Imagen para el Diagnóstico y la Medicina Nuclear (PDF)

IMAGEN PARA EL DIAGNÓSTICO Y MEDICINA NUCLEAR Fundamentos físicos y equipos UNIDAD DE TRABAJO 2.1 CARACTERIZACION DE LOS EQUIPOS DE RADIOLOGÍA CONVENCIONAL Patricia Babarro Peleteiro  ÍNDICE PRODUCCION DE RAYOS X INTERACCIÓN DE L...

IMAGEN PARA EL DIAGNÓSTICO Y MEDICINA NUCLEAR Fundamentos físicos y equipos UNIDAD DE TRABAJO 2.1 CARACTERIZACION DE LOS EQUIPOS DE RADIOLOGÍA CONVENCIONAL Patricia Babarro Peleteiro  ÍNDICE PRODUCCION DE RAYOS X INTERACCIÓN DE LOS RAYOS CON LA MATERIA FORMACIÓN DE LA IMAGEN RADIOLÓGICA  OBJETIVOS Distinguir las formas de producción de rayos X Entender y valorar las interacciones que producen los rayos x con la materia Conocer los componentes, el funcionamiento y las características propias de los equipos de radiología convencional.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X En 1895 Roentgen realizaba experimentos sobre fluorescencia usando corrientes de electrones en el vacío (Tubos de Crookes) y observó que esta fluorescencia no solo se manifestaba en el interior del tubo sino también a cierta distancia de éste. Lo llamó la nueva Radiación X, por desconocer su origen.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X Rayos X Son una forma de radiación electromagnética ionizante que ocupa la región del espectro electromagnético comprendida entre los 0,01 y los 10 nm de longitud de onda. No tienen ni masa ni carga y se propagan a la velocidad de la luz. Se producen artificialmente en los tubos de rayos y otros equipos como los aceleradores lineales de electrones. En ambos casos se obtienen tras la interacción de los llamados electrones proyectil, emitidos desde el cátodo, que tras ser acelerados impactan contra átomos de un elemento metálico (ánodo) generalmente de Tungsteno o Wolframio.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X En un tubo de rayos X, se establece una diferencia de potencial para acelerar electrones desde el cátodo hacia el ánodo. El tubo de rayos X tiene un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo), cada uno en extremos opuestos dentro del tubo. Se aplica una alta diferencia de potencial (o voltaje) entre el cátodo y el ánodo, generalmente de decenas a cientos de kilovoltios (kV). Este voltaje es lo que establece el campo eléctrico que acelera los electrones.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X En el cátodo se calienta un filamento para que emita electrones por emisión termoiónica. El calentamiento produce que los electrones “salten” del filamento y queden libres dentro del tubo. El efecto termoiónico es el fenómeno en el cual un material emite electrones cuando se calienta a altas temperaturas. En el caso de un tubo de rayos X, este efecto es fundamental para la producción de electrones en el cátodo. Ed. Aran. Fundamentos físicos y equipos.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X En el cátodo, hay un filamento de tungsteno o un material similar, que se calienta mediante el paso de una corriente eléctrica. Este calentamiento eleva la temperatura del filamento a varios cientos de grados Celsius. Cuando el filamento se calienta lo suficiente, los electrones en los átomos de la superficie del cátodo adquieren la energía necesaria para escapar de la atracción del núcleo y liberarse al vacío dentro del tubo de rayos X.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X Esta liberación de electrones genera una "nube" de electrones alrededor del cátodo. Al encender la fuente de alta tensión, se crea una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo generando un campo eléctrico intenso que acelera los electrones. Este campo eléctrico es el que proporciona la fuerza para atraer y acelerar los electrones emitidos desde el cátodo hacia el ánodo. Se utiliza un generador de alta tensión, capaz de proporcionar entre 30 y 150 kilovoltios (kV), dependiendo del tipo de radiografía que se desee hacer y la penetración de los rayos X que se necesite.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X Bajo esta diferencia de potencial, los electrones se aceleran en dirección al ánodo. Cuanto mayor es el voltaje aplicado, mayor será la energía cinética de los electrones al impactar con el ánodo y, por lo tanto, mayor será la energía de los rayos X producidos. Al llegar al ánodo, los electrones chocan y este impacto convierte una parte de su energía cinética en radiación de rayos X y otra en calor. Los rayos X generados son dirigidos hacia una ventana de salida que permite que el haz de rayos X salga del tubo y sea dirigido hacia el objeto o paciente.  1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X Tras el impacto de los electrones proyectil contra el ánodo se producirán diferentes situaciones que implican la emisión de diferentes tipos de radiación. 1. Fundamentalmente radiación infrarroja (95-99%) que contribuye al calentamiento del tubo pero no a la generación de rayos X 2. El resto de electrones proyectil (1-5%) superan las capas externas e interactúan con las capas interiores o con el propio núcleo atómico. Radiación de frenado Radiación característica En ambas se generan rayos X y se dan como consecuencia del impacto de los electrones proyectil sobre el ánodo. 1. PRODUCCIÓN DE RAYOS X  Ponte a prueba Respecto a los rayos X, indica si es verdadero o falso Tienen cierta masa y carga y se propagan a la velocidad de la luz. A. Verdadero B. Falso Dentro el espectro electromagnético son junto con la gamma la radiación ionizante más energética. A. Verdadero B. Falso  1.1 Radiación infrarroja El electrón proyectil alcanza el material metálico de la diana y sufre cambios de trayectoria al chocar contra los electrones de las capas exteriores de los átomos de éste material. En estos choques los electrones proyectil van cediendo pequeñas cantidades de energía a los electrones de las capas exteriores del material diana que se excitan, y liberan radiación infrarroja (95-99% CALOR) al recuperar su estado estable.  1.2 Generación por frenado Cuando un electrón proyectil evita la colisión con la barrera electrónica del wolframio y se aproxima al núcleo, experimenta un cambio brusco de trayectoria, que lleva asociada una reducción repentina de la energía cinética que porta ese electrón proyectil. Esta desaceleración brusca de los electrones, tiene como resultado una gran diferencia entre la energía inicial y la final del fotón, y se emite como un fotón de rayos X. Esta interacción se debe a la gran diferencia de masa y de carga entre el núcleo del átomo y el electrón proyectil. 1.2 Generación por frenado Ec inicial= 100 kV Ec fotón= 50 kV Ec final = 50 kV  1.3 Por emisión característica Ocurre cuando un electrón acelerado colisiona con un electrón de las capas internas del átomo del ánodo (por ejemplo, la capa K). Este choque expulsa al electrón de su órbita, creando una "vacante" o hueco en esa capa. Para estabilizarse, un electrón de una capa superior cae para llenar este hueco, liberando energía en forma de un fotón de rayos X con una energía específica. Esta energía corresponde a la diferencia entre los niveles de energía de las capas, y es característica del material del ánodo. La emisión característica solo ocurre cuando la energía de los electrones acelerados es suficiente para ionizar los electrones de las capas internas. Ej molibdeno: se necesitan al menos 69,5 keV para expulsar un electrón de la capa K. 2.2 Por emisión característica 69 keV Capa L = 12 keV E foton = Ek-EL= 57 keV En resumen… https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=74eoTr8vNY4  PONTE A PRUEBA Cuál de las siguientes es correcta con respecto a la Radiación de Frenado a. La diferencia de energía inicial y final del electrón proyectil se emite como fotón de rayos X b. Se conoce como Bremsstrahlungg c. Hay una desaceleración y una reducción de la energía cinética que porta el electrón proyectil. d. Todas son correctas  PONTE A PRUEBA La emisión característica de rayos X puede relacionarse con uno de los siguientes enunciados a. La energía cinética del electrón proyectil es capaz de expulsar uno de los electrones de las capas internas. b. La energía cinética del electrón proyectil no llega a ser capaz de expulsar uno de los electrones de las capas internas c. La energía térmica del electrón proyectil es capaz de expulsar uno de los electrones de las capas internas. d. La energía del fotón no es capaz de expulsar uno de los electrones de las capas externas  Actividad 1 PLATAFORMA ACTIVIDAD 1 Y 2 Dibuja un esquema sencillo que refleje los mecanismos básicos de producción de rayos X, donde aparezcan: ✓ ánodo, ✓ cátodo, ✓ electrones y ✓ átomos del material diana.  1.3 ESPECTRO DE RX El espectro de emisión de los rayos X describe las energías de los fotones de rayos X generados en el tubo de rayos X, y se compone de dos partes principales: el espectro continuo y el espectro característico. a) ESPECTRO CONTINUO: o La radiación de frenado genera un espectro continuo porque los electrones pierden cantidades variables de energía, creando rayos X con un rango de energías. o El rango de energía va desde cero hasta un valor máximo determinado por el kVp aplicado en el tubo. o La energía máxima de los fotones en el espectro continuo es igual al voltaje máximo aplicado (kVp), y aumenta con un aumento del voltaje.  1.3 ESPECTRO DE RX b) ESPECTRO CARACTERÍSTICO: Producido por la Radiación Característica. Aparece debido a transiciones electrónicas dentro de los átomos del material del ánodo, creando líneas específicas en el espectro. La energía de estos fotones es discreta y específica del material del ánodo. Se ven como picos definidos en el espectro de emisión de rayos X y corresponden a transiciones entre capas. Los picos aparecen sobre el espectro continuo siempre y cuando la energía de los electrones en el tubo sea suficiente para ionizar las capas internas del ánodo. 1.4.FACTORES QUE AFECTAN AL ESPECTRO A) VOLTAJE DEL TUBO (kVp) Mayor voltaje implica mayor energía de los fotones en el espectro de rayos X, con un límite superior de energía más alto en el espectro continuo. Aumenta la intensidad de los rayos X, es decir, se generan más fotones en total. Activa la emisión de rayos X característicos si el voltaje es suficiente para expulsar electrones de capas internas del material del ánodo, lo que añad El aumento de kVp no desplaza la emisión por radiación caraterística pq depende exclusivamente del número atómico del material y de un kVp mínimo y concreto para cada uno de ellos.  1.4.FACTORES QUE AFECTAN AL ESPECTRO B) CORRIENTE DEL TUBO (mA) Determina la cantidad de electrones que emite el cátodo y por tanto se producen más interacciones en el ánodo, lo que genera más fotones de rayos X en total. El tiempo de exposición (s) tiene el mismo efecto. El número de fotones en el haz es directamente proporcional al tiempo de exposición. Ambos se funden en un parámetro denominado: corriente instantánea (mAS) “SI DUPLICAMOS EL NUMERO DE ELECTRONES POR SEGUNDO (mAs) TAMBIÉN SE DUPLICARÁ EL NUMERO DE RAYOS X ”  1.4.FACTORES QUE AFECTAN AL ESPECTRO C) MATERIAL DE LA DIANA Deben de cumplir dos características: Resistir elevadas temperaturas Numero atómico elevado ▪ Mayor número de protones en el núcleo: Emisión de más fotones de rayos X de tipo Bremsstrahlung o frenado ▪ Más electrones en capas internas: Mayor probabilidad de que interactúen con estos electrones internos emitiendo radiación característica o discreta. ▪ Mayor probabilidad de interacción: La cantidad total de electrones en átomos de alto Z es mayor que en átomos de bajo Z, lo que aumenta la probabilidad de interacción entre los electrones incidentes y los electrones del ánodo. Por radiación de frenado y discretos  ACTIVIDAD CLASE ¿ Por qué motivos crees que el wolframio es el material elegido en el diseño de los tubos de rayos X? Si aplico un potencial de 100 kVp en mi equipo de rayos X ¿Qué rango de E tendrán los fotones que se originen mediante radiación de frenado?  ACTIVIDAD CLASE BUSCA LAS ENERGíAS DE LIGADURA DE LAS CAPAS K, L, M, N, O DEL WOLFRAMIO. ¿CUÁLES SON LOS VALORES DE RADIACIÓN CARACTERÍSTICA? SABIENDO QUE EL NIVEL DE RADIACIÓN CARACTERÍSTICA DEL WOLFRAMIO, ¿QUÉ VOLTAJE MíNIMO TENGO QUE UTILIZR EN UN TUBO DE RX SI QUIERO OBTENER RADIACION CARACTERISTICA?  RECUERDA LOS ELECTRONES DENTRO DEL TUBO DE RAYOS X TRANSFIEREN SU E. CINETICA DE DIFERENTES MANERAS A LOS ATOMOS DE LA DIANA (WOLFRAMIO): PUEDEN LIBERAR RADIACION EN FORMA DE FOTONES DE RAYOS X DEPENDIENDO DE SUS INTERACCIONES CON EL NÚCLEO (RADIACION DE FRENADO) Y CON LOS ELECTRONES DE CAPAS INTERNAS (RADIACIÓN CARACTERÍSTICA).  2. Interacción de los rayos X con la materia Los fotones interaccionan con la materia por diferentes procesos. La energía del haz condiciona como interacciona con el tejido: TIPOS INTERACCIONES DISPERSIÓN PRODUCCION CLASICA DE PARES DESINTEGRACIÓN EFECTO DISPERSIÓN FOTOELÉCTRICO COMPTON  2.1 Dispersión clásica Ocurre cuando la energía del fotón es menor que la energía de enlace de los electrones en los átomos del paciente. Este fotón de rayos X de baja energía (100kEv) y la absorción se produce con mayor probabilidad en energías bajas. La cantidad de radiación absorbida y dispersada da una medida de la atenuación del haz (coeficiente de atenuación).  2. Interacción de los rayos X con la materia A cada material se le asigna un CAL en función de su densidad y su número atómico. En función de la capacidad para absorber los RX los materiales pueden clasificarse en: RADIOTRASPARENTES CAL MUY BAJO MODERADAMENTE TRANSPARENTES CAL BAJO MODERADAMENTE RADIOPACOS CAL ELEVADO RADIOPACOS CAL MUY ELEVADO  2. Interacción de los rayos X con la materia Los equipos de diagnóstico asignan por tanto un nivel de gris a cada tejido en función del nivel de atenuación que sufren los rayos x al atravesarlo. Y así se determinan 5 densidades ópticas características asociadas a los principales componentes corporales. Las DENSIDADES RADIOLÓGICAS. Se organizan en una escala de menor a mayor CAL (COEFICIENTE DE ATENUACION LINEAL). 2. Interacción de los rayos X con la materia  Ponte a prueba LA DIFERENTE ABSORCIÓN DE LOS RAYOS X POR LOS TEJIDOS SE REPRESENTA EN RADIOLOGÍA CON UNA ESCALA DE GRISES A PARTIR DE LA CUAL SE IDENTIFICAN 5 INTENSIDADES. 1. METAL (radiopaco) 2. HUESO 3. LIQUIDO (o partes blandas). 4. GRASA 5. AIRE (radiotransparente o radiolúcido). Puedes indicar cada una de las densidades en esta radiografía marcadas como A, B, C, D, E ?  ACTIVIDAD VIRTUAL https://es.educaplay.com/recursos- educativos/594790- radiografia_de_torax.html https://es.educaplay.com/recursos- educativos/21201297- produccion_rayos_x.html  2. Interacción de los rayos X con la materia La interacción o absorción de los rayos X por un tejido depende de: 1. Los números atómicos de las estructuras o tejidos que atraviesan los rayos: La absorción es DP a su número atómico elevado al cubo (Z3). Z estimado PB = 7 Z estimado H = 12 Si relacionamos su tercera potencia (143 / 73 = 1728 / 343) obtenemos que los huesos absorben sobre 8 veces más. 2. De la densidad del tejido: Densidad se expresa en kg/m3. La absorción de rayos x es DP a su densidad.  2. Interacción de los rayos X con la materia 3. Del espesor del tejido atravesado: Los materiales más densos tienen una mayor cantidad de átomos por unidad de volumen, lo que aumenta la probabilidad de que un fotón interactúe con el material y sea absorbido. 4. De la energía de los fotones de rayos X: A mayor energía, menos absorción y más penetración. Absorción = 1/E3  Ponte a prueba Cuando los fotones de rayos X llegan al receptor de imagen sin interactuar con el paciente, deja una imagen de tonalidad: A. Negra B. Blanca C. Gris oscuro D. Este caso no es posible  Ponte a prueba Elige la secuencia correcta, de mayor a menor, en cuanto a niveles de atenuación del haz de rayos X cuando atraviesan los tejidos A. Metal-hueso-partes blandas-grasa-aire B. Hueso-partes blandas-grasa-aire-metal C. Aire-partes blandas-grasa-aire-metal D. Aire-partes blandas-grasa-hueso-metal E. Hueso-metal-aire-grasa  3. FORMACIÓN DE IMAGEN Los equipos de radiología convencional generan los rayos X mediante el proceso de frenado y de radiación característica aprovechando la energía cinética de los electrones proyectil. Los rayos x son dirigidos al paciente e interaccionan con los átomos de los tejidos. En estas interacciones se dan tres situaciones que implican una atenuación del haz de rx: ☞ Una dispersión de la radiación (EFECTO COMPTON) ☞ Una absorción de la radiación (EFECTO FOTOELECTRICO) ☞ Una transmisión de los rayos X a través de los tejidos SIN INTERACCIÓN alguna.  3. FORMACIÓN DE IMAGEN Los aspectos que determinan las diferencias de absorción entre una estructuras antómicas y otras, son: El numero atómico de los tejidos La densidad del tejido y su espesor La energía de los fotones (kVp) En conjunto se habla de absorción diferencial como causa de la formación e imagen radiológica.  3. FORMACIÓN DE IMAGEN Analizando la implicación del Efecto Fotoelectrico: Responsable principal del contraste en las imágenes. Cuando un fotón es absorbido, se pierde y no contribuye a la radiografía. Esto resulta en una zona blanca en la imagen. Los materiales con un número atómico alto (como los huesos) absorben más fotones a través del efecto fotoeléctrico: se ven blancos en las radiografías. Usar bajos kVp favorecen el efecto fotoeléctrico. Ojo! también aumenta la dosis de radiación al paciente. A medida que la energía del fotón aumenta (al usar un kVp más alto), la probabilidad de que ocurra el efecto fotoeléctrico disminuye, lo que reduce el contraste en las imágenes.  3. FORMACIÓN DE IMAGEN Analizando la implicación del Efecto Compton: A medida que los fotones de rayos X se dispersan debido al efecto Compton, su energía se distribuye entre los fotones dispersados y los electrones expulsados, lo que reduce la cantidad de energía que llega al detector. Crea ruido en la imagen y disminuir el contraste. Aumenta la dosis de radiación en áreas no deseadas. Los fotones dispersados aunque tienen menos energía, pueden seguir atravesando los tejidos, incluidos los tejidos blandos como los músculos, la grasa y los órganos internos. Esto les permite penetrar más profundamente en el cuerpo. A energías más altas (cuando se utiliza un kVp alto), es más probable que ocurra el efecto Compton, ya que los fotones de mayor energía tienen más probabilidad de interactuar con electrones menos ligados.  Ponte a prueba RAYOS X FORMADORES DE IMAGEN A partir de las diferentes interacciones de los rayos X con el cuerpo, identifica cuales son los formadores de imagen  3.1 Características técnicas del haz Las características que definen el haz de rayos x (la cantidad y la calidad del haz) y determinan el espectro de emisión son dependientes tanto de las características del equipo y de la selección que haga el técnico de unos parámetros. A. Cantidad del haz de rayos Es el número de fotones que hay en el haz de RX (I). Los factores que determinan la cantidad son: ▪ mAs: La relación entre los mAs y la cant de rayos es DP. ▪ kVp: Si aumentan los kVp, aumenta la energía de los electrones y por tanto el número de interacciones con el anodo y por tanto el numero de rayos x.  3.1 Características técnicas del haz ▪ La distancia regida por la ley del inverso del cuadrado de la distancia. (A medida que la distancia entre el tubo de rayos X y el detector se duplica de 1 metro a 2 metros, la intensidad de la radiación disminuye a una cuarta parte de su valor original) ▪ La filtración del haz de RX reduce la cantidad de rayos, especialmente los fotones de baja energía. B. Calidad del haz de rayos X La calidad es una medida de la capacidad de penetración del haz de rayos X en los tejidos. Los factores que afectan a la calidad: ▪ kVp: Al aumentar los kVp, aumenta la energía del haz de rayos y por tanto su penetración. ▪ La filtración añadida reduce los RX de baja energía mejorando la calidad media del haz.  Ponte a prueba Un tubo de rayos X emite un haz de radiación con una intensidad de 400 unidades de radiación a una distancia de 2 metros (D1=2 m) del tubo. 1. ¿Cuál será la intensidad de la radiación a una distancia de 4 metros (D2​=4m) del tubo? 2.Si un radiólogo se aleja del paciente, pasando de una distancia de 2 metros a 4 metros, ¿cuánto se reduce la dosis de radiación que recibe?  Ponte a prueba ¿Cuál de las dos tiene mayor contraste? ¿En cuál de las dos se habrá empleado menos kVp? ¿En cual de las dos se habrá empleado menos mAs?  ACTIVIDAD CLASE Elabora un cuadro que recoja cómo afectan en la calidad y la cantidad de rayos X aumentos en mAs, kVp, distancia al foco y filtración.  Ponte a prueba Si hablamos de la calidad de la de rayos X, estamos hablando de su relación con: a) Cantidad de electrones que se generan en el cátodo al aplicarle una intensidad de corriente b) Energía cinética que tienen los electrones al chocar con el blanco anódico c) Número de fotones del haz de rayos X d) La calidad de la imagen que obtenemos  Ponte a prueba Los miliamperios por segundo (mAs) están relacionados con: a. Densidad óptica de la imagen b. Calidad del haz de rayos X c. Capacidad de penetración del haz d. Energía de los fotones  Ponte a prueba El número de electrones que impactan con el ánodo está relacionado con: a. mA b. kVp c. mAs d. El material de la diana  Ponte a prueba Indica el material que absorberá mejor las ondas al presentar mayor densidad: a. Aire b. Agua c. Grasa d. Todos tienen las misma densidad  Ponte a prueba Si buscamos aumentar la capacidad de penetración de un haz de rayos X a. Reduciremos el kv del tubo b. Aumentaremos el mAs del tubo c. Reduciremos el mAs del tubo d. Aumentaremos el kv del tubo  Ponte a prueba Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta a. La calidad es una medida de la capacidad de penetración del haz de rayos X en el tejido b. La cantidad es el numero de fotones que hay en el haz de rayos X c. Ninguna es correcta d. A y b correctas Gracias