Curso de Rx

Date: [13th Oct 2024]

Área 1. Conceptos básicos

A través del estudio sistemático de las propiedades químicas de los elementos, se pudo llegar a las conclusiones siguientes:

• La materia está formada por partículas indivisiles por métodos químicos, denominados átomos.
• Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí y diferentes de los de otros elementos, manteniendo características propias.
• Los compuestos químicos se forman por combinación de átomos, en proporciones fijadas, en moléculas.

Así, la molécula formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O) constituye el agua, cuyas propiedades físicas y químicas son muy diferentes de las de los elementos que las componen.

1.1 Estructura del átomo

Actualmente, sabemos que el átomo está compuesto por otras subpartículas, algunas de las cuales están eléctricamente cargadas.

El átomo está formado por el núcleo y la corteza. En el núcleo se concentra la práctica totalidad de la masa y la carga positiva. Alrededor del núcleo se sitúa la corteza, formada por un cierto número de electrones, cuya carga total es igual, aunque de signo contrario, a la que concentra el núcleo. Por tanto, el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro.

El núcleo en sí no es homogéneo, sino que está formado por dos tipos diferentes de partículas, en proporciones variables. Estas partículas, llamadas genéricamente nucleones, son los protones y los neutrones.

Los protones tienen una carga unitaria positiva, mientras que los neutrones son eléctricamente neutros, siendo su masa ligeramente superior a la de los protones.

La función de los neutrones es cohesionar los protones próximos, dando lugar a un núcleo estable.

El número de protones que contiene el núcleo del átomo se denomina número atómico (Z). El número atómico define al elemento y sus propiedades físico-químicas.

El número de nucleones que contiene el núcleo de un átomo, es decir, la suma de los protones y neutrones, se denomina número másico (A).

El número de neutrones (N) que tendrá un átomo será (A-Z) y puede variar en distintos núcleos de un mismo elemento.

En la naturaleza podemos encontrarnos:

• Isótopos a los nucleidos: mismo número atómico (Z), distinto número másico (A).
• Isóbaros a los nucleidos: mismo número másico (A), distinto número atómico (Z).

La corteza nuclear está compuesta por los electrones, que describen órbitas dentro del átomo. Son órbitas sin un radio arbitrario, éste toma ciertos valores determinados en los cuales el movimiento electrónico resulta estable. El radio de giro de la órbita del electrón define su estado energético.

Las órbitas más próximas al núcleo son las de menor energía, y son ocupadas preferentemente por los electrones. El estado en que los niveles más bajos de energía se encuentran ocupados se denomina estado fundamental del átomo.

Los estados energéticos que pueden tomar los electrones son valores discretos y perfectamente definidos. Esta energía denominada de ligadura o de enlace toma signo negativo, y es la suficiente para romper el enlace existente con el átomo y arrancarlo del mismo.

1.2 Excitación e ionización

Cada electrón está unido al núcleo atómico por una energía denominada energía de ligadura. Cada electrón del átomo tiene una energía concreta en función de su radio de giro y que se considera de valor negativo, ya que es necesario un aporte adicional de energía para romper su unión con el átomo.

Si la energía aportada al átomo es superior a la de ligadura se produce el fenómeno de ionización obteniendo un electrón libre y un átomo cargado positivamente, lo que se denomina ión positivo.

Cuando la energía aportada a un electrón de un átomo no es suficiente para arrancarlo de la estructura, puede que éste pase a una capa de energía mayor, dando lugar a lo que se llama un átomo excitado. Un átomo excitado es energéticamente inestable, por lo que en un período de tiempo corto tenderá a devolver la energía que le sobra en forma de radiación electromagnética.

Puesto que cada orbital tiene una energía determinada, la energía emitida será:

E(fotón) = E(capa ext.) - E(capa int.)

Dicha E será concreta y característica de esa transición electrónica. A esa radiación se la denomina rayos X característicos.

Si la energía es inferior a la necesaria para provocar una transición electrónica se producirá lo que se denomina una colisión elástica.

1.3 Naturaleza de los rayos X

Toda corriente eléctrica variable o toda partícula cargada dotada de movimiento acelerado produce campos eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo y que se propagan a través del espacio, dando lugar a lo que se denomina como ondas electromagnéticas (OEM).

Una onda electromagnética constituye una transmisión (propagación) de energía a través del espacio a una velocidad de aproximadamente 300.000 km/s.

Las ondas electromagnéticas están constituidas por pequeñísimos paquetes de energía, llamados fotones, que se pueden considerar como partículas carentes de masa en reposo. Cada fotón posee y transporta una determinada cantidad de energía.

La unida de energía en física clásica, el Julio, es muy grande para las energías manejadas en física atómica y molecular, por lo que se utiliza el electrón-voltio. Esta unidad de energía se define como la energía cinétca que adquiriría un electrón en reposo al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio.

• Kilo-eletrón-voltio = 1.000 eV = 1 KeV
• Mega-electrón-voltio = 1.000.000 eV = MeV

Se define espectro electromagnético al conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas según su energía, frecuencia o longitud de onda.

1.4 Producción y cualidades de los rayos X

Los rayos X son una forma de radiación electromagnética que comprende una gama de frecuencias concreta. Rango en el cual, la radiación tiene energía suficiente para ionizar la materia sobre la que incide; se trata, pues, de radiación ionizante.

Espectro de emisión de un haz de rayos X o espectro de energía: representación en la que el eje X se representa la energía de los fotones emitidos y en el eje Y se representa el número de fotones emitidos para cada valor de energía.

Cuando electrones con una determinada energía "chocan" con un material, producen procesos de excitación e ionización dentro del mismo. En cada interacción, el electrón transfiere parte de su energía al material y modifica su dirección de movimiento. La energía transferida en cada interacción, en la mayoría de los casos, es pequeña (un electrón con una energía de 100 KeV puede experimentar hasta 1.000 colisiones antes de ser totalmente frenado).

La energía del electrón acaba siendo depositada a lo largo de su trayectoria, produciendo un aumento de la temperatura del material, pero con una pequeña parte de la energía (1%) se pueden producir los siguientes procesos:

A) Radiación de frenado

• Electrón incidente interactúa con los átomos del material, por lo que la partícula se "frena" o se "desvía" disminuyendo su energía, emitiendo la energía perdida en forma de ondas electromagnéticas, que se conocen como radiación de frenado.
• Mayor probabilidad en las proximidades del núcleo atómico como consecuencia de pequeñas "desviaciones" ocasionadas por las cargas eléctricas del núcleo.
• Baja probabilidad de que un electrón sea frenado totalmente en una sola colisión y, por tanto, emita toda su energía en forma de un único fotón.
• Tan sólo unos pocos fotones de energía igual a E inicial, el resto de cualquier valor de energía menor a E inicial. Espectro continuo de energías.

B) Rayos X característicos

• Electrón incidente golpea un electrón de una de las capas más profundas del átomo, arrancándolo de su posición y dejando una vacante en su capa.
• Esta vacante se ocupa de forma instantánea por otro electrón de una capa superior, emitiéndose rayos X característicos.
• Los rayos X tienen energías muy bien definidas entre esas dos capas concretas y dependen de la naturaleza del material sobre el que incidan las partículas cargadas.

1.5 Interacción de los rayos X con la materia: conceptos básicos

Interesante desde dos puntos de vista:

• Microscópico:
• Macroscópico:

A) Interacción fotoeléctrica

• Un electrón del átomo absorbe toda la energía del fotón, saliendo despedido y abandonado del átomo.
• Electrones más susceptibles de ello los situados en las capas más profundas del átomo.
• Probabilidad aumentada para:
  • Fotones de baja energía.
  • Materiales de número atómico elevado.
• Se puede afirmar que el efecto fotoeléctrico será importante con fotones de baja energía que inciden sobre átomos muy pesados.

B) Interacción Compton

• Fotón incidente reduce su energía, electrón adquiere energía cinética
• Resultado: un fotón dispersado de menor energía que el incidente y un electrón con una energía cinética igual a la diferencia entre el fotón incidente y el dispersado.
• Probabilidad aumentada para:
  • Al aumentar la energía de los fotones.
  • Materiales de número atómico bajo.

1.6 Atenuación de la radiación

• Cuando los fotones atraviesan la materia, interaccionan con ésta disminuyendo la intensidad de la radiación. Esta reducción se llama atenuación.
• Se le aplica una ley exponencial que requiere:
  • El haz de fotones ha de ser monoenergético.
  • El hazo de fotones de ser fino y muy colimado (trayectorias paralelas).
  • El espesor del material absorbente ha de ser delgado.
• Para haces monoenergéticos:
  • Espesor de semirreducción: espesor de material absorbente necesario para reducir la intensidad del haz incidente a la mitad.
  • Espesor decimorreductor: espesor de material absorbente necesario para reducir la intensidad del haz incidente diez veces.
• Para haces no monoenergéticos:
  • Capa hemirreductora (CHR): espesor necesario para reducir la intensidad del haz a la mitad.

1.7 Formación de la imagen radiológica

• Rango de energías del radiodiagnóstico: 25-100 keV.
• Efecto fotoeléctrico - Efecto Compton de manera combinada. Siempre uno prevalece sobre el otro.
• Fotones primarios: pasan a través del paciente sin interaccionar con él.
• Fotones dispersados: originados en los procesos de interacción Compton producidos en el paciente.
• Efecto fotoeléctrico, favorece calidad de imagen.
• Efecto Compton, favorece reducir dosis impartida.
• Menor energía proporciona imágenes de mejor calidad, ya que disminuye el efecto Compton. Por contra, los tejidos (diferentes coeficientes de atenuación) absorben mayor número de fotones.

Área 2. Características físicas de los equipos y haces de rayos X

• Producción de rayos X: interacción de electrones de alta energía con un material de Z alto. La energía cinética del electrón se convierte mayormente en calor (99%) y el resto en rayos X (1%), de los cuales la mayoría son debidos a la radiación de frenado y una pequeña parte a rayos X característicos.
• Cuanto mayor sea la diferencia de potencial mayor será la energía cinética de los electrones y, a su vez, mayor será la energía de los rayos X producidos.

2.1 Generador

• Proporciona las condiciones eléctricas necesarias para la producción de rayos X.
• Necesidades eléctricas de un equipo de rayos X:
  • Transformador de alta tensión: controla la velocidad y la energía de los electrones. Más kV = más energía en los rayos X (más penetración).
  • Transformador de baja tensión: controla cuántos electrones son lanzados. Más mA = más cantidad de rayos X (más intensidad).
  • Medir y cortar el tiempo de disparo seleccionado (selector de t).

2.2 El tubo de rayos X

A) Cátodo y filamento

• Filamento metálico de alto Z: wolframio, molibdeno o rodio. Conectada al polo negativo del generador.
• Punto de fusión elevado y baja evaporación.
• El calentamiento del filamento (por paso de corriente eléctrica) genera una pequeña nube de electrones, que se aceleran hacia el ánodo para impactar y generar rayos X.
• Selectores de parámetros:
  • Selector de mA. Mayor mA = mayor número de electrones = mayor número de fotones = mayor intensidad de la radiación.
  • Selector de kV. Mayor kV = mayor energía de los electrones = fotones de rayos X más energéticos = mayor capacidad de penetración.
• Tamaño de foco:
  • Foco fino: mejor calidad de imagen, necesario más tiempo de emisión de electrones, menor tasa de emisión de radiación. Frágil, mayores tiempos de exposición suponen mayor riesgo de movimiento del paciente (penumbra cinética).
  • Foco grueso: peor calidad de imagen, permite una emisión más rápida de electrones, mayor tasa de emisión de radiación. Robusto.

B) Ánodo

• Pastilla metálica de altoZ: wolframio, molibdeno o rodio. Conectada al polo positivo del generador.
• Denominada blanco.
• Debe refrigerarse entre disparos. Lo más habitual: ánodos rotatorios.

C) Ampolla de vidrio a alto vacío

• Vacío: objetivo de evitar que los electrones choquen contra las moléculas de gas en su camino entre cátodo y ánodo perdiendo energía, con lo cual no adquirirían la velocidad deseada.

D) Coraza y ventana

• Los rayos X emitidos por el foco salen por un orificio llamado ventana.
• El tubo está rodeado de un blindaje de plomo, denominado coraza, que sirve para absorber fotones primarios y secundarios que no salgan en la dirección adecuada a través de la ventana.
• El blindaje también proporciona protección frente a los altos voltajes requeridos para producir los rayos X. El aceite mineral de su interior impide cortocircuitos.

2.3 Dispositivos asociados

A) Filtración

• La filtración se refiere a la eliminación de radiación de baja energía que no es útil para la imagen y que pueden ser perjudiciales para el paciente.
• Tipos:
  • Inherente: se produce cuando los rayos X atraviesan el material del propio tubo (como el vidrio o el aceite de inmersión que lo rodea).
  • Añadida: se utilizan filtros adicionales (generalmente de metales como aluminio) que se colocan en el camino del haz de rayos X.
• Normativa:
  • Tensiones de 28 kVp: 0.3 mm de Al.
  • Tensiones de 50-70 kVp: 1.5 mm de Al.
  • Tensiones de >70 kVp: 2.5 mm de Al.

B) Limitadores de campo o colimadores

• Permiten ajustar el haz de radiación a la zona de interés de diagnóstico, reduciendo el volumen de tejido irradiado.
• Mejor calidad de imagen porque llega una menor cantidad de radiación dispersa.
• Dispositivos más habituales:
  • Colimador: dispositivo de apertura variable que mediante láminas de plomo define la geometría necesaria para la exploración.
  • Diafragma: dispositivo fijo con una geometría de apertura preestablecida.

C) Sistemas de posicionamiento

• Dispositivos que ayudan a colocar al paciente y el equipo de manera precisa para obtener imágenes de alta calidad y asegurar la correcta alineación entre el tubo de rayos X y el área a examinar.
• Más frecuente: lámpara que emite luz sobre un espejo inclinado que refleja la luz en la superficie del paciente.

D) Rejilla antidifusora

• Dispositivo que se coloca entre el paciente y el detector de imágenes para reducir la radiación dispersa (efecto Compton).
• Planchas de varios mm de espesor con láminas finas de Pb o W y entre ellas espesor ligero de Al.
• Funciona absorbiendo la radiación no deseada que se dispersa, lo que mejora el contraste y la calidad de la imagen al permitir que sólo los rayos X útiles lleguen al detector.
• Dispositivo complementario: bucky.

E) Control automático de exposición

• Corta automáticamente la exposición cuando la cantidad de radiación que llega al sistema de imagen es la necesaria.
• Pueden ser:
  • Mediante un conjunto de hasta tres cámaras de ionización.
  • Mediante sistemas digitales de panel plano.

F) Control automático de intensidad

• Regula la intensidad de la radiación para que al calidad de la imagen en el monitor sea la adecuada.
• Se basa en la medida de la intensidad luminosa de la imagen de forma continua, y en caso de detectar una variación en el brillo, ordena al generador modificar los parámetros radiológicos.
• Curvas preprogramadas en los equipos.

2.4 Características de la radiación producida por tubos de rayos X