RAYOS X: NATURALEZA, PROPIEDADES, INTERACCIÓN CON LA MATERIA Prof. Dr. Guillermo J. Pepe Cátedra de Diagnóstico por Imágenes Facultad de MedicinaMedicina- UNNE UNNE-- RADIOLOGÍA CONVENCIONAL • Utiliza radiación X para el diagnóstico médico A. RADIOGRAFÍA Documenta el paso de la radiación ionizante a través de un cuerpo B. RADIOSCOPÍA Permite la visualización de estructuras anatómicas en tiempo real RAYOS X RADIACIÓN Emisión y propagación de energía a través del aire o la materia. TIPOS A. CORPUSCULAR Partículas de materia con masa que viajan en línea recta a gran velocidad desde sus orígenes (partíc alfa protones, neutrones) B. ELECTROMAGNÉTICA Propagación de energía a través del espacio en forma de un campo electromagnético oscilante ( rayos X, gamma, luz, ondas de radio, etc.) RAYOS X Los rayos X son una forma de energía electromagnética que se propaga en forma de ondas energéticas (sin masa) a la velocidad de la luz de acuerdo a la siguiente ecuación: C= λ.ν C: velocidad de la luz Donde λ (lambda) (lambda) corresponde a la longitud de onda ν (nu) es la frecuencia, ( Nº de oscilaciones por unidad de tiempo). RAYOS X Espectro Electromagnético Todas las formas de radiación electromagnética se agrupan de acuerdo a sus longitudes de onda. Ninguna tiene masa y todas se desplazan con la misma velocidad. Cuando su longitud de onda cambia cambian sus propiedades Como todas las ondas electromagnéticas tienen la misma velocidad , su frecuencia (ν) (ν) es inversamente proporcional a su longitud de onda. RAYOS X λ + − ESQUEMA DE ONDA ELECTROMAGNÉTICA RAYOS X NATURALEZA CUÁNTICA DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Para muchos propósitos se considera a la radiación electromagnética como ondas. Tambien podemos considerarla como pequeñas “partículas” viajando con la velocidad (C) de la luz y cada una portando una cierta cantidad de energía. Esta “partícula” o haz de energía se llama quantum o fotón. La cantidad de energía transportada por el fotón depende de la frecuencia de la radiación. Si se duplica la frecuencia la energía del fotón se duplica (directamente proporcional) RAYOS X NATURALEZA DUAL DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA • LONGITUD DE ONDA CORTA SIGNIFICA ALTA FRECUENCIA QUE SIGNIFICA FOTONES DE GRAN ENERGÍA. • LONGITUD DE ONDA LARGA SIGNIFICA BAJA FRECUENCIA LO QUE EQUIVALE A FOTONES DE PEQUEÑA ENERGÍA EL ÁTOMO CAPA K NÚCLEO CAPA L ELECTRONES (protones + Neutrones) CAPA M CAPA N MODELO ATÓMICO DE BOHR ( COMO EL SISTEMA SOLAR) RAYOS X ENERGÍA DE LIGADURA DEL ELECTRÓN A SU ÓRBITA • Es la energía requerida para desplazar al electrón de su órbita o capa. • Es mayor en las capas más internas del átomo y en los átomos con alto Nº atómico (Nº de protones en el núcleo). • La energía de ligadura es negativa. Para desplazar un electrón del átomo es necesaria una energía igual a 0 o de valores positivos. • La energía cinética siempre tiene valores positivos. IONIZACIÓN Formación de iones positivos y negativos por desplazamiento de un electrón de un átomo eléctricamente neutro. La ionización comienza con un átomo NEUTRO (la carga eléctrica es 0 porque hay igual cantidad de cargas (+) y ((-)- Nº de protones en el núcleo (+) que de electrones ((-) ). Cuando un átomo gana o pierde electrones se IONIZA. ÁTOMO Nº ATÓMICO (Z) Número de protones en el núcleo o de electrones orbitales. Nº DE MASA (A) Suma de protones y neutrones en el núcleo. Las propiedades químicas de un átomo están determinadas por el Nº atómico (Z) QUÉ SON LOS RAYOS X? Son paquetes de alta energía, sin carga eléctrica que se desplazan en ondas con una frecuencia específica, a la velocidad de la luz . RAYOS X: PROPIEDADES 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Ondas altamente penetrantes, invisibles; Eléctricamente neutros. Amplio rango de longitudes de onda (10 -11m. a 10 -8 m. en medicina) Cada haz de rayos X es heterogéneo ( contiene rayos de distinta longitud de onda) . Se propagan en línea recta Poder de ionización de gases por su capacidad de desplazar electrones de sus átomos. Causan fluorescencia en ciertos cristales. Producen efecto fotográfico en un film (imagen latente que se revela químicamente). Provocan cambios químicos y biológicos que dependen de su poder de ionización. RAYOS X: PRODUCCIÓN Cuando electrones animados de una gran velocidad son desacelerados o parados bruscamente , parte de su energía cinética se convierte en rayos X. CONDICIONES NECESARIAS PARA SU PRODUCCIÓN 1. PRODUCCIÓN DE ELECTRONES: La corriente de filamento (bajo voltaje) calienta el filamento de Tungsteno ( 2.200º C) hasta la incandescencia y libera electrones por emisión termoiónica. NUBE ELECTRÓNICA CIRCUITO DE BAJO VOLTAJE FILAMENTO DE TUNGSTENO CONDICIONES NECESARIAS PARA SU PRODUCCIÓN 2. ELECTRONES DE ALTA VELOCIDAD Se desarrolla una alta diferencia de potencial entre cátodo (filamento) y ánodo (blanco) CÁTODO aplicando alto voltaje entre ellos. ANODO Los electrones de la nube son acelerados hacia el ánodo a una altísima velocidad (1/2 de la luz). La corriente Nube electrónica Nube electrónica Filamento de electrones siempre es de cátodo al ánodo. CONDICIONES NECESARIAS PARA SU PRODUCCIÓN 3. CONCENTRACIÓN DE ELECTRONES El haz electrónico es focalizado hacia un punto pequeño sobre la superficie del ánodo mediante un focalizador de molibdeno en el cátodo que está diseñado para dirigirlos hacia el foco anódico. Focalizador electrónico Foco anódico CONDICIONES NECESARIAS PARA SU PRODUCCIÓN 4- FRENAMIENTO BRUSCO DE LOS ELECTRONES Al llegar al ánodo la corriente electrónica es frenada bruscamente por choque y la energía cinética es transformada, 98.8% en calor y sólo el 0.2% en rayos X. Este choque provoca una excitación más que una ionización. En este estado los electrones, como proyectiles, transfieren parte de su energía a la capa más externa de los átomos del ánodo, pero no la suficiente como para ionizarlo y lo dejan con un mayor nivel energético. Cuando retornan a su nivel energético inicial lo hacen emitiendo radiación infrarroja (calor). La eficiencia de un tubo moderno, por lo tanto, es muy baja. RAYOS X: TIPOS 1- RAYOS X GENERALES (BREMSSTRAHLUNG) O RADIACIÓN DE FRENAMIENTO 2- RAYOS X CARACTERÍSTICOS RAYOS X GENERALES (FRENAMIENTO ó BREMSSTRAHLUNG) Radiación de freno radiación se origina de baja energía Este tipo de por la interacción de los electrones con el núcleo del átomo de Tg. del ánodo. Electrón Cuando el electrónelectrón-proyectil pasa cerca del núcleo reduce su velocidad (es frenado) y desviado de su trayectoria original. Esto deja al electrón con una reducida energía cinética y esta pérdida de energía reaparece como radiación X . Una radiación de frenamiento de baja energía se produce cuando el eees apenas influído por el núcleo. Una de alta energía, cuando el ee- pasa muy cerca del núcleo y pierde casi Radiación freno toda sude energía cinética. de alta energía En radiología diagnóstica la mayoría de la radiación X tiene su origen en el frenamiento o Bremsstrahlung RAYOS X CARACTERÍSTICOS Electrón eyectado Si el proyectilproyectil- electrón interacciona con la capa de la capa K electrónica más interna (K),sin hacerlo con el Proyectil núcleo atómico se produce una radiación electrón característica. El proyectil eyecta el electrón de la capa K y el átomo de tungsteno queda ionizado y en la capa K queda temporariamente un “agujero electrónico”,que es ocupado por un electrón de la capa adyacente. Esta transición electrónica de Proyectil una órbita más externa a una interna eselectrón acompañada por la emisión de fotón decontinúa rayos X (característico).-(característico). SÓLO LOS RAYOS X CARACTERÍSTICOS ORIGINADOS EN LA CAPA K SON ÚTILES EN RADIOLOGÍA DIAGNÓSTICA PROPORCIÓN Si el kilovoltaje (Kv) es de 70: 15% radiación característica 85% rayos X generales (frenamiento o bremsstrahlung) PRODUCCIÓN DE RAYOS X: TUBO CALOTA METÁLICA CÁTODO AMPOLLA ELECTRONES ÁNODO VENTANA RAYOS X TUBO DE RAYOS CARACTERÍSTICAS: Alto voltajePRODUCE 80-140 Kv ELECTRONES AL CÁTODO: (FILAMENTO TUNGSTENO) CALENTARSE. ÁNODO: (PLACA TUNGSTENO) PRODUCE RX. POR CHOQUE Rotor Ánodo ELECTRÓNICO. ENTRE AMBOS: DIFERENCIA DE POTENCIAL Calota PROTEGIDO POR AMPOLLA DE VIDRIO PIREX (alta resistencia al calor) ALTO VACÍO: EVITACátodo EL CHOQUE DE LOS ELECTRONES CON EL AIRE Estator Ampolla de vidrio CÁTODO CONECTADO AL POLO NEGATIVO Ventana Electrones ÁNODO AL POLO POSITIVO: ATRAE ELECTRONES (-) (Colimador TODOS LOS COMPONENTES PROTEGIDOS POR UNA CALOTA DE HIERRO Haz de rayos X ÁNODO GIRATORIO PARA EVITAR EL CHOQUE DE (E(E-) EN EL MISMO LUGAR. PRODUCCIÓN DE RAYOS X EQUIPO DE RAYOS: COMPONENTES 1. 2. 3. 4. 5. GENERADOR DE ALTA TENSIÓN MESA DE COMANDO MESA DE EXAMEN TUBO DE RAYOS COLUMNA PORTA TUBO EQUIPO DE RAYOS TUBO COLIMADOR MESA COLUMNA GENERADOR MESA DE RADIOSCOPÍA TUBO INTENSIFICADOR DE IMÁGENES CALIDAD E INTENSIDAD DE LOS RAYOS X • La intensidad o cantidad de rayos X depende de la cantidad de electrones que chocan contra el ánodo en la unidad de tiempo. Depende de la temperatura del filamento (cátodo). Se regula con el miliamperaje (mA (mA). ). • El poder de penetración o calidad de los rayos X depende de la energía cinética (velocidad) con que los electrones chocan contra el ánodo. Se regula variando la diferencia de potencial entre cátodo-- ánodo con el kilovoltaje (Kv) cátodo FILTRACIÓN Los rayos X tienen un espectro continuo de energía. En una onda coexisten rayos de distinta longitud de onda. Los rayos de menor energía llegan a la piel del paciente y allí se absorben , lo que puede provocar lesiones (dermatitis, etc.). Para evitarlo se colocan filtros de aluminio en la ventana del tubo de rayos, cuya función es absorber los fotones de baja energía y evitar que lleguen a la piel del paciente. RAYOS X: INTERACCIÓN CON LA MATERIA Desde el punto de vista de la radiología diagnóstica los rayos X interaccionan con la materia de acuerdo a dos mecanismos: 1. EFECTO FOTOELÉCTRICO 2. EFECTO COMPTON EFECTO FOTOELÉCTRICO Predomina con rayos X de baja energía y con altos Nº atómico. Cuando un fotón choca con un átomo puede incidir sobre un electrón de una órbita interna y eyectarlo del átomo. Si el fotón aún queda con energía se la transfiere al electrón eyectado como energía cinética. EFECTO COMPTON Acontece en la absorción de Rayos X de alta energía y Nº atómicos bajos. Se produce cuando fotones de alta energía colisionan con un electrón orbital. Ambas partículas se eyectan con un ángulo que diverge al fotón incidente. Éste transfiere parte de su energía al electrón que emerge con una longitud de onda mayor. Esta divergencia se conoce como dispersión Compton. ATENUACIÓN DE LOS RAYOS X RADIACIÓN DISPERSA ABSORCIÓN FOTÓN EMERGENTE FOTÓN INCIDENTE CUERPO OPACO RADIACIÓN DISPERSA ATENUACIÓN= ABSORCIÓN + DISPERSIÓN ATENUACIÓN La absorción es directamente proporcional a: 1. Nº ATÓMICO DEL MATERIAL (Z) 2. ESPESOR e inversamente proporcional a 1. ENERGÍA DEL FOTÓN ATENUACIÓN DE LOS RAYOS X RADIACIÓN DISPERSA: DISPERSA: Se produce cuando el fotón incidente interacciona con el cuerpo del paciente. Es de baja energía y dirección diferente a la del haz primario. Nociva para el paciente (se absorbe en los tegumentos) y degrada la imagen radiográfica. SU REDUCCIÓN: REDUCCIÓN: 1- Limitar (colimar) el haz ( su producción) 2- Uso de grillas o rejillas antidifusoras( su llegada) ATENUACIÓN DE LOS RAYOS X • Los fotones que pasan a través del cuerpo del paciente y llegan al film son TRANSMITIDOS RANSMITIDOS Tubo • Los fotones que entregan toda su energía al cuerpo son ABSORBIDOS • Los fotones que son desviados de su dirección original son DISPERSADOS Chassis radiográfico TRANSMITIDOS ABSORBIDOS DISPERSADOS RADIACIÓN DISPERSA: REDUCCIÓNGRILLA ANTIDIFUSORA tubo NOTE LAS LINEAS PARALELAS DE LA GRILLA 1.Láminas de Plomo (delgas) paciente (1) grilla LAS LÍNEAS ANTIDIFUSORA DESAPARECEN FIJA CON EL GRILLA MOVIMIENTO DE LA GRILLA (BUCKY LA GRILLA DEJA PASAR SÓLO LOS FOTONES PARALELOS A LAS LÁMINAS DE PLOMO. ABSORBE LA RADIACIÓN DISPERSA. PELÍCULA RADIOGRÁFICA SOPORTE 1. BASE DE POLIESTER (fuerte y flexible) 2. GELATINA EMULSIÓN SENSIBLE 1. CRISTALES DE YODURO DE PLATA (suspendidos en la gelatina) a) granos de forma plana de yoduro de plata en las películas modernas. b) producen superficies planas que aumenta da sensibilidad y la velocidad del film PANTALLA REFORZADORA 1. SON DE CRISTALES DE TIERRAS RARAS 2. CONVIERTEN LA ENERGÍA DEL HAZ DE RAYOS EN LUZ VISIBLE •CHASSIS RADIOGRÁFICO ABIERTO QUE MUESTRA LAS PANTALLAS REFORZADORAS (BLANCAS) 3. POR CADA FOTÓN DE RAYOS X QUE LLEGA SE PRODUCEN CIENTOS DE HACES LUMINOSOS A. CHASSIS B. PANTALLA REFORZADORA C. PELÍCULA RADIOGRÁFICA PANTALLA REFORZADORA HAZ DE RAYOS X GRILLA PANTALLACRISTALES LUZ VISIBLE PELICULA RADIOGRÁFICA LA PANTALLA REFORZADORA ES RESPONSABLE DEL 98% DE LA IMAGEN RADIOLÓGICA PANTALLA REFORZADORA VENTAJAS 1. Disminución de los factores de exposición: A. Disminuye la dosis B. Disminuye el tiempo de exposición 2. Mejora el contraste (respecto de las radiografías realizadas sin pantalla). RADIOPROTECCIÓN Por su uso, especialmente médico, los rayos X son los que más contribuyen a la irradiación artificial de la población (90%). Es importante que los médicos conozcan los peligros de las radiaciones ionizantes para tener en cuenta su relación riesgo /beneficio. EMBARAZO En la MUJER en edad de concebir indicar la radiografía luego de los 10 días DESPUES de la menstruación. Si se comprueba el embarazo: POSPONER EL ESTUDIO HASTA NACIMIENTO. Si no se puede: por lo menos hasta los 8 meses del embarazo. La radiosensibilidad fetal es 10 veces mayor que en el adulto. Especialmente durante el primer trimestre de gestación. RADIOSENSIBILIDAD MAYOR CUANTO MÁS SE DIVIDEN LAS CÉLULAS DE UN TEJIDO (fundamento de la radioterapia). Por ello se afectan especialmente, los tejidos embrionarios y los elementos blancos de la sangre (la médula ósea está en actividad continua). RADIOPROTECCIÓN -COLIMACIÓN: Limitar el haz de radiación sólo a la zona de interés. Esto además mejora la calidad de imagen. -DISTANCIA TUBO-PACIENTE: A igualdad de dosis, la dosis en la piel del paciente es inferior cuando se aleja el tubo. Aumentando la distancia tubo paciente de 25 a 60 cm. Se reduce la dosis dérmica al 50%.DISMINUYE CON EL CUADRADO DE LA DISTANCIA RADIOPROTECCIÓN CALIDAD DEL HAZ DE RAYOS: RAYOS Si un haz tiene muchos fotones de baja energía, un alto % será absorbido por el paciente y sólo pocos contribuirán a formar la imagen. (mala calidad) FILTRACIÓN Filtros de aluminio colocados en la FILTRACIÓN: ventana del tubo absorben los fotones de baja energía que dañan la piel del paciente. GRILLA ANTIDIFUSORA : Dispositivo que cumple la función de reducir la radiación dispersa emitida por el paciente antes de llegar a la película. RADIOPROTECCIÓN SENSIBILIDAD DE LA PELÍCULA y PANTALLA:: Utilizar películas y pantallas PANTALLA de alta sensibilidad, lo que permite reducir la dosis. INTENSIFICADORES DE IMAGEN: IMAGEN: Al aumentar la luminosidad de la imagen fluoroscópica disminuye la dosis de radiación necesaria para un estudio dinámico. AVANCES: RADIOLOGÍA DIGITAL DOS TIPOS: - DIRECTA - RADIOLOGÍA COMPUTADA DIRECTA: - Usa detectores para capturar la imagen. Esta imagen se lee en una workstation o son impresas. - Detectores de silicato amorfo - No usa chassis radiográfico AVANCES: RADIOLOGÍA DIGITAL • RADIOLOGÍA COMPUTADA • La radiografía se toma con equipos convencionales • Usa chassis con pantallas de fósforo. • Las imágenes son escaneadas en un digitalizador y vistas en un monitor y impresas RADIOLOGÍA COMPUTADA Se toma la radiografía Impresora láser seca Se pasa la tarjeta Lectora del código de barras del chassis radiográfico de ID del paciente Workstation para manipular Digitalizador. Tarda 30 se la imagen y enviarla a gundos para scanear una Archivo o impresión imagen de 35x43 cm. Digitalizador de imágenes RADIOLOGÍA CONVENCIONAL VS. DIGITAL RADIOLOGIA CONVENCIONAL RADIOLOGÍA DIGITAL VENTAJAS El post- procesado permite mejorar las imágenes. Evita repeticiones innecesarias Mejora sustancial de la calidad de la imagen FIN