Download Las nuevas Tecnologías en Física Médica.

II CONGRESO NACIONAL DE FÍSICA
Las nuevas tecnologías en la
Física Medica
Ing. Alejandro Arroyo D.
Las nuevas tecnologías en …
1
Cardiología
Cardiología
De Wikipedia, la enciclopedia libre
Corazón
La cardiología es la rama de la medicina que se ocupa de las
afecciones del corazón y del aparato circulatorio. Se
incluye dentro de las especialidades médicas, es decir que
no abarca la cirugía, aún cuando muchas enfermedades
cardiológicas son de sanción quirúrgica, por lo que un
equipo cardiológico suele estar integrado por cardiólogo,
cirujano cardíaco y fisiatra, integrando además a otros
especialistas cuando el terreno del paciente así lo requiere.
Cardiología
•
Cardiología no invasiva
– Electrocardiografía
• Convencional
• Monitoreo continuo de 24 horas (Test de Holter).
• Pruebas de esfuerzo (ergometría)
–
–
–
–
Convencionales
Prueba de la mesa inclinada
Sensibilizadas con fármacos
Con medicina nuclear
– Monitoreo ambulatorio de la Presión Arterial (MAPA)
•
Cardiología invasiva
– Cateterismo cardíaco
– Angioplastia transluminal percutánea
– Electrofisiología cardíaca
• Implantación de marcapasos
• Ablación trans-catéter de focos de arritmia
2
Electrocardiografía
Electrocardiógrafo (1)
•
•
•
•
La primera grabación de
potenciales eléctricos asociados al
corazón la efectuó August Desiree
Waller en 1887.
Para su estudio empleo el
electrómetro capilar inventado por
el físico francés Gabriel Lippmann
en 1873.
El dispositivo utiliza la
polarización y la tensión superficial
generada en el interfase entre
mercurio y acido sulfúrico.
Efectuó grabaciones en material
fotosensible que desplazo a
velocidad constante.
3
Electrocardiógrafo (2)
• Entre 1893 y 1896 George
Burch y Willem
Einthoven desarrollaron
métodos para calibrar y
corregir las grabaciones
obtenidas con el
electrómetro capilar.
• Obtuvieron señales muy
parecidas al ECG actual.
• La nomenclatura adoptada
por ellos es la que se
utiliza en la actualidad.
Electrocardiógrafo (3)
•
•
•
•
Einthoven no estaba satisfecho
con el desempeño del
electrómetro capilar.
En 1903 desarrollo el
galvanómetro de cuerda.
Consiste en un electroimán y
una cuerda de cuarzo bañada en
plata (la cuerda se movía 1 mm
en sincronía con el ECG)..
Un sistema de proyección y una
lámpara de arco completaban el
sistema.
4
Electrocardiógrafo (4)
• En 1934 uno de los
primeros
electrocardiógrafos
basados en tubos fue
desarrollado.
• La introducción de los
semiconductores permitió
el desarrollo de equipos
mas sensibles y compactos
a partir de 1960.
Electrocardiógrafo (5)
• En la actualidad, el
electrocardiógrafo
moderno emplea sistemas
basados en
microprocesadores.
• Utiliza el procesamiento
digital de señales (DSP)
para evaluar la morfología
de la onda y sugerir un
diagnóstico.
5
Desfibrilación y Cardioversión
Desfibrilación y Cardioversión
•
•
•
La desfibrilación (DF) es el tratamiento de elección en caso
de fibrilación ventricular (FV) o taquicardia ventricular sin pulso
(TVSP) y la cardioversión (CV) es el tratamiento de las taquiarritmias
con repercusión hemodinámica.
Ambas consisten en un choque eléctrico de alto voltaje, que provoca
la despolarización simultánea de todas las células miocárdicas,
brusca en la DF o sincronizada en la CV y permite, a partir de aquí,
recuperar los latidos espontáneos y coordinados del corazón.
Estas técnicas precisan de un material específico, consistentes en un
desfibrilador (condensador de energía eléctrica), unas palas de
contacto y una interfase del electrodo (medio conductor que permite el
paso de la corriente a través de la piel).
6
Aparato de Charles Kite (1788)
Aparato desarrollado por el
Dr.Charles Kite para revivir a
personas “Aparentemente
Muertas” (usualmente
Ahogados) Cuenta con todos
los componentes vitales de un
moderno Desfibrilador
Desfibriladores
•1947: Primer prototipo de desfibrilador.
1955: Primer desfibrilador basado en corriente alterna.
7
Desfibriladores Modernos
•
•
•
•
•
•
Incluyen un monitor de ECG
incorporado.
Operan a baterías o conectados a
la red.
Hacen descargas de tipo
bifásicas.
Cuentan con protocolos de
descarga.
Pueden tener sistemas que
recomiendan descarga.
Pueden enviar signos vitales al
centro hospitalario.
Sistema de Transmisión
Ambulancia con
Defibrilador
Línea Telefónica
GSM / Satélite
Bluetooth
Desfibrilador
Red Telefónica
• Notificación vía
e-mail
• SMS
• Beeper
• Envio a Fax
Computadora
Centro de Control
o Cuarto de Urgencias
Conexión
Directa
Desfibrilador
8
ECG de 12 derivaciones
Descarga de Desfibrilador
9
Desfibriladores Automáticos
•
•
•
•
Aeropuertos
Escuelas
Centros Comerciales
Aviones
Generadores de Pulso
(Marcapasos)
10
Generador de Pulsos (1880)
Generador de Pulsos en base a una
pila de Volta (Mercurio y cobre)
conectada a un Metrónomo
utilizado originalmente para medir
el tiempo en que un músico debía
de interpretar una melodía. Este
servia como un interruptor de paso,
con lo cual se formaba un pulso de
estimulación.
El Marcapaso de Hyman (1932)
También conocido como el
Marcapaso del “Crank”, fue el 1er
marcapaso compacto, que podía
entregar pulsos a frecuencias de
30, 60 y 120 ppm. No fue bien
recibido por considerarse una
“Charlatanería”
11
El Marcapaso de Zoll (1950)
El Marcapaso del Dr. Paul
Zoll era externo y
eliminaba el uso de agujas
trans-torácicas pero los
electrodos de superficie
provocaban una
contracción muscular en
todo el tórax lo cual era
una gran desventaja.
El Marcapaso de Tubos al Vacío
(1952)
Marcapaso Externo
con Monitor
alimentado en Línea
mediante un cable
de 10 mts. En
paciente con
bloqueo postCirugía a Corazón
abierto.
12
Marcapaso Externo de Earl Bakken
(1957)
Marcapaso Externo a base de
Transistores y accionado con
una pila de 9 V, ligero y
apropiado para una
estimulación por largo plazo.
Desarrollado por el Ing. Earl
Bakken, para ser usado en
pacientes post cirugía CV y
desarrollado a petición del
Dr. Walton Lillehie
Marcapaso Implantable
Greatbatch-Chardack (1960)
Marcapaso Definitivo
Asíncrono conectado a un
cable Epicárdico de
Hunter-Roth con 10
baterías de MercurioZinc, inmerso en resina
epoxy y recubierto de
hule de silicón.
13
Marcapaso Externo (1966)
Marcapaso Externo
Asíncrono a base de
Transistores y accionado
con una pila de 9 Volts,
con dos controles de
Salida y de Frecuencia,
así como un indicador de
estimulación e interruptor
de seguridad.
Marcapasos Implantables Asíncronos y
de Demanda (1970 - 1973)
Marcapasos definitivos
con 2-4 y 6 baterías de
Hg-Zn recubiertos en
resina Epoxy con
duración de 3.5 años
VOO y VVI. Primer
marcapaso recubierto
con Titanio con control
de Frecuencia y
duración de 4 años.
14
Marcapaso Definitivo VVI (1974)
Marcapaso de circuito Híbrido (CI y
4 componentes discretos, con baterías
de Hg-Zn y una duración de 6 Años,
programable en 4 funciones.
Ensamble de Marcapaso (1980)
Ensamblado de Marcapaso
con sistema bi-direccional de
comunicación por telemetría,
con batería de I-Li,
longevidad de más de 10 años
multi programable hasta en
65,000 posibles
combinaciones de
programación, con cubierta de
Titanio y 45 grs.
15
Marcapasos Actuales
Chips digitales Bi-CMOS, VVI
/ DDI de I-Li y longevidad 10
Años + con un universo de
miniaturización de 12 Micras.
El Interior del Corazón
Contiene cuatro Cámaras separadas y
distintas, las cuales se contraen y relajan a
medida que expelen y reciben sangre
La Anatomía también se refiere al corazón
como Izquierdo y Derecho contando cada
lado con una “Aurícula” y un “Ventrículo”
La sangre circula de las cámaras superiores
(Aurículas) a las Inferiores (Ventrículos)
El flujo de sangre entre Aurículas y
Ventrículos esta regulado por las Válvulas
“Auriculoventriculares”
La Válvula situada entre la A y V derechos es
la Válvula “Tricúspide” y la del lado Izquierdo
es la Válvula “Mitral”
El Lado derecho y el Izquierdo están
separados por el “Septum” o “Tabique
Septal”
La acción de contracción y relajación de A y
V se realiza de manera alternada. A la
Contracción auricular se produce una
relajación Ventricular
16
El Sistema de Conducción
El sistema especial que ayuda al corazón a
funcionar emitiendo un pulso eléctrico dentro del
corazón es el “Sistema de Conducción”
Este sistema tiene como elemento principal el Nodo
Sinusal o SA, que es un grupo especializado de
células situado en la pared superior de la A.D.
El Nodo SA recibe instrucciones del Sistema
Nervioso Central Autónomo, del sistema
Hormonal y de la Química del Oxigeno para
determinar la frecuencia cardíaca a la cual deberá
de producir el pulso eléctrico
El Nodo SA “descarga” impulsos eléctricos en un
rango que va de 60 a 100 lpm. Se le conoce
también como el Marcapaso Natural
El Nodo SA es el grupo con mayor “Automatismo”
de las células cardíacas, las cuales también tienen
esta característica pero en menor grado, por eso el
SA es le dominante.
El tejido del sistema de conducción conduce a una
velocidad de 3 a 5 metros x segundo, mientras que
las células cardíacas conduce de 1 a 3 mts x seg.
En circunstancias anormales cualquier otra célula
del corazón puede tomar el mando y determinar la
frecuencia Cardíaca; a estos puntos que originan el
estímulo se les conoce como “Focos Ectópicos”
Ritmo Sinusal Normal
La conducción
del latido
sinusal que
muestra la
sincronía AV
*
Animación
17
Tipos de Estimulación
Sistema de Estimulación
18
Código Genérico NASPE/BPEG
Posición
Categoría
I
Cámara
Estimulada
II
Cámara
con Sensibilidad
III
Respuesta
a Eventos sentidos
IV
V
Programabilidad
Modulación de la
Frecuencia
Funciones
Antitaquiarrítmia
0 = Ninguna
0 = Ninguna
0 = Ninguna
0 = Ninguna
A = Aurícula
A = Aurícula
T = Disparado
P = Programable Simple
0 = Ninguna
P = Estimulación
V = Ventrículo
V = Ventrículo
I = Inhibido
M = Multiprogramable
S = Descarga (Shock)
D = Doble (A + V)
D = Doble (A + V)
D = Doble (T + I )
C = Comunicación
D = Doble (P + S)
R = Modulación de la
Frecuencia (Sensor)
Designación
solamente del
Fabricante
S = Sencillo
(A o V)
S = Sencillo
(A o V)
Nota: Las posiciones de la I a la III son utilizadas exclusivamente para la función Antibradiarrítmia.
De Bernstein, A.D. et al, PACE, Vol. 10, Jul-Ago. 1987
Modo Asíncrono ( VOO/AOO )
VOO.- Estimulación de
una sola cámara
(Ventrículo)a una frecuencia
programada sin sensibilidad
a eventos intrínsecos del
paciente
AOO.- Estimulación
Unicameral en la Aurícula a
una frecuencia programada
sin sensibilidad ni sincronía
alguna
19
TOMOGRAFIA POR EMISION DE
POSITRONES
PET
Física y Aplicaciones
II Congreso Nacional de
Física
Mario Rodriguez
1
Siemens Medical Solutions
Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Imágenes Funcionales vs
Imágenes Anatómicas
PET, SPECT
CT, Resonancia Magnética
Muestra la extensión de la
enfermedad
Detecta cambios en la estructura y
tamaño de un órgano
Útiles para monitorear tratamientos y
evaluar su efectividad
Simplemente confirma la presencia de
masas
Revela la enfermedad en etapas más
tempranas
Puede diferenciar si una masa es
benigna o maligna
Detecta anormalidades ntes que
ocurra un cambio en la anatomía
2
Siemens Medical Solutions
Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Un poquito de historia
En 1975 se fabricó el primer
equipo de PET comercial
Hasta 1990 su uso fue casi
exclusivamente en sitios de
investigación
En 1990 se estableció el uso del
PET como herramienta clínica,
con aplicaciones en Oncología
3
Siemens Medical Solutions
Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
El principio básico de PET
1. Trazador emisor de positrones es
inyectado en el cuerpo
5
2. Positrones emitidos (β+) viajan 1 – 3 mm
1
4
6
4. La anilacion emite energia en forma de
dos fotones de 511 keV volando a ~180
grados el uno del otro
2
3
5. Los fotones son detectados por
detectores de centelleo opuestos
4
7
5
4
3. Positrones chocan con electrones (β-)
causando una “anilacion”
6
6. Se usa la discriminacion de energia para
asegurarse que cada foton es de
~511 keV
7. La discriminacion temporal se utiliza para
asegurarse que los fotones provienen de
la misma anilacion. De esta forma se
garantiza la exactitud en la localizacion
del trazador
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Detección en COINCIDENCIA
5
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Eventos Verdaderos
∆E energy window
Una anilacion
Energía de los fotones dentro de la
ventana de discriminacion de energía
Detección de los fotones dentro de la
ventana de coincidencia
∆E energy window
Eventos Verdaderos
∝ Actividad Inyectada
6
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Eventos Accidentales
Dos anilaciones
Energía de los fotones dentro de
la ventana de discriminacion de
energía
Detección de los fotones dentro de
la ventana de coincidencia
Eventos Accidentales
∝ Actividad Inyectada 2
7
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Reducción de Eventos Accidentales
Parametro relevante:
12 ns
Eventos accidentales
Ventana de coincidencia
6 ns
4.5 ns
Ventana de coincidencia
8
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Eventos Dispersados
Una anilación
Detección dentro de la ventana
de coincidencia
Pérdida de energía debido a la
dispersión
Sin embargo la eneriía aún esta
dentro de la ventana de energía
La fracción de fotones
dispersados depende del objeto
9
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Espectro de energía para eventos detectados en
PET y reducción de la fracción de dispersión
Los eventos en PET están distribuidos a través de un rango de energía, es
decir, no todos los eventos tienen exactamente 511 keV. La fraccion de
dispersion se reduce con la ventana de energía.
Ventana
de energía
Fotones de 511 keV
Fotones dispersados
Conteo
BGO
LSO
350425
– 650
– 650
0
100
200
300
400
500
600
700
Energía (keV)
10
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Reconstrucción de la Imagen
11
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Detectores utilizados en PET
12
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Molecular Imaging
Emisores de Positrones
Núcleo rico en
protones
A
Z
13
A
Z −1
+
X → Y + e +ν
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Emisores de Positrones
Radioisótopo Vida Media (min)
14
11C
21
13N
10
15O
2
18F
110
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Radiofarmacia en PET
15
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Cómo se produce el FDG?
16
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Que se puede detectar con PET?
17
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Enfermedades en las arterias coronarias
PET tiene la capacidad única de diferenciar si el músculo
cardíaco de un paciente se puede beneficiar de una cirugía de
la arteria coronaria para implante de un bypass
18
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Enfermedades en las arterias coronarias
Las flechas muestran tejido
muerto: no hay beneficio
con un bypass
19
Corazón normal
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Tumores
PET tiene mucha precisión diferenciando entre tumores benignos y
malignos, así como también mostrando el grado de extensión anatómica
de los tumores malignos. PET ayuda a detectar tumores de cerebro
recurrentes, tumores de pulmón, colon, mamas, nodos linfáticos piel y
otros órganos. Información obtenida del PET puede ser usada para
determinar qué tipo de tratamiento o combinación de tratamientos es
más adecuado para tratar exitosamente un tumor
20
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Tumores (Cáncer de mamas)
Cáncer de mamas que no fue
detectado con las técnicas
convencionales de imágenes
(CT, Resonancia, mamografía)
21
Otra vista de la misma paciente.
A través de una biopsia se
encontró que los nódulos
linfáticos estaban en metástasis
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Cerebro
PET puede proveer información para
evaluar disfunciones del cerebro. PET
puede mostrar la región del cerebro que
causa los ataques cerebrales. Además
es útil evaluando enfermedades
degenerativas del cerebro como
Alzheimer, Huntington y Parkinson.
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Cerebro
Cerebro normal
23
Cerebro de una niña de 9 años con
una historia de ataques de epilepsia
muy frecuentes. La flecha muestra el
área responsable de los ataques.
Una intervención quirúrgica paró los
ataques
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
PET-CT
Necesidad de tener ambas juntas: imágenes anatómicas e
imágenes funcionales
Estudio con FDG: Pulmón o
Vertebras?
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Estudio con 124I: Hueso o
tejido suave?
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Solución vía software o hardware
-Movimiento interno de los órganos
-Resuelve todas las dificultades anteriores
-Inconveniente para el paciente ya
que son dos estudios separados los
que hay que realizar
-Las imágenes están listas inmediatamente
-Pero, la corrección para la atenuación de los
fotones del estudio de PET es el reto principal
-El alineamiento del paciente debe ser para los Físicos Médicos
sumamente preciso, lo cual es muy
difícil lograr
Innovation is in our genes.
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Molecular Imaging
Primer prototipo PET-CT
David Townsend, Físico Médico de la Universidad de Pittsburg
presentó en 1998 el primer prototipo hibrido PET-CT. Esto lo logró con
SIEMENS
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Corrección de atenuación vía CT
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
Del prototipo al BIOGRAPH
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Innovation is in our genes.
Molecular Imaging
PET-CT en Radioterapia
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Molecular Imaging
PET-CT en Radioterapia
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