Computed tomography (CT)

La tomografía computarizada (TC) por rayos X permite obtener imágenes tridimensionales de la estructura interna de objetos opacos sin necesidad de abrirlos. Para ello, el objeto se radiografía desde distintas direcciones con el fin de obtener más información sobre la distribución espacial del contraste de absorción de rayos X dentro de la muestra que con la radiografía normal. Para ello, o bien la muestra gira entre la fuente de rayos X y el detector o (en la mayoría de las aplicaciones médicas) la unidad de fuente de rayos X y detector gira alrededor de la muestra. La proyección de rayos X a lo largo de una dirección se denomina transformada de Radon de la muestra. A partir de todas estas proyecciones juntas, se puede calcular la imagen de contraste de absorción de rayos X para una sección a través de la muestra utilizando una transformada de Fourier. Una imagen tridimensional de la muestra puede calcularse a partir de muchas de estas imágenes seccionales.

La tomografía computarizada fue desarrollada a partir de 1957 por los grupos de Allen M. Cormack y Godfrey Hounsfield y sigue estando sujeta a un desarrollo ulterior constante. A continuación se ilustran algunos de los avances técnicos de la TC.

Escáner de traslación/rotación de TC En los sistemas de primera generación, la unidad formada por la fuente de rayos X y un único detector se desplaza perpendicularmente al eje de rotación para registrar los datos de una dirección de proyección. A continuación, la fuente y el detector se giran un pequeño ángulo antes de volver a desplazarlos para registrar los datos de la siguiente dirección de proyección. El paciente es trasladado a lo largo del eje de rotación antes de que se adquiera la siguiente imagen seccional. En los sistemas de segunda generación se ha aumentado la velocidad de adquisición con hasta diez fuentes y detectores. Fig. 1: Sistema TC de primera generación
Rotación / rotación escáner TC En los sistemas de tercera generación, la unidad formada por una fuente de rayos X y una línea de detectores en forma de anillo gira alrededor del paciente para registrar los datos de la imagen. En los sistemas más recientes, el detector es un detector de área con hasta varios cientos de líneas contiguas, que registran cientos de imágenes por rotación (Fig. 2). El paciente es desplazado a lo largo del eje de rotación para captar toda la zona examinada. Una variante moderna es la TC helicoidal, en la que el paciente se desplaza a una velocidad constante. En 2007, estos sistemas eran capaces de captar hasta 320 imágenes transversales por segundo o incluso un corazón humano completo a 12 imágenes por segundo. Desde 2005 se dispone de sistemas con dos unidades de fuente-detector con diferentes energías de fotones. Estos sistemas son más capaces de diferenciar entre distintos tipos de tejido. Fig. 2: Sistema de TC de tercera generación con dos fuentes y dos conjuntos de detectores
Rotación / escáner estacionario TC En los sistemas de cuarta generación, la fuente de rayos X gira alrededor del paciente. El detector es un conjunto estacionario en forma de anillo.   Fig. 3: Sistema TC de cuarta generación
Tomografía computarizada por haz de electrones (EBCT) En los sistemas de quinta generación, la fuente de rayos X está formada por un ánodo objetivo en forma de anillo y varios haces de electrones (marcados en verde en la fig. 4) dirigidos a los puntos objetivo, donde se generan los rayos X. El detector es un conjunto estacionario en forma de anillo. La ventaja de este sistema es la ausencia de piezas móviles. La desventaja es la necesidad de un gran tubo de vacío y de sistemas de dirección de haces de electrones. Fig. 4: Sistema TC de quinta generación

Para aplicaciones médicas se utiliza un gran número de TC con capacidad para escanear y obtener imágenes de volúmenes tan grandes como el cuerpo humano con una resolución máxima de unos tres puntos por milímetro (es decir, 75 ppp o unos 2000 millones de voxel (=píxel volumétrico) para una persona de 75 kg). La figura 5 muestra una imagen de un sistema de TC real y la calidad de las imágenes tomadas con estos sistemas. En micro-TC, la resolución espacial es (en 2013) del orden de 1/1000 a 1/2000 del diámetro de la muestra y alcanza unos cientos de nanómetros.

Fig. 5: Tomografía computarizada clínica (izquierda) e imagen de TC (derecha ) ©02

La figura 6 muestra una reconstrucción 3D a partir de 17 imágenes seccionales de TC de una cabeza humana. Las zonas oscuras representan huesos, las grises tejidos y las blancas cavidades llenas de aire.

Fig. 6: Imagen tomográfica tridimensional de una cabeza humana

¿Cómo se obtiene una imagen de TC a partir de los datos de absorción de rayos X medidos? La figura 7 muestra la absorción de rayos X medida al tomar la imagen seccional de una cabeza humana de la figura 6. Obsérvese la línea oscura en la parte superior de la señal detectada. Cuando la cabeza se radiografía horizontalmente, los rayos X tienen que recorrer un largo camino a través de los huesos situados por encima de las cuencas oculares. La mayor parte de la luz de rayos X se absorbe en el proceso, lo que da lugar a la línea oscura en el detector.

Fig. 7: Señal de absorción medida durante la adquisición de una imagen de corte de TC ( en este ejemplo, la fuente sólo atraviesa un cuarto de círculo).

La imagen de TC puede calcularse a partir de las señales de absorción detectadas con el conjunto de líneas CCD mientras la fuente y el detector giran alrededor de la cabeza mediante la denominada retroproyección. Para ello, la intensidad de las señales detectadas se proyecta hacia atrás desde el detector hasta la fuente y se superpone en la zona del objeto radiografiado. En la figura 8 a) se ha superpuesto la retroproyección de la señal de 90° y de la señal de 0°. La línea oscura horizontal en la parte superior de la figura 8 a) se debe de nuevo a la absorción por parte de los huesos situados por encima de las cuencas oculares. La imagen resultante no tiene casi nada en común con una imagen de TC de una cabeza humana. Pero si se realiza el mismo procedimiento con las señales de absorción detectadas en cuatro direcciones diferentes (figura 8 b)) o incluso en 16 direcciones (figura 8 c)), se aprecian algunas similitudes. Una imagen de TC real (figura 8 g)) se compone de señales tomadas bajo cientos de ángulos y, por tanto, es mucho más detallada.

a) Retroproyección de TC de la señal de 0° y 90°	b) Retroproyección CT con cuatro ángulos
c) Retroproyección CT con 16 ángulos	d) Retroproyección CT con 30 ángulos
e) Retroproyección CT con 90 ángulos	f) Retroproyección CT con 180 ángulos
g) Retroproyección de TC con cientos de ángulos

Fig. 8: Reconstrucción de una imagen de TC de un corte de cabeza humana mediante retroproyección.