Introduccin a la Radiografa Ncleo de Ingeniera Biomdica

Introducción a la Radiografía Núcleo de Ingeniería Biomédica Ing. Jorge Lobo

Puntos a ver: o Introducción o Generación de Rayos X o Atenuación de Rayos X o Detección y formación de la imagen

Introducción Modelo Atómico • • Átomos Modelo Bohr Z= nro de protones En estado normal son neutros eléctricamente. Los electrones se encuentran en niveles de energía que rodean al núcleo. K K +1 1 H L K +2 +6 M L K +20 2 He 6 C 20 Ca 42 Mo

Introducción Configuración Atómica Energía de Ligadura Nivel y Ocupación 18 M Ke. V -0, 01 -0, 07 8 L -0, 93 1 N Nivel y Ocupación Energía de Ligadura 2 P Ke. V -0, 02 -0, 06 12 O 32 N -0, 5 18 M -2, 5 29 Cu 74 W 2 K -8, 98 Nivel y Ocupación 8 L -10, 2 2 K -69, 5 Energía de Ligadura Ke. V 4 L -0, 01 2 K -0, 28 6 C

Introducción • Energía de ligadura (“binding energy”) – Energía requerida para separar completamente un electrón del átomo. Mientras más cerca esté el e- del núcleo mayor es esta energía. 1 e. V: Energía cinética que toma el electrón que es acelerado a través de un campo de 1 Volt. 1 e. V = 1, 6 x 10 -19 J

Introducción 1 Volt + - 10 Volts e- + - + El e- tiene 1 e. V de energía cinética. - ee- - e- + + Cada e- tiene 10 e. V de energía cinética.

Espectro electromagnético Radiación de origen electromagnético, solo energía “empaquetada” en forma de fotones. Es radiación ionizante.

Energía de un fotón • • • Fotón cuya λ = 10 -10 m (1 Å) E = h ע λ = ע c => E =hc/ λ • • h: cte. de plank 6. 6256 x 10 -34 J s c: v de luz. 3 x 108 m/s • • Recordando que 1 e. V = 1. 6021 x 10 -19 J => hc = 1, 2406 x 10 -6 e. V m • La energía necesaria para obtener fotones de long de onda de 0. 1 Nm E= 1, 2406 x 10 -6 e. V m / 10 -10 m = 12 ke. V • λu = 1. 24 x 10 -6 / E Si E es el voltaje de aceleración (en Volts) que es numéricamente igual a la energía de los electrones en e. V, las longitudes de onda de los rayos X producidos son menores o iguales que el umbral λu

Puntos a ver: o Definición de Rayos X o Generación de Rayos X o Atenuación de Rayos X o Detección y formación de la imagen

Orígenes Wilhelm Conrad Roentgen (1845 -1923) Rayos-X 1895

Generación de Rayos X • Criterios de diseño de generador de Rx: – Producir suficientes rayos X en corto tiempo – Poder variar la energía de los rayos – Proveer Rayos X en forma reproducible Cumplir con los estándares de seguridad

Generación de rayos X ánodo cátodo blanco e- ee- rayos X I _ + Generador HV m. A

Conceptos: 1. Bremsstrahlung (Bremsung: frenado / Stralung: radiación) 2. Rayos X debidos a la desaceleración de los electrones en el ánodo. Transferencia de energía cinética e interacción con los átomos del ánodo. 3. 2. Un segundo proceso ocurre cuando los e- incidentes tienen la energía suficiente para sacar electrones de las capas más internas dejando un estado vacante, por ej. en la capa K. Al ser ocupado este hueco se produce emisión de energía, rayos X característicos Estas radiaciones son independientes del voltaje aplicado, pero dependen del material del cátodo.

Bremsstrahlung ee- e- Ra e- e- e- Bla n ó ci dia a nd e- + e- e- eee- e- ee- ee- e- e-

Bremsstrahlung e- e- era e- e- Du n ó ci dia e- e- Ra e- e- + e- e- ee- e- e- ee-

Espectro del Breemstralung

Emisión característica Transiciones electrónicas: emisión característica Nivel y Ocupación Energía Ke. V Nivel y Ocupación 2 P 12 O 32 N -0, 02 -0, 06 -0, 5 18 M -2, 5 18 M 74 W 8 L e- 2 K e- e- 74 W Rayos k Efc=Eb. K - Eb. L -10, 2 8 L -69, 5 2 K e- Ke. V -2, 5 Rayos L -10, 2 -69, 5

Emisión característica Espectro

Espectro para el Mo

Intensidad de los Rayos X • • I = Nro. Fotones x Energía Factores que intervienen: – Material del Blanco (I ∞ Z del material, Tungsteno Z=74 o Molibdeno Z=42) – Corriente de tubo (m. A) aumentando la corriente aumento la intensidad. – Voltaje de aceleración – Filtrado: con aluminio, de forma de eliminar los rayos x de poca energía a ser transmitidas al paciente

Espectro para diferentes materiales del ánodo

Cambio de corriente de tubo

Cambio en el voltaje de tubo

Tubo de Rayos X • Es un convertidor de energía, transforma energía electrica en calor y Rx. • Contiene dos elementos fundamentales: – Ánodo: • componente donde se producen los rayos X. – Cátodo: • Component cuya función es expeler electrones y dirigirlos hacia el ánodo.

Ánodo • 2 funciones fundamentales: – Disipar temperatura lo más rápidamente – Generar rayos X • Materiales – – – Tungsteno Z=74 Molibdeno (como base y superficie) Z=42 Rhenio Z=45 Rotatorio disipar calor Focal spot: zona donde se producen los rayos X, 0. 1 mm a 2 mm • Pequeño buena definición en la imagen (- sombras), y poca radiación. • Grande buena disipación de calor

Anodo

Cáthodo • Filamento • Los e- que fluyen a través de un circuito eléctrico no escapan del conductor al espacio libre. • Emisión Termoiónica • Corrientes de aprox. 3 a 7 A.

Cátodo Taza enfocadora (focusing cup) Ánodo

Tubos • El tubo es la parte del equipo más exigida – Eléctrica (hasta 300 KVolts) – Térmica • Solo el 1% de la energía entregada al tubo es convertida en rayos X el 99% restante se transforma en calor! • 2 tipos de tubos: – Estacionarios – Rotatorios

Estacionarios Fines terapéuticos 30 KV y 4 KW

Aspectos constructivos Tubo de rayos X Vidrio o metal Ánodo W vacío Estator Rotor Mo Diagnóstico Hasta 100 KW Ventana Catodo, filamento, taza enfocadora

1700 ºC 2700 ºC

Generación de Alto Voltaje

Generación de Alto Voltaje Baja frecuencia

Generación de Alto Voltaje Baja frecuencia • Obtener alta tensión en continua, el ánodo se conecta al polo negativo y el cátodo al polo positivo. • Tener en cuenta: – Línea estable a la entrada – Cambios rápidos en la entrada se reproducen en la salida. – Ripple a la salida – Gran volumen de equipos!

Generación Alto voltaje Alta frecuencia • Inversores + S 3 S 1 Carga Uin S 2 Ucarga Uin Ucarga S 4 S 1 S 4 S 3 S 2

Generación Alto voltaje Alta frecuencia Fuente trafo Rectificacion onda Banco de C completa Inversor Trafo Rectificacion onda Banco de C completa

Puntos a ver: o Introducción o Generación de Rayos X o Atenuación de Rayos X o Detección y formación de la imagen

Atenuación Transmisión Absorción Dispersión

Absorción • La imagen de rayos X se forma a partir de la diferencia entre aquellos rayox que fueron absorbidos por efecto fotoeléctrico y los que no (Absorción diferencial). • La mayoría de los rayos interaccionan por el efecto Compton. Por lo que la imagen obtenida no estan nítida como la de una fotografía. • Por lo general menos del 5% de los rayos X incidentes llegan al film. Y menos del 1% tienen suficiente energía para interactuar con el film y generar la imagen. • Es importante elegir el óptimo valor de KVp que maximizará la absorción diferencial, bajo KVp aumenta la absorción pero incrementa la dosis al paciente.

Atenuación de Rayos X Io Ix 0 x Ix < Io con ∆I = Io – Ix Al atravesar un material la intensidad del rayo disminuye.

Atenuación rayos X 1. Nro. Atómico ∆I ∞ Z 3 (Mayor probabilidad de efecto fotoelectrico) Z grande Mayor atenuación Z chico El contraste en rayos X es una medida de absorción entre tejidos de distinta composición. Tejido blando Zeff= 7, 4

Atenuación rayos X 2. Densidad del material (efecto Compton) ρ grande Mayor atenuación ρ chico Todos los elementos tienen aproximadamente el mismo nro. de electrones por unidad de masa. Por lo que la probabilidad de reacciones Compton son independientes del Z. La dispersión de fotones toma distintas direcciones, aunque la dirección privilegiada es la del fotón incidente.

Efecto Compton: El fotón incidente interacciona con un electrón atómico desviándose y perdiendo energía. El electrón sale despedido, produciéndose un vacante en el átomo blanco. La energía del fotón rechazado resultante de un efecto Compton viene dada por: Ej. Foton con E de 100 Ke. V para ө =10º el fotón “dispersado” tendrá 98, 7 Ke. V

3. Espesor del material Modelo matemático para atenuación Δx s I If 0 µ(x) Tomando el espesor del material y µ coeficiente de atenuación

Modelo matemático II • Suponiendo que µ es cte para una pared delgada. Ix =I 0 exp(-µx) µ crece

Valores típicos del Coeficiente de atenuación en cm-1 Material 100 Ke. V 200 Ke. V 500 Ke. V Aire 0. 000195 0. 000159 0. 000112 Agua 0. 167 0. 136 0. 097 Carbón 0. 335 0. 274 0. 196 Aluminio 0. 435 0. 324 0. 227 Hierro 2. 72 1. 09 0. 655 Cu 3. 8 1. 309 0. 73 Pb 59. 7 10. 15 1. 64

Atenuación