Caracterización de los Equipos de Radiología Convencional

INTRODUCCIÓN ============ La producción de rayos X es un proceso fundamental en el ámbito de la medicina, la investigación científica y diversas aplicaciones industriales. Los rayos X son una forma de radiación electromagnética de alta energía capaz de penetrar materiales opacos y generar imágenes...

INTRODUCCIÓN ============ La producción de rayos X es un proceso fundamental en el ámbito de la medicina, la investigación científica y diversas aplicaciones industriales. Los rayos X son una forma de radiación electromagnética de alta energía capaz de penetrar materiales opacos y generar imágenes detalladas de estructuras internas, lo que los hace esenciales en el diagnóstico médico y en técnicas como la radiografía, la tomografía computarizada y la fluoroscopia. Los rayos X se producen en un dispositivo llamado tubo de rayos X, donde los electrones, acelerados a alta velocidad, impactan contra un material denso, generalmente tungsteno. Este choque provoca la liberación de energía en forma de rayos X. Estos se dividen en rayos X de baja y alta energía, que se manipulan para obtener imágenes claras y detalladas de diferentes tejidos o materiales. El descubrimiento de los rayos X ocurrió en 1895 y fue obra del físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen. Mientras realizaba experimentos con tubos de rayos catódicos, Röntgen notó un fenómeno inesperado: al aplicar un alto voltaje a estos tubos, que estaban cubiertos para bloquear la luz visible, aparecía un brillo en una pantalla fluorescente situada cerca, aunque no estuviera en el camino directo de los rayos. Esto lo llevó a deducir que una nueva forma de radiación desconocida estaba atravesando el material y generando ese brillo. Röntgen llamó a esta radiación desconocida "rayos X" (la \"X\" simbolizando su naturaleza misteriosa, ya que en matemáticas se usa para lo desconocido). Fascinado, comenzó a experimentar y descubrió que estos rayos podían atravesar materiales opacos como el papel y la madera, pero se atenuaban al pasar por otros más densos, como el plomo. En sus experimentos iniciales, también notó que los huesos eran visibles al colocar una mano frente a la pantalla, ya que los rayos X atravesaban los tejidos blandos pero se bloqueaban en gran parte al chocar con los huesos, creando así una imagen en sombra de la estructura interna. El descubrimiento fue revolucionario, y en pocas semanas Röntgen publicó sus hallazgos y mostró imágenes de rayos X, incluidas las primeras \"radiografías\". Una famosa imagen de su experimento fue una radiografía de la mano de su esposa, Anna Bertha Ludwig, en la que se observaban claramente sus huesos y anillos. Este descubrimiento abrió nuevas puertas para la ciencia y la medicina, permitiendo visualizar el interior del cuerpo humano sin cirugía. Por este logro, Röntgen fue galardonado en 1901 con el primer Premio Nobel de Física. Además, el impacto de los rayos X en áreas como la medicina, la industria y la investigación fue inmediato y ha seguido evolucionando, convirtiéndose en una herramienta crucial en el diagnóstico y el análisis científico y técnico. PRODUCCION DE RAYOS X ===================== La producción de rayos X se basa en la interacción de electrones de alta energía con un material denso dentro de un tubo de rayos X. El proceso tiene varios pasos clave que involucran principios físicos como la emisión termoiónica, la creación de una nube de electrones y su interacción con el ánodo **1. Emisión Termoiónica** El proceso comienza en el cátodo, un filamento metálico (generalmente de tungsteno) que, al calentarse por una corriente eléctrica, emite electrones mediante un fenómeno llamado emisión termoiónica. La energía térmica permite que los electrones en la superficie del filamento escapen del metal, creando una \"nube de electrones\" alrededor del cátodo. **2. Nube de Electrones** Esta nube de electrones consiste en electrones \"libres\" que rodean el cátodo y que están listos para ser acelerados hacia el ánodo. La cantidad de electrones que escapan y forman la nube depende de la temperatura del filamento: a mayor temperatura, mayor número de electrones emitidos. **3. Aceleración de los Electrones** Para que estos electrones adquieran la energía suficiente para generar rayos X, se aplica una diferencia de voltaje (alta tensión) entre el cátodo y el ánodo (en el rango de kilovoltios, típicamente entre 30 y 150 kV). Este alto voltaje hace que los electrones de la nube sean acelerados a gran velocidad hacia el ánodo. **4. Interacción de los Electrones con el Ánodo** El ánodo está hecho de un material de alto número atómico, debido a su capacidad para soportar altas temperaturas y su eficiencia para la producción de rayos X. Cuando los electrones acelerados impactan en el ánodo, y este impacto convierte una parte de su energía cinética en radiación de **rayos X** y otra en **calor**. Por tanto en el ánodo se producirán diferentes situaciones que implican la **emisión de diferentes tipos de radiación.** a. Fundamentalmente **radiación infrarroja** (95-99%) que contribuye al calentamiento del tubo pero no a la generación de rayos X. Cuando los electrones de alta velocidad impactan el ánodo, alrededor del **99% de la energía cinética** se transforma en calor, elevando significativamente la temperatura del material del ánodo, que suele estar hecho de tungsteno. Debido a este calor, el ánodo emite radiación infrarroja (IR), que es una forma de energía térmica. La radiación infrarroja es el resultado de la agitación térmica de los átomos en el material del ánodo y se libera en forma de ondas electromagnéticas de baja energía y longitud de onda más larga que la de los rayos X b. El resto de electrones proyectil (1-5%) superan las capas externas e interactúan con las capas interiores o con el propio núcleo atómico a través de **Radiación de frenado** y **Radiación característica**. En ambas se generan rayos X y se dan como consecuencia del impacto de los electrones proyectil sobre el ánodo. La producción de rayos X por **emisión característica** o **radiación de frenado** depende de cómo interactúan los electrones con los átomos del material del **ánodo** (generalmente tungsteno) en el tubo de rayos X. Radiación de frenado (Bremsstrahlung) ------------------------------------- La mayor parte de los rayos X se generan mediante este proceso. Cuando un electrón pasa cerca de un núcleo atómico, experimenta una **fuerza de atracción** hacia el núcleo debido a las cargas opuestas (negativa en el electrón y positiva en el núcleo). Esta fuerza hace que el electrón se desacelere ,y pierda energía cinética, y esta energía perdida se emite en forma de radiación electromagnética. Este tipo de radiación es conocida como **radiación de frenado** o **Bremsstrahlung** (del alemán \"frenar\" o \"desaceleración\"). La cantidad de energía emitida (es decir el fotón de Rayos x emitido) depende de la magnitud de la desaceleración del electrón, es decir, de la cercanía con la que interactúa con el núcleo y de la velocidad a la que se mueve el electrón. También depende del número atómico del material del ánodo. Los materiales con un mayor número atómico, como el tungsteno, producen más radiación de frenado, ya que el campo eléctrico del núcleo es más fuerte y actúa de manera más eficiente sobre los electrones. La radiación de frenado genera un espectro **continuo** de energías que puede variar desde cero hasta un valor máximo determinado por la energía del electrón incidente. Se produce a cualquier nivel de energía, pero es más eficiente y abundante a voltajes más altos, ya que los electrones tienen mayor energía para generar fotones de rayos X al frenar cerca del núcleo. Radiación característica ------------------------ La 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 tiene lugar cuando la energía de los electrones acelerados es **suficiente para ionizar** los electrones de las capas internas. Por ejemplo, en el caso del tungsteno, se necesitan al menos 69,5 keV para expulsar un electrón de la capa K. Ambos procesos pueden ocurrir simultáneamente en un tubo de rayos X, pero la emisión característica solo contribuye al espectro si se alcanzan los niveles de energía necesarios. Espectro de Rayos X =================== 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. Espectro de rayos x continuo ---------------------------- Surge cuando los electrones acelerados en el tubo se acercan a los núcleos de los átomos del ánodo y son desacelerados o \"frenados\", cambiando de dirección debido a la atracción de los núcleos. Este cambio de velocidad provoca la emisión de fotones de rayos X. Características: - La radiación de frenado genera un **espectro continuo** porque los electrones pierden cantidades variables de energía, creando rayos X con un rango de energías. - El rango de energía va desde cero hasta un valor máximo determinado por el **kilovoltaje pico (kVp)** aplicado en el tubo. - La **energía máxima** de los fotones en el espectro continuo es igual al voltaje máximo aplicado (kVp), y aumenta con un aumento del voltaje. La intensidad de la radiación de frenado es mayor en el rango medio de energías y disminuye para los valores máximos y mínimos de energía, generando una curva de intensidad suavemente decreciente hacia las energías más altas Espectro de Rayos X Discreto (o Característico) ----------------------------------------------- Ocurre cuando los electrones acelerados en el tubo de rayos X tienen suficiente energía para expulsar a los electrones de las **capas internas** (por ejemplo, la capa K o L) de los átomos del ánodo, típicamente tungsteno. Esto provoca una reordenación de electrones en el átomo, y al caer un electrón de una capa superior para llenar la vacante creada, se emite un fotón de rayos X.  Características: - La energía de estos fotones es **discreta y específica** del material del ánodo (como el tungsteno), debido a las diferencias de energía entre las capas electrónicas del átomo. - Se ven como **picos definidos** en el espectro de emisión de rayos X y corresponden a transiciones entre capas, como Kα (un electrón cayendo de la capa L a la capa K) o Kβ (un electrón cayendo de la capa M a la capa K). - Estos 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. Este tipo de espectro permite identificar elementos específicos, ya que cada elemento tiene un conjunto característico de niveles de energía, lo que da lugar a un espectro característico único. Factores que Afectan el Espectro de Emisión de Rayos X ------------------------------------------------------ Material de la diana o ánodo. Diagrama Descripción generada automáticamente Cuando un electrón de alta energía impacta contra un material de **alto número atómico** (Z), como el tungsteno o el molibdeno, se generan más rayos X debido a varias razones relacionadas con la estructura y las propiedades atómicas: 1. **Mayor número de protones en el núcleo**: Un átomo con un alto número atómico tiene un núcleo con más protones. Esto crea un campo eléctrico más fuerte que afecta de manera significativa el movimiento de los electrones incidentes. Cuando estos electrones pasan cerca de este núcleo, la fuerza de atracción es mayor, lo que causa una mayor **desaceleración**. Esta desaceleración intensa da lugar a la emisión de más fotones de rayos X de tipo **Bremsstrahlung** o **radiación de frenado**. 2. **Más electrones en capas internas**: Los átomos de alto número atómico tienen más electrones, especialmente en capas internas (como las capas K y L). Cuando los electrones de alta energía del haz impactan el ánodo, hay una **mayor probabilidad de que interactúen con estos electrones internos**. Si la energía del electrón incidente es suficiente para expulsar un electrón de una capa interna, se genera un **hueco** en esa capa, lo que da lugar a **transiciones electrónicas** desde capas superiores hacia la capa vacía, emitiendo fotones de rayos X de tipo **característico**. 3. **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. Esto genera más eventos que producen rayos X, tanto continuos (por radiación de frenado) como discretos (rayos X característicos). Voltaje del tubo (Kvp)  El **aumento del voltaje** en un tubo de rayos X afecta directamente la **emisión y las características** de los rayos X generados: 1. Aumento de la Energía de los Fotones Emitidos - Al incrementar el voltaje (diferencia de potencial) aplicado entre el cátodo y el ánodo, se aumenta la **energía cinética de los electrones** que viajan desde el cátodo hacia el ánodo. - Esto significa que cuando los electrones de alta energía impactan el ánodo, pueden producir fotones de rayos X con **energías más altas**. - La **energía máxima de los rayos X** en el espectro continuo será equivalente a la energía máxima de los electrones incidentes, que depende del voltaje aplicado. Así, un mayor voltaje produce un espectro de rayos X con un límite de energía superior más alto. 2. Mayor Intensidad de Rayos X (Más Fotones Generados) - Con un aumento del voltaje, no solo se incrementa la energía de los fotones individuales, sino que también **aumenta la cantidad total de rayos X** emitidos. - Al tener electrones más energéticos impactando el ánodo, aumenta la **probabilidad de que se produzcan interacciones** que generen rayos X, tanto de tipo continuo (radiación de frenado) como característico. - Esto resulta en un espectro de emisión de rayos X con una mayor **intensidad** general, lo cual implica que se generan más fotones en total. 3. Producción de Rayos X Característicos - A medida que el voltaje aumenta, la energía de los electrones también es mayor, lo cual puede hacer que superen las energías de enlace de las capas internas de los átomos del ánodo (como la capa K o L). - Si el voltaje es lo suficientemente alto, los electrones incidentes podrán **expulsar electrones de capas internas** (K, L, etc.), generando así **rayos X característicos**. - Sin embargo, si el voltaje es bajo y no alcanza el valor necesario para ionizar las capas internas del átomo, no se producirán rayos X característicos, y el espectro de emisión consistirá solo en la radiación de frenado (espectro continuo). Corriente del tubo (mA) La corriente del tubo determina la cantidad de electrones y por tanto de fotones de rayos X, que se van a producir, por lo que la relación entre la producción de rayos X y los mA utilizados es directamente proporcional. Así si duplicamos el número de electrones por segundo también se duplicará el número de rayos X en cada nivel de energía. El resultado sobre el espectro, si no varían otras condiciones, es que el área bajo la curva se modificará proporcionalmente en su superficie, pero no en su forma. Diagrama Descripción generada automáticamente Filtración del haz El rayos X sufre una serie de atenuaciones desde que se genera hasta que alcanza el paciente. Estas atenuaciones comienzan cuando enlaza atraviesa la envoltura de vidrio, la carcasa del tubo y luego se dan nuevas alteraciones producidas por los filtros de aluminio del equipo, el efecto global de ambos tipos de filtración reduce la intensidad dl haz pero aumenta su energía media ya que afecta fundamentalmente a fotones de baja.energía. Interacción de los rayos x con la materia ========================================= La interacción de los fotones con la materia tiene interés desde dos puntos de vista : - Uno macroscópico, referido a la forma de atenuar o de reducir el número de fotones o cantidad de energía que llega una persona dispositivo o instalación (blindajes). - Otro microscópico con el objeto de conocer los procesos elementales de interacción de los fotones con los átomos del material irradiado, así como sus distintas probabilidades de ocurrencia en función del número atómico de la energía...(técnicas de obtención de imágenes) dispersión clásica o coherente ------------------------------ Este tipo de interacción se produce cuando la energía de un fotón es menor que la energía de enlace de los electrones en los átomos del tejido. En este caso el fotón puede excitar a los electrones aumentando su nivel de energía pero sin capacidad de ionizar el átomo. Cuando el electrón excitado libera este exceso de energía lo hace en forma de fotón secundario de igual energía peor diferente dirección. No se puede hablar de absorción puesto que la energía del átomo no ha aumentado de manera permanente. Este tipo de interacción tiene poca importancia en radiología. efecto fotoeléctrico -------------------- En la imagen se muestra el **efecto fotoeléctrico** en el contexto de los rayos X. Este es un proceso de interacción entre un fotón de rayos X y un átomo, que da lugar a la expulsión de un electrón desde el átomo. Vamos a desglosar la fórmula y el proceso que se representa en la imagen. Desglose de la Fórmula: E = E~K~−(h⋅ν) 1. **Energía del Fotón Incidente**: El rayo X incidente tiene una energía E=h⋅ν, donde: - h es la constante de Planck. - ν (leído como \"nu\") es la **frecuencia** del fotón de rayos X. 2. **Proceso de Interacción:** - Cuando el fotón de rayos X con energía h⋅ν choca con el átomo, transfiere su energía a un **electrón de la capa K**. - Para liberar a este electrón de la capa K, es necesario superar la **energía de enlace** del electrón en esa capa. Esta energía de enlace se representa como E~K~. - Si la energía del fotón incidente h⋅ν es mayor que E~K~, el fotón puede **ionizar** el átomo, es decir, liberar el electrón de la capa K. 3. **Energía del Electrón Expulsado**: - La energía del electrón liberado (ahora un **electrón libre** o **fotoelectrón**) es la diferencia entre la energía del fotón incidente y la energía de enlace del electrón. - La fórmula para calcular esta energía es: E=(h⋅ν)−E~K~ - Esto significa que la energía del fotoelectrón depende de la energía del fotón menos la cantidad de energía que se requiere para extraer el electrón de su posición en la capa K. Por tanto, el fotón incidente es absorbido completamente, lo que permite que el electrón de la capa interna se expulse, y la diferencia de energía entre el fotón y la energía de enlace se convierte en la energía cinética del electrón. Si h⋅ν es igual a E~K~, entonces la energía del electrón liberado sería cero; es decir, el fotón tendría la energía justa para liberar el electrón, pero no quedaría energía sobrante para darle velocidad. Cuanto mayor sea la energía del fotón incidente (h⋅ν), más energía tendrá el electrón liberado después de vencer la barrera de E~K~ En la práctica, cuando se utilizan valores bajos de **kVp** (kilovoltaje pico), se favorece el **efecto fotoeléctrico** porque este efecto es más probable cuando la energía de los rayos X es cercana a la energía de enlace de los electrones internos en los átomos del tejido. Es decir los fotones de rayos X tienen energías cercanas a la energía de enlace de estos electrones internos, lo que aumenta la probabilidad de que ocurra el efecto fotoeléctrico. Sin embargo, un **kVp bajo también aumenta la dosis de radiación al paciente**. Esto sucede por varias razones: 1. **Absorción mayor del tejido**: Al tener menor energía, los fotones son más susceptibles de ser absorbidos en los tejidos a través del efecto fotoeléctrico. Esto significa que más fotones interactúan y se depositan en el tejido, aumentando la dosis de radiación en el paciente. 2. **Mayor cantidad de fotones necesaria**: Para obtener una imagen de calidad, al reducir el kVp (y por ende la penetración de los rayos X), suele ser necesario aumentar el **mAs** (miliamperios-segundos), es decir, la cantidad de radiación emitida. Esto incrementa la cantidad de fotones, lo que también aumenta la dosis total que recibe el paciente. *Recuerda!: Aunque el uso de kVp bajos mejora el contraste de la imagen favoreciendo el efecto fotoeléctrico, también incrementa la absorción de radiación en los tejidos, lo que resulta en una dosis de radiación más alta para el paciente.* efecto Compton -------------- La imagen muestra el **efecto Compton**, donde un fotón de rayos X (rayo incidente) interactúa con un electrón débilmente ligado o libre en un átomo. Durante la interacción: 1. El fotón transfiere parte de su energía al electrón, que es expulsado del átomo como un **electrón libre**  2. El fotón dispersado cambia de dirección (con un ángulo de desvío) y su energía disminuye, lo que se representa como EX\>EX′. Cuanto mayor sea el ángulo (θ), mayor será la pérdida de energía del fotón dispersado, y más energía recibe el electrón eyectado. La disminución de energía del fotón dispersado en el **efecto Compton** depende del **ángulo de dispersión** (θ) y de la energía inicial del fotón. Este fenómeno es dominante a energías intermedias (100 keV-1 MeV) y por tanto a medida que aumenta la energía de los fotones de rayos X, es más probable que estos interactúen con electrones que no están fuertemente unidos al núcleo. Los electrones menos ligados se encuentran generalmente en capas externas y tienen menor energía de enlace, por lo que los fotones de alta energía pueden desplazar estos electrones con mayor facilidad, provocando el **efecto Compton**. En este tipo de interacción, ya sabemos que como resultado, se produce **dispersión** (el fotón cambia de dirección y sigue viajando a través del cuerpo) en lugar de una absorción total de energía. Esta dispersión genera una pérdida de contraste en la imagen porque los fotones dispersos pueden llegar al detector desde múltiples direcciones, disminuyendo la claridad de los bordes de las estructuras. Al incrementar el kVp, el efecto Compton aumenta, lo que provoca más dispersión y disminuye el contraste de la imagen. Aunque un kVp alto reduce la dosis absorbida por el paciente debido a menor absorción fotoeléctrica, la calidad de la imagen se puede ver afectada por el aumento en la dispersión Compton, especialmente en tejidos blandos. En tejidos blandos, la dispersión Compton es más relevante porque estos tejidos están compuestos principalmente de elementos de bajo número atómico (como carbono, hidrógeno, oxígeno, y nitrógeno). - **Bajo número atómico:** A altos valores de kVp, la probabilidad de interacción fotoeléctrica disminuye, ya que esta interacción depende del número atómico elevado (Z^3^). En tejidos blandos, con bajos valores de Z, predomina la dispersión Compton sobre el efecto fotoeléctrico. - **Aumento de dispersión:** La dispersión Compton genera radiación dispersa que degrada el contraste de la imagen, dificultando la diferenciación entre tejidos blandos cercanos. *Recuerda! el uso de kVp alto favorece el efecto Compton, disminuyendo el contraste en la imagen pero permitiendo que más fotones atraviesen el tejido, lo que reduce la dosis de radiación absorbida.* Producción de pares ------------------- La creación de pares ilustrada (a partir de 1,02 MeV). En este caso se produce una materialización de energía (la energía del fotón se convierte en masa) en sentido relativista: la materia es la energía condensada y la energía es la materia dispersada. El fotón de rayos X desaparece en el campo eléctrico del núcleo del tejido y crea en su lugar un positrón y un electrón. El exceso de energía en la creación de pares se aplica como energía cinética a cada una de las partículas. La producción de pares no se puede dar si la energía es menor de 1,02 MeV, puesto que no iguala el equivalente en masa del par electrón-positrón. Cuando una de rayos X se atraviesa un tejido u otro medio material, hay una parte que es absorbida otra dispersada y otras transmitida de manera que se produce una atenuación en la intensidad inicial. Las elevadas energías necesarias para la producción de pares hacen que este proceso no se dé en radiología convencional que opera con kVp más bajos. Sin embargo, tendrá gran importancia en técnicas como PET en Medicina Nuclear. Formación de la imagen radiológica ================================== Los equipos de radiología convencional generan los rayos X mediante el proceso de frenado y radiación característica aprovechando la energía cinética de los electrones proyectil. Estos rayos X generados por el tubo son dirigidos al paciente e interaccionan con los átomos de los tejidos corporales. En estas interacciones se pueden dar tres situaciones que implican una **atenuación del haz de rayos X** emitido: - Una dispersión de la radiación (Efecto Compton) - Una absorción de la radiación (Efecto Fotoeléctrico) - Una transmisión de los rayos x sin interacción alguna con los tejidos del paciente. ***[Ley de Atenuación]:** describe cómo la intensidad de un haz de rayos X (o cualquier tipo de radiación) disminuye a medida que atraviesa un material. Esta disminución ocurre debido a procesos como la absorción y la dispersión de los fotones. Matemáticamente, se expresa como **I=I~0~⋅e−^μx^*** *Donde:* - *I: Intensidad final del haz después de atravesar el material.* - *I0: Intensidad inicial del haz antes de entrar al material.* - *μ: **Coeficiente de atenuación lineal** (cm^−1^), que depende del material y de la energía de los rayos X.* - *x: Grosor del material atravesado, generalmente en centímetros* ### *Ejemplo Práctico* *Si un haz de rayos X con I~0~= 100 unidades atraviesa un material con μ=0.1 cm^-1^ y un grosor x=10 cm la intensidad final será:* *I=100⋅ e^−0.1⋅10^= 36.8 unidades* *Lo que demuestra cómo la intensidad disminuye exponencialmente con el grosor del material.* ***[Coeficiente de Atenuación Lineal (μ):]** Es un parámetro que mide la capacidad de un material o tejido para atenuar la radiación. Este coeficiente depende de dos factores principales:* 1. ***Propiedades del material:*** - *Elementos de alto número atómico (Z) como los huesos o el plomo(Pb) tienen un coeficiente de atenuación mayor debido a su mayor densidad electrónica y mayor probabilidad de interacción fotoeléctrica.* 2. ***Energía de los rayos X:*** - *A energías bajas, predomina el efecto fotoeléctrico, por lo que μ es mayor : Cuando se usan rayos X de menor energía (bajo kVp), hay mayor absorción en los tejidos, lo que mejora el contraste en las imágenes, especialmente entre estructuras densas como hueso y tejido blando.* - *A energías intermedias-altas, el efecto Compton domina, reduciendo μ: El **efecto Compton** hace que el fotón interactúe con electrones externos, dispersándose en lugar de ser absorbido. Esto **reduce la cantidad de energía que se pierde** por absorción en el material y **disminuye el coeficiente de atenuación (μ)**, lo que implica que menos radiación es absorbida por el material y una mayor cantidad de fotones pueden atravesarlo.* Los tipos principales de interacciones de los fotones de rayos X con los átomos de un material, tienen un impacto diferente en la **calidad de las imágenes radiográficas** Implicaciones del efecto fotoeléctrico en las imágenes radiográficas: - **Contraste de la imagen**: El efecto fotoeléctrico es el principal responsable de **crear el contraste en las imágenes radiográficas**. Cuando un fotón es absorbido (en lugar de ser dispersado), se pierde completamente, y no contribuye a la radiografía. Esto resulta en una **zona blanca** en la imagen, como los **huesos** o áreas densas de un tejido que contienen átomos de mayor número atómico. - **Absorción en tejidos densos**: Los materiales con un **número atómico alto** (como los huesos, que tienen calcio con Z = 20) absorben más fotones a través del efecto fotoeléctrico, por lo que los huesos se ven blancos en las radiografías. - **Técnicas de baja energía (bajo kVp)**: Las radiografías tomadas con un **bajo kVp** favorecen el efecto fotoeléctrico, lo que es beneficioso para obtener imágenes de alta **resolución** y **contraste** en estructuras densas. Sin embargo, esto también aumenta la **dosis de radiación** al paciente, ya que los fotones son absorbidos más fácilmente. Implicaciones del efecto Compton en las imágenes radiográficas: - **Ruido y pérdida de contraste**: 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. Esto puede crear **ruido** en la imagen y **disminuir el contraste**, especialmente en áreas donde los fotones dispersados llegan al detector de manera no deseada. - **Mayor penetración y exposición**: Los fotones que interactúan por el efecto Compton son **menos energéticos** que los fotones que causan el efecto fotoeléctrico, pero aún pueden penetrar tejidos más profundos, lo que hace que la imagen sea más uniforme y menos detallada. Sin embargo, la dispersión también **aumenta la dosis de radiación** en áreas no deseadas. - **Técnicas de alta energía (alto kVp)**: 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, lo que reduce la **resolución de la imagen** y el contraste. CARACTERISTICAS TÉCNICAS DEL HAZ DE RAYOS X ------------------------------------------- Se suele diferenciar entre cantidad y calidad del haz de rayos x para caracterizar técnicamente el haz de radiación: Cantidad del haz de rayos X: - La cantidad es el número de fotones que hay en el haz de rayos x, Los términos de exposición e intensidad(I) también suelen usarse como equivalentes al de cantidad. Los factores que determinan la cantidad de rayos son: - Los miliamperios por segundo (mAs): La relación entre los miliamperios por segundo y la cantidad de rayos es directamente proporcional. - Los kilovoltiospico (kVp): si aumentamos los kVp se produce un aumento de la cantidad de rayos X pero en este caso La fórmula muestra que la intensidad de los rayos X aumenta **con el cuadrado** de la relación de los kVp. *Ejemplo: Imaginemos que estamos utilizando un tubo de rayos X con un **kVp** de **10 kVp** inicialmente y decidimos aumentarlo a **50 kVp**. Queremos saber cómo cambia la **intensidad** de los rayos X en el detector.* \ [\$\$\\frac{I\_{1}}{I\_{2}} = \\left( \\frac{10\^{2}}{50\^{2}} \\right)\\ \$\$]{.math.display}\ ***Datos:*** - *kVp1=10 * - *kVp2=50 * *Primero, calculamos la relación entre los dos valores de kVp:* *kVp1/kVp2 = 10/50 = 0.2kVp* *Ahora, elevamos esa relación al cuadrado:* *(0.2)^2^=0.04* *Esto significa que la intensidad con kVp~1~=10 kVp es solo **4%** de la intensidad con kVp~2~=50 kVp* Si invertimos la relación de intensidades para comparar I~2~ con I~1~: I~2~/I~1~=1/0.04=25 **Al pasar de kVp=10  a kVp=50 kVp, la intensidad de los rayos X aumentará 25 veces** debido a la relación cuadrática entre kVp e intensidad. - La distancia influye en la cantidad de rayos X en función inversa al cuadrado. - La filtración del haz reduce la cantidad de rayos X especialmente los fotones de baja energía. Calidad del haz de rayos X La calidad es una medida de la capacidad de penetración de la de rayos X en los tejidos. Los factores que afectan a la calidad son: - Los kilovoltios pico, al aumentar los kilovoltios pico aumenta la energía efectiva de la de rayos y por tanto su penetración. - La filtración añadida mediante el colimador o filtros de compensación reduce los rayos X de baja energía, mejorando la calidad media del haz. La filtración de la de rayos X junto con el kilovoltaje determinan un valor numérico que sirve para cuantificar la calidad de la de rayos. Este valor se conoce como HVL o capa en mi reductora y se define como el grosor de material necesario para reducir la intensidad del haz el 50% del valor original. El valor de HLV para los rayos en radiología convencional está entre 2 y 5 mm de aluminio. Incrementos de kVp (kilovoltaje pico): Cantidad de rayos X: Aumenta. El kilovoltaje pico determina la energía con la que los electrones son acelerados hacia el blanco del ánodo. Al aumentar el kVp, más electrones tienen suficiente energía para generar rayos X, lo que incrementa la cantidad total de radiación producida. Calidad de rayos X: Aumenta. La calidad está relacionada con la energía de los rayos X y su capacidad para penetrar tejidos. Un kVp más alto produce fotones de mayor energía, lo que mejora la capacidad de penetración (es decir, los rayos X son más \"duros\"). Incrementos de mA (miliamperaje): Cantidad de rayos X: Aumenta. El miliamperaje controla la cantidad de corriente que fluye a través del tubo de rayos X. Más corriente significa que más electrones están disponibles para interactuar con el blanco del ánodo, lo que incrementa la producción de rayos X. Calidad de rayos X: No cambia. El mA no afecta la energía de los rayos X producidos; únicamente incrementa el número total de fotones emitidos. Incrementos en el tiempo de exposición: Cantidad de rayos X: Aumenta. El tiempo de exposición determina cuánto tiempo se genera radiación. Al aumentar este tiempo, más rayos X son producidos durante el proceso. Calidad de rayos X: No cambia. La energía de los rayos X no está influenciada por el tiempo de exposición, ya que la energía depende exclusivamente del kVp. Incrementos en mAs (producto de mA y tiempo de exposición): Cantidad de rayos X: Aumenta. El mAs es el producto del miliamperaje (mA) y el tiempo de exposición. Un mayor mAs implica un mayor número de fotones generados. Calidad de rayos X: No cambia. Nuevamente, la calidad no depende del mAs, sino del kVp. Incrementos en la distancia foco-receptor (SID, por sus siglas en inglés): Cantidad de rayos X: Disminuye. A medida que la distancia entre el foco (tubo de rayos X) y el receptor (placa o detector) aumenta, los rayos X se dispersan en un área más grande. Esto reduce la intensidad de radiación que llega al receptor, según la ley del inverso del cuadrado de la distancia. Calidad de rayos X: No cambia. La energía o capacidad de penetración de los rayos X no se ve afectada por la distancia. Incrementos en la rectificación de onda: Cantidad de rayos X: Aumenta (en casos de rectificación de alta frecuencia). La rectificación mejora el uso eficiente de la energía eléctrica en el tubo de rayos X, especialmente con sistemas de alta frecuencia. Esto incrementa la cantidad de rayos X generados. Calidad de rayos X: Aumenta (en casos de alta frecuencia). Los sistemas de alta frecuencia también producen rayos X con una mayor energía promedio, lo que mejora su calidad. Incrementos en la filtración: Cantidad de rayos X: Disminuye. La filtración elimina los fotones de baja energía que contribuyen poco a la calidad de la imagen y solo aumentan la dosis al paciente. Al eliminar estos fotones, la cantidad total de rayos X disminuye. Calidad de rayos X: Aumenta. Al filtrar los rayos X de baja energía, la energía promedio de los fotones que llegan al paciente aumenta, lo que mejora la penetración y reduce el ruido en la imagen.