Componentes y Funcionamiento del Tubo de Rayos X

Los equipos de rayos X son uno de los medios diagnósticos por imagen con más presencia en hospitales y clínicas de todo el mundo. Los fabricantes ofrecen distintos equipos con distintas características en cuanto a formas, medidas y rendimiento, que se adaptan tanto a las necesidades de un gran hospital como a las de una pequeña clínica dental o veterinaria.

Sea cual sea el diseño del equipo, el tubo de rayos X es el elemento principal. En él, la energía cinética de los electrones se transforma en fotones de rayos X al impactar con el ánodo en el interior del tubo. Estos fotones de rayos X se dirigen al paciente y crean la imagen diagnóstica.

Estructura del Tubo de Rayos X

1. Estructura Externa: Soporte, Carcasa y Envoltura

Los elementos de la estructura externa de un tubo de rayos X cumplen una doble función:

• Facilitan el manejo, orientación y posicionamiento del tubo en la posición correcta para la obtención de imagen.
• Protegen tanto al operador como al propio equipo.

A) Soporte

Los sistemas de soporte del tubo varían en función de las características del equipo. Habitualmente se pueden diferenciar cuatro tipos:

1. Soporte desde el techo: usa guías telescópicas articuladas con unos anclajes en el techo que permiten la orientación del tubo que determine el operador, tanto en altura como lateralmente.
2. Columna: está fijada al suelo o al suelo y al techo. Mediante unas guías, permite la rotación del conjunto del tubo para orientarlo como sea conveniente.
3. Brazo en C: permiten gran versatilidad de movimientos de rotación en diferentes planos, por lo que son usados en radiología intervencionista (Qx).
4. Otros soportes: son los equipos portátiles que incorporan brazos articulados orientables, incluso la posibilidad de no tener un soporte.

B) Carcasa o Revestimiento

No todos los rayos X que se producen en el tubo se dirigen hacia el paciente, existe un porcentaje de rayos que se propaga en cualquier dirección y con la misma intensidad que el haz primario.

La función de la carcasa es evitar que esta radiación dispersa salga al exterior y afecte al operador y al paciente (es lo que se conoce como radiación de fuga).

La carcasa está hecha de aluminio o acero con un revestimiento de plomo y cuenta con una apertura o ventana por la que sale el haz de rayos X.

En su interior contiene aceite que actúa de refrigerante del tubo y de aislante térmico.

El alto voltaje con el que funciona el tubo de rayos requiere que los cables y elementos de funcionamiento estén adecuadamente aislados dentro de la carcasa.

C) Envoltura

1. En su interior están el ánodo y el cátodo con sus componentes.
2. La envoltura del tubo puede ser metálica o de vidrio termorresistente (Pyrex). Aparte de tener que soportar altísimas temperaturas, debe mantener la estanquidad y preservar el vacío para maximizar la producción de rayos X.
3. El vidrio presenta una superficie de menor espesor bajo la copa focalizadora, que coincide con la ventana de la carcasa por la que sale el haz útil de rayos X.
4. Las envolturas actuales, tienden a incorporar metal, el cual tiene una vida útil más larga y menor efecto de oscurecimiento por vaporización de wolframio.

Sus formas son curvadas para evitar la concentración de electricidad estática (que tiende a acumularse en las esquinas).

2. Estructura Interna: Conjuntos de Ánodo y Cátodo

El conjunto de ánodos y cátodos forman los electrodos positivos y negativos entre los que se establece el flujo de electrones.

Ya dijimos que, la envoltura de vidrio (o de metal) mantiene el vacío en el interior del tubo para ayudar al desplazamiento electrónico y maximizar así su energía cinética.

A) Conjunto de Ánodo

El ánodo constituye el polo positivo del tubo de rayos X.

• Actualmente, los ánodos son de tipo rotatorio, es decir, se diseñan con forma de disco biselado que gira a altas revoluciones (entre 3400 y 10000 rpm) para ayudar a la disipación del calor y poder generar haces de rayos X de mayor intensidad en menor tiempo.

Existen también ánodos de tipo estacionario en equipos de rayos X en los que no se necesitan tensiones elevadas de funcionamiento, como es el caso de pequeños equipos portátiles.

Dado que sobre la superficie del ánodo es donde impactan los electrones proyectil, en su construcción se requieren materiales como el wolframio, el cual tiene unas características especiales:

• Tiene un elevado punto de fusión (el del W es de 3422ºC), que le permita soportar altas Tª que se generan dentro del tubo sin llegar a fundirse.
• Tener un elevado nº atómico (Z).
• Tener buenos valores de conductividad térmica que le permitan disipar calor.

Aunque el wolframio es el elemento principal, en la construcción de los discos se usan aleaciones de wolframio con otros elementos como: Renio Molibdeno Grafito

Estos elementos mejoran su comportamiento térmico y dinámico durante el funcionamiento.

B) Conjunto del Cátodo

• El cátodo constituye el polo negativo del tubo de rayos X.

Aunque su estructura más representativa es el filamento, el conjunto incluye además la copa focalizadora.

Filamento del Tubo de Rayos X

Es una espiral de hilo de secciones de entre 1 y 2 mm y con una longitud sobre los 7-15 mm.

Se construye con wolframio con una pequeña adición de Torio, el cual mejora su eficacia.

Los tubos de rayos X suelen tener dos filamentos de diferentes tamaños (doble foco o foco dual) dispuestos en paralelo (como en la imagen) o alineados uno a continuación del otro.

En ambos casos, el diferente tamaño del filamento condiciona la emisión de electrones e indirectamente la calidad de la imagen.

Algunas de las razones por las que se emplea el wolframio para fabricar los filamentos son:

• Tiene un elevado punto de fusión (el del W es de 3422ºC), que le permita soportar altas Tª que se generan dentro del tubo sin llegar a fundirse.
• Tener un elevado nº atómico (Z).
• Tener buenos valores de conductividad térmica que le permitan disipar calor.
• Una baja presión al vapor, es decir, el wolframio no se evapora fácilmente. Esto es importante para poder estimar la vida útil del tubo de rayos X.
• Su manipulación permite la forma de espiral con pequeñas secciones de hilo.
• Tiene facilidad para emitir electrones al calentarse por encima de determinadas temperaturas.

Se puede diferenciar los filamentos como:

• Foco grueso: es el filamento de mayor longitud y se usa cuando se necesita una alta producción de rayos X, como, por ejemplo, en zonas del cuerpo con gran espesidad, como el abdomen.

Foco fino: es el filamento más pequeño y se usa cuando se necesita mejor resolución.

Copa Focalizadora

• Es la estructura en la que se encuentran los filamentos.
• Su posición está desplazada con respecto al eje central del tubo, puesto que debe estar alineada con el foco térmico del ánodo.

En su diseño se incorporan elementos que producen una focalización geométrica del haz de electrones. Además, se mantiene cargada negativamente, con lo que evita la dispersión de los electrones que se produciría como consecuencia de la interacción electrostática entre ellos durante la emisión.

Principios de Funcionamiento del Tubo de Rayos X

En el tubo de rayos X, los electrones proyectil que darán lugar a los rayos X, se emiten desde el filamento por un proceso llamado emisión termoiónica.

En este proceso, los electrones de la capa exterior de los átomos del filamento pueden ser expulsados del átomo como consecuencia del incremento en su energía cinética causado por el aumento de Tª que genera el paso de corriente por el filamento.

Cuanto más elevada es la Tª del filamento, mayor es la excitación en sus átomos y mayor es el nº de electrones que se emiten.

Así, cuando ponemos en funcionamiento el equipo de rayos X, el filamento empieza a calentarse por efecto del paso de una corriente de baja tensión.

Una vez alcanzada cierta Tª, pequeñas variaciones de Tª (o en la corriente que pasa por el filamento) producen grandes cambios en la emisión de electrones.

Radiación Dispersa: Rejillas y Restrictores del Haz de Rayos X

En una exposición radiográfica, podemos ver diferentes fenómenos de interacción de rayos X al ser emitidos:

• La radiación directa está formada por el haz que sale por la ventana del tubo de rayos X. Este haz sale por la envoltura y la carcasa (mecanismos inherentes) y por los filtros de restricción y colimación (mecanismos añadidos).
• La radiación de fuga es la que sale a través de la coraza de plomo en la que está encapsulado el tubo y que no forma parte del haz útil. Esta radiación debe ser mínima.
• Al interaccionar con el paciente, una parte del haz directo es absorbido por los tejidos.
• Otra parte de los fotones atraviesa al paciente (haz primario).

Por último, existe una cantidad apreciable de fotones que son dispersados en direcciones múltiples desde el cuerpo del propio paciente. Esta radiación forma el haz disperso transmitido.

La intensidad de la radiación dispersa depende de: kVp: Pico de kilovoltaje (kVp), se define como el kilovoltaje máximo o pico de voltaje.Del tamaño del campo Del grosor del paciente

En los 3 casos, existe una relación directa con el incremento de la radiación dispersa, es decir, cuando aumenta cualquiera de estos factores aumenta también la radiación dispersa.

1. Dispositivos Restrictores del Haz de Radiación

Diafragmas de apertura, Conos y cilindros, Colimador

Diafragmas de apertura Son unos marcos metálicos (fundamentalmente de plomo) situados próximos a la ventana de la carcasa del tubo de rayos X.

La superficie de paso para el haz de rayos X es menor que la del receptor de imagen (generalmente 1 cm menor por cada lado), como se ve en la imagen.

Conos y cilindros Son accesorios complementarios a los diafragmas. -Su función es limitar aún más el haz de rayos X para ajustarlo a un tamaño y forma requerido (normalmente circular).

--Su uso preferente es la radiografía de áreas pequeñas como el oído o los senos paranasales frontales y maxilares.--Suelen ser metálicos con adición de plásticos, y en su colocación debe prestarse atención al correcto alineamiento. Colimador --El colimador es el componente de restricción más empleado durante las exposiciones radiográficas. Se encuentra unido a la carcasa del tubo de rayos X y es relativamente voluminoso.

Los colimadores contienen varios niveles de láminas de plomo, cada uno de los cuales consta de dos pares de láminas planas perpendiculares entre sí.

Estas láminas pueden moverse a voluntad del operador para ampliar o reducir el tamaño del haz de radiación.

El sistema incorpora también una luz de simulación de la geometría del haz de rayos X (se consigue con una lámpara colocada lateralmente, que emite luz sobre un espejo inclinado que la refleja en la dirección adecuada).

Como es obvio, es importante que el haz de luz esté perfectamente alineado con el haz de radiación ya que, en caso contrario, se producirían problemas con el área irradiada.

2. Rejillas Antidifusoras

La rejilla antidifusora (o parrilla antidifusora) es un elemento diseñado para reducir la radiación dispersa que se coloca entre el paciente y el receptor de imagen.

Esta rejilla está formada por una serie de láminas de plomo (radiopacas) separadas por bandas de plástico o aluminio (radiotransparentes).

La rejilla es un elemento muy eficiente, ya que elimina el 90% de la radiación dispersa, si bien es cierto que absorbe también parte de la radiación directa, por lo que su utilización implica valores más altos en los parámetros de exposición, con un moderado incremento de la dosis recibida por el paciente.

Para entender el rendimiento de una rejilla, hay que tener en cuenta varias referencias, que son las siguientes: Relación o índice de rejilla (r) ---Frecuencia o densidad de rejilla ---Factor de mejora de contraste (K) --Factor rejilla o factor Bucky (B)

Relación o índice de rejilla (r)

Expresa la relación entre la altura de las láminas (h) y la distancia entre ellas (D), expresándose como:r=h/D

Al aumentar la altura (h) o reducir el espacio (D), la rejilla aumenta su eficacia para absorber radiación, puesto que absorbe mayores rangos de angulación de la radiación dispersa.

El rango de índices de rejilla más empleados en radiología convencional es de 8 a 12.

Mesas, Dispositivos Murales y Exposímetros

Las mesas y dispositivos murales (también llamados estativos o Bucky mural) son elementos que forman parte de la sala de rayos y permiten la realización de exploraciones en óptimas condiciones.

1. Mesas de Exploración Radiográfica

La mesa normalmente es de altura regulable, debe contar con un tablero radiotransparente de diseño ergonómico y que proporcione comodidad al paciente y al operador. En ocasiones, el tablero es deslizable en el plano paralelo al suelo contando con control de posición electrónico mediante un pedal (en la base de la mesa). También cuenta con un control de bloqueo, que evita el movimiento de la mesa y con un botón de parada de emergencia, que detiene el movimiento de esta. Las mesas telecomandadas para exploraciones especiales ofrecen también la posibilidad de inclinar el plano de exploración.

La mesa no solo cumple la misión de mantener al paciente, sino que proporciona los espacios en los que se alojan el receptor de imagen, los exposímetros automáticos y la rejilla antidifusora, incorporando además los elementos mecánicos que permiten el movimiento del conjunto.

2. Dispositivos Murales

Los dispositivos murales son elementos que contienen el receptor de imagen (o en su caso el chasis) y la rejilla que se emplean en procedimientos que no se realizan en la mesa de exploración.

Pueden deslizarse por una columna en vertical para situarse en la posición adecuada, bascular u orientarse en posición horizontal.

En su superficie pueden contar con una serie de líneas de referencia que corresponden a los valores preestablecidos de colimación automática y a las marcas de localización de los exposímetros automáticos.

3. Exposímetros Automáticos

Los exposímetros son los elementos que permiten medir y regular la cantidad de radiación que alcanza al receptor de imagen durante una exposición.

La mayoría de los equipos incorporan la opción de activación de un sistema de control automático (control automático de exposición, CAE).

Una vez activado, cuando el exposímetro ha recibido una cantidad de radiación que permite una densidad óptima de la imagen, detiene la exposición.

Existen diferentes tipos de controladores de exposición, siendo el más frecuente el sistema de cámara de ionización calibrada a un determinado nivel de densidad óptica.

Generalmente dispone de 3 detectores, seleccionables en función del tipo de exploración.

Es muy importante entender que el uso del CAE no implica necesariamente una radiografía impecable: el correcto posicionamiento de la zona a radiografiar sobre los exposímetros, la calibración y la adecuada selección de parámetros por parte del operador son fundamentales.

Receptores de Imagen

Los receptores de imagen son los dispositivos donde los rayos X forman una imagen latente que debe procesarse (electrónicamente) para convertirse en una imagen diagnóstica que pueda almacenarse, manipularse, imprimirse en papel, etc.

Actualmente conviven dos técnicas de obtención de imagen digital: la radiografía computarizada (CR) la radiografía digital directa (DR o DDR).

1. Radiografía Computarizada

Desde finales de los años 70 del siglo pasado, diferentes compañías empezaron a trabajar en alternativas a la tradicional película radiográfica, cuyo uso suponía un procedimiento de revelado incómodo y costoso.

El resultado fue la aparición de los sistemas de radiografía computarizada (CR, en inglés computed radiography) que utilizaban placas o pantallas fotoestimulables como forma temporal de almacenamiento de la imagen latente.

Estas placas se colocan dentro de chasis o casetes (imagen). Suelen ser de plástico o fibra de carbono y de tamaños de 15x30 cm hasta 30x90 cm.

Una vez que el receptor se ha expuesto a la radiación, el operador coloca el chasis en un lector de placas o procesadora de imágenes, donde se somete a un proceso electrónico y del que se obtiene la imagen radiográfica.

2. Radiografía Digital Directa

El sistema de radiografía digital directa (DR, del inglés direct digital radiography), no necesita ser procesado en el equipo lector de placas, sino que el propio receptor DR está incorporado en la camilla de exploración o en el estativo mural y transfiere la información a un ordenador de manera inmediata tras realizar la exposición.

Los receptores DR consiguen la imagen de manera directa o semidirecta mediante el uso de detectores (flat panels) que transforman los fotones en una señal eléctrica que puede ser procesada por un software y transformada en imagen en apenas un segundo.

Actualmente, la conexión entre estos paneles y el ordenador que procesa la imagen puede usar tecnología Wireless, por lo que algunos de estos receptores de imagen no usan cables.

Consola de Mandos

La consola de mandos es el elemento que permite controlar todos los parámetros técnicos de exposición y seleccionar determinadas opciones de funcionamiento del equipo de rayos X.

De manera general se dispone de botones de control para: Encendido y apagado del equipo. Selector de kVp (Pico de kilovoltaje) Selector de mA (amperes) Selector de tiempo de exposición.

Selector de tipología anatómica. Selector de colimación automática. Selector de foco fino y grueso. Tipo de proyección (AP, LAT). Botón y mando disparador de preparación y exposición. Display multifunción que permite diferentes opciones en función del fabricante ( selección de región anatómica, ajustes de densidad, distancia foco-receptor, angulación del tubo… ).

Tras encender el equipo y antes de realizar la primera exposición, es necesario seguir un protocolo de calentamiento del tubo que consta de una serie de disparos a diferentes valores de exposición impuestos por cada fabricante.

Frecuencia o densidad de rejilla

Es una medida del número de láminas de plomo por centímetro de superficie. Se habla de rejillas de alta frecuencia para referirse a aquellas que tienen muchas láminas de plomo por cm (30-40 láminas/cm), pero más finas. Presentan mayor absorción y, por tanto, menor degradación de la imagen por radiación dispersa. Si la frecuencia de la rejilla es baja, aparecen las denominadas líneas de rejilla (en argot profesional se habla de imagen emparrillada), que suponen un deterioro de la calidad de imagen.

Para resolver este problema, los equipos de rayos X incorporan un sistema de movimiento de rejilla durante la exposición (rejillas móviles).

Factor de mejora de contraste (K)

Ofrece una comparación del nivel de contraste de la imagen al realizarla con y sin rejilla. Este valor se puede obtener dividiendo el contraste con rejilla/contraste sin rejilla.

Si el valor de mejora es igual a 1, se podría afirmar que la rejilla no ha mejorado el contraste de la imagen. Habitualmente el factor de mejora está en torno a 2 - 2,5, por lo que se acepta que el uso de la rejilla duplica el nivel de contraste radiográfico.

Factor rejilla o factor Bucky (B)

Es un valor que indica la medida en la que debe aumentarse la exposición para compensar la parte de radiación primaria que absorbe la rejilla. Matemáticamente se expresa como exposición con rejilla/exposición sin rejilla. Resulta de gran importancia para la calidad de imagen la adecuada instalación de la rejilla en su soporte y la correcta orientación con respecto al tubo de rayos X, así como un control y mantenimiento del funcionamiento de estas.