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Tomografía

Fig.1 : Principio básico de la tomografía: superposición de secciones transversales tomográficas libres S 1 y S 2 comparadas con la imagen proyectada (no tomográfica) P
Tomografía sagital de cráneo en plano medio mediante resonancia magnética

La tomografía es la obtención de imágenes por cortes o seccionamientos que utilizan cualquier tipo de onda penetrante . El método se utiliza en radiología , arqueología , biología , ciencias atmosféricas , geofísica , oceanografía , física del plasma , ciencia de los materiales , cosmoquímica , astrofísica , información cuántica y otras áreas de la ciencia . La palabra tomografía se deriva del griego antiguo τόμος tomos , "corte, sección" y γράφω graphō , "escribir" o, también en este contexto, "describir". Un dispositivo utilizado en tomografía se llama tomógrafo , mientras que la imagen producida es un tomograma .

En muchos casos, la producción de estas imágenes se basa en el procedimiento matemático de reconstrucción tomográfica , como la tomografía computarizada con rayos X, que técnicamente se produce a partir de múltiples radiografías de proyección . Existen muchos algoritmos de reconstrucción diferentes . La mayoría de los algoritmos se dividen en dos categorías: retroproyección filtrada (FBP) y reconstrucción iterativa (IR). Estos procedimientos dan resultados inexactos: representan un compromiso entre la precisión y el tiempo de cálculo requerido. La FBP demanda menos recursos computacionales, mientras que la IR generalmente produce menos artefactos (errores en la reconstrucción) a un mayor costo computacional. [1]

Aunque la resonancia magnética (MRI ), la tomografía de coherencia óptica y la ecografía son métodos de transmisión, normalmente no requieren el movimiento del transmisor para adquirir datos desde diferentes direcciones. En la MRI, tanto las proyecciones como los armónicos espaciales superiores se muestrean aplicando campos magnéticos que varían espacialmente; no se necesitan partes móviles para generar una imagen. Por otro lado, dado que la ecografía y la tomografía de coherencia óptica utilizan el tiempo de vuelo para codificar espacialmente la señal recibida, no es estrictamente un método tomográfico y no requiere múltiples adquisiciones de imágenes.

Tipos de tomografía

Algunos avances recientes se basan en el uso de fenómenos físicos integrados simultáneamente, por ejemplo, rayos X tanto para TC como para angiografía , TC / RM combinadas y TC/ PET combinadas .

Por otra parte, la tomografía discreta y la tomografía geométrica son áreas de investigación [ cita requerida ] que se ocupan de la reconstrucción de objetos discretos (como cristales) u homogéneos. Se ocupan de los métodos de reconstrucción y, como tales, no se limitan a ninguno de los métodos de tomografía (experimental) particulares enumerados anteriormente.

Microscopía tomográfica de rayos X de sincrotrón

Una nueva técnica llamada microscopía tomográfica de rayos X de sincrotrón ( SRXTM ) permite un escaneo tridimensional detallado de fósiles. [16] [17]

La construcción de fuentes de sincrotrón de tercera generación combinada con la tremenda mejora de la tecnología de detectores, el almacenamiento de datos y las capacidades de procesamiento desde la década de 1990 ha llevado a un impulso de la tomografía de sincrotrón de alta gama en la investigación de materiales con una amplia gama de aplicaciones diferentes, por ejemplo, la visualización y el análisis cuantitativo de fases de diferente absorción, microporosidades, grietas, precipitados o granos en una muestra. La radiación de sincrotrón se crea acelerando partículas libres en alto vacío. Según las leyes de la electrodinámica, esta aceleración conduce a la emisión de radiación electromagnética (Jackson, 1975). La aceleración lineal de partículas es una posibilidad, pero aparte de los campos eléctricos muy altos que se necesitarían, es más práctico mantener las partículas cargadas en una trayectoria cerrada para obtener una fuente de radiación continua. Los campos magnéticos se utilizan para forzar a las partículas a seguir la órbita deseada y evitar que vuelen en línea recta. La aceleración radial asociada con el cambio de dirección genera entonces radiación. [18]

Representación de volumen

Múltiples tomógrafos computarizados de rayos X (con calibración cuantitativa de densidad mineral ) apilados para formar un modelo 3D

La representación volumétrica es un conjunto de técnicas utilizadas para mostrar una proyección 2D de un conjunto de datos muestreados discretamente en 3D , normalmente un campo escalar 3D . Un conjunto de datos 3D típico es un grupo de imágenes de cortes 2D adquiridas, por ejemplo, mediante un escáner CT , MRI o MicroCT . Estas suelen adquirirse en un patrón regular (por ejemplo, un corte cada milímetro) y suelen tener una cantidad regular de píxeles de imagen en un patrón regular. Este es un ejemplo de una cuadrícula volumétrica regular, con cada elemento de volumen o vóxel representado por un único valor que se obtiene muestreando el área inmediata que rodea al vóxel.

Para generar una proyección 2D del conjunto de datos 3D, primero hay que definir una cámara en el espacio en relación con el volumen. Además, hay que definir la opacidad y el color de cada vóxel. Esto se suele definir mediante una función de transferencia RGBA (para rojo, verde, azul, alfa) que define el valor RGBA para cada valor de vóxel posible.

Por ejemplo, se puede visualizar un volumen extrayendo isosuperficies (superficies de valores iguales) del volumen y representándolas como mallas poligonales o representando el volumen directamente como un bloque de datos. El algoritmo de cubos en marcha es una técnica común para extraer una isosuperficie de los datos de volumen. La representación directa del volumen es una tarea que requiere un uso intensivo de recursos computacionales y que se puede realizar de varias maneras.

Historia

La tomografía del plano focal fue desarrollada en la década de 1930 por el radiólogo Alessandro Vallebona y resultó útil para reducir el problema de la superposición de estructuras en la radiografía de proyección .

En un artículo de 1953 en la revista médica Chest , B. Pollak del Sanatorio de Fort William describió el uso de la planografía, otro término para la tomografía. [19]

La tomografía del plano focal siguió siendo la forma convencional de tomografía hasta que fue reemplazada en gran medida por la tomografía computarizada a fines de la década de 1970. [20] La tomografía del plano focal aprovecha el hecho de que el plano focal aparece más nítido, mientras que las estructuras en otros planos aparecen borrosas. Al mover una fuente de rayos X y la película en direcciones opuestas durante la exposición y modificar la dirección y la extensión del movimiento, los operadores pueden seleccionar diferentes planos focales que contienen las estructuras de interés.

Véase también

Referencias

  1. ^ Herman, Gabor T. (2009). Fundamentos de la tomografía computarizada: reconstrucción de imágenes a partir de proyecciones (2.ª ed.). Dordrecht: Springer. ISBN 978-1-84628-723-7.
  2. ^ Micheva, Kristina D.; Smith, Stephen J (julio de 2007). "Tomografía de matriz: una nueva herramienta para obtener imágenes de la arquitectura molecular y la ultraestructura de los circuitos neuronales". Neuron . 55 (1): 25–36. doi :10.1016/j.neuron.2007.06.014. PMC 2080672 . PMID  17610815. 
  3. ^ Ford, Bridget K.; Volin, Curtis E.; Murphy, Sean M.; Lynch, Ronald M.; Descour, Michael R. (febrero de 2001). "Imágenes espectrales basadas en tomografía computarizada para microscopía de fluorescencia". Revista biofísica . 80 (2): 986–993. Bibcode :2001BpJ....80..986F. doi :10.1016/S0006-3495(01)76077-8. PMC 1301296 . PMID  11159465. 
  4. ^ Floyd, J.; Geipel, P.; Kempf, AM (febrero de 2011). "Tomografía computarizada de quimioluminiscencia (CTC): mediciones 3D instantáneas y estudios fantasma de una llama de chorro opuesto turbulento". Combustion and Flame . 158 (2): 376–391. doi :10.1016/j.combustflame.2010.09.006.
  5. ^ Mohri, K; Görs, S; Schöler, J; Rittler, A; Dreier, T; Schulz, C; Kempf, A (10 de septiembre de 2017). "Imágenes tridimensionales instantáneas de llamas altamente turbulentas mediante tomografía computarizada de quimioluminiscencia". Applied Optics . 56 (26): 7385–7395. Bibcode :2017ApOpt..56.7385M. doi :10.1364/AO.56.007385. PMID  29048060.
  6. ^ Huang, SM; Plaskowski, A; Xie, CG; Beck, MS (1988). "Sistema de obtención de imágenes de flujo tomográfico basado en capacitancia". Electronics Letters . 24 (7): 418–19. Bibcode :1988ElL....24..418H. doi :10.1049/el:19880283.
  7. ^ Van Aarle, W.; Palenstijn, WJ.; De Beenhouwer, J; Alantzis, T; Bals, S; Batenburg, J; Sijbers, J (2015). "ASTRA Toolbox: una plataforma para el desarrollo de algoritmos avanzados en tomografía electrónica". Ultramicroscopía . 157 : 35–47. doi :10.1016/j.ultramic.2015.05.002. hdl : 10067/1278340151162165141 .
  8. ^ Crowther, RA; DeRosier, DJ; Klug, A.; S, FR (23 de junio de 1970). "La reconstrucción de una estructura tridimensional a partir de proyecciones y su aplicación a la microscopía electrónica". Proc. R. Soc. Lond. A . 317 (1530): 319–340. Bibcode :1970RSPSA.317..319C. doi :10.1098/rspa.1970.0119. ISSN  0080-4630. S2CID  122980366.
  9. ^ Tomografía electrónica: métodos para la visualización tridimensional de estructuras en la célula (2.ª ed.). Nueva York: Springer. 2006. pp. 3. ISBN 9780387690087.OCLC 262685610  .
  10. ^ Martin, Michael C; Dabat-Blondeau, Charlotte; Unger, Miriam; Sedlmair, Julia; Parkinson, Dilworth Y; Bechtel, Hans A; Illman, Barbara; Castro, Jonathan M; Keiluweit, Marco; Buschke, David; Ogle, Brenda; Nasse, Michael J; Hirschmugl, Carol J (septiembre de 2013). "Imágenes espectrales 3D con espectro-microtomografía infrarroja por transformada de Fourier de sincrotrón". Nature Methods . 10 (9): 861–864. doi :10.1038/nmeth.2596. PMID  23913258. S2CID  9900276.
  11. ^ Cramer, A., Hecla, J., Wu, D. et al. Tomografía computarizada estacionaria para el espacio y otros entornos con recursos limitados. Sci Rep 8, 14195 (2018). [1]
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  15. ^ Van Aarle, W.; Palenstijn, WJ.; No puedo, J; Janssens, E; Bleichrodt, F; Dabravolski, A; De Beenhouwer, J; Batenburg, J; Sijbers, J (febrero de 2016). "Tomografía de rayos X rápida y flexible con ASTRA Toolbox". Óptica Express . 24 : 25129–25147. doi :10.1364/OE.24.025129. hdl : 10067/1392160151162165141 .
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  17. ^ "Colaboradores del volumen 21". Metales, microbios y minerales: el lado biogeoquímico de la vida . De Gruyter. 2021. págs. xix–xxii. doi :10.1515/9783110589771-004. ISBN 9783110588903.ID S2C  243434346.
  18. ^ Banhart, John, ed. Métodos tomográficos avanzados en investigación e ingeniería de materiales. Monografías sobre física y química de materiales. Oxford ; Nueva York: Oxford University Press, 2008.
  19. ^ Pollak, B. (diciembre de 1953). "Experiencias con planografía". Chest . 24 (6): 663–669. doi :10.1378/chest.24.6.663. ISSN  0012-3692. PMID  13107564. Archivado desde el original el 14 de abril de 2013 . Consultado el 10 de julio de 2011 .
  20. ^ Littleton, JT "Tomografía convencional" (PDF) . Una historia de las ciencias radiológicas . Sociedad Estadounidense de Rayos Roentgen . Consultado el 29 de noviembre de 2014 .

Enlaces externos