Obtención de imágenes en medicina nuclearEn medicina nuclear se utilizan sustancias radiactivas para la obtención de imágenes, mediante la combinación con otras para obtener trazadores radiactivos que se distribuyen por el organismo tras ser inyectados al paciente, emitiendo una radiación que puede ser detectada mediante dispositivos externos. La información que se obtiene permite establecer un mapa de distribución del trazador así como la evolución temporal del mismo.
Podemos establecer dos clases de métodos en función del elemento radiactivo
usado. La primera se basa en la utilización de elementos radiactivos emisores de radiación
gamma. La segunda utiliza radioelementos emisores de positrones generados a partir de
pequeños aceleradores de partículas. La cámara de Anger o gammacámara es el dispositivo de detección de la radiación emitida por el trazador más utilizado en el primer tipo de métodos. Está constituida por una matriz de fotomultiplicadores, cada uno de los cuales amplifica la señal generada por el cristal detector en su área correspondiente (figura 10.9). Esto proporciona información tanto de la intensidad de la radiación como de su localización espacial. La utilización de un colimador a la entrada limita el campo de visión del detector.

La conexión de la gammacámara a un computador permite obtener diferentes tipos de imágenes, incluso de cuerpo entero dotando de movimiento a la gammacámara controlado por el computador.
Otra técnica es la tomografía de emisión de fotones aislados (SPECT: Single- Photon Emission Computed Tomography), que utiliza isótopos que producen un único fotón gamma. La obtención de la imagen suele realizarse dotando a una gammacámara de un movimiento de rotación alrededor del cuerpo del paciente y generando a partir de las imágenes obtenidas una reconstrucción 3D. Permite obtener mayor resolución que en la técnica anterior y es válida para visualizar estructuras cuasiestáticas.
La tomografía por emisión de positrones (PET: Positron Emission Tomography) se basa en la utilización de elementos emisores de positrones producidos en pequeños ciclotrones. Cuando interaccionan con un electrón, ambas partículas se aniquilan, liberando su energía en forma de dos fotones gamma, con una energía de 511 keV, que son emitidos en direcciones opuestas, por lo que detectando estas direcciones puede determinarse la región de origen. La detección se realiza mediante gammacámaras situadas en posiciones opuestas del paciente, que giran para detectar las direcciones de emisión. Los sistemas de última generación utilizan múltiples gammacámaras dispuestas en anillo, evitando el movimiento de rotación y permitiendo múltiples detecciones simultáneas, con lo que se reduce el tiempo de exposición del paciente a la radiación y de adquisición de la imagen.
La cantidad medida en imagen PET es la concentración del trazador en el tejido. En la práctica suelen realizarse estudios en los que el trazador es un aminoácido o bien glucosa marcada con un emisor de positrones, obteniendo imágenes que reflejan aquellas zonas en las que se produce un mayor consumo de estas substancias, habiéndose utilizado para obtener mapas de actividad cerebral.
Tomografía axial computerizada
Una de las principales limitaciones de las imágenes radiográficas es su obtención según una única dirección de propagación, lo que implica la superposición de tejidos con diferentes coeficientes de atenuación, impidiendo los de mayor valor la detección del resto. La solución a este problema sería la obtención de imágenes para cada posible proyección, pero esto resulta inviable porque se superaría la dosis máxima de radiación que puede recibir de forma segura el paciente.Una alternativa la constituye la tomografía computerizada (TC), en la cual se realiza una reconstrucción digital de la imagen en un corte transversal al paciente a partir de las proyecciones en diversas direcciones, mediante barridos perpendiculares al eje Z (el correspondiente a la vertical del paciente). El ancho (Δz) del corte viene determinado por las dimensiones del detector, por lo que el resultado es un mapa tomográfico de los coeficientes de atenuación asociados a cada punto de la imagen (pixel), pero que en realidad representan los asociados a los elementos de volumen (voxel). Las dimensiones de este voxel vienen fijadas por la matriz de adquisición, que fija la resolución espacial determinando los pixels en que se divide la imagen.
Para ilustrar el método de obtención de la imagen en TC de rayos X (TC-RX), la figura 10.10A muestra el funcionamiento de los sistemas de primera generación. En lados opuestos del paciente se colocan un tubo de RX y un detector (C), con un diafragma de apertura regulable que fija el grosor del voxel. La intensidad incidente del tubo se mide con un detector adicional (A), permitiendo corregir las fluctuaciones de la emisión.Además, para poder normalizar posteriormente los resultados respecto del coeficiente de atenuación del agua, se utiliza un tercer detector (B) unido a un recipiente con agua de volumen conocido.
La señal recogida por el detector C es la correspondiente a la resultante atenuada por la suma de los coeficientes de atenuación de los elementos de volumen de la columnaj:
siendo:
μij : coeficiente de atenuación del elemento de la fila i y de la columna j.
x : dimensión del voxel en la dirección de irradiación.
n : número de filas de la matriz de adquisición.
y en forma logaritmica:
Para cada columna de la matriz de adquisición, el tubo de rayos X y el detector se desplazan síncronamente sobre el plano de elementos de volumen, obteniendo tantos valores como columnas. El conjunto de todos ellos constituye una proyección del plano de volúmenes en la dirección del movimiento del detector (figura 10.10B). El proceso se repite para distintos ángulos de proyección, obteniéndose las ecuaciones necesarias para obtener todos los coeficientes de atenuación de la matriz de adquisición.

La figura 10.11 muestra la disposición de los detectores y el tubo en TC-RX, y movimiento del paciente para obtención de las diferentes imágenes tomográficas, y las geometrías de proyección utilizadas en los sistemas TC de las cuatro primeras generaciones. Como puede observarse, hay una tendencia a utilizar mayor número de detectores, y la emisión radial del tubo, lo que permite obtener la señal en varios detectores simultáneamente. La disposición de estos últimos en corona permite reducir (o incluso evitar por completo, como ocurre en E) su movimiento. El resultado es una reducción en los tiempos de irradiación del paciente, además de la posibilidad de visualizar estructuras en movimiento como el corazón.
La reconstrucción de la imagen a partir de las proyecciones se realiza mediante algoritmos, que pueden clasificarse en dos tipos: iterativos y analíticos. Los primeros realizan una predicción inicial de los valores de la matriz, que es posteriormente corregida en sucesivas iteraciones, basándose en el error entre los valores medidos y los predichos.

Los métodos analíticos se basan en el concepto de retroproyección. En este caso, partiendo de todas las proyecciones obtenidas que contengan información sobre el pixel ij, se realiza una proyección inversa y el área de intersección de todas ellas determina el valor correspondiente del pixel. Para esquematizarlo, supongamos una matriz de 2 x 2 =4 elementos. con coeficientes de atenuación A, B, C, D. Si el barrido se hace en posición horizontal (posición 1), se obtienen dos valores: A+B y C+D. Un segundo perfil se obtiene colocando el tubo de rayos X vertical (posición 2). Obtendríamos dos proyecciones más: A+C y B+D. En la posición de 45° con incidencia desde lado derecho (posición 3), se obtendría aproximadamente: A, C+ B, y D. Por último, para una incidencia de 45º hacia la izquierda (posición 4), también podríamos aproximar a: C, A + D, B. Si sumamos todos los valores en los que se ha visualizado A, tenemos 4A + B + C + D.
El proceso se repite para los demás elementos de volumen. Si de estas cuatro formaciones restamos un común denominador y lo dividimos por el número de obtenciones menos 1 (A+B+C+D)/3, obtendremos los coeficientes correspondientes a los cuatro elementos.

La imagen obtenida es una aproximación a la imagen real, que está afectada por efectos de bordes. Para minimizar esto, se realiza previamente una convolución entre cada perfil proyectado y una función filtro que modifica los valores de la proyección (retroproyección filtrada).Los valores de los coeficientes de atenuación obtenidos son normalizados para hacerlos independientes de la energía del haz incidente y presentarlos como valores relativos al coeficiente de atenuación del agua. Esta escala se conoce como números CT, permitiendo expresar la atenuación de los tejidos entre –1000H (aire) y +1000H (hueso), en unidades H o Hounsfield, siendo 0H el valor correspondiente al agua. Posteriormente, se puede realizar una asignación de tonos de gris para la visualización de la imagen final, eligiendo una ventana de visualización adecuada para lograr un máximo contraste sobre las estructuras de interés. La siguiente figura muestra un ejemplo de diversas imágenes obtenidas mediante TC-RX.
Aplicaciones médicas de la realidad virtual
La realidad virtual (RV) implica generación por computador de entornos táctiles, auditivos y visuales en 3D, y un conjunto de herramientas que permiten al usuario navegar e interactuar con objetos en el entorno generado por el computador. Estos dispositivos deben ser capaces de producir una inmersión del usuario en el mundo virtual, para lo cual se han desarrollado cascos con pantallas 3D, guantes y trajes, sistemas para producir efectos de movimiento o generadores de sonido espacial. En el campo de la IB, la realidad virtual se ha comenzado a aplicar en diversas áreas. A continuación se comentan las más importantes.
En entrenamiento quirúrgico, la RV permite incrementar la experiencia del nuevo cirujano mediante un sistema de simulación que permite una representación en tiempo real tanto de la instrumentación quirúrgica como de las estructuras anatómicas en 3D.
Utilizando este diseño, los cirujanos pueden practicar procedimientos y experimentar las posibles complicaciones y variaciones anatómicas encontradas durante una operación. En el caso de la planificación quirúrgica, relacionado con el anterior, el sistema proporciona la posibilidad al cirujano de planificar y simular una determinada intervención quirúrgica con anterioridad.
Las imágenes se obtienen a partir de las previamente obtenidas del paciente. Este método es útil en intervenciones de alto riesgo.

Bibliografía:• “Ingeniería Biomédica”. J. Guerrero. Ed. Moliner 40. (2004)
• "Medical Instrumentation. Application and Design.". J. Webster Ed. Wiley. (1997)
• "Biomedical Digital Signal Processing". W. J. Tompkins Ed. Prentice Hall. (1992).
• "Introducción a la Bioingeniería". Serie Mundo Electrónico. Marcombo. (1988).
• "The Biomedical Engineering Handbook", J. Bronzino. CRC Press (2000)
• "Tratamiento Digital de Señales: Principios, algoritmos y aplicaciones". J. Proakis, D.
Manolakis. Prentice Hall. (1998)
• "Ingeniería Biomédica", Juan F. Guerrero Martínez 13079 -, 2010/2011