Principios Fundamentales en la Generación de Rayos X
Parámetros del Tubo de Rayos X
- kVp (Pico de Kilovoltaje): Corresponde al voltaje aplicado al tubo de rayos X. Este parámetro controla la energía máxima y la capacidad de penetración de los fotones del haz.
- mA (Miliamperios): Es la corriente que pasa por el filamento del tubo. Está directamente relacionada con la cantidad de radiación producida, es decir, el número de fotones.
Interacciones de los Rayos X con la Materia
Cuando un haz de rayos X atraviesa la materia, como los tejidos de un paciente, los fotones interactúan con los átomos de diversas maneras. Estos procesos son la base de la formación de la imagen radiológica y de los posibles efectos biológicos.
Efecto Fotoeléctrico
Consiste en el choque de un fotón del haz de Rayos X con un electrón de las capas orbitales internas (corticales) de un átomo del paciente. El fotón transfiere toda su energía al electrón, siendo completamente absorbido y desapareciendo. Este efecto es primordial para obtener imágenes de diagnóstico de alta calidad, especialmente a energías inferiores a 100 keV, y tiene implicaciones biológicas directas al depositar toda la energía en el tejido.
Pueden ocurrir diferentes situaciones:
- Excitación atómica: Si la energía transferida por el fotón es inferior a la energía de ligadura que mantiene al electrón en su órbita, el electrón se desplaza momentáneamente a una capa de mayor energía para luego volver a su estado original. En este caso, el fotón es absorbido, pero el efecto en el paciente es mínimo.
- Ionización (Efecto Fotoeléctrico clásico): Si la energía transferida es igual o superior a la energía de ligadura del electrón, este es extraído de su órbita y expulsado del átomo, convirtiéndose en un fotoelectrón. El átomo queda ionizado, y el «hueco» dejado por el electrón es ocupado por electrones de capas más externas, liberando energía en forma de radiación característica. Las consecuencias biológicas para el paciente pueden ser mayores debido a la ionización generada.
Efecto Compton (Dispersión Compton)
Esta es una interacción no deseada pero inevitable en las energías empleadas en radiodiagnóstico. Se produce cuando un fotón incidente choca con un electrón de las capas orbitales más externas y le transfiere solo una parte de su energía.
Consecuencias del Efecto Compton:
- El electrón es expulsado del átomo (se convierte en un electrón Compton), provocando ionización en el tejido.
- El fotón incidente no es absorbido, sino que continúa su trayectoria con menor energía y en una dirección diferente, dando lugar a la radiación dispersa.
Implicaciones en Radiodiagnóstico:
- Reduce la calidad de la imagen: La radiación dispersa vela la película o el detector, disminuyendo el contraste y la nitidez de la radiografía.
- Riesgo de irradiación: Constituye un riesgo de irradiación para los profesionales sanitarios y para el propio paciente, al irradiar zonas fuera del área de interés.
Dispersión Coherente (Thomson o Rayleigh)
En esta interacción, que ocurre a muy bajas energías (generalmente por debajo de 10 keV), el fotón incidente interactúa con el átomo en su conjunto, provocando una vibración. El fotón es desviado de su trayectoria sin que haya un cambio significativo en su energía y sin que se produzca ionización. Su contribución en el radiodiagnóstico convencional es menor.
Producción de Pares
Este fenómeno ocurre cuando un fotón de muy alta energía (mayor o igual a 1.022 MeV) pasa cerca del núcleo de un átomo. La energía del fotón se convierte en materia, creando un par de partículas: un electrón y un positrón (su antipartícula). El fotón original desaparece en el proceso.
- El electrón generado se comporta como otros electrones libres en el medio.
- El positrón, al encontrar un electrón libre, se aniquila con él, generando dos fotones gamma de 0.511 MeV cada uno, que viajan en direcciones opuestas.
- Este proceso es la base de la Tomografía por Emisión de Positrones (PET), pero es irrelevante en las energías del radiodiagnóstico convencional.
Fotodesintegración
Se produce a energías extremadamente altas (superiores a las de la producción de pares), cuando un fotón de alta energía es absorbido directamente por el núcleo de un átomo. Esto excita el núcleo hasta el punto de provocar su ruptura y la emisión de partículas nucleares. Este efecto no ocurre en radiodiagnóstico y se asocia más a la radioterapia de alta energía o a procesos como las explosiones nucleares.
Conceptos Clave en la Formación de la Imagen Radiológica
Atenuación de Rayos X en la Materia
La atenuación es la reducción de la intensidad de un haz de rayos X a medida que atraviesa un material. Se debe principalmente a la combinación del efecto fotoeléctrico (absorción) y el efecto Compton (dispersión).
Factores que determinan la atenuación:
- Número atómico (Z) del material: A mayor número atómico, mayor atenuación.
- Densidad del material: A mayor densidad, mayor atenuación.
- Espesor del material: A mayor espesor, mayor atenuación.
- Energía de la radiación (kVp): A mayor energía, menor atenuación (mayor penetración).
Relación entre Espectro de Rayos X y Dosis
- Intensidad (mA): A mayor intensidad (más miliamperios), se producen más fotones, y por lo tanto, mayor es la dosis que recibe el paciente.
- Energía (kVp): Un mayor kilovoltaje produce un haz de rayos X más penetrante. Esto resulta en un menor contraste en la imagen, pero puede permitir una reducción de la dosis total para el paciente, ya que se necesita menos radiación para obtener la imagen.
- Filtración: Se utilizan filtros (generalmente de aluminio) para eliminar los fotones de baja energía del haz, que no contribuyen a la imagen pero sí aumentan la dosis en la piel del paciente.
Las 5 Densidades Radiológicas Fundamentales
La imagen radiológica se forma por la diferente atenuación de los rayos X en los tejidos. Cuanta más radiación llega al detector, más negra se ve la imagen (radiolúcido), y cuanta menos radiación llega (porque ha sido atenuada), más blanca se ve (radiopaco).
Las cinco densidades básicas, ordenadas de menor a mayor atenuación (de más negro a más blanco en la imagen), son:
- Aire: La menor atenuación. Se ve negro.
- Grasa: Gris oscuro.
- Agua / Tejidos blandos: Gris claro.
- Calcio / Hueso: Blanco.
- Metal: La mayor atenuación. Se ve blanco brillante.