Sistemas de Rayos X.

Presentación del tema: "Sistemas de Rayos X."— Transcripción de la presentación:

1 Sistemas de Rayos X

2 Qué son los Rayos X? Son un tipo de energía electromagnética contenida en fotones, similar a los rayos de luz visibles. La diferencia entre los rayos de luz y los rayos X es que estos tienen una longitud de onda mucho menor, que no es perceptible por los ojos (100 a 0.01 nm).

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4 Cómo se producen estos fotones?
Se producen por movimiento de electrones en los átomos. Cuando un electrón pasa de un orbital mayor a un orbital menor, debe liberar esa energía extra acumulada. Esta energía la libera en forma de fotones.

5 Cómo se producen los fotones?
1 Núcleo 2 3 Fotón Una colisión con partículas externas excita el átomo. El electrón “salta” a un orbital de mayor energía. El electrón vuelve a su nivel de energía normal, y libera la energía extra en forma de un fotón.

6 Qué sucede con estos fotones?
Cuando un fotón choca contra otro átomo, éste puede absorber la energía del fotón, moviendo un electrón a un orbital mayor. Para que esto suceda, la diferencia de energía entre los dos orbitales debe ser idéntica a la energía del fotón. Los fotones de rayos X tienen muchísima energía, por lo que pueden mover electrones fácilmente entre orbitales.

7 Qué pasa cuando los fotones pasan a través del cuerpo?
Los átomos grandes tienen mayor capacidad de absorber los fotones que los átomos pequeños (tienen mayores diferencias de energía entre sus orbitales y se asemeja más a los fotones de los rayos X). Los átomos de calcio de los huesos son muy grandes, por lo que pueden absorber mejor los fotones de los rayos X. Los tejidos blandos están compuestos de átomos muy pequeños, por lo que casi no absorben fotones de los rayos X, y no pueden visualizarse con esta técnica.

8 Descubrimiento de los Rayos X
Se descubrieron en 1895 por el físico alemán Wilhelm Roentgen. Roentgen estaba haciendo experimentos con un rayo de electrones y una pantalla fluorescente. Al pasar su mano frente al rayo de electrones, vio la silueta de sus huesos reflejada en la pantalla.

9 Primera radriografía

10 Sistemas de radiología
Estos sistemas se basan en radiación que pasa a través del paciente. Esta radiación es detectada por sensores de radiación colocados detrás del paciente.

11 Máquinas de Rayos X Se conforman de tres componentes:
Una fuente generadora de rayos X Tubo al vacio Baño de aceite Motor Un colimador (se encarga de “acomodar” los electrones para que salgan en un solo rayo) Un detector de rayos X

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14 Cómo se generan los Rayos X?
Se generan en un tubo al vacío de vidrio que contiene un cátodo y un ánodo. El cátodo (carga negativa) es un filamento (similar a los de los fluorescentes). El equipo calienta este filamento, liberando electrones a la superficie del cátodo. El ánodo (carga positiva) es un disco de tungsteno, y atrae esos electrones que liberó el cátodo, moviéndolos a través del tubo.

15 Cómo se generan los Rayos X
Cuando el electrón choca con los átomos de tungsteno, mueve un electrón de ese átomo a un orbital de mayor energía. A la vez, un electrón del átomo de tungsteno baja a un nivel de energía menor, liberando un fotón. Como esta energía liberada es muy grande, este fotón liberado tiene mucha energía, por lo tanto es un fotón de rayos X

16 Generación de los Rayos X

17 Cómo se generan los Rayos X
En el proceso se libera mucho calor, por lo que el motor rota el ánodo para evitar que se derrita. El baño de aceite absorbe parte de este calor.

18 Colimador El sistema está dentro de una capa de plomo, que evita que los rayos X se escapen en todas direcciones. El colimador “recoge” estos rayos X y los emite en un sólo rayo. El rayo pasa por varios filtros antes de llegar al paciente.

19 Detección El rayo X pasa a través del cuerpo del paciente, y proyecta la imagen en un negativo (plano fotográfico). Una cámara detrás del paciente capta las intensidades del rayo X que pasa a través del paciente, y se produce una reacción química en el papel fotográfico utilizado entre el rayo X y el papel. Los tejidos densos (como los huesos) “bloquean” parte del rayo, pero los tejidos blandos lo dejan pasar fácilmente, por lo que choca fuertemente contra el detector, generando mayor densidad fotográfica (se ve negro).

20 Detección Los materiales duros (como los huesos) se ven blancos, y los más suaves se ven grises y negro. Variando la intensidad del rayo, se pueden enfocar distintos materiales.

21 Detectores Inicialmente se utilizaban planos fotográficos (similar a un rollo de película, pero es un vidrio cubierto con una emulsión de gases de platas sensibles a la luz). Luego se utilizo rollos de película fotográfica. Actualmente se utilizan sistemas digitales y computarizados para obtener la imagen.

22 Uso de contrastes En los rayos X normales (utilizados especialmente para visualizar huesos) no se observan los tejidos blandos. Para poder visualizar órganos o vasos sanguíneos se debe utilizar un medio de contraste. Los medios de contraste son líquidos que absorben rayos X mejor que los tejidos que los rodean.

23 Uso de Rayos X con contraste
Para visualizar órganos del tracto digestivo y endocrino: El paciente toma un liquido que es un medio de contraste, generalmente un complejo de bario Para visualizar elementos del sistema circulatorio (angiografía): Se le inyecta al paciente el medio de contraste en la circulación

24 Uso de Rayos X con contraste
El medio de contraste va a ser más claro que los tejidos de alrededor, por lo que lo podemos visualizar en el negativo, y podemos observar el paso del contraste por el sistema. Se utiliza en conjunto con un fluoroscopio. Los rayos X pasan a través del cuerpo hacia una pantalla fluorescente, creando una imagen de rayos X en movimiento (según el movimiento del medio de contraste en el sistema)

25 Diferentes usos de los Rayos X
Visualización del esqueleto Radiografía de pecho Identifica neumonía, cáncer de pulmón, edemas pulmonares Radiografía abdominal Identifica bloqueos del intestino, perforaciones, piedras en la vesícula o riñones Angiografía Mamografía

26 Ventajas de los Rayos X Ofrece imágenes de alta resolución y alto contraste con una Exposición relativamente baja a la radiación.

27 Desventajas de los Rayos X
Distorsión geométrica. No provee información sobre la profundidad. No provee imágenes en tiempo real.

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29 Qué podemos ver con los Rayox X y TA?

30 Avance hacia Tomografía Axial
A principios de 1920 se desarrolló la tomografía de plano, para poder visualizar estructuras en 3D La fuente de rayos X se mueve en una dirección opuesta al movimiento del detector (rollo fotográfico) Cada rayo pasa por el mismo punto del cuerpo en el plano de interés a lo largo de toda la exposición Únicamente las estructuras en este plano se ven claramente en el negativo

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32 Desventajas de la Tomografía de Plano
Como no se localiza sobre un solo plano da errores en la percepción de la profundidad. Para obtener buena resolución se debe utilizar gran cantidad de contraste. La exposición a los rayos X es mayor que en una radiografía normal.

33 Tomografía Axial Computarizada
Consiste de un sistema de escaneo y detección, una computadora, y un medio de display. Combina técnicas de reconstrucción de imágenes con medidas de absorción de rayos X. Reconstruye todos los planos tomados en una imagen en 3D

34 TAC Se debe recolectar la mayor cantidad de información posible de la zona de interés para poder reconstruir la imagen. Esto se logra girando el rayo de rayos X 360ο y teniendo detectores fijos (hasta 700). La idea es “fotografiar” pequeños cortes transversales que luego se reconstruyen en el volumen total.

35 TAC Al girar alrededor del cuerpo se obtienen múltiples imágenes.
La computadora combina estas imágenes en una imagen que representa una “rebanada” del cuerpo (podemos decir que es una radiografía de una rodaja del tejido en estudio). Las imágenes se van sumando y luego se promedian, para obtener la imagen final de cada corte transversal. De todos estos cortes se reconstruye una imagen en 3D que puede observarse desde cualquier ángulo.

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37 Ventajas del TAC Provee información en 3 dimensiones de las estructuras internas del cuerpo (dando varios cortes transversales del área de interés). La imagen que se obtiene es muy nítida. Es capaz de percibir diferencias pequeñas en los tejidos blandos. La dosis de radiación que se le aplica al paciente es menor que en los sistemas convencionales de rayos X.

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41 Riesgos de la exposición a los Rayos X
Posibilidad de desarrollar cáncer Riesgo de cataratas Riesgo de quemaduras de la piel

42 Normas de seguridad Los técnicos/médicos que manejan el equipo deben estar debidamente capacitados y certificados Las áreas de acceso restringido deben estar debidamente señalizadas Se debe utilizar el equipo de protección correspondiente Se debe llevar un record de las exposiciones a las que se ha sometido el técnico, el médico y el paciente, para no exceder el máximo acumulativo

43 Normas de seguridad No se debe suministrar más que la dosis recomendada de radiación (medido en rems o mSv). El técnico debe llevar un dosímetro para monitorear la cantidad de exposición a la que se ha expuesto. Mujeres embarazadas no deben exponerse a radiación con rayos X para evitar posibles complicaciones en el embarazo y problemas en el bebe (aunque se ha demostrado que los riesgos son mínimos). Un área restringida por radiación es un área en la cual cualquier parte del cuerpo puede recibir en 1 hora una dosis de 5 mrem, o 100 mrem en 5 días consecutivos.

44 Dosis recomendadas AREA DEL CUERPO REMS CADA 3 MESES Cabeza y tórax, órganos activos, ojos 1 ¼ Manos, antebrazos, pies y tobillos 18 ¾ Piel 7 ½ 1 mrem = e-8 C/kg Los pacientes pueden recibir dosis más altas, siempre y cuando en un trimestre no sobrepase 3 rems. Los menores de 18 años no deben recibir mas de un 10% de la dosis trimestral máxima.

45 Dosis recomendada por la CCSS
Para trabajadores expuestos: 20 mSv en 12 meses 100 mSv en 5 años Nunca más de 50 mSv en 1 año En las manos y pies: 500 mSv en 12 meses Para el público (pacientes): 1 mSv en 12 meses 50 mSV en 12 meses para órganos considerados individualmente

46 Dosis recomendada por la CCSS
Las personas entre 16 y 18 años solo pueden exponerse a radiaciones con fines de capacitación y sus límites anuales de dosis no podrán exceder de 1/3 de los señalados para trabajadores expuestos. Menores de 16 años únicamente pueden exponerse a radiaciones como pacientes.

47 A cuánta radiación nos exponemos naturalmente?
PROCEDIMIENTO DOSIS RADIACIÓN COMPARACION CON RADIACIÓN RECIBIDA POR FUENTES NATURALES TAC ABDOMEN 10 mSv (milisievert) 3 años TAC CUERPO 10 mSv RADIOGRAFIA TRACTO DIGESTIVO 4 mSv 16 meses TAC CABEZA 2 mSv 8 meses RADIOGRAFIA DE TORAX 0.1 mSv 10 días RADIOGRAFIA 1 rem = 10 mSv

48 Sistemas de Resonancia Magnética

49 Generalidades de la MR Mide los protones de los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua. La gran cantidad de agua existente en los tejidos blandos hacen que la resonancia magnética sea excelente para ver este tipo de tejidos.

50 MRI vs. CT MR tiene ciertas ventajas sobre CT:
Excelente para diferenciar tejidos blandos Las imágenes pueden ser adquiridas en cualquier orientación No se usan radiaciones ionizantes, es menos perjudicial para el paciente. Los medios de contraste usados en MR son menos agresivos que en CT

51 Ejemplo de imágenes de CT
Tejido blando Hueso Ejemplo de imágenes de MR T2 T1 PD

52 MR MR CT

53 Buena visualización de tejidos blandos
Las fracturas se ven con claridad

54 Teoría detrás del MRI

55 Protones Las moléculas de agua están constituidas por dos moléculas de Hidrógeno y una de Oxígeno. El átomo de Hidrógeno posee un protón y un electrón. Dicho protón en el núcleo del átomo es quien proveerá la señal de RM. Atomo de ´Hidrógeno Molécula de agua Agua Protón O H

56 Spin Los protones poseen una propiedad llamada Spin -> están rotando sobre su eje al igual que un trompo. Momento Angular Intrínsico El spin se representa mediante un vector. Al girar, generan un campo magnético, similar a un imán. N S Spin

57 Qué pasa cuando se exponen a un campo magnético externo?
Si los protones son expuestos a un gran campo magnético externo, los spin se alinean con dicho campo: Unos se alinean en el mismo sentido (se ubican en un estado de nivel de energía alto) y otros en el sentido contrario (se ubican en un estado de energía bajo).

58 Qué pasa cuándo se expone a un campo magnético externo?
El movimiento oscilatorio de un cuerpo sobre su eje de rotación es llamado: Precesión. Un protón expuesto a un campo magnético externo presenta una precesión con una frecuencia de oscilación proporcional a la magnitud del campo. Esta frecuencia es llamada: Frecuencia de Lamor.

59 Orientación de los protones
Cuando el campo magnético externo Bo es nulo, los spines se orientan en forma aleatoria. Resultando una magnetización neta M igual a cero. M=0

60 Orientación de los protones
Cuando el campo magnético externo Bo no es nulo, los spines se orientan en forma paralela o antiparalela al campo Bo. Existe una muy pequeña mayoría de ellos que se orientan en forma paralela a Bo. Dicha mayoría crece cuando crece Bo. Es por esto que cuanto mayor sea el campo externo, mayor será la intensidad de la señal recibida de los protones por el equipo de MR. S N M m = B0

61 Exitación La idea es hacer que estos protones absorban energía y cambien de nivel (del paralelo al antiparalelo), esto se logra utilizando radiofrecuencias. Los pulsos de RF deben ser de una frecuencia f que sea igual a la frecuencia de Larmor, solo así se producirá la absorción de energía. Es a esto que se llama resonancia. z y x a M w Excitación M0 RF x y

62 Excitación Los spines comenzarán a cambiar al estado antiparalelo y también comenzarán a girar en forma coherente, todos con la misma fase. RF t 11 10 9 8 y x y x y x y x 5 6 7 8

63 Medición de la señal de MR
Cuando el pulso de RF es quitado, los protones vuelven a su estado inicial, emitiendo la energía que absorbieron cuando el pulso de RF estaba presente. A este proceso se le llama relajación Se dispondrán antenas de tal modo que solo la componente transversal de la magnetización (Mxy) sea captada V z MZ M MXY B0 y x t pulso de RF Verctor Mxy

64 Relajación y contraste
En MR el contraste de las imágenes es determinado por: PD: densidad de protones. T1: tiempo de relajación T1, el tiempo de relajación de la componente longitudinal Tz. T2: tiempo de relajación T2, el tiempo de relajación de la componente transversal Txy. Los tiempos de relajación son únicos para cada tipo de tejido y son quienes juegan un papel fundamental para obtener el contraste de las imágenes.

65 Tiempo de relajación T1 Se define T1 como el tiempo en que tarda la componente longitudinal (paralelo) en llegar al 63% de su valor inicial. MZ M0 63% t T1 2×T1 3×T1 4×T1 5×T1 ms

66 Tiempo de relajación T1 Tejido T1 [ms] (a 1.5T) (a 1T) (a 0.2T) Grasa
260±70 250±70 200±60 Hígado 490±110 420±92 228±50 Riñón 650±180 587±160 393±110 Vaso 778±150 680±130 398±75 Materia blanca 783±130 680±120 388±66 Músculo esquelético 863±160 730±130 370±66 Músculo cardíaco 862±140 745±120 416±66 Materia gris 917±160 809±140 492±84 CSF 3000±600 2500±500 1500±400

67 Tiempo de relajación T2 Se define como el tiempo en que tarda la componente transversal (antiparalela) en decaer al 37% de su valor inicial. MXY 37% t T2

68 Tiempo de relajación T2 Tejido T2 [ms] Hígado 43 ±6
Músculo esquelético 47 ±6 Músculo cardíaco 57 ±9 Riñones 58 ±8 Vaso 62 ±17 Grasa 80 ±36 Materia blanca 92 ±20 Materia gris 101 ±13 CSF 1400 ±250

69 Los protones tienen un momento magnético llamado spin y cuando estos son expuestos a un campo externo, Bo, se obtiene una magnetización neta M en el sentido de Bo. Al excitar estos protones con radiofrecuencia de frecuencia igual a la de presesión (Larmor), estos absorben energía. Sólo esta frecuencia producirá absorción de energía y rotación del vector M. Todo el resto de las frecuencias de RF no tendrán efecto sobre los protones. Al retirar la RF, se detectan mediante antenas en el plano transversal la señal emitida por los protones. La señal medida es la suma de todas las señales de los protones de todo el tejido excitado. Debemos diferenciar de donde proviene cada una de las señales, tantas señales diferentes como pixeles en mi imagen. Llamamos a esto Localización espacial.

70 Equipos

71 Instalación de MR 6 3 2 5 6 4 1 7 Cuarto de equipos Cuarto de examen
operación Cuarto de examen 4 1 7 1 Magneto 2 Armarios con electrónica 3 Enfriamiento con agua 4 Consola de operación 5 Panel de filtros 6 Pulsador de corte de energía 7 Pulsador de Quench

72 Sistema Sistema de control y procesamiento de las señales El magneto
Sistema de gradientes Sistema de RF

73 Tomografía por emisión de positrones (PET)

74 La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una técnica empleada en medicina nuclear para el diagnóstico no invasivo de distintas enfermedades. El PET ofrece información funcional sobre procesos metabólicos del organismo, misma que se obtiene a partir de la distribución de radionúclidos (radiofármacos) emisores de positrones de vida media corta.

75 Funcionamiento

76 ANTECEDENTES Primer Dispositivo Clínico de Imágenes por Positrones 1953 Primer Dispositivo de Imagen Detector Múltiple de Positrones 1962 Se comienzan a estudiar los procesos para la reconstrucción de imágenes 1967 Primer Tomógrafo Primer Dispositivo de Tomografía Computarizada

77 ANTECEDENTES Primeras versiones comerciales por The Cyclotron Corporation 1976 Introducción de la Tomografía Espiral 1989 Introducción del primer Tomógrafo Multicorte 1998

78 PRINCIPIOS BÁSICOS El positrón es una partícula subatómica que posee la misma masa del electrón, pero con carga opuesta a éste. Posee una característica básica y fundamental: al encontrarse con el electrón se aniquila y el resultado es la generación de dos fotones (rayos gamma) que viajan en direcciones opuestas.

79 PRINCIPIOS BÁSICOS Para lograr la emisión de rayos gamma en el organismo es necesario suministrar radionúclidos (radiofármacos). Al ser elementos inestables emiten positrones que interactúan con los electrones y producen, por su aniquilación, dos rayos gamma de 511 keV, que permiten cuantificar procesos fisiológicos con la ayuda de los detectores del PET.

80 PRINCIPIOS BÁSICOS

81 Ciclotrón Es una cámara de alto vacío en la que mediante un campo magnético paralelo al eje del cilindro y un sistema de radiofrecuencia (para generar un campo eléctrico alternante) acelera a energías muy elevadas partículas elementales producidas mediante una fuente de iones situada en el centro de la cavidad. Cuando estas partículas han adquirido suficiente energía (10 a 20 MeV en aplicaciones médicas) su trayectoria es desviada para que choquen con los blancos, en los que tienen lugar reacciones nucleares que llevan a la obtención de los radionúclidos emisores de positrones.

82 Ciclotrón Partes importantes de un ciclotrón:
1. Imán, genera el campo magnético para confinar el haz de partículas, protones y deuterones. 2. Fuente de partículas o iones, está conformada por cátodos para la producción de protones y deuterones. Estos iones son insertados radialmente en la zona central del imán. 3. Sistema de extracción de Haz, se encarga de dirigir el haz de iones hacia el puerto de salida.

83 Ciclotrón 4.Sistema del Blanco, es el número de puertos de salida, equivale al número de blancos que pueden estar montados para su bombardeo. Algunos modelos permiten el bombardeo simultáneo de dos blancos. 5. Sistema de Radiofrecuencia 6. Sistema de Diagnóstico, Todo el sistema de producción de haz debe seguirse mediante lecturas de la intensidad del haz efectuadas en los siguientes puntos: en las láminas de extracción de electrones, en el colimador del blanco, en el propio blanco.

84 Ciclotrón 7. Sistema de vacío, Su finalidad es la de evitar que los iones acelerados colisionen con átomos de gases residuales presentes en el interior del sistema de aceleración. 8. Sistema de control, que actúa sobre el funcionamiento del propio Ciclotrón, sobre los blancos y también sobre los módulos de síntesis 9. Sistema de refrigeración, como norma general estará formado por un sistema primario y otro secundario. Los principales componentes son: Intercambiador de calor agua-agua, columna para la desionización del agua, sonda para el control de la resistividad y temperatura, bomba de recirculación. El sistema secundario extrae el calor del primario a través del intercambiador agua-agua.

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86 Los radiofármacos que se usan en el PET se encuentran formados por el radionúclido emisor de positrones, que es una molécula que lo transportará a los órganos de interés en el paciente. El Radio fármaco más usado es el FDG ó 18F-2-deoxi-2-fluoro-D-glucosa para exámenes oncológicos.

87 Principales Radionúclidos

88 Radiofármacos

89 COMPONENTES DE UN PET GANTRY – STAND
Módulo que alberga todos los dispositivos que se encargarán de detectar los haces de radiación, el Stand está fijo y sirve de soporte al Gantry para mantenerlo en su posición.

90 Son los cristales que se encargaran de detectar los rayos gamma
LOS DETECTORES Son los cristales que se encargaran de detectar los rayos gamma existen tres tipos de detectores para las cámaras PET: BGO (Germanato de Bismuto), LSO (Lutetium Oxyorthosilicate) y GSO (Gadolinium Oxyorthosilicate) El cristal debe tener las siguientes propiedades: Alta atenuación (alta eficiencia de detección) Corto tiempo de decaimiento Alta luz de salida (señal mas fuerte produce una mejor calidad de imagen) Buena resolución de energía (detector puede discriminar mejor falsas coincidencias)

91 FOTOMULTIPLICADOR CRISTALES CENTELLEADORES ANILLOS DE DETECTORES BLOQUE DETECTOR

92 CIRCUITO DE COINCIDENCIA
A diferencia de las cámaras gammas, el PET tiene un colimador reducido para aceptar solamente eventos coincidentes. Se presenta una pequeña ventana (de aprox. 5 a 10 nanosegundos), cualquier evento que ocurra en esta ventana de tiempo será considerado como eventos coincidentes.

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94 Los resultados de un estudio PET es un conjunto de imágenes de diferentes láminas transversales del órgano de interés, con áreas de actividad metabólica y bioquímica claramente delineadas por diferentes colores. El procesador de imágenes reconstruye la imagen usando la técnica de transformada rápida de Fourier y retroproyección de filtrado (filtered back projection). Los datos primarios son corregidos por eventos aleatorios, refracciones, tiempo muertos y atenuación antes de producir la imagen final.

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96 Aplicaciones Oncología
En los estudios PET- [18F]-FDG, se observa un incremento en la glucólisis de las células tumorales, con un incremento en el metabolismo de la glucosa. Aplicaciones