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Tema 2. Tecnología y características físicas de los equipos y haces de rayos X en Radiología Intervencionista. Magnitudes y unidades radiológicas en Radiología Intervencionista.

CURSO DE SEGUNDO NIVEL DE FORMACIÓN EN PROTECCIÓN

RADIOLÓGICA PARA RADIOLOGÍA INTERVENCIONISTA

• Producción de Rayos X

• Calidad haz de Rayos X

• Magnitudes y unidades dosimétricas

• Características equipos de Radiología Intervencionista

Índice

NOTA: Esta presentación ha sido realizada a partir de material elaborado por la OIEA y CSN para su empleo en formación a profesionales en Protección Radiológica en Radiología Intervencionista

Producción de RX

• El Tubo de RX está formado por:

– Generador: voltaje

– Cátodo o filamento

– Ánodo o blanco

– Ampolla de Vacío

– Blindaje y filtros

Producción de RX: ESQUEMA

1. Generador proporciona corriente a cátodo (filamento) y crea diferencia de potencial

1

2. Debido al proceso TERMOIÓNICO se arrancan electrones del cátodo

2

3. Electrones son acelerados e interactúan con el ánodo (blanco)

3

4. Se PRODUCEN RAYOS X mediante las interacciones electrón-materia (ánodo): - Colisión inelástica (espectro discreto) - Bremmstrahlung (espectro continuo)

4

Producción de RX: Colisión Inelástica

RX característicos: Partícula incidente excita/ioniza al átomo. En el proceso al

equilibrio se emite un RX cuya energía es característica de los orbitales del átomo.

Las partículas cargadas excitan al átomo que en su desexcitación emite un RX característico

Estado fundamental Excitación Átomo excitado Desexcitación

A, Z y magnitudes asociadas • Hidrógeno Z = 1 EK= 13.6 eV

• Carbono Z = 6 EK= 283 eV

• Fósforo Z = 15 EK= 2.1 keV

• Wolframio Z = 74 EK= 69.5 keV

• Uranio Z = 92 EK= 115.6 keV

Producción de RX: Bremmstrahlung

Las partículas cargadas pierden energía por las interacciones con los electrones y protones del medio

Colisión radiativa: La partícula se «frena» al interaccionar con el átomo emitiendo un

fotón (Radiación de frenado o Bremmstrahlung).

Colisión

radiativa

e -

e - - Mayor número RX para materiales con mayor número atómico (Z)

- 99% energía de los electrones se disipa en forma de calor

- Conforman la parte continua del espectro de RX

Producción de RX: Bremmstrahlung

Bremsstrahlung E

keV 50 100 150 200

Bremsstrahlung

tras filtración

keV

• Energía máxima de los fotones de Bremsstrahlung – Energía cinética de los electrones incidentes

• En el espectro de rayos X de las instalaciones de radiología: – Máx (energía) = Energía al voltaje de pico del tubo de rayos X

Producción de RX

El espectro de rayos X está formado por dos componentes: → Espectro continuo RADIACIÓN DE FRENADO (Bremmstrahlung)

→ Espectro discreto RADIACIÓN CARACTERÍSTICA

Producción de RX

• El Tubo de RX está formado por:

– Generador: voltaje

– Ánodo o blanco

– Cátodo o filamento

– Ampolla de Vacío

– Blindaje y filtros

Producción de RX

Suministra energía eléctrica con dos objetivos: - Generar corriente en el filamento (Corriente (mA) ) - Acelerar los electrones (Voltaje (kV) ) Parámetros seleccionables desde CONSOLA

Generador

Producción de RX

• Emite electrones al calentarse (EFECTO TERMOIÓNICO): Mayor corriente Mayor temperatura Mayor nº electrones • Material metálico (Ej. Wolframio)

- Alto punto fusión - Alta emisividad de electrones - No se evapora fácilmente

Filamento (Cátodo)

Producción de RX

Filamento (Cátodo) Foco fino: Mejor calidad de imagen: menor penumbra Menor número de fotones mayor tiempo de disparo

Foco grueso: Mayor número de fotones Menor calentamiento del filamento

Producción de RX

• Blanco contra el que chocan los electrones procedentes del cátodo tras ser acelerados

• Material metálico (Ej. Wolframio) - Alto punto fusión - Alta conductividad (disipar calor) - Alto Z

Ánodo

Producción de RX

• Estacionario • Rotatorio

- Ángulo anódico: Tamaño mancha focal MENOR ÁNGULO MAYOR RESOLUCIÓN

Ánodo

Ángulo

Ancho haz incidente

de electrones

Tamaño aparente mancha focal

tamaño real

mancha focal

Ángulo

tamaño aparente

de mancha focal

aumentado

tamaño real

mancha focal

‘

Producción de RX

• Estacionario • Rotatorio

- Ángulo anódico: Tamaño mancha focal MENOR ÁNGULO MAYOR RESOLUCIÓN

Ánodo

Producción de RX

Efecto Talón/ Anódico: La intensidad es menor en la parte del haz

más cercana al ánodo

Motivos del efecto talón:

- Ley del inverso del cuadrado de la distancia

- Distinto espesor de absorbente atravesado

- Distinto espesor del blanco U V

a b c

Inte

ns

idad

El efecto talón NO SIEMPRE ES NEGATIVO : Compensación diferentes espesores paciente

Producción de RX

Todos los elementos están en un recipiente de vidrio que se le ha hecho el vacío

Vacío

Blindaje

• Absorber radiación de fuga (no haz útil) PLOMO • Proteger altos volajes ACEITE MINERAL

VACÍO

Producción de RX

0,001 0,01 0,1 1 10

Tiempo máximo exposición (segundos)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

mA

150 kVp

125 kVp110 kVp

100 kVp90 kVp

80 kVp

70 kVp

60 kVp

50 kVp

Curvas de carga

• Representan mA en ordenadas (escala lineal) y tiempo en abscisas (escala logarítmica)

• Las curvas indican para cada kV el límite máximo de selección simultánea de intensidad (mA) y tiempo de exposición (t)

Producción de RX

Tubos controlados por rejilla:

Además de ánodo y cátodo, este tipo de tubos tienen un tercer electrodo

• Este tercer electrodo para la emisión de RX sin tener que frenar el alto voltaje establecido entre ánodo y cátodo

• Permite obtener pulsos mucho más cortos que los convencionales (fluoroscopia)

• Los pulsos tienen la duración programada, no tienen colas

– Pulsos cortos llevan a una mejor calidad de imagen: menor

borrosidad cinética

– La dosis al paciente es menor, pues la dosis de las “colas” no

contribuye a generar la imagen

Producción de RX

Filtración: Espesores de material (Cu, Al) colocados en la ventana de salida

del haz

• Reducen la radiación de baja energía del espectro, que no contribuye a la formación de la imagen

– “Endurecen el haz”

• Puede ser de dos tipos:

– Inherente:

» Ampolla de vidrio, aceite y ventana de salida, ≈ 0,5 -1 mm Al

– Añadida:

» Filtros adicionales de Cu y Al con espesores variables

» Utilizada sobre todo en intervencionismo y pediatría

» Espesores habituales en intervencionismo son de 4-5 mm Al

• Reducen la dosis en piel del paciente

• Reducen la intensidad total del haz

Producción de RX

Filtración: Espesores de material (Cu, Al) colocados en la ventana de salida

del haz

Producción de RX

Control automático de exposición/brillo (CAE) Cámara de ionización (detector) corta el disparo cuando la dosis que ha llegado al sistema de imagen es la adecuada para formar una imagen diagnóstica

• Elección óptima de los parámetros técnicos para evitar exposición innecesaria (kV, mA)

• Detección de dosis entre paciente y sistema de imagen

• Compensación CAE con el espesor del paciente

Producción de RX

RESUMEN

1. Generador hace pasar corriente por filamento (mA) y crea tensión (kV)

2. Se emiten electrones de cátodo por efecto termoiónico

3. Se aceleran los electrones y ‘chocan’ (interaccionan) con el ánodo

4. Se producen Rayos X por colisión inelástica (E. discreto) y Bremmstrahlung (E. continuo)

Calidad haz de RX

Factores que modifican el espectro de RX

• Potencial del tubo(kV)

• Corriente del tubo (mA)

• Filtración

• Material del ánodo (número atómico)

• Tipo de forma de onda

Calidad haz de RX

POTENCIAL / TENSIÓN DEL TUBO (kV)

- kV determina la energía de los electrones

- Si aumenta kV Mayor Energía máxima Mayor Energía media Mayor Intensidad - Técnica de bajo kilovoltaje Alto contraste - Técnicas de alto kilovoltaje Gran espesor en paciente

Calidad haz de RX

- mA (s) determina la cantidad de electrones y por tanto RX

- Si aumenta mA ( s ) Mayor cantidad RX

Mayor nitidez en imagen Mayor dosis a paciente

MATERIAL ÁNODO Determina la energía de los picos característicos y cantidad fotones de frenado

FILTRADO - Reducción fotones de baja Y alta energía - Exceso de filtrado Menor penetración Mayor carga de trabajo para la máquina

CORRIENTE DEL TUBO (mA)

Calidad haz de RX

RESUMEN

Cantidad de rayos X

• Corriente del tubo (mA) • Tiempo exposición (s) • Potencial del tubo (kV) • Forma de onda • Filtración • Distancia foco-piel

Calidad de los rayos X

• Potencial del tubo (kV) • Filtración • Forma de onda

Calidad haz de RX

Radiación primaria Radiación de haz directo transmitida a través de un determinado espesor de tejido Radiación secundaria Radiación de fuga + radiación dispersa

Radiación de fuga: Radiación que sale a través de la coraza de plomo que encapsula el tubo y que no forma parte del haz útil.

Radiación dispersa: Cuando los RX interaccionan con los diferentes medios pueden sufrir una interacción Compton, perdiendo parte de la energía y cambiando su dirección Carece de interés diagnóstico.

Calidad haz de RX

Radiación dispersa : Carece interés diagnóstico - Reduce contraste y resolución en imagen

El aumento de la radiación dispersa se produce al: - Aumento kV - Aumento tamaño del campo - Aumento espesor tejido atravesado La reducción de la radiación dispersa se produce al: - Disminuir kV (aumenta dosis paciente ) - Colimación - Disminución espesor Compresión (Mamografía) - Rejilla antidifusora

Calidad haz de RX

Rejilla antidufusora: Dispositivo con láminas plomadas que se coloca

entre el paciente y el sistema receptor de imagen

• Reduce radiación dispersa que llega al receptor de imagen - Reduce la borrosidad - Mejora el contraste

• Reduce parte de la radiación primaria - Aumento dosis al paciente (CAE)

tubo RX

haz primario

paciente

haz

disperso

rejilla

receptor de imagen

Características equipos RI

Receptores de imagen

• Películas radiográficas

• Intensificadores de imagen

• Sistemas digitales CR

• Sistemas digitales DR


El intensificador de imagen es un material fotoemisivo que emite electrones cuando sobre él inciden RX.

1. Transformación RX en luz visible (3000 por cada RX)

2. Fotones del visible llegan al fotocátodo y se forman electrones

3. Electrones acelerados e inciden sobre pantalla fluorescente

4. Imagen formada ha sido amplificada


El intensificador de imagen es un material fotoemisivo que emite electrones cuando sobre él inciden RX.


Sistemas digitales directos (DR) sustituyen a los portachasis convencionales por paneles de detectores integrados

• La imagen no ha de ser procesada y aparece en segundos en el monitor • Dependiendo de cómo se produce la conversión de RX a señal eléctrica, dos

tipos:


• Especificaciones en equipos de intervencionismo según ‘especialidad’ o tipo de intervención - Técnicas: frames/s , tamaño focal, ajuste tensión (kV), nº tubos de RX, tipo de video cámara,… - Modalidades de operación: Exposición digital, Fluoroscopia, Fluoroscopia HQ, Rastreo, Movimiento , Mapa….

Conocimiento modalidades equipo

Mejora calidad imagen

Tasa dosis a la entrada del paciente PROTECCIÓN RADIOLÓGICA PACIENTE Y TRABAJADORES

Características equipos RI: Modalidades (Ejemplo)


Radiografía y tomografía

• Generadores monofásicos y trifásicos (tecnología de

inversión)

– salida: 30 kW a 0.3 mm de tamaño de mancha focal

– Salida: 50 - 70 kW a 1.0 mm de tamaño de mancha focal

– Selección de kV y mAs, AEC

Radiografía y fluoroscopia • Equipos bajo la mesa de exploración, generadores trifásicos

(tecnología de inversión) – salida continua de 300 - 500 W

– salida: 50 kW a 1.0 mm de tamaño de foco para grafía

– salida: 30 kW at 0.6 mm de tamaño de foco para fluoroscopia

(alta resolución)

– Con prioridad al contraste

– Selección automática del kV


Radiografía y fluoroscopia • Equipo sobre la mesa de exploración, generador trifásico

(tecnología de inversión) – salida continua de 500 W, al menos

– salida: 40 kW a 0.6 mm de tamaño de foco en grafía

– salida: 70 kW a 1.0 mm de tamaño de foco para fluoroscopia

(alta resolución)

– Prioridad al contraste

– Selección automática de kV

Angiografía cardiaca

• Generador trifásico – salida continua 1kW

– Salida: 30 kW a 0.4 mm de tamaño de foco

– salida: 80 kW a 0.8 mm de tamaño de foco

– Tasa de filmación: hasta 120 imágenes (fr)/s


Cámaras de TV PLUMBICON (Cardiología)

• Tienen mucha menos persistencia de imagen que las VIDICON

• La menor persistencia permite seguir el movimiento con borrosidad mínima

• Pero aumenta el RUIDO CUÁNTICO (cámaras para cardiología)

Fluoroscopia digital

• Las secuencias de películas de fluoroscopia digital se limitan usualmente por su

pobre resolución, que está determinada por la cámara de TV y no es mejor que

unos 2 pl/mm para un sistema de TV de 1000 líneas

• Si el sistema de TV es uno de 525 líneas nominales, un marco consiste

generalmente en 525² = 250000 píxeles. Cada píxel necesita 1 byte (8 bits) o 2

bytes (16 bits) de espacio para grabar el nivel de señal

TIPOS DE CÁMARAS DE TV

Magnitudes y unidades dosimétricas

• Magnitudes DOSIMÉTRICAS - Exposición y tasa de exposición - KERMA y Dosis absorbida • Magnitudes de RADIOPROTECCIÓN

- Magnitudes Limitantes: Dosis equivalente (H), Dosis efectiva - Magnitudes operacionales: Equivalente dosis ambiental(H*(d)), Equivalente dosis personal (Hp(d)) • Magnitudes dosimétricas relacionadas (dosis superficial y profunda, factor

de retrodispersión

• Magnitudes dosimétricas específicas (Mamografía, TC, …)


Exposición: Cociente del valor absoluto de la carga de los iones producidos en aire, dQ, cuando todos los electrones liberados por los fotones absorbidos en dm son detenidos

dm

dQX

• Unidad SI : Culombio/kilogramo (C/kg)

• Unidad especial : Roentgen (R) 1 R = 2,58 x 10-4 C/kg

Observaciones: - Definida para fotones (ej RX) en aire y en eq. Electrónico - Difícil de medir para energías bajas - De poco interés para dosimetría paciente


Kerma (Kinetic Energy Released per unit MAss): Cociente entre energía cinética transmitida a partículas cargadas del medio por la radiación incidente y la masa

dm

dEK tr

• Unidad SI : Gray (Gy = J/kg)

• Unidad especial : rad 1 Gy = 100 rad

Observaciones: - Definida para fotones y neutrones - Magnitud de interés para radioterapia


Dosis absorbida: Cociente entre energía absorbida por un material y su masa dm.

dm

dD

• Unidad SI : Gray (Gy = J/kg)

• Unidad especial : rad 1 Gy = 100 rad

Observaciones: - Magnitud dosimétrica de mayor interés - Definida para cualquier tipo de radiación - Utilización en radiobiología, dosimetría a pacientes

Con 4 Gy se puede provocar la muerte de un sistema biológico aunque se incremente su temperatura 0.001 ºC


Relación Dosis absorbida-Exposición

XfD

- KERMA coincide con la dosis absorbida en condiciones de equilibrio electrónico. RADIODIAGNÓSTICO

- f depende del tipo de material y la energía de la radiación

Relación Dosis absorbida-KERMA

TABLA 3

Factor f que relaciona DOSIS ABSORBIDA con EXPOSICIÓN

para FOTONES de energías desde 10 keV a 2 MeV en condiciones

de equilibrio

Energía de Dosis absorbida/exposición

fotones Agua Hueso Músculo

(keV) Gy kg/C rad/R Gy kg/C rad/R Gy kg/C rad/R

10 35,4 0,914 135 3,48 35,8 0,925

15 35,0 0,903 150 3,86 35,8 0,924

20 34,7 0,895 158 4,09 35,8 0,922

30 34,4 0,888 165 4,26 35,7 0,922

40 34,5 0,891 157 4,04 35,9 0,925

50 35,0 0,903 137 3,53 36,1 0,932

60 35,6 0,920 113 2,91 36,5 0,941

80 36,7 0,946 75,4 1,94 36,9 0,953

100 37,2 0,960 56,2 1,45 37,2 0,960

150 37,6 0,971 41,3 1,065 37,4 0,964

200 37,7 0,973 38,1 0,982 37,4 0,965

300 37,8 0,974 36,6 0,944 37,4 0,966

400 37,8 0,974 36,3 0,936 37,4 0,966

500 37,8 0,975 36,2 0,933 37,4 0,966

600 37,8 0,975 36,1 0,932 37,4 0,966

800 37,8 0,975 36,1 0,931 37,4 0,966

1000 37,8 0,975 36,1 0,931 37,4 0,966

1500 37,8 0,975 36,0 0,930 37,4 0,966

2000 37,8 0,974 36,1 0,931 37,4 0,965

Equivalente de dosis : Tiene en cuenta la distinta eficacia biológica relativa de los diferentes tipos de radiación ionizante en niveles bajos de exposición. D = dosis absorbida ; Q = Factor calidad en un punto

DQH ·

• Unidad SI : Sievert (Sv = J / kg)

• Unidad especial: rem ; 1Sv = 100 rem

Magnitudes y unidades de radioprotección

Observaciones:

- Q es una constante adimensional que pondera la efectividad biológica de la calidad de radiación

Magnitudes limitantes : Utilizadas para establecer los límites máximos con tal de proteger a los seres humanos de los posibles efectos nocivos de las radiaciones ionizantes.

- Dosis equivalente en órgano, HT

- Dosis efectiva, E


Magnitudes y unidades radioprotección

Dosis equivalente: Los efectos de la radiación sobre un órgano no dependen solo de la energía absorbida, D, sino también del tipo de radiación y su energía. Por eso se introducen los factores de ponderación para el tipo de radiación, wR

RTRRT DwH ,, ·


• Unidad especial: rem ; 1Sv = 100 rem Tipo de

radiación 𝒘𝑹

Fotones 1

Electrones 1

Protones 2

α, frag. de fisión 20

Neutrones Curva continua en

función de E

Magnitudes y unidades radioprotección

Dosis efectiva : Es la suma de las dosis ponderadas en todos los tejidos y órganos 𝐰𝐓 del cuerpo especificados en la normativa a causa de irradiaciones internas y externas.

RTR

RT

TT

T

T DwwHwE ,

,

·



Tipo de radiación 𝒘𝑻

Gónadas 0,08

Colon, médula ósea, pulmón, estómago,

mama… 0,12

Vejiga, esófago, hígado, tiroides

0,04

Cerebro, piel… 0,01

RADIOSENSIBILIDAD

Magnitudes operacionales : Definidas para proporcionar una aproximación razonable de las magnitudes limitantes ya que éstas no son medibles.

- Equivalente de dosis ambiental, H*(d)

- Equivalente de dosis personal, Hp (d)


Valores de «d» sirven para distinguir radiación débilmente penetrante o fuertemente penetrante

Equivalente de dosis ambiental, H*(d) : en un punto de un campo de radiación, es el equivalente de dosis que se produciría por el correspondiente campo alineado en el esfera ICRU a una profundidad d sobre el radio opuesto a la dirección del campo alineado




Observaciones: Vigilancia de área

• Radiaciones débilmente penetrantes - d = 0.07 mm para la piel H*(0.07) - d = 3 mm para el cristalino H*(3)

• Radiaciones fuertemente penetrantes - d = 10 mm , H*(10)

Equivalente de dosis personal, Hp(d) : es el equivalente de dosis

en tejido blando situado por debajo de un punto especificado sobre el

cuerpo y a una profundidad apropiada d.




Observaciones: Vigilancia individual

• Radiaciones débilmente penetrantes - d = 0.07 mm para la piel H*(0.07) - d = 3 mm para el cristalino H*(3)

• Radiaciones fuertemente penetrantes - d = 10 mm , H*(10)


Magnitudes dosimétricas relacionadas

Producto dosis – área (DAP)

- Dosis en aire en un plano integrada en el área de interés. - El DAP (cGy·cm2) es constante con la distancia ya que la dependencia

cuadrática con la distancia se cancela con la de la sección transversal - Gran mayoría de equipos actuales proporcionan esta magnitud por cada

disparo o intervención. Cámaras de transmisión integradas. - Permite estimar la dosis efectiva en paciente

En adultos la dosis efectiva (mSv) se puede aproximar como E = 0,2 * DAP


Magnitudes dosimétricas relacionadas

Dosis superficial a la entrada (ESD)

- Dosis medida en aire a la entrada del paciente. No es siempre indicativo de la dosis recibida por el paciente.

- Contiene factor retrodispersión

Producto dosis – área (DAP)

- Dosis en aire en un plano integrada en el área de interés. - El DAP (cGy·cm2) es constante con la distancia ya que la dependencia

cuadrática con la distancia se cancela con la de la sección transversal - Gran mayoría de equipos actuales proporcionan esta magnitud por cada

disparo o intervención. Cámaras de transmisión integradas.


Magnitudes dosimétricas específicas

Dosis glandular promedio (AGD)

- Magnitud específica de mamografía. Promedio de la dosis absorbida por el tejido glandular mamario

- No puede medirse directamente. En Europa se suele emplear el método de DANCE

𝐷𝐺 = 𝐸𝑆𝐴𝐾 𝑔𝑐𝑠

ESAK = Kerma en aire a la entrada de la mama (sin retrodispersión) gcs = Factores de Dance que tienen en cuenta glandularidad y densidad de la mama


𝐶𝑇𝐷𝐼100 = 1

𝑁 𝑥 𝑇 𝑓 𝑧 𝑑𝑧

50

−50

𝐶𝑇𝐷𝐼𝑤 = 1

3𝐶𝑇𝐷𝐼𝑐 +

2

3𝐶𝑇𝐷𝐼𝑝

𝐶𝑇𝐷𝐼𝑣𝑜𝑙 = 𝐶𝑇𝐷𝐼𝑤/𝑝𝑖𝑡𝑐𝑕


CTDI y DLP (Magnitudes específicas TC)

- El CTDI es el Índice Dosimétrico para CT. La definición más empleada es,

N x T = Espesor nominal de corte f(z) = perfil de dosis


𝐶𝑇𝐷𝐼𝑣𝑜𝑙 = 𝐶𝑇𝐷𝐼𝑤/𝑝𝑖𝑡𝑐𝑕


CTDI y DLP (Magnitudes específicas TC)

- DLP es el producto de la Dosis-distancia

𝐷𝐿𝑃 = 𝐶𝑇𝐷𝐼𝑣𝑜𝑙 · 𝐿

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