Facultad de Ciencias de la Salud Escuela de Tecnología Médica

Radiodiagnóstico I

- Historia de los rayos X - Tipos de radiaciones ionizantes - Tubo de rayos x - Producción de rayos x

INTRODUCCIÓN.-

Los rayos x constituyen un tipo de energía electromagnética, siendo altamente empleada con fines diagnósticos. La energía electromagnética emitida por una fuente y que viaja por el espacio se denomina radiación electromagnética. Algunos ejemplos de este tipo de radiación son también, la radiación ultravioleta, procedente del sol, el calor emitido por una estufa y las ondas de radio generadas por una emisora. La radiación electromagnética en general, están conformadas por un campo magnético y uno eléctrico, los cuales se encuentran en fase y cuyos planos son perpendiculares entre sí. Dichas radiaciones tienen, además, un doble comportamiento. Se comportan como ondas, ya que este tipo de energía viaja desde un punto a otro a través de un movimiento ondulatorio. Es por ello que llamamos a este tipo de energía ondas electromagnéticas. Pero también, son capaces de interactuar con la materia, por lo cual tienen además el mismo comportamiento que una partícula. Estas “partículas” no son mas que pequeños paquetes de energía denominadas cuantos o fotones. Todas las ondas se caracterizan por tener una longitud de onda (λ), definida como la distancia entre las crestas de dos ondas sucesivas y una frecuencia (γ), que corresponde al número de longitudes de onda que pasan por un punto determinado en un tiempo dado. Además, viajan a través del espacio a la velocidad de la luz. Recordemos que mientras mayor sea la longitud de la onda, menor será la frecuencia. La relación es inversamente proporcional. Mientras menor sea la longitud de onda, mayor será la energía y poder de penetración de la radiación. ----------- Menor energía ----------- Mayor energía Una de las características más importantes de los rayos x, es que son capaces de ionizar la materia. Hablamos entonces de un tipo de radiación ionizante. Las radiaciones ionizantes corresponden a aquellas capaces de producir iones en la materia al quitarle electrones a los átomos. La radiación ionizante puede ser de dos tipos:

Radiación Corpuscular: Corresponden a partículas pequeñas que poseen masa,

que viajan en línea recta a gran velocidad. Como ejemplos tenemos a la radiación alfa y beta.

Radiación Electromagnética: Se definen como la propagación de energía en forma

de onda y sin masa a través del espacio o materia. Como ejemplos tenemos a la radiación x y gamma (γ).

Existen como ya fue mencionado, diversos tipos de radiación electromagnética, las

cuales se ordenan según su longitud de onda y frecuencia en un espectro continuo llamado espectro electromagnético. Por definición, los rayos x corresponden a una forma de radiación electromagnética similar a la del a luz visible, aunque de menor longitud de onda, la cual va desde los 10-8 a 10-10 m. Debido a su longitud de onda pequeña y alta energía los rayos x son capaces de atravesar la materia, siendo utilizada con fines diagnósticos.

ESPECTRO CONTINUO ELECTROMAGNÉTICO

HISTORIA DE LOS RAYOS X

Los rayos x son un tipo de radiación electromagnética artificial. No se producen en forma natural. Fueron descubiertos en forma accidental por Wilhelm Conrad Röentgen en 1865, catedrático de física en la Universidad de Würzsburg, Alemania, quién estudiaba los rayos catódicos en un tubo de descarga gaseosa de alto voltaje llamado tubo de Crookes. A pesar de que el tubo estaba dentro de una caja de cartón negro, Röentgen observó que en una pantalla de platocianuro de bario que casualmente estaba cerca de dicho tubo, se emitía una luz fluorescente, cuando el tubo estaba en funcionamiento. Comprobó como esa luz atravesaba un naipe, un libro, pero la gran sorpresa vino cuando al poner un trozo de plomo en el camino de los rayos no sólo vió la oscura sombra del objeto, sino además otra más débil, con la forma de su pulgar. Esa sombra perfilaba los huesos de la mano. Tras numerosos experimentos posteriores, Röentgen determinó que la fluorescencia se debía a un tipo de radiación invisible, a la cual por su naturaleza desconocida denominó rayos x. Al cabo de un mes, había identificado casi todas las propiedades de los rayos x que conocemos hoy. Cuando publicó sus descubrimientos todos los científicos se pusieron a examinar el nuevo fenómeno encontrando rápidamente sus aplicaciones. En 1901 se le otorgó el primero de los recién inaugurados premios Nóbel de Física.

La producción de los rayos x en el tubo de Crookes, llamado así en honor a su inventor, el físico británico William Crookes, se da a través de una ampolla de vidrio con vacío parcial, en cuyo interior se encuentran dos electrodos. Cuando una corriente eléctrica pasa por el tubo, el gas residual que se encuentra en su interior se ioniza y los iones positivos generados golpean el cátodo y expulsan electrones del mismo. Estos electrones, que conforman el haz de rayos catódicos, bombardean las paredes del vidrio del tubo y producen fotones de rayos x. Cuando el electrón impacta, parte de su energía cinética se pierde, siendo liberada a la forma de un fotón de Rx. Sin embargo, los rayos x producidos eran de muy baja energía.

En 1913, el físico estadounidense William Coolidge, mejora lo hecho por Crookes, creando el llamado tubo de Coolidge, aumentando el vacío e incorporando un filamento que generaba electrones por el calentamiento del mismo. Estos electrones eran acelerados gracias a la aplicación de una corriente de alta tensión que generaba una diferencia de potencial entre el filamento (cátodo o electrodo negativo) y un material blanco (cátodo o electrodo positivo) impactando dichos electrones en este último material, perdiendo su energía cinética a la forma de fotones de radiación x. Este tubo, es el precursor del actual tubo generador de rayos x.

EL APARATO DE RAYOS X La función del aparato de rayos x consiste en proporcionar una intensidad suficiente y controlada del flujo de electrones para producir un haz de rayos x con la cantidad y calidad deseadas.

Cualquier aparato de rayos x, con independencia de su diseño, consta de las siguientes

partes principales: • El tubo de rayos x • Colimadores • Consola de control (operador) • Sección de alta tensión o generador

1. El Tubo de rayos x: Es un componente del aparato de rayos x, que tal como se muestra en la figura siguiente, está contenido dentro de una carcasa protectora plomada y por lo tanto es inaccesible. Consta de dos partes principales, el cátodo o polo negativo y el ánodo o polo positivo, ambos se conocen como electrodos y cualquier tubo con dos electrodos se llama diodo. El tubo de rayos x es un tipo especial de diodo.

1. Ampolla-Estuche. 2. Cátodo. 3. Foco. 4. Ánodo. 5. Vacío. 6. Diafragma. 7. Haz de rayos X.

Los componentes del tubo de rayos son:

a) Carcasa protectora: El tubo de rayos x, siempre esta montado en una carcasa protectora, formada de plomo, y diseñada para controlar los serios peligros que afectaron a la radiología en sus principios (exposición excesiva a la radiación y descargas eléctricas). La carcasa protectora proporciona también un soporte mecánico al tubo de rayos x y lo protege frente al posible daño producido por la manipulación descuidada. Cuando se producen los rayos x, estos son emitidos con la misma intensidad en todas las direcciones, pero nosotros sólo empleamos los emitidos a través de una sección especial del tubo de Rx, llamada ventana.

Los rayos x emitidos a través de la ventana se conocen como haz útil, los restantes que se escapan a través de la carcasa protectora son, la radiación de fuga, que no contribuye a la información diagnóstica y produce una exposición innecesaria del paciente y del tecnólogo.

Entre la carcasa protectora y el tubo de rayos hay aceite, el cual actúa como aislante eléctrico y disipador de calor. b) Envoltura de cristal: Los componentes del tubo se encuentran dentro de una envoltura de cristal. Esta envoltura, que debe de ser fabricada de un vidrio que pueda soportar el tremendo calor generado, mantiene el vacío, lo cual hace posible una producción más eficaz de rayos x y prolonga la vida del tubo. Si estuviera lleno de gas, disminuiría el flujo de electrones que van del cátodo al ánodo, se producirían menos rayos x y se crearía más calor. La ventana del tubo es de un cristal más fino que filtra los rayos x. c) Cátodo: Es el electrodo negativo del tubo de rayos x y esta compuesto por dos partes principales: el o los filamentos y la cúpula de enfoque.

El filamento es una espiral de alambre que emite electrones al ser calentado. Cuando la corriente que atraviesa el filamento es lo suficientemente intensa, de aproximadamente cuatro a cinco amperios o superior, los electrones de la copa externa del filamento entran en ebullición y son expulsados del filamento. Este fenómeno se conoce como emisión termoiónica. Los filamentos suelen estar formados por Tungsteno, que proporciona una emisión termoiónica mayor que otros metales. Su punto de fusión es de 3410 grados centígrados, de forma que no es probable que se funda con el calor, además no se evaporiza, puesto que si lo hiciera el tubo se llenaría rápidamente de gas. La adición de un uno a un dos por ciento de Torio al filamento de Tungsteno, incrementa la eficacia de la emisión de electrones y prolonga la vida del tubo.

La copa de enfoque es un refuerzo metálico del filamento, condensa el haz de electrones en un área pequeña del cátodo.

La efectividad de la copa de enfoque depende de tres factores:

• La corriente del filamento que regula la cantidad de rayos X de salida. • El tamaño del filamento, que impone el tamaño del foco efectivo que se produce en

el ánodo. Los tubos de rayos X suelen llevar dos filamentos de diferente tamaño, uno pequeño de entre 0,3 y 0,6 mm de diámetro y uno grueso que mide entre 1 y 1,6 mm de diámetro. Por ello, el cátodo proporciona dos puntos focales; el punto focal de tamaño pequeño se asocia con el filamento menor y se emplea cuando se necesitan imágenes de alta resolución.

• El punto focal de tamaño grande se asocia con el filamento mayor y se emplea cuando se necesitan técnicas que produzcan mayor cantidad de radiación.

d) Ánodo: Es el electrodo positivo del tubo de rayos x. Existen dos tipos: estacionarios y rotatorios: Los tubos de rayos x con ánodo estacionario se utilizan en aparatos de odontología, algunas máquinas portátiles y unidades destinadas a fines especiales que no requieren intensidad ni alta potencia en el tubo.

Con los ánodos rotatorios es posible obtener mayores corrientes en el tubo y tiempos de exposición más cortos, ya que el blanco es mucho mayor y el calentamiento del ánodo no se limita a un punto pequeño. La capacidad de calentamiento aumenta si se eleva la velocidad de rotación del ánodo. Casi todos los ánodos rotatorios giran a 3400 R.P.M.

El ánodo tiene tres funciones en el tubo de rayos X:

• Es un conductor eléctrico • Proporciona soporte mecánico al blanco. • Debe ser un buen conductor térmico, cuando los electrones chocan con el ánodo,

más del 99% de su energía cinética se convierte en calor, el cual debe ser eliminado rápidamente antes de que pueda fundir el ánodo. El cobre es el material más utilizado en el ánodo.

e) El blanco: Es el área del ánodo con la que chocan los electrones procedentes del cátodo. En los tubos de ánodo estacionario, el blanco consiste en una pequeña placa de tungsteno que se encuentra encastrado en un bloque de cobre. En los tubos de ánodo rotatorio, el disco que gira es el blanco, normalmente esta formado por una aleación de Tungsteno mezclada con Torio, que proporciona una resistencia adicional para soportar el esfuerzo de la rotación rápida. El Tungsteno es el material elegido para el blanco por tres motivos fundamentales:

• Nº atómico (74): el elevado número atómico del Tungsteno le proporciona mayor eficacia en la producción de rayos X y rayos X con energía más alta.

• Conductividad térmica: es un metal eficaz para disipar el calor producido.

• Punto de fusión alto: El tungsteno tiene un punto de fusión elevado (3410 grados

centígrados). Puede soportar las altas temperaturas sin que se produzcan picaduras o fisuras en el tubo ni burbujas de gas.

f) Punto focal: Es el área del blanco desde la que se emiten los rayos X. Constituye la fuente de radiación.

2. Colimadores: Es importante tener en cuenta que a parte de que el tubo de rayos x puede realizar una condensación de los mismos gracias a la copa de enfoque que se encuentra en el cátodo, se requiere homogeneizar la trayectoria del haz y por ello los aparatos de rayos x cuentan con un dispositivo llamado colimador. Es un sistema que a partir de un haz divergente permite obtener un "haz" paralelo. Sirve para homogeneizar y concentrar las trayectorias de los fotones emitidos. Permiten además disminuir o aumentar el tamaño del campo radiográfico. 3. Consola de control La consola de control es la parte del aparato de rayos X que permite comprobar la intensidad de la corriente y la tensión del tubo de rayos X de forma que el haz de rayos X útil tenga la intensidad y capacidad de penetración apropiada para obtener una radiografía de buena calidad. En la consola de control se encuentran:

• El Encendido que pone en funcionamiento los circuitos del aparato.

• Selector de miliamperaje, que es el número de electrones o carga que circula por el tubo en la unidad de tiempo y esto influye en la cantidad de fotones de rayos X a los que el paciente es expuesto por segundo. Se mide en miliamperios.

• Selector de tiempo de exposición (temporizador). El miliamperaje por el tiempo de

exposición constituye los miliamperios por segundo, que representan la cantidad de fotones producida por el tubo mientras funciona, es decir, durante el tiempo de exposición.

• Selector del kilovoltaje, que es la tensión entre el cátodo y el ánodo, y es un

parámetro que influye en la velocidad y en la energía de los electrones y en la energía de los rayos X. Altos kilovoltajes nos dan altas velocidades de los electrones, fotones muy enérgicos, mucha energía o rayos X duros (con elevado poder de penetración). El valor máximo de la energía que llevan los electrones que alcanzan el ánodo, coincide numéricamente con el valor de los kilovoltios. La unidad de energía es el electrón-voltio (e.V.), que es la energía cinética que adquiere un electrón inicialmente en reposo al ser acelerado por la diferencia de potencial de un voltio.

1 e.V = 1,6 · 10-19 J.

4. Generador de alta tensión: La sección de alta tensión de una máquina de rayos X es la responsable de convertir el voltaje de 220V, que llega de la red eléctrica, en un kilovoltaje con la forma de onda apropiada (hay que cambiar la corriente alterna a continua). La sección de alta tensión contiene tres partes principales:

• Transformador elevador de alta tensión. • Transformador de filamento (cátodo), o transformador de baja tensión. • Transformador de corriente alterna a continua.

Todos estos componentes están sumergidos en aceite, aunque en la sección de alta tensión se genera algo de calor, el aceite se usa fundamentalmente para fines de aislamiento eléctrico. El Transformador de alta tensión es un transformador elevador, lo que quiere decir que el voltaje secundario (inducido) es mayor que el primario (suministro de la compañía eléctrica) ya que el número de espiras del secundario es mayor que el del primario. El aumento de tensión es proporcional a la relación de espiras de acuerdo con la ley del transformador: V2/V1 = N2/N1. Dado que los transformadores solo funcionan con corriente alterna, las formas de onda de tensión en ambos lados del transformador son sinusoidales. La única diferencia entre las formas de onda primaria y secundaria es su amplitud. La primaria se mide en voltios y la secundaria en kilovoltios. El Transformador del filamento es un transformador de baja tensión, se encuentra situado a la entrada del filamento y su función es transformar la tensión de la corriente que circula por el filamento cuya intensidad es de 4 a 5 Amperes. Los rayos X son producidos mediante la aceleración de electrones desde el cátodo hasta el ánodo y no pueden ser originados por electrones que fluyan en dirección inversa; es decir, desde el ánodo hacia el cátodo, ya que seria desastroso para el tubo de rayos X que se invirtiese el flujo de electrones. Dado que el flujo de electrones solo debe hacerse en dirección cátodo-ánodo, será necesario rectificar la tensión secundaria del transformador de alta tensión. La rectificación es el proceso de convertir la corriente alterna en corriente continua.

PRODUCCIÓN DE RAYOS X

Los rayos x se producen en el tubo de rayos x, cuyo principio de funcionamiento es el siguiente:

Mediante el circuito de bajo voltaje se aplica una corriente que calienta el filamento catódico. Tras aumentar su temperatura y al ponerse incandescente emite electrones, situación conocida como efecto termoiónico. Así se genera una nube de electrones libres. Posteriormente se conecta el circuito de alto voltaje, con el cual se crea una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo de tal forma que el cátodo (-) repele los electrones y el ánodo (+), los atrae. En consecuencia los electrones son fuertemente acelerados por la diferencia de potencial aplicada entre cátodo y ánodo. Estos electrones, al chocar contra el ánodo, y ser frenados bruscamente y la energía cinética de los electrones se transforma; el 99% en energía calórica y sólo un 1 % en fotones de Rayos X.

Cada vez que se realiza un disparo, se genera un espectro de rayos x que consta de una parte continua, llamada radiación de frenado, y una parte discreta en forma de picos de gran intensidad que se superponen a la curva continua. Estos picos se denominan radiación característica ya que su posición dentro del espectro, es decir su energía, depende del número atómico del material del ánodo.

Si miramos la imagen siguiente podemos observar que este espectro consta de fotones de radiación de distinta energía. Además se suman a este espectro los fotones de radiación características, los cuales se observan a la forma de picos de energía.

En otras palabras, dentro del tubo de rayos se producen fotones de dos maneras distintas, que son:

a) Radiación general de espectro continuo:

También llamada radiación de FRENADO o BREMSSTRALUNG, es aquella que en el instante en que un electrón pasa cerca del núcleo de un átomo de tungsteno, material componente del blanco del ánodo. La carga positiva del núcleo actúa sobre el electrón, atrayéndolo hacia el núcleo y desviándolo por tanto de su dirección original. El electrón al ser desviado de su trayectoria original por dicha interacción, pierde energía cinética, la cual es emitida en parte (1 %) como un fotón de radiación.

La mayoría de los electrones que inciden sobre el ánodo, ceden su energía por etapas, es decir, por interacciones con diversos átomos tanto de la capa superficial como de las capas más profundas del átomo.. El electrón, cada vez que es frenado, cede parte de su energía y como es lógico, la cesión de energía cada vez será más escasa, y, por tanto, los fotones que se emitan serán cada vez de menor energía. No obstante, algunos de los electrones, pueden chocar de lleno con un núcleo. En este tipo de colisión toda la energía del electrón se convierte en un único fotón de Rayos X.

Hay dos hechos que hacen que la energía de los fotones sea de rangos muy amplios:

1.- Cada electrón sufre varias interacciones antes de ceder toda su energía.

2.- No todos los electrones que chocan con el ánodo tienen la misma energía.

Estos dos hechos condicionan que la radiación de frenado tenga un espectro continuo de energía. Unos pocos fotones son de máxima energía. El electrón de máxima aceleración, por su más alto kV (kVp), cede toda su energía en un único impacto produciendo, a su vez, un fotón de máxima energía o, lo que es lo mismo, de mínima longitud de onda. La gran mayoría de fotones tiene una energía de tipo medio. Otros fotones tienen muy baja energía y si alcanzaran la piel del paciente lograrían penetrar sólo unos pocos milímetros, y sólo irradian al paciente y no contribuyen a la formación de la imagen. Es por ello que deben ser filtrados, a través de materiales que atenuan a los fotones de baja energía, los cuales se encuentran asociados a la salida del haz de radiación en el tubo de rayos x. Podemos concluir que la radiación general o de frenado representa un espectro continuo de fotones con diferentes energías. La radiación no es monoenergética - monocromática -, sino polienergética o, como suele decirse por similitud con el espectro de la luz, policromática.

b) Radiación Característica:

Si algún electrón posee una alta energía cinética puede modificar la estructura atómica del ánodo arrancando electrones de las órbitas internas, quedando los átomos ionizados. Como todo en la naturaleza tiende al equilibrio y volver al estado basal un electrón de las capas más externas rellena el hueco libre liberando energía en forma de fotones de radiación característica.

La energía de este fotón se calcula por la diferencia de energía de ligadura de los dos orbitales comprometidos, por eso es característica de cada átomo.

Por tanto la forma del ESPECTRO DE RX dependerá de la suma de la radiación de frenado y la radiación característica, y dependerá también de la filtración del haz (elimina los fotones menos energéticos), los factores de exposición que determinan la cantidad y energía de los electrones que bombardean el ánodo y por último del tipo de generador de RX.