TC Perfusión de body: Fundamentos técnicos y modelos de análisis

TC Perfusión de body: Fundamentos técnicos y modelos de
análisis
Poster no.:
S-1322
Congreso:
SERAM 2012
Tipo del póster: Presentación Electrónica Educativa
Autores:
1
2
2
M. Roibás Urraca , C. Sebastià Cerqueda , J. Rimola Gibert ;
1
2
Madrid/ES, Barcelona/ES
Palabras clave:
Neoplasia, Procedimiento diagnóstico, Evaluación tecnológica,
Aplicaciones informáticas-Detección, diagnóstico, TC-Cuantitativa,
TC, Oncología, Investigación, Física de la radiología
DOI:
10.1594/seram2012/S-1322
Cualquier información contenida en este archivo PDF se genera automáticamente
a partir del material digital presentado a EPOS por parte de terceros en forma de
presentaciones científicas. Referencias a nombres, marcas, productos o servicios de
terceros o enlaces de hipertexto a sitios de terceros o información se proveen solo
como una conveniencia a usted y no constituye o implica respaldo por parte de SERAM,
patrocinio o recomendación del tercero, la información, el producto o servicio. SERAM no
se hace responsable por el contenido de estas páginas y no hace ninguna representación
con respecto al contenido o exactitud del material en este archivo. De acuerdo con las
regulaciones de derechos de autor, cualquier uso no autorizado del material o partes
del mismo, así como la reproducción o la distribución múltiple con cualquier método
de reproducción/publicación tradicional o electrónico es estrictamente prohibido. Usted
acepta defender, indemnizar y mantener indemne SERAM de y contra cualquier y todo
reclamo, daños, costos y gastos, incluyendo honorarios de abogados, que surja de o
es relacionada con su uso de estas páginas. Tenga en cuenta: Los enlaces a películas,
presentaciones ppt y cualquier otros archivos multimedia no están disponibles en la
versión en PDF de las presentaciones.
Página 1 de 21
Objetivo docente
El objetivo de este póster es hacer una revisión de los fundamentos ténicos y
matemáticos de la perfusión de body TC y sus aplicaciones clínicas:
* Bases físicas y técnicas de la adquisición: cuáles son los parámetros más importantes
en este tipo de estudios y en base a qué criterios pueden ser modificados
* Comparativa de los distintos modelos de análisis matemático utilizados en el
procesado de esta técnica: se destacará la influencia de los mismos en la adquisición
e interpretación del estudio
* Revisión del estado del arte de las distintas aplicaciones de esta técnica, oncológicas
y no oncológicas
Revisión del tema
1. Aplicaciones de la perfusión de body
La perfusión de body por tomografía computarizada (TC en adelante) permite estudiar la
perfusión de cualquier órgano, siendo la oncología una de sus principales aplicaciones.
A través de la perfusión por TC se obtiene un marcador in vivo de la angiogénesis,
ayudando en el diagnóstico oncológico y la evaluación de la respuesta a la terapia
antiangiogénica.
La angiogénesis es el proceso fisiológico que consiste en la formación de vasos
sanguíneos nuevos a partir de los vasos preexistentes. Se trata de un proceso
fundamental en la transformación maligna del crecimiento tumoral.
Anteriormente a esta fase de angiogénesis, el tamaño de los tumores iniciales se
restringe a 2-3mm debido a la falta de acceso al oxígeno, nutrientes y factores de
crecimiento en circulación.
Página 2 de 21
Fig. 1: Vascularización previa y posterior a la terapia con agentes antiangiogénicos/
antivasculares
Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid,
SPAIN
La terapia con agentes antiangiogénicos/antiproliferativos tiene como objetivo bloquear
las vías moleculares de formación de los vasos sanguíneos inmaduros en el tumor,
provocando la depleción de nutrientes y oxígeno a las células tumorales e inhibiendo así
el crecimiento del tumor, con el objetivo de disminuir la progresión tumoral y aumentando
la supervivencia del paciente.
Por tanto, los tumores tratados con este tipo de agentes sufren cambios en su
perfusión con anterioridad a los cambios morfológicos visualizados en un estudio de TC
convencional. Estos cambios en la perfusión indicarán si el tumor responde a la terapia.
Página 3 de 21
Fig. 2: Estudio de perfusión por TC en caso de hepatocarcinoma
Referencias: Departamento de Radiología, Hospital Clínic de Barcelona
Página 4 de 21
Fig. 3: Adenopatías mediastínicas de carcinoma renal de celulas claras. El estudio
pretratamiento antiangiogénico presenta valores de perfusión altos y el estudio
posttratamiento al mes muestra la desaparición de las lesiones y disminución de los
parámetros de perfusión.
Referencias: Departamento de Radiología, Hospital Clínic de Barcelona
Además se puede evaluar la idoneidad del tratamiento antiangiogénico (antes de que
sea administrado el mismo) para un determinado tumor en función de sus parámetros
de perfusión.
Fig. 4: Caso de recidiva retroperitoneal de tumor papilar renal, cuyo estudio
pretratamiento muestra valores de perfusion bajos. En el estudio posttratamiento
antiangiogénico no se observan variaciones significativas.
Referencias: Departamento de Radiología, Hospital Clínic Barcelona
Página 5 de 21
Al margen de tratamientos oncológicos, la perfusión TC puede utilizarse para evaluar la
perfusión de tejidos con múltiples aplicaciones:
* Cuantificación de la perfusión en hígado, riñón y páncreas
* Medida de la tasa relativa de filtración glomerular y función relativa de cada riñón
* Distinción entre estenosis renal con o sin compromiso de la perfusión
* Evaluación de cambios en la perfusión de cirrosis hepática
* Detección de isquemia pancreática con alta sensibilidad y especificidad
Fig. 5: Aplicación no oncológica de la perfusión de body por TC: estudio de perfusión
en páncreas.
Referencias: Departamento de Radiología, Hospital Clínic de Barcelona
2. Adquisición del estudio
El principio fundamental de la perfusión por TC se basa en los cambios temporales de
la atenuación del tejido después de la administración de contraste yodado.
Página 6 de 21
La captación de los tejidos depende de la concentración de yodo en los mismos, y es un
reflejo indirecto de la vascularización de los tejidos y la fisiología vascular.
Se trata por tanto de un estudio dinámico, farmacocinético, que consiste en una serie de
adquisiciones periódicas sobre la región de interés, lo cual permite caracterizar la llegada
y lavado del contraste sobre la misma. Esta periodicidad o resolución temporal ha de ser
alta, para evaluar sin pérdida de detalle la evolución del contraste a lo largo del tiempo.
2.1 Cobertura y resolución temporal
Debido a este requisito especial de adquisición dinámica con alta resolución temporal,
hasta hace poco tiempo el estudio de perfusión se veía acotado a la colimación del
equipo en el eje z longitudinal (nº de detectores x anchura del detector), puesto que no
era posible alcanzar un rango de adquisición mayor con periodicidad suficiente. De este
modo, no existía desplazamiento en el eje z como un estudio habitual de TC, sino que
la camilla se mantenía inmóvil durante toda la adquisición, con el tubo de rayos X y los
detectores rotando entorno a la zona de interés a lo largo de todo el estudio.
Para el caso de detectores de 1.2mm, por ejemplo, y distinto número de los mismos, la
adquisición se restringía a los siguientes rangos:
Número de detectores
Colimación (mm)
6
7.2
16
19.2
32
38.4
Rangos de adquisición de perfusión TC en función del número de detectores, de
1.2mm de espesor
Estos rangos resultan muchas veces insuficientes para la evaluación de la región
requerida. Por ello con los escáneres de nueva generación se ha intentado solventar el
problema a través de dos aproximaciones diferentes:
1. Incremento del número de detectores en el eje z: con escáneres de hasta 320
detectores la colimación de estos equipos comienza a ser suficiente para abarcar un
rango adecuado para el estudio de perfusión
2. Estudio con espiral adaptativa. Este segundo método consiste en realizar un estudio
en espiral, con movimiento bidireccional en el eje z sobre el rango de interés. Este
Página 7 de 21
desplazamiento consigue la resolución temporal suficiente para el estudio de perfusión
adquiriendo en ambas direcciones del eje z (camino de ida y de vuelta) siendo lo
suficientemente suave como para no provocar movimiento del paciente durante la
adquisición ( Fig. 6 ). Es necesario llegar a un compromiso entre rango de adquisición y
resolución temporal. A mayor rango de cobertura, menor resolución temporal y viceversa.
Fig. 7: Rango de adquisición para perfusión con distinto número de detectores y
espiral adptativa
Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid,
SPAIN
2.2 Dosis
La dosis de radiación es un punto crítico en el estudio de perfusión por TC. Dependiendo
del método de análisis de las imágenes empleado, se pueden requerir desde 40
segundos de adquisición hasta 2 minutos. Por ello resulta fundamental aplicar todos los
mecanismos posibles para reducir al máximo la dosis recibida por el paciente:
* Se debe limitar al máximo el rango de cobertura a la zona de interés del estudio.
Realizar una espiral previa en baja dosis para localizar la región de estudio con mayor
precisión y limitar el rango de perfusión al máximo puede resultar una buena práctica.
Página 8 de 21
* Existen escáneres que permiten establecer una adquisición de la perfusión con
resolución temporal múltiple, adquiriendo con mayor periodicidad el rango temporal de
mayor criticidad para el análisis de la perfusión y con mayor espaciamiento el resto del
estudio.
* La técnica empleada en la adquisición ha de ajustarse lo máximo posible. Existen
algoritmos dinámicos de postprocesado para la reducción de ruido que permiten reducir
la técnica hasta 80KV. Estos estática de la imagen y ruido) de las frecuencias espaciales
bajas (información dinámica). Estas frecuencias espaciales altas son promediadas a lo
largo de toda la adquisición dinámica, logrando reducir el ruido debido a su característica
inherente de aleatoriedad.
Fig. 8: Algoritmo dinámico de reducción de ruido en función de la frecuencia espacial
Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid,
SPAIN
2.3 Medio de contraste
Página 9 de 21
La administración de contraste yodado es indispensable en el estudio de perfusión.
El contraste ha de ser de alta concentración, por encima de 300mg/mL, para favorecer
una mayor captación de los tejidos y mejor geometría del bolo.
En el caso del análisis compartimental, resulta esencial tener una embolada corta y
compacta puesto que el método requiere que el pico arterial suceda antes del máximo
incremento de la captación en el tejido. Se deben administrar 40-50mL de contraste
yodado a un flujo de 5-8mL/s. Si bien el método de deconvolución puede tolerar flujos
inferiores, también se beneficia de valores altos al maximizar la captación de los tejidos
mejorando la relación señal a ruido.
Después de la inyección de contraste yodado, el realce subsiguiente del tejido se puede
dividir en dos fases basadas en su distribución en el compartimento intravascular o
extravascular.
Fig. 9: División de las curvas de tiempo-densidad en función del paso de contraste del
espacio intravascular al extravascular
Página 10 de 21
Referencias: Miles KA. Perfusion CT for the assessment of tumour vascularity: which
protocol? Br J Radiol 2003; 76(Spec No 1):S36-42
En la primera fase el contraste se mantiene dentro del espacio vascular y tiene una
duración de 40-60s, siendo este tiempo dependiente del gasto cardiaco y del volumen
sanguíneo circulante (1-4). En esta fase el realce se ve determinado fundamentalmente
al flujo y volumen sanguíneo del tejido. Los cambios que suceden en el paso del medio
de contraste durante esta fase suceden muy rápidamente, por lo tanto la resolución
temporal de la adquisición ha de ser alta.
En la segunda fase (hasta los 2 minutos desde la administración del contraste yodado)
se produce el paso del contraste del espacio intravascular al extravascular, viéndose
el realce influenciado por la permeabilidad vascular. En esta fase el paso del medio de
contraste es más lento, pudiendo reducir la resolución temporal durante la misma.
El estudio de perfusión puede adquirirse durante una de estas fases o ambas,
dependiendo esta decisión de los parámetros que se quieran obtener, la resolución
temporal con la que se pueda trabajar y la dosis que se pretenda aplicar al paciente.
3. Métodos de análisis
Como resultado de esta adquisición dinámica se obtienen las curvas de tiempo-densidad
(CTD en adelante), que constituyen la base del análisis de cualquier método de perfusión
TC. Estas curvas muestran la variación de la densidad en Unidades Hounsfield (UH en
adelante) para una región de interés a lo largo del tiempo.
Página 11 de 21
Fig. 10: Distintas formas de las CTD en función de la región de estudio
Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid,
SPAIN
Con la simple visualización de las CTD es posible obtener información de relevancia
para la evaluación de la perfusión, pero este análisis puede resultar complejo o cuanto
menos laborioso.
Al margen de esta evaluación visual de las CTD, se han desarrollado diferentes modelos
analíticos que transforman la información de estas curvas en una serie de mapas
paramétricos de la perfusión.
Algunos de los principales parámetros que se obtienen a través del estudio de perfusión
se definen en la siguiente tabla.
Parámetro
Definición
Marcador
(oncológico)
Unidades
Página 12 de 21
Flujo sanguíneo
Tasa de flujo a Vascularidad
través de la red tumor
vascular
en
la
Clasificación
región tisular
tumor
del mL/100g/min
del
Volumen sanguíneo Volumen de sangre Vascularidad
circulante en la tumor
red vascular en la
región tisular
del mL/100g
Tiempo medio de Tiempo medio del Presión
tránsito
paso de arteria a perfusión
vena
de Segundos
Permeabilidad
Flujo
total
del Vasos inmaduros mL/100g/min
plasma al espacio permeables
intersticial
Tiempo al pico
Tiempo desde la Presión
llegada de contraste perfusión
en las principales
arterias al pico de
contraste
Intensidad de pico
Máxima elevación Volumen sanguíneo UH
de la densidad tisular
tisular después de
la inyección de
contraste
de Segundos
Parámetros más generales empleados en la perfusión TC
Adaptada de Kambadakone AR. Body Perfusion CT: Technique, Clinical
Applications, and Advances. Radiol Clin North Am. 2009 Jan; 47(1):161-78
El análisis por deconvolución y el análisis compartimental representan los modelos
matemáticos más empleados para la evaluación de la adquisición dinámica de la
perfusión por TC.
3.1 Análisis compartimental
El análisis compartimental estudia el paso de la embolada de contraste a través de una
serie de compartimentos: espacio intravascular, extravascular, intracelular, excreción
renal, etc.
Página 13 de 21
Tanto el espacio intracelular como la excreción renal pueden ser despreciados puesto
que el tiempo de la adquisición no será suficiente como para que el medio de contraste
llegue a ellos.
Fig. 11: Transición del medio de contraste según el modelo compartimental
Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid,
SPAIN
Se puede aplicar este método restringido a uno o dos compartimentos.
3.1.1 Método monocompartimental
El modelo monocompartimental asume que el espacio intravascular y extravascular son
un único compartimento. Este concepto es válido para todos los puntos temporales
anteriores a la aparición del medio de contraste en las venas que drenan el tejido de
interés.
Se basa en el principio de Fick, el cual enuncia que la velocidad a la que un trazador
se acumula en un órgano en un instante temporal depende del flujo sanguíneo del
Página 14 de 21
órgano F (en mL/min) y la concentración del trazador en arterias y venas a(t) y v(t),
respectivamente (en mg/mL).
La perfusión se define matemáticamente como F/V. Durante el periodo de la adquisición
se puede considerar despreciable el retorno venoso.
Este modelo se conoce también como Modelo de Máxima Pendiente, puesto que
derivando y particularizando a valores máximos, se obtiene que el flujo coincide con la
pendiente máxima de la curva del tejido,c(t), como sigue:
Fig. 12
Referencias: Miles KA, Griffiths MR. Perfusion CT: a worthwhile enhancement? Br J
Radiol 2003;76:220-31
3.1.2 Método bicompartimental
El método de dos compartimentos considera separadamente el espacio intravascular y el
extravascular. Se simplifica eliminando el flujo de retorno desde el espacio extravascular
al intravascular, que puede ser despreciable durante los primeros 1-2 minutos desde
la inyección del medio de contraste. Permite el cálculo de la permeabilidad capilar y
el volumen sanguíneo utilizando una técnica llamada análisis de Patlak. Este análisis
deriva de una técnica de procesado de medicina nuclear para la determinación de la
tasa constante de captación de un trazador desde el espacio vascular utilizando valores
de la concentración del trazador en tejido y sangre.
Tras la inyección del medio de contraste en el espacio intravascular, éste pasará
al espacio extracelular a una tasa que puede ser definida con una constante de
transferencia Ktrans. En cualquier momento, un vóxel de tejido contendrá medio de
contraste intravascular y extravascular.
Esto puede expresarse matemáticamente como sigue:
Página 15 de 21
Fig. 13
Referencias: Miles KA, Griffiths MR. Perfusion CT: a worthwhile enhancement? Br J
Radiol 2003;76:220-31
De este modo, la concentración de contraste en el tejido c(t) consta siempre de una parte
extravascular (primer término) y otra intravascular.
Para simplificar este análisis, se ha expresado como la ecuación de una recta.
La gráfica de Patlak muestra c(t)/b(t) en el eje y, y el otro término de la ecuación en el
eje x, mostrando una línea recta con pendiente Ktrans.
La mejor adecuación para la porción de línea recta puede ser determinada utilizando
análisis de regresión, utilizando el coeficiente de correlación como reflejo de la calidad
del procedimiento de ajuste de la curva. Por tanto, el análisis de Patlak es un método
aproximativo y cuanto mayor sea la correlación más se aproximarán los resultados del
cálculo a la realidad.
Página 16 de 21
Fig. 14: Distintas gráficas de Patlak en función del valor de correlación de la región de
interés
Referencias: M. Roibás Urraca; Aplicaciones Clínicas, Siemens Healthcare, Madrid,
SPAIN
3.2 Análisis por deconvolución
El análisis por deconvolución se trata de una aproximación teórica diferente a la usada
en el análisis compartimental, asumiendo que se trabaja con un sistema linear invariante
en el tiempo. Este método se basa en el modelado de la función de respuesta al impulso
(FRI en adelante) del tejido, que es la CTD del tejido debida a una inyección idealizada
de contraste instantánea (de una unidad del trazador). Esta FRI se caracteriza por una
subida casi instantánea a una meseta, según el medio de contraste llega y permanece
en el tejido.
Fig. 15: Función de respuesta al impulso escalada por la perfusión F/V
Página 17 de 21
Referencias: Miles KA, Griffiths MR. Perfusion CT: a worthwhile enhancement? Br J
Radiol 2003;76:220-31
La función de respuesta podría ser medida directamente utilizando una embolada de
contraste corta y rápida aplicada sobre la arteria que nutre el órgano. Sin embargo esto
resulta excesivamente invasivo en la mayoría de los casos.
La FRI puede utilizarse para determinar la respuesta a entradas complejas si el sistema
cumple con las propiedades de invariación temporal, superposición y linealidad.
A través de la operación matemática de convolución se puede expresar:
Fig. 16
Referencias: Miles KA, Griffiths MR. Perfusion CT: a worthwhile enhancement? Br J
Radiol 2003;76:220-31
Donde R(t) es la FRI.
De este modo, la curva del tejido se calcula como la convolución de la entrada arterial
con la FRI escala por la perfusión (F/V).
Por tanto, aplicando la deconvolución, operación matemática inversa a la convolución,
se podrían calcular parámetros relativos a la perfusión: flujo, volumen, tiempo medio de
tránsito.
La deconvolución de las CTD del tejido y la arteria puede ser muy sensible al
ruido, produciendo potencialmente muchas posibles soluciones matemáticas para la
FRI. Sin embargo, muchas de ellas resultan fisiológicamente improbables y por tanto
despreciables.
3.3 Comparativa de los distintos métodos
Tanto el análisis compartimental como el de deconvolución resultan comparables de
manera general, con diferencias en sus asunciones teóricas y susceptibilidad al ruido
y movimiento.
Página 18 de 21
El análisis compartimental asume que el contraste se retiene en el órgano de interés en el
momento de la medida, lo cual puede llevar a infraestimación de los valores de perfusión
en órganos con tránsito vascular rápido o con la administración de una embolada de
contraste grande.
El análisis por deconvolución asume que la forma de la FRI es una meseta con un lavado
exponencial puro. Si bien esta asunción resulta válida para la mayoría de los órganos,
puede no ser apropiado para evaluar la perfusión de órganos como el bazo o el riñón,
con microcirculaciones complejas.
Los métodos de deconvolución pueden ser más apropiados para medir niveles bajos
de perfusión (<20mL/100g/min) porque pueden tolerar mayor ruido en la imagen debido
a que utilizan la serie completa de imágenes para realizar el cálculo. Esto resulta
beneficioso para medir con precisión niveles bajos de perfusión en tumores que
hayan respondido a la terapia. Como contrapartida, la inclusión de todas las imágenes
adquiridas se traduce en un posible registro erróneo de las mismas por el movimiento del
paciente. Los métodos compartimentales, al emplear tres imágenes para la medida de
la perfusión (línea base e imágenes anterior y siguiente a la máxima tasa de captación)
se ven menos influenciados por el movimiento del paciente.
En función del modelo de análisis empleado, las características técnicas de la
adquisición variarán. El análisis por deconvolución, al ser menos sensible al ruido,
permite emplear menor corriente del tubo y adquirir con una resolución temporal mayor.
El análisis compartimental a pesar de necesitar una corriente mayor permite adquirir con
menor resolución temporal.
Images for this section:
Página 19 de 21
Fig. 6
Página 20 de 21
Conclusiones
Con las nuevas terapias oncológicas, la perfusión TC surge como una técnica
prometedora para evaluar la ideoneidad de la terapia y la respuesta a la misma.
Gracias a las ténicas más avanzadas de adquisición y procesado, ha aumentado
el rango de exploración (permitiendo el estudio del tumor primario y sus metástasis
simultáneamente) y se ha reducido la dosis en gran medida (llegará el momento en que
sea comparable a un estudio multifase oncológico), haciendo razonable su uso en la
práctica habitual.
Sin embargo, el conocimiento y comprensión de los fundamentos técnicos de la perfusión
TC y los modelos de análisis matemático empleados en su evaluación son esenciales
para la correcta adquisición e interpretación de este estudio.
Cabe destacar de igual modo el amplio campo de aplicaciones que se abre al margen
de la oncología para la evaluación de la perfusión de distintos órganos a través de esta
técnica.
Resultará necesaria una investigación más colaborativa y una validación robusta antes
de que esta nueva técnica encuentre su lugar en la práctica clínica diaria.
Página 21 de 21