Electromedicina

Panorámica general de la imagen médica

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Desde que Wilhelm Röentgen obtuviera la primera imagen borrosa de rayos x en 1895 de la mano de su esposa, los científicos han estado buscando una forma mejor y no invasiva de observar el interior del cuerpo humano.

Esta búsqueda ha recibido mucha más atención durante los últimos años ya que los nacidos en pleno boom de la natalidad están envejeciendo y quieren que la tecnología les avise si hay algún problema. Y está claro que no van a conformarse con unas imágenes borrosas de rayos x.
Cada día cumplen 65 años más de 1.000  personas nacidas durante este boom, de ahí que el mercado de la imagen médica también experimente un gran crecimiento. Según la firma Markets & Markets, se prevé que el mercado de imagen médica alcance los 26.6 millones de dólares en 2016, impulsado por una población que envejece y los avances en este campo.
Afortunadamente para los nacidos en pleno boom, existen numerosas tecnologías para explorar el cuerpo humano, la más antigua de las cuales es el venerable rayo x. No obstante, cuatro técnicas más sofisticadas para observar nuestro cuerpo siguen evolucionando en su intento por mejorar la precisión y reducir el coste: tomografía computarizada (TC), tomografía por emisión de positrones (TEP), resonancia magnética (RM) y ultrasonidos. Cada una de ellas envía una señal al interior del cuerpo para estudiar cómo reacciona éste a la señal y cómo afecta la reacción a la señal original o a la señal de retorno.
Todas estas técnicas deben discriminar pequeñas señales importantes dentro de una cacofonía de fuertes ruidos en la etapa de entrada, que pertenece básicamente en el dominio analógico. Los componentes de alta fidelidad y bajo ruido, junto con el diseño, son fundamentales para extraer estas señales minúsculas y suministrarlas con la mayor precisión que sea posible al dominio digital para su posterior proceso y visualización. Bien sea por la portabilidad o simplemente por reducir el tamaño, los diseñadores exigen componentes más pequeños y de menor consumo. La imagen médica constituye uno de los campos más exigentes – y por tanto más interesantes y satisfactorios – dentro del diseño electrónico.
Daremos un breve repaso a cada una de estas técnicas y examinaremos las necesidades de los subsistemas analógicos de la etapa de entrada.
fig1-wTomografía computarizada
Una imagen bidimensional de rayos x no dice gran cosa, pero la tomografía computarizada (TC) toma una serie de ellas y las combina mediante ordenador para generar una imagen 3D de alta resolución.
TC es una de las dos tecnologías que utilizan radiación ionizante para crear una imagen del interior del cuerpo. Dicho de manera sencilla, una exploración mediante TC es una sección de rayos x del cuerpo. Las secciones se repiten a lo largo del área de interés, aunque para aumentar las prestaciones se suelen agrupar varios transmisores/receptores de secciones cerca unos de otros. El cuerpo también se puede mover durante la exposición con el fin de obtener una imagen en “espiral” que se pueda descomponer en secciones o en una vista 3D (ver Figura 1).
 
Los rayos x atraviesan el cuerpo y llegan hasta un escintilador de cristal que absorbe los fotones de rayos x y reemite fotones de luz visible que son capturados en una matriz de fotodiodos, creando así una señal eléctrica. La corriente en el diodo es proporcional a la luz incidente, y esta corriente se integra o se convierte en tensión mediante un  amplificador de transimpedancia.
Estas señales se multiplexan mediante FET a los convertidores A/D, tras lo cual la señal puede recorrer una cierta distancia para su proceso y visualización (ver Figura 2). Si los convertidores A/D son suficientemente rápidos pueden procesar más señales en el intervalo existente entre exposiciones (del orden de centenares de microsegundos o más), lo cual significa que se puede lograr una mayor multiplexación y utilizar menos convertidores, lo cual contribuye a reducir el tamaño y el consumo. Los convertidores también deben ser capaces de manejar el elevado rango dinámico que fig2-wcaracteriza a la señal detectada. Entre los convertidores A/D que recomienda Maxim se encuentran el MAX11047/8/9 (16 bit) y el MAX11057/8/9 (14 bit), cada uno de los cuales tiene 4, 6 u 8 canales independientes. Pueden trabajar hasta un máximo de 250 ksps.
 
La TC, al igual que la radiografía convencional, se basa en la radiación ionizante, que puede provocar potencialmente daños de tipo genético. Debido a ello la Food and Drug Administration (FDA) de EE.UU. determina una serie de regulaciones sobre salud radiológica (Título 21 CFR Apartado J) que especifican los límites de exposición. Como resultado de ello los diseñadores de dispositivos trabajan en componentes más rápidos y con menos ruido para mejorar el proceso de señal.


fig3-wTomografía por emisión de positrones
La exploración mediante tomografía por emisión de positrones (TEP) también incluye radiación ionizante, pero en este caso se limita a los rayos gamma emitidos desde un trazador radioactivo y que se acumulan el área de interés. Este material emite positrones que se encuentran con los electrones cercanos, liberando así una ráfaga de radiación gamma. Se liberan dos fotones de alta energía en direcciones aproximadamente opuestas entre sí.
Esta técnica sirve para diferenciar esta señal de rayos gamma respecto a otro ruido. Por tanto, para cada pulso gamma hay que observar si se ha producido el pulso correspondiente al mismo tiempo en el lado opuesto. Esto exige exactitud de sensibilidad y sincronización.
Un detector circular contiene escintiladores que alimentan unos tubos fotomultiplicadores (TFM). Generalmente cada TFM es alimentado por más de un escintilador (ver Figura 3). Como los TFM no se corresponderán de forma exacta se necesita un amplificador de ganancia variable (AGV) para ajustar la señal procedente de cada uno de ellos. Cada AGV necesita a su vez un convertidor D/A para convertir la señal de control digital a la tensión apropiada. Esta señal puede pasar a continuación por un filtro paso bajo antes de digitalizarla mediante un convertidor A/D de 10 a 12 bit que muestrea entre 50 y 100 Msps (ver Figura 4). Toda la cadena de señal debe ser muy precisa y de bajo ruido, además mantener el consumo bajo control y que sus componentes sean pequeños y compactos. Analog Devices recomienda su amplificador de ganancia variable AD8332 como opción para ajustar las señales de los TFM antes de enviarlas a través del filtro al convertidor A/D de 12 bit AD9230, que puede muestrear hasta 250 Msps.
 
Figura 4: Diagrama de bloques de un sistema TEP (cortesía de Maxim).
fig4-wLa sincronización es fundamental. Cada señal tiene un registro de tiempo y éstos se comparan para comprobar si coinciden dos eventos opuestos. En los sistemas más nuevos el registro de tiempo es lo suficientemente preciso como para localizar la fuente del evento. Maxim dispone de varios comparadores que pueden servir para este fin, como el MAX9601; su convertidor D/A de 16 bit MAX5661 se puede utilizar para establecer la referencia del comparador.
Imagen por resonancia magnética
La imagen por resonancia magnética (RM) es una manera completamente diferente de ver el interior del cuerpo. Se basa en la forma que tienen los núcleos de hidrógeno de responder a los campos magnéticos. La RM funcional (RMf) es una versión especializada que se utiliza en el cerebro, realizando un seguimiento del oxígeno para obtener una imagen del flujo sanguíneo a partir de los niveles de oxigenación.
Este proceso funciona colocando el cuerpo dentro de un potente campo magnético estático de forma que todos los núcleos estén orientados en la misma dirección. Se genera así un campo variable para perturbar los átomos localmente; esto los reorienta a partir de su posición inicial. Cuando se retira este campo variable, la célula fig5-wvuelve a la posición estática. Las diferentes células dan este paso a diferentes velocidades, que oscilan entre decenas de milisegundos y más de un segundo, y al mismo tiempo las señales se van atenuando – dentro de un rango de 1 a 300 MHz – creando así la imagen (ver Figura 5). Son estas diferencias en el tiempo de relajación las que permiten al sistema discriminar los diferentes tipos de tejidos.
 
Un imán superconductor, impulsado por bobinas, establece el campo estático. La localización se maneja mediante bobinas de gradiente que establecen los campos en las direcciones x, y, z y que varían según la posición (ver Figura 6). También se utilizan bobinas para estimular los núcleos como bobinas que detectan la respuesta o bien colocadas junto a éstas. Generalmente la excitación se produce a frecuencias superiores a las que puede manejar la etapa de entrada, por lo que la señal transmitida se convierte y eleva hasta las bobinas y la señal recibida se convierte de nuevo y se reduce para el proceso. A medida que aumenten las prestaciones de los componentes, será posible realizar el proceso a la frecuencia de trabajo sin conversión. La Figura 7 muestra el diagrama de bloques fig6-wde un sistema RM.
 


Hay dos maneras de obtener una mejor relación señal/ruido con una RM aplicable a cualquier ruta de señal: aumentar la intensidad del transmisor (imanes) o aumentar la relación señal/ruido en el receptor. La intensidad de campo para un típico sistema de RM es de 1,5 Teslas. Los nuevos sistemas RM 3T pueden llegar hasta
fig7-w3 Teslas, pero son bastante ruidosos y – lo que es más importante – bastante caros. Resulta más económico centrarse en mejorar el proceso de la señal en el receptor.
Para transmitir la señal, Analog Devices recomienda su nuevo AD9726, un convertidor D/A de 16 bit y 400 Msps para transmisión de RF. Se puede pensar que no hay que tener en cuenta el consumo con todos los imanes de alta corriente pero lo es, sobre todo porque se consume mucha energía y los diseñadores siempre quieren reducir el consumo. No es de esperar que los sistemas de RM sean más pequeños o de bajo consumo a corto plazo.
Se necesitan amplificadores de bajo ruido para elevar la señal recibida antes de convertirla para reducir su nivel; Texas Instruments (TI) incluye en THS9001 entre sus recomendaciones para esta función. El muestreo se puede llevar a cabo mediante convertidores A/D como su ADS4149 de 14 bit, que muestrea hasta 250 Msps. Las etapas de entrada de bajo ruido y los convertidores A/D rápidos contribuyen directamente a incrementar la resolución de la imagen por RM.
Ultrasonidos

fig8-wLos ultrasonidos consisten en la práctica en un sistema de sonar de alta frecuencia que mide los minúsculos ecos de las ondas sonoras que atraviesan el cuerpo. Las imagines por ultrasonidos (ver Figura 8) parecen de rayos x excepto porque se visualizan en tiempo real.
La función de medir y discriminar con precisión los ecos de ultrasonidos resulta difícil porque es cada vez más el segundo armónico el que se detecta en lugar de la fundamental. Esto se lleva a cabo suprimiendo el segundo armónico en la señal transmitida de forma que solo devuelva señales que tengan esa frecuencia; esto exige un ciclo de trabajo casi perfecto del 50% en el tren de pulsos. Otra posibilidad es generar versiones positiva e invertida de la señal de manera que se puedan cancelar para revelar los armónicos subyacentes. Para que esto funcione correctamente los tiempos de subida y bajada de los generadores de pulsos deben ser lo más igualados que sea posible con el fin de cancelar sus espectros. Estos requisitos imponen severas limitaciones a los generadores de pulsos de alta tensión. La Figura 9 muestra un sistema típico de ultrasonidos.
 
fig9-wEl proceso Doppler utilizado para detectar movimiento hace que el diseño sea aún más complejo. Todo el concepto se basa en el envío por parte del transceptor de una señal de alta potencia y que el receptor recoja una débil respuesta. De hecho, el receptor se ha de desactivar mediante un conmutador de transmisión/recepción (T/R) cuando hay transmisión para que no se sobrecargue, pero se ha de activar de nuevo para captar la señal de retorno.
Los requisitos en cuanto a coste, consumo y tamaño, especialmente para las unidades portátiles, han impulsado una mayor integración. Por ejemplo, el LM96570 de TI es un generador de haz integrado de ocho canales, mientras que el LM96511 integra el amplificador de bajo ruido, el amplificador de ganancia variable y un convertidor A/D ΔΣ en tiempo continuo de 12 bit en una sola etapa de entrada analógica de recepción. El LM96530 es un conmutador integrado de T/R. Maxim, por su parte, suministra el MAX2079, una etapa de entrada integrada de ocho canales con generador de haz Doppler de onda continua. El MAX4940 es un generador de pulsos de alta tensión y el MAX4936 es su conmutador de T/R.
Resumen
Existen numerosas tecnologías en las que se trabaja con esfuerzo para proporcionar imágenes de diagnóstico más precisas y con un menor coste. Para sistemas que puedan ser portátiles – e incluso para grandes máquinas como RM con altas tensiones y corrientes – es necesario lograr un bajo consumo. Además, se debe rechazar el ruido, especialmente en sistemas como ultrasonidos y RM, que por propia naturaleza generan mucho ruido.
La imagen médica es una disciplina apasionante y en rápido crecimiento gracias al gran número de ingenieros inteligentes que tratan de adelantarse al mercado formado por los nacidos durante el boom de natalidad. Permanezcan atentos a los muchos desarrollos interesantes que están por llegar.

Más información
 

Autor: Bryon Moyer, Mouser Electronics

Bryon es un escritor especializado en tecnología y redactor del EE Journal. Tiene más de 30 años de experiencia en puestos de ingeniería y marketing en Silicon Valley tras haber trabajado para MMI, AMD, Cypress, Altera, Actel, Teja Technologies y Vector Fabrics. Se ha especializado sobre todo en PLD/FPGA, EDA, sistemas embebidos, proceso multinúcleo, protocolos de red, análisis de software, MEMS y sensores. Sus áreas técnicas de interés son amplias y encuentra especial satisfacción en trazar paralelismos útiles entre campos aparentemente sin relación entre sí. Ha conservado sus habilidades técnicas hasta un nivel suficiente como para facilitar conversaciones convincentes con usuarios y fabricantes. Hace preguntas tontas porque el 90% del tiempo no son tontas. Es licenciado por la Universidad de Berkeley y Máster en Ingeniería Eléctrica por la Universidad de Santa Clara. Fuera del ámbito laboral, Bryon disfruta con la música, la fotografía, los viajes, la cocina, la montaña y los idiomas.

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