Introducción a la Radiografía

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

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Introducción a la Radiografía. Núcleo de Ingeniería Biomédica Ing. Jorge Lobo. Puntos a ver: Introducción Generación de Rayos X Atenuación de Rayos X Detección y formación de la imagen. Puntos a ver: Introducción Generación de Rayos X Atenuación de Rayos X - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Introducción a la Radiografía

Introducción a la Radiografía

Núcleo de Ingeniería Biomédica

Ing. Jorge Lobo

Page 2: Introducción a la Radiografía

Puntos a ver:

o Introducción

o Generación de Rayos X

o Atenuación de Rayos X

o Detección y formación de la imagen

Page 3: Introducción a la Radiografía

Puntos a ver:

o Introducción

o Generación de Rayos X

o Atenuación de Rayos X

o Detección y formación de la imagen

Page 4: Introducción a la Radiografía

Introducción Modelo Atómico

• Átomos Modelo Bohr• Z= nro de protones• En estado normal son neutros eléctricamente.• Los electrones se encuentran en niveles de energía que

rodean al núcleo.

+1

K

+2

K

+6

KL

+20

KLM

1H 2He6C

20Ca

42Mo

Page 5: Introducción a la Radiografía

Introducción Configuración AtómicaEnergía de Ligadura

KeV

Nivel y Ocupación

-0,01

-0,07

-0,93

-8,98

1 N

18 M

8 L

2 K

29Cu

Energía de Ligadura

KeV

Nivel y Ocupación

-0,02-0,06

-0,5

-2,5

-10,2

-69,5

2 P

12 O

32 N

18 M

8 L

2 K

74W

Energía de Ligadura

KeV

Nivel y Ocupación

-0,01

-0,28

4 L

2 K

6C

Page 6: Introducción a la Radiografía

Introducción

• Energía de ligadura (“binding energy”)– Energía requerida para separar completamente un

electrón del átomo. Mientras más cerca esté el e- del núcleo mayor es esta energía.

1 eV:Energía cinética que toma el electrón que es acelerado a través de un campo de 1 Volt.

1eV = 1,6 x 10-19 J

Page 7: Introducción a la Radiografía

Introducción

+

+

+

+

-

-

-

-

1Volt

e-

+

+

+

+

-

-

-

-

10 Volts

e-

e-

e-

El e- tiene 1eV de energía cinética. Cada e- tiene 10eV de energía cinética.

Page 8: Introducción a la Radiografía

Espectro electromagnético

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

Page 9: Introducción a la Radiografía

Energía de un fotón• Fotón cuya λ = 10-10 m (1 Å)• E = hע • λע =c => E =hc/ λ

• h: cte. de plank 6.6256 x 10-34 J s • c: v de luz. 3 x 108 m/s

• Recordando que 1 eV = 1.6021 x 10-19 J• => hc = 1,2406 x 10-6 eV m

• La energía necesaria para obtener fotones de long de onda de 0.1 Nm E= 1,2406 x 10-6 eV m / 10-10 m = 12 keV

• λu = 1.24 x10-6 / E

Si E es el voltaje de aceleración (en Volts) que es numéricamente igual a la energía de los electrones en eV, las longitudes de onda de los rayos X producidos son menores o iguales que el umbral λu

Page 10: Introducción a la Radiografía

Puntos a ver:

o Definición de Rayos X

o Generación de Rayos X

o Atenuación de Rayos X

o Detección y formación de la imagen

Page 11: Introducción a la Radiografía

Orígenes

Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923)

Rayos-X 1895

Page 12: Introducción a la Radiografía

Generación de Rayos X

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

Cumplir con los estándares de seguridad

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e-e-e-e-e-

e-

Generación de rayos X

ánodo

blanco

rayos X

Generador HV

+_

cátodo

mA

I

mA

I

mA

I

Page 14: Introducción a la Radiografía

Conceptos:

1. Bremsstrahlung (Bremsung: frenado / Stralung: radiación)

Rayos X debidos a la desaceleración de los electrones en el ánodo. Transferencia de energía cinética e interacción con los átomos del ánodo.

2. Un segundo proceso ocurre cuando los e- incidentes tienen la energía suficiente para sacar electrones de las capas más internas dejando un estado vacante, por ej. en la capa K. Al ser ocupado este hueco se produce emisión de energía, rayos X característicos Estas radiaciones son independientes del voltaje aplicado, pero dependen del material del cátodo.

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Bremsstrahlung

+e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

Rad

iaci

ón B

land

a

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Bremsstrahlung

+e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-e-

e-

e-

e-

e-

Rad

iaci

ón D

ura

Page 17: Introducción a la Radiografía

Espectro del Breemstralung

Page 18: Introducción a la Radiografía

Emisión característica

Energía

KeV

Nivel y Ocupación

-0,02-0,06-0,5

-2,5

-10,2

-69,5

2 P12 O32 N

18 M

8 L

2 K

74W

e-

Efc=EbK - EbL

Transiciones electrónicas: emisión característica

Rayos ke-

Energía

KeV

Nivel y Ocupación

-0,02-0,06-0,5

-2,5

-10,2

-69,5

2 P12 O32 N

18 M

8 L

2 K

74W Rayos L

e-

e-

Page 19: Introducción a la Radiografía

Emisión característicaEspectro

Page 20: Introducción a la Radiografía

Espectro para el Mo

Page 21: Introducción a la Radiografía

Intensidad de los Rayos X

• I = Nro.Fotones x Energía • Factores que intervienen:

– Material del Blanco (I ∞ Z del material, Tungsteno Z=74 o Molibdeno Z=42)

– Corriente de tubo (mA) aumentando la corriente aumento la intensidad.

– Voltaje de aceleración– Filtrado: con aluminio, de forma de eliminar los rayos x de poca

energía a ser transmitidas al paciente

Page 22: Introducción a la Radiografía

Espectro para diferentes materiales del ánodo

Page 23: Introducción a la Radiografía

Cambio de corriente de tubo

Page 24: Introducción a la Radiografía

Cambio en el voltaje de tubo

Page 25: Introducción a la Radiografía

Tubo de Rayos X

• Es un convertidor de energía, transforma energía electrica en calor y Rx.

• Contiene dos elementos fundamentales:– Ánodo:

• componente donde se producen los rayos X.

– Cátodo:• Component cuya función es expeler electrones y

dirigirlos hacia el ánodo.

Page 26: Introducción a la Radiografía

Ánodo

• 2 funciones fundamentales:– Disipar temperatura lo más rápidamente– Generar rayos X

• Materiales– Tungsteno Z=74– Molibdeno (como base y superficie) Z=42– Rhenio Z=45– Rotatorio disipar calor– Focal spot: zona donde se producen los rayos X, 0.1mm a 2mm

• Pequeño buena definición en la imagen (- sombras), y poca radiación.

• Grande buena disipación de calor

Page 27: Introducción a la Radiografía

Anodo

Page 28: Introducción a la Radiografía

Cáthodo

• Filamento

• Los e- que fluyen a través de un circuito eléctrico no escapan del conductor al espacio libre.

• Emisión Termoiónica

• Corrientes de aprox. 3 a 7 A.

Page 29: Introducción a la Radiografía

Cátodo Ánodo

Taza enfocadora (focusing cup)

Page 30: Introducción a la Radiografía

Tubos

• El tubo es la parte del equipo más exigida– Eléctrica (hasta 300KVolts)– Térmica

• Solo el 1% de la energía entregada al tubo es convertida en rayos X el 99% restante se transforma en calor!

• 2 tipos de tubos:– Estacionarios– Rotatorios

Page 31: Introducción a la Radiografía

Estacionarios

Fines terapéuticos

30KV y 4KW

Page 32: Introducción a la Radiografía

Aspectos constructivosTubo de rayos X

Ánodo W

Rotor

Catodo, filamento, taza enfocadora

Ventana

Vidrio o metal vacío

Diagnóstico

Hasta 100KW

Mo

Estator

Page 33: Introducción a la Radiografía
Page 34: Introducción a la Radiografía

1700 ºC 2700 ºC

Page 35: Introducción a la Radiografía

Generación de Alto Voltaje

Page 36: Introducción a la Radiografía

Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia

Page 37: Introducción a la Radiografía

Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia

Page 38: Introducción a la Radiografía

Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia

• Obtener alta tensión en continua, el ánodo se conecta al polo negativo y el cátodo al polo positivo.

• Tener en cuenta:– Línea estable a la entrada– Cambios rápidos en la entrada se reproducen en la

salida.– Ripple a la salida– Gran volumen de equipos!

Page 39: Introducción a la Radiografía

Generación Alto voltajeAlta frecuencia

• Inversores

Carga

S1

S2

S3

S4Ucarga

Uin

+

Uin

S1S4

S1S4

S3S2

Ucarga

Page 40: Introducción a la Radiografía

Generación Alto voltajeAlta frecuencia

Fuente

trafoRectificacion onda completa Banco de C Inversor Trafo Rectificacion

onda completaBanco de C

Page 41: Introducción a la Radiografía

Puntos a ver:

o Introducción

o Generación de Rayos X

o Atenuación de Rayos X

o Detección y formación de la imagen

Page 42: Introducción a la Radiografía

Atenuación

Transmisión AbsorciónDispersión

Page 43: Introducción a la Radiografía

Absorción

• La imagen de rayos X se forma a partir de la diferencia entre aquellos rayox que fueron absorbidos por efecto fotoeléctrico y los que no (Absorción diferencial).

• La mayoría de los rayos interaccionan por el efecto Compton. Por lo que la imagen obtenida no estan nítida como la de una fotografía.

• Por lo general menos del 5% de los rayos X incidentes llegan al film. Y menos del 1% tienen suficiente energía para interactuar con el film y generar la imagen.

• Es importante elegir el óptimo valor de KVp que maximizará la absorción diferencial, bajo KVp aumenta la absorción pero incrementa la dosis al paciente.

Page 44: Introducción a la Radiografía

Atenuación de Rayos X

0 x

Io Ix

Ix < Io con ∆I = Io – Ix

Al atravesar un material la intensidad del rayo disminuye.

Page 45: Introducción a la Radiografía

Atenuación rayos X1. Nro. Atómico ∆I ∞ Z3 (Mayor probabilidad de efecto fotoelectrico)

Z grande

Z chico

Mayor atenuación

El contraste en rayos X es una medida de absorción entre tejidos de distinta composición. Tejido blando Zeff= 7,4

Page 46: Introducción a la Radiografía

Atenuación rayos X2. Densidad del material (efecto Compton)

ρ grande

ρ chico

Mayor atenuación

Todos los elementos tienen aproximadamente el mismo nro. de electrones por unidad de masa. Por lo que la probabilidad de reacciones Compton son independientes del Z.

La dispersión de fotones toma distintas direcciones, aunque la dirección privilegiada es la del fotón incidente.

Page 47: Introducción a la Radiografía

Efecto Compton:

El fotón incidente interacciona con un electrón atómico desviándose y perdiendo energía. El electrón sale despedido, produciéndose un vacante en el átomo blanco. La energía del fotón rechazado resultante de un efecto Compton viene dada por:

cos11 2

mc

EE

E

Ej. Foton con E de100 KeV para ө =10º el fotón “dispersado” tendrá 98,7 KeV

Page 48: Introducción a la Radiografía

Modelo matemático para atenuación

dxIdI .

sf

dxxI

I

dxxI

dI

xxxI

xIxxI

0ln

)(

Δx

I

0

If

s

µ(x)

Tomando el espesor del material y µ coeficiente de atenuación

3. Espesor del material

Page 49: Introducción a la Radiografía

Modelo matemático II• Suponiendo que µ es cte

para una pared delgada.

Ix =I0 exp(-µx)

µ crece

Page 50: Introducción a la Radiografía

Valores típicos del Coeficiente de atenuación en cm-1

Material 100 KeV 200 KeV 500 KeV

Aire 0.000195 0.000159 0.000112

Agua 0.167 0.136 0.097

Carbón 0.335 0.274 0.196

Aluminio 0.435 0.324 0.227

Hierro 2.72 1.09 0.655

Cu 3.8 1.309 0.73

Pb 59.7 10.15 1.64

Page 51: Introducción a la Radiografía

Atenuación