introducción a la radiografía
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Introducción a la Radiografía. Núcleo de Ingeniería Biomédica Ing. Jorge Lobo. Puntos a ver: Introducción Generación de Rayos X Atenuación de Rayos X Detección y formación de la imagen. Puntos a ver: Introducción Generación de Rayos X Atenuación de Rayos X - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Introducción a la Radiografía
Núcleo de Ingeniería Biomédica
Ing. Jorge Lobo
Puntos a ver:
o Introducción
o Generación de Rayos X
o Atenuación de Rayos X
o Detección y formación de la imagen
Puntos a ver:
o Introducción
o Generación de Rayos X
o Atenuación de Rayos X
o Detección y formación de la imagen
Introducción Modelo Atómico
• Átomos Modelo Bohr• Z= nro de protones• En estado normal son neutros eléctricamente.• Los electrones se encuentran en niveles de energía que
rodean al núcleo.
+1
K
+2
K
+6
KL
+20
KLM
1H 2He6C
20Ca
42Mo
Introducción Configuración AtómicaEnergía de Ligadura
KeV
Nivel y Ocupación
-0,01
-0,07
-0,93
-8,98
1 N
18 M
8 L
2 K
29Cu
Energía de Ligadura
KeV
Nivel y Ocupación
-0,02-0,06
-0,5
-2,5
-10,2
-69,5
2 P
12 O
32 N
18 M
8 L
2 K
74W
Energía de Ligadura
KeV
Nivel y Ocupación
-0,01
-0,28
4 L
2 K
6C
Introducción
• Energía de ligadura (“binding energy”)– Energía requerida para separar completamente un
electrón del átomo. Mientras más cerca esté el e- del núcleo mayor es esta energía.
1 eV:Energía cinética que toma el electrón que es acelerado a través de un campo de 1 Volt.
1eV = 1,6 x 10-19 J
Introducción
+
+
+
+
-
-
-
-
1Volt
e-
+
+
+
+
-
-
-
-
10 Volts
e-
e-
e-
El e- tiene 1eV de energía cinética. Cada e- tiene 10eV de energía cinética.
Espectro electromagnético
Radiación de origen electromagnético, solo energía “empaquetada” en forma de fotones. Es radiación ionizante.
Energía de un fotón• Fotón cuya λ = 10-10 m (1 Å)• E = hע • λע =c => E =hc/ λ
• h: cte. de plank 6.6256 x 10-34 J s • c: v de luz. 3 x 108 m/s
• Recordando que 1 eV = 1.6021 x 10-19 J• => hc = 1,2406 x 10-6 eV m
• La energía necesaria para obtener fotones de long de onda de 0.1 Nm E= 1,2406 x 10-6 eV m / 10-10 m = 12 keV
• λu = 1.24 x10-6 / E
Si E es el voltaje de aceleración (en Volts) que es numéricamente igual a la energía de los electrones en eV, las longitudes de onda de los rayos X producidos son menores o iguales que el umbral λu
Puntos a ver:
o Definición de Rayos X
o Generación de Rayos X
o Atenuación de Rayos X
o Detección y formación de la imagen
Orígenes
Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923)
Rayos-X 1895
Generación de Rayos X
• Criterios de diseño de generador de Rx:– Producir suficientes rayos X en corto tiempo– Poder variar la energía de los rayos– Proveer Rayos X en forma reproducible
Cumplir con los estándares de seguridad
e-e-e-e-e-
e-
Generación de rayos X
ánodo
blanco
rayos X
Generador HV
+_
cátodo
mA
I
mA
I
mA
I
Conceptos:
1. Bremsstrahlung (Bremsung: frenado / Stralung: radiación)
Rayos X debidos a la desaceleración de los electrones en el ánodo. Transferencia de energía cinética e interacción con los átomos del ánodo.
2. Un segundo proceso ocurre cuando los e- incidentes tienen la energía suficiente para sacar electrones de las capas más internas dejando un estado vacante, por ej. en la capa K. Al ser ocupado este hueco se produce emisión de energía, rayos X característicos Estas radiaciones son independientes del voltaje aplicado, pero dependen del material del cátodo.
Bremsstrahlung
+e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
Rad
iaci
ón B
land
a
Bremsstrahlung
+e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
e-
Rad
iaci
ón D
ura
Espectro del Breemstralung
Emisión característica
Energía
KeV
Nivel y Ocupación
-0,02-0,06-0,5
-2,5
-10,2
-69,5
2 P12 O32 N
18 M
8 L
2 K
74W
e-
Efc=EbK - EbL
Transiciones electrónicas: emisión característica
Rayos ke-
Energía
KeV
Nivel y Ocupación
-0,02-0,06-0,5
-2,5
-10,2
-69,5
2 P12 O32 N
18 M
8 L
2 K
74W Rayos L
e-
e-
Emisión característicaEspectro
Espectro para el Mo
Intensidad de los Rayos X
• I = Nro.Fotones x Energía • Factores que intervienen:
– Material del Blanco (I ∞ Z del material, Tungsteno Z=74 o Molibdeno Z=42)
– Corriente de tubo (mA) aumentando la corriente aumento la intensidad.
– Voltaje de aceleración– Filtrado: con aluminio, de forma de eliminar los rayos x de poca
energía a ser transmitidas al paciente
Espectro para diferentes materiales del ánodo
Cambio de corriente de tubo
Cambio en el voltaje de tubo
Tubo de Rayos X
• Es un convertidor de energía, transforma energía electrica en calor y Rx.
• Contiene dos elementos fundamentales:– Ánodo:
• componente donde se producen los rayos X.
– Cátodo:• Component cuya función es expeler electrones y
dirigirlos hacia el ánodo.
Ánodo
• 2 funciones fundamentales:– Disipar temperatura lo más rápidamente– Generar rayos X
• Materiales– Tungsteno Z=74– Molibdeno (como base y superficie) Z=42– Rhenio Z=45– Rotatorio disipar calor– Focal spot: zona donde se producen los rayos X, 0.1mm a 2mm
• Pequeño buena definición en la imagen (- sombras), y poca radiación.
• Grande buena disipación de calor
Anodo
Cáthodo
• Filamento
• Los e- que fluyen a través de un circuito eléctrico no escapan del conductor al espacio libre.
• Emisión Termoiónica
• Corrientes de aprox. 3 a 7 A.
Cátodo Ánodo
Taza enfocadora (focusing cup)
Tubos
• El tubo es la parte del equipo más exigida– Eléctrica (hasta 300KVolts)– Térmica
• Solo el 1% de la energía entregada al tubo es convertida en rayos X el 99% restante se transforma en calor!
• 2 tipos de tubos:– Estacionarios– Rotatorios
Estacionarios
Fines terapéuticos
30KV y 4KW
Aspectos constructivosTubo de rayos X
Ánodo W
Rotor
Catodo, filamento, taza enfocadora
Ventana
Vidrio o metal vacío
Diagnóstico
Hasta 100KW
Mo
Estator
1700 ºC 2700 ºC
Generación de Alto Voltaje
Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia
Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia
Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia
• Obtener alta tensión en continua, el ánodo se conecta al polo negativo y el cátodo al polo positivo.
• Tener en cuenta:– Línea estable a la entrada– Cambios rápidos en la entrada se reproducen en la
salida.– Ripple a la salida– Gran volumen de equipos!
Generación Alto voltajeAlta frecuencia
• Inversores
Carga
S1
S2
S3
S4Ucarga
Uin
+
Uin
S1S4
S1S4
S3S2
Ucarga
Generación Alto voltajeAlta frecuencia
Fuente
trafoRectificacion onda completa Banco de C Inversor Trafo Rectificacion
onda completaBanco de C
Puntos a ver:
o Introducción
o Generación de Rayos X
o Atenuación de Rayos X
o Detección y formación de la imagen
Atenuación
Transmisión AbsorciónDispersión
Absorción
• La imagen de rayos X se forma a partir de la diferencia entre aquellos rayox que fueron absorbidos por efecto fotoeléctrico y los que no (Absorción diferencial).
• La mayoría de los rayos interaccionan por el efecto Compton. Por lo que la imagen obtenida no estan nítida como la de una fotografía.
• Por lo general menos del 5% de los rayos X incidentes llegan al film. Y menos del 1% tienen suficiente energía para interactuar con el film y generar la imagen.
• Es importante elegir el óptimo valor de KVp que maximizará la absorción diferencial, bajo KVp aumenta la absorción pero incrementa la dosis al paciente.
Atenuación de Rayos X
0 x
Io Ix
Ix < Io con ∆I = Io – Ix
Al atravesar un material la intensidad del rayo disminuye.
Atenuación rayos X1. Nro. Atómico ∆I ∞ Z3 (Mayor probabilidad de efecto fotoelectrico)
Z grande
Z chico
Mayor atenuación
El contraste en rayos X es una medida de absorción entre tejidos de distinta composición. Tejido blando Zeff= 7,4
Atenuación rayos X2. Densidad del material (efecto Compton)
ρ grande
ρ chico
Mayor atenuación
Todos los elementos tienen aproximadamente el mismo nro. de electrones por unidad de masa. Por lo que la probabilidad de reacciones Compton son independientes del Z.
La dispersión de fotones toma distintas direcciones, aunque la dirección privilegiada es la del fotón incidente.
Efecto Compton:
El fotón incidente interacciona con un electrón atómico desviándose y perdiendo energía. El electrón sale despedido, produciéndose un vacante en el átomo blanco. La energía del fotón rechazado resultante de un efecto Compton viene dada por:
cos11 2
mc
EE
E
Ej. Foton con E de100 KeV para ө =10º el fotón “dispersado” tendrá 98,7 KeV
Modelo matemático para atenuación
dxIdI .
sf
dxxI
I
dxxI
dI
xxxI
xIxxI
0ln
)(
Δx
I
0
If
s
µ(x)
Tomando el espesor del material y µ coeficiente de atenuación
3. Espesor del material
Modelo matemático II• Suponiendo que µ es cte
para una pared delgada.
Ix =I0 exp(-µx)
µ crece
Valores típicos del Coeficiente de atenuación en cm-1
Material 100 KeV 200 KeV 500 KeV
Aire 0.000195 0.000159 0.000112
Agua 0.167 0.136 0.097
Carbón 0.335 0.274 0.196
Aluminio 0.435 0.324 0.227
Hierro 2.72 1.09 0.655
Cu 3.8 1.309 0.73
Pb 59.7 10.15 1.64
Atenuación