Clase de Rayos X Biofísica 2024 (PDF)

RAYOS X y medicina en imágnes  Rayos X ★Son una forma de radiación electromagnética de alta energía y longitud de onda corta (aproximadamente entre 0.01 y 10 nm), situándose entre los rayos ultravioleta y los rayos gamma en el espectro electromagnético. ★Los rayos X fueron...

RAYOS X y medicina en imágnes  Rayos X ★Son una forma de radiación electromagnética de alta energía y longitud de onda corta (aproximadamente entre 0.01 y 10 nm), situándose entre los rayos ultravioleta y los rayos gamma en el espectro electromagnético. ★Los rayos X fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen mientras experimentaba con tubos de rayos catódicos. ★Al observar una fluorescencia en una pantalla cercana al tubo, dedujo que había encontrado un tipo de radiación desconocida, que llamó “rayos X” (donde “X” representaba “desconocido”). ☞Roentgen tomó la primera imagen de rayos X de la mano de su esposa, Anna Bertha, revelando la estructura ósea interna. ☞Esto demostró el potencial de los rayos X para la visualización del esqueleto y marcó el comienzo de la radiología médica. ☞Son capaces de atravesar muchos materiales opacos a la luz visible, como tejidos blandos, pero son parcialmente absorbidos por estructuras densas como los huesos, lo que permite su uso en imágenes médicas.  Proceso en el Tubo de Rayos X: ◉1. Emisión de electrones: Se calienta un filamento de tungsteno en el cátodo, liberando electrones por efecto termoiónico. ◉2. Aceleración de electrones: Estos electrones son acelerados hacia el ánodo mediante una diferencia de potencial (tensión) aplicada entre el cátodo y el ánodo. ◉3. Impacto en el ánodo: Los electrones impactan en el blanco de tungsteno del ánodo, generando rayos X como resultado de: ➙Radiación de frenado (Bremsstrahlung): Los electrones, al frenarse bruscamente, pierden energía en forma de fotones de rayos X. ➙Radiación característica: La colisión de los electrones expulsa electrones del tungsteno, creando una reconfiguración electrónica que emite rayos X con energías específicas. Características de los rayos X ☛Desplazamiento en línea recta: Viajan sin desviación desde su fuente. ☛Sin carga eléctrica: No tienen carga, por lo que no se desvían en campos eléctricos o magnéticos. ☛Alta penetración: Pueden atravesar tejidos blandos, pero son absorbidos por materiales más densos como los huesos. ☛Capacidad de impresión: Impresionan placas radiográficas, formando imágenes en función de la densidad de los tejidos. ☛No se reflejan: No presentan reflexión, y su comportamiento es similar al de los rayos gamma. ☛Diferencia con rayos gamma: Se diferencian en su origen (rayos X son de origen electrónico, los gamma son de origen nuclear) y en su longitud de onda (λ). ☛Interacción ionizante: Pueden ionizar átomos y moléculas, causando efectos biológicos en los tejidos. ☛Velocidad: Se propagan a la velocidad de la luz en el vacío.  Rayos X Generales o de Frenado ◉Mayor parte de los rayos X: Constituyen la mayoría de los rayos X utilizados en radiodiagnóstico. ◉Origen: Se producen por el frenado de electrones al pasar cerca del núcleo de los átomos en el ánodo. ◉Mecanismo: Los electrones acelerados son desviados y frenados por el campo electromagnético nuclear, liberando energía en forma de rayos X. ◉Espectro continuo: Tienen un espectro de energías continuo, lo que permite su uso en la formación de imágenes de distintas densidades.  Rayos X Característicos ◉ Origen: Se producen cuando electrones acelerados impactan en el ánodo, expulsando electrones internos. La vacante es ocupada por otro electrón, liberando energía en forma de rayos X específicos. ◉Espectro discontínuo: Emite longitudes de onda específicas, determinadas por el material del ánodo. ◉Usos en medicina: Representan el 30% de los rayos X usados en radiodiagnóstico, especialmente útiles para obtener imágenes de alta resolución en estructuras densas como huesos. Proceso de formación de la imagen con Rayos X ◉1. Generación de rayos X: Los rayos X se producen en el tubo y se dirigen hacia el cuerpo del paciente. ◉2. Interacción con los tejidos: Los rayos X atraviesan el cuerpo; los tejidos densos (como los huesos) absorben más rayos, mientras que los tejidos blandos permiten el paso de más rayos. ◉3. Captura de la imagen: Los rayos que atraviesan el cuerpo llegan al detector o placa radiográfica, donde se forma una imagen en escala de grises: ➙Áreas claras: Representan estructuras densas que absorbieron más rayos X. ➙Áreas oscuras: Muestran tejidos que permitieron el paso de más rayos. ◉4. Visualización: La imagen resultante permite observar la estructura interna del cuerpo en detalle. Aplicación de la Ley de Wien en Rayos X Generales ✺Aumento de diferencia de potencial (entre ánodo y cátodo): ➙ Menor longitud de onda (λ) de los rayos X generados. ➙ Rayos X más duros, con mayor capacidad de penetración. ✺ Relación entre potencial y energía de Rayos X: ➙ Mayor diferencia de potencial → Mayor velocidad de electrones → Mayor frenado en el ánodo. ➙ Resultado: Emisión de rayos X de mayor energía (menor λ, mayor frecuencia f).  Ley de Moseley en Rayos X Característicos ✺La Ley de Moseley explica que la energía de los rayos X característicos emitidos por un elemento depende directamente de su número atómico (Z). ✺Moseley descubrió que la frecuencia (f) de los rayos X característicos es proporcional al cuadrado de la diferencia entre el número atómico (Z) y una constante (sigma, conocida como “constante de pantalla”) ✺Permitió organizar los elementos en la tabla periódica de acuerdo con su número atómico en lugar de sus propiedades químicas. ✺Ayuda a identificar los elementos mediante espectros de rayos X, siendo fundamental en la espectroscopía de rayos X. ✺Explica por qué los rayos X característicos tienen frecuencias (y energías) específicas para cada elemento, lo cual es útil en aplicaciones como el análisis de materiales. Radiografía Convencional: Principios y Usos ✺Definición: La radiografía convencional es una técnica de imagen que utiliza rayos X para obtener imágenes bidimensionales del interior del cuerpo. Es una de las modalidades de imagen más antiguas y ampliamente utilizadas. ✺Principios de Funcionamiento: ➻Un tubo de rayos X emite radiación que atraviesa el cuerpo y es absorbida en diferentes grados por los tejidos según su densidad. ➻Los rayos X que pasan a través del cuerpo son capturados en una película o detector digital, formando una imagen de alto contraste.  USOS COMUNES DE RX CONVENCIONAL LIMITACIONES DE LA RX CONVENCIONAL ☞ Traumatología: Evaluación ☛Limitación en la Visualización de Tejidos Blandos: La de fracturas y dislocaciones. radiografía tiene baja capacidad para diferenciar tejidos ☞ Diagnóstico pulmonar: blandos, lo que limita su uso en la evaluación de órganos internos como el cerebro y los músculos. Detección de infecciones, como ☛Imagen Bidimensional: Las radiografías convencionales neumonía, y otras son en 2D, lo que puede dificultar la visualización de enfermedades pulmonares. ☞ Evaluación dental: estructuras superpuestas y ocultas. ☛Exposición a Radiación: Aunque la dosis es baja, la Diagnóstico de caries, radiación acumulada en estudios repetidos puede tener estructura ósea y efectos adversos. posicionamiento de dientes. ☛Resolución Espacial: Comparada con otras modalidades ☞ Diagnóstico óseo: avanzadas, como la TC y la RM, la resolución es limitada Detección de alteraciones en la para estudios que requieren alta precisión. densidad ósea, como en la ☛ Dependencia del Ángulo: La imagen obtenida puede osteoporosis. variar según el ángulo de proyección, lo que a veces requiere de estudios adicionales en distintas posiciones.  Radioscopía ◉¿Qué es? ➙La radioscopia es una técnica de imagen en tiempo real que utiliza rayos X para observar el movimiento y la función de estructuras internas del cuerpo. ◉¿Cómo funciona? ➙Un haz continuo de rayos X pasa a través del paciente y se proyecta en una pantalla fluorescente o monitor, permitiendo la visualización directa y en movimiento. ◉ Usos en Medicina: ☛Tránsito gastrointestinal: Observación del movimiento de sustancias a través del sistema digestivo. ☛Cirugía y procedimientos intervencionistas: Guía en tiempo real para colocar catéteres, realizar biopsias o insertar implantes. ☛Evaluación de articulaciones: Verificación de la función y el rango de movimiento.  Radiografía contrastada ◉ Es una técnica radiológica que utiliza sustancias de contraste para mejorar la visualización de órganos y tejidos específicos en una radiografía. ◉ Los contrastes ayudan a distinguir estructuras que no se ven claramente en radiografías convencionales, al absorber o bloquear los rayos X en mayor o menor medida. ◉ Tipos de Contrastes: ➙ Contrastes positivos (blancos en la imagen): Usan elementos como yodo o sulfato de bario que absorben muchos rayos X, destacando vasos sanguíneos, tracto digestivo y cavidades. ➙ Contrastes negativos (oscuros en la imagen): Utilizan aire o gases, que no absorben los rayos X, resaltando estructuras huecas.  Radiografía contrastada ◉ Estudios Gastrointestinales: ➙Esofagograma y tránsito gastrointestinal: Permiten visualizar el esófago, estómago e intestinos usando sulfato de bario. ◉Angiografía: ➙ Se utiliza un contraste yodado para visualizar arterias y venas, detectando bloqueos o aneurismas. ◉Urografía: ➙Evalúa el sistema urinario, incluyendo riñones y vejiga, mediante un contraste que permite observar la función y el flujo de la orina. ◉Artrografía: ➙ Permite evaluar articulaciones como la rodilla o el hombro, inyectando contraste en la articulación para ver lesiones o anomalías. Rx de Colon contrastada. Rx contrastada de vías urinarias Fuente: http://rayosxalmater.com/services/estudios-contrastados/ Imagen de una coronariografía, estudio en la que se usa un contraste radioopaco  Tomografía lineal ⦿Definición: Técnica de imagen que permite obtener cortes o “secciones” de estructuras mediante el movimiento sincronizado del tubo de rayos X y el receptor en direcciones opuestas ⦿Debido al movimiento continuo del equipo, la tomografía lineal suele implicar una exposición a radiación más alta en comparación con la radiografía convencional. ⦿Útil para observar estructuras profundas y complejas eliminando las superposicion de estructuras por delante y por detras pudiendo observan en un solo plano. ⦿Es el precursor de la tomografía computarizada que utiliza sus principios básicos.  Principio de la tomografía Lineal ☛Consiste en hacer borrosas todas las estructuras situadas por delante y por detrás del plano que se desea ver. ☛Se consigue desplazando el tubo de Rx en un sentido y la placa en otro, entonces el plano que se desea ver se observa con mayor nitidez y los demás planos salen borrosos. ☛Somete al paciente a una gran radiación. Imagen de Rx convencional de tórax vs tomografía lineal de tórax donde se observa que se eliminan las imágenes superpuestas  Tomografía computarizada ⦿Definición: La TC es una técnica de imagen médica que utiliza rayos X y procesamiento computacional para obtener imágenes transversales detalladas del cuerpo. ⦿ Aplicaciones: Diagnóstico de enfermedades, evaluación de lesiones, planificación de tratamientos y procedimientos quirúrgicos. ⦿Principio básico: Los rayos X atraviesan el cuerpo en diferentes ángulos, y los datos obtenidos se reconstruyen en imágenes detalladas mediante un software especializado  Tomografía computarizada ⦿Se basa en la reconstrucción digital de la imagen a partir de la información obtenida, al hacer girar alrededor. ⦿Consiste en el pasaje de un haz de Rx, alrededor del eje axial del paciente paciente, los rayos emergentes son captados por fototubos, que generan una señal eléctrica, procesada digitalmente. ⦿En cada ángulo de exploración, las estructuras atravesadas por los rayos contribuyen con un coeficiente de atenuación propio a la atenuación total del haz de luz. ⦿El haz es mucho más fino y focalizado que la radiografía clásica porque la zona (rodaja) explorada es mucho menor. Elementos Básicos del Equipo de TC ☞Tubo de Rayos X: Emite los rayos X que atraviesan el cuerpo del paciente. ☞Detector: Captura los rayos X que pasan a través del paciente y genera señales que se procesan en imágenes. ☞Gantry (Aro Giratorio): Permite que el tubo de rayos X y los detectores giren alrededor del paciente, capturando imágenes en diferentes ángulos. ☞Computadora de Reconstrucción: Procesa los datos y construye las imágenes en tiempo real para visualización y análisis.  Generación de la Imagen TC ☛Proceso de Adquisición: El tubo de rayos X gira alrededor del paciente y emite rayos que son detectados tras atravesar el cuerpo en distintos ángulos. ☛Reconstrucción de Imagen: Los datos se combinan mediante algoritmos para formar una imagen en cortes transversales. ☛Visualización de Imágenes 3D: Software avanzado permite reconstruir imágenes tridimensionales, facilitando una vista detallada y completa de estructuras anatómicas.  La imagen se reconstruye como si el corte fuera mirado desde arriba. Es el estudio de imagen de mayor resolución, de los que utilizan como principio los Rx. Los antiguos equipos solo hacian cortes transversales, hoy en día con nuevos equipos y programas es posible hacer reconstrucciones sagitales.  Clasificación de las TC ⦿Según el contraste: ⦿Tipos de TC según la región anatómica: ➼TC sin contraste: Se utiliza para evaluar ➼TC de cráneo: Evalúa el cerebro, senos paranasales estructuras óseas, densidad de tejidos y huesos faciales. Se utiliza para diagnosticar blandos y lesiones calcificadas. tumores cerebrales, hemorragias, traumatismos craneoencefálicos, infecciones y malformaciones ➼TC con contraste: Se emplea un medio de congénitas. contraste yodado intravenoso para visualizar mejor los vasos sanguíneos, tumores y ➼TC de tórax: Evalúa los pulmones, corazón, mediastino y grandes vasos. Se utiliza para órganos internos. diagnosticar neumonía, cáncer de pulmón, embolias pulmonares, enfermedades cardíacas y aneurismas. ➼TC de abdomen y pelvis: Evalúa el hígado, ⦿Según la técnica de adquisición: páncreas, bazo, riñones, vejiga, útero, ovarios y colon. Se utiliza para diagnosticar tumores, cálculos, ➼TC helicoidal: Permite obtener imágenes infecciones, traumatismos y enfermedades inflamatorias. continuas, mejorando la resolución espacial y temporal. ➼TC de columna vertebral: Evalúa las vértebras, discos intervertebrales y médula espinal. Se utiliza ➼TC multidetector: Utiliza múltiples para diagnosticar hernias discales, estenosis espinal, detectores para adquirir imágenes más fracturas, tumores y enfermedades degenerativas. rápidamente y con mayor detalle anatómico ➼TC de extremidades: Evalúa huesos, articulaciones y tejidos blandos de las extremidades. Se utiliza para diagnosticar fracturas, luxaciones, tumores, infecciones y enfermedades articulares.  Ventajas y Desventajas de la TC DESVENTAJAS: VENTAJAS: ☛Exposición a radiación ionizante, lo ☞Alta resolución y precisión en la que implica un riesgo acumulativo. visualización de detalles ☛Menor diferenciación de tejidos anatómicos. blandos en comparación con ☞Procedimiento rápido, útil en resonancia magnética. emergencias. ☛Costo elevado en comparación con ☞Posibilidad de reconstrucciones otros métodos de imagen (como en 3D. rayos X simples)  Tomografía helicoidal. Permite la adquisición continua de datos durante una pausa respiratoria. En esta técnica, el tubo de rayos X y los detectores giran de manera continua alrededor del paciente mientras la camilla se mueve a lo largo del eje longitudinal. Esto crea una trayectoria en espiral o helicoidal, de ahí su nombre. Hoy en día este tipo de tomografía está reemplazando a la convencional.  Un método aún más preciso es la tomografía computada helicoidal multidetector o multicorte (multislice) con la cual se obtiene la máxima resolución espacial en las tres dimensiones del espacio, en el menor tiempo posible, abarcando regiones anatómicas más extensas. Existen equipos de 64, 128 y 256 filas de detectores. Principios de Funcionamiento Trayectoria Espiral: El movimiento continuo del tubo de rayos X alrededor del paciente, combinado con el desplazamiento constante de la camilla, permite capturar un volumen de datos sin interrupciones. Cobertura Continua: A diferencia de la tomografía convencional, que toma imágenes en cortes discretos, la helicoidal adquiere datos de todo el volumen del área estudiada en un solo barrido.  Ventajas de la TAC helicoidal ✩1. Eficiencia y rapidez: La TC helicoidal permite adquirir imágenes de grandes áreas en un solo barrido, ideal para emergencias y estudios en pacientes críticos. ✩2. Mejor resolución y reconstrucción: Al capturar un volumen continuo de datos, la TC helicoidal ofrece imágenes con alta resolución espacial y permite reconstrucciones tridimensionales precisas. ✩3. Menor riesgo de artefactos: Su rapidez reduce los artefactos de movimiento, mejorando la calidad en estudios donde el movimiento del paciente es un factor, como en estudios cardíacos. ✩4. Aplicaciones clínicas ampliadas: La TC helicoidal es la técnica estándar en estudios avanzados, como la angiotomografía y la colonoscopia virtual, debido a su capacidad de generar imágenes detalladas y reformateo multiplanar. TOMOGRAFÍA DE EMISION DE POSITRONES (PET). ✯Definición: La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen que permite visualizar procesos metabólicos y bioquímicos en el cuerpo, usando radiofármacos. ✯Principio Básico: Se basa en la detección de positrones emitidos por radiofármacos que se administran al paciente y que se acumulan en tejidos según su actividad metabólica.  Principios y Mecanismo de Generación de Imágenes PET ☞Radiofármacos: Se utilizan moléculas (como la glucosa marcada con flúor-18, FDG) que emiten positrones al desintegrarse. ☞Aniquilación de Positrones: Cuando un positrón se encuentra con un electrón en el cuerpo, ambos se aniquilan, generando dos fotones de alta energía que se emiten en direcciones opuestas (180°). ☞Detección Coincidente: Los fotones son captados por detectores dispuestos alrededor del cuerpo del paciente. Solo se registran los eventos que ocurren de manera simultánea y opuesta, permitiendo localizar el punto de emisión. ☞Reconstrucción de la Imagen: Los datos obtenidos de múltiples eventos se procesan y reconstruyen en imágenes tridimensionales que muestran la distribución del radiofármaco.  Usos en Medicina de la PET ✫Oncología: Es fundamental para el diagnóstico, estadificación y monitoreo del tratamiento de diferentes tipos de cáncer, especialmente en lesiones metabólicamente activas. ✫Neurología: Utilizada en la detección temprana de enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer, y para evaluar trastornos del metabolismo cerebral. ✫Cardiología: Empleada en la evaluación de la perfusión y viabilidad miocárdica, especialmente en pacientes con enfermedad coronaria. ✫Investigación Biomédica: Es valiosa en estudios de investigación sobre metabolismo y farmacocinética.  VENTAJAS DE LA PET DESVENTAJAS DE LA PET ➙Alta Sensibilidad Metabólica: Permite ➙Exposición a Radiación: Aunque la detectar cambios metabólicos antes de que dosis es relativamente baja, la ocurran cambios estructurales, facilitando el exposición a radiación sigue siendo diagnóstico temprano de enfermedades. una desventaja, especialmente en ➙Precisión Diagnóstica en Oncología: estudios repetidos. ➙Costo Elevado: La PET es costosa Identifica áreas de actividad tumoral con precisión, ayudando en la estadificación y debido al equipo, radiofármacos y detección de metástasis. necesidades de un ciclotrón en el lugar ➙Aplicación en Medicina Personalizada: o de transporte rápido de los radiofármacos. Permite evaluar la respuesta al tratamiento, lo que es útil para ajustar la terapia de ➙Resolución Espacial Moderada: La manera personalizada. PET tiene menor resolución espacial ➙Reconstrucción en 3D y Fusión con CT o que la TC o la resonancia magnética, limitando su uso en detalles MRI: A menudo se combina con otras anatómicos precisos. modalidades (PET-CT, PET-MRI) para ofrecer una visión anatómica y funcional en un solo ➙Disponibilidad Limitada: La PET no estudio. está disponible en todas las instalaciones médicas, debido a sus requerimientos técnicos y económicos.