El Descubrimiento De Los Rayos X

El descubrimiento de los rayos X

Este año se celebra el centenario de uno de los descubrimientos en Física que mayor repercusión han tenido en la ciencia y la tecnología modernas. El 8 de Noviembre de 1895 el físico alemán Wilhelm Conrad Rontgen descubrió lo que hoy conocemos como ``Rayos X'' mientras llevaba a cabo experimentos con un tubo de rayos catódicos en su laboratorio del Instituto de Física de la Universidad de Wurzburg.

A finales de diciembre del mismo año, y después de algunas semanas de intenso trabajo, Rontgen había concluido su primer reporte describiendo sus experimentos, titulado ``Über eine neue Art von Strahlen'' (``Sobre una nueva Clase de Rayos''), el cual envió para su publicación a la sociedad de Física-Médica de Wurzburg (Rontgen 1895). En ese informe el mismo Rontgen sugirió ya la utilización de los rayos X en la medicina: como objeto de demostración del poder de penetración de los rayos X había escogido entre otros la mano de su esposa, de la cual realizó la primera radiografía el 22 de diciembre de 1895. Por su gran descubrimiento Rontgen recibió el primer premio Nobel de Física en el año de 1901.

A pesar de las posibles aplicaciones industriales de los rayos X, Rontgen se negó a comercializar o a patentar su descubrimiento. Rontgen pensaba que su descubrimiento pertenecía a la humanidad y que por ninguna razón éste iba a ser motivo de patentes, licencias o contratos. Esto dio lugar a que los primeros tubos de rayos X para usos médicos pudieran ser construidos rápidamente y a un precio muy accesible. En un tiempo muy breve después del descubrimiento de los rayos X, se definieron claramente dos tipos de aplicaciones en medicina, el primero de ellos para el diagnóstico de enfermedades, y el segundo para el tratamiento de tumores, es decir, para usos terapéuticos. Desde entonces el uso médico de los rayos X ha jugado un papel cada vez más importante, y es también gracias al desarrollo de otras tecnologías como la electrónica y la ciencia de materiales, lo que ha permitido su aplicación a niveles muy sofisticados.

Diagnóstico radiológico

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El diagnóstico radiológico se basa en la obtención de imágenes con radiación ionizante. En términos generales se puede hablar de dos métodos para producir imágenes radiológicas. En los métodos tradicionales (radiografía convencional) se emplea un detector plano para formar imágenes mediante una sola proyección. Sin embargo, avances en diversas áreas de la ciencia y la tecnología en las últimas décadas, han permitido desarrollar sistemas de radiografía digital con los que es posible obtener imágenes de secciones específicas del cuerpo humano (sistemas tomográficos). La formación de una imagen radiográfica involucra tres etapas: la producción de los rayos X, el transporte de esta radiación a través del paciente y la detección de la radiación transmitida. A continuación se da una descrip- ción, en términos muy generales, de cada uno de estos procesos.

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Producción y transporte de rayos X

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Los rayos X se producen siempre que una substancia es irradiada con electrones de alta energía. Un tubo convencional de rayos X consiste básicamente de un cátodo y un ánodo colocados dentro de un envase de vidrio al vacío (véase figura 1).

FIG 1. Diagrama esquemático de un tubo de rayos X

El cátodo consiste de un filamento de tungsteno que al ser calentado emite electrones. Estos electrones son acelerados, debido a una diferencia de potencial aplicada entre el cátodo y el ánodo, hacia un blanco montado en el ánodo. Para tener un mayor control en la calidad del haz de rayos X es necesario que los electrones no sean desviados de su trayectoria, y para esto se requiere de un alto vacío. Los electrones al ser frenados bruscamente en el blanco, emiten radiación electromagnética con un espectro continuo de energías entre 15 y 150 keV, que es lo que se conoce como rayos X.

El número atómico del material del que está construido el blanco y la velocidad del haz de electrones, determina la energía máxima y la forma del espectro. El haz tiene dos componentes, una de ellas es continua y corresponde a la radiación de frenado (bremsstrahlung) y la otra es discreta. A ésta última se le conoce como radiación característica y se debe a transiciones electrónicas entre estados excitados en átomos del blanco. El blanco puede ser de tungsteno para radiografía general o de molibdeno para mamografía.

La base fundamental para la aplicación de los rayos X en muchas áreas de la ciencia, es su propiedad de atenuación exponencial. Los rayos X al atravesar un material pueden ser absorbidos o dispersados en su trayectoria, lo cual resulta en una disminución en la intensidad original. Los procesos de absorción o dispersión se deben a interacciones entre los átomos del medio y los rayos X. Las interacciones más importantes en el intervalo de energías de interés en radiodiagnóstico son el efecto fotoeléctrico y la dispersión de Compton (Johns y Cunningham, 1983).

FIG 2. Atenuación exponencial de rayos X monoenergéticos.

El coeficiente de atenuación lineal tiene la propiedad de ser aditivo

La reducción en intensidad depende de la energía de los rayos X, de la composición atómica del material irradiado y del grueso del mismo. La figura 2 muestra esquemáticamente un haz de rayos X monoenergético con una intensidad inicial Io, que atraviesa un material de grueso x. La intensidad del haz a la salida se reduce por un factor e-mx, en donde m es el coeficiente de atenuación lineal, el cual es una propiedad intrínseca del material irradiado.

FIG 3. Espectro típico de rayos X a un potencial de 100kV, antes

y después de atravesar 20cm de agua

La figura 3 muestra un espectro típico de rayos X generado a un potencial de 100 kV con un blanco de tungsteno, antes y después de atravesar 20 cm de agua. En la gráfica se puede observar el continuo de energías debido a la radiación de frenado y picos aislados alrededor de 59 y 67 keV, que corresponden a la radiación característica del tungsteno.

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Radiografía convencional

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De entre los usos médicos de la radiación, el examen de pacientes con rayos X con el propósito de dar un diagnóstico es, por mucho, el más frecuente. El objetivo del diagnóstico radiológico es proporcionar información anatómica al médico sobre el interior del paciente. Los rayos X constituyen una herramienta ideal para sondear, de manera ``no invasiva'', el interior del cuerpo humano. Sin embargo, durante la formación de la imagen existen procesos de deposición de energía en el paciente. Estos procesos llevan asociado un cierto daño biológico que en algunos casos puede afectar a la salud del paciente. En países desarrollados, aproximadamente el 90% de la dosis a la población debida a radiación causada por el hombre, se debe al uso de los rayos X para el diagnóstico radiológico (Shrimpton 1994). Aunque las dosis asociadas a este tipo de exámenes son relativamente pequeñas, la frecuencia con que éstos se llevan a cabo ocasiona que el impacto social sea considerable. Dado que el propósito de un examen médico es proporcionar un beneficio directo al paciente, los procedimientos de radiodiagnóstico han sido optimizados de tal manera que las dosis sean lo más bajas posibles y al mismo tiempo contengan la información necesaria para dar un diagnóstico adecuado.

FIG 4. Formación de una imagen plana con rayos X

Una radiografía convencional es una imagen bidimensional de un objeto tridimensional. Esto significa que toda la información en profundidad se pierde, pues los diferentes niveles de gris en la imagen dan información sobre la atenuación de los rayos X a lo largo de una trayectoria en el espacio tridimensional (véase figura 4). La intensidad de cada tono de gris proporciona información acerca de la densidad de los tejidos atravesados. Dado que el cuerpo humano puede describirse como una función continua de coeficientes de atenuación lineal, U(x,y,z) la intensidad del haz de rayos X, I (x,y), en el plano en donde se forma la imagen está representada por una integral de la forma:

En radiografía convencional el detector más utilizado consiste en la combinación de una pantalla fluorescente acoplada a una película fotográfica. Las características más importantes de este sistema son la eficiencia de detección de rayos X (que depende esencialmente de la composición y grueso de la pantalla fluorescente), la eficiencia de conversión a luz visible y el acoplamiento óptico entre la pantalla y la película. El intervalo de energía utilizado para este tipo de estudios varía aproximadamente entre los 15 y los 150 keV. Las características específicas del sistema dependen del tipo de estudio que se desea realizar, por ejemplo, si se trata de un estudio del tórax o del abdomen. La mayoría de las pantallas fluorescentes modernas se basan en compuestos de tierras raras tales como el oxisulfuro de gadolinio (Ga2 O2 S) con grosores que varían entre 30 y 70 u>m. A energías de interés clínico la eficiencia de detección de este tipo de pantallas puede llegar a ser hasta del 80%. Un segundo grupo de detectores lo constituyen los llamados ``intensificadores de imagen'', los cuales se utilizan en técnicas de fluoroscopía. Este tipo de estudios son dinámicos, de tal manera que la salida del intensificador

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