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Las nuevas tecnologías en la

Física Medica

Ing. Alejandro Arroyo D.

II CONGRESO NACIONAL DE FÍSICA

Las nuevas tecnologías en …

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Cardiología

CardiologíaDe 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

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Electrocardiografía

Electrocardiógrafo (1)

• La primera grabación de potenciales eléctricos asociados al corazón la efectuó August DesireeWaller en 1887.

• Para su estudio empleo el electrómetro capilar inventado por el físico francés Gabriel Lippmannen 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.

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• Entre 1893 y 1896 GeorgeBurch y WillemEinthoven 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.


• 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 mmen sincronía con el ECG)..

• Un sistema de proyección y una lámpara de arco completaban el sistema.

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• 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.


• 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.

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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 taquiarritmiascon 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).

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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.

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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

Computadora Centro de Control

o Cuarto de Urgencias

Red Telefónica

GSM / Satélite

Bluetooth

Línea Telefónica

Conexión

Directa

Ambulancia con

Defibrilador

Desfibrilador

Desfibrilador

• Notificación vía e-mail

• SMS

• Beeper

• Envio a Fax

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ECG de 12 derivaciones

Descarga de Desfibrilador

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Desfibriladores Automáticos

• Aeropuertos

• Escuelas

• Centros Comerciales

• Aviones

Generadores de Pulso

(Marcapasos)

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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”

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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 post-

Cirugía a Corazón

abierto.

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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 Mercurio-Zinc, inmerso en resina epoxy y recubierto de hule de silicón.

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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.

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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.

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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

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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 Ritmo Sinusal Normal

La conducción

del latido

sinusal que

muestra la

sincronía AV

*Animación

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Tipos de Estimulación

Sistema de Estimulación

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Posición I II III IV V

Categoría Cámara Cámara Respuesta Programabilidad FuncionesEstimulada con Sensibilidad a Eventos sentidos Modulación de la Antitaquiarrítmia

Frecuencia

0 = Ninguna 0 = Ninguna 0 = Ninguna 0 = Ninguna 0 = Ninguna

A = Aurícula A = Aurícula T = Disparado P = Programable Simple 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 S = Sencillo S = Sencillo solamente del (A o V) (A o V)Fabricante

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

Código Genérico NASPE/BPEG

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

Modo Asíncrono ( VOO/AOO )

Innovation is in our genes.

1 Siemens Medical Solutions Molecular Imaging

TOMOGRAFIA POR EMISION DE POSITRONES

PET

Física y Aplicaciones

II Congreso Nacional de Física

Mario Rodriguez



Imágenes Funcionales vsImágenes 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



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



El principio básico de PET

1. Trazador emisor de positrones es inyectado en el cuerpo

2. Positrones emitidos (β+) viajan 1 – 3 mm

3. Positrones chocan con electrones (β-) causando una “anilacion”

4. La anilacion emite energia en forma de dos fotones de 511 keV volando a ~180 grados el uno del otro

5. Los fotones son detectados por detectores de centelleo opuestos

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

1

2

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4

4

5

5

6

6

7



Detección en COINCIDENCIA



Eventos Verdaderos

∆E energy window

∆E energy window

Eventos VerdaderosActividad Inyectada∝

� Una anilacion

� Energía de los fotones dentro de la

ventana de discriminacion de energía

� Detección de los fotones dentro de la

ventana de coincidencia



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 AccidentalesActividad Inyectada 2∝



Reducción de Eventos Accidentales

Parametro relevante:

� Ventana de coincidencia

Ventana de coincidencia

Even

tos a

ccid

en

tale

s

12 ns

6 ns

4.5 ns



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



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.

350 – 650

Ventana de energía

425 – 650

Co

nte

o

Energía (keV)

0 100 200 300 400 700600500

Fotones dispersados

Fotones de 511 keV

BGO

LSO



Reconstrucción de la Imagen



Detectores utilizados en PET



Emisores de Positrones

Núcleo rico en

protones

ν++→ +− eYXA

Z

A

Z 1



Radioisótopo Vida Media (min)

11C 21

13N 10

15O 2

18F 110

Emisores de Positrones



Radiofarmacia en PET



Cómo se produce el FDG?



Que se puede detectar con PET?



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



Enfermedades en las arterias coronarias

Las flechas muestran tejido muerto: no hay beneficio con un bypass

Corazón normal



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



Tumores (Cáncer de mamas)

Cáncer de mamas que no fue detectado con las técnicas convencionales de imágenes (CT, Resonancia, mamografía)

Otra vista de la misma paciente. A través de una biopsia se encontró que los nódulos linfáticos estaban en metástasis



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.



Cerebro

Cerebro normalCerebro 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



PET-CT

Necesidad de tener ambas juntas: imágenes anatómicas e imágenes funcionales

Estudio con FDG: Pulmón o Vertebras?

Estudio con 124I: Hueso o tejido suave?



Solución vía software o hardware

-Movimiento interno de los órganos

-Inconveniente para el paciente ya que son dos estudios separados los que hay que realizar

-El alineamiento del paciente debe ser sumamente preciso, lo cual es muy difícil lograr

-Resuelve todas las dificultades anteriores

-Las imágenes están listas inmediatamente

-Pero, la corrección para la atenuación de los fotones del estudio de PET es el reto principal para los Físicos Médicos



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



Corrección de atenuación vía CT



Del prototipo al BIOGRAPH



PET-CT en Radioterapia



PET-CT en Radioterapia

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