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detector de rayos X

Adquisición de radiografía de proyección , con un generador de rayos X y un detector de imágenes. Los detectores de rayos X son dispositivos que se utilizan para medir el flujo ...

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Adquisición de radiografía de proyección , con un generador de rayos X y un detector de imágenes.

Los detectores de rayos X son dispositivos que se utilizan para medir el flujo , la distribución espacial , el espectro y/u otras propiedades de los rayos X.

Los detectores se pueden dividir en dos categorías principales: detectores de imagen (como placas fotográficas y películas de rayos X , ahora reemplazadas en su mayoría por diversos dispositivos de digitalización como placas de imagen o detectores de panel plano ) y dispositivos de medición de dosis (como cámaras de ionización , contadores Geiger y dosímetros utilizados para medir la exposición a la radiación local , la dosis y/o la tasa de dosis, por ejemplo, para verificar que los equipos y procedimientos de protección radiológica sean efectivos de forma continua).

imágenes de rayos X

Espina de pescado incrustada en la parte superior del esófago. Imagen derecha sin medio de contraste; imagen izquierda durante la deglución con medio de contraste.

Para obtener una imagen con cualquier tipo de detector de imagen, la parte del paciente que se va a radiografiar se coloca entre la fuente de rayos X y el receptor de imagen para producir una sombra de la estructura interna de esa parte específica del cuerpo. Los rayos X son parcialmente bloqueados ("atenuados") por tejidos densos como el hueso y atraviesan con mayor facilidad los tejidos blandos. Las áreas donde inciden los rayos X se oscurecen al revelarse, lo que hace que los huesos aparezcan más claros que el tejido blando circundante.

Los compuestos de contraste que contienen bario o yodo , radiopacos , pueden ingerirse en el tracto gastrointestinal (bario) o inyectarse en arterias o venas para resaltar estos vasos. Estos compuestos contienen elementos de alto número atómico que (al igual que el hueso) bloquean los rayos X, permitiendo así visualizar con mayor claridad órganos o vasos que antes eran huecos. En la búsqueda de materiales de contraste no tóxicos, se evaluaron diversos elementos de alto número atómico. Algunos resultaron ser dañinos  ; por ejemplo, el torio , utilizado en el pasado como medio de contraste ( Thorotrast )  , demostró ser tóxico, causando una alta incidencia de cáncer décadas después de su uso. Los materiales de contraste modernos han mejorado y, si bien no es posible determinar quién puede tener sensibilidad al contraste, la incidencia de reacciones alérgicas graves es baja. [ 1 ]

película de rayos X

Mecanismo

La película de rayos X típica contiene "granos" de cristal de haluro de plata , generalmente bromuro de plata . [ 2 ] El tamaño y la composición del grano se pueden ajustar para afectar las propiedades de la película, por ejemplo, para mejorar la resolución en la imagen revelada. [ 3 ] Cuando la película se expone a la radiación, el haluro se ioniza y los electrones libres quedan atrapados en defectos cristalinos (formando una imagen latente ). Los iones de plata son atraídos por estos defectos y se reducen , creando cúmulos de átomos de plata transparentes . [ 4 ] En el proceso de revelado, estos se convierten en átomos de plata opacos que forman la imagen visible, más oscura donde se detectó la mayor cantidad de radiación. Los pasos de revelado posteriores estabilizan los granos sensibilizados y eliminan los granos no sensibilizados para evitar una mayor exposición (por ejemplo, a la luz visible ). [ 5 ] : 159 [ 6 ]

Reemplazo

Un vídeo que analiza un estudio que demostró que las radiografías digitales eran igual de eficaces que las radiografías convencionales para identificar enfermedades pulmonares de origen laboral .

Las primeras radiografías (imágenes de rayos X) se realizaron mediante la acción de rayos X sobre placas fotográficas de vidrio sensibilizadas. La película de rayos X (película fotográfica) pronto reemplazó a las placas de vidrio, y se ha utilizado durante décadas para adquirir (y mostrar) imágenes médicas e industriales. [ 7 ] Gradualmente, las computadoras digitales adquirieron la capacidad de almacenar y mostrar suficientes datos para hacer posible la imagen digital. Desde la década de 1990, la radiografía computarizada y la radiografía digital han estado reemplazando la película fotográfica en aplicaciones médicas y dentales, aunque la tecnología de película sigue siendo de uso generalizado en procesos de radiografía industrial (por ejemplo, para inspeccionar costuras soldadas). El metal plata (anteriormente necesario para las industrias radiográfica y fotográfica) es un recurso no renovable, aunque la plata se puede recuperar fácilmente de la película de rayos X usada. [ 8 ] Donde las películas de rayos X requerían instalaciones de procesamiento húmedo, las nuevas tecnologías digitales no. El archivo digital de imágenes también ahorra espacio de almacenamiento físico. [ 9 ]

fósforos fotoestimulables

Una pieza de placa de fósforo fotoestimulable

La radiografía con placa de fósforo [ 10 ] es un método de registro de rayos X mediante luminiscencia fotoestimulada (PSL), desarrollado por Fuji en la década de 1980. [ 11 ] Se utiliza una placa de fósforo fotoestimulable (PSP) en lugar de la placa fotográfica. Tras la irradiación con rayos X, los electrones excitados del material fosforescente permanecen «atrapados» en « centros de color » de la red cristalina hasta que son estimulados por un haz láser que incide sobre la superficie de la placa. [ 12 ] La luz emitida durante la estimulación láser es captada por un tubo fotomultiplicador , y la señal resultante se convierte en una imagen digital mediante tecnología informática. La placa PSP puede reutilizarse y los equipos de rayos X existentes no requieren modificaciones para su uso. Esta técnica también se conoce como radiografía computarizada (CR). [ 13 ]

intensificadores de imagen

Radiografía tomada durante la colecistectomía.

Los rayos X también se utilizan en procedimientos en tiempo real, como la angiografía o los estudios de contraste de los órganos huecos (por ejemplo, el enema de bario del intestino delgado o grueso) mediante fluoroscopia . La angioplastia , una intervención médica del sistema arterial, depende en gran medida del contraste sensible a los rayos X para identificar lesiones potencialmente tratables.

Detectores semiconductores

Los detectores de estado sólido utilizan semiconductores para detectar rayos X. Los detectores digitales directos se denominan así porque convierten directamente los fotones de rayos X en carga eléctrica y, por lo tanto, en una imagen digital. Los sistemas indirectos pueden tener pasos intermedios, por ejemplo, convertir primero los fotones de rayos X en luz visible y luego en una señal electrónica. Ambos sistemas suelen utilizar transistores de película delgada para leer y convertir la señal electrónica en una imagen digital. A diferencia de la película o el CR, no se requiere ningún paso de escaneo o revelado manual para obtener una imagen digital, por lo que en este sentido ambos sistemas son "directos". [ 14 ] Ambos tipos de sistemas tienen una eficiencia cuántica considerablemente mayor que el CR. [ 14 ]

Detectores directos

Desde la década de 1970, se han desarrollado detectores semiconductores de silicio o germanio dopados con litio (Si(Li) o Ge(Li)) . [ 15 ] Los fotones de rayos X se convierten en pares electrón-hueco en el semiconductor y se recogen para detectar los rayos X. Cuando la temperatura es suficientemente baja (el detector se enfría mediante el efecto Peltier o incluso con nitrógeno líquido ), es posible determinar directamente el espectro de energía de los rayos X; este método se denomina espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX o EDS); se utiliza a menudo en espectrómetros de fluorescencia de rayos X pequeños . Los detectores de deriva de silicio (SDD), producidos mediante la fabricación convencional de semiconductores , proporcionan una medición de radiación rentable y de alta resolución. [ 16 ] A diferencia de los detectores de rayos X convencionales, como el Si(Li), no necesitan enfriarse con nitrógeno líquido. Estos detectores rara vez se utilizan para imágenes y solo son eficientes a bajas energías. [ 17 ]

La aplicación práctica en imágenes médicas comenzó a principios de la década de 2000. [ 18 ] El selenio amorfo se utiliza en detectores de rayos X de panel plano de gran área comerciales para mamografía y radiografía general debido a su alta resolución espacial y propiedades de absorción de rayos X. [ 19 ] Sin embargo, el bajo número atómico del selenio implica que se requiere una capa gruesa para lograr una sensibilidad suficiente. [ 20 ]

El telururo de cadmio ( Cd₂Te₃ ) y su aleación con zinc , el telururo de cadmio y zinc , se consideran uno de los materiales semiconductores más prometedores para la detección de rayos X debido a su amplia banda prohibida y alto número cuántico, lo que resulta en un funcionamiento a temperatura ambiente con alta eficiencia. [ 21 ] [ 22 ] Las aplicaciones actuales incluyen la densitometría ósea y la SPECT , pero los detectores de panel plano adecuados para imágenes radiográficas aún no están en producción. [ 23 ] La investigación y el desarrollo actuales se centran en detectores de píxeles con resolución energética , como el detector Medipix del CERN y el detector HEXITEC del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas . [ 24 ] [ 25 ]

Los diodos semiconductores comunes , como los fotodiodos PIN o un 1N4007 , producirán una pequeña cantidad de corriente en modo fotovoltaico cuando se coloquen en un haz de rayos X. [ 26 ] [ 27 ]

Detectores indirectos

Los detectores indirectos constan de un centelleador que convierte los rayos X en luz visible, la cual es leída por una matriz TFT. Esto puede ofrecer ventajas en cuanto a sensibilidad respecto a los detectores directos actuales (de selenio amorfo), aunque con una posible disminución en la resolución. [ 20 ] Los detectores indirectos de panel plano (FPD) se utilizan ampliamente en la actualidad en aplicaciones médicas, dentales, veterinarias e industriales.

La matriz TFT consiste en una lámina de vidrio recubierta con una fina capa de silicio en estado amorfo o desordenado. A escala microscópica, el silicio lleva impresos millones de transistores dispuestos en una matriz altamente ordenada, como la cuadrícula de una hoja de papel cuadriculado. Cada uno de estos transistores de película delgada (TFT) está conectado a un fotodiodo que absorbe la luz, formando un píxel individual (elemento de imagen). Los fotones que inciden sobre el fotodiodo se convierten en dos portadores de carga eléctrica , denominados pares electrón-hueco. Dado que el número de portadores de carga producidos varía con la intensidad de los fotones incidentes, se crea un patrón eléctrico que puede convertirse rápidamente en un voltaje y, posteriormente, en una señal digital, la cual es interpretada por un ordenador para generar una imagen digital. Si bien el silicio posee excelentes propiedades electrónicas, no absorbe bien los fotones de rayos X. Por esta razón, los rayos X inciden primero sobre centelleadores fabricados con materiales como el oxisulfuro de gadolinio o el yoduro de cesio . El centelleador absorbe los rayos X y los convierte en fotones de luz visible que luego inciden sobre el conjunto de fotodiodos.

Medición de dosis

Detectores de gas

Gráfico de la corriente iónica en función del voltaje aplicado para un detector de radiación gaseosa de cilindro de alambre.

Los rayos X que atraviesan un gas lo ionizan , produciendo iones positivos y electrones libres . Un fotón incidente crea un número de pares de iones proporcional a su energía. Si existe un campo eléctrico en la cámara de gas, los iones y electrones se mueven en direcciones opuestas, generando así una corriente detectable . El comportamiento del gas depende del voltaje aplicado y de la geometría de la cámara. Esto da lugar a varios tipos de detectores de gas, descritos a continuación.

Las cámaras de ionización utilizan un campo eléctrico relativamente bajo de aproximadamente 100 V/cm para extraer todos los iones y electrones antes de que se recombinen. [ 28 ] Esto proporciona una corriente constante proporcional a la tasa de dosis a la que se expone el gas. [ 7 ] Las cámaras de ionización se utilizan ampliamente como medidores portátiles de radiación para comprobar los niveles de dosis de radiación.

Los contadores proporcionales emplean una geometría con un fino hilo anódico cargado positivamente en el centro de una cámara cilíndrica. La mayor parte del volumen de gas actúa como cámara de ionización, pero en la región más cercana al hilo, el campo eléctrico es lo suficientemente intenso como para ionizar las moléculas de gas. Esto genera un efecto de avalancha que aumenta considerablemente la señal de salida. Dado que cada electrón provoca una avalancha de tamaño similar, la carga recolectada es proporcional al número de pares de iones generados por los rayos X absorbidos. Esto permite medir la energía de cada fotón incidente.

Los contadores Geiger-Müller utilizan un campo eléctrico aún más intenso para generar fotones UV . [ 29 ] Estos inician nuevas avalanchas, que finalmente resultan en la ionización total del gas alrededor del ánodo. Esto genera una señal muy fuerte, pero provoca un tiempo muerto después de cada evento e imposibilita la medición de las energías de los rayos X. [ 30 ]

Los detectores de gas suelen ser detectores de un solo píxel que miden solo la tasa de dosis promedio en el volumen de gas o el número de fotones que interactúan, como se explicó anteriormente, pero se les puede dar resolución espacial mediante la colocación de muchos cables cruzados en una cámara de alambre .

Celdas solares de silicio PN

En la década de 1960 se demostró que las células solares de silicio PN son adecuadas para la detección de todas las formas de radiación ionizante, incluyendo la radiación ultravioleta extrema , los rayos X blandos y los rayos X duros. Esta forma de detección funciona mediante fotoionización , un proceso en el que la radiación ionizante incide sobre un átomo y libera un electrón libre. [ 31 ] Este tipo de sensor de radiación ionizante de banda ancha requiere una célula solar, un amperímetro y un filtro de luz visible sobre la célula solar que permite que la radiación ionizante incida sobre ella, bloqueando las longitudes de onda no deseadas.

Película radiocrómica

La película radiocrómica auto-revelable puede proporcionar mediciones de muy alta resolución, para fines de dosimetría y perfilado, particularmente en física de radioterapia. [ 32 ]

Referencias

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