El uso de los rayos X en la medicina

Mercedes Rodríguez Villafuerte y
Arnulfo Martínez Dávalos

Instituto de Física, UNAM




El descubrimiento de los rayos X

Este año se celebra el centenario de uno de los descubrimientos en Física que mayor repercusión han tenido en la ciencia y la tecnología modernas. El 8 de Noviembre de 1895 el físico alemán Wilhelm Conrad Rontgen descubrió lo que hoy conocemos como ``Rayos X'' mientras llevaba a cabo experimentos con un tubo de rayos catódicos en su laboratorio del Instituto de Física de la Universidad de Wurzburg.

A finales de diciembre del mismo año, y después de algunas semanas de intenso trabajo, Rontgen había concluido su primer reporte describiendo sus experimentos, titulado ``Über eine neue Art von Strahlen'' (``Sobre una nueva Clase de Rayos''), el cual envió para su publicación a la sociedad de Física-Médica de Wurzburg (Rontgen 1895). En ese informe el mismo Rontgen sugirió ya la utilización de los rayos X en la medicina: como objeto de demostración del poder de penetración de los rayos X había escogido entre otros la mano de su esposa, de la cual realizó la primera radiografía el 22 de diciembre de 1895. Por su gran descubrimiento Rontgen recibió el primer premio Nobel de Física en el año de 1901.

A pesar de las posibles aplicaciones industriales de los rayos X, Rontgen se negó a comercializar o a patentar su descubrimiento. Rontgen pensaba que su descubrimiento pertenecía a la humanidad y que por ninguna razón éste iba a ser motivo de patentes, licencias o contratos. Esto dio lugar a que los primeros tubos de rayos X para usos médicos pudieran ser construidos rápidamente y a un precio muy accesible. En un tiempo muy breve después del descubrimiento de los rayos X, se definieron claramente dos tipos de aplicaciones en medicina, el primero de ellos para el diagnóstico de enfermedades, y el segundo para el tratamiento de tumores, es decir, para usos terapéuticos. Desde entonces el uso médico de los rayos X ha jugado un papel cada vez más importante, y es también gracias al desarrollo de otras tecnologías como la electrónica y la ciencia de materiales, lo que ha permitido su aplicación a niveles muy sofisticados.

Diagnóstico radiológico


El diagnóstico radiológico se basa en la obtención de imágenes con radiación ionizante. En términos generales se puede hablar de dos métodos para producir imágenes radiológicas. En los métodos tradicionales (radiografía convencional) se emplea un detector plano para formar imágenes mediante una sola proyección. Sin embargo, avances en diversas áreas de la ciencia y la tecnología en las últimas décadas, han permitido desarrollar sistemas de radiografía digital con los que es posible obtener imágenes de secciones específicas del cuerpo humano (sistemas tomográficos). La formación de una imagen radiográfica involucra tres etapas: la producción de los rayos X, el transporte de esta radiación a través del paciente y la detección de la radiación transmitida. A continuación se da una descrip- ción, en términos muy generales, de cada uno de estos procesos.


Producción y transporte de rayos X


Los rayos X se producen siempre que una substancia es irradiada con electrones de alta energía. Un tubo convencional de rayos X consiste básicamente de un cátodo y un ánodo colocados dentro de un envase de vidrio al vacío (véase figura 1).

FIG 1. Diagrama esquemático de un tubo de rayos X

El cátodo consiste de un filamento de tungsteno que al ser calentado emite electrones. Estos electrones son acelerados, debido a una diferencia de potencial aplicada entre el cátodo y el ánodo, hacia un blanco montado en el ánodo. Para tener un mayor control en la calidad del haz de rayos X es necesario que los electrones no sean desviados de su trayectoria, y para esto se requiere de un alto vacío. Los electrones al ser frenados bruscamente en el blanco, emiten radiación electromagnética con un espectro continuo de energías entre 15 y 150 keV, que es lo que se conoce como rayos X.

El número atómico del material del que está construido el blanco y la velocidad del haz de electrones, determina la energía máxima y la forma del espectro. El haz tiene dos componentes, una de ellas es continua y corresponde a la radiación de frenado (bremsstrahlung) y la otra es discreta. A ésta última se le conoce como radiación característica y se debe a transiciones electrónicas entre estados excitados en átomos del blanco. El blanco puede ser de tungsteno para radiografía general o de molibdeno para mamografía.

La base fundamental para la aplicación de los rayos X en muchas áreas de la ciencia, es su propiedad de atenuación exponencial. Los rayos X al atravesar un material pueden ser absorbidos o dispersados en su trayectoria, lo cual resulta en una disminución en la intensidad original. Los procesos de absorción o dispersión se deben a interacciones entre los átomos del medio y los rayos X. Las interacciones más importantes en el intervalo de energías de interés en radiodiagnóstico son el efecto fotoeléctrico y la dispersión de Compton (Johns y Cunningham, 1983).

FIG 2. Atenuación exponencial de rayos X monoenergéticos.
El coeficiente de atenuación lineal tiene la propiedad de ser aditivo

La reducción en intensidad depende de la energía de los rayos X, de la composición atómica del material irradiado y del grueso del mismo. La figura 2 muestra esquemáticamente un haz de rayos X monoenergético con una intensidad inicial Io, que atraviesa un material de grueso x. La intensidad del haz a la salida se reduce por un factor e-mx, en donde m es el coeficiente de atenuación lineal, el cual es una propiedad intrínseca del material irradiado.

FIG 3. Espectro típico de rayos X a un potencial de 100kV, antes
y después de atravesar 20cm de agua

La figura 3 muestra un espectro típico de rayos X generado a un potencial de 100 kV con un blanco de tungsteno, antes y después de atravesar 20 cm de agua. En la gráfica se puede observar el continuo de energías debido a la radiación de frenado y picos aislados alrededor de 59 y 67 keV, que corresponden a la radiación característica del tungsteno.


Radiografía convencional


De entre los usos médicos de la radiación, el examen de pacientes con rayos X con el propósito de dar un diagnóstico es, por mucho, el más frecuente. El objetivo del diagnóstico radiológico es proporcionar información anatómica al médico sobre el interior del paciente. Los rayos X constituyen una herramienta ideal para sondear, de manera ``no invasiva'', el interior del cuerpo humano. Sin embargo, durante la formación de la imagen existen procesos de deposición de energía en el paciente. Estos procesos llevan asociado un cierto daño biológico que en algunos casos puede afectar a la salud del paciente. En países desarrollados, aproximadamente el 90% de la dosis a la población debida a radiación causada por el hombre, se debe al uso de los rayos X para el diagnóstico radiológico (Shrimpton 1994). Aunque las dosis asociadas a este tipo de exámenes son relativamente pequeñas, la frecuencia con que éstos se llevan a cabo ocasiona que el impacto social sea considerable. Dado que el propósito de un examen médico es proporcionar un beneficio directo al paciente, los procedimientos de radiodiagnóstico han sido optimizados de tal manera que las dosis sean lo más bajas posibles y al mismo tiempo contengan la información necesaria para dar un diagnóstico adecuado.

FIG 4. Formación de una imagen plana con rayos X

Una radiografía convencional es una imagen bidimensional de un objeto tridimensional. Esto significa que toda la información en profundidad se pierde, pues los diferentes niveles de gris en la imagen dan información sobre la atenuación de los rayos X a lo largo de una trayectoria en el espacio tridimensional (véase figura 4). La intensidad de cada tono de gris proporciona información acerca de la densidad de los tejidos atravesados. Dado que el cuerpo humano puede describirse como una función continua de coeficientes de atenuación lineal, U(x,y,z) la intensidad del haz de rayos X, I (x,y), en el plano en donde se forma la imagen está representada por una integral de la forma:

En radiografía convencional el detector más utilizado consiste en la combinación de una pantalla fluorescente acoplada a una película fotográfica. Las características más importantes de este sistema son la eficiencia de detección de rayos X (que depende esencialmente de la composición y grueso de la pantalla fluorescente), la eficiencia de conversión a luz visible y el acoplamiento óptico entre la pantalla y la película. El intervalo de energía utilizado para este tipo de estudios varía aproximadamente entre los 15 y los 150 keV. Las características específicas del sistema dependen del tipo de estudio que se desea realizar, por ejemplo, si se trata de un estudio del tórax o del abdomen. La mayoría de las pantallas fluorescentes modernas se basan en compuestos de tierras raras tales como el oxisulfuro de gadolinio (Ga2 O2 S) con grosores que varían entre 30 y 70 u>m. A energías de interés clínico la eficiencia de detección de este tipo de pantallas puede llegar a ser hasta del 80%. Un segundo grupo de detectores lo constituyen los llamados ``intensificadores de imagen'', los cuales se utilizan en técnicas de fluoroscopía. Este tipo de estudios son dinámicos, de tal manera que la salida del intensificador se envía a un sistema de TV para observar la imagen radiográfica en tiempo real. El intensificador consiste de una pantalla fluorescente (normalmente CsI) acoplada a un fotocátodo y de un sistema de óptica de electrones que enfoca la imagen en una segunda pantalla fluorescente. Este tipo de detectores produce una ganancia en luminosidad de hasta 5000 veces, aunque lleva asociada una cierta pérdida en resolución espacial.

La gran importancia de la formación de imágenes planas en radiodiagnóstico, en términos del número de exámenes que se realizan de este tipo, ha causado que se inviertan una gran cantidad de recursos para tratar de desarrollar sistemas de radiografía digital que eventualmente sustituyan a la película radiográfica. En este sentido, los físicos han jugado un papel muy importante al desarrollar nuevos detectores de radiación ionizante que se espera permitan disminuir la dosis al paciente, sin pérdida en la calidad de la imagen.


Tomografía axial computarizada


La tomografía axial computarizada (TAC) es tal vez la técnica más sofisticada en la aplicación de los rayos X en medicina. La palabra tomografía proviene del griego (tomos) que significa corte o sección y (grafía) que significa representación gráfica. La técnica de TAC trata de producir un mapa bidimensional de los coeficientes de atenuación lineal de un cuerpo tridimensional, a partir de un número muy grande de medidas de transmisión, llamadas proyecciones. En términos prácticos, este mapa bidimensional corresponde a una imagen transversal del paciente. Si un conjunto de mapas bidimensionales son ensamblados, uno detrás del otro, puede obtenerse una imagen que ahora es tridimensional y que punto a punto da información sobre los coeficientes de atenuación lineal del paciente, es decir, da información sobre su anatomía.

Los algoritmos matemáticos para la reconstrucción de imágenes tomográficas a partir de sus proyecciones fueron desarrollados por el físico alemán J. Radon en 1917 (Radon 1917). Sin embargo, su aplicación en medicina no pudo ser posible sino hasta principios de los años 70, cuando el primer dispositivo de TAC fue puesto en operación clínica por el científico británico G.N. Hounsfield (Hounsfield 1973).

Las proyecciones se obtienen irradiando al paciente con un haz de rayos X y midiendo la intensidad de la radiación transmitida con un arreglo de detectores, cada uno de los cuales consiste normalmente de un cristal centellador (por ejemplo NaI o CsI) acoplado a un fotodiodo. Tanto el tubo de rayos X como el detector deben rotar (y a veces también ser trasladados) alrededor del paciente. La figura 5 muestra esquemáticamente como se forma una proyección suponiendo una geometría muy sencilla en la adquisición de datos. En este ejemplo, la distribución de coeficientes de atenuación lineal está representada por la función y corres- ponde a un solo plano del paciente. El sistema de coordenadas XY está centrado y fijo en el objeto mientras que X'Y' es un sistema que tiene el mismo origen y que rota un ángulo a alrededor del objeto.

La intensidad del haz transmitido, I(y' a), puede expresarse matemáticamente como:

I(y',a)=I 0(y',a)exp{- SS u(x,y)k (x,y,y',a)dxdy}

en donde I0(y',a) es la intensidad del haz incidente. La integral se calcula a lo largo de una trayectoria definida por la función k(x,y,y',a), que en el caso ideal es una línea recta. En el diagrama, esta trayectoria corresponde a la recta que une a la fuente de rayos X y al detector. Para cada ángulo a, se obtiene una ecuación de esta forma. Este conjunto de ecuaciones se puede resolver utilizando diferentes métodos matemáticos. El más común por su rapidez y facilidad de implementación es llamado retroproyección filtrada y utiliza métodos de Fourier.

FIG 6. Sección transversal a la altura del tórax obtenida con
tomografía axial computarizada

Los dispositivos de TAC más modernos, pueden producir imágenes con diferencias en densidad de hasta el 0.5% y resoluciones espaciales de hasta 0.5 mm. La figura 6 muestra un ejemplo real del tipo de imágenes que se obtienen con la técnica de TAC.

El número de pacientes que requiere y que puede practicarse un examen de tomografía axial computarizada, para el diagnóstico de alguna enfermedad, aumenta día a día, particularmente en países desarrollados. Se estima que en estos países, a 44 de cada 1000 personas se les practica un examen de TAC cada año (UNSCEAR 1993). Este número pareciera ser pequeño comparado con el número de radiografías convencionales que se toman, por ejemplo, del tórax (527 por cada 1000 personas). Sin embargo hay que tomar en cuenta que un examen de TAC es muy costoso dado el equipo tan sofisticado que se requiere para su realización.


Radioterapia


Una de las aplicaciones en medicina que surgió de manera muy natural con el descubrimiento de los rayos X fue la radioterapia. El uso prolongado y no controlado de este tipo de radiación produjo, desde sus comienzos, efectos dramáticos en los tejidos sanos de los radiólogos. Los radiólogos de los primeros años desconocían el efecto nocivo de los rayos X y trabajaban sin ninguna protección. Al paso del tiempo y con el uso frecuente de los rayos X, la piel enrojecía y se caía el pelo. Esto sugirió a los científicos que el nuevo tipo de radiación podría utilizarse para el tratamiento de tumores superficiales. Es interesante hacer notar que ya en el año de 1899 se consiguió tratar con éxito un cáncer cutáneo con rayos X (Winau 1973).

Hoy en día, entre los problemas de salud que afectan a la humanidad, el cáncer es la principal causa de mortalidad (Mircheva 1994). Se calcula que anualmente ocurren en el mundo 10 millones de nuevos casos de cáncer (la mayoría de éstos se detectan principalmente en países desarrollados); de estos nuevos casos más del 60% deben recibir tratamientos con radioterapia (UNSCEAR 1993). La radioterapia está dirigida a la eliminación radical del tejido anormal o al control de su crecimiento. Actualmente, la tecnología permite diagnosticar en sus primeros inicios un tumor así como su tratamiento oportuno, lo cual ofrece mayores expectativas de vida. El objetivo de la radio- terapia es aplicar una dosis controlada de radiación ionizante muy intensa a un determinado volumen, definido por el tamaño del tumor, con el fin de destruir o detener el crecimiento de células cancerígenas sin causar grave daño al tejido sano que lo rodea.

La radioterapia externa es la forma más común para el tratamiento del cáncer. Se lleva a cabo normalmente con haces de fotones, los cuales pueden producirse de tres maneras diferentes: a) rayos X de alta energía producidos con un acelerador lineal, b) rayos gamma, producto del decaimiento del 60Co y c) rayos X de baja energía (50-300 keV) producidos con un tubo convencional de rayos X.

FIG 7. Representación esquemática de un Linac

El acelerador lineal, también conocido como Linac (véase figura 7), es el equipo que más se utiliza en radioterapia (Williams y Thwaites 1993). Se desarrolló esencialmente después de la segunda guerra mundial. Este aparato permite acelerar electrones con energías entre 4 y 35 MeV; la selección de la energía de operación del Linac depende de la parte del cuerpo a irradiar. El haz de electrones se acelera utilizando microondas de alta frecuencia, las cuales se propagan por una guía de ondas. Los electrones al incidir sobre el blanco, el cual normalmente es de tungsteno, producen rayos X. Los colimadores que se encuentran después del blanco sirven para determinar la forma y el tamaño del haz que incide sobre el paciente. Para poder aplicar una dosis uniformemente distribuida sobre el tumor, el Linac gira alrededor de un eje de rotación de tal manera que el paciente pueda ser tratado desde varias orientaciones, optimizando el volumen irradiado sin causar mucho daño al tejido sano. Dado que un Linac produce radiación muy penetrante, la seguridad del personal es muy importante. Por esta razón el cuarto en donde opera el Linac debe diseñarse cuidadosamente con un blindaje eficiente para detener la radiación que no se atenúa directamente en el paciente.

En los últimos años la radioterapia ha evolucionado enormemente y hoy en día existen cierto tipo de tratamientos, los cuales están todavía a prueba, en los que la dosis es depositada usando diferentes áreas y posiciones de irradiación para definir con precisión el volumen de tratamiento. El desarrollo de esta técnica, llamada radioterapia de conformación, ha dependido fuertemente de avances tecnológicos tales como computadoras suficientemente rápidas y con gran capacidad de almacenamiento para la planificación del tratamiento y control mecánico de alta precisión de los aparatos, colimadores muy sofisticados para la delineación del volumen a irradiar y simuladores (basados por ejemplo en imágenes de TAC) para la localización del tumor. De esta manera la nueva tecnología ofrece un tratamiento tridimensional único para cada tumor y paciente.


Conclusiones


En este reporte se presentó de manera muy breve las aplicaciones más importantes de los rayos X en la medicina. El desarrollo de nuevas tecnologías permitirá ampliar el nivel de sofisticación de las áreas ya mencionadas y sin duda abrirá algunas otras. Actualmente se están desarrollando sistemas que permitirán integrar imágenes obtenidas mediante diversas técnicas (TAC, resonancia magnética nuclear, tomografía por emisión de positrones, ultrasonido) para obtener correlaciones entre la fisiología y la anatomía del paciente. Otra área en continuo desarrollo, es la de reconstrucción de imágenes tridimensionales a partir de datos tomográficos, para tomar en cuenta en detalle procesos físicos tales como la dispersión y el efecto de la resolución espacial de los detectores. La capacidad de obtener imágenes tridimensionales y manipularlas en tiempo real ha permitido el desarrollo de la cirugía virtual y su aplicación en cirugía reconstructiva e implantación de prótesis. Finalmente, en el área de radioterapia se están tratando de desarrollar sistemas de simulación que utilicen métodos de Monte Carlo para la planificación de tratamientos en tiempo real.


Referencias


 Hounsfield, G.N. 1973 Computerized Trans-verse Axial 
Scanning (Tomography) Part 1: Description of System Br. J. Radiol. 
46 1016-1022.

 Johns, H.E. y Cunningham, J.R. 1983 The Physics of 
Radiology (Charles C Thomas: Springfield).

 Mircheva, J. 1994 Atención e investigaciones de la 
salud: Ensayos clínicos en la radioterapia del cáncer OIEA Boletín 
46-4 28-32. 

 Radon, J. 1917 Über die Bestimmung von Funktionen durch 
ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten Ber. Verh. 
Sächs. Akad. Wiss. 69 262-277.

 Röntgen, W.C. 1895 Uber eine neue Art von Strahlen 
Sitzungs-Berichte der Physikalish-medizinischen Gesellshaft zu 
Wrzburg 9 132-141. 

 Shrimpton, P.C. 1994 Patient dosimetry in diagnostic 
radiology Fundamental and Applied Aspects of Medical Radiation 
Detectors NF Kember ed. (IOP: London). 

 UNSCEAR 1993 Sources and effects of ionizing radiation 
(United Nations: New York). 

 Williams, J.R. y Thwaites, D.Y. 1993 Radiotherapy 
Physics in Practice (Oxford University Press: New York). 

 Winau R 1973 El descubrimiento de Röntgen y la Medicina 
Wilhelm Conrad Röntgen 1845- 1923 (Inter Nationes: Bonn) 7.