En los últimos años, el estado ha impulsado firmemente la configuración de equipos médicos de gran tamaño, la producción de estos equipos y el desarrollo de la industria de isótopos médicos en instituciones médicas. La medicina nuclear y los equipos de imagenología se han desarrollado rápidamente. Con el desarrollo de la medicina nuclear y el aumento gradual de las necesidades clínicas, la capacidad instalada de equipos de imagenología, como SPECT/CT, PET/CT y PET/MR, ha aumentado año tras año, especialmente la capacidad instalada de equipos nacionales de imagenología. Al mismo tiempo, con la continua actualización de la tecnología de imagenología, se han incorporado al uso clínico equipos de imagenología más avanzados, y nuevas tecnologías, como la tecnología de detectores de semiconductores (telururo de cadmio y zinc), la tecnología de imagenología SPECT/CT de diseño de anillo completo y la tecnología de imagenología PET/CT de cuerpo entero con campo de visión axial largo, han madurado gradualmente y se han aplicado en la práctica clínica, impulsando la tecnología de imagenología nuclear a un nuevo nivel y contribuyendo a la medicina clínica de precisión. Desarrollo de equipos de imagenología SPECT/CT
Los equipos de imagenología por tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) son el equipo básico para el diagnóstico por imagen funcional en medicina nuclear. La tendencia general de la investigación clínica actual en SPECT es mejorar la resolución espacial y la sensibilidad de los equipos SPECT mediante el uso de nuevos medios técnicos.
Mejora de la tecnología de colimación de los equipos SPECT
El colimador es un componente clave de los equipos tradicionales de imagenología SPECT. Su función es limitar la dirección de los rayos gamma incidentes y se utiliza para el posicionamiento espacial de la imagen. Esta restricción de rayos también se denomina colimación mecánica. Las características de la colimación mecánica dificultan el manejo de indicadores importantes de la imagenología SPECT: la resolución espacial y la sensibilidad, lo que limita el desarrollo de la tecnología de los equipos SPECT. Los colimadores tradicionales se pueden dividir en orificios paralelos, orificios estenopeicos, orificios divergentes y orificios convergentes según sus formas. La investigación actual sobre colimación mecánica geométrica, especialmente la investigación sobre colimadores multi-pinhole que utilizan tecnología de amplificación multi-pinhole, se ha convertido en una importante línea de investigación para los equipos SPECT. Los colimadores multi-pinhole combinados con alta resolución intrínseca tienen un gran potencial en aplicaciones clínicas y son adecuados para obtener imágenes de órganos pequeños y objetos pequeños utilizando detectores de gran campo de visión. Esta tecnología se ha aplicado en la imagenología SPECT del corazón humano y de animales pequeños. El sistema SPECT de animales pequeños más avanzado puede incluso alcanzar una resolución espacial de 0,25 mm. Además, otros aspectos de los colimadores mecánicos, como los colimadores de hendidura y los colimadores de apertura codificada, son otra línea de investigación para los dispositivos SPECT. Mejorar el rendimiento del dispositivo mediante la mejora de la estructura geométrica del colimador es otra línea de investigación para los dispositivos SPECT. Para eliminar el impacto de la colimación mecánica en la resolución y la eficiencia de detección de los dispositivos SPECT, la Universidad de Tsinghua propuso la tecnología de imágenes SPECT de autocolimación (detector). El núcleo de esta tecnología es reemplazar el colimador tradicional con un detector sensible distribuido espacialmente. La configuración de autocolimación permite que el detector realice la doble función de colimación y detección, sin necesidad de instalar un colimador, lo que mejora la eficiencia de detección.
Optimización de los detectores de dispositivos SPECT
El detector tradicional de los equipos SPECT es principalmente un cristal de centelleo de yoduro de sodio dopado con talio [NaI (Tl)], que presenta una baja eficiencia de conversión fotoeléctrica y una baja resolución energética. En los últimos años, han aparecido nuevos materiales cristalinos en los detectores de centelleo, como los cristales de bromuro de lantano (LaBr₃), los cristales de ortosilicato de lutecio e itrio (LYSO) y los cristales de granate de gadolinio, aluminio y galio (GAGG). Los cristales GAGG presentan un alto rendimiento lumínico, un alto poder de bloqueo, un tiempo de decaimiento rápido, ausencia de radiación de fondo y características no delicuescentes, lo que los convierte en cristales de centelleo populares para los detectores de dispositivos SPECT. Además de los detectores de centelleo, en 1996 se introdujeron los detectores de telururo de cadmio-zinc (CZT). La tecnología de los detectores semiconductores, representada por el CZT, ha evolucionado gradualmente y se ha utilizado en equipos de imagenología de medicina nuclear, convirtiéndose en un hito en el desarrollo de los equipos SPECT. En comparación con la SPECT tradicional, los detectores CZT son más compactos, ofrecen mayor resolución energética y son más ligeros. En los últimos años, se han logrado nuevos avances en la tecnología de aplicación de los detectores semiconductores CZT, como la tecnología de sonda de energía dual, la tecnología de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC), la tecnología de aprendizaje profundo y la tecnología de compensación de pérdida de carga. Su uso es cada vez más extendido en diversos campos de la medicina nuclear, y muchos dispositivos CZT-SPECT se han empleado con éxito en las áreas de cuerpo completo, hueso y corazón. Los dispositivos SPECT tradicionales suelen ser de doble o triple sonda con baja sensibilidad. Para mejorar la sensibilidad de los dispositivos SPECT, el diseño de sistemas SPECT anulares, de anillo completo o de anillo completo se ha convertido en una nueva línea de investigación y desarrollo. Un avance reciente consiste en sustituir la sonda SPECT tradicional por una geometría anular semifija y multicabezal, donde cada cabezal se mueve independientemente hacia adelante y hacia atrás, y gira para orientarse hacia el objeto y reducir el número de componentes del detector no utilizados. Un sistema SPECT de anillo completo de apertura variable que utiliza CZT pixelado y plantillas de colimador de bloque paralelo con optimización energética puede reducir el tiempo de adquisición y mejorar la sensibilidad. También se ha diseñado un escáner SPECT de anillo completo CZT con un colimador de tungsteno de amplia energía para ampliar el rango de energía a 250 keV, y la sensibilidad prevista con 99mTc y 177Lu duplica la del sistema SPECT de vanguardia actual. El SPECT de vanguardia actual es un sistema SPECT 3D de anillo completo basado en CZT, que cuenta con dos marcas en el mercado (StarGuide, GE Healthcare y Veriton, Spectrum Dynamics, Israel). Sin embargo, el coste de fabricación de los materiales CZT siempre ha sido el principal obstáculo para la producción en masa de equipos. Además, Siemens, General Electric (GE) y otras compañías han propuesto diseños de colimadores ultrafinos basados en la aplicación consolidada de colimadores multipinhole y colimadores Slit-Slat para la obtención de imágenes de alta resolución de órganos. Esto puede reducir aún más la carga de la sonda. Al mismo tiempo, en respuesta al problema de que los sistemas SPECT generales no pueden lograr el mejor efecto de imagen en diversos órganos, también se han desarrollado en los últimos años diversos sistemas SPECT especiales para ciertos órganos específicos, como la tecnología IQ SPECT para imágenes de perfusión miocárdica, la tecnología de escaneo de imágenes SPECT de mama y la tecnología de imágenes de rayos gamma específicas para mama. Con el avance de los equipos de hardware, la corrección física, los algoritmos de reconstrucción de imágenes y otras tecnologías, la tecnología cuantitativa SPECT/CT está en constante mejora, abriendo una nueva era en los parámetros SUV de SPECT, que pueden medir cuantitativamente el MBF (flujo sanguíneo miocárdico) y la CFR (reserva de flujo sanguíneo coronario), y diagnosticar y evaluar la eficacia de enfermedades inflamatorias y tumorales de los huesos. Al mismo tiempo, la tecnología de inteligencia artificial (IA) se utiliza para la eliminación de ruido y la mejora de la resolución de las imágenes SPECT, la generación y corrección de mapas de atenuación, y la reconstrucción de imágenes. Se espera que esto mejore los métodos cuantitativos relacionados con la obtención de imágenes SPECT y, por lo tanto, acorte el tiempo de exploración del paciente.
Avances en los equipos PET/CT
Los equipos PET/CT son uno de los equipos de imagen molecular más avanzados en el ámbito de la imagenología médica. Permiten obtener simultáneamente imágenes funcionales PET e imágenes anatómicas CT, y desempeñan un papel importante en el diagnóstico precoz de enfermedades, la estadificación de la evolución, la evaluación de la eficacia, la evaluación del pronóstico y la investigación de la eficacia. En los últimos años, la capacidad instalada de equipos PET/CT ha crecido rápidamente y la tecnología se ha desarrollado con gran rapidez. La tecnología PET totalmente digital se ha convertido en una dirección de desarrollo para los futuros equipos PET.
Avances en la tecnología de cristales de centelleo PET
La tecnología de los materiales de los cristales de centelleo PET ha avanzado rápidamente y está evolucionando hacia cristales con un tiempo de desintegración rápido, alta emisión de luz, alta densidad y alta estabilidad química. Los cristales centelleantes utilizados en la etapa temprana incluyen yoduro de sodio (NaI), óxido de germanato de bismuto (BGO), ortosilicato de gadolinio (GSO), etc. Los cristales centelleantes utilizados actualmente incluyen ortosilicato de lutecio (LSO), silicato de lutecio e itrio (LYSO), etc. El rendimiento de LSO y LYSO es comparable. El cristal centelleante LYSO es el material de cristal más convencional en el sistema PET clínico actual. Tiene un excelente rendimiento integral y una alta resolución temporal. Ha promovido el desarrollo de tecnologías avanzadas como el tiempo de vuelo (TOF) en el campo PET, la reducción del ruido de imagen y la mejora de la relación señal-ruido y la calidad de imagen. En los últimos años, los cristales LYSO:Ce (silicato de lutecio e itrio dopado con cerio) han recibido atención de instituciones de investigación nacionales y extranjeras. El rendimiento de centelleo y la tecnología de crecimiento se han mejorado continuamente. Los cristales LYSO:Ce de alto rendimiento se han convertido en los cristales centelleantes más utilizados en el campo de investigación de equipos PET actual.
Avances en la tecnología de bloques de cristal pequeños para PET
El bloque de cristal pequeño es un componente importante de la sonda PET. El tamaño de su superficie afecta directamente la resolución espacial de la PET. Cuanto menor sea la superficie, mayor será la resolución espacial del dispositivo. Con el avance de la tecnología, el área superficial de los bloques de cristal pequeños en la práctica clínica se ha reducido de los 4,0 mm × 4,0 mm a 6,5 mm × 6,5 mm iniciales a un mínimo de 2,35 mm × 2,35 mm.
Avances en la tecnología del convertidor fotoeléctrico para PET
El convertidor fotoeléctrico del sistema PET convierte la señal luminosa de baja energía emitida por el cristal de centelleo en una señal eléctrica. Con el desarrollo de la tecnología electrónica, el convertidor fotoeléctrico ha evolucionado del tubo fotomultiplicador tradicional (PMT) al fotodiodo de avalancha (APD), y posteriormente al fotomultiplicador siliconizado (SiPM) basado en tecnología de semiconductores. Entre ellos, el fotodiodo de avalancha solo se encuentra en los primeros dispositivos PET/RM. El SiPM se caracteriza por su alta ganancia, alta resolución temporal, bajo voltaje de operación, alta eficiencia de detección e insensibilidad a campos magnéticos. Se ha convertido en la opción preferida para convertidores fotoeléctricos en los productos PET convencionales actuales, incluyendo dispositivos PET/MR. El proceso de fabricación del SiPM continúa mejorando. Medidas como la miniaturización de canales y el procesamiento de señales back-end del SiPM mediante ASIC o matriz de puertas programables en campo (FPGA) han llevado el rendimiento del SiPM a su límite físico y mejorado el rendimiento general del PET. Con el continuo progreso de la tecnología de fabricación de semiconductores, la lógica digital se integra en el SiPM, que emite señales digitales, marca la llegada del SiPM digital (dSiPM). El dSiPM ha elevado la digitalización de la información de detección PET a un nuevo nivel. Sin embargo, el dSiPM aún se encuentra en sus primeras etapas y tiene un gran potencial de desarrollo. Tanto el umbral técnico como el coste económico son elevados, y aún no se ha logrado su comercialización a gran escala. Solo unas pocas empresas han lanzado el dSiPM, como el sistema PET/CT Vereos, que utiliza tecnología dSiPM. Progreso del módulo detector del sistema PET
El módulo detector del sistema PET es un componente clave del sistema PET. Según el tipo de señal de salida del detector, se puede dividir en detector analógico y detector digital. Los detectores tradicionales suelen ser analógicos, compuestos principalmente por cristales de centelleo, dispositivos de conversión fotoeléctrica y bloques de procesamiento de señales analógicas. Los detectores analógicos necesitan convertir las señales analógicas en digitales antes de introducirlas en las operaciones informáticas. Con el desarrollo de los dispositivos de conversión fotoeléctrica y la tecnología microelectrónica, se ha propuesto el diseño de detectores digitales. Los detectores digitales se diseñan con circuitos integrados, es decir, la tecnología ASIC o FPGA se utiliza a gran escala para emitir señales digitales que contienen información sobre la energía de los fotones, la posición y el tiempo. Actualmente, el grado de digitalización del diseño de los detectores digitales varía, pero a medida que aumenta gradualmente el grado de integración y digitalización, se espera que mejore el rendimiento general del sistema PET. El equipo de imagen más reciente, el sistema PET/CT Siemens Biograph Vision, utiliza un detector de alta sensibilidad e integra un ASIC personalizado para optimizar la función TOF. La resolución temporal TOF puede alcanzar los 214 ps. Avances en la tecnología del campo de visión axial
El tamaño del campo de visión axial está estrechamente relacionado con la sensibilidad de la PET. Cuanto mayor sea el campo de visión axial, mayor será la sensibilidad del sistema PET. Actualmente, el campo de visión axial de los equipos PET/CT comerciales se encuentra generalmente en el rango de 15 a 35 cm. Este pequeño campo de visión axial limita la eficiencia de detección y la sensibilidad del sistema PET. La simulación por computadora muestra que al aumentar el campo de visión axial de 20 cm a 200 cm, la sensibilidad puede aumentarse 40 veces. Para la exploración PET/CT de un solo órgano que puede cubrirse prácticamente, al aumentar el campo de visión axial a 200 cm, la sensibilidad puede aumentarse de 4 a 5 veces.
Avances en la tecnología de tiempo de vuelo (TOF)
La tecnología TOF determina la ubicación del evento de aniquilación midiendo la diferencia de tiempo de vuelo entre dos fotones de aniquilación que llegan al detector. Se basa en una nueva generación de cristales y conversión fotoeléctrica, y representa la dirección de desarrollo de la tecnología PET. En los últimos años, la PET con capacidades TOF se ha desarrollado rápidamente. En comparación con la PET sin TOF, la PET TOF presenta un menor ruido y un mayor contraste de la lesión, además de proporcionar una mejor calidad de imagen. Con el énfasis clínico en la tecnología TOF, la norma de control de calidad NEMA NU2-2018 ha añadido el indicador de resolución temporal TOF y estandarizado su método de prueba. Las primeras PET no contaban con tecnología TOF. La primera generación de escáneres TOF-PET utilizaba centelleadores de fluoruro de cesio (CsF) o fluoruro de bario (BaF), que podían alcanzar una resolución temporal TOF de 450 a 750 ps, pero la eficiencia de detección y la salida de luz del cristal eran bajas; la segunda generación de escáneres TOF-PET utilizaba silicato de lutecio dopado con cerio (LSO:Ce) y otros centelleadores basados en lutecio (Lu), que podían alcanzar una resolución temporal TOF de 450 a 600 ps y tenían mayor sensibilidad y resolución espacial. El sistema TOF-PET de tercera generación es un sistema TOF-PET de cuerpo completo que alcanza una resolución temporal de 200 a 382 ps, basado en tubos fotomultiplicadores de silicio (SiPM), y su sensibilidad ha mejorado considerablemente. El sensor fotoeléctrico del sistema TOF PET se ha actualizado de PMT a SiPM y posteriormente a dSiPM, lo que ha impulsado la mejora de la resolución TOF. Esta mejora ha impulsado el desarrollo de la tecnología de reconstrucción de imágenes. Las investigaciones más recientes se centran principalmente en la etapa de materiales de detección, con el objetivo de encontrar materiales de detección diferentes de los materiales de centelleo estándar, pero con un proceso de emisión de rayos más rápido. Sin embargo, el rendimiento fotónico del material de investigación actual para rayos gamma de 511 keV es bajo. Para mejorar el rendimiento de los detectores TOF PET, se propone un nuevo concepto de estructura de detector: el concepto de heteroestructura TOF PET, que combina materiales con características complementarias en heteroestructuras o centelleadores superconductores. Avances en la tecnología de reconstrucción de imágenes
Los métodos tradicionales de reconstrucción para las primeras imágenes PET incluyen la retroproyección filtrada (FBP) para la reconstrucción 2D de imágenes, la maximización de la expectativa de máxima verosimilitud (ML-EM) y la maximización de la expectativa de subconjuntos ordenados (OSEM). FBP es un algoritmo analítico con baja resistencia al ruido. Los dos últimos algoritmos de reconstrucción son métodos iterativos, siendo OSEM el más utilizado. Tras una ligera mejora en la ecuación iterativa de ML-EM, se mejoró la velocidad de reconstrucción de imágenes, pero la desventaja es el alto nivel de ruido. Posteriormente, se añadieron diversas correcciones al algoritmo OSEM para generar el algoritmo bayesiano de verosimilitud penalizada (BPL). Posteriormente, la reconstrucción de imágenes PET adoptó algoritmos de reconstrucción 3D, como el método de reorganización de reconstrucción 3D, el algoritmo de reproyección 3D (3DRP) y el algoritmo de reconstrucción iterativa 3D. La reconstrucción de imágenes 2D es rápida y eficiente; la reconstrucción de imágenes 3D requiere una gran cantidad de datos, produce desviación espacial y requiere un hardware exigente. Con el avance de la tecnología PET, han surgido la tecnología TOF, la tecnología de reconstrucción de alta definición basada en la función de dispersión de puntos (PSF), la tecnología de sincronización respiratoria, etc., para la reconstrucción de imágenes. Con la aplicación de la inteligencia artificial en el campo de la imagenología médica, la tecnología de reconstrucción de imágenes PET basada en aprendizaje profundo, como la reconstrucción de extremo a extremo y la reconstrucción iterativa basada en regularización, se ha convertido en un foco de investigación clave en el campo de la imagenología PET, y la mayoría de los equipos domésticos ya han aplicado estas nuevas tecnologías.
Avances en los equipos PET/RM
Los equipos PET/RM integran las ventajas de la tomografía por emisión de positrones (PET) y la resonancia magnética (RM), lo que representa la cumbre de la tecnología de imagenología médica.
Avances en el diseño estructural
Con el desarrollo de materiales de detección PET compatibles con el campo magnético, el diseño estructural de los equipos PET/RM ha pasado por tres etapas de desarrollo: diseño dividido en dos salas de máquinas, diseño dividido en una sola sala de máquinas y diseño integrado PET/RM. En las dos primeras etapas, los datos PET y RM se recopilaron por separado y el equipo ocupó una gran superficie. No fue hasta la etapa de los equipos integrados PET/RM que las imágenes PET y RM se obtuvieron realmente en el mismo tiempo, espacio y sincrónicamente. La estructura de los equipos integrados PET/RM se divide en tres tipos: independientes, integrados y enchufables. Actualmente, la mayoría de los equipos clínicos PET/RM convencionales tienen un diseño integrado. Con el avance de la tecnología TOF, se ha lanzado un sistema integrado PET/RM con función TOF.
Avances en la estructura del hardware
En primer lugar, se trata del desarrollo de la tecnología de detectores. Para resolver el problema de compatibilidad entre PET y RM, se promueven en la práctica clínica nuevos cristales de centelleo, como el silicato de lutecio (LSO) y el silicato de lutecio e itrio (LYSO, LBS). Esto mejora eficazmente el problema de la alta sensibilidad magnética de los cristales de centelleo tradicionales, como el silicato de lutecio y gadolinio, que afectan la uniformidad del campo magnético de RM y producen artefactos. En segundo lugar, se mejora continuamente los dispositivos de conversión fotoeléctrica. El primer dispositivo de conversión fotoeléctrica PET (PMT) se veía afectado por el campo magnético y no podía utilizarse en el sistema PET/RM. Posteriormente, se desarrolló con éxito el fotodiodo de avalancha (APD), insensible al campo magnético, para sustituir al PMT, y así nació el primer equipo integrado PET/RM, Biograph mMR. Sin embargo, el APD tiene una resolución temporal deficiente y no puede utilizar la tecnología TOF. Actualmente, el nuevo dispositivo de conversión fotoeléctrica SiPM está reemplazando gradualmente al APD. El SiPM se caracteriza por su pequeño tamaño, alta sensibilidad y buena resolución temporal, lo que mejora el rendimiento general de la PET y contribuye al desarrollo del sistema integrado TOF PET/RM. El SiPM es sensible a la temperatura. Con el desarrollo de la tecnología de espacio de temperatura, este problema se ha solucionado. Además, las bobinas de escaneo de la resonancia magnética también han avanzado, desde bobinas ortogonales hasta bobinas de superficie, bobinas de superficie de matriz en fase y, recientemente, bobinas de superficie de matriz en fase integradas, que han logrado escaneos de RM de cuerpo completo desde la coronilla hasta los pies. Al mismo tiempo, la bobina corporal transparente integrada se utiliza en la PET/RM para optimizar la calidad de las imágenes PET.
Avances en la tecnología de corrección de datos
La corrección de movimiento se utiliza para reducir la aparición de pequeñas lesiones borrosas debido al movimiento, diagnósticos erróneos o posicionamiento incorrecto de la lesión. La PET/RM tradicional utiliza sincronización respiratoria externa o monitorización de ECG durante el escaneo simultáneo de PET y RM para reducir los artefactos de movimiento. La tecnología TOF-PET/MR integrada corrige los artefactos de movimiento respiratorio mediante la tecnología de corrección de atenuación de RM (MRAC), que se adapta al ciclo respiratorio para mejorar la calidad de la imagen torácica. La nueva tecnología PET/MR integrada también incorpora información del movimiento fisiológico en la adquisición de secuencias especiales de RM mediante adquisición colaborativa para establecer un modelo de movimiento fisiológico que guía la reconstrucción PET. Los principales métodos de corrección de atenuación son la segmentación, el atlas y la reconstrucción basada en datos de transmisión. Con el avance de la tecnología de atenuación, han surgido el método de separación de cinco tejidos y el método de uniformidad del campo magnético mejorado por gradiente. Además, existe la corrección de dispersión, cuyos métodos de corrección incluyen el método de ventana de energía, el método de convolución, el método de modelo físico y el método de modelo de IA.
La aplicación de la tecnología TOF ha mejorado considerablemente la velocidad de escaneo general de la PET/MR integrada. La aplicación de la inteligencia artificial en la adquisición y reconstrucción de imágenes PET/MR ha impulsado el avance de la tecnología de imágenes de medicina nuclear y el desarrollo de la medicina de precisión.
