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 imágenes (como placas fotográficas y películas de rayos X ( película fotográfica ), ahora reemplazados en su mayoría por varios 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 el equipo y los procedimientos de protección radiológica sean efectivos de manera continua).
Para obtener una imagen con cualquier tipo de detector de imágenes, la parte del paciente que se va a radiografiar se coloca entre la fuente de rayos X y el receptor de imágenes para producir una sombra de la estructura interna de esa parte particular del cuerpo. Los rayos X son bloqueados parcialmente ("atenuados") por los tejidos densos como el hueso, y pasan más fácilmente a través de los tejidos blandos. Las áreas donde inciden los rayos X se oscurecen al revelarse, 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 , se pueden ingerir en el tracto gastrointestinal (bario) o inyectarse en la arteria o vena 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 fue 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. Algunos elementos elegidos demostraron ser dañinos; por ejemplo, el torio se usó alguna 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, si bien no hay forma de determinar quién puede tener sensibilidad al contraste, la incidencia de reacciones alérgicas graves es baja. [1]
Una película de rayos X típica contiene "granos" de cristales de haluro de plata , generalmente principalmente bromuro de plata . [2] El tamaño y la composición de los granos 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 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]
Las primeras radiografías (imágenes de rayos X) se hicieron mediante la acción de los rayos X sobre placas fotográficas de vidrio sensibilizado. 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] 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 a la película fotográfica en aplicaciones médicas y dentales, aunque la tecnología de película sigue siendo de uso generalizado en los procesos de radiografía industrial (por ejemplo, para inspeccionar costuras soldadas). El metal plata (anteriormente necesario para las industrias radiográficas y fotográficas) es un recurso no renovable , aunque la plata se puede recuperar fácilmente de la película de rayos X usada. [8] Mientras que las películas de rayos X requerían instalaciones de procesamiento húmedo, las tecnologías digitales más nuevas no lo hacen. El archivo digital de imágenes también ahorra espacio de almacenamiento físico. [9]
La radiografía de placas de fósforo [10] es un método de registro de rayos X mediante 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 se somete a rayos X, 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 ninguna modificación para utilizarlas. La técnica también puede conocerse como radiografía computarizada (CR). [13]
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 , intervenciones médicas del sistema arterial, dependen en gran medida del contraste sensible a los rayos X para identificar lesiones potencialmente tratables.
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 un paso de escaneo o revelado manual para obtener una imagen digital y, por lo tanto, en este sentido, ambos sistemas son "directos". [14] Ambos tipos de sistemas tienen una eficiencia cuántica considerablemente mayor que el CR. [14]
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 lo suficientemente baja (el detector se enfría por efecto Peltier o nitrógeno líquido aún más frío ), es posible determinar directamente el espectro de energía de rayos X; este método se llama espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX o EDS); a menudo se utiliza en pequeños espectrómetros de fluorescencia de rayos X. Los detectores de deriva de silicio (SDD), producidos por fabricación de semiconductores convencionales , proporcionan una medición de radiación de alto poder de resolución y rentable. A diferencia de los detectores de rayos X convencionales, como Si(Li), no necesitan enfriarse con nitrógeno líquido. Estos detectores rara vez se utilizan para la obtención de imágenes y solo son eficientes a bajas energías. [16]
La aplicación práctica en imágenes médicas comenzó a principios de la década de 2000. [17] El selenio amorfo se utiliza en detectores de rayos X de panel plano de área grande comerciales 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 una sensibilidad suficiente. [19]
El telururo de cadmio ( Cd Te ), y su aleación con zinc , el telururo de cadmio y zinc , se considera uno de los materiales semiconductores más prometedores para la detección de rayos X debido a su amplio intervalo de banda y alto número cuántico, lo que resulta en un funcionamiento a temperatura ambiente con alta eficiencia. [20] [21] 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. [22] La investigación y el desarrollo actuales se centran en los detectores de píxeles con resolución de energía , como el detector Medipix del CERN y el detector HEXITEC del Science and Technology Facilities Council . [23] [24]
Los diodos semiconductores comunes , como los fotodiodos PIN o un 1N4007 , producirán una pequeña cantidad de corriente en modo fotovoltaico cuando se colocan en un haz de rayos X. [25] [26]
Los detectores indirectos están compuestos por un centelleador que convierte los rayos X en luz visible, que se lee mediante una matriz TFT. Esto puede proporcionar ventajas de sensibilidad con respecto a los detectores directos actuales (de selenio amorfo), aunque con una posible desventaja en la resolución. [19] Los detectores indirectos de panel plano (FPD) se utilizan ampliamente en la actualidad en aplicaciones médicas, dentales, veterinarias e industriales.
El conjunto TFT consiste en una lámina de vidrio recubierta de una fina capa de silicio que se encuentra en estado amorfo o desordenado. A escala microscópica, el silicio ha sido impreso con 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 unido a un fotodiodo que absorbe la luz y forma un píxel individual (elemento de imagen). Los fotones que inciden en el fotodiodo se convierten en dos portadores de carga eléctrica , llamados pares electrón-hueco. Dado que el número de portadores de carga producidos variará con la intensidad de los fotones de luz entrantes, se crea un patrón eléctrico que puede convertirse 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 excepcionales, no es un absorbente particularmente bueno de los fotones de rayos X. Por esta razón, los rayos X inciden primero en los centelleadores hechos de 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 al conjunto de fotodiodos.
Los rayos X que atraviesan un gas lo ionizan , produciendo iones positivos y electrones libres . Un fotón entrante creará una cantidad de pares de iones proporcional a su energía. Si hay un campo eléctrico en la cámara de gas, los iones y los electrones se moverán en diferentes direcciones y, por lo tanto, provocarán una corriente detectable . El comportamiento del gas dependerá del voltaje aplicado y de 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 genera 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 portátiles de estudio de radiación 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 alambre el campo eléctrico es lo suficientemente alto como para hacer que los electrones ionicen las moléculas de gas. Esto creará un efecto de avalancha que aumenta enormemente la señal de salida. Dado que cada electrón causa una avalancha de aproximadamente el mismo tamaño, la carga acumulada es proporcional al número de pares de iones creados por los rayos X absorbidos. Esto hace posible medir la energía de cada fotón entrante.
Los contadores Geiger-Müller utilizan un campo eléctrico aún más alto para crear fotones ultravioleta . [28] Estos inician nuevas avalanchas, que finalmente resultan en una ionización total del gas alrededor del cable del ánodo. Esto hace que la señal sea muy fuerte, pero causa un tiempo muerto después de cada evento y hace 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 la cantidad de fotones que interactúan, como se explicó anteriormente, pero se pueden hacer con resolución espacial al tener muchos cables cruzados en una cámara de cables .
En la década de 1960 se demostró que las células solares PN de silicio son adecuadas para la detección de todas las formas de radiación ionizante, incluidos los rayos UV extremos , los rayos X suaves y los rayos X duros. Esta forma de detección funciona 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 célula solar, un amperímetro y un filtro de luz visible en la parte superior de la célula solar que permite que la radiación ionizante golpee la célula solar mientras bloquea las longitudes de onda no deseadas.
La película radiocrómica autorevelable puede proporcionar mediciones de muy alta resolución para fines de dosimetría y elaboración de perfiles, particularmente en física de radioterapia. [31]
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