Estudio de los equipos de Rayos X y tomografía de uso médico y el uso de tecnología de inversiones en la generación de Rayos X

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

ESTUDIO DE LOS EQUIPOS DE RAYOS-X Y TOMOGRAFÍA DE

USO MÉDICO Y EL USO DE TECNOLOGÍA DE INVERSORES

EN LA GENERACIÓN DE RAYOS X

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO ELECTRÓNICO

PRESENTADO POR:

FIDEL ANTONIO GARCÍA ZUÑIGA

PROMOCIÓN

2004 -1

El presente informe de suficiencia muestra técnicamente los equipos de radiología y tomografía de uso medico y los criterios empleados en el desarrollo de estos sistemas donde veremos la aplicación de inversores en los generadores de rayos-x. Esta tecnología ha evolucionado y los ingenieros están avocados en que esta técnica de diagnostico que perdura durante muchos años sea mas eficiente y sobre todo usar nuevos conceptos para disminuir el tiempo de irradiación a los pacientes.

El reto de los ingenieros era poder plasmar una imagen de radiología que normalmente se apreciaba en una película, en una pantalla de computadora. Durante años hubo muchos intentos, pero actualmente se puede asegurar que la calidad de imagen obtenida con estos equipos tiene una mayor resolución que una placa convencional de radiología y se elimina el proceso fotográfico de revelado de una placa radiográfica.

Asimismo, se describe nuevos avances en la captación de imágenes radiológicas y topográficas, las cuales con la ayuda de las computadoras actuales se pueden enviar imágenes a lugares tan distantes en donde los médicos especialistas en radiodiagnóstico pueden dar su opinión y su diagnostico casi en tiempo real.

ÍNDICE

SUMARIO

INTRODUCCION ... 1

CAPITULO I MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL DE RAYOS-X ... 3

1.1 Principios Físicos de Rayos-x ... 3

1.2 Generación de rayos-x ... 4

1.3 Equipo de rayos-x ... 6

1.3.1 Tubo de rayos-x ... 6

1.3.2 Fuente de alta tensión ... 1 O 1.3.3 Sistema de control ... 11

1.4 Seguridad radiológica de las instalaciones y equipos ... 12

1.4.1 Exposición ocupacional ... 14

1.4.2 Dosimetría personal ... 14

1.4.3 Exposición medica ... 14

1.4.4 Unidades para medir la radiación ... 15

CAPITULO II AVANCES TECNOLÓGICOS EN EQUIPOS DE RAYOS-X ... 16

2.1 Sistema convencional en la formación de imagen radiográfica ... 16

2.2 Procesamiento de la película radiográfica ... 17

2.2.1 Reducción del número de irradiaciones repetidas ... 18

2.3 Radiología digital ... 18

2.4 Marco teórico del detector de rayos-x digital. ... 20

2.4.1 Estructura del detector de rayos-x digital ... 20

2.4.2 Unidad de conversión de rayos-x ... 21

2.4.3 Conjunto de detectores ... 22

2.4.4 Unidad de procesamiento de señales ... 22

2.4.5 Unidad de transferencia de datos digitales ... 22

2.5 Cualidades del detector de rayos-x digital. ... 23

2.5.1 Sensibilidad a los rayos-x ... 24

2.5.2 Linealidad y características de respuesta a los rayos-x ... 24

CAPITULO III MARCO TEÓRICO DE TOMOGRAFÍA ... 26

3.1 Equipo de tomografía ... 27

3.3 Principio de Hounsfield ... 31

3.3.1 Algoritmo de reconstrucción ... 33

3.3.2 Píxel de reconstrucción ... 34

3.4 Tipos de imagen visualizadas según el plano de proyección ... 35

3.5 Evolución de los tomógrafos ... 36

3.5.1 Primera generación ... 36

3.5.2 Segunda generación ... 36

3.5.3 Tercera generación ... 37

3.5.4 Cuarta generación ... 38

3.7.4 Computadora y consola ... 43

CAPITULO IV AVANCES TECNOLÓGICOS EN TOMOGRAFIA ... 44

4.1 Tecnologia Slip Ring o anillo deslizante ... 44

4.2 Tecnologia multicorte en tomografía ... 48

4.2.1 Detector multicorte en tomografía ... 50

CAPITULO V TECNOLOGIA DE INVERSORES EN LA GENERACIÓN DE RAYOS-X 52 5.1 Rectificadores en alta tensión ... 52

5.2 Formas de onda en un generador de alta tensión actual. ... 55

5.3 Generador de alta frecuencia ... 56

5.3.1 Convertidor de CC/CA Inversores ... 57

5.3.2 Inversor monofásico en puente completo ... 58

5.3.3 Inversor don transformador de toma media (Push-Pull) ... 59

CAPITULO VI EQUIPOS COMERCIALES Y ANÁLISIS DE COSTOS ... 62

6.1 Equipos Comerciales ... 62

6.2 Análisis de Costos ... 69

6.2.1 Estimación del Costo de un equipo de rayos-x digital ... 50

6.2.2 Estimación de costos de une tomógrafo ... 69

6.3 Análisis de Costos de instalación ... 69

6.3.1 Edificación ... 69

6.3.2 Blindaje de protección radiológica ... 69

6.3.3 Aire acondicionado ... 70

VIII

6.3.5 Potencia eléctrica requerida ... 70

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 71

Anexo A: Plano de Distribución de un Tomógrafo ... 73

Anexo B: Plano de Interconexión de un tomógrafo ... 75

Anexo C: Plano de distribución de un equipo de rayos-x digital ... 77

Anexo D: Glosario de términos ... 79

El propósito del presente informe es el desarrollo de la aplicación de rayos X en el campo de la medicina y la investigación que se realiza en optimizar estos equipos y que es ampliamente difundida a través de todo el mundo y sin duda aun tiene mucho por contribuir.

Se ha tomado información de textos especializados y de manuales de algunos fabricantes de estos equipos donde se muestra su tecnología y cuidados en el momento de instalar estas máquinas, ya que esto se debe al gran número de personas expuestas directa o indirectamente por su labor, por su condición de paciente o bien como público.

El desarrollo de este informe tiene como fin entregar un enfoque desde la teoría básica de generación de rayos-x hasta la tecnología que actualmente se está desarrollando, y por tratarse de un enfoque teórico, seria importante poder complementar con ejemplos prácticos lo cual ayudarían al entendimiento de estos equipos, pero se hace difícil, por ser equipos de gran envergadura, cuyo transporte es muy difícil y requieren condiciones técnicas para su funcionamiento.

En el primer capítulo se desarrolla la aplicación de las radiaciones ionizantes, por lo general rayos-x, para producir a partir de un objeto, una imagen en un material sensible a la luz en equipos convencionales o sensibles a los rayos-x y se expone los cuidados que se deben tener en el uso de estos.

En el segundo capítulo se presenta los avances tecnológicos, y el propósito de una radiografía medica es obtener tanta información diagnostica como sea posible, que sea compatible con el requisito de someter al paciente una exposición razonable. Por ejemplo para aprovechar más eficazmente los rayos-x, se debe emplear un detector de conversión digital, que ofrece la ventaja de la reducción del tiempo de exposición, pero si esto no es suficiente, es necesario buscar con el desarrollo tecnológico de mejorar los sistemas y exponer al paciente y usuarios (médicos, enfermeras y tecnólogos) a la menor cantidad de radiación, este informe presenta las nuevos métodos y una alternativa real para nuestro medio.

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Su creador fue el Doctor Godfrey Hounsfield. Hasta ese momento la técnica de rayos X permitía la visualización en dos dimensiones, con el problema de que unas imágenes se superponían a otras, por lo que se perdía gran parte de la información y no se podía en muchos casos determinar dónde estaba la anomalía.

En el cuarto capítulo se mostrara los avances actuales de los equipos de tomografía axial computado de rayos X, nombre completo del aparato, permite observar cortes del cuerpo humano transversales a su eje principal con una resolución de hasta 0.5 mm, con lo cual hay muy pocas estructuras que quedan fuera de observación utilizando esta técnica. Desde el primer tomógrafo hasta la fecha, la evolución tecnológica de estos equipos ha sido permanente, al punto de haberse convertido en la actualidad en una herramienta diagnóstica de uso tan cotidiano como los equipos de rayos X convencionales.

En el capítulo quinto se muestra las aplicaciones de ingeniería con el propósito de optimizar la tecnología, y la protección al ser humano de la radiación, se sabe que la medico, estos costos incluyen impuestos actuales por el gobierno y los gastos del año de garantía por servicio técnico y mantenimiento.

Pasara mucho tiempo para que aparezca otro medio físico diferente a los rayos-x que pueda proporcionar imágenes del cuerpo humano, pero estoy seguro que los ingenieros que desarrollan estos equipos no descansan en obtener la mejor imagen de diagnostico médico usando la menor cantidad de rayos-x. Es por eso que en la formación de ingenieros en el área de protección Radiológica, resulta de mucha importancia los cuales poseen conocimientos adecuados de todos los aspectos vinculados a la generación y uso de equipos de rayos X.

En este capítulo se desarrolla de una manera simplificada la teoría referente a los rayos-x y cómo se generan. Se define radiografía, como palabra compuesta, del latín radius=radio y del griego grafein=gravar, que viene a decir, gravar mediante los rayos X, una superficie plana emulsionada, imágenes que han sido penetradas por dichos rayos; o lo que es lo mismo, llamar a la radiografía, la fotografía a través de los cuerpos opacos.

1.1 Principios físicos de rayos-x

Los rayos X están constituidos por fotones de energías tales que en su proceso de interacción con la materia producen efectos ionizantes.

La ionización o efecto ionizante ocurre cuando una partícula de radiación cargada o una radiación electromagnética retira un electrón de un átomo eléctricamente neutro. El átomo con carga eléctrica positiva se llama Ion, en la figura 1.1 se representa este efecto. Esto causa daños físicos en el cuerpo humano que conlleva a efectos biológicos por la exposición radiológica, por eso es muy importante que los operadores de estos equipos tengan un entrenamiento.

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1.2 Generación de rayos-x

Con el fin de describir como se originan este tipo de radiación, se menciona el proceso de emisión de rayos X por frenado, representado en la figura 1.2 suponiendo el caso de un generador ideal que provea una diferencia de potencial entre ánodo y cátodo constante en el tiempo de 100 KV.

Al polarizarse el filamento que se halla en proximidades del cátodo y establecerse en él una corriente de calentamiento, se forma, debido al alto vacío, una nube de electrones alrededor del filamento. Al cerrarse el circuito en el momento del disparo, se polariza el ánodo, estableciéndose un campo eléctrico entre ánodo (positivo) y cátodo (negativo), y debido a este campo eléctrico todos los electrones de la nube serán acelerados hacia el ánodo, adquiriendo una energía cinética máxima 100 keV.

Si bien todos los electrones acelerados adquieren la misma energía, esto depende exclusivamente del potencial (kV) aplicado, estos electrones procederán a frenarse e interactuar con los átomos del blanco entregando su energía de un modo diferente, siguiendo cada uno su propia trayectoria. Para el conjunto se puede considerar que del 100% de la energía entregada por los electrones al interactuar con un blanco, el 99% en promedio se transforma en calor al frenarse los electrones y solo el 1 % se emite en forma de fotones de rayos X, de energías variables y un espectro entre cero y el valor máximo de energía de aceleración, tal como se describe en el punto siguiente.

ELECTRON

FIGURA 1.2 Rayos-x por frenamiento

Para estudiar la interacción de los electrones en el blanco del tubo de rayos X, seguiremos la historia de 3 electrones tipo:

energía en frenado (aproximadamente 2 keV) transformándose el resto en un fotón de rayos X de 98 keV.

En un segundo caso, el proceso de frenado se produce en etapas antes de la colisión final, gastándose en las diferentes desviaciones aproximadamente el 50% de la energía cinética y emitiéndose fotones de 50 keV. El tercer caso, es mucho más frecuente electrones que consumen en el proceso de frenado casi toda su energía cinética (por ejemplo un 97%), emitiendo fotones de rayos X de tan solo 3 keV.

Se sabe que cada electrón tiene la probabilidad de generar un fotón de una energía que podrá variar entre cero y el máximo de su energía cinética, conforme sea su trayectoria en el blanco. Aquellos fotones de muy baja energía, menores a 5 keV, interaccionarán casi en un 95% con el vidrio del tubo por efecto fotoeléctrico y por esta razón no pasarán a formar parte del haz útil.

Este vidrio y el aceite de aislamiento constituyen el primer filtrado del haz, denominado filtración propia o inherente del tubo, la cual resulta insuficiente para limitar los fotones de muy baja energía y de poco valor diagnóstico. Por esa razón se agregan filtros adicionales de aluminio después de la ventana del tubo, cuya función es atenuar aún más estos fotones denominados "blandos" y evitar que la piel del paciente sea el filtro. De lo anterior se puede afirmar que los rayos-x :

-No tienen masa ni carga pero es extremamente penetrante.

-Pueden ser blindados por material pesado o de alta densidad como hormigón, acero y plomo.

-Se detectan fácilmente a niveles muy bajos (con uso de Contador Geiger Müeller).

-Son radiaciones electromagnéticas, como lo es la luz visible, o las radiaciones ultravioleta e infrarroja, y lo único que los distingue de las demás radiaciones electromagnéticas es su llamada longitud de onda, que es del orden de 10-10 _m (equivalente a la unidad de longitud conocida como Angstrom).

Longitud de onda ( ).. )

Dirección de propagación

1.3 Equipo de rayos-x

6

Se muestra en la figura 1.4 un equipo de rayos-x para uso médico y para poder generar rayos X en forma convencional, es necesario contar con los siguientes elementos:

-Tubo o ampolla de rayos X . . -Fuente de alta tensión.

-Sistema de control.

TUBO DE RAYOS-X

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FIGURA 1.4 Equipo de rayos-x

1.3.1 Tubo de rayos-x

FUENTE DE AL TA · TENSION

El tubo de rayos X es el elemento principal de un equipo generador de rayos X, consiste de un tubo de vidrio donde se realizó un alto vacío, del orden de 1 O atmósferas, en cuyo interior pueden identificarse dos electrodos.

En el ánodo se ha construido una zona o pista (región de producción de rayos X), de un material especialmente seleccionado por sus características físicas (wolframio o tungsteno, molibdeno o rhodio en diferentes aleaciones), que actúa como blanco de impacto de los electrones acelerados electrostáticamente.

En la Figura 1.5 se muestra la estructura interna de un tubo de rayos-x de ánodo fijo, es decir el ánodo es un elemento que no tiene movimiento y el impacto de electrones será siempre en una misma superficie.

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FIGURA 1.5 Estructura interna de un tubo de ánodo fijo

En las Figura 1.6 se muestra la estructura interna de un tubo de rayos-x de ánodo giratorio, es decir, el ánodo tendrá un movimiento giratorio dentro del tubo de rayos-x, y de esta manera el impacto de electrones sobre la superficie de ánodo será en diferentes áreas, estos tubos son usados para generar altas dosis de radiación.

8

En la Figura. 1.7 se muestra una foto de un tubo de rayos-x , este tubo de vidrio es insertado en una coraza de metal, la cual esta llena de aceite , el aceite tiene dos funciones una de aislar la alta tensión aplicada en los terminales del tubo (ánodo-cátodo) y la segunda función es disipar el calor que se genera dentro de la coraza.

FIGURA 1.7 Foto de un tubo de ánodo giratorio.

El Figura 1.8 se muestra donde se ubican los filamentos y el ánodo donde impactaran los electrones.

FIGURA 1.8 Foto de la ubicación de los filamentos y el ánodo giratorio.

ejemplo para anatomías o tejidos muy finos se utilizará el filamento fino, y para estructuras grandes se usará el filamento grueso. Estos elementos están dispuestos de tal forma que se producen haces de electrones que enfocan hacia rectángulos estrechos, sobre la superficie del ánodo. Solo uno de ellos se aplicará y será seleccionado antes de la exposición de rayos-x

CÚPULAS ENFOCADORAS

FIGURA 1.9 Esquema de los filamentos de un tubo de rayos-x

En la Figura 1.1 O se observa un esquema del tubo y sus elementos constitutivos:

TOMAMRALOS CASLU DI ALTO VOLTA.J!

'1L.AMENTO De U. CUPUU. ENFOCADA

1.3.2 Fuente de alta tensión

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A fin de poder polarizar los electrodos del tubo de rayos X (ánodo y cátodo), es necesario un sistema que provea valores de diferencia de potencial, entre 40 kV y 130 kV para equipos de radiodiagnóstico, y pudiendo llegar hasta 400 kV para equipos de radioterapia o radiografía industrial.

En estos casos se utilizan transformadores elevadores de tensión, como se representa en la figura 1.11, pero esto varia según las necesidades de cada aplicación, tanto la alimentación eléctrica (que podrá ser monofásica o trifásica), como los procesos de rectificación de la corriente alterna de alta tensión, los cuales podrán ser de mayor o menor complejidad, y de esta manera se tendrá equipos una variada condición de estabilidad y confiabilidad del valor del potencial seleccionado.

TRANSFORMADOR DE ALTO VOLTAJE

BLANCO DE TUNGSTENO

CUBIERTA DE VIDRIO PIREX _J

VENTANA DEL TUBO __ __, HAZ UTIL. __ _{_}

COPA DE ENFOQUE

CORRIENTE DE ELECTRONES

FIGURA 1.11 Circuito tipico de un tubo de rayos X auto rectificado

De acuerdo a la alimentación eléctrica (Figura 1.12) los generadores pueden clasificarse en:

-Auto rectificado.

-Con rectificación de media onda .

. -Con rectificación de onda completa. -Polifásicos.

Kv que fijará la energía máxima de los fotones. El sistema de control gobierna y verifica el valor de este voltaje aplicado la tubo de rayos x.

El producto de la corriente de tubo por el tiempo de exposición, es denominado mAs, siendo ésta la carga neta y en consecuencia, proporcional al número de electrones que efectivamente chocarán contra el blanco del ánodo. Este parámetro es el resultado de la corriente que circulara por el tubo de rayos-x, multiplicado por el tiempo de exposición es decir mA x Segundos = mAs. De ellos dependerá el número de fotones producidos y la intensidad del haz.

Este tipo de dispositivos de control pueden ser de tecnologías muy diferentes pero en todos los casos, permiten al operador seleccionar libremente los tres parámetros fundamentales de la emisión, es decir se podrá seleccionar el KV, el mA y el tiempo ( en segundos o fracciones de segundos). También existen equipos con selectores de kV y mAs, los cuales se ajustan según sea el tipo de estudio radiográfico a efectuar, así como la constitución física del paciente.

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número de electrones útiles para producir el haz de rayos X también disminuye o aumenta en el mismo sentido, y en consecuencia la intensidad del haz de radiación.

Cabe recordar que el producto de mA x s se mantendrá constante para los exámenes radiológicos, esto hace que existan equipos que puede emitir un alto mA , y como consecuencia se usara tiempos muy cortos (milisegundos) o los equipos de emisión baja de mA, entonces, el tiempo de exposición será mayor, es importante determinar la capacidad de emisión (mA) del equipo y que tipo de estudios se harán con este. No se recomienda realizar exámenes que necesitan de radiaciones altas con equipos de baja producción de mA

(mAs) _{MILIAMPERAJE (mAs)}

ALTO

FIGURA 1.13 Efecto de los cambios de mili amperaje

1.4 Seguridad radiológica de las instalaciones y equipos

Para fines de diagnóstico médico se emplea normalmente una gama de tensiones comprendidas entre 40KV y 130 KV , con tiempos de exposición de 1 /60 segundos hasta 1 O segundos, y corrientes de tubo comprendidas entre 1 O mA y 1000 mA, la combinación exacta del mA y el tiempo depende del tipo de examen radiográfico.

La principal norma es que la sala de rayos X y el área para la consola de control del equipo de rayos-x, deben poseer barreras físicas, con un blindaje suficiente que garantice, niveles de dosis de radiación tan bajos como sea razonablemente posible, sin superar los límites de las dosis permitidas en una exposición ocupacional, y exposición del público.

Disponer de señalización reglamentaria y de restricciones para el acceso, de manera que exista un acceso exclusivo para el paciente, y otro para el personal médico el cual realizará los estudios y procedimientos radiológicos. Excepcionalmente se permite la participación de acompañantes del paciente. En particular, la sala de rayos X deberá contar con blindaje de espesores adecuados en las paredes, piso, techo y puertas, compatibles con los límites de dosis vigentes, se recomienda colocar panchas de plomo de un espesor de 1. 5 mm. o su equivalente a las paredes y puertas.

Dentro del área de control, donde se ubica el operador, se deberá poder comunicarse eficazmente con el paciente y observarlo mediante un sistema electrónico (televisión) o un visor (ventanilla) apropiado que tenga la misma atenuación de radiación calculada en las paredes. En caso de utilizarse un sistema de observación electrónico se deberá prever la existencia de un sistema de reserva o sistema alternativo para casos de falla electrónica.

Si la consola de control se encuentra dentro de la sala de rayos X, se puede utilizar un biombo (mampara) fijado permanentemente al piso, con una altura mínima de 21 O cm, de deberá tener en su interior planchas de plomo de espesor de 1.5 mm. La consola de control estará ubicada, de manera que durante las exposiciones ninguna persona pueda entrar a la sala sin ser visto por el operador. La sala de rayos X debe tener señalización visible en la parte exterior de las puertas de acceso, incorporando el símbolo de radiación ionizante y leyendas que indiquen "rayos X", y la prohibición de que ingresen personas no autorizadas.

Una señalización sobre la parte externa de la puerta de acceso (luz roja), deberá ser accionada durante los estudios y procedimientos radiológicos indicando que el generador está encendido y que hay exposición. Alternativamente puede adoptarse un sistema de accionamiento automático de señalización luminosa conectado directamente al mecanismo de disparo de rayos X.

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1.4.1 Exposición ocupacional

Las instalaciones que utilicen equipos de radiodiagnóstico deberán contar con un programa de protección radiológica, que basándose en los criterios de justificación de la práctica, optimización de la protección y limitación de dosis. Todas las salas de rayos X, donde se realizan los estudios y procedimientos, deberán ser consideradas como zona controlada y el personal que opere estos equipos deberá tener conocimiento de los dispositivos de protección.

1.4.2. Dosimetría personal

Los trabajadores de la zona controlada y todo personal que participe en los estudios y procedimientos radiológicos, deben tener un dosimétrico de control personal de uso obligatorio. El dosímetro personal deberá ser utilizado por el trabajador durante el desempeño de sus tareas en la instalación.

La sala de rayos X debe contar con elementos de protección radiológica necesarios para los estudios previstos en la misma. En los servicios con unidades de fluoroscopia se deberá contar con un mandil plomado, un par de guantes plomados y un protector de tiroides por cada sala, como mínimo. Los espesores mínimos de los dispositivos de protección personal son:

- 0,25 mm equivalentes en plomo para radiación indirecta.

- 0,50 mm equivalentes en plomo para haz primario o radiación directa en procedimientos especiales.

No obstante, no deberán existir excusas para llevar a cabo exámenes con dosis innecesariamente altas. Una atención cuidadosa en la realización de los exámenes radiológicos resultará, en muchos casos, reducir considerablemente de la dosis de radiación, sin perjuicio de su valor para el diagnóstico, es decir, que la imagen mantenga su calidad.

1.4.4 Unidades usadas para medir la radiación

EXPOSICIÓN: Cantidad de cargas de un mismo signo, producidas por la radiación, en una masa de aire, dividida entre la masa de ese volumen. Unidad especial: Roentgen

Roentgen ( R ) 1 R = 2,58x10-4 C/kg

DOSIS ABSORBIDA: Es la energía promedio absorbida por una masa de materia. Unidad: Gray (Gy) ( 1 rad = 0.01 Gy)

DOSIS EQUIVALENTE: Dosis absorbida en un órgano o tejido multiplicada por el correspondiente factor de ponderación de la radiación.

Unidad: Sievert (Sv) ( 1 rem = 0.01 Sv)

DOSIS EFECTIVA: Se define como la suma ponderada de las dosis equivalentes recibidas en los distintos tejidos.

Unidad: Sievert (Sv)

En la Figura 1.14 se muestra la irradiación promedio que un ser humano debe recibir al año por los diferentes emisores, sin ser afectado y que ponga en peligro su

CAPITULO 11

AVANCES TECNOLOGICOS EN EQUIPOS DE RAYOS-X

En el capítulo I se describió la generación de rayos-x, en este capitulo se mencionará los avances tecnológicos en la recepción y emisión de las imágenes radiográficas. Existe en la actualidad una carrera tecnológica en este aspecto y poder generar imágenes radiográficas con mayor nitidez y usando menor radiación

Durante muchos años después del descubrimiento de los Rayos-X, las exploraciones fluoroscópicas se realizaban en una sala oscura, observando imágenes en una pantalla fluorescente, que brillaba en respuesta a los Rayos-X que habían pasado a través del paciente.

En los años 50, el desarrollo de los intensificadores de imagen (1.1.) fue un gran paso hacia la fluoroscopia. Al reemplazar la pantalla fluorescente por un instrumento electrónico basado en la tecnología de TV, se consiguió un incremento significativo del brillo de la imagen. En los años 80, las señales analógicas de vídeo procedentes de una cámara de TV, se convierten en datos digitales (se digitalizaba el video que venia de la cámara) y las estructuras vasculares se visualizan al ser procesadas digitalmente.

Alrededor de 1990, comenzó el desarrollo de un detector plano para Rayos-X con la misma tecnología utilizada para la fabricación de pantallas (TFT's Thin Film Transistor en español Transistor de Película Fina) de cristal líquido. Muchos de los fabricantes mostraron sus productos, pero no plasmaban una imagen que sea de una calidad superior a las placas convencionales, esto fue todo un reto para los ingenieros que trabajaban conjuntamente con los médicos.

2.1 Sistema convencional de formación de imagen radiográfica.

De lo anterior se usa un chasis que tiene una pantalla intensificadora en su interior y se coloca una película radiográfica no expuesta o denominada virgen , esto se hace en un cuarto obscuro para que no se vele la película, se cierra este chasis y se coloca en el equipo de rayos-x en un compartimiento denominado porta chasis, el cual esta detrás del paciente y de esta manera al emitir los rayos-x pasarán a través del paciente y esta película quedará impresa con una imagen, como se muestra en la Figura 2.1

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FIGURA 2.1 Esquema convencional de captura de una imagen radiográfica

Las películas radiográficas sin pantalla no deberán ser usadas en diagnóstico radiológico, debido a que necesitan dosis relativamente altas y no están preparadas para producir imágenes de alto contraste.

2.2 Procesamiento de la película radiográfica

Es preciso contar con técnicas correctas de procesamiento de películas para obtener radiografías de óptimo valor, para el diagnóstico con una dosis de radiación mínima al paciente. El procesamiento incorrecto puede ser causa de rechazo de radiografías, y por ende, dar lugar a repeticiones de la radiación al paciente que podrían ser evitadas. Por otra parte, las técnicas inadecuadas de procesamiento pueden fácilmente duplicar la dosis requerida para producir una radiografía satisfactoria.

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En el procesamiento automático, es particularmente importante el control de calidad, el cual deberá realizarse diariamente a través del uso de tiras de película expuestas en un densitómetro poco antes de su procesamiento.

En general, es conveniente que los técnicos radiólogos observen todas sus radiografías inmediatamente después de su procesamiento, de modo de poder detectar y corregir cualquier error en el equipo o procesamiento.

2.2.1 Reducción del número de radiaciones repetidas

La decisión de repetir una exposición radiográfica deberá basarse en la posibilidad de que la nueva radiografía aporte información adicional, que no se encontraba disponible en la radiografía anterior, y no por razones puramente estéticas. Según varias encuestas publicadas, se repite innecesariamente del 3 al 15% de las radiografías. Las causas principales de las repeticiones, identificadas en la mayoría de estos estudios, fueron los errores cometidos en el posicionado del paciente o que las radiografías eran demasiado oscuras o demasiado claras.

Como se ha visto, en los sistemas convencionales o analógicos con respecto a la recepción y generación de imagen radiográfica tienen muchos variables, que pueden inducir a una mayor dosis de radiación y a la repetición del examen que finalmente tiene un resultado negativo al paciente.

2.3 Radiologia digital

El concepto de radiología digital es poder contar con un equipo de rayos-x, el cual tiene un receptor o detector que captura la imagen radiográfica y la presenta en unos cuantos segundos en una pantalla de computadora.

En la figura 2.2, se muestra un equipo de rayos-x que posee un detector digital de imágenes, y se observa que el cambiado de la parte mecánica con respecto a los analógicos.

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FIGURA 2.2 Equipo de rayos-x con detector digital

En la figura 2.3, se muestra un formato de presentación de la imagen radiológica en el monitor de un equipo de rayos-x con detector digital, esta imagen será visualizada aproximadamente en 5 segundos luego de emitir los rayos-x al paciente.

2.4 Marco teórico del detector de rayos-x digital

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Este detector convierte los Rayos-X que han pasado a través del cuerpo del paciente en imágenes digitales estáticas y dinámicas, de tal modo que se pueden obtener imágenes de alto contraste y resolución espacial. Los avances tecnológicos que se han hecho en sistemas de diagnóstico por Rayos-X, hacen posible generar datos útiles en un rango cada vez más amplio de aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico.

Recientemente, ha habido una gran actividad investigadora, centrada en el desárrollo de nuevos detectores de Rayos-X, para alcanzar imágenes totalmente digitales. Hemos logrado desarrollar un detector plano de Rayos-X de conversión directa, que permite fluoroscopias y radioscopias digitales de alta resolución. Este nuevo panel es una superficie de 23cm x 23 cm y se compone de un material fotoeléctrico (amorphous selenium) y un detector compuesto de pequeños transistores (TFT's Thin Film Transistor en español Transistor de Película Fina) que miden 150 µm x 150 µm.

Este detector permite obtener imágenes fluoroscópicas a 30 imágenes por segundo, proporcionando imágenes digitales dinámicas y estáticas, con una resolución espacial excelente y alto contraste. Realmente, se trata de un detector digital de Rayos-X innovador, que reemplazará a las placas y a los intensificadores de imagen de Rayos-X convencionales (1.1.), utilizados durante más de 50 años. En la nueva era de la imagen digital y redes de información médica, este detector será aplicable en toda la variedad de exámenes radiológicos.

2.4.1 Estructura del detector de rayos -x digital

El detector digital de conversión directa para la obtención de imágenes radiográficas , está diseñado para convertir los Rayos-X que han pasado a través del paciente en señales eléctricas y luego ser digitalizadas, y estará en la posición opuesta del tubo de rayos-x, hay dos manera de inicio de captura de la imagen una es que el sistema envíe una señal al detector para que este capture la radiación y la otra opción es que el detector apenas cense radiación inicie el proceso de captura , también se ha desarrollado detectores móviles inalámbricos, los cuales son muy útiles en lugares donde el paciente no puede ser movilizado.

El detector consta de cuatro componentes, los cuales son representados en la figura 2.4.

a- Una unidad de conversión de Rayos-X b- Un conjunto de detectores

FIGURA 2.4 Estructura interna de un detector plano de rayos-x

2.4.2 Unidad de conversión de rayos-x

En esta unidad se utiliza un material fotoeléctrico (selenio amorfo) para convertir los Rayos-X en señales eléctricas. Cuando una capa de selenio amorfo se expone a los Rayos-X, se generan, gracias a la fotoconductividad y en proporción al nivel de exposición, cargas positivas y negativas. Aplicando un voltaje de varios kV en la capa de se selenio amorfo, las cargas generadas se mueven a través del campo eléctrico como una corriente. En la figura 2.5 se muestra lo descrito anteriormente.

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Condensador Pixel

I

J

I ¿-

m

Rayos-x----+ Serial eléctrica (Efecto Fotoconductivo )

Voltaje

Aplicado (KV)

22

2.4.3 Conjunto de detectores

La tecnología TFT se emplea para fabricar un conjunto de más de dos millones de pequeños detectores en un sustrato de cristal. Cada elemento del detector incluye un condensador y un TFT. Mientras la unidad de conversión está expuesta a tos Rayos-X, las cargas generadas se acumulan en el condensador. Cuando et TFT es activado por una señal procedente de la unidad de procesamiento de atta velocidad, la carga acumulada es leída como una señal eléctrica. En ta figura 2.6 se muestra un detector digital sin ningún tipo de cubierta.

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Picture courtesy of CiF MerliG�I Svstems

FIGURA 2.6 Detector digital

2.4.4 Unidad de procesamiento de señales

Esta unidad genera señales dirigidas en forma secuencial, para activar los TFTs del conjunto de detectores. Las señales eléctricas leídas en respuesta a la radiación se amplifican y se envían a un convertidor analógico-digital. Como los datos digitales son transferidos, esto toma unos segundos, además la unidad de procesamiento tiene ta función.que después de ser leídos los datos, todos tos condensadores que acompañan a cada TFT, tendrán que eliminar su carga para que estén preparados para ta nueva adquisición, de to contrario estarían acumulando carga y enviando lecturas erróneas.

2.4.5 Unidad de transferencia de datos digitales

imágenes dinámicas se obtienen a una velocidad de hasta 30 imágenes por segundo, correspondiendo a una velocidad de transmisión de datos superior a 1.0 gigabytes por segundo.

La apariencia externa de este detector conectado a su unidad de transferencia se muestra en la figura 2.7 , en su parte central se muestra, el campo de visión efectivo de los Rayos-X, que consta de una lámina de selenio amorfo, dispuesta sobre un detector. Las placas electrónicas situadas a ambos lados, son utilizadas para generar las señales de la unidad de procesamiento de alta velocidad.

FIGURA. 2.7 Foto de un detector de rayos-x digital conectado a su unidad de transferencia.

2.5 Cualidades del detector de rayos-x digital

2.5.1 Sensibilidad a los rayos-x

24

La sensibilidad del método de conversión directa está determinada por la eficiencia de absorción de Rayos-X, por parte de la capa de selenio amorfo. Los experimentos preliminares fueron realizados utilizando un detector de campo pequeño para investigar la eficiencia de la absorción de los Rayos- X , de capas de selenio amorfo de diferentes grosores: 510, 740 y 1020 µm

A medida que la eficiencia de absorción de los Rayos-X, se incrementa el grosor es decir en los experimentos se demostró la eficiencia de absorción de Rayos- X, para un grosor de 1020 µm fue 1,4 veces mayor que la experimentada en una capa de 510 µm, valor que se aproxima bastante a los resultados de los cálculos teóricos, siendo el grosor aproximadamente el que se usa actualmente en los diferentes fabricantes, por ejemplo Toshiba ha decidido emplear una capa de 1000 µm de selenio amorfo para su detector.

Estos detectores tienen una gran sensibilidad a los rayos-x, y como resultado se usa menos radiación hacia el paciente con respecto a los sistemas analógicos o convencionales.

2.5.2 Linealidad y características de respuesta a los rayos-x

La figura 2.8 se muestra las características de respuesta de Rayos-X.

FIGURA 2.8 Curva entre la intensidad de rayos-x y la carga en el condensador de cada TFT

Las señales eléctricas muestran buena linealidad sobre un amplio rango de valores de exposición de Rayos, y alcanza la saturación en el nivel especificado, incluso cuando la exposición de Rayos es excesiva.

Estas excelentes características de sensibilidad a los Rayos-X hacen que el detector sea válido para un gran número de aplicaciones, incluyendo Fluoroscopia y Radiología.

Con este detector el examen radiológico toma un tiempo muy corto y el operador puede decidir si salio bien o no la toma, es decir, la posibilidad de repetición del examen disminuyen en un 1 % y de esta manera se protege al paciente de ser expuesto nuevamente, recuerde que en el sistema convencional se tiene que revelar la placa de rayos-x y eso toma tiempo y si el revelado no fue el correcto se tiene que volver a tomar el examen, estos detectores además de acortar el tiempo de exposición al paciente, entregan el resultado en segundos y poder ser transferidos las imágenes por una red de computadoras en forma inmediata , o también enviar las imágenes por Internet, para que sean chequeadas por otros médicos que se encuentre a distancia. En la figura 2.9 se muestra una sala de control donde el operador programa el tipo de examen y obtiene el resultado en una imagen radiográfica.

CAPITULO 111

MARCO TEORICO DE TOMOGRAFIA

En 1971 la empresa discográfica EMI anunció el desarrollo del scanner, máquina que unía el cálculo electrónico a las técnicas de rayos X, constituyendo el mayor avance en radiodiagnóstico desde el descubrimiento de los rayos X. Su creador fue el Doctor Godfrey Hounsfield.

Hasta este momento la técnica de rayos X permitía la visualización en dos dimensiones, con el problema de que unas imágenes se superponían a otras, por lo que se perdía gran parte de la información. El tomógrafo axial computado de rayos X, nombre completo del aparato, permite observar cortes del cuerpo humano transversales a su eje principal con una resolución de hasta 0.5 mm, con lo cual hay muy pocas estructuras que quedan fuera de observación utilizando esta técnica. En la figura 3.1 se observa las diferencias.

RADIOLOGIA

TOMOGRAFIA

3.1 Equipo de tomografía imagen muestra un mapa de la densidad del objeto en el plano de corte .

La imagen se crea midiendo la atenuación de un haz de rayos-x que atraviesa el objeto. El proceso de síntesis es muy complejo y es necesario el uso de poderosas computadoras. Como principio tenemos que los materiales más densos (huesos y tumores) absorben más fotones de radiación que los músculos blandos y la piel.

Los detectores miden el número de fotones que pasan a través del cuerpo, y se determina que fracción del haz incidente a sido atenuado por absorción. La densidad promedio es determinada al comparar las intensidades incidente y trasmitida de los rayos x.

Como se muestra en la figura 3.2 , en tomografía su principio básico es tener un tubo de rayos-x y opuesto a este un detector los cuales giraran alrededor del paciente , los datos que tome el detector serán enviados a un computador , para luego serán procesados y presentados en un monitor.

•

Digrama de bloques de un tomógrafo típico

3.2 Detector de un tomógrafo

28

La función principal del detector es convertir los rayos-x a señales eléctricas y conjuntamente con los tomógrafos han evolucionado y perfeccionado. El detector de un tomógrafo esta compuesto de un arreglo de pequeños detectores. Tres importantes factores clasifican a los detectores, su eficiencia, numero de los pequeños detectores o arreglo de detectores y concentración del arreglo de detectores.

Al comienzo los tomógrafos usaban un cristal foto multiplicador y era un solo elemento, luego se usaban arreglos que son un conjunto de detectores formando una fila y en abanico, en la figura 3.3 se representa un arreglo de detectores

TUBO DE RAYOS-X

FIGURA 3.3 Representación de un arreglo de detectores

En la figura 3.4 Se muestra esquema de los detectores de gas xenón

FIGURA 3.4 Arreglo de detectores de gas Xenón

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

Los detectores de estado sólido o denominados de centelleo, son los que poseen un cristal de centelleo que cuando los rayos-x impactan, generan luz proporcional a los rayos-x incididos, entonces esta luz es captada directamente por un foto

30

En la actualidad se usan solamente fotodiodo los cuales tienen una estructura representad en la figura 3.6

l l l

LUZ DEL CRISTAL DE CENTELLEO

ELECTRODOS DE CONDUCCION

LENTE

\\

o _{.. ,}

·+

FIGURA 3.6 Fotodiodo usado en un detector de estado sólido.

En la ultima generación de detectores se ha conseguido agrupar varias filas de detectores de estado sólido y de tamaños muy pequeños, los cuales nos dan diferentes planos de información con un solo giro , mas adelante se describirá con mas detalle estos detectores.

�

28.8 mm z-coverage

...,

4x1.2 I

32x0.6

l4x1.2

3.3 Principio de Hounsfield

El coeficiente de atenuación lineal expresa la atenuación que sufre un haz de rayos X , al atravesar una determinada longitud de una sustancia dada. Este coeficiente es específico de cada sustancia o materia. El problema de la formación de la imagen en tomografía, se resume a determinar cuanto es atenuado un haz de rayos X, cuando este atraviesa una sección determinada y luego poder representar esta información en forma de imagen.

Un haz de rayos X mono energético (compuesto por una sola longitud de onda) que atraviesa un trozo uniforme de material, como se representa en la figura 3.8 y la atenuación que sufre, se expresa de la siguiente manera:

donde:

1 OUT - IN • - 1 e-m.L

-

<-

-

--1

llo�lT

FIGURA 3.8 Representación de un material de longitud L

• lour: Intensidad del rayo X luego de atravesar el material.

• 11N: Intensidad del rayo X incidente.

• m: Coeficiente de atenuación lineal del material.

• L: distancia recorrida por el rayo en el material.

Se puede escribir también lour / l1N = e·m.L ó l1N / lour = emL_

Tomando logaritmo natural a ambos lados,

In ( l1N / lour ) = m . L

32

En la figura 3.9 se muestra un ejemplo.

FIGURA 3.9 Un material con diferentes coeficientes de atenuación

Estos coeficientes de atenuación están indicados como m1, m2, . . . , mn. Entonce, la

ecuación que tendríamos es:

In ( 1,N / louT ) = m1 . w + m2 . w + m3 • w + ... + m0 • w

Sacando "W" como factor común y pasándolo al miembro izquierdo,

(1 / w) . _{In (} l1N / louT ) = m1 + m2 + m3 + ... + mn

Esta fórmula muestra que el logaritmo natural de la atenuación total a lo largo de un haz de rayos x, es proporcional a la suma de los coeficientes de atenuación de todos los elementos que el rayo atraviesa. Para determinar la atenuación de cada elemento, se debe obtener un gran número de mediciones desde distintas direcciones, lo cual genera un sistema de ecuaciones múltiples, que una vez resuelto dará el resultado esperado.

En la reconstrucción de una imagen de MxN pixeles (incógnitas) , se requiere hacer MxN mediciones que proporcionen igual numero de datos , para solucionar la MxN ecuaciones. Los datos son obtenidos de las mediciones de la radiación que atraviesa el cuerpo.

3.3.1 Algoritmo de reconstrucción

El número de detectores es menor que el número de datos necesarios (MxN), entonces la solución es rotar el conjunto, tubo de rayos-x y detector fuente alrededor del paciente para obtener más datos. En la figura 3.11 se representa un matriz de 3x3.

Es posible usar la lectura de todas las trayectorias para crear un mapa aproximado de la densidad del objeto. Solo se tiene la suma de atenuaciones de los tejidos o elementos dentro del recuadro, entonces se tiene que resolver ecuaciones y hallar los valores de los elementos o tejidos:

2

FIGURA 3.11 Representación del algoritmo matemático para hallar los coeficientes de atenuación

Tomado el dato de los valores de las diagonales da como resultado los siguientes:

34

3.3.2 Pixel de reconstrucción

A un número mayor de detectores, tendremos más información y se podrá adquirir imágenes de mayor resolución, por lo que es necesario tener computadores de alta velocidad, en la figura 3.12 se representa una adquisición con un mayor número de datos.

FIGURA 3.12 En el momento de la rotación se tendrá un mayor numero de datos.

El píxel reconstruido en tomografía tiene dimensiones como se muestra en la figura 3.13, y a este se denomina voxel el cual tiene un espesor que en este caso tiene 10 mm, este espesor lo da el colimador. El colimador es un elemento mecánico colocado en la salida del haz de radiación del tubo de rayos-x.

¡- 0.5mm

0.5mm

10mm

VO>lel

El grosor o espesor del corte esta dado por la apertura del colimador, como se muestra en la figura 3.14, el cual determinara de que espesor será el haz de rayos-x. La apertura del colimador será indicada por el operador vía la computadora, esta apertura se determina dependiendo del órgano a estudiar y el tipo de examen.

Moriltor

-

-FIGURA 3.14 Se muestra el ancho del haz de rayos-x

3.4 Tipos de imágenes visualizadas según el plano de proyección.

Las imágenes pueden ser presentadas en la pantalla según el plano de proyección o eje de referencia, se definen como imágenes axiales, imágenes coronales, imágenes sagitales.

3.5 Evolución de los tomógrafos

36

En el transcurso del tiempo la tecnología en tomografía ha evolucionando y a continuación se menciona las generaciones en tomografía.

3.5.1 Primera generación

Es cuando se tenia un tubo de rayos-x y un solo elemento o detector y tenía una traslación lineal tanto en un eje X y el eje Y como se muestra en la figura 3.16

FIGURA 3.17 Segunda generación.

3.5.3 Tercera generación

En estos sistemas se elimina el movimiento de traslación, quedando solo el movimiento de rotación alrededor del paciente como se muestra en la figura 3.18, de esta manera se resolvía problemas mecánicos los cuales tenían como resultado, que el tiempo que toma el equipo para hacer un corte axial sea igual o menor a 5 segundos, y tanbien se aumento el numero de detectores que en la mayoría de modelos superaban los 750 detectores, dando una buena resolución de imagen.

Existía un problema mecánico, el cual limitaba aumentar la velocidad de giro y poder reducir el tiempo de radiación, también el inconveniente de las conexiones , es decir se tiene que alimentar el tubo de rayos-x con alta tensión y se tiene que recoger los datos digitales del detector y enviarlos a la computadora .

En la actualidad este método de adquisición se mantiene, de girar el tubo con el detector alrededor del paciente, y todos los fabricantes los han desarrollado, además el inconveniente de conexiones fue solucionado.

38

FIGURA 3.18 Tercera Generación

3.5.4 Cuarta generación

Denominada rotación - estacionario, en estos equipos solo el tubo de rayos-x rotaba y el detector estaba ubicado alrededor del giro del tubo en forma de anillo, es decir, los detectores estaban en los 360°_{. Para que el tubo de rayos- x, gire dentro del}

círculo de detectores se tiene que aumentar el diámetro de giro y un aumento de radiación, en la figura 3.19 se representa el sistema de cuarta generación.

En estos equipos se tenia un número de detectores mayor a 4,800 elementos, es elevado debido a que están formando un circulo completo, pero en el momento de adquisición solo se usarán los detectores, que están en el abanicó de radiación, en nuestro ejemplo tiene 30° _{de apertura. Es importante mencionar que si se aumenta el}

diámetro de giro, da como resultado una mayor distancia del tubo de rayos x al detector, por lo tanto el paciente recibirá una mayor dosis de radiación.

Estos equipos no se fabricaron mucho y en la actualidad ningún fabricante continuado su desarrollo, debido a que sus costos eran muy elevados y no se encontró ventajas con respecto a un sistema de tercera generación.

FIGURA 3.19 Cuarta Generación

3.6 Formación de una imagen

Al detener por un momento el giro del tubo-detector, se puede apreciar que el tubo irradia y todo el arreglo de detectores captan información del paciente, luego el sistema tubo - detector gira, a esta toma de información se le denomina VIEW o vista (figura 3.20) y es muy importante ya que este es un factor que nos indica la calidad de la imagen tomográfica.

VIEW

40

Mientras sistema tubo-detector, giran, se toman VIEWs o vistas como se representa en la figura 3.21, y esto involucra el sistema mecánico y sobre todo el sistema electrónico, donde el sistema conversor de análogo a digital deberá ser tan rápido para poder tomar el mayor numeró de vistas durante una vuelta completa, cada una de estas será digitalizada y almacena en un banco de memoria, para luego ser enviada esta información al computador.

90th VIEW

JllllilllJ illI!lllllllillW

·nmnm1rmrmmmm cn 'ITílUITITTOIIIITIJlilIIJII 1

UlUll WI lllll11lilllliUIJ _u,

.__ _ _. _{m!ll1m1 nmrnu 1rnuu} :rnn 11111 wmWllllll ID

>

RAYS

FIGURA 3.21 Toma de vistas mientras gira el tubo de rayos-x

Entonces por cada vuelta completa se genera una imagen tomográfica (figura 3.22)

CT

IMAGING PROCESS

�

-

-

-

�

-

-

-

-�-

-

­

-r-1-1-DIGITAL

IMAGE

FIGURA 3.22 Formación de una imagen tomográfica

SLICE DATA SETS

.-

+­

+-

._

STEP

FIGURA 3.23 Toma de imágenes en diferentes planos

Gantry

, 2° _{nivel de corte}

\ 1 er nivel de corte

3.7 Partes de un tomógrafo

El tomógrafo se compone de las siguientes partes 1 . Gantry o garganta

2. Camilla de Paciente

3. Generador de alta tensión

4. Computadora y consola de control

GANTRY

CAMILLA DE PACIENTE

GENERADOR DE ALTA TENSION

i

COMPUTADORA Y CONSOLA DE CONTROL

FIGURA 3.25 Partes de un tomógrafo

3.7.1 Gantry

42

El gantry es el lugar físico donde es introducido el paciente para su examen. En él se encuentran el tubo de rayos X, el detector y el sistema de adquisición de datos, que luego de digitalizar la información es enviada a la computadora principal, además todo el conjunto mecánico necesario para realizar el movimiento asociado con la exploración.

3. 7 .2 Camilla de paciente

3.7.3 Generador de alta tensión

Es el modulo que se encarga de poder llevar la tensión de línea ( en nuestro caso 220 voltios) a 120 Kilo voltios, el cual se aplicará por intermedio de cables especiales al tubo de rayos-x, pero para llegar a esta tensión se aplica entre ánodo y tierra 65 KV y entre cátodo y tierra 65 KV que sumados nos entrega 120 Kv entre ánodo y cátodo.

En nuestro ejemplo el generador de alta tensión esta fuera del gantry, y por medio de cables especiales, es alimentado el tubo de rayos-x para que genere radiación, es muy complicado llevar esta alta tensión hacia el tubo y además el tubo tiene que girar 360° _{alrededor del paciente, se tiene además la dificultad de envío de los datos vía cable,}

que salen del detector al computador.

Esto es posible, realizando una vuelta completa en el sentido horario y la siguiente vuelta se hará en sentido antihorario y de esta manera los cables se enrollaran en un sentido y luego se enrollaran en otro sentido. Estos equipos tienen como desventaja el tiempo de exploración de una vuelta por razones mecánicas, en la actualidad este inconveniente se soluciona integrado el generador de alta tensión dentro del gantry, esta nueva tecnología se mostrar en el siguiente capítulo.

3.7.4 Computadora y consola

La computadora es un módulo que está compuesto en general por tres unidades,

cuyas funciones están claramente diferenciadas. Éstas son: Unidad de control del sistema (CPU).

Unidad de reconstrucción rápida (FRU).

Unidad de almacenamiento de datos e imágenes.

CAPITULO IV

AVANCES TECNOLÓGICOS EN TOMOGRAFÍA

En tomografía se contaba con computadores de alta velocidad de procesamiento y conversores análogos a digitales muy veloces, pero no que se podía acelerar el proceso mecánico de giro del tubo de rayos X alrededor del paciente, y poder llevarle energía a este.

4.1 Tecnología slip ring o anillo deslizante

En los equipos modernos de tomografía se han desarrollado el sistema slip rings que son elementos electromecánicos, que consisten en un sistema circular donde hay anillos conductores y escobillas, que por rozamiento trasmiten energía en el interior del gantry, a estos tomógrafos se les denomina tomógrafos helicoidales. Los sistemas de tomografía helicoidal o espiral son posibles gracias a la tecnología Slip-Ring o anillo deslizante, y como resultado la rotación continua del tubo-detector en solo sentido, llegando a dar una vuelta completa en 0.5 segundos. Hay dos tipos de slip rings diseñados para el uso de los tomógrafos, el tipo disco y el tipo cilindro. En la figura 4.1 donde se muestra el Slip Ring tipo disco, se puede ver anillos conductores concéntricos de manera que están en un plano de rotación.

En la figura 4.2, se muestra el tipo, el cual tiene los anillos conductores sobre el cilindro y las escobillas de transferencia de energía son perpendiculares a cada círculo o anillo conductor.

Hay dos tipos de Brush o escobillas, una del tipo alambre (hilos metálicos) y el otro tipo es un carbón metalizado, siempre se ponen dos escobillas en diferentes ángulos para cada anillo, para asegurar un buen contacto en el momento del giro.

FIGURA 4.2 Slip ring tipo cilindro

46

El transformador de alta tensión se conecta a los slips rings y se alimenta, luego este elevará la tensión a 120 KV y entregará energía eléctrica por medio de cables especiales al tubo de rayos-x

El giro normalmente en estos equipos en sentido horario y el sistema gira alrededor del paciente durante todo el tiempo que demora el examen. Los nuevos equipos han llegado ha realizar una vuelta completa en 0.5 segundos, lo cual tiene como resultado un tiempo muy corto de radiación al paciente.

Este avance tecnológico en tomografía entrega a los médicos mas herramientas para poder explorar órganos que antes no eran posibles de estudio, como el corazón. Los datos obtenidos por los detectores son enviados por otros slip rings de baja potencia que se encuentran en la parte posterior del gantry .

El hecho de girar a 0.5 segundos por vuelta completa, hace que todos las partes del gantry que están girando deberán estar muy bien sujetas y aseguradas, ya que la fuerza centrifuga de estos elementos es alta, y es muy peligroso sobre todo cuando se realiza el mantenimiento.

tubo de rayos-x

SLIP RING

escobillas

220

voltios·

TRANSFORMADOR DE AL TA TENSION

En estos equipos el tubo de rayos-x esta girando alrededor del paciente durante todo le examen, y la camilla de paciente se desplaza en forma continua, en la figura 4.4 se muestra como la camilla ingresa y de esta manera se puede obtener imágenes en un tiempo muy corto, de la región que se esta explorando.

FIGURA 4.4 Movimiento continuo de la camilla de paciente mientras el tubo gira.

Estos equipos tienen una característica muy importante, la adquisición obtenida, es un volumen total de la región explorada y luego de tener este volumen, el medico decide que parte o partes quiere ver y en que plano, es decir, si son vistas axiales, sagitales o coronales. El la figura 4.5, se observa la diferencia de adquisición en un sistema convencional y un helicoidal.

1 11

convencional

helicoidal

4.2 Tecnología multicorte en tomografía

48

Los ingenieros que desarrollaron los tomógrafos, habían conseguido que los equipos puedan rotar a 0.5 segundos por vuelta y de esta manera disminuir el tiempo de radiación al paciente , pero en la carrera tecnológica se consigue evolucionar también el detector , es decir normalmente en los equipos cuando se realizaba un giro completo al paciente se generaba una imagen, por que los detectores era mono planos, entonces, pensaron colocar detectores en paralelo, en este ejemplo se representa un sistema multicorte de cuatro cortes. (figura 4.5)

TUBO DE RAYOS-X

CT- de un solo corte

Un tubo de rayos-x y un arreglo de detectores, tiene un canal de adquisición . Una Imagen se genera en un plano.

CT- de cuatro cortes (Multlcorte) Un tubo de rayos-x y múltiple arreglo de detectores, tiene 04 canales de adquisición . Cuatro Imágenes se generan en cuatro planos diferentes

FIGURA 4.5 Tomógrafo de un corte versus un tomógrafo de cuatro cortes.

Con estos sistemas se puede obtener en una vuelta completa cuatro planos diferentes del cuerpo humano, esto hace que se tenga mucha mas información en menos tiempo, y que el tiempo del examen disminuya ..

St111rc,·

C,1/li111,1/or·,;

---P11tic111

FIGURA 4.6 Sistema multicorte de cuatro cortes.

Combinando los sistemas helicoidales y los sistemas multicorte se tiene como resultado acelerar el examen, y poder explorar un mayor volumen en menor tiempo, es por eso que hoy en día cuando se realiza una tomografía con los equipos multicorte se refieren también a exámenes volumétricos de una sección del cuerpo, en figura 4.7 se muestra esta combinación de los dos desarrollos mas importantes en tomografía.

FIGURA 4.7 Sistema Helicoidal Multicorte

4.2.1 Detector multicorte en tomografía

50

En la figura 4.8 se representa un detector multicorte de 32 filas de un ancho de cada una de 0.6mm. y 8 filas adicionales en los extremos de 4 filas con un ancho de 1.2mm, este arreglo es típico de algunos fabricantes donde concentran el mayor numero de filas en el centro.

111111

28.8 mm z-coverage

...,

4x1.21

32x0.6

l4x1.2

FIGURA 4.8 Detector de 32 filas de 0.6 mm. y 8 filas de 1.2 mm.

Los médicos pueden explorar las partes del cuerpo humano teniendo volúmenes de el, es decir, con las nuevas computadoras se pueden tener imágenes tri­ dimensionales de los órganos y poder retarlos, además poder hacer cortes imaginarios, con el ángulo y el plano que se desee, también se ha creado un software que realiza endoscopía virtual por lo que el medico puede viajar dentro de algunos órganos en forma virtual.

Como se aprecia estos adelantos tecnológicos y con al ayuda de las computadoras que cada día son mas veloces y que procesan un mayor numero de datos, se puede explorar el cuerpo humano con un tomógrafo sin tocar al paciente.

Se esta desarrollando la nueva generación de tomógrafos los cuales son denominados Sta. generación, estos equipos están en la etapa de investigación. Se esta buscando evitar el parte mecánica de rotación y que un haz de rayos-x viaje y puedan flexionar y rotar alrededor del paciente, y con esto podemos tener adquisiciones que pueden llegar a milisegundos ya que solo se dependerá del haz de electrones,

BOMBA DE VACIO

BOBINA DE ENFOQUE

HAZ DE ELECTRONES _{BOBINA DE DEFLEXION}

FIGURA 4.9 Tomógrafo de Sta. generación.

SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS DETECTORES

En la figura 4.1 O se muestra imágenes en tres dimensiones de la parte ósea del cuerpo humano, teniendo como base una imagen tomográfica.

CAPITULO V

TECNOLOGiA DE INVERSORES EN LA GENERACIÓN DE RAYOS-X

Se muestra algunos de los circuitos mas usados en la etapa de alto voltaje, como se menciono anteriormente en radiología se aplica desde 40 KV hasta 130 KV en los extremos del tubo de rayos-x, lo mas común es tener un punto de tierra y aplicar en el ánodo hacia tierra 65 KV y entre cátodo y tierra 65KV sumados dan el voltaje máximo de 130 KV.

5.1 Rectificadores en alta tensión

El problema fue siempre el poder rectificar la señal de alto voltaje para obtener al mayor nivel de continua, en la figura 5.1 se muestra un sistema donde el mismo tubo de rayos-x se comporta como un diodo y rectifica a media onda el voltaje, en este caso los cables de alta tensión deberán tener un aislamiento adicional contra el voltaje inverso.

En la figura 5.2 se muestra un circuito de rectificación con sistemas de diodos, de esta manera los cables ya no soportan el voltaje inverso, cada sistema de diodos esta compuesto de un conjunto de diodos que soportan un promedio de 20KV cada uno, entonces, se coiocan en serie para poder llegar a rectificar un voltaje de 65KV o mayor, el transformador elevador y el conjunto de diodos y contactos de alta tensión están sumergidos en aceite dentro de un tanque. Este aceite es especial y posee la propiedad de aislar todos los elementos dentro del tanque y también de disipar el calor que se genera durante el tiempo de exposición.

CATOOO

---=--��

Voltaje en el tubo de rayos-x

b

Voltaje en el tubo de rayos-x

b

--

----FIGURA 5.2 Media onda con proteccion de voltaje inverso

En la figura 5.3 se muestra un sistema de rectificación de onda completa, donde conseguimos un nivel de continua mayor sobre el tubo de rayos x, con lo que se disminuyo un poco el tiempo de radiación. En la fabricación de los transformadores de alta tensión se debe tener mucho cuidad en la selección del tipo de alambre a usar, así como el aceite y su factor de aislamiento, es también importante que el sistema de pozo de tierra sea el adecuado, para evitar cualquier daño al personal de servicio técnico , como a los operadores.

Voltaje en el tubo de rayos-x

CATOOO )

FIGURA 5. 3 Onda completa

54

Voltaje en el tubo de rayos-x

WI

wr=O 3 3

FIGURA 5.4 Rectificador tri fasico

Retomando un sistema de rectificador de onda completa, y revisando las formulas correspondientes, se tiene que la cantidad de energía trasmitida al tubo de rayos-x, es proporcional al área bajo al cuNa del voltaje aplicado en el tubo de rayos-x . en la figura 5.5 se muestra la formula , se concluye que a medida que el periodo sea mas corto o la frecuencia sea mas alta, tendremos un valor mayor de transferencia de energía y podemos reducir el tiempo de exposición.

2

2fv

_S

_d

2Vmax

�,e

=

_T

max enOJt OJt

=

o 1{

,,,t

=

Ü,636V: