Ley de Absorción de los Rayos X

Nociones de Rayos X
Introducción
La descarga eléctrica en gases fue estudiada ampliamente a fines del siglo XIX. Durante
estas investigaciones, el físico alemán Guillermo Conrado Röntgen (1845-1923)
descubrió en 1895 un efecto desconocido, que pude ser descrito de la siguiente forma:
cuando electrones con gran velocidad incidían sobre un blanco metálico dentro de un
tubo, aparecía una emisión de una radiación invisible de naturaleza desconocida, razón
por la cual fueron llamados rayos X.
Entre 1902 y 1906, por medio de estudios físicos, se comprobó que los rayos X son
ondas electromagnéticas, con una longitud de onda () del orden de 1 Å.
En 1896 el Dr. Tomás Varsi, director del Hospital de Bahía Blanca, Instaló el primer
equipo de rayos X en América del Sur con fines científicos.
Características de los Rayos X
Las principales características y propiedades de los rayos X se indican a continuación:
Son de naturaleza electromagnética.
Son invisibles.
Provocan fluorescencia sobre ciertas sustancias.
No son desviados por campos eléctricos o magnéticos, ni por lentes.
Son radiaciones ionizantes.
Velan placas fotográficas.
Tienen alta penetración.
Provocan efecto fotoeléctrico.
Cuando un haz de rayos X interactúa con la materia produce la liberación de electrones
de los átomos, los cuales salen impulsados a gran velocidad (efecto fotoeléctrico)
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Producción de Rayos X
El tubo de producción de rayos X (tubo de Coolidge) es una ampolla de vidrio con alto
vacío en su interior (menos de 10-6 mm Hg).
Presenta en uno de sus extremos un filamento metálico al cual se le aplica una
diferencia de potencial regulable, generalmente entre 0 y 20 Volts, que provoca una
corriente de filamento con el objeto de poner incandescente al mismo para producir la
emisión de electrones (efecto termoiónico). A mayor diferencia de potencial (V),
mayor número de electrones serán emitidos por segundo. Existen diferentes tipos de
filamento según el equipo: puntuales, lineales, planares.
En el extremo opuesto y enfrentado al filamento se encuentra un blanco o anticátodo
cuyo material es de alto número atómico (por ejemplo tungsteno). Los electrones
producidos en el filamento son atraídos por el blanco debido a una diferencia de
potencial, llamado potencial acelerador, establecida entre éste y el filamento. La fuente
que origina esta diferencia de potencial (V) tiene conectada el polo negativo al
filamento y el positivo al blanco. (Figura 1)
El rango de valores del potencial acelerador está condicionado por su aplicación:
0-20 KVolt
radiología odontológica
0-200 KVolt
radiología general
0-1.500 Kvolt
terapia profunda
Al aumentar el potencial acelerador se logra un incremento en la velocidad de los
electrones emitidos por el filamento. De la interacción entre los electrones y el blanco,
se produce la radiación X.
Nociones de Rayos X
En resumen, un tubo de producción de rayos X consiste en una fuente de electrones y un
blanco, con el cual los electrones pueden interactuar después de ser acelerados a través
del vacío. La resultante de dicha interacción son rayos X y calor. La fuente de electrones
es un filamento en incandescencia y por ese medio los electrones se disponen en un
estado de semilibertad, como una nube adyacente a la superficie del cátodo. Debido a la
aplicación de una fuente de potencial, cuyo polo positivo se une al blanco y el polo
negativo al cátodo; la nube de electrones puede ser acelerada a través del vacío y causar
el choque e interacción con el material del blanco.
En la interacción entre los electrones acelerados y el blanco, más del 99% de la energía
es disipada en forma de calor. La energía restante es irradiada en forma de rayos X.
Generalmente se utilizan blancos de tungsteno por tener alto punto de fusión,
aumentando así la vida útil del mismo.
Figura 1: Esquema de un tubo de Coolidge
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En el interior del tubo de rayos X existe una presión de 10-6 mm Hg (alto vacío), para
evitar que los electrones acelerados pierdan energía al chocar con las moléculas de aire.
El tubo presenta en una zona un adelgazamiento del espesor del vidrio, para permitir la
máxima salida de la radiación X.
Todo el tubo está incluido en un contenedor de metal (calota), para proteger el tubo y
evitar el escape de radiación. La calota tiene en la zona adelgazada del tubo un orificio
de salida sobre el cual se monta un sistema mecánico de enfoques y filtros.
El área del blanco donde se produce el choque de los electrones emitidos por el
filamento, tiene estrecha relación con la imagen radiológica. Cuanto menor sea dicha
área, mayor será la definición radiográfica resultante, y por eso, deberá ser tan pequeña
como sea posible. El límite inferior del tamaño del área de choque, está regido por la
capacidad del ánodo para disipar el calor producido por la interacción de los electrones
con el material del blanco. Esta disminución de la superficie de choque, minimiza la
dispersión de la radiación X emitida por el tubo.
Figura 2: Diagrama de un tubo simple de rayos X
Nociones de Rayos X
La disipación de calor también puede ser mejorada ubicando el blanco en forma de una
tira alrededor de la circunferencia de un disco rotativo de alta velocidad. Este recurso
evita bombardeos continuos sobre la misma zona del blanco y de esta manera permite el
enfriado del mismo. Los tubos con ánodo rotativo, pueden tener un área de choque de
aproximadamente 1/6 del tamaño requerido para tubos con ánodo fijo. Los equipos de
rayos X de alta potencia, requieren el uso de tubos con ánodo rotativo, para prevenir el
excesivo daño en la superficie del blanco.
Existen dos tipos de rayos X: uno ocurre cuando el electrón acelerado, posee energía
suficiente para quitar un electrón de las órbitas internas (K o L) de un átomo del blanco.
En dicho nivel queda una vacante, la cual es ocupada por algún electrón de las órbitas
externas, la diferencia entre el nivel de energía del electrón arrancado y el del electrón
reemplazante es emitida como una “característica” radiación X (Figura 3).
Figura 3: Origen de la radiación X característica
El término característica deriva del hecho que estas radiaciones son características para
un átomo del blanco dado, puesto que las diferencias entre los niveles de energía son
únicas. La longitud de onda de la radiación “característica” emitida dependerá entonces
del material del blanco.
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Un segundo tipo de rayos X, ocurre cuando los electrones emitidos por el filamento
llegan cerca del núcleo del átomo del blanco e interactúa con él. Dicha interacción
origina que el electrón gire parcialmente alrededor del núcleo; este cambio de dirección
del electrón acelerado resulta en una violenta disminución de la velocidad del mismo,
perdiendo gran parte de energía, dicha energía es emitida en forma de radiación X. Este
tipo de radiación se denomina comúnmente “radiación de frenado” debido a que es el
resultado de la desaceleración o “frenado” del electrón emitido por el filamento (Figura
4). La longitud de onda de la radiación de frenado emitida depende de la distancia entre
la dirección original del electrón y la posición del núcleo (parámetro de impacto). Como
el parámetro de impacto toma valores continuos, todo los valores de longitud de onda
son posibles a partir de una longitud de onda mínima, que corresponde al choque
frontal. En consecuencia el espectro correspondiente a la radiación de frenado es
continuo (Figura 5).
Figura 4: Origen de la radiación X de frenado
Figura 5: Relación entre el parámetro de impacto y la longitud de onda de la radiación.
Nociones de Rayos X
Espectros de la Radiación X
En los equipos usualmente utilizados en el diagnóstico radiográfico, la mayoría de las
radiaciones X generadas son en forma de “frenado”. Dicha radiación, que produce un
espectro continuo, varía con la energía que poseen los electrones acelerados y es función
del voltaje aplicado entre el ánodo y el cátodo del tubo de rayos X.
La “radiación característica” produce un espectro discontinuo, de líneas, llamado
espectro característico, que se traduce en forma de líneas de longitud de onda constante.
Aumentando el potencial acelerador aumenta la intensidad de las mismas pero no
cambia su longitud de onda, la cual depende de la naturaleza del blanco.
Si se grafica intensidad de la radiación X (I) en función de la longitud de onda () para
diferentes V, se obtiene la gráfica de los espectros de emisión, que muestra la
superposición de un espectro continuo y uno de líneas (Figura 6).
Figura 6: Gráfico de los espectros de emisión de la radiación X
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Ley de Duane - Hunt
La Ley de Duane - Hunt relaciona la longitud de onda mínima con la diferencia de
potencial acelerador aplicada. Su expresión es:
m 
hc
e  V
donde: c = velocidad de la luz en el vacío = 3 × 108 m/seg
h = constante de Planck = 6,62 × 10-34 Joule  seg
e = carga de electrón = 1,6 × 10-19 Coulomb
V = potencial acelerador
m = longitud de onda mínima
A mayor diferencia de potencial acelerador (V) menor longitud de onda mínima (m)
Clasificación de los Rayos X
Según la longitud de onda de los rayos X, éstos se clasifican arbitrariamente en rayos X
blandos (mayores a 0,5 Å) y rayos X duros (menores o iguales a 0,5 Å), debido a que
poseen muy diferente comportamiento. Esto valores varían según los autores.
Las principales características son:
Blandos:
Poca penetración
Alto poder de ionización específica. (Se denomina así a la cantidad de
pares iónicos por unidad de longitud recorrida, que produce un rayo X).
Provocan quemaduras en los tejidos superficiales
Duros
Gran penetración
Interactúan principalmente con tejidos de rápida reproducción
Pueden producir mutación genética en células de mitosis activa.
Nociones de Rayos X
Los rayos X blandos no son usados para el diagnóstico radiológico y deben ser filtrados
de la radiación primaria mediante láminas de aluminio. Los rayos X duros son utilizados
en diagnóstico radiológico y en terapia profunda.
Ley de Absorción de los Rayos X
La absorción de rayos X posee un comportamiento complejo debido a que la radiación
X emitida (espectro) es policromática. La absorción de la radiación X monocromática
sigue la ley de Lambert, cuya expresión es:
I  I 0  e x
donde: I = intensidad emergente o transmitida
I0 = intensidad incidente
 = coeficiente de absorción
x = espesor
El coeficiente de absorción es una constante que depende del material absorbente y de la
longitud de onda de la radiación. Cada tejido presenta un coeficiente de absorción
determinado; por ejemplo: µ hueso > µ dermis.
I
IO
x
Figura 7: Gráfico de intensidad vs. espesor (función exponencial decreciente)
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Aplicaciones de la Radiación X
Además de su utilidad en el diagnóstico, los rayos X se emplean con fines terapéuticos.
Dado que la radiación destruye células con cierta selectividad, puede servir para
liberarse de células indeseables como las de formaciones tumorales.
Puede dirigirse sobre la masa blanco un haz colimado de rayos X, utilizándose para
tumores de piel un potencial acelerador de 250 KV. Para tumores profundos se utilizan
potenciales del orden de los megavolts, produciendo radiación de alta energía y gran
penetración.
Las bacterias y virus pueden matarse exponiéndolos a la radiación X. Debido a esto los
alimentos empaquetados, los vendajes quirúrgicos precintados y otros materiales
similares, son sometidos, a menudo, a grandes dosis de radiación.
La unidad de dosificación actualmente acordada, es el RAD. Un RAD de rayos X es la
cantidad de radiación que produce una absorción de energía de 10 Joules por gramo de
material absorbente.
La radiosensibilidad varía según las condiciones del medio (temperatura, hidratación,
oxigenación, etc.) y depende principalmente del estado funcional y de la actividad
mitótica del tejido. La radiación actúa con mayor intensidad sobre las células, cuanto
mayor sea su actividad reproductiva y cuanto menor sea su morfología y funciones
específicas (indiferenciación celular).
La escala de radiosensibilidad de Engelmann de mayor a menor radiosensibilidad es:
tejido hematopoyético, timo, ovario, testículo, mucosas y glándulas mucosas, glándulas
sudoríparas y sebáceas, epidermis, serosas, riñón, adrenales, glándulas intestinales,
hígado, páncreas, tiroides, músculo estriado, tejido conjuntivo, vasos, tejido
cartilaginoso, óseo y nervioso.
Nociones de Rayos X
Controles Radiológicos
Los controles que debe efectuar el técnico radiólogo o el profesional antes de la toma de
las placas radiográficas son:
Potencial acelerador: se fija de acuerdo al espesor del objeto en estudio.
Corriente del filamento
Tiempo de exposición
Filtros
Las imágenes movidas son la causa más frecuente de una mala radiografía.
Generalmente se debe a que el paciente se mueve durante la toma radiográfica,
llegándose a los mismos efectos cuando el aparato se encuentra en una situación
inestable o se lo mueve durante la exposición. La forma de reducir al mínimo este efecto
consiste en utilizar el menor tiempo posible de exposición, para lo cual se debe
aumentar la corriente del filamento. De esta manera se mantiene aproximadamente
constante la cantidad de rayos X que inciden sobre la placa.
Al trabajar con un animal consciente es imprescindible sujetarlo adecuadamente,
colocarlo en una postura cómoda y esperar la pausa respiratoria, para entonces realizar
la toma. También puede recurrirse al uso de sedantes o de anestesia general.
Los tiempos de exposición frecuentemente usados en radiología están comprendidos
entre los 0,05 - 0,4 segundos.
Para la obtención de una buena radiografía es necesario la complementación de tres
puntos principales:
A. Que el objeto sometido a examen radiológico sufra un mínimo de aumento de
tamaño y de deformación sobre la placa radiográfica.
B. Que exista una clara definición de los detalle.
C. Que presente un contraste adecuado.
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Aumento y Deformación
Para corregir esta anormalidad se debe tener en cuenta la posición entre el tubo de rayos
X, el objeto y el chasis donde se encuentra la placa radiográfica (geometría del sistema).
El tubo debe colocarse de forma tal que el rayo central del haz de radiación, incida en
forma perpendicular al objeto y al chasis. En caso de tubos fijos, se acomodará el chasis
y el objeto, teniendo en cuenta la misma característica (Figura 8).
Figura 8: Incidencia perpendicular
Las imágenes aumentadas se dan cuando el objeto no se encuentra próximo a la placa
radiográfica: en consecuencia la zona a radiografiar deberá situarse lo más cerca posible
del chasis (Figura 9).
Nociones de Rayos X
La deformación de la imagen se producirá en casos de no alineación del rayo central
respecto al objeto y/o del chasis y también cuando el objeto no está paralelo a la placa.
(Figura 10)
Figura 9: Imagen aumentada del objeto A
Definición
La información radiológica dependerá de la correcta definición de los perfiles entre dos
estructuras de distinta densidad.
La mala definición radiográfica puede deberse, entre otras cosas, a una imagen movida o
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a radiaciones secundarias. El uso de altos potenciales aceleradores provoca la aparición
de radiaciones secundarias o residuales de alta energía que modifican la imagen
produciendo manchas en la placa. Este efecto se puede evitar colocando láminas de
plomo (rejillas) entre la película radiográfica y el objeto, que absorberán dichas
radiaciones divergentes.
Contraste
El contraste o diferenciación de estructuras también dependerá del voltaje aplicado.
También influirá sobre el contraste una subexposición o sobreexposición como también
un subrevelado y sobrerevelado.
Figura 10: Distintas causas de deformación de imágenes en tamaño
Nociones de Rayos X
Bibliografía
Otto Oldenberg. Introducción a la Física Atómica y Nuclear. Mc Graw - Hill Book
Company. 1996.
Mac Donald - Burns. Física para la Ciencia de la Vida y de la Salud. Fondo
educativo interamericano S. A. 1978.
Douglas, S. W. - Williamson, H. D. Diagnóstico Radiológico Veterinario. Editorial
Acribia.
Ticer, J. W. Radiographix Technique in Small Animal Practice. W. B. Sauders Co.
Philadelphia.
Pizzarello, D. J. y Witcopski, R. L. Basic Radiation Biology. Lea & Febiger,
Philadelphia. 1967.