Evaluación imagenológica funcional con TAC y/o RNM en patología pulmonar

1. Dr. Alejandro Paredes C.
Residente 2º año Medicina Interna
Rotación Respiratorio
Temuco, Agosto 20, 2009.

2. Introducción
 El enfoque tradicional de la imagenología pulmonar,
utilizando la tomografía computarizada de alta resolución
(HRCT) que consiste en cortes de 1 mm, ha sido sustituida
por nuevos métodos.
 La introducción de los CT con multidetectores (MDCT) ha
permitido reconstrucciones con mayor resolución espacial
que antes, mientras que los métodos con contraste han
mejorado la evaluación de la vasculatura y perfusión
pulmonar.
 Técnicas utilizando MDCT con control espirométrico permiten
la cuantificación de la presencia y distribución del
parénquima y vía aérea patológica, así como, el gas xenón se
pueden emplear para evaluar la ventilación regional de los
pulmones.

3. Introducción
 En el futuro, evaluación por CT no sólo de la morfología sino
que adicionalmente como una herramienta dinámica y
cuantificables para la evaluación regional pulmonar.
 Complemento a la TC de pulmón, las imágenes por
resonancia magnética (MRI), que anteriormente fueron
descartadas por la falta de homogeneidad de campo y
carencia de protones en el tejido pulmonar, está
desarrollando sus propios métodos de estimación, tanto en
términos de morfología, circulación pulmonar, ventilación y
evaluación incluso del ventrículo derecho.
 Limitaciones costo-efectivas en la masificación del uso de la
MRI sobre la CT.
Clin Chest Med. 2008 March; 29(1): 195–vii

4. Tomografía Computarizada
 Evaluación volumétrica fisiológica fue desarrollada desde los
años 70’s en la Clínica Mayo, con el uso del Reconstructor
dinámico espacial.
 La principal lección aprendida de la DSR es que los pulmones,
deben ser estudiados dinámica y volumétricamente.
 La adquisición de imágenes con múltiples cortes por rotación
con velocidades tan cortas como 0.3 seg han permitido una
reducción significativa en el tiempo de examen.
 Los pacientes serán escaneados más frecuentemente con
dosis bajas en MR y con menor frecuencia de sobretiempo
con los nuevos métodos de CT.
 Métodos de evaluación cardiaca y pulmonar simultánea.
Ritman EL, Robb RA, Harris LD. Imaging Physiological Functions:
Experience with the DSR. Philadelphia: Praeger; 1985.

5. Tomografía Computarizada
 Prospectiva o retrospectivamente las fases del ciclo fisiológico
de interés pueden ser seleccionadas de los datos obtenidos y
así permitir la reconstrucción del ciclo cardiaco o respiratorio
deseado.
 A nivel experimental, también se han llegado a realizar
adquisiciones con aparatos de TC de doble fuente, donde se
aplican simultáneamente dos intensidades, siendo posible
separar la señal del xenón de la del tejido pulmonar en una
única maniobra de respiración única.
 Esta técnica no invasiva aporta además mayor resolución que
las técnicas de distribución de la ventilación basadas en el
uso de radioisótopos captados por gammacámaras.
Fuld M, Saba O, Krauss B, Van Beek EJ, McClennan G, Hoffman EA. Dual Energy
Xe-MDCT for Automated Assessment of the Central airway Tree: initial Experiences;
American Thoracic Society Annual Meeting; San Francisco, CA. 2007. p. A250

6. Análisis cuantitativo de imágenes
 Fundamental para aprovechar plenamente MDCT (y RM) es la
capacidad de evaluar objetivamente el contenido de las
imágenes.
 Detección de los pulmones, lóbulos, vías respiratorias y los
vasos sanguíneos, seguido de un análisis de la atenuación del
parénquima y la textura, por último, una cuantificación
regional de los parámetros ventilación y perfusión.
 Ahora es posible capturar con seguridad el árbol de la vía
aérea hasta aproximadamente la 5 ª generación (siendo la
tráquea 0).
 Estas medidas están siendo utilizados para evaluar la
remodelación de las vías respiratorias, tanto en el Asma y la
EPOC.
Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature
Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

7. Images derived from MDCT-based imaging of a normal non-smoker (left) and a smoker with emphysema (right).
These images demonstrate the automatic segmentation of the lungs, lobes and bronchial tree with automatic
bronchial tree labeling. Segmentation and display was via a Pulmonary Workstation Plus
Takashima, S, et al Small solitary pulmonary nodules (1 cm or less) detected at population-based CT screening
for lung cancer: reliable high-resolution CT features of benign lesions. AJR Am J Roentgenol 2003; 180:955-964.

8. Evaluación pulmonar y su interfase funcional
 Los métodos tradicionales de análisis de textura se pueden
agrupar en estadística, estructural, y los métodos híbridos.
 Tejido pulmonar puede ser objetivamente evaluado mediante
la atenuación de los tejidos, ya sea como medio de
atenuación del pulmón, o por la medición de la atenuación en
relación a un valor fijo.
 Adaptive Multiple Feature Method (AMFM)
 Esta técnica ha utilizado cerca de 26 diferentes fórmulas
matemáticas para describir la heterogeneidad de la escala de
grises dentro de las regiones del parénquima al CT.
Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature
Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

9. Whole lung classification using the 3D AMFM. Ellipses in the original image slice (left) represent
emphysema (red) and honeycomb (purple) patterns. The tissue types are color coded as:
Red=emphysema, pink=honeycomb, blue=normal, and yellow=ground glass.

10. Imágenes funcionales
 Numerosas métodos basados en imágenes se han
desarrollado para evaluar la ventilación, perfusión, o su
resultado funcional - el intercambio de gases.
Eberle B, Weiler N, Markstaller K, et al. Analysis of intrapulmonary O(2) concentration
by MR imaging of inhaled hyperpolarized helium-3. J Appl Physiol. 1999;87:2043–2052.

11. Ventilación evaluada por CT
 Realizado para cuantificar ventilación regional directa e
indirectamente con una variedad de técnicas invasivas de
imagen o de radioisótopos siendo limitada por este motivo.
 Para conocer la distribución de la ventilación mediante TC es
necesario utilizar un gas que tenga unas características de
captación radiológica diferentes de las del aire.
 Xenón-MDCT es un método para la medición no invasiva de
la ventilación pulmonar regional, determinado curvas a partir
de “lavados” y medición de índices de radiodensidad.
 Con la capacidad de reconstruir conjuntos de datos-imagen
en 4D para representar a un ciclo completo de la respiración
se hace posible evaluar la ventilación regional mediante el
uso de algoritmos de correspondencia de imagen.
Tajik JK, Chon D, Won C, Tran BQ, Hoffman EA. Subsecond multisection
CT of regional pulmonary ventilation.Acad Radiol. 2002;9:130–146.

12. Demonstration of the density changes occurring regionally across time as a result of the re-breathing of a constant
concentration of xenon gas. Imaging is in the axial mode and scans are gated to end expiration. Data shown are
from a supine anesthetized pig. In the upper panel, regions of interest are sampled including parenchymal regions
spaced from the dependent to the non-dependent lung regions, with one region of interest in a right sided bronchus.
It can be seen that the exponential rise from baseline is sharper in the dependent (yellow) region vs a much shallower
exponential rise in the non-dependent region (blue). The sharp and shallow rise from baseline represent a fast or slow
gas turnover rate respectively. Note the gradient in specific ventilation (lower right) where specific ventilation is the gas
turn over rate (time constant) normalized by the local amount of air in that region of lung.

13. Dual energy color coded images in axial (a) and coronal (b)
planes demonstrate the presence of xenon gas following the
inhalation of a single breath of 80% xenon. Imaging was
accomplished in the prone position at 80 and 140kV, allowing
subtraction of the xenon signal while minimally changing the
signal from the natural occurring tissue of the body.
Note the region of low or no xenon ventilation (white arrows,
upper panel). This region had a ground glass pattern indicative
of regional small airway inflammation.
Chest. 1991;99:1357–1366.

14. Perfusión evaluada por CT
 Métodos dinámicos de imágenes se han utilizado para
estimar la circulación arterial, venoso, capilar, tiempos de
tránsito y flujo de distribución.
 Número creciente de estudios, que demuestran el uso MDCT
con infusión de medios de contraste yodados para evaluar la
presencia de embolia pulmonar a través de la visualización de
defectos del flujo en los sectores periféricos del pulmón,
explorándo su uso adicional en disección aórtica y cardiopatía
coronaria lo que se ha traducido en el “Triple ruleout" como
método de estudio para pacientes con angor.
Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature
Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

15. Regional assessment of pulmonary blood flow mean transit times via use of temporally sequenced axial imaging,
gated to the electrocardiogram during a sharp bolus contrast injection (0.5cc/kg iodinated contrast agent) into the
superior vena cava / right atrial junction in a normal non-smoking (upper left) and a smoker (lower left) with CT
showing only findings of early emphysema. Regions of interest are highlighted in the lower left image showing an
ROI placed in the pulmonary artery (yellow); non-dependent (red) and dependent (purple) parenchymal regions.
Associated time intensity curves are shown, from which mean transit times and pulmonary blood flow may be
calculated, with the parenchymal curves expanded in the lower right graph. Studies have shown that the regional
heterogeneity of pulmonary blood flow mean transit times are significantly increased in the smokers with CT
findings of emphysema.

16. Axial images from a sheep with native pneumonia (dependent lung regions), imaged supine, anesthetized in the
MDCT scanner. Ventilation (middle column) and perfusion (left column) data sets were obtained before (upper rows)
and after (lower rows) the placement of an endobronchial valve. The white arrow in the lower middle column marks
the location of ventilation defect caused by the endobronchial valve. In this same region on the perfusion images
(see lower right) there is a regional reduction in perfusion indicating regional, intact hypoxic pulmonary
vasoconstriction. The black arrow in the lower right image marks a region that preferentially receives an increase
in blood flow following the shunting of perfusion from the regional of the endobronchial valve, presumable because
regional HPV is blocked in the presence of inflammation.
SPIE Medical Imaging. 1994;2168:23–32.

17. Resonancia Magnética
 La RM tiene varias ventajas con respecto a la TC:
◦ Incluida la velocidad de la imagen
◦ Falta de radiación ionizante
◦ Capacidad de identificar características del tejido
◦ Potencial para obtener información que permita nuevos
enfoques de la función pulmonar y evaluación de micro-
estructuras.

18. Requerimientos técnicos
 La mayoría de los sistemas de MR será capaz de obtener
imágenes de excelente calidad en el tórax.
 El uso de medios de contraste endovenosos basados en
Gadolinio, permiten delinear el árbol vascular pulmonar, así
como el ventrículo derecho.
 En el tórax, las imágenes por MR casi siempre son obtenidos
en una sola apnea, aunque estudio dinámico de imágenes
durante un ciclo respiratorio es viable.
 Secuencia ultrarrápida de imágenes con contraste dinámico,
puede llevar a la interpretación de la perfusión pulmonar.
Pruessmann KP, Weiger M, Scheidegger MB, Boesiger P. SENSE: sensitivity
encoding for fast MRI. Magn Reson Med. 1999;42:952–962.

19. Protones en imágenes
 Como ocurre con cualquier técnica de RM de protones, se
utiliza un gran campo magnético y el libre movimiento
protones para obtener la señal de cambios en la orientación
de estos mediados por pulsos de radiofrecuencia.
 Los pulmones son diferentes del resto del cuerpo, ya que
existe un relativo bajo número de protones y la mayoría del
parénquima pulmonar está compuesto de aire.
 La aplicación de distintas secuencias de ponderación dará
lugar a aumento o disminución de la señal de protones.
 Evaluación de la dinámica respiratoria ha llegado a ser
posible con la llegada de imágenes ultrarrápida de protones.
Esto ha dado lugar a nuevos enfoques para la evaluación del
diafragma, pared torácica y evaluación del movimiento de la
la mecánica respiratoria.
Sodickson DK, Manning WJ. Simultaneous acquisition of spatial harmonics (SMASH):
fast imaging with radiofrequency coil arrays. Magn Reson Med. 1997;38:591–603.

20. Patient with sarcoidosis. Coronal proton single shot fast spin echo sequence, demonstrating black
lungs with some interstitial markings and extensive mediastinal and bilateral hilar lymphadenopathy.

21. Imágenes mejoradas con Gadolinio
 El uso de contraste con gadolinio ha permitido una rápida
expansión en el uso de RM en tórax.
 Esto permitió a la RM llegar a competir con la CT en varios
aspectos, especialmente de imágenes de los grandes vasos,
incluyendo anomalías congénitas, como el ductus arterioso
perisistente y la evaluación de la hipertensión pulmonar.
 La RM ofrece la posibilidad de evaluar la perfusión del lecho
vascular pulmonar por imágenes ultrarápidas durante la
inyección de gadolinio. Esto permite la visualización directa
de la perfusión regional, con la posibilidad de algún tipo de
cuantificación.
 Varios estudios han demostrado la viabilidad de esta técnica
para la evaluación de procesos normales y patológicos.
Ohno Y, Hatabu H, Murase K, et al. Primary pulmonary hypertension: 3D dynamic perfusion MRI
for quantitative analysis of regional pulmonary perfusion. AJR Am J Roentgenol. 2007;188:48–56.

22. Sagittal 3D-Gadolinium-enhanced MR angiogram,
demonstrating direct connection between aorta
and pulmonary artery (arrow), consistent with
patent ductus arteriosus in a patient with pulmonary
hypertension.

23. Coronal 3D-Gadolinium-enhanced MR
angiogram, demonstrating enhancement
of an aneurysm of the right pulmonary
artery with a black rim of mural organized
thrombus (arrow) in a patient with
pulmonary hypertension.

24. Imágenes con gas hiperpolarizado
 RM es muy versátil y tiene la capacidad de producir imagen
basada en otros núcleos, incluidos Helio-3 y 129-xenón,
adaptando la frecuencia del sistema para este motivo.
 Helio requiere hiperpolarización para producir neutrones
“espejos”.
 Amplio uso en investigación clínica y tiene mejor relación
señal-acción, permaneciendo en las vías respiratorias sin
mayor interacción con el cuerpo humano.
Darasse L, Guillot G, Nacher P, Tastevin G. Low-field 3He nuclear magnetic
resonance in human lungs. CR Acad Sci II B. 1997;324:691–700.

25. Distribución de ventilación
 Es construida sobre la idea que cualquier área con señal es un
reflejo de la entrega de 3-He a esta área.
 En sujetos fumadores con pruebas de función pulmonar
normal, por lo general, ya presentan defectos de ventilación
detectables.
 Estudios limitados a receptores de trasplante de pulmón
mostraron que el 3-He RM era capaz de detectar anomalías
de ventilación precoces, siendo más sensible que la
espirometría o HRCT para la detección de la bronquiolitis
obliterante y anomalías ventilatorias.
Austin JH-et al. Glossary of terms for CT of the lungs: Recommendations of the Nomenclature
Committee of the Fleischner Society. Radiology - 01-AUG-1996; 200(2): 327-31

26. Examples of hyperpolarized 3-Helium MRI and
correlation with HRCT. A, B Patient with alpha-1
-antitrypsin deficiency. Notice basal ventilation
defects on coronal MRI (a), with corresponding
panlobular emphysema on axial CT (b). C, D
Patient with cystic fibrosis. Notice upper lobe
cystic bronchiectasis on axial HRCT (C) with
corresponding ventilation defects on coronal
hyperpolarized 3-He MRI (D). E,F Patient with
lung cancer. On coronal proton image a large
soft tissue mass is visualized in the right upper
lung(E), which corresponds to upper lobe
ventilation defect on hyperpolarized 3-He MRI (F).

27. Difusión de imágenes
 Es posible haciendo uso de la gran difusibilidad del Helio.
 Mediciones del Coeficiente de difusión aparente (ADC), son
una representación directa de las vías respiratorias pequeñas
y estrechamente correlacionados con la histología.
 ADC trabaja por la aplicación de secuencias de gradientes
pulsos en dos intervalos diferentes, dando lugar a cambios de
polarización entre átomos más o menos limitados.
 Valores más altos asignados a los grandes espacios aéreos.
 ADC es homogéneamente distribuido en sujetos normales, y
se hace cada vez más heterogénea en los fumadores con
enfisema
van Beek E, Wild J, Schreiber W, Kauczor H, Mugler JP, 3rd, de Lange EE. Functional
MRI of the lungs using hyperpolarized 3-helium gas. J Magn Reson Imaging. 2004;20:540–554.

28. Apparent diffusion coefficient (ADC) imaging in a normal volunteer in different positions,
demonstrating gravity dependent changes with decreased ADC values in dependent lung portions
Fichele et al. J MRI 2004;20:331–335

29. Imágenes de ventilación dinámica
 Permite la visualización de la señal 3-He, y su flujo en las
principales vías aéreas a los espacios periféricos.
 Hace uso de una combinación de secuencia de imágenes
ultra-rápidas y técnicas de reconstrucción que efectivamente
interpolan los cambios que ocurren durante el proceso de
imágenes, resultando en tasas de cuadros en el orden de 5-
10 mseg.
 Ventilación puede ser cuantificada mediante la obtención de
las curvas de cambio de señal durante el tiempo de imagen, y
las curvas se correlacionan estrechamente con las pruebas de
función pulmonar (en general).
 Es posible evaluar el atrapamiento aéreo regional, que
pueden ser relevante en diversos tipos de obstrucción de las
vías aéreas.
Salerno M, Altes TA, Brookeman JR, de Lange EE, Mugler JP., 3rd Dynamic spiral
MRI of pulmonary gas flow using hyperpolarized (3)He: preliminary studies in healthy
and diseased lungs. Magn Reson Med. 2001;46:667–677.

30. Dynamic 3-He MRI reconstruction of signal change over time during single
inspiration demonstrates the slope of the curve, which may be translated to
forced inspiratory volume during 1 second
Koumellis et al. J MRI 200522:420–426

31. Imágenes oxígeno-sensibles
 Utiliza el efecto paramagnético del oxígeno para calcular la
disminución de la señal de 3-He debido a la pérdida de la
polarización.
 En zonas donde el oxígeno es absorbido rápidamente (Ej:
ventilación-perfusión coincidentes) la señal 3-He
permanecerá.
 Áreas donde el oxígeno permanece en las vías respiratorias
(Ej: ventilación-perfusión con desbalance) se demuestra una
rápida pérdida de señal.
 Es posible obtener mapas en 3D de los coeficientes de
absorción de oxígeno.
 Método continúa en desarrollo.
Wild JM, Fichele S, Woodhouse N, Paley MN, Kasuboski L, van Beek EJ. 3D volume-localized
pO2 measurement in the human lung with 3He MRI. Magn Reson Med. 2005;53:1055–1064.

32. Conclusiones
 Numerosas técnicas de imagen permiten la evaluación de la
función pulmonar regional.
 El uso de CT con contraste ha permitido mejorar la evaluación
de la vasculatura y perfusión pulmonar.
 Utilizando técnicas de control espirométrico MDCT permite
cuantificar la presencia y distribución del parénquima y la vía
aérea patológica.

33. Conclusiones
 Gas xenón puede ser empleado para evaluar la ventilación
regional de los pulmones y la rápida inyección de medios de
contraste yodados pueden proporcionar medidas
cuantitativas de la perfusión regional del parénquima.
 Avances en Resonancia Magnética de imagen (MRI) pulmonar
incluyendo imágenes de perfusión mejorada con Gadolinio e
imágenes hiperpolarizadas con Helio, las cuales permiten
evaluar la ventilación pulmonar y medición del tamaño de los
espacios enfisematosos.

34. Clin Chest Med. 2008 Mar;29 (Issue 1):P195-216.
Dr. Alejandro Paredes C.
Residente 2º año Medicina Interna
Rotación Respiratorio
Temuco, Agosto 20, 2009.