Miguel Ángel de la Cruz Martínez

Universidad Veracruzana
Facultad de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones
Zona Poza Rica - Tuxpan
“Electrónica Aplicada en la Generación de Rayos x en Equipos de
Tomografía Axial Computada”
Trabajo Práctico Educativo presentado para obtener el Título
de Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones
Presenta:
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
Director: Dr. Juan Pérez Téllez
Asesor: M. C. Silvia Barrios Velázquez
Poza Rica de Hgo., Ver., Julio 2009
Índice temático
INDICE TEMATICO
CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES DE LA TOMOGRAFIA…….…………………….
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.6.1
1.6.2
1
Antecedentes…………………………………………………………………
Descubrimiento de los rayos x, por Wilhelm Conrad Roentgen…..................
Camino a la Tomografía Axial computada (TAC)…………………...............
Unidades Hounsfield UH…………………………………………………….
Primer prototipo del Tomógrafo……………………………………………...
Situación actual de la Tomografía……………………………...…………….
Los tomógrafos helicoidales………………………………………….............
Tomografía computada multicorte……………………...................................
1
2
5
6
7
9
9
10
CAPÍTULO 2 LA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTADA…………………………......
12
El Tomógrafo………………………...……………………….……………...
Unidad de escaneo, gantry…………………………………………………...
Parte rotatoria del gantry……………………………………………………..
Tubo de rayos x………………………………………………………………
Sistema de enfriamiento del tubo de rayos x………………………................
Detector de rayos x…………………………………………………………...
Sistema de colimación del tubo de rayos x y del detector……………………
Sistema de adquisición de datos………………...……………………………
Sistema de control de transmisión de potencia y datos entre las
partes fija y rotatoria………………………………………………………….
Sistema fijo del gantry…………………….………………………………….
Interfaces entre el gantry y el sistema de control ICS………………………..
Sistema de transmisión de datos a la IRS…………………………………….
Mesa de paciente………………………………………………………..........
Sistema de computo…………………………………………………………..
Sistema de seguridad………………………………………………………....
14
16
17
18
20
20
22
23
CAPÍTULO 3 GENERACION DE ALTA TENSIÓN Y ALTA FRECUENCIA…….....
34
Introducción………………..………………………………………………....
Conexiones principales……..…………………….…………………………..
Microprocesador de control……….………………………………………….
Circuito de control de calentamiento de filamento…………………………..
Circuito de control de rotación del ánodo.…………………………………...
Transformador de regulación………………..……………………………….
Generación del kilovoltaje…………………..………………………………..
Generadores de alta frecuencia…………....………………………………….
Sistema de seguridad, monitoreo de la alta tensión y corriente
de tubo………………………………………………………………………..
Etapa de salida de +70 kV y -70 kV………………………………………….
34
37
40
44
49
55
57
66
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
2.4
2.4.1
2.4.2
2.5
2.6
2.7
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.1.6
3.2
3.3
3.4
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
27
28
28
29
29
31
32
68
70
Índice temático
CAPÍTULO 4 GENERACION Y PRODUCCION DE LOS RAYOS X.………………...
71
Naturaleza de los rayos x……..………………………………………………
Propiedades de los rayos x…………………………….……………………..
Aplicaciones de los rayos x...………………………………………………...
Investigación científica…...…………………………………………………..
Industria……………………………………………………………………....
Aplicaciones de los rayos x en la medicina…………………………………..
Tomografía Axial Computada………………………………………………..
Diagnostico radiológico………………………………………………….......
Radiografía convencional…………………………………………………….
71
73
74
74
75
77
77
82
82
CONCLUSIONES…………………………………………………………...……………….
84
BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………......
86
APENDICE A………………………………………………………………..………………..
88
Figura 1
Equipo comercial de Tomografía Axial computada………………………….
88
Figura 2
Gantry partes fija y rotatoria…………………………………………………
89
Figura 3
Tarjeta Master Rotating (MAR), ubicada dentro del gantry para el control
de la rotación…………………………………………………………………
90
Sistema fijo, tarjeta principal Master Stationary (MAS) y el control de
interfaces a otros módulos……………………………………………………
91
Figura 5
Tarjeta Master Stationary (MAS)…………………………………………….
92
Figura 6
Tubo de rayos, sistema de enfriamiento y cables de alta tensión…………….
93
4.1
4.1.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.3.3
Figura 4
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
Capitulo 1
Antecedentes de la tomografía
1.1 Antecedentes.
Muchos fueron los acontecimientos e investigaciones que tuvieron lugar con anterioridad
al descubrimiento de los rayos x por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen, pero pocos
descubrimientos han marcado de forma tan clara la transición de una época a otra como el de los
rayos x.
Antes de que se descubrieran los rayos x, los físicos dedicados a la investigación de los
fenómenos que acontecían en su entorno creían en la existencia de un éter luminoso y en que el
átomo de hidrógeno representaba la mínima masa que podía existir. Varias observaciones y
descubrimientos precedieron al de los rayos x, al que la historia ha asignado un puesto
incomparable en la investigación de los fenómenos físicos.
En primer lugar, haremos un breve resumen sobre los ensayos previos al descubrimiento
de los rayos x por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen, para una mejor comprensión de
la importancia que tiene este descubrimiento en el campo radiológico para el diagnóstico
médico mediante la Tomografía.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
1
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
1.2 Descubrimiento de los rayos x, por Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923).
Podemos describir a Roentgen, como otro de los científicos que investigaron de modo
incansable todo cuanto ocurría al inducir una corriente a través de un tubo al vació. Roentgen
repitió los experimentos de sus predecesores, pero de forma detallada y metódica. Ya se sabía
que una pantalla untada de platinocianuro de bario se volvía fosforescente, al igual que el tubo
de Plücker, cuando se situaba muy cerca del un tubo de Lenard. Pero nunca se había intentado
el experimento con un tubo de vidrio grueso, llamado tubo de Hittorf- Crookes.
Esto era porque la luminiscencia en el interior del tubo era más potente, Roentgen
comenzó comprobando si los rayos catódicos atravesaban el vidrio, por lo cual rodeó el tubo
con cartón negro, oscureció el laboratorio y conectó el tubo a los electrodos de la bobina de
Ruhmkorff para que indujera una corriente, como se muestra en la figura 1.1. Ninguna
fosforescencia atravesó la envoltura de cartón. Roentgen se dispuso a cortar la corriente para
acercar el tubo a la pantalla cubierta de platinocianuro, que se hallaba a un metro del tubo no lo
suficientemente cerca como para volverse fosforescente. Fue entonces cuando para su sorpresa,
Roentgen observó en la oscuridad una misteriosa luminosidad, cuya intensidad se correspondía
con las descargas de la bobina de Ruhmkorff.
Figura 1.1 Primer aparato de rayos x utilizado por Roentgen durante el período experimental. Tubo Hittorf-Crookes
y bobina de Ruhmkorff.
Era sabido que el tubo se iluminaba tan pronto se aplicaran voltajes diferentes en el cátodo
del tubo. El interés de Roentgen se centraba en el estudio de las propiedades de fluorescencia de
ciertas sales y el oscurecimiento del papel fotográfico sobre el que incidían estos rayos originados
en el ánodo. El 8 de noviembre de 1895, cuando intentaba asegurarse de que la luz emitida por el
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
2
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
tubo no atravesaba una camisa de cartón y estaño, apago la luz de su laboratorio y observo con
sorpresa que en su mesa de trabajo, a lo lejos del tubo un punto emitía luz. Al prender la luz
identifico el objeto brillante, un pedazo de papel pintado con sales fluorescentes. El fenómeno
que observo era la luz fluorescente producida en el papel por rayos invisibles al ojo humano, que
eran emitidos desde el tubo y atravesaban el vidrio, cartón, estaño y el aire hasta llegar a las sales
del papel. Durante sus estudios descubrió que podía verse la sombra de sus dedos y la imagen
más oscura la de sus huesos, como se muestra en la figura 1.2. Esta fue la primera fluoroscopia
en el mundo. Los rayos invisibles, emitidos por el tubo fueron llamados por el propio Roentgen
rayos x.
Figura 1.2 Reproducción esquemática de la forma en que Roentgen vio por primera vez los huesos de su mano.
El descubrimiento de los rayos x ha hecho posible mejorar las técnicas de estudio en los
campos de la física, química, industria y en las aplicaciones médicas se ha vuelto una herramienta
vital para el diagnóstico y tratamiento de las enfermedades. Producidos mediante el bombardeo
de un blanco de tungsteno con electrones a alta velocidad, un porcentaje de los rayos x emitidos
por el tubo son absorbidos por los huesos y tejidos de los órganos internos. En una placa
radiográfica los huesos aparecen blancos y los tejidos grises, como se muestra en la figura 1.3.
Mientras que los rayos x para diagnósticos odontológicos son de baja intensidad, los rayos x de
alta intensidad son capaces de destruir los tejidos y se utilizan en el tratamiento del cáncer, las
células cancerigenas se caracterizadas por dividirse con mucha rapidez ya que son vulnerables a
los rayos x.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
3
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
Figura 1.3 Tomografía que muestra un estudio del cerebro.
Los rayos x eran el método más importante para diagnosticar la tuberculosis cuando esta
enfermedad estaba muy extendida (ver figura 1.4). Las imágenes de los pulmones eran fáciles de
interpretar porque los espacios con aire son más transparentes a los rayos x que los tejidos
pulmonares.
La divulgación mundial de este hecho fue explosiva, y los rayos x pasaron a ser un
elemento indispensable para la detección y diagnóstico de enfermedades en el campo de la
medicina. Por este descubrimiento Wilhelm Conrad Roentgen se le otorgo el premio Nóbel de
Física en 1901.
Figura 1.4 Estudio radiológico de los efectos de la tuberculosis en los pulmones.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
4
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
1.3 Camino a la Tomografía Axial Computada (TAC).
En 1963 y 1964 el Ingeniero Allan MacLeod Cormack fue el primero en describir el
método matemático que hizo posible la reconstrucción de una imagen a partir de múltiples
disparos de rayos x determinadas por técnicas de radiación. Lo más destacado de la Tomografía
Axial Computada es que se pueden lograr registros en zonas de diferente densidad, desde tejido
óseo hasta partes blandas, teniendo una importante aplicación en el sistema nervioso central,
especialmente en el cerebro. Con este procedimiento se elimina toda confusión que puede
originar la visión de una radiografía simple de rayos x, ya que evita la superposición de planos,
siendo de gran utilidad para detectar con más precisión y con más certeza las enfermedades así
como tumores en cualquier parte del cuerpo.
En 1967 el Ingeniero Electrónico Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004), desarrolló el
principio de la Tomografía Axial Computada. Un equipo de Tomografía Computada mediante un
tubo de rayos x al alto vació emite radiaciones x en muchas direcciones hacia el cuerpo del
paciente, y reconstruyen imágenes de los órganos internos a partir de diferentes vistas o cortes.
Su interés en la electrónica lo lleva al diseño de aparatos eléctricos construyendo
amplificadores y grabadoras. El reconocimiento de su labor por parte de sus superiores lo llevan a
la Faraday House Electrical Engineering College de Londres donde estudia Ingeniería eléctrica.
Permaneció en EMI como jefe del área de investigación médica, retirándose en 1986, sin
embargo continuó trabajando como consultor de la empresa y de varios hospitales del Reino
Unido. Recibió numerosos premios y distinciones entre ellas ser nombrado Caballero de Honor y
ser distinguido con el McRobert Award considerado como el premio Nóbel de ingeniería.
Millones son los pacientes que se benefician cada día con el invento de Hounsfield, que
permitió objetivar mejor las alteraciones que las enfermedades producen en el organismo,
contribuyendo a un diagnóstico más precoz, preciso y a evaluar los tratamientos efectuados. De
esta forma sustituyó y eliminó numerosos diagnósticos de menor rendimiento y permitió el
crecimiento de la radiología.
El Profesor Torgny Greitz, del Instituto Médico Quirúrgico Karolinska expresó que pocos
laureados en Fisiología o Medicina habían cumplido al grado que Allan MacLeod Cormack y
Godfrey Newbold Hounsfield la condición expresada por Alfred Nobel, estipulando que el
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
5
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
ganador debía haber conferido el mayor beneficio a la Humanidad. Su ingenioso pensamiento
había tenido un tremendo impacto en la medicina y también había abierto caminos
completamente nuevos para la investigación.
La Tomografía Computada introduce un cambio con respecto a la radiología convencional
ya que puede medir la atenuación o absorción del haz de rayos x cuando pasa a través de
secciones del cuerpo y lo hace desde cientos de diferentes ángulos. Con las mediciones obtenidas
por el detector de rayos x, los computadores pueden reconstruir imágenes del interior del cuerpo.
Los primeros resultados clínicos obtenidos se publicaron en 1972, sorprendiendo a la
comunidad médica por el alcance obtenido por esta nueva técnica radiológica. Los procesos
patológicos que previamente solo podían demostrarse, en forma indirecta debido a las
limitaciones tecnológicas, eran ahora demostrados en forma directa. Pocos descubrimientos
médicos han revolucionado el campo de la medicina y se han recibido con una aceptación tan
inmediata como la Tomografía Asistida por Computada ya que cambio la forma de diagnóstico y
el trabajo médico en el mundo entero. En su recuerdo y como homenaje se utilizan las unidades
Hounsfield para definir la densidad de los tejidos estudiados.
1.4 Unidades Hounsfield UH.
Permite distinguir mínimas diferencias de absorción, que se expresan en Unidades
Hounsfield. El Tomógrafo muestra imágenes en tonalidades de grises, que representan las
diferentes densidades del órgano estudiado. Por esto se creó una escala de densidades
denominada Unidades Hounsfield (en honor al inventor de la TC), como se muestra en la figura
1.5. Esta escala da al agua un valor densimétrico de cero, con extremos que van del -1000 (aire,
imágenes muy hipodensas), hasta +1000 (hueso compacto, cuerpos extraños, imágenes muy
hiperdensas). La TC utiliza una tecnología muy avanzada que permite estudiar todo un volumen
de tejidos por medio de disparos múltiples en un solo escaneo, obteniendo en un corto espacio de
tiempo imágenes de diferentes ángulos y en múltiples planos, permitiendo entender mejor las
relaciones anatómicas y la extensión de la patología, en ocasiones difíciles de precisar en los
cortes axiales.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
6
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
Figura 1.5 Gamas del valor de la atenuación de diversas sustancias y tejidos del cuerpo.
Los valores de densidad o atenuación correspondiente a cada uno de los píxeles que se
normalizaron respecto a un material de referencia el agua, y se representaron mediante una escala
de grises en la que el blanco correspondía al valor de máxima densidad y el negro al valor de
mínima densidad. En realidad son valores que representan el coeficiente de atenuación lineal de
un órgano previamente estudiado.
1.5 Primer prototipo del tomógrafo.
No es exageración decir que en el diagnóstico por imágenes hay un antes y un después
desde la creación del Tomógrafo o Escáner. La capacidad de poder ver en mejor forma, con más
precisión y menor invasión el interior del cuerpo humano se lo debemos a Godfrey Newbold
Hounsfield, ingeniero inglés que desarrollo el primer prototipo del Tomógrafo.
En 1967 Hounsfield, que no conocía las investigaciones de Cormack, también pensó en la
combinación de varios haces de rayos x para obtener una imagen más detallada y exacta en tres
dimensiones de los órganos internos del cuerpo humano. Hounsfield desarrolló sus propias
fórmulas para obtener un mejor resultado, con el avance de la tecnología informática en
velocidad y procesamiento de datos introdujo sus ideas a esta nueva tecnología ya que necesitaba
una velocidad de procesamiento mucho más rápido y efectivo. En 1972 EMI presentó una versión
comercial, como se muestra en la figura 1.6, que fue acogida como un importantísimo avance por
la comunidad radiológica, y fue puesto en funcionamiento en ese mismo año. En la figura 1.7 se
muestra la primera imagen clínica obtenida con el tomógrafo EMI.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
7
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
Figura 1.6 Primer prototipo del Tomógrafo clínico construido por EMI, para estudio del cerebro instalado en el
Hospital Atkinson Morley´s en Londres.
Figura 1.7 Primera imagen clínica obtenida con el Tomógrafo EMI.
Como muchos otros científicos importantes, su nombre es poco conocido fuera del
ambiente radiológico, pese a que su creación en constante evolución, sigue revolucionando
numerosas aplicaciones e intervenciones en la medicina. Su invento es considerado por muchos
como uno de los más importantes del siglo XX, comparándolo a lo que en su época significó el
descubrimiento de los rayos x por el físico alemán Roentgen.
Los avances continúan hasta hoy en día especialmente en los últimos años, a un ritmo
vertiginoso. Esto ha sido posible gracias al desarrollo de nuevos algoritmos de reconstrucción, y
al desarrollo paralelo de equipos computacionales que pueden procesar cada vez mayor
información en un tiempo menor.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
8
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
1.6 Situación actual de la tomografía.
La aparición de la tomografía asistida por computadora para el diagnóstico médico por
imagen, significó el mayor salto y descubrimiento en materia de diagnóstico radiológico desde el
descubrimiento de los rayos x. El gran avance de los últimos años en tomógrafos de última
generación hizo que actualmente, haya equipos que permitan la obtención de imágenes mediante
algoritmos matemáticos y al a par del desarrollo tecnológico de computadoras la obtención y
manipulación de múltiples imágenes a partir de un solo estudio con una gran resolución, como se
muestra en la figura 1.8.
Figura 1.8 Equipo de tomografía de ultima generación Somatom Definition Flash.
1.6.1 Los Tomógrafos Helicoidales.
En el inicio de la Tomografía debido a las limitaciones tecnológicas, la rotación del gantry
en un principio era de rotación-rotación debido a que el intercambio de potencia e información se
realizaba a través cables por lo que en un principio se obtenía una sola imagen por rotación. Con
el avance tecnológico, se logro hacer que la comunicación entre las partes fija y rotatoria se diera
a través de carbones de potencia y señales de radiofrecuencia con esto se logro el siguiente
avance tecnológico que se conoce como estudios helicoidales, es decir a medida que el tubo de
rayos x producía la radiación se sincronizaba con el avance de la mesa de paciente y con esto se
lograba crear una hélice de información y con esto cubrir una zona del cuerpo humano mas
rápidamente.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
9
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
La reconstrucción de las imágenes a obtener, se da no solo en planos sino en volúmenes,
lo que da como resultado una imagen de tipo tridimensional. A su vez, la utilización de
contrastes, permite una focalización exacta y determinada de la morfología y funcionamiento del
órgano a investigar.
1.6.2 Tomografía computada multicorte.
La Tomografía Computada Multicorte corresponde al último desarrollo en la generación
de tomógrafos, este se basa en el elemento detector que en un principio se fabricaba en base al
silicio, pero este elemento tiene un baja respuesta a la radiación, con el paso del avance
tecnológico se fabricaron los detectores en base a cámaras de gas ionizante (xenón), este gas tiene
una respuesta mayor a la radiación lo que tenia una relación directa en la producción de los rayos
x, ya que a niveles menores de radiación se tiene una mejor respuesta. El último avance se dio
con la cerámica ultrarrápida (UFC) como elemento detector de radiación, como se muestra en la
figura 1.9, ya que se tiene una mejor respuesta, con lo que los niveles de radiación son mas bajos,
por lo que el paciente es radiado en una menor cantidad, aunado al avance tecnológico en la
velocidad de rotación del gantry que en la actualidad es de 0.33 seg. de rotación y aplicando las
técnicas de transferencia de energía en base a carbones de potencia y la transmisión de
información en base a señales de radiofrecuencia se logra transmitir la información desde 4, 6,
16,40 y 64 hileras de detectores a la torre de reconstrucción de imagen IRS.
Debido a la alta velocidad de rotación ahora se pueden realizar estudios de cardiología
que de antaño no se podían realizar porque el latido propio del corazón provocaba artefactos en la
imagen obtenida, ahora el equipo se sincroniza con el latido cardiaco y entre uno y otro se
obtienen hasta 6n imágenes del corazón en 0.33 seg. Logrando hacer una reconstrucción en
tercera dimensión del corazón cada 0.33 seg., esta es una de las principales aplicaciones de la
tomografía multicorte, de las mucha técnicas que de antaño no se podían realizar.
El último boom de la Tomografía es el tomógrafo con dos tubos de rayos x integrados
dentro del gantry, es decir este tomógrafo es doble en todo, una de la aplicación mas importante
es poder hacer estudios de espectroscopia de los órganos, esta aplicación solo se lograba con la
Resonancia Magnética, ahora con la tomografía se logra aplicando un potencial de 140 kV en un
tubo A y con el tubo B se aplica un potencial de 80 kV, con esta diferencia de potencial en la
información se pueden llevar los cálculos para realizar un espectro de los órganos a estudiar, esta
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
10
Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía
técnica esta revolucionando la medicina del nivel del diagnóstico al nivel del funcionamiento real
de los órganos.
Aunado al desarrollo en la técnica de la obtención de imágenes tenemos la tecnología del
archivo de millones de imágenes topográficas (PACS) y de cualquier técnica de diagnóstico
llámese Resonancia Magnética, Rayos x, Ultrasonido, Hemodinámica, PET, que almacenadas en
este archivo permite a los Médicos Radiólogos ir al expediente electrónico del paciente y poder
ver todo su historial clínico, yendo al nivel de las redes como el Internet se tiene la capacidad de
hacer teleconferencias a nivel de país y aun del mundo entero.
Figura 1.9 Proceso
de digitalización de las radiaciones x con detector de cerámica.
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
11
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Capitulo 2
La tomografía axial computada
La invención del Tomógrafo, Tomografía Axial Computada (TAC), es considerada la
mayor innovación tecnológica del siglo XX en el campo de la radiología o diagnostico por
imagen junto con el transistor inventado por John Bardeen, Walter Houser Brettain y William
Bradford Shockley en 1947, y mas impactante y trascendental desde el descubrimiento de los
rayos x por Roentgen.
La Tomografía es una técnica basada en la reconstrucción computarizada de los órganos a
partir de los datos obtenidos por un haz de rayos x que efectúan barridos axiales al cuerpo
humano permitiendo realizar estudios con mayor exactitud y precisión.
En otros términos la tomografía computada es una técnica de diagnóstico por imagen que
usa rayos x para obtener vistas de cortes axiales de zonas internas del cuerpo, por medio de estos
cortes es posible hacer reconstrucciones sagitales, coronales (ver figura 2.1). Además de crear
imágenes de diagnóstico, esta técnica por tomografía puede ayudar a guiar la colocación de una
aguja o catéter para realizar biopsias, esta técnica se denomina intervensionismo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
12
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Figura 2.1 Tomógrafo Somatom Definition Flash.
Las imágenes tomográficas permiten analizar las estructuras internas de las distintas
partes del organismo, lo cual facilita el diagnóstico médico de lesiones como fracturas,
hemorragias internas, tumores o infecciones en los distintos órganos.
Figura 2.2 Imagen de una tomografía realizada al corazón, Somatom Sessions 64.
La tomografía, es un método de diagnóstico que permite obtener imágenes del interior del
cuerpo en forma de rebanadas milimétricas transversales mediante el uso de rayos x, con el fin de
estudiar a detalle la parte de interés. La imagen del corazón mostrada en la figura 2.2 se le
agregan texturas y contraste de tal forma que la imagen pueda parecer real mediante un programa
especial de postprocesamiento.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
13
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.1 El tomógrafo.
Los componentes que integran un equipo de Tomografía Axial Computada (TAC) se
muestran en el diagrama a bloques de la figura 2.3. El equipo esta compuesto principalmente por
los siguientes bloques.
Unidad de escaneo llamado gantry, esta conformado principalmente por: el sistema de
adquisición de datos (DAS), sistema de exploración, y la mesa de paciente.
El sistema electrónico, se encarga de las interfaces entre la unidad de escaneo y el sistema
de cómputo, el generador de alta tensión, es el que se encarga de elevar la misma para la
generación de los rayos x.
El sistema de seguridad, es el modulo que monitorea los diferentes controladores por un
mal funcionamiento de alguno de ellos mediante un lazo cerrado que en caso de un fallo se abre
y el equipo es bloqueado para evitar un problema mayor avisando al sistema de cómputo el cual
genera un código de error para que el usuario reporte al Departamento de Servicio que es el
encargado de los servicios de mantenimiento correctivo.
Sistema de cómputo o red de imagen, esta integrado por las siguientes computadoras:
Sistema de Control de Imagen ICS, Sistema de Reconstrucción de Imagen IRS, y el Sistema de
Evaluación de Imagen IES.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
14
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Scanning unit
Computer system
Data Acquisition
System
System
Electronics
IES
Scanning
System
ICS
X-ray
IRS
Generator
Sistema
Mesa de paciente
de
Seguridad
Figura 2.3 Diagrama a bloques del tomógrafo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
15
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.2 Unidad de escaneo, gantry.
La unidad de escaneo llamado gantry esta compuesto de una parte rotatoria y una parte
fija, la interacción de ambas partes se realiza principalmente a través de carbones de potencia, en
esta parte son suministrados los voltajes para la generación de la alta tensión y el voltaje para la
alimentación de las diferentes fuentes de voltaje del tomógrafo (ver figura 2.4).
Carbones de control, son los que se encargan del intercambio entre la parte rotatoria y fija
de señales de control y potencia, así también del sistema de seguridad del equipo, mediante los
carbones la información adquirida en el DAS, es transformada en señales de radiofrecuencia (RF)
y se envían a través de una antena trasmisora en la parte rotatoria del gantry, enseguida es
recibida en la parte fija por una antena receptora donde es convertida en una señal de luz para por
medio de una fibra óptica ser enviada a la computadora de reconstrucción de imagen IRS.
Figura 2.4 Carbones de transmisión de potencia e información.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
16
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.3 Parte rotatoria del gantry.
Los módulos principales que conforman el sistema de rotación del gantry son las
siguientes:

tubo de rayos x.

sistema de enfriamiento del tubo de rayos x.

detector de rayos x.

sistema de colimación del tubo y del detector.

sistema de adquisición de datos (DAS).

sistema de control de transmisión de potencia y datos en la parte fija y rotatoria.
Figura 2.5 El gantry es la parte rotatoria que contiene el tubo de rayos x, detector, colimador, y una tarjeta que
controla el sistema de rotación MAR, etc.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
17
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.3.1 Tubo de rayos x.
El tubo de rayos x, es un dispositivo al alto vacío rodeado por una cubierta de plomo con
una pequeña ranura que deja salir la radiación producida en el interior, esta compuesto por dos
electrodos, uno en cada extremo (ver figura 2.6). El cátodo, es el electrodo con potencial negativo
y el ánodo corresponde al electrodo positivo.
Figura 2.6 Tubo de rayos x.

Cátodo.
El cátodo es el electrodo emisor de electrones. Consiste de un cilindro metálico recubierto
de óxidos especiales, que emite electrones al ser calentado por el filamento (ver figura 2.7).
Es el electrodo negativo del tubo de rayos x que contiene un filamento en forma de espiral
de aproximadamente 2mm de diámetro y de 1 a 2 de longitud, cuando se hace circular una
corriente de filamento en el cátodo se forma una nube de electrones y en el momento de aplicar la
alta tensión entre el cátodo y el ánodo del orden de 80 a 140 kV se genera la corriente de tubo que
libera millones de electrones el cual al chocar contra el ánodo como resultado de la interacción se
produce energía, esta energía es transformada en un 99% en calor y solo un 1% en radiaciones x,
esta radiación sale por la ventana del tubo la cual esta colimada y atenuada por un filtro de
aluminio cuyo espesor es de 1mm.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
18
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Figura 2.7 Cátodo y ánodo del tubo de rayos x.

Ánodo.
El tubo de rayos x, posee un ánodo rotatorio, el empleo de esta nueva forma de ánodo es
para poder disipar el calor en un tiempo mas rápido debido a la alta producción calorífica que se
genera en el tubo por la aplicación de la alta tensión, la ventaja de utilizar el ánodo rotatorio es
que la vida útil del ánodo y del tubo de rayos x es más prolongado, usualmente el ánodo esta
constituido de un material de wolframio conocido también como tungsteno (W) (ver figura 2.8),
es un material muy duro y posee el punto de fusión y ebullición mas alto que cualquier otro
elemento, el disco esta unido a un eje construido con un material de molibdeno (Mo) que es un
material refractario y tiene la función de aislar térmicamente al rotor, que es el encargado del
sistema de rotación del ánodo.
Figura 2.8 Ánodo del tubo de rayos x.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
19
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.3.2 Sistema de enfriamiento del tubo de rayos x.
El sistema de enfriamiento del tubo de rayos x, esta compuesto por una bomba, un
radiador, ventiladores, una campana de expansión y mangueras que conectan al tubo de rayos x
creando un circuito para que el aceite fluya hacia el tubo y lo mantenga en su estado normal de
trabajo, este aceite dieléctrico actúa como amortiguador de calor a causa de la gran producción de
calor que se genera en el interior del tubo (ver figura 2.9). El tubo de rayos x en su cuerpo tiene
integrados un sensor de temperatura y un sensor de presión que son los que advierten al sistema
de seguridad cuando el tubo sobrepasa los niveles de trabajo, y en caso de que el sistema de
enfriamiento falle el tomógrafo es bloqueado y apagado automáticamente y el tubo deja de
producir radiaciones, esto es para evitar la destrucción del tubo por calor.
Figura 2.9 Sistema de seguridad del tubo de rayos x.
2.3.3 Detector de rayos x.
El detector, es un dispositivo que es sensible a la radiación de rayos x, su principal
aplicación es en los equipos de tomografía y equipos portátiles de diagnostico médico. El primer
detector utilizado fue el detector de silicio (Si), por la ganancia que presenta respecto a otros
elementos, posteriormente con el avance tecnológico se construyo el primer detector de cámara
de gas ionizante (xenón), el detector de cámara de gas ionizante tiene una mejor respuesta a las
radiaciones, su desventaja era que se tenia que mantener el gas a una presión del orden de los 24
bars para su correcto funcionamiento, el siguiente paso tecnológico fue la construcción de
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
20
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
detectores de cerámica ultrarrápida (UFC, Ultra Fast Ceramic), que actualmente se esta
implementando debido a los muchos beneficios que tiene sobre otros materiales en los nuevos
equipos de Tomografía.
El detector, es la parte encargada de recibir los rayos x atenuados (ver figura 2.10). La
atenuación es la reducción de la intensidad del haz de rayos x al pasar a través de la materia, es la
resultante de la interacción entre la radiación y la materia después que atravesaron el cuerpo del
paciente y los convierten en una señal de corriente eléctrica, la cual pasa a la etapa de
amplificación donde es convertida a una señal de voltaje, para después entrar a los convertidores
analógicos/digitales (ADC) que es donde se digitaliza este voltaje analógico para tener a su salida
una señal digital o binaria es decir, ceros y unos (0,1), y en la etapa final de salida esta
información de forma paralela es codificada creando información redundante, enseguida es
serealizada para crear un tren de pulsos llamado “frame”, y es enviada a través de fibra óptica a la
antena radio transmisora “parte rotatoria”, de ahí a la antena receptora “parte fija”, en este
modulo la señal es convertida de señal RF a señal de luz para ser enviada a través de una fibra
óptica hacia la computadora de reconstrucción de imagen IRS.
Figura 2.10 Tubo, colimador y detector de rayos x.
La alta sensibilidad de los detectores de cerámica y la alta eficacia de conversión de
radiaciones x en luz son las principales ventajas de este material para obtener imágenes de mejor
calidad y resolución, la ventaja del detector de cerámica es que se aplican menores dosis de
radiación al paciente y el tiempo de exposición a la radiación es menos debido a la velocidad de
giro del gantry.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
21
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.3.4 Sistema de colimación del tubo de rayos x y del detector.
Mediante el sistema de colimación se logra regular el tamaño del corte tomográfico
(slice), y el tamaño del haz de rayos x desde la computadora de control ICS, estos cortes pueden
variar desde 1 a 10mm de espesor. El colimador es una barrera metálica que tiene una graduación
que permite manipular el tamaño del corte mediante la computadora de control ICS.
El empleo del colimador también mejora la calidad de la imagen debido a que permite
aplicar la dosis correcta de radiación a la parte del cuerpo que se desea estudiar, cuando un haz de
rayos x se dirige al cuerpo del paciente alrededor del 10% de los fotones de rayos x son
absorbidos por los tejidos y el 90% pasan a través del paciente y alcanzan al detector (ver figura
2.11).
El sistema de colimación ha hecho posible mejorar la calidad y resolución de la imagen y
por consiguiente tener que aplicar dosis mas bajas de radiación, los efectos biológicos causados
por las radiaciones ha hecho necesario tomar medidas preventivas para su control debido a que
los efectos causados por la radiaciones pueden tener efectos secundarios a largo o a corto plazo.
Figura 2.11 Gantry, sistema de colimación del tubo y del detector.
La colimación del detector y del tubo poseen un sistema inteligente ya que cuando se
procede a realizar un estudio este dispositivo de acuerdo a la parte a estudiar automáticamente va
bajando la dosis de radiación con el propósito de radiar menos al paciente (dose modulation) y
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
22
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
evitar daños posterior en el cuerpo. Esta es la función principal de la colimación menor radiación
y mejor calidad de imagen.
2.3.5 Sistema de adquisición de datos (DAS).
La adquisición de datos consiste en tomar muestras para generar datos que puedan ser
manipulados por una computadora, es decir, consiste en tomar variables que se puedan medir,
como la luz, convertirlas en una señal de corriente eléctrica y digitalizarlas de manera que la
computadora pueda entender para su procesamiento (ver figura 2.12). Requiere una etapa de
acondicionamiento de señal que acople esta variable a niveles compatibles con el dispositivo que
hace la transformación a señal digital.
Figura 2.12 Sistema de adquisición de datos del tomógrafo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
23
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
El detector esta dividido en dos partes y cada uno cumple con la misma función, el
sistema de adquisición izquierdo y derecho, cada mitad tiene habilitado un convertidor analógicodigital para digitalizar la señal que recibe. Los datos en la salida del convertidor son enviados a
través del bus de datos al transmisor, esto serealiza los datos y los transmite al receptor de datos
ICS (ver figura 2.13).
Figura 2.13 Diagrama a bloque del sistema de adquisición de datos DAS.
El sistema de adquisición de datos utiliza las siguientes herramientas que trabajan de una
forma sincronizada para el control y transmisión de la información así como el proceso de
digitalización para hacer posible la reconstrucción de la imagen:
 Direccionamiento de los datos del integrador.
 Control para el direccionamiento del integrador.
 Tarjeta de monitoreo.
 Convertidor.
 Temporizador.
 Tarjeta de prueba.
 Transmisor de datos.
 Receptor de datos.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
24
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
El sistema de adquisición de datos, como se observa en la figura 2.13 esta compuesto:


Sistema de amplificación

Sistema de conversión analógico digital

El sistema de monitoreo

El temporizador

Sistema serealizador y de transmisión de la información.
Sistema de amplificación.
Esta formado por tarjetas electrónicas que manejan 16 canales estas reciben directamente
la señal del detector, la amplifican y convierten de corriente a voltaje, la toma de estos datos se
realiza del centro del DAS hacia el extremo izquierdo y derecho, es decir el canal del centro
forma el circulo central del tomograma y así el siguiente canal hacia la derecha e izquierda
formas los siguientes círculos de información, hasta llegar al extremo izquierdo y derecho.

Sistema de conversión analógico-digital.
En esta etapa se recibe la señal analógica de cada uno de los amplificadores (cada uno
maneja 16 canales) y es convertida a una señal digital en forma de datos paralelos, esta
información debe estar dentro de un rango establecido que asegure el correcto funcionamiento del
equipo, esta etapa puede contener uno o varios convertidores, dependiendo del modelo y familia
del tomógrafo.

El sistema de monitoreo.
Forma parte del sistema de seguridad del equipo, esta compuesto de un elemento detector
que no forma parte de la banana, este recibe la radiación directa es decir sin colimación y sin que
se atenué a través del paciente, esta señal es enviada a cada uno de los convertidores los cuales a
su salida no deben ser mayor de ±2 unidades, si esto ocurre significa que uno de los convertidores
esta funcionando mal, el otro monitoreo importante se presenta cuando el valor de conversión se
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
25
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
sale de rango y se genera un mensaje que dice “valor de monitoreo fuera de rango”, esto ocurre
en la mayoría de los casos cuando se presenta un arqueo en el tubo de rayos x.

El temporizador.
Se encarga de generar las señales de reloj para toda las etapas del DAS, en esta etapa
también se pueden simular pruebas de transmisión de datos.

Sistema serealizador y de transmisión de la información.
En esta etapa la información es modulada en paquetes de información, serealización, los
cuales son codificadas añadiendo información redundante para en caso de existir errores en la
transmisión el receptor IRS sea capaz de decodificar la información y recuperar la información
útil. Una vez serializada la información es convertida a una señal de radio frecuencia para ser
transmitida de la parte rotatoria a la parte fija y en esta parte es convertida a una señal de luz para
ser transmitida a través de una fibra óptica al modulo reconstructor de imagen IRS.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
26
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.3.6 Sistema de control de transmisión de potencia y datos entre las partes fija
y rotatoria.
El control de transmisión de potencia y datos entre la parte fija y la parte rotatoria se hace
a través de carbones de potencia y los datos se transmiten a través de señales de radiofrecuencia
RF, una transmisión óptima de RF se logra a través de un sintetizador digital de frecuencias y un
conformador programable de pulsos de RF (ver figura 2.14). El transmisor de señales de RF está
totalmente integrado dentro de la abertura del gantry. La recepción de las señales de RF, se logra
mediante un intercambiable conjunto de bobinas solenoidales de recepción con alta relación
señal/ruido.
a)
b)
Figura 2.14 a) Carbones de potencia antes de ser colocados, b) carbones fijos a los anillos de potencia 1) tuercas
para fijar el metal que soporta la tarjeta que contiene los carbones, 2,3) terminales de conexión de alto voltaje.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
27
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.4 Sistema fijo del gantry.
El sistema fijo del gantry esta compuesta por los siguientes módulos:

interfaces entre el gantry y el sistema de control ICS.

sistema de transmisión de datos a la IRS.
Figura 2.15 Parte fija del gantry, en esta parte se encuentran los controladores mencionados, MAS.
2.4.1 Interfaces entre el gantry y el sistema de control ICS.
En la parte fija del gantry se encuentra la tarjeta controladora Master que coordinar los
movimientos vertical y horizontal de la mesa de paciente con la inclinación del gantry
mencionados anteriormente. Además es la interfaz para la transmisión de la información del DAS
hacia la IRS y las señales de control entre el gantry y la ICS. La actividad principal de la Master
es controlar la velocidad de rotación del gantry. En esta parte fija también esta el actuador que
realiza la inclinación del gantry, sensor de inclinación, interfaces para monitoreo de señales ECG.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
28
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.4.2 Sistema de transmisión de datos a la IRS.
La transmisión de datos digitalizados al sistema de reconstrucción de imagen se hace por
medio de fibra óptica debido que la fibra óptica es un medio de transmisión que presenta bajo
ruido y menos interferencias de señal debido a inducción por voltajes externos o ruido en general,
estos factores han hecho que la fibra óptica sea el medio ideal para transmisiones de señales.
En esta etapa la información es modulada en paquetes de información, serealización, los
cuales son codificadas añadiendo información redundante para en caso de existir errores en la
transmisión el receptor IRS sea capaz de decodificar la información y recuperar la información
útil. Una vez serealizado la información es convertida a una señal de radio frecuencia para ser
transmitida de la parte rotatoria a la parte fija y en esta parte es convertida a una señal de luz para
ser transmitida a través de una fibra óptica al modulo reconstructor de imagen IRS.
2.5 Mesa de Paciente.
La mesa de paciente es el módulo donde es colocado el paciente para ser introducido a
través de la abertura del gantry para realizar los estudios tomográficos. La mesa de paciente tiene
dos movimientos principales: el movimiento vertical el cual permite bajar y subir la mesa a la
altura en la zona de escaneo y esta depende del tipo de estudio a realizar ya sea de cráneo, cuerpo,
espina, etc. (Ver figura 2.16). Una vez en la altura de escaneo se activa el movimiento horizontal
el cual es de dos tipos, uno es el movimiento horizontal para un escaneo simple y el otro
movimiento es cuando se activa la función de un estudio en espiral. Para controlar estos dos
movimientos la mesa de paciente cuenta con una tarjeta controladora del movimiento vertical y
una controladora de movimiento horizontal. Existe una coordinación entre la controladora
vertical y la controladora horizontal y la controladora de inclinación del gantry para evitar que se
presenten colisiones al realizar los movimientos respectivos. La inclinación del gantry y el
avance automático de la mesa permiten proporcionar una colocación rápida de la mesa y por
consecuencia del paciente. El control para colocar la mesa de paciente puede ser directamente
accionado desde la mesa, oprimiendo los botones en el gantry o accionado los botones
directamente desde la caja de control (control box) de la consola de operación.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
29
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Figura 2.16 Mesa de paciente. 1) control de movimiento horizontal y vertical en modo de servicio.
Fig. a.
Fig. b.
Figura 2.17 a) Caja de control para el movimiento de la mesa desde la consola de operación, b) botones para el
control de movimiento de la mesa en el gantry.
Para activar los controles de la mesa, una señal de 24 V d.c. se aplica a un motor que es el
que se encarga de activar los controles para el movimiento de la mesa, al accionar el botón de
encendido del tomógrafo todos los controladores del sistema inician y son energizados haciendo
pruebas de calibración y ajuste de componentes para comprobar que todas las partes estén
funcionando correctamente (ver figura 2.17 y 2.18).
Figura 2.18 Motor de control para el movimiento de la mesa, 1) circuito de control para energizar el motor, 2,3)
tuercas para fijar el motor con la base de la mesa.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
30
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
2.6 Sistema de cómputo.
El sistema de cómputo esta formado por la estación de control de imagen ICS, la estación
de reconstrucción de imagen IRS y el modulo de almacenamiento de la información (ver figura
2.19).
La estación ICS es el CPU que contiene principalmente el disco duro donde reside el
Software que controla el equipo de tomografía en su totalidad, la tarjeta controladora de video, la
tarjeta de red, la memoria RAM, el teclado y el ratón.
La estación IRS es el CPU que contiene principalmente los discos duros donde reside el
software que se encarga de la reconstrucción de la imagen, la tarjeta controladora de video, la
tarjeta de red, la tarjeta que controla el acceso de la información desde el gantry, y dos tarjetas
que realizan dos funciones especiales de la reconstrucción de la imagen la retroproyección y la
convolución.
La estación de evaluación de imagen IES es el CPU que contiene principalmente el disco
duro donde reside el software estándar de evaluación de la información estándar, además
paquetes especiales de software para aplicaciones especiales como: Angio CT, Care Bolus, Care
Vision, Cardio Pro, etc. La tarjeta controladora de video, la tarjeta de Red, la memoria RAM, el
teclado y el ratón.
La comunicación entre las diferentes estaciones se realiza a través de una red primaria por
medio de un switch de red. Existe una segunda red que es la que corresponde al Hospital, en esta
red hospitalaria se encuentra el Archivo Digital y los distintos equipos como son Resonancia
Magnética (MR), Ultrasonido (US), Rayos x, Angiografo, Medicina Nuclear, Tomografía,
Tomografía por Emisión de Positrones (PET), etc. Todos los equipos pueden almacenar su
información en el archivo digital si cumplen con el estándar DICOM para el manejo de imágenes
médicas.
A través de esta red hospitalaria se encuentran conectados los consultorios de modo que
los Médicos Radiólogos pueden accesar a la información almacenada en el Archivo Digital de las
diferentes modalidades.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
31
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Figura 2.19 Red de imagen de un hospital para el área de tomografía ICS, IRS, IES.
La adquisición de datos junto con la reconstrucción de imagen es realizada dentro de una
arquitectura de procesamiento distribuido, utilizando múltiples procesadores de 32 bits. La alta
velocidad y el flexible procesamiento, se logran gracias a un segundo bus de procesamiento,
memoria de doble puerto y diseño de señal promediado, y sistema operativo totalmente
multitarea.
2.7 Sistema de seguridad.
El sistema de seguridad con el que cuenta el tomógrafo es una medida de seguridad contra
situaciones en la cual ponen en riesgo el equipo, es por eso que este equipo tan sofisticado tiene
integrado un sistema de seguridad muy complejo en todo su sistema eléctrico y mecánico, es
decir que toda la parte electrónica y mecánica del equipo cuenta con un sistema de seguridad para
su protección como son el monitoreo de la alta tensión y la corriente de tubo.
Por ejemplo, el sistema de enfriamiento del tubo de rayos x, el tubo es un dispositivo que
se encuentra expuesto a elevadas temperaturas por el alto voltaje que se aplica en su interior, es
por eso que es necesario tener un sistema de control para que el tubo de rayos x no rebase y se
encuentre en su temperatura normal de trabajo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
32
Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada
Los siguientes elementos forman parte del circuito del sistema de seguridad que conectan
al tubo de rayos x, una bomba, un radiador, ventiladores, una campana de expansión y mangueras
que conectan al tubo de rayos creando un circuito para que el aceite fluya y de ese modo se
mantenga el tubo en su temperatura de trabajo (ver figura 2.20). Lo que hace este sistema es
monitorear las variaciones de temperatura que experimenta el tubo durante el tiempo en que se
encuentra radiando, este proceso entra en marcha en el momento que detecta que el tubo
sobrepasa el rango de temperatura de trabajo, es en esta parte donde opera el circuito dejando
fluir el aceite que actúa como un amortiguador de calor para poner en su estado normal de
trabajo al tubo, de lo contrario si no se contara con un sistema de seguridad de protección del
tubo de rayos x, lo que pasaría es que al sobrepasar el rango de temperatura de trabajo, llegaría un
momento en que el tubo llegaría su punto máximo, se calentamiento y el sistema se bloquearía
dejando sin energía todo el equipo de tomografía.
Figura 2.20 Circuito de seguridad del tubo de rayos x: 1) cables de alto voltaje que alimentan al tubo de rayos x, 2)
conexión a tierra.
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
33
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Capitulo 3
Generación de alta tensión y alta
frecuencia
3.1 Introducción.
Para la producción de los rayos x se requiere tener dos variables a controlar el alto voltaje
y la corriente de filamento, para lograr este control describiremos el funcionamiento de un
generador de alto voltaje que tiene como característica principal la alta frecuencia.
En el inicio de la tomografía el generador de alta tensión debido a las limitaciones
tecnológicas de los años 70´s funcionaba a 60 Hz, lo cual implicaba tener transformadores de
gran tamaño, con el desarrollo tecnológico de la electrónica de potencia y el diseño de
transformadores de alta frecuencia se logro reducir drásticamente el tamaño de los generadores.
Ahora, en base al diagrama a bloques de la figura 3.1, se describirá el funcionamiento del
generador de alta tensión que consiste de los siguientes bloques:
Bloque 1 Conexiones principales.

Circuito de encendido

Isostat (estabilizador magnético de voltaje)

Fuente de potencia de dc.
Bloque 2 Microprocesador de control

Tarjeta CPU, memoria y conexión a la Terminal PT510

Tarjeta lógica para varias funciones y la conexión para/de el COM1 y el SCU

Tarjeta de interfaz para varias funciones y conexión a los bloques 3, 4, 5 y 6.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
34
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Bloque 3 Control del calentamiento de filamento.
Bloque 4 Circuito de control de rotación del ánodo.
Bloque 5 Transformador de regulación.
Bloque 6 Generación de kV.

Banco de capacitores

Inversor principal

Transformador de alta tensión H1 con conexión al tubo de rayos x.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
35
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.1 Diagrama a bloques del generador de alta tensión.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
36
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
3.1.1 Conexiones principales.
El generador esta conectado a un sistema de tres fases por un filtro de línea y fusibles. El
conductor neutral no es absolutamente necesario, especialmente en países donde el voltaje de
línea es casi constante (ejemplo, E.U.). El filtro de línea prevé altas frecuencias que vienen del
generador y también de las frecuencias que vienen de fuera del generador que regresan a la línea.
El bloque 1, es el control de encendido y apagado, en esta parte se tiene la acometida de
voltaje que va del rango de 380 a 480 Volts, en este caso hablaremos de una acometida de 440
Volts trifásico los cuales entran en el bloque 5, el cual contiene un transformador de regulación
que es controlado desde el microprocesador para adaptar las variaciones del voltaje de entrada y
tener un voltaje de salida constante para el circuito de rectificación de a.c. a d.c. que es la salida
de este bloque.
El generador es arrancado por el contactor ns cuando es activado. La energía fluye por el
transformador de regulación para el circuito generador de kV el cual alimenta al tubo de rayos x.
El isostat es un estabilizador magnético de voltaje. Tiene una conexión principal de fase y
se utiliza para proporcionar varios voltajes de fuente.
El isostat consiste de inductores (circuitos magnéticos) y capacitores para hacer que el
valor efectivo de salida de voltajes sea constante. Tres voltajes de salida diferente son usados en
el generador:

Calentamiento del filamento (50V), fuente de voltaje para el calentamiento del filamento
localizado en la tarjeta D6 en el M6.

Transformador de regulación (24V), fuente de voltaje para el control de la tarjeta D8
para el motor del transformador de regulación.

220V/264V, fuente de voltaje para operación de los contactores el cual va a la salida de
voltaje del transformador de regulación.

Ventiladores (cabinet fan) 220V/264V, fuente de voltaje para los ventiladores de gabinete
para enfriar el gabinete.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
37
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.

Fuente de potencia electrónica (220V/264V), voltaje de entrada para el transformador
t601 (en el M6) el cual alimenta la tarjeta D5 (en el M10); en esta tarjeta todos los
voltajes dc requeridos son generados.
La fuente de potencia esta conectada a 5 voltajes ac en el secundario del transformador
t601 en el M6, como se muestra en la figura 3.2.
Tarjeta D5, contiene el rectificador y un regulador de voltaje para los 5 voltajes d.c.:

+22VTRIGG, fuente de voltaje para el estado de disparo del inversor principal en la tarjeta
D3.

+15Kr, voltaje para los relevadores en el generador.

± 15VAnalog, voltaje para el amplificador operacional en el generador.

+ 5VDigital, voltaje para todos los componentes digitales del generador.
La fuente de voltaje de + 5Vgenera una señal PWRF (PoWeR Failure) para resetear el
sistema del μP. La señal PWRF es un pulso de 30ms, que activa el encendido y/o en caso de un
voltaje bajo (el sensor de entrada en el regulador).
Tarjeta D1, El voltaje para la tarjeta del CPU D1 es tomado por la tarjeta D2.
Tarjeta D2, los componentes de la tarjeta D2 usan voltajes de ± 15V y +5V; son puntos de
prueba para esos voltajes. Los otros dos voltajes están conectados directamente a la tarjeta D3.
Tarjeta D3, los 5 voltajes tienen una pantalla de LED´s y un punto de prueba en esta tarjeta. El
voltaje para los relevadores está conectado por cables a las tarjetas correspondientes.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
38
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.2 Secundario del transformador t601 y conexión de los 5 voltajes a.c. para energizar las tarjetas D1, D2,
D3, D5.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
39
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
3.1.2 Microprocesador de control (µP).
El generador de alta tensión es controlado por un microprocesador Motorola 6803 como
se muestra en la figura 3.3, donde se observan tres tarjetas electrónicas el CPU, la tarjeta lógica y
la tarjeta de interfase que es desde donde salen las señales de monitoreo y control para los
diferentes módulos del generador.
El µP del sistema del generador controla la operación de los siguientes módulos:

Circuito de calentamiento de filamento.

Transformador de regulación.

Circuito de rotación del ánodo.

Generador d kV.
Nota: También provee una conexión serial a: 1) Terminal PT 510 (para servicio) y 2) y al puerto
COM1/SCU del tomógrafo.
Elementos:
La fuente de voltaje para el sistema del µP es generado en la fuente de potencia
electrónica. El sistema del µP consiste de los siguientes elementos:

El procesador con el CPU (6803/Motorola)

La memoria del sistema que contiene una PROM para la operación del programa.

El sistema de interfaces que conectan a los elementos del procesador (ejemplo,
transformador de regulación) y externo (ejemplo, COM1).
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
40
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.3 Diagrama a bloque del microprocesador de control y principales conexiones.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
41
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Procesador. La sección del µP esta localizada en la tarjeta D1, como se muestra en la figura 3.4
y contiene:

El CPU 6803 Motorola.

El cerrojo (latch) que conecta al multiplexor de datos/ bus de dirección, al bus de
dirección de 16 bits.

Un Matriz Lógica Programable (PAL) como un decodificador de direcciones.

Una pantalla de LED´s que muestra el estado de las señales importantes.

Un reset lógico para iniciar el programa que define la dirección (con el encendido, en caso
de fallas).
Memoria del sistema. La memoria del sistema esta conectada al procesador por un bus de datos
de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits, localizado en la tarjeta D1. La memoria del sistema
consiste de:

La PROM (32k byte), contiene el programa del generador, el firmware.

El scratch pad ram (2k byte), contiene la información temporal.

La CMOS RAM (4k byte), contiene información permanente (ejemplo, parámetros
generados durante el ajusté/pruebas del generador).
El sistema de interfaces ambos están localizados en la tarjeta D1 y la tarjeta D2. En la tarjeta D1
se encuentra el serializador para la comunicación entre el sistema del µP y el COM1 en el
tomógrafo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
42
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.4 Diagrama a bloque del sistema del microprocesador, procesador y memoria del sistema.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
43
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
3.1.3 Circuito de control de calentamiento del filamento.
El circuito de calentamiento del filamento suministra la corriente que circula a través del
filamento del cátodo del tubo de rayos x (ver figura 3.5). La corriente de filamento determina la
temperatura del alambre del filamento; cuando la temperatura del alambre se incrementa se
presenta una ebullición de electrones creando una nube “carga espacial” (proceso llamado
emisión termoiónica). Cuando la alta tensión se aplicada a través del tubo, se crea una carga
positiva alta en el ánodo la cual atrae la nube de electrones teniendo como resultado que fluya la
corriente de tubo.
Figura 3.5 Diagrama a bloque del circuito de control de calentamiento de filamento.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
44
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
La corriente de filamento es suministrada por el circuito isostat, el voltaje de línea es
filtrado y rectificado para suministrar al inversor del circuito de calentamiento, este inversor a su
salida genera una onda modulada en el ancho de pulso de corriente a.c. la cual es transformada en
el transformador t102, dentro del transformador de alta tensión H1. El secundario de t102 hace
que la corriente fluye a través del filamento del tubo de rayos x.
En el propósito de mantener la dosis constante de radiación, la corriente de filamento es
medida en el lado primario del transformador del filamento y transferida al control del µP el cual
controla al circuito inversor, como se muestra en la figura 3.6.
Sección de control: El control del µP envía información digital de salida (9 bits) vía la PIA. El
circuito de modulación del ancho del pulso convierte la información digital en una secuencia de
pulsos con un tiempo de repetición constante y un ancho del pulso variable. La salida del circuito
es acoplada a la sección de potencia vía dos transformadores de pulso.
Sección de potencia: Los pulsos de corriente en el transformador conmutan los transistores del
puente de transistores. Este puente es alimentado con un voltaje de 50 Vac vía el Isostat. El
transformador del filamento del tubo de rayos x esta en serie con el puente de transistores. Los
transistores en las dos diagonales del puente son disparados alternativamente para generar una
corriente de ac a través del transformador del filamento el cual esta localizado en el
transformador de alta tensión H1.
Medición del valor actual: El transformador t3 esta en serie con el transformador del filamento y
es usado para medir el valor actual de la corriente de filamento. La corriente es rectificada, su
valor RMS es calculado y transferido directamente vía el GDAS al PIA del control del µP.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
45
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.6 Diagrama a bloque del circuito de control para el calentamiento de filamento, y medida del valor
actual de la corriente de filamento.
La corriente de filamento del primario (~6A) fluyen a través del transformador t3; hay un
rectificador en el lado secundario del t3 para obtener una señal de d.c. del valor actual de la
corriente de filamento.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
46
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Un parámetro especial (Urms) calcula el valor efectivo de la corriente actual de filamento.
El filamento trabaja como una fuente de electrones. La cantidad de electrones emitidos depende
de la temperatura del alambre del filamento, ya que la temperatura es una función del valor
efectivo de la corriente de filamento (resistencia del alambre del filamento). Para medir la
corriente actual de filamento, hay dos puntos de prueba FCAC y FC en la entrada y salida de este
componente Urms, como se muestra en la figura 3.7.
Figura 3.7 Diagrama a bloque de la representación de los puntos para el valor actual de la corriente de
filamento.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
47
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Corriente de precalentamiento, la señal FC es comparada con el voltaje de referencia de 2.5 V
para revisar si la corriente de precalentamiento ha alcanzado el valor requerido, el resultado de
esta comparación es enviado al control del µP como la señal BAHEAT.
Exposición de calentamiento, un segundo voltaje de referencia de 4V es restado desde la señal
FC para usar el rango completo del convertidor AD en el GDAS. Un rectificador de media onda
suprime la señal de FC debajo de los 4V.
El valor analógico del actual corriente de exposición de calentamiento puede ser medido en punto
de prueba FCA.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
48
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
3.1.4 Circuito de control de rotación del ánodo.
El circuito para la rotación del ánodo es encargado de mantener la rotación del ánodo a
una frecuencia de 150 Hz. El rotor del motor y el ánodo están dentro del tubo de rayos x, el motor
es de una fase de a.c. y esta conectado mediante cables al generador como se muestra en la figura
3.8, hay tres fases de operación:

Aceleración (durante la preparación).

Carrera libre (durante la exploración “scan”).

Frenado (al final de la exploración y en la etapa de arranque).
Figura 3.8 Diagrama para el control de giro de ánodo y conexiones principales.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
49
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
El control de la rotación del ánodo consiste de:

Dos rectificadores para el frenado (70 volts) y la aceleración (150 volts) suministrado por
el transformador t401

El inversor / circuito de frenado

El control para el inversor/circuito de frenado el cual es controlado por el
microprocesador se encuentra en la tarjeta D1 y las señales pasan a través de las tarjetas
D2 (lógica) y D3 (interfaces).
El microprocesador controla la velocidad del giro del ánodo vía un inversor, el CPU envió
la señales RFAST (50 Hz/150 Hz), ROT (rotation enable) y el BRAKE (frenado). Estas señales
determinan el modo de operación de un divisor de frecuencia, las señales de salida ROT1, ROT2
generan un pulso de corriente a través de los transformadores t901, t902 (ver figura 3.9).
Los pulsos de control en el puente del inversor actúan de tal forma que los dos transistores
en una diagonal conducen y los de la otra diagonal están inactivos. La corriente del motor en la
diagonal activa es una corriente de a.c. El capacitor actúa como un corrimiento de fase al
arranque del motor. El relevador br2 conecta al motor al puente inversor. El voltaje rectificado
para el inversor es suministrado a través del transformador de regulación t401. El valor efectivo
para la fase de aceleración es de 150 volts.
La velocidad del motor es medida como la frecuencia de la corriente del motor en el
transformador t1. El circuito de medición genera pulsos de onda cuadrada con la misma
frecuencia: ROTFREE. Esta señal es enviada al CPU vía un PIA y puede ser medida en un punto
de prueba. El relevador br1 es usado para conectar el motor con un voltaje dc de frenado mientras
los contactos de br2 se desconectan del inversor. El voltaje de frenado (70 volts) es suministrado
por el transformador t401 y es rectificado.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
50
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.9 Diagrama a bloque para el control de giro de ánodo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
51
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
El control del inversor genera los pulsos de corriente para conmutar los transistores del
inversor del ánodo. El µP genera los pulsos de control por medio de tres señales (ver figura 3.10):

ROT (negado) señal que habilita al siguiente divisor de frecuencia

RFAST selección de la frecuencia de aceleración (150 Hz/50 Hz)

BRAKE señal de control para los relevadores br1, br2 y bloquea las señales para la etapa
del transformador.
Figura 3.10 Diagrama a bloque del inversor para el giro de ánodo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
52
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Secuencia de operación:
El divisor de frecuencia es habilitado por la señal ROT (negada) solo durante la fase de
aceleración. La señal RFAST es usada para seleccionar la frecuencia (150/50Hz, servicio). Las
señales de salida ROT1, ROT2 están desfasadas 180°. Estos conmutan los transistores de
potencia en serie con los transformadores t901, t902. La señal BRAKE controla los relevadores
br1 (para conectar el voltaje de frenado) y br2 (desconecta los transistores del inversor) y bloquea
la etapa de los transistores al inhibir los pulsos de corriente a través de t901, t902 durante la fase
de frenado.
La velocidad del giro del ánodo es determinada por frecuencia de la corriente en el
devanado del motor en el modo de carrera libre (free run). La corriente del motor induce un
voltaje en el transformador t1, el voltaje de salida en el secundario de t1 es procesado en un
amplificador cuya frecuencia de salida es medida. Los elementos de este circuito son (ver figura
3.11):

El amplificador, es un preamplificador para reducir la amplitud del voltaje de entrada.

Filtro paso bajas/seguidor, es usado para eliminar la porción de altas frecuencias de la
señal

Filtro paso altas, suprime la señal de d.c. la caída de voltaje en el resistor tiene que ser
más grande que 400 mVss para la correcta operación de la etapa del Schmitt-trigger.

Conexión al µP, es realizada a través de un opto-aislador para separar la sección de
potencia a la salida de esta sección y la entrada al microprocesador. La señal ROTFREE
tiene un punto de medición en la tarjeta D2 (lógica)

Punto de prueba, la señal ROTFRE es conectada a la PIA la cual genera interrupciones en
el CPU.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
53
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.11 Diagrama a bloque que muestra el punto de medición para el giro de ánodo.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
54
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
3.1.5 Transformador de regulación.
El transformador de regulación es un autotransformador de tres fases. Por medio de un
soporte con carbones (wiper) que se deslizan sobre cada devanado, el cual es que movido por un
motor con el propósito de mantener un voltaje de salida fijo en cada fase. El motor el cual mueve
el wiper sobre los devanados esta conectado al control del microprocesador (ver figura 3.12). La
variación en el voltaje de salida es por diferentes razones:

Variación debido a diferentes modos con diferentes voltajes de tubo.

Variación debido a diferentes voltajes de línea (variación durante el día).

Para obtener una característica de carga lenta en el banco de capacitores.
Figura 3.12 Diagrama a bloque del generador de alta tensión y principales características, [1]
autotransformador.
La energía fluye principalmente a través del transformador de regulación y rectificador
dentro del circuito generador de kV el cual alimenta al tubo de rayos x con la alta tensión para la
generación de radiaciones. El motor que mueve la barra metálica del transformador de regulación
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
55
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
para la configuración del voltaje, esta conectada al microprocesador de control (6803/Motorota),
que es el micro que controla el tomógrafo y la electrónica del mismo, como es el: circuito de
ánodo rotatorio, generador de kV, circuito de filamento, además de las interfaces con el sistema
del equipo de tomografía y estaciones de trabajo.
El voltaje de salida Uout del transformador de regulación es fijado por el control del
microprocesador en dos formas (ver figura 3.13):

El movimiento del wiper

La conmutación del devanado
El movimiento del wiper; el µP envía dos señales vía el buffer al control del motor, la señal
FORW, mueve el wiper a la derecha y la señal BACKW mueve el wiper a la izquierda, el voltaje
de operación es de 24Vdc.
La conmutación del devanado, es usada para fijar el voltaje de salida en dos pasos, (bajo
devanado, alto devanado. Las señales para la conmutación del voltaje de salida son enviadas al
control del contactor por el µP vía el circuito del buffer. El voltaje de operación de los
contactores es de 220Vac.
El voltaje de salida Uout del transformador de regulación es transferido al control del μP como el
parámetro URST a través del circuito de medición y el GDAS.
Para la conmutación del devanado se requiere que la construcción del transformador se
realice con devanados superimpuestos. El wiper contacta un solo devanado por lo tanto es
conmutado al otro devanado de modo de cubrir el ciclo completo para el voltaje de salida Uout.
Los devanados en el núcleo tiene la misma orientación, por lo tanto la dirección del flujo
magnético no cambia en los tres devanados de cada fase.
Bajo devanado: contactor ls es energizado, Us esta en función.
Alto devanado: el contactor hs es energizado, ls no es energizado, Us no esta en función.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
56
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.13 Diagrama a bloques del transformador de regulación y conexiones principales.
3.1.6 Generación del kilovoltaje (kV).
La alta tensión usada para el tubo de rayos x es generada desde el suministro principal de
voltaje, como se muestra en la figura 3.14. Los siguientes elementos son usados para la
generación del kV:
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
57
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.

Conexión al suministro principal de voltaje.

Autotransformador de 3 fases con un voltaje de salida variable.

Rectificador de estado sólido.

Buffer de almacenamiento de energía con capacidad > 31mF.

Inversor resonante con tiristores microcontrolados, (fres 10kHz) con voltaje de salida
variable variando la frecuencia de salida.

Transformador de salida de una fase seguido de un rectificador y filtrado para suministrar
al tubo de rayos x con la alta tensión.
El circuito generador de la alta tensión puede ser dividido en:

sección de potencia y

sección de control.
Sección de Potencia.
Esta conectada a un rectificador de 6 pulsos en el modulo M4/transformador de regulación
por medio de un fusible ultra rápido U724 y un fusible electrónico con el fin de proteger al banco
de capacitares de una sobre corriente, sus componentes son los siguientes:

Banco de capacitares

Fusible electrónico

Inversor principal en

Transformador de Alta Tensión H1

Cables de alta tensión hacia el tubo de rayos x (longitud desde 16 a 28 m.).
M7
M9
Sección de control.
Es usada para operar el inversor principal controlado por el µP.

El control del inversor principal genera los pulsos de disparo para los tiristores del
inversor principal.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
58
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.

Circuitos de monitoreo para la alta tensión (KV) y la corriente del tubo (mA) para
proteger al paciente de alta radiación.
Figura 3.14 Diagrama a bloques del generador de alta tensión y bloques principales.
Los sistemas de potencia ininterrumpida (UPS), están diseñados para mantener la energía
eléctrica de alta calidad y de alta disponibilidad a la entrada asegurando el máximo rendimiento
en sus equipos y evitando la reducción de la eficiencia del mismo. En red eléctrica existen varios
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
59
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
problemas, los cuales degradan la forma, la amplitud y la frecuencia de la señal eléctrica de una
manera considerable, a tal punto de afectar el funcionamiento de los equipos (ver figura 3.15).
El banco de capacitores sirve como una fuente que suministra energía al inversor
principal, esta localizado en el modulo M7 y consiste de 6 tarjetas de capacitores y dos resistores
de descarga. La tarjeta de capacitores contiene 18 capacitores con una capacitancia de 1150 µF
cada uno, los 18 capacitores están conectados en paralelo, de modo que se tiene una capacitancia
total de 20700 µF por tarjeta, como se muestra en la figura 3.16.
Las pistas donde están soldados los capacitores en la tarjeta D9 tienen la forma para
trabajar como un fusible de modo que el valor del fusible es dado por el ancho mas angosto en la
pista, La construcción de las pistas están selladas de modo de evitar resoldar en caso de que el
fusible se abra.
Los resistores de descarga, sirven para descargar la carga del banco de capacitores
después de que el generador es apagado. Debido a la alta capacitancia del banco de capacitores,
es importante esperar al menos 10 minutos antes de cualquier manipulación en esta tarjeta o
cualquier otra parte del circuito generador de alta tensión. El voltaje a través del banco de
capacitores tiene que ser medido antes de realizar alguna otra acción o manipulación de algún
circuito.
Figura 3.15 Circuito UPS, diagrama eléctrico con tecnología de línea activa.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
60
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.16 Diagrama esquemático del banco de capacitores.
El inversor principal es un puente con un tiristor en cada malla del puente, como se
muestra en la figura 3.17.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
61
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Cada cuarto de la malla consiste de un tiristor V1 y un diodo V11 en oposición en paralelo
en serie con una inductancia L1, formando las cuatro mallas: V1, V11, L1; V2, V12, L2; V3,
V13, L3; V4, V14, L4. Entre los brazos del puente hay un capacitor el cual esta alambrado en
paralelo con el devanado del primario del transformador de alta tensión H1; el segundo capacitor
en serie con H1 sirve como un capacitor de desacoplamiento.
El propósito del inversor principal es convertir el voltaje de entrada d.c Uo. en voltaje de
salida a.c. para la entrada del transformador H1. El rango de frecuencia del voltaje de a.c. es
determinado por la frecuencia de resonancia de los dos inductores L1/L4, L2/L3 y el capacitor en
lazo central del puente.
Figura 3.17 El diagrama muestra la corriente ic y el voltaje Uc en el capacitor en el lazo central del puente
después de que los dos tiristores han sido disparados.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
62
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
La figura 3.17, muestra la corriente ic y el voltaje Uc del capacitor, en el lazo central del
puente después de que los dos tiristores han sido disparados (eje, V1, V4).
Los tiristores son conductivos tanto como la corriente no sea cero. El voltaje Uc tiene su máximo
en este momento (t=T/2)
El máximo voltaje es dos veces el voltaje de entrada Uo si no hay resistencia en el circuito
(estado ideal); con resistores, el máximo voltaje es menor que 2Uo.
En t=T/2 la corriente que fluye a través del capacitor es tomada en el diodo (eje. V11,
V14) las cuales son de polaridad opuesta a la de los correspondientes tiristores.
El diagrama solo muestra un ciclo de la corriente/voltaje.
El voltaje Uc en el capacitor en el lazo principal del puente del inversor principal es usado
para operar la alta tensión del transformador H1.
La variación de la frecuencia del pulso de disparo varia la “distancia” entre las
oscilaciones individuales de Uc.
La rectificación del voltaje Uc (actualmente hecho en el lado secundario de H1) provee un cierto
voltaje de d.c. Diferentes posiciones de la oscilación del voltaje afectan la amplitud del voltaje
rectificado de d.c. en la manera descrita.
Las frecuencias usadas para disparar los tiristores del inversor principal están en el rango
de la frecuencia de resonancia del inversor principal, pero siempre menor: si el inversor principal
puede ser disparado con su frecuencia de resonancia, su impedancia será al menos cero y la
corriente del inversor puede asumirse muy alta (varios miles de amperes).
El inversor principal es disparado por pulsos de una frecuencia variable en el orden de
generar un voltaje de salida con una frecuencia variable; la frecuencia de este voltaje determina la
alta tensión en el tubo de rayos x.
Hay varias precondiciones las cuales tienen que ser cumplidas antes de que la operación
del inversor principal sea habilitada. Las precondiciones son probadas en la condición de gate:

El scan debe haber arrancado; AVO y HU están activos, el software envía TRIGG.

El H1 (tarjeta D11 para el valor actual de pick up) debe ser conectado HSPTANK.

El voltaje digital (+5V) en la tarjeta D2 deben estar listos.

No haber monitoreo de la señal kV
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
63
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.

El timer de 1.6ms inactivo (se activa en caso de error).
Si todas las precondiciones son cumplidas, los pulsos XP desde el tomógrafo pasan a la condición
de gate para habilitar al inversor principal INVEN.
Un contador es sincronizado con una señal de reloj de 1MHz y dividido en sus frecuencias
por un factor dado por el µP vía el PIA. Con el AVO y el HU todavía activos (doble seguridad),
el generador esta listo para la exposición: RFEX y la exposición es habilitada: EXPEN.
Los pulsos de disparo arrancan con INVEN: inversor habilitado y el µP es informado a
cerca de esto por ION: inversor ON.
Los pulsos del divisor de frecuencia están entonces con corrimiento de fase de 180° y si
ION esta todavía activo, los pulsos de disparo TR2, TR1 estarán activos para la etapa de potencia
del inversor principal.
Cada pulso TR2 y TR1 son usados para disparar dos tiristores; adicionalmente estos
pulsos generan una interrupción NMI (cada 100µs) en el µP, este inicia una subrutina para medir
los valores actuales de kV y mA vía la GDAS.
La etapa de potencia genera los pulsos de encendido para los tiristores en el inversor
principal. La etapa de potencia es habilitada si la señal de falla de potencia PWRF no esta activa:
es decir la fuente de +5V del µP esta bien, el programa en proceso esta en línea y una liberación
no controlada de los pulsos de disparo no son muy probables.
Las dos señales de salida en la lógica de corrimiento de fase TR1 y TR2 son enganchados
nuevamente uno de otro para evitar un corto circuito del inversor principal. Ellos pueden ser
medidos (activo alto) detrás de las compuertas de lógica como INV 32 y INV 14
respectivamente.
Cada una de las dos señales INV32 e INV 14 están conectados a dos pares de compuertas, un par
para un tiristor. Cada compuerta de un par dispara un transistor:

El transistor en la tarjeta D3 (en +22Vtrigg) activa la corriente de disparo a través del
transformador de pulso.

El transistor en la tarjeta D10 inhibe la corriente de disparo que fluye a través del
transformador de pulso.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
64
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Puntos de prueba; las señales de disparo individuales en los transformadores para los
cuatro tiristores V3, V2, V1, V4 pueden ser medidos en los puntos de prueba INV3, INV2, INV1,
INV4 en la tarjeta D3.
El inversor principal en el Generador consiste de los siguientes elementos:

Grupo de tiristores: los cuatro grupos de tiristores con un tiristor y un diodo en paralelo y
opuesto en cada grupo; los componentes de una mitad del puente están construidos en una
unidad: V1 – V11/V3 – V13 y V2 – V12 / V4 – V14; esto es importante para el
reemplazo de un tiristor.

Grupo de Transformadores: los cuatro transformadores de pulso t1, t2, t3, t4 en la tarjeta
D10 en el modulo M9
Circuito resonante en serie: los componentes son; las dos inductancias L1/L4 y L3/L2
respectivamente, los dos capacitores en serie C1 y C2.
Acoplamiento a H1: el capacitor de acoplamiento C3 para la conexión del transformador de alta
tensión H1,
La alta tensión en el transformador H1 consiste de un tanque y la tarjeta D11 montada en
la parte superior del tanque (ver figura 3.18).
El tanque contiene el devanado del transformador de alta tensión, los rectificadores de alta
tensión, los capacitores de suavizado y los resistores para la medición del kV actual; el tanque
también contiene el transformador del filamento.
El devanado secundario del transformador de alta tensión es separado del suministro
ánodo/cátodo; los rectificadores de alta tensión están conectados en serie, la conexión entre ellos
es aterrizada; los componentes en el circuito de la alta tensión tiene que ser seccionados para la
mitad de la máxima tensión del tubo solamente.
La tarjeta D11 es usada para conectar los circuitos de monitoreo (en la tarjeta D3) para el
valor de kV y mA actual del circuito de la alta tensión (kV+, kV-, mA), también contiene
componentes de protección (como diodos Tener, tiristores, SCR) para evitar situaciones
peligrosas para el operador y técnicos que trabajan con el Tomógrafo o la destrucción de partes
del generador.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
65
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
Figura 3.18 Diagrama a bloque del transformador de alta tensión H1 y principales conexiones.
3.2 Generadores de alta frecuencia.
El último avance de ingeniería en la producción de alta tensión para tubos de rayos x es el
circuito generador de alta frecuencia. Por medio de algunas técnicas de ingeniería, la
alimentación trifásica se eleva desde 50 ó 60 Hz hasta un valor comprendido entre 500 y 25 kHz.
Una de las ventajas del generador de alta frecuencia es el tamaño. Estos generadores pueden
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
66
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
colocarse en la estructura del tubo de rayos x y producir una forma de onda de tensión casi
constante, como se muestra en la figura 3.19.
Figura 3.19 Forma de onda de un circuito generador de alta frecuencia.
Las maquinas de rayos x portátiles fueron las primeras en beneficiarse de esta tecnología.
La generación de tensión de alta frecuencia utiliza circuitos inversores (ver figura 3.20). Estos
circuitos inversores son conmutadores de alta velocidad que convierten corriente continua en una
serie de pulsos cuadrados. Muchos generadores de rayos x portátiles utilizan baterías de
almacenamiento y rectificadores controlados por silicio para generar ondas cuadradas de 500 Hz,
que se convierten en entrada al transformador del ánodo. Este transformador que funciona a 500
Hz, tiene unas dimensiones del orden de 10 veces inferiores a las del transformador de 60 Hz. A
500 Hz, a veces se oye el sonido del transformador durante la exposición. El pequeño intervalo
de tiempo transcurrido entre pulsos sucesivos de ondas cuadradas es fácil de filtrar, lo que
produce una tensión constante en el ánodo. Estos generadores de rayos x portátiles funcionan con
resultados comparables a los mejores generadores trifásicos.
Figura 3.20 Circuito inversor.
La característica mas importante de los transformadores de alta frecuencia es el desarrollo
de la tecnología del material con el cual están hechos los entrehierros, es decir lograr una
saturación magnética a una mas alta frecuencia, los primeros transformadores trabajaban a 60 Hz
por lo que para lograr un transformador que elevara la tensión tenia que ser de gran tamaño, con
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
67
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
el desarrollo tecnológico del material del entrehierro se logro reducir el tamaño de los
transformadores y con este hecho y la electrónica de potencia se desarrollo un elevador de tensión
para los equipos de tomografía mas pequeños ya que al inicio de la misma el generador ocupaba
una sala completa. Con esta nueva tecnología de la alta frecuencia y la electrónica de potencia se
logro crear un generador que cabe en un gabinete y en la actualidad estos generadores ya están
incluidos en la parte rotatoria del gantry debido a su reducción en el tamaño.
3.3 Sistema de seguridad, monitoreo de la alta tensión y corriente de tubo.
La alta tensión en el tubo de rayos x esta monitoreado para evitar situaciones peligrosas en
el cual la alta dosis de radiación generada, provocada por la alta tensión podrida ser aplicada al
paciente o partes del equipo podrían dañarse. Estos son dos circuitos de monitoreo en el tubo de
rayos x:

Sobrevoltaje y

Arqueo
Monitoreo de sobrevoltaje. El tubo de rayos x esta diseñado para un máximo voltaje de
tubo de 150 kV. Sin embargo el circuito de monitoreo se requiere para proteger al tubo contra el
alto voltaje en caso de fallas. La señal de monitoreo HT, es el voltaje de tubo actual. Esta señal es
transmitida a un comparador con histéresis.
Si el voltaje de tubo excede 147 kV, la señal de monitoreo kVOVP es configurada,
permanece activo hasta que el voltaje de tubo disminuye a 20 kV debido a la histéresis del
circuito amplificador. El circuito de monitoreo hace pruebas desde el microprocesador con ayuda
de un simulador de sobrevoltaje activada por una señal KVTST.
Monitoreo de arqueo. El arco eléctrico es una descarga (conducción) en el espacio
comprendido entre dos electrodos que se distingue por su alta densidad de corriente, alta
temperatura, una luz muy brillante y una característica de resistencia negativa. Esta característica
en donde la tensión a través del arco varía inversamente con la corriente, esta representado en la
figura 3.21. Esta característica invertida tiende a dañar cualquier equipo asociado con el arco y
requiere una impedancia de estabilización con el circuito exterior que limite la corriente.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
68
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
El circuito de monitoreo por arqueo es usado para detectar un “cortocircuito” dentro del
bulbo de cristal del tubo de rayos x: en este caso la corriente de tubo incrementa rápidamente
mientras el voltaje de tubo cae.
Figura 3.21 Características de arco eléctrico.
El sistema de seguridad, como ya se menciono antes es sin duda una parte importante del
equipo que se encarga de mantenerlo en optimas condiciones de trabajo, mediante un sistema
computarizado que controla la parte lógica y de control para las operaciones que realiza , pero en
este caso y en particular al hablar del sistema de seguridad de monitoreo de la alta tensión y la
corriente de tubo, es hablar de la energía que hace posible la generación de radiaciones x, y por lo
tanto de la generación de imágenes mediante la aplicación del mismo.
Para mantener el equipo en condiciones normales de trabajo en el generador de alta
tensión al igual que en el tubo de rayos x, tiene integrado un sensor de temperatura y un sensor de
presión para avisar mediante una interfaz que lleva directamente a la computadora de control
alguna anomalía en el proceso de generación de la alta tensión o alguna falla por arqueo en el
tubo de rayos x, inmediatamente la computadora de control abre el circuito de lazo cerrado que
mantiene al equipo en funcionamiento estable para apagarlo por completo.
3.4 Etapa de salida de +70 kV y -70 kV.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
69
Capitulo 3 Generación de alta tensión y alta frecuencia.
La etapa de salida de alto voltaje es la fase final en el que la tensión de alimentación de
380 V a.c., es convertida a un voltaje de 140 kV d.c. Esta tensión es inyectada al tubo de rayos x
para generar radiaciones que es el elemento principal de la Tomografía Axial Computada para el
diagnóstico médico por imagen (ver figura 3.22). Es así, que el generador de alta tensión en todas
sus etapas inversor de voltaje, convertidor a.c.-d.c., d.c.-a.c., transformador de regulación de
voltaje, transformador de alta tensión, hacen posible la alta tensión mediante un generador de alta
frecuencia que es la característica principal del generador de alta tensión.
Figura 3.22 Tubo de rayos y cables de alta tensión que conectan al tubo con una alimentación de +70 kV y
-70 kV en d.c.
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
70
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
Capitulo IV
Generación y producción de los rayos
x
4.1 Naturaleza de los rayos x
Los rayos x son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de
radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los
rayos gamma, la diferencia con las radiaciones mencionadas es su longitud de onda que va desde
10nm hasta 0,001nm (1nm equivale a 10-9 m) que es igual a 1 Ángstrom (1 Å= 1m x 10-10 =
0.1nm), correspondiendo a frecuencias en el rango de 30 a 3.000 PHz (de 50 a 5.000 veces la
frecuencia de la luz visible), como se muestra en la figura 4.1.
Cuanto menor es la longitud de onda de los rayos x, mayor es su energía y poder de
penetración. Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda de la longitud de onda de
los rayos ultravioleta del espectro electromagnético, se conocen como rayos x blandos, los de
menor longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se traslapan
con ésta, se denominan rayos x duros. Los rayos x formados por una mezcla de muchas
longitudes de onda diferentes se conocen como rayos x “blancos”, para diferenciarlos de los
rayos x monocromáticos, que tienen una única longitud de onda. Tanto la luz visible como los
rayos x se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La
luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos x a transiciones de
electrones internos. En el caso de la radiación de frenado o bremsstrahlung, los rayos x se
producen por el frenado o deflexión de electrones libres que atraviesan un campo eléctrico
intenso.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
71
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
Figura 4.1 Espectro electromagnético.
Los rayos x se producen siempre que se bombardea un blanco (al hablar del blanco nos
referimos al ánodo), hecho con un material de tungsteno, con electrones a alta velocidad debido a
que son sometidos a una diferencia de potencial en el rango de los 140 kV. Gran parte de la
energía de los electrones que se impactan en el ánodo se convierte en calor, y solo una mínima
parte es convertida en rayos x. Los rayos x emitidos no pueden tener una energía mayor que la
energía cinética de los electrones que los producen. La radiación emitida se compone de una
amplia gama de longitudes de onda, con un marcado límite inferior que corresponde a la energía
máxima de los electrones empleados para el bombardeo. Este espectro continuo se denomina a
veces con el término alemán bremsstrahlung, que significa “radiación de frenado”, y es
independiente de la naturaleza del blanco. Si se analizan los rayos x emitidos con un
espectrómetro de rayos x, se encuentran ciertas líneas definidas superpuestas sobre el espectro
continuo, estas líneas, conocidas como rayos x característicos corresponden a longitudes de onda
que dependen exclusivamente de la estructura de los átomos del blanco. En otras palabras, un
electrón a alta velocidad que choca contra el blanco puede hacer dos cosas: inducir la emisión de
rayos x de cualquier energía menor que su energía cinética o provocar la emisión de rayos x de
energías determinadas que dependen de la naturaleza de los átomos del blanco.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
72
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
4.1.1 Propiedades de los rayos x.
La absorción de rayos x por un órgano depende de su densidad y masa atómica. Cuanto
menor sea la densidad y masa atómica del cuerpo, más transparente será a los rayos x. Cuando se
irradia el cuerpo humano, como el hueso que a diferencia de otros órganos este presenta una
dureza mayor que los tejidos circundantes, el hueso absorbe las radiaciones en una proporción
mayor que las partes blandas, por lo que producen sombras más oscuras sobre una placa
fotográfica y el resultado es más contrastado y visible. Las propiedades de los rayos x se
mencionan a continuación:
1. Poder de Penetración: El grado de penetración depende de la densidad del cuerpo u órgano y
de la longitud de onda de las radiaciones, a menor longitud de onda, mayor poder de penetración.
Esta propiedad de penetración hace a los rayos x útiles en la industria y la investigación, y sobre
todo en medicina, su aplicación más conocida.
2. Atenuación: Los rayos x cuando interaccionan con la materia sufre una atenuación, que
proporcional al espesor del cuerpo que atraviesa.
3. Efecto Fotográfico: La imagen que se forma es debido a las radiaciones x que logran atravesar
el organismo, por lo que la radiografía viene a ser el negativo del organismo.

Cuando pasan totalmente los rayos x..........negro.

Cuando no pasan rayos x.............................blanco.

Cuando pasan parcialmente.........................grises.
4. Producen fluorescencia en algunas substancias: Los rayos x también producen fluorescencia en
determinados materiales, como el platinocianuro de bario o el sulfuro de cinc. Si se sustituye la
película o placa fotográfica por uno de estos materiales fluorescentes, puede observarse
directamente la estructura del cuerpo u organismo en estudio. Esta técnica se conoce como
fluoroscopia.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
73
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
5. Efecto Ionizante: Otra característica importante de los rayos x es su poder de ionización, que
depende de su longitud de onda. La capacidad de ionización de los rayos x monocromáticos es
directamente proporcional a su energía. Esta propiedad proporciona un método para medir la
energía de los rayos x. Cuando se hacen pasar rayos x por una cámara de gas ionizante (xenón) se
produce una corriente eléctrica proporcional a la energía del haz incidente.
6. Efecto Biológico: ocasionan un efecto biológico, consecuencia de la acción de una radiación
ionizante sobre los tejidos de los organismos vivos. La radiación transfiere energía a las
moléculas de las células de estos tejidos. Como resultado de esta interacción las funciones de las
células pueden deteriorarse de forma temporal o permanente y ocasionar incluso la muerte de las
mismas. La gravedad de la lesión del órgano depende de la dosis de radiación, de la absorción y
de la sensibilidad del tejido frente a la radiación.
Los efectos biológicos de una misma dosis de radiación varían de forma considerable
según el tiempo de exposición y del cuerpo. Los efectos secundarios que aparecen tras una
irradiación son, la muerte de las células y pueden hacerse visibles pasadas días, semanas o años.
No obstante, si la cantidad es suficiente para causar trastornos graves, la recuperación será lenta e
incluso imposible. La irradiación en pequeña cantidad, aunque no mate a las células, puede
producir alteraciones a largo plazo.
4.2 Aplicaciones de los rayos x.
El uso de los rayos x se extendió también a la detección de fallos en metales o análisis de
pinturas. Pero además, su descubrimiento revolucionó, a lo largo de los años, los campos de la
Física, Química y Biología. Los rayos x se emplean sobre todo en los campos de la investigación
científica, la industria y la medicina.
4.2.1 Investigación científica.
El estudio y aplicación de los rayos x ha desempeñado un papel primordial en la física
teórica, sobre todo en el desarrollo de la mecánica cuántica. Como herramienta de investigación,
los rayos x han permitido confirmar experimentalmente las teorías cristalográficas. Utilizando
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
74
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
métodos de difracción de rayos x es posible identificar las sustancias cristalinas y determinar su
estructura. Casi todos los conocimientos actuales en este campo se han obtenido o comprobado
mediante análisis con rayos x. Los métodos de difracción de rayos x también pueden aplicarse a
sustancias pulverizadas que sin ser cristalinas, presentan alguna regularidad en su estructura
molecular. Mediante estos métodos es posible identificar sustancias químicas y determinar el
tamaño de partículas microscópicas. Los elementos químicos y sus isótopos pueden identificarse
mediante espectroscopia de rayos x, que determina las longitudes de onda de sus espectros de
líneas característicos, como dato histórico varios elementos fueron descubiertos mediante el
análisis de espectros de rayos x.
Algunas aplicaciones recientes de los rayos x en la investigación van adquiriendo cada
vez más importancia. La microrradiografía, produce imágenes de alta resolución que pueden
ampliarse considerablemente. Dos radiografías pueden combinarse en un proyector para producir
una imagen tridimensional llamada estereorradiograma. La radiografía en color también se
emplea para mejorar el detalle, en este proceso, las diferencias en la absorción de rayos x por una
muestra se representan como colores distintos. La microsonda de electrones, que utiliza un haz de
electrones muy preciso para generar rayos x sobre una muestra en una superficie de sólo una
micra cuadrada, proporciona también una información muy detallada.
4.2.2 Industria
Además de las aplicaciones de los rayos x para la investigación en física, química,
mineralogía, metalurgia y biología, los rayos x también se emplean en la industria como
herramienta de investigación y para realizar numerosos procesos de prueba.
Los rayos x son muy útiles en este campo de la industria y una de las aplicaciones más
importantes es para examinar objetos, por ejemplo piezas metálicas, sin destruirlos. Las imágenes
de rayos x en placas fotográficas muestran la existencia de los fallos, como se muestra en la
figura 4.2, pero la desventaja de este sistema es que el equipo de rayos x de alta potencia que se
necesita para este trabajo es voluminoso y caro. Por ello, en algunos casos se emplean
radioisótopos que emiten rayos gamma de alta penetración en lugar de equipos de rayos x. Estas
fuentes de isótopos pueden albergarse en contenedores relativamente ligeros, compactos y
blindados. Para la radiografía industrial se suelen utilizar elementos como el cobalto y el cesio.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
75
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
Figura 4.2 Placa fotográfica en la que se muestra una grieta en un intercambiador de calor de una planta
química. Esta técnica no destructiva es una herramienta valiosa para poner de manifiesto fisuras, grietas o fallos.
Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante rayos x, para
que las unidades defectuosas puedan eliminarse en el lugar de producción. Existen además otras
aplicaciones de los rayos x, entre las que figura la identificación de gemas falsas o la detección de
mercancías de contrabando en las aduanas, también se utilizan en los aeropuertos para detectar
objetos peligrosos en los equipajes. La difracción por rayos x se aplican en el desarrollo de
nuevos materiales cerámicos, así como también al nivel industrial para el control de calidad de
las materias primas.
Un ejemplo de aplicación moderna de la difracción por rayos x es el estudio de cambios
de fases cristalinas con la temperatura en materias cerámicas especiales como cerámica
piezoeléctrica, cerámica de alta temperatura, superconductores y catalizadores
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
76
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
4.3 Aplicaciones de los rayos x en la medicina.
Son conocidas las aplicaciones de los rayos x en el campo de la medicina para el
diagnósticos medico, tomografía, radiografías, angiografías, quimioterapia, medicina nuclear, etc.
La tomografía es una técnica radiológica revolucionaria y tiene una gran importancia y
aplicación en la medicina para el diagnostico medico por imagen. En la radioterapia se emplean
rayos x para tratar determinadas enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores a
la radiación. La utilidad de los rayos x para el diagnóstico medico se debe a la capacidad de
penetración de los rayos x. A los pocos años de su descubrimiento ya se empleaban para localizar
cuerpos extraños, por ejemplo, balas en el interior del cuerpo. Con la mejora de las técnicas de
radiación y por supuesto al avance tecnológico, las tomografías revelaron minúsculas diferencias
en los tejidos, y muchas enfermedades pudieron diagnosticarse con este método.
Un equipo de tomografía de rayos x de invención reciente proporciona imágenes con
mucha más resolución de cualquier parte del cuerpo humano, tejidos blandos y las partes más
densas como el hueso.
4.3.1 Tomografía Axial Computada TAC.
La tomografía axial computada TAC, conocida también con el nombre de Tomografía
Computarizada TC, es tal vez la técnica radiológica más sofisticada en la aplicación de los rayos
x en medicina. Es un método auxiliar en el diagnóstico médico con el cual mediante el uso de
rayos x, y equipo computacional, se obtienen imágenes de las diferentes regiones del cuerpo
humano, con el fin de estudiar, analizar y detectar alteraciones o enfermedades en los órganos
internos (ver figura 4.3).
La palabra tomografía proviene del griego (tomos) que significa corte o sección y (grafía)
que significa representación gráfica, la palabra axial significa “relativo al eje”, es el plano que es
perpendicular al eje longitudinal de un cuerpo, aplicada al estudio del cuerpo humano para
obtener cortes transversales a lo largo de una región concreta del cuerpo o de todo, y
computarizar, significa someter datos a una computadora. La técnica de TAC trata de producir un
mapa bidimensional de los coeficientes de atenuación lineal de un cuerpo tridimensional, a partir
de un número muy grande de tomas de información llamadas proyecciones. En términos
prácticos, este mapa bidimensional corresponde a una imagen transversal del paciente, si un
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
77
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
conjunto de mapas bidimensionales son ensamblados o superopuestos uno detrás del otro puede
obtenerse una imagen que ahora es tridimensional y qué punto a punto dan información sobre los
coeficientes de atenuación lineal del paciente, es decir, da información sobre su anatomía.
Figura 4.3 Equipo de tomografía computada.
La tomografía computada, combina la ciencia de los rayos x con la tecnología de la
electrónica y computación para producir imágenes más enfocadas e informativas que los rayos x
tradicionales. La tomografía computada produce imágenes claras de los huesos, tejidos blandos,
órganos, discos intervertebrales, médula espinal, etc. Las imágenes obtenidas pueden
reproducirse en tono de negro, gris, blanco o en color, como se muestra en la figura 4.4.
Figura 4.4 Imagen del colon mediante rayos x.
La tomografía expone a los pacientes a niveles significativos de radiación, estos niveles se
monitorean cuidadosamente y siempre se garantiza la seguridad de los pacientes. Sin embargo, la
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
78
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
exposición a la radiación es motivo de preocupación y, en consecuencia, los médicos únicamente
ordenarán un estudio cuando esta constituya un paso esencial del proceso diagnóstico.
Los fundamentos y algoritmos matemáticos para la reconstrucción de imágenes
tomográficas a partir de sus proyecciones fueron desarrollados por el físico alemán Johann Radon
en 1917, quien probó que era posible reconstruir un objeto bidimensional o tridimensional, a
partir de un conjunto de infinitas proyecciones.
Supongamos ahora que en el interior del cuerpo K existen fibras o hilos H que tengan en
total una longitud LH. Se quiere evaluar esta longitud por unidad de volumen de K, o sea evaluar
el cociente LH / VK. Para ello, cortamos K con un plano E y contamos el número de puntos NH de
intersección del mismo con H (ver figura 4.5).
Figura 4.5 Cortes de K con el plano E.
Tomando, como siempre, una densidad para planos E proporcional al área de la sección
de E con K, la esperanza matemática del cociente entre el número de puntos de intersección de E
con H y el área de la sección de E con K, resulta: (1/2) (LH / VK). Por consiguiente, se puede
escribir: Lv = 2PA, siendo PA el número medio de puntos de intersección de E con H por unidad
de área de la intersección de E con K.
Un problema análogo al de la estereología, aunque mucho más complicado, es el de la
tomografía computada. Supongamos, como antes, un cuerpo convexo K, dentro del cual hay una
masa de densidad variable dada por una función f(x, y, z), o sea que varía para cada punto de
coordenadas (x, y, z). Aquí f (x, y, z) representa la densidad de la sustancia en el interior de K, en
el punto de coordenadas (x, y, z), como se muestra en la figura 4.6.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
79
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
Figura 4.6 Densidad de sustancia en el punto (x, y, z).
Por consiguiente, es posible medir experimentalmente esta función de G que llamaremos
F(G). Pero, cómo determinar f(x, y, z) a partir de F(G), que se supone conocida para todas las
rectas que atraviesan K, el primero que consideró esta cuestión fue J. Radon (1887-1956). En
1917, este matemático alemán encontró una fórmula para calcular f(x, y, z) a partir de F(G),
conocida como transformada de Radon.
La transformada de Radon (ver ecuación 4.1) es una transformación integral que consiste
en la integral de una función sobre un conjunto de rectas, por ejemplo, si una línea la
representamos por x cos θ + y sin θ = s, donde s es la mínima distancia desde la recta al origen y θ
es el ángulo que forma el eje x con el vector posición del punto de la recta más cercano al origen,
entonces:
R f  , s   
  

 
f x, y  x cos   ysen  s dxdy Ecuación 4.1
En un espacio n-dimensional la transformada de Radon es la integral de una función sobre
hiperplanos. La integral de una función sobre un conjunto de rectas en un espacio n-dimensional
se le denomina transformada de rayos-x, aunque a veces este término es adoptado por la
transformada de Radon.
En el contexto de las tomografías la transformada de Radon se le suele llamar senograma
puesto que la transformada de Radon de una función delta tiene como respuesta característica un
seno. En consecuencia, la representación gráfica de la transformada de Radon de un conjunto de
pequeños objetos parece una colección de senos con diferentes fases y amplitudes.
Al principio, este problema fue encarado como puramente matemático y dio lugar a
importantes especulaciones teóricas, sin que se pensase en posibles aplicaciones prácticas.
Posteriormente el problema se encaró de dos maneras, la primera, esencialmente teórica,
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
80
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
consistió en una generalización a cuerpos de más de tres dimensiones y la sección de los mismos
por variedades lineales o no lineales de cualquier dimensión.
El otro enfoque tendió a una posible utilización práctica de los resultados de Radon. En
efecto, si los rayos con que se atraviesa el cuerpo K son rayos x cuya diferencia de intensidad de
entrada y de salida puede ser medida con suficiente aproximación, tendremos un método para
conocer la distribución f(x, y, z) de la materia en el interior de K, es decir, capaz de reconstruir el
interior de K a partir de los datos proporcionados por los rayos que lo atraviesan. De esta manera
será posible conocer con exactitud el interior de K, con sus posibles anormalidades o patologías.
En 1963, el físico A. M. Cormack indico la utilización práctica de los resultados de Radon
para aplicaciones en medicina. Nacía así la llamada Tomografía Computada.
Cormack y Hounsfield tuvieron que resolver algunos problemas a partir de los resultados
teóricos de Radon. Por ejemplo Radon afirma que se puede conocer f(x, y, z) si se conoce F(G)
para todas las rectas G. En la práctica solamente podemos tener en cuenta un número finito de
rectas que puede ser grande. Esto lleva a analizar lo que ocurre cuando solamente se conoce F(G)
para ese número finito de rectas y la mejor manera de escoger las mismas.
Teóricamente, se
demuestra que con un número finito de rectas nunca se podrá reconstruir exactamente el interior
del cuerpo. Se trata entonces de encontrar la aproximación con que puede ser hecha esta
reconstrucción y su grado de confiabilidad. Para ello el procedimiento práctico consiste en dividir
K en secciones planas y resolver inicialmente el problema sección por sección para, a
continuación, integrarlas a todo el cuerpo K.
Sin embargo, su aplicación en medicina no pudo ser posible sino hasta principios de los
años 70, cuando el primer dispositivo de TAC fue puesto en operación clínica por el Ingeniero
británico Hounsfield 1973.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
81
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
4.3.2 Diagnóstico radiológico.
El diagnóstico radiológico se basa en la obtención de imágenes con radiaciones x. En
términos generales se puede hablar de dos métodos para producir imágenes radiológicas. En los
métodos tradicionales (radiografía convencional) se emplea un detector plano para formar
imágenes mediante una sola proyección. Sin embargo, avances en diversas áreas de la ciencia y la
tecnología en las últimas décadas, han permitido desarrollar sistemas de radiografía digital con
los que es posible obtener imágenes de secciones específicas del cuerpo humano. La formación
de una imagen radiográfica involucra tres etapas, la producción de los rayos x, el transporte de
esta radiación a través del paciente y la detección de la radiación transmitida.
4.3.3 Radiografía convencional.
El objetivo del diagnóstico radiológico es proporcionar información anatómica al médico
sobre el interior del paciente. Los rayos x constituyen una herramienta ideal para sondear de
manera no invasiva, el interior del cuerpo humano. Sin embargo, durante la formación de la
imagen existen procesos de deposición de energía en el paciente. Estos procesos llevan asociado
un cierto daño biológico que en algunos casos puede afectar a la salud del paciente.
Figura 4.7 Formación de una imagen plana con rayos x.
En países desarrollados, aproximadamente el 90% de la dosis a la población debida a
radiación causada por el hombre, se debe al uso de los rayos x para el diagnóstico radiológico.
Aunque la dosis asociada a este tipo de exámenes es relativamente pequeña, la frecuencia con
que éstos se llevan a cabo ocasiona que el impacto social sea considerable. Dado que el propósito
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
82
Capitulo 4 Generación y producción de los rayos x
de un examen médico es proporcionar un beneficio directo al paciente, los procedimientos de
radiodiagnóstico han sido optimizados de tal manera que las dosis sean lo más bajas posibles y al
mismo tiempo contengan la información necesaria para dar un diagnóstico adecuado.
La gran importancia de la formación de imágenes planas en radiodiagnóstico, en términos
del número de exámenes que se realizan de este tipo, ha causado que se inviertan una gran
cantidad de recursos para tratar de desarrollar sistemas de radiografía digital que eventualmente
sustituyan a la película radiográfica. En este sentido, los físicos han jugado un papel muy
importante al desarrollar nuevos detectores de radiación ionizante que se espera permitan
disminuir la dosis al paciente, sin pérdida en la calidad de la imagen.
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
83
Conclusiones
CONCLUSIONES
Los avances continúan hasta hoy en día especialmente en los últimos años, a un ritmo
vertiginoso, esto ha sido posible gracias al desarrollo tecnológico y a la invención de nuevos
dispositivos capaces de resolver algoritmos de reconstrucción de imágenes con mayor rapidez, y
al mismo tiempo el desarrollo paralelo de equipos computacionales que pueden procesar cada vez
mayor información, en un tiempo menor. Como un indicador de estos cambios, los equipos en la
década de los 70´s, efectuaban un corte de 1 cm. de grosor, con un tiempo de giro rotación
rotación de 1 segundo y requerían hasta 30 minutos para reconstruir la imagen de dicho corte.
Actualmente existen equipos multicorte (multislice) capaz de efectuar 128 cortes,
submilimétricos, en .33 seg., el cual la información obtenida es reconstruida de forma
instantánea. Entre las muchas ventajas de los nuevos equipos está, el permitir reconstruir
volúmenes de datos adquiridos, en cualquier plano del espacio, dándole una capacidad
multiplanar, mejorando así la habilidad para detectar y entender las enfermedades.
Millones son los pacientes que se han visto beneficiados cada día con el invento del
Ingeniero Godfrey Newbold Hounsfield y el Ingeniero Allan MacLeod Cormack, que permitió
objetivar mejor las alteraciones que las enfermedades producen en el organismo, contribuyendo a
un diagnóstico más precoz, preciso. De esta forma sustituyó y eliminó numerosos estudios de
diagnóstico de menor rendimiento y permitió el crecimiento de la radiología intervencional, o
cirugía mínimamente invasiva.
Con su invento, Godfrey Newbold Hounsfield transformó la especialidad de la radiología,
expandiendo sus áreas de influencia, convirtiendo nuestro trabajo en un apoyo y servicio a las
demás especialidades médicas.
En este reporte se presenta de manera muy breve las aplicaciones más importantes de los
rayos x en la medicina. El desarrollo de nuevas tecnologías permitirá ampliar el nivel de
sofisticación de las áreas ya mencionadas y sin duda abrirá algunas otras. Actualmente se están
desarrollando sistemas que permitirán integrar imágenes obtenidas mediante diversas técnicas
TAC, Resonancia Magnética Nuclear, Tomografía por Emisión de Positrones (PET), Ultrasonido,
para obtener correlaciones entre la fisiología y la anatomía del paciente. La capacidad de obtener
volúmenes de datos y manipularlas en tiempo real ha permitido el desarrollo de la cirugía virtual
y su aplicación en cirugía reconstructiva e implantación de prótesis. Finalmente, en el área de
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
84
Conclusiones
radioterapia se han desarrollando sistemas de simulación que utilicen métodos para el diagnostico
de tratamientos en tiempo real.
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
85
Apéndice A
APÉNDICE A
EQUIPO COMERCIAL DE
TOMOGRAFÍA AXIAL
COMPUTADA
Figura 1 Equipo moderno de tomografía axial computada, Somatom Definition.
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
UV FIEC
88
Apéndice A
GANTRY, PARTES FIJA Y
ROTATORIA
Figura 2 Gantry, es el bloque que contiene las partes principales como: tubo de rayos x, detector, sistema de
colimación, además de que tiene integrada la tarjeta principal MAR (Master Rotating) que coordina los elementos
mencionados y el sistema de rotación del gantry.
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
UV FIEC
89
Apéndice A
TARJETA MASTER ROTATING
(MAR), UBICADA DENTRO DEL
GANTRY PARA EL CONTROL DE
LA ROTACIÓN
Figura 3 Tarjeta MAR (Master Rotating), esta tarjeta se encuentra dentro de la cubierta del gantry y es la
controladora del sistema de rotación del gantry y posee interfaces entre los diferentes módulos que lo integran.
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
UV FIEC
90
Apéndice A
SISTEMA FIJO, TARJETA
PRINCIPAL MASTER
STATIONARY (MAS), Y EL
CONTROL DE INTERFACES A
OTROS MODULOS
Figura 4 Parte fija del gantry, contiene la tarjeta principal MAS (Master Stationary) que controla las interfaces
entre el gantry y el sistema de control ICS, y el sistema de transmisión de datos a la IRS.
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
UV FIEC
91
Apéndice A
TARJETA MASTER STATIONARY
(MAS)
Figura 5 Tarjeta MAS (Master Stationary), esta tarjeta se encuentra en la parte fija del gantry y es la controladora
principal para la transmisión de datos y tiene interfaces con el sistema de cómputo que mediante una fibra óptica
envía los datos a la IRS que es el sistema que se encarga de la reconstrucción de las imágenes.
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
UV FIEC
92
Apéndice A
TUBO DE RAYOS, SISTEMA DE
ENFRIAMIENTO Y CABLES DE
ALTA TENSION
Figura 6 Tubo de rayos x y las mangueras que conectan al sistema de enfriamiento del tubo de rayos x, como ya
se menciona, contiene un aceite que actúa como un dieléctrico que mantiene al tubo en un rango de temperatura
normal.
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel de la Cruz Martínez
UV FIEC
93
Bibliografía
BIBLIOGRAFÍA
1-. SIEMENS
Somatom DRG/DRH/CR, Somatom CR, Micromatic CT.
Installation and Andjusment Instruction.
2-. SIEMENS
Imaging Systems for Medical Diagnostic
Fundamentals and Technical Solutions.
Autor: Erich Krestel
3.- Manual de radiología para técnicos: Física, Biología y Protección Radiológica
Autor: Stewart C. Bushong
Editorial: Mosby 6ta Ed. 1998
4.- Imagen radiológica: Principios físicos e instrumentación
Autor: Francisco Javier Cabrero Fraile
Colaborador Pablo Luis Gómez Llorente, Manuel Fernández Bordes
Publicado por Elsevier España, 2004
5.- Física cuantica: Átomos, Moléculas, sólidos, Núcleos y Partículas
Autor: Roberr Eisberg, Universidad de California, Santa Babara y
Robert Resnick, Instituto Politecnico Rensselaer
Editorial: Limusa
6.- Fundamentos técnicos de radiología y tomografía axial computarizada.
Guillermo E. Avedaño Cervantes
Editorial: Diana 1993.
7.- Maquinas eléctricas
Autor: Jesús Fraile Mora.
Editorial: McGraw-Hill. 5ta Ed.
8.- Electrónica industrial moderna.
Autor: Timothy J. Maloney. Monroe County Commuity College
Monroe, Michigan.
Editorial: Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A.
9.- Electrónica de potencia, teoría y aplicaciones.
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
86
Bibliografía
Autor: José Manuel Venavent Garcia.
Antonio Abellán García
Emilio Figueres Amorós.
Editorial: Alfaomega.
10.- Electrónica industrial componentes y circuitos básicos. Enciclopedia CEAC de
electricidad.
Autor: Francisco Ruiz Vasallo.
Ediciones CEAC.
11.- Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005.
1993-2004 Microsoft Corporation
Reservados todos los derechos.
REFERENCIAS ELECTRONICAS:
1.- http://perso.wanadoo.es/frs88/tpn/desc/rayosx.htm
2.- http://www.tesisenxarxa.net/TESIS_UB/AVAILABLE/TDX-1110104111254//6.La_Radiolog%EDa.pdf
3.- http://www.geocities.com/fisicaquimica99/radiacion11.htm
4.- http://personal.telefonica.terra.es/web/radiologia/temas/tema1.htm
5.- http://www.smf.mx/boletin/Oct-95/ray-med.html
6.- http://www.nib.fmed.edu.uy/Corbo.pdf
7.- http://www.cienciahoy.org.ar/hoy02/seccionesindiscretas3.htm
8.- http://health.siemens.com/ct_applications/ufc/html/20_Technology_1.html
9.-http://www.cenetec.salud.gob.mx/descargas/equipo_guias/guias_tec/32gt_rayosX.pdf
MENU PRINCIPAL “INDICE”
Miguel Ángel De La Cruz Martínez
UV FIEC
87