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Fsica de rayos X T. R. Claudia Ivonne Almanza

Tema #1.- Produccin de Rayos X1.1.- A diferencia de los rayos radioactivos, que son emitidos espontneamente por sustancias radioactivas, los rayos x deben ser producidos artificialmente, mediante una instalacin y dispositivos apropiados. Para generar rayos x se debe disponer de un haz de electrones y animados de suficiente velocidad, mediante la accin de un campo elctrico creado por una diferencia de potencial cuando un haz de electrones impacta contra objeto(blanco) se produce radiacin electromagntica infrarroja(calor) y la conocida como rayos x.

1.2.- Interaccin de los electrones con la materiaA) Interaccin con los electrones orbitales de los tomos del blanco. Esta interaccin es la responsable de la formacin de calor y de los rayos x caractersticos. Cuando esto ocurre existen 2 variantes posibles: que interaccionen con los electrones de la capa ms externa o bien que interaccionan con los electrones de las capas ms internas del tomo, generalmente las capas K,L,M o N,

1) Interaccin con los electrones de la capa ms externa. Cuando los electrones proyectiles, interaccionan con los electrones de la capa externa de los tomos del blanco, pero no les transfiere energa suficiente para ionizarlos. Los electrones de la capa ms externa pasan simplemente a un nivel de energa ms alto (son excitados), volviendo inmediatamente a su estado de energa normal, con emisin de radiacin infrarroja.

2).- Interaccin con los electrones de capas internas de los tomos blanco. Estos electrones estn ms fuertemente unidos al ncleo y tienen una energa de ligadura superior a los electrones externos. Mientras ms complejo es el tomo, mayor es el nmero de electrones orbitales que tendr y mayor sern sus energas de ligadura.B).- Interaccin con los ncleos electrones orbitales de los tomos blanco. A los electrones que son acelerados y chocan con los tomos del blanco se llaman electrones proyectil.

1.3.- El espectro de emisin de rayos x

La energa de cada uno de los fotones que componen un haz de rayos x y graficamos en nmero relativo de fotones de determinada energa, en funcin de la energa obtendramos lo que se conoce como espectro de emisin de rayos x.

Espectro de rayos x caractersticos. Los rayos x caractersticos tienen valores de energa fijos o discretos, iguales a la diferencia entre las energas, y forman lo que se conoce como espectro de emisin directo.

Espectro de rayos x de frenado. Las energas de los fotones de frenado oscilan entre cero y la energa mxima de los electrones proyectiles, numricamente igual a la tensin pico de operacin (KVp). El espectro de los rayos x caractersticos se representan como una sola lnea de energa igual a la energa eficaz que para el caso del wolframio es de raKeV, nica de inters en radiologia.

1.4.- Factores que afectan el espectro de emisin de rayos x.

La forma general del espectro de emisin de rayos x es siempre la misma y solo puede cambiar su posicin relativa a lo largo del eje. Los factores que controla el tcnico radilogo en la realizacin de la radiografa son: 1) la corriente del tubo, que es igual al nmero de electrones que se desplazan del ctodo y el nodo en cada segundo y se da en mA, 2) la tencin de pico (KVp) aplicada entre el ctodo y el nodo, 3) la filtracin aadida, 4)el material del blanco, 5) la forma de la onda del alto voltaje aplicado.

1.5.- Cantidad y Calidad de los rayos xCantidad de radicacin. La intensidad de salida de un sistema de rayos x es medida en roentgen (R) o mili roentgen (mR) y es denominada cantidad de rayos x y es igual al nmero de rayos x o de fotones del haz til, que es el haz que forma la imagen radiogrfica. Los factores que afectan la cantidad de rayos x o la intensidad son: 1) los mAs, 2) el KVp, 3) la distancia y la 4) la filtracin.

Tema #2.- Introduccin de los Rayos X con la Materia.2.1.- El fotn de rayos x y el fotn de la luz visible son esencia iguales, a excepcin de que el primero tiene una frecuencia y energa mucho mayor y por tanto una longitud de onda ms corta. Esas diferencias dan lugar a variaciones en la forma en que esos fotones interaccionan con la naturaleza de una onda que la de una partcula. Sucede lo opuesto con los fotones de rayos x y solamente se diferencian en su origen, los primeros son producidos por equipos destinados a este fin, mientras que los segundos se originan como resultado de la desintegracin de radioisotopos.los mecanismos bsicos de esta interaccin son: 1)dispercion clsica, 2) efecto fotoelctrico, 3) efecto compton, 4) formacin de pares, y 5) fotodesintegracin.

2.2.- Mecanismos de interaccin de los rayos x y con la materia.

Dispersin clsica.- Ocurre para rayos x con energas inferiores a los 10 KeV. Tambin se conoce como dispersin Rayleigh o Coherente. En esta interaccin el fotn interacciona con el tomo completo del blanco, produciendo en este una excitacin. El tomo libera la energa en exceso inmediatamente emitiendo fotn secundario o disperso, con igual longitud de onda que el incidente y por consiguiente con la misma energa, pero en una direccin diferente. El resultado neto de esta interaccin clsica es solo un cambio en la direccin de los rayos x, sin que esta se altere su energa ya que no existe una transferencia , ni ionizacin.

Efecto Fotoelctrico.- esta es una interaccin de ionizacin con electrones de las capas internas del tomo blanco. Si el fotn tiene una energa igual o superior a la energa de ligadura de los electrones de las capas internas, en la interaccin con los mismos, el fotn resulta totalmente absorbido, desaparece, el resultado es un par inico: el electrn negativo denominado Fotoelectrn y el tomo ionizado, cargando positivamente, por la falta de un electrn el efecto fotoelctrico es un interaccin en la cual el fotn es absorbido totalmente (no se dispersa), de manera que escapa con una energa critica igual a la diferencia entre la energa del rayo x.

Efecto Compton.- Cuando la energa del fotn incidente se incrementa ms all de la energa de enlace del electrn de la capa K, la probabilidad del efecto fotoelctrico decrece muy rpidamente con la energa y comienza a ser importante el efecto compton. Este efecto en tejido blando, es ms importante que el efecto fotoelctrico y el de formacin de pares, para el rango de energa

Formacin de pares.- ocurre cuando el rayo x o fotn tiene la energa necesaria, para escapar a la interaccin con los electrones orbitales y acercarse lo suficiente al ncleo, como para sufrir la accin del intenso campo electroesttico nuclear, desaparece el fotn y en su lugar, a expensas de su energa, aparece un electrn y un positrn (antipartcula del electrn de carga positiva)Fotodesintegracin.- los fotones con energas superiores a 10 MeV pueden escapar a la interaccin con los electrones y con el campo electroesttico nuclear y ser absorbido directamente por el ncleo. Cuando esto sucede, el ncleo pasa a un estado excitado y emite intensamente un ncleo a los rayos x con energas superiores a 10 MeV, este proceso carece de inters en radiodiagnstico.

2.3.- Factores que contribuyen a la formacin de la imagen.

1)Absorcin diferencial. La imagen radiogrfica es producida por los rayos x que atraviesan el cuerpo sin interaccionar e impresionan la pelcula, siendo las zonas brillantes de muy baja densidad ptica. Estas estructuras anatmicas que atraviesan los rayos x, sin casi nada interaccionan se denomina Radiolucidas. Estas estructuras con caracteriasticas de alta absorcin de los rayos x y que no permiten su paso, pues son absorbidas y esta caracterstica se denomina Absorcin Diferencial que podemos definir, como la presencia de diferentes grados de absorcin en los distintos tejidos, que produce la formacin y el contraste de imagen de los rayos x.

2)Espectro de Emisin de los Rayos x. Energa eficaz, valor que determina su energa media y por lo tanto su calidad, que como vimos se mide por su CHR. Esta desaparece del espectro es debido a que el haz est formado por un conjunto de energas. Entonces por debajo de esta energa, casi todos los rayos x interaccionan con energas superiores, casi todos lo harn por dispersin Copmton, esto se refiere a los haces de rayos x compuestos por una sola energa o monoergticas.

3)Densidad del Tejido. El hueso se visualizara independientemente de si la absorcin diferencial no estuviera relacionada con el nmero atmico, ya que su densidad de masa es mucho mayor que la del tejido blando.

2.4.-Atenuacin de los Rayos x y Atenuacin.- es la reduccin del nmero total de rayos x en un haz, despus de penetrar a travs de un grosor, determinado de material. La dispersin es el cambio de direccin del rayo x despus de una interaccin que provoca que el mismo salga del haz. Entonces podemos decir que, la atenuacin es igual a la suma de 2 factores: Atenuacin = Abrsocin + Dispersin

Proceso de Absorcin.- porque el fotn o rayo x desaparece?. El rayo x continuar su camino con energa reducida y su trayectoria combinando y es por eso que se habla de este efecto como de un proceso de dispersin. A la pelcula radiogrfica llega menos del 5% de los rayos x emitidos por el aparato y la imagen se forma con aproximadamente el 1% por lo que se necesita un control y seleccin cuidadosa del haz de rayos x para conseguir una radiografa de calidad.

Tema #3.- El Aparato de Rx3.1.- A diferencia de las emisiones radioactivas, que son emitidos espontneamente por las sustancias radioactivas, los rayos x deben ser producidos mediante una instalacin y dispositivos apropiados. Los 3 componentes de que consta una unidad de rayos x son: 1) el tubo de rayos x, 2) la consola del operador, 3) el generador de alta tensin.

3.2.- Sistema de Rayos X

Un sistema de rayos x, es el conjunto de todos aquellos medios y dispositivos que nos permiten obtener la imagen radiogrfica y pueden borrar de un tipo a otro, segn sean los objetivos para el cual ha sido diseado. La masa radiogrfica, debe obtener un grosor uniforme, ser lo ms radiolcida posible en el espectro de los rayos x, lo suficientemente fuerte como para sostener sin problemas a pacientes de peso elevado y absorber el material de la mesa e impresionar la pelcula radiolgica. Se utiliza la fibra de carbono para su contruccin.

3.3.- El aparato de Rayos X

Consta de 3 partes, el tubo de rayos x, la consola del operador y el generador de alto voltaje.Consola del Operador. Es la parte ms familiar para el tcnico radilogo le permite comprobar los valores de corriente y tensin del tubo de rayos x, de forma que el tubo de rayos x del haz, tenga la intensidad y capacidad de penetracin apropiados. Los controles bsicos se regulan con la consola son: 1) el control de encedido/apagado, 2) la seleccin de mAs, 3) la seleccin de kVp, 4) la unidad de atraccin de mesa o pared y 5) el interruptor de exposicin.

Compresora de Linco.- incluye un aparato para medir la tensin que llega a la unidad y un control para ajustar esa tensin a 220 voltios exactamente.Autotransformador.- Esta diseado para suministrar una tensin exacta al circuito del filamento y al circuito de alta tensin del aparato de Rx, el autotransformador funciona segn el principio de la induccin electromagntica, pero es muy distinto al transformador convencional, solo dispones de un arrollamiento y un ncleo.

Ajuste de tensin de Pico.- los ajustes de kVp principalmente y secundario son 2 series separados de bones dentro del autotransformador es de 220V, la salida del autotransformador se puede controlar desde aproximadamente 100V hasta 400V segn el diseo del dispositivo. Esta bajo tensin se enva a la entrada del transformador elevador, que le aumenta para proporcionar el kilo voltaje requerido.

En la mayora de las consolas de operador, el medidor de kVp marcar un valor, aunque no este en una exposicin en curso ni fluya corriente por el circuito, este tipo de medidor se denomina voltmetro de pre-lectura y permite vigilar la tensin antes de una exposicin la corriente del tubo de rayos x se controla a travs de un circuito independiente, el circuito de filamento, la tensin para el circuito del filamento proviene del autotransformador, podemos decir que la funcin del autotransformador es la de suministrar el voltaje necesario para el trabajo de transformador de alto voltaje y la alimentacin del circuito de filamento. La corriente del tubo de Rx no se puede variar normalmente de forma continua, las estaciones de mA fija suministran por lo general intensidades de corriente de 100,200,300 y ms mA, gracias al use de resistencias de precisin.

Cronmetros de exposicin.- para un determinado examen radiogrfico, el nmero de Rx que llega al receptor de imagen est relacionado directamente con la corriente del tubo de rayos x y con el tiempo durante el cual el tubo recibe energa. Los cronmetros de exposicin hacen que el tubo de Rx emita estos rayos durante un tiempo determinado por el tcnico radilogo o por el centro de exposicin automtico.

Existen 5 tipos bsicos de circuitos cronometradores. 4 de ellos controlados por el tcnico radilogo y el 5to automtico.-1) Cronmetros Mecnicos. Funciona como un reloj. Se escoge el tiempo de exposicin preseleccionado girando una perilla que enrolla un resorte se suelta y se desenrolla. Son baratos pero no muy exactos solo puede emplearse por tiempos de exposicin mayores a 250 milisegundos.

2) Cronmetros Sincrnicos. Un tipo especial de cronmetros motor elctrico, conocido como motor sincrnico. Es un dispositivo de precisin diseado para impulsar un eje a exactamente 50 o 60 revoluciones por segundo (rps). Los aparatos con cronometro sincrnico son fcilmente reconocidos por el mnimo posible suele ser de 1/60 S (17 milisegundos). Los cronmetros sincrnicos no pueden emplearse en induccin, la tensin que recibe (primera) y la que suministra (secundaria).

3) Cronmetros Electrnicos. son los ms dosificados, complicados y exactos. Consisten en un circuito bastante complejo, basado en el tiempo y tienen una precisin de 1 milisegundo.4) Cronmetros de mAs. La mayor parte del aparato de rayos x esta diseado para obtener un exacto control de la corriente del tubo y del tiempo de exposicin cuando se alcanza el valor de miliamperios-segundo deseado. Suele estar diseado de modo que proporcione la corriente real del tubo, esta situado en el lado secundario del transformador de alta tensin.

5) Cronmetro de Exposicin Automtica. El fotocronmetro se trata de un dispositivo que mide la cantidad de radiacin que llega al receptor de imagen y concluye automticamente la exposicin cuando ha llegado al receptor de imagen una cantidad suficiente de radiacin para proporcionar la densidad ptica requerida. El componente ms importante de un fotocrnometro es el dispositivo sensor llamado Fotomultiplicador.