miniaturadeimagen|Imagen capturada en una PET cerebral típica. miniaturadeimagen|Esquema del proceso de captura de la PET. miniaturadeimagen|Vista esquemática de un tomógrafo PET (aquí: Siemens ECAT Exact HR+).
La tomografía por emisión de positrones (TEP o PET, por las siglas en inglés de positron emission tomography) es una tecnología sanitaria propia de una especialidad médica llamada medicina nuclear.
Se trata de una técnica similar a la tomografía computarizada (TC) en la cual el escáner detecta la radiación usando un anillo detector. Sin embargo, se diferencian en que la primera técnica usa una radiación emitida desde dentro del cuerpo, mientras que la segunda la radiación se transmite a través del cuerpo.
Otra diferencia fundamental con la TC es que la PET se trata de una técnica de imagen funcional. Esto significa que permite obtener información sobre dónde y cómo está teniendo lugar un determinado proceso metabólico dentro del organismo. Esto es significativamente diferente a la finalidad de la TC, que se trata de una técnica de imagen estructural, es decir, que obtiene información sobre la estructura de los tejidos, no de su función.
La tomografía por emisión de positrones es una técnica invasiva —el radiofármaco se inyecta por vía intravenosa— de diagnóstico e investigación in vivo por imagen capaz de medir la actividad metabólica del cuerpo humano. Al igual que el resto de técnicas diagnósticas en medicina nuclear como la Tomografía computarizada de emisión monofotónica (SPECT), la PET se basa en detectar y analizar la distribución tridimensional que adopta en el interior del cuerpo un radiofármaco de vida media ultracorta administrado a través de una inyección intravenosa. Según qué se desee estudiar, se usan diferentes radiofármacos.
Existen varios radiofármacos emisores de positrones de utilidad médica. El más importante de ellos es el flúor-18, que es capaz de unirse a la 2-desoxi-D-glucosa para obtener el trazador fluorodesoxiglucosa (18FDG). Gracias a lo cual, tendremos la posibilidad de poder identificar, localizar y cuantificar, a través del SUV (Standardized Uptake Value), el consumo de glucosa. Esto resulta un arma de capital importancia al diagnóstico médico, puesto que muestra qué áreas del cuerpo tienen un metabolismo glucídico elevado, que es una característica primordial de los tejidos neoplásicos.
Además de la oncología, donde la PET se ha implantado con mucha fuerza como técnica diagnóstica, desplazando al TAC como primera opción diagnóstica en algunas indicaciones, otras áreas que se benefician de este tipo de exploraciones son la neurología y la cardiología. También tiene un gran papel en estudios de experimentación clínica.
Historia A finales de la década de 1950, David E. Kuhl, Luke Chapman y Roy Edwards fueron los primeros de introducir el concepto de tomografía de emisión y transmisión. Su trabajo llevó al diseño y construcción de varios instrumentos tomográficos en la Universidad de Pensilvania. En 1975, las técnicas de imagen tomográfica fueron desarrolladas por Michel Ter-Pogossian, Michael E. Phelps, Edward J. Hoffman y otros en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington. El trabajo de Gordon Brownell, Charles Burnham y sus asociados en el Hospital General de Massachusetts contribuyó significativamente al desarrollo de la tecnología PET además se desarrolló la primera demostración de radiación de aniquilación para imágenes médicas.
En 1961, James Robertson y sus asociados en el Laboratorio Nacional Brookhaven construyeron el primer escáner PET de un solo plano, apodado el "reductor de cabeza". [] Uno de los factores más importantes para la obtención de imágenes fue el desarrollo de radiofármacos. En particular, el desarrollo de 2-fluorodeoxi-D-glucosa (2FDG) marcado por el grupo Brookhaven bajo la dirección de Al Wolf y Joanna Fowler fue un factor importante en la expansión del alcance de las imágenes PET. El compuesto fue administrado por primera vez a dos voluntarios humanos normales por Abass Alavi en agosto de 1976 en la Universidad de Pensilvania. Las imágenes del cerebro obtenidas con un escáner nuclear ordinario (sin PET) demostraron la concentración de FDG en ese órgano. Más tarde, la sustancia se usó en escáneres tomográficos de positrones dedicados, para obtener el procedimiento moderno. La extensión lógica de la instrumentación de positrones fue un diseño que utiliza dos matrices bidimensionales. PC-I fue el primer instrumento que utilizó este concepto y fue diseñado en 1968, completado en 1969 e informado en 1972. Las primeras aplicaciones de PC-I en modo tomográfico, a diferencia del modo tomográfico computado, se informaron en 1970.
A principios del , la PET es una herramienta esencial para el ámbito del diagnóstico por imágenes, con múltiples aplicaciones clínicas. Su utilización es muy frecuente tanto en Europa como en Estados Unidos, extendiéndose por el resto de continentes. El único límite es el precio de los estudios.
Hoy en día, modernos equipos de Tomografía de Emisión de Positrones, realizan estudios de cuerpo entero en menos de 20 minutos. Además se ha llegado a lograr una resolución teórica menor de 0,5 cm. Estos equipos están constituidos por múltiples anillos de detectores. A algunos de los equipos de PET se les añade un escáner, y se convierten en equipos híbridos de PET-CT. De esta forma se mejora la técnica de obtención de imágenes. Estos equipos híbridos además muestran una gran ventaja sobre los equipos únicamente PET, ya que permiten que se indique la posición anatómica exacta del foco de elevada actividad metábolitica, además se disminuye la tasa de falsos negativos o positivos. Se pueden identificar dirigidamente pequeñas lesiones.
Fundamentos físicos La obtención de imágenes de PET se basa en la detección de radiación emitida por un Radioisótopo inyectado en el paciente. Estos radioisótopos son isótopos de un elemento químico con una configuración nuclear inestable que emite radiación al decaer a una forma estable en un proceso que se conoce como decaimiento radioactivo.
La radioactividad del isótopo depende de la estabilidad del núcleo con base en la relación existente entre su número atómico y su masa. En general, para elementos con un número atómico inferior a 20 es necesaria una relación 1:1 para que la configuración sea estable.
Decaimiento radioactivo Una desintegración radiactiva es la emisión de partículas a partir de un núcleo inestable, el cual pierde energía. El objetivo último de la desintegración obedece a tratar de encontrar una forma más estable, a base de modificar la relación de protones y neutrones en el núcleo atómico. Para lograr este objetivo, se emitirá radiación.
El decaimiento es un proceso que caracteriza de forma única a cada radioisótopo. En el caso de PET se buscan radiofármacos cuya vida media efectiva sea corta ya que al emitir radiación ionizante (alta energía) es necesario buscar el menor impacto en el cuerpo del paciente.
La emisión de radiación puede ser principalmente de tres tipos: emisión de partículas α, emisión de partículas β o radiación γ.
Emisión de partículas α Una partícula α es un núcleo de 4He, esto es dos protones y dos neutrones. La emisión de una partícula α, sigue la reacción:
^{A}_{Z}X-> ^{A-4}_{Z-2}Y + ^{4}_{2}He^2+
Esta radiación no es interesante de cara a la técnica PET
Emisión de partículas β Una partícula β es un electrón o un positrón, dando lugar a dos tipos de radiación, β- y β+ respectivamente. Las reacciones correspondientes a las radiaciones β- y β+ son, respectivamente:
n-> p^+{}+ e^-{} + \bar{\nu_e}
Un núcleo atómico inestable con un exceso de neutrones puede experimentar una desintegración β- donde un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un electrón antineutrino (la antipartícula del neutrino).
p^+ -> n{} + e^+{} + {\nu_e}
los núcleos atómicos inestables con un exceso de protones pueden experimentar una desintegración β+, también llamada decaimiento de positrones, donde un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino de electrones.
Una partícula β es equivalente a efectos prácticos a un electrón o un positrón, la diferencia entre estas partículas es el origen nuclear de las partículas β.
En el caso de PET interesa inyectar en el paciente radionucleidos emisores de radiación β+
Emisión de radiación γ Se corresponde con radiación electromagnética (fotones) de energías del orden de los MeV o frecuencias superiores a 1019Hz. No es una desintegración en sí, es más bien un decaimiento a niveles energéticos menores. La configuración nuclear se mantiene, hay una reducción energética únicamente.
No existe un radioisótopo que decaiga directamente mediante la emisión de radiación gamma. Esta radiación está asociada a la emisión de fotones muy energéticos de especies intermedias metaestables, no del radioisótopo directamente. Es una radiación asociada a una radiación de tipo beta que se ha producido previamente.
^{A}_{Z}X^{m} -> ^{A}_{Z}X + \gamma
Captura de electrones Proceso alternativo a la desintegración beta positiva para bajas energías de emisión. Un electrón interno es capturado por el núcleo. Un protón del núcleo se une a este electrón formándose un neutrón. Debido al hueco que ha dejado, electrones más exteriores “caen” en cascada emitiéndose radiación característica.
Realmente este fenómeno de emisión de radiación no es interesante para la técnica PET sino para Rayos X
Formación de la imagen A medida que el radioisótopo emisor de radiación β+ inyectado en el paciente se desintegra, emite positrones. Cada uno de estos puede colisionar con un electrón cortical del tejido en el que está presente el radiofármaco. Esta aniquilación da lugar fundamentalmente a la emisión de dos rayos gamma de 511keV en la misma dirección y sentidos opuestos:
e^+ + e^- -> \gamma + \gamma
La imagen se obtiene gracias a que los tomógrafos son capaces de detectar estos fotones gamma emitidos por el paciente. Para que estos fotones acaben por conformar la imagen deben detectarse ¨en coincidencia¨, es decir, al mismo tiempo; en una ventana de tiempo adecuada (nanosegundos), y además deben provenir de la misma dirección y sentidos opuestos. Además su energía debe superar un umbral mínimo que certifique que no ha sufrido dispersiones energéticas de importancia en su trayecto (fenómeno de scatter) hasta los detectores. Esta captación permite deducir que el radioisótopo se encuentra en la línea que une los detectores diametralmente opuestos. Esta línea que une ambos detectores recibe el nombre de línea de respuesta (LOR). La ventana de coincidencia depende directamente de la capacidad del cristal detector para producir luz. Gracias a la simetría axial de los detectores, el almacenamiento de los datos en el equipo PET se simplifica. Cada adquisición se registra sobre la base de sus coordenadas polares (r, θ) y a esta representación se le denomina sinograma. Además, al finalizar la adquisición han quedado registradas el número de aniquilaciones en cada dirección, lo que permite asignar a la imagen final distintas intensidades en función de la concentración del radiofármaco. Estos sinogramas son similares a las proyecciones capturadas por un tomógrafo de CT. Sin embargo, el número de eventos registrados durante la adquisición es mucho menor en el caso de PET por lo que las imágenes aparecen más ruidosas.
En la práctica, hay que realizar un pre-procesamiento de los datos para intentar reducir o corregir las coincidencias aleatorias, los fotones que han sufrido scatter y otros factores que introduzcan ruido. Por otro lado para la reconstrucción de la imagen en sí, es común el uso de Filtered Back Projection (FBP) por su reducido coste computacional. Es posible utilizar otros algoritmos para la reconstrucción que tengan en cuenta las estadísticas de los datos recogidos, por ejemplo, el algoritmo de Shepp-Vardi.
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