Fundamentos de la Física de Radiología: Interacciones y Efectos

Introducción a la Radiación

La intensidad de la radiación es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la fuente.

Tipos de Orígenes de los Rayos X:

Transición electrónica por el choque de los electrones del cátodo con los electrones orbitales.
Frenado por la interacción con el campo eléctrico del núcleo.

Hitos en la Historia de la Radiación

Rayos X: 28 de Noviembre de 1895 – Wilhelm Conrad Röntgen.
Radiactividad «NATURAL»: Becquerel en 1896.
Radiactividad «ARTIFICIAL»: Joliot y Curie en 1934.

Propiedades de las Partículas Atómicas

Carga y masa de protones, neutrones y electrones: (+, 2), (0,2) y (-, 0).

Energía de ligadura: fuerza con la que el electrón se mantiene unido al núcleo. Equivale al defecto de masa.

Distribución de Electrones

Nº mínimo de electrones en una capa: 2n²
Nº máximo de electrones en el último nivel: 8
Nº máximo de electrones en el penúltimo: 18

Tipos de Radiación Ionizante

Corpuscular (alfa y beta) y Electromagnética (Rayos X y Rayos Gamma).

Ley del Inverso del Cuadrado de la Distancia

Si aumentamos el doble la distancia entre la fuente y el objeto, la radiación disminuye a la cuarta parte.

Teoría del Quantum

La energía de los fotones es directamente proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda.

Componentes y Funcionamiento del Tubo de Rayos X

Función de la rejilla Potter Bucky: eliminar la radiación dispersa, por lo que mejora el contraste de la imagen.

Componentes del tubo de Rayos X: cátodo, ánodo y carcasa protectora.

Efecto talón, ¿dónde había que colocar la parte del cátodo en una proyección? En la parte más gruesa de la parte anatómica que se estudia.

Tipos de Radiación

Radiación característica = Radiación de transición electrónica.
Radiación de frenado = Bremsstrahlung = Stopping o de parada.

Casi todos los Rayos X están originados por frenado.

Mecanismos de Cesión de Energía

Absorción = Efecto fotoeléctrico.
Dispersión = Efecto Compton.

1 + 2 = Radiación atenuada.

Interacción de la Radiación con la Materia

Interacción con la Corteza del Átomo

Directa: efecto Compton, efecto fotoeléctrico.
Indirecta (campo eléctrico del electrón): formación de trios.

Interacción con el Núcleo del Átomo

Directa: Fotodesintegración.
Indirecta (campo eléctrico del núcleo): formación de pares.

Efecto Fotoeléctrico y Efecto Compton

Efecto fotoeléctrico: se da con baja energía y en materia de alto Z.

Efecto Compton: se da con muy alta energía y es independiente de Z. El fotón no desaparece, se dispersa.

Capa Hemirreductora

Espesor que ha de tener un material para disminuir la radiación a la mitad se llama: capa hemirreductora (CHR = 0,693 / coef. de atenuación)

A > densidad de materia, > coeficiente de atenuación y < CHR.
A < densidad de materia, < coeficiente de atenuación y > CHR.

Interacción de la Radiación Corpuscular con la Materia

Partículas alfa y protones acelerados: alta ionización y baja penetración.
Partículas beta y electrones acelerados: baja ionización y alta penetración.

Comparación de Efectos

Efecto fotoeléctrico: alto contraste, alta absorción de energía.
Efecto Compton: bajo contraste, alta radiación dispersa, alta dosis al paciente.

Definiciones y Conceptos Clave

Z: número atómico, número de protones.

A: masa atómica, protones + neutrones.

Tipos de Isótopos

Mismo Z y distinta A: ISOTOPO.
Mismo A y distinto Z: ISOBARO.
Distinto Z y distinto A: ISOTONO.
Mismo Z y mismo A: ISOMERO.

Actividad y Dosis

Actividad: número de átomos que se desintegran por segundo. Unidad antigua: curio (Ci). Unidad actual: bequerelio (Bq).

Dosis: energía que ceden los electrones secundarios al medio. Unidad: Gray. 1 Gray = 100 rad.

Mecanismos de Detección de la Radiación

Detector de gas, detectores de centelleo, dosimetría termoluminiscente, emulsión fotográfica, luminiscencia estimulada ópticamente.

Materia, Peso y Energía

Materia: cualquier cosa que ocupa espacio y tiene forma, compuesta por elementos básicos llamados átomos.

Peso: fuerza ejercida sobre un cuerpo que se encuentra bajo la influencia de un campo gravitatorio.

Energía: capacidad de realizar un trabajo.

Tipos de Energía

E. Potencial: capacidad de realizar un trabajo en virtud de la posición que ocupa.
E. Cinética: debida al movimiento.
E. Química: liberada de una reacción química.
E. Eléctrica: electrón o carga se mueve entre dos puntos de distinto potencial eléctrico.
E. Térmica: energía del movimiento a nivel del átomo o molécula, se mide por la temperatura.
E. Nuclear: energía contenida en el núcleo de los átomos.
E. Electromagnética: la que se encuentra en los rayos X, microondas, radiofrecuencia, etc.

Ecuación de Equivalencia entre Masa y Energía

E=m·c². c = velocidad de la luz.

Radiación y Radiación Ionizante

Materia irradiada o expuesta: la que intercepta una radiación y absorbe parte de su energía.

Radiación: energía emitida a través de la materia.

Radiación Ionizante: radiación capaz de arrancar un electrón de su órbita al interaccionar con un átomo.

Par iónico: conjunto formado por el electrón y el átomo del que se ha separado.

Estructura Atómica y Principios

Capas orbitales: K, L, M, N, O, P.

Principio de exclusión de Pauli: en un mismo átomo no puede haber dos electrones con el mismo estado de energía, es decir, con los mismos valores cuánticos.

Fotones y Quantum

Fotón: cantidad más pequeña de cualquier tipo de radiación electromagnética.

Quantum: pequeño haz de energía que recorre el espacio a la velocidad de la luz.

Propiedades de las Ondas

Amplitud: distancia desde la cresta a la línea de la cual varía la onda sinusoidal.

Frecuencia: número de crestas en una unidad de tiempo. Se mide en Hz.

Espectro electromagnético: secuencias ordenadas de las ondas electromagnéticas.

Radiopacidad y Radioluminiscencia

Radiopaco: absorben rayos X (se ven).

Radiolúcido: se atenúan (no se ven).

Origen de los Rayos X

Puede ocurrir que el electrón proyectil interaccione con otro electrón de una capa, se ioniza el átomo dando lugar a un par iónico formado por el electrón y el átomo. Entonces un electrón de un nivel más externo viene a ocupar el hueco desprendiéndose así energía en forma de un fotón de rayos X.
Puede pasar que el electrón proyectil interaccione con el campo eléctrico del núcleo produciéndose un frenado y se desvía su trayectoria, produciéndose una liberación de energía.

Dispositivos de Protección Radiológica

Filtros metálicos, colimadores, pantalla intensificadora, equipo de protección, escudos gonadales, barreras protectoras.

10 Reglas Básicas para Controlar la Radiación

Controlar tiempo, distancia y blindaje.
No acostumbrarse, falsa sensación de seguridad.
No situarse en el camino del haz principal.
Utilizar equipo protector.
Utilizar siempre dispositivo personal de medida de la radiación.
No sujetar al paciente con las manos.
Usar delantal de plomo y guantes.
Usar escudos gonadales.
Exámenes de pelvis e región inferior del abdomen en mujeres con edad fértil, limitar a un periodo de 10 días después del comienzo de la menstruación.
Colimar siempre lo más pequeño posible.

Componentes del Aparato de Rayos X

Tubo de rayos X, consola y generador.

Cátodo

Lado negativo del tubo de rayos X. Dos partes principales:

Filamento: Espiral de alambre. 2mm de diámetro y 1-2cm de largo. Hechos de tungsteno toriado.
Copa de enfoque: refuerzo metálico donde está metido el filamento. Cargada negativamente, condensa el haz de electrones en un área pequeña del ánodo.

Ánodo

Lado positivo del tubo de rayos X. Dos tipos:

Fijo o estacionario: se usan en máquinas que no requieren intensidad o potencia alta en el tubo, como máquinas portátiles o de odontología.
Rotatorio: capaces de producir haz de rayos X de alta intensidad en poco tiempo.

Funciones del Ánodo

Recibir los electrones emitidos por el cátodo y llevarlos hasta los cables conectores.
Es un conductor eléctrico.
Conductor térmico. Se usa cobre.

Blanco y Tubo de Foco Doble

Blanco: área del ánodo con la que chocan los electrones del cátodo.

Tubo de foco doble: algunos tubos de rayos X tienen dos filamentos en el cátodo. Dos puntos focales:

Pequeño: se utiliza cuando se requieren imágenes de alta resolución. Oscilan entre 0,1 y 0,5mm.
Grande: se necesita una técnica que produce gran cantidad de calor. Oscilan entre 1 y 1,5mm.

Motor de Inducción y Punto Focal

Motor de inducción: motor que acciona el ánodo giratorio, consiste en dos partes separadas entre sí por una envoltura de cristal, estator (serie de electroimanes) y rotor (eje de barras de cobre y hierro).

Punto focal: área del blanco desde la que son emitidos los rayos X. Cuanto menor es el punto focal, mayor es el efecto talón.

Autotransformador y Cronómetros

Autotransformador: es donde llega la potencia suministrada a la máquina de rayos X. Tiene un arrollamiento y un núcleo.

Cronómetros:

Mecánicos: funcionan como un reloj.
Sincrónicos: no pueden usarse para seriadas porque hay que reajustarlos cada vez que se usan, y esto requiere mucho tiempo.
Electrónicos: los más complicados y exactos. Intervalos de 1 milisegundo. Se pueden usar en seriadas.
De miliamperio/segundo: control exacto de la corriente del tubo y del tiempo de exposición.
Fotocronómetro: automático, mide la cantidad de radiación que llega al receptor de imagen. Tiene un sensor fotomultiplicador. Los hay de dos tipos, fotoeléctricos y por cámaras de ionización.

Generador de Alta Tensión

Responsable de convertir el voltaje bajo en el kilovoltaje apropiado. Tres partes principales:

Transformador elevador de AT: quiere decir que el voltaje secundario (inducido) es mayor que el primario. Entre 500 y 1000 espiras. La tensión primaria se mide en voltios y la secundaria en kilovoltios.
Transformador del filamento: baja tensión. Más espiras en el primario.
Rectificador de Tensión: pasa la corriente de alterna a continua.

Potencia Trifásica

Se utiliza en aparatos alimentados por corrientes desfasadas de 120º, la tensión nunca cae a cero. Ventaja: mayor calidad y cantidad de radiación. Inconveniente: coste inicial.

LET (Transferencia Lineal de Energía)

LET: expresa la energía que cede la radiación ionizante por unidad de espesor de material atravesado.

Alto LET: partículas alfa, protones…
Bajo LET: rayos X, beta, electrones acelerados…
LET intermedio: neutrones.

Mecanismos de Cesión

Absorción: fotones desaparecen en el interior por no tener energía suficiente para atravesar la materia.
Dispersión: llevan energía suficiente para atravesar la materia pero se desvían de su trayectoria.
Transmisión: atraviesan la materia sin desviarse. Son los fotones con mucha energía.

Atenuación = absorción + dispersión.

Coeficiente de atenuación: fracción de fotones atenuados por cada unidad de espesor. Es una característica de la materia, no de la radiación.

Efecto Fotoeléctrico (EFE)

Es más probable cuanto más elevado sea el Z y más bajo la energía del fotón incidente, pero tiene que ser superior a la energía de ligadura del electrón con el núcleo, más la energía cinética que adquiera.

Choque Elástico y Captura Neutrónica

Choque elástico: retroceso del núcleo. Se producen muchas ionizaciones. Se aprovecha en el cáncer.

Captura neutrónica: neutrón absorbido por el núcleo.

Ley del Proceso de Desintegración Radiactiva

Variación del número de átomos radiactivos contenidos en una preparación que inicialmente contenía.

Periodo de Semidesintegración y Vida Media

Periodo de semidesintegración: tiempo al cabo del cual se han desintegrado la mitad de los átomos radiactivos existentes en el momento inicial.

Vida media: valor promedio de la vida de los átomos de una especie radiactiva.

Mecanismo de Decay

Pérdida de actividad en el tiempo.

Magnitudes Relativas al Haz de Radiación

Fluencia: número de fotones que tiene un haz de radiación por mm². A mayor distancia menor fluencia.
Actividad: velocidad del proceso de desintegración de una sustancia radiactiva, ya sea natural o artificial. Unidad: curio.
Exposición: capacidad de ionización de un haz de radiación. Sirve para comparar cantidades de radiación. Unidad: roentgen.

Magnitudes Referentes a la Interacción de la Radiación con la Materia

Dosis: energía de los electrones secundarios que le ceden al medio. Unidad: rad, luego Gray.
Kerma: energía cinética que dan los fotones a los electrones secundarios. Unidad: julio, keV, Gray, rad.
LET: energía lineal transferida al medio.

Magnitudes Referentes al Efecto Biológico de la Radiación

EBR: efecto biológico relativo, depende de la radiación. Para los rayos X es 1, para los neutrones el 10.

Dosis equivalente: promedio de las dosis absorbidas en los tejidos u órganos. Unidad: sieverts.

Factor de calidad: expresión cuántica del cambio en el efecto biológico producido por una misma dosis de radiación electromagnética o corpuscular.

Dosis Efectiva

Se mide en sieverts y rem. Suma dosis efectiva de cada órgano / número de órganos.

Gónadas: 0,2
Médula ósea: 0,12
Vejiga: 0,05
Superficie ósea: 0,01
Mama: 0,05
Colon: 0,12
Hígado: 0,05
Pulmones: 0,12
Esófago: 0,05
Piel: 0,01
Estómago: 0,12
Tiroides: 0,05

Exposición Ocupacional, Médica y al Público

Exposición ocupacional: se produce en el trabajo como consecuencia del mismo.

Exposición médica: la que reciben las personas como consecuencia de tratamientos médicos o diagnósticos.

Exposición al público: la forman el resto de las exposiciones.

En las exposiciones se distingue entre: dosis superficial y dosis profunda. Las radiaciones poco penetrantes afectan a la dosis superficial. Las más penetrantes afectan a la dosis profunda.