Tema 5

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS EQUIPOSY HACES DE RAYOS X

5. 1. Introducción

Los rayos X y sus dispositivos asociados constituyen una técnica fundamental de diagnóstico. Las propiedades básicas de los rayos X utilizados en radiodiagnóstico son:

Su absorción, que en la gama de energías del radiodiagnóstico se realiza por efecto fotoeléctrico.

La fluorescencia que induce en ciertas sustancias, por la que éstas transforman la energía de los rayos X en luz visible.

El efecto fotoquímico que también pueden inducir sobre ciertas sustancias químicas, provocando reacciones que produzcan una imagen latente que tras un procesado se transforma en una imagen visible.

La producción de ionizaciones medibles con detectores.

En un tubo de rayos X, un haz de electrones acelerados choca contra el ánodo y provocan la emisión de la radiación.

Para acelerar los electrones hay que aplicar entre el cátodo y el ánodo una diferencia de potencial continua de tensión elevada que, según las aplicaciones, varía desde algunas decenas hasta las centenas de kilovoltios. Para ello se requiere una etapa de amplificación de la tensión de la red y otra de rectificación de alterna a continua. En la figura 5.1. se ilustra un es-quema de las partes principales que constituyen un aparato productor de rayos X.

Como consecuencia del choque de los electrones en el ánodo se produce una gran cantidad de calor que debe eliminarse; por ello, se debe disponer de un sistema de refrigeración, pues si no se evacuara dicho calor de forma eficaz, se llegaría a producir la fusión del metal del ánodo.

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Figura 5.1. Estructura de un aparato de rayos X.

En los epígrafes siguientes, se describen los distintos componentes que forman los equipos de rayos X y las características fundamentales del haz de radiación.

5.2. Elementos básicos de un tubo de rayos X

La radiación se genera cuando los electrones impactan sobre un blanco de material altamente resistente. El mecanismo de producción es el siguiente (figura 5.2), el cátodo (C) posee un filamento (F) que esta situado frente al ánodo (A). En la parte central del ánodo está situado el blanco de wolframio (B) sobre el que inciden los electrones.

Tanto el ánodo como el cátodo están en el interior de una ampolla de vidrio, en cuyo interior se ha hecho el vacío para facilitar el desplazamiento de los electrones. El haz útil de rayos X sale en la dirección mostrada en la figura atravesando una región del tubo (V), en la que el espesor de vidrio es menor que en el resto, llamada ventana de rayos X.

La ampolla está en el interior de un recipiente metálico relleno de aceite que actúa como refrigerante, y todo ello va rodeado de una coraza de plomo.

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Figura 5.2. Esquema de un tubo de rayos X.

Cuando pasa la corriente eléctrica auxiliar por el filamento, éste se calienta y se pone incandescente, emitiendo electrones por efecto termoiónico, en mayor cantidad cuanto mayor sea su temperatura, es decir, cuanto mayor sea la intensidad eléctrica que circula por el filamento.

Cuanto mayor sea la intensidad aplicada, se producirá una mayor cantidad de electrones por segundo. De esta forma podemos regular la cantidad de electrones que circulan por el tubo y, por tanto, se puede variar la cantidad total de radiación producida, sin variar su energía.

La diferencia de potencial aplicada entre el ánodo (+) y el cátodo (-) se utiliza para acelerar los electrones emitidos por el filamento, haciéndolos impactar contra el blanco a gran velocidad. Esta velocidad dependerá de esa diferencia de potencial.

Los electrones que inciden sobre el blanco a gran velocidad se frenan y una pequeña parte de su energía cinética se transforma en rayos X de frenado y el resto se disipada en forma de calor.

Para las tensiones empleadas en radiodiagnóstico, este porcentaje de radiación de frenado es muy pequeño, puede decirse, que el 99% de la energía de los electrones se transforma en calor y sólo el 1% se transforma en rayos X.

5.2. 1. Filamento

El filamento se encuentra incluido en una especie de surco practicado en el cátodo (cúpula de concentración) (ver figura 5.2) para que los electrones salgan localizados e impacten en una zona muy pequeña del ánodo, ya que, para evitar la aparición de

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fenómenos de penumbra, interesa que el haz de radiación se emita desde un haz lo más puntual posible. En cambio, este pequeño tamaño de la zona de impacto en el ánodo (blanco) presenta problemas de refrigeración.

El filamento suele ser una pequeña bobina de wolframio. Se elige este material por sus propiedades físicas de:

- alta emisividad termoiónica,- punto de fusión elevado y- baja evaporación en vacío.

Algunos tubos de diagnóstico poseen dos filamentos de diferente tamaño, para trabajar buscando un compromiso entre el tamaño mínimo del foco (mejor imagen) y una mayor disipación de potencia (tiempo de disparo menor).

5.2.2. Ánodo

El blanco utilizado en los tubos de rayos X convencionales suele ser también de wolframio, ya que el material del que se construye el ánodo debe reunir las siguientes propiedades:

· Alto punto de fusión, que evite que se funda por efecto de las altas temperaturas que se alcanzan en el interior del tubo.

· Gran conductividad calorífica, que favorece la disipación rápida de todo el calor producido en la pequeña superficie de incidencia de los electrones.

· Baja tensión de vapor, de forma que aún a muy altas temperaturas y alto vacío, la cantidad de moléculas vaporizadas sea mínima.

· Alto número atómico, ya que la cantidad de radiación producida aumenta con el número atómico (por aumentar la posibilidad de frenado de los electrones incidentes).

Los tubos de rayos X pueden diseñarse con ánodo fijo o con ánodo rotatorio.

A) Ánodos fijos

En éstos, el ánodo está formado por una barra de cobre, recubierto de wolframio en la zona de impacto de los electrones. Se define en ellos la superficie local como la zona de impacto de los electrones donde se generan los rayos X.

La superficie del ánodo está inclinada respecto a la dirección del haz para que los rayos X formados salgan perpendiculares al tubo (figura 5.3.a). La proyección de la superficie focal en la dirección de los rayos X es menor que su tamaño real.

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Se puede distinguir entre la superficie total, sobre la que inciden los electrones que provienen del cátodo, y la superficie focal eficaz, que es la proyección de la superficie del foco real en el plano perpendicular al haz de salida de la radiación.

B) Ánodos rotatorios

Para que los tubos de rayos X resistan mayor carga, se ideó el sistema de ánodo rotatorio (figura 5.3.b), con un diseño tal que la superficie sobre la que chocan los electrones sea sensiblemente mayor.

Las interacciones entre los electrones y el blanco solo producen parcialmente emisión de rayos X. La mayor parte de las interacciones son del tipo electrón-electrón y generan una alta tasa de calor, que alteraría la superficie del blanco, si no existiera refrigeración. Cuando el blanco gira, el calor se reparte por toda la pista anódica y la superficie del foco calorífico es mayor que la del foco electrónico.

En los ánodos rotatorios el blanco también está inclinado con respecto a la perpendicular de la trayectoria de los electrones, para poder disipar más calor sin aumentar el tamaño aparente del foco.

Figura 5.3. Tipos de ánodo: fijo (a) y rotatorio (b).

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La rotación se consigue con un motor eléctrico en el que la parte móvil está en la zona de vacío, equilibrada cuidadosamente para que la rotación del conjunto anódico sea lo más libre posible.

En general se puede decir que:

El foco térmico está determinado por:

- El tamaño del filamento en el cátodo.- La localización del haz de electrones.- La inclinación del ánodo.- Su velocidad de rotación.

El foco efectivo no depende de la velocidad de rotación del ánodo. Como tamaño del foco efectivo se toma el que se observa desde el centro del haz.

5.2.3. Alimentación y rectificación

Los tubos de rayos X funcionan con corriente continua de alto voltaje (mayores de 40 kV). Como la fuente de energía comercial es corriente alterna de bajo voltaje, es preciso un circuito de alimentación que conste de una etapa de amplificación y otra de rectificación de la tensión.

En la etapa de amplificación se utiliza un transformador-amplificador que sube la tensión hasta alcanzar la que se quiere aplicar al tubo. Los transformadores se encuentran sumergidos en aceite que actúa como aislante. Hay también un pequeño transformador-reductor para alimentar el filamento, ponerlo incandescente y conseguir la emisión de electrones.

El tubo de rayos X sólo deja pasar la corriente eléctrica cuando el cátodo es negativo y el ánodo positivo; la aplicación de una polaridad inversa (cátodo positivo y ánodo negativo) no permite el paso de la corriente. Por eso, si el tubo de rayos X se conecta a una corriente alterna directamente, el mismo actúa como rectificador, pues solo aprovechara la semionda correspondiente al ánodo positivo y al cátodo negativo.

En los equipos de gran potencia, se emplea corriente trifásica y circuitos multipulso, de esta forma, la tensión de alimentación aplicada al tubo es prácticamente continua.

5.3. Efecto anódico

La proyección focal de la radiación sobre la película varia a lo largo del eje del tubo, siendo menor la intensidad en la zona anódica que en la catódica, y por tanto, la densidad óptica (ennegrecimiento de la película) varia de la misma forma.

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En el lado anódico hay un menor ennegrecimiento de la película y por tanto, una mayor nitidez en la imagen radiológica. En la figura 5.4 se observa que las intensidades que llegan a los puntos a, b y c son diferentes, ya que:

· Los puntos a y c están más alejados del foco que el b: la intensidad en a y c será menor que en b (en función de la ley del inverso del cuadrado de la distancia).

· La radiación que llega a los puntos a y c atraviesa la coraza del tubo en direcciones oblicuas, por lo que será más atenuada que los rayos próximos al eje.

Figura 5.4. Efecto anódico.

· Los rayos X que se emiten en las direcciones comprendidas entre a y b están más atenuados por el blanco que los emitidos en la dirección comprendida entre b y c, lo que puede justificar que la intensidad en la dirección de a sea menor. Este efecto, denominado "efecto tacón o anódico", ocurre porque los rayos X se generan en puntos no demasiado profundos del blanco y también porque la superficie del blanco no es estrictamente plana. Este efecto se acentúa con el uso del tubo, haciéndose visible incluso en las radiografías.

5.4. Magnitudes que influyen en la calidad del haz de rayos X

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5.4. 1. Influencia de la tensión aplicada

Al aumentar la tensión aplicada entre cátodo y ánodo, los electrones que llegan al ánodo lo hacen con mayor energía cinética y, por ello, los fotones de frenado son más energéticos.

La radiación característica tiene siempre, para un determinado material del ánodo, la misma energía, pero al aumentar la tensión de aceleración va-ría la cantidad de fotones característicos producidos y su proporción con respecto a los de frenado.

5.4.2. Influencia de la intensidad de corriente aplicado

Al variar la intensidad de corriente (mA) varía la cantidad de electrones emitidos por el filamento que van a ser acelerados a lo largo del tubo de rayos X. Sin embargo, no se modifica su energía. Debido a este aumento de electrones, el número de fotones producidos aumentará proporcionalmente con la intensidad de la corriente.

El tiempo afecta en la misma medida que la intensidad de corriente.

5.4.3. Influencia de la filtración

En el espectro de rayos X (figura 2.3) los fotones de menor energía (situados en la zona izquierda del espectro) son los que tienen una mayor probabilidad de ser absorbidos rápidamente al atravesar los cuerpos; son rayos X poco penetrantes. Si a la salida de un haz de rayos X colocamos una lámina de un determinado material, el haz perderá los fotones menos energéticos, que no contribuyen a la formación de la imagen radiológica, y, sin embargo, si producen dosis adicional al paciente.

5.5. Características del haz del tubo de rayos X

Los fotones que constituyen el haz de rayos X emitidos por el tubo presentan una distribución continua en energías (espectro continuo), con valores entre 0 y E, siendo E la energía que corresponde a la diferencia de potencial aplicada entre el ánodo y el cátodo. Es decir, la energía máxima al aplicar una diferencia de potencial de 100 kVp será de 100 keV y el espectro de rayos X tendrá energías comprendidas entre 0 y 100 keV (figura 5.5).

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Figura 5.5. Espectro de rayos X con tensión de 100 kV.

Los fotones de energías bajas no contribuyen a la formación de la imagen radiológica, ya que un pequeño espesor de tejido blando basta para atenuar-los, por ser rayos X poco penetrantes. Para evitar dosis innecesarias en las capas superficiales del paciente, hay que eliminar los fotones de baja energía del espectro de rayos X, con el uso de filtros.

Un filtro es un material que se sitúa a la salida del haz de radiación para absorber preferentemente los fotones de baja energía. Se llama filtración al proceso que consiste en eliminar la radiación blanda del espectro, la menos penetrante, que no aporta nada positivo a la imagen radiológica y que en cambio producirá una irradiación adicional al paciente. Se utilizan filtros de aluminio (Al) hasta tensiones de 150 kV y de cobre (Cu) para tensiones superiores. Hay dos tipos de filtración: inherente y añadida.

La filtración inherente está formada por el propio ánodo, la ampolla de vidrio del tubo, el aceite que rodea al tubo y la coraza. Esta filtración actúa de modo permanente sobre el haz de radiación.

La filtración añadida se produce al colocar un material absorbente a la salida del haz, antes de que incida sobre el paciente. El espesor del filtro añadido depende de la tensión de trabajo que se emplee.

La filtración total del haz será la suma de la filtración inherente y la añadida. Se suele expresar en mm equivalentes de Al. Al filtrar se produce un endurecimiento del haz y una pérdida en la intensidad global de radiación. Este endurecimiento del haz provoca a disminuciones apreciables en la dosis en piel del paciente (hasta un 80%) y mejora el contraste de las imágenes radiológica.

Las recomendaciones que aparecen publicadas en la ICRP-33, en cuanto a la filtración total mínima que deben tener los tubos de rayos X en función del kilovoltaje utilizado, son:

- 1,5 mm de Al para valores entre 50 y 70 kVp.- 2,5 mm de Al para valores superiores a 70 kVp.

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5.6. Radiación dispersa

La radiación directa es la que sale por la ventana del tubo de rayos X, (figura 5.6). Cuando el haz directo interacciona sobre el paciente, ocurre que:

Parte del haz directo queda absorbido en el paciente.Otra parte lo atraviesa, creando el haz primario transmitido.Otra, por efecto de reflexiones múltiples, se dispersa en diferentes direcciones.

Figura 5.6. Tipos de radiaciones.

Una parte de los fotones dispersados atraviesan al paciente creando el haz disperso transmitido que llega al sistema de imagen. La radiación total que llega a la película será la suma del haz primario y el haz disperso transmitido.

La radiación de fuga es la que escapa a través de la coraza de plomo en la que se encuentra la ampolla de vidrio. Esta radiación debe ser mínima. La ICRP recomienda que, trabajando a máxima potencia y en las condiciones más desfavorables, la tasa de radiación de fuga debe ser siempre inferior a 1 mGy/h a 1 m de distancia del foco y fuera del haz directo.

La radiación dispersa produce efectos negativos sobre la imagen, ya que disminuye el contraste obtenido en la imagen radiológica. A medida que aumenta el kV, el tamaño del campo radiado o el espesor de paciente, aumenta la radiación dispersa que llega a la película.

Para disminuir el efecto de la radiación dispersa sobre la imagen final es conveniente:

· Reducir el kV hasta límites prácticos.· Comprimir los tejidos.

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· Limitar el campo de radiación (colimación).· Utilizar rejillas antidifusoras.

5.6. 1. Reducción de la tensión (kV)

El kV controla la penetración y el contraste, de modo que al trabajar a menores kV se favorecerá el contraste, aunque disminuye la penetración del haz.

Al utilizar kVp bajos se disminuye la radiación dispersa, ya que se favorece el efecto fotoeléctrico sobre el Compton, aunque para obtener una densidad óptica aceptable, habría que subir mucho el valor de los mAs, lo que supondría un aumento de dosis al paciente.

5.6.2. Compresión de tejidos

Se utiliza esta técnica para reducir el espesor de paciente con ayuda de algún instrumento de compresión. Al disminuir el espesor se obtiene una ex-posición más uniforme y se mejora la nitidez en la imagen.

5.6.3. Limitación del tamaño del campo (colimación)

La cantidad de radiación dispersa que se produce en el paciente será menor si el campo de radiación se limita sólo a la zona de interés (figura 5.7). Esto se logra utilizando los sistemas de limitación del haz. Estos limitadores de campo pueden ser:

· De apertura fija (diafragmas, conos y cilindros). Los conos producen mayor penumbra que los cilindros (figura 5.8).

· De apertura variable (colimadores): se colocan próximos al foco y pose-en varias láminas, para reducir las penumbras. Cada colimador consta de dos pares de láminas de Pb planas y perpendiculares entre sí. Los equipos se diseñan con un haz luminoso para simular la geometría del haz de rayos X. Es importante que el haz de luz esté perfectamente alineado con el haz de radiación.

Influencia del tamaño de campo sobre órganos críticos (ej.: gónadas).

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Figura 5.7. Influencia del tamaño del campo.

5.6.4. Rejillas antidifusoras

Es uno de los sistemas más utilizados para reducir la radiación dispersa. Este dispositivo se coloca entre el paciente y el sistema de imagen; su misión es absorber la radiación dispersa para mejorar la calidad de la imagen. Está diseñada con planchas de varios mm de espesor que tienen en su interior una serie de láminas sumamente finas de Pb (situadas en dirección paralela al haz de radiación), que se encuentran dentro de un material radiotransparente (plástico u otro material ligero). Se requiere que el haz de radiación y la rejilla antidifusora estén bien alineados.

Figura 5.8. Tipos de limitadores.Así se obtiene una auténtica rejilla que solo deja pasar la radiación entre las laminas de

plomo y, por tanto, solo las paralelas a ellas, absorbiendo todos los rayos que incidan en dirección oblicua. Las láminas se diseñan muy finas para que su imagen no aparezca prácticamente en la radiografía.

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Las rejillas antidifusoras pueden ser fijas (figura 5.9) o móviles (figura 5.10). En las móviles, para evitar la fina impresión de las laminillas de plomo sobre la placa, se les dota de un sistema de movilidad. De esta forma, mientras dura la exposición de la película, la rejilla antidifusora tiene un movimiento de vaivén que produce una absorción uniforme de radiación, pero sin que se marque ninguna línea sobre la película.Con el empleo delas rejillas antidifusoras, se logra atenuar notablemente la radiación dispersa, aunque se produce una disminución de la radiación di-recta transmitida. Su uso obliga a aumentar la dosis que recibe el paciente.

Figura 5.9. Rejilla antidifusora fija

Para caracterizar la eficiencia de la rejilla antidifusora, se define la selectividad, como el cociente entre la radiación primaria transmitida (T,) y la radiación primaria dispersada (T,)

Selectividad = TPITS

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Figura5.10. Rejilla antidifusora móvil.

5.7. Consideraciones sobre la formación de la imagen

La imagen radiológica esta constituida por las sombras proyectadas de diferentes órganos y estructuras que tienen transparencia radiológica distinta (figura 5.11). Las sombras proyectadas están ampliadas respecto a las dimensiones reales de las estructuras que las producen. La ampliación es tanto más importante cuanto más alejada esté la estructura de la película y menor sea la distancia foco-piel.

Figura 5.1. Formación de la imagen radiológica.

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En ocasiones se aumenta deliberadamente la ampliación de una estructura, alejando la película de la superficie del paciente, para poder estudiar mejor los detalles finos.

En radiodiagnóstico, el haz de radiación atraviesa una zona de tejido absorbiéndose una cierta fracción; la radiación transmitida se denomina imagen primaria, que se transformará en imagen visible con la ayuda de algún sistema de imagen (película radiográfica, pantalla radioscópica o intensificador de imagen con monitor de TV).

El haz de radiación que sale del paciente contiene radiación primaria y radiación dispersa. La calidad de imagen viene determinada por el número de fotones/cm2 que llegan al sistema de detección y define el ennegrecimiento de la película o el brillo de la pantalla.

5.8. Sistemas de imagen

5.8. 1. Intensificador de Imagwn

Muchas sustancias cuando son irradiadas con rayos X emiten radiación luminosa por un fenómeno de fluorescencia (los fotones emitidos caen en la zona visible del espectro). Estos materiales centelleadores transforman la radiación X en visible (por excitación de átomos que se desexcitan con emisión de luz).

5.8.2. Conjunto chasis-cartulina-película

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Los rayos X impresionan cierto tipo de películas fotográficas, igual que ocurre en el caso de la radiación visible con las películas fotográficas convencionales.

Las películas radiográficas se componen de (figura 5.12) un soporte central semirrigido y transparente, llamado base (acetato de celulosa). A ambos lados esta la emulsión sensible de bromuro de plata (BrAg).

Figura 5.12. Conjunto chasis-película.

La película radiográfica se impresiona débilmente cuando recibe rayos X, pero sí se impresiona fácilmente con la luz visible, por ello la película se coloca entre dos cartulinas

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llamadas hojas de refuerzo, que tienen una de sus caras impregnadas con sustancias que tienen propiedades fluorescentes, (la que esta en contacto con la película), de tal forma que cuando la radiación X llega a la película, pasa primero por esta cartulina, y se emite luz visible que es la que finalmente impresiona la película.

En la película se recogen los fotones del haz de rayos X incidente y los fotones de luz de las hojas de refuerzo (estos últimos son el efecto dominante). La película va en el interior de un chasis de Al o fibra de carbono en "bocadillo" con las cartulinas de refuerzo.

Este ahorro de energía reduce la dosis que recibe el paciente, aunque se produce un deterioro en la definición de los bordes. Para apreciar pequeños detalles se trabaja con película directa, sin chasis ni cartulinas (como el caso de radiografía dental), o con emulsión y cartulina de refuerzo en una sola cara (mamografía).

5.8.2. Detectores Digitales

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