La historia de la tomografía computarizada (TC) con rayos X se remonta al menos a 1917 con la teoría matemática de la transformada de Radon . [1] [2] A principios de la década de 1900, un radiólogo italiano llamado Alessandro Vallebona inventó la tomografía (llamada "estratigrafía") que usaba película radiográfica para ver una sola rebanada del cuerpo. [3] [4 ] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] No se usó ampliamente hasta la década de 1930, cuando el Dr. Bernard George Ziedses des Plantes desarrolló un método práctico para implementar la técnica, conocida como tomografía de plano focal . [12] Se basa en el movimiento mecánico de la fuente del haz de rayos X y la película de captura al unísono para garantizar que el plano de interés permanezca enfocado y los objetos que caen fuera del plano que se examina se difuminan.
En octubre de 1963, William H. Oldendorf recibió una patente estadounidense para un " aparato de energía radiante para investigar áreas seleccionadas de objetos interiores oscurecidas por material denso". [13] La llegada de computadoras sofisticadas a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970 hizo posible el desarrollo de los primeros escáneres de tomografía computarizada prácticos. La primera tomografía computarizada clínica se realizó en un hospital de Londres en 1971 utilizando un escáner inventado por Sir Godfrey Hounsfield . [14] La primera instalación comercial de un escáner de tomografía computarizada, un EMI-Scanner Mark I, tuvo lugar en la Clínica Mayo en los EE. UU. en 1973.
La teoría matemática detrás de la reconstrucción tomográfica computarizada se remonta a 1917 con la invención de la transformada de Radon [1] [2] por el matemático austríaco Johann Radon , quien demostró matemáticamente que una función podía reconstruirse a partir de un conjunto infinito de sus proyecciones. [15] En 1937, el matemático polaco Stefan Kaczmarz desarrolló un método para encontrar una solución aproximada a un gran sistema de ecuaciones algebraicas lineales. [16] [17] Esto, junto con el trabajo teórico y experimental de Allan McLeod Cormack , [18] [19] sentó las bases para la técnica de reconstrucción algebraica , que fue adaptada por Godfrey Hounsfield como el mecanismo de reconstrucción de imágenes en su primer escáner CT comercial. [ cita requerida ]
En 1956, Ronald N. Bracewell utilizó un método similar a la transformada de Radon para reconstruir un mapa de la radiación solar . [20] En 1959, el neurólogo de la UCLA William Oldendorf concibió una idea para "escanear una cabeza a través de un haz transmitido de rayos X y poder reconstruir los patrones de radiodensidad de un plano a través de la cabeza" después de observar un aparato automatizado construido para rechazar la fruta congelada detectando porciones deshidratadas. En 1961, construyó un prototipo en el que una fuente de rayos X y un detector acoplado mecánicamente giraban alrededor del objeto que se iba a fotografiar. Al reconstruir la imagen, este instrumento podía obtener una imagen de rayos X de una uña rodeada por un círculo de otras uñas, lo que hacía imposible realizar una radiografía desde un solo ángulo. [ aclaración necesaria ] [21] En su artículo de referencia de 1961, describió el concepto básico utilizado más tarde por Allan McLeod Cormack para desarrollar las matemáticas detrás de la tomografía computarizada.
En octubre de 1963, Oldendorf recibió una patente estadounidense para un "aparato de energía radiante para investigar áreas seleccionadas de objetos interiores oscurecidos por material denso", por el que compartió el Premio Lasker de 1975 con Hounsfield. [13] El campo de los métodos matemáticos de la tomografía computarizada continúa siendo un área de desarrollo activo. [22] [23] [24] [25] Frank Natterer y Erik Ritman han escrito una descripción general de la historia de la TC, así como de los métodos matemáticos y sus desarrollos . [26]
En 1968, Nirvana McFadden y Michael Saraswat establecieron pautas para el diagnóstico de patologías abdominales comunes, incluidas la apendicitis aguda , la obstrucción del intestino delgado , el síndrome de Ogilvie , la pancreatitis aguda , la intususcepción y la atresia de cáscara de manzana . [27]
La tomografía convencional del plano focal siguió siendo un pilar del diagnóstico radiológico hasta finales de los años 70, cuando la disponibilidad de minicomputadoras y el desarrollo de la exploración axial transversal hicieron que la TC fuera reemplazando gradualmente a la modalidad preferida para obtener imágenes tomográficas. En términos matemáticos, el método se basa en el uso de la Transformada de Radon. Pero como Cormack recordó más tarde, [28] tuvo que encontrar la solución él mismo, ya que recién en 1972 se enteró del trabajo de Radon, por casualidad.
La tecnología de la TC ha mejorado enormemente. Las mejoras en la velocidad, el número de cortes y la calidad de la imagen han sido el foco principal, principalmente en la obtención de imágenes cardíacas. Los escáneres ahora producen imágenes mucho más rápido y con mayor resolución, lo que permite a los médicos diagnosticar a los pacientes con mayor precisión y realizar procedimientos médicos con mayor precisión.
El primer escáner CT comercialmente viable fue inventado por Sir Godfrey Hounsfield en Hayes , Reino Unido , en los Laboratorios Centrales de Investigación EMI usando rayos X. Hounsfield concibió su idea en 1967. [14] El primer escáner EMI se instaló en el Hospital Atkinson Morley en Wimbledon , Inglaterra, y el primer escáner cerebral de un paciente se realizó el 1 de octubre de 1971. [29] Se anunció públicamente en 1972.
El prototipo original de 1971 tomó 160 lecturas paralelas a través de 180 ángulos, cada uno con 1° de separación, y cada escaneo tomó un poco más de 5 minutos. Las imágenes de estos escaneos tardaron 2,5 horas en procesarse mediante técnicas de reconstrucción algebraica en una computadora grande. El escáner empleaba un haz de rayos X de pequeño tamaño dirigido a un único detector fotomultiplicador y funcionaba según el principio de Traslación/Rotación. [29]
El primer escáner de rayos X de producción (de hecho, llamado "EMI-Scanner") se limitaba a realizar secciones tomográficas del cerebro, pero adquiría los datos de la imagen en unos 4 minutos (escaneando dos cortes adyacentes) y el tiempo de cálculo (utilizando un miniordenador Data General Nova ) era de unos 7 minutos por imagen. Este escáner requería el uso de un tanque de Perspex lleno de agua con una "tapa para la cabeza" de goma preformada en la parte delantera, que rodeaba la cabeza del paciente. El tanque de agua se utilizaba para reducir el rango dinámico de la radiación que llegaba a los detectores (entre el escaneo fuera de la cabeza en comparación con el escaneo a través del hueso del cráneo). Las imágenes tenían una resolución relativamente baja, ya que estaban compuestas por una matriz de sólo 80 × 80 píxeles.
En Estados Unidos, la primera instalación se realizó en la Clínica Mayo . Como tributo al impacto de este sistema en la obtención de imágenes médicas, la Clínica Mayo tiene un escáner EMI en exhibición en el Departamento de Radiología. Allan McLeod Cormack, de la Universidad Tufts en Massachusetts, inventó de manera independiente un proceso similar, y tanto Hounsfield como Cormack compartieron el Premio Nobel de Medicina de 1979 por sus contribuciones al desarrollo de la TC. [30]
El primer sistema de tomografía computarizada (TC) capaz de producir imágenes de cualquier parte del cuerpo humano sin la necesidad de un engorroso "tanque de agua" fue el escáner Axial Transversal Automático Computarizado (ACTA), diseñado por el Dr. Robert S. Ledley , DDS, en la Universidad de Georgetown. Esta revolucionaria máquina estaba equipada con 30 tubos fotomultiplicadores como detectores y era capaz de completar un escaneo en solo nueve ciclos de traslación/rotación, significativamente más rápido que el escáner EMI. Para operar los servomecanismos y manejar la adquisición y el procesamiento de imágenes, el escáner ACTA utilizaba una minicomputadora DEC PDP11/34.
El prototipo del escáner ACTA de la Universidad de Georgetown llamó la atención del gigante farmacéutico Pfizer , que adquirió los derechos para fabricarlo. Posteriormente, Pfizer presentó su versión de la máquina, llamada "200FS" (donde "FS" significa Fast Scan). El 200FS generaba imágenes en una matriz de 256x256, lo que ofrecía una definición de imagen mucho mejor en comparación con la de 80x80 del escáner EMI. Se necesitaban aproximadamente 20 segundos para adquirir un solo corte de imagen, lo que hacía posible realizar exploraciones de cuerpo completo, aunque los pacientes todavía tenían que contener la respiración durante este proceso, una distinción clave con el escáner EMI, que no podía realizar exploraciones corporales debido a su tiempo de adquisición de cinco minutos para un solo corte.
El flujo de trabajo de las máquinas ACTA y 200FS implicaba que el operador adquiría una serie de cortes y luego procesaba las imágenes. Estas imágenes se imprimían en películas y los datos sin procesar se archivaban en cinta magnética. Este paso de archivo era necesario porque la computadora carecía de capacidad de almacenamiento para más de un estudio a la vez. En hospitales con mucha actividad, los operadores de TC se encontraban constantemente involucrados en este proceso que requería mucho trabajo. Mantener la funcionalidad de la máquina también era una tarea importante.
El ordenador DEC PDP11/34 desempeñó un papel fundamental en el funcionamiento de los escáneres ACTA y 200FS. Controlaba el pórtico, gestionaba el proceso de escaneado y procesaba los datos brutos para obtener las imágenes finales. Sorprendentemente, este ordenador funcionaba con tan solo 64 KB de memoria y un disco duro de 5 MB, que contenía tanto el programa operativo como los datos brutos adquiridos. El disco duro en sí estaba compuesto por dos platos de 12", uno de los cuales era interno y fijo, mientras que el otro estaba alojado en un cartucho redondo extraíble.
Los escáneres de TC portátiles se pueden llevar a la cabecera del paciente y realizar una exploración sin necesidad de levantarlo de la cama. Algunos escáneres portátiles están limitados por el tamaño de su orificio y, por lo tanto, se utilizan principalmente para exploraciones de la cabeza. No tienen capacidades de visualización de imágenes directamente en el escáner. El escáner de TC portátil no reemplaza la sala de TC fija. Un ejemplo de este tipo de máquina es el Siemens Healthineers SOMATOM On.site.
En 2008, Siemens presentó una nueva generación de escáneres capaces de tomar una imagen en menos de un segundo, lo suficientemente rápido para producir imágenes claras de corazones latiendo y arterias coronarias.
La TC puede utilizar la rotación continua del gantry y puede adquirir un conjunto de datos en unos pocos segundos con una técnica en espiral en la que el paciente se mueve continuamente mientras la máquina adquiere básicamente un único corte en espiral, de modo que todas las áreas de interés se cubren rápidamente. Estos datos se pueden procesar y mostrar en cualquier plano. Esto da como resultado una gran reducción en la exposición a los rayos X. Siemens y Toshiba son los líderes en esta tecnología.
En 2021, la FDA aprobó el escáner de conteo de fotones de Siemens. El escáner cuenta los fotones de rayos X individuales que pasan a través de un paciente y discrimina su energía, lo que aumenta el detalle proporcionado al lector. La técnica también reduce la cantidad de rayos X necesarios para una exploración. [31]
La TC reemplazó a la neumoencefalografía más invasiva para obtener imágenes del cerebro, así como a la mayoría de las aplicaciones de la tomografía del plano focal .
Antes de la tomografía computarizada, las imágenes tomográficas podían hacerse mediante radiografía utilizando la tomografía de plano focal , que representa un solo corte del cuerpo en una película radiográfica. Este método fue propuesto por el radiólogo italiano Alessandro Vallebona a principios de 1900. La idea se basa en principios simples de geometría proyectiva : mover sincrónicamente y en direcciones opuestas el tubo de rayos X y la película, que están conectados entre sí por una varilla cuyo punto de pivote es el foco; la imagen creada por los puntos en el plano focal aparece más nítida, mientras que las imágenes de los otros puntos se aniquilan como ruido. [32] Esto es solo marginalmente efectivo, ya que el desenfoque ocurre solo en el plano "x". Este método de adquisición de imágenes tomográficas utilizando solo técnicas mecánicas avanzó hasta mediados del siglo XX, produciendo constantemente imágenes más nítidas y con una mayor capacidad para variar el grosor de la sección transversal que se examina. Esto se logró mediante la introducción de dispositivos multidireccionales más complejos que pueden moverse en más de un plano y realizar un desenfoque más efectivo. Sin embargo, a pesar de la creciente sofisticación de la tomografía del plano focal, siguió siendo ineficaz para producir imágenes de tejidos blandos. [32] Con el aumento de la potencia y la disponibilidad de las computadoras en la década de 1960, comenzaron las investigaciones sobre técnicas computacionales prácticas para crear imágenes tomográficas, lo que condujo al desarrollo de la tomografía computarizada (TC).