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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA) Facultad de Medicina San Fernando Escuela Académico Profesional de Tecnología Médica Área de Radiología

La historia y las generaciones de la tomografía Computarizada Tomografía

Autor: García Zavaleta Robert Iván

Lima – Perú 2014


INDICE

Misión y visión de la EAP de TM en radiología …………………………………..3

Introducción…………….……………………………………………………………..4

Historia de la tomografía y de Hounsfield………………..………………………..5

Galería de imágenes… …………………………………………………………….7

Generaciones de la tomografía computarizada…………………………………..9

Galería de imágenes……………………………………………………………….11

Bibliografía…………………………………………………………………………..12

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MISION Ser una escuela líder en la formación de profesionales de Tecnología Médica acreditadas nacional e internacionalmente formando personas proactivas, fomentando la creatividad y el alto rendimiento académico e intelectual de nuestros alumnos, quienes desarrollan sus conocimientos en un ambiente agradable, con personal docente capacitado y actualizado generando alternativas de solución a los problemas de salud del país. Somos reconocidos por nuestra alta calidad ética y sólida formación académica, orientada a la revaloración de la persona humana, como fin máximo de la sociedad.

VISION Ser una Escuela Académica Profesional líder en la formación de Tecnólogos Médicos acreditados profesionalmente a nivel Nacional e internacional. Nos basamos en la promoción de los conocimientos para lograr una capacitación profesional permanente para que nuestros egresados en base a una racionalidad moderna vayan de la mano con los nuevos adelantos y tecnologías que el mundo competitivo de hoy nos lo exige. Contribuimos al liderazgo de nuestra universidad fomentando la investigación, docencia, consultoría, desarrollo social, cultural, económico, y tecnológico, convirtiéndonos en herramienta fundamental en el campo del desarrollo de la salud del país.

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INTRODUCCION

Teniendo claro que el tecnólogo medico en radiología, debe estar capacitado para responder a las demandas y exigencias tecnológicas en el cual se evidencia profesionalismo, es fundamental un conocimiento detallado y actualizado la historia y evolución de la tomografía, siendo esta parte de la base para poder entender y aplicar los diferentes procedimientos tomograficos, es por ello que el presente trabajo tiene como objetivo conocer de forma concisa y clara el desarrollo de la tomografía a través de la historia y sus diferentes generaciones.

A través de estas páginas, he realizado un recuento personal acerca de la historia de la tomografía y su creador, Godfrey N. Hounsfield, pero también he conseguido colmar las inquietudes que surgieron en mi condición de estudiante de tecnología medica en radiología sobre este protagonista y el desarrollo de su gran invento del que hasta hoy poco conocía. En lo personal me deslumbró su brillantez, por lo que solo deseo haber transmitido de forma adecuada su contribución al mundo.

En este sentido, no es una exageración decir que en el Diagnóstico por Imágenes hay un antes y un después de la creación de la TC. Hounsfield fue un técnico, un inventor y un hombre apasionado por su profesión, a la cual se entregó por completo. Su invento es considerado por muchos como uno de los más importantes del siglo XX y se lo compara a lo que en su época significó el descubrimiento de los rayos X por Röntgen. Sin embargo, pese a que su creación, en constante progreso, aún sigue revolucionando a numerosas especialidades de la Medicina, su nombre es poco conocido fuera del ambiente radiológico.

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LA HISTORIA Y LAS GENERACIONES DE LA TOMOGRAFIA COMPUTARIZADA

I. HISTORIA DE LA TOMOGRAFIA Y DE HOUNSFIELD: Es imposible hablar de la historia de la tomografía, sin mencionar la vida y sucesos de Godfrey Newbold Hounsfield. Hounsfield nació el 28 de agosto de 1919 en Newark, una aldea en el centro de Inglaterra. Donde su padre poseía una pequeña granja. El lugar era ideal para las primeras invenciones de un niño inquieto con gran imaginación. Su interés lo llevó hacia los aparatos eléctricos y no sólo terminó construyendo amplificadores y grabadoras, sino que también, junto con un amigo, logró instalar un cinematógrafo al lado de su casa y prototipos de aeroplanos. Hounsfield concluida su formación colegial, decidio incorporarse, justo con el estallido de la Segunda Guerra Mundial, como reservista voluntario a la Real Fuerza Aérea (Royal Air Force RAF-). Durante su alistamiento en la RAF aprovechó para obtener el título de mecánico especialista en radares y poco después se convirtió en instructor de esa materia. Posteriormente amplió sus conocimientos en el Real Colegio de Ciencia de South Kensington y finalmente se matriculó en la Escuela de Radar de Cranwell, donde superó con brillantez las pruebas que le facultaban como experto en Radiocomunicación. Un alto mando militar, el vicemariscal Cassidy, se fijó en el brillante progreso de Hounsfield y le concedió, al término de la contienda bélica en 1945, una beca para el Colegio Faraday de Londres, una de las escuelas de ingeniería más prestigiosas del Reino Unido. Así, en 1951. Ya finalizados sus estudios, el joven ingeniero se incorporó a las empresas Electro Musical Industries (EMI), un grupo de compañías centradas en la música, la electrónica y las actividades de ocio vinculadas a la radiocomunicación. Allí, comenzó su carrera de investigación y se dedicó al desarrollo de sistemas de radar y armas teledirigidas. Por aquel tiempo, Hounsfield dirigió un equipo para construir las primeras computadoras totalmente transistorizadas. Así, Hounsfield se convirtió en el director de su departamento de Investigación Médica y fue transferido a los Laboratorios Centrales de Investigación de EMI en Hayes. EMI era la compañía grabadora de The Beatles y le había ido muy bien económicamente tras la venta de los discos de la banda. Por lo que le dio vía libre a Hounsfield, estableciendo un fondo de investigación para financiar sus proyectos innovadores. Hounsfield entendía que debía haber más información en una radiografía de lo que se capturaba en la película y pensaba que las computadoras podrían ser utilizadas para obtener esos datos faltantes. En este sentido, el paradigma fue comprender que, al escanear un objeto desde muchos ángulos, era posible extraer toda la información contenida en él y recrear una imagen tridimensional con la utilización de una computadora. Este concepto, conocido con el nombre de tomografía computarizada, ya había descrita por Radon en el año 1917 (postulaba la reconstrucción matemática de un objeto a partir de sus proyecciones) y publicado por el físico sudafricano Allan Cormack en el año 1963; sin embargo, sus estudios no tuvieron un resultado práctico (probablemente por las dificultades de los computadoras de su época para realizar todos los cálculos necesarios en un tiempo razonable). Desde esta perspectiva, Hounsfield es la figura central ya que, tras arduos trabajos y en forma totalmente independiente de Cormack, desarrolló en 1967 para EMI lo que sería la mayor revolución en el campo del Diagnóstico por Imágenes desde que Röntgen descubriera los rayos X: la TAC, siglas de Tomografía Axial Computada. En 1967 concluyó su primer escáner o tomógrafo de rayos X cerebral y, a partir de ese entonces, se dedicó a perfeccionar este prototipo. En 1969, Hounsfield se reunió en un café de Londres con quien se convertiría en un buen amigo: James Ambrose, director del área de Radiología del Atkinson Morley’s Hospital (Londres). Le propuso a Ambrose estudiar un cuerpo tridimensional, reduciendo su análisis a cortes paralelos que se podían reconstruir en un ordenador. Finalmente Ambrose aceptó y le cedió una caja que contenía un cerebro humano con un tumor. Los dos trabajaron sin descanso durante dos años en la idea de Godfrey. Primero, con el modelo primitivo de 1967

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usando cerebros de animales y humanos, y luego con el prototipo encargado por el Hospital Atkinson Morley´s en 1971. Los resultados fueron espectaculares, por lo que, en 1972, se instaló por 69.000 libras el primer escáner de TAC en el Atkinson Morley´s Hospital (el cual fue estrenado frente al equipo de neurocirujanos). Si bien la máquina adquiría las imágenes en cinco minutos, el procesado era muy lento: un operario llevaba en una cinta los datos del escáner desde el Atkinson hasta los laboratorios de EMI y, allí, un ordenador ICL 1905 trabajaba toda la noche preparando las imágenes. El 20 de abril de 1972 el Hounsfield hizo una presentación junto al Dr. James Ambrose llamada "Tomografía axial computarizada (una nueva forma de demostrar los tejidos blandos del cerebro sin el uso de medios de contraste)” en el 32º Congreso del Instituto Británico de Radiología (British Institute of Radiology -BIR-). El descubrimiento que revolucionaría el trabajo médico en el mundo entero recibió una aceptación inmediata y tuvo un entusiasmo pocas veces visto. La tecnología del escáner TAC se extendió rápidamente por los hospitales en los años setenta. La respuesta fue tan abrumadora que, para 1973, el tomógrafo era demandado por los principales centros sanitarios de todo el mundo. En ese mismo año, ya se había instalado el primer escáner cerebral en la prestigiosa Clínica Mayo (Estados Unidos) y se había establecido una oficina de ventas en ese país debido al interés demostrado por reconocidos radiólogos y neurólogos. Rápidamente surgieron dos productos rivales y EMI se vio obligada a acelerar el anuncio del escáner corporal en el que había estado trabajando Hounsfield. Sin embargo, el diseño y la construcción de cinco prototipos de escáner de cerebro y cuerpo completo mucho más sofisticados, mantuvieron al ingeniero ocupado hasta 1976. Pronto, se instalaron tres en el Reino Unido y dos en los Estados Unidos. En Sudamérica, el primero en contar con un tomógrafo fue el Instituto FLENI (Fundación para la Lucha contra las Enfermedades Neurológicas de la Infancia) de la ciudad de Buenos Aires en 1976. Para ese momento, Godfrey Hounsfield. Aunque no tenía una educación universitaria formal, sus trabajos lo hicieron merecedor de 35 prestigiosos reconocimientos nacionales e internacionales. Entre ellos, recibió el doctorado honoris causa en Ciencias de la Universidad de Londres, en 1975 el doctorado honoris causa en Medicina de la Universidad de Basilea (Suiza), el MacRobert Award (considerado como el Premio Nobel de Ingeniería) y la medalla austríaca Wilhelm Exner para logros científicos e industriales. Además, en 1975 fue elegido fellow de la Royal Society) y recibió el Premio Lasker en Estados Unidos. En 1981 las autoridades británicas le concedieron el título de Caballero (Sir) y en 1994 fue elegido fellow honorario de la Real Academia de Ingeniería. Pero su mayor reconocimiento fue en 1979, Hounsfield recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología "por sus aportes al desarrollo del escáner y su empleo en los diagnósticos clínicos, y en especial por las mejoras aplicadas a la tomografía asistida por ordenador". Si bien el reconocimiento fue compartido con el físico Allan M. Cormack. En su discurso de aceptación del premio, se refirió al futuro de esta técnica, prediciendo muchos de los próximos avances, y se refirió a los fundamentos de la resonancia magnética. Visualizó que ambas técnicas serían complementarias y que contribuirían a importantes avances en una nueva era del diagnóstico médico. Y siendo una de sus principales frases “los estudios radiológicos convencionales de la cabeza mostraban los huesos del cráneo, pero el cerebro permanecía como una indiferenciada neblina gris. Ahora, de repente, la niebla se ha disipado”. Hounsfield permaneció en EMI como jefe del área de Investigación Médica. Si bien se retiró oficialmente en 1986, continuó trabajando como consultor de la empresa y de varios hospitales del Reino Unido. Falleció a causa de una enfermedad pulmonar progresiva el 12 de agosto de 2004 en el Hospital Nueva Victoria de Kingston (Londres). Después de que Hounsfield mostrara al mundo su maravilloso invento, la tomografía computada no ha dejado de desarrollarse, con la aparición de nuevas técnicas de adquisición de datos cada una de ellas, asociada con una nueva generación del desarrollo de esta tecnología. Es más, gracias a los importantes avances del hardware en estos años, se ha logrado un nuevo método de tomografía computarizada (TC), el TAC helicoidal multicorte. (1,2)

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Su infancia: (a) la familia Hounsfield: Godfrey sobre el regazo de su madre. (b) La granja de Newark, lugar donde nació y creció Hounsfield.

Su experiencia en EMI: (a) Godfrey junto al equipo de EMI, al que se unió en 1951. (b) EMI, compañía grabadora de (c) The Beatles.

Sus invenciones: (a) en 1967, modelo primitivo del escáner TAC, usado en el primer experimento en el EMI Central Research Laboratory. (b) En 1971, primer prototipo de escáner cerebral EMI MARK I, instalado en el Atkinson Morley´s Hospital (Londres)

Ambrose, Hounsfield e Ingham en el 32 º Congreso del BIR

(a) Hospital Atkinson Morley, donde se instaló el primer prototipo de escáner cerebral EMI MARK I (b), con el que se obtuvo en 1971 la primera TAC cráneo-encefálica (c).

(a) Modelo de escáner corporal de alta resolución. (b) Imagen del abdomen del propio Hounsfield tomada en el laboratorio con el prototipo de escáner del cuerpo.

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Primeros tomógrafos de América: (a) Primer escáner cerebral en Estados Unidos (Clínica Mayo, 1973). (b) Primer escáner corporal EMI CT5000 en la Clínica Mayo (1975). (c) Primer tomógrafo de Sudamérica (FLENI, 1976 Buenos Aires, Argentina-).

Hounsfield en una consola del Hospital Atkinson Morley, entrenando a uno de los primeros técnicos en TAC.

Hounsfield en el RSNA en 1972.

Ceremonia de entrega de los Premios Nobel, diciembre de 1979. (a) Hounsfield situado en séptimo lugar desde la izquierda. (b) Hounsfield y (c) Cormack recibiendo en 1979 el Nobel de Medicina y Fisiología, de manos del Rey de Suecia.

El día de su retiro en 1986, junto a su asistente AudreyLester

Palabras de hounsfield

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II. GENERACIONES DE LA TOMOGRAFIA COMPUTARIZADA: El sistema de imagen de tomografía computarizada es revolucionario, este extraordinario invento se ha desarrollado de forma continua, distinguiéndose cuatro diferentes gemaciones que se caracterizan por su diferente sistema de adquisición de datos y geometría de los sistemas.

2.1. Sistemas de primera generación: La forma de adquisición de datos de esta primera generacion se basaba en geometría de haces paralelos mediante el empleo de un principio de traslación-rotación para la combinación tubo/detector. El haz de rayos X se colimaba en dimensiones de aproximadamente 2 × 13 mm. La dimensión de 13 mm correspondía al grosor de corte (longitud de vóxel). El tubo de rayos X y el sistema detector se movían continuamente sobre el paciente, para tomar 160 medidas múltiples durante la traslación. Al término de cada traslación, el tubo de rayos X y el sistema detector se hacían girar 1 grado y se repetía la traslación. El proceso de traslación-rotación se repetía durante 180 traslaciones, para producir 28.800 (160 × 180) medidas. Las 160 medidas tomadas durante una traslación completa se denominan perfil o vista. Desde un punto de vista clínico, la máquina de primera generación presentaba el gran inconveniente de los largos períodos de exploración. La calidad de imagen se afectaba gravemente por los efectos del movimiento de los pacientes, ya que se necesitaban 5 minutos para reunir un total de 28.800 rayos. Este inconveniente limitaba su uso a partes del cuerpo que pudieran inmovilizarse, como la cabeza. (3)

2.2. Sistemas de segunda generación: Los sistemas de segunda generación también fueron del tipo traslación – rotación. La adquisición de datos y la geometría incluían reconstrucción de haz en abanico con una serie lineal de detectores (5 a 30 detectores). El haz de rayos X se convertía a una forma de abanico con un ángulo divergente de entre 3 y 10°. A contin uación se colocaban múltiples detectores de rayos X adyacentes entre sí para interceptar este haz. Como con este sistema se utilizaban más detectores de rayos X, el número de rotaciones angulares podía reducirse y obtenerse así un número adecuado de vistas en intervalos mucho más breves. Con la adquisición de datos de segunda generación, los aparatos podían obtener una exploración en apenas 18 segundos. Cada detector obtiene una vista diferente durante una traslación debido a que los rayos del tubo de rayos X hacia los detectores no son paralelos. Aun desventaja dedel haz en forma de abanico es el incremento en la intensidad de radiación en la periferia del haz debido a la forma del cuerpo. (3,4)

2.3. Sistemas de tercera generación: La geometría de los sistemas de tercera generación se ha convertido hoy en la configuración estándar utilizada prácticamente en todos los sistemas de escáner. La adquisición de datos y la geometría de los aparatos de tercera generación utilizan una geometría de haz en abanico de gran angular (50 a 55°); un arco de detectores y un tubo de rayos X giran continuamente alrededor del paciente 360°. Cuando se hacen girar el tubo de rayos X y el arco de detectores se obtienen datos de proyección (o muestras de datos), y para cada punto fijo del tubo y el detector se crea una vista. Llos detectores están fijos radialmente y no ven el área de exploración de manera uniforme. Sólo los detectores centrales de la matriz «ven» los píxeles del centro del campo de visión (FOV). Sin embargo, esta relación fija permite a los detectores producir una alta colimación, lo que disminuye enormemente la radiación dispersada, lo cual disminuye también el ruido de la imagen. El número típico de detectores oscila entre 600 y más de 900. Estos números producen como resultado una limitación de resolución espacial situada entre 5 y 10 pares de línea por centímetro (pl/cm), dependiendo del tamaño de la matriz de reconstrucción y del FOV de exploración.

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Una de las principales desventajas de este sistema es la aparición ocasional de artefactos en anillo. Cuando un detector o su ausencia origina un anillo en la imagen reconstruida. Las correcciones de los algoritmos de reconstrucción de la imagen en los programas informáticos minimizan estos artefactos. (3,4)

2.4. Sistemas de cuarta generación: Los aparatos de cuarta generación añaden una configuración de giro estacionario. También utilizan un haz en abanico en rotación de gran angular (50 a 55°); en este caso, sin embargo, el tubo gira dentro de un arco de detectores estacionarios de 360°. En lugar del punto focal como foco de las vistas, como sucede en un sistema de tercera generación, las vistas se toman desde la perspectiva del detector. Con este enfoque, las muestras de datos se obtienen en toda la anchura del ángulo de abanico y se adquieren varias muestras de datos por detector. La salida de cada detector constituye una vista. Por tanto, las vistas se limitan al número de detectores en el arco de 360°. En esta configuración geométrica el muestreo de datos está limitado por la electrónica del sistema, no por el número de detectores. La recogida de sumas de rayos equivalentes con escasa separación mediante el empleo de esta geometría permite una resolución espacial muy elevada (>20 pl/cm; Con la geometría de cuarta generación, las muestras de datos pequeñas y con escasa separación necesitan muchas medidas individuales, lo que puede afectar al tiempo de reconstrucción. Para superar esta dificultad, las vistas se promedian con el fin de reducir este efecto. La mayoría de los sistemas tienen bastantes más detectores y vistas de lo requerido para lograr un cálculo preciso, por lo que esencialmente son redundantes en cuanto a computación y visualización de las imágenes. Además de la resolución espacial, la geometría de la TC presenta ventajas e inconvenientes específicos de otros factores, como 1) la eficacia cuántica detectada, 2) el ruido y 3) la resolución de contraste. (3,4) .

2.5. Tecnología actual: El continuo desarrollo del diseño de los sistemas de imagen TC promete más mejoras en la calidad de la imagen con menores dosis para el paciente. 2.5.1. TC Helicoidal: Hasta finales de la década de 1980, los aparatos de TC, con independencia de la geometría del sistema (tercera o cuarta generación), adquirían datos en cortes discretos de la anatomía del paciente según un método denominado comúnmente exploración axial. La aparición de la tecnología de anillos deslizantes y de nuevas técnicas de reconstrucción de datos abrió el camino hacia los sistemas de adquisición de datos de la TC helicoidal, donde los datos se adquieren en forma continua mientras se avanza la mesa a través del gantry. El tubo de rayos x describe una trayectoria aproximadamente helicoidal alrededor del paciente. Esta técnica ha mejorado mucho la TC porque los artefactos ocasionados por la respiración y las inconsistencias no afectan al conjunto único de datos de forma tan acusada como en la TC convencional. (5) 2.5.2. La TC helicoidal multidetector: es el último adelanto en tomógrafos. En lugar de una hilera de detectores, se ubican en oposición al tubo de rayos x múltiples hileras de ellos, lo que acorta el tiempo de examen y mejora la resolución temporal y permite, por ejemplo, determinar el índice de realce vascular. Las hileras de detectores a lo largo del eje z opuesto al tubo de rayos x tienen diferente espesor; este es mayor en las hileras externas que en las internas y esto mejora las condiciones para la reconstrucción de las imágenes después de la adquisición de los datos. (5) 2.5.3. La TC de doble fuente: esta técnica nueva se caracteriza por dos unidades de detectores y dos tubos de rayos x en el gantry. Es posible combinar los dos conjuntos de datos resultantes para proporcionar diversa información. Es posible caracterizar el tejido y los materiales de los cuales se obtienen imágenes, diferenciarlos y aislarlos al visualizar su composición química. Los primeros estudios sugieren para el futuro un espectro creciente de aplicaciones de la doble energía. (5,6)

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Aparato de traslación-rotación. A, Sistema original de detector único, una traslación. B, Dos traslaciones separadas. C, Sistema de segunda generación con fuente de haz en abanico y detectores múltiples.

Geometría de aparato de tercera generación sólo rotativo que muestra la relación fija entre el tubo de rayos X y los detectores.

Geometría de los aparatos de TC de cuarta generación, modelo PQ6000 (Marconi Medical Systems). Las vistas se aprecian desde la perspectiva del detector

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Tomógrafo helicoidal: el tubo de rayos x describe una trayectoria aproximadamente helicoidal alrededor del paciente

El primer sistema detector multicorte (detector de arco dual de Marconi Medical Systems). Dos detectores se alinean consecutivamente en el eje z, para crear una matriz/disposición bidimensional de detectores y dos imágenes por giro del gantry. (Por cortesía de J. S. Arenson.)

Representación esquemática de un escáner de tomografía computarizada de doble fuente (TCDF) que utiliza dos tubos y sus dos correspondientes detectores en ángulo de 90°. Un escáner de este tipo proporciona una resolución temporal equivalente a un cuarto del tiempo de rotación delgantry, independiente de la frecuencia cardíaca del paciente. Imagen cedida por el Dr. Thomas Flohr, Siemens.

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BIBLIOGRAFIA

1. Ortega Hrescak M. Godfrey Newbold Hounsfield: historia e impacto de la tomografía computada [pdf en internet]*. Argentina; 2012 [acceso 01 de setiembre de 2014]. Disponible en: www.scielo.org.ar/pdf/rar/v76n4/v76n4a08.pdf 2. Rda. Historia e impacto de la tomografía computada [pdf en internet]*. México; 2010 [acceso 01 de setiembre de 2014]. Disponible en: www.rda.com.ar/descargas/Historia-de-la-tomografia-computada.pdf 3. Hagga J. Física básica de la TC. TC y RM diagnóstico por imagen del cuerpo humano. 5° ed. España: Elseiver Mosby; 2011. p. 264 9 - 2651. 4. Bushong C. Tomografía computarizada helicoidal multicorte. Manual de radiología para técnicos. 9° ed. Barcelona: Elsevie r Mosby; 2010. p. 368 – 371 5. Hofer M. Fundamentos físicos y técnicos. Manual práctico de TC. 5° ed. España: Panamericana; 2010. p. 6 – 7

6. Schoepf U. Angiografía por tomografía computarizada coronaria: indicaciones, adquisición de imágenes e interpretación. Elseiver [revista en internet]. 2008 [acceso 01 de setiembre de 2014]; 50(2). Disponible en: http://zl.elsevier.es/es/revista/radiologia-119/angiografia-tomografiacomputarizada-coronaria-indicaciones-adquisicion-imagenes-13117014actualizacion-2008

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