Absorción de Rayos X

Diferentes tipos de absorción de los rayos X

Existen cuatro mecanismos principales de atenuación de los rayos X, y dependen de la energía del fotón incidente. Los cuatro tipos consisten en dos absorciones de rayos X de dispersión y dos de absorción .

Dispersión simple (Rayleigh)

La dispersión simple afecta a los fot ones de baja energía en el rango de uno a 20 kiloelectronvoltios (keV). Estos fotones no tienen energía suficiente para desplazar un electrón al colisionar con los átomos. El campo eléctrico oscilante de un fotón de rayos X interactúa con un átomo del tejido, lo que induce una fuerza entre ellos. Esta fuerza altera la trayectoria del fot ón y provoca la dispersión.

Como la masa del fotón es mucho menor que la del átomo, se desvía de su trayectoria y se dispersa sin cambio de momento. Normalmente, el fotón sigue viajando hacia delante dispersado; sin embargo, existe una baja probabilidad de que se desvíe hacia atrás tras una colisión frontal con el núcleo de un átomo. Este tipo de dispersión sólo contribuye en menor medida al coeficiente de atenuación, ya que los rayos X utilizados en la obtención de imágenes suelen tener una energía superior a 20 keV.

Dispersión Compton

La dispersión Compton se produce cuando un fotón de rayos X con una energía comprendida entre 30 keV y cinco MeV (megaelectronvoltios) colisiona con un electrón de un átomo tisular. Estos fotones tienen energía suficiente para expulsar al electrón de su órbita atómica superando su energía de enlace. Los fotones también transfieren parte de su energía al electrón en el proceso. El nuevo fotón de menor energía también es dispersado por la interacción, lo que da lugar a este tipo de dispersión, que produce tanto un electrón libre como un fotón de rayos X dispersado de menor energía.

Absorción por efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico afecta a los fotones con energías inferiores a 100 keV. En este rango, los fotones de rayos X pueden tener unaenergía igual a la energía de enlace de la corteza de los átomos del tejido. Esto permite que el fotón y su energía sean absorbidos por el átomo, y la energía se transfiere a un electrón que es expulsado del átomo. Esto crea un átomo ionizado en un estado energético superior , que vuelve a su estado básico emitiendo rayos X con una longitud de onda característica del tipo de átomo. Estos rayos X emitidos se encuentran en un nivel de energía diferente al del fotón incidente y no viajarán de forma coherente con los fotones de rayos X de la fuente.

Absorción por producción de pares

Este mecanismo afecta a los fotones de muy alta energía , superiores a 1,022MeV. En estos niveles de energía, un fotón puede interactuar conelnúcleo de un átomo, transfiriendo toda su energía para producir un electrón y un positrón. Estas antipartículas pueden viajar una corta distancia antes de interactuar entre sí (o con otros electrones/positrones cercanos), donde se aniquilan y se transforman en un par de fotones de 511 keV. El par de fotones recién producidos viaja desde el punto de aniquilación en direcciones diametralmente opuestas, lo que garantiza la conservación del momento. El efecto de la absorción por producción de pares crece a medida que aumenta la energía del fotón, lo que significa que es el mecanismo dominante a altas energías.

Resumen de los distintos tipos de absorción de rayos X

Los fotones de baja energía se atenúan más fácilmente que los de mayor energía durante las exploraciones con rayos X. Esto se debe a que la probabilidad de absorción fotoeléctrica (el principal mecanismo de atenuación en los niveles de energía de la exploración con rayos X) es proporcional a (Z/E)³, donde Z es el número atómico de los átomos del tejido y E es la energía del fotón de rayos X.

Esto también significa que los fotones de menor energía del haz de rayos X se absorben, por término medio, antes a medida que atraviesan al paciente, lo que da lugar a un aumento de la energía media de los fotones desde la parte anterior a la posterior del paciente. Dado que es más probable que se absorban los fotones de baja energía, la dosis de deposición de energía es mayor enlapiel del paciente y disminuye a medida que el haz lo atraviesa.

Implicaciones de la atenuación en el procedimiento radiográfico

Dado que la mayor parte de la deposición de energía se produce cerca de la piel, uno de los riesgos de los rayos X son las lesiones cutáneas. Este riesgo es mayor en los pacientes de mayor tamaño, ya que necesitarán dosis más altas para que el haz penetre en las partes del cuerpo y produzca una imagen útil.

Los coeficientes de atenuación pueden estimar qué tipos de tejido representan las distintas regiones en función de la cantidad de atenuación de la intensidad inicial del haz.

Fórmula de absorción de los rayos X: coeficiente de atenuación

Los cuatro mecanismos principales de atenuación de descritos anteriormente muestran que, para fotones con una energía determinada, el material (influencias Z) y el grosor del tejido controlan la cantidad de atenuación que sufre el haz de rayos X. La intensidad de los rayos X transmitidos a través de una sustancia en relación con la intensidad inicial del haz viene dada por la siguiente ecuación.

\[I = I_0 \cdot e^{-\mu x}\]

_I0 es la intensidad inicial de los fotones, x es el grosor del tejido (distancia recorrida) y μ es el coeficiente de atenuación lineal para la energía del fotón. Los valores mayores de μ indican una mayor atenuación de los rayos X, lo que significa que sustancias como el hueso tienen un coeficiente mayor que los tejidos blandos. Launidad SI de los coeficientes de atenuación es ^m-1.

Efecto de la atenuación sobre la dosis

Si queremos producir una imagen de rayos X con un buen nivel de detalle, la placa detectora digital necesita medir un número de fotones lo suficientemente grande como para destacar sobre elruido de fondo . El ruido procede de fotones que se han dispersado al viajar por el cuerpo, o puede llegar aleatoriamente de una fuente alternativa. La relación entre los fotones no atenuados del haz de rayos X (señal) y el ruido de fondo es la relación señal-ruido(SNR). En rayos X, la SNR está relacionada con el número de fotones N en la dosis de rayos X.

\[SNR \propto \sqrt N\]

La SNR mejora a medida que aumenta el número de fotones, produciendo una imagen con más detalles útiles.

Podemos aumentar el número de fotones de dos formas: prolongando el tiempo de exposición (mA) o aumentando el voltaje de aceleración en el tubo de rayos X (como N \(\propto\) ^KV3).

El aumento del nivel de energía de los fotones también hace que el tejido del paciente atenúe una proporción menor, lo que compensa la mayor energía de los fotones y hace que se absorba una dosis total menor. Sin embargo, como el nivel de energía de los rayos X aumenta y la tasa de atenuación disminuye, el nivel de contraste de la imagen producida es más pobre debido a la atenuación que crea el contraste entre los tipos de tejido. Por lo tanto, para equilibrar el contraste de la imagen, el ruido y la dosis del paciente es necesario un compromiso entre la energía de los fotones/tensión de aceleración y el tiempo de exposición.

Medios de contraste

Algunos tejidos blandos tienen coeficientes de atenuación demasiado bajos para crear suficiente contraste en una imagen radiográfica, por lo que podemos utilizar medios de contraste para mejorar la visibilidad de estas estructuras. Los compuestos de bromo o yodo son los dos medios de contraste más utilizados, ya que son inocuos para el ser humano y tienen números atómicos grandes (Z), que representan átomos grandes con muchos electrones.

El principal mecanismo de atenuación de las imágenes de rayos X es el efecto fotoeléctrico. Como éste se basa en la colisión del fotón entrante con un electrón, los átomos más grandes con mayor número de electrones tienen más probabilidades de causar dispersión fotoeléctrica que los más pequeños. Por ello, el coeficiente de atenuación fotoeléctrica es proporcional al cubo del número atómico (μ \(\propto\) ^Z3), lo que hace que el yodo o el bromo sean mucho más absorbentes que los tejidos blandos, que contienen principalmente átomos más pequeños. Esto permite inyectar estos compuestos en los vasos sanguíneos o en el tubo digestivo para captar imágenes de rayos X de las estructuras de los tejidos blandos.