Procesamiento de imágenes de rayos X

Procesamiento de imágenes de rayos X: ¿cómo se producen los rayos X?

Los rayos X se producen utilizando un tubo de rayos X, que puedes ver en la imagen inferior. Es un tubo de vacío que puede convertir una entrada eléctrica en rayos X. Su cámara de vacío contiene un cátodo o filamento, que es un electrodo cargado negativamente, y un ánodo giratorio, que es un electrodo cargado positivamente.

He aquí una explicación simplificada del proceso de producción de rayos X:

1. Los electrones se descargan desde un filamento caliente en el cátodo o terminal negativo. Esto también se conoce como emisión termoiónica. La emisión termoiónica se produce cuando se transfieren grandes cantidades de energía térmica a los electrones de los metales y éstos se descargan del metal.
2. El haz de electrones se dirige hacia el ánodo cargado positivamente.
3. Entre los dos electrodos se produce una tensión de unos 200 kiloelectronvoltios (keV).
4. Cuando los electrones llegan al ánodo a gran velocidad, pierden alrededor del 1% de su energía cinética por el impacto, que se emite en fotones de rayos X. La energía es liberada por los electrones de la capa exterior, que se desplazan a niveles energéticos inferiores.
5. La energía restante se convierte en calor. El ánodo de wolframio gira a 3000 revoluciones por minuto para refrigerarsey minimizar el sobrecalentamiento.

Cálculo de la energía de un rayo X

Cuando un electrón se acelera, gana una energía igual a un electronvoltio (eV). Podemos calcular la energía máxima ganada utilizando la ecuación siguiente. Observa que e es la carga de un electrón medida en culombios (1,6 ⋅ ^10-9C), V es la tensión a través del ánodo en voltios, h es la constante de Plank en julios por segundo (6,63 ⋅ ^10-34J-s), _fmax es la frecuencia máxima en hercios (Hz) y c es la velocidad de la luz en metros por segundo (3 ⋅^108m/s).

\[E_{max} = eV = h \cdot f_{max} = \frac{hc}{\lambda_{min}}]

Podemos hallar la frecuencia máxima y la longitud de onda mínima de un rayo X reordenando las ecuaciones anteriores:

\[f_{max} = \frac{eV}{h} \lambda_{min} = \frac{hc}{eV}]

¿Qué es el procesamiento digital de imágenes de rayos X?

El procesamiento digital de imágenes es el proceso que se realiza en las imágenes digitales de rayos X para mejorar o suprimir partes específicas de una imagen con el fin de proporcionar un diagnóstico claro.

¿Cómo se forman las imágenes de rayos X?

Como ya hemos dicho, los rayos X se forman cuando electrones muy energéticos inciden en un ánodo y liberan energía en forma de fotones. Estos fotones se absorben parcialmente cuando atraviesan los materiales. La cantidad de absorción depende del tipo de material o sustancia.

Detrás de la zona de interés se coloca un casete, que contiene una película resistente a la luz y una pantalla fluorescente intensificadora.

• Cuando los rayos X penetran en los tejidos blandos del cuerpo, como órganos y músculos, estos tejidos no pueden absorber la radiación, por lo que los rayos X atraviesan el cuerpo, dejando atrás el casete. El paciente se expone a grandes cantidades de radiación y, como resultado, la película aparece negra en esos puntos.
• Cuando los rayos X penetran en el cuerpo a través de tejidos duros, como los huesos, estos tejidos absorben grandes cantidades de radiación, por lo que la película queda expuesta a mucha menos radiación. Como resultado, la película parece blanca o gris.
• La pantalla intensificadora se vuelve fluorescente y emite una luz que crea la imagen en la película radiográfica.

Hoy en día, el casete se sustituye por un ordenador. La radiografía digital (RD) es un método moderno que produce instantáneamente una imagen radiográfica digital en un ordenador utilizando placas sensibles a los rayos X para obtener datos durante el examen. Los datos obtenidos se transfieren instantáneamente a un ordenador sin utilizar un casete. La RD aumenta la calidad de la imagen y ahorra tiempo.

La importancia de la atenuación de los rayos X

La atenuación de los rayos X se produce cuando el número neto de fotones que entran en la materia se reduce por absorción y dispersión.

He aquí laecuación para calcular la intensidad de los rayos X transmitidos a travésde una sustancia en relación con la intensidad inicial del haz:

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

La intensidad del haz reflejado I y del haz incidente _I0 se miden en W/m2⁽ vatio por metro cuadrado), el coeficiente de absorción μ se mide en ^m-1, y la distancia recorrida a través de una sustancia x se mide en m. La intensidad disminuye con la distancia de absorción. Esto es un problema, ya que la calidad de la imagen depende de los rayos X reflejados.

Factores de calidad de la imagen radiográfica

El procesamiento de imágenes digitales de rayos X es un proceso para obtener imágenes radiográficas digitales de alta calidad en términos de maximización de detalles importantes o supresión de detalles no deseados en la imagen según los requisitos necesarios para un diagnóstico adecuado. La parte más crítica del procesamiento de imágenes se realiza cuando se fabrica una máquina de rayos X, pero es necesario un procesamiento posterior. A continuación se enumeran algunos de estos factores del procesamiento digital de imágenes.

• Elcontraste es la diferencia en el grado de oscuridad entrelas estructuras. Un mayor contraste significa que la imagen será más clara en cuanto a las diferencias entre tejidos. El contraste se aumenta utilizando un nivel eficaz de dureza de los rayos X, normalmente rayos X duros para los huesos y rayos X blandos para los tejidos. A veces también se administra al paciente un agente de contraste, que es una sustancia que modifica temporalmente la interacción del cuerpo del paciente con los rayos X.
• Lanitidez mide la claridad de los bordes de la estructura de una imagen radiográfica. Una mayor nitidez significa que los bordes de cada estructura pueden verse con mayor claridad. La nitidez se mejora utilizando un haz de rayos X estrecho, disminuyendo el tamaño de los píxeles o reduciendo la dispersión de los rayos X con una rejilla de plomo. También es necesario cambiar la energía de los rayos X en kV en función del contraste para obtener imágenes de una parte concreta del cuerpo. Cada parte del cuerpo tiene diferentes capacidades de contraste debido a su composición. Por ejemplo, los pulmones tienen un alto contraste físico debido al aire.
• Lamejora espacial es una técnica de procesamiento digital que consiste en utilizar filtros espaciales para resaltar o minimizar características concretas de una imagen en función de su frecuencia espacial. La frecuencia espacial mide la frecuencia de los distintos tonos que aparecen en una imagen. Las zonas texturizadas de una imagen (en las que los tonos no aparecen suaves en zonas pequeñas) tienen frecuencias espaciales altas, y las zonas con tonos suaves y una variación tonal relativamente ligera en zonas pequeñas tienen frecuencias espaciales bajas.
• Reducción del sonido. Parte de la radiación de rayos X es interceptada por la propia máquina de rayos X o por objetos cercanos. Esto se conoce como dispersión y hace que los ruidos externos afecten a la imagen radiográfica. Es necesario reducir el ruido para que la imagen de rayos X sea clara y no contenga información irrelevante.

Algoritmos de procesamiento de imágenes de rayos X

Se utilizan distintos algoritmos para aplicar las técnicas de procesamiento de imágenes mencionadas anteriormente. Se trata de un procedimiento automático utilizado para mejorar la calidad de la imagen radiográfica. A continuación se enumeran algunos algoritmos utilizados para aplicar las técnicas de procesamiento digital de imágenes.

• Losfiltros de paso bajo se utilizan para la mejora espacial, que enfatiza las áreas con frecuencias espaciales bajas. Esto se consigue dejando pasar las frecuencias espaciales bajas y bloqueando las altas. Los filtros de paso bajo se utilizan para suavizar el aspecto de una imagen.
• Los filtros de pasoalto se utilizan para la mejora espacial y actúan resaltando las zonas con frecuencias espaciales altas. Esto se consigue dejando pasar las frecuencias espaciales altas y bloqueando las frecuencias espaciales bajas. Los filtros de paso alto se utilizan para dar nitidez a los detalles finos de una imagen.
• Losfiltros direccionales o de detección de bordes realzan los rasgos lineales u orientados en direcciones concretas. Estos filtros se utilizan en geología para la detección de estructuras geológicas lineales.
• Elestiramiento del contraste lineal es un filtro que evalúa el brillo máximo y mínimo de una imagen y amplía esta relación a un área mayor. De este modo, se multiplican las zonas de brillo máximo y mínimo. Esto resalta el contraste en la imagen al tener más claras las sombras oscuras y claras.