Introducción
La Medicina Nuclear es una
especialidad médica que utiliza radiotrazadores (radiofármacos) para evaluar
las funciones corporales y para diagnosticar y tratar enfermedades. Cámaras
especialmente diseñadas permiten rastrear la ruta de estos radiotrazadores. La
Tomografía por Emisión de Positrones (TEP) son una las modalidades más comunes
en medicina nuclear.
Física
Nuclear
En la actualidad se denomina exploración con radioisótopos a
la obtención de imágenes mediante la detección de la radiación emitida por
fármacos marcados con emisores radioactivos desde el interior del paciente. El
tradicional CT de rayos X y la imagen por resonancia magnética o MRI, aunque
basados en principios y desarrollos de Física Nuclear, no entran en la
categoría de Imagen Nuclear. La Imagen Nuclear es un excelente medio
diagnóstico porque, a diferencia de otras modalidades de Imagen Médica como el
CT de rayos X y la resonancia magnética, revela no sólo la anatomía de un
órgano o parte del cuerpo, sino también la función de dicho órgano. Esta
información funcional permite diagnosticar algunas enfermedades y varias
condiciones médicas mucho antes que otras modalidades de imagen, ya que se puede
apreciar el trastorno (cáncer, tejido infartado, mal funcionamiento cerebral)
antes de que haya dado lugar a alteraciones de la estructura (tumor,
cicatrices). Se suele explicar la diferencia entre imagen funcional e imagen
estructural con el siguiente ejemplo: la imagen estructural (MRI o CT) confirma
que tienes cerebro pero con la imagen funcional (PET o SPECT) sabemos si lo
estás usando o no.
En Imagen Nuclear, dado que se introduce material radiactivo
en el paciente, la cantidad de radiación que se puede usar para obtener la
imagen está limitada a valores tales que la exposición total y dosis absorbida
por el paciente durante el procedimiento sea aproximadamente comparable a la
que recibiría durante un CT. Si cada elemento de imagen (píxel) de un CT es el
resultado de cientos de millones de fotones de rayos X, en el caso de la imagen
nuclear es el resultado de cien o menos fotones. Por tal motivo, el rango
dinámico, la relación señal-ruido y la calidad de la imagen es, en general,
peor que en la Imagen Médica convencional.
Existen dos modalidades principales
para la obtención de imagen en Medicina Nuclear. La primera, la que utiliza
isótopos emisores de rayos γ (gamma) que se detectan por medio de una cámara
exterior al paciente. En su versión proyectiva (obtención de imágenes en dos
dimensiones al igual que las radiografías convencionales,) hablamos de
escintigrafía. En su versión tomográfica hablamos de SPECT (Single Photon
Emission Computer-aided Tomography o Tomografía Computerizada de Fotón). Estas
técnicas requieren un equipo relativamente sencillo y los isótopos más
utilizados (99mTc) se pueden obtener con facilidad por medio de un generador de
radioisótopos. La energía de los rayos γ involucrados no es muy distinta de la
de los rayos X y por tanto los equipos para obtener imágenes a estas energías
no son muy diferentes de los habituales escáneres de rayos X. Por todo ello, el
SPECT ha sido de las técnicas de Imagen Nuclear más extendidas y conocidas.
La otra modalidad principal de Imagen Nuclear es la
Tomografía por Emisión de Positrones o PET. La característica diferencial del
PET es que utiliza radioisótopos emisores ß+ que precisan de un ciclotrón para
ser generados. El desarrollo en las tecnologías de aceleradores, con la
aparición de los ciclotrones para producción de radioisótopos acoplados a
módulos de síntesis de fármacos conformando radiofarmacias llave en mano, está
permitiendo la popularización de esta técnica.
Radiotrazadores
Los radiotrazadores están formados por moléculas portadoras
unidas fuertemente a un átomo radiactivo. Estas moléculas portadoras varían
dependiendo del propósito del escaneo. Algunos trazadores emplean moléculas que
interactúan con una proteína específica o azúcar en el cuerpo y además pueden
emplear las propias células del paciente. Por ejemplo, en los casos donde se necesitan
saber la fuente exacta del sangrado intestinal, ellos pueden radiomarcar
(añadir átomos radioactivos) a una muestra de glóbulos rojos tomada del
paciente. Luego reinyectan la sangre y utilizan una PET para seguir la ruta de
la sangre en el paciente. Cualquier acumulación de radioactividad en los
intestinos informa a los doctores dónde yace el problema.
Para la mayoría de los estudios de diagnóstico en medicina
nuclear, el radiotrazador es administrado a un paciente por vía intravenosa.
Sin embargo, un radiotrazador también puede ser administrado por inhalación,
por ingestión oral o por inyección directa en un órgano. La manera de
administrar el trazador dependerá del proceso de la enfermedad bajo estudio.
Los trazadores aprobados se denominan radiofármacos ya que
deben cumplir con las normas estrictas, de seguridad y desempeño apropiado, de
la FDA para el uso clínico aprobado. El especialista de medicina nuclear
seleccionará el trazador que suministrará la información más específica y
confiable para el problema específico de un paciente.
Algunos radioisótopos utilizados en PET y SPECT.
En el caso de los fármacos de SPECT, se indica la energía
del fotón y en el de PET la energía promedio del electrón emitido. A mayor
energía del electrón, mayor es el rango medio del positrón antes de
desintegrarse y mayor también el emborronamiento intrínseco de la imagen PET.
Además, en el caso de PET, los fotones de aniquilación poseen 511 keV de
energía, bastante mayor a las energías de los fotones de SPECT, lo que requiere
de mayor espesor de material en el detector. Esto también introduce
emborronamiento de la imagen debido al rango del fotón en el detector.
Los radioisótopos emisores ß+ empleado en PET se desintegran
con la emisión de un positrón, la antipartícula del electrón. Los positrones,
tras frenarse al atravesar el tejido biológico, se aniquilan junto con alguno
de los electrones que forman parte del material en exploración. En dicha desintegración
se emiten simultáneamente dos fotones de 511 keV que, por conservación del momento,
salen en direcciones opuestas casi colineales. La detección simultánea de dos
fotones en los detectores que rodean al paciente indica que se ha producido una
desintegración del radioisótopo situado en la línea que une ambos detectores.
Por lo tanto, la sensibilidad de los detectores PET es superior a la de los detectores
SPECT.
Los equipos son mucho más complicados, por sus detectores
agrupados en parejas o anillos y la electrónica de coincidencia necesaria.
Debido a que el positrón no se aniquila en el mismo punto en dónde se produce
la desintegración del radionúclido sino a una cierta distancia la imagen PET
presenta un emborronamiento intrínseco y podemos reconstruir la posición dónde
se ha producido el par de fotones γ, que no necesariamente coincide con la
posición en donde se ha producido la desintegración del radionúclido.
Una ventaja de la técnica PET es que los isótopos que se
pueden utilizar tienen gran interés biológico. En la actualidad casi cualquier
molécula orgánica puede ser sintetizada con carbono, oxígeno o nitrógeno
radiactivos. Sin embargo, el radionúclido más utilizado en PET es el 18F, dada
su mayor vida media que facilita la síntesis de fármacos complejos y su
transporte y distribución en un radio de varios cientos de kilómetros. El flúor
puede sustituir al hidrógeno en muchas moléculas orgánicas. La [18F]-flúor-desoxiglucosa
o FDG, con una funcionalidad biológica similar a la de la glucosa convencional,
alimento de las células. Una vez en el interior de las células, el 18F se
acumula en ellas. Las células con metabolismo acelerado, por ejemplo células cancerosas
en división descontrolada, músculo cardíaco en continua contracción y regiones
más activas del cerebro (principal órgano consumidor de glucosa) acumulan más
18F que su entorno y dan una señal positiva en la imagen PET. Como en la imagen
PET se pueden apreciar unos pocos picomoles de trazador y dada la elevada
especificidad de los radiofármacos en su fijación a nivel molecular y celular,
esta técnica posibilita el diagnóstico y detección precoz de lesiones
cancerosas, mucho antes de que se aprecien cambios en la estructura de los
órganos involucrados.
Una aplicación de PET que recibe atención creciente es la
determinación de la efectividad de los tratamientos por radioterapia o
quimioterapia en tumores. Las células destruidas por el tratamiento dejan de
fijar FDG, y por tanto aparecen como no activas en la imagen PET, apenas días
(u horas) después de la aplicación del tratamiento y mucho antes de que se
puedan apreciar cambios en la estructura y tamaño del tumor.
La Imagen Nuclear mediante PET requiere de la fabricación de
radioisótopos artificiales, de corta vida media efectiva dentro del cuerpo
(algunas horas como máximo), con el fin de poder tomar la imagen en un
intervalo corto de tiempo y minimizar la dosis recibida por el paciente. Por su
corta vida media, la utilización de 11C, 13N y 15O precisa de un ciclotrón en
la propia unidad de Imagen Nuclear.
Equipo
detector
En Imagen Nuclear, para la detección de radiación γ se
utilizan habitualmente fotomultiplicadores combinados con cristales centelladores.
En el centellador, los rayos γ depositan su energía hasta ser absorbidos por
completo en el cristal o bien hasta que lo atraviesan y abandonan cediendo sólo
parte de su energía al cristal. La energía cedida por los fotones de la
radiación γ al cristal se transforma en luz visible en cantidad aproximadamente
proporcional a dicha energía cedida. La radiación visible generada es detectada
por medio de un fotomultiplicador que transforma los pulsos de luz en una señal
eléctrica de amplitud suficiente para ser procesada. Los materiales centelladores
utilizados en Imagen Nuclear suelen ser cristales inorgánicos. La necesidad de
avanzar en el estado del arte de los experimentos de Física Nuclear ha hecho
evolucionar continuamente la tecnología de centelladores y fotomultiplicadores.
Los avances en los dispositivos experimentales requeridos e
impulsados por las colaboraciones de Física Nuclear Experimental tienen
aplicación frecuente y casi inmediata en Imagen Nuclear. Cabe mencionar en este
sentido los nuevos materiales centelladores que sustituyen con ventaja a los
tradicionales. Por ejemplo, los cristales de yoduro de sodio o cesio dopados
con talio (NaI (Tl) o CsI (Tl)) utilizados en SPECT están ahora siendo
sustituidos ventajosamente por bromuro de lantano dopado con cerio (BrLa (Ce)),
que presenta ventajas de resolución en energía. Y el bismutogermanato (BGO) más
comúnmente empleado en PET es ahora sustituido por ortosilicatos de lantano
(LSO) que presenta un mayor rendimiento en la conversión de energía γ en
radiación visible. También se ha probado el uso de fotodiodos de avalancha
(APD), fotodiodos PIN o detectores multipixelados de silicio en sustitución del
fotomultiplicador, si bien estas tecnologías alternativas casi sólo se emplean
de momento en imagen experimental.
Se da la circunstancia de que, si bien durante mucho tiempo
eran los experimentos en Física Nuclear los que iban por delante en cuanto a
prueba y desarrollo de nuevos avances en detección de rayos γ, la utilización
creciente de la Imagen Nuclear y su mayor peso económico hace que cada vez más
la tendencia se invierta y muchos desarrollos se realizan primero para Imagen
Nuclear y más tarde encuentran su aplicación también en experimentos de Física
Nuclear.
En los últimos años la búsqueda de centelladores ultrarrápidos
con el fin de obtener la información de tiempo de vuelo (TOF) de los dos
fotones en los escáneres PET ha impulsado el desarrollo de los centelladores de
bromuro de lantano extradopados en cerio, que pueden convertirse en los centelladores
más rápidos disponibles.
Otro punto en común entre Física Nuclear e Imagen Nuclear
son las herramientas de simulación de la interacción entre los fotones γ y la
materia, desarrolladas para optimizar el diseño de detectores y que pueden
aprovecharse tanto para los experimentos de Física Nuclear Experimental como
para Imagen Nuclear y para el cálculo y, como veremos en las siguientes
secciones, planificación de tratamientos de radioterapia, lo cual es una
motivación adicional muy importante tanto para los desarrolladores de estas
herramientas como para los usuarios que las ponen a prueba.
Fotografía de un fotomultiplicador planar sensible a la
posición, utilizado en PET y en gamma-cámaras (izquierda). A la derecha,
cristales de LSO cortados antes de ensamblarlos en una matriz para formar una
cabeza de un detector para PET.
Calibradores
de actividad o activímetros
Su uso está destinado a la medición exacta y precisa de la
actividad que se administrará al paciente para la realización del estudio o del
tratamiento. Se trata de una cámara de ionización gaseosa tipo pozo dentro de
la cual se introduce el material radiactivo para su medición. La actividad del
material radiactivo se mide en función de la corriente de ionización producida
por las radiaciones emitidas por el radioisótopo que interactúa con el gas. La
cámara se sella, usualmente bajo presión, y tiene dos electrodos cilíndricos
coaxiales que se mantienen a una diferencia de potencial; el espacio axial
constituye el pozo. En el electrómetro asociado la diferencia de potencial se
convierte en una señal de voltaje que se amplifica, se procesa y finalmente se
presenta, generalmente en forma digital, en forma de unidades de actividad (Bq
o Ci). Esto es posible dado que para un determinado radionúclido, suponiendo
una geometría fija y una respuesta lineal, la corriente de ionización es
directamente proporcional a la actividad. Sin embargo, la respuesta de una
cámara de ionización a diferentes radionúclidos varía de acuerdo a sus
energías. Por lo tanto, se necesita ajustar apropiadamente la señal para el
tipo de radioisótopos que se mide; esto se logra colocando en el activímetro
selectores de isótopos.
Sistemas
de detección para mediciones
En general todos los sistemas para mediciones de radiación,
se basan en detectores de centelleo con un cristal de ioduro de sodio activado
con talio.
El vial con la muestra se introduce en un pozo axial o
transversal. Las radiaciones absorbidas por el cristal generan luz, que da
lugar a pulsos eléctricos en el fotocátodo de un tubo fotomultiplicador al cual
el cristal está ópticamente acoplado. Estos pulsos por medio de la electrónica
asociada permiten el análisis de la altura del pulso y su medición. La
sensibilidad del equipo depende de las dimensiones del cristal utilizado. La
mayoría de los equipos para mediciones de radiación tienen selectores por medio
de los cuales se obtienen las condiciones de operación adecuadas para las
mediciones rutinarias.
Los sistemas automáticos de medición pueden aceptar varios
cientos de muestras que se miden en forma secuencial. Tales sistemas pueden
incorporar dos o más canales electrónicos independientes permitiendo las
mediciones simultáneas de más de un radionúclido.
Los sistemas de detección, se basan en detectores de
centelleo con cristales de ioduro de sodio activado con talio. Se utilizan
cristales cilíndricos y la electrónica asociada permite la necesaria
amplificación, análisis de la altura de pulso y su medición.
La sensibilidad del detector depende de las dimensiones del
cristal en relación a las energías de las radiaciones involucradas. Para energías
medias, un cristal de 50mm de diámetro y 25mm de espesor es satisfactorio. Los
cristales mayores mejoran la sensibilidad especialmente para mayores energías.
Se debe rodear el detector con un blindaje de plomo para reducir su respuesta a
la radiación ambiental y se debe contar con un blindaje plomado que actuará
como colimador para lograr las necesarias características direccionales. El detector
blindado y colimado se monta en un soporte ajustable permitiendo que sea
adecuadamente posicionado en relación con el paciente. Usualmente están
provistos de colimadores intercambiables de modo que las características del
detector se puedan adecuar a la situación clínica particular.
Sistema
de Centelleo
Este instrumento ha sido diseñado para producir una imagen
en dos dimensiones de la distribución de actividad por barrido de la región de
interés en sucesivos pasos rectilíneos. Estos equipos permiten obtener la
imagen del barrido como una distribución de marcas coloreadas o monocromas
producidas por un marcador en un papel o impresionando una película
fotográfica.
El detector del equipo usualmente posee un cristal de ioduro
de sodio activado con talio de 75 mm o 125 mm de diámetro y 50 mm de espesor.
Generalmente están provistos de colimadores de plomo intercambiables para
distintas situaciones clínicas. Estos colimadores poseen agujeros múltiples
cuyos ejes definen un punto focal. En la región del punto focal, los campos de
visión de todos los agujeros coinciden, de modo que la sensibilidad del
detector colimado es mucho mayor que en cualquier otro punto. El plano
perpendicular al eje del colimador a través del punto focal es el plano focal y
la distancia desde la cara expuesta del colimador al punto focal es la
distancia focal.
Otros parámetros importantes son la resolución espacial, que
expresa la capacidad para percibir detalles en la distribución de actividad en
el plano focal, y la profundidad del foco, que expresa el modo en el cual esta
capacidad disminuye a lo largo del eje en cualquier lugar fuera del plano
focal. La distancia focal óptima para este tipo de equipos es aproximadamente
de 7cm, siendo, por lo tanto, especialmente adecuado para el diagnóstico de la
glándula tiroides.
Esquema de un centelleo
Colimadores
de un centelleo
Conclusiones
La Física Nuclear ha sido protagonista de muchos de los
avances del siglo XX en Medicina, por un lado en Imagen Médica con la MRI, el
diagnóstico por rayos X y la Imagen Nuclear (PET y SPECT) y en el tratamiento
de lesiones oncológicas por Radioterapia externa con fotones y electrones y
Radioterapia externa o Braquiterapia.
El desarrollo de la instrumentación nuclear (detectores,
técnicas de aceleración de partículas y electrónica asociada) ha sido clave en
el progreso del diagnóstico por imagen y de los tratamientos por Radioterapia.
Esta “simbiosis” entre Física Nuclear y Medicina continúa siendo fructífera y
muchos centros de Física Nuclear desarrollan proyectos cada vez más
directamente orientados a las aplicaciones en Medicina.
