Desarrollo de un modelo estequiométrico para el cálculo del número TC en aplicaciones cuantitativas

Resumen

Las diferencias en el número TC de los tejidos entre los diferentes escáneres son un problema para las aplicaciones cuantitativas de la imagen de TC, como el cálculo de la dosis absorbida en tratamientos de radioterapia, la corrección de la atenuación en imágenes de emisión en equipos híbridos SPECT/CT y PET/CT, la cuantificación del contenido mineral en hueso, etc. Estas diferencias implican un proceso individualizado de calibración empírica, ya que el cálculo teórico de la energía efectiva a la que se refieren los números TC es inviable. Los métodos normalmente empleados son dos: la calibración mediante maniquíes comerciales, en la que se utilizan materiales que emulan a los tejidos; y la calibración estequiométrica, mediante la cual es posible el cálculo teórico de los números TC de los tejidos a partir de su composición química y del uso de sustancias calibradoras. Estas soluciones presentan algunos aspectos insatisfactorios, en particular la equivalencia real entre los sustitutos y los tejidos y que la calibración estequiométrica normalmente utilizada emplea sustitutos de tejido como calibradores; además, no permite el cálculo de la energía efectiva asociada al haz. La hipótesis de partida de esta tesis es que es posible definir un modelo estequiométrico que resuelve el problema del cálculo de la energía efectiva de un haz y un procedimiento de calibración totalmente independiente de los sustitutos comerciales. El cuerpo de esta tesis se compone de cuatro publicaciones: en la primera [I] se desarrolla teóricamente una expresión del número TC que contiene un único parámetro espectral con una dependencia explícita de la energía efectiva del haz. En esta expresión se caracterizan las sustancias mediante el uso de un único número atómico efectivo y de la densidad electrónica. Además, se propone un procedimiento de calibración que permite el cálculo de la energía efectiva. En la publicación [II] se estudia experimentalmente la dependencia residual con el material calibrador de la energía efectiva medida de acuerdo con el procedimiento propuesto en [I] y se propone, a partir de los resultados obtenidos, un modelo paramétrico más preciso que emplea dos parámetros espectrales. En la publicación [III] se emplea el modelo de un parámetro espectral de [I] para el cálculo de las curvas de densidad electrónica relativa empleadas en planificación de tratamientos en radioterapia. Además, estas curvas se comparan con las obtenidas con otros modelos estequiométricos y con las medidas experimentalmente con un maniquí comercial con sustitutos de tejidos. En el último artículo de esta tesis [IV] se emplea el modelo paramétrico de [I] para evaluar el modelo bilineal de corrección de atenuación en equipos híbridos SPECT/CT y PET/CT, normalmente implementado en los equipos, y se describe un procedimiento para la transformación de las imágenes de TC en imágenes del coeficiente de atenuación totalmente independiente del modelo bilineal y basado íntegramente en la composición tabulada de los tejidos. De acuerdo con los resultados obtenidos, se demuestra que el modelo de un parámetro espectral propuesto en [I] permite calcular de manera sencilla la energía efectiva de un haz de TC sin emplear sustitutos de tejidos y no presenta problemas de colinealidad inherentes a otros métodos. El modelo de dos parámetros espectrales presentado en [II] permite aumentar la precisión en el cálculo del número TC de los tejidos, aunque las diferencias entre los modelos de las publicaciones [I] y [II] solamente son relevantes en la región de hueso compacto. La calibración con el modelo de [I] empleando como calibrador un material con número TC similar al del cráneo (cloruro de sodio o carbonato cálcico) produce excelentes resultados para la curva de densidad electrónica, como se demuestra en [III] y para la curva de corrección de atenuación, como se demuestra en [IV].