INTRODUCCIÓN A LA TOMOGRAFIA COMPUTERIZADA

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1 INTRODUCCIÓN A LA TOMOGRAFIA COMPUTERIZADA 0. INTRODUCCIÓN La Tomografía axial computadorizada es un método para obtener imágenes corporales en el cual un haz de rayos X rota alrededor del paciente y unos pequeños detectores miden la cantidad rayos X que penetran en dicho paciente o área particular de interés. Un computador analiza los datos para construir una imagen de corte transversal. Estas imágenes se pueden almacenar, visualizar en un monitor o imprimir en una película. Además, se pueden crear modelos tridimensionales de órganos reuniendo las imágenes individuales o "cortes". Antes de desarrollar esta técnica diagnóstica es necesario estudiar los principios básicos del TAC abordando puntos desde como está constituida la materia a nivel atómico, tipos de radiaciones e interacción de las radiaciones con la materia. 1. ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA Desde el punto de vista físico, todas las cosas visibles e invisibles se pueden clasificar como materia o energía. La materia es todo aquello que posee masa y ocupa un lugar en el espacio. La materia ocupa un lugar en el espacio, es decir, un volumen. Todos los cuerpos tienen una determinada cantidad de materia, es decir, una determinada masa. No debemos confundir masa con peso que es la fuerza ejercida por un cuerpo que se encuentra bajo la influencia de un campo gravitatorio. La unidad de la masa es el kilogramo y es independiente del efecto gravitatorio. La masa no varía por efecto de la gravedad ni de los cambios de estado, ni de la forma de la materia. El peso si varía dependiendo de la gravedad (Ejemplo: peso en la Tierra y en la Luna) La materia está formada por unos componentes básicos llamados átomos, que se combinan entre sí para formar moléculas. La porción más pequeña de materia con una cierta estabilidad es la molécula; de modo que la molécula de una determinada materia se suele presentar como la parte más pequeña de la misma que aún conserva sus propiedades. 1

2 Pero la molécula es el resultado de la avidez por combinarse de porciones materiales aún más pequeñas denominadas átomos, en las que se pueden dividir. La materia está formada por elementos químicos o átomos que son sustancias que no se pueden descomponer en otras más sencillas utilizando métodos químicos. Existen dos variedades de átomos, los naturales (son 92 elementos que se encuentran en nuestro medio natural (Hidrógeno, Uranio, etc.) y los artificiales, producidos por procedimientos intervencionistas del hombre, son aproximadamente 12 (Neptunio, Plutonio, etc.) Llamamos sustancia o compuesto químico a aquella materia constituida por átomos y pueden ser de dos tipos: # Simples: son aquellas constituidas por átomos de un solo elemento. # Compuestas: son aquellas que están formadas por átomos de más de un elemento. A su vez, éstas se clasifican en: Binarias: con dos tipos de átomos. Ternarias: con tres tipos de átomos. Cuaternarias: con cuatro tipos de átomos. Complejas: con más de cuatro tipos de átomos Los compuestos químicos son muy diversos, de forma que hay desde moléculas formadas por dos átomos hasta moléculas de gran tamaño como las proteínas que tienen centenares de átomos. Las propiedades de un compuesto químico son distintas a las de sus elementos constituyentes. Así el hidrógeno y el oxígeno son gases a Tª ambiente, mientras que el agua (H 2 O) es líquida. Algunos compuestos químicos son muy estables, mientras que otros pueden ser fácilmente transformados en elementos más simples. A partir de átomos inicialmente separados se forma un compuesto muy estable y se desprende una cierta cantidad de energía, de manera que para descomponer esa molécula estable será necesario suministrar una energía al menos igual a la que fue necesaria para su formación. En otras ocasiones ocurre lo contrario, para la formación de una molécula se necesita energía mientras que en el proceso contrario se emite energía. Para identificar los átomos se utiliza una notación simbólica abreviada, que muestra de forma explícita el símbolo químico con superíndices y subíndices con el siguiente significado: Número másico A Número atómico Z X (símbolo químico) La masa o peso atómico o nº másico (A), es la suma de las masas de protones y neutrones, es decir, es la suma de nucleones que posee el núcleo (en uma). 2

3 El número atómico (Z), coincide con el número de protones y por tanto de electrones. Es el nº de orden correspondiente a cada elemento en la tabla periódica. Por tanto: Nº neutrones (N) = peso atómico (A) nº atómico (Z) - Características de la estructura atómica En la estructura atómica destaca una CORTEZA (o zona exterior) donde se encuentran los electrones y un NÚCLEO (o zona interior) formado por protones y neutrones. 1- CORTEZA: a) Características de la zona: - La corteza es muy dispersa, de gran tamaño y enorme volumen. - La masa es prácticamente nula (0 uma -unidad de masa atómica-) - La carga eléctrica es negativa debido a las partículas que posee y que se llaman electrones. - La corteza posee capas a distancias determinadas y fijas con respecto al núcleo (se denominan K, L, M,... y Q, como máximo) - Los electrones de las primeras capas están muy influenciados por el núcleo, por ello es difícil liberarlos de esa zona o capas. A esto se le suma el hecho de que a mayor nº de protones que tenga el núcleo, mayor es la dificultad de sacar electrones de esas capas. - Los electrones de las últimas capas dan las propiedades químicas del átomo. - El átomo en condiciones normales es neutro, pero, en ocasiones, puede ganar o perder electrones de su última capa, cuando esto sucede se producen iones, que pueden ser: Positivos: cationes, si pierde un electrón. Negativos: aniones, si gana un electrón. b) Características del electrón - Masa: 0 uma ( Kg), prácticamente despreciable. - Carga eléctrica: negativa (-1). - Número atómico (Z): -1 - Notación: e Los electrones pueden estar de dos formas en la corteza: En estado fundamental (de menor energía) En estado excitado (ocupan niveles energéticos superiores, alejados del núcleo) - La energía total del electrón resulta de la suma de otras dos: o Energía cinética o de movimiento (relacionada con los niveles 3

4 o energéticos o capas) Energía potencial o de influencia nuclear (relacionada con la energía de enlace por afectación del núcleo) 2- NÚCLEO: a) Características de la zona: - Es muy denso, de reducido tamaño y escasísimo volumen. - Posee la mayoría de la masa del átomo. - Su carga eléctrica es positiva. - Las partículas que posee son los nucleones, que son de dos tipos: protones y neutrones. - La masa de los nucleones es equivalente a un poco más de 1800 veces la masa de un electrón. - Se considera que dentro de él los nucleones se mueven en una especie de órbitas con una energía estable. - El núcleo se puede encontrar en un estado fundamental (es el más estable) o en un estado de excitación (con un nivel de energía superior) b) Características de los protones: - Masa: 1 uma. - Carga eléctrica: positiva (+1). El protón es una partícula con carga positiva (de igual magnitud y signo contrario que la del electrón) - Número atómico (Z): 1. - Notación: p Los protones son responsables de las fuerzas de repulsión nuclear protón a protón como las que se producen a muy corta distancia entre nucleones o las fuerzas electrostáticas originadas por las cargas positivas de los protones.. - Son responsables del número atómico (Z) del átomo c) Características de los neutrones: - Masa atómica (A): 1 uma (aunque la masa de los neutrones es mayor que la masa de los protones). - Carga eléctrica: neutra (0). - Número atómico (Z): 0 - Notación: n Los neutrones son responsables de las fuerzas de atracción nuclear neutrón a neutrón o neutrón a protón. Estas fuerzas son más débiles que las de repulsión. - Los nucleones se mantienen unidos en el núcleo gracias a una potente fuerza atrayente conocida como fuerza nuclear fuerte. Otro tipo de fuerzas en el núcleo son las debidas a campos magnéticos débiles que pueden ser atrayentes o repulsivas. Otros elementos constituyentes del átomo Desde la década de 1930, junto a los protones, neutrones y electrones, 4

5 considerados tradicionalmente como los componentes fundamentales del átomo, se han descrito otras muchas partículas sub-atómicas. Así por ejemplo los electrones son considerados partículas elementales incluidos dentro del grupo de los leptones (de los que hay descritos 6 tipos); los positrones son partículas de igual masa que el electrón pero de carga contraria; los protones y neutrones están constituidos por partículas elementales denominadas quarks 2. FUNDAMENTACIÓN FÍSICA DE LOS FENÓMENOS RADIACTIVOS Y DE LAS RADIACIONES APLICADAS EN LAS INSTALACIONES SANITARIAS La radiación puede definirse de distintas formas: - Es energía en tránsito de un lugar a otro. - Es toda energía que se propaga en forma de onda a través del espacio. - Consisten en la propagación a través del espacio de energía ondulatoria o partículas. - Es la emisión y propagación de energía, a través del vacío o de un medio material, en forma de onda electromagnética (Rx, Rγ ) o bien en forma de partícula (α, β, p, ) Las radiaciones presentan la característica de la dualidad onda-partícula Radiaciones Electromagnéticas: no poseen ninguna masa, solo energía. Radiaciones Corpusculares: son formas de energía que se propagan asociadas a masa. La radiactividad puede ser de origen natural (desintegración espontánea de radionúclidos) o artificial (de origen antropogénico) La radiación utilizada en medicina y en general se puede obtener por varios mecanismos: Desintegración de elementos naturales, son los elementos que presentan inestabilidad nuclear, que conduce a su desintegración, emitiendo radiación y transformándose en otro elemento. Interacción de partículas electrónicas, dirigidas hacia determinadas materias que se pueden activar interaccionando con los electrones de la corteza provocando desplazamiento de los electrones orbitales y dejando huecos en sus órbitas, que posteriormente se ocupan y producen una radiación característica que depende del nº atómico (Z) del material, a este efecto se le denomina efecto fotoeléctrico. O bien, pueden actuar interaccionando con el campo nuclear que atraerá a los 5

6 electrones proyectiles y les provocará un cambio de dirección desencadenando la emisión de una energía denominada radiación de frenado (mecanismo de producción de los Rx) Fusión y fisión, de elementos atómicos que producen ruptura de núcleos atómicos (centrales nucleares) con gran desprendimiento de energía, o bien la fusión de núcleos que también se acompañaría de una gran cantidad de energía. Algunos isótopos pueden romperse, tanto de forma natural como provocada, en un proceso denominado fisión nuclear. La ruptura genera dos o más núcleos de menor número atómico y menor masa atómica y algunos subproductos, como neutrones libres y radiación electromagnética (generalmente rayos gamma), portando gran cantidad de energía. Para inducir la fisión se bombardea el núcleo con neutrones de una determinada energía, que al ser absorbidos por el núcleo lo desestabilizan y los rompen. El proceso contrario a la fisión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros para formar uno mayor. Se denomina fusión nuclear y es un proceso que libera mucha más energía aún que la fisión nuclear. Éste es el mecanismo que hace que las estrellas generen y emitan luz y energía y en la actualidad se investiga para controlar esta reacción y poder generar grandes cantidades de energía a partir de isótopos de hidrógeno extraídos del agua del mar. 3. INTERACCIÓN DE LAS RADIACIONES IONIZANTES CON LA MATERIA Fuente Radiación Absorción Atenuación Dispersión En la interacción de las radiaciones con la materia se produce: Absorción: transferencia de energía de la radiación primaria sobre el medio material (es un paso de energía a un medio material) Atenuación: es la disminución de intensidad de la radiación primaria a su paso por un medio material Dispersión: es la salida de un haz emergente como consecuencia de la interacción de un haz incidente con la materia, yendo en todas direcciones. Cuando cualquier radiación colisiona con la materia (átomo) su energía se transfiere a dicho medio, pudiendo ésta ser absorbida o no. Las colisiones se pueden dividir en dos tipos: elásticas e inelásticas. 6

7 A. Colisión elástica, dispersión clásica o Thompson La interacción con el átomo considerado en su conjunto, da lugar a las denominadas colisiones elásticas, con un reparto de la energía del electrón incidente entre el propio electrón y el átomo, que dada la gran diferencia de masas entre ambos, da como resultado que no se produzca ningún desplazamiento en la posición del átomo y una modificación en la trayectoria del electrón. B. Colisión inelástica Ocurre cuando son choques ocasionados por una radiación sobre un medio en el que ésta pierde toda o parte de su energía cinética. Podemos distinguir distintos efectos. El EFECTO FOTOELÉCTRICO o absorción real consiste en la absorción completa de la energía del fotón incidente por el átomo, de tal forma que dicha energía es completamente transferida a un electrón, que resulta expulsado de su órbita abandonando el átomo,este electrón así expulsado recibe el nombre de fotoelectrón. Las extracciones sucesivas de electrones producen huecos en las órbitas de estos átomos, que se rellenan casi de inmediato con electrones de órbitas o capas superiores produciéndose un salto electrónico que produce la liberación de energía en forma de radiación característica. En el EFECTO COMPTON, el fotón incidente interacciona con un electrón, normalmente perteneciente a una capa externa del átomo, al que transfiere una cierta energía arrancándolo del átomo y el resto de energía aparece como un fotón disperso. El ángulo que forma la trayectoria del fotón disperso con la dirección del fotón incidente puede variar entre 0 y 180 y recibe el nombre de ángulo de dispersión (scattering). El electrón emitido se denomina electrón de retroceso, electrones Compton o Compton electrones; este electrón de retroceso colisiona con átomos vecinos originando electrones secundarios que a su vez pueden producir otros más y así sucesivamente. Ello va a producir la ionización de la materia. Un tercer efecto es el denominado PRODUCCIÓN DE PARES, que consiste en la desaparición del fotón incidente con la aparición de un electrón y un positrón, como consecuencia de la interacción del fotón muy energético (E 1,02 MeV) del tipo gamma con el núcleo atómico. En este proceso se produce la conversión entre energía y masa, con la aparición de un electrón y un positrón. Posteriormente tanto el electrón como el positrón ceden su energía mediante procesos de interacción de partículas cargadas con materia, quedando el electrón absorbido en el medio, mientras que el positrón finaliza su existencia combinándose con un electrón, produciéndose una reacción de aniquilación y apareciendo dos fotones de energía 0,511 MeV en sentidos opuestos. 7

8 En esta interacción se producen los siguientes fenómenos: - Materialización: es el proceso por el cual la energía se convierte en materia. R γ = e - + β + materia (partículas) - Aniquilación: proceso por el cual las masas se convierten en energía. e - + β + = 2 fotones de R γ materia energía - Ionización secundaria: los electrones producen ionizaciones en átomos vecinos. Por último un efecto productor de rayos X es la llamada RADIACIÓN DE FRENADO, donde una radiación corpuscular se acerca al núcleo y al frenarse se desvía y pierde cierta cantidad de energía que se libera en forma de radiación electromagnética. 4. BIBLIOGRAFÍA - Stewart C. Bushong.(1993). Manual de radiología para Técnicos. 1ª Edición. Ed. Mosby - Juan R Zaragoza. (1992) Física e instrumentación médica Ed. Salvat - José Luis Iturbe.(2001) Fundamentos de radioquímica. Universidad de México 8