Física de los rayos X - Apuntes de Electromedicina Xavier Pardell

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Física de los rayos X

S. Nuclear

El término rayos X revela la incertidumbre sobre el conocimiento, que de su origen, se tenía en un principio sobre este tipo de radiación. Cuando en 1895, Roentgen, su descubridor, comprendió que el origen de los extraños fenómenos que empezaban a suceder al calor de sus experimentos con un tubo de rayos catódicos, se debía a la extraña acción a distancia que aparecía cuando él ponía en marcha sus experiencias, no tuvo más remedio que aceptar la evidencia y pensar que la luminiscencia que se revelaba en las placas de platinocianuro de Bario al hacer funcionar su tubo de rayos catódicos, era debida a unos curiosos rayos que denominó rayos X.

Estos rayos no sólo hacían emitir luz a las mencionadas láminas, sino que se descubrió que podían impresionar las películas fotográficas e incluso que tenían la sorprendente capacidad de atravesar la materia. Impresionado por su descubrimiento, poco tiempo después comunicó sus hallazgos al mundo científico. En aquella época nació una nueva era para la física con el descubrimiento de la radioactividad del radio, y los posteriores éxitos de la nueva teoría cuántica.

Hoy en día ya se conoce bastante bien el origen y comportamiento de los rayos X, su naturaleza electromagnética y su comportamiento dual. Son numerosas sus aplicaciones tanto en la industria, como en la medicina. En lo que a la industria se refiere los rayos X se utilizan como un medio para adentrarse en las grandes estructuras sólidas y averiguar posibles defectos internos que, sin el uso de la radiación sería muy difícil averiguar. En medicina no sólo se usan para diagnóstico médico por medio de las máquinas de rayos X convencionales o la más novedosa técnica de la tomografía axial computerizada, sino que se usan incluso para terapia, salvando vidas, como puede verse diariamente en un servicio de radioterapia.

De todas formas hay que ser muy precavido en el uso de los rayos X, todos sabemos los inconvenientes que provocó su uso incontrolado, cuando se descubrieron en un principio. La radiación se usó para satisfacer la curiosidad de cualquier persona que quería ver los huesos de su mano o incluso para que las madres se aseguraran que el zapato de su hijo ajustaba correctamente a su pie. Pronto nació el fantasma de sus peligros y los miedos exagerados que a la radiación se tiene aun hoy. El único escudo contra la radiación X es su conocimiento objetivo.

El principio de dualidad

El estudio y conocimiento de la radiación electromagnética ha sido siempre uno de los aspectos más apasionantes de la física. En un principio se creía que electricidad y magnetismo eran conceptos que no tenían nada que ver el uno con el otro y hasta las primeras experiencias de científicos como Faraday o Ampere, no se empezó considerar la electricidad y el magnetismo como dos caras de una misma moneda.

Fue Maxwell el físico que recogió todos los trabajos que hasta entonces se habían publicado sobre el tema y no sólo supo darles el enfoque correcto, sino que los completó, sacando a la luz el estudio más importante que quizás hasta entonces se había hecho en física. Maxwell concluyó de las numerosas evidencias experimentales que tenía, y a raíz de un prodigioso trabajo teórico que desarrolló, que la luz no era otra cosa que radiación electromagnética de una longitud de onda muy concreta (entre 4.10-7 y 7.10-7 metros), que se desplaza a velocidad constante de unos 300.000 Km/s y que podían existir radiaciones electromagnéticas de longitudes de onda diferentes, como por ejemplo, las hoy conocidas ondas de radio, los rayos ultravioleta o las ondas de radar. A partir de entonces se creyó que el electromagnetismo era un tema zanjado, una teoría completa.
Pero a finales del siglo XIX, y también principios del XX, salieron a la luz nuevos fenómenos, como el ya citado descubrimiento de los rayos X o el inexplicable espectro de los llamados cuerpos negros. A partir de entonces nació la controversia: resultaba que para explicar fenómenos como difracción e interferencia de la luz, emisión de radio, transporte o incluso relación entre los "dispares" fenómenos eléctricos y magnéticos, se debía acudir a la teoría desarrollada por Maxwell para su estudio, pero para explicar los nuevos fenómenos observados entre finales del siglo XIX y principios del XX y sobre todo a la luz de la nueva teoría cuántica, la teoría electromagnética no era una herramienta válida y ¡habría que acudir a otra teoría más completa!.

A todos nos resulta evidente que la naturaleza es un misterio fabuloso, y esto se hace patente también en la conclusión de este episodio de la ciencia. La serie de nuevos fenómenos observados, sin una explicación plausible, tuvieron su cenit en el efecto fotoeléctrico. Con la, ya por entonces, vieja teoría electromagnética, este curioso efecto por el cual se emiten electrones cuando se hace incidir radiación electromagnética sobre ciertos metales, era un hecho imposible. Fue Einstein quien hizo honor a la fama que aún hoy le precede y dio una solución a semejante paradoja. Él concluyó que cuando una onda electromagnética interactúa con cualquier otra partícula, la cantidad de ciertas magnitudes físicas, como por ejemplo la energía, que pueden intercambiarse en el proceso son las correspondientes a un fotón.

Este último párrafo introduce el concepto de fotón, que es la partícula fundamental de la que está compuesta la radiación electromagnética, y que solo se manifiesta en la interacción de la radiación electromagnética con la materia. La energía de un fotón viene dada por E=hv con h constante y v la frecuencia de la onda electromagnética sobre la que viaja el fotón. La cantidad de movimiento es p=h/X siendo X la longitud de onda de la onda electromagnética sobre la que viaja el fotón. Es por ello que se dice que la radiación electromagnética se comporta de forma dual, en lo que se refiere al transporte se comporta como una onda y en lo que se refiere a la interacción con la materia se comporta como una partícula (el fotón).

Acción a distancia
Es importante resaltar que, cuando decimos interacción nos referimos a acción a distancia. Ésta es una idea muy importante a tener en cuenta, pues estamos acostumbrados a pensar en términos de las fuerzas del mundo ordinario. La persona que coge sus libros, los levanta y los traslada o el obrero que empuja su carretilla, por ejemplo, son casos donde realmente llegamos a pensar que hay contacto entre estas personas y los objetos sobre los que se ejerce la fuerza, aunque como se va a explicar esto no es así. El término "inter-acción" describe muy bien lo que realmente sucede. Cuando se dice que la fuerza de la gravedad es la que mantiene a la luna en órbita respecto de la tierra, parece sorprendente que esto sea así, pues la tierra y la luna están realmente lejos, (en lo que a las distancias ordinarias se refiere). Sin embargo cuando decimos que hemos cogido un vaso parece que esto es una cosa normal, pues tocamos el vaso con las manos y ejercemos una fuerza directamente sobre él. Pero eso es un error, aunque lo parece, no llegamos a tener contacto con el vaso y la fuerza que hacemos sobre éste sigue siendo a distancia, a corta distancia para nosotros, habitantes del mundo macroscópico, pero a larga distancia a escala atómica, que es lo que interesa, puesto que los elementos origen de estas fuerzas son de dimensiones atómicas. Es por ello que a la hora de explicar cómo se producen los fenómenos físicos, hay que tener sumo cuidado y entender que las relaciones entre la materia y la radiación se escapan a los conceptos que del mundo ordinario tenemos y que se dan según las leyes de la física de lo pequeño (la física cuántica).

Las cuatro interacciones
Hemos estado refiriéndonos a la interacción electromagnética sin que hasta ahora hayamos explicado que ésta forma parte de un grupo muy reducido de fuerzas fundamentales a las que se reducen todas las interacciones de la naturaleza. Cualquier forma de interacción se reduce a una de las cuatro fuerzas fundamentales; éstas son:

  • La fuerza fuerte: (responsable de las fuerzas nucleares)
  • La fuerza débil: (responsable de la creación de la radiación P).
  • La fuerza electromagnética
  • La fuerza gravitatoria (responsable de la atracción entre las masas)

A nosotros y en lo que se refiere a la producción de rayos X nos Interesa sólo la fuerza electromagnética. Ésta se da entre las partículas cargadas. Hoy en día se acepta que cuando entre dos partículas cargadas hay una interacción de este tipo, se envía un fotón de una de las partículas a la otra. Éste es el responsable de la acción a distancia entre ambas. Así, queda claro cuáles son los elementos puestos en juego en este tipo de fuerzas, las dos cargas
(fuente y sumidero) y el fotón responsable de la interacción.

Choques elásticos e inelásticos
Otro aspecto a tener en cuenta, antes de explicar las bases de la producción de rayos X, es el concepto de choque en física. Éste está íntimamente relacionado con todo lo dicho en el apartado anterior. No se puede pensar en el concepto macroscópico de choque y caer en el error de que se produce un contacto físico. Una vez comprendido eso, nos interesa conocer qué tipos de choques se dan en la naturaleza. Generalmente, los choques, se suelen clasificar en elásticos e inelásticos. Sin embargo, para entender esta clasificación hay que conocer el comportamiento de una magnitud muy importante en física, la energía cinética, que es la energía asociada a toda masa en movimiento.
Hay magnitudes físicas que se conservan invariantes con el paso del tiempo. Por ejemplo, cuando dos bolas de billar chocan, antes y después del choque, la suma de los momentos lineales o lo que es lo mismo, la suma de los productos de masa y velocidad de cada bola, se mantiene constante. Lo mismo le ocurre a su energía cinética, antes y después del choque se conserva constante las sumas de las energías cinéticas de cada bola, dando como resultado que toda la energía cinética que pierde una bola la gana la otra. El caso es que para todo sistema físico hay magnitudes que permanecen siempre invariantes (por ejemplo el mencionado momento lineal). Sin embargo con la energía cinética esto no ocurre siempre así y hay sistemas físicos en los que ésta se conserva constante y hay sistemas en los que no. Definimos:

Físicas de los rayos X

Los rayos X se producen en el interior de un tubo de vidrio, en el que se ha hecho un alto vacío, y donde se aplica una diferencia de potencial (d.d.p.) de aproximadamente 50 a 150 KV entre sus polos positivo y negativo. El cátodo (polo negativo) se calienta cuando hacemos pasar una corriente entre sus extremos, para que se produzca una emisión de electrones por efecto termoiónico. Si aumentamos esta corriente (miliamperaje), aumenta el número de electrones emitidos, es decir, la corriente que atraviesa el tubo. Los electrones emitidos por el cátodo encuentran un campo eléctrico que los atrae hacia el ánodo (polo positivo), debido a la elevada diferencia de potencial (kilovoltaje).
Los electrones se dirigen hacia el ánodo (también denominado blanco) sin chocar en su trayectoria con partículas de polvo o aire, ya que el tubo se encuentra con un alto vacío, cediendo en él la energía que transportan básicamente de dos formas, por interacciones con los electrones corticales y por interacciones con los núcleos.
Las interacciones con los electrones corticales, dan lugar a choques elásticos e inelásticos. En las colisiones elásticas no hay emisión de radiación electromagnética, pero si producción de calor, que causa calentamiento en el ánodo. Las colisiones inelásticas, provocan la promoción de algunos electrones corticales a capas superiores, que al caer a sus órbitas iniciales emiten energía EM, rayos X característicos, cuya frecuencia y energía (E=hv) están determinadas por el material del ánodo.
Los átomos excitados tienden a desexcitarse en un intervalo de tiempo muy corto. Así el electrón excitado pasa desde el nivel en el que se encuentra al fundamental, bien directamente o a través de niveles intermedios emitiendo en cada uno de estos saltos un fotón de energía igual a la diferencia de energía entre los niveles:
hv = El - E2
donde E1 y E2 representan respectivamente las energías de las órbitas entre las que se produce el salto.
Cuando el electrón excitado o emitido desde el átomo (ionización) pertenece a una capa muy profunda (K o L normalmente) la posterior vuelta al estado fundamental se realiza mediante la emisión de fotones muy energéticos denominados rayos X.
En las interacciones con los núcleos, los electrones se frenarán al desviarse cerca de un núcleo emitiendo un fotón por radiación de frenado o bremsstrahlung, cuya energía estará comprendida entre 0 y la energía inicial del electrón (= 50 a 150 KeV). En este caso la energía de los fotones no depende del material del blanco, pero el número de fotones generados para un  mismo número de electrones incidentes aumenta con el número atómico del blanco.

Propiedades de los rayos X
Los rayos X tienen una serie de propiedades que son: Poder penetrante: Atraviesan la materia. La capacidad de penetración es tanto mayor cuanto mayor es el kilovoltaje, cuanto más baja es la densidad de la materia y cuanto menor es el número atómico medio de dicha materia atravesada.
  • Efecto biológico: La radiación se atenúa al atravesar la materia, lo que significa que parte de ella es absorbida, produciendo lesiones en los organismos vivos.
  • Efecto luminiscente: Producen fluorescencia en ciertas sustancias llamadas fósforos.
  • Efecto fotográfico: Impresionan y producen imágenes sobre las películas fotográficas.
  • Efecto ionizante: Pueden ionizar los gases.
Todas estas propiedades se desarrollarán ampliamente en los distintos temas del presente temario de oposiciones, cabe aquí señalarlas resumidas para tener el conjunto.

Equipos de radiología convencional
En el mercado nos encontramos distintas casas comerciales, cada una de ellas con diversos modelos de aparatos de radiología convencional.
Como norma general, un equipo convencional consta básicamente de un tubo de rayos X al vacío envuelto por una cubierta metálica con toma a tierra, una sección de baja tensión donde se encuentran los controles y la entrada de la red eléctrica, otra sección de alta tensión donde se realiza la transformación de los 220 V de la red en una tensión del orden de los 50-150 KV y un rectificador que transforma la corriente alterna en corriente continua.
El tubo de rayos X se encuentra montado en una columna o en un dispositivo telescópico (suspensión de techo sobre raíles). Será necesaria una mesa radiológica (fija, flotante, inclinable...) o un pedestal vertical (Bucky mural) donde poder posicionar al paciente para la exploración radiológica, tras los que se encuentra el portachasis para alojar la película radiográfica.
Como dispositivos asociados al tubo de rayos X tenemos los filtros (que veremos más adelante), limitadores del haz (diafragmas, conos y cilindros, etc...) y rejillas antidifusoras que se utilizan para eliminar (del 80 al 90%) la radiación dispersa antes de que llegue a la película. Están formadas por una serie de láminas absorbentes, de plomo o wolframio, entre las que hay un material poco absorbente, fibra de carbono o aluminio. Además, están diseñadas y focalizadas de forma que sólo permitan el paso de los rayos X alineados con el foco, eliminando el resto.

El tubo de rayos X

El tubo de rayos X consiste en una ampolla de vidrio (Pyrex) en la que se ha hecho un alto vacío, que contiene en su interior un filamento con potencial negativo (cátodo) y un blanco con potencial positivo (ánodo). Las partes principales de un tubo de rayos X son (desde el exterior hacia el interior): cubierta metálica, blindaje de plomo, espacio para el aceite, ampolla de vidrio, taza de focalización, fuente de electrones (cátodo), ánodo y filtros.




La cubierta metálica se encuentra conectada eléctricamente a tierra, para conseguir un buen aislamiento eléctrico y evitar un posible accidente en caso de una fuga de alta tensión, recordemos que la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo es muy elevada (50-150 KV). Dispone de una ventana de un material de número atómico bajo para permitir la salida del haz de radiación directa e impedir irradiar en direcciones no deseadas.

El blindaje de plomo es útil para absorber la radiación no coincidente con el haz de rayos X que se va a utilizar. El calor que se genera en el ánodo se disipa a través del aceite que rodea la ampolla, realizando un aislamiento tanto eléctrico como térmico. La refrigeración del ánodo es muy importante, ya que salvo la energía emitida en forma de radiación EM, el resto de la energía de los electrones que atraviesan el tubo es absorbida en el ánodo y transformada básicamente en calor. Los electrones se emiten desde el cátodo que se encuentra en el interior de la taza de focalización o copa de enfoque, cuya misión es concentrar el haz de electrones en el punto focal del ánodo. El filamento de un tubo de rayos X suele ser de wolframio o tungsteno (W), elemento con número atómico igual a 74 y punto de fusión muy elevado (3410°C). Para calentar el cátodo se hace pasar una corriente entre sus extremos (diferencia de potencial de 6 a 10 V), emitiendo de esta forma electrones por efecto termoiónico. Si se modifica esta tensión, se variará la corriente que atraviesa el filamento y se aumentará el número de electrones emitidos por efecto termoiónico.

El ánodo está formado generalmente por un metal con número atómico muy elevado (Wolframio), incrustado en una barra de cobre (elevado punto de fusión, 1083°C) refrigerada por aceite. Al tener un número atómico alto, conseguimos que el frenado de los electrones sea muy elevado y se generengran cantidad de fotones de bremsstrahlung, que poseen un espectro continuo. Cuando los electrones que provienen del cátodo colisionan con los electrones ligados a algún átomo del ánodo, se pueden producir colisiones que consigan hacer saltar los electrones corticales de un orbital a otro de mayor energía, con lo que se emitirá radiación EM con un espectro discreto (rayos característicos), cuando dichos electrones vuelven a caer a sus orbitales originales. El ánodo puede ser estacionario (siempre en la misma posición). En este caso, la zona de impacto de los electrones se recubre por una capa de cobre y otra de tungsteno, para que los electrones secundarios generados en el blanco sean frenados en la capa de cobre, y los fotones de frenado de baja energía producidos en la capa de cobre, se absorban en la capa de tungsteno. La zona de impacto de los electrones se llama foco térmico, debido a que es donde se disipa la mayor cantidad de energía por unidad de superficie (en milímetros de superficie se alcanzan temperaturas de unos 2000°C). Posteriormente se diseñaron los ánodos rotatorios, que se utilizan cuando la carga del tubo es elevada y se requieren grandes corrientes en un breve intervalo de tiempo. El ánodo tiene un dispositivo (rotor) que lo hace girar mientras sobre él incide el haz de electrones, aumentando así la superficie de impacto (foco térmico) y evitando el sobrecalentamiento del mismo. Son los más habituales en radiodiagnóstico. Pueden ser de wolframio o de una mezcla de 90% de wolframio y 10% de renio. La mayoría de los fotones de rayos X dentro del intervalo de energías propias de radiodiagnóstico se emiten con un ángulo de unos 45° respecto de la dirección de incidencia del haz de electrones. Para aumentar el tamaño del foco térmico sin aumentar el tamaño del foco óptico, se utiliza un ánodo inclinado unos pocos grados respecto del ángulo de salida del haz de rayos X. El ángulo utilizado en radiodiagnóstico suele ser de 6-17° y la superficie aparente del foco varia de 0.1x0.1 mm a 2x2 mm.
La velocidad de giro es de 3.000 r.p.m (revoluciones por minuto), aunque en los tubos actuales, se puede llegar hasta las 9.000 r.p.m.



Los filtros se utilizan para eliminar los rayos X de mayor longitud de onda (blandos), que lo único que producen es el aumento de la dosis en superficie del paciente. A este efecto, en la ampolla de vidrio se encuentra una pequeña superficie circular donde el vidrio es más delgado que se denomina ventana de salida del haz. El flujo de fotones que emerge del ánodo no es estrictamente homogéneo, ya que no todos los fotones se producen en el mismo punto y además se producen tras atravesar los electrones diferentes espesores de material. Este fenómeno se denomina efecto anódico o talón, que aumenta con el envejecimiento del tubo conforme la superficie anódica se va deteriorando con los cambios de temperatura.
Además de los tubos para diagnóstico médico (ánodo estacionario y rotatorio) que hemos visto, existe otro tipo de tubos de rayos X, los de terapia (radioterapia). Estos trabajan con intensidades relativamente bajas, oscilando entre 3-5 y 20-30 mA. Es importante señalar que el tamaño del foco no es tan decisivo como en los tubos de diagnóstico, ya que en radioterapia no hace falta un haz perfectamente enfocado. Sí debemos tener en cuenta unas severas exigencias de enfriamiento,  debido a la necesidad de una continua disipación del calor.

Producción de rayos X
El haz de rayos X generado en el ánodo contiene rayos X de frenado producidos al interaccionar  l los electrones con los núcleos del ánodo y rayos X característicos originados por el llenado de los orbitales vacantes provocados por los choques con los electrones corticales del ánodo.
La energía máxima de los electrones y en consecuencia el máximo del espectro dependen directamente de la diferencia de potencial aplicada entre ánodo y cátodo. Si se observa el espectro de rayos X, se verá que existe una longitud de onda mínima, λmín, que se corresponderá con esta energía máxima, Emáx:

Emáx = hvmáx = hc / λmín

El espectro se corresponde con un espectro continuo, formado por la radiación de frenado y cuya energía máxima (longitud de onda mínima) se corresponde numéricamente y en eV con la d.d.p. Al espectro continuo se superpone un espectro discreto que corresponde a la desexcitación de los átomos del ánodo y dependerá del número atómico del material del ánodo. Para evitar que nuestro haz se contamine con radiación de muy baja energía, no es conveniente utilizar materiales anódicos de bajo Z, ya que contribuyen al aumento de la dosis en piel del paciente, pero no son capaces de aprovecharse para la obtención de la imagen al no atravesar al paciente. Si la tensión utilizada es muy baja (15-40 KV), puede interesar aprovechar directamente los rayos X característicos, como es el caso de los equipos de mamografía que tienen un ánodo de molibdeno, cuyo espectro característico está comprendido entre 25-35 KeV.

Si el espectro está compuesto básicamente por radiación de frenado (lo más habitual), la energía media del haz de rayos X es aproximadamente 1/3 de la energía máxima. La calidad de un haz de rayos X se define como la habilidad de penetración de la radiación. Como esta definición es difícilmente mensurable, se recurre a la capa hemirreductora (CHR) para cuantificar la calidad de un haz de rayos X. La capa hemirreductora es el espesor de un filtro de una composición determinada necesario para atenuar la intensidad del haz a la mitad. Cuando mayor sea la CHR, mayor será la energía de nuestro haz y mayor la penetración de la radiación. Si el haz es monoenergético, la capa hemirreductora tiene una definición única, pero si el haz no lo es, sino que presenta un espectro complejo (casi siempre), el valor de la CHR varía tras atravesar un determinado espesor de material, ya que se frenarán más los fotones de bajas energías, por lo que tras atravesar un filtro se dice que el haz se endurece, es decir, aumenta la proporción relativa de fotones de alta energía. Así se define el coeficiente de homogeneidad como el cociente en la 1a CHR y la 2a CHR, entendiendo la 2a CHR como el espesor necesario para volver a reducir a la mitad la intensidad de un haz de rayos X tras haber atravesado la ia CHR. El espectro anteriormente descrito corresponde al espectro a la salida del ánodo, si bien entre éste y el paciente existen una serie de materiales que interactúan con el haz. Como la radiación de baja energía no contribuye a la imagen, pero sí a la dosis al paciente, constituye un elemento indeseable del espectro de rayos X. Por ello, a la salida del haz se interponen una serie de filtros que disminuyan la proporción de rayos X de baja energía. La mayoría de los filtros utilizados en radiodiagnóstico, son de aluminio. Para energías mayores puede ser conveniente utilizar filtros compuestos por varios materiales, en estos casos, deberá estar el elemento de mayor número atómico más cerca del ánodo. Independientemente de los filtros que se utilicen para nuestro equipo, existe una filtración inherente al haz que se debe a la filtración que sufre el haz en el propio ánodo y la debida a la ventana de salida del tubo, normalmente el valor de esta filtración inherente es de unos 0.5 mm de Al. En nuestro país la filtración total (inherente + añadida) debe ser equivalente a 2.5 mm de Al.

La intensidad del haz de rayos X depende del número de electrones emitidos desde el filamento y se controla a través de la tensión entre los extremos del cátodo. Además de atenuarse la radiación por el filtrado de los materiales interpuestos entre el paciente y el tubo de rayos X, la intensidad de la radiación se atenúa con el cuadrado de la distancia desde la fuente. Así, si medimos la intensidad de la radiación, lo, en un punto O a una distancia del foco. aparente, la intensidad de la radiación, I, en otro punto de la misma recta a una distancia d será:



así la intensidad de la radiación a 2 m del foco aparente, será la cuarta parte de la radiación a 1 m de distancia. Dentro de la radiación generada por un tubo de rayos X suelen definirse los siguientes conceptos: Se denomina radiación directa o primaria a la radiación que emerge del tubo de rayos X en la dirección de utilización. Hasta ahora, sólo se habían hecho referencias a esta radiación.




La radiación directa suele ser unas 300-3000 veces mayor que la radiación secundaria. La radiación residual es la radiación directa tras atravesar al paciente. Entendemos por radiación dispersa aquella que se genera como consecuencia de dispersiones Compton entre el haz directo y los absorbentes interpuestos en su trayectoria, tales como el paciente, los accesorios o el aire.
Radiación de fuga sería la radiación que escapa al blindaje (es necesario blindar todo el tubo salvo la ventana de salida). Y por último denominamos radiación secundaria a la radiación de fuga más la radiación dispersa.

Generador
El tubo de rayos X está conectado a la red eléctrica que funciona a 220 Veff, en corriente alterna
(AC). El tubo de rayos X funciona a unos 50-150 KV, en corriente continua (DC). La d.d.p. entre los extremos del cátodo es de unos 6 V, pudiendo trabajar indistintamente en AC y en DC, ya que esta corriente sólo tiene la finalidad de calentar el cátodo, por tanto el circuito asociado al cátodo para generar esta corriente será sólo un transformador de 220 V a 6 V. Así el circuito puede separarse en dos partes, una de alta tensión que alimenta al tubo y trabaja en DC y otra que alimenta la corrientedel cátodo de baja tensión y de AC. Un pequeño cambio en la corriente del cátodo, puede generar un gran cambio en la corriente del tubo y por tanto en la dosis al paciente, por lo que el transformador ha de ser lo suficientemente estable como para eliminar las variaciones de la red.

La parte de alta tensión trabajará a 50-150 KV en DC a partir de los 220 V de AC. En primer lugar, dentro de la etapa de baja tensión, se contará con un autotransformador que permitirá un ajuste discreto de la d.d.p. y un reóstato que permitirá el ajuste fino de la tensión del tubo, para evitar un sobrecalentamiento de esta etapa. Tras el autotransformador, se conectará un transformador que proporcionará los 50-150 KV, ya en la etapa de alta tensión. Como la tensión de salida del transformador es continua, será necesario disponer de un sistema rectificador que no permita la inversión de la polaridad. El rectificador más habitual es un puente de diodos, pero en la práctica se utiliza un rectificador trifásico con tres puentes de diodos, que genera una señal casi continua. En realidad podría utilizarse una tensión sin rectificar (AC), equipos autorrectificados, pero en los períodos negativos de la tensión sería el ánodo el que se convertiría en cátodo y viceversa, por lo que el cátodo recibiría impactos de los electrones sin disponer de un sistema adecuado de refrigeración, con los problemas asociados, además de contaminar el haz emergente con fotones de baja energía correspondientes a los fotones generados por los electrones acelerados en las rampas de bajada y subida de la tensión.

Todos los elementos de control se encuentran en la etapa de baja tensión. En el caso del kilovoltímetro, se sitúa entre las espiras del autotransformador en la parte de baja tensión y se gradúa para alta tensión. El miliamperímetro mide la corriente que atraviesa el tubo de rayos X, pero se sitúa en la mitad de las espiras del secundario, con lo que en realidad se  encuentra conectado a tierra. Para conseguir un mejor aislamiento, el bloque de alta tensión y los cables de alimentación del tubo están aislados y rodeados de una vaina metálica conectada a tierra.

Otros componentes del equipo
El tubo de rayos X está conectado a la red eléctrica que funciona a 220 Veff, en corriente alterna (AC). El tubo de rayos X funciona a unos 50-150 KV, en corriente continua (DC). La d.d.p. entre los extremos del cátodo es de unos 6 V, pudiendo trabajar indistintamente en AC y en DC, ya que esta corriente sólo tiene la finalidad de calentar el cátodo, por tanto el circuito asociado al cátodo para generar esta corriente será sólo un transformador de 220 V a 6 V. Así el circuito puede separarse en dos partes, una de alta tensión que alimenta al tubo y trabaja en DC y otra que alimenta la corriente del cátodo de baja tensión y de AC. Un pequeño cambio en la corriente del cátodo, puede generar un gran cambio en la corriente del tubo y por tanto en la dosis al paciente, por lo que el transformador ha de ser lo suficientemente estable como para eliminar las variaciones de la red.

La parte de alta tensión trabajará a 50-150 KV en DC a partir de los 220 V de AC. En primer lugar, dentro de la etapa de baja tensión, se contará con un autotransformador que permitirá un ajuste discreto de la d.d.p. y un reóstato que permitirá el ajuste fino de la tensión del tubo, para evitar un sobrecalentamiento de esta etapa. Tras el autotransformador, se conectará un transformador que proporcionará los 50-150 KV, ya en la etapa de alta tensión. Como la tensión de salida del transformador es continua, será necesario disponer de un sistema rectificador que no permita la inversión de la polaridad. El rectificador más habitual es un puente de diodos, pero en la práctica se utiliza un rectificador trifásico con tres puentes de diodos, que genera una señal casi continua. En realidad podría utilizarse una tensión sin rectificar (AC), equipos autorrectificados, pero en los períodos negativos de la tensión sería el ánodo el que se convertiría en cátodo y viceversa, por lo que el cátodo recibiría impactos de los electrones sin disponer de un sistema adecuado de refrigeración, con los problemas asociados, además de contaminar el haz emergente con fotones de baja energía correspondientes a los fotones generados por los electrones acelerados en las rampas de bajada y subida de la tensión.

Todos los elementos de control se encuentran en la etapa de baja tensión.
En el caso del kilovoltímetro, se sitúa entre las espiras del autotransformador en la parte de baja tensión y se gradúa para alta tensión. El miliamperímetro mide la corriente que atraviesa el tubo de rayos X, pero se sitúa en la mitad de las espiras del secundario, con lo que en realidad se encuentra conectado a tierra. Para conseguir un mejor aislamiento, el bloque de alta tensión y los cables de alimentación del tubo están aislados y rodeados de una vaina metálica conectada a tierra.

Colimadores
Un colimador esta formado por un par de mandíbulas móviles dos a dos que impiden el paso de la radiación, permitiendo una gran variedad de campos cuadrados y rectangulares.
Los colimadores limitan el paso del haz de radiación, restringiéndolo al tamaño que se desee.

Los colimadores no sólo limitan el haz de radiación sino que también hacen lo mismo con el campo luminoso. Éste, se utiliza para observar sobre el paciente lo que será el campo de radiación cuando se inicie la irradiación. El mecanismo para crear el campo luminoso es sencillo y se hace con un sistema que utiliza una bombilla y un espejo tal y como se muestra en la siguiente figura:



De la figura anterior podemos comentar: 1) el espejo debe formar un ángulo de 45°. 2) la distancia existente entre el blanco del tubo de rayos X y el espejo debe ser la misma que la existente entre éste y la bombilla. Con el sistema de colimación diseñado en esta forma se consiguen dos objetivos: 1) la protección del paciente, pues seleccionando el campo más pequeño posible se consigue minimizar el volumen irradiado. 2) Disminuir la radiación dispersa que alcanza la película radiográfica y por tanto se mejora el contraste de la imagen.

Rejillas
El objetivo de una placa radiográfica es obtener una imagen que permita el diagnóstico del paciente, por lo que obtener una imagen nítida tiene una gran importancia. Cuando se quiere obtener una imagen anatómica de una parte de mayor espesor, la radiación dispersada por el paciente aumenta, por lo que la imagen que se forma no se debe únicamente a la transmisión del haz incidente, sino que también aparece el haz dispersado por el paciente que no se corresponde con la imagen que se desea. Para evitar el efecto de la radiación dispersa, se interpone entre la placa radiográfica y el paciente una rejilla antidifusora. Fue inventada en 1913 por el Dr. Gustave Bucky y también se conoce por el apellido de su autor.

La rejilla antidifusora consiste en una serie de láminas de plomo sobre un material transparente a la radiación X y que sirve para mantener la estructura de plomo. El material transparente suele ser
aluminio o un material orgánico, si bien, la rigidez estructural del aluminio es mejor para este propósito. No obstante, el aluminio absorbe más radiación directa que los materiales plásticos, por lo que la dosis al paciente es mayor, aunque el contraste de la imagen es mejor. Algunos parámetros que caracterizan una rejilla son:

Relación de rejilla: Se define como R=h/d, donde h es el espesor de la rejilla y d la distancia entre las láminas que forman la rejilla. Conforme el valor de R aumenta, más radiación dispersa se elimina, aunque se necesitan dosis más altas para compensar la absorción de la rejilla y obtener las mismas imágenes que sin rejilla. Frecuencia de la rejilla: Se define como el número de rejillas por centímetro, de esta manera F=10000/(t+d), y donde t es el ancho de una rejilla y F se mide en micras. Al igual que antes a mayor frecuencia mayor absorción, aunque por el contrario se necesita mayor dosis de radiación para obtener la misma imagen.

Mesa de control
Desde la mesa de control se tiene acceso a la mayoría de los elementos que hasta ahora se ha explicado, así, desde ésta se pueden modificar, a conveniencia del operador de la sala, los elementos que interese para obtener una buena radiografía. La mesa de control suele estar ubicada detrás del blindaje y desde ella el operador realiza la placa visualizado tanto al paciente como a la máquina. En muchos casos el acceso a los colimadores, a la luz de campo y al movimiento de la mesa y del tubo no es posible desde la mesa de control y hay que hacerlo desde el mismo aparato de rayos dentro de la sala.
Se define régimen de una radiografía como el conjunto de valores de kilovoltaje entre ánodo y cátodo, intensidad de corriente que atraviesa el tubo y tiempo de exposición a la radiación, que se utilizan mientras se hace la placa. Generalmente desde la mesa de control podemos modificar y fijar el régimen de la radiografía de dos formas diferentes

  • Modificando los valores de kilovoltaje, intensidad y tiempo separadamente.
  • Modificando los valores de kilovoltaje y del producto de intensidad por tiempo.

Esta segunda opción está justificada porque el número de fotones y por tanto la dosis que recibe el paciente están vinculados a la intensidad de corriente (número de fotones generado) y al tiempo, (ya que a más tiempo mayor cantidad de fotones recibe el paciente). Así, el producto de intensidad por tiempo es un valor que nos da una idea directa de la dosis que recibe el paciente.

                               

Pupitres de control de un aparato de rayos X telemandado con tomógrafo. Desde estos paneles se controlan los parámetros técnicos de la exposición, los movimientos de la mesa y el tubo, se abren o cierran los colimadores, se acciona el seriador de placas, se monta el tomógrafo, y se cambia el brillo y contraste del monitor (escopia)

Recuerda
  • El estudio y conocimiento de la radiación electromagnética ha sido siempre uno de lo aspectos más apasionantes de la física. En un principio se creía que electricidad y magnetismo eran conceptos que no tenían nada que ver el uno con el otro y hasta las primeras experiencias de científicos como Faraday o Ampere, no se empezó considerar la electricidad y el magnetismo como dos caras de una misma moneda. Cualquier forma de interacción se reduce a una de las cuatro fuerzas fundamentales; éstas son:
  • La fuerza fuerte: (responsable de las fuerzas nucleares)
  • La fuerza débil: (responsable de la creación de la radiación b).
  • La fuerza electromagnética
  • La fuerza gravitatoria (responsable de la atracción entre las masas)
  • Los rayos X tienen una serie de propiedades que son:
  • Poder penetrante
  • Efecto biológico
  • Efecto luminiscente
  • Efecto fotográfico
  • Efecto ionizante
  • El tubo de rayos X consiste en una ampolla de vidrio (Pyrex) en la que se ha hecho un alto vacío, que contiene en su interior un filamento con potencial negativo (cátodo) y un blanco con potencial positivo (ánodo).

 
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Xavier Pardell Peña
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