MÓDULO II. BASES FÍSICAS EN EL DIAGNÓSTICO POR IMAGEN

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1 MÓDULO II. BASES FÍSICAS EN EL DIAGNÓSTICO POR IMAGEN TEMA 5. LA MATERIA CONCEPTO E HISTORIA: Podríamos definir la materia como aquello que tiene masa y volumen, se compone de moléculas, estas a su vez de átomos que constituyen las partes más pequeñas que existen teniendo sus características propias. Desde los tiempos remotos, el hombre ha tratado de explicar el principio de la constitución de la materia. Los griegos fueron los primeros defensores de la constitución de la materia en átomos y vacio. La formulación de la teoría atómica no se produce hasta el siglo XIX y debe su origen a Dalton que postula que la materia está constituida por átomos indivisibles e indestructibles. El descubrimiento de los rayos X por el alemán Wilhelm Conrad Röentgen en 1895 y de la radioactividad por Henri Becquerel en 1896 plantearon el problema de explicar, que ciertos átomos como el radio, emitieran unas partículas semejantes al núcleo del helio, a la vez que electrones y radiación electromagnética. Todos estos descubrimientos comenzaron a definir el denominado, modelo atómico. MÓDELO ATÓMICO: Thomson en 1898 desarrolla el primer modelo atómico, considerando al átomo como una esfera homogénea de carga positiva, en cuyo interior permanecían los electrones. Más tarde Rutherford, en 1911 llega a la conclusión de que la mayor parte de la masa y la carga positiva estaban concentradas en el interior del átomo, en un núcleo pequeño, con los electrones girando alrededor. Bohr en 1913 desarrolló el primer modelo atómico que permitía explicar los procesos de absorción y emisión de energía, aplicó la Teoría de Planck, de manera que los electrones no giraban alrededor del núcleo a cualquier distancia, sino sólo en ciertas órbitas y de manera estable. Schröringer en 1926 propuso un modelo que impacta de manera revolucionaria. Los electrones no se comportan como partículas orbitando alrededor del núcleo, sino como ondas alrededor del núcleo a ciertas distancias y con determinadas energías. Era el nacimiento de la Física Cuántica.

2 ESTRUCTURA ATÓMICA: El átomo lo forman un núcleo central y unos electrones dispuestos en órbitas. El núcleo está formado por los protones con carga eléctrica positiva y los neutrones que carecen de carga. Los electrones giran en varias órbitas alrededor del núcleo, sin masa aparente y son consideradas como cargas eléctricas negativas. En los átomos estables el número de protones es igual al de electrones. Puede aseverarse que el átomo es eléctricamente neutro porque las cargas positivas y las negativas se igualan. El número de protones y electrones de un átomo es su número atómico (Z) que se corresponde con el orden del elemento en la tabla periódica. El núcleo cargado positivamente, mantiene los electrones cargados negativamente, en órbitas o capas. La más interna, cercana al núcleo, se denomina capa K; la siguiente capa L, y así sucesivamente, las capas M,N,O. Cada capa tiene una capacidad limitada para albergar electrones. La capa K debido a su proximidad con el núcleo, los electrones tienen una mayor energía de enlace que los de la capa L, y éstos mayor que los de la capa M. De esta forma, los electrones de la capa K son electrones muy ligados y los de las capas más externas se consideran electrones libres.

3 TEMA 6. LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA CONCEPTO DE RADIACIÓN ELECTROMÁGNÉTICA: Se entiende por radiación al proceso de transmisión de ondas o partículas a través del espacio o algún medio. En el siglo XIX se demostró que la luz visible tiene propiedades eléctricas y magnéticas, comenzándose a utilizar el término de radiación electromagnética. Las radiaciones electromagnéticas son ondas trasversales, en las que el campo magnético y el campo eléctrico son perpendiculares entre si y a su vez perpendiculares a la dirección de propagación. La radiación ionizante es aquella radiación electromagnética con energía suficiente para provocar cambios en los átomos sobre los que inciden. Las radiaciones electromagnéticas vienen definidas por los siguientes parámetros: (longitud de onda amplitud, y frecuencia). La longitud de onda es la distancia entre dos máximos consecutivos de la onda. La amplitud es la distancia que hay entre el punto de inflexión de la onda y el máximo. La frecuencia es el número de máximos que pasan en un tiempo determinado, se miden en Hercios. CLASIFICACIÓN DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS: La clasificación más extendida de las radiaciones electromagnéticas se realiza según la frecuencia y longitud de onda y así, podemos clasificarlas en radiaciones ionizantes y no ionizantes. Las radiaciones ionizantes poseen frecuencias altas, entre las que se incluyen, los rayos X y los rayos Gamma. El espectro Electromagnético incluye desde frecuencias pequeñas a frecuencias muy altas. PROPIEDADES DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS: - Se propagan en línea recta. - Se propagan con una velocidad constante en el vacío ( m/s) o la velocidad de la luz. - No pueden ser desviados por campos magnéticos. - No necesitan soporte alguno para transportar su energía, pueden atravesar el vacío. - Atraviesan la materia. - Pueden experimentar deflexiones, refracciones, difracciones y absorción.

4 A las radiaciones electromagnéticas se le pueden aplicar las siguientes leyes que rigen las ondas: - Ley de inverso del cuadrado: la intensidad de la radiación electromagnética disminuye con el cuadrado de la distancia entre el foco emisor y la superficie sobre la que incide. Si duplicamos la distancia entre la fuente emisora de rayos X, la radiación se reduce a la cuarta parte. Esta circunstancia es bien conocida y es aplicada para la Radioprotección de las personas. - Ley del coseno de Lambert: establece que la máxima intensidad de la irradiación sobre una superficie se obtiene cuando el haz incide perpendicularmente. - Ley de Bunsen-Roscoe: Estima que el producto de la intensidad de la radiación por el tiempo de aplicación elevado a una potencia, es constante. - Ley de Grotthus-Draper: indica que, desde el punto de vista de los efectos biológicos, sólo es eficaz la radiación absorbida.

5 TEMA 7. RADIACIONES IONIZANTES Las radiaciones ionizantes son las radiaciones en forma de partículas como los fotones, que por su elevada carga energética, son capaces de producir ionizaciones en la materia, es decir arrancar electrones de sus capas originarias. La energía necesaria para que se produzca un arrancamiento de un electrón en un átomo de oxigeno es de ev (electronvoltios), así se consideran radiaciones ionizantes a aquellas cuya energía es mayor de 10 ev. La ionización de un átomo se produce cuando se suministra la energía suficiente para vencer la fuerza de atracción entre el electrón con su carga negativa y el núcleo con carga positiva. Esta energía de enlace es mayor cuanto más cerca del núcleo está el electrón y cuanto mayor es su número atómico y la energía de enlace tendrá que ser superior. Si se proporciona energía menor energía que la energía de enlace del electrón, se producirá la excitación del átomo. El electrón que recibe el impacto de energía saltará a capas más externas. Si se produce una ionización o excitación del átomo, éste tiende a recuperar su equilibrio mediante el fenómeno de la desexcitación, que se entiende como el salto de un electrón más externo hasta ocupar el hueco de la capa más interna. La desexcitación da a lugar a un tipo de radiación, llamada característica porque es específica de los niveles energéticos de cada tipo de átomos, ya sean átomos de tungsteno o molibdeno, materiales que son utilizados para el ánodo en los tubos de rayos X. Los rayos X han supuesto unos de los grandes descubrimientos físicos de mayor repercusión en el campo médico.

6 TEMA 8. CONCEPTO Y PROPIEDADES DE LOS RAYOS X HISTORIA Y CONCEPTO: El 8 de Noviembre de 1895 Röentgen descubre los rayos X cuando estudiaba el paso de corriente por tubos de vació, demostrando en una habitación oscurecida que una fuente de luz impresionaba una pantalla de platinocianuro de bario, así vio que los rayos X no penetraban la superficie de plomo y sí otros materiales. Posteriormente, presentó la mano de su mujer en una placa radiográfica con un tiempo de exposición de 15 minutos, recibiendo el premio Nobel de Física en Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética como son los rayos infrarrojos, ultravioletas, luz visible y rayos gamma, que se diferencian en poseer una longitud de onda y frecuencia distintas. Los rayos X tienen una longitud de onda corta. PROPIEDADES: Los rayos X presentan las siguientes propiedades: - Poder de penetración en la materia: aunque no son visibles. La capacidad que tienen los rayos X de atravesar los diferentes tejidos del organismo dependen del Kilovoltaje empleado en su producción, de la densidad y grosor del tejido y por último, del número atómico de la estructura. - Efecto luminiscente: es la propiedad que tienen ciertas sustancias emiten luz al entrar en contacto con los rayos X, fenómeno que es aprovechado por los aparatos de radioscopia o fluoroscopia. - Efecto fotoquímico: la radiación que atraviesa el organismo va a incidir sobre la película radiográfica(radiografía) y produce cambios en ésta. La formación de la imagen es debida a la diferente absorción de los fotones por las diferentes estructuras del cuerpo humano y al efecto de los propios fotones sobre <la película radiográfica. - Efecto ionizante: los rayos X ionizan los átomos que conforman muestro organismo y los átomos presentes en el aire ambiental. Esta propiedad es aprovechada para la medición de dosis de exposición y en las cámaras de ionización de exposimetría automática. - Efecto biológico: los rayos X ocasionan cambios en los tejidos del organismo. Los tejidos más radiosensibles son aquellos que tiene una alta capacidad mitótica y sus células están poco diferenciadas. El efecto ionizante de los rayos X es el principal inconveniente para poder utilizarlos con fines diagnósticos y exige el uso adecuado y protección ante los rayos X.

7 MECANISMO DE PRODUCCIÓN: El primer tubo de rayos X fue fabricado por el británico Crookes. Los componentes básicos de un tubo de rayos X son los siguientes: - Cátodo: es la fuente de electrones. Está compuesto por in filamento incandescente de una aleación de tungsteno y cesio. La corriente aplicada al filamento de mide en miliamperios. Este filamento cuando se calienta emite electrones (medidos por el producto miliamperios/segundo). - Ánodo: es la región metálica de impacto de los electrones., suele estar compuesto de tungsteno. Se encuentra en un disco rotatorio de molibdeno. En esta zona se produce una gran cantidad de calor, por lo que debe tener un sistema de enfriamiento. - Diferencia de potencial entre el Cátodo y el Ánodo: es la fuerza que produce una aceleración de los electrones que se originan en el cátodo y que son atraídos hacia el ánodo. Se mide en kilovoltios y es la responsable de la calidad de los rayos X. Se especifican dos tipos de kilovoltaje; bajo kilovoltaje entre 40 y 90 Kv y un alto kilovoltaje entre 100 y 130 Kv. (electrones más rápidos). - Tubo de vacío: es donde se realizan los electrones su recorrido para producir los rayos X. - Foco: es la zona del ánodo que recibe el impacto de los electrones. - Cerramiento plomado: en el tubo de rayos X, con una ventana que permite la salida de los rayos X, esta ventana dispone de diafragmas y cortinas que aumentan o disminuyen el haz de rayos X. - Generador: se encargar de proporcionar la energía necesaria al tubo de rayos X. Existen dos mecanismos de producción de los rayos X que dan lugar a dos tipos de radiación. - Radiación de frenado: se produce un frenado brusco del electrón, al chocar con la materia, resultando una conversión de parte de su energía cinética en radiación, que es emitida como un fotón de radiación X. Produce el 80% de los rayos X. - Radiación Característica: si algún electrón posee la suficiente energía cinética puede modificar la estructura atómica del ánodo, arrancando electrones de las órbitas más internas, quedando los átomos ionizados. Para recuperar su estado inicial, un electrón de las capas más externas rellena el hueco libre, liberando energía en forma de fotones. Un dato significativo, el 99% de la energía creada se pierde en forma de calor, mientras que, sólo el 1% será radiación útil.

8 FACTORES DE EXPOSICIÓN A LOS RAYOS X: Son factores que se programan desde la consola en la salas de control, realizándose un ajuste de las características del disparo para conseguir una buena imagen diagnóstica. - Kilovoltaje(Kv): expresa la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo, controla la velocidad y energía cinética de los electrones y como consecuencia el poder de penetración de los rayos X. - Miliamperaje(mA): es la intensidad de la corriente del filamento catódico, controla la incandescencia del filamento y en consecuencia, el número de electrones emitidos o lo que es lo mismo el número de fotones de radiación emitida. - Tiempo: el tiempo es expresado en segundos o fracciones( Milisegundos,etc) y determina la duración de la exposición a los rayos X. FACTORES DE LA TÉCNICA CON RAYOS X: - Distancia foco-película: los rayos X tienen la propiedad de ser divergentes, por lo tanto, a medida que se alejan de su origen cubren una zona cada vez mayor y pierden intensidad. Se debe mantener un equilibrio para evitar la magnificación de la imagen. La distancia oscila en la práctica diaria entre cm. - Espesor de la zona radiografiada: Si la región a estudio tiene más grosor y densidad, será necesario aplicar más radiación. - Zona a explorar: cada órgano tiene unas características propias que debemos tener en cuenta para variar los valores de la exposición. - Posición de la región a explorar: generalmente se estudian dos posiciones, variando, en relación con la zona estudiada. - Colimadores: son limitadores del haz de irradación, delimitando la zona irradiada a la estrictamente necesaria, alcanzando un beneficio para el paciente, ya que tendrá una reducción de dosis. - Protección: existen dispositivos de protección en los equipos para reducir la exposición de los tejidos del organismo.

9 TEMA 9. INTERACCIONES DE LAS RADIACIONES CON LA MATERIA ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN: Los rayos X interaccionan con la materia más como si fuesen corpúsculos que si fuesen ondas. Estas partículas son pequeños paquetes de energía llamados cuantos o fotones. A su paso por la materia, la radiación sufre distintos tipos de interacción, según la naturaleza de la radiación y el estado y tipo de materia. Definimos la absorción como el proceso de cesión de energía a un medio y su transformación en otro tipo de energía. El conocimiento de los mecanismos de absorción es de vital importancia para la aplicación correcta de las radiaciones y en concreto, de los rayos X. La absorción de la radiación de los rayos X por el organismo depende de cuatro factores: - Número atómico(z): cuanto mayor es el número atómico mayor es la absorción; ya que la absorción es mayor es directamente proporcional al número atómico. El hueso tiene mayor número atómico que las partas blandas, por lo tanto, el hueso absorberá más fotones. - Densidad: a mayor densidad, mayor número de átomos por unidad de volumen, es decir mayor densidad. A mayor densidad mayor atenuación de los rayos X. - Espesor: cuanto mayor sea el espesor de una materia analizada, mayor será su absorción. - Energía: cuanto menor sea la energía de los fotones de los rayos X, mayor será la absorción. Los fotones más energéticos son los más penetrantes. DENSIDADES ORGÁNICAS: Las diferentes densidades básicas apreciables en la película o pantalla radiográfica son cinco y en orden creciente de capacidad de absorción o densidad, son las siguientes: - Densidad aire: es producida por los gases y aparece en la radiografía como muy radiotransparente o color negro. - Densidad grasa: representada por el tejido adiposo y se presenta moderadamente radiotransparente. - Densidad agua: proporcionada por los tejidos blandos, músculos, sangre, bilis, vísceras y líquidos fisiológicos o patológicos. - Densidad hueso: originada por huesos, sales cálcicas y se visualiza en la radiografía como radiopaca o color blanquecino. - Densidad metal: es causada por los contrastes positivos como el Yodo y bario, prótesis y material metálico. Se observa muy radiopaca o blanca.

10 INTERACCIONES BÁSICAS ENTRE LOS RAYOS X Y LA MATERIA: Un haz de rayos X al penetrar en el organismo puede interaccionar de cinco maneras: - Dispersión coherente: es una alteración en la dirección del fotón sin que existan cambios en la longitud de onda. - Producción de pares: es cuando un fotón de alta energía choca con el núcleo, desapareciendo el fotón y convirtiéndose en un electrón y un positrón. - Fotodesintegración: parte del núcleo es arrancado y puede ser un neutrón o un protón. - Efecto fotoeléctrico: consiste en que un fotón incidente con mayor energía que la de enlace de un electrón de la capa K, choca contra unos de esos electrones y los proyecta fuera de su órbita. El fotón desaparece al emplear una gran parte de su energía en vencer la energía de enlace del electrón y el resto de la misma en proporcionarle una cierta energía cinética. El hueco de la capa K es ocupado por un electrón de la capa L. Sus aplicaciones al radiodiagnóstico es que produce imágenes de excelente calidad, si bien, tiene un efecto negativo porque el paciente recibe más dosis. - Efecto de dispersión o Compton: se produce cuando un fotón incidente de alta energía choca contra un electrón de las órbitas más externas de un átomo electrón libre, proyectándolo fuera de su órbita, desviándose de su trayectoria como un fotón disperso de energía menor que el incidente. El electrón libre se denomina electrón Compton. Este efecto produce imágenes en radiodiagnóstico, con bajo contraste y menor irradiación para el paciente.

11 TEMA 10. EFECTOS BIOLÓGICOS DE LAS RADIACIONES GENERALIDADES: Un año después del descubrimiento de los rayos X empiezan a comunicarse casos de radiodermitis en personas que manipulaban radiaciones ionizantes. Son los pilares de una nueva disciplina ligada al uso de las radiaciones, es la radiobiología que estudia los fenómenos que se producen en el organismo tras la absorción de energía de las radiaciones ionizantes. En 1906 Bergonie y Tribindeau postulan las leyes que hacen referencia a la radiosensibilidad: Una célula es más radiosensible cuanto mayor es su actividad reproductora. Una célula es tanto más radiosensible cuanto más largo sea su futuro de divisiones, es decir cuantas más divisiones tenga que realizar. Una célula es tanto más radiosensible cuanto menos diferenciada sea su forma y función. CLASIFICACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS: Los efectos biológicos finales dependerán de la cadena de interacciones físicas, químicas o biológicas que puedan lesionar las funciones o la vida de las células. Hay muchas clasificaciones que se pueden realizar sobre los efectos biológicos producidos por las radiaciones ionizantes, las más utilizadas son las siguientes: La primera clasificación hace referencia a la posibilidad de transmisión y así, se dividen en: somáticos y genéticos. Los efectos somáticos son aquellos que se expresan únicamente en la persona que ha recibido la irradiación, pero no en sus descendientes. Los efectos genéticos se pueden transmitir a los descendientes del individuo irradiado. Existe otra clasificación basada en la existencia de la dosis umbral y en la relación dosisefecto. Clasifica los efectos biológicos de las radiaciones en: -Efectos estocáticos: la probabilidad de que ocurran depende de la dosis, no así su gravedad. A dosis bajas es posible que se deposite energía suficiente en una célula como para provocar una transformación o muerte celular. Son efectos graves y de aparición tardía como la carcinogénesis. - Efectos no estocásticos o deterministas: existe dosis umbral y su gravedad depende de la dosis. Su aparición es precoz, como la radiodermitis.

12 TEMA 11 LA IMAGEN RADIOLÓGICA: IMAGEN DIGITAL FORMACIÓN Y REGISTRO DE LA IMAGEN: Las imágenes radiológicas se obtienen, en dependencia de la absorción de los rayos X por los diferentes tejidos, en mayor o menor proporción según el número atómico, la densidad y el espesor de las estructuras atravesadas. La imagen radiológica puede hacerse perceptible como imagen permanente, en forma de película radiográfica o como imagen transitoria, en las pantallas de radioscopia empleadas en los estudios de radiología vascular e intervencionista o en los estudios baritados. Existen dos formas de registro de imágenes; una la radiología analógica directa que permite obtener la imagen directamente en el medio detector, que puede ser una placa radiográfica o una pantalla radiográfica y la otra la técnica digital. RADIOLOGÍA DIGITAL: Los primeros sistemas de radiología digital consistieron en escanear placas radiográficas convencionales o analógicas y digitalizar señales utilizando un convertidor analógicodigital. La imagen resultante consta de una matriz de múltiples elementos o pixeles, en la que a cada pixel se le confiere un valor numérico determinado. Posteriormente aparecieron sistemas digitales directos que no precisaban de la placa convencional. La gran ventaja de la imagen digital es que puede ser tratada como cualquier archivo informático, lo que permite almacenarla, enviarla a través de la red o tratarla con procedimientos de procesado digital. SISTEMAS DETECTORES PARA RADIOLOGÍA DIGITAL: -Sistemas de radiografía computarizada: en ellos, una placa cubierta de un material fosforescente sustituye a la película radiográfica. La placa no necesita un revelado químico, se lee en un sistema CR, mediante un haz láser que extrae la energía que los rayos X habían depositado en la misma, ocasionado luz de fluorescencia. - Paneles planos: Es el sistema más moderno y está sustituyendo a los soportes de fósforo fotoestimulable porque los paneles están fijos en el equipo de rayos X, integrándose en el sistema de detección y procesado. Pueden utilizar como material, el selenio amorfo o yoduro de cesio, sobre los que inciden los fotones de rayos X. - Sensores CCD: Los sensores CCD convierten los fotones de luz incidentes en una carga eléctrica, que es medida pixel por pixel, y digitalizada en un convertidos analógicodigital, para formar posteriormente la imagen. Está tecnología se emplea preferentemente para equipos de radioscopia.

13 VENTAJAS E INCOVENIENTES DE LA IMAGEN DIGITAL: Las principales ventajas son: 1) Puede tratarse, almacenarse y difundirse al igual que otro archivo informático. 2) Los sensores digitales son más eficaces que la película radiográfica. 3) La respuesta de los sensores digitales es más lineal y con mayor gama dinámica que la película radiográfica. El inconveniente más reseñable es la menor resolución espacial con relación a la placa convencional, lo que hace más difícil detectar detalles muy finos, como neumotórax o las microcalcificaciones. TRATAMIENTO DE LA IMAGEN DIGITAL: -Procesado de imágenes: la imagen digital constituye un archivo informático que representa una matriz de pixeles, cada uno con un valor numérico. El archivo de imagen puede almacenarse en discos duros de alta capacidad u otros sistemas de almacenamiento de datos, y difundirse a través de las redes informáticas, incluido Internet. - Técnicas radiológicas digitales: Radiología simple digital. Radioscopia digital. Radiografía de sustracción digital, empleada en Radiología vascular. Sistemas de diagnóstico asistidos por ordenador para facilitar la detección de lesiones, como lesiones sospechosas en mamografías en los programas de screening de cáncer de mama o detección de nódulos en las radiografías de tórax.