Introducción a la protección radiológica hospitalaria. Epidemiologia y riesgos laborales (página 2)

En 1874, con 29 años, se doctoró en Estrasburgo y permaneció en dicha ciudad hasta 1879 como profesor auxiliar, puesto que ocupaba desde 1876. Este nuevo traslado es el primero de una larga etapa caracterizada por los continuos cambios de residencia.

Desde 1879 hasta 1885 su destino será Giessen, donde permanecerá como profesor numerario en la Universidad y director del Instituto de física. Pasados estos seis años Würzburgo se convertirá en su próxima residencia. En dicha localidad trabajará como profesor numerario hasta que en 1888 sea nombrado profesor titular en la Universidad Julius Maximiliam, obteniendo la cátedra de física y siendo nombrado rector seis años más tarde, en 1894.

En 1900 finalizará su etapa en Würzburgo, al obtener la cátedra de física de la Universidad de Ludwin Maximiliam de Munich, donde también dirigió el nuevo Instituto de física hasta 1920, experimentando durante estos últimos años de su vida con gases enrarecidos.

Investigador A lo largo de todos estos años fue centrando sus investigaciones en una serie de temas específicos que podrían englobarse en tres grandes apartados:

· El calor específico de los gases.

· Los fenómenos de: elasticidad, compresibilidad, capilaridad y conductibilidad del calor de los cristales.

· La absorción de los rayos calóricos en los vapores y en los gases.

En sus primeras investigaciones descubrió la birrefringencia o doble refracción de los líquidos sometidos a un campo eléctrico. En 1885 demostró que un dieléctrico polarizado produce los mismos efectos magnéticos que una corriente.

Todas sus investigaciones se verán culminadas en 1895, año del descubrimiento que le daría la inmortalidad, hecho que se produjo a sus 50 años de edad. Pero, su consecución no hay que concebirla como un fenómeno aislado y totalmente desligada de los estudios coetáneos, existirán una serie de antecedentes que irían configurando los medios y conocimientos que utilizará Röentgen en sus trabajos.

Este científico culminó magistralmente unas investigaciones que había ido evolucionando de forma gradual y que, tras su descubrimiento, se convertirá en uno de los aspectos científicos más estudiados, con el fin de ir depurando y perfeccionando el conocimiento de su naturaleza y sus aplicaciones.

Antes de analizar minuciosamente la génesis del importante descubrimiento, así como su impacto, desarrollo y repercusión, hay que mencionar los antecedentes que sirvieron de base para los trabajos de Röentgen. Para ello es necesario recordar algunos nombres propios, que con sus investigaciones fueron vislumbrando los mecanismos que posteriormente serán de gran ayuda para el físico alemán. Los más destacados son: Julius Plücker, Sir William Crookes y Rudolf Heinrich Hertz.

· J: Plücker descubrió los rayos catódicos en 1859. Estos se observaban a través de los tubos de Geissler (1854). Los cátodos formaban un haz de electrones que atravesaban el tubo rápidamente, a una velocidad directamente proporcional a la tensión aplicada en los extremos (aplicando una tensión de un millón de voltios los electrones circularían a una velocidad de 285000/km/s). Su trascendencia radica en que Röentgen utilizará este tipo de tubos de cátodo incandescente en sus experimentos.

· W: Crookes (1832-1919), químico y físico inglés, fue de los primeros en interesarse por el análisis espectral, y por este medio descubrió, en 1861, el talio, determinando todas sus propiedades físicas y químicas. En 1875 inventó el radiométro, y posteriormente, estudiando los fenómenos relativos a la descarga de los gases enrarecidos, identificó los rayos catódicos.

· El físico alemán R. H: Hertz (1857-1894) llevará a cabo un conjunto de investigaciones que en el futuro se convertirán en importantes referencias para Röentgen. Aunque dedicara sus primeros años de formación a los estudios de arquitectura, renunció a ellos en 1878 para consagrarse a la investigación científica, siendo Helmholtz, su profesor, quien lo orientó hacia el estudio de la electrodinámica.

Después de doctorarse en 1880, permaneció cinco años en la Universidad de Kiel como profesor conferenciante. En 1885 se establecerá en Karlsruhe como profesor en la escuela técnica superior, localidad donde realizará los trabajos más importantes y trascendentes, que aportaran grandes conocimientos al mundo de la física. Estas investigaciones se centraban en las ondas electromagnéticas.

En 1887 produjo ondas métricas gracias a su oscilador y demostró

que poseían todas las propiedades de la luz: reflexión y refracción, interferencias, difracción, polarización y velocidad de propagación. Descubrió el efecto fotoeléctrico al observar que la formación de la chispa se veía facilitada cuando la zona sensible de su resonador recibía luz ultravioleta.

En 1892 observó, antes que Philipp Lenard (1862-1947), que los electrones podían atravesar la materia, al hacer pasar unos rayos catódicos de unas finas placas de oro o de aluminio.

Hertz murió demasiado pronto para poder asistir al prodigioso desarrollo de las aplicaciones de sus ondas, a las que se ha dado el nombre de herzianas.

Partiendo de los conocimientos anteriormente mencionados, Röentgen inició en su laboratorio las investigaciones, utilizando tubos de cátodo incandescente.

Concentró el flujo de electrones con un cátodo en forma de espejo cóncavo, proyectándolos sobre una superficie, lo más pequeña posible, de la pared de vidrio del tubo, revistiendo la totalidad del tubo con papel negro y oscureciendo el laboratorio.

Conectó el tubo de rayos catódicos a un circuito, haciendo pasar una corriente de alta tensión. En esos momentos, todo lo que quería saber era si el cartón recubría totalmente el tubo. Satisfecho, se dirigió hacia el aparato para proseguir su experimento cuando, aproximadamente a un metro del tubo, descubrió que una pantalla cubierta con una masa especial, de cianuro de platino y bario, situada cerca del tubo, comenzaba a emitir una luz verdosa.

Sorprendido, que los rayos catódicos no atravesaban la pared del tubo y los rayos de luz no podían salir a través del revestimiento, cogió con la mano la pantalla luminosa y la acercó al tubo. En ese instante la luz se hizo más intensa y sobre la pantalla vio proyectados los huesos de los dedos de su mano.

Desconectó el tubo, y la placa revestida de bario cesó de emitir el resplandor; volvió a conectarlo, y brilló de nuevo. Röentgen acababa de descubrir los rayos X. Los había descubierto casi accidentalmente, al estudiar la descarga gaseosa, merced a la fluorescencia que se originaba en las proximidades del tubo. Supuso que cuando los rayos catódicos incidían sobre las paredes de vidrio, y más aún cuando lo hacían sobre un electrodo metálico especial, denominado anticátodo, introducido dentro del tubo, se originaba una

radiación que parecía emitida por el anticátodo, independientemente de la posición del ánodo.

A partir de esos momentos centró en ello toda su atención. Se instaló en un laboratorio durante varias semanas, durmiendo y comiendo allí, y demostró que esas radiaciones:

· se propagaban en línea recta,

· no podían ser reflejadas ni refractadas,

· los campos eléctricos no ejercían ninguna acción sobre ellas.

También estudió su poder de penetración en la materia y observó que producían una ionización en el aire. A continuación sustituyó la pantalla fluorescente por la placa fotográfica, y obtuvo sobre ella asombrosas imágenes, siendo la más famosa la mano descarnada y esquelética de su mujer.

Este último aspecto nos lleva a un punto de confusión. Generalmente se ha considerado la imagen de la mano de su mujer como la primera lograda, y aunque en parte es correcto, hay que hacer una pequeña matización. Esta imagen sería la primera radiografiada, es decir, la primera que el científico obtuvo una vez colocada la placa fotográfica, sustituyendo a la pantalla fluorescente.

Pero, la primera imagen reflejada en sus experimentos sería la de los huesos de su propia mano, aunque evidentemente no hay ninguna prueba visible de ello, únicamente se tiene constancia a través de algunos de los escritos que han narrado dicho experimento.

Röentgen no bautizó su descubrimiento con su nombre, no debido a un gesto de modestia y humildad, como algunos estudiosos han interpretado. Utilizó la letra X para el nuevo fenómeno porque era el símbolo utilizado habitualmente por los físicos para designar un factor desconocido, y en este caso inexplicado.

Respecto a su denominación concreta, se ha hecho referencia a unos motivos estrictamente científicos, y que corresponderían a las propias características del fenómeno. Siguiendo esta interpretación, el físico les daría el nombre de rayos X por sus singulares caracteres:

· Eran invisibles, pero impresionaban las placas fotográficas aún cubriéndolas con papel negro. Esta propiedad fue precisamente el origen del descubrimiento.

· Excitaban la fluorescencia.

· Ionizaban el aire y demás gases.

· Atravesaban gran número de cuerpos opacos para la luz.

Cuando Roentgen presentó su primer informe: Sobre una nueva variedad de rayos, el 28 de diciembre de 1895, ya había realizado un examen sistemático completo de estos rayos y podía dar una descripción precisa de la mayor parte de sus propiedades fundamentales.

Cuatro semanas más tarde daba su primera conferencia pública, con el fin de proceder al relato de su descubrimiento. En un momento determinado, una vez comenzada la sesión, pidió permiso a su amigo anatomista, de setenta y ocho años de edad, Albert Von Kölliker, para radiografiarle. Von Kölliker aceptó y, minutos más tarde, Roentgen mostró la placa en la que se podían ver los huesos del anciano. Este hecho provocó el estallido del auditorio en un tumultuoso aplauso.

Estas aclamaciones resonaron en el mundo estero. Además de ser un fenómeno espectacular, los principios fundamentales que lo gobernaban eran fácilmente comprensibles y sus aplicaciones saltaban a la vista. Sólo cuatro días después de haberse conocido en América el descubrimiento de Röentgen, se recurrió a los rayos X para localizar una bala alojada en una pierna. Muy pronto se exageraron las posibles utilizaciones, aparentemente ilimitadas, que se podían esperar de estos rayos. Su capacidad de desvelar lo que ocultaba una puerta cerrada e incluso el espesor de las ropas victorianas, despertó las primeras inquietudes sobre la violación de la intimidad a través de los aparatos científicos.

Pero, paralelamente a estas reacciones casi histéricas, se desarrolló una actividad más discreta en el mundo entero. En tan sólo un año, se publicaron cuarenta y ocho libros y más de mil artículos a propósito de los nuevos rayos X. Su enorme capacidad de penetración los convertía en un medio básico para explorar y redefinir la estructura de la materia.

Del mismo modo, terminaba definitivamente con la creencia, vigente desde hacia tiempo, de que el átomo era la última partícula inviolada e inviolable (la teoría atomista clásica). En definitiva, se habían desmoronado los cimientos sobre los que se había asentado la física de la época hasta esos momentos y comenzaba una nueva era.

El mundo científico británico mostró un gran interés por estas novedades que llegaban desde el ámbito alemán. Silvanus P. Thompson, que ocupaba la cátedra de física del Finsbury Technical College, escribió a un amigo lo siguiente:

" El mundo de los inventores parece ser presa de un doble delirio: la bicicleta y los rayos X. En cuanto a estos, confieso haberme dejado captar seriamente por el juego." La Universidad de Cambridge comprendió de forma inmediata el alcance del descubrimiento, y mientras publicaba sus observaciones, ampliaban considerablemente el número de experimentos. El 15 de enero de 1896, un neozelandés licenciado en física, Ernest Rutherford, en una carta a su prometida, explicaba la rapidez con qué reaccionaban los investigadores del laboratorio de Cavendish, sobre todo haciendo referencia a su profesor J. J. Thompson:

" He visto las fotografías que se han hecho hasta la fecha. Hay una excelente de una rana. Restituye los contornos y muestra muy claramente todo el esqueleto interno. Naturalmente, el profesor trata de encontrar la verdadera causa y naturaleza de las ondas, y el gran reto es descubrir la teoría antes que los demás, casi todos los sabios europeos se encuentran ahora en pie de guerra." Roentgen no sólo realizo un descubrimiento espectacular, sino que con él abrió todo un campo para la investigación. En todos los ambientes académicos y científicos este fenómeno se convirtió en el centro de atracción, como muestran los testimonios aludidos en las líneas anteriores. Pero, además de convertirse en el punto de partida de numerosos estudios, inmediatamente surgieron las aplicaciones biológicas y médicas que, desde entonces, no dejarán de desarrollarse.

El descubrimiento de los rayos X llevará al descubrimiento de la radioactividad en 1898, a cargo de los esposos Curie (Pierre y Marie) y H. Becquerel, hecho que les proporcionó el Premio Nobel de física en 1903. Estos fenómenos conducirán, en los años posteriores, al mundo del átomo y, en definitiva, a la energía nuclear. Se puede afirmar con toda seguridad que el 28 de Diciembre de 1895, con Roentgen, se inició la era atómica.

Este importante descubrimiento fue, por tanto, reconocido a nivel mundial. En diferentes naciones se fundaron instituciones que tomaron la denominación de Sociedades Röentgen. En 1896 recibió la medalla Rumford de la Royal Society de Inglaterra. En 1901 fue galardonado con el Premio Nobel de física. Este premio supondría el fruto de toda una vida dedicada a la investigación, que terminaría el 10 de noviembre de 1923 en Munich.

A pesar del descubrimiento de los rayos X lo que lo llevo a la cumbre en el mundo científico, proporcionándole incluso el Premio Nobel, Röentgen era ya un científico que gozaba de un gran prestigio. Siguiendo las palabras del físico alemán Arnold Sommerfeld:

Roentgen merecería figurar entre los grandes físicos del siglo XIX aunque no hubiese descubierto los rayos X.

INTRODUCCIÓN FÍSICA NUCLEAR

Estructura del átomo Los átomos están formados por dos zonas bien diferenciadas: una región central, el núcleo, y alrededor de ella otra región periférica o corteza, constituida por un cierto número de electrones.

El núcleo a su vez, está constituido por dos tipos de partículas elementales, llamadas protones y neutrones. Ambas partículas denominadas conjuntamente nucleones tienen aproximadamente la misma masa, siendo la del electrón 1836 veces menor que la del protón. Ambos, protón y electrón, tienen carga eléctrica de igual magnitud, positiva del protón, negativa del electrón, careciendo de ella el neutrón.

Normalmente los átomos se encuentran en estado eléctrico neutro, es decir, con el mismo número de electrones en la periferia que de protones en el núcleo. Dicho número de una u otra clase de partículas constituye el llamado número atómico Z, característico de cada elemento.

Los números atómicos de los elementos existentes en la naturaleza comprenden números enteros desde Z = 1 para el hidrógeno hasta Z = 92 para el uranio.

Las propiedades químicas de un elemento dependen de su número atómico Z, y de los electrones existentes en la capa más externa llamada capa de valencia. Los electrones de valencia entran a formar parte de los enlaces químicos de los elementos al formarse las moléculas.

Los elementos que forman la corteza giran alrededor del núcleo describiendo determinadas órbitas a las que se les designan con las letras K,L,M,N,O,P,Q, en orden de menor a mayor distancia. A cada órbita corresponde un cierto nivel energético: las más cercanas al núcleo poseen los niveles de energía más bajas.

La energía de ligadura de un electrón atómico es la energía necesaria para arrancarlo del átomo. Dado que los electrones se encuentran situados en órbitas de energía determinada, o niveles discretos, las energías requeridas para separarlos del átomo serán igualmente discretas y características de cada elemento químico.

Unidades de energía en física atómica La física atómica y nuclear para expresar la energía se utiliza una unidad especial: el electronvoltio (eV) y sus múltiplos de kiloelectronvoltio (1keV = 1000 eV) y el Megaelectronvoltio ( 1MeV = 1.000.000 eV).

Se define el electronvoltio como la energía cinética que posee un electrón, inicialmente en reposo, después de ser acelerado en el vacío por la diferencia de potencial de un voltio.

Equivale a : 1 eV= 1,6 x 10 -19 julios.

Ondas electromagnéticas Toda carga eléctrica en reposo produce en cada punto del espacio que la rodea, un campo eléctrico estacionario que disminuye al aumentar la distancia entre la carga y el punto considerado. A su vez, toda corriente eléctrica continua y constante, produce en cada punto del espacio un campo eléctrico y un campo magnético también estacionarios y cuya intensidad disminuye al aumentar la distancia.

En cambio, toda corriente eléctrica variable, o toda partícula cargada dotada de movimiento acelerado, producen en cada punto campos eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo y que se propagan a través del espacio en forma de movimiento ondulatorio. La propagación de estos campos constituye la onda electromagnética. Toda onda electromagnética supone una propagación de energía a través del espacio y por tanto una transmisión de energía desde el sistema que la produce hasta el sistema que la recibe. Un caso particular lo constituyen las ondas electromagnéticas, las cuales suponen la transmisión de energía desde la antena transmisora hasta las antenas receptoras. Así mismo las ondas o rayos luminosos suponen también una transferencia de energía desde los átomos o moléculas que los producen hasta las superficies que los reflejan o absorben, así como hasta los ojos que las reciben o hasta las placas fotográficas que se impresionan.

La velocidad y propagación en el vacío de las ondas electromagnéticas se la designa por el símbolo c y vale aproximadamente:

c= 3c 10 8 m/s Las ondas electromagnéticas, como ocurre en general con cualquier onda, están caracterizadas por su frecuencia, n y su longitud de onda, l. La frecuencia representa el número de oscilaciones que efectúa el campo electromagnético por segundo y se expresa en Hercios (Hz). La longitud de onda representa la distancia más corta, que separa a dos puntos de la onda que se encuentren en la misma fase o estado de oscilación, se mide en unidades de longitud (metros, múltiplos o submúltiplos).

Entre la frecuencia, la longitud de onda y la velocidad, existe la relación: c = ln Si estas ondas se propagan en el vacío: V = C = 3 x 108 m/s Cuando una onda electromagnética se transmite a través de un medio material se dice que éste es transparente para dicha onda: un medio determinado puede ser transparente para unas ondas y opaco para otras. Así los tejidos blandos del cuerpo son opacos para la luz visible y relativamente transparentes para los rayos X.

La velocidad de una onda electromagnética en un medio material transparente es menor que la velocidad en el vacío y viene dada por V=c/n donde n es el índice de refracción del medio considerado para la onda en cuestión. Para el vacío n =1 Las ondas electromagnéticas están constituidas por pequeños paquetes de ondas, llamadas fotones o cuanta de radiación. Cada fotón tiene dimensiones limitadas que no cambian al propagarse por el vacío.

Cada fotón posee una determinada cantidad de energía que es proporcional a la frecuencia de su onda y viene dada por:

E=nv=hc/??

siendo:

n = frecuencia del fotón (hercios)

l = longitud de onda (metros)

c = velocidad de la luz (m/s)

h es una constante física fundamental, llamada constante de Planck cuyo valor es, en el sistema internacional de unidades.

h = 6, 62 x 10-34 julios segundo. El conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas constituyen un espectro continuo de una amplitud extraordinaria y que se extiende desde las ondas electromagnéticas largas hasta los rayos gamma más energéticos. La luz visible con toda su variedad de colores, constituye una porción muy reducida del espectro y se extiende desde el orden de 7 x 10-7 (luz roja)

hasta 4 x 10-7 m (luz violeta). Cada uno de los fotones de luz visible tienen una energía del orden del electronvoltio, mayor que los de luz infrarroja, menor que los de luz ultravioleta y mucho menor que los de rayos X o rayos gamma.

Excitación e ionización Las órbitas descritas por los electrones de un átomo cualquiera se distribuyen en capas, correspondiendo a cada órbita un nivel energético determinado. Los electrones de cualquier átomo ocupan normalmente las órbitas más cercanas al núcleo, a las que corresponden los niveles de menor energía, pero pueden ser desplazados temporalmente a órbitas más lejanas y ser expulsados del átomo. Cuando un átomo absorbe energía, y esta es mayor que la de ligadura de alguno de sus electrones corticales se produce un fenómeno llamado ionización, donde el átomo se escinde en un electrón y en un ion positivo.

La excitación de un átomo se produce al absorberse en la corteza una energía capaz de producir el desplazamiento de electrones desde sus órbitas estables a otras más elevadas. Esto puede realizarse, por ejemplo, bombardeando los átomos de un gas mediante un haz de electrones libres previamente acelerados. Si estos electrones no poseen energía suficiente para provocar alguna transición de los electrones atómicos a niveles de mayor energía, tendrán lugar los llamados choques elásticos entre unos y otros. En estas colisiones se conserva la energía cinética o de movimiento.

En cambio, por el impacto de electrones incidentes de mayor energía, los electrones orbitales pueden absorber la necesaria para saltar a un nivel superior, disminuyendo en la misma cantidad la energía cinética del electrón incidente. Ha tenido lugar, entonces, un llamado choque inelástico, en el que el electrón incidente pierde parte de su energía cinética. Se dice entonces que el átomo se halla en un nivel excitado.

Los átomos excitados tienden a desexcitarse espontáneamente, porque los niveles de menor energía de cualquier sistema son más estables. Por consiguiente, los electrones que han sido desplazados de sus niveles normales vuelven a ellos en un tiempo muy corto liberando su exceso de energía mediante la emisión de un fotón, cuya frecuencia, si el salto se produce entre los niveles de energía E2 y E1, vendrá dada por la expresión:

V= (E2 -E1 )/h Siendo h la constante de Planck Cuando a un átomo se le ha arrancado algún electrón de una capa profunda, queda un hueco llamado vacante que tiende a rellenarse en un tiempo muy corto con electrones de capas más periféricas. Esta reordenación de la corteza atómica supone la emisión de energía en forma de fotones (rayos X característicos) cuya energía dependerá de los niveles de partida y de llegada del electrón y del número atómico del átomo, parámetro del que depende la energía de los distintos niveles. A medida que aumenta Z, las energías de las transiciones son mayores.

Interacción de electrones y fotones con la materia Tipos de colisión Cuando las partículas cargadas interaccionan con la materia, se produce una serie de efectos que son función del tipo de partícula, de su energía y de ciertas características del medio con el que interaccionan (estado físico, composición, etc.).

Las partículas cargadas pierden su energía fundamentalmente al colisionar con la materia en uno de los siguientes procesos:

a.- Colisión elástica.- la partícula choca con los átomos del medio desviándose de su trayectoria y cediendo una cierta cantidad de energía en forma de energía cinética. No se produce alteración atómica ni nuclear en el medio.

b.- Colisión inelástica.- la partícula choca con los átomos del medio modificando la estructura electrónica de los mismos produciendo excitación (desplazamiento de electrones a niveles energéticos más externos), ionización (arrancando electrones del átomo), y disociación (rotura de enlaces químicos).

c.- Colisión radiativa.- la partícula cargada se frena y desvía de su trayectoria en su interacción eléctrica con los núcleos del medio, y como resultado se emiten ondas electromagnéticas. Este es el fundamento de la producción de rayos X, al frenar un haz de electrones en su colisión con un absorbente.

La interacción de las partículas cargadas con la materia dependen de su carga, masa y energía, y del número atómico del medio absorbente. En general por ser muy distinto comportamiento en su pérdida de energía, las partículas se clasifican en pesadas (protones, partículas alfa) y ligeras (electrones).

Poder de frenado y alcance El poder de frenado S(E) se define en un medio, para una partícula determinada con una cierta energía, como la pérdida de energía por unidad de longitud de recorrido. Se expresa por ejemplo en KeV/cm.

El alcance de una partícula en un medio se define como la longitud total de penetración de la partícula en el material supuesto del recorrido rectilíneo.

Interacción de electrones con la materia Los electrones experimentan con la materia colisiones elásticas, inelásticas y radiativas.

Debido a la pequeña masa de estas partículas, las desviaciones que experimentan en sus interacciones son importantes; el recorrido ya no es casi rectilíneo como ocurre en el caso de partículas pesadas y así su alcance o penetración en un material es menor que el recorrido total del electrón. La pérdida de energía total se realiza fundamentalmente por dos vías: produciendo ionización (colisiones inelásticas) y emitiendo fotones (colisiones radiativas). La pérdida de energía por radiación es tanto más importante cuanto mayor es la energía de los electrones, y más elevado sea el número atómico del absorbente.

Existe una expresión, (tanto más válida cuanto mayor es la energía de las partículas) que relaciona ambas pérdidas energéticas de forma muy simple. Llamando Pr y Pi a las pérdidas de energía por radiación e ionización se verifica aproximadamente:

Pr/Pi ZE/800 Donde Z es el número atómico del medio y E la energía de la partícula expresada en MeV.

La radiación de frenado se denomina a veces, según su expresión en alemán, Bremsstrahlung y se emite en forma de fotones de espectro continuo cuya energía se extiende desde cero hasta una energía máxima que coincide con la energía cinética de la partícula cargada que interacciona.

Los fotones emitidos viajarán por el material depositando su energía en zonas más o menos distantes del punto de interacción o incluso escapando del material sin interacción.

Por ello, es importante destacar que, debido a la fracción de pérdida de energía por radiación, no toda la energía perdida por el electrón será absorbida localmente en el elemento de masa donde se produzca la interacción. En general E (pérdida o transferida) > E (localmente absorbida)

A la energía localmente absorbida por unidad de recorrido se le llama también transferencia lineal de energía o LET (linear energy transfer).

Espectro de los rayos X En los espectros emitidos por tubos de rayos X se distinguen dos componentes llamados radiación característica y radiación de frenado.

Radiación característica Se produce como consecuencia de creación de vacantes en capas profundas de la corteza atómica. El relleno de estas vacantes por electrones de capas más externas supone la emisión de la energía, o uno de sus electrones. Dicha emisión tiene lugar en forma de fotones, llamados rayos X característicos, en atención a que sus energías presentan valores definidos (esto es, espectro discreto) y propios de cada elemento químico.

Radiación de frenado Se produce cuando una partícula cargada que se mueve con movimiento uniforme y rectilíneo pasa por las proximidades de un núcleo atómico en cuyas condiciones la trayectoria se curva , para el caso de un electrón.

En estas condiciones, la partícula pierde energía en forma de espectro continuo que se extiende desde cero (paso de la partícula a una distancia muy grande del núcleo) a una energía igual a la de la partícula (colisión centrada de la partícula en el núcleo).

La intensidad de la onda electromagnética emitida resulta ser proporcional al cuadrado de la carga de la partícula y al cuadrado de la carga del núcleo con el que interacciona e inversamente proporcional a la masa de la partícula incidente.

El ejemplo citado explica la generación del espectro continuo de rayos X, al decelerarse un haz de electrones emitidos por un electrodo negativo cátodo bajo la acción de una diferencia de potencial eléctrico de valor adecuado. La radiación de frenado se origina al colisionar dicho haz con el electrodo de polaridad positiva o ánodo.

El espectro de la radiación de frenado presenta distinta forma según esté producido por electrones de baja energía (caso de los tubos convencionales de rayos X) o de alta energía (caso de los betatrones y aceleradores lineales) así como según sea la importancia de la autoabsorción y/o filtrado de la radiación generada.

Forma de espectro de la radiación emitida por los tubos de rayos X En el espectro emitido por un tubo de rayos X, el espectro de frenado es continuo, con una energía máxima dependiente del kilovoltaje aplicado, y con una forma que depende de la forma de onda del kilovoltaje, de la naturaleza del ánodo y del espesor filtrante total interpuesto.

Cuando la energía de los electrones es suficiente para que, en su interacción con el material del anticátodo se produzcan vacantes en capas electrónicas profundas, se generan además rayos X característicos del material, de espectro discreto. En el wolframio, material que se usa en la mayoría de los tubos de rayos X de diagnóstico (excepto en mamografía, que es molibdeno), la tensión aceleradora necesaria es de 70 kV.

Los rayos X característicos aparecen cabalgando sobre el espectro continuo de Bremsstrahlung. Por lo dicho anteriormente, en un tubo con ánodo de wolframio, por debajo de 70 kV será posible el espectro continuo, pero no en el discreto, pues no se habrán producido vacantes en la capa K del wolframio.

Interacción de los fotones con la materia La interacción de fotones con la materia tiene un gran interés bajo dos puntos de vista, uno macroscopico, referido a los métodos de atenuación de un haz con objeto de limitar el flujo de fotones en las distintas zonas de una instalación a efectos de alcanzar niveles adecuados de radioprotección, y otro macroscopico, a fin de estudiar los procesos elementales de generación de fotones y su probabilidad en función del número atómico del absorbente y de la energía de la radiación en sus intervalos de interés (obtención de imágenes, radiología, etc.)

Los fotones al interaccionar con la materia pueden experimentar absorción (desaparición de fotones del haz) o dispersión (disminución de energía y cambios de trayectoria de fotones del haz). A la combinación de procesos de absorción y dispersión se denomina atenuación.

Atenuación de fotones Si un haz monoenergético de fotones cuyo flujo es j fotones/cm2. s incide perpendicularmente sobre un material de espesor x se producirá una atenuación progresiva a medida que el espesor interpuesto vaya aumentando, de suerte que el flujo primario emergente viene dado por la expresión

j = j 0 e -???

donde

m es un parámetro llamado coeficiente de atenuación lineal.

x es el espesor del absorbente.

La forma de la expresión indica que un haz monoenergético de radiación sufre atenuación exponencial al atravesar un absorbente.

Hay que tener en cuenta que la validez de este enunciado requiere:

a.- Fotones monoenergéticos b.- Haz colimado (fotones de trayectorias paralelas).

c.- Espesor de absorbente delgado Debido a la ley de atenuación exponencial, los fotones carecen de alcance definido. Sería necesario un valor infinito de x para que j fuera igual a cero, no obstante se puede hablar de recorrido libre medio, que es la inversa del coeficiente de atenuación lineal y representa el promedio del recorrido de los fotones en el material antes de interaccionar.

Para los fotones de un tubo de rayos X, la expresión anterior es inadecuada, pues los fenómenos que motivan la atenuación tienen diferentes probabilidades para fotones de distintas energías, ya que los fotones muy energéticos son muy penetrantes, mientras que los pocos energéticos son fácilmente absorbidos, en comparación con los primeros.

Coeficiente de atenuación lineal y másico El coeficiente de atenuación lineal, m que aparece en la anterior expresión representa la probabilidad por unidad de recorrido, de que un fotón sufra atenuación en el medio absorbente.

El coeficiente de atenuación lineal es función de la energía de los fotones y del número atómico efectivo del absorbente. Este coeficiente se suele expresar en cm-1 y en este caso el espesor x, en el exponente de la expresión debe expresarse en cm.

En muchas ocasiones es más útil que el espesor lineal de un absorbente x, el llamado espesor másico expresado en g/cm2, y que se define como:

X masico = X (cm),p (g/cm3)

donde p representa la densidad del material en cuestión En los problemas de atenuación en los que el espesor de absorbente se expresa en forma másica, se debe utilizar el llamado coeficiente de atenuación másico mm.

mm. =??p El coeficiente de atenuación másico se expresa en cm2/g.

El coeficiente de atenuación lineal es función de la energía de los fotones, y del número atómico y del estado de agregación del absorbente (no produce por ejemplo la misma atenuación el agua en forma líquida que el vapor de agua).

Para fotones monoenergéticos se llama expresión de semirreduccción al grosor de absorbente que reduce el flujo de un haz de radiación a la mitad. Se demuestra que el espesor de semirreducción X1/2 vale:

X1/2 = 0.693/ m Igualmente se define el espesor decimorreductor como el espesor de absorbente que reduce el flujo del haz emergente a la décima parte del flujo incidente.

Estas definiciones no son válidas para rayos X por el carácter inhomogéneo del espectro, por lo que en este caso se definen los espesores semirreductores o decimorreductores, como los respectivos espesores de absorbente que reducen la tasa de exposición del haz emergente a la mitad o décima parte de la tasa del haz incidente.

Calidad y cantidad de un haz de rayos X La calidad de un haz de rayos X es un concepto que se refiere a la distribución energética de los fotones, o sea la forma de su espectro. Por otra parte la cantidad alude al número de fotones por unidad de tiempo emitidas por el tubo.

Para comparar haces de radiación y espesores en forma numérica un parámetro que exprese la calidad (íntimamente unidad al poder de penetración) para una energía dada, se utiliza el llamado coeficiente de heterogeneidad. Cuando un haz de rayos X incide sobre un absorbente a medida que aumenta su espesor el haz emergente se endurece, debido a que sufre mayor atenuación la zona de baja energía que la de alta. Por esta razón el haz emergente de una capa hemirreductora requiere otra de mayor espesor que la primera para alcanzar una disminución a su valor mitad de la tasa de exposición.

Para cuantificar este efecto se define el llamado coeficiente de heterogeneidad como el cociente entre la primera y segunda capa hemirreductora.

H = 1ª CHR/2ªCHR cuyo valor es igual a la unidad para fotones monoenergéticos.

En el caso de los rayos X, por el contrario, H es menor que la unidad, tanto menor cuanto más inhomogénea sea la radiación, ya que se compondrán de fotones de muy diferentes energías.

Procesos de interacción de los fotones con la materia Los principales procesos que contribuyen a la atenuación de un haz de fotones de rayos X de baja energía, son el efecto fotoeléctrico y el efecto Compton.

Efecto fotoeléctrico En el efecto fotoeléctrico, un fotón interacciona con el átomo invirtiendo toda su energía al arrancar un electrón y comunicarle energía cinética. Es importante destacar que el fotón interacciona con todo el átomo, aunque el resultado sea la expulsión de un único electrón (de ahí la gran influencia del número atómico Z en este tipo de procesos).

La interacción fotoeléctrica supone la máxima contribución al coeficiente de atenuación para bajas energías (inferiores a 50 keV para el aluminio y a 500 keV para el plomo).

El coeficiente de absorción lineal fotoeléctrico disminuye aproximadamente con la inversa del cubo de la energía de los fotones, en el intervalo energético de los rayos X de radiodiagnóstico (20-150 keV).

El coeficiente de absorción lineal fotoeléctrico crece aproximadamente con el cubo del número atómico.

Efecto Compton Se trata de una interacción que se produce mayoritariamente entre fotones y electrones atómicos poco ligados, tales como los electrones situados en las capas más externas del átomo.

La interacción Compton produce un fotón dispersado, de menor energía que el incidente y un electrón con energía cinética prácticamente igual a la diferencia de energía entre ambos fotones.

Los fotones dispersados en este proceso forman un espectro continuo que se extiende desde energía nula, a cierta energía inferior a la del fotón incidente.

El coeficiente lineal de dispersión Compton varía proporcionalmente con la densidad del medio y disminuye aproximadamente con el inverso de la energía de los fotones primarios.

La formación de la imagen radiológica desde el punto de vista de la interacción. El número atómico efectivo Generalmente, los materiales con los que interaccionan los fotones están formados por varios elementos químicos por lo cual es conveniente definir un número atómico efectivo que permita tratar globalmente el material a efectos comparativos con otros absorbentes puros.

El número atómico efectivo juega en mezclas o combinaciones químicas el mismo papel que el número atómico de un elemento químico puro. Resulta así una mayor atenuación de fotones en tejido óseo (contiene calcio, Z=20) que en agua o tejido muscular (Z= 7). De ahí el mayor contraste radiográfico de los huesos respecto al resto de los tejidos blandos.

En ciertos estudios radiológicos, por ejemplo en aparato digestivo, interesa la identificación del tejido estudiado frente a otros tejidos blandos que los rodean. Para conseguir este propósito se utilizan medios de contraste que por ser número atómico alto permiten lograr la diferenciación de densidades. La misma razón explica la utilización de compuesto de Iodo como contraste en urografía o aire en radiografía torácica.

Cuando el propósito no es atenuar radiación, sino filtrarla, se eligen materiales de Z relativamente bajo, como aluminio.

Condiciones de formación de la imagen radiológica En el intervalo de energía máxima de los fotones de rayos X utilizados en Radiodiagnóstico, de 20 a 150 keV, los procesos de alteración con materiales biológicos son los efectos fotoeléctrico y de Compton. El primero de ellos representa la absorción total de la energía del fotón,

mientras que en la interacción Compton aparece un fotón dispersado de energía menor o próxima a la del fotón incidente por lo que sólo se produce un depósito parcial de la energía del mismo.

La imagen radiológica se forma con el haz de fotones transmitido por el paciente que alcanza el sistema de registro de imagen. Estos fotones pueden ser, bien los fotones primarios que han pasado a través del paciente sin interaccionar, o bien los fotones dispersados originados en los procesos de interacción Compton en el paciente. Los fotones primarios son los que transportan la información útil, ya que su intensidad en cada parte del haz transmitido depende de las diferencias de absorción de los fotones incidentes en los tejidos atravesados.

Desde el punto de vista de la formación de la imagen radiológica, el efecto fotoeléctrico produce imágenes de excelente calidad por dos razones: en primer lugar porque no origina radiación dispersa y en segundo lugar porque aumenta el contraste natural entre los distintos tejidos. El contraste en la imagen se debe a que algunos tejidos absorben mayor número de fotones que otros y, por tanto, aumentan cuando las diferencias de absorción en los tejidos adyacentes es grande.

Debido a que las diferencias de absorción por efecto fotoeléctrico dependen de la tercera potencia del número atómico, pequeñas diferencias en la composición química de dos tejidos origina importantes diferencias de absorción. Por otra parte, la probabilidad de que un fotón sea absorbido por efecto fotoeléctrico disminuye rápidamente cuando aumenta la energía de los fotones y en consecuencia el contraste disminuye al aumentar la tensión aplicada al tubo.

Para obtener suficiente contraste, por ejemplo entre la grasa y el músculo o un parénquima glandular, es necesario usar tensiones bajas ( de 25 a 30 kV en mamografía).

Desde el punto de vista de la dosis que recibe el paciente el efecto fotoeléctrico no es deseable puesto que toda la energía de los fotones incidentes es absorbida por las zonas irradiadas del paciente.

Los fotones dispersados son originados mayoritariamente en la interacción Compton y su intensidad aumenta al crecer la energía media del haz y el volumen irradiado. El coeficiente de atenuación lineal por efecto Compton es proporcional al Z, y por tanto la dispersión Compton produce, menos contraste entre tejidos con distinto número atómico efectivo, que el efecto fotoeléctrico. Además los fotones dispersados en este proceso pueden ser emitidos en cualquier dirección, dando lugar a un velo uniforme sobre la imagen que deteriora su contraste.

La energía depositada en el tejido biológico cuando los fotones interaccionan por efecto Compton, es una pequeña fracción de la energía del fotón incidente y por tanto el paciente recibe una dosis mucho menor que el caso de la interacción fotoeléctrica.

En ocasiones, para conseguir que en una misma película se formen imágenes correctas de dos regiones con opacidad radiológica muy distinta, hay que reducir el contraste de la imagen. Esto puede conseguirse utilizando tensiones elevadas o películas cuya densidad óptica varíe más lentamente en función de la exposición. Según el tipo de examen, puede ser preferible detectar en la imagen un gran número de detalles (gran latitud) con poco contraste, o un número menor de detalles con un contraste mayor.

En resumen las interacciones por efecto fotoeléctrico son deseables desde el punto de vista de la calidad de la imagen porque proporciona un alto contraste sin producción de radiación dispersa, pero desafortunadamente la dosis impartida al paciente, localmente, es más alta que cuando se produce la interacción Compton. En consecuencia la elección del kilovoltaje adecuado para la obtención de una imagen radiológica ha de ser un compromiso entre los requerimientos de baja dosis y alto contraste.

Independientemente de la formación de la imagen, hay que tener presente que los fotones dispersados dan lugar a un cierto valor de radiación dispersa en la sala, que es necesario evaluar de cara a la protección radiológica del profesional que opera los equipos.

A todo lo expuesto cabe añadir que de acuerdo con la normativa vigente de optimización de dosis al paciente en Radiodiagnóstico se recomienda la utilización genérica de alto kilovoltaje, donde al predominar la interacción Compton, aunque nosotros no estamos de acuerdo en este criterio de forma generalizada. Los cambios que se observan en la atenuación de fotones se debe únicamente a variaciones de densidad, por lo que el contraste en relación al kilovoltaje óptimo es comparativamente peor.

MAGNITUDES Y UNIDADES RADIOLÓGICAS

Introducción La necesidad de establecer normas de protección contra los efectos biológicos perjudiciales de las radiaciones ionizantes, se hizo patente a los pocos meses del descubrimiento de los rayos X por Röentgen en 1895, y al comienzo del trabajo con elementos radiactivos en 1896.

Como consecuencia del trabajo con radiaciones ionizantes, algunos operadores en este campo comenzaron a manifestar efectos nocivos. El análisis de síntomas patológicos de un conjunto de radiólogos, permitió establecer en 1922 que la incidencia de cáncer en este grupo de trabajo, era significativamente más alta respecto a otros médicos, circunstancia que demostró la peligrosidad de las radiaciones ionizantes y la necesidad de establecer normas específicas de radioprotección, lo que supuso la introducción de magnitudes radiológicas, así como sus correspondientes unidades.

Las magnitudes radiológicas cuantifican los efectos biológicos producidos por las radiaciones, por lo cual es necesario conocer periódicamente sus valores para asegurar que las condiciones de trabajo son suficientemente seguras, y el trabajador se mantiene por debajo de ciertos límites de estas magnitudes.

Es sin embargo necesario definir magnitudes radiológicas preventivas, que adviertan al trabajador del posible riesgo de operación en una determinada zona. Esta misión la cumplen las tasas de las magnitudes radiológicas, definidas como el valor de la propia magnitud por unidad de tiempo.

Exposición X Se define esta magnitud como el cociente:

X=dQ/dm donde dQ es el valor absoluto de la carga total de todos los iones de un mismo signo producidos en el aire, cuando todos los electrones liberados por los fotones absorbidos en la masa dm han sido detenidos completamente en el aire.

Las vicisitudes e inconvenientes de esta magnitud, que tuvo una vida dilatada, provienen en gran parte de como ocurrió en otras magnitudes antiguas, se definió antes la unidad que la magnitud.

La definición de la exposición implica una serie de restricciones y dificultades:

a.- Es una magnitud definida exclusivamente para un haz o campo de fotones (radiación X o gamma) en un periodo específico, el aire.

b.- El efecto medido es la ionización del aire, cuando la magnitud de importancia radiológica es la energía absorbida.

c.- Con las técnicas actualmente en uso, es difícil medir la exposición para energías inferiores a unos pocos keV por encima de unos pocos MeV.

La unidad especial de magnitud es el Rengüenio definida, como la exposición producida por un haz de radiación X o gamma, que absorbida en 1 cm3 de aire seco y en condiciones normales (temperatura 0º y presión 760 mmHg) produce por ionización la liberación de una unidad electrostática de carga de ambos signos.

La unidad en el SI de exposición es el culombio/kg, y carece de nombre especial, circunstancia debida a que la magnitud dejará de usarse en breve ante las dificultades que presenta.

Las equivalencias entre ambas unidades son: 1R = 2.58 x 10-4 C/kg 1 C/kg = 3876 R Se define además la tasa de exposición como: X=Dx/dt donde dx es el incremento de exposición durante el intervalo de tiempo dt. La tasa de exposición se expresa en R/s o C/kg.s Las unidades de tiempo día (d) hora (h) y minuto (min) pueden usarse en el SI. Kerma El nombre de esta magnitud radiológica, acronimo de la definición breve inglesa (Kinetic Energy Released for Unit Mass), se define como el cociente:

K= dEtr/dt donde dEtr es igual a la suma de todas las energías cinéticas iniciales de todas las partículas ionizantes cargadas, en una material de masa dm La unidad SI de Kerma es el julio/kg cuyo nombre es el Gray (Gy)

1Gy = 1 J/kg La unidad especial de kerma es el Rad, cuya relación con la unidad SI es 1 Rad = 10-2 J/kg = 1 cGy El kerma es una magnitud característica de un campo de partículas no cargadas (neutrones y fotones). Se ha recomendado sustituir la exposición, magnitud tradicional, pero con defectos intrínsecos graves, por el Kerma en aire.

Se define la tasa de Kerma, K, como el cociente dK/dt, donde dk es el incremento de Kerma en el intervalo de tiempo dt.

La unidad especial de tasa de kerma es el Rad/s y la SI el Gy/s. La relación entre ambas se expresa en la forma siguiente 1 Rad/s = 10-2 J/Kg.s = 10 mGys Dosis absorbida Se define esta magnitud como el cociente:

D= dE/dm donde dE es el valor medio de la energía cedida por la radiación absorbida por una cantidad de masa dm. Las unidades SI y especial de dosis absorbida, Gray y Rad, y las correspondientes tasas de magnitud, ya han sido definidas al hablar de Kerma.

La dosis absorbida es la magnitud de dosimetría de más interés, resulta válida para cualquier tipo de radiación y requiere la especificación del material en el que se produce la interacción.

A fin de concretar lo más posible la naturaleza de las magnitudes definidas se va a examinar seguidamente la relación existente entre el Kerma y la dosis absorbida.

Si se considera una pequeña cantidad de materia aislada sobre la que incide la irradiación gamma, la suma de energías cinéticas de todas las partículas cargadas liberada componen el Kerma, pero tan sólo una fracción de esta energía quedará absorbida en la masa de referencia, la dosis absorbida. En estas condiciones el Kerma será siempre mayor que la dosis.

En cambio, si la muestra de masa elegida está rodeada de una gran cantidad de masa de idéntica naturaleza, la energía que escapa del elemento de masa dm, puede venir compensada por otras partículas que procedentes de la materia circunvecina penetran en dm. Si se produce esta circunstancia (equilibrio electrónico) y es despreciable la producción de Bremsstrahlung, el Kerma y la dosis absorbida son iguales.

Como en casos anteriores se define la tasa de dosis absorbida D, como el cociente dD/dt, donde dD es el incremento de dosis absorbida durante el intervalo de tiempo dt:

D=dD/dt y se expresa en Gy/s, Gy/min o Gy/h.

Dosis equivalente Según se ha podido comprobar en estudios sobre efectos biológicos de la radiación, la dosis absorbida en un tejido orgánico no determina completamente el efecto biológico resultante, intervienen otros factores tales como naturaleza de la radiación, energía y espectro de la radiación, tipo de efecto biológico, etc.

Por esta razón los radiobiólogos han dirigido sus esfuerzos en la definición de una nueva magnitud, que pudiera tomar en cuenta la pluralidad de efectos indicada. Tal magnitud es la dosis equivalente H, definida como:

H= D.Q donde Q es el factor de calidad promediado que depende de la transferencia lineal de energía. Para la radiación electromagnética, Q = 1 Al ser adimensional, el factor de calidad, Q, la dosis equivalente se mide en el SI en j/kg, unidad a la que se le denomina Sievert (Sv). Por otra parte se usa aún una unidad especial, el rem, cuya equivalencia es 1 rem = 10-2 J/kg = 10 cSv 1 Sv = 100 rem La tasa de dosis equivalente, H, se define como el cociente dH/dt, donde dH es el incremento de dosis equivalente en el intervalo temporal dt. Las unidades suelen ser Sv/h o rem/h Dosis efectiva Esta magnitud representa la media ponderada de las dosis equivalentes recibidas en distintos órganos y viene dada por la expresión He = S Wi Hi

Donde Wi es el factor de ponderación para el órgano y, que representa la proporción de riesgo estocástico resultante de la irradiación del tejido y, respecto al riesgo total cuando la totalidad del organismo es irradiado uniformemente, y Hi es la dosis equivalente recibida por el tejido i. tabla Los valores de los factores de ponderación se agrupan en la siguiente

Relaciones entre magnitudes radiológicas Relación Exposición-Dosis absorbida El paso de exposición en aire a valores de dosis absorbidas en determinados materiales, especialmente tejidos biológicos se hace, a través del factor f, según la relación D= f.X El factor f en función de la energía, para tejidos biológicos típicos. Para el agua, aire y tejido blando f = 1 lo que significa que, aproximadamente, una expresión de 1 R equivale a una dosis absorbida de 1 Rad.

Cuando se pretende estimar la dosis a la entrada de los pacientes a partir de la medida de la exposición, debe tomarse también en consideración el factor de retrodispersión que tiene en cuenta el exceso de dosis que se produce como consecuencia de los fotones retrodispersados (dispersión en ángulo próximo a 180º respecto a la dirección del fotón primario) por el tejido. Este factor puede valer entre 1.10 y 1.50 dependiendo de la energía de los fotones y del tamaño del campo irradiado.

Aspectos generales referidos a todas las magnitudes Todas las magnitudes radiológicas anteriores (exposición, Kerma, dosis absorbida, y dosis equivalente) se definen para cada uno del material irradiado.

Si se asigna un determinado valor de dosis a un órgano o tejido, debe entenderse que se trata del valor promedio de la dosis en todo su volumen.

Dosis superficial y dosis profunda Teniendo en cuenta que los rayos X de radiodiagnóstico tienen energías relativamente bajas, el efecto principal de absorción en tejido blando se realiza en capas vecinas a la piel, por lo que las zonas más profundas se afectan mucho menos. Por esta razón en radioprotección, la dosis se diferencia entre dosis superficial o dosis piel y dosis profunda. El factor de retrodispersión Al sufrir irradiación de rayos X un tejido biológico, la dosis recibida procede en parte de la acción directa de la radiación y de otra, de fotones retodispersados en tejidos más profundos que el considerado. Por ello, la dosis músculo a la entrada (DME) (o dosis entrada), se define según:

DME (cGy o Rad) = 0.869.X (R).fr

donde X representa la exposición en Renguenios medida a la entrada del haz en el tejido y fr el factor de retrodispersión, que es función de la filtración, del kVp y del tamaño del campo, y varía entre 1.2 y 1.45.

Es interesante destacar que se puede determinar la dosis en cada órgano concreto a partir de la dosis a la entrada y de los factores de retrodispersión y de conversión de exposición a dosis en ese tejido, así como la profundidad a la que se encuentran los tejidos que componen el órgano.

Dosis a la entrada y dosis en órganos Se llama dosis a la entrada a la que se mediría con un dosímetro situado en la zona de la superficie de la piel de un paciente sobre la que incide el haz de radiación.

Se llama dosis en órgano a la dosis promedio de las recibidas en los diferentes elementos de volumen que componen ese órgano.

En ciertas exploraciones de radiodiagnóstico, como por ejemplo urografía o tránsito esófago-gastroduodenal, no es posible controlar de forma directa la dosis a la entrada ni estimar por tanto, la dosis equivalente

efectiva, debido a que el campo de radiación está continuamente cambiando tanto en dimensión como en localización.

En estos casos, se utilizan unos detectores especiales (cámaras de ionización equivalentes a aire libre) que colocados justamente en el cabezal del tubo de rayos X y sin influir en su utilización, permiten dar información del producto dosis por área, de forma que sus lecturas vienen dadas en Gy.cm2 o mGy.cm2.

Con estas lecturas y conociendo las dimensiones del campo de radiación y las distancias desde el foco a la cámara y de ésta a la superficie de la piel del paciente, se puede tener la misma información de dosis a la entrada y por tanto, la dosis en cada órgano o tejido concreto en esa exposición.

Dosis integral Dado que la dosis absorbida se define como la energía depositada en un elemento de masa, la energía total impartida por la radiación al interaccionar con un material, se podrá calcular como la suma de los productos de las dosis en cada elemento de masa por los valores de esos elementos de masas. Esta magnitud recibe el nombre de dosis integral (o integrada).

Si la dosis es constante en todo el material, la dosis integrada es el producto de la dosis por la masa irradiada. La dosis integral, o energía impartida, se mide en julios (J).

Características de equipos y haces de rayos X

Introducción Los rayos X así como los dispositivos para su generación y utilización siguen siendo, un siglo después de su descubrimiento, una herramienta fundamental de radiodiagnóstico. El mejor conocimiento actual de este tipo de radiación persigue alcanzar dos objetivos: obtención de imágenes de calidad óptima y minimizar razonablemente la dosis recibida por el paciente. El método habitual para realizar una radiografía consiste en situar una fuente de rayos X a un lado de la zona anatómica y radiografiar, y al otro un detector adecuado, en este caso una película radiográfica, contenida en un chasis apropiado con una cara frontal suficientemente fina, para permitir fácilmente el paso de la radiación.

En estas condiciones se activa la generación de rayos X durante una fracción de tiempo apropiada, y como los rayos X se propagan en línea recta, se forma en la película una imagen de la zona radiografiada, semejante a las imágenes de sombras que se producen con luz visible que incide sobre un objeto que presenta variaciones de transparencia.

Seguidamente la película impresionada se procesa, esto es, se revela, fija, lava y seca. La radiografía obtenida presenta ya una imagen física, donde las diferencias de intensidad de radiación que recibió la película durante su exposición se transforma en niveles de ennegrecimiento.

Cuando se coloca la radiografía sobre una pantalla iluminada (negatoscopio), la imagen puede ser observada y sus detalles relacionados con estructuras normales o alteraciones patológicas.

Las condiciones de alta calidad de la cadena radiográfica son:

Imagen nítida En las que las zonas de separación en los distintos detalles de imagen, quedan definidas por cambios bruscos de grado de ennegrecimiento.

Contraste adecuado Ofrece una amplia gama de grises entre el blanco y el negro Capacidad de generación de haces de rayos X Con una amplia gama de calidad, adaptadas a la radiografía de estructuras anatómicas diversas.

Posibilidad de tiempos de exposición muy cortos Que eviten en la radiografía la penumbra cinética (órganos en movimiento).

Capacidad de efectuar disparos repetidos A cadencia suficientemente alta, para obtener series rápidas de imágenes.

Capacidad de disipar temperaturas muy elevadas Elementos básicos de un tubo de rayos X Un tubo de rayos X es un dispositivo relativamente simple que consta de una ampolla de vidrio en donde existe un vacío muy elevado y en el que alberga dos electrodos, uno de polaridad negativa o cátodo, que tiene forma de filamento, análogo al de una lámpara incandescente, y el otro de polaridad positiva, ánodo o anticátodo, entre los cuales existe una diferencia de potencial del orden de Kv. Al ponerse incandescente el filamento bajo la acción de una fuente de tensión auxiliar, se emiten electrones que acelerados por el campo eléctrico, impactan sobre el ánodo invirtiendo parcialmente su energía en rayos X.

La zona de impacto del ánodo o anticátodo, donde se frenan los electrones y se emiten los rayos X, se llama foco.

El vacío es extraordinariamente importante, la presencia de aire en el tubo daría lugar que los electrones al chocar con las moléculas de aire, no alcancen la velocidad máxima requerida, y el filamento se deteriore por oxidación.

Gran parte de la energía suministrada al tubo (normalmente más de un 99%) se disipa en colisiones inelásticas de los electrones con los átomos del material anódico, con la consiguiente producción de calor y elevación de temperatura del ánodo. El resto de energía, menos del 1%, induce colisiones radiativas y se convierte en rayos X.

Componentes de un tubo de rayos X En la figura adjunta se esquematizan los diversos componentes de un tubo de rayos X, y se describen cada uno de sus componentes.

El filamento Este componente tiene una estructura análoga al filamento de ciertas lámparas de incandescencia: un arrollamiento helicoidal de hilo de wolframio (0,2 mm de diámetro), con una altura aproximada de 1 cm y un radio de 0.5mm. El metal del filamento es wolframio, debido a su buena

emisividad termoiónica, punto de fusión muy elevado (3400ºC) y baja tasa de evaporización.

El filamento es llevado a incandescencia mediante una baja tensión ajustable (= 10V) que permite variar su temperatura, y en consecuencia, la tasa de emisión de electrones.

Una gran parte de tubos de rayos X utilizados en radiodiagnóstico suelen tener dos filamentos de diferente tamaño, buscando el compromiso entre tamaño mínimo de foco (imágenes más nítidas) y una mayor potencia de operación (tiempo de disparo más corto).

El electrodo de concentración: foco térmico y foco efectivo Un tubo de rayos X emite un haz divergente de radiación que se dirige a través de una determinada zona anatómica de un sujeto a una película fotográfica, normalmente contenida en un chasis. El haz de rayos X es absorbido de forma diferencial por los distintos tejidos y órganos del sujeto y produce una imagen de sombras en la película.

Si el haz de radiación tuviera su origen en una fuente puntual, entonces cada punto de la zona irradiada del paciente se registraría en la imagen como otro punto, con lo cual las líneas de separación entre las imágenes de distintas estructuras serían completamente nítidas.

Sin embargo, cuando el foco tiene una superficie finita, las líneas de separación de estructuras en la imagen no son nítidas sino forman unas bandas de penumbra, tanto más anchas cuanto mayor sea la superficie focal y, la distancia objeto-imagen, y menor cuanto más corta sea la distancia foco-placa fotográfica. Se dice entonces que la imagen presenta penumbra geométrica. En la práctica, los electrón es emergen del filamento siguiendo trayectorias divergentes y para que impacten en una superficie anódica razonablemente pequeña, se dispone rodeando el filamento, un componente llamado electrodo o cúpula de concentración, que al tener una polaridad negativa respecto al filamento, concentran el haz de electrones de forma que impactan sobre el ánodo en una pequeña superficie llamada foco térmico. No obstante, considerando la forma del filamento, el foco térmico dista mucho de ser puntual, por lo cual se recurre al artificio de inclinar la superficie anódica un ángulo de 30º respecto a la vertical, con lo cual, el efecto efectivo o imagen del foco térmico observada en la dirección de emisión es sensiblemente menor y en consecuencia se alcanza una mayor calidad de imagen al disminuir la penumbra geométrica.

El ánodo o anticátodo

Es la zona de impacto de los electrones (foco térmico) cuya superficie es del orden de pocos milímetros cuadrados y se alcanzan temperaturas que llegan a los 2000º C. Esta circunstancia plantea dos problemas importantes: la selección de un metal que soporte tan elevadas temperaturas sin fundirse, y un método eficaz de disipar el calor generado.

En gran parte de casos, los ánodos de los tubos de rayos X de Radiodiagnóstico suelen ser de wolframio, debido a la circunstancia favorable de que el rendimiento de producción de rayos X crece con el número atómico del blanco, aunque ésta no es la única condición requerida, la temperatura de fusión del blanco es un parámetro de importancia en la selección del metal adecuado. El wolframio debido a su baja tasa de evaporación y punto de fusión elevado, propiedades ya citadas al hablar del filamento, dan ventajas ostensibles a este metal frente a otros materiales con número atómico mayor.

La problemática de la disipación del calor anódico se soluciona de dos formas distintas. En la configuración del ánodo estacionario el ánodo está formado por una pieza de cobre en la que va montada una plancha de wolframio en la zona de impacto de los electrones. El calor se conduce al exterior mediante una barra de cobre provista de aletas de refrigeración.

Los tubos de ánodo estacionarios se usan sólo en un número limitado de aplicaciones, estos dispositivos presentan problemas importantes debido a su incapacidad de funcionar con altas intensidades de corriente, existiendo una limitación de potencia utilizada para evitar que el tubo sufra daños irreversibles.

Esta circunstancia plantea un problema importante. Si se desea que la radiografía presente gran nitidez es condición necesaria que el tamaño de foco sea pequeño, y entonces se requiere disminuir la corriente del tubo y aumentar el tiempo de exposición situación que puede producir una difusibilidad de contornos en la radiografía, debido a movimientos involuntarios del paciente respecto a la película, que recibe el nombre de penumbra cinética. Todo lo expuesto pone de manifiesto las dificultades que existen si se desea obtener una radiografía con foco pequeño, tiempo de exposición corto, y una intensidad elevada de emisión utilizando un tubo con ánodo fijo.

La solución general a estos problemas se alcanzan mediante los llamados tubos de ánodo giratorio.

En estos tubos el ánodo consiste en un disco de wolframio en forma de plato, de alrededor de 10 cm de diámetro que puede girar a gran velocidad de 3000 a 9000 revoluciones por minuto. La rotación se produce

mediante un motor, cuyo rotor se encuentra en la zona de vacío, y las bobinas del estator se encuentran en el exterior de la ampolla.

El disco de wolframio tiene su borde en bisel, para conseguir como en los tubos de ánodo fijo, reducir convenientemente el área del foco efectivo. La rotación del disco desplaza continuamente la zona de impacto electrónico, con lo cual se puede mantener un foco efectivo muy pequeño, ya que el área de disipación térmica es mucho mayor.

La eliminación de calor del disco no puede hacerse por conducción a través del eje del motor, pues entonces se comprometería seriamente el funcionamiento de los cojinetes del sistema, por lo cual se hace, exclusivamente, por radiación, favorecida por la elevada temperatura, unos 2000ºC, que alcanza el disco durante el disparo del tubo.

En un tubo de rayos X, la intensidad de radiación no es uniforme en la zona cubierta por el haz.

Este fenómeno llamado efecto anódico o efecto tacón hace que la intensidad de emisión de rayos X no sea uniforme, acusándose mucho más en los bordes del campo.

El efecto anódico se acentúa cuando en la superficie del ánodo existen irregularidades, por lo cual en un tubo nuevo, tal superficie se encuentra totalmente pulida. Este efecto tiende a crecer a medida que envejece el tubo, al agrietarse la superficie anódica debido a los procesos cíclicos de calentamiento y enfriamiento: tal degradación es más rápida si el tubo trabaja frecuentemente a cargas elevadas, o se requieren disparos repetidos a cadencia alta. Una forma de aumentar la duración del ánodo consiste en emplear, en lugar de wolframio puro una aleación de este metal y renio (90 y 10% respectivamente).

La intensificación paulatina del efecto anódico con importante repercusión en la pérdida de calidad de las radiografías es una de las causas que obligan a la sustitución del tubo.

Curvas de carga Para garantizar el funcionamiento de un tubo de rayos X en buenas condiciones, y evitar situaciones que podrían producir averías graves, conviene conocer las limitaciones de ciertos parámetros tales como:

Kilovoltaje máximo

Depende de las características físicas del tubo (distancia ánodo- cátodo, forma de la estructura anódica y catódica) y del generador (forma de onda, tipo de rectificación).

Intensidad máxima de corriente Depende de las limitaciones de tensión y corriente eléctricas aplicables al filamento.

Máxima energía calorífica disipable Está relacionada con las características físicas del tubo (tamaño del foco, ánodo) y de la zona circundante (aceite y coraza).

Los valores límites de las magnitudes críticas vienen especificadas por el fabricante para cada tipo de tubo, y se ofrecen al usuario en forma de gráficos llamados curvas de carga, representándose en ordenadas la intensidad del tubo (miliamperaje) y en abscisas el tiempo de exposición en segundos: los números que figuran en cada una de las curvas corresponden al kilovoltaje en funcionamiento.

Si el punto de trabajo elegido para un kilovoltaje determinado (por ejemplo para 100 Kv, con T=0.1s y Y = 900 mA) cae por encima de la curva de carga (zona de destrucción) el tubo sufre daños que pueden oscilar entre un acortamiento acentuado de su vida al aumentar intolerablemente el efecto anódico, hasta una metalización interna de la ampolla producida por evaporización del wolframio anódico. Si en cambio Y = 500 mA, el punto de trabajo se encontraría en la parte inferior de la curva, en la llamada zona de operación, en la cual debe trabajar siempre el tubo para evitar su destrucción o utilización prematura.

Los actuales equipos llevan en su microprocesador los datos de las curvas de carga, de forma que si se intenta trabajar en la zona de destrucción se enciende un piloto rojo que advierte al operador la imposibilidad del disparo en las condiciones seleccionadas.

Otra peculiaridad de los tubos de rayos X actuales es la posibilidad de trabajo en miliamperaje elevado, ventaja ligada al hecho que cuanto más alta sea la tasa de emisión de radiación, se requiere un tiempo más corto para realizar una buena radiografía.

Este hecho es importante en el caso que se deban radiografiar órganos que requieren tiempos largos de exposición para conseguir un buen contraste en la película y, en particular cuando se está radiografiando a un paciente que no colabore (niños o disminuidos físicos). Un haz intenso de rayos X permite disminuir los tiempos de exposición y evita los riesgos de movimiento del paciente respecto a la película, lo cual produce en la imagen de penumbra cinética.

La coraza

La emisión de rayos X de un tubo generador se realiza en todas las direcciones, situación que produciría un aumento intolerable de radiación dispersa, lo que plantearía problemas importantes de radioprotección, y ocasionaría una grave pérdida de calidad en las radiografías.

Por esta razón, la ampolla del tubo va completamente rodeada por un blindaje de plomo, llamado coraza, que permite que el escape de la radiación del tubo sea únicamente por una ventana, atenuando hasta niveles admisibles la emisión de rayos X en otras direcciones.

La coraza tiene además otra misión importante y es el mantener una capa de aceite alrededor de la ampolla, cuya misión es homogeneizar la temperatura del vidrio; en ausencia del aceite, durante los disparos, la diferencia de temperatura entre los puntos de paso de los conectores y otras zonas de la ampolla podrían provocar su destrucción.

Dispositivos asociados al tubo de rayos X El generador de alta tensión Prácticamente todos los tubos de rayos X se alimentan a partir de la red de energía eléctrica (220 V corriente alterna) y mediante un transformador adecuado se eleva un transformador adecuado se eleva la tensión hasta el valor deseado, en Radiodiagnóstico entre 30 y 150 kV. Obviamente esta alta tensión conserva la misma variación en función del tiempo.

Aunque en principio un tubo de rayos X podría funcionar con esta tensión alterna, (y así se hace en ciertos tubos autorrectificados) tal proceder no es aconsejable ya que en los ciclos en que el filamento tuviera tensión positiva y no se emitieran rayos X los electrones emitidos por el ánodo (que adquiere una elevada temperatura en el foco) bombardearían el filamento ocasionando su destrucción a corto plazo.

Para evitar tal posibilidad se rectifica la corriente, eliminación de las ondas negativas o rectificación de media onda.

La rectificación de media onda ofrece el inconveniente que el tubo permanece inactivo la mitad del tiempo de disparo: para evitarlo se aplica un método de rectificación (onda completa) donde se invierten los ciclos negativos de la onda. Este método ofrece ya la ventaja que se reduce mucho el rizado o variación periódica del kilovoltaje con el tiempo, pero esto no resulta aún completamente satisfactoria, ya que periódicamente la tensión desciende a cero, lo que propicia un incremento indeseable en la generación de rayos X de baja energía

(rayos X blandos), y disminuye tanto el rendimiento de generación de rayos X, como la proporción de fotones de alta energía.

Por estas razones se prefiere utilizar corriente trifásica, que una vez elevada desde la tensión de la red al kilovoltaje requerido se rectifica bien a onda simple o doble onda: en ambos casos se aprecia la reducción del rizado lo que redunda en una mejora muy apreciable.. Los generadores de los tubos actuales se basan en un sistema multipulso basado en un generador de ondas cuadradas de elevada frecuencia que producen ya un rizado insignificante.

El kilovoltaje medio aplicado a un tubo de rayos X por un generador trifásico o multipulso es más alto que para una unidad monofásica debido a las diferencias en la forma de onda. Por consiguiente, el cambio de un generador monofásico a otro trifásico, tiene un efecto sobre la energía media del haz de rayos X, en el que el generador trifásico proporciona rayos X cuya energía media es más elevada.

La consola de mandos La operación de un tubo de rayos X se realiza desde la consola de mandos, unidad que se sitúa en una zona especialmente blindada para reducir la tasa de dosis que deben recibir los operadores durante el disparo del tubo a valores inferiores a 10 mSv/h. El recinto de la consola estará dotado de una ventana de vidrio plomado para poder observar continuamente al paciente durante el disparo del tubo.

Básicamente, un equipo de rayos X tiene tres controles:

· El potencial de aceleración (kilovoltaje)

· La corriente del tubo (miliamperaje)

· El tiempo de disparo durante el cual circula corriente por el tubo y existe por tanto emisión de rayos X Se utilizan diferencias de potencial en radiodiagnóstico en el rango de los miles de voltios (20-150 kV) y corriente del orden de miliamperios.

Variables que influyen sobre la forma e intensidad de los espectros de rayos X Tensión de operación (kV) Si representáramos gráficamente la variación del espectro energético de fotones de rayos X con el kilovoltaje aplicado, en un tubo de rayos X de ánodo de wolframio. Se observarían como ejemplos típicos los espectros correspondientes a 50,80 y 110keV; se observarán en todas ellas que su

límite energético coincide numéricamente, en keV, con la tensión aplicada al tubo en Kv. Igualmente crece la cantidad (intensidad de emisión de fotones) con el kilovoltaje ya que el rendimiento de producción de rayos X crece aproximadamente con el cubo de la tensión eléctrica aplicada al tubo.

Por el contrario, y teniendo en cuenta que la energía de ligadura de los electrones K del W es de 69.5 keV, para menores energías de excitación, el espectro presenta exclusivamente radiación de frenado, para una tensión de operación de 50 KeV. Si esta tensión alcanza 80 KeV, en el espectro de emisión comenzarán a observarse las líneas características del W, que ya aparecen en forma prominente en el espectro correspondiente a 110 keV.

De todo lo expuesto se concluye que al aumentar el kilovoltaje de un tubo el espectro se desplaza en el sentido de aumento de energía máxima y en consecuencia aumenta su penetración. Esta propiedad permite al usuario de un tubo de rayos X seleccionar el kilovoltaje más adecuado a cada zona anatómica a radiografiar. En cambio, el espectro característico que depende exclusivamente del material anódico, o no aparece o caso de hacerlo, sus líneas se observan siempre a la misma energía.

Intensidad (miliamperaje) El miliamperaje o intensidad de corriente que circula durante la operación de un tubo de rayos X, que se regula variando la tensión de caldeo del filamento, determina la intensidad de emisión de rayos X del tubo. El efecto de esta variación con intensidades de corriente I1>I2>I3; debemos hacer notar que aunque se modifica de esta forma la intensidad de emisión, en cambio permanece invariable la calidad, si permanece constante la tensión aplicada al tubo.

El material anódico La forma de espectro y la intensidad de emisión de rayos X depende mucho del material constitutivo del ánodo. Por una parte en condiciones de igualdad de tensión y corriente de operación varían sensiblemente con la naturaleza del metal anódico.