Historia de la tomografía computarizada

La historia de la tomografía computarizada de rayos X se remonta al menos a 1917 con la teoría matemática de la transformada de radón. En octubre de 1963, William H. Oldendorf recibió una patente estadounidense para un "aparato de energía radiante para investigar áreas seleccionadas de objetos interiores oscurecidos por densas material". La primera tomografía computarizada clínica se realizó en 1971 utilizando un escáner inventado por Sir Godfrey Hounsfield.

Teoría matemática

La teoría matemática detrás de la reconstrucción tomográfica computarizada se remonta a 1917 con la invención de la transformada de Radon por parte del matemático austriaco Johann Radon, quien demostró matemáticamente que una función podía reconstruirse a partir de un conjunto infinito de sus proyecciones. En 1937, el matemático polaco Stefan Kaczmarz desarrolló un método para encontrar una solución aproximada a un gran sistema de ecuaciones algebraicas lineales. Esto, junto con el trabajo teórico y experimental de Allan McLeod Cormack, sentó las bases para la técnica de reconstrucción algebraica, que fue adaptada por Godfrey Hounsfield como mecanismo de reconstrucción de imágenes en su primer escáner CT comercial.

En 1956, Ronald N. Bracewell utilizó un método similar a la transformada de Radon para reconstruir un mapa de radiación solar. En 1959, el neurólogo de UCLA William Oldendorf concibió una idea para "escanear una cabeza a través de un haz de rayos X transmitido y poder reconstruir los patrones de radiodensidad de un plano a través de la cabeza" después de observar un aparato automatizado construido para rechazar fruta congelada por detección de 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 un clavo rodeado por un círculo de otros clavos, lo que hacía imposible la radiografía desde cualquier ángulo.En su artículo histórico 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 lo que compartió el premio Lasker de 1975 con Hounsfield. El campo de los métodos matemáticos de la tomografía computarizada sigue siendo un área de activo desarrollo.

En 1968, Nirvana McFadden y Michael Saraswat establecieron pautas para el diagnóstico de patologías abdominales comunes, que incluyen apendicitis aguda, obstrucción del intestino delgado, síndrome de Ogilvie, pancreatitis aguda, intususcepción y atresia de piel de manzana.

La tomografía de plano focal convencional siguió siendo un pilar del diagnóstico radiológico hasta finales de la década de 1970, cuando la disponibilidad de minicomputadoras y el desarrollo de la exploración axial transversal llevó a la TC a suplantar gradualmente como la modalidad preferida para obtener imágenes tomográficas. En términos matemáticos, el método se basa en el uso de Radon Transform. Pero como Cormack recordó más tarde, tuvo que encontrar la solución por sí mismo ya que solo en 1972 se enteró del trabajo de Radon, por casualidad.

Escáneres comerciales

La tecnología CT ha mejorado enormemente. Las mejoras en la velocidad, el conteo de cortes y la calidad de la imagen han sido el enfoque principal principalmente para las 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.

EMI

El primer escáner CT comercialmente viable fue inventado por Sir Godfrey Hounsfield en Hayes, Reino Unido, en los Laboratorios Centrales de Investigación de EMI utilizando rayos X. Hounsfield concibió su idea en 1967. El primer EMI-Scanner se instaló en el Hospital Atkinson Morley en Wimbledon, Inglaterra, y el primer escáner cerebral del paciente se realizó el 1 de octubre de 1971. Se anunció públicamente en 1972.

El prototipo original de 1971 tomó 160 lecturas paralelas a través de 180 ángulos, cada uno con 1° de diferencia, y cada escaneo tomó un poco más de 5 minutos. Las imágenes de estos escaneos tardaron 2,5 horas en ser procesadas mediante técnicas de reconstrucción algebraica en una computadora grande. El escáner tenía un único detector fotomultiplicador y funcionaba según el principio de traslación/rotación.

A menudo se afirma que los ingresos de las ventas de los discos de The Beatles en la década de 1960 ayudaron a financiar el desarrollo del primer escáner CT en EMI, aunque esto se ha cuestionado recientemente.La primera máquina de tomografía computarizada de rayos X de producción (de hecho llamada "EMI-Scanner") se limitaba a hacer secciones tomográficas del cerebro, pero adquiría los datos de la imagen en aproximadamente 4 minutos (escaneando dos cortes adyacentes) y el tiempo de cálculo (usando una minicomputadora Data General Nova) fue de aproximadamente 7 minutos por imagen. Este escáner requería el uso de un tanque Perspex lleno de agua con una "tapa para la cabeza" de goma preformada en la parte delantera, que encerraba la cabeza del paciente. El tanque de agua se usó para reducir el rango dinámico de la radiación que llega a los detectores (entre el escaneo fuera de la cabeza y el escaneo a través del hueso del cráneo). Las imágenes tenían una resolución relativamente baja y estaban compuestas por una matriz de solo 80 × 80 píxeles.

En los EE. UU., la primera instalación fue en la Clínica Mayo. Como tributo al impacto de este sistema en imágenes médicas, Mayo Clinic tiene un escáner EMI en exhibición en el Departamento de Radiología. Allan McLeod Cormack de la Universidad de Tufts en Massachusetts inventó de forma independiente un proceso similar, y tanto Hounsfield como Cormack compartieron el Premio Nobel de Medicina de 1979.

ACTA

El primer sistema de tomografía computarizada que podía generar imágenes de cualquier parte del cuerpo y no requería el "tanque de agua" fue el escáner ACTA (Automatic Computerized Transverse Axial) diseñado por Robert S. Ledley, DDS, en la Universidad de Georgetown. Esta máquina tenía 30 tubos fotomultiplicadores como detectores y completó un escaneo en solo nueve ciclos de traslación/rotación, mucho más rápido que el EMI-Scanner. Utilizaba una minicomputadora DEC PDP11/34 tanto para operar los servomecanismos como para adquirir y procesar las imágenes. La compañía farmacéutica Pfizer adquirió el prototipo de la universidad, junto con los derechos para fabricarlo. Luego, Pfizer comenzó a hacer copias del prototipo, llamándolo "200FS" (FS que significa Fast Scan), que se vendían tan rápido como podían hacerlo. Esta unidad producía imágenes en una matriz de 256×256, con mucha mejor definición que el 80×80 del EMI-Scanner. Tomó alrededor de 20 segundos adquirir un corte, lo que hizo posibles los escaneos corporales, ya que el paciente tenía que contener la respiración hasta que se adquiriera el corte. Esa es la razón principal por la que el escáner EMI no puede escanear el cuerpo. Los 5 minutos para adquirir una rebanada fueron demasiado largos. Por lo general, el operador, después de completar toda la serie de cortes, procesaba las imágenes, las fotografiaba en películas y archivaba las imágenes sin procesar en cinta magnética. Esto tuvo que hacerse porque la computadora no tenía la capacidad de almacenamiento para más de un estudio a la vez. Esto significaba que en un hospital grande y ajetreado, el operador de TC era una persona muy ocupada. Esta máquina requería mucho mantenimiento para mantenerla en funcionamiento. La computadora PDP11/34 hizo de todo, desde controlar el pórtico y el proceso de escaneo hasta procesar los datos sin procesar en imágenes terminadas. Sin embargo, solo tenía 64 KB de memoria y un disco duro de 5 MB, que contenía tanto el programa operativo como los datos sin procesar adquiridos. El disco duro constaba de dos platos de 12 ", uno interno y fijo, el otro plato estaba contenido en un cartucho redondo y era extraíble.

Portátil

Los escáneres de TC portátiles se pueden llevar junto a la cama del paciente y realizar una exploración sin sacar al paciente de la cama. Algunos escáneres portátiles están limitados por el tamaño de su orificio y, por lo tanto, se utilizan principalmente para escanear la cabeza. No tienen capacidades de visualización de imágenes directamente en el escáner. El escáner de TC portátil no reemplaza al conjunto de TC fijo. Un ejemplo de este tipo de máquina es Siemens Healthineers SOMATOM On.site.

En 2008, Siemens presentó una nueva generación de escáner que podía tomar una imagen en menos de 1 segundo, lo suficientemente rápido como para producir imágenes claras de corazones latiendo y arterias coronarias.

La TC puede usar la rotación continua del pórtico 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 básicamente adquiere un solo corte en espiral, de modo que todas las áreas de interés se cubren rápidamente. Estos datos se pueden procesar y visualizar 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.

Contador de fotones

En 2021, la FDA aprobó el escáner de conteo de fotografías de Siemens. El escáner cuenta los fotones de rayos X individuales que pasan a través de un paciente y discrimina su energía, aumentando el detalle proporcionado al lector. La técnica también reduce la cantidad de rayos X necesarios para una exploración.

Técnicas reemplazadas en gran medida

La TC reemplazó a la neumoencefalografía más invasiva para obtener imágenes del cerebro, así como a la mayoría de las aplicaciones de la tomografía de plano focal.

Tomografía de plano focal

Antes de la tomografía computarizada, las imágenes tomográficas podían generarse mediante radiografía mediante tomografía de plano focal, representando un solo corte del cuerpo en una película radiográfica. Este método fue propuesto por el radiólogo italiano Alessandro Vallebona a principios del siglo XX. 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 barra 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.Esto es solo marginalmente efectivo, ya que el desenfoque ocurre solo en el plano "x". Este método de adquisición de imágenes tomográficas usando solo técnicas mecánicas avanzó hasta mediados del siglo XX, produciendo 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 de plano focal, siguió siendo ineficaz para producir imágenes de tejidos blandos. Con el aumento del poder y la disponibilidad de las computadoras en la década de 1960, comenzó la investigación de técnicas computacionales prácticas para crear imágenes tomográficas, lo que condujo al desarrollo de la tomografía computarizada (TC).