Los diseñadores dirigen los avances en el campo de la tomografía computarizada (TC)

La TC aprovecha la naturaleza penetrante de los rayos X. Un rayo X estándar proyecta un haz 2D de fotones de alta energía a través del sujeto. La forma de detectar estos fotones ha cambiado a lo largo de los años. En su momento fue sólo una película fotográfica, pero hoy es más probable que sea un detector digital.

Debido a que los huesos, los músculos y la grasa absorben los rayos X de manera diferente, la imagen capturada es la sombra proyectada por la mezcla de tejidos del cuerpo. En lugar de crear una imagen directamente a partir de los fotones detectados, la tomografía computarizada procesa los datos registrados para sintetizar una imagen.

En el escáner TC, una fuente ilumina el sujeto utilizando un haz de rayos X en forma de abanico que son captados por una serie de detectores digitales en forma de arco. La fuente y el detector se montan en un pórtico circular, que gira alrededor del paciente y realiza exploraciones desde múltiples ángulos.

Los “escaneados” resultantes no se pueden interpretar directamente como una imagen. Se combinan en un ordenador, donde se crea un “corte” 2D más detallado a través del cuerpo. Muchos escáneres de TC también coordinan el movimiento del paciente con la rotación del pórtico para obtener una secuencia de cortes a través del cuerpo que pueden procesarse en una imagen 3D.

Las pruebas de TC pueden proporcionar más detalles sobre las estructuras internas que los rayos X convencionales y presentar esos datos en 2D o 3D optimizados para realidad aumentada, facilitando así su interpretación. También son relativamente rápidas, lo que hace que sean útiles para ofrecer información relativa a daños-lesiones en la cabeza, la columna vertebral, el pecho, el abdomen y la pelvis.

La capacidad de posprocesamiento de imágenes de TC conlleva que pueden aportar una base útil en la detección de tumores y cánceres, su tamaño y ubicación y cómo se han extendido. También pueden revelar hemorragias internas y la propagación de infecciones, además de permitir a los médicos la visualización de vasos sanguíneos, aneurismas y obstrucciones en todo el cuerpo.

La imagen de TC se puede emplear para disminuir la “invasión” de algunos procesos. La capacidad de diferenciar el tejido “enfermo” ayuda a los cirujanos a evitar la eliminación innecesaria de tejido sano. De manera parecida, el detalle 3D posible con las imágenes por TC puede proporcionar una base útil al planificar procedimientos como biopsias, cirugía, implantes y tratamientos de radiación.

La técnica puede detallar la salud de huesos y articulaciones, lo que se traduce en una comprensión más fácil del desgaste o la afección y el diagnóstico de fracturas.

Las tomografías computarizadas también pueden ayudar a rastrear el progreso de la enfermedad y mostrar la efectividad de tratamientos como la quimioterapia.

Existen retos asociados a la imagen por TC. Esta tecnología suele conllevar una mayor exposición a la radiación ionizante que es común con los rayos X estándares. Los pacientes también pueden reaccionar (mal) a los agentes de contraste usados para mejorar la efectividad de la prueba.

Los desarrolladores de escáneres de TC se enfrentan a dos tipos de restricciones. El primero es la necesidad de combinar la innovación con la seguridad del paciente cuando se utilizan radiaciones ionizantes, en tanto que el segundo es la tensión que puede generar para los pacientes y los profesionales sanitarios. La disponibilidad de nuevas tecnologías y capacidades siempre debe afrontarse con el mejor criterio y una actitud conservadora.

También hay requisitos técnicos en el diseño de TC. Quizás el más importante de ellos sea encontrar el mejor balance entre la calidad de la imagen y los niveles de dosis de radiación. Las dosis más altas pueden aumentar la claridad de la imagen a costa de una mayor exposición. Tecnologías como la reconstrucción iterativa de imágenes y los algoritmos de eliminación de ruido basados en técnicas de aprendizaje automático (ML) ahora pueden replicar algunas de las mejoras en la calidad de la imagen (de las exploraciones de dosis altas) con dosis más bajas.

Los desafíos también llegan a la velocidad de escaneado y la resolución de imagen. Un escaneado más rápido reduce los artefactos introducidos por los movimientos del paciente, pero puede provocar resoluciones espaciales más bajas. La exploración más lenta puede ofrecer una resolución superior si el paciente permanece quieto durante el tiempo suficiente.

Además, los diseñadores tienen que decidir a qué nicho de mercado quieren dirigirse. Por ejemplo, un escáner con un gran campo de visión facilita el escaneado de partes grandes del cuerpo, pero requiere conjuntos de detectores más costosos. Es posible que sea necesario hacer otras concesiones entre la flexibilidad y la especialización del escáner, la calidad del hardware y los costes de mantenimiento y las capacidades y la fiabilidad del software.

También hay que tener en cuenta aspectos económicos relativos al coste inicial y la capacidad de actualización a largo plazo. Adquirir un escáner de TC supone un gran desembolso de antemano y costes operativos sustanciales. Los compradores pueden estar dispuestos a decantarse por un escáner diseñado para evolucionar, en lugar de una máquina de menor coste con una vida útil más limitada.

A pesar de las restricciones y los retos mencionados con anterioridad, hay muchas vías para la innovación en el diseño de TC. Cada detector suele contar con un centelleador, que emite luz visible cuando es impactado por rayos X, montado sobre un circuito fotodetector digitalizador. Un escáner de TC básico tendrá un arco de estos detectores, pero las variantes más sofisticadas alojarán múltiples arcos para que puedan tomar muestras de múltiples “partes” simultáneamente. Puede haber hasta 256 arcos.

Para poder trabajar con este elevado número de detectores, las compañías de semiconductores están diseñando convertidores de analógico a digital (ADC) de 128 canales, los cuales se pueden montar en módulos para conseguir capacidades de 256 canales. Los chips disponen de integradores de bajo consumo, bajo ruido y baja corriente de entrada, en tanto que los circuitos simultáneos de muestreo y retención garantizan que todas las muestras se toman a la vez. Algunos ADC destinados al sector sanitario ofrecen resoluciones de hasta 24 bits.

Diferentes energías del haz pueden revelar diferentes cosas sobre el sujeto que están “iluminando”. Los radiólogos pueden ajustar la intensidad del haz utilizado en la exploración para seleccionar detalles específicos. Esto se llama técnica de TC espectral.

Otro enfoque es el uso de un detector de doble capa, con la capa superior absorbiendo los fotones de rayos X de menor energía y la capa inferior absorbiendo los fotones de mayor energía. Esta técnica puede revelar más sobre cómo los rayos X se han visto afectados por su paso a través del tejido en cuestión.

Otra innovación implica la detección de captura de fotón único, en la que se utiliza un dispositivo semiconductor para contar directamente cada fotón de rayos X. Esto da margen para la obtención de imágenes por TC con dosis más bajas, ya que elimina posibles pérdidas de fotones en el proceso de centelleo de los detectores convencionales. También posibilita la medición de la energía de llegada de cada fotón, lo que vuelve a ayudar a obtener más información sobre cómo se ha visto afectado al pasar por el paciente.

En TC de dos fuentes, se montan entre sí dos pares de conjuntos de fuente/detector en el anillo del pórtico giratorio a 90 grados. Esta disposición dota de una buena cobertura del paciente y también minimiza la interferencia entre las fuentes.

Las dos fuentes pueden trabajar con diferentes energías, proporcionando las ventajas de la TC espectral mencionadas anteriormente. También pueden adquirir una imagen de corte completa más rápidamente que un escáner de fuente única y, en consecuencia, conseguir una mayor resolución temporal para obtener imágenes con “características” en movimiento, como un corazón latiendo. Esto, a su vez, reduce los artefactos de movimiento en el escaneado final. Las exploraciones más rápidas también suelen resultar más aceptables para algunos pacientes.

Los escáneres de TC de alta resolución producen cortes muy finos (de menos de 1 mm). Utilizan más detectores de menor tamaño para lograr resoluciones espaciales más altas que los escáneres estándares. La resolución adicional facilita la detección y la caracterización precisa de pequeños detalles.

Estos escáneres suelen contar con algoritmos sofisticados de reconstrucción de imágenes que incrementan la calidad y el nivel de detalle de las imágenes, lo cual es especialmente importante para visualizar estructuras y bordes finos. También pueden incorporar características como una mejor gestión del haz de rayos X. Estas técnicas ofrecen imágenes de mayor contraste en comparación con los escáneres convencionales.

Los escáneres de TC resultan enormemente valiosos para generar información de la salud del paciente sin la necesidad de procedimientos invasivos. Sus desarrolladores pueden aprovechar tecnologías en rápida evolución, como la electrónica de detectores y las técnicas de aprendizaje automático, con un amplio margen para la innovación. La responsabilidad de garantizar la seguridad del paciente implica que la adopción de nuevas tecnologías puede parecer lenta.

Afortunadamente, los diseñadores pueden diferenciar sus creaciones al explorar las compensaciones sistémicas involucradas en el desarrollo de nuevos escáneres de TC y poder aumentar las capacidades para fomentar una rápida adopción. Por ejemplo, diseñar un circuito de muestreo y digitalización de detectores con un menor nivel de ruido permitirá escaneados de mayor resolución, con la misma energía del haz o resoluciones similares a dosis más bajas.

Se puede utilizar una tarjeta con FPGA para acelerar los algoritmos de procesamiento de imágenes, aumentando el rendimiento del escáner y, por ende, reduciendo el coste de cada escaneado. O quizá haya una mejor manera de gestionar el uso de la energía en el escáner para extender su fiabilidad y disminuir los costes operativos.

En AVNET Abacus, reconocemos el desafío holístico de desarrollar productos de imagen médica y, por ello, contamos con los recursos necesarios para ayudar a los fabricantes de equipos originales (OEM) a abordar cualquier reto.

Si está interesado en obtener más información de la oferta de componentes para escáneres de TC, por favor, visite los apartados ‘Pregunte al Experto’ o Avnet Integrated Solutions de la página web de AVNET Abacus. O, si prefiere abordar los requisitos de un proyecto específico con uno de nuestros ingenieros de aplicaciones de campo (FAE) en su propio idioma, póngase en contacto con nosotros.