Detector de rayos x

Detectores de rayos X son los dispositivos utilizados para medir el flujo , espacial distribución, espectro , y / o otras propiedades de los rayos X .

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

Los detectores se pueden dividir en dos categorías principales: detectores de imágenes (como placas fotográficas y película de rayos X (película fotográfica ), ahora reemplazados principalmente por varios dispositivos de digitalización como placas de imagen o detectores de pantalla plana ) 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 manera continua).

Espina de pescado perforada 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 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 particular del cuerpo. Los rayos X están parcialmente bloqueados ("atenuados") por tejidos densos como los huesos y pasan más fácilmente a través de los tejidos blandos. Las áreas donde inciden los rayos X se oscurecen cuando se desarrollan, lo que hace que los huesos parezcan más claros que el tejido blando circundante.

Los compuestos de contraste que contienen bario o yodo , que son radiopacos , pueden ingerirse en el tracto gastrointestinal (bario) o inyectarse en la arteria o las venas para resaltar estos vasos. Los compuestos de contraste tienen elementos de alto número atómico que (como el hueso) bloquean esencialmente los rayos X y, por lo tanto, el órgano o vaso que alguna vez estuvo hueco se puede ver más fácilmente. En la búsqueda de materiales de contraste no tóxicos, se evaluaron muchos tipos de elementos de alto número atómico. Desafortunadamente, algunos elementos elegidos demostraron ser dañinos, por ejemplo, el torio se usó una vez como medio de contraste ( Thorotrast ), que resultó ser tóxico y causó una incidencia muy alta de cáncer décadas después de su uso. El material de contraste moderno ha mejorado y, aunque no hay forma de 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 cristales de haluro de plata , típicamente principalmente 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 los defectos del cristal (formando una imagen latente ). Los iones de plata son atraídos por estos defectos y se reducen , creando grupos 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 desarrollo adicionales 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

"> Reproducir medios
Un video que analiza un estudio que mostró que las radiografías digitales eran igualmente efectivas para identificar enfermedades pulmonares ocupacionales que las radiografías de película.

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

Debido a que las placas fotográficas son sensibles a los rayos X, proporcionan un medio para registrar la imagen, pero también requieren mucha exposición a los rayos X (para el paciente). La adición de una pantalla (o pantallas) intensificadoras fluorescentes en estrecho contacto con la película permite una dosis más baja para el paciente, porque las pantallas mejoran la eficiencia de la detección de rayos X, haciendo más activación de la película a partir de la misma cantidad. de rayos X, o la misma activación de la película a partir de una menor cantidad de rayos X.

Fósforos fotoestimulables

La radiografía con placas de fósforo [10] es un método de registro de rayos X utilizando luminiscencia fotoestimulada (PSL), iniciado por Fuji en la década de 1980. [11] Se utiliza una placa de fósforo fotoestimulable (PSP) en lugar de la placa fotográfica. Después de que la placa es radiografiada, los electrones excitados en el material de fósforo permanecen 'atrapados' en ' centros de color ' en la red cristalina hasta que son estimulados por un rayo láser que pasa sobre la superficie de la placa. [12] La luz emitida durante la estimulación láser es recogida por un tubo fotomultiplicador y la señal resultante se convierte en una imagen digital mediante tecnología informática. La placa PSP se puede reutilizar y los equipos de rayos X existentes no requieren modificación para usarlos. La 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, enema de bario del intestino delgado o grueso) mediante fluoroscopia . La angioplastia , intervenciones médicas del sistema arterial, dependen en gran medida del contraste sensible a los rayos X para identificar lesiones potencialmente tratables.

Detectores de 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 fina para leer y convertir la señal electrónica en una imagen digital. A diferencia de la película o la 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 la CR. [14]

Detectores directos

Desde la década de 1970, se han desarrollado detectores semiconductores de silicio o germanio dopado con litio (Si (Li) o Ge (Li)) . [15] Los fotones de rayos X se convierten en pares de agujeros de electrones en el semiconductor y se recogen para detectar los rayos X. Cuando la temperatura es lo suficientemente baja (el detector se enfría por efecto Peltier o incluso por nitrógeno líquido más frío ), es posible determinar directamente el espectro de energía de rayos X; este método se denomina espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX o EDS); se utiliza a menudo en pequeñas de fluorescencia de rayos X espectrómetros . Los detectores de deriva de silicio (SDD), producidos mediante la fabricación de semiconductores convencionales , proporcionan una medición de radiación rentable y de alto poder de resolución. A diferencia de los detectores de rayos X convencionales, como el Si (Li), no es necesario enfriarlos con nitrógeno líquido. Estos detectores rara vez se utilizan para obtener imágenes y solo son eficientes a bajas energías. [dieciséis]

La aplicación práctica en imágenes médicas comenzó a principios de la década de 2000. [17] El selenio amorfo se utiliza en detectores comerciales de rayos X de panel plano de área grande para mamografía y radiografía general debido a su alta resolución espacial y propiedades de absorción de rayos X. [18] Sin embargo, el bajo número atómico del selenio significa que se requiere una capa gruesa para lograr suficiente sensibilidad. [19]

El telururo de cadmio ( Cd Te ), y su aleación con zinc , telururo de cadmio y zinc , se considera uno de los materiales semiconductores más prometedores para la detección de rayos X debido a su amplia banda prohibida y su alto número cuántico que da como resultado un funcionamiento a temperatura ambiente con alta eficiencia . [20] [21] Las aplicaciones actuales incluyen densitometría ósea y SPECT, pero los detectores de panel plano adecuados para imágenes radiográficas aún no están en producción. [22] la investigación y el desarrollo actual se centra en torno a la resolución de la energía detectores de píxeles , tales como el CERN 's Medipix detector y Ciencia y Tecnología Consejo de Instalaciones ' s HEXITEC detector. [23] [24]

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. [25] [26]

Detectores indirectos

Los detectores indirectos están compuestos por un centelleador para convertir los rayos X en luz visible, que es leída por una matriz TFT. Esto puede proporcionar ventajas de sensibilidad sobre los detectores directos actuales (selenio amorfo), aunque con una posible compensación en la resolución. [19] Los detectores indirectos de panel plano (FPD) se utilizan ampliamente hoy en día en aplicaciones médicas, dentales, veterinarias e industriales.

La matriz TFT consiste en una hoja de vidrio cubierta con una fina capa de silicio que se encuentra en un estado amorfo o desordenado. A escala microscópica, el silicio ha sido impreso con millones de transistores dispuestos en una matriz muy ordenada, como la cuadrícula en una hoja de papel cuadriculado. Cada uno de estos transistores de película fina (TFT) está conectado a un fotodiodo absorbente de luz que forma un píxel individual (elemento de imagen). Los fotones que chocan contra el fotodiodo se convierten en dos portadores de carga eléctrica , llamados pares de electrones y huecos. Dado que la cantidad de portadores de carga producidos variará con la intensidad de los fotones de luz entrantes, se crea un patrón eléctrico que se puede convertir rápidamente en un voltaje y luego en una señal digital, que es interpretada por una computadora para producir una imagen digital. Aunque el silicio tiene propiedades electrónicas sobresalientes, no es un absorbente particularmente bueno de fotones de rayos X. Por esta razón, los rayos X inciden primero en los 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 pasan a la matriz de fotodiodos.

Detectores de gas

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

Los rayos X que atraviesan un gas lo ionizarán , produciendo iones positivos y electrones libres . Un fotón entrante creará varios pares de iones proporcionales a su energía. Si hay un campo eléctrico en la cámara de gas, los iones y electrones se moverán en diferentes direcciones y, por lo tanto, causarán una corriente detectable . El comportamiento del gas dependerá del voltaje aplicado y la geometría de la cámara. Esto da lugar a algunos tipos diferentes de detectores de gas que se describen 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. [27] Esto da una corriente constante proporcional a la tasa de dosis a la que está expuesto el gas. [7] Las cámaras de iones se utilizan ampliamente como medidores de medición de radiación portátiles para verificar los niveles de dosis de radiación.

Los contadores proporcionales utilizan una geometría con un alambre de ánodo delgado con carga positiva en el centro de una cámara cilíndrica. La mayor parte del volumen de gas actuará como una cámara de ionización, pero en la región más cercana al cable, el campo eléctrico es lo suficientemente alto como para que los electrones ionicen las moléculas de gas. Esto creará un efecto de avalancha que aumentará considerablemente la señal de salida. Dado que cada electrón causa una avalancha de aproximadamente el mismo tamaño, la carga recolectada es proporcional al número de pares de iones creados por los rayos X absorbidos. Esto permite medir la energía de cada fotón entrante.

Los contadores Geiger-Müller utilizan un campo eléctrico aún mayor para que se creen fotones UV . [28] Estos inician nuevas avalanchas, que eventualmente resultan en una ionización total del gas alrededor del alambre del ánodo. Esto hace que la señal sea muy fuerte, pero provoca un tiempo muerto después de cada evento y hace que sea imposible medir las energías de los rayos X. [29]

Los detectores de gas suelen ser detectores de un solo píxel que miden solo la tasa de dosis promedio sobre el volumen de gas o el número de fotones que interactúan como se explicó anteriormente, pero se pueden hacer que se resuelvan espacialmente al tener muchos cables cruzados en una cámara de cables .

Células 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, incluidos los rayos ultravioleta extremos , los rayos X suaves y los rayos X duros. Esta forma de detección opera mediante fotoionización , un proceso en el que la radiación ionizante golpea un átomo y libera un electrón libre. [30] Este tipo de sensor de radiación ionizante de banda ancha requiere una celda solar, un amperímetro y un filtro de luz visible en la parte superior de la celda solar que permite que la radiación ionizante golpee la celda solar mientras bloquea las longitudes de onda no deseadas.

Película radiocrómica

La película radiocrómica autodesarrollada puede proporcionar mediciones de muy alta resolución, con fines de dosimetría y creación de perfiles, particularmente en la física de la radioterapia. [31]

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