UNIDAD I

UNIDAD I

BASES FSICAS DE RADIODIAGNSTICO.

1. Radiaciones IonizantesRESEA HISTORIA

Iniciaremos esta sesin conociendo los hechos histricos ms importantes relacionados con las radiaciones ionizantes:

Se puede decir que las bases de la fsica moderna las establece Isaac Newton (1643- 1727), quien enunci los principios de la mecnica, formul las leyes de la gravitacin universal, separ la luz en sus colores constituyentes, propuso una teora de propagacin de la luz y desarrollo el clculo diferencial y el clculo integral. Entre 1803 y 1808 John Dalton desarrolla la teora atmica y en 1808 en su libro Un nuevo sistema de filosofa qumica dio a conocer el peso atmico de algunos elementos en relacin al peso del hidrgeno, lo que dio origen al Sistema Peridico. Aos ms tarde, en la dcada de 1860, James Clerk Maxwell, desarrolla el electromagnetismo, deduce la existencia de ondas electromagnticas y le asigna esta propiedad a la luz. Sobre estos conocimientos, conjuntamente con la termodinmica, caracterizada por Robert Boyle (1627 1691)y Joseph Gay-Lussac (1778 1858); y la teora cintica de los gases, desarrollada por Ludwig Boltzmann (1874-1906), se llega a fines del siglo XIX, cuando se producen una serie de descubrimientos en el campo de la fsica y la ciencia en general, que cambiarn la percepcin del universo, lo que se ha llamado la revolucin cientfica de finales del siglo XIX, la que en menos de 15 aos llevaron a la nueva fsica del siglo XX. Haremos un breve recorrido por los descubrimientos relacionados con las radiaciones ionizantes, que sin duda ser incompleto, pero que nos dar una idea del desarrollo de esta parte de la ciencia que nos ocupa.

Wilhelm Conrad Rentgen el 8 de Noviembre de 1895 descubre los rayos X. Mientras se encontraba trabajando con tubos que producen rayos catdicos, descubri unos rayos diferentes que no son idnticos a los rayos catdicos, aunque son generados por stos en la pared de cristal del aparato de descarga. Por su descubrimiento recibe en 1901 el premio Nobel de fsica. Los primeros tubos de productores de rayos X (electrones de alta velocidad), fueron producidos por Sir William Crookes, y perfeccionados posteriormente por William Coolidge en 1913.

En 1896, tan solo un ao ms tarde que el descubrimiento de Rentgen, el cientfico francs Antoine Henri Beckerel (hijo de Alexadre Becquerel, quien estudi la fosforescencia, y nieto de Antoine Becquerel, fundador de la electroqumica), descubri accidentalmente los rayos urnicos, como una especie de fosforescencia invisible de larga duracin procedente del Uranio.

Becquerel reconoce esta fosforescencia como una propiedad atmica, que ms tarde se llamo radiactividad natural.

En 1897 Joseph John Thomson descubre el electrn al medir la velocidad de los rayos catdicos e identific a sus componentes como corpsculos newtonianos .

En 1898 Marja Sklodowska (Madame Curie) y su marido Pierre Curie descubren la radiactividad del Polonio y del Radio, trabajando con dos minerales complejos del Uranio (Pechblenda y Chalcolita). En 1903 ambos reciben el premio Novel de fsica, junto a Henri Becquerel.

En 1899 Ernest Rutherford describi los rayos alfa y beta, fundado en las diferencias de penetracin de las radiaciones del Uranio a travs de hojas metlicas. Los trabajos de Giesel, Becquerel y los Curie identificaron a los rayos beta como electrones. Rutherford, William Ramsay y Frederik Soddy comunicaron en 1904 que los rayos alfa son ncleos de Helio.

En 1900, Paul Villard descubri un tercer tipo de radiacin, a la que llamo gamma, mucho ms penetrante que la beta.

Tambin en 1900, el fsico alemn Max Planck, formula la teora cuntica, que postula que la energa es irradiada en pequeas unidades discretas, llamadas quanta o cuantos. Desarroll el concepto de una constante universal que regula este fenmeno. Esta fue la base de la mecnica cuntica. Recibi el premio Nobel de fsica en 1918.

El mundo cuntico descubierto por Planck en el ao 1900, junto con la teora de la relatividad, formulada por Einstein un poco mas tarde (1905), gener la mayor revolucin de los fundamentos de la Fsica desde los tiempos de Newton. En 1902, Rutherford y Soddy establecieron la Ley del decaimiento radiactivo, mediante las tablas Recovery and decay curves, inicialmente confeccionadas con Torio. En 1899, Julius Elster y Hans Geitel, haban anunciado que el tomo de un elemento radiactivo pasa de una estructura inestable a una estable con la emisin de energa, para lo cual es necesario admitir una transformacin sucesiva de la sustancia activa en la inactiva, sufriendo la primera, una modificacin de sus propiedades elementales.

En 1908, Rutherford formul una teora de la estructura atmica, conformada por un ncleo denso y rbitas perifricas de electrones (modelo Atmico de Rutherford). En 1909 Geiger y Mardsen descubren que algunos rayos alfa son desviados en ngulos superiores a los 90 grados, deduciendo un nuevo modelo atmico, con un ncleo masivo y cargado positivamente y una nube de electrones extranucleares.

En 1910, Frederic Soddy bautiz como istopos a los elementos con idnticas caractersticas qumicas, pero con pesos atmicos distintos. Recibi el premio Nobel de Qumica en 1921.

En 1911 Marie Curie aisl el Radio puro, recibiendo por segunda vez el premio Nobel ,esta vez de Qumica. Muri a consecuencia de una anemia perniciosa por la irradiacin recibida durante sus investigaciones, el 4 de julio de 1934.

En 1913, Rutherford establece la identidad del nmero atmico con el nmero de cargas positivas del ncleo. En 1920 bautizo a las cargas positivas del ncleo como protones, cuya masa es 1840 veces mayor que la del electrn. Para compensar la carga positiva del ncleo, estableci la presencia de electrones nucleares, mas tarde el descubrimiento del neutrn oblig a modificar el modelo de Rutherford.

En 1913, el dinamarqus Niels Bohr introdujo el concepto de cuanto elemental de Planck en el mtodo atmico de Rutherford. En l, establece que los electrones slo pueden recorrer determinadas rbitas alrededor del ncleo atmico, cada rbita corresponde a un determinado nivel energtico, Cada rbita est caracterizada por un nmero cuntico (rbita K un cuanto, rbita L dos cuantos, etc.) y por ellas circula un nmero determinado de electrones. Obtuvo el premio Nobel de fsica en 1922. Contribuyeron al modelo de Bohr, Somerfeld, quien establece que el electrn sigue una rbita elptica ms que circular y ms tarde los holandeses Uhlenbeck y Goudsmit, que atribuyen al electrn su movimiento rotatorio o spin.

En 1921 Albert Einstein recibe el premio Nobel de fsica por sus estudios sobre el efecto fotoelctrico externo, que conjuntamente con la teora de la relatividad formulada en 1905 en trminos restringidos y en 1915 en trminos generales, fueron fundamentales para explicar las conversiones de materia en energa que ocurren en las reacciones nucleares.

En 1923 el hngaro George Von Hevesy usa por primera vez trazadores radiactivos en biologa (Plomo 212 para evaluar la captacin de iones de Plomo por vegetales de la familia vicia faba) y en 1924 trabaja con Bismuto 210 en conejos. Con esto inaugur el principio de trazadores y su aplicacin en qumica y en biologa. En 1934, junto a Hoferusa usa por primera vez en medicina, deuterio estable para estudiar la tasa de eliminacin de agua del cuerpo humano. En 1935, junto a Chievitz, publica la primera experiencia mundial con un radioistopo artificial, utilizando fsforo 32 para evaluar el metabolismo del fsforo en ratas. Recibi el premio Nobel de Qumica en 1943. A Von Hevesy se le considera el padre de la Medicina Nuclear.

En 1924, Arthur Holly Compton explic el aparente aumento de la longitud de onda de los rayos dispersados por electrones de tomos livianos (efecto Compton), demostrando de paso que la luz se comporta como partculas o cuantos portadores de energa. Recibi el premio Nobel de fsica en 1927.

En 1926 Gilbert Newton Lewis introduce el trmino fotn para definir los haces energticos sin masa.

En 1930 el francs Paul Dirac postul la existencia del electrn con carga positiva o anti-electrn, lo que fue confirmado dos aos ms tarde por Charle Anderson en California, quien lo bautizo como positrn. Dirac obtuvo el premio Nobel de fsica en 1933.

En 1932 Douglas Cockcroft logra la primera desintegracin nuclear completamente artificial en Cambridge.

En 1933 Irene Curie (hija de Marie y Pierre) y su esposo Frderic Joliot comunican la creacin de radioactividad artificial, al bombardear Aluminio con partculas alfa y obtencin de Fsforo radioactivo y un neutrn. Ambos contribuyeron adems al descubrimiento del Neutrn: Recibieron el premio Nobel de Qumica en 1935 (Irene muri en 1956 de leucemia).

En ese mismo ao (1933) Enrico Fermi construye el primer reactor nuclear. Recibi el premio Nobel de fsica en 1935 por su trabajo en las reacciones nucleares producidas por neutrones lentos. El 2 de diciembre de 1942, Fermi obtiene por primera vez la reaccin en cadena en la Universidad de Chicago.

En 1935 James Chadwick recibe el premio Nobel de fsica por el descubrimiento del neutrn.

En 1936 Carl Anderson recibe el premio Nobel fsica por el descubrimiento del positrn.

En 1937 Emilio Segr, sintetiza el Tecnecio, primer elemento producido artificialmente por el hombre, bombardeando Molibdeno con deuterones. El Tecnecio 99 es el radionclido fundamental en el auge de la Medicina Nuclear actual. Recibi el premio Nobel de fsica en 1959

En 1946 Herman Mller recibe el premio Nobel de Medicina por el descubrimiento de las mutaciones biolgicas inducidas por rayos X.

En 1947, Hartmut Kallman desarrolla el contador de centelleo, basado en las propiedades de las partculas ionizadas de producir un centelleo luminoso al atravesar ciertos cristales orgnicos y liquidos.

En 1952 Edward Purcell recibe el premio Nobel de fsica por la determinacin de los momentos magnticos de los ncleos atmicos, base de la Resonancia Nuclear Magntica.

En 1956 Hal Anger construye la gama- cmara, equipo de imgenes fundamental en el desarrollo de la Medicina Nuclear y cuyos principios an se mantienen vigentes.

En 1963 De Huhl y Edwards desarrollan la tcnica de tomografa por emisin de protones, SPECT, base fundamental para la obtencin de imgenes tridimensionales en Medicina Nuclear.

En1975 Ter-Pogossian desarrolla la tomografa por emisin de positrones, PET.

En 1979 reciben el premio Nobel de Medicina el sudafricano Alan Mac Lead Cormack y el ingls Godfrey Newsbold Hounsfield por el desarrollo de la tomografa axial computada, iniciado en 1972.

En este breve resumen, que siempre resultar incompleto, aveces intencionalmente (desarrollo de armas nucleares), nos damos cuenta cuan rpido, en un siglo de historia, se produjeron los cambios en el conocimiento y la ciencia, que nos permiten tener, por un lado, una visin diferente de nuestro mundo, y por otro, una herramienta fundamental en el desarrollo humano, como son las radiaciones ionizante.

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RADIACIONES IONIZANTESYa que el objetivo del presente curso es poder obtener imgenes radiolgicas adecuadas, los principios fsicos no sern tratados con criterios matemticos o tericos puros, que sin duda son muy interesantes, pero que sern tratados en otros cursos con mayor propiedad, de tal modo que el alumno no encontrar en ste, la explicacin matemtica final de los fenmenos mencionados, sino mas bien una explicacin orientada al uso de los Rayos X en radiologa clnica.

Las Radiaciones Ionizantes pueden ser de naturaleza Corpuscular (contienen masa), o Electromagntica (no contienen masa, solo energa).

Radiaciones corpusculares, son partculas atmicas o subatmicas aceleradas; pueden ser cargadas positivamente como las partculas alfa (ncleos de helio), protones, deuterones, tritones, positrones y otros; cargadas negativamente como los electrones o sin carga como los neutrones. En todo este tipo de radiaciones su energa se basa en sus respectivas masas y en la velocidad de su movimiento (energa cintica); a mayor velocidad o masa, mayor energa.

Radiaciones electromagnticas, actan como perturbaciones que surgen asociadas con cargas elctricas vibrantes. Las cargas elctricas estacionarias producen campos elctricos, las cargas elctricas en movimiento producen campos elctricos y magnticos. Los cambios cclicos en estos campos producen radiaciones electromagnticas, de esta manera la radiacin electromagntica consiste en una oscilacin perpendicular de un campo elctrico y magntico. La radiacin electromagntica transporta energa de un punto a otro, esta radiacin se mueve a la velocidad de la luz (siendo la luz un tipo de radiacin electromagntica). Es la forma en que una cantidad de energa puede trasladarse en el espacio y lo hace como ondas con todas sus caractersticas. Como tales, las radiaciones electromagnticas se pueden definir a travs de su longitud de onda () y su frecuencia ().

Ya que todas las ondas electromagnticas viajan a la misma velocidad (Treinta mil millones de centmetros por segundo, que es la velocidad de la luz, = C), para una onda electromagntica dada, estar definida por la relacin entre su longitud de onda y su frecuencia a travs de la formula:

Esto, a grandes rasgos, es lo que se ha llamado la teora ondulatoria de las radiaciones electromagnticas, sin embargo, este concepto no puede explicar algunos aspectos del comportamiento de stas, por lo que se ha propuesto la teora corpuscular o cuntica, segn sta, las radiaciones electromagnticas son pequeos paquetes de energa llamados fotones o quantas. De tal modo, algunos fenmenos pueden explicarse solo si consideramos a las radiaciones electromagnticas como constituidos por ondas continuas, mientras que otros fenmenos son difciles de explicar a menos que consideremos a stas como constituidas por pequeos haces o paquetes conocidos como fotones. Combinando ambas ideas, podemos suponer que las radiaciones electromagnticas estn constituidas por pequeos haces o paquetes de ondas conocidas como fotones o quantas. La energa (E) de cada haz est dada por la ecuacin E = h , donde h es una cantidad fija conocida como constante de Planck y es igual a 6,625 x 10ergios-segundos.

Desarrollo histrico.

El fsico britnico James Clerk Maxwell estableci la teora de las ondas electromagnticas en una serie de artculos publicados en la dcada de 1860. En ellas Maxwell analiz matemticamente la teora de los campos electromagnticos y afirm que la luz visible era una onda electromagntica.

Los fsicos saban desde principios del siglo XIX que la luz se propaga como una onda transversal (una onda en que las vibraciones son perpendiculares a la direccin de avance del frente de las ondas). Sin embargo, suponan que las ondas de luz requeran algn medio material para transmitirse, por lo que postulaban la existencia de una sustancia difusa llamada ter, que constitua el medio no observable. La teora de Maxwell haca innecesaria esa suposicin, pero el concepto de ter no se abandon inmediatamente, porque encajaba con el concepto newtoniano de un marco absoluto de referencia espacio-temporal. Solo a finales del siglo XIX los fsicos estadounidenses Michelson y Morley pudieron desvirtuar el concepto de ter, lo que fue tambin importante en el desarrollo de la teora de la relatividad. Estos fsicos concluyeron que la velocidad de la radiacin electromagntica en el vaco es una cantidad invariante, que no depende de la velocidad de la fuente de radiacin ni del observador.

No obstante, a principios del siglo XX, los fsicos se dieron cuenta de que la teora ondulatoria no explicaba todas las propiedades de la radiacin. En 1900 el fsico alemn Max Planck demostr que la emisin y absorcin de la radiacin se produce en unidades finitas de energa denominadas quantas. En 1904, Albert Einstein consigui explicar algunos resultados experimentales sorprendentes en relacin con el efecto fotoelctrico externo, postulando que la radiacin electromagntica puede comportarse como un chorro de partculas. Hay otros fenmenos de la interaccin entre radiacin y materia, que solo la teora cuntica explica. As, los fsicos modernos se vieron obligados a reconocer que la radiacin electromagntica se comporta unas veces como partculas y otras como ondas. El concepto paralelo que implica que la materia tambin puede presentar caractersticas ondulatorias adems de corpusculares fue desarrollado en 1925 por el fsico francs Luis de Broglie.

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

Los Rayos X, la luz, las ondas de radio y otras, son radiaciones de la misma naturaleza (electromagntica), que se diferencian solo en su energa (longitud de onda). Todas ellas se han clasificado en un orden conveniente que se ha denominado Espectro electromagntico.

Las ondas electromagnticas cubren una amplia gama de frecuencias y de longitudes de ondas, y pueden clasificarse segn su principal fuente de produccin. La clasificacin no tiene lmites precisos.

PRIVATERegin del espectroIntervalo de frecuencias (Hz)

Radio-microondas0-3.01012

Infrarrojo3.01012-4.61014

Luz visible4.61014-7.51014

Ultravioleta7.51014-6.01016

Rayos X6.01016-1.01020

Radiacin gamma1.01020-.

Fuente: Leonberger. Revealing the small range of radio-microwave frequencies. Phys. Educ. Vol. 37, September 2002, pp. 425-427

Las caractersticas de las distintas regiones del espectro son las siguientes

Las ondas de radiofrecuencia

Sus frecuencias van de 0 a 109 Hz, se usan en los sistemas de radio y televisin y se generan mediante circuitos oscilantes.

Las ondas de radiofrecuencia y las microondas son especialmente tiles por que en esta pequea regin del espectro las seales producidas pueden penetrar las nubes, la niebla y vidrios. Estas son las frecuencias que se usan para las comunicaciones va satlite y entre telfonos mviles. Organizaciones internacionales y los gobiernos elaboran normas para decidir que intervalos de frecuencias se usan para distintas actividades: entretenimiento, servicios pblicos, defensa, etc.

Las microondas

se usan en el radar y otros sistemas de comunicacin, as como en el anlisis de detalles muy finos de la estructura atmica y molecular. Se generan mediante dispositivos electrnicos.

La radiacin infrarroja

Se subdivide en tres regiones, infrarrojo lejano, medio y cercano. Los cuerpos calientes producen radiacin infrarroja y tienen muchas aplicaciones en la industria, medicina, astronoma, etc.

La luz visible

Es una regin muy estrecha pero la ms importante, ya que nuestra retina es sensible a las radiaciones de estas frecuencias. A su vez, se subdivide en seis intervalos que definen los colores bsicos (rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta).

Radiacin ultravioleta

Los tomos y molculas sometidos a descargas elctricas producen este tipo de radiacin. No debemos de olvidar que la radiacin ultravioleta es uno de los componente principal de la radiacin solar.

La energa de los fotones de la radiacin ultravioleta es del orden de la energa de activacin de muchas reacciones qumicas lo que explica muchos de sus efectos.

El oxgeno se disocia en la ozonosfera por la accin de la radiacin ultravioleta. Una molcula de oxgeno absorbe radiacin de longitudes de onda en el intervalo entre 1600 y 2400 (o fotones de energa comprendida entre 7.8 eV y 5.2 eV) y se disocia en dos tomos de oxgeno.

O2+fotnO+O

El oxgeno atmico producido se combina con el oxgeno molecular para formar ozono, O3, que a su vez se disocia fotoqumicamente por absorcin de la radiacin ultravioleta de longitud de onda comprendida entre 2400 y 3600 (o fotones de energa entre 5.2 eV y 3.4 eV).

O3+fotnO+O2Estas dos reacciones absorben prcticamente toda radiacin ultravioleta que viene del Sol por lo que solamente llega una pequea fraccin a la superficie de la Tierra. Si desapareciese la capa de ozono, la radiacin ultravioleta destruira muchos organismos a causa de las reacciones fotoqumicas.

La radiacin ultravioleta y rayos X producidos por el Sol interacta con los tomos y molculas presentes en la alta atmsfera produciendo gran cantidad de iones y electrones libres (alrededor de 1011 por m3). La regin de la atmsfera situada a unos 80 km. de altura se denomina por este motivo ionosfera.

Algunas de las reacciones que ocurren ms frecuentemente son:

NO+fotnNO++e (5.3 eV)

N2+fotnN2++e (7.4 eV)

O2+fotnO2++e (5.1 eV)

He+fotnHe++e (24.6 eV)

Entre parntesis se indica la energa de ionizacin. Como resultado de esta ionizacin tienen lugar muchas reacciones secundarias.

Rayos X

Si se aceleran electrones y luego, se hacen chocar con una placa metlica, la radiacin de frenado produce rayos X. Los rayos X se han utilizado en medicina desde el mismo momento en que los descubri Rentgen, debido a que los huesos absorben mucho ms radiacin que los tejidos blandos. Por la gran energa de los fotones de los rayos X son peligrosos para los organismos vivos.

Rayos gamma

Se producen en los procesos nucleares, por ejemplo, cuando se desintegran las sustancias radioactivas. Es tambin un componente de la radiacin csmica y tienen especial inters en astrofsica. La enorme energa de los fotones gamma los hace especialmente tiles para destruir clulas cancerosas. Pero son tambin peligrosos para los tejidos sanos por lo que la manipulacin de rayos gamma requiere de un buen blindaje de proteccin.

TUBO DE RAYOS X

El tubo de rayos X es la parte principal de un aparato de rayos X, y es bsicamente un mecanismo ideado para acelerar y frenar bruscamente electrones con el fin de producir rayos X. Adems del tubo, un aparato de rayos X, independiente de su diseo, debe tener los siguientes componentes principales: colimadores, consola de control (operador) y seccin de alta tensin o generador, cuya funcin es proporcionar una intensidad suficiente y controlada del flujo de electrones para producir un haz de raros X de la calidad y cantidad deseadas.. Nos referiremos especialmente al tubo de rayos X.

Mecanismo de produccin de rayos X

Un tubo generador de rayos X consiste esencialmente en un recinto en el que se ha hecho el vaco, conteniendo un filamento metlico incandescente emisor de electrones al que se llama ctodo, y un electrodo metlico contra el que chocan aquellos, al que se llama nodo o antictodo, en donde se generan los rayos X. Debe aplicarse al tubo, entre el ctodo y el nodo, una fuente de alta tensin para acelerar los electrones en su recorrido entre ambos electrodos. Variando la corriente del tubo, miliamperaje, cambia la temperatura del filamento y se modifica la cantidad de electrones emitidos. Variando la tensin aplicada entre el nodo y el ctodo, kilovoltaje, se modifica la velocidad de los electrones (energa), obtenindose radiacin ms o menos penetrante.

Veamos un tubo de rayos X en cada una de sus partes principales:

Carcasa protectoraEl tubo de rayos X debe estar montado en una carcasa protectora, construida de un material resistente, y opaco a las radiaciones que en l se generarn, y diseada para controlar los serios peligros que afectaron a la radiologa en sus comienzos (exposicin excesiva a la radiacin y descargas elctricas). Proporciona tambin un soporte mecnico, y lo protege frente al posible dao producido por manipulacin descuidada. Los rayos X producidos por el tubo son emitidos con la misma intensidad en diferentes direcciones, los rayos tiles son los que se dirigen hacia la ventana de la carcasa, que se contina con los colimadores. Los rayos X restantes deben ser absorbidos por la carcasa. Los rayos que consiguen escapar de la carcasa, constituyen la radiacin de fuga, la que no solo no contribuye a la imagen deseada, sino que adems produce una exposicin innecesaria al paciente y al operador. La carcasa protectora en algunos tubos de rayos X contiene aceite (entre la carcasa y el tubo) que acta como aislante trmico y elctrico.

Envoltura de vidrio

Consiste de una ampolla de vidrio al vaco del orden de 10mm Hg, en que se encuentra las partes principales del tubo. Esta envoltura debe ser fabricada de un vidrio que pueda soportar las elevadas temperaturas generadas en su funcionamiento, manteniendo el vaco, lo cual hace posible una produccin ms eficaz de rayos X y prolonga la vida til del tubo. Tambin posee una ventana que permite el paso ms expedito de los rayos X tiles.

Ctodo

Corresponde a la parte negativa del tubo de rayos X y tiene dos partes principales, el filamento y la copa de enfoque o cpula enfocadora. La longitud y el dimetro del filamento en espiral, la forma y el tamao de la cpula de enfoque, as como sus posiciones relativas, son factores que modifican la forma y el tamao del blanco donde los electrones impactan con el nodo. La corriente elctrica que se aplica a este filamento se mide en miliamperios y es la responsable de la cantidad de rayos X que emite el tubo.

El flujo de electrones presenta una intensidad i, que depende de la temperatura que alcanza el filamento, y puede ser expresada mediante la ecuacin:

i = A T

EMBED Equation.3 Donde T es la temperatura del ctodo, y A y B dos constantes que dependen de las caractersticas del material del filamento, en el caso de un filamento de Wolframio estas constantes valen: A = 1,8 x 10 y B = 5,8 x 10

EMBED Equation.3 Filamento. Es un alambre de un material adecuado de -/+ 0,2 mm de seccin (generalmente de Tungsteno Trico) enrollado en forma de espiral de 1 a 1,5 mm de dimetro y de 10 a 15 mm de longitud y ubicado generalmente a 2,5 cm del ctodo. Los extremos del filamento se extienden fuera del tubo donde se hacen las conexiones elctricas. Se usa Tungsteno debido a que proporciona una emisin termoinica comparativamente mayor que otros metales, su punto de fusin alto (3.410 C) impide que se funda a las temperaturas de uso, alto punto de evaporacin, lo que impide que se forme vapor, del metal, dentro del tubo, que causara efectos no deseados. La adicin al Tungsteno de un uno a dos por ciento de Torio, incrementa la eficacia en la emisin de electrones. Puesto que el objetivo de la produccin de los rayos X para diagnstico es la obtencin de imgenes, es deseable que el foco emisor sea lo mas pequeo posible. La mayora de los tubos usados para diagnstico tienen dos filamentos de diferente tamao, para usarlos buscando un compromiso entre el tamao mnimo de foco (mejor imagen) y un mayor rendimiento (tiempo de disparo menor). La eleccin del foco (filamento) mayor (grueso) o menor (fino) depender de las condiciones en que se quiere obtener la imagen. El foco efectivo es el rea del blanco en el cual chocan los electrones que provienen del filamento incandescente. El tamao del filamento en espiral, as como el tamao y la forma de la cpula enfocadora del ctodo en la cual se aloja el filamento, son factores que influyen en la forma y tamao del foco, por lo que, cuanto menor sean las dimensiones fsicas del haz de electrones, menor ser el rea del blanco donde chocan (foco real). Se consideran foco finos aquellos de longitudes que van desde 0,3 a 0,6 mm, y grueso aquellos que van desde 1 a 2 mm. Los tubos convencionales poseen generalmente dos puntos focales nominales de tamaos 0,6 y 1,2 mm o bien de 0,5 y 1 mm. Algunos tubos especiales, como los que se usan en ampliaciones radiogrficas tienen puntos focales de 0,3 y 1 mm., o los tubos empleados en mamografa, tienen puntos focales de 0,1 a 0,4 mm, estos dispositivos reciben el nombre de microfocos, y estn diseados especialmente para obtener imgenes de estructuras muy pequeas, como son las microcalcificaciones. En general, el punto focal menor (fino) se utiliza para las radiografa de gran detalle, en la que tiene menor importancia la cantidad de radiacin, y en las ampliaciones radiogrficas.

Copa de enfoque.

La copa de enfoque es un refuerzo metlico del filamento que concentra el haz de electrones en un rea pequea del nodo. Para obtener un buen haz de rayos X, no basta con que lleguen muchos electrones al blanco (mAs), sino que adems es necesario que lleguen muy concentrados en un rea. Para obtener esta pequea zona de impacto en el blanco se debe enfocar el haz de electrones que sale del filamento, esto se hace encapsulando el filamento en una pieza metlica (zcalo) conocida como copa de enfoque. Este zcalo debe estar a un potencial elctrico conveniente, tal que le permita concentrar los electrones. La efectividad de la copa de enfoque depende de: La corriente del filamento que regula la cantidad de electrones disponibles.

El tamao del foco o filamento

nodo.

El nodo o electrodo positivo est generalmente formado por una pieza de cobre que se extiende desde uno de los extremos del tubo hasta el centro. En la cara anterior del nodo, que queda en el centro del tubo, hay una placa de Tungsteno de 10 a 15 mm de lado y de 3 mm de espesor, aproximadamente, que se denomina blanco. Esta es la parte donde inciden los electrones acelerados y donde se originan los rayos X, dispersndose en diferentes direcciones. El blanco es de Tungsteno debido a que tiene un punto de fusin muy alto (3.400 C) que le permite resistir el calor extraordinario al que se le somete., y a su nmero atmico alto (74), lo cual hace que produzca rayos X mucho mas eficazmente que un material de menor nmero atmico. La pequea zona del blanco donde chocan los electrones se llama foco o fuente.

El impacto de los electrones en el blanco genera rayos X y calor. Solo un 1 % de la energa resultante del impacto es emitida desde el foco en forma de rayos X. La mayor parte de la energa se disipa en forma de calor. Este calor debe eliminarse del foco en la forma ms eficaz posible, para evitar que se funda el metal y dae el tubo cuando se requieren disparos de larga duracin o secuenciales. Los fabricantes de tubos emplean varios mtodos para enfriar el foco. El ms sencillo es colocar en la parte posterior del blanco un metal que sea buen conductor del calor, como el cobre, y extenderlo hacia fuera del tubo en forma de radiador. Otro mtodo de enfriamiento consiste en alojar el tubo en un recipiente metlico que contiene aceite, para facilitar la disipacin del calor del nodo.

El tamao del foco (fuente) tiene una importante influencia en la formacin de la imagen radiolgica. A menor tamao del foco, mayor definicin o nitidez de la imagen (los otros factores no sufren cambios); sin embargo, un foco grande puede resistir mas calor que uno pequeo. As pues, resulta conveniente obtener un foco que proporcione un buen detalle en la imagen y una disipacin eficaz del calor. Para esto se usan los siguientes mtodos: principio de foco lineal y rotacin del nodo.

Principio del foco lineal. Tiene como efecto hacer que el tamao del foco parezca ms pequeo cuando se observa desde la posicin de la pelcula; esto se debe al ngulo que existe entre el blanco y la corriente de electrones. Tal como lo sugieren las formas de las cpulas enfocadoras y del filamento, la corriente de electrones est enfocada sobre un pequeo rectngulo en el blanco, la cara del blanco est orientada con un ngulo de 15 a 20 con relacin al ctodo (aunque en algunos tubos el ngulo puede ser de solo 10 ). Cuando el foco rectangular se observa desde abajo, desde la posicin de la pelcula, tiene la apariencia de un pequeo cuadrado (foco efectivo). De este modo, el rea efectiva del foco es solamente una fraccin de su superficie real; cuanto ms pequeo sea el ngulo del blanco, menor ser el foco efectivo (los dems factores son constantes). Al disear el tamao del foco de un tubo, la dimensin que emplean los fabricantes es el tamao efectivo del foco. Es decir, el tubo de 1 mm proyecta un foco de 1 mm x 1 mm. En la prctica, el foco efectivo puede variar respecto de su tamao nominal hasta en un 50 % de acuerdo con los mrgenes de tolerancia permitidos. La utilizacin de los rayos X que emergen en el ngulo ms pequeo mejora la definicin radiogrfica, al mismo tiempo que aumenta la capacidad calrica del nodo, debido a que la corriente de electrones se extiende sobre una superficie relativamente mayor. No obstante, existe una limitacin prctica a cerca de cuan reducido puede ser el ngulo del nodo. Si fuera demasiado pequeo, podra ocasionar una excesiva disminucin de la intensidad en el extremo andico del haz de rayos X, con lo que se acentuara ste, llamado efecto andico o taln. Adems, a medida que disminuye el ngulo del nodo, disminuye el tamao del campo cubierto por el haz de rayos X., efecto que tambin se debe considerar en la planificacin de los tubos de rayos X. Hasta aqu, hemos descrito un tubo de nodo fijo. Debido a sus limitaciones respecto a la disipacin del calor y tamao del foco, el empleo de los tubos de nodo fijo se restringe a las exposiciones de poca corriente (unidades porttiles de baja salida o unidades dentales por ejemplo).

NODO ROTATORIO O GIRATORIO

Para aumentar todava ms la resistencia del nodo al calor, se ha ideado el nodo rotatorio o giratorio. Como su nombre lo indica, el nodo en forma de disco (hecho de Tungsteno, Molibdeno o, a veces, de grafito con una aleacin de Renio y Tungsteno), gira sobre un eje colocado en el centro del tubo, aproximadamente a 3.400 R:P:M. El filamento se dispone de forma que dirija la corriente de electrones contra el borde en bisel del disco de Tungsteno. As pues, la posicin del foco (es decir, la zona del blanco donde golpean los electrones) permanece fija en el espacio, mientras el nodo circular gira rpidamente durante la exposicin, proporcionando continuamente una superficie ms fra para recibir la corriente de electrones. De sta manera, el calor se distribuye sobre un rea circular ancha y, para las mismas condiciones de exposicin, la zona del foco puede disminuirse en ms de un sexto del tamao requerido en los tubos de nodo fijo. Puede aumentarse la capacidad calorfica del nodo y la intensidad de la corriente de electrones, agrandando el dimetro del disco giratorio. Esto permite que el calor que resulta del impacto de los electrones se distribuya sobre un rea mayor. El eje donde se monta el disco es generalmente de Molibdeno. Este metal es resistente, tiene un punto de fusin muy alto y poca conductividad trmica, lo cual disminuye la difusin del calor del nodo al rotor y sus soportes. La tecnologa actual permite que los nodos operen ininterrumpidamente a temperaturas mayores de 1.200 C; a stas temperaturas, casi todo el calor se transmite por radiacin (en vez de conduccin) al aceite que circunda al tubo y a la carcaza del tubo. Tratndose de tubos diseados para trabajo pesado como los que se emplean en angiografa y en tomografa computarizada, el aceite circula generalmente desde la caja del tubo por medio de un intercambiador de calor.

FUNCIONAMIENTO DEL TUBO DE RAYOS X.

Como ya hemos sealado, el aparato elctrico que permite el control y funcionamiento del tubo, tiene ciertos componentes bsicos, tales como transformadores, que producen alto voltaje, los rectificadores, que mantienen la polaridad del nodo (+) y el ctodo (-), fuentes de corriente y controles para el filamento, cronmetros y dispositivos de proteccin (protectores contra la radiacin, protectores trmicos). Los circuitos que incluyen el tubo de rayos X, los rectificadores y el transformador de alto voltaje, se disponen de forma tal que el voltaje positivo alto se aplique al extremo andico del tubo, y el voltaje negativo alto, al ctodo. Los electrones que salen del filamento incandescente del ctodo estn cargados de electricidad negativa por lo que son atrados con gran fuerza por el nodo, cargado positivamente. Este alto voltaje se expresa en trminos de kilovoltaje (Kilovoltio o Kv es igual a 1.000 voltios).

El kilovoltaje regula la velocidad de los electrones que circulan del ctodo al nodo. A mayor kilovoltaje, mayor ser la velocidad de los electrones y ms energtico y penetrante ser el haz de rayos X.

El nmero de electrones est controlado por la temperatura (grado de incandescencia) del filamento del ctodo. Este control se obtiene ajustando la corriente del filamento con su propio circuito elctrico de bajo voltaje. Cuanto ms caliente est el filamento, mas electrones se emiten para formar la corriente electrnica. En el tubo de rayos X, el nmero de electrones se mide en miliamperios (mA, 1 miliamperio es igual a 1/1.000 de amperio). La intensidad (cantidad) de rayos X producida a un kilovoltaje dado depende de este nmero. Por ejemplo, cuando se dobla el nmero de electrones por segundo, la corriente (miliamperaje) tambin se dobla, y consecuentemente se duplica la intensidad de los rayos X. Seleccionar en el aparato de rayos X un miliamperaje especfico, quiere decir simplemente, ajustar la tempera del filamento para que produzca la corriente (miliamperaje) indicada.

FORMA DE ONDAS DE TENSIN

Por lo dicho acerca del kilovoltaje aplicado al tubo de rayos X, su relacin con la velocidad de los electrones y la energa de los rayos X que se generan, podra suponerse que se emplea un voltaje constante y que, en consecuencia, todos los electrones implicados en una exposicin tienen la misma velocidad cuando alcanzan el foco. En realidad esto no es as, entre otras razones debido a que en la mayora de las unidades mdicas de rayos X, el voltaje que se aplica al tubo cambia constantemente a lo largo del tiempo. Cuando suministramos a un equipo de rayos X, una energa elctrica en la forma de una corriente alterna de 60 hertz (60 ciclos por segundo), significa que la direccin de la corriente de electrones se invierte 60 veces por segundo. El voltaje empieza con un valor igual a cero, alcanza un valor positivo mximo, y regresa al valor cero despus de 1/120 de segundo. A partir de ese momento, adopta un valor negativo, alcanza un valor negativo mximo y regresa al valor cero 1/120 de segundos despus; es decir 1/60 de segundo despus de haber comenzado el ciclo. De esta manera, el voltaje mximo se aplica slo durante un instante. La mayor parte del tiempo, el voltaje se mantiene a un nivel ms bajo y alcanza el valor cero 120 veces por segundo. La curva que muestra esta variacin de voltaje en el tiempo se denomina forma de onda de tensin. Generalmente el voltaje que se aplica al generador de rayos X tiene un valor de 220 voltios, y con el fin de suministrar los altos voltajes que se requieren para la produccin de rayos X, se utilizan los transformadores de corriente alterna. Por otro lado, la direccin de la corriente elctrica se regula mediante los dispositivos llamados rectificadores, de tal forma que la corriente de electrones a travs del tubo, fluya siempre del ctodo hacia el nodo; en consecuencia, el voltaje que se aplica al tubo de rayos X, siempre tiene la misma direccin o polaridad. Esto equivale a invertir las ondas por encima de la lnea media. De este modo, el valor del voltaje se incrementa desde cero hasta un mximo positivo, y regresa a cero dos veces en 1/60 de segundo, en vez de alcanzar un mximo positivo y un mximo negativo solo una vez cada ciclo. As pues, el tubo de rayos X recibe una serie de impulsos o pulsos de tensin, cada uno con una duracin de 1/120 de segundo y, consecuentemente, tambin genera los rayos X en impulsos o emisiones de brevsimas duracin. La energa suministrada a los electrones que viajan hacia el nodo cambia segn el voltaje que se aplique, de manera que slo unos cuantos electrones alcanzan el mximo de energa posible en funcin del valor mximo o de cresta (kVp) de las ondas elctricas. El resultado es que el haz de rayos X producido por estos electrones contiene radiaciones de distintas longitudes de onda, y solo una parte de estas radiaciones tiene energa suficiente para ser utilizada en la produccin de una imagen radiogrfica.

La forma de onda que hemos descrito, en la que se dan dos impulsos cada ciclo, proviene de lneas de suministro elctrico monofsicas. Sin embargo pueden producirse otras formas de onda mediante el uso de lneas elctricas trifsicas. Podra imaginarse un circuito trifsico como si se tratara de tres circuitos monofsicos, combinados para proporcionar tres ondas superpuestas en un solo circuito. Existen dos tipos de generadores de rayos X que utilizan la energa elctrica trifsica. Uno de ellos produce seis impulsos por ciclo. El otro, doce impulsos por ciclo. Como casi todos esos impulsos superpuestos son generados en un intervalo de 1/60 de segundo, las crestas de cada forma de onda se encuentran ms cercanas entre s, por lo cual presentan ms la apariencia de pequeos rizos que de ondulaciones amplias. Adems, cuando el voltaje de un impulso comienza a declinar, el del pulso adyacente y superpuesto se incrementa, de manera que el efecto combinado impide que el voltaje descienda hasta cero, como ocurre con los generadores monofsicos. El nivel mnimo que alcanza el kilovoltaje en un generador trifsico de seis impulsos por ciclo, es tan slo de alrededor de un 13 % por debajo del valor de cresta o pick. En un generador de doce impulsos por ciclo, el kilovoltaje mnimo es apenas un 3 % menor que el valor de cresta. De esto puede desprenderse que el haz de rayos X producido por un generador trifsico difiere del producido por un generador monofsico, de la siguiente manera:

El promedio de energa de los rayos X producidos por un generador trifsico es mayor que el producido por uno monofsico con el mismo kilovoltaje. Por ejemplo, en una instalacin de 100 kV, el voltaje promedio suministrado al tubo por un generador monofsico es de alrededor de 64 kV; el generado por un trifsico, con seis impulsos, es de 96 kV aproximadamente, y con doce impulsos es de unos 99 kV (slo alrededor de 1 kV por debajo del valor de cresta). Esto quiere decir que el haz de rayos X producido por un generador trifsico tiene mayor energa y penetracin que el haz de un generador monofsico (los dems factores permanecen constantes).

La intensidad de los rayos X producidos por un generador trifsico es mayor que la de los rayos producidos por un monofsico con los mismos factores de voltaje y miliamperaje. Por ejemplo, utilizando los mismos factores tcnicos, el generador trifsico de seis impulsos requiere aproximadamente de dos tercios del tiempo de exposicin que utilizara un generador monofsico para producir la misma intensidad de negro en una pelcula. En el caso de un generador de doce impulsos slo de aproximadamente la mitad del tiempo que emplea el generador monofsico.

El calentamiento del nodo es menor en un generador trifsico que en uno monofsico, si se trata de producir la misma cantidad de negro en una pelcula. Esto tiene particular inters en la angiografa; en esta aplicacin, puede hacerse aproximadamente el doble de exposiciones con un generador trifsico de doce impulsos, antes de alcanzar el lmite de tolerancia al calentamiento del tubo de rayos X, si se cuenta con el mismo kilovoltaje que utilizara un generador monofsico.

PRODUCCIN DE RAYOS X

Como se ha sealado, los rayos X son ondas electromagnticas, con una frecuencia de aproximadamente 6 x 10 a 1 x 10Hz, con una longitud de onda de aproximadamente

1 / 2.540.000.000 de cm., que tambin se pueden medir en nanmetros (nm), un nanmetro es igual a 1 / 1.000.000 mm. Se habla de rayos X en el caso de ondas electromagnticas que van desde unos 10 nm hasta 0,001 nm. En radiografa mdica se emplean longitudes de onda de aproximadamente 0,01 a 0,05 nm., o segn nomenclatura anterior, 0,1 a 0,5 angstroms (A), un angstrom es igual a 1/ 10 de nanmetro.

Si tenemos un haz de electrones acelerados a una gran velocidad (alta energa), y los enfrentamos a un medio absorbente de un material adecuado (alto peso atmico), estos interactuarn con el medio, este medio absorber esta energa de diferentes maneras, excitacin, ionizacin, (calor), y adems ser capaz de entregar un porcentaje de esta energa en la forma de radiacin electromagntica, que es la denominada: Rayos X. Para la generacin de rayos X se utilizan electrones como partculas para impactar en la materia, ya que son muy eficaces y, al mismo tiempo resultan sencillos de controlar y generar. La energa cintica del electrn en el instante que alcanza el blanco, puede expresarse como:

T = eV =

EMBED Equation.3 Siendo T la energa cintica; e = 4,8 x 10 la carga del electrn; V la diferencia de potencial entre nodo y ctodo; m la masa del electrn; y v la velocidad con que el electrn incide en el blanco.

Los Rayos X estarn compuestos por dos tipos de rayos segn su origen, los rayos X de frenado o Bremsstrahlung, que tienen un espectro continuo de energas; y los rayos X caractersticos, que corresponden a picos de energa, que son caractersticos de cada material absorbente.

En otras palabras, un electrn de alta velocidad que choca contra el blanco, adems de producir calor, puede hacer dos cosas: inducir la emisin de rayos X de cualquier energa menor que su energa cintica o provocar la emisin de rayos X de energas determinadas, que dependen de la naturaleza de los tomos del blanco.

Los rayos X emitidos no pueden tener una energa mayor que la energa cintica de los electrones que los producen. La radiacin emitida no es monocromtica (mono energtica), sino que se compone de una amplia gama de longitudes de onda, con un marcado lmite inferior que corresponde a la energa mxima de los electrones empleados para el bombardeo.

Bremsstrahlung o Radiacin de frenado

Tan pronto como los electrones acelerados hacen contacto con las capas superficiales del medio absorbente (blanco), son detenidas en forma abrupta por colisin con el fuerte campo de Coulomb de los ncleos del blanco, siendo desviados de su direccin original de movimiento. Cada vez que el electrn experimenta un cambio brusco de velocidad, de direccin, o ambos, se irradia energa en la forma de rayos X. La energa del fotn de rayos X emitido, depender del grado de desaceleracin ocurrido. Si el electrn queda en reposo despus de una colisin simple, la energa del fotn resultante corresponder a la energa del electrn detenido y ser mxima. Si el electrn soporta una colisin menos drstica, se producir una energa fotnica menor. Puesto que estarn llevndose a cabo una variedad de tipos de colisiones o choques, se producirn fotones de todas las energas hasta el valor mximo. Dicho de otro modo, el electrn cada vez que es frenado, cede parte de su energa, lgicamente la cesin de energa cada vez ser mas escasa, por lo tanto los fotones que pueden emitirse, sern cada vez de menor energa. Adems, (como ya se ha sealado) se debe considerar el hecho de que todos los electrones que inciden sobre el blanco pueden tener velocidades (energa) diferentes. Estos dos hechos condicionan que la radiacin de frenado tenga un espectro continuo de energas.

Para una determinada tensin, el valor de la longitud de onda ms corta que se alcanza recibe el nombre de lmite o mnima. Este parmetro depende nicamente de la diferencia de potencial aplicada entre nodo y ctodo, siendo inversamente proporcional a la tensin aplicada. El que exista esta longitud de onda lmite indica que una fraccin de los electrones pierde toda su energa en generar energa radiante, que puede expresarse segn:

E = Ve = h =

Donde h es la constante de Planck; c la velocidad de propagacin de la luz; la frecuencia y la longitud de onda.

Este espectro continuo que aparece, puede explicarse a partir del efecto de las interacciones de los electrones en las proximidades de los ncleos de los tomos del blanco. El electrn experimenta, a consecuencia de estas interacciones, una perdida gradual de su energa inicial. Como la posibilidad de que el electrn pierda la totalidad de su energa en la primera interaccin es muy baja, la intensidad (cantidad) de la radiacin que se corresponde con la frecuencia lmite del espectro es muy baja.

Conforme se va aumentando la diferencia de potencial llega un momento en que se alcanza un valor de la tensin por encima del cual el espectro siempre presenta unos mximos de energa muy acusados superpuestos al continuo. Este valor lmite de la tensin recibe el nombre de potencial crtico de excitacin. Los picos que aparecen son caractersticos del material utilizado como blanco. Un mismo material presenta siempre, a partir de este valor de la tensin, las mismas lneas en el espectro a las mismas longitudes de onda. Son las llamadas lneas caractersticas, y constituyen los llamados:

Rayos X caractersticos

Un haz de rayos X puede tener uno o ms picos afinados de energa, superpuestos en el espectro continuo. Para un haz de rayos X dado, estos picos poseen energas definidas, y son caractersticas del elemento usado como blanco. Por este motivo se les llama radiaciones caractersticas. La energa de estos picos se incrementa con el nmero atmico del blanco. Estas radiaciones caractersticas se producen de la siguiente manera: los electrones acelerados al chocar con un material absorbente perdern energas debido a las colisiones que sufren con los electrones de las diferentes capas de los tomos del blanco. Como resultado, uno de los electrones orbitales de la capa ms interna (K), puede ser desalojado de su posicin y removido totalmente del tomo. Esto deja un lugar vacante en el lugar donde fue removido el electrn, el que es ocupado rpidamente por otro electrn de una capa ms externa y por lo tanto con mayor energa, regresando el tomo a su estado normal. Al hacer esto se emitir el exceso de energa del electrn ms externo en la forma de un fotn de rayos X. Para cualquier elemento particular y un electrn en una rbita particular, deber impartirse una cierta cantidad mnima de energa al tomo para extraer el electrn. Esta energa es exactamente la emitida como un fotn cuando se reemplaza al electrn. Estas lneas caractersticas de emisin, aparecen en grupos designados como K, L, M, N, O, etc., correspondiendo los picos a la capa particular llenada. En tubos de rayos X utilizados en radiologa diagnstica, la intensidad de los rayos X caractersticos es insignificante comparada con el espectro continuo, y es por ello de escaso inters en las aplicaciones de diagnstico y terapia.

Emisin de electrones Auger

El tomo excitado por el haz primario de electrones tambin sufre desexcitaciones por un proceso alternativo. Se trata de un proceso simple que produce un electrn de energa caracterstica en lugar de rayos X caractersticos. En primer lugar, una vacante producida en una capa interna es ocupada en la forma usual producindose un rayo x caracterstico. Posteriormente, este rayo X es reabsorbido en el mismo tomo expulsando un electrn de baja energa (ver figura). De esta forma, el rayo X caracterstico no se detecta. En su lugar, puede emitirse un rayo X secundario cuando la segunda vacante es ocupada. Ms importante es, sin embargo, que el electrn expulsado posee una energa exactamente igual a la diferencia entre la energa del rayo X caracterstico original y la energa de enlace del electrn expulsado, estos electrones expulsados se conocen como electrones Auger. Son los nicos electrones emitidos desde la muestra que aportan informacin qumica especfica acerca del tomo que los ha originado. Por otra parte, en contraste con los rayos X caractersticos, los electrones Auger tienen muy poca energa y pueden solo viajar una corta distancia dentro de la muestra. La informacin que portan es as especfica de la superficie de la muestra, de solo las primeras capas atmicas. La desexcitacin de un tomo ionizado puede ocurrir bien por la emisin de un electrn Auger o bien por la emisin de un rayo X caracterstico. Este hecho se refleja en la produccin de fluorescencia, que depende principalmente del nmero atmico del tomo excitado, para nmeros atmicos bajos, el proceso de la emisin Auger se ve favorecido y la produccin de fluorescencia es baja. Inversamente, la elevacin de nmero atmico favorece la emisin de rayos X caractersticos.

Eficiencia de la produccin de rayos X

Cuando un haz de electrones interacta con un material absorbente se producen rayos X. Esto se debe a la detencin brusca o deflexin por los tomos que se encuentran dentro del material empleado como blanco. Los electrones tambin pueden perder energa por excitacin e ionizacin de los tomos del blanco, esto no conlleva produccin de rayos X. Normalmente la fraccin de energa del electrn, emitida como radiacin electromagntica, se incrementa con el nmero atmico de los tomos del blanco y con la velocidad de los electrones. Esta fraccin es muy pequea y se puede representar de la siguiente manera:

F = 1,1 x 10Z V

Donde F es la fraccin de energa de los electrones convertidos en rayos X, Z es el nmero atmico del blanco y V es la energa de los electrones expresada en voltios (los electrones en un tubo de rayos X, son acelerados por una diferencia de potencial aplicada al tubo, la energa se expresa generalmente en funcin de la diferencia de potencial o voltaje aplicado al tubo, voltios.

Suponiendo un blanco de tungsteno (Z = 74), un voltaje de trabajo de 120 kVp, la fraccin de energa electrnica convertida en rayos X ser de:

F = 1,1 x 10(74) (120.000)

= 98 x 10

= 0,0098

= 0,98 %

As, en este caso tpico, menos del 1 % de la potencia elctrica suministrada, ser convertida en rayos X. La energa remanente (mayor del 99 %) queda como calor producido en el blanco (a travs de ionizaciones y excitaciones). Por tal motivo, el bombardeo electrnico del blanco, eleva la temperatura de ste a tal punto que se fundira si no se disipa rpidamente. La produccin de calor es un factor muy importante que limita la capacidad de un tubo de rayos X. As, es evidente que los factores involucrados en la seleccin de un blanco adecuado son:

Elevado nmero atmico (la eficiencia es directamente proporcional a este factor).

Elevado punto de fusin (debido a las elevadas temperaturas involucradas).

Elevada conductividad trmica (para disipar el calor).

Baja presin de vapor a elevadas temperaturas (para evitar la evaporacin del blanco).

INTERACCIN DE LA RADIACIN CON LA MATERIA

Todas las radiaciones tienen energas que pueden ser del tipo inherente, como ocurre con la radiacin electromagntica, o del tipo cintico, como sucede con las radiaciones corpusculares. Se da el nombre de absorcin de las radiaciones, al proceso de transferencias de estas energas a los tomos del medio que atraviesa dichas radiaciones. Decir que la radiacin interacta con la materia es manifestar que tal radiacin puede ser dispersada o absorbida. Los mecanismos de absorcin de las radiaciones son fundamentales, por las siguientes razones:

Su absorcin por los tejidos puede provocar una lesin fisiolgica.

Su absorcin es el principio bsico de deteccin de las radiaciones

Su grado de absorcin permite obtener imgenes de objetos expuestos en su trayectoria

Su grado de absorcin, o tipo de interaccin, es un factor de primordial importancia cuando se quiere determinar la necesidad de blindaje (proteccin).

La transferencia de energa a un tomo del medio de absorcin, efectuada por una partcula o un fotn emitidos puede llevarse a cabo a travs de distintos mecanismos, pero en las radiaciones que a nosotros nos interesan y que son las encontradas comnmente, tienen mayor importancia las siguientes:

IONIZACIN.- Es todo proceso que concluya en la extraccin de un electrn (carga negativa), ya sea de un tomo o molcula, dejando a stos con carga positiva neta.

Si en los choques de la partcula o fotn, con los electrones atmicos, la energa transferida es superior a la energa de enlace (energa de ionizacin) del electrn colisionado, ste abandona el tomo y por tanto se crea un ion positivo.

Se produce entonces un plasma diluido, esto es, a lo largo de la trayectoria y hasta una cierta distancia, se crea un cierto nmero de pares in-electrn, que en condiciones ordinarias tendern a la recombinacin, restablecindose la neutralidad elctrica del medio absorbente. Este tipo de ionizacin recibe el nombre de ionizacin primaria. (ip)

Existe otro tipo de ionizacin generada por electrones producidos en la ionizacin primaria, con energa suficiente para a su vez producir nuevas ionizaciones en el medio. Tal fenmeno se conoce como ionizacin secundaria. (is)

EXCITACIN.- Es la adicin de energa a un sistema atmico o molecular, pasndolo de su estado fundamental a uno de excitacin. Dependiendo del tipo de interaccin, la absorcin de la energa de excitacin puede efectuarse tanto en el ncleo como en cualquiera de los electrones orbitales.

Cuando en la colisin con un electrn atmico, la energa transferida es insuficiente para producir ionizacin, el electrn impactado no puede ser expulsado del tomo, pero s puede ser promovido a una rbita de mayor energa. Tal electrn excitado devolver la energa en forma de radiacin electromagntica, en las llamadas transiciones radiactivas, o bien degradndose a calor, en las transiciones NO radiactivas.

DISOCIACIN.- Cuando la energa cedida a una molcula por una partcula alcanza cierto valor crtico, puede producirse el fenmeno de disociacin o radilisis. Tal proceso, consiste en la ruptura de enlaces qumicos moleculares, y produce transformaciones qumicas en las substancias irradiadas.

Los efectos ms intensos de la radilisis se producen en molculas con uniones covalentes, cuya disociacin crea radicales libres. Un ejemplo tpico lo tenemos en el caso de la radilisis del agua que tras generarse radicales libres (caracterizados por una gran reactividad qumica) desemboca en la formacin de agua oxigenada e hidrgeno molecular.

En general, los procesos qumicos que origina la radilisis de la materia, conducen a reacciones de descomposicin, procesos de oxidacin, como los sufridos por las sales ferrosas disueltas en agua, reducciones como las experimentadas por los haluros de plata, o polimerizaciones como las experimentadas por el etileno o el acetileno

Comnmente los tomos de todo material son elctricamente neutros; es decir, cuenta con tantos electrones negativos en sus rbitas como protones positivos dentro de sus ncleos. De aqu que su diferencia, o carga elctrica neta, sea cero. Las radiaciones tienen la propiedad de desprender uno o ms electrones de las rbitas, as como tambin elevar los electrones orbitales a un nivel de energa mayor. En el primer caso (ionizacin), se deja un tomo con exceso de cargas positivas y un electrn libre. En el segundo caso (excitacin electrnica), el tomo excitado puede liberarse del exceso de energa cuando uno de sus electrones desciende desde una capa energtica superior a otra inferior en el espacio libre creado durante el proceso de excitacin. Cuando ello ocurre, tal exceso de energa se libera en la forma de un fotn o de radiacin electromagntica (que puede escapar del material, pero que generalmente pasa por otros procesos de absorcin). La excitacin nuclear es importante slo en el caso de neutrones u otra clase de radiacin de energa muy alta.

La importancia de la ionizacin inducida en los tejidos vivos por una radiacin, se cuantifica mediante un concepto de amplia utilizacin en radiobiologa: la transferencia lineal de energa (TLE, o LET en abreviatura inglesa) o la cantidad de energa cedida por unidad de recorrido de la radiacin en el tejido. La TLE depende del tipo de radiacin (masa, carga y energa de las partculas) as como del medio absorbente. En general, de forma simplificada, pero til, se suelen clasificar las radiaciones en dos categoras: de baja y de alta TLE; a la primera perteneceran los electrones (radiacin beta) y la radiacin X o gamma, mientras que la radiacin alfa y los neutrones, se consideran de la segunda. A mayor TLE de una radiacin, mayor concentracin en la energa transferida al medio y mayor localizacin de las molculas modificadas por la ionizacin.

Cualquier discusin sobre las clases de radiaciones y sus interacciones, pueden agruparse en forma conveniente, en cuatro categora principales:

1. Partculas pesadas, positivamente cargadas.- Entre ellas estn las partculas alfa, protones, deuterones, tritones y otros; todas estas pueden mostrar mecanismos similares de interaccin con la materia. Como prototipo de este grupo, se tratarn las partculas alfa.

2. Partculas beta.-

En esta categora se agrupan tanto los positrones como los electrones. Estas partculas tienen masas iguales, pero cargas diferentes, perdiendo por ello, su energa cintica a travs de mecanismos similares. Como prototipo de este grupo se tomar siempre al electrn.

3. Radiaciones electromagnticas.-

Este grupo abarca tanto a los Rayos X, como a la radiacin gamma, pero dado que estas radiaciones se diferencian slo en su origen y no en su mecanismo de interaccin, se toma en consideracin solamente la radiacin gamma.

4. Neutrones.-

La interaccin de los neutrones no es de inters para el propsito de este curso. Por ello, y a fin de evitar duplicaciones con otros cursos, no se describirn en este.

ABSORCIN ALFA.

Una partcula alfa se compone de dos protones (de carga positiva) y de dos neutrones, todos fuertemente unidos mediante fuerzas nucleares. Si se aproxima una partcula alfa a un electrn (carga negativa), experimentar una fuerte atraccin electrosttica, mientras que si se aproxima a un ncleo atmico (tambin de carga positiva), tendern a repelerse. Las partculas alfa tienen una masa que es casi unas 8.000 veces la masa del electrn. Estas partculas son expulsadas del ncleo de los tomos radiactivos a velocidades prximas a 1/20 de la velocidad de la luz. Todas estas propiedades, a saber: gran masa, carga y elevada velocidad, tienden a hacer de la partcula alfa un proyectil eficiente cuando encuentra a los tomos de un material absorbente. En otras palabras, quiere decir que la partcula alfa puede tener una alta probabilidad de interactuar o chocar con los electrones orbitales y tambin con los ncleos atmicos.

Cuando se trate de los choques, entre las partculas subatmicas, se entender que las partculas, por ejemplo, una alfa y un ncleo atmico, necesitan aproximarse entre si a una distancia suficiente para interactuar. Tal interaccin puede llamarse choque. Toda partcula alfa puede experimentar tanto choques elsticos (sin transferencia de energa), como choques inelsticos (transferencia de energa de la radiacin alfa a la partcula objetivo).

Los choques inelsticos pueden resultar en procesos de ionizacin, de excitacin, o de ambos. Como es necesaria una cantidad dada de energa para excitar o ionizar un tomo, la energa cintica de la partcula se disipar gradualmente mediante tales interacciones hasta lograr la captura de dos electrones y obtener as una existencia apacible, en la forma de tomo de helio.

Debido a la alta probabilidad de interaccin que hay entre una partcula alfa y los electrones orbitales del medio de absorcin, se forma una gran cantidad de pares inicos por unidad de longitud de trayectoria; como una fraccin de la energa es absorbida con la formacin de un par inico, esta clase de radiacin pierde su energa en una distancia relativamente corta. Por estas razones, el alcance de las partculas alfa es mucho menor que el de otra forma de radiacin; es decir, es una radiacin altamente ionizante, pero dbilmente penetrante.

Todas las partculas alfa de un radionclido dado son emitidas con igual energa y, por consiguiente, todas las emitidas por una fuente dada, en un mismo material, tendrn aproximadamente el mismo alcance. Este se expresa generalmente en centmetros de aire. La relacin entre el alcance y su energa se expresa en forma emprica mediante la formula

EMBED Equation.3 Donde: = alcance en cm de aire, a 1 atm. y 15 C.

= energa en MeV

El alcance de las partcula alfa en los slidos puede encontrarse mediante su comparacin con la del aire. Esta relacin aproximada se da a continuacin;

=

Donde: = alcance

= densidad

= nmero msico

El nmero de pares inicos formados en cualquier medio, por cm de trayectoria, se conoce con el nombre de ionizacin especfica de la radiacin ionizante en cuestin.

Ionizacin Especfica = cantidad de pares inicos formados

Centmetros de trayectoria

Se necesitan alrededor de 34 electrn-voltios de energa para formar en el aire un par inico primario. Slo la mitad o los 2/3 de este valor se requiere para expulsar el electrn orbital, perdindose el resto en los procesos excitacin electrnica. El nmero de pares inicos formados por cm de trayectoria puede variar entre los 5.000 a los 80.000 dependiendo de la energa de la partcula alfa.

ABSORCIN BETA.

La masa en reposo de una partcula beta es igual a la de un electrn orbital y, por consiguiente, mucho menor que la masa del ncleo de los tomos que componen el medio de absorcin. Dado que las partculas beta y los electrones orbitales tienen cargas iguales, experimentan una repulsin electrosttica cuando ambos se encuentren cerca. Pero una partcula beta posee una carga opuesta a la del ncleo atmico, experimentando una atraccin electrosttica conforme aquella se aproxime al ncleo.

Todos estos factores deben tenerse en consideracin a fin de comprender el proceso de interaccin entre la radiacin beta y los tomos del medio de absorcin. Por ejemplo, si se considera slo la relacin de masas existentes entre las partculas beta y los electrones orbitales, puede esperarse que la interaccin entre estos dos electrones sea algo similar a los choques que ocurren entre las bolas de billar.

En realidad una partcula beta puede perder toda su energa en un simple choque. En tal interaccin el electrn objetivo puede convertirse, efectivamente, en partcula ionizante.

Normalmente, una partcula beta pierde su energa en un gran nmero de casos de ionizacin y excitacin, en forma similar a la partcula alfa. Por el menor tamao y carga del electrn, hay una menor probabilidad de que la radiacin beta interacte con el medio. Debido a esta circunstancia el alcance de esta partcula es mucho mayor que el de una partcula alfa de energa similar.

Como la masa de una partcula beta es menor que la del ncleo, en cada choque puede ocurrir un gran nmero de desviaciones, particularmente cuando los electrones de bajas energas se dispersan en elementos de alto nmero atmico (gran nmero de cargas positivas dentro del ncleo). Como resultado, en el medio de absorcin cada beta recorre, por lo general, una trayectoria tortuosa.

Adems de la excitacin e ionizacin, una beta puede interactuar con algn tomo, resultando la produccin de rayos X. Toda beta altamente energtica puede penetrar dentro de la nube electrnica que rodea al ncleo del tomo y viajar a travs de los diversos estados cunticos de energa de los electrones orbitales. Al experimentar la fuerza electrosttica del ncleo, variar su velocidad emitiendo distintos rayos X, con un espectro de energas (tal clase de radiacin X se denomina radiacin Bremsstrahlung o de frenado), siendo ste un mecanismo importante de prdida de energa cuando se incrementa no solo la energa inicial de la beta, sino tambin el nmero atmico del medio de absorcin. De acuerdo con los conceptos ya enunciados, todas las partculas alfa de un radionclido dado se emiten con energas similares. En el caso de emisiones beta, la energa cintica total involucrada en la desintegracin del tomo radiactivo se divide entre la beta y el neutrino. El neutrino tiene una carga cero y una masa despreciable; por consiguiente, su contribucin a la interaccin total es insignificante, pero toma una fraccin de la energa cintica total disponible. Por esta razn, la beta puede ser emitida con una energa que va de cero a un mximo (caracterstica del radionclido particular).

ABSORCIN GAMMA.-

Los rayos X y gamma, como lo habamos mencionado, se diferencian solo en su origen, no pudindoseles distinguir por su forma individual. Ambos son ondas electromagnticas o quanta, y se diferencian de las ondas de radio y de la luz visible por sus longitudes de onda, que son ms cortas. Su distincin en nombre se emplea para indicar una diferencia en origen: los rayos gamma se generan dentro del ncleo, mientras los rayos X fuera de l. Tanto los rayos X como los gamma carecen de masa y de carga elctrica, desplazndose a la velocidad de la luz. Bsicamente son deformaciones del campo electromagntico del espacio y por esta razn interactan elctricamente con los tomos para producir la ionizacin, an cuando de por si carecen de carga elctrica. Tal como se indic anteriormente, los rayos gamma sirven de ejemplo para esta clase de radiacin. Hay varios mecanismos por los cuales los rayos gamma pierden su energa al interactuar con la materia. Estos son:

Dispersin coherente.

Es una alteracin de la direccin del fotn sin que existan cambios en su longitud de onda o energa. Es decir no hay trasferencia de energa. Se produce solo en aproximadamente un 5 % de los fotones de un haz que incide sobre la materia.

Efecto fotoelctrico.

Esta es una prdida de energa nula o total. La onda gamma o fotn imparte toda su energa al electrn orbital de un tomo, y simplemente desaparece. La energa impartida al electrn orbital es del tipo cintico que vence a la fuerza de atraccin del ncleo sobre el electrn. Ello da como resultado que este electrn salta de su rbita a considerable velocidad y origina un par inico. Este electrn conocido tambin con el nombre de fotoelectrn, tiene energa suficiente para golpear a otros electrones de las rbitas de los tomos y producir pares inicos secundarios, hasta consumir toda su energa.

Si el fotoelectrn es producido en una capa interna del tomo, el hueco producido ser llenado por un electrn de una capa ms externa, y se producir la emisin de radiacin caracterstica.

Para que se produzca un fotoelectrn el fotn incidente debe tener una energa superior a la energa de enlace del electrn blanco, y es ms probable que se produzca una interaccin fotoelctrica cuando la energa del fotn incidente es cercana a la energa de ligadura.

Dado que la energa de enlace de los electrones a sus rbitas es mayor cuanto mayor es el nmero atmico, la probabilidad de que un tomo se implique en una interaccin fotoelctrica ser mayor cuanto mas alto sea su nmero atmico. La probabilidad es directamente proporcional a la tercera potencia del nmero atmico (Z).

En radiologa el efecto fotoelctrico es importante por varias razones: contribuye a la formacin de buenas imgenes ya que debido a que toda la energa es absorbida en el material irradiado, no se produce radiacin dispersa, y contribuye a realzar el contraste natural de los tejidos ya que se producir en relacin al cubo del nmero atmico de cada elemento.

En este efecto toda la energa de los fotones es absorbida por el material irradiado, de modo que contribuye directamente a la dosis de radiacin absorbida por el paciente.

Efecto Compton

Es el modo en que pierde parcialmente su energa el rayo gamma incidente. Aqu nuevamente el rayo gamma interacta con el electrn orbital de un tomo, pero en este mecanismo la transferencia de energa del electrn se efecta parcialmente, quedando aquel debilitado. Tal electrn, conocido ahora como electrn Compton, produce ionizaciones secundarias; el rayo gamma debilitado contina gastando su energa en interacciones posteriores Compton o desaparece completamente por efecto fotoelctrico. En la interaccin Compton la direccin de dispersin del fotn debilitado es distinta a la del rayo original; al rayo gamma debilitado se da el nombre de fotn disperso y al proceso en s, dispersin Compton.

El efecto Compton se producir cuando el fotn incidente sea de energa media (100 a 1.000 Kev).

En radiologa podemos decir que se produce al incidir un fotn sobre estructuras de gran densidad o cuando incide sobre las partes blandas de organismo, cuyos tomos componentes (hidrgeno, carbono, nitrgeno y oxgeno) son de bajo nmero atmico, por lo que sus electrones orbitales incluso los de la capa K estn poco ligados. Por lo que este efecto es independiente del nmero atmico.

Resumiendo: La absorcin del fotn incidente es parcial, por lo que se producir radiacin dispersa que contribuye a la disminucin del contraste radiogrfico. Por otro lado, hay una menor contribucin a la dosis absorbida por el paciente.

(Por este mecanismo de interaccin, la direccin de los fotones dentro de un haz puede quedar al azar, de tal manera que pueden encontrarse no slo en las esquinas sino tambin detrs de los biombos de proteccin.)

Produccin de pares.

Es la tercera clase de interaccin y la menos frecuente de todas. La produccin de pares es imposible a menos que el rayo gamma tenga como mnimo 1.02 MeV de energa (en realidad, este proceso no es importante hasta tener 2.0 MeV de energa).

En la produccin de pares, un fotn simplemente desaparece en la vecindad de un ncleo y en su lugar aparece un par de electrones, uno positivo y otro negativo. La masa de ambos electrones se ha creado a base de la energa pura del fotn, de acuerdo con la conocida ecuacin de Einstein, donde E es la energa expresada en ergios; m la masa en gramos y c la velocidad de la luz en cm por seg. Todo exceso de energa en el fotn de ms de un MeV, necesario para crear las dos masas de electrones, se comparte entre ambos en la forma de energa cintica, disparndose los dos electrones del tomo a gran velocidad. El electrn negativo produce pares inicos secundarios, hasta disipar toda su energa de movimiento. El electrn positivo, o positrn, tambin produce pares inicos secundarios hasta lograr la casi total disipacin de su energa y encontrando luego, en cualquier lugar de la materia, a un electrn libre (negativo); ambos, al atraerse en razn a sus cargas opuestas, se aniquilan al contacto, convirtindose las masas de ambos en energa pura y obtenindose, por estos motivos, dos gammas de 0,51 MeV en la zona de aniquilamiento. La suerte final de estas dos gammas puede ser tanto su absorcin fotoelctrica como su dispersin Compton seguida de absorcin fotoelctrica.

Fotodesintegracin.

En este tipo de interaccin un fotn incidente puede arrancar parte del ncleo, que puede ser un neutrn, protn o una partcula alfa o un conjunto de todos ellos.

Estos dos ltimos efectos no se producen con los niveles de energa que se utilizan en radiodiagnstico, donde las interacciones bsicas son el efecto fotoelctrico y el efecto Compton.

PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LOS RAYOS X.

1. Poder penetrante

2. Efecto luminiscente

3. Efecto fotogrfico

4. Efecto ionizante

1. Poder Penetrante.Los rayos X son capaces de atravesar la materia. Cuando un haz de rayos X incide sobre la materia, existe una desaparicin progresiva de los fotones que constituyen el haz, debido a su absorcin y dispersin, a este proceso se la llama atenuacin del haz. En general se pude decir que la atenuacin es igual a la absorcin ms la dispersin, pero dependiendo de la energa del haz y del material del objeto, existir una cantidad de rayos que lograra atravesarlo.

Supngase que se enva un haz delgado de intensidad I (nmero de fotones) de rayos X o gamma monoenergticos sobre un material de espesor x, y se coloca detrs de ste un detector, como lo muestra la figura. En el material, el haz ser atenuado por las interacciones ya mencionadas, llegando al detector slo la cantidad I, menor que I, la atenuacin obedece la ley exponencial:

I = Ioe-x,

donde e es la base de los logaritmos naturales, y se llama coeficiente lineal de atenuacin. Normalmente x se expresa en unidades de cm, por lo que estar dado en cm-1.

Experimento de transmisin de radiaciones. El nmero de radiaciones absorbidas es Io - I, y depende del espesor x del absorbente.

Curva exponencial de atenuacin de rayos X o gamma. Se indican las capas hemirreductora y

decimorreductora.Ntese que la ecuacin tiene la misma forma que la ley de decaimiento radiactivo.

La figura muestra una curva de atenuacin tpica. Cuando x= 0, o sea sin absorbedor, la intensidad medida I= I. El valor del coeficiente lineal de atenuacin determina qu tan rpidamente cae la curva de atenuacin. En analoga con la vida media, se puede definir la capa hemirreductora , como el grueso de absorbedor que reduce la intensidad inicial a la mitad. Dos capas hemirreductoras la reducen a una cuarta parte, y as sucesivamente, n capas hemirreductoras la reduce n por un factor 1/2. La capa hemirreductora est relacionada con el coeficiente lineal de atenuacin segn la ecuacin x1/2= 0.693/

Tambin se define la capa decimorreductora como el espesor que reduce la intensidad a una dcima parte. Dos de stas la reducen a un centsimo, y n capas decimorreductoras la reducen a un factor 1/10n. La capa decimorreductora se relaciona con segn la ecuacin:

x1/10 = 2.203/

Una cantidad que se usa normalmente es el coeficiente msico de atenuacin, que se obtiene al dividir el coeficiente lineal por la densidad p del material

m= /p

Si las unidades de p son g/ cm, las de son cm/ g.

Si se emplea el coeficiente msico de atenuacin, la ley de atenuacin queda en la forma

I = Io e- m (px) Los coeficientes, lineal y msico de atenuacin difieren de un material a otro, segn sean bueno o malos absorbedores de rayos X y gamma. Tambin sus valores dependen de la energa de la radiacin. La figura muestra un ejemplo de la variacin del coeficiente msico de atenuacin para un buen absorbedor, el plomo, segn la energa. All se puede ver tambin la contribucin relativa que ofrecen cada uno de los tres efectos de atenuacin.

Coeficiente msico de atenuacin de rayos X y gamma en plomo, segn la energa del fotn.

Se indica la contribucin de cada uno de los tres efectos.

2. Efecto luminiscente

Al incidir sobre cierto materiales, estos emiten luz Existen varias sustancias que son capaces de

emitir luz cuando son expuestas a los rayos X: sulfuro de Zinc, Wolframato de Calcio, Yoduro de Cesio, Platinocianuro de Bario, etc. Esta propiedad de los Rayos X se utiliza en radiologa en: pantallas reforzadoras, pantallas de radioscopia, fsforos de entrada y salida de los intensificadores de imagen.

3. Efecto fotogrfico

Los rayos X ennegrecen las emulsiones fotogrficas. Las emulsiones fotogrficas contienen Bromuro de Plata (BrAg) que al se expuesto a la radiacin, sufren un cambio qumico latente que tras el revelado se hace visible. En radiografa se aprovecha el efecto fotogrfico reforzado con el efecto luminiscente de las pantallas reforzadoras.

4. Efecto ionizante

Los rayos X son capaces de producir ionizacin. Se entiende por ionizacin, la capacidad de arrancar electrones a las molculas y tomos del material sobre el que inciden. Esta propiedad se usa para detectar y medir los rayos X., y adems provoca el llamado efecto biolgico.

A la luz de todo lo dicho anteriormente, podemos deducir que los rayos X pueden penetrar la materia, pero no todos los rayos X que penetran en un objeto lo atraviesan, sino que algunos son absorbidos por l, en virtud de diferentes factores que afectan la absorcin de los rayos X (los rayos X que atraviesan la materia u objeto, son los que formarn la imagen radiogrfica).

ABSORCIN DE RAYOS X.FACTORES QUE AFECTAN LA ABSORCIN DE LOS RAYOS X:

Espesor del material absorbente.

La relacin de absorcin para un dado rayo X y el espesor, de un material absorbente es obvia. Para un determinado material, un objeto grueso absorber mayor energa que un delgado fragmento del mismo material, de un haz de rayos X determinado. Por ejemplo, para un dado tipo de rayo X, 10 cc de agua absorbern ms radiacin que 1 cc.

Densidad del material absorbente

Para materiales absorbentes de diferentes densidades (masa por unidad de volumen), el material con mayor densidad absorber mayor radiacin que el material menos denso. Por ejemplo, para un material dado, 1cc de agua, absorber ms radiacin que el mismo material en estado menos denso como sera 1 cc de vapor de agua.

Nmero atmico del material absorbenteLa composicin atmica del material absorbente tambin afecta la absorcin de los rayos X de manera muy importante. A mayor nmero atmico del material absorbente mayor ser la absorcin de radiacin, debido a la mayor cantidad de partculas subatmicas existentes en estos elementos, y por lo tanto, mayor posibilidad de interaccin. Por ejemplo, una lmina de plomo absorber mas radiacin que una lmina de aluminio de igual rea (por lo que el plomo, por esta y otras caractersticas fsicas, se usa comnmente en la proteccin contra las radiaciones).

Energa de la radiacin

La radiacin de mayor longitud de onda y por lo tanto de menor energa se absorbe con mayor facilidad que la radiacin de menor longitud de onda y por lo tanto de mayor energa, la cual puede penetrar un material dado con mayor facilidad en virtud de su alta energa

ABSORCIN DIFERENCIAL EN EL CUERPO HUMANOYa que el objetivo final para nosotros es la aplicacin de estos conocimientos a la obtencin de imgenes del cuerpo humano, debe considerarse que ste, es una estructura compleja, no solamente de diferentes espesores, sino compuesto tambin, de diferentes sustancias o materiales. Estos absorben los rayos X en diferentes grados. Es decir el hueso absorbe ms rayos X que el tejido blando, este ms que el aire (de los pulmones por ejemplo). La edad del paciente tambin influye, los huesos de los ancianos contienen menos calcio y absorben menos rayos X que los huesos de las personas jvenes. Adems, la diferencia entre la absorcin del tejido seo y el tejido blando se altera en funcin de la energa utilizada para hacer la adquisicin radiogrfica. Si se aumenta la energa, la variacin (o diferencia) de absorcin es menor.

Cuando el haz de rayos X emerge del cuerpo, las distintas reas del haz contienen diferentes intensidades de radiacin; esto se debe a las variaciones de absorcin dentro del cuerpo y a la heterogeneidad de energas del haz de rayos X. El patrn o distribucin de diversas intensidades de rayos X en el espacio se denomina imagen area o imagen en el espacio, para distinguirla de la imagen propiamente radiogrfica.

Contraste del sujeto

Distancia. La distancia entre el foco productor de rayos X y el objeto, afecta la intensidad de la relacin entre las intensidades de los rayos X emergentes en las diferentes partes de la imagen area se define como contraste del sujeto. Si las intensidades de los rayos X que emergen del tejido blando fuera 3 veces mayor que la que emerge del hueso, el contraste del sujeto ser 3. El contraste del sujeto depende de la naturaleza de ste (variaciones de espesor y de composicin), de la calidad de la radiacin (energa, forma de la onda de tensin, filtracin y composicin del blanco), es decir, de los factores que afectan la absorcin de los rayos X, y adems, de la intensidad y distribucin de la radiacin dispersa.

En cambio, el contraste del sujeto es independiente del tiempo de exposicin, miliamperaje (cantidad de radiacin), de las caractersticas y proceso de la pelcula empleada en la impresin, y para fines prcticos, tambin de la distancia.

Factores que afectan la imagen area

Los factores que afectan la imagen area son: miliamperaje, kilovoltaje, distancia y forma de onda de tensin.

Miliamperaje. Al aumentarse el miliamperaje, se aumenta tambin la intensidad de los rayos X, y al disminuirlo disminuye tambin la intensidad. Por lo tanto, en la medida que aumenta el miliamperaje o la intensidad de la radiacin que emerge del foco, todas las intensidades correspondientes al patrn que emerge del cuerpo tambin aumentan, por lo que las diversas intensidades de rayos X siguen guardando la misma relacin entre si. Si consideramos que inicialmente se mide 3 unidades de intensidad de rayos X que emergen slo del tejido blando, y 1 unidad que emerge del hueso; y luego duplicamos el miliamperaje que fluye a travs del tubo de rayos X, se duplicarn las intensidades que emergen slo del tejido blando (con lo cual se obtienen 6 unidades), as como tambin las intensidades que emergen del hueso (2 unidades), con lo cual se mantiene una relacin 3 : 1 en el contraste del sujeto, que es la misma relacin que exista antes de la duplicacin del miliamperaje. Por lo tanto, la intensidad que emerge slo del tejido blando siempre ser el triple de la intensidad que emerge del hueso, ya sea que el miliamperaje aumente o disminuya.

Distancia. La distancia entre el foco productor de rayos X y el objeto, afecta la intensidad de la imagen. A medida que disminuye la distancia entre el objeto y la fuente de radiacin, la intensidad de los rayos X aumenta, por el contrario, disminuye al aumentar la distancia. Esto sucede por que los rayos X, igual que la luz, viajan en lnea recta divergente.

En general, el cambio de intensidad con la distancia, es similar al cambio que produce el cambio de miliamperaje. Por lo tanto, el contraste del sujeto no se altera con el cambio de la distancia del foco emisor. Es preciso mencionar, para fines prcticos, que al cambiar la distancia del foco emisor, se debe tener en cuenta el efecto que esto produce en la borrosidad de la imagen, y el efecto que esto produce en el uso de parrillas antidifusoras.

Aritmticamente, es posible calcular la variacin de la intensidad total de la imagen area, cuando se cambia la distancia.

Kilovoltaje y forma de ondas de tensin.Un cambio en el kilovoltaje ocasiona diversos efectos. Primero, se traduce en un cambio en el poder de penetracin de los rayos X, adems de alterarse la intensidad total del haz. Este cambio de intensidad ocurre aunque no se haya variado la corriente del tubo. Por otro lado, un cambio en el kilovoltaje, consecuentemente, producir alteracin del contraste del sujeto. Al aumentarse el kilovoltaje, se incrementa el poder de penetracin del haz, debido a que se generan rayos X de menor longitud de onda (mayor energa), adems de que todas las longitudes de onda que estaban presentes anteriormente siguen permaneciendo presentes, aunque con mayor intensidad. Es decir, se incrementa el poder de penetracin y la intensidad total del haz de rayos X. Debido a las diferencias en la forma de ondas de tensin, el efecto de cambiar de un generador monofsico a un trifsico es similar al de aumentar el kilovoltaje. De este modo, el efecto que tienen los cambios de la onda de tensin en el contraste del sujeto, en la intensidad, en la energa y poder de penetracin, es similar al efecto de los cambios en el kilovoltaje, vistos anteriormente.

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Haz de electrones

Filamento de Tungsteno

Blanco de Tungsteno

Anodo

Envoltura de

Vidrio al vacio

Haz de Rayos X

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