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Radiología: un siglo de desarrollo

... La medicina hace uso de los métodos más modernos para obtener imágenes que le permiten entender lo que sucede al interior del cuerpo humano: desde una fractura de huesos hasta la ...

Enviado* el 01/01/2011 21:49
enero-marzo 2007 • Cinvestav 28 La medicina hace uso de los métodos más modernos para obtener imágenes que le permiten entender lo que sucede al interior del cuerpo humano: desde una fractura de huesos hasta la observación de microbios y células; las imágenes que se logran obtener son un claro ejemplo de la conjunción de los avances en ciencia básica y tecnología en favor de la ciencia médica.  A partir del descubrimiento hace más de un siglo de los rayos X, se fincó una fructífera relación entre la investigación de frontera en la física y la aplicación de ese conocimiento en medicina. Con el objetivo de apreciar el estado del arte de la radiología y lo que motiva las actuales líneas de investigación, particularmente en aplicaciones de rayos X, aquí se plantea un recuento cronológico de las diversas líneas de pensamiento y trabajo efectuado en el área (tabla 1). El caso particular de los rayos X, que desde su descubrimiento fueron asociados con aplicaciones médicas, permite ejemplificar de modo muy claro cómo la visión multidisciplinaria ha permitido su desarrollo y evolución (Haus, 2002; Gray, 2000; Gold, 1990; Rothenberg, 1995). El descubrimiento de Roentgen En la segunda mitad del siglo XIX existía un gran interés por estudiar la electricidad.  M. Faraday llegó a descubrir el fenómeno de electrólisis y establecer las leyes que gobiernan su comportamiento; de su trabajo se dedujo la existencia de una unidad fundamental de electricidad. Utilizando tubos rellenos de gases enrarecidos y calentando el cátodo, J. Plucker y J. Hittorf lograron establecer que a partir del cátodo se emitía un tipo de radiación eléctrica -los rayos catódicos- que producía sombras de objetos sólidos colocados en su trayectoria, y que esta radiación era desviada en presencia de un campo magnético. En 1879, W. Crookes utilizó tubos con vacío en lugar de gases raros y, basado en la observación de la existencia de una presión debida Radiología: un siglo de desarrollo Rosa Elena Sanmiguel EL DESCUBRIMIENTO HACE MÁS DE UN SIGLO DE LOS RAYOS X FINCÓ UNA FRUCTÍFERA RELACIÓN ENTRE LA INVESTIGACIÓN DE FRONTERA EN LA FÍSICA Y LA APLICACIÓN DE ESE CONOCI- MIENTO EN MEDICINA. Rosa Elena Sanmiguel Doctora en Ciencias por el Departamento de Física del Cinvestav. Realizó su trabajo de tesis como becaria del DAAD en el Departamento de Física de la Universidad de Siegen (Alemania). Actualmente lleva a cabo su estancia posdoctoral en el Cinvestav y  tiene a su cargo el Laboratorio de Imágenes de Rayos X (Unidad Monterrey) donde se dedica a la investigación de técnicas radiológicas. sanmiguel@cinvestav.mx
enero-marzo 2007 • Cinvestav 29 Figura 1. Tubo de Crookes con flores activado. Todas las imágenes de este artículo son corteseia de H. Dijkstra.
enero-marzo 2007 • Cinvestav 30 a esta radiación y el calentamiento de cuerpos sólidos interpuestos en su trayectoria, pudo reconocer que estos rayos catódicos estaban compuestos, muy probablemente, por partículas. Fue J. J. Thomson quien, al utilizar este mismo tipo de tubos, logró descubrir el electrón veinte años después. La utilización de tubos rellenos de gases enrarecidos que producían cierta luminiscencia como respuesta a la aplicación de diferencias de voltaje llevó a H. Geissler a la producción de los tubos que llevan su nombre. Algunos de estos artefactos fueron hermosas piezas de arte utilizadas para decoración; algunos otros inspiraron su utilización como "remedios" para diversos padecimientos. En el afán de estudiar la naturaleza de la corriente eléctrica y encontrar su unidad elemental, un buen número de laboratorios en Estados Unidos y Europa trabajaba en la investigación de los rayos catódicos. En diciembre de 1895, W. C. Roentgen, que enfocaba su trabajo en esta dirección, descubrió una radiación desconocida, producto de la operación de tales tubos de rayos catódicos; la llamó radiación X . Las condiciones eran propicias y para mediados de enero de 1896 se reportaba la reproducción de los resultados de Roentgen en diversos laboratorios. A partir de la primavera de ese año se podían encontrar anuncios de tubos de rayos X en venta. También en 1896 comienza su aplicación en diagnóstico médico; en Londres se publica lo que posteriormente se conocerá como Archives of Roentgen Ray , la primera revista especializada en rayos X. Ese mismo año H. Becquerel descubrió la radiactividad, y con ello se inició una historia de avance y desarrollo científico y tecnológico, que tiene un importante componente de retroalimentación entre el estudio de los rayos X y el de la radiactividad. Estas líneas de trabajo comparten mucho del interés científico y de las necesidades tecnológicas en el laboratorio. Entendiendo los rayos X El interés por entender esa misteriosa radiación siguió impulsando aún más la investigación de tales fenómenos. En un acelerado avance se descubrieron las líneas de radiación característica, específicamente las de Los años alrededor del descubrimiento de los rayos X se caracteri- zaron por el replanteamiento de muchas cuestiones en física y el estudio de la naturaleza de los rayos X jugó un papel importante en ello. Mientras tanto, los rayos X eran ampliamente utilizados por algunos médicos para diagnóstico e incluso terapia. Tabla I: Recuento de los grandes avances que han impulsado a la radiología. Avances en radiología de diagnóstico [Gray 2000] Año Avances científicos y tecnológicos 1895 Descubrimiento de los rayos X (W.C. Röntgen) 1896 Calcium Tungstanate screens (T.A. Edison) 1896 Descubrimiento de la radiactividad (H. Becquerel) 1913 Tubo de rayos X de cátodo caliente (W.D. Coolidge) 1915 Rejilla de Bucke-Potter 1917 Desarrollo de la transformada de Radon (J. Radon) 1925 Película de emulsión doble sobre base flexible 1928 Procesador de películas mecanizado 1934 Tomografía convencional (A. Vallebona, G.Z. DesPlantes) 1948 Intensificador de imagen de Westinghouse (J.W. Coltman) 1951 Scanner rectilíneo (B. Cassen) 1951 Ultrasonido biestable (G. Ludwig, J. Wild, D. Howry) 1956 Procesador de películas X-Omat de Kodak 1958 Cámara de centello (H. Anger) 1960 Xeroradiografía 1962 Tomografía por reconstrucción de emisión (D. Kuhl) 1962 Ultrasonido en escala de grises (G. Kosoff) 1965 Sistema especializado de mamografía 1972 Tomografía computarizada (G.N. Hounsfield) 1973 Angiografía por substracción digital (C. Mistretta) 1975 Tomografía por emisión de positrones (M. Ter-Pogossian) 1976 Single Photon Emission Computed Tomography SPECT (J. Keyes) 1980 MRI (P.C. Lauterbur)
enero-marzo 2007 • Cinvestav 31 emisión K y L, que son picos de máxima intensidad de los rayos X y que se presentan a energías específicas para los diversos materiales. Los rayos X son producidos por los mecanismos de frenado de los electrones incidentes -que genera el espectro continuo o de bremmstrahlung- así como por la desexcitación de los electrones atómicos. Esta contribución se relaciona con las líneas características,  pues al descender del estado excitado, el electrón atómico está forzado a eliminar su energía de excitación, que es igual a la diferencia de energía existente entre los dos niveles energéticos en los que se encuentra, siendo esta diferencia una propiedad característica, una huella digital, de los materiales. También se estudió, desde esa temprana época, la absorción mostrada por diversos materiales. Ya Roentgen había hecho la observación de que los rayos X son apantallados de manera diferente por papel, madera, metal, vidrio plomado, etcétera. El estudio metódico permitió determinar la absorción a diferentes grosores de diferentes materiales e hizo posible la tabulación de las intensidades observadas, como función del espesor del material. Se establece que los rayos X, a diferencia de los rayos catódicos (compuestos de haces de electrones) no eran desviados por la presencia de campos magnéticos, que satisfacían la ley de atenuación del inverso cuadrado, lo que implicaba una propagación "radial" y evidenciaba que eran absorbidos en el aire en mucho menor medida que los rayos catódicos. En la década de 1920 se avanzó de nuevo, en gran medida con los trabajos de W. H. Bragg y W. L. Bragg, quienes introdujeron la relación de esta radiación con la naturaleza de los cristales perfectos dejando claro que se trata de radiación electromagnética con longitud de onda del orden del espaciamiento de la red cristalina. Eso permitió la fabricación de monocromadores y, al obtener haces monocromáticos, i.e. de una energía en particular, se preparó el terreno para los estudios de espectroscopia de rayos X. Por otra parte, ya en 1902 se plantearon los cuestionamientos acerca de los efectos de la radiación en los materiales; se estudiaron los cambios -básicamente cambios en color- de diferentes sustancias y en 1908 P. Villard se planteó la necesidad de establecer una unidad de dosis, a la cual posteriormente se llamó Roentgen. Seis años después, Christie estableció la necesidad de medir la energía depositada en el tejido y con ello se fincaron las bases de la dosimetría moderna (N. Dyson, 1990). Los rayos X como herramienta Los años alrededor del descubrimiento de los rayos X se caracterizaron por el replanteamiento de muchas cuestiones en física y el estudio de la naturaleza de los rayos X jugó un papel muy importante en ello. Mientras tanto, los rayos X eran ampliamente utilizados por Figura 2. Tubo de Geissler.
enero-marzo 2007 • Cinvestav 32 algunos médicos para diagnóstico e incluso terapia, lo cual promovió un avance paralelo en la tecnología de fabricación de los tubos de rayos X. Éstos estaban compuestos por tubo de vidrio al vacío; en uno de sus extremos se colocaba un cátodo, el cual produce el haz de electrones que son acelerados hacia la ventana opuesta del tubo, y en el extremo opuesto al cátodo se colocaban diversos materiales (metal blanco o ánodo), que son los emisores de la radiación X, después de ser bombardeados por los electrones o rayos catódicos. El diseño del ánodo evolucionó hasta el punto de poder seleccionar materiales y geometrías. Primero se utilizaron pequeñas piezas de láminas delgadas de metal; posteriormente se sustituyeron por placas gruesas. Los problemas que se enfrentaban en cuanto al adecuado enfriamiento de los metales utilizados como blanco, llevaron al diseño del ánodo rotante, que son piezas de metal en forma de cono truncado que, al mantenerse rotando, permiten distribuir el bombardeo de los electrones en un elemento de superficie que continuamente se sustituye por su vecino inmediato logrando una disminución de la concentración del calor. Las intensidades obtenidas con este diseño probaron ser un gran avance en radiología. Sin embargo, el interés por estudiar los fenómenos ópticos que se asocian con la formación de imágenes de rayos X, particularmente empujado por el interés en el desarrollo de técnicas de microscopía con rayos X, llevó a la necesidad de desarrollar fuentes con tamaño focal cada vez menor. Las imágenes de microscopía se obtienen con una fuente cuasipuntual y un sensor colocado a una distancia del objeto a observar, determinada por el factor de amplificación que se busca obtener (Dupree, 2003). Este desarrollo de fuentes con tamaño focal del orden micras ha sido ampliamente aceptado y las compañías fabricantes de tubos de rayos X ofrecen en el mercado diversos tipos de estas fuentes, además de los más novedosos tubos de nanofoco. Ambos tipos de tubos han implicado la utilización de diversos adelantos en materia de enfriamiento del metal en el ánodo, así como de sistemas de vacío adecuados. Los métodos de adquisición de imágenes también evolucionaron (tabla 2): desde la película de Edison a las películas de emulsión doble y, posteriormente, al desarrollo de sistemas de película-pantalla, incluyendo pantallas fluorescentes con arreglos moleculares que semejan microscópicas fibras ópticas, que llevan de manera muy fiel los fotones de luz visible -producidos como respuesta a un fotón de rayos X incidente- minimizando el error introducido por la redistribución de los fotones visibles, error que da por resultado una presentación borrosa o difusa de los detalles, y que es observado con algunos tipos de pantallas fluorescentes. Los diversos mecanismos de generación de imagen, como los intensificadores de imagen, la fluoroscopía, los sensores digitales, el uso de fotomultiplicadores para tomografía computarizada, etcétera, son un reflejo de los avances logrados en materia de instrumentación. Nuevos retos en imágenes de rayos X En la década de 1960 se publicaron los resultados de estudios de la interferencia de rayos X usando cristales perfectos, lo cual marcó la pauta de las investigaciones que se retomarían en la década de 1990, gracias a la disponibilidad de diversos componentes requeridos en los diseños experimentales. Así, a partir de 1995 se reportan resultados de diferentes aproximaciones que las instalaciones de radiación de sincrotrón hacían posibles. A cien años de su descubrimiento, los rayos X representan el reto de buscar la información que tradicionalmente se desecha y que está contenida en los cambios de fase que, como radiación electromagnética, sufren los rayos X al pasar a través de materiales donde su atenuación es mínima e imperceptible.  De manera Figura 3. Tubo de Geissler activado.
enero-marzo 2007 • Cinvestav 33 similar, los rayos X son desviados de su dirección de propagación original como efecto de su interacción con la materia que atraviesan. Dicha interacción está gobernada por las interacciones de los fotones de rayos X con los electrones atómicos, y está descrita por un componente relacionado absolutamente por la atenuación o la capacidad del material para absorber la energía del fotón de rayos X, así como por un componente relacionado con la refracción como función de las variaciones de la fase. Aquí cabe señalar que los sensores utilizados en adquisición de imágenes por rayos X, que siempre han sido elaborados de contribución de las variaciones de la fase en los detalles de la imagen, exigen que esta información se "traduzca" a variaciones en la intensidad del haz de fotones que, finalmente, es lo que observa el detector. La aproximación que se decide tomar para la adquisición de la información de estas variaciones de la fase define lo que se ha catalogado como diferentes técnicas de rayos X sensibles a la fase (Fitzgerald, 2000). Dos de ellas, la radiografía por contraste de fase y DEI ( diffraction enhanced imaging ), se describen de manera muy breve a continuación. Contraste de fase introduce la utilización de cristales perfectos a manera de filtros para la depuración de los fotones desviados de su trayectoria como resultado de las variaciones de fase. Dichos cristales, llamados cristales analizadores, son sintonizados al ángulo de máxima reflectividad -ángulo de Bragg- de acuerdo con la longitud de onda del haz de rayos X incidente. Sin embargo, esta técnica se restringe a la visualización de objetos fase que, de acuerdo con el concepto introducido por Zernike en el desarrollo de la microscopía por contraste de fase, son objetos básicamente transparentes, en este caso a los rayos X. DEI es una técnica desarrollada en laboratorios de fuente sincrotrónica; de igual manera, aquí se utiliza un cristal analizador para el filtrado de fotones desviados. Este método de adquisición de imágenes sensible a la fase remueve la necesidad de restringir su aplicación a objetos fase, mediante la utilización de la propiedad de los cristales perfectos, descrita por su curva de reflectividad, y la cual se obtiene en el laboratorio con ayuda de sensores que monitorean la La facilidad de trabajar los archivos ya digitalizados tiene repercu- siones más allá de los aspectos de comunicación y archivo. Una ven- taja inmediata de los sistemas digitales es la facilidad del análisis de la imagen con variaciones de contraste y brillo, así como de las amplificaciones (zoom) de las regiones de interés, todo esto sin nece- sidad de exponer de nueva cuenta al paciente a los rayos X. Tabla II: Recuento histórico de los avances

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