Tomografía por emisión de positrones
Técnica de imágenes médicas

Tomografía por emisión de positrones
Escáner PET cardíaco
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La tomografía por emisión de positrones ( PET ) [1] es una técnica de obtención de imágenes funcionales que utiliza sustancias radiactivas conocidas como radiotrazadores para visualizar y medir los cambios en los procesos metabólicos y en otras actividades fisiológicas , como el flujo sanguíneo , la composición química regional y la absorción. Se utilizan diferentes trazadores para diversos fines de obtención de imágenes, según el proceso objetivo dentro del cuerpo.

Por ejemplo:

La PET es una técnica de imagen común , una técnica de centellografía médica utilizada en medicina nuclear . Se inyecta un radiofármaco (un radioisótopo unido a un fármaco) en el cuerpo como trazador . Cuando el radiofármaco sufre una desintegración beta plus , se emite un positrón , y cuando el positrón interactúa con un electrón ordinario, las dos partículas se aniquilan y se emiten dos rayos gamma en direcciones opuestas. [2] Estos rayos gamma son detectados por dos cámaras gamma para formar una imagen tridimensional.

Los escáneres PET pueden incorporar un escáner de tomografía computarizada (TC) y se conocen como escáneres PET-TC . Las imágenes de la tomografía PET se pueden reconstruir utilizando una tomografía computarizada realizada con un escáner durante la misma sesión.

Una de las desventajas de un escáner PET es su alto costo inicial y los costos operativos continuos. [3]

Usos

La PET es una herramienta médica y de investigación que se utiliza en entornos preclínicos y clínicos. Se utiliza mucho en la obtención de imágenes de tumores y la búsqueda de metástasis en el campo de la oncología clínica , y para el diagnóstico clínico de ciertas enfermedades cerebrales difusas, como las que causan varios tipos de demencias . La PET es una valiosa herramienta de investigación para aprender y mejorar nuestro conocimiento del cerebro humano normal, la función cardíaca y apoyar el desarrollo de fármacos. La PET también se utiliza en estudios preclínicos con animales. Permite realizar investigaciones repetidas en los mismos sujetos a lo largo del tiempo, donde los sujetos pueden actuar como su propio control y reduce sustancialmente el número de animales necesarios para un estudio determinado. Este enfoque permite que los estudios de investigación reduzcan el tamaño de muestra necesario al tiempo que aumentan la calidad estadística de sus resultados. [ cita requerida ]

Los procesos fisiológicos provocan cambios anatómicos en el cuerpo. Dado que la PET es capaz de detectar procesos bioquímicos, así como la expresión de algunas proteínas, la PET puede proporcionar información a nivel molecular mucho antes de que se hagan visibles los cambios anatómicos. La exploración PET logra esto mediante el uso de sondas moleculares radiomarcadas que tienen diferentes tasas de captación según el tipo y la función del tejido involucrado. La captación regional del trazador en varias estructuras anatómicas se puede visualizar y cuantificar relativamente en términos del emisor de positrones inyectado dentro de una exploración PET. [ cita requerida ]

La mejor manera de obtener imágenes PET es utilizando un escáner PET dedicado. También es posible obtener imágenes PET utilizando una gammacámara convencional de dos cabezales equipada con un detector de coincidencia. La calidad de las imágenes PET con gammacámara es menor y las exploraciones tardan más en obtenerse. Sin embargo, este método permite una solución in situ de bajo costo para instituciones con baja demanda de exploraciones PET. Una alternativa sería derivar a estos pacientes a otro centro o confiar en la visita de un escáner móvil.

Los métodos alternativos de obtención de imágenes médicas incluyen la tomografía computarizada por emisión monofotónica (SPECT), la tomografía computarizada (TC), la resonancia magnética (RM) y la resonancia magnética funcional (RMf) y la ecografía . La SPECT es una técnica de obtención de imágenes similar a la PET que utiliza radioligandos para detectar moléculas en el cuerpo. La SPECT es menos costosa y proporciona una calidad de imagen inferior a la PET.

Oncología

Tomografía por emisión de positrones de cuerpo entero con 18 F-FDG ( fluorodesoxiglucosa ). Se observan el cerebro y los riñones normales y en la vejiga se observa orina radiactiva procedente de la descomposición de la FDG. Además, se observa una gran masa tumoral metastásica de cáncer de colon en el hígado.

La tomografía por emisión de positrones (PET) con el radiotrazador [ 18F ]fluorodesoxiglucosa (FDG) se utiliza ampliamente en oncología clínica. La FDG es un análogo de la glucosa que es captado por las células que utilizan glucosa y fosforilado por la hexoquinasa (cuya forma mitocondrial está significativamente elevada en tumores malignos de rápido crecimiento ). [4] El atrapamiento metabólico de la molécula de glucosa radiactiva permite utilizar la tomografía por emisión de positrones. Las concentraciones del trazador FDG visualizado indican la actividad metabólica tisular, ya que corresponde a la captación regional de glucosa. La FDG se utiliza para explorar la posibilidad de que el cáncer se propague a otros sitios del cuerpo ( metástasis del cáncer ). Estas tomografías por emisión de positrones con FDG para detectar la metástasis del cáncer son las más comunes en la atención médica estándar (representan el 90% de las exploraciones actuales). El mismo trazador también se puede utilizar para el diagnóstico de tipos de demencia . Con menos frecuencia, se utilizan otros trazadores radiactivos , generalmente pero no siempre marcados con flúor-18 ( 18F ), para obtener imágenes de la concentración tisular de diferentes tipos de moléculas de interés dentro del cuerpo. [ cita requerida ]

Una dosis típica de FDG utilizada en una exploración oncológica tiene una dosis de radiación efectiva de 7,6  mSv . [5] Debido a que el grupo hidroxi que se reemplaza por flúor-18 para generar FDG es necesario para el siguiente paso en el metabolismo de la glucosa en todas las células, no se producen más reacciones en la FDG. Además, la mayoría de los tejidos (con la notable excepción del hígado y los riñones) no pueden eliminar el fosfato añadido por la hexoquinasa. Esto significa que la FDG queda atrapada en cualquier célula que la absorba hasta que se descompone, ya que los azúcares fosforilados , debido a su carga iónica, no pueden salir de la célula. Esto da como resultado un marcado radiactivo intenso de los tejidos con alta captación de glucosa, como el cerebro normal, el hígado, los riñones y la mayoría de los cánceres, que tienen una mayor captación de glucosa que la mayoría de los tejidos normales debido al efecto Warburg . Como resultado, la FDG-PET se puede utilizar para el diagnóstico, la estadificación y el seguimiento del tratamiento de los cánceres, en particular del linfoma de Hodgkin , [6] el linfoma no Hodgkin , [7] y el cáncer de pulmón . [8] [9] [10]

Una revisión de 2020 de la investigación sobre el uso de PET para el linfoma de Hodgkin encontró evidencia de que los hallazgos negativos en las exploraciones PET provisionales están relacionados con una mayor supervivencia general y supervivencia libre de progresión ; sin embargo, la certeza de la evidencia disponible fue moderada para la supervivencia y muy baja para la supervivencia libre de progresión. [11]

Se están introduciendo lentamente otros isótopos y radiotrazadores en la oncología para fines específicos. Por ejemplo,El metomidato marcado con 11 C (11C-metomidato) se ha utilizado para detectar tumores de origen adrenocortical . [12] [13] Además, la PET/CT con fluorodopa (FDOPA) (también llamada PET/CT con F-18-DOPA) ha demostrado ser una alternativa más sensible para encontrar y también localizar el feocromocitoma que la exploración con iobenguanina (MIBG). [14] [15] [16]

Neuroimagen

Neurología

Tomografía por emisión de positrones (PET) del cerebro humano

La tomografía por emisión de positrones con oxígeno-15 mide indirectamente el flujo sanguíneo al cerebro. En este método, el aumento de la señal de radiactividad indica un aumento del flujo sanguíneo, que se supone que está relacionado con el aumento de la actividad cerebral. Debido a su vida media de 2 minutos , el oxígeno-15 debe ser conducido directamente desde un ciclotrón médico para tales usos, lo cual es difícil. [17]

La tomografía por emisión de positrones (PET) con FDG aprovecha el hecho de que el cerebro normalmente utiliza glucosa con rapidez. La PET con FDG estándar del cerebro mide el uso regional de glucosa y puede utilizarse en el diagnóstico neuropatológico.

Las patologías cerebrales como la enfermedad de Alzheimer (EA) reducen en gran medida el metabolismo cerebral tanto de la glucosa como del oxígeno en tándem. Por lo tanto, la PET con FDG del cerebro también se puede utilizar para diferenciar con éxito la enfermedad de Alzheimer de otros procesos demenciales, y también para realizar diagnósticos tempranos de la enfermedad de Alzheimer. La ventaja de la PET con FDG para estos usos es su disponibilidad mucho más amplia. Algunos trazadores radiactivos basados ​​en flúor-18 utilizados para el Alzheimer incluyen florbetapir , flutemetamol , compuesto B de Pittsburgh (PiB) y florbetaben , que se utilizan para detectar placas de beta-amiloide , un biomarcador potencial para el Alzheimer en el cerebro. [18]

La obtención de imágenes PET con FDG también se puede utilizar para la localización del "foco convulsivo". Un foco convulsivo aparecerá como hipometabólico durante una exploración interictal. [19] Se han desarrollado varios radiotrazadores (es decir, radioligandos) para PET que son ligandos para subtipos específicos de neurorreceptores como [ 11 C] racloprida , [ 18 F] falyprida y [ 18 F] desmetoxifalyprida para los receptores de dopamina D 2 / D 3 ; [ 11 C] McN5652 y [ 11 C] DASB para los transportadores de serotonina ; [ 18 F] mefway para los receptores de serotonina 5HT 1A ; y [ 18 F] nifeno para los receptores nicotínicos de acetilcolina o sustratos enzimáticos (por ejemplo, 6- FDOPA para la enzima AADC ). Estos agentes permiten la visualización de grupos de neurorreceptores en el contexto de una pluralidad de enfermedades neuropsiquiátricas y neurológicas.

La PET también puede utilizarse para el diagnóstico de la esclerosis hipocampal , que causa epilepsia. La FDG y los trazadores menos comunes flumazenil y MPPF se han explorado para este propósito. [20] [21] Si la esclerosis es unilateral (hipocampo derecho o hipocampo izquierdo), la captación de FDG se puede comparar con el lado sano. Incluso si el diagnóstico es difícil con la RMN, se puede diagnosticar con PET. [22] [23]

El desarrollo de una serie de nuevas sondas para la obtención de imágenes PET in vivo no invasivas de neuroagregados en el cerebro humano ha acercado la obtención de imágenes de amiloide al uso clínico. Las primeras sondas de obtención de imágenes de amiloide incluyeron [ 18 F]FDDNP [24] desarrollado en la Universidad de California, Los Ángeles y el compuesto B de Pittsburgh (PiB) [25] desarrollado en la Universidad de Pittsburgh . Estas sondas permiten la visualización de placas amiloides en los cerebros de pacientes con Alzheimer y podrían ayudar a los médicos a realizar un diagnóstico clínico positivo de EA pre-mortem y ayudar en el desarrollo de nuevas terapias anti-amiloide. [ 11 C] polimetilpenteno (PMP) es un nuevo radiofármaco utilizado en la obtención de imágenes PET para determinar la actividad del sistema de neurotransmisores acetilcolinérgicos al actuar como sustrato para la acetilcolinesterasa . El examen post mortem de pacientes con EA ha mostrado niveles disminuidos de acetilcolinesterasa. [ 11 C]PMP se utiliza para mapear la actividad de la acetilcolinesterasa en el cerebro, lo que podría permitir diagnósticos premortem de EA y ayudar a monitorear los tratamientos para la EA. [26] Avid Radiopharmaceuticals ha desarrollado y comercializado un compuesto llamado florbetapir que utiliza el radionúclido flúor-18 de mayor duración para detectar placas amiloides mediante exploraciones PET. [27]

Neuropsicología o neurociencia cognitiva

Examinar los vínculos entre procesos o trastornos psicológicos específicos y la actividad cerebral.

Psiquiatría

Numerosos compuestos que se unen selectivamente a neurorreceptores de interés en psiquiatría biológica han sido radiomarcados con C-11 o F-18. Los radioligandos que se unen a los receptores de dopamina ( D 1 , [28] D 2 , [29] [30] transportador de recaptación), receptores de serotonina ( 5HT 1A , 5HT 2A , transportador de recaptación), receptores opioides ( mu y kappa ), receptores colinérgicos (nicotínicos y muscarínicos ) y otros sitios se han utilizado con éxito en estudios con sujetos humanos. Se han realizado estudios que examinan el estado de estos receptores en pacientes en comparación con controles sanos en esquizofrenia , abuso de sustancias , trastornos del estado de ánimo y otras condiciones psiquiátricas. [ cita requerida ]

Cirugía estereotáxica y radiocirugía

La PET también se puede utilizar en cirugía guiada por imágenes para el tratamiento de tumores intracraneales, malformaciones arteriovenosas y otras afecciones tratables quirúrgicamente. [31]

Cardiología

Estudio de cardiología , aterosclerosis y enfermedades vasculares: la PET con FDG puede ayudar a identificar el miocardio hibernado . Sin embargo, no está clara la relación coste-eficacia de la PET para esta función en comparación con la SPECT . La obtención de imágenes PET con FDG de la aterosclerosis para detectar pacientes con riesgo de accidente cerebrovascular también es factible. Además, puede ayudar a probar la eficacia de nuevas terapias contra la aterosclerosis. [32]

Enfermedades infecciosas

La obtención de imágenes de infecciones con tecnologías de imágenes moleculares puede mejorar el diagnóstico y el seguimiento del tratamiento. Clínicamente, la PET se ha utilizado ampliamente para obtener imágenes de infecciones bacterianas utilizando FDG para identificar la respuesta inflamatoria asociada a la infección. Se han desarrollado tres agentes de contraste PET diferentes para obtener imágenes de infecciones bacterianas in vivo: [ 18 F] maltosa , [33] [ 18 F] maltohexaosa y [ 18 F] 2-fluorodesoxi sorbitol (FDS). [34] El FDS tiene el beneficio adicional de poder dirigirse solo a Enterobacteriaceae .

Estudios de biodistribución

En los ensayos preclínicos, un nuevo fármaco puede marcarse con radioisótopos e inyectarse en animales. Estos estudios se denominan estudios de biodistribución. La información sobre la absorción, retención y eliminación del fármaco a lo largo del tiempo se puede obtener de forma rápida y económica en comparación con la técnica más antigua de matar y diseccionar a los animales. Habitualmente, la ocupación del fármaco en un supuesto sitio de acción se puede inferir indirectamente mediante estudios de competencia entre el fármaco no marcado y los compuestos marcados con radioisótopos para unirse con especificidad al sitio. De esta forma se puede utilizar un único radioligando para probar muchos candidatos potenciales a fármacos para el mismo objetivo. Una técnica relacionada implica la lectura con radioligandos que compiten con una sustancia endógena (de origen natural) en un receptor determinado para demostrar que un fármaco provoca la liberación de la sustancia natural. [35]

Imágenes de animales pequeños

Se ha construido un PET animal en miniatura que es lo suficientemente pequeño como para escanear una rata completamente consciente. [36] Este RatCAP (PET animal consciente de ratas) permite escanear animales sin los efectos desconcertantes de la anestesia . Los escáneres PET diseñados específicamente para obtener imágenes de roedores , a menudo denominados microPET, así como los escáneres para primates pequeños , se comercializan para investigación académica y farmacéutica. Los escáneres se basan en centelleadores microminiatura y fotodiodos de avalancha amplificados (APD) a través de un sistema que utiliza fotomultiplicadores de silicio de un solo chip . [1]

En 2018, la Facultad de Medicina Veterinaria de la UC Davis se convirtió en el primer centro veterinario en emplear un pequeño escáner PET clínico como escáner para el diagnóstico clínico (en lugar de para la investigación) de animales. Debido al costo, así como a la utilidad marginal de detectar metástasis de cáncer en animales de compañía (el uso principal de esta modalidad), se espera que la exploración PET veterinaria esté raramente disponible en el futuro inmediato. [ cita requerida ]

Imágenes musculoesqueléticas

La tomografía por emisión de positrones se ha utilizado para obtener imágenes de músculos y huesos. La FDG es el trazador más utilizado para obtener imágenes de músculos, y el NaF-F18 es el trazador más utilizado para obtener imágenes de huesos.

Musculatura

La PET es una técnica viable para estudiar los músculos esqueléticos durante el ejercicio. [37] Además, la PET puede proporcionar datos de activación muscular sobre músculos profundos (como el vasto intermedio y el glúteo menor ) en comparación con técnicas como la electromiografía , que solo se pueden utilizar en músculos superficiales directamente debajo de la piel. Sin embargo, una desventaja es que la PET no proporciona información temporal sobre la activación muscular porque debe medirse después de completar el ejercicio. Esto se debe al tiempo que tarda la FDG en acumularse en los músculos activados. [ cita requerida ]

Huesos

Junto con el fluoruro de sodio [ 18F ], la PET para la obtención de imágenes óseas se ha utilizado durante 60 años para medir el metabolismo óseo regional y el flujo sanguíneo mediante exploraciones estáticas y dinámicas. Recientemente, los investigadores han comenzado a utilizar también el fluoruro de sodio [ 18F ] para estudiar la metástasis ósea. [38]

Seguridad

La tomografía por emisión de positrones (PET) no es invasiva, pero implica exposición a radiación ionizante . [3] La FDG, que ahora es el radiotrazador estándar utilizado para la neuroimagen por PET y el tratamiento de pacientes con cáncer, [39] tiene una dosis de radiación efectiva de 14  mSv . [5]

La cantidad de radiación en FDG es similar a la dosis efectiva de pasar un año en la ciudad estadounidense de Denver, Colorado (12,4 mSv/año). [40] A modo de comparación, la dosis de radiación para otros procedimientos médicos varía de 0,02 mSv para una radiografía de tórax y 6,5-8 mSv para una tomografía computarizada de tórax. [41] [42] Las tripulaciones de aviones civiles promedio están expuestas a 3 mSv/año, [43] y el límite de dosis ocupacional de cuerpo entero para los trabajadores de energía nuclear en los EE. UU. es de 50 mSv/año. [44] Para la escala, consulte Órdenes de magnitud (radiación) .

En el caso de la tomografía por emisión de positrones (PET-CT), la exposición a la radiación puede ser considerable (alrededor de 23 a 26 mSv para una persona de 70 kg; es probable que la dosis sea mayor para pesos corporales más elevados). [45] [46]

Operación

Radionucleidos y radiotrazadores

Vista esquemática de un bloque detector y un anillo de un escáner PET
Isótopos utilizados en exploraciones PET
Isótopo11 C13 N15 O18 F68 Ga64 pies cúbicos52 Mn55 Compañía89 Zr82 rublos
Vida media20 minutos10 minutos2 minutos110 minutos67,81 minutos12,7 horas5,6 días17,5 horas78,4 horas [47]1,3 minutos

Los radionúclidos se incorporan a compuestos que el cuerpo utiliza normalmente, como la glucosa (o análogos de la glucosa), el agua o el amoníaco , o a moléculas que se unen a receptores u otros sitios de acción de los fármacos. Estos compuestos marcados se conocen como radiotrazadores . La tecnología PET se puede utilizar para rastrear la vía biológica de cualquier compuesto en seres humanos vivos (y también en muchas otras especies), siempre que pueda marcarse radiactivamente con un isótopo PET. Por lo tanto, los procesos específicos que se pueden investigar con PET son prácticamente ilimitados y se siguen sintetizando radiotrazadores para nuevas moléculas y procesos objetivo. En el momento de escribir este artículo, ya hay docenas en uso clínico y cientos aplicados en investigación. En 2020, el radiotrazador más utilizado en la exploración PET clínica es el derivado de carbohidratos FDG. Este radiotrazador se utiliza en prácticamente todas las exploraciones oncológicas y en la mayoría de las exploraciones neurológicas, por lo que constituye la gran mayoría de los radiotrazadores (> 95 %) utilizados en la exploración PET y PET-CT.

Debido a la corta vida media de la mayoría de los radioisótopos emisores de positrones, los radiotrazadores se han producido tradicionalmente utilizando un ciclotrón en las proximidades de las instalaciones de obtención de imágenes PET. La vida media del flúor-18 es lo suficientemente larga como para que los radiotrazadores marcados con flúor-18 puedan fabricarse comercialmente en lugares externos y enviarse a centros de obtención de imágenes. Recientemente, se han comercializado generadores de rubidio-82 . [48] Estos contienen estroncio-82, que se desintegra por captura de electrones para producir rubidio-82, que emite positrones.

Se ha revisado el uso de isótopos de metales emisores de positrones en exploraciones PET, incluidos elementos no enumerados anteriormente, como los lantánidos. [49]

Inmuno-PET

El isótopo 89 Zr se ha aplicado al seguimiento y cuantificación de anticuerpos moleculares con cámaras PET (un método llamado "inmuno-PET"). [50] [51] [52]

La semivida biológica de los anticuerpos suele ser del orden de días; véase daclizumab y erenumab a modo de ejemplo. Para visualizar y cuantificar la distribución de dichos anticuerpos en el organismo, el isótopo PET 89 Zr es muy adecuado porque su semivida física coincide con la semivida biológica típica de los anticuerpos; véase la tabla anterior.

Emisión

Esquema de un proceso de adquisición PET

Para realizar la exploración, se inyecta en el sujeto vivo (normalmente en la circulación sanguínea) un isótopo trazador radiactivo de corta duración . Cada átomo trazador se ha incorporado químicamente a una molécula biológicamente activa. Hay un período de espera mientras la molécula activa se concentra en los tejidos de interés. A continuación, se coloca al sujeto en el escáner de imágenes. La molécula que se utiliza con más frecuencia para este fin es la FDG, un azúcar, para la que el período de espera suele ser de una hora. Durante la exploración, se realiza un registro de la concentración tisular a medida que el trazador se desintegra.

A medida que el radioisótopo sufre una desintegración por emisión de positrones (también conocida como desintegración beta positiva ), emite un positrón, una antipartícula del electrón con carga opuesta. El positrón emitido viaja en el tejido una corta distancia (normalmente menos de 1 mm, pero depende del isótopo [53] ), durante la cual pierde energía cinética, hasta que desacelera hasta un punto en el que puede interactuar con un electrón. [54] El encuentro aniquila tanto el electrón como el positrón, produciendo un par de fotones de aniquilación ( gamma ) que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas. Estos se detectan cuando alcanzan un centelleador en el dispositivo de escaneo, creando una ráfaga de luz que es detectada por tubos fotomultiplicadores o fotodiodos de avalancha de silicio (Si APD). La técnica depende de la detección simultánea o coincidente del par de fotones que se mueven en direcciones aproximadamente opuestas (estarían exactamente opuestos en su marco de centro de masa , pero el escáner no tiene forma de saberlo, y por eso tiene una ligera tolerancia de error de dirección incorporada). Los fotones que no llegan en "pares" temporales (es decir, dentro de una ventana temporal de unos pocos nanosegundos) se ignoran.

Localización del evento de aniquilación de positrones

La fracción más significativa de aniquilaciones electrón-positrón resulta en dos fotones gamma de 511 keV emitidos a casi 180 grados uno del otro. Por lo tanto, es posible localizar su fuente a lo largo de una línea recta de coincidencia (también llamada línea de respuesta o LOR ). En la práctica, la LOR tiene un ancho distinto de cero ya que los fotones emitidos no están exactamente separados por 180 grados. Si el tiempo de resolución de los detectores es menor de 500 picosegundos en lugar de aproximadamente 10 nanosegundos , es posible localizar el evento en un segmento de una cuerda , cuya longitud está determinada por la resolución de tiempo del detector. A medida que mejora la resolución de tiempo, la relación señal-ruido (SNR) de la imagen mejorará, requiriendo menos eventos para lograr la misma calidad de imagen. Esta tecnología aún no es común, pero está disponible en algunos sistemas nuevos. [55]

Reconstrucción de imágenes

Los datos brutos recopilados por un escáner PET son una lista de "eventos coincidentes" que representan la detección casi simultánea (normalmente, en un intervalo de 6 a 12 nanosegundos entre sí) de fotones de aniquilación por un par de detectores. Cada evento coincidente representa una línea en el espacio que conecta los dos detectores a lo largo de los cuales se produjo la emisión de positrones (es decir, la línea de respuesta (LOR)).

Las técnicas analíticas, como la reconstrucción de datos de tomografía computarizada (TC) y tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), se utilizan comúnmente, aunque el conjunto de datos recopilados en PET es mucho más pobre que el de la TC, por lo que las técnicas de reconstrucción son más difíciles. Los eventos de coincidencia se pueden agrupar en imágenes de proyección, llamadas sinogramas . Los sinogramas se clasifican por el ángulo de cada vista y la inclinación (para imágenes 3D). Las imágenes de sinogramas son análogas a las proyecciones capturadas por los escáneres de TC y se pueden reconstruir de manera similar. Las estadísticas de los datos obtenidos de este modo son mucho peores que las obtenidas a través de la tomografía de transmisión. Un conjunto de datos PET normal tiene millones de cuentas para toda la adquisición, mientras que la TC puede alcanzar unos pocos miles de millones de cuentas. Esto contribuye a que las imágenes PET parezcan "más ruidosas" que las de TC. Dos fuentes principales de ruido en PET son la dispersión (un par de fotones detectado, al menos uno de los cuales fue desviado de su camino original por la interacción con materia en el campo de visión, lo que llevó a que el par se asignara a un LOR incorrecto) y los eventos aleatorios (fotones originados a partir de dos eventos de aniquilación diferentes pero registrados incorrectamente como un par de coincidencia porque su llegada a sus respectivos detectores ocurrió dentro de una ventana de tiempo de coincidencia).

En la práctica, se requiere un preprocesamiento considerable de los datos: corrección de coincidencias aleatorias, estimación y resta de fotones dispersos , corrección del tiempo muerto del detector (después de la detección de un fotón, el detector debe "enfriarse" nuevamente) y corrección de la sensibilidad del detector (tanto para la sensibilidad inherente del detector como para los cambios en la sensibilidad debido al ángulo de incidencia).

La retroproyección filtrada (FBP) se ha utilizado con frecuencia para reconstruir imágenes a partir de las proyecciones. Este algoritmo tiene la ventaja de ser simple y de requerir pocos recursos informáticos. Las desventajas son que el ruido de disparo en los datos brutos es prominente en las imágenes reconstruidas y las áreas de alta absorción del trazador tienden a formar rayas en la imagen. Además, la FBP trata los datos de manera determinista: no tiene en cuenta la aleatoriedad inherente asociada con los datos PET, por lo que requiere todas las correcciones previas a la reconstrucción descritas anteriormente.

Enfoques estadísticos basados ​​en la probabilidad : Los algoritmos iterativos de maximización de expectativas basados ​​en la probabilidad [56] [57] , como el algoritmo Shepp–Vardi [58], son ahora el método preferido de reconstrucción. Estos algoritmos calculan una estimación de la distribución probable de los eventos de aniquilación que llevaron a los datos medidos, basándose en principios estadísticos. La ventaja es un mejor perfil de ruido y resistencia a los artefactos de vetas comunes con FBP, pero la desventaja es que se requieren mayores recursos informáticos. Otra ventaja de las técnicas de reconstrucción estadística de imágenes es que los efectos físicos que se necesitarían corregir previamente al utilizar un algoritmo de reconstrucción analítica, como fotones dispersos, coincidencias aleatorias, atenuación y tiempo muerto del detector, se pueden incorporar al modelo de probabilidad que se utiliza en la reconstrucción, lo que permite una reducción adicional del ruido. También se ha demostrado que la reconstrucción iterativa produce mejoras en la resolución de las imágenes reconstruidas, ya que se pueden incorporar modelos más sofisticados de la física del escáner al modelo de probabilidad que los utilizados por los métodos de reconstrucción analítica, lo que permite una mejor cuantificación de la distribución de la radiactividad. [59]

Las investigaciones han demostrado que los métodos bayesianos que implican una función de verosimilitud de Poisson y una probabilidad previa apropiada (por ejemplo, una previa de suavizado que conduce a una regularización de variación total o una distribución laplaciana que conduce a una regularización basada en en un wavelet u otro dominio), como a través del estimador de tamiz de Ulf Grenander [60] [61] o a través de los métodos de penalización de Bayes [62] [63] o a través del método de rugosidad de IJ Good [64] [65] pueden producir un rendimiento superior a los métodos basados ​​en maximización de expectativas que implican una función de verosimilitud de Poisson pero no implican dicha previa. [66] [67] [68] ℓ 1 {\displaystyle \ell _{1}}

Corrección de atenuación : las imágenes PET cuantitativas requieren corrección de atenuación. [69] En estos sistemas, la corrección de atenuación se basa en un escaneo de transmisión utilizando una fuente de varilla giratoria de 68 Ge. [70]

Los escáneres de transmisión miden directamente los valores de atenuación a 511 keV. [71] La atenuación se produce cuando los fotones emitidos por el radiotrazador dentro del cuerpo son absorbidos por el tejido intermedio entre el detector y la emisión del fotón. Como los diferentes LOR deben atravesar diferentes espesores de tejido, los fotones se atenúan de forma diferencial. El resultado es que las estructuras profundas del cuerpo se reconstruyen como si tuvieran una absorción de trazador falsamente baja. Los escáneres contemporáneos pueden estimar la atenuación utilizando equipos de TC de rayos X integrados, en lugar de los equipos anteriores que ofrecían una forma rudimentaria de TC utilizando una fuente de rayos gamma ( emisores de positrones ) y los detectores PET.

Si bien las imágenes corregidas por atenuación son generalmente representaciones más fieles, el proceso de corrección en sí mismo es susceptible a artefactos significativos. Como resultado, tanto las imágenes corregidas como las no corregidas siempre se reconstruyen y se leen juntas.

Reconstrucción 2D/3D : los primeros escáneres PET tenían un solo anillo de detectores, por lo que la adquisición de datos y la reconstrucción posterior estaban restringidas a un solo plano transversal. Los escáneres más modernos ahora incluyen múltiples anillos, que forman esencialmente un cilindro de detectores.

Hay dos enfoques para reconstruir datos de dicho escáner:

  1. Tratar cada anillo como una entidad separada, de modo que solo se detecten las coincidencias dentro de un anillo, la imagen de cada anillo se puede reconstruir individualmente (reconstrucción 2D), o
  2. Permite detectar coincidencias entre anillos así como dentro de los mismos, para luego reconstruir todo el volumen en conjunto (3D).

Las técnicas 3D tienen una mayor sensibilidad (ya que se detectan y utilizan más coincidencias), por lo tanto, menos ruido, pero son más sensibles a los efectos de la dispersión y las coincidencias aleatorias, además de requerir mayores recursos informáticos. La aparición de detectores con una resolución temporal de subnanosegundos permite un mejor rechazo de las coincidencias aleatorias, lo que favorece la reconstrucción de imágenes 3D.

PET de tiempo de vuelo (TOF) : para los sistemas modernos con una resolución temporal más alta (aproximadamente 3 nanosegundos), se utiliza una técnica llamada "tiempo de vuelo" para mejorar el rendimiento general. La PET de tiempo de vuelo utiliza detectores de rayos gamma muy rápidos y un sistema de procesamiento de datos que puede determinar con mayor precisión la diferencia de tiempo entre la detección de los dos fotones. Es imposible localizar con exactitud el punto de origen del evento de aniquilación (actualmente dentro de los 10 cm). Por lo tanto, sigue siendo necesaria la reconstrucción de la imagen. La técnica TOF proporciona una mejora notable en la calidad de la imagen, especialmente en la relación señal-ruido.

Combinación de PET con TC o RMN

Imagen de fusión PET-CT de cuerpo completo
Imagen de fusión PET-MRI cerebral

Las exploraciones PET se leen cada vez más junto con exploraciones CT o MRI, y la combinación ( corregistro ) proporciona información tanto anatómica como metabólica (es decir, cuál es la estructura y qué está haciendo bioquímicamente). Debido a que las imágenes PET son más útiles en combinación con imágenes anatómicas, como la TC, los escáneres PET modernos ahora están disponibles con escáneres CT de fila de detectores múltiples de alta gama integrados (PET-CT). Debido a que las dos exploraciones se pueden realizar en secuencia inmediata durante la misma sesión, sin que el paciente cambie de posición entre los dos tipos de exploraciones, los dos conjuntos de imágenes se registran con mayor precisión , de modo que las áreas de anomalía en las imágenes PET se pueden correlacionar más perfectamente con la anatomía en las imágenes de TC. Esto es muy útil para mostrar vistas detalladas de órganos o estructuras en movimiento con mayor variación anatómica, lo que es más común fuera del cerebro.

En abril de 2009, en el Instituto de Neurociencias y Biofísica de Jülich , se puso en funcionamiento el mayor dispositivo de resonancia magnética por emisión de positrones del mundo: un tomógrafo por resonancia magnética (MRT) de 9,4 teslas combinado con un PET. En la actualidad, sólo se pueden obtener imágenes de la cabeza y el cerebro con estas altas intensidades de campo magnético. [72]

Para la obtención de imágenes cerebrales, el registro de exploraciones por TC, RM y PET se puede lograr sin la necesidad de un escáner PET-TC o PET-RM integrado utilizando un dispositivo conocido como N-localizador . [31] [73] [74] [75]

Limitaciones

La minimización de la dosis de radiación al sujeto es una característica atractiva del uso de radionucleidos de vida corta. Además de su papel establecido como técnica de diagnóstico, la PET tiene un papel cada vez mayor como método para evaluar la respuesta a la terapia, en particular, la terapia del cáncer, [76] donde el riesgo para el paciente por la falta de conocimiento sobre el progreso de la enfermedad es mucho mayor que el riesgo de la radiación de prueba. Dado que los trazadores son radiactivos, las personas mayores [ dudoso – discutir ] y las embarazadas no pueden usarlo debido a los riesgos que plantea la radiación.

Las limitaciones al uso generalizado de la PET surgen de los altos costos de los ciclotrones necesarios para producir los radionucleidos de vida corta para la exploración PET y la necesidad de aparatos de síntesis química in situ especialmente adaptados para producir los radiofármacos después de la preparación de los radioisótopos. Las moléculas de radiotrazadores orgánicos que contendrán un radioisótopo emisor de positrones no se pueden sintetizar primero y luego preparar el radioisótopo dentro de ellas, porque el bombardeo con un ciclotrón para preparar el radioisótopo destruye cualquier portador orgánico para él. En lugar de eso, el isótopo debe prepararse primero y luego la química para preparar cualquier radiotrazador orgánico (como FDG) se realiza muy rápidamente, en el corto tiempo antes de que el isótopo se desintegra. Pocos hospitales y universidades son capaces de mantener tales sistemas, y la mayoría de las PET clínicas están respaldadas por proveedores externos de radiotrazadores que pueden abastecer a muchos sitios simultáneamente. Esta limitación restringe la PET clínica principalmente al uso de trazadores marcados con flúor-18, que tiene una vida media de 110 minutos y puede transportarse una distancia razonable antes de su uso, o al rubidio-82 (utilizado como cloruro de rubidio-82 ) con una vida media de 1,27 minutos, que se crea en un generador portátil y se utiliza para estudios de perfusión miocárdica . En los últimos años, algunos ciclotrones in situ con blindaje integrado y "laboratorios calientes" (laboratorios de química automatizados que pueden trabajar con radioisótopos) han comenzado a acompañar a las unidades PET en hospitales remotos. La presencia del pequeño ciclotrón in situ promete expandirse en el futuro a medida que los ciclotrones se reduzcan en respuesta al alto costo del transporte de isótopos a máquinas PET remotas. [77] En los últimos años, la escasez de exploraciones PET se ha aliviado en los EE. UU., ya que la implementación de radiofarmacias para suministrar radioisótopos ha crecido un 30% / año. [78]

Como la vida media del flúor-18 es de aproximadamente dos horas, la dosis preparada de un radiofármaco que contiene este radionúclido experimentará múltiples vidas medias de desintegración durante la jornada laboral. Esto requiere una recalibración frecuente de la dosis restante (determinación de la actividad por unidad de volumen) y una planificación cuidadosa con respecto a la programación de los pacientes.

Historia

Un escáner PET lanzado en 2003

El concepto de tomografía de emisión y transmisión fue introducido por David E. Kuhl , Luke Chapman y Roy Edwards a finales de la década de 1950. Su trabajo conduciría al diseño y construcción de varios instrumentos tomográficos en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y más tarde en la Universidad de Pensilvania . [79] En las décadas de 1960 y 1970, Michel Ter-Pogossian , Michael E. Phelps , Edward J. Hoffman y otros desarrollaron aún más los instrumentos y técnicas de imágenes tomográficas en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington . [80] [81]

El trabajo de Gordon Brownell, Charles Burnham y sus colaboradores en el Hospital General de Massachusetts, que comenzó en la década de 1950, contribuyó significativamente al desarrollo de la tecnología PET e incluyó la primera demostración de radiación de aniquilación para la obtención de imágenes médicas. [82] Sus innovaciones, incluido el uso de tubos de luz y análisis volumétrico, han sido importantes en el desarrollo de la obtención de imágenes PET. En 1961, James Robertson y sus colaboradores en el Laboratorio Nacional de Brookhaven construyeron el primer escáner PET de un solo plano, apodado el "reductor de cabeza". [83]

Uno de los factores más responsables de la aceptación de la imagenología por positrones fue el desarrollo de radiofármacos. En particular, el desarrollo de la 2-fluorodesoxi-D-glucosa marcada (FDG, sintetizada por primera vez y descrita por dos científicos checos de la Universidad Charles de Praga en 1968) [84] por el grupo de Brookhaven bajo la dirección de Al Wolf y Joanna Fowler fue un factor importante en la expansión del alcance de la imagenología por PET. [85] El compuesto fue administrado por primera vez a dos voluntarios humanos normales por Abass Alavi en agosto de 1976 en la Universidad de Pensilvania. Las imágenes cerebrales obtenidas con un escáner nuclear ordinario (no PET) demostraron la concentración de FDG en ese órgano. Más tarde, la sustancia se utilizó en escáneres tomográficos de positrones dedicados, para dar lugar al procedimiento moderno.

Imágenes comparativas de la primera radiografía (izquierda) y de la primera tomografía por emisión de positrones con fluoruro de cuerpo entero (derecha), esta última desarrollada por Abass Alavi. Estas herramientas de diagnóstico han revolucionado la medicina moderna, y la tomografía por emisión de positrones con fluoruro ha tenido un impacto similar al de la primera radiografía.

La extensión lógica de la instrumentación de positrones fue un diseño que utilizaba dos matrices bidimensionales. PC-I fue el primer instrumento que utilizó este concepto y se diseñó en 1968, se completó en 1969 y se informó en 1972. Las primeras aplicaciones de PC-I en modo tomográfico, a diferencia del modo tomográfico computarizado, se informaron en 1970. [86] Pronto quedó claro para muchos de los involucrados en el desarrollo de PET que una matriz circular o cilíndrica de detectores era el siguiente paso lógico en la instrumentación PET. Aunque muchos investigadores adoptaron este enfoque, James Robertson [87] y Zang-Hee Cho [88] fueron los primeros en proponer un sistema de anillo que se ha convertido en el prototipo de la forma actual de PET. El primer escáner PET de matriz cilíndrica multicorte se completó en 1974 en el Instituto de Radiología Mallinckrodt por el grupo dirigido por Ter-Pogossian. [89]

El escáner PET-CT, atribuido a David Townsend y Ronald Nutt, fue nombrado por Time como el invento médico del año 2000. [90]

Costo

En agosto de 2008, Cancer Care Ontario informó que el costo incremental promedio actual para realizar una tomografía por emisión de positrones en la provincia es de 1.000 a 1.200 dólares canadienses por exploración. Esto incluye el costo del radiofármaco y un estipendio para el médico que lea la exploración. [91]

En Estados Unidos, se estima que una tomografía por emisión de positrones cuesta entre 1.500 y 5.000 dólares estadounidenses.

En Inglaterra, el costo de referencia del Servicio Nacional de Salud (2015-2016) para una tomografía por emisión de positrones (PET) para pacientes ambulatorios en adultos es de £798. [92]

En Australia, a partir de julio de 2018, la tarifa del Programa de Beneficios de Medicare para la PET con FDG de cuerpo entero varía entre A$ 953 y A$ 999, según la indicación de la exploración. [93]

Control de calidad

El rendimiento general de los sistemas PET se puede evaluar mediante herramientas de control de calidad como el fantasma de Jaszczak . [94]

Véase también

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Recursos de la biblioteca sobre
PET
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