Gammacámaras y tomógrafos de emisión de fotones

• Tema 5 trata sobre las gammacámaras y los tomógrafos de emisión de fotones, tema elaborado por Javier Pavía Segura.

Introducción

• Se explica el principio de funcionamiento de dos equipos utilizados con trazadores emisores gamma en Medicina Nuclear: la gammacámara y el tomógrafo de emisión de fotones (SPECT).
• La diferencia principal entre ambos equipos es que la gammacámara proporciona proyecciones bidimensionales, mientras que el SPECT permite obtener cortes tomográficos tridimensionales del trazador.

Gammacámara

• La gammacámara, o cámara de Anger (1958), es un sistema de detección "in vivo" que permite obtener imágenes bidimensionales que representan la biodistribución de un trazador emisor de radiación gamma administrado previamente al paciente.
• Las imágenes obtenidas reciben el nombre de gammagrafías.
• Este instrumento está optimizado para su uso con 99mTc desde que éste se convirtió en el radionucleido de más amplio uso en Medicina Nuclear (Harper y cols. 1964).
• La gammacámara se basa en un detector de centelleo sólido en el cual la sustancia luminiscente tiene forma de una fina lámina extensa.
• Este detector detecta la radiación gamma y proporciona información sobre la posición en la lámina en la que se ha producido la interacción del fotón, sobre la energía cedida por el fotón en la interacción y sobre la dirección de procedencia del mismo.

Componentes de una gammacámara

• Una gammacámara está formada por uno o más cabezales detectores montados sobre un soporte y una estación de trabajo.
• El soporte permite colocar el cabezal detector en cualquier orientación alrededor del paciente, mientras que en la estación de trabajo se procesan y visualizan los datos.
• Un cabezal detector proporciona una imagen de forma que cada punto del objeto se corresponde con un solo punto de la imagen.
• Cada cabezal detector consta de un colimador y un detector.

Colimador

• El colimador es un dispositivo que se antepone al detector y que permite la llegada al cristal detector de los fotones que inciden sólo en una determinada dirección.
• La imagen obtenida es la proyección de la distribución del trazador en esa dirección, cada fotón detectado procede del radisótopo que se encuentre en la línea marcada por esta dirección.
• Un colimador se caracteriza por su resolución espacial, que es la capacidad de discriminación de dos puntos separados, y su sensibilidad, que es la relación entre el número de fotones que llegan a la superficie del detector frente a aquellos que inciden sobre el colimador.
• Existen diferentes tipos de colimadores, los de orificios múltiples y los de apertura única o "pinhole”.

Colimadores de orificios múltiples

• Están formados por una lámina gruesa de un determinado material de alta densidad, generalmente plomo, en la que se encuentran distribuidos uniformemente una gran cantidad de orificios.
• El material que separa los orificios se denomina septo, y presenta una gran probabilidad de absorber los fotones que se dirigen al detector en una dirección diferente a la permitida por los orificios.
• Existe gran variedad caracterizados por grosor de los septos y número, tamaño, longitud y dirección de los orificios.
• Los parámetros geométricos que definen el colimador influyen en la sensibilidad y resolución del sistema colimador-detector.
• El grosor de los septos depende de la energía de los fotones que se van a detectar, siendo mayor para los fotones de energías más elevadas.
• Según la dirección de los orificios, existen colimadores de orificios múltiples paralelos, convergentes o divergentes.
• Los colimadores de orificios paralelos presentan los orificios perpendiculares a la superficie del cristal detector, y son los más utilizados.
• El tamaño de la imagen que se obtiene con ellos es independiente de la distancia entre el objeto y el detector, pero la resolución espacial del sistema disminuye notablemente cuando el objeto se aleja de la superficie del detector.
• Los colimadores de orificios convergentes presentan los orificios inclinados focalizados a un punto (conebeam) o a una línea (fanbeam) del espacio del objeto.
• Proporcionan una imagen ampliada del objeto y suelen emplearse para obtener imágenes de objetos de menor tamaño que el detector.
• Se utilizan en estudios cerebrales o cuando se hace experimentación con animales pequeños, como rata o ratón.
• Los colimadores de orificios divergentes presentan los orificios inclinados focalizados a un punto posterior al plano imagen.
• Pueden obtener la imagen de objetos de un tamaño mayor que el tamaño del cristal detector, aunque su resolución es inferior a la de un colimador de orificios paralelos, y su uso es muy escaso.

Colimadores de apertura única o "pinhole"

• Se trata de un colimador con un orificio de tamaño pequeño que actúa como el diafragma de una cámara obscura.
• Consta de dos partes diferentes, un cono truncado y una pieza intercambiable que contiene un orificio que encaja en el extremo del cono.
• La base del cono se acopla al cabezal detector y la pieza del orificio se coloca en el vértice del cono.
• Ambas piezas están construidas con un material de alta densidad que evita que la radiación llegue al detector por un lugar distinto al del orificio.
• Estos colimadores se suministran con varias piezas intercambiables con distintos tamaños de apertura.

Detector

• El detector se encuentra dentro del cabezal y contiguo al colimador.
• Su función es detectar los fotones gamma que atraviesan el colimador, determinar la posición de interacción y la energía cedida en la interacción.
• Consta de un cristal de centelleo en forma de lámina, una guía de luz y un conjunto de tubos fotomultiplicadores (TFM).
• Todos estos elementos se encuentran en el interior de un contenedor de material de alta densidad que actúa como blindaje frente a la radiación externa no deseada.
• La gammacámara consiste en un detector de centelleo sólido con una configuración especial.
• Como sustancia luminiscente dispone de un cristal de centelleo en forma de una lámina de Nal(TI) de un espesor entre 1/4 y 3/8 de pulgada, de forma circular o rectangular con una superficie de hasta 2 000 cm².
• El cristal está acoplado, por medio de una guía de luz, a un conjunto de TFM adosados que recubren toda la superficie del cristal.
• En la actualidad, la mayoría de gammacámaras disponen de un elevado número de TFM (entre 37 y 105).
• Cada cabezal detector se encuentra situado en el interior de un contenedor de material de alta densidad, que actúa como blindaje frente a la radiación externa no deseada.
• Cada TFM está provisto de un circuito preamplificador que amplifica las señales que se generan tras la interacción de un fotón.
• Las salidas de los TFM se envían simultáneamente a un circuito de posicionamiento y a un circuito suma, cuya salida se conduce posteriormente hacia un analizador de amplitud de impulsos.
• La señal de salida de estos circuitos es digitalizada e introducida en un ordenador.

Formación de la imagen

• La imagen gammagráfica, o gammagrafía, es una imagen digital bidimensional constituida por una matriz numérica cuyos elementos se denominan píxeles.
• Esta imagen se corresponde con toda o con una parte del cristal detector. Cada elemento contiene el número de fotones detectados en la superficie del detector que le corresponde.
• A cada fotón detectado se le suele denominar como suceso o cuenta.
• Cada fotón gamma que interacciona con el cristal del detector, ya sea por efecto fotoeléctrico o Compton, cede toda o parte de su energía.
• En el cristal de centelleo, esta energía se convierte en un gran número de fotones luminosos, proceso conocido como centelleo.
• Una fracción de estos fotones incide sobre el fotocátodo de cada fotomultiplicador, produciendo a su salida una débil señal, que es amplificada mediante un preamplificador.
• El resultado es un pulso de amplitud A¡, que es mayor en los fotomultiplicadores más cercanos al lugar donde se ha producido la interacción del fotón con el cristal
• Las señales de salida de todos los fotomultiplicadores Aį se conducen hacia un circuito suma, que proporciona una señal proporcional a la energía E cedida por el fotón.
• A cada fotón detectado le corresponde un determinado píxel de la matriz imagen en función de las coordenadas (X,Y) del lugar de interacción.
• La formación de la imagen en el ordenador, se origina tras la inicialización a cero de los píxeles de la matriz, por acumulación durante un intervalo de tiempo, de los fotones detectados en los píxeles que le corresponda según sus coordenadas de posición.
• Para la visualización de la matriz imagen se utilizan escalas de falso color o escalas monocromáticas.
• En las primeras, a cada valor posible de número de cuentas le corresponde una determinada color mientras que en las monocromáticas le corresponde un cierto nivel de un determinado color.
• Cuando al detector se le añade un colimador es cuando se transforma en un sistema de formación de imágenes que representan la biodistribución del trazador.
• Para ello es necesario que todos los fotones originados en un punto del objeto únicamente puedan ser detectados en un punto del detector.
• El colimador permite conocer la dirección de procedencia de cada fotón detectado, pero no garantiza que en esa dirección se encuentre el átomo que lo ha emitido.
• Para ello, es necesario que no haya habido dispersión entre la emisión y la detección.
• En la dispersión hay pérdida de energía, utilizando en la formación de la imagen únicamente los fotones que no han perdido energía entre la emisión y la detección se supone que el átomo que los ha originado se encuentra en esta dirección.
• Se utiliza la información de energía, que proporciona el detector, para seleccionar los fotones que intervienen en la formación de la imagen, evitando aquellos que hayan sufrido dispersión y el átomo que los ha generado no se encuentra en la dirección definida por el colimador.
• La señal suma de las amplitudes de los TFM se conducen hacia un analizador de impulsos, que permite separar impulsos cuya amplitud se encuentre en una ventana de energía preestablecida que se define de una anchura del 15 al 20% alrededor del fotopico.
• En cuanto al tamaño de las matrices utilizadas para formar la imagen, éstas varían entre 64 × 64 y 256 × 256 elementos.
• Tamaños pequeños de matriz (píxeles de tamaño grande) conllevan una mala determinación de la posición (mala resolución espacial) y una buena estimación de la actividad.
• Tamaños de matriz grandes permiten una buena determinación de la posición (buena resolución espacial) pero producen una gran incertidumbre en el valor de actividad (imagen ruidosa).
• Las imágenes gammagráficas contienen la localización del trazador en un plano y una estimación de la actividad del trazador en cada punto.

Modos de adquisición de imagen

• Con una gammacámara se pueden adquirir diferentes tipos de estudios: 1) estudios estáticos, 2) estudios dinámicos, 3) estudios de cuerpo entero y 4) estudios en modo lista.

Estudio estático

• Es el tipo de estudio más simple es el que consiste en la adquisición de una imagen estática.
• Se trata de recoger la información durante un período de tiempo incluyéndola en una sola matriz o imagen.
• La adquisición puede realizarse durante un intervalo de tiempo prefijado o bien, hasta que se haya recogido un número determinado de sucesos o cuentas.
• Visualiza la distribución espacial del trazador en un momento determinado, la elección de un estudio estático se realiza cuando se trata de obtener la imagen de un trazador que ya se ha distribuido en las diferentes estructuras del organismo.
• Se obtiene una gammagrafía tiroidea con 99mTc-pertecnetato como ejemplo de adquisición estática.

Estudio dinámico

• Se basan en la repetición de una adquisición estática realizada en diferentes intervalos de tiempo, obteniendo de esta forma una secuencia temporal de imágenes.
• Seguir los cambios que se producen en la distribución del trazador, permite estudiar su cinética, así como el funcionalismo de distintos órganos.
• Adquisición dinámica es una secuencia de imágenes gammagráficas de la zona pélvica a razón de una cada 30 segundos obtenida tras la administración intravenosa de 99mTc-MAG3, trazador elimina por vía urinaria, lo que permite estudiar la función renal.

Estudio dinámico sincronizado

• Consiste en la formación de una secuencia temporal de imágenes de un proceso periódico, utilizando una señal fisiológica para sincronizar la adquisición en cada período.
• El uso más frecuente es en el caso de los estudios cardíacos, en el que se toma como señal de sincronización la onda R del electrocardiograma (ECG).
• Las señales que provienen del detector se acumulan en una u otra matriz de la secuencia, según el instante dentro del ciclo cardíaco en el que se produzca la detección de cada fotón.
• Acumulando las señales durante un gran número de ciclos cardíacos se obtienen una serie de imágenes que corresponden a la distribución del trazador en cada uno de los intervalos en que hayamos dividido el ciclo cardíaco.
• La ventriculografía en equilibrio, exploración en la que se administran hematíes autólogos (del propio paciente) marcados con 99mTc y la adquisición se realiza cuando el trazador se ha homogenizado dentro del torrente vascular.

Estudios de cuerpo entero

• Algunos equipos disponen de la posibilidad de adquirir imágenes de cuerpo entero, dotando a la camilla o al detector de un movimiento de traslación durante la adquisición de las imágenes.
• Se obtiene una imagen de un campo mayor que el campo de detección.

Estudios en modo lista

• Es un modo adicional muy flexible pero que consume una gran cantidad de recursos.
• Consiste en almacenar, en la memoria del ordenador, la información de la energía y coordenadas de cada fotón detectado, junto a marcas de tiempo y las señales de sincronismo del ECG en el caso de que se trate de una adquisición sincronizada.
• A partir de esta información, se puede formatear posteriormente en cualquier tamaño de imagen o en una secuencia dinámica.

Causas de degradación de la imagen gammagráfica

• El cabezal detector de una gammacámara no es un sistema de formación de imagen ideal, sino que presenta degradaciones que se producen por causa del diseño y funcionamiento del detector y por causas físicas.

Efectos causados por el sistema detector

• Los valores de posición y energía proporcionados por el detector están sujetos a la aparición de incertidumbres de carácter aleatorio y desviaciones de tipo sistemático.
• Las primeras son consecuencia de las características intrínsecas del propio detector y de los fenómenos aleatorios asociados a los procesos que intervienen en la detección de la radiación, y no pueden corregirse.
• Los segundos reflejan la diferencia entre los valores obtenidos y los reales, y pueden corregirse mediante calibración.

Respuesta en energía

• En el espectro de energía se detectan fotones de 140 keV procedentes de la desintegración de 99mTc.
• El espectro presenta un pico alrededor de 140 keV, fotopico, y una zona contigua de menor amplitud y menor energía corresponde a las interacciones por efecto Compton.
• En la medida de la energía producen el ensanchamiento que se observa en el fotopico, aunque el 99mTc emite únicamente fotones de 140 keV. La anchura determina la resolución intrínseca en energía del detector, que se estima mediante la anchura a la mitad del máximo (FWHM).

Respuesta en posición

• Se observa una en la imagen de un haz fino de fotones dirigido a la posición del cristal dispersión distribución posiciones, lo que se debe a incertidumbres de tipo aleatorio en la medida de la posición.
• Determina la resolución espacial intrínseca del detector, que se parametriza mediante el cálculo de la FWHM sobre un perfil de actividad que pase por el centro de la distribución obtenida.

Uniformidad

• Una vez corregidas las desviaciones en la energía y posición, una imagen de una fuente uniforme no es del todo homogénea por diferencias entre las ganancias de los fotomultiplicadores y a inhomogeneidades en el comportamiento del cristal.

Respuesta temporal

• Los procesos de detección de un fotón, la electrónica, la conversión de las señales analógicas a digitales y la inclusión del suceso en la imagen requieren de un tiempo, durante el cual el sistema detector queda inhabilitado, el tiempo muerto τ.
• La tasa de recuento observada siempre será menor que la tasa de fotones que en realidad interaccionan con el detector, tanto menor cuanto mayor sea la tasa real de fotones que se dirige al detector.
• La interacción de dos fotones en un intervalo de tiempo muy corto puede dar lugar a un solo impulso en cada TFM de forma que tanto la energía como la posición obtenida sean totalmente erróneas: apilamiento ("pile-up").

Efecto del colimador

• Un colimador deja pasar fotones en las direcciones permitidas, pero los fotones de un punto llegan a una zona alrededor del lugar teórico, produce una pérdida de resolución en las imágenes: resolución geométrica og.
• En el caso de un colimador de orificios múltiples paralelos, og es mayor cuanto mayor es la distancia entre el foco emisor y el colimador.
• La resolución espacial del sistema, resolución espacial extrínseca, depende de la resolución espacial intrínseca del detector y del efecto del colimador.

Efectos físicos

• Las degradaciones por efectos físicos se deben a los fenómenos de desintegración radiactiva y de interacción de la radiación con la materia, incluyen:
• Aparición de ruido en las imágenes, la distrubución estadística de Poisson.
• Disminución del número de fotones que llegan al detector debido al efecto de su atenuación en los tejidos del paciente.
• Información errónea debido a la dispersión de fotones.

Ruido

• Debido a que el contenido de cada celdilla de una imagen digital representa el recuento de los fotones detectados en su posición, éste presentará una distribución estadística de Poisson como corresponde a todo recuento radiactivo.
• Como consecuencia, en las imágenes gammagráficas habrá siempre la presencia de un ruido que es inevitable

Atenuación

• Una parte de los fotones que se originan en el interior del paciente y se dirigen a un punto del detector son absorbidos o dispersados por los tejidos que atraviesan, el número de fotones que llegan al detector es inferior al número de fotones emitidos.

Dispersión

• Para que la gammagrafía corresponda a la proyección de la distribución del trazador, debe ocurrir que todos los fotones detectados en cada píxel procedan de la desintegración de algún átomo situado en la línea que, partiendo del píxel, va en la dirección permitida por el colimador.

Tomógrafo de emisión de fotones

• El SPECT consiste en una modificación de una gammacámara de forma que uno o más cabezales detectores giran alrededor de eje central para adquirir una serie de proyecciones de la distribución del trazador en el interior del paciente, obtenidas desde diferentes ángulos.
• A partir de estas proyecciones, mediante el uso de algoritmos de reconstrucción, se obtiene la distribución tridimensional del trazador en el organismo.
• Esta técnica evita el problema de superposición inherente en las imágenes gammagráficas planares.

Adquisición de una secuencia de proyecciones

• El dispositivo tomográfico permite el giro de los cabezales detectores alrededor del paciente según un eje de giro paralelo al eje longitudinal del paciente que se encuentra estirado sobre una camilla.
• Durante la rotación, los cabezales pueden mantener la misma distancia al eje de giro, siguiendo una trayectoria circular alrededor del paciente, también pueden seguir una trayectoria elíptica o irregular resiguiendo el contorno corporal.
• Los detectores, a lo largo de la trayectoria, van adquiriendo una secuencia de proyecciones cada cierto ángulo que dependerá del número de proyecciones que queramos obtener, así como del intervalo angular que se desee cubrir.
• Es suficiente recorrer un ángulo de 180° para poder reconstruir la distribución del trazador, habitualmente la trayectoria alcanza los 360°.

Reconstrucción tomográfica

• Una vez adquiridas las proyecciones, se procede a la reconstrucción de la distribución tridimensional del trazador utilizando algoritmos de reconstrucción tomográfica.
• Se trata de resolver un problema inverso ya que queremos obtener la distribución del trazador en un objeto que ha dado lugar a las proyecciones que se han adquirido con el tomógrafo buscando una distribución tridimensional a partir de proyecciones que son imágenes bidimensionales.
• La forma más extendida de resolver este problema complejo es reduciéndolo a la resolución de múltiples problemas más sencillos consistentes en obtener la distribución del trazador en una sección transaxial del objeto partiendo de la parte de las proyecciones que le corresponde.
• Esta información se agrupa en una imagen que se denomina sinograma, y aplicar a cada sinograma un algoritmo de reconstrucción para obtener secciones transaxiales de la distribución del trazador en la imagen.
• El algoritmo de reconstrucción más utilizado es el de retroproyección filtrada, consistente en retroproyectar las proyecciones previamente filtradas con una función de filtro de rampa.

Causas de degradación de la imagen tomográfica

• Al igual que en gammagrafía planar, diferentes causas afectan a las imágenes de SPECT, cada proyección no es más que una gammagrafía y sufre los mismos efectos descritos: atenuación de fotones, dispersión, respuesta del sistema, etc.
• minimizar los efectos producidos por deficiencias del sistema debe estar correctamente calibrado.
• La atenuación produce un aparente aumento de actividad en la periferia respecto a la parte central de la imagen, afectara a la comparaciön visuak y la cuentificaicón.
• La dispersión Compton contribuye en la reducción en el constrante con la gamma plana.
• El colimador efecto produce un desenfoque global se disminuya si disminuimos el radio de giro de maximo.

Corrección de las degradaciones de la imagen

• Debido a las degradaciones que afectan a las imágenes tomográficas hay que efectuar una corrección, sin embargo para una evalación bisual no se correge o solo la atenuacioan,
• Hay que tener una evaluación cuantitaica para la correcciones.

Corrección de la atenuación

• La atenuacuón es importante para evaluar espect y su correcion par cuantificar loa estudio.
• Se uitlizan mertodos iteratibos para el tejido mas preciso hay que adquier dato y transmison utilizando fuentes de radiaccion externas o rayos X , la distribución de coeficiente e otiene metiante le recontrucción.
• Si disponemos de fuentes lineales de 153 GD podremos tranmitir proyecciones adicionas.
• los sistemas que includyen un CT obtendran una distribuciöbn de ecificiete y podemos fusiona informacion morofologicas que te ofrece el TC, con el funcional de reconstrucciond e imagenes.
• Si correjimos La atenuaci´pondremos corregir los organos de pulumon hueso mucardio que tiene ditiuntos coeficientes.

Corrección de la dispersión

• LA dtección de fotones condice a un degradaci´pond en la calidad imade,
• e imenes spect de 9ym TC se enuentran aprox enttre un 20 y un 40 . POe ello inporta compendarl y el metdo utilzado es le tripe ventana de enegia.

Corrección de respuesta del sistema

• Debe hace rses a traves la matriz de trancicion utilizando el metodo de reconsrucciñpn.