Scanner. (3/5)

Walter Bussenius Cortada

Profesor de Estado en Física y Ciencias Naturales

Posiblemente el escáner o scanner (en inglés), que significa (ver ref. 1): “Dispositivo que explora un espacio o imagen y los traduce en señales eléctricas para su procesamiento”, ha sido un invento que generó una de las mayores revoluciones en medicina, tanto por los procedimientos diagnósticos que permite realizar, como por el desarrollo logrado en investigación mediante sus múltiples aplicaciones.

Este artículo es parte de una serie relacionada con el área de procedimientos diagnósticos asociados con la Física. Pienso que puede ser de interés porque es una revista creada por médicos y, en cierta medida, para médicos.

Algo de Historia:

Si nos remontamos al desarrollo histórico de este invento, es necesario tener en cuenta dos personajes: el físico Allan Cormack, nacido en Sudáfrica y Godfrey Hounsfield, ingeniero oriundo de Inglaterra En el año 1979 ambos fueron laureados con el premio Nobel en Fisiología por su notable creación.

Posiblemente el primer personaje que de alguna manera contribuyó a la concreción de este aparato fue el matemático Johann Radón (1887 – 1917) (ver ref. 4), quien desarrolló un procedimiento matemático conocido por su "Transformada de Radón”, que no es otra cosa que, a partir de la intersección de un objeto con muchas rectas, determinar la geometría de dicho objeto. Basado en estos conceptos el físico Allan Cormack (nacido en Sudáfrica y nacionalizado en E.E.U.U,), entre los años 1963 y 1964 publicó dos artículos en los que se explica un algoritmo matemático que permitía obtener imágenes del interior del cuerpo mediante un haz de rayos X; sus trabajos quedaron en el olvido hasta que en el año 1967 el ingeniero Godfrey Hounsfield, que entonces trabajaba en la Empresa EMI (empresa que pocos años antes había grabado los discos de Los Beatles) y cuyo nuevo director reconocía la naturaleza arriesgada y variable de los negocios le permitió a Hounsfield intentar construir su aparato.

En el año 1971 ya se tenía el primer escáner, que consistió de 160 imágenes, las cuales tardaron 2 horas y media en procesarse (ver ref. 5 y 6); poco tiempo después una versión más comercial tardaba 4 minutos en el escaneo y 7 en procesar dicha información. Si bien el primer tomógrafo comercial fue introducido en 1973 y utilizaba un solo haz lineal con un detector, en los años siguientes se logró grandes mejoras técnicas, aumentando el número de detectores, los algoritmos de cálculo y la rapidez de las computadoras.

¿Cómo se forma la imagen?

En una radiografía nuestro cuerpo es atravesado por un haz de rayos X; la imagen obtenida consiste en la impresión de ese rayo atenuado al llegar a una placa fotográfica. La intensidad con que llega el haz depende de la densidad de los tejidos que atraviesa, por lo cual corresponde al promedio de las densidades de los tejidos presentes en el recorrido.

Allan Cormack tuvo la idea de utilizar un haz colimado (luz cuyos rayos son paralelos entre sí), de rayos X y con él atravesar un mismo tejido desde varios ángulos, entonces se conocerá la densidad media medida en diferentes direcciones y para distintas zonas. Con esta información, y luego de complejos y extensos cálculos, se puede deducir las densidades de las zonas intermedias del recorrido pudiendo así reconstruir una imagen perpendicular al haz.

Para explicar el procedimiento de formación de imagen, consideremos un ejemplo muy simplificado. La figura 3 muestra un reticulado de 2 x 2 en que cada una de las 4 zonas posee diferente densidad y por ende, diferente atenuación del haz Los valores de atenuación del haz están en una escala ficticia de 0 a 9 y en principio son desconocidos, de hecho son nuestra incógnita.

Lo único que conocemos son las atenuaciones sumadas, determinadas por la intensidad recibida del haz luego de atravesar dos reticulados.

La figura nos muestra que el rayo I, que atraviesa C y D, corresponde a una atenuación total del haz de 8 unidades. De igual forma el rayo que atraviesa A y B da un valor total de 9. Hasta acá no nos permite obtener nueva información. La nueva información se obtiene de los haces verticales y diagonales.

Consideremos el rayo III, muestra una atenuación total de 4 (que corresponde a A más D). Por otro lado, l haz VI presenta una atenuación total de 6 y atraviesa A + C. Con esta información podemos hacer algunas pruebas: 1.

Probemos para A el valor 2, entonces el valor de C debería ser 4 (por el rayo IV, que corresponde a una atenuación total de A + C = 6); si ahora consideramos el rayo III que muestra una atenuación total de 4 (A + D = 4), y seguimos suponiendo que la de A es 2, concluimos que la de D es 2. Finalmente tomemos el rayo I, cuya atenuación total es 8, que corresponde a C + D; pero antes concluimos que C = 4 y D = 2, pero 5 + 2 =6 ≠ 8 y esto es una evidente contradicción.

En otro intento probemos para A el valor 1, entonces el valor de C debería ser 5 (ya que A + C = 6 según rayo IV). Por otro lado A + D debería ser 4 (por rayo III) y como la atenuación de A supusimos que es 1, la de D debería ser 3. Si ahora observamos el rayo I, es decir C + D es 8, vemos que esto es justamente igual a 5 que debería ser C más 3 que debería ser D. ¡Y todo cuadra!

En la práctica se puede comenzar desde cualquier retícula y mediante cálculos del tipo de los presentados se van deduciendo el valor de cada celdilla del reticulado.

Naturalmente debe haber coincidencia con todos los valores sumados, que es lo que conocemos (ver ref. 7).

El problema no parece difícil, sin embargo, tampoco es fácil, más aún cuando se tiene no 4 sino miles de zonas, los cálculos se extienden y se complejizan.

Éste es sólo un sencillo ejemplo con apenas 4 celdillas. Se requiere alrededor de una docena de cálculos para determinar los valores buscados; cuando se tiene cientos o miles de zonas los cálculos necesarios se incrementan de manera significativa. No obstante, lo más importante no es la cantidad de cálculos propiamente tal, sino el algoritmo de aquéllos, es decir qué y cómo calcular para obtener los valores buscados. Haber encontrado un algoritmo de cálculos que pueda hacerlos una computadora es el mérito de Allan Cormack.

Posteriormente, no es menor el construir un aparato y hacerlo funcionar; “otra cosa es con guitarra”. Ese fue mérito de Godfrey

Hounsfield, quien trabajó arduamente en la idea durante 4 años para lograrlo y posteriormente muchos años más mejorando su invento.

Radiaciones asociadas al escáner

Cuando se hace una radiografía, entonces una zona de nuestro cuerpo es atravesada por radiación (rayos X). En un escáner el haz de radiación debe estar colimado, de manera que sólo pase por una zona específica y delimitada. Sin embargo, ese haz debe pasar por muchas zonas y además incidir desde diferentes ángulos. Por lo que la dosis de radiación recibida en un procedimiento de este tipo, sin duda es bastante más alta

Nuestro Sol diariamente nos entrega luz, gracias a ella y a su energía existe vida en nuestro planeta. Sin embargo, desde el astro rey no sólo recibimos luz, sino también luz ultravioleta (de mucho mayor energía) y por ende dañina a nuestro cuerpo en dosis muy altas; que afortunadamente una delgada capa de Ozono atenúa de manera importante. Y eso no es todo, también emite una significativa cantidad de otras radiaciones más energéticas aún, que llamamos rayos cósmicos, muchos de los cuales son desviados por nuestro campo magnético, sin embargo, una cantidad importante cae hacia la superficie de nuestro planeta. Estos rayos cósmicos son una radiación de energía similar a los rayos X que estamos recibiendo en forma permanente y que sirve muy bien de elemento de comparación.

Visto así, una radiografía dental equivale a un par de días de recibir rayos cósmicos (ver ref. 8), una radiografía de algún miembro superior o inferior equivale sólo a algunas horas. En el caso de un escáner la dosis recibida equivale a varios meses de absorber en forma extra más radiación cósmica; es decir incrementa la dosis de radiación, respecto de una radiografía en alrededor de 100 veces, aunque esto varía dependiendo de la zona a la cual se le hace el escáner (ver ref. 8 y 9).

Los medios de contraste:

Como una forma de mejorar la imagen en un escáner, muchas veces se administran medios de contraste, éstos son sustancias que al estar presentes alteran la densidad de algunos órganos respecto de otros, permitiendo imágenes de mejor calidad entre tejidos cuyas densidades son muy similares, es decir optimizan su resolución. La figura 4 muestra la diferencia entre dos TAC, uno tomado sin medio de contraste (A) y el otro agregando un medio de contraste (B).

A modo de conclusión

Sabido es que tanto un cálculo renal o un tumor, poseen una densidad diferente que el tejido que los rodea. Por esta razón un escáner es un excelente examen diagnóstico, porque no sólo señala la existencia, sino además su localización y tamaño. Esto cobra mayor importancia cuando se trata de tumores en lugares ocultos como el cerebro, donde una radiografía no resulta útil, ya que es una cavidad rodeada de huesos, es decir de material casi opaco a los rayos X. Un escáner en cambio logra imágenes de dentro del cerebro, tanto en corte axial, coronal o sagital.

Figura 4 (Ref. 10)

Sin duda la imagen evidencia las diferencias: al agregar un medio de contraste se puede distinguir con mayor detalle diversas partes de la imagen obtenida.

Este revolucionario invento ha permitido además, la creación de otros tipos de procedimientos diagnósticos, que con cierta base en éste, en cuanto a la formación de imágenes, emplean otros elementos diferentes y tienen también un propósito distinto.

Bibliografía: https://dle rae es/esc%C3%A1ner https://www sciencephoto com/media/223953/view/portrait-of-alan-cormack https://es.wikipedia.org/wiki/Godfrey Newbold Hounsfield https://es.wikipedia.org/wiki/Johann Radon https://grupoctscanner.com/la-tomografia-computada-principios-e-historia-de-sudesarrollo/ http://historiainventos.blogspot.com/2014/09/escaner-medico-o-tac.html https://www.redalyc.org/pdf/3825/382538503009.pdf https://www.radiologyinfo.org/es/info/safety-xray https://www.researchgate.net/figure/Figura-1-Tomografia-computada-de-abdomen-a-sincontraste-se-observan-multiples-bazos fig22 265089916 http://hospitaldecoronel.cl/inicio/?page id=571

Giancoli, Douglas C. Física: Principios con Aplicaciones. Edit.: Pearson Education. México 1997.