La medicina nuclear , o nucleología , [1] es una especialidad médica que implica la aplicación de sustancias radiactivas en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades . La imagen nuclear es, en cierto sentido, radiología hecha de adentro hacia afuera , porque registra la radiación emitida desde dentro del cuerpo en lugar de la radiación que se transmite a través del cuerpo desde fuentes externas como los generadores de rayos X. Además, las exploraciones de medicina nuclear se diferencian de la radiología, ya que el énfasis no está en la obtención de imágenes de la anatomía, sino en la función. Por tal razón, se denomina modalidad de imágenes fisiológicas . La tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) y la tomografía por emisión de positrones (PET) son las dos modalidades de imágenes más comunes en medicina nuclear. [2]
En la obtención de imágenes de medicina nuclear, los radiofármacos se toman internamente, por ejemplo, por inhalación, por vía intravenosa o por vía oral. Luego, los detectores externos ( cámaras gamma ) capturan y forman imágenes a partir de la radiación emitida por los radiofármacos. Este proceso es diferente a una radiografía diagnóstica, en la que la radiación externa pasa a través del cuerpo para formar una imagen. [ cita requerida ]
Existen varias técnicas de diagnóstico en medicina nuclear.
Las pruebas de medicina nuclear se diferencian de la mayoría de las demás modalidades de diagnóstico por imagen en que las exploraciones de medicina nuclear muestran principalmente la función fisiológica del sistema que se está investigando, a diferencia de las imágenes anatómicas tradicionales, como la TC o la RMN. Los estudios de imágenes de medicina nuclear son generalmente más específicos de órganos, tejidos o enfermedades (p. ej., exploración de pulmones, exploración cardíaca, exploración ósea, exploración cerebral, tumores, infecciones, Parkinson, etc.) que los de la radiología convencional, que se centran en una sección particular del cuerpo (p. ej., radiografía de tórax, tomografía computarizada de abdomen/pelvis, tomografía computarizada de cabeza, etc.). Además, existen estudios de medicina nuclear que permiten obtener imágenes de todo el cuerpo basándose en ciertos receptores o funciones celulares. Algunos ejemplos son las exploraciones PET de cuerpo entero o las exploraciones PET/TC , las exploraciones con galio , las exploraciones con glóbulos blancos con indio , las exploraciones con MIBG y octreotida .
Si bien la capacidad del metabolismo nuclear para obtener imágenes de procesos patológicos a partir de diferencias en el metabolismo es insuperable, no es única. Ciertas técnicas, como la fMRI, obtienen imágenes de tejidos (en particular, tejidos cerebrales) a través del flujo sanguíneo y, por lo tanto, muestran el metabolismo. Además, las técnicas de realce de contraste tanto en la TC como en la RMN muestran regiones de tejido que están procesando los fármacos de manera diferente, debido a un proceso inflamatorio.
Las pruebas diagnósticas en medicina nuclear aprovechan la forma en que el cuerpo maneja las sustancias de manera diferente cuando hay una enfermedad o patología presente. El radionúclido introducido en el cuerpo a menudo está unido químicamente a un complejo que actúa de manera característica dentro del cuerpo; esto se conoce comúnmente como trazador . En presencia de una enfermedad, un trazador a menudo se distribuirá por el cuerpo y/o se procesará de manera diferente. Por ejemplo, el ligando metileno-difosfonato ( MDP ) puede ser absorbido preferentemente por el hueso. Al unir químicamente el tecnecio-99m al MDP, la radiactividad puede transportarse y unirse al hueso a través de la hidroxiapatita para la obtención de imágenes. Cualquier aumento de la función fisiológica, como debido a una fractura en el hueso, generalmente significará un aumento de la concentración del trazador. Esto a menudo da como resultado la aparición de un "punto caliente", que es un aumento focal en la acumulación de radio o un aumento general en la acumulación de radio en todo el sistema fisiológico. Algunos procesos patológicos dan como resultado la exclusión de un trazador, lo que da como resultado la aparición de un "punto frío". Se han desarrollado muchos complejos trazadores para obtener imágenes o tratar muchos órganos, glándulas y procesos fisiológicos diferentes.
En algunos centros, las exploraciones de medicina nuclear se pueden superponer, mediante software o cámaras híbridas, a imágenes de modalidades como la TC o la RMN para resaltar la parte del cuerpo en la que se concentra el radiofármaco. Esta práctica se conoce a menudo como fusión de imágenes o registro conjunto, por ejemplo, SPECT/TC y PET/TC. La técnica de fusión de imágenes en medicina nuclear proporciona información sobre la anatomía y la función que, de otro modo, no estaría disponible o requeriría un procedimiento o una cirugía más invasivos.
Aunque no se comprenden bien los riesgos de la exposición a niveles bajos de radiación, se ha adoptado universalmente un enfoque cauteloso según el cual toda exposición humana a la radiación debe mantenerse en el nivel más bajo razonablemente practicable (ALARP, por sus siglas en inglés). (Originalmente, esto se conocía como "tan bajo como sea razonablemente posible" (ALARA, por sus siglas en inglés), pero esto ha cambiado en las versiones modernas de la legislación para poner más énfasis en lo "razonablemente" y menos en lo "alcanzable").
Según el principio ALARP, antes de que un paciente sea sometido a un examen de medicina nuclear, se debe determinar el beneficio del examen. Para ello, se deben tener en cuenta las circunstancias particulares del paciente en cuestión, cuando corresponda. Por ejemplo, si es poco probable que un paciente pueda tolerar una cantidad suficiente del procedimiento para llegar a un diagnóstico, entonces no sería adecuado proceder a inyectarle el trazador radiactivo.
Cuando el beneficio justifica el procedimiento, la exposición a la radiación (la cantidad de radiación que se administra al paciente) también debe mantenerse en un nivel "ALARP". Esto significa que las imágenes producidas en medicina nuclear nunca deben ser mejores que las necesarias para un diagnóstico confiable. La administración de exposiciones a la radiación mayores puede reducir el ruido en una imagen y hacerla más atractiva fotográficamente, pero si la pregunta clínica puede responderse sin este nivel de detalle, entonces esto es inadecuado.
Como resultado, la dosis de radiación de las imágenes de medicina nuclear varía mucho según el tipo de estudio. La dosis de radiación efectiva puede ser menor o comparable a la dosis de radiación ambiental de fondo anual diaria general, o incluso puede ser mayor . Asimismo, también puede ser menor, estar en el rango de, o ser mayor que la dosis de radiación de una tomografía computarizada de abdomen y pelvis.
Algunos procedimientos de medicina nuclear requieren una preparación especial del paciente antes del estudio para obtener el resultado más preciso. Los preparativos previos a la toma de imágenes pueden incluir la preparación de la dieta o la suspensión de determinados medicamentos. Se recomienda a los pacientes que consulten con el departamento de medicina nuclear antes de una exploración.
El resultado del proceso de obtención de imágenes de medicina nuclear es un conjunto de datos que comprende una o más imágenes. En los conjuntos de datos de múltiples imágenes, la matriz de imágenes puede representar una secuencia temporal (es decir, cine o película) a menudo denominada conjunto de datos "dinámicos", una secuencia temporal controlada por el corazón o una secuencia espacial en la que la gammacámara se mueve en relación con el paciente. La SPECT (tomografía computarizada por emisión de fotón único) es el proceso mediante el cual se reconstruyen las imágenes adquiridas a partir de una gammacámara giratoria para producir una imagen de un "corte" a través del paciente en una posición particular. Una colección de cortes paralelos forma una pila de cortes, una representación tridimensional de la distribución de radionúclidos en el paciente.
La computadora de medicina nuclear puede requerir millones de líneas de código fuente para proporcionar paquetes de análisis cuantitativo para cada una de las técnicas de imágenes específicas disponibles en medicina nuclear. [ cita requerida ]
Las secuencias de tiempo se pueden analizar más a fondo utilizando modelos cinéticos como modelos multicompartimentales o un diagrama de Patlak .
La terapia con radionúclidos se puede utilizar para tratar afecciones como el hipertiroidismo , el cáncer de tiroides , el cáncer de piel y los trastornos sanguíneos.
En la terapia de medicina nuclear, la dosis del tratamiento de radiación se administra internamente (por ejemplo, por vía intravenosa u oral) o externamente directamente sobre el área a tratar en forma de un compuesto (por ejemplo, en caso de cáncer de piel).
Los radiofármacos utilizados en la terapia de medicina nuclear emiten radiación ionizante que viaja sólo a corta distancia, minimizando así los efectos secundarios no deseados y el daño a los órganos no afectados o a las estructuras cercanas. La mayoría de las terapias de medicina nuclear pueden realizarse como procedimientos ambulatorios, ya que los efectos secundarios del tratamiento son mínimos y la exposición a la radiación del público en general puede mantenerse dentro de un límite seguro.
Terapias comunes de medicina nuclear (fuente no sellada)
En algunos centros el departamento de medicina nuclear también puede utilizar cápsulas implantadas de isótopos ( braquiterapia ) para tratar el cáncer.
Fuentes de radiación comúnmente utilizadas (radionucleidos) para braquiterapia [4]
La historia de la medicina nuclear contiene contribuciones de científicos de distintas disciplinas de la física, la química, la ingeniería y la medicina. La naturaleza multidisciplinaria de la medicina nuclear dificulta que los historiadores médicos determinen la fecha de nacimiento de la medicina nuclear. Probablemente, la mejor fecha para ubicarla sea entre el descubrimiento de la radiactividad artificial en 1934 y la producción de radionucleidos por parte del Laboratorio Nacional de Oak Ridge para usos relacionados con la medicina, en 1946. [5]
Los orígenes de esta idea médica se remontan a mediados de la década de 1920 en Friburgo , Alemania, cuando George de Hevesy realizó experimentos con radionúclidos administrados a ratas, mostrando así las vías metabólicas de estas sustancias y estableciendo el principio trazador . Posiblemente, la génesis de este campo médico tuvo lugar en 1936, cuando John Lawrence , conocido como "el padre de la medicina nuclear", tomó una licencia de su puesto de profesor en la Escuela de Medicina de Yale , para visitar a su hermano Ernest Lawrence en su nuevo laboratorio de radiación (ahora conocido como Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ) en Berkeley , California . Más tarde, John Lawrence realizó la primera aplicación en pacientes de un radionúclido artificial cuando utilizó fósforo-32 para tratar la leucemia . [6] [7]
Muchos historiadores consideran el descubrimiento de radionucleidos producidos artificialmente por Frédéric Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie en 1934 como el hito más significativo en la medicina nuclear. [5] En febrero de 1934, informaron sobre la primera producción artificial de material radiactivo en la revista Nature , después de descubrir la radiactividad en papel de aluminio que se irradiaba con una preparación de polonio. Su trabajo se basó en descubrimientos anteriores de Wilhelm Konrad Roentgen para los rayos X, Henri Becquerel para las sales de uranio radiactivas y Marie Curie (madre de Irène Curie) para el torio radiactivo, el polonio y la acuñación del término "radiactividad". Taro Takemi estudió la aplicación de la física nuclear a la medicina en la década de 1930. La historia de la medicina nuclear no estará completa sin mencionar a estos pioneros.
La medicina nuclear ganó reconocimiento público como una especialidad potencial cuando el 11 de mayo de 1946, un artículo en el Journal of the American Medical Association (JAMA) del Dr. Saul Hertz del Hospital General de Massachusetts y el Dr. Arthur Roberts del Instituto Tecnológico de Massachusetts, describió el uso exitoso del tratamiento de la enfermedad de Graves con yodo radiactivo (RAI). [8] Además, Sam Seidlin. [9] trajo un mayor desarrollo en el campo describiendo un tratamiento exitoso de un paciente con metástasis de cáncer de tiroides usando yodo radiactivo ( I-131 ). Muchos historiadores consideran que estos artículos son los artículos más importantes jamás publicados en medicina nuclear. [10] Aunque el primer uso del I-131 se dedicó a la terapia del cáncer de tiroides, su uso se amplió más tarde para incluir la obtención de imágenes de la glándula tiroides, la cuantificación de la función tiroidea y la terapia para el hipertiroidismo. Entre los muchos radionucleidos que se descubrieron para uso médico, ninguno fue tan importante como el descubrimiento y desarrollo del tecnecio-99m . Fue descubierto por primera vez en 1937 por C. Perrier y E. Segre como un elemento artificial para llenar el espacio número 43 en la Tabla Periódica. El desarrollo de un sistema generador para producir tecnecio-99m en la década de 1960 se convirtió en un método práctico para uso médico. Hoy en día, el tecnecio-99m es el elemento más utilizado en medicina nuclear y se emplea en una amplia variedad de estudios de imágenes de medicina nuclear.
El uso clínico generalizado de la medicina nuclear comenzó a principios de la década de 1950, a medida que se ampliaban los conocimientos sobre los radionucleidos, la detección de la radiactividad y el uso de ciertos radionucleidos para rastrear procesos bioquímicos. Los trabajos pioneros de Benedict Cassen al desarrollar el primer escáner rectilíneo y la cámara de centelleo de Hal O. Anger ( la cámara Anger ) ampliaron la joven disciplina de la medicina nuclear hasta convertirla en una especialidad de diagnóstico por imagen médica de pleno derecho.
A principios de la década de 1960, en el sur de Escandinavia , Niels A. Lassen , David H. Ingvar y Erik Skinhøj desarrollaron técnicas que proporcionaron los primeros mapas del flujo sanguíneo del cerebro, que inicialmente implicaban la inhalación de xenón-133 ; [11] poco después se desarrolló un equivalente intraarterial, que permitía medir la distribución local de la actividad cerebral en pacientes con trastornos neuropsiquiátricos como la esquizofrenia. [12] Las versiones posteriores tendrían 254 centelleadores para que se pudiera producir una imagen bidimensional en un monitor a color. Les permitió construir imágenes que reflejaran la activación cerebral al hablar, leer, la percepción visual o auditiva y el movimiento voluntario. [13] La técnica también se utilizó para investigar, por ejemplo, los movimientos secuenciales imaginados, el cálculo mental y la navegación espacial mental. [14] [15]
En la década de 1970, la mayoría de los órganos del cuerpo podían visualizarse mediante procedimientos de medicina nuclear. En 1971, la Asociación Médica Estadounidense reconoció oficialmente la medicina nuclear como una especialidad médica. [16] En 1972, se creó la Junta Estadounidense de Medicina Nuclear y, en 1974, la Junta Estadounidense de Medicina Nuclear Osteopática , lo que consolidó la medicina nuclear como una especialidad médica independiente.
En la década de 1980 se diseñaron radiofármacos para su uso en el diagnóstico de enfermedades cardíacas. El desarrollo de la tomografía computarizada por emisión monofotónica (SPECT), aproximadamente en la misma época, condujo a la reconstrucción tridimensional del corazón y al establecimiento del campo de la cardiología nuclear.
Los desarrollos más recientes en medicina nuclear incluyen la invención del primer escáner de tomografía por emisión de positrones ( PET ). El concepto de tomografía de emisión y transmisión, desarrollado más tarde en la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT), fue introducido por David E. Kuhl y Roy Edwards a fines de la década de 1950. [ cita requerida ] Su trabajo condujo al diseño y construcción de varios instrumentos tomográficos en la Universidad de Pensilvania. Las técnicas de imágenes tomográficas se desarrollaron aún más en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington . Estas innovaciones llevaron a la imagen de fusión con SPECT y CT por Bruce Hasegawa de la Universidad de California, San Francisco (UCSF), y al primer prototipo PET/CT por DW Townsend de la Universidad de Pittsburgh en 1998. [ cita requerida ]
En sus primeros años, la obtención de imágenes PET y PET/CT experimentó un crecimiento más lento debido al costo de la modalidad y al requisito de un ciclotrón en el lugar o cerca de él. Sin embargo, una decisión administrativa de aprobar el reembolso médico de aplicaciones PET y PET/CT limitadas en oncología ha llevado a un crecimiento fenomenal y una aceptación generalizada en los últimos años, lo que también se vio facilitado por el establecimiento de trazadores marcados con 18F para procedimientos estándar, lo que permitió trabajar en sitios no equipados con ciclotrones. La obtención de imágenes PET/CT es ahora una parte integral de la oncología para el diagnóstico, la estadificación y el seguimiento del tratamiento. Un escáner MRI/PET totalmente integrado está en el mercado desde principios de 2011. [ cita requerida ]
El 99m Tc se suministra normalmente a los hospitales a través de un generador de radionúclidos que contiene el radionúclido original molibdeno-99 . El 99 Mo se obtiene típicamente como un producto de fisión de 235 U en reactores nucleares, sin embargo, la escasez de suministro global ha llevado a la exploración de otros métodos de producción . Aproximadamente un tercio del suministro mundial, y la mayor parte del suministro europeo, de isótopos médicos se produce en el reactor nuclear Petten en los Países Bajos . Otro tercio del suministro mundial, y la mayor parte del suministro de América del Norte, se produjo en los Laboratorios Chalk River en Chalk River , Ontario , Canadá, hasta su cierre permanente en 2018. [17]
El radioisótopo más comúnmente utilizado en PET, 18 F , no se produce en un reactor nuclear, sino en un acelerador circular llamado ciclotrón . El ciclotrón se utiliza para acelerar protones para bombardear el isótopo pesado estable del oxígeno 18 O . El 18 O constituye aproximadamente el 0,20% del oxígeno ordinario (principalmente oxígeno-16 ), del cual se extrae. El 18 F se utiliza luego típicamente para fabricar FDG .
Un estudio típico de medicina nuclear implica la administración de un radionúclido en el cuerpo mediante inyección intravenosa en forma líquida o agregada, ingestión mientras se combina con alimentos, inhalación como gas o aerosol o, raramente, inyección de un radionúclido que ha sufrido microencapsulación . Algunos estudios requieren el marcado de las propias células sanguíneas de un paciente con un radionúclido ( gammagrafía de leucocitos y gammagrafía de glóbulos rojos ). La mayoría de los radionúclidos de diagnóstico emiten rayos gamma directamente a partir de su desintegración o indirectamente a través de la aniquilación electrón-positrón , mientras que las propiedades dañinas para las células de las partículas beta se utilizan en aplicaciones terapéuticas. Los radionúclidos refinados para su uso en medicina nuclear se derivan de procesos de fisión o fusión en reactores nucleares , que producen radionúclidos con vidas medias más largas, o ciclotrones , que producen radionúclidos con vidas medias más cortas, o aprovechan los procesos de desintegración natural en generadores dedicados, es decir, molibdeno/tecnecio o estroncio/rubidio.
Los radionucleidos intravenosos más comúnmente utilizados son el tecnecio-99m, el yodo-123, el yodo-131, el talio-201, el galio-67, la fluorodesoxiglucosa de flúor-18 y los leucocitos marcados con indio-111 . [ cita requerida ] Los radionucleidos gaseosos/aerosoles más comúnmente utilizados son el xenón-133, el criptón-81m y el tecnecio-99m ( aerosolizado ). [22]
Un paciente sometido a un procedimiento de medicina nuclear recibirá una dosis de radiación . Según las directrices internacionales actuales, se supone que cualquier dosis de radiación, por pequeña que sea, presenta un riesgo. La dosis de radiación administrada a un paciente en una investigación de medicina nuclear, aunque no está comprobada, generalmente se acepta que presenta un riesgo muy pequeño de inducir cáncer. En este sentido, es similar al riesgo de las investigaciones con rayos X, excepto que la dosis se administra internamente en lugar de desde una fuente externa como una máquina de rayos X, y las cantidades de dosis suelen ser significativamente más altas que las de los rayos X.
La dosis de radiación de una investigación de medicina nuclear se expresa como dosis efectiva en unidades de sieverts (generalmente se expresan en milisieverts, mSv). La dosis efectiva resultante de una investigación está influenciada por la cantidad de radiactividad administrada en megabecquerels ( MBq), las propiedades físicas del radiofármaco utilizado, su distribución en el cuerpo y su velocidad de eliminación del cuerpo.
Las dosis efectivas pueden variar desde 6 μSv (0,006 mSv) para una medición de la tasa de filtración glomerular con cromo -51 EDTA de 3 MBq hasta 11,2 mSv (11 200 μSv) para un procedimiento de imágenes miocárdicas con talio -201 de 80 MBq . La gammagrafía ósea común con 600 MBq de tecnecio-99m MDP tiene una dosis efectiva de aproximadamente 2,9 mSv (2900 μSv). [23]
Anteriormente, las unidades de medida eran el curie (Ci), siendo 3,7E10 Bq, y también 1,0 gramos de radio ( Ra-226 ); el rad (dosis de radiación absorbida), ahora reemplazado por el gray ; y el rem ( equivalente de Röntgen man ), ahora reemplazado por el sievert . [24] El rad y el rem son esencialmente equivalentes para casi todos los procedimientos de medicina nuclear, y solo la radiación alfa producirá un valor Rem o Sv más alto, debido a su Efectividad Biológica Relativa (RBE) mucho más alta. Los emisores alfa hoy en día rara vez se utilizan en medicina nuclear, pero se usaban ampliamente antes de la llegada de los radionucleidos producidos por reactores nucleares y aceleradores. Los conceptos involucrados en la exposición a la radiación de los humanos están cubiertos por el campo de la Física de la Salud ; el desarrollo y la práctica de técnicas medicinales nucleares seguras y efectivas es un enfoque clave de la Física Médica .
Diferentes países alrededor del mundo mantienen marcos regulatorios que son responsables de la gestión y uso de radionucleidos en diferentes entornos médicos. Por ejemplo, en los EE. UU., la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) y la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) tienen pautas establecidas para que los hospitales las sigan. [25] Con la NRC, si no hay materiales radiactivos involucrados, como rayos X, por ejemplo, no están regulados por la agencia y en cambio están regulados por los estados individuales. [26] Las organizaciones internacionales, como el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), han publicado regularmente diferentes artículos y pautas para las mejores prácticas en medicina nuclear, así como informes sobre tecnologías emergentes en medicina nuclear. [27] [28] Otros factores que se consideran en medicina nuclear incluyen el historial médico del paciente, así como la gestión posterior al tratamiento. Grupos como la Comisión Internacional de Protección Radiológica han publicado información sobre cómo gestionar el alta de pacientes de un hospital con radionucleidos no sellados. [29]
