En esta época de grandes y veloces avances en ciencia y tecnología es difícil no sorprenderse de los instrumentos y dispositivos que surgen día con día que logran que nuestra vida sea más confortable y divertida. Por ejemplo, se puede tomar el desarrollo de la “World Wide Web” (WWW) como un parte aguas del avance tecnológico en lo que respecta a la comunicación e información en el mundo, pues es increíble la enorme cantidad y variedad de software, audio, video y texto que están ahora a nuestro alcance, permitiéndonos descargar películas y videojuegos desde nuestro hogar o trabajo, escuchar música de cualquier género, chatear con personas que habitan en otros países, consultar información de todo tipo. Estos avances en ciencia y tecnología también han tenido su impacto en otras áreas de nuestra vida cotidiana como lo es el cuidado de nuestra salud. Podemos apreciar cómo han influido estos avances en la medicina moderna al escuchar las noticias de los recientes hallazgos científicos que nos ayudan a combatir alguna enfermedad mortal que afecta al mundo o a algún familiar cercano. De igual manera, podemos apreciar este avance al observar en programas de televisión la nueva tecnología usada en la producción de prótesis, o las actuales técnicas empleadas en intervenciones quirúrgicas que quizá algún conocido o nosotros mismos ya hemos experimentado.
Los adelantos logrados en la medicina han requerido de un arduo esfuerzo por parte de numerosos investigadores de distintas áreas del conocimiento, entre las cuales mencionamos a la física. Los beneficios aportados por la física se han manifestado en el desarrollo de diferentes herramientas para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. En este artículo se hablará de un instrumento para el diagnóstico médico denominado tomografía por emisión de positrones (PET, por sus siglas en inglés).
El sistema PET es una herramienta utilizada para obtener información morfológica (es decir, de la estructura del tejido) y funcional (de como funciona el tejido a nivel molecular) del interior del cuerpo de un paciente sin necesidad de cirugía exploratoria. La técnica se utiliza principalmente para el diagnóstico, valoración y tratamiento de cáncer (aproximadamente el 90% de su empleo se dedica a este fin), enfermedades del corazón (5%) y enfermedades neurológicas (5%). Un sistema PET común en los hospitales se muestra en la figura 1.
Inicios de la radiología
De las primeras aplicaciones de la física en medicina se encuentra el área de la radiología. La radiología estudia las aplicaciones terapéuticas de la radiación y su uso en diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Esta rama de la medicina tuvo sus inicios con el descubrimiento de los rayos X, en 1895, por Wilhelm Conrad Röntgen (ver figura 2), quien ganara, en 1901, el primer premio Nobel en física de la historia por dicho hallazgo. Los rayos X, que son ondas electromagnéticas más energéticas que la luz visible, fueron introducidos al mundo haciendo énfasis en su gran propiedad para poder penetrar a través del cuerpo humano y proyectar imágenes de su interior en placas fotográficas. En pocas décadas los pioneros de la radiología se dieron cuenta del potencial de esta radiación en la medicina y empezaron a aplicarla como herramienta de diagnóstico, principalmente en estudios del sistema óseo.
Pese a los motivadores logros de esta incipiente área de la medicina, los médicos pronto se percataron de las limitaciones de esta técnica al emplearla para estudiar el tejido blando, puesto que el pobre contraste obtenido en las imágenes de estos tejidos no permitía usarla para el diagnóstico médico en estos casos. Al pasar los años hubo mejoras en las técnicas radiológicas con rayos X, así como en las tecnologías de los equipos. Entre las mejoras realizadas podemos mencionar la reducción de las dosis nocivas de radiación empleadas en la obtención de imágenes de rayos X, a inicios de la década de 1910. También tenemos la introducción de los métodos de contraste en las décadas de los 20 y 30, donde se administran sustancias como el sulfato de bario y algunos compuestos orgánicos yodados, los cuales se distribuyen en el tejido de interés logrando definir con más detalle su imagen con rayos X. En 1972 se introdujo la “Tomografía Computarizada” (TC). Esta técnica consiste en enviar rayos X bajo cierto ángulo hacia la zona del cuerpo que nos interesa obteniéndose una imagen, que es digitalizada y almacenada en un ordenador. Posteriormente, se repite este procedimiento para varios ángulos hasta completar los 360 grados y, mediante una serie de procesos matemáticos llamados algoritmos, el ordenador es capaz de reconstruir a partir de la información obtenida imágenes en 2D y/o 3D. Lo anterior se logra tan sólo trabajando con rayos X. A raíz de todo lo anterior no fue extraño que con el avance de la tecnología y nuestra mejor comprensión de la física de la radiación se exploraran nuevas y mejores técnicas potenciales para la radiología.
Nacimiento del sistema PET
En 1932, fue detectado por primera vez el positrón, antipartícula del electrón, cuyas propiedades y existencia habían sido predichas por el premio Nobel de física, Paul Dirac. Las antipartículas tienen propiedades interesantes, por ejemplo, cuando una partícula se encuentra con su antipartícula, ambas desaparecen creando un par de rayos gamma (radiación electromagnética más energética que los rayos X), los cuales viajan sobre una misma línea pero en sentidos opuestos; a este proceso se le conoce como aniquilación de pares. Con el proceso de aniquilación del par positrón-electrón y la emisión resultante de dos rayos gamma en direcciones opuestas, los científicos se dieron a la tarea de construir escáneres capaces de ubicar la posición aproximada donde ocurriesen estos procesos de aniquilación. Los escáneres fueron mejorados hasta el punto de reconstruir imágenes donde se muestra el área donde se producen las aniquilaciones. Para aprovechar este tipo de escáneres en medicina fue necesario hacer uso de los llamados radiofármacos. Los radiofármacos utilizados por este tipo de escáneres son sustancias cuyos componentes emiten radiación (emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas) en forma de positrones. Asimismo, tienen afinidad a concentrarse en ciertos tejidos dependiendo del tipo de análisis a realizar desde donde su componente radioactiva emite positrones que son aniquilados con los electrones circundantes permitiendo al escáner ubicar esa zona en una imagen. Los primeros prototipos de sistemas PET se desarrollaron a inicios de los años setentas en la Escuela de Medicina de la Universidad de Washington. Las primeras generaciones PET comenzaron con prototipos básicos a los que posteriormente se les añadieron mejoras que permitieron obtener, primero, imágenes del interior de pequeños roedores y después del interior del cuerpo humano. Fue hasta 1978 que apareció el primer sistema PET comercial “ECAT II” producido por EG&G-ORTEC. Hoy en día es una técnica accesible para su uso clínico en hospitales.
¿Cómo funciona un sistema PET?
Un sistema PET se compone principalmente de un anillo circular hecho de material centellador el cual es sensible a la radiación gamma. La radiación, al pasar por este material, interacciona en algún punto con los átomos que constituyen al centellador y el resultado de esa interacción es el surgimiento de ondas electromagnéticas con una frecuencia cercana a la de la luz visible, la cual viaja hasta llegar a otro dispositivo conocido como Tubo Fotomultiplicador (PMT, por sus siglas en inglés). El PMT al recibir esta señal de luz se encarga de entregar una respuesta eléctrica. Por tanto, el anillo que forma el PET es un arreglo de muchos centelladores acoplados cada uno a su respectivo PMT que transforma la señal del rayo gamma en una señal eléctrica. Posteriormente analizando estas señales eléctricas podemos convertirla en información digitalizada, que nos permite, mediante un sistema de cómputo, procesar la información y crear una imagen del interior del cuerpo (ver figura 3).
¿Cómo logra el sistema PET obtener una imagen del interior de nuestro cuerpo? La radiación que incide en el anillo de centelladores proviene de la aniquilación de un positrón del radiofármaco con un electrón presente en alguna parte del tejido biológico del paciente. El radiofármaco viaja por el torrente sanguíneo para concentrarse en la zona que se quiere visualizar. Es ahí donde la mayor parte de los positrones se aniquilan con los electrones de esa zona del cuerpo. En cada aniquilación se producen dos rayos gammas que viajan en direcciones opuestas sobre la misma línea. Tomando en cuenta esto y la velocidad a la que viaja este par de rayos gammas es posible ubicar en el espacio el punto donde tuvo lugar este evento. Por tanto, la imagen se podrá crear a través de la identificación simultánea de cada par de rayos gammas por el anillo centellador. Las imágenes que se obtienen a través de un sistema PET son, en general, imágenes en dos dimensiones. Sin embargo, gracias a algunos recursos computacionales, se pueden juntar muchas de estas imágenes para crear una sola en tres dimensiones.
Entre los componentes radioactivos más utilizados de los radiofármacos con aplicaciones en sistemas PET están el 18F (flúor-18), 13N (nitrógeno-13), 11C (carbono-11) y el 15O (oxígeno-15). Todos ellos tienen un tiempo de vida media (tiempo en que dejan de emitir la mitad de la radiación con respecto a la original) que van desde minutos a algunas horas. Esto quiere decir que la sustancia inyectada al paciente dejará de ser radiactiva en poco tiempo. Posteriormente, este radiofármaco es desechado por el sudor, por vías urinarias o excreciones. En particular, el 18F es de los más utilizados y tiene un tiempo de vida media de tan sólo 110 minutos.
Investigación de sistemas PET en México
El sistema PET, como se mencionó al inicio del artículo, ha sido utilizado principalmente en el diagnóstico y como apoyo durante el tratamiento del cáncer. El cáncer es un problema creciente; podemos darnos cuenta de su impacto en nuestra población al observar las estadísticas de diferentes organismos e instituciones. Según la OMS (2010-2012) el cáncer de pulmón, tráquea y bronquios son la cuarta causa de mortalidad en la población mundial. En el 2010 la OPS/OMS estableció que el cáncer es la segunda causa de muerte en América Latina. En México, según las estadísticas del INEGI en el 2012, los tumores malignos son la tercera causa de mortalidad en el país. Para hacer frente a esta problemática, en nuestro país se han creado instituciones o adaptado programas académicos de posgrado con el propósito de preparar recursos humanos con la formación necesaria para llevar a la práctica las técnicas médicas actuales para combatir esta enfermedad así como manejar la tecnología involucrada. Por otro lado, también se ha fomentado el estudio de técnicas radiológicas por grupos de investigación consolidados, así como de investigadores independientes que han trabajado en el área. En nuestro laboratorio del Departamento de Física del CINVESTAV, estamos construyendo un prototipo PET para fines académicos y de investigación.
Nuestro propósito es tener un sistema PET sencillo de armar y que sea simple de entender su principio de funcionamiento. En el futuro pretendemos que sea también la base para desarrollar sistemas PET con las tecnologías más actualizadas para efectos de investigación. Nuestro prototipo utiliza la fuente radioactiva 22Na (sodio-22) de un tiempo de vida media de 2 años y medio aproximadamente. Además, nuestro prototipo consta de 4 detectores, cada uno de los cuales está formado por un plástico centellador acoplado a un PMT. Los detectores están colocados cada 90 grados (ver figura 4).
Con esta configuración de los detectores podemos detectar pares de rayos gamma cuando colocamos la fuente radioactiva en la línea que une a los detectores. La forma en que distingue estos procesos de aniquilación de pares es mediante mediciones de tiempo. Los detectores al entrar en contacto con los rayos gamma envían una señal eléctrica a un conjunto de módulos electrónicos, los cuales se encargan de crear una señal digital a partir de una señal eléctrica y con ella seleccionar los pares de señales digitales (una señal por detector) que hayan ocurrido con una diferencia de tiempo del orden de nanosegundos[1]. A los pares de señales seleccionados los identificamos como “señales en coincidencia” y la información de estas señales es enviada a un sistema de cómputo que procesa estos datos que son mostrados en una pantalla. En este prototipo, la muestra radioactiva se ubicó en nueve diferentes puntos o zonas de detección (ver círculos azules de la placa en la figura 4). Dejando la muestra en cada posición por 2 minutos, el prototipo fue capaz de localizar con certeza en un 90% de las veces la posición real de la fuente radioactiva. Como objetivo en un futuro próximo, se pretende disminuir el tiempo de respuesta del prototipo sin comprometer demasiado la capacidad de localización que tiene el sistema. Asimismo, se planea aumentar el número de zonas de detección e incluir más detectores al sistema. Con esto pretendemos lograr tener un primer prototipo que podrá ser usado para crear nuestras primeras imágenes PET de maniquíes.
[1] Un nanosegundo es la mil millonésima parte de un segundo.
Bibliografía
Maurizio Conti, Physica Medica (2009) 25. State of the art and challenges of time-of-flight PET.
Gerd Muehllehner and Joel S Karp, Phys. Med. Biol. 51 (2006) R117–R137. Positron emission tomography.
J. L. Humm, A. Rosenfeld, and A. D. Guerra, European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging 30 (2003).
M. Daube-Witherspoon, and G. Muehllehner, J Nucl Med. 82, 1717–1724 (1987).
La historia de la radiología vol 1 y vol 2 publicada por the ESR-European Society of Radiology Octubre 2013, editores: Simon Lee Michael Crean.
Para entender las radiaciones, Publicado por Dirac - Facultad de Ciencias - Universidad de la República, Gabriel Gonzáles Sprinberg y Carolina Rabin Lema.
El Dr. Luis Manuel Montaño Zetina es miembro de la planta académica del departamento de Física del CINVESTAV desde 1998. Sus líneas de investigación en el área experimental son: Física de Altas Energías, instrumentación y Física Médica. Es miembro de la Academia Mexicana de Ciencias desde el 2007 y del Sistema Nacional de Investigadores nivel II. Participa en la colaboración mexicana en el proyecto ALICE del LHC en el CERN y el M. en C. Omar Villalobos Mora es egresado de la ESFM del IPN Zacatenco. Se graduó de maestría en ciencias en el Departamento de Física del Cinvestav, su trabajo de tesis fue la construcción del prototipo PET, tema de este artículo.
[1] Un nanosegundo es la mil millonésima parte de un segundo.
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