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.
Fig. 1: Vascularización previa y posterior a la terapia con agentes antiangiogénicos/antivasculares
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.
Fig. 2: Estudio de perfusión por TC en caso de hepatocarcinoma
References: Departamento de Radiología, Hospital Clínic de Barcelona
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.
References: 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.
References: Departamento de Radiología, Hospital Clínic Barcelona
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.
References: 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.
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 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
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.
* 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
2.3 Medio de contraste
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
References: 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.
Fig. 10: Distintas formas de las CTD en función de la región de estudio
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
|
Flujo sanguíneo
|
Tasa de flujo a través de la red vascular en la región tisular
|
Vascularidad del tumor
Clasificación del tumor
|
mL/100g/min
|
Volumen sanguíneo
|
Volumen de sangre circulante en la red vascular en la región tisular
|
Vascularidad del tumor
|
mL/100g
|
Tiempo medio de tránsito
|
Tiempo medio del paso de arteria a vena
|
Presión de perfusión
|
Segundos
|
Permeabilidad
|
Flujo total del plasma al espacio intersticial
|
Vasos inmaduros permeables
|
mL/100g/min
|
Tiempo al pico
|
Tiempo desde la llegada de contraste en las principales arterias al pico de contraste
|
Presión de perfusión
|
Segundos
|
Intensidad de pico
|
Máxima elevación de la densidad tisular después de la inyección de contraste
|
Volumen sanguíneo tisular
|
UH
|
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.
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
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 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
References: 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:
Fig. 13
References: 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.
Fig. 14: Distintas gráficas de Patlak en función del valor de correlación de la región de interés
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
References: 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
References: 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.
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.