Curso Básico de Radiofísica Sanitaria

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1 Curso Básico de Radiofísica Sanitaria
Colegio Profesional de Licenciados y Técnicos Radiólogos de Salta Unidad N° 2 Característica de los equipos y haces de rayos X Salta, Agosto de 2018

2 TEMARIO Característica de los equipos de radiodiagnóstico
Introducción. Componentes básicos del tubo de rayos X. Efecto Talón. Curvas de carga. Colimación. Rejilla antidifusora. Control automático de exposición. Receptores de imagen. Tipos. Tomografía computada, conceptos básicos. Equipos que se pueden encontrar en un servicio de diagnóstico por imágenes. Nuevas tecnologías

3 Introducción Los RX se producen cuando los electrones, que se mueven a alta velocidad interaccionan con un blanco de un material como el wolframio, el molibdeno o el rodio. El electrón es atraído hacia el núcleo del átomo del blanco, y se desvía de su trayectoria original con pérdida de energía cinética. La energía cinética perdida por el electrón se convierte en parte en radiación electromagnética de alta energía, llamada radiación de frenado o Bremstrahlung. Los átomos del blanco excitados por los electrones, al volver a su estado normal, se desexcitan, emitiendo una radiación electromagnética denominada RX característica. Sin embargo, la mayor parte de la energía involucrada (cerca del 99%), se transforma en calor.

4 Factores que influyen en la energía cinética del electrón:
Diferencia de potencial a la que se somete el tubo de RX, entre el ánodo y el cátodo (kV). Factores que influyen en la energía de los fotones de RX: La mayor o menor cercanía que pase el electrón, del núcleo del átomo del blanco. La energía cinética del electrón. La carga eléctrica del núcleo. A mayor energía cinética, mayor energía de la radiación producida. A mayor energía cinética, mayor cantidad de rayos X (aumenta con el cuadrado del kilovoltaje). Factores que influyen en la cantidad de radiación: Cantidad de electrones que inciden en el blanco (ánodo). A mayor cantidad de electrones, mayor cantidad o intensidad de radiación (mAs). Esto no aumenta la energía de los mismos. A mayor número atómico del blanco, mayor será la eficiencia de producción de rayos X, para el mismo valor de kV y mAs.

5 PROPIEDADES DE LOS RAYOS X
Pueden atravesar materiales opacos a la luz. Poseen efectos luminiscente sobre algunas sustancias. Se propagan en línea recta, a partir de un punto focal. La velocidad de propagación es similar a la de la luz. Efecto ionizante. Efecto fotográfico. Efecto biológico. No pueden ser enfocados mediante prismas, lentes, espejos y no pueden ser reflejados. Producen radiación secundaria y dispersa en los materiales que atraviesan, produciendo calor al mismo tiempo. No poseen masa, son invisibles y eléctricamente neutros.

6 Partes constitutivas del tubo de RX
Ampolla de vidrio, tipo dúrax, que soporte altas temperaturas y sellada al vacío. Ánodo, o blanco, puede ser fijo o móvil Cátodo, o filamento, que generan la corriente de electrones, para los distintos focos. Ventana de disparo. Fuelle de expansión. Aceite dieléctrico. Blindaje (calota o houssing)

7 Metal del blanco (Ánodo)
GENERACIÓN DE RAYOS X Los electrones son acelerados por un campo eléctrico de alto voltaje El filamento caliente emite los electrones por medio de emisión termo iónica Los rayos X se producen cuando los electrones que poseen alta velocidad chocan contra el blanco metálico Rodillo de cobre para disipación de calor Envoltorio de vidrio al vacío Voltaje aplicado NATURALEZA DE LOS RAYOS X (long. onda) Metal del blanco (Ánodo)

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10 Elementos anexos al tubo para protección y disminución de radiación principal y secundaria
Filtros Colimadores. Rejillas o parrillas antidifusoras

11 Filamentos El cátodo es el polo eléctrico negativo y en él se encuentran los filamentos. Los materiales pueden ser de molibdeno, wolframio o rodio. Producen electrones cuando se calientan, al hacer pasar una corriente eléctrica a través de ellos. Al calentarse, los átomos permiten que algunos electrones se liberen y se muevan. Esto se conoce como emisión termo iónica. A mayor corriente, mayor emisión de electrones. El wolframio es el material elegido para los tubos de RX debido a su facilidad para formar hilos delgados y fuertes, con alto punto de fusión y baja tendencia a evaporarse.

12 Filamentos Sin embargo con el uso pequeñas partículas se van evaporando, tanto del átomo como del cátodo, y se van depositando en la superficie interna de la pared de la ampolla, formando una pequeña capa de color amarillento, que se acrecienta con la antigüedad y uso del tubo (metalización). Los tubos modernos poseen dos filamentos. Uno más largo que el otro y por lo general se encuentran uno al lado del otro o por encima del otro (son los focos, fino y grueso). Las exposiciones realizadas con el foco fino permiten mejor calidad de imagen, pero la cantidad de electrones que impactan en el ánodo es menor que con el foco grueso, y para obtener la misma densidad óptica se necesita mayor tiempo de exposición. El aumento del tiempo de exposición aumenta la posibilidad de que el paciente se mueva y por ende el aumento del riesgo de la penumbra cinética.

13 Filamentos Las imágenes obtenidas con foco grueso (mayor corriente), presentan peor calidad pero requieren menor tiempo de exposición para obtener una misma densidad óptica que con foco fino y generan menor cantidad de calor. La selección de uno u otro filamento, deberá realizarse según el tipo de placa que se requiera y el paciente de que se trate.

14 mAs bajo mAs alto

15 Ánodo Es el blanco de las emisiones de los electrones, y su carga eléctrica es positiva. El material con el que está construido normalmente es el wolframio (tungsteno), aunque también hay ánodos de rodio y molibdeno. El área de impacto del haz de electrones se denomina mancha focal. Cuanto mayor sea su superficie, mayor cantidad de calor podrá acumular antes de que se produzca un daño en el ánodo, pero menor detalle podremos obtener en las radiografías. Esta situación se resolvió dando una pequeña inclinación o angulación con relación al haz de electrones.

16 Ánodo Debido a esta inclinación, cuando la mancha focal es vista desde la ventana de emisión de RX, la superficie parece menor, o dicho de otra manera, el foco efectivo o aparente, es considerablemente menor que el foco aparente. Los tamaños de focos aparentes normalmente utilizados son: 0,1, 0,3, 0,6, 1,0 y 1,2 mm. Los ánodos pueden ser de dos tipos: estacionarios o giratorios. El ánodo giratorio tiene la capacidad de almacenar más calor, dado que el movimiento del blanco hace que el haz de electrones no incida siempre en el mismo punto, tolerando más la generación del calor producto de la interacción entre los electrones y el blanco.

17 Ánodo El ánodo giratorio permite tener mayor capacidad de disipación, siendo para los equipos de RX la velocidad de rotación estándar de 3600 rpm al momento del disparo. Existen ánodos que giran a 9000 rpm, que se utilizan para los equipos de tomografía y hemodinamia. Los ánodos fijos, son mayormente utilizados en equipos odontológicos y densitómetros óseos.

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19 Voltaje o diferencia de potencial
Es la tensión eléctrica aplicada entre el cátodo y el ánodo. Esta tensión produce la aceleración de los electrones para que impacten en el blanco. Se expresa en kilovoltios (kV), y su valor para aplicaciones médicas oscila entre 40 y 125 kV.

20 Vacío Todos los elementos descriptos anteriormente se encuentran encerrados en una ampolla de vidrio en la que se ha realizado vacío y ha sido sellada. Si existiera gas en el interior, los electrones se frenarían y el gas también se ionizaría, por lo que se producirían arcos eléctricos que terminarían destruyendo el ánodo. A su vez, también se debe hacer vacío al llenar la calota con el tubo y el aceite dieléctrico, dado que se produciría el mismo fenómeno de ionización del aire, pudiendo provocar la explosión del tubo. Cuando el tubo pierde vacío, se empieza a gasificar, para lo cual se debe realizar un proceso de desgasificación por el riesgo a explosión.

21 Blindaje Es la protección para evitar que la radiación que no traspase la ventana de disparo no sea dispersada al ambiente, dado que la los rayos no se emiten sólo en la dirección del haz que sale por dicha ventana, sino en todas las direcciones. Este blindaje es de plomo, ya que es un material de alta densidad capaz de limitar la emisión innecesaria de la radiación X con un espesor pequeño. La efectividad del blindaje debe cumplir las especificaciones de la ICRP (Comisión Internacional de Radio Protección), que establece que la radiación de fuga medida a 1 m de distancia de la fuente, no debe superar 1 mGy/h, con el tubo opera a máxima potencia.

22 Filtros Se colocan a la salida del haz de radiación X y absorben parte de la radiación que sale del tubo, fundamentalmente la de baja energía. Esta radiación aumenta la dosis paciente, pero no dado su poder de baja penetración no contribuye a la imagen y es conveniente y necesario que sea eliminada. Por lo tanto los filtros sirven para impartir menores dosis en la piel, sin afectar en la calidad de imagen. La primera filtración se denomina inherente, y se produce cuando el haz de fotones atraviesa el vidrio de la ampolla, el aceite dieléctrico protector, y la ventana de emisión. El filtrado inherente se mide en milímetros equivalentes de aluminio y su valor equivale entre 0,5 y 1 mm de espesor de Al.

23 Filtros La filtración añadida se produce por medio de elementos absorbentes que se interponen en el camino del haz de rayos X, para eliminar la radiación de baja energía. Comúnmente se utilizan elementos de Al y Cu combinados, a los fines de disminuir lo máximo posible el espesor del filtro. El espesor de filtro a añadir, depende de la mínima tasa de exposición y calidad que se desea obtener en el haz. La tasa de exposición disminuye a medida que el haz se endurece y, por lo tanto, debe hallarse un compromiso entre ambos factores. Una filtración excesiva causa una merma global del haz, absorbiendo principalmente fotones de alta energía, ya que los de baja quedan en las primeras capas del filtro. Esto no altera la calidad del haz, pero disminuye su intensidad, por lo que es necesario aumentar el tiempo de exposición para lograr buenos resultados con la misma intensidad, con el consiguiente riesgo que el paciente se mueva durante el estudio.

24 La importancia de los filtros

25 Efecto anódico o talón La intensidad del haz de rayos X que abandona el tubo no es uniforme en toda la superficie del mismo, sino que depende del ángulo en el que se emiten los rayos desde el foco, siendo menor en la parte del haz más cercana al ánodo. Esto se conoce como efecto talón, debido a la absorción de radiación producida por el mismo ánodo. Este efecto se acrecienta con las rugosidades del ánodo, las que aumentan con el uso del tubo y el empleo de valores altos de kV y mAs. Este efecto es menos importante a medida que la distancia foco película se acrecienta, y también para tamaños de campo menores (colimados), ya que la intensidad del haz es más homogénea cerca del eje de radiación, que hacia la periferia. El efecto talón puede compensarse exponiendo por el lado del ánodo, partes del cuerpo del paciente con menor espesor o densidad.

26 Efecto anódico o talón Los RX no se generan en la superficie del blanco sino a cierta profundidad. La superficie del blanco no es estrictamente plana.

27 Efecto anódico o talón

28 Curvas de carga Son la representación gráfica de la intensidad (mA) en ordenadas, en escala lineal, y el tiempo de exposición (seg) en abscisas, en escala logarítmica. Estas curvas establecen para cada kilovoltaje el límite máximo de selección simultánea de intensidad y tiempo, lo que equivale a decir, es el límite de seguridad de funcionamiento del tubo de RX.

29 Colimación La colimación se utiliza para limitar el área irradiada, y consiste en un sistema de cortinilla de plomo que se abren o cierran según la necesidad de campo a irradiar. Se sitúa a la salida del tubo de RX, y en los tomógrafos, y algunos equipos dinámicos, también en la entrada Existen distintos tipos de colimadores, tanto en forma como en movimiento. Los colimadores estáticos, se utilizan mayormente en los equipos odontológicos, y densitómetros o donde el campo a irradiar es fijo y son cónicos, y los dinámicos, en equipos de rayos, arcos en C, mamógrafos, hemodinamia, tomografía, que pueden ser rectangulares, circulares, o trapezoidales, y a su vez pueden ser manuales o automáticos.

30 Colimación Un ajuste adecuado de la colimación supone menor dosis para el paciente y la producción de menor radiación dispersa, por lo que se obtiene una mejor calidad de imagen.

31 Colimación

32 Rejilla antidifusora Los dispositivos restrictores ofrecen un modo eficaz de reducir la radiación dispersa, pero por sí solos no resultan suficientemente satisfactorios. Para optimizar el filtrado de la radiación dispersa o secundaria, se coloca una rejilla antidifusora entre el paciente y el dispositivo receptor de la radiación, donde se forma la imagen. Estos dispositivos consisten en láminas de plomo separadas por espacios, que dejan pasar la radiación. La ubicación de estos espacios es tal, que solamente pasa la radiación proveniente del foco de rayos X, que viene en línea recta desde la fuente al receptor de la imagen. Los rayos transmitidos en línea oblicua, que forman un cierto ángulo con la rejilla, son absorbidos por ésta. Mediante este dispositivo se elimina prácticamente toda la radiación secundaria que se produce dentro del paciente.

33 Rejilla antidifusora Como la rejilla también absorbe parte de la radiación primaria, es necesario aumentar los valores de la técnica para obtener el mismo grado de ennegrecimiento de la película. Esto implica que se aumente la dosis paciente, pero este hecho se ve compensado con una mejor calidad de imagen, al eliminar la radiación dispersa. Si el objeto estudiado tiene un volumen pequeño (mano, mama, bebé), la producción de radiación secundaria será menor, y el aumento de la dosis por el uso de la rejilla antidifusora, puede no compensar la pequeña mejoría en la imagen al eliminar la pequeña fracción de radiación dispersa formada.

34 Rejilla antidifusora Se define el factor de atenuación de rejilla como la relación entre la altura de las láminas de plomo (h) y la distancia entre ellas (d) r=h/d. Los factores de rejilla más utilizados están entre 8 y 12, siendo más efectiva a mayor valor de factor de atenuación. Las rejillas con un valor mayor a 12, son difíciles de alinear y requieren una mayor exposición del paciente a la radiación. Otro factor determinante para definir las rejillas es la cantidad de láminas por centímetro y el contenido de plomo en la rejilla, medido en g/cm2. Por último, estas rejillas pueden ser estáticas o móviles, siendo esta última versión la que ofrece mejor calidad de placas.

35 Rejilla antidifusora tubo RX haz primario paciente haz disperso
receptor de imagen

36 Control automático de exposición (CAE ó AEC)
Se trata de un dispositivo que mide la cantidad de radiación que llega al receptor de la imagen y concluye automáticamente la exposición cuando ha llegado al mismo una cantidad suficiente de radiación como para proporcionar una densidad óptica adecuada. Esto favorece a disminuir las dosis a los pacientes al evitar exposiciones demasiado bajas (lo cual puede devenir en una nueva exposición), o excesivas (lo cual puede generar sobreexposiciones). Consta de una o varias cámaras de ionización situadas entre el paciente y la película. Son radio transparentes, de manera que no interfieren con la imagen radiográfica.

37 Receptores de imagen La radiación transmitida después de atravesar un determinado espesor de tejido se conoce como radiación primaria. La misma no puede ser observada directamente, pero puede hacerse visible mediante el uso de algún sistema de adquisición de imagen, como ser película y pantalla reforzadora, intensificador de imágenes y monitor de TV, pantallas digitalizadoras o detectores de estado sólido. Para poder entender su funcionamiento, es necesario hablar previamente de los principales parámetros que definen la calidad de imagen.

38 Parámetros que definen la calidad de imagen
La calidad de imagen se define por medio de tres parámetros fundamentales: resolución, contraste y brillo, siendo este último el asociado a sistema de detección con intensificador de imágenes y sistemas digitales. A su vez la resolución consta de dos parámetros: la resolución espacial y la resolución de contraste

39 Resolución espacial Es la capacidad de un sistema para representar separadamente las imágenes de dos objetos muy cercanos entre sí. Se suele medir en pares de líneas por milímetro (pl/mm) que pueden detectarse en la imagen y se expresa por medio de un valor numérico. A mayor valor, mejor será el detalle del objeto representado.

40 Resolución de contraste
Es la capacidad de un sistema para representar la imagen de un objeto relativamente grande que difiere muy poco en densidad de su entorno.

41 Contraste Es la variación de densidad óptica presente en un sistema detector de imagen. La diferencia de densidad óptica entre estructuras adyacentes es el factor principal en la calidad de imagen. La escala de contraste es el intervalo de densidades ópticas comprendido entre la parte más blanca y la parte más ennegrecida de un sistema de imagen.

42 Brillo El brillo de la imagen de una pantalla fluorescente de un intensificador de imagen puede compararse con el brillo de un patrón. La ganancia de brillo se define entonces como el cociente entre el brillo de la pantalla del intensificador de imagen y el brillo patrón, cuando ambos reciben una exposición de radiación idéntica.

43 Sistema película pantalla
Películas radiográficas: emulsión sensible a la radiación compuesta cristales de haluro de plata La energía cedida por la radiación se traduce en la formación de una imagen latente, no visible inmediatamente después de su exposición Mediante una serie de procesos químicos adecuados la imagen latente se convierte en una imagen en la película radiográfica. Las películas van dentro de chasis que incorporan pantallas intensificadoras o “cartulinas de refuerzo”

44 Sistema película pantalla
Material centelleador: wolframato de Ca o compuestos de tierras raras (La, Gd) con alto rendimiento de fluorescencia. También existen cartulinas con una capa reflectora de TiO2, una capa de fósforo y una cobertura protectora. Los diferentes centelleadores emiten en distinta . La película debe presentar alta sensibilidad a dicha  buena combinación cartulina-película

45 Intensificador de imágenes
Por cada fotón de rayos X absorbido, una pantalla fluorescente emite 3000 fotones de luz. Los fotones de luz llegan al fotocátodo y se liberan en él electrones. Estos electrones son enfocados y acelerados hacia el ánodo del tubo intensificador e inciden sobre otra pantalla fluorescente La imagen formada está amplificada en intensidad y se transmite a una cadena de TV.

46 La imagen se visualiza en
un monitor de TV

47 Sistemas de adquisición digitales
Existen varios sistemas de adquisición muy utilizados: Sistema CR (Computed Radiography), indirecto. Sistema DR (Digital Radiography), directo. El sistema CR hace mención la tecnología de adquisición basada en la utilización de pantallas fosforescentes fotoestimulables (hoja de memoria). Estas láminas se utilizan dentro de chasis convencionales, sustituyendo la película radiológica clásica, y que se digitaliza mediante una lectura con láser. En ella no se transforma en luz ni se impresiona sobre una película, sino que la radiación estimula la electrones de la capa de fósforo que pasan a un estado inestable, dando lugar a una imagen latente. Luego la placa se barre con un láser de He-Ne, haciendo que los electrones vuelvan a su estado basal, emitiendo una luz azul, de intensidad proporcional a la radiación absorbida inicialmente, y que se transmite a un tubo fotomultiplicador, convirtiéndose en señal eléctrica. Por medio de un conversor analógico-digital se transforma la señal y se transmite la información a un procesador de imágenes para su tratamiento.

48 Sistema CR

49 Sistema DR El sistema DR puede ser directo o indirecto y puede ser por tecnología CCD o TFT. El sistema directo posee los sensores directamente en el equipo de RX, en los potter bucky, conectados directamente a una PC. El sistema indirecto, posee los sensores, en paneles similares a los chasis, que posteriormente se conectan a una PC. Equipos digitales directos: se sustituyen los portachasis convencionales por paneles detectores La imagen no ha de ser procesada y aparece en pocos segundos en un monitor

50 Sistema DR

51 Sistema CCD Puede ser móvil o estacionario.
El sistema posee un centellador acoplado por medio de una fibra óptica a sensores CCD (charge coupled devices) El centellador (que suele ser de CsI) recibe la radiación y emite una cantidad de luz proporcional a la misma, que es captada por los sensores CCD, de manera similar a una cámara fotográfica digital. Los sensores CCD convierten la luz recibida en energía eléctrica, siendo que a mayor cantidad de luz recibida se genera mayor intensidad eléctrica, la cual se acumula en los sensores. El método de lectura se basa en medir la carga de los elementos que están en las filas desplazándolos a una “fila o columna de arrastre”, que a su vez los desplaza a un dispositivo de lectura.

52 Sistema digital portátil
El Detector CCD portátil se utiliza con el actual Equipo de Rayos X Estacionario sin hacer complejas modificaciones o reemplazos y se puede conectar a una PC con un cable USB y un adaptador de energía eléctrica. Esta forma de digitalización permite obtener imágenes de alta calidad, con un nivel de exposición menor comparado con la película convencional. La regeneración inmediata del formato de imágenes digitales permite volver a tomar las radiografías sin perder tiempo en el revelado de la película convencional o la manipulación de los casetes del CR. El sistema TFT es similar, pero con otra tecnología asociada a la adquisición.

53 Tomógrafo computado No existe película ni tubo intensificador, sino que la radiación es captada por detectores digitales. La imagen reconstruida corresponde a un corte (tomo) transversal, producto de la radiación incidente en los detectores que son como un anillo. El tubo se mueve en forma solidaria con los detectores, que se encuentran del lado opuesto al emisor. La progresión de la tecnología, define las generaciones de los tomógrafos Generación Movimiento Tipo de haz Detectores Tiempo de scan 1° Traslación/rotación Lápiz 1 +300 seg. 2° Abanico +10 20 seg 3° Rotación +30 1-2 seg 4° 1000 1 seg

54 Tomógrafo 5° generación
Orbita de Rotación Tubo Rayos X Detectores Estacionarios

55 Mesa paciente (300kg) GANTRY (Garganta de Exploración) Consola (CPU + unidad de Reconstrucción + Display) Interface Gráfica

56 Tomografía helicoidal

57 Definición de Pitch Es el Factor de cobertura o de desplazamiento. Es un cociente que expresa lo que avanza la camilla en una rotación en relación al espesor de colimación. Es el equivalente al Paso de un tornillo Brinda una idea de la velocidad de adquisición helicoidal

58 Definición de Pitch

59 Protocolo de Tórax Helicoidal Detector único
Inicio por encima de Ápices pulmonares Fin por debajo de GL. Suprarenales Rango Cómo se puede reducir el tiempo de adquisición y tener mayor resolución espacial?

60 MSCT- Ventajas Gran cobertura, Rapidez, con cortes finos.
Adquisición Volumétrica. Estudios contrastados más eficientes. Imágenes con Uniformidad Temporal El menor tiempo de exploración favorece nuevas aplicaciones: Estudios cardíacos morfológicos y funcionales. MSCT>64 Cuerpo Entero -> Trauma, Femoral Run-off Isotropismo: Idéntica Resolución en todos los planos

61 Comparativa CT CONVENCIONAL HELICOIDAL MSCT

62 Conclusiones Un sistema de TC debe poseer una excelente Resolución en Bajo contraste => Menores dosis La reducción de dosis debe ser un concepto de diseño e integrado dentro de los protocolos de examen. NO post-proceso Con todos los algoritmos y técnicas se debe lograr una reducción significativa de la dosis de radiación. 75%

63 Nuevas tecnologías: Radiografía Cone Bean

64 Nuevas tecnologías: Radiografía Cone Bean
La principal diferencia entre los dos métodos es el volumen del objeto examinado en un momento determinado. En la TC convencional, una sección estrecha del paciente se explora con un haz de rayos X "en abanico". Si se desea obtener un volumen ampliado de la anatomía a través de la TC, el paciente debe ser explorado varias veces a través del haz de rayos X en abanico a medida que gira. Por el contrario, en la CBCT el detector de área grande explora un volumen ampliado del paciente en una sola rotación.

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66 Nuevas tecnologías: Tubos de cátodo frío
Sistema de RX por medio de un tubo emisor de campo de nanotubos de carbono (CNT en inglés). Estos sistemas se conocen con el nombre de cátodo frío.

67 La configuración de un tubo emisor de campo de nanotubos de carbono (CNT, del inglés Carbon Nano Tube) difiere significativamente de aquella de los tubos termoiónicos tradicionales. El emisor de CNT en un tubo de radiografías tiene un gran número de CNT dispuestos verticalmente en un sustrato conductor y reemplaza el filamento tradicional, como si fuera una cama de clavos

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69 Detalle comparativo

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72 Equipamiento que puede tener un servicio de diagnóstico por imágenes
Equipamiento básico: Equipo de radiología. Equipo de seriografía. Mamógrafo. Densitómetro óseo. Tomógrafo computado. Ortopantomógrafo. Cone Beam Además puede haber: Resonador magnético. Ecógrafos Arcos en C. Equipos de RX rodantes