Pocos avances aceleran tanto la adquisición de conocimientos como los que se producen en el campo de la imagen. A continuación se describen los avances actuales en tomografía computerizada, imágenes de rayos X y detección y análisis de datos.
Desde el desarrollo de la fotografía, las nuevas tecnologías de la imagen siempre han propiciado avances en la comprensión de los procesos investigados. En el campo de la imagen médica, la tecnología de la imagen, el análisis de imágenes asistido por ordenador y la terapia adaptativa están estrechamente relacionados.
Tomógrafo computerizado de recuento cuántico [1]
El tomógrafo computerizado (TC) es el caballo de batalla de los radiólogos. Esto se debe a que la mayoría de los exámenes radiológicos con imágenes transversales, por ejemplo tras accidentes o para el diagnóstico de enfermedades, se realizan con aparatos de TC. El desarrollo de esta tecnología tiene dos objetivos principales: Mejores imágenes y una menor dosis de radiación para los pacientes.
El nuevo tomógrafo computerizado de recuento cuántico Naetom Alpha supone un gran paso adelante en este sentido. Actualmente se están poniendo en funcionamiento las primeras 20 unidades en todo el mundo, una de ellas en el Instituto de Radiología Diagnóstica e Intervencionista de la Facultad de Medicina de Hannover (MHH).
En Alemania se realizan unos 12 millones de TC al año. Los detectores de TC convencionales primero convierten los rayos X en luz visible, que a su vez se transforma en corriente eléctrica. A continuación, esta energía se utiliza para generar una imagen digital. Sin embargo, durante el paso intermedio de convertir la luz en electricidad se pierde información importante. Como consecuencia, se reducen los contrastes y la nitidez de las imágenes. El nuevo tomógrafo computerizado de recuento cuántico de Siemens Healthineers funciona con una tecnología fundamentalmente diferente. Convierte los fotones de rayos X, es decir, los cuantos de luz, directamente en señales eléctricas. El paso intermedio ya no es necesario. El nuevo detector de rayos X es capaz de contar los cuantos de luz individuales en cada píxel. De ahí el nombre de "tomógrafo computerizado de recuento cuántico". La transformación directa en corriente eléctrica permite conservar la información energética. Las imágenes son más nítidas y ricas en contraste y proporcionan información nueva y reveladora. Se puede obtener una impresión mucho más diferenciada y es posible reconocer exactamente si se están visualizando, por ejemplo, medios de contraste, tejidos blandos o huesos.
Las imágenes producidas por el nuevo escáner de TC son aproximadamente el doble de nítidas que las producidas por los escáneres de TC convencionales. Esto facilita el diagnóstico cuando es preciso evaluar estructuras muy finas, como vasos sanguíneos, pulmones o huesos diminutos. Gracias a la mejora significativa de la calidad de la imagen, algunas exploraciones por TC que antes debían realizarse de forma invasiva pueden realizarse ahora de forma puramente externa. Al mismo tiempo, la nueva tecnología requiere hasta un 40 por ciento menos de radiación de rayos X. El profesor Wacker lo considera una gran ventaja frente a los aparatos convencionales. Y es que el TAC es responsable de la mayor parte de la exposición a la radiación médica de la población, por lo que su reducción es especialmente importante en este caso.
El Naetom Alpha funciona actualmente en un total de ocho clínicas alemanas. El nuevo aparato se utiliza en el Instituto de Radiología Diagnóstica e Intervencionista desde hace unas tres semanas. Un tomógrafo computerizado convencional, que tenía 15 años de antigüedad, fue retirado del servicio por la nueva tecnología. La sustitución del antiguo aparato por el nuevo modelo fue posible gracias a la financiación del estado de Baja Sajonia. Ya se ha examinado a más de 100 pacientes con el nuevo tomógrafo computerizado de recuento cuántico. También se utiliza en el instituto radiológico con fines de investigación.
Un grupo de pacientes que se beneficia enormemente de las nuevas posibilidades del MHH son las personas con enfermedades pulmonares. Gracias a las imágenes del nuevo tomógrafo es mucho más fácil ver, por ejemplo, las finas excrecencias de los tumores pulmonares. De este modo, los cirujanos y oncólogos pueden obtener información más precisa sobre la extensión del tumor. Otro ejemplo es la fibrosis pulmonar, un endurecimiento y cicatrización del tejido pulmonar. La nueva calidad de imagen permite un seguimiento mucho mejor del tratamiento, ya que en las imágenes pueden apreciarse hasta los cambios más pequeños. Esto beneficia tanto a los pacientes de neumología como a los proyectos de investigación del Centro Alemán de Investigación Pulmonar (DZL). Cardiología, neumología, oncología: la nueva tecnología de detectores supondrá un enorme avance en el diagnóstico radiológico en muchos campos. La persona de contacto es el profesor Dr. Frank Wacker.
Nueva tecnología de rayos X: rayos X de campo oscuro [2].
Fig. 2: PD Dr. Andreas Sauter analizando imágenes de rayos X en el Instituto de Radiología Diagnóstica e Intervencionista de la Klinikum rechts der Isar dela Universidad Técnicade Múnich (Foto: Andreas Heddergott/TUM)Investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han utilizado con éxito por primera vez en pacientes un nuevo procedimiento de rayos X para el diagnóstico pulmonar. La radiografía de campo oscuro visualiza los primeros cambios en la estructura alveolar como consecuencia de la enfermedad pulmonar EPOC, pero sólo requiere una quincuagésima parte de la dosis de radiación que se utiliza normalmente en la tomografía computerizada. Esto permite una amplia gama de aplicaciones médicas en la detección precoz y el tratamiento de enfermedades pulmonares.
En millones de casos, las enfermedades graves del sistema respiratorio provocan un grave deterioro de la calidad de vida. Sólo en Alemania mueren cada año más de 100.000 personas por enfermedades pulmonares graves. La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), potencialmente mortal, se caracteriza normalmente por la destrucción parcial de los alvéolos y la hinchazón de los pulmones (enfisema).
Sin embargo, las sutiles diferencias en el tejido apenas son visibles en las radiografías normales. La información diagnóstica detallada sólo puede proporcionarse mediante tecnologías avanzadas de imagen médica, en las que muchas imágenes individuales se juntan en el ordenador. Todavía no existe una opción rápida y rentable con baja exposición a la radiación para la detección precoz y los exámenes de seguimiento.
Un método desarrollado en la Universidad Técnica de Múnich podría colmar esta laguna: los rayos X de campo oscuro. En el número actual de "Lancet Digital Health", un equipo de investigación dirigido por Franz Pfeiffer, catedrático de Física Biomédica y director del Instituto de Ingeniería Biomédica de Múnich de la TUM, presenta ahora los resultados de un primer estudio clínico con pacientes en el que se utilizó la nueva tecnología de rayos X para diagnosticar la enfermedad pulmonar EPOC [3].
Las imágenes de rayos X convencionales se basan en la atenuación de la luz de rayos X a su paso por el tejido. En cambio, la tecnología de campo oscuro utiliza partes de la luz de rayos X que se dispersan y pasan desapercibidas en las radiografías convencionales.
Así pues, el nuevo método utiliza el fenómeno físico de la dispersión de forma similar a la microscopía de campo oscuro con luz visible, conocida desde hace tiempo: esto permite visualizar estructuras de objetos en gran parte transparentes. Al microscopio, aparecen como estructuras de color claro sobre un fondo oscuro, lo que da nombre al método. En las interfaces entre el aire y el tejido, por ejemplo, la dispersión de la luz de rayos X es especialmente intensa. En una imagen de campo oscuro de los pulmones, esto permite distinguir claramente las zonas con alvéolos intactos, es decir, llenos de aire, de las regiones con alvéolos menos intactos. Un examen con tecnología de rayos X de campo oscuro también se asocia con una dosis de radiación significativamente menor que la tomografía computarizada utilizada hoy en día. Esto se debe a que sólo requiere una única imagen por paciente, mientras que la tomografía computarizada exige tomar numerosas imágenes individuales desde distintas direcciones.
Los investigadores esperan que la exposición a la radiación se reduzca en un factor de cincuenta. Además, los resultados clínicos iniciales han confirmado que los rayos X de campo oscuro proporcionan información adicional sobre la microestructura subyacente de los pulmones. La tecnología de rayos X de campo oscuro ofrece la oportunidad de mejorar significativamente la detección precoz de enfermedades pulmonares y, al mismo tiempo, de utilizarla más ampliamente que antes. Dado que las imágenes de campo oscuro no se limitan a la EPOC, también son de gran interés otros estudios traslacionales sobre otras patologías pulmonares como la fibrosis, el neumotórax, el cáncer de pulmón y la neumonía, incluido el Covid-19. El trabajo ha contado con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación en el marco de una subvención avanzada, la Fundación Alemana de Investigación y Philips Medical Systems DMC GmbH. El coautor Thomas Köhler (Philips) fue becario industrial Rudolf Diesel del Instituto de Estudios Avanzados de la TUM (TUM-IAS), financiado por la Iniciativa de Excelencia de los gobiernos federal y estatales alemanes y el programa Marie Curie COFUND de la UE. Parte del trabajo se llevó a cabo en cooperación con la Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF), una infraestructura de investigación Helmholtz del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT). La persona de contacto científico es el Prof. Dr. Franz Pfeiffer.
Radioterapia con imágenes en directo [4]
Fig. 3: Imágenes de un tumor cardíaco (Foto: LMU Klinikum, Radioterapia)El nuevo MR Linac de la LMU Klinikum ofrece varias ventajas a la hora de irradiar tumores en órganos móviles: mayor precisión, mayores dosis y mejor protección del tejido sano. Incluso los pacientes con tumores cardíacos no operables pueden ser tratados por primera vez. El MR Linac puede utilizarse para monitorizar en directo si el tumor y el tejido sano circundante cambian como resultado de la terapia y cómo lo hacen. Esto abre una nueva dimensión de precisión en la radioterapia.
Muchos órganos están en constante movimiento. El corazón o los pulmones, por ejemplo. O sus vecinos directos, como el páncreas y el hígado. Es cierto que hasta ahora la radioterapia de los centros cancerosos de estos órganos era factible a un alto nivel. Sin embargo, debido a los movimientos, los rayos que destruyen las células también alcanzan el tejido sano adyacente a los tumores. Por tanto, la dosis de radiación debe limitarse, lo que a su vez reduce el éxito de la terapia.
Con el MR Linac, este problema pertenece en gran medida al pasado. Esta potente máquina lleva un año y medio funcionando en el Centro Clínico de la LMU en Großhadern. Combina dos aparatos que antes se mantenían estrictamente separados y que en sí mismos representan un alto rendimiento tecnológico: un "acelerador lineal", que genera la radiación propiamente dicha para la radioterapia de pacientes tumorales. Y un tomógrafo de resonancia magnética, que toma repetidamente imágenes tomográficas del tumor durante el tratamiento sin radiación.
Esto permite seguir en vivo y en directo si un tumor y el tejido sano circundante cambian como consecuencia de la terapia y cómo lo hacen. De este modo, toda la terapia puede organizarse con gran precisión y adaptarse a las condiciones cambiantes del tejido canceroso. Día a día. Esto se debe a que un equipo de médicos, técnicos médicos y físicos recalcula siempre la siguiente sesión de terapia en función de las condiciones actuales del tejido.
Esto sólo tiene ventajas para los pacientes: como el tejido sano está excelentemente protegido, se pueden utilizar dosis de radiación más altas con un mejor efecto. Desde enero de 2020, unos 300 pacientes con tumores en órganos móviles ya han sido tratados en Großhadern en unas 1.800 sesiones individuales de radioterapia.
El procedimiento de alta tecnología permite incluso tratar tumores cardíacos malignos. Estos tumores son extremadamente raros. Como no se pueden operar, hasta ahora los pacientes no tenían opciones de tratamiento y sus posibilidades de supervivencia eran escasas. Ahora se puede irradiar a los afectados con altas dosis y mantener sus tumores a raya. Esto significa que los tumores no siguen creciendo o incluso se reducen. Las metástasis cardíacas también pueden tratarse con MR Linac. Junto con otros tres hospitales, los expertos del Hospital LMU quieren determinar ahora en qué medida el procedimiento prolonga la supervivencia de los pacientes a largo plazo en un gran estudio internacional. (Ensayo SHARP - Stereotactic Heart Ablative RadiotheraPy - Estudio observacional prospectivo sobre radioterapia ablativa estereotáctica guiada por RM de sarcomas cardíacos malignos primarios o recurrentes inoperables o metástasis cardíacas).
El equipo de la Clínica LMU participa en numerosos estudios en los que se investigan las posibles aplicaciones de MR Linac (tumores de pulmón, hígado, próstata y páncreas). También ha desempeñado un papel destacado en la elaboración de directrices europeas, por ejemplo para la puesta en marcha y la introducción práctica de la radioterapia guiada por RM con MR Linac en la clínica. La persona de contacto científica es la Priv.-Doz. Dra. Stefanie Corradini.
Nuevo método de procesamiento de datos de imagen en la obtención de imágenes de neutrones [5]
Fig. 4: Cámara con intensificador de imagen y objetivo zoom. El cable de color rosa envía las señales de hasta 80 millones de píxeles activados por segundo a un PC de alto rendimiento para la evaluación de los datos (Foto: Bernhard Ludewig/FRM II/TUM)Un equipo internacional de investigación ha desarrollado una nueva tecnología para los procedimientos de obtención de imágenes en la Fuente de Neutrones de Investigación Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de la Universidad Técnica de Múnich (TUM). En el futuro, no sólo permitirá realizar mediciones de mucha mejor resolución con neutrones, sino que también podría reducir la exposición a la radiación durante la obtención de imágenes con rayos X.
Incluso las cámaras modernas siguen basándose en el mismo principio que hace 200 años: En lugar de película, hoy en día se expone un sensor de imagen durante un tiempo determinado para capturar una imagen. Sin embargo, también se registra el ruido del sensor. Con tiempos de exposición más largos, esto representa una importante fuente de interferencias.
Junto con colegas de Suiza, Francia, Países Bajos y Estados Unidos, el Dr. Adrian Losko y otros colegas de la TUM en el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) han desarrollado ahora un nuevo método de obtención de imágenes que mide los fotones individuales con resolución temporal y espacial. De este modo, los fotones pueden separarse del ruido y reducirse en gran medida las interferencias. El nuevo detector puede detectar cada partícula de luz, sorteando así muchas de las limitaciones físicas de las cámaras convencionales.
Los investigadores en radiografía de neutrones suelen utilizar centelleadores en sus mediciones para detectar neutrones y, por ejemplo, examinar huevos de dinosaurio fosilizados. Cuando un neutrón es absorbido por el material del centelleador, se generan fotones, partículas de luz que pueden medirse.
Con todas las cámaras anteriores, la luz se recoge durante todo el tiempo de exposición, lo que provoca una borrosidad que depende del grosor del centelleador. En cambio, el nuevo concepto del equipo de investigación detecta cada partícula de luz generada por un neutrón. El requisito previo para ello era una nueva tecnología de chips, así como hardware y software con velocidades de cálculo que permitieran el análisis en tiempo real. Esto significa que ahora es posible ensamblar una imagen neutrón por neutrón. La investigación con neutrones ofrece aquí un campo de pruebas y aplicaciones ideal.
Como la absorción de un neutrón en el detector produce varias partículas luminosas, el nuevo sistema puede detectar neutrones individuales midiendo la coincidencia de varias partículas luminosas. Esto aleja la medición del modelo clásico de tiempo de exposición y sólo se miden los sucesos que han tenido lugar.
En conjunto, el nuevo concepto deja en la sombra a todas las tecnologías existentes en el mercado, ya que permite una resolución espacial tres veces mejor y un ruido más de siete veces menor. La limitación debida al grosor del centelleador se reduce considerablemente. Esto permite una mayor eficacia en las mediciones de alta resolución. También se elimina el resplandor posterior de los centelleadores, que crea la llamada imagen fantasma. Muchos instrumentos de la fuente de neutrones de investigación podrían beneficiarse del nuevo concepto, por ejemplo el instrumento FaNGaS (Fast Neutron-induced Gamma-ray Spectrometry): Sabiendo exactamente cuándo llega un neutrón, el intervalo de tiempo en el que se mide la partícula gamma puede reducirse a una millonésima de segundo. Esto reduce el ruido de fondo en un factor de un millón.
El nuevo detector también podría utilizarse en medicina. Al tomar una imagen de rayos X de una fractura ósea, las estructuras finas, como las fisuras capilares de los huesos, se harían más visibles y, al mismo tiempo, se minimizaría la exposición del paciente a la radiación. El proceso cambiará definitivamente los detectores en el mundo científico. Es posible que principios similares lleguen en algún momento a las cámaras normales de uso privado. Esto mejoraría enormemente las imágenes tomadas en la oscuridad. Los fotógrafos también podrían ajustar el tiempo de exposición y la resolución incluso después de tomar la foto. El ruido de las cámaras podría eliminarse prácticamente por completo. Persona de contacto: Dr. Adrian Losko, TUM.
Foto: Karin Kaiser/MHH
Fig. 2: PD Dr. Andreas Sauter analizando imágenes de rayos X en el Instituto de Radiología Diagnóstica e Intervencionista de la Klinikum rechts der Isar de la Universidad Técnica de Múnich (Foto: Andreas Heddergott/TUM)
Fig. 3: Imágenes de un tumor cardíaco (Foto: Hospital LMU, Radioterapia)
Fig. 4: Cámara con intensificador de imagen y objetivo zoom. El cable de color rosa envía las señales de hasta 80 millones de píxeles activados por segundo a un PC de alto rendimiento para el análisis de datos (Foto: Bernhard Ludewig/FRM II/TUM)
Bibliografía
[1] Fuente: Facultad de Medicina de Hannover (MHH)
[2] Fuente: Universidad Técnica de Múnich (TUM)
[3] Konstantin Willer; Alexander Fingerle; Wolfgang Noichl; Fabio De Marco; Manuela Frank; Theresa Urban; Rafael Schick; Alex Gustschin; Bernhard Gleich; Julia Herzen; Thomas Koehler; Andre Yaroshenko; Thomas Pralow; Gregor Zimmermann; Bernhard Renger; Andreas Sauter; Daniela Pfeiffer; Marcus Makowski; Ernst Rummeny; Philippe Grenier; Franz Pfeiffer: Imágenes torácicas de campo oscuro de rayos X para la detección y cuantificación del enfisema en pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica: un estudio de precisión diagnóstica, Lancet Digital Health, Volume 3, Issue 11, e733-e744, November 01, 2021 - DOI: 10.1016/S2589-7500(21)00146-1
[4] Fuente: Centro Clínico LMU
[5] Fuente: Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) y Universidad Técnica de Múnich (TUM)
[6] Adrian Losko; Yiyong Han; Burkhard Schillinger; Aureliano Tartaglione; Morgano; Markus M. Strobl; Jingming Long; Anton Tremsin; Michael Schulz: New Perspectives for Neutron Imaging through Advanced Event-Mode Data Acquisition, Sci Rep. 11, Article number: 21360 (2021) - DOI: 10.1038/s41598-021-00822-5v
