogados, que surja de o es relacionada con su uso de estas páginas. Tenga en cuenta: Los enlaces a películas, presentaciones ppt y cualquier otros archivos multimedia no están disponibles en la versión en PDF de las presentaciones. Página 1 de 19

2 Objetivo docente El objetivo de este póster consiste en hacer una revisión de las bases físicas y técnicas de los estudios de energía dual por tomografía computarizada. También se compararán las diferentes soluciones desarrolladas para la adquisición de esta técnica. Por último se hará referencia a las posibles aplicaciones clínicas de la energía dual, algunas de las cuales comienzan a utilizarse de modo rutinario si bien la mayoría todavía están en fase de investigación. Revisión del tema 1. Introducción Los primeros intentos de utilizar información espectral en tomografía computarizada (TC en adelante) se remontan a los años 70 (Millner et al. 1979; Avrin et al. 1978; Chiro et al. 1979; Genant y Boyd 1977). En aquel momento el estudio consistía en dos adquisiciones separadas. Sin embargo no se alcanzó aceptación clínica de la técnica debido la inestabilidad de los valores de densidad TC, los tiempos prolongados de adquisición que podían provocar movimiento del paciente entre adquisición y adquisición, la limitada resolución espacial y la dificultad del postprocesado. A partir del año 2006, las nuevas generaciones de escáneres hacen posible la adquisición de estudios con energía dual a través de diversas técnicas. 2. Principios físicos de la energía dual El efecto fotoeléctrico y el efecto Compton son los principales modos en que los fotones de los rayos X interaccionan con la materia para los niveles energéticos usados en imagen diagnóstica. Para que el efecto Compton pueda ocurrir, se requiere que el fotón incidente tenga una energía muy superior a la de la energía de ligadura de los electrones de un átomo. Al chocar el fotón con el electrón (considerado libre y en reposo) se dispersa de su dirección original y transmite parte de su energía al electrón. El fotón dispersado tendrá una frecuencia menor a la original. Página 2 de 19

3 Fig. 1: Efecto fotoeléctrico Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid, SPAIN El efecto fotoeléctrico consiste en la liberación de un electrón de la capa K (la capa más interna del átomo) debido a un fotón incidente. Otro electrón de una capa adyacente rellena el hueco, y la energía se libera en forma de un fotoelectrón Para que el efecto fotoeléctrico ocurra la energía del fotón ha de ser superior al umbral energético de la capa K. Este umbral varía con cada sustancia, y depende del número atómico Z de las mismas. A mayor Z, mayor umbral de la capa K, puesto que la energía de atracción entre el núcleo y la capa K aumenta. La dependencia del efecto fotoeléctrico y la variabilidad de los umbrales de la capa K constituye la base de las técnicas de energía dual. Página 3 de 19

4 Fig. 2: Umbral de la capa K y número atómico de distintas sustancias fisiológicas y agentes de contraste Referencias: Coursey CA. Dual-energy multidetector CT: how does it work, what can it tell us, and when can we use it in abdominopelvic imaging? Radiographics 2010; 30: Los principales elementos que constituyen el cuerpo humano (hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno) tienen umbral de la capa K que oscila entre 0.01 y 0.53 kev, muy alejados de las energías utilizadas en TC (80KVp y 140KVp). Sin embargo, el calcio y sobre todo el yodo tienen umbrales de la capa K más próxima a estos valores. Al estar más cerca de 80KVp, el efecto fotoeléctrico se apreciará de mayor manera a 80KVp que a 140KVp. Es por ello que al estudiar el yodo y el calcio a 80KVp y a 140KVp obtenemos distintas atenuaciones, es decir, diferentes valores de Unidades Hounsfield (UH). Esta diferencia es mayor en el caso del yodo, puesto que al tener un umbral de la capa K más próximo a 80KVp que el del calcio, se ve más afectado por el efecto fotoeléctrico. Página 4 de 19

5 Fig. 3: Variación en la atenuación de yodo y calcio a 80kV y 140kV Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid, SPAIN Por tanto, la energía dual permite caracterizar, cuantificar o destacar distintos materiales estudiando su comportamiento a dos niveles de energía diferentes. Ejemplo Tenemos dos elementos: A, con umbral de la capa K de 90keV y B, con umbral de la capa K de 190keV. Página 5 de 19

6 Fig. 5: Atenuación de los elementos A y B en función del nivel energético Referencias: Coursery CA.Dual-energy multidetector CT: how does it work, what can it tell us, and when can we use it in abdominopelvic imaging? Radiographics 2010; 30: Y cuatro sustancias desconocidas: 1, 2, 3 y 4. Estudiando ambas sustancias a 100KVp y 200KVp obtenemos los siguientes resultados: Página 6 de 19

7 Fig. 4: Comportamiento de las sustancias 1, 2, 3 y 4 a 100kV y 200kV Referencias: Coursery CA.Dual-energy multidetector CT: how does it work, what can it tell us, and when can we use it in abdominopelvic imaging? Radiographics 2010; 30: La sustancia 1 no atenúa ni a 100KVp ni a 200KVp, por lo tanto no contendrá ni A ni B. La número 2 atenúa más a 200KVp que a 100KVp, por lo tanto contendrá principalmente B. La número 3 atenúa más a 100KVp que a 200KVp, por lo tanto contendrá principalmente A. La número 4 atenúa de manera similar a 100KVp y a 200KVp, por lo que contendrá una cantidad similar de A y B. 3. Requisitos de la adquisición con energía dual Existen tres requisitos para la adquisición de imagen espectral: A. Se necesitan fuentes de rayos X que proporcionen diferentes energías. Esto puede lograrse perfectamente utilizando dos fuentes de rayos X separadas emitiendo distintas energías. Pero esto también lo cumplen las fuentes únicas de rayos X, puesto que emplean un espectro policromático. El espectro de rayos X con ánodo de tungsteno está formado por una parte continua o Bremsstrahlung y picos discretos que coinciden con los niveles energéticos de los electrones en las capas del átomo de tungsteno. La siguiente figura muestra el espectro obtenido a 80 y 140KV. Página 7 de 19

8 Fig. 6: Espectro de rayos X a 80kV y 140kV Referencias: Johnson T. Dual Energy CT in Clinical Practice El área bajo la curva para igual corriente del tubo varía en un factor de 4-5. Por tanto, la salida de corriente del tubo tiene que ajustarse para obtener áreas similares en ambos espectros. Cuanto mayor sea el espectro energético, se verá más afectado por las líneas características del ánodo de tungsteno. Cuanto menor sea el espectro, estará formado mayoritariamente por Bremsstrahlung. En este caso, las energías medias son 53 y 71keV. Lo deseable es que exista la menor superposición posible entre espectros, por lo que deben usarse los potenciales más bajo y alto ofrecidos por el escáner. Un voltaje por debajo de 80kV no sería útil porque la mayor parte de la radiación sería absorbida por el cuerpo humano. Por encima de 140kV habría muy poco contraste de tejidos, además de que generalmente no está disponible. Página 8 de 19

9 B. El detector tiene que ser capaz de diferenciar la aportación de las distintas energías. Con los detectores actuales esto no es posible puesto que distinguen intensidades de los fotones incidentes pero no niveles de energía. Las soluciones disponibles actualmente son: Dos fuentes de rayos X independientes con sus correspondientes detectores separados Lectura de los datos en diferentes puntos temporales Detector de dos capas o sándwich con diferentes sensibilidades espectrales C. El material a estudiar debe tener una diferencia suficiente en las propiedades espectrales. Sólo los elementos con número atómico considerablemente diferente podrán distinguirse por sus propiedades espectrales. Esta diferencia puede caracterizarse por el índice de energía dual: Fig. 7: Índice de energía dual Referencias: Johnson T. Dual Energey in Clinical Practice 4. Métodos de adquisición de energía dual Cuatro son las opciones principales de la adquisición de energía dual: doble fuente, cambio rápido del voltaje, detector en capas y adquisición secuencial. A continuación se analizarán todas ellas. 4.1 Doble fuente Esta aproximación consiste en emplear dos fuentes de rayos X que trabajan a diferente voltaje con sus dos detectores correspondientes. Además se puede emplear un filtro sobre la fuente de alto voltaje para endurecer el espectro de alta energía, consiguiendo una mejor separación espectral y reduciendo dosis simultáneamente. La ventaja principal de este método es que la corriente en cada tubo puede establecerse independientemente para obtener una cantidad similar de quanta de ambos tubos. Página 9 de 19

10 Una desventaja de este método es que supone un esfuerzo en hardware importante, encareciendo el modelo. Además, por cuestión de espacio físico dentro del gantry, el segundo detector no puede ser tan amplio como el primero, viéndose el field of view de la energía dual restringido. Fig. 8: Solución de adquisición de energía dual con doble fuente Referencias: Johnson T. Dual Energy in Clinical Practice 4.2 Cambio rápido de voltaje Página 10 de 19

11 En este modelo el voltaje del tubo sigue una curva pulsada, y los datos de proyección se recogen dos veces para cada proyección, una a alto y otra a bajo voltaje. Las principales limitaciones de esta alternativa son el tiempo de adquisición (la rotación se reduce a menos de la mitad para poder recoger datos de ambos voltajes). Además el voltaje y la corriente no siguen un pulso perfecto, resultando esto en diferencias con respecto a los espectros nominales. De igual forma, la adaptación de la corriente también tiene limitaciones, por lo que la señal a bajo voltaje suele ser bastante inferior a la de alto voltaje. Fig. 9: Solución de adquisición de energía dual con cambio rápido de voltaje Referencias: Johnson T. Dual Energy CT in Clinical Practice 4.3 Detector en capas Para esta solución se utiliza un detector con dos capas con sensibilidad máxima para distintas energías de fotón. La sensibilidad la determina el material de centelleo, ZnSe o CsI en la capa superior y Gd2O2S en la inferior. Como ventaja, se necesita sólo un tubo. Desventajas de este modelo son el esfuerzo en hardware de los detectores y la eficiencia en baja dosis. Página 11 de 19

12 Fig. 10: Solución de adquisición de energía dual con detector de dos capas Referencias: Johnson T. Dual Energy CT in Clinical Practice 4.4 Adquisición secuencial La última opción consiste en realizar dos adquisiciones consecutivas, cada una a un voltaje diferente. La principal desventaja de esta aproximación radica en la diferencia temporal entre ambas adquisiciones, lo cual implica cambios en el medio de contraste y movimiento respiratorio y cardiaco del paciente. Página 12 de 19

13 5. Aplicaciones clínicas de la energía dual Existen muchas aplicaciones de la energía dual, puesto que permite diferenciar y caracterizar materiales que presenten distinto comportamiento espectral. En la siguiente figura se incluyen algunas de las más destacadas. Fig. 11: Aplicaciones de la energía dual Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid, SPAIN 5.1 Cabeza y cuello La principal aplicación de esta área es la angiografía directa. Gracias al diferente comportamiento espectral del calcio y del yodo, ambos materiales pueden ser diferenciados, sustrayendo el calcio de la imagen resultante. Diferentes estudios confirman que esta técnica funciona mejor que los métodos basados en eliminación de hueso por densidades. Aún así persisten los artefactos debidos a implantes dentales o al blooming característico de las placas de calcio de alta densidad. Otra aplicación de la energía dual para cabeza y cuello es la diferenciación entre medio de contraste y hemorragia. En el caso de no haber realizado un estudio sin contraste previo a la angiografía, se puede obtener un 'sin contraste virtual' a este fin. Página 13 de 19

14 Fig. 12: Angiografía cerebral directa Referencias: Tórax La evaluación de la perfusión pulmonar es una de las principales aplicaciones de la energía dual en tórax. Sin embargo no se trata de un estudio dinámico, sino que la adquisición es estática con un retardo determinado tras la llegada del medio de contraste, mostrando como resultado el mapa de distribución de yodo. Además se añade la posibilidad de mostrar en diferente color los vasos que contienen menos yodo que otros. Página 14 de 19

15 Fig. 13: Perfusión pulmonar Referencias: Además de la perfusión, a través de la energía dual se puede evaluar la ventilación pulmonar, que requiere la utilización de xenón como material de contraste. En el caso de nódulos pulmonares puede ayudar a distinguir mejor entre calcificaciones y captación de yodo. Otra de las aplicaciones más prometedoras del campo de la energía dual es la perfusión de miocardio, si bien todavía se está comenzando a investigar esta técnica y correlacionarla con el SPECT. Como ventaja de la perfusión de miocardio por TC se puede destacar la obtención en el mismo estudio del mapa de perfusión miocárdica y la angiografía de coronarias. 5.3 Abdomen Página 15 de 19

16 La energía dual tiene un amplio campo de utilización en abdomen. Una de las aplicaciones más empleadas es la obtención de un estudio sin contraste virtual a partir de una adquisición con contraste yodado, con el consecuente ahorro en dosis para el paciente. Fig. 14: Sin contraste virtual junto con mapa de yodo Referencias: Otra aplicación importante en abdomen es la diferenciación de cálculos renales de calcio y ácido úrico, debido al diferente comportamiento espectral que tienen ambos materiales. Página 16 de 19

17 Fig. 15: Diferenciación entre calcio (azul) y ácido úrico (rojo) en el caso de cálculo renal Referencias: Vascular y extremidades También en vascular tiene una función importante la energía dual, ayudando a distinguir entre placa y contraste yodado. Si bien todavía está en investigación, la energía dual podría llegar a mejorar la diferenciación de los componentes de la placa de ateroma. Página 17 de 19

18 Fig. 16: Diferenciación entre yodo (azul) y calcio (rojo) para estudios vasculares Referencias: Otras dos aplicaciones importantes para extremidades son la evaluación de la gota, permitiendo distinguir los depósitos de ácido úrico, y la reducción del artefacto metálico aprovechando la diferencia de endurecimiento de haz que se produce a ambos voltajes. Conclusiones Página 18 de 19

19 La energía dual TC es un nueva técnica de adquisición que emerge rapidamente abriendo la posibilidad de obtener información funcional a través de una técnica que hasta ahora se limitaba a la información anatómica. La implementación desde el punto de vista del hardware resulta compleja, y se han desarrollado diversas soluciones, cada una con una serie de ventajas e inconvenientes que será necesario analizar con el paso del tiempo y el asentamiento de la técnica. La comprensión de los fundamentos físicos sobre los cuales se sustenta la energía dual resulta esencial para evaluar adecuadamente los resultados de estos estudios. Se abre con esta nueva técnica un gran campo de aplicaciones clínicas que han de ser investigadas en mayor profundidad para que finalmente puedan trasladarse a la práctica clínica diaria. Página 19 de 19

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