Escáner CAT

Una tomografía computarizada (TC) o un escáner de tomografía axial computarizada (CAT) es una herramienta de imágenes médicas que proporciona imágenes claras de las estructuras internas del cuerpo. Utilizando un haz de rayos X y un detector de radiación, suministra datos a una computadora, que luego construye una imagen tridimensional. El escáner CAT se compone de varios componentes electrónicos complejos, que son producidos por varios subcontratistas y ensamblados en una unidad completa por los fabricantes del escáner. Desarrollado por primera vez a principios de la década de 1970, las constantes mejoras tecnológicas han convertido a este tipo de escáner en un dispositivo de diagnóstico radiológico invaluable.

Historial

La invención del escáner CAT fue posible gracias a Wilhelm Roentgen, quien descubrió los rayos X en 1895. En esa época, varios científicos estaban investigando el movimiento de los electrones a través de un aparato de vidrio conocido como tubo de Crookes. Roentgen quería capturar visualmente la acción de los electrones, por lo que envolvió su tubo Crookes en papel fotográfico negro. Cuando realizó su experimento, notó que una placa recubierta con un material fluorescente, que estaba cerca del tubo, emitía fluorescencia o brillaba. Esto fue inesperado porque no se emitía luz visible desde el tubo envuelto. Tras una mayor investigación, descubrió que, de hecho, había algún tipo de luz invisible producida por este tubo y que podía penetrar materiales como la madera, el aluminio o la piel humana.

Después de este hallazgo inicial, Roentgen se dio cuenta rápidamente de la importancia de su descubrimiento para la medicina. Usando rayos X, determinó que era posible crear una imagen de estructuras debajo de la piel. Para ello publicó la primera radiografía, una imagen de la mano de su esposa. Recibió el primer premio Nobel de física en 1901 por este descubrimiento. El primer uso documentado de rayos X para un diagnóstico real en los Estados Unidos ocurrió en 1896. El Dr. Gilman Frost y su hermano, que era físico, los usaron para determinar la gravedad de las lesiones sufridas por un niño que tenía un patinaje sobre hielo. accidente. Esta radiografía fue tomada en el laboratorio de física de Dartmouth College.

A medida que el campo de la radiografía se expandió, la tecnología de rayos X mejoró constantemente. Una de las principales limitaciones de los rayos X convencionales era que carecían de profundidad; por tanto, muchas estructuras internas se superpusieron entre sí. Con la ayuda de computadoras, los científicos desarrollaron métodos para resolver este problema. Uno de estos métodos fue la tomografía computarizada (TC) o la tomografía axial computarizada (TAC). El primer escáner CAT fue demostrado en 1970 por Godfrey Hounsfield y Allen Cormack. Durante las siguientes dos décadas, se realizaron avances significativos en el diseño de escáneres, que dieron como resultado los escáneres de imágenes de alta calidad que se utilizan en la actualidad.

Antecedentes

Los escáneres TAC, como todas las demás máquinas de rayos X, emplean rayos X para producir imágenes de las estructuras internas del cuerpo. Los rayos X son un tipo de radiación ionizante que es capaz de penetrar materiales sólidos en diferentes grados, dependiendo de su densidad y espesor. En radiología convencional, una imagen se produce colocando un detector, como una película fotográfica, detrás del paciente y luego dirigiendo un haz de rayos X hacia él. La radiación atraviesa el cuerpo del paciente e interactúa con la película. Dado que los rayos X que inciden en la película producen áreas oscuras después del procesamiento, las estructuras corporales que son fácilmente penetradas por los rayos X, como la piel, se muestran como regiones oscuras. Otras estructuras, como los músculos, los tejidos blandos y los órganos, permiten diferentes cantidades de rayos X a través de ellos y se muestran como áreas grises. Los huesos, que no permiten que los rayos X los atraviesen, aparecen como áreas blancas brillantes.

Las imágenes producidas por rayos X de película convencional suelen ser borrosas porque muchas de las estructuras internas se superponen entre sí. La tomografía se desarrolló para reducir esta confusión y permitir la obtención de imágenes de áreas específicas del cuerpo. Los primeros métodos tomográficos implicaban el movimiento simultáneo del generador de rayos X y la película de detección en direcciones opuestas. A medida que las dos unidades se mueven horizontalmente, solo las estructuras corporales que se encuentran en un plano geométrico específico permitirán que los rayos X pasen consistentemente a través del detector. De esta manera, estas estructuras se muestran claramente en la película, mientras que las estructuras externas al plano se difuminan. La imagen que produce este tipo de radiología es paralela al eje longitudinal del cuerpo.

La tomografía axial computarizada y la tomografía transaxial computarizada representan una forma más compleja y mejorada de tomografía convencional. Las imágenes se producen girando el generador de rayos X y los detectores alrededor del paciente en un círculo. La cantidad de radiación remanente atenuada emitida por el cuerpo en varios ángulos se mide y se envía a una computadora en lugar de registrarse directamente en una película. Luego, la computadora ejecuta una serie de algoritmos complejos para reconstruir la imagen, que luego se puede mostrar en un monitor. A diferencia de la tomografía convencional, la imagen producida por la tomografía transaxial computarizada es una sección transversal del cuerpo y se denomina imagen transaxial porque es perpendicular al eje longitudinal del cuerpo.

Los rayos X se denominan radiación ionizante porque pueden interactuar y cambiar ciertos tipos de materia, como las moléculas del cuerpo. Si bien este es sin duda un riesgo significativo para la salud de los seres humanos, los beneficios del uso de rayos X en la medicina son abrumadores. Sin embargo, los trabajadores del campo médico tienen cuidado de limitar la cantidad de exposición para ellos mismos y los pacientes.

Diseño

El escáner CAT se compone de tres sistemas principales, incluido el pórtico, la computadora y la consola operativa. Cada uno de estos se compone de varios subcomponentes. El conjunto de pórtico es el más grande de estos sistemas. Está compuesto por todo el equipamiento relacionado con el paciente, incluido el soporte del paciente, la camilla de posicionamiento, los soportes mecánicos y la carcasa del escáner. También contiene el corazón del escáner CAT, el tubo de rayos X, así como detectores que generan y detectan rayos X.

El tubo de rayos X es un tipo especial de diodo eléctrico sellado al vacío que está diseñado para emitir rayos X. Está formado por dos electrodos, el cátodo y el ánodo. Para producir rayos X, un filamento en el cátodo se carga con electricidad de un generador de alto voltaje. Esto hace que el filamento se caliente y emita electrones. Usando su atracción natural y una copa de enfoque especial, los electrones viajan directamente hacia el ánodo cargado positivamente. Los rayos X se emiten indiscriminadamente cuando los electrones golpean el ánodo. El ánodo, que puede estar girando o no, luego conduce la electricidad de regreso al generador de alto voltaje para completar el circuito. Para enfocar los rayos X en un haz, el tubo de rayos X está contenido dentro de una carcasa protectora. Esta carcasa está revestida de plomo a excepción de una pequeña ventana en la parte inferior. Los rayos X útiles pueden escapar por esta ventana, mientras que el plomo evita el escape de la radiación parásita en otras direcciones.

A diferencia de otros dispositivos radiológicos, los detectores de un escáner CAT no miden los rayos X directamente. Miden la radiación atenuada de las estructuras corporales debido a su interacción con los rayos X. Un tipo de detector es un detector lleno de gas ideal. Cuando la radiación incide sobre uno de estos detectores, el gas se ioniza y se puede determinar un nivel de radiación.

La computadora está especialmente diseñada para recolectar y analizar la entrada del detector. Es una computadora de gran capacidad capaz de realizar miles de ecuaciones simultáneamente. La velocidad de reconstrucción y la calidad de la imagen dependen del microprocesador y la memoria interna de la computadora. A computadora rápida es particularmente importante porque influye en gran medida en la velocidad y eficiencia del examen. Dado que la computadora es tan especializada, requiere una habitación con un entorno estrictamente controlado. Por ejemplo, la temperatura se mantiene típicamente por debajo de 68 ° F (20 ° C) y la humedad está por debajo del 30%.

La consola operativa es el centro de control principal del escáner CAT. Se utiliza para ingresar todos los factores relacionados con la realización de un escaneo. Normalmente, esta consola está formada por una computadora, un teclado y varios monitores. A menudo hay dos consolas de control diferentes, una utilizada por el operador del escáner CAT y la otra utilizada por el médico. La consola del operador controla variables tales como el grosor del corte de tejido de la imagen, el movimiento mecánico de la camilla del paciente y otros factores de la técnica radiográfica. La consola de visualización del médico le permite al médico ver la imagen sin interferir con el funcionamiento normal del escáner. También permite la manipulación de imágenes, si es necesario para el diagnóstico y el almacenamiento de imágenes para su uso posterior. Para este tipo de almacenamiento de datos, se encuentran disponibles cintas magnéticas o disquetes.

El diseño de un escáner CAT mejoró gradualmente con el tiempo. Los escáneres CAT originales utilizaban un haz de rayos X delgado en forma de lápiz y tomaban 180 lecturas, una en cada grado de rotación alrededor de un semicírculo. El generador de rayos X y los detectores se movieron horizontalmente para cada escaneo y luego se giraron un grado para tomar el siguiente escaneo. Se utilizaron dos detectores, por lo que se pudieron generar dos imágenes diferentes de cada escaneo. El inconveniente de este sistema eran los tiempos de exploración prolongados. Un solo escaneo puede demorar hasta cinco minutos. Los diseños mejoraron a medida que se agregaron más detectores y el haz de rayos X se desplegó utilizando un filtro especial. Esto redujo significativamente el tiempo de exploración a unos 20 segundos. La siguiente gran mejora de diseño resultó en la eliminación del movimiento horizontal del generador y el detector, convirtiéndolo en un escáner de solo rotación. Se agregaron más detectores y se agruparon en una matriz de detectores curvilíneos. La matriz de detectores finalmente se diseñó para ser estacionaria y el tiempo de exploración resultante se redujo a un segundo.

Materias primas

Se utiliza una amplia variedad de materiales, como acero, vidrio y plástico, para construir los componentes de un escáner CAT. Algunos de los compuestos más especializados se pueden encontrar en la camilla del paciente, la matriz de detectores y el tubo de rayos X. La camilla del paciente generalmente está hecha de fibra de carbono para evitar que interfiera con la transmisión del haz de rayos X. Los escáneres TAC utilizan tecnología de rayos X para crear imágenes tridimensionales de las estructuras internas del cuerpo. Las imágenes se obtienen girando el generador de rayos X y los detectores alrededor del paciente. Esta información se introduce en una computadora, que reconstruye imágenes de las estructuras corporales dentro de su plano de enfoque. La matriz de detectores de los escáneres más modernos utiliza placas de tungsteno, un sustrato de cerámica y gas xenón. El tungsteno también se usa para hacer que el cátodo y el haz de electrones sean el objetivo del tubo de rayos X. Otros materiales que se encuentran en el tubo son Pyrex. aleaciones de vidrio, cobre y tungsteno. En muchas partes del sistema de escáner CAT, se puede encontrar plomo, lo que reduce la cantidad de exceso de radiación.

El
proceso de fabricación

La fabricación de escáneres CAT suele consistir en un conjunto de varios componentes suministrados por fabricantes externos. El siguiente proceso analiza cómo se producen los componentes principales.

Componentes del ensamblaje del pórtico

• 1 El tubo de rayos X se fabrica de manera muy similar a otros tipos de diodos eléctricos. Los componentes individuales, incluidos el cátodo y el ánodo, se colocan dentro de la envoltura del tubo y se sellan al vacío. Luego, el tubo se coloca en la carcasa protectora, que luego se puede unir a la parte giratoria del marco del escáner.
• 2 Hay varios conjuntos de detectores disponibles para escáneres CAT. Un tipo de matriz de detectores es el detector lleno de gas ideal. Esto se hace colocando tiras de tungsteno a una distancia de 1 mm (0,04 pulgadas) alrededor de un marco metálico grande. Un sustrato cerámico mantiene las tiras en su lugar. Todo el conjunto está sellado herméticamente y se llena a presión con un gas inerte como el xenón. Cada una de las diminutas cámaras formadas por los espacios entre las placas de tungsteno son detectores individuales. El detector terminado también se adjunta al marco del escáner.
• 3 Para crear la gran cantidad de voltaje necesaria para producir rayos X, se utiliza un autotransformador. Este dispositivo de suministro de energía se fabrica enrollando un cable alrededor de un núcleo. Las conexiones de los grifos eléctricos se realizan en varios puntos a lo largo de la bobina y se conectan a la fuente de alimentación principal. Con este dispositivo, el voltaje de salida se puede aumentar a aproximadamente el doble del voltaje de entrada.

Consola de control y computadora

• 4 La consola de control y la computadora están especialmente diseñadas y suministradas por los fabricantes de computadoras. La computadora de construcción del modelo principal está programada específicamente con los algoritmos de reconstrucción necesarios para manipular los datos de rayos X del ensamblaje del pórtico. Las consolas de control también están programadas con software para controlar la administración del escaneo CAT.

Montaje final

• 5 El ensamblaje final del escáner CAT es un proceso personalizado que a menudo tiene lugar en la instalación de imágenes radiológicas. Las habitaciones están especialmente diseñadas para albergar cada componente y minimizar la posibilidad de exposición excesiva a la radiación o descargas eléctricas. Siguiendo los planos específicos, se completa la instalación del equipo y el cableado de todo el sistema de escáner CAT.

Control de calidad

Como ocurre con todos los equipos electrónicos, las pruebas de control de calidad son una parte importante de la fabricación de escáneres CAT. Los fabricantes de escáneres generalmente confían en sus proveedores para realizar pruebas de calidad básicas en los componentes entrantes. Cuando se ensamblan las secciones del escáner, se realizan inspecciones visuales y eléctricas durante todo el proceso para detectar fallas. Además de las especificaciones de calidad establecidas por los fabricantes, la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) tiene regulaciones que requieren que los fabricantes realicen pruebas de control de calidad específicas. Ejemplos de estas pruebas incluyen pruebas de calibración del tubo de rayos X, pruebas mecánicas de la mesa del paciente y pruebas de estandarización del resultado visual.

El futuro

La investigación para los escáneres TAC futuros se centra en cuatro objetivos básicos, incluida la producción de imágenes de mejor calidad, la reducción de la exposición a la radiación del paciente, la optimización de los algoritmos de reconstrucción por computadora y la mejora del diseño del escáner TAC. Ya se han intentado varios métodos para lograr estos objetivos. Para mejorar la calidad de la imagen, algunos escáneres incorporan movimientos únicos del tubo de rayos X, el detector o ambos. Otros cambian la posición del paciente. Se están desarrollando escáneres más rápidos para reducir el tiempo de exposición del paciente. Se han desarrollado diferentes tipos de algoritmos informáticos para una variedad de exámenes. Es probable que los escáneres TAC futuros incorporen la mayoría de estos nuevos desarrollos, junto con un tubo de rayos X de rotación continua y detectores para proporcionar el procedimiento de obtención de imágenes más claro y seguro posible.