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Introducción a la Radiografía

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

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Introducción a la Radiografía

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Presentation Transcript

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

  2. Puntos a ver: • Introducción • Generación de Rayos X • Atenuación de Rayos X • Detección y formación de la imagen

  3. Puntos a ver: • Introducción • Generación de Rayos X • Atenuación de Rayos X • Detección y formación de la imagen

  4. M L L K K K K +20 +6 +2 +1 2He 1H 6C 20Ca Introducción Modelo Atómico • Átomos Modelo Bohr • Z= nro de protones • En estado normal son neutros eléctricamente. • Los electrones se encuentran en niveles de energía que rodean al núcleo. 42Mo

  5. Energía de Ligadura KeV Nivel y Ocupación Nivel y Ocupación Energía de Ligadura KeV 2 P -0,02 -0,06 12 O 1 N -0,01 32 N -0,5 Nivel y Ocupación Energía de Ligadura KeV 18 M -0,07 -0,93 8 L 18 M -2,5 -0,01 4 L 29Cu 2 K -0,28 6C 74W 2 K -8,98 8 L -10,2 2 K -69,5 Introducción Configuración Atómica

  6. Introducción • Energía de ligadura (“binding energy”) • Energía requerida para separar completamente un electrón del átomo. Mientras más cerca esté el e- del núcleo mayor es esta energía. 1 eV: Energía cinética que toma el electrón que es acelerado a través de un campo de 1 Volt. 1eV = 1,6 x 10-19 J

  7. 10 Volts 1Volt + + + + + + + + - - - - - - - - e- e- e- e- Introducción Cada e- tiene 10eV de energía cinética. El e- tiene 1eV de energía cinética.

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

  9. Energía de un fotón • Fotón cuya λ = 10-10 m (1 Å) • E = hע • λע =c => E =hc/ λ • h: cte. de plank 6.6256 x 10-34 J s • c: v de luz. 3 x 108 m/s • Recordando que 1 eV = 1.6021 x 10-19 J • => hc = 1,2406 x 10-6 eV m • La energía necesaria para obtener fotones de long de onda de 0.1 Nm E= 1,2406 x 10-6 eV m / 10-10 m = 12 keV • λu = 1.24 x10-6 / E Si E es el voltaje de aceleración (en Volts) que es numéricamente igual a la energía de los electrones en eV, las longitudes de onda de los rayos X producidos son menores o iguales que el umbral λu

  10. Puntos a ver: • Definición de Rayos X • Generación de Rayos X • Atenuación de Rayos X • Detección y formación de la imagen

  11. Orígenes Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) Rayos-X 1895

  12. Generación de Rayos X • Criterios de diseño de generador de Rx: • Producir suficientes rayos X en corto tiempo • Poder variar la energía de los rayos • Proveer Rayos X en forma reproducible Cumplir con los estándares de seguridad

  13. e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- electrones I I I _ mA mA mA + Generador HV Generación de rayos X ánodo cátodo blanco rayos X

  14. Conceptos: • Bremsstrahlung (Bremsung: frenado / Stralung: radiación) • Rayos X debidos a la desaceleración de los electrones en el ánodo. Transferencia de energía cinética e interacción con los átomos del ánodo. • 2. Un segundo proceso ocurre cuando los e- incidentes tienen la energía suficiente para sacar electrones de las capas más internas dejando un estado vacante, por ej. en la capa K. Al ser ocupado este hueco se produce emisión de energía, rayos X característicos Estas radiaciones son independientes del voltaje aplicado, pero dependen del material del cátodo.

  15. + Radiación Blanda e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Bremsstrahlung

  16. + Radiación Dura e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Bremsstrahlung

  17. Espectro del Breemstralung

  18. Energía KeV Energía KeV Nivel y Ocupación Nivel y Ocupación 2 P 2 P -0,02 -0,02 -0,06 -0,06 12 O 12 O 32 N 32 N -0,5 -0,5 18 M 18 M -2,5 -2,5 Rayos L Rayos k 74W 74W e- e- e- e- 8 L 8 L -10,2 -10,2 2 K 2 K -69,5 -69,5 Emisión característica Transiciones electrónicas: emisión característica Efc=EbK - EbL

  19. Emisión característicaEspectro

  20. Espectro para el Mo

  21. Intensidad de los Rayos X • I = Nro.Fotones x Energía • Factores que intervienen: • Material del Blanco (I ∞ Z del material, Tungsteno Z=74 o Molibdeno Z=42) • Corriente de tubo (mA) aumentando la corriente aumento la intensidad. • Voltaje de aceleración • Filtrado: con aluminio, de forma de eliminar los rayos x de poca energía a ser transmitidas al paciente

  22. Espectro para diferentes materiales del ánodo

  23. Cambio de corriente de tubo

  24. Cambio en el voltaje de tubo

  25. Tubo de Rayos X • Es un convertidor de energía, transforma energía electrica en calor y Rx. • Contiene dos elementos fundamentales: • Ánodo: • componente donde se producen los rayos X. • Cátodo: • Component cuya función es expeler electrones y dirigirlos hacia el ánodo.

  26. Ánodo • 2 funciones fundamentales: • Disipar temperatura lo más rápidamente • Generar rayos X • Materiales • Tungsteno Z=74 • Molibdeno (como base y superficie) Z=42 • Rhenio Z=45 • Rotatorio disipar calor • Focal spot: zona donde se producen los rayos X, 0.1mm a 2mm • Pequeño buena definición en la imagen (- sombras), y poca radiación. • Grande buena disipación de calor

  27. Anodo

  28. Cáthodo • Filamento • Los e- que fluyen a través de un circuito eléctrico no escapan del conductor al espacio libre. • Emisión Termoiónica • Corrientes de aprox. 3 a 7 A.

  29. Cátodo Ánodo Taza enfocadora (focusing cup)

  30. Tubos • El tubo es la parte del equipo más exigida • Eléctrica (hasta 300KVolts) • Térmica • Solo el 1% de la energía entregada al tubo es convertida en rayos X el 99% restante se transforma en calor! • 2 tipos de tubos: • Estacionarios • Rotatorios

  31. Estacionarios Fines terapéuticos 30KV y 4KW

  32. Vidrio o metal vacío Ánodo W Estator Mo Catodo, filamento, taza enfocadora Aspectos constructivosTubo de rayos X Rotor Ventana Diagnóstico Hasta 100KW

  33. 2700 ºC 1700 ºC

  34. Generación de Alto Voltaje

  35. Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia

  36. Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia

  37. Generación de Alto VoltajeBaja frecuencia • Obtener alta tensión en continua, el ánodo se conecta al polo negativo y el cátodo al polo positivo. • Tener en cuenta: • Línea estable a la entrada • Cambios rápidos en la entrada se reproducen en la salida. • Ripple a la salida • Gran volumen de equipos!

  38. S3 S1 + Carga Uin Ucarga S2 S4 Generación Alto voltajeAlta frecuencia • Inversores Uin Ucarga S1S4 S1S4 S3S2

  39. Rectificacion onda completa Fuente trafo Inversor Rectificacion onda completa Banco de C Trafo Banco de C Generación Alto voltajeAlta frecuencia

  40. Puntos a ver: • Introducción • Generación de Rayos X • Atenuación de Rayos X • Detección y formación de la imagen

  41. Atenuación Dispersión Transmisión Absorción

  42. Absorción • La imagen de rayos X se forma a partir de la diferencia entre aquellos rayox que fueron absorbidos por efecto fotoeléctrico y los que no (Absorción diferencial). • La mayoría de los rayos interaccionan por el efecto Compton. Por lo que la imagen obtenida no estan nítida como la de una fotografía. • Por lo general menos del 5% de los rayos X incidentes llegan al film. Y menos del 1% tienen suficiente energía para interactuar con el film y generar la imagen. • Es importante elegir el óptimo valor de KVp que maximizará la absorción diferencial, bajo KVp aumenta la absorción pero incrementa la dosis al paciente.

  43. Atenuación de Rayos X Io Ix 0 x Ix < Io con ∆I = Io – Ix Al atravesar un material la intensidad del rayo disminuye.

  44. Z grande Z chico Atenuación rayos X 1. Nro. Atómico ∆I ∞ Z3 (Mayor probabilidad de efecto fotoelectrico) Mayor atenuación El contraste en rayos X es una medida de absorción entre tejidos de distinta composición. Tejido blando Zeff= 7,4

  45. ρ grande ρ chico Atenuación rayos X 2. Densidad del material (efecto Compton) Mayor atenuación Todos los elementos tienen aproximadamente el mismo nro. de electrones por unidad de masa. Por lo que la probabilidad de reacciones Compton son independientes del Z. La dispersión de fotones toma distintas direcciones, aunque la dirección privilegiada es la del fotón incidente.

  46. Efecto Compton: El fotón incidente interacciona con un electrón atómico desviándose y perdiendo energía. El electrón sale despedido, produciéndose un vacante en el átomo blanco. La energía del fotón rechazado resultante de un efecto Compton viene dada por: Ej. Foton con E de100 KeV para ө =10º el fotón “dispersado” tendrá 98,7 KeV

  47. s I0 If µ(x) 3. Espesor del material Modelo matemático para atenuación Δx Tomando el espesor del material y µ coeficiente de atenuación

  48. µ crece Modelo matemático II • Suponiendo que µ es cte para una pared delgada. Ix =I0 exp(-µx)

  49. Valores típicos del Coeficiente de atenuación en cm-1

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