Los rápidos avances en las técnicas de imagen basadas en la tomografía computarizada (TC) han sustentado una revolución en el tratamiento de pacientes con cáncer mediante radioterapia. Un escaneo de rayos X que dura solo unos segundos produce una visualización 3D precisa de la anatomía interna del paciente y brinda la información crítica que necesitan los físicos médicos para calcular la distribución de dosis óptima para tratar el tumor. Los avances continuos en las tecnologías de TC han permitido a los equipos clínicos acceder a imágenes de mayor calidad que han permitido una orientación más precisa del tumor al tiempo que minimizan el daño a los órganos y tejidos sanos.

Sin embargo, las imágenes de TC convencionales a veces pueden carecer del contraste necesario para distinguir claramente entre diferentes tipos de tejido blando. Eso dificulta que los oncólogos radiólogos definan con precisión el tamaño y la forma del tumor, y contorneen los órganos, tejidos y vasos sanguíneos cercanos que deben protegerse de la radiación ionizante. Otra limitación notable de las tomografías computarizadas estándar que se usan convencionalmente en los departamentos de radioterapia es que solo brindan información anatómica y, por lo tanto, no pueden revelar procesos funcionales que podrían proporcionar información adicional para la planificación del tratamiento.

Para los casos que requieren un mayor contraste de los tejidos blandos o información funcional, la TC a menudo se combina con otras modalidades de imagen, como la resonancia magnética nuclear (RMN) o la tomografía por emisión de positrones (PET). Si bien Siemens Healthineers ofrece soluciones de MRI y PET que se han optimizado para radioterapia y para obtener imágenes de pacientes en la posición de tratamiento prevista, en algunas situaciones es posible que estos métodos de imágenes complementarios no estén disponibles. Para tomar decisiones clínicas, particularmente cuando los órganos críticos están en riesgo, como en la región de la cabeza y el cuello, el tórax o el abdomen, es crucial mejorar el contraste de los tejidos blandos.

Ahora, sin embargo, un método novedoso que puede mejorar la calidad de las imágenes de TC está comenzando a marcar la diferencia en las clínicas de radioterapia. Llamada TC de energía dual o DECT, la técnica adquiere imágenes de TC de dos espectros de rayos X diferentes en lugar de uno. La TC convencional captura imágenes utilizando un solo haz de rayos X, que tiene un espectro de energías de fotones con un promedio de alrededor de 70 keV y una energía máxima típica de 120 keV. El contraste de la imagen de cada material depende de qué tan bien atenúe los rayos X, lo que a su vez depende de la energía.

“Con energías de TC estándar, la mayoría de los tejidos blandos que intentamos obtener imágenes tienen coeficientes de atenuación muy similares”, explica Jainil Shah, investigador profesional y científico colaborador de I+D de Siemens Healthineers. “Eso significa que la mayoría de los órganos se ven muy similares cuando se visualizan en una imagen de TC”.

Rutas hacia la TC de energía dual en radioterapia 

DECT mitiga este problema al generar imágenes a partir de escaneos de rayos X tomados en dos rangos de energía diferentes. Desde los primeros experimentos que mostraron el potencial de la TC de energía dual en la década de 1970, han surgido varios enfoques diferentes para adquirir imágenes DECT, y cada uno tiene sus ventajas y desventajas. La forma más sencilla es escanear al paciente dos veces a dos energías diferentes, técnica conocida como “Dual Spiral” o “Twin Spiral”. Este escaneo consecutivo puede ofrecer un excelente contraste de imagen, ya que permite una amplia separación entre los dos espectros. Debido a que cualquier movimiento del paciente entre los dos escaneos puede introducir errores, se realiza automáticamente un registro de imagen no rígido entre las dos imágenes durante el procesamiento posterior para tener en cuenta y compensar cualquier cambio en la posición. “Eso hace que Dual Spiral DECT sea más adecuado para regiones inmóviles como el cerebro y la cabeza y el cuello”, comenta Shah.

Otras técnicas capturan los dos espectros simultáneamente, registrando toda la información en un solo escaneo y limitando la exposición del paciente a la radiación de rayos X. Una opción que ofrece Siemens Healthineers es dividir el haz de rayos X usando un filtro en la dirección de exploración, creando dos haces separados con diferentes energías promedio. Tal tecnología TwinBeam ofrece un amplio campo de visión, pero el uso de un filtro limita la separación espectral y, por lo tanto, el contraste de imagen que se puede lograr.

La tercera opción disponible de Siemens Healthineers es un escáner CT que explota dos fuentes de rayos X que funcionan a diferentes energías, cada una acoplada a su propio detector. Este enfoque de doble fuente ofrece una mejor separación espectral que la tecnología TwinBeam y, por lo tanto, imágenes más nítidas para la planificación del tratamiento, así como más potencia de rayos X en cada uno de los haces separados. El campo de visión es un poco más pequeño porque el equipo debe acomodar dos tubos de rayos X separados, lo que debe tenerse en cuenta al obtener imágenes de regiones más grandes del cuerpo.

Estos sistemas DECT ya se utilizan de forma rutinaria en las clínicas de radiología para la obtención de imágenes de diagnóstico, mientras que las mejoras continuas en los escáneres y el software han facilitado mucho que los centros de radioterapia integren la técnica en su flujo de trabajo clínico. “Cualquier técnico de la clínica puede adquirir la exploración y toda la información que necesita el oncólogo radioterápico se genera automáticamente”, explica Shah. “Los flujos de trabajo clínicos se pueden configurar en el software para realizar automáticamente un procesamiento posterior y una reconstrucción de imágenes adicionales a partir de un solo escaneo”.

La captura de espectros de rayos X con dos distribuciones de energía diferentes hace posible reconstruir una imagen con cualquier energía individual. Esto produce una serie de imágenes monoenergéticas virtuales (VMI, por sus siglas en inglés), también llamadas Monoenergetic Plus, con energías que van desde alrededor de 40 keV hasta 190 keV, que se pueden usar para optimizar el contraste de los tejidos blandos. “La energía se puede cambiar fácilmente con una barra deslizante en el software”, explica Shah. “El oncólogo radioterápico puede decidir qué energía proporciona el mejor contraste para contornear los órganos”.

Shah dice que la TC de energía dual también puede proporcionar información funcional sobre los procesos dinámicos dentro del cuerpo, como la perfusión dentro de los pulmones o la absorción de yodo en diferentes órganos y vasos sanguíneos. Como ejemplo, la captura de espectros de rayos X en dos rangos de energía diferentes permite determinar la composición del material, ya que la atenuación de los rayos X en cada material depende de la energía.

“Eso significa que puede hacer cosas como quitar hueso de la imagen o distinguir entre grasa y tejido hepático”, dice Shah. "A partir de la composición del material, se puede predecir la densidad electrónica del material (imagen Rho), que es la información clave que se utiliza para los cálculos de dosis en la radioterapia". Mientras tanto, para la terapia de protones, Siemens Healthineers ofrece una reconstrucción específica llamada "DirectSPR" que calcula la relación de potencia de frenado de CT de energía dual.

en la clínica 

Los avances continuos en tecnología y software ahora permiten a los equipos médicos integrar la TC de energía dual en su práctica clínica.

Beth Bradshaw Ghavidel, Emory University, EE. UU. – DECT para pacientes de cabeza y cuello 

Beth Bradshaw Ghavidel, una de las principales físicas médicas de la Universidad de Emory, dice que TwinBeam DECT se usa principalmente para pacientes con problemas de cabeza y cuello, en los que los VMI a energías más altas pueden ayudar a eliminar los artefactos que surgen de los objetos metálicos dentro del cuerpo. como empastes dentales (DECT es compatible con la reconstrucción iterativa de artefactos metálicos, iMAR). “Es fácil configurar los flujos de trabajo deseados de TC de energía dual en el escáner y permitir el posprocesamiento automático”, dice Bradshaw Ghavidel. “Según las tomografías computarizadas que se necesiten, el dosimetrista puede seleccionar estudios específicos para importar. En este momento, no hemos necesitado modificar nuestro flujo de trabajo clínico para estudios de imagen adicionales”.

Lili Chen, Fox Chase Cancer Center, EE. UU. – DECT para la delineación de objetivos intracraneales y tumores rectales 

Lili Chen del Fox Chase Cancer Center también ha estado explorando el potencial de la TC de energía dual para mejorar la calidad de la imagen en diferentes sitios de enfermedades. Al obtener imágenes de la cabeza y el cuello, descubrió, al igual que Bradshaw Ghavidel, que un VMI a 190 keV ofrece una forma eficaz de reducir los artefactos causados ​​por los empastes dentales y la absorción de yodo en el velo del paladar. Chen también comparó imágenes DECT de tumores cerebrales en 34 pacientes diferentes con las tomadas con resonancia magnética. Cuando se usó un agente de contraste de yodo, descubrió que un VMI a 40 keV puede revelar metástasis en el cerebro que no son detectadas por TC convencional o por VMI a energías más altas. Es más, en este estudio de investigación el volumen del tumor cerebral derivado de la imagen DECT de 40 keV fue comparable al obtenido de la RM.

“Se encontraron diferencias clínicas significativas en las imágenes de TC con contraste, con la imagen de 40 keV delineando el tumor mucho más claramente que las imágenes tomadas con otras energías”, comenta Chen. “Nuestros resultados sugieren que la TC de energía dual con contraste puede usarse para la delineación de objetivos intracraneales en la planificación del tratamiento de radioterapia”. El análisis de un tumor rectal también reveló diferencias obvias entre las imágenes tomadas a diferentes energías, con la tomada a 40 keV mostrando claramente el área necrótica del tumor e indicando que las células cancerosas se habían diseminado a los vasos seminales adyacentes.

Xiaofeng Yang, Emory University Hospital: contraste de imagen DECT para contornear casos de cabeza y cuello

También en la Universidad de Emory, Xiaofeng Yang ha estado trabajando con Bradshaw Ghavidel y otros colegas para investigar si la TC de energía dual puede mejorar la precisión de un modelo de aprendizaje profundo que han desarrollado para la segmentación automática de órganos. En una reciente estudio de investigación, diseñaron una red neuronal que explota los datos DECT para segmentar automáticamente 19 órganos en riesgo en la cabeza y el cuello, y entrenaron el modelo usando contornos manuales producidos para 66 pacientes con carcinomas en diferentes sitios de la enfermedad. Los contornos automáticos generados con el modelo basado en DECT se compararon luego con los contornos manuales producidos por un médico, así como con los obtenidos utilizando el mismo modelo desarrollado en el Emory University Hospital con datos de TC convencionales. “La segmentación basada en DECT de órganos en riesgo tiene el potencial de facilitar el flujo de trabajo actual de radioterapia de cáncer de cabeza y cuello en la planificación del tratamiento”, concluye Yang.

George Noid, Medical College Wisconsin (MCW), EE. UU. – DECT en la rutina clínica y para el seguimiento del efecto del tratamiento 

George Noid, físico médico de MCW, dice que la TC de energía dual ahora se usa clínicamente de forma rutinaria para casi todos los pacientes con cáncer, particularmente aquellos que necesitan tratamiento en el abdomen o el tórax. “Utilizamos las reconstrucciones VMI para mejorar el contraste de la imagen”, dice. "Además de los pacientes abdominales y torácicos, lo hemos encontrado realmente útil para el cáncer de mama preoperatorio y otros sitios de enfermedades raras en el abdomen, como las glándulas suprarrenales".

Un problema particularmente retorcido que Noid espera abordar en el futuro es mejorar las imágenes utilizadas para planificar el tratamiento del cáncer de páncreas. “Queremos administrar la mayor cantidad de radiación posible a la cabeza del páncreas, pero el principal factor limitante es la cantidad de radiación que podemos administrar al duodeno adyacente”, explica. “Eso hace que sea clínicamente importante definir con precisión el borde entre la cabeza del páncreas y el duodeno”. En una reciente estudio de investigación, Noid y sus colegas compararon datos de TC convencionales con tomografías computarizadas de energía dual de 10 pacientes tratados por cáncer de páncreas y, en cada caso, el contraste de la imagen se mejoró mediante la inyección de medios de contraste a base de yodo en el paciente antes de la exploración. Descubrieron que el contraste de la imagen aumentaba en un factor de 2.8 para el VMI con la energía más baja posible de 40 keV, mientras que otro indicador importante de la calidad de la imagen, la relación contraste-ruido, también se maximizaba con esta energía. Las imágenes de otros sitios de tratamiento, incluidos el hígado, la mama y el timo, también mostraron que los tumores eran más claramente visibles a 40 keV que a energías más altas.

Noid también está investigando si los datos cuantitativos extraídos de las imágenes de TC de energía dual podrían usarse como un indicador de qué tan bien está respondiendo un paciente al tratamiento. “Se ha demostrado que la agresividad del cáncer de páncreas se correlaciona con la fracción de volumen extracelular (ECV), que se puede calcular a partir de una exploración DECT”, explica. En una reciente estudio de investigación, que ganó el premio Best in Physics en AAPM 2021, Noid y sus colegas usaron imágenes DECT adquiridas en sesiones de tratamiento semanales para calcular la fracción ECV. Para 12 pacientes con cáncer de páncreas, el estudio reveló una correlación entre la fracción ECV y la concentración de un antígeno canceroso que se encuentra en la sangre, lo que sugiere que la exploración DECT regular podría usarse para rastrear el efecto del tratamiento. “Eso ofrece la posibilidad de estratificar los riesgos de su paciente en función de los cálculos de la fracción ECV”, explica Noid. “Esa información podría ayudar a impulsar sus decisiones clínicas, como administrar una dosis más alta a un paciente que tiene una enfermedad más agresiva. Todavía no lo estamos usando en nuestro flujo de trabajo clínico, pero esa es la idea”.

Noid confía en que DECT tiene el potencial de brindar más datos cuantitativos que en el futuro podrían usarse para analizar las propiedades del tumor. “Desbloquear esa información sería clínicamente muy útil”, dice. “Estamos empezando a ver que DECT tiene el poder de acceder a esa información funcional y creo que podemos hacer mucho más”.

• Más información sobre CT de energía dual está disponible en el Libro de cocina CT de energía dual de Siemens Healthineers

Tenga en cuenta que los resultados de los clientes de Siemens Healthineers descritos en este documento se basan en los resultados que se lograron en el entorno único de los clientes. Dado que no existe un hospital “típico” y existen muchas variables (p. ej., tamaño del hospital, combinación de casos, nivel de adopción de TI), no puede garantizarse que otros clientes logren los mismos resultados.

El puesto La innovación en imágenes agudiza la vista de las clínicas de radioterapia apareció por primera vez en Mundo de la física.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/imaging-innovation-sharpens-the-view-for-radiotherapy-clinics/