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.