Universidad Veracruzana Facultad de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Zona Poza Rica - Tuxpan

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1 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

2 Índice temático INDICE TEMATICO CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES DE LA TOMOGRAFIA 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 CAPÍTULO 2 LA TOMOGRAFIA AXIAL COMPUTADA 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 CAPÍTULO 3 GENERACION DE ALTA TENSIÓN Y ALTA FRECUENCIA 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. 70 Miguel Ángel De La Cruz Martínez UV FIEC

3 Índice temático CAPÍTULO 4 GENERACION Y PRODUCCION DE LOS RAYOS X 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. 82 CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA APENDICE A Figura 1 Equipo comercial de Tomografía Axial computada. 88 Figura 2 Gantry partes fija y rotatoria 89 Figura 3 Figura 4 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 Miguel Ángel De La Cruz Martínez UV FIEC

4 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

5 Capitulo 1 Antecedentes de la tomografía 1.2 Descubrimiento de los rayos x, por Wilhelm Conrad Roentgen ( ). 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

6 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

7 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 Figura 1.4 Estudio radiológico de los efectos de la tuberculosis en los pulmones. Miguel Ángel De La Cruz Martínez UV FIEC 4

8 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 ( ), 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

9 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 (aire, imágenes muy hipodensas), hasta (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

10 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

11 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

12 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 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

13 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 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 6 n 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada Scanning unit Computer system Data Acquisition System System Electronics IES Scanning System ICS X-ray Generator IRS Mesa de paciente Sistema de Seguridad Figura 2.3 Diagrama a bloques del tomógrafo. Miguel Ángel De La Cruz Martínez UV FIEC 15

19 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

20 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada 2.3 Parte rotatoria del gantry. siguientes: Los módulos principales que conforman el sistema de rotación del gantry son las 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

21 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada 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

22 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

23 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada 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 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

24 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

25 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada 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

26 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 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

27 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

28 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

29 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

30 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada 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

31 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 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

32 Capitulo 2 La Tomografía Axial Computada 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

33 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

34 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

35 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

36 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

37 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