FISICA DE LOS RAYOS XR1 Rafael Ramos

RADIOLOGÍAHospital Belén -Trujillo

MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE IMÁGENES DIAGNÓSTICAS

• Radiación Ionizante – Rayos X – Tomografía Computarizada – Medicina Nuclear - PET

• Ondas de Sonido – Ultrasonido – Doppler

• Campo Magnético y Ondas de Radiofrecuencia – Resonancia Magnética

LOS RAYOS X-PRINCIPIOS FÍSICOS • La denominación rayos X

designa a una radiación electromagnética invisible

• De la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma.

LOS RAYOS X-PRINCIPIOS FÍSICOS • La energía de los rayos X en general se encuentra entre la

radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente.

• Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).

Röntgen llamó a los rayos invisibles “rayos X” por su naturaleza desconocida.

Ana Bertha Roentgen

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

• Los rayos X se sitúan, en el rango mas energético del espectro electromagnético, con longitudes de onda (λ) menores de 10 nanómetros (nm)

10-9

Radiación Electromagnética

• La energía de un fotón es directamente proporcional a su frecuencia (υ) e inversamente proporcional a su longitud de onda (λ)

LONGITUD DE ONDA CORTA SIGNIFICA ALTA FRECUENCIA QUE EQUIVALE A FOTONES DE GRAN ENERGÍA

Fotón: partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es portadora de todas las formas de radiación electromagnética (ondas de radio hasta radiación gamma)

PROPIEDADES DE LOS RAYOS X

1. Poder de penetración 2. Atenuación 3. Efecto Fotográfico 4. Efecto Luminiscente 5. Efecto Biológico 6. Efecto Ionizante 7. Se atenúan con la distancia al tubo de Rayos X.

Fotón: partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es portadora de todas las formas de radiación electromagnética (ondas de radio hasta radiación gamma)

Propiedades de los rayos X1. Poder de penetración en

la materia. – Absorción, dispersión,

línea recta.

2. Interacción con la materia (atenuación)– Depende de 2 efectos

físicosa. Efecto fotoeléctrico: fotón-envoltura electrónica-absorbido. Bajas energías, es decir

a menos kilo electrón voltios (KeV) y aumenta con los números atómicos altos (p. ‑ ‑ej., calcio, yodo, metal).

b. Dispersión Compton: fotón- envoltura electrónica-cede energía y es desviado (radiación dispersa). Altas energías (a más KeV).

• Los Rayos X dan origen a una imagen latente, al actuar sobre una emulsión fotográfica que después de revelada y fijada produce una imagen visible que presenta un ennegrecimiento o densidad fotográfica que constituye la base de la imagen radiológica.

EFECTO FOTOGRÁFICO

Gracias a esto los rayos X invisibles pueden verse

EFECTO LUMINISCENTE

Son fenómenos consisten en que cada fotón que incide en determinados materiales provoca la emisión secundaria de

varios fotones de luz visible.

FLUORESCENCIA (fugaz)

Sustancias como sulfuro de zinc , wolframato de calcio,

platiniocianuro de bario, etc. Emiten LUZ al ser bombardeadas

por los rayos X

FOSFORESCENCIA (persistente)

Algunas de estas sustancias siguen emitiendo LUZ durante corto

tiempo después de haber cesado la radiación

• Pérdida de un electrón en el átomo que recibe los rayos X

• Esta propiedad es usada en radiología para medir la cantidad (exposición) y la calidad de la radiación ionizante.

• Unidad de exposición: Roentgen (R) : es la cantidad de radiación ionizante que produce ionización en un kg de aire

• RAD : es la unidad de dosis absorbida. La dosis absorbida es la cantidad de energía impartida a la materia por las partículas ionizantes por unidad de masa del material irradiado.

EFECTO IONIZANTE

• Los rayos X producen ionización, excitación de los átomos y cambios de las moléculas de las sustancias que atraviesan.

• Esta propiedad es usada en radiología para medir la cantidad (exposición) y la calidad de la radiación ionizante.

• Unidad de exposición: Roentgen (R) : es la cantidad de radiación ionizante que produce ionización en un kg d aire

• RAD : es la unidad de dosis absorbida. La dosis absorbida es la cantidad de energía impartida a la materia por las partículas ionizantes por unidad de masa del material irradiado.

EFECTO IONIZANTE

Producción: Generador y Tubo de Rayos X

• Generador de corriente de alto voltaje

• Cátodo (filamento) y ánodo metálico (de tungsteno o molibdeno)

Tungsteno

Cobre y Tungsteno

Funcionamiento del tubo de rayos X

• Emisión de electrones por el cátodo. A mayor miliamperaje (p.e. 200mA), más electrones se emiten.

• Aceleración de los electrones hacia el ánodo. Entre el cátodo y el foco del ánodo se establece una elevada diferencia de potencial (p. ej., 80 KeV o kilovoltios), producida por el generador de alta tensión.

Funcionamiento del tubo de rayos X

• Emisión de rayos X por el ánodo. al chocar los electrones con el ánodo metálico, se desaceleran bruscamente; este mecanismo de frenado produce rayos X.

• Disipación del calor generado. Poco eficiente. gran mayoría se traduce en calor que debe ser disipado. Existen distintos métodos para refrigerar el tubo de rayos X

• Colimación del haz de rayos X: se obtiene un haz cónico de rayos X

Producción de Rayos X

• Los rayos X se forman por acción de energía radiante al calentarse un filamento (cátodo) alrededor del cual se van a producir electrones que al aplicar una corriente de alto voltaje van a desplazarse (aproximadamente a la mitad de la velocidad de la luz1) a una superficie de tungsteno para chocar bruscamente y ser desviados.

• Los electrones desviados constituyen los rayos X.

(1) Chest X-Ray Interpretation (2012). © 2012 JP Medical Ltd. Email: info@jpmedpub.com Web: www.jpmedpub.com

Producción de Rayos X• Esta reacción se produce en un tubo al

vacío. El filamento es de tungsteno y es el que se calienta. Los electrones son frenados en un disco giratorio cortado a bisel.

• Al impactar con el ánodo, la energía cinética de los electrones se convierte en rayos X ( 1 %) y calor (99 %) 1.

• Entre más se calienta el filamento más electrones se producen y mientras más electricidad se aplique (kilovoltios) más aumentará la velocidad de emisión de electrones (más poder de penetración).

(1) Chest X-Ray Interpretation (2012). © 2012 JP Medical Ltd. Email: info@jpmedpub.com Web: www.jpmedpub.com

Sistemas de detección de los rayos Xen radiografía tradicional

• Las placas radiográficas– Película recubierta por una emulsión de sales de

plata, por una o ambas caras. Los fotones de rayos X incidentes en la película son capaces convertir químicamente las sales de plata en plata metálica.

– Tras el revelado y el fijado permanece la plata metálica, y se obtiene así una imagen analógica en gama de grises (negativo).

• Las pantallas fluorescentes– Se utilizan desde hace muchos años para

radioscopia. – Convierten los fotones de rayos X en fotones de luz

visible. – Dada su débil señal y para reducir la dosis de

radiación al paciente, se emplean intensificadores electrónicos de imagen que multiplican los fotones de luz de la pantalla fluorescente, antes de presentarlos en una pantalla de rayos catódicos

• Los rayos X transmitidos a través del paciente bombardean una película recubierta de partículas fluorescentes en el interior del chasis, ocasionando una interacción fotoquímica que emite rayos lumínicos y que es capaz de exponer la película fotográfica en el interior del chasis

• Para la radiografía digital se sustituye el chasis por una pantalla de fósforo o un detector electrónico fijo. La placa de fósforo se sitúa en el interior de un sistema de lectura que rastrea la placa con un láser de helio-neón, emitiendo una luz que es capturada por un tubo fotomultiplicador y procesada en forma de imagen digital. La imagen digital se transfiere a un sistema computarizado de archivo y comunicación de la imagen (PACS: picture archivíng and communication system)

Formación de la imagen• El haz que emerge es

dirigido sobre una placa de fósforo fotoinducida, o un detector de panel plano .

• Estos métodos de captura de imágenes han sustituido a las películas fotográficas y permiten una rápida producción de imágenes digitales.

(1) Chest X-Ray Interpretation (2012). © 2012 JP Medical Ltd. Email: info@jpmedpub.com Web: www.jpmedpub.com

Bases de interpretaciónde la imagen radiológica

• En la imagen radiológica (sin medios de contraste) se pueden distinguir estructuras anatómicas del organismo humano debido a que existen cinco densidades radiológicas diferentes. De menor a mayor densidad (atenuación) son: aire, grasa, agua, calcio y metal

Atenuación de los Rayos X• Los materiales con una alta

densidad de electrones , como el hueso , atenúan el haz en un grado mayor que el tejido blando, agua o aire1.

(1) Clinical Radiology Made Ridiculously Simple (MedMaster Series 2003 Edition)

Signo de la silueta

“En la imagen radiológica se observa

un borde de separación entre dos estructuras

anatómicas adyacentes, siempre que sus densidades sean

diferentes”.

Sistemática en la evaluación de una imagen radiológica

• Resolución en contraste– Para explorar áreas de tejidos

donde interesa el máximo contraste. Se utilizan bajos kilovoltajes, como en la mamografía (40 KeV) o en radiología ósea o abdominal (60 KeV).

– Para áreas anatómicas con alto contraste intrínseco natural. Se utilizan elevados kilovoltajes, como en el tórax (120 KeV).

Sistemática en la evaluación de una imagen radiológica

• Resolución espacial– La resolución espacial se mide en capacidad de resolver n

líneas por milímetro– Se pretende obtener la mayor resolución espacial, para poder

resolver estructuras lo mas pequeñas posibles.– Para aumentar la resolución espacial se emplean diferentes

estrategias, desde el tubo de rayos X hasta la placa radiográfica: • Tubos con foco lo mas puntual posible.• Películas radiográficas de grano fino o paneles planos con tamaño

pequeño de pixel. • Técnicas de ampliación por proyección.

Sistemática en la evaluación de una imagen radiológica

• Relación señal / ruido– La señal de un tejido u órgano homogéneo se

representa en la imagen con una atenuación en cierto modo heterogénea: los valores de gris presentan una distribución gaussiana o en Poisson, alrededor de un valor medio que representa la atenuación de dicho órgano.

– Las desviaciones hacia mayor o menor densidad respecto a la media constituyen el ruido en la imagen.

Sistemática en la evaluación de una imagen radiológica

• Seguimiento de un método determinado• Aplicación del conocimiento de la anatomía

radiológica• Conocimiento de los procesos que causan la

formación de la imagen y que son la base de la semiología radiológica– Las cinco densidades radiológicas y el signo de la silueta– Los efectos de la energía del haz de radiación sobre el

contraste de la imagen

Sistemática en la evaluación de una imagen radiológica

• La geometría del estudio radiológico. Así, una menor distancia tubo placa se traducirá en ‑una mayor Magnificación de la imagen en general.

• Los efectos de la posición del paciente sobre el aspecto de la anatomía y de la patología radiológica. En bipedestación el aire de las visceras asciende.

MÉTODOS DE IMAGEN QUE USAN LOS RAYOS X

• Fluoroscopía:– Método de obtención de imágenes de rayos X en tiempo

real, lo que es especialmente útil para guiar una gran variedad de exámenes diagnósticos e intervenciones.

• Mamografía:– Imagen por rayos X de la glándula mamaria mediante el

mamógrafo que dispone de tubos de emisión de rayos X especialmente adaptados para conseguir la mayor resolución posible en la visualización de las estructuras fibroepiteliales internas de la glándula mamaria.