Tema de estudio

Física de los rayos X: Cómo se produce la imagen

Sistema
General
Modalidad
RX
Tipo
Técnica

Del filamento del tubo al detector: Cómo nacen los rayos X, cómo interaccionan con el paciente y por qué la imagen tiene los grises que tiene.

Qué son los rayos X

Los rayos X son radiación electromagnética de longitud de onda muy corta y energía suficiente para arrancar electrones de los átomos que atraviesa. Esa capacidad de ionizar es la razón de su utilidad diagnóstica, porque les permite atravesar el cuerpo y llegar al detector, y también la razón de su riesgo biológico, porque las ionizaciones pueden dañar el ADN de las células.

A diferencia de la luz visible, los rayos X no se enfocan con lentes ni se reflejan de forma útil en el cuerpo. La imagen radiológica no es una fotografía: Es un mapa de la radiación que consiguió atravesar al paciente. Donde el haz pasó con facilidad el detector recibe mucha señal y la imagen sale oscura; donde fue frenado, la imagen sale clara.

El tubo de rayos X

Dentro de una ampolla al vacío hay dos electrodos. El cátodo contiene un filamento que, al calentarse por el paso de corriente, emite electrones por efecto termoiónico. Ese número de electrones depende de la corriente aplicada y determina la cantidad de rayos X que se producirán, es decir, el parámetro que se conoce como miliamperios por segundo.

Entre cátodo y ánodo se aplica una diferencia de potencial de decenas de miles de voltios, el kilovoltaje. Los electrones se aceleran violentamente hacia el ánodo y chocan contra un blanco metálico, habitualmente de tungsteno, escogido por su alto número atómico y su elevado punto de fusión.

El choque es enormemente ineficiente: La inmensa mayoría de la energía se convierte en calor y solo una fracción muy pequeña se transforma en rayos X. Por eso el ánodo suele ser giratorio, para repartir el calor sobre una pista amplia en lugar de concentrarlo en un punto, y por eso los equipos incorporan sistemas de refrigeración y límites de carga.

Dos formas de producir rayos X

La primera es la radiación de frenado. Un electrón que pasa cerca del núcleo del átomo del ánodo es desviado y frenado por la atracción eléctrica, y la energía que pierde se emite como un fotón de rayos X. Como cada electrón puede frenarse en cualquier grado, esta radiación forma un espectro continuo, con energías que van desde casi cero hasta el valor máximo fijado por el kilovoltaje aplicado. Es la que aporta la mayor parte del haz útil.

La segunda es la radiación característica. Si el electrón incidente expulsa a un electrón de una capa interna del átomo del blanco, un electrón de una capa más externa cae para ocupar el hueco y emite un fotón cuya energía es exactamente la diferencia entre ambas capas. Estas energías son fijas para cada elemento, de modo que aparecen como picos discretos superpuestos al espectro continuo.

Kilovoltaje, miliamperaje y filtración

El kilovoltaje controla la energía de los fotones, es decir, su capacidad de penetración, y con ello el contraste de la imagen. Un kilovoltaje alto produce un haz muy penetrante y una imagen con muchos grises intermedios y poco contraste, adecuada por ejemplo para el tórax; un kilovoltaje bajo genera imágenes de alto contraste, con blancos y negros más marcados, útiles en extremidades.

El miliamperaje multiplicado por el tiempo controla la cantidad de fotones, y por tanto el ruido de la imagen y buena parte de la dosis. Una técnica escasa produce una imagen granulada; una técnica excesiva no mejora el diagnóstico e irradia de más.

El haz que sale del tubo se filtra con láminas metálicas, habitualmente de aluminio, para eliminar los fotones de baja energía. Esos fotones no llegarían nunca al detector y solo servirían para depositar dosis en la piel del paciente, así que retirarlos endurece el haz y reduce la dosis sin perder información.

Qué le pasa al haz dentro del paciente

Parte de los fotones atraviesan el cuerpo sin interaccionar y son los que forman la imagen. Otra parte sufre efecto fotoeléctrico: El fotón es absorbido por completo al expulsar un electrón de una capa interna. La probabilidad de este efecto crece mucho con el número atómico del tejido y disminuye al aumentar la energía del fotón, y es lo que explica que el hueso, rico en calcio, y los medios de contraste yodados o baritados destaquen tanto. El efecto fotoeléctrico es el responsable del contraste, pero también deposita toda la energía en el paciente.

Una tercera parte sufre dispersión Compton: El fotón choca con un electrón poco ligado, lo expulsa y sale desviado con menos energía. Esta radiación dispersa viaja en cualquier dirección, no aporta información útil y degrada la imagen añadiendo un velo gris uniforme. Además es la principal fuente de exposición para el personal que permanece en la sala.

Para reducir la llegada de radiación dispersa al detector se usan rejillas antidifusoras, formadas por láminas de plomo alineadas con el haz primario, y la colimación estricta del campo. La rejilla mejora el contraste, pero exige aumentar la técnica y por tanto la dosis, así que se reserva para regiones de espesor considerable.

Del detector a la imagen

La radiografía clásica usaba película con pantallas de refuerzo. Hoy predomina la radiología digital, ya sea con placas de fósforo que almacenan la señal y se leen posteriormente, o con detectores planos que convierten la radiación en señal eléctrica de forma inmediata.

Lo digital aporta dos ventajas decisivas. La primera es el amplio rango dinámico: El detector responde bien a un abanico de exposiciones mucho mayor que la película, de modo que una imagen algo subexpuesta o sobreexpuesta puede seguir siendo diagnóstica tras ajustar el brillo y el contraste en la estación de trabajo. La segunda es el postprocesado y la posibilidad de almacenar, transmitir y comparar estudios con facilidad.

Esa misma tolerancia tiene un peligro conocido como deriva de dosis: Como una técnica excesiva ya no produce una imagen visiblemente quemada, la tendencia natural es irradiar de más sin que nadie lo note. Por eso los sistemas digitales incorporan indicadores de exposición que hay que vigilar activamente.

Geometría: Magnificación, distorsión y penumbra

El haz de rayos X es divergente, no paralelo, de modo que toda estructura se proyecta aumentada. Cuanto más lejos esté el objeto del detector y más cerca del foco, mayor será la magnificación. Este es el motivo por el que la radiografía de tórax se realiza de forma estándar en proyección posteroanterior y a distancia larga: Así el corazón, que es anterior, queda pegado al detector y su tamaño se mide con fiabilidad. Una placa anteroposterior de cama agranda la silueta cardiaca y no permite valorar cardiomegalia con el mismo criterio.

El foco no es un punto matemático sino una pequeña superficie, y eso genera una zona de sombra parcial en los bordes llamada penumbra. Un foco más pequeño da imágenes más nítidas pero soporta menos carga térmica. La borrosidad también aumenta con la distancia objeto-detector y, sobre todo, con el movimiento del paciente, que sigue siendo la causa más frecuente de imágenes no diagnósticas.

Puntos clave

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