Los rayos X (o mucho menos comúnmente, la radiación X ) son una radiación electromagnética de alta energía . En muchos idiomas, se la conoce como radiación de Röntgen , en honor al científico alemán Wilhelm Conrad Röntgen , quien la descubrió en 1895 [1] y la llamó radiación X para indicar un tipo desconocido de radiación. [2]
Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y más largas que las de los rayos gamma . No existe una definición estricta y universalmente aceptada de los límites de la banda de rayos X. Aproximadamente, los rayos X tienen una longitud de onda que va desde los 10 nanómetros hasta los 10 picómetros , correspondientes a frecuencias en el rango de 30 petahercios a 30 exahercios (3 × 10 16 Hz a3 × 10 19 Hz ) y energías en el rango de 100 eV a 100 keV , respectivamente.
Los rayos X se utilizan ampliamente en el diagnóstico médico (p. ej., para comprobar si hay huesos rotos ) y en la ciencia de materiales (p. ej., identificación de algunos elementos químicos y detección de puntos débiles en materiales de construcción). [3]
Antes de su descubrimiento en 1895, los rayos X no eran más que un tipo de radiación no identificada que emanaba de tubos de descarga experimentales . Fueron observados por los científicos que investigaban los rayos catódicos producidos por dichos tubos, que son haces de electrones energéticos que se observaron por primera vez en 1869. Muchos de los primeros tubos de Crookes (inventados alrededor de 1875) sin duda irradiaban rayos X, porque los primeros investigadores notaron efectos que eran atribuibles. a ellos, como se detalla a continuación. Los tubos Crookes crearon electrones libres mediante la ionización del aire residual en el tubo mediante un alto voltaje de CC de entre unos pocos kilovoltios y 100 kV. Este voltaje aceleró los electrones provenientes del cátodo a una velocidad lo suficientemente alta como para crear rayos X cuando golpearon el ánodo o la pared de vidrio del tubo. [4]
El primer experimentador que se cree que produjo (sin saberlo) rayos X fue William Morgan . En 1785, presentó un artículo a la Royal Society de Londres describiendo los efectos del paso de corrientes eléctricas a través de un tubo de vidrio parcialmente evacuado, produciendo un brillo creado por rayos X. [5] [6] Este trabajo fue explorado más a fondo por Humphry Davy y su asistente Michael Faraday .
Cuando el profesor de física de la Universidad de Stanford , Fernando Sanford , creó su "fotografía eléctrica", también generó y detectó, sin saberlo, rayos X. De 1886 a 1888, estudió en el laboratorio Hermann von Helmholtz de Berlín, donde se familiarizó con los rayos catódicos generados en tubos de vacío cuando se aplicaba un voltaje a través de electrodos separados, como habían estudiado previamente Heinrich Hertz y Philipp Lenard . Su carta del 6 de enero de 1893 (describiendo su descubrimiento como "fotografía eléctrica") a la Physical Review fue debidamente publicada y un artículo titulado Sin lentes ni luz, fotografías tomadas con placa y objetos en la oscuridad apareció en el San Francisco Examiner . [7]
A partir de 1888, Philipp Lenard realizó experimentos para ver si los rayos catódicos podían pasar del tubo de Crookes al aire. Construyó un tubo Crookes con una "ventana" en el extremo hecha de aluminio fino, orientada hacia el cátodo para que los rayos catódicos incidieran en él (más tarde llamado "tubo Lenard"). Descubrió que algo pasaba que expondría las placas fotográficas y provocaría fluorescencia. Midió el poder de penetración de estos rayos a través de varios materiales. Se ha sugerido que al menos algunos de estos "rayos Lenard" eran en realidad rayos X. [8]
En 1889, Ivan Puluj , un profesor de física experimental en el Politécnico de Praga que desde 1877 había estado construyendo varios diseños de tubos llenos de gas para investigar sus propiedades, publicó un artículo sobre cómo las placas fotográficas selladas se oscurecían cuando se exponían a las emanaciones del tubos. [9]
Helmholtz formuló ecuaciones matemáticas para los rayos X. Postuló una teoría de la dispersión antes de que Röntgen hiciera su descubrimiento y anuncio. Lo basó en la teoría electromagnética de la luz . [10] [ cita completa necesaria ] Sin embargo, no trabajó con rayos X reales.
En 1894, Nikola Tesla notó una película dañada en su laboratorio que parecía estar asociada con los experimentos con el tubo de Crookes y comenzó a investigar esta energía radiante e invisible . [11] [12] Después de que Röntgen identificó los rayos X, Tesla comenzó a crear sus propias imágenes de rayos X utilizando altos voltajes y tubos de su propio diseño, [13] así como tubos de Crookes.
El 8 de noviembre de 1895, el profesor de física alemán Wilhelm Röntgen tropezó con los rayos X mientras experimentaba con los tubos de Lenard y los tubos de Crookes y comenzó a estudiarlos. Escribió un informe inicial "Sobre un nuevo tipo de rayo: una comunicación preliminar" y el 28 de diciembre de 1895 lo envió a la revista de la Sociedad Médica Física de Würzburg . [14] Este fue el primer artículo escrito sobre rayos X. Röntgen se refirió a la radiación como "X", para indicar que se trataba de un tipo de radiación desconocido. Algunos textos antiguos se refieren a ellos como rayos Chi habiendo interpretado "X" como la letra griega mayúscula Chi , Χ . [15] [16] [17] El nombre rayos X se mantuvo, aunque (a pesar de las grandes objeciones de Röntgen) muchos de sus colegas sugirieron llamarlos rayos Röntgen . Todavía se les conoce como tales en muchos idiomas, incluidos alemán , húngaro , ucraniano , danés , polaco , checo , búlgaro , sueco , finlandés , portugués , estonio , esloveno , turco , ruso , letón , lituano , albanés , japonés , holandés . georgiano , hebreo , islandés y noruego . Röntgen recibió el primer Premio Nobel de Física por su descubrimiento. [18]
Hay relatos contradictorios sobre su descubrimiento porque a Röntgen le quemaron sus notas de laboratorio después de su muerte, pero esta es una reconstrucción probable de sus biógrafos: [19] [20] Röntgen estaba investigando los rayos catódicos de un tubo de Crookes que había envuelto en cartón negro. para que la luz visible del tubo no interfiera, utilizando una pantalla fluorescente pintada con platinocianuro de bario . Notó un tenue brillo verde en la pantalla, aproximadamente a 1 metro (3,3 pies) de distancia. Röntgen se dio cuenta de que algunos rayos invisibles provenientes del tubo atravesaban el cartón para hacer brillar la pantalla. Descubrió que también podían revisar libros y papeles sobre su escritorio. Röntgen se dedicó sistemáticamente a investigar estos rayos desconocidos. Dos meses después de su descubrimiento inicial, publicó su artículo. [21]
Röntgen descubrió su uso médico cuando hizo una fotografía de la mano de su esposa en una placa fotográfica formada por rayos X. La fotografía de la mano de su esposa fue la primera fotografía de una parte del cuerpo humano mediante rayos X. Cuando vio la foto, dijo: "He visto mi muerte". [24]
El descubrimiento de los rayos X generó un gran interés. El biógrafo de Röntgen, Otto Glasser, estimó que sólo en 1896 se publicaron nada menos que 49 ensayos y 1.044 artículos sobre los nuevos rayos. [25] Esta fue probablemente una estimación conservadora, si se considera que casi todos los periódicos del mundo informaron ampliamente sobre el nuevo descubrimiento, y una revista como Science le dedicó hasta 23 artículos solo en ese año. [26] Las reacciones sensacionalistas al nuevo descubrimiento incluyeron publicaciones que vinculaban el nuevo tipo de rayos con teorías ocultas y paranormales, como la telepatía. [27] [28]
Röntgen se dio cuenta inmediatamente de que los rayos X podían tener aplicaciones médicas. Junto con su presentación a la Sociedad de Medicina Física del 28 de diciembre, envió una carta a los médicos que conocía en toda Europa (1 de enero de 1896). [29] Las noticias (y la creación de "gramas de sombras") se difundieron rápidamente y el ingeniero eléctrico escocés Alan Archibald Campbell-Swinton fue el primero después de Röntgen en crear una radiografía (de una mano). Hasta febrero, había 46 experimentadores adoptando la técnica sólo en América del Norte. [29]
El primer uso de rayos X en condiciones clínicas fue realizado por John Hall-Edwards en Birmingham , Inglaterra, el 11 de enero de 1896, cuando radiografió una aguja clavada en la mano de un asociado. El 14 de febrero de 1896, Hall-Edwards fue también el primero en utilizar rayos X en una operación quirúrgica. [30]
A principios de 1896, varias semanas después del descubrimiento de Röntgen, Ivan Romanovich Tarkhanov irradió ranas e insectos con rayos X, concluyendo que los rayos "no sólo fotografían, sino que también afectan la función viva". [31] Aproximadamente al mismo tiempo, el ilustrador zoológico James Green comenzó a utilizar rayos X para examinar especímenes frágiles. George Albert Boulenger mencionó por primera vez este trabajo en un artículo que presentó ante la Sociedad Zoológica de Londres en mayo de 1896. El libro Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles (sciagraph es un nombre obsoleto para una fotografía de rayos X), de Green y James H. Gardiner, con prólogo de Boulenger, se publicó en 1897. [32] [33]
La primera radiografía médica realizada en Estados Unidos se obtuvo utilizando un tubo de descarga diseñado por Pului. En enero de 1896, al leer el descubrimiento de Röntgen, Frank Austin del Dartmouth College probó todos los tubos de descarga en el laboratorio de física y descubrió que sólo el tubo Pului producía rayos X. Esto fue el resultado de la inclusión por parte de Pului de un "objetivo" oblicuo de mica , utilizado para contener muestras de material fluorescente , dentro del tubo. El 3 de febrero de 1896, Gilman Frost, profesor de medicina de la universidad, y su hermano Edwin Frost, profesor de física, expusieron a los rayos X la muñeca de Eddie McCarthy, a quien Gilman había tratado unas semanas antes por una fractura, y recogieron la imagen resultante del hueso roto en placas fotográficas de gelatina obtenida de Howard Langill, un fotógrafo local también interesado en el trabajo de Röntgen. [34]
Muchos experimentadores, incluido el propio Röntgen en sus experimentos originales, idearon métodos para ver imágenes de rayos X "en vivo" utilizando algún tipo de pantalla luminiscente. [29] Röntgen utilizó una pantalla recubierta con platinocianuro de bario . El 5 de febrero de 1896, el científico italiano Enrico Salvioni (su "criptoscopio") y William Francis Magie de la Universidad de Princeton (su "Skiascope") desarrollaron dispositivos de imágenes en vivo , ambos utilizando platinocianuro de bario. El inventor estadounidense Thomas Edison comenzó a investigar poco después del descubrimiento de Röntgen e investigó la capacidad de los materiales para emitir fluorescencia cuando se exponen a rayos X, y descubrió que el tungstato de calcio era la sustancia más eficaz. En mayo de 1896, desarrolló el primer dispositivo de imágenes en vivo producido en masa, su "Vitascope", más tarde llamado fluoroscopio , que se convirtió en el estándar para los exámenes médicos con rayos X. [29] Edison abandonó la investigación de rayos X alrededor de 1903, antes de la muerte de Clarence Madison Dally , uno de sus sopladores de vidrio. Dally tenía la costumbre de probar tubos de rayos X en sus propias manos, desarrollando en ellas un cáncer tan tenaz que le amputaron ambos brazos en un intento inútil de salvar su vida; en 1904, se convirtió en la primera muerte conocida atribuida a la exposición a los rayos X. [29] Durante el tiempo que se estaba desarrollando el fluoroscopio, el físico serbio-estadounidense Mihajlo Pupin , utilizando una pantalla de tungstato de calcio desarrollada por Edison, descubrió que el uso de una pantalla fluorescente reducía el tiempo de exposición necesario para crear una radiografía para obtener imágenes médicas de un hora a unos pocos minutos. [35] [29]
En 1901, el presidente estadounidense William McKinley recibió dos disparos en un intento de asesinato mientras asistía a la Exposición Panamericana en Buffalo, Nueva York . Si bien una bala solo rozó su esternón , otra se había alojado en algún lugar profundo de su abdomen y no pudo ser encontrada. Un asistente de McKinley preocupado envió un mensaje al inventor Thomas Edison para que enviara una máquina de rayos X a Buffalo para encontrar la bala perdida. Llegó pero no fue usado. Si bien el disparo en sí no fue letal, se desarrolló gangrena a lo largo del recorrido de la bala y McKinley murió de shock séptico debido a una infección bacteriana seis días después. [36]
Con la experimentación generalizada con los rayos X después de su descubrimiento en 1895 por científicos, médicos e inventores, aparecieron en las revistas técnicas de la época muchas historias de quemaduras, caída del cabello y cosas peores. En febrero de 1896, el profesor John Daniel y William Lofland Dudley de la Universidad de Vanderbilt informaron sobre pérdida de cabello después de que a Dudley le hicieran una radiografía. Un niño que había recibido un disparo en la cabeza fue llevado al laboratorio de Vanderbilt en 1896. Antes de intentar encontrar la bala, se intentó un experimento, para el cual Dudley "con su característica devoción por la ciencia" [ 37] [38] [39] se ofreció como voluntario. Daniel informó que 21 días después de tomar una fotografía del cráneo de Dudley (con un tiempo de exposición de una hora), notó una calva de 5 centímetros (2 pulgadas) de diámetro en la parte de su cabeza más cercana al tubo de rayos X: "A Se sujetó el soporte de la placa con las placas hacia el lado del cráneo y se colocó una moneda entre el cráneo y la cabeza. El tubo se sujetó en el otro lado a una distancia de media pulgada [1,3 cm] del cabello. [40] Más allá de las quemaduras, la caída del cabello y el cáncer, los rayos X pueden estar relacionados con la infertilidad en los hombres según la cantidad de radiación utilizada.
En agosto de 1896, HD. Hawks, un graduado de Columbia College, sufrió graves quemaduras en las manos y el pecho tras una demostración de rayos X. Se informó en Electrical Review y dio lugar a que se enviaran a la publicación muchos otros informes sobre problemas asociados con los rayos X. [41] Muchos experimentadores, incluidos Elihu Thomson en el laboratorio de Edison, William J. Morton y Nikola Tesla, también informaron quemaduras. Elihu Thomson expuso deliberadamente un dedo a un tubo de rayos X durante un período de tiempo y sufrió dolor, hinchazón y ampollas. [42] A veces se culpaba a otros efectos por el daño, incluidos los rayos ultravioleta y (según Tesla) el ozono. [11] Muchos médicos afirmaron que la exposición a los rayos X no tenía ningún efecto. [42] El 3 de agosto de 1905, en San Francisco , California , Elizabeth Fleischman , una pionera estadounidense de los rayos X, murió por complicaciones derivadas de su trabajo con rayos X. [43] [44] [45]
Hall-Edwards desarrolló un cáncer (entonces llamado dermatitis por rayos X) lo suficientemente avanzado en 1904 como para obligarlo a escribir artículos y dar discursos públicos sobre los peligros de los rayos X. Su brazo izquierdo tuvo que ser amputado a la altura del codo en 1908, [46] [47] y poco después cuatro dedos de su brazo derecho, dejando solo un pulgar. Murió de cáncer en 1926. Su mano izquierda se conserva en la Universidad de Birmingham .
Las numerosas aplicaciones de los rayos X generaron inmediatamente un enorme interés. Los talleres comenzaron a fabricar versiones especializadas de los tubos Crookes para generar rayos X y estos tubos de rayos X Crookes o de cátodo frío de primera generación se utilizaron hasta aproximadamente 1920.
Un sistema de rayos X médico típico de principios del siglo XX consistía en una bobina de Ruhmkorff conectada a un tubo de rayos X de Crookes de cátodo frío . Por lo general, se conectaba una vía de chispas al lado de alto voltaje en paralelo al tubo y se usaba con fines de diagnóstico. [48] El vía de chispas permitía detectar la polaridad de las chispas, midiendo el voltaje por la longitud de las chispas determinando así la "dureza" del vacío del tubo, y proporcionaba una carga en caso de que se desconectara el tubo de rayos X. . Para detectar la dureza del tubo, primero se abrió la vía de chispas al máximo. Mientras la bobina estaba funcionando, el operador redujo la distancia hasta que comenzaron a aparecer chispas. Un tubo en el que la chispa comenzaba a chispear a unos 6,4 centímetros (2,5 pulgadas) se consideraba blando (bajo vacío) y adecuado para partes delgadas del cuerpo, como manos y brazos. Una chispa de 13 centímetros (5 pulgadas) indicó que el tubo era adecuado para hombros y rodillas. Una chispa de 18 a 23 centímetros (7 a 9 pulgadas) indicaría un vacío mayor, adecuado para obtener imágenes del abdomen de individuos más grandes. Dado que el descargador de chispas estaba conectado en paralelo al tubo, el descargador de chispas tuvo que abrirse hasta que cesara la chispa para poder operar el tubo para la obtención de imágenes. El tiempo de exposición de las placas fotográficas oscilaba entre medio minuto para una mano y un par de minutos para el tórax. Las placas pueden tener una pequeña adición de sal fluorescente para reducir los tiempos de exposición. [48]
Los tubos Crookes no eran fiables. Tenían que contener una pequeña cantidad de gas (invariablemente aire), ya que en un tubo de este tipo no circularía corriente si se los evacuara por completo. Sin embargo, con el paso del tiempo, los rayos X hicieron que el vidrio absorbiera el gas, provocando que el tubo generara rayos X "más duros" hasta que pronto dejó de funcionar. Los tubos más grandes y más utilizados estaban provistos de dispositivos para restaurar el aire, conocidos como "scalcificadores". Estos a menudo tomaban la forma de un pequeño tubo lateral que contenía un pequeño trozo de mica , un mineral que atrapa cantidades relativamente grandes de aire dentro de su estructura. Un pequeño calentador eléctrico calentó la mica, lo que provocó que liberara una pequeña cantidad de aire, restableciendo así la eficiencia del tubo. Sin embargo, la mica tenía una vida limitada y el proceso de restauración era difícil de controlar.
En 1904, John Ambrose Fleming inventó el diodo termoiónico , el primer tipo de tubo de vacío . Este utilizaba un cátodo caliente que provocaba que una corriente eléctrica fluyera en el vacío . Esta idea se aplicó rápidamente a los tubos de rayos X y, por lo tanto, los tubos de rayos X de cátodo calentado, llamados "tubos Coolidge", reemplazaron por completo a los problemáticos tubos de cátodo frío alrededor de 1920.
Aproximadamente en 1906, el físico Charles Barkla descubrió que los rayos X podían ser dispersados por los gases y que cada elemento tenía un espectro de rayos X característico . Por este descubrimiento ganó el Premio Nobel de Física en 1917 .
En 1912, Max von Laue , Paul Knipping y Walter Friedrich observaron por primera vez la difracción de rayos X en cristales. Este descubrimiento, junto con los primeros trabajos de Paul Peter Ewald , William Henry Bragg y William Lawrence Bragg , dieron origen al campo de la cristalografía de rayos X. [49]
En 1913, Henry Moseley realizó experimentos de cristalografía con rayos X que emanaban de varios metales y formuló la ley de Moseley que relaciona la frecuencia de los rayos X con el número atómico del metal.
El tubo de rayos X Coolidge fue inventado el mismo año por William D. Coolidge . Hizo posible las emisiones continuas de rayos X. Los tubos de rayos X modernos se basan en este diseño y a menudo emplean objetivos giratorios que permiten una disipación de calor significativamente mayor que los objetivos estáticos, lo que permite además una mayor cantidad de salida de rayos X para su uso en aplicaciones de alta potencia, como escáneres de TC rotativos.
El uso de rayos X con fines médicos (que se desarrolló en el campo de la radioterapia ) fue iniciado por el mayor John Hall-Edwards en Birmingham, Inglaterra . Luego, en 1908, tuvieron que amputarle el brazo izquierdo debido a la propagación de una dermatitis por rayos X en su brazo. [50]
La ciencia médica también utilizó la película para estudiar la fisiología humana. En 1913, se hizo una película en Detroit que mostraba un huevo duro dentro de un estómago humano. Esta primera película de rayos X se grabó a una velocidad de una imagen fija cada cuatro segundos. [51] El Dr. Lewis Gregory Cole de Nueva York fue un pionero de la técnica, a la que llamó "radiografía en serie". [52] [53] En 1918, los rayos X se utilizaron en asociación con cámaras cinematográficas para capturar el esqueleto humano en movimiento. [54] [55] [56] En 1920, el Instituto de Fonética de Inglaterra lo utilizó para registrar los movimientos de la lengua y los dientes en el estudio de idiomas. [57]
En 1914, Marie Curie desarrolló vehículos radiológicos para ayudar a los soldados heridos en la Primera Guerra Mundial . Los coches permitirían obtener imágenes rápidas de rayos X de los soldados heridos para que los cirujanos del campo de batalla pudieran operar con mayor rapidez y precisión. [58]
Desde principios de la década de 1920 hasta la de 1950, se desarrollaron máquinas de rayos X para ayudar a calzar los zapatos [59] y se vendieron a zapaterías comerciales. [60] [61] [62] En la década de 1950 se expresaron preocupaciones sobre el impacto del uso frecuente o mal controlado, [63] [64] lo que llevó al final de la práctica en esa década. [sesenta y cinco]
El microscopio de rayos X se desarrolló durante la década de 1950.
El Observatorio de rayos X Chandra , inaugurado el 23 de julio de 1999, permite explorar los procesos muy violentos del universo que producen los rayos X. A diferencia de la luz visible, que ofrece una visión relativamente estable del universo, el universo de rayos X es inestable. Presenta estrellas destrozadas por agujeros negros , colisiones galácticas y novas, y estrellas de neutrones que acumulan capas de plasma que luego explotan en el espacio.
Un dispositivo láser de rayos X fue propuesto como parte de la Iniciativa de Defensa Estratégica de la Administración Reagan en los años 1980, pero la única prueba del dispositivo (una especie de láser "bláster" o rayo de la muerte , impulsado por una explosión termonuclear) no dio resultados concluyentes. resultados. Por razones técnicas y políticas, el proyecto general (incluido el láser de rayos X) fue retirado de los fondos (aunque luego fue revivido por la segunda administración Bush como Defensa Nacional de Misiles utilizando diferentes tecnologías).
Las imágenes de rayos X de contraste de fase se refieren a una variedad de técnicas que utilizan información de fase de un haz de rayos X para formar la imagen. Debido a su buena sensibilidad a las diferencias de densidad, es especialmente útil para obtener imágenes de tejidos blandos. Se ha convertido en un método importante para visualizar estructuras celulares e histológicas en una amplia gama de estudios biológicos y médicos. Se utilizan varias tecnologías para obtener imágenes de contraste de fase de rayos X, y todas utilizan principios diferentes para convertir las variaciones de fase de los rayos X que emergen de un objeto en variaciones de intensidad. [66] [67] Estos incluyen contraste de fase basado en propagación, [68] interferometría de Talbot , [67] imágenes mejoradas por refracción, [69] e interferometría de rayos X. [70] Estos métodos proporcionan un mayor contraste en comparación con las imágenes de rayos X normales basadas en absorción, lo que permite distinguir entre sí detalles que tienen una densidad casi similar. Una desventaja es que estos métodos requieren equipos más sofisticados, como fuentes de rayos X de sincrotrón o microfoco , óptica de rayos X y detectores de rayos X de alta resolución.
Los rayos X con altas energías de fotones por encima de 5 a 10 keV (por debajo de 0,2 a 0,1 nm de longitud de onda) se denominan rayos X duros , mientras que aquellos con menor energía (y longitud de onda más larga) se denominan rayos X blandos . [71] El rango intermedio con energías de fotones de varios keV a menudo se denomina rayos X tiernos . Debido a su capacidad de penetración, los rayos X duros se utilizan ampliamente para obtener imágenes del interior de objetos (por ejemplo, en radiografía médica y en la seguridad de los aeropuertos ). El término rayos X se utiliza metonímicamente para referirse a una imagen radiográfica producida mediante este método, además del método en sí. Dado que las longitudes de onda de los rayos X duros son similares al tamaño de los átomos, también son útiles para determinar estructuras cristalinas mediante cristalografía de rayos X. Por el contrario, los rayos X suaves se absorben fácilmente en el aire; la longitud de atenuación de los rayos X de 600 eV (~2 nm) en el agua es inferior a 1 micrómetro. [72]
No existe consenso sobre una definición que distinga entre rayos X y rayos gamma . Una práctica común es distinguir entre los dos tipos de radiación en función de su fuente: los rayos X son emitidos por los electrones , mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo atómico . [73] [74] [75] [76] Esta definición tiene varios problemas: otros procesos también pueden generar estos fotones de alta energía o, a veces, se desconoce el método de generación. Una alternativa común es distinguir la radiación X y la radiación gamma en función de la longitud de onda (o, de manera equivalente, la frecuencia o la energía del fotón), con una radiación más corta que alguna longitud de onda arbitraria, como 10 −11 m (0,1 Å ), definida como radiación gamma. . [77] Este criterio asigna un fotón a una categoría inequívoca, pero sólo es posible si se conoce la longitud de onda. (Algunas técnicas de medición no distinguen entre las longitudes de onda detectadas). Sin embargo, estas dos definiciones a menudo coinciden, ya que la radiación electromagnética emitida por los tubos de rayos X generalmente tiene una longitud de onda más larga y una energía fotónica más baja que la radiación emitida por los núcleos radiactivos . [73] Ocasionalmente, un término u otro se utiliza en contextos específicos debido a precedentes históricos, en función de la técnica de medición (detección) o en función de su uso previsto en lugar de su longitud de onda o fuente. Así, los rayos gamma generados para usos médicos e industriales, por ejemplo la radioterapia , en el rango de 6 a 20 MeV , en este contexto también pueden denominarse rayos X. [78]
Los fotones de rayos X transportan suficiente energía para ionizar átomos y romper los enlaces moleculares . Esto la convierte en un tipo de radiación ionizante , y por tanto perjudicial para los tejidos vivos . Una dosis de radiación muy alta durante un período corto de tiempo causa enfermedad por radiación , mientras que dosis más bajas pueden generar un mayor riesgo de cáncer inducido por la radiación . En imágenes médicas, este mayor riesgo de cáncer generalmente se ve superado con creces por los beneficios del examen. La capacidad ionizante de los rayos X se puede utilizar en el tratamiento del cáncer para matar células malignas mediante radioterapia . También se utiliza para la caracterización de materiales mediante espectroscopía de rayos X.
Los rayos X duros pueden atravesar objetos relativamente gruesos sin ser muy absorbidos o dispersos . Por esta razón, los rayos X se utilizan ampliamente para obtener imágenes del interior de objetos visualmente opacos. Las aplicaciones más frecuentes son la radiografía médica y los escáneres de seguridad aeroportuaria , pero técnicas similares también son importantes en la industria (por ejemplo, radiografía industrial y tomografía computarizada industrial ) y en la investigación (por ejemplo, tomografía computarizada de animales pequeños ). La profundidad de penetración varía en varios órdenes de magnitud a lo largo del espectro de rayos X. Esto permite ajustar la energía del fotón para la aplicación de modo que proporcione una transmisión suficiente a través del objeto y al mismo tiempo proporcione un buen contraste en la imagen.
Los rayos X tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz visible, lo que permite sondear estructuras mucho más pequeñas de las que se pueden ver con un microscopio normal . Esta propiedad se utiliza en microscopía de rayos X para adquirir imágenes de alta resolución, y también en cristalografía de rayos X para determinar las posiciones de los átomos en los cristales .
Los rayos X interactúan con la materia de tres formas principales: mediante fotoabsorción , dispersión de Compton y dispersión de Rayleigh . La fuerza de estas interacciones depende de la energía de los rayos X y de la composición elemental del material, pero no mucho de las propiedades químicas, ya que la energía de los fotones de los rayos X es mucho mayor que la energía de enlace químico. La fotoabsorción o absorción fotoeléctrica es el mecanismo de interacción dominante en el régimen de rayos X blandos y para las energías más bajas de los rayos X duros. A energías más altas, domina la dispersión Compton.
La probabilidad de una absorción fotoeléctrica por unidad de masa es aproximadamente proporcional a Z 3 / E 3 , donde Z es el número atómico y E es la energía del fotón incidente. [79] Esta regla no es válida cerca de las energías de unión de electrones de la capa interna donde hay cambios abruptos en la probabilidad de interacción, los llamados bordes de absorción . Sin embargo, la tendencia general de coeficientes de absorción altos y, por tanto, profundidades de penetración cortas para energías fotónicas bajas y números atómicos altos es muy fuerte. Para los tejidos blandos, la fotoabsorción domina hasta aproximadamente 26 keV de energía fotónica, donde la dispersión Compton toma el relevo. Para sustancias con mayor número atómico, este límite es mayor. La gran cantidad de calcio ( Z = 20) en los huesos, junto con su alta densidad, es lo que hace que se vean tan claramente en las radiografías médicas.
Un fotón fotoabsorbido transfiere toda su energía al electrón con el que interactúa, ionizando así el átomo al que estaba unido el electrón y produciendo un fotoelectrón que probablemente ionice más átomos en su camino. Un electrón externo llenará la posición del electrón vacante y producirá una radiografía característica o un electrón Auger . Estos efectos se pueden utilizar para la detección de elementos mediante espectroscopia de rayos X o espectroscopia de electrones Auger .
La dispersión de Compton es la interacción predominante entre los rayos X y los tejidos blandos en las imágenes médicas. [80] La dispersión de Compton es una dispersión inelástica del fotón de rayos X por un electrón de la capa externa. Parte de la energía del fotón se transfiere al electrón disperso, ionizando así el átomo y aumentando la longitud de onda de los rayos X. El fotón dispersado puede ir en cualquier dirección, pero es más probable que tome una dirección similar a la original, especialmente en el caso de los rayos X de alta energía. La probabilidad de diferentes ángulos de dispersión se describe mediante la fórmula de Klein-Nishina . La energía transferida se puede obtener directamente del ángulo de dispersión a partir de la conservación de la energía y el momento .
La dispersión de Rayleigh es el mecanismo de dispersión elástica dominante en el régimen de rayos X. [81] La dispersión directa inelástica da lugar al índice de refracción, que para los rayos X es sólo ligeramente inferior a 1. [82]
Siempre que partículas cargadas (electrones o iones) de suficiente energía chocan contra un material, se producen rayos X.
Los rayos X pueden generarse mediante un tubo de rayos X , un tubo de vacío que utiliza un alto voltaje para acelerar los electrones liberados por un cátodo caliente a una alta velocidad. Los electrones de alta velocidad chocan con un objetivo metálico, el ánodo , creando los rayos X. [85] En los tubos de rayos X médicos, el objetivo suele ser el tungsteno o una aleación más resistente a las grietas de renio (5%) y tungsteno (95%), pero a veces el molibdeno para aplicaciones más especializadas, como cuando se utilizan rayos X más suaves. necesario como en la mamografía. En cristalografía, un objetivo de cobre es el más común, y el cobalto se utiliza a menudo cuando la fluorescencia del contenido de hierro en la muestra podría presentar un problema.
La energía máxima del fotón de rayos X producido está limitada por la energía del electrón incidente, que es igual al voltaje en el tubo multiplicado por la carga del electrón, por lo que un tubo de 80 kV no puede crear rayos X con una energía superior a 80. keV. Cuando los electrones alcanzan el objetivo, los rayos X se crean mediante dos procesos atómicos diferentes:
Entonces, la salida resultante de un tubo consiste en un espectro Bremsstrahlung continuo que cae a cero en el voltaje del tubo, más varios picos en las líneas características. Los voltajes utilizados en los tubos de rayos X de diagnóstico oscilan entre aproximadamente 20 kV y 150 kV y, por tanto, las energías más altas de los fotones de rayos X oscilan entre aproximadamente 20 keV y 150 keV. [86]
Ambos procesos de producción de rayos X son ineficientes, ya que sólo alrededor del uno por ciento de la energía eléctrica utilizada por el tubo se convierte en rayos X y, por lo tanto, la mayor parte de la energía eléctrica consumida por el tubo se libera como calor residual. Al producir un flujo utilizable de rayos X, el tubo de rayos X debe diseñarse para disipar el exceso de calor.
Una fuente especializada de rayos X que se está utilizando ampliamente en la investigación es la radiación sincrotrón , generada por aceleradores de partículas . Sus características únicas son salidas de rayos X muchos órdenes de magnitud mayores que las de los tubos de rayos X, amplios espectros de rayos X, excelente colimación y polarización lineal . [87]
Se pueden producir de manera confiable ráfagas cortas de rayos X de nanosegundos con un máximo de energía de 15 keV despegando una cinta adhesiva sensible a la presión de su respaldo en un vacío moderado. Es probable que esto sea el resultado de la recombinación de cargas eléctricas producidas por la carga triboeléctrica . La intensidad de la triboluminiscencia de rayos X es suficiente para utilizarla como fuente de imágenes de rayos X. [88]
Los rayos X también pueden ser producidos por protones rápidos u otros iones positivos. La emisión de rayos X inducida por protones o la emisión de rayos X inducida por partículas se utiliza ampliamente como procedimiento analítico. Para energías altas, la sección transversal de producción es proporcional a Z 1 2 Z 2 −4 , donde Z 1 se refiere al número atómico del ion, Z 2 se refiere al del átomo objetivo. [89] En la misma referencia se ofrece una descripción general de estas secciones transversales.
Los rayos X también se producen en los relámpagos que acompañan a los destellos de rayos gamma terrestres . El mecanismo subyacente es la aceleración de los electrones en los campos eléctricos relacionados con los rayos y la posterior producción de fotones mediante Bremsstrahlung . [90] Esto produce fotones con energías de unos pocos keV y varias decenas de MeV. [91] En descargas de laboratorio con un tamaño de espacio de aproximadamente 1 metro de longitud y un voltaje máximo de 1 MV, se observan rayos X con una energía característica de 160 keV. [92] Una posible explicación es el encuentro de dos corrientes y la producción de electrones fugitivos de alta energía ; [93] sin embargo, las simulaciones microscópicas han demostrado que la duración de la mejora del campo eléctrico entre dos corrientes es demasiado corta para producir una cantidad significativa de electrones fugitivos. [94] Recientemente, se ha propuesto que las perturbaciones del aire en las proximidades de las serpentinas pueden facilitar la producción de electrones desbocados y, por tanto, de rayos X a partir de descargas. [95] [96]
Los detectores de rayos X varían en forma y función según su propósito. Los detectores de imágenes, como los utilizados para radiografía , se basaban originalmente en placas fotográficas y más tarde en películas fotográficas , pero ahora son reemplazados en su mayoría por varios tipos de detectores digitales , como placas de imágenes y detectores de panel plano . Para la protección radiológica, el peligro de exposición directa suele evaluarse mediante cámaras de ionización , mientras que los dosímetros se utilizan para medir la dosis de radiación a la que ha estado expuesta la persona. Los espectros de rayos X se pueden medir mediante espectrómetros de dispersión de energía o de dispersión de longitud de onda . Para aplicaciones de difracción de rayos X , como la cristalografía de rayos X , se utilizan ampliamente detectores híbridos de conteo de fotones . [97]
Desde que Röntgen descubrió que los rayos X pueden identificar estructuras óseas, los rayos X se han utilizado para obtener imágenes médicas . [98] El primer uso médico fue menos de un mes después de su artículo sobre el tema. [34] Hasta 2010, se habían realizado cinco mil millones de exámenes de imágenes médicas en todo el mundo. [99] La exposición a la radiación procedente de imágenes médicas en 2006 representó aproximadamente el 50% de la exposición total a la radiación ionizante en los Estados Unidos. [100]
La radiografía de proyección es la práctica de producir imágenes bidimensionales utilizando radiación de rayos X. Los huesos contienen una alta concentración de calcio que, debido a su número atómico relativamente alto , absorbe los rayos X de manera eficiente. Esto reduce la cantidad de rayos X que llegan al detector en la sombra de los huesos, haciéndolos claramente visibles en la radiografía. Los pulmones y el gas atrapado también se muestran claramente debido a una menor absorción en comparación con el tejido, mientras que las diferencias entre los tipos de tejido son más difíciles de ver.
Las radiografías de proyección son útiles en la detección de patologías del sistema esquelético , así como para detectar algunos procesos patológicos en los tejidos blandos . Algunos ejemplos destacables son la muy común radiografía de tórax , que puede utilizarse para identificar enfermedades pulmonares como neumonía , cáncer de pulmón o edema pulmonar , y la radiografía abdominal , que puede detectar obstrucción intestinal (o intestinal) , aire libre. (por perforaciones viscerales) y líquido libre (en ascitis ). Los rayos X también se pueden utilizar para detectar patologías como cálculos biliares (que rara vez son radiopacos ) o cálculos renales que a menudo (pero no siempre) son visibles. Las radiografías simples tradicionales son menos útiles para obtener imágenes de tejidos blandos como el cerebro o los músculos . Un área en la que se utilizan ampliamente las radiografías de proyección es para evaluar cómo se sitúa en el cuerpo un implante ortopédico , como un reemplazo de rodilla, cadera u hombro, con respecto al hueso circundante. Esto se puede evaluar en dos dimensiones a partir de radiografías simples, o se puede evaluar en tres dimensiones si se utiliza una técnica llamada "registro 2D a 3D". Esta técnica supuestamente anula los errores de proyección asociados con la evaluación de la posición del implante a partir de radiografías simples. [101]
La radiografía dental se utiliza habitualmente en el diagnóstico de problemas bucales comunes, como las caries .
En aplicaciones de diagnóstico médico, los rayos X de baja energía (suaves) no son deseados, ya que son totalmente absorbidos por el cuerpo, aumentando la dosis de radiación sin contribuir a la imagen. Por lo tanto, normalmente se coloca una fina lámina de metal, a menudo de aluminio , llamada filtro de rayos X , sobre la ventana del tubo de rayos X, absorbiendo la parte de baja energía del espectro. A esto se le llama endurecer el haz, ya que desplaza el centro del espectro hacia rayos X de mayor energía (o más duros).
Para generar una imagen del sistema cardiovascular , incluidas las arterias y venas ( angiografía ), se toma una imagen inicial de la región anatómica de interés. Luego se toma una segunda imagen de la misma región después de inyectar un agente de contraste yodado en los vasos sanguíneos de esta área. Luego, estas dos imágenes se restan digitalmente, dejando una imagen únicamente del contraste yodado que delinea los vasos sanguíneos. Luego, el radiólogo o cirujano compara la imagen obtenida con imágenes anatómicas normales para determinar si hay algún daño u obstrucción del vaso.
La tomografía computarizada (TC) es una modalidad de imágenes médicas en la que se obtienen imágenes tomográficas o cortes de áreas específicas del cuerpo a partir de una gran serie de imágenes de rayos X bidimensionales tomadas en diferentes direcciones. [102] Estas imágenes transversales se pueden combinar en una imagen tridimensional del interior del cuerpo y usarse con fines diagnósticos y terapéuticos en diversas disciplinas médicas.
La fluoroscopia es una técnica de imágenes comúnmente utilizada por médicos o radioterapeutas para obtener imágenes en movimiento en tiempo real de las estructuras internas de un paciente mediante el uso de un fluoroscopio. En su forma más simple, un fluoroscopio consta de una fuente de rayos X y una pantalla fluorescente, entre las cuales se coloca al paciente. Sin embargo, los fluoroscopios modernos acoplan la pantalla a un intensificador de imágenes de rayos X y una cámara de video CCD , lo que permite grabar y reproducir las imágenes en un monitor. Este método puede utilizar un material de contraste. Los ejemplos incluyen cateterismo cardíaco (para examinar si hay obstrucciones de las arterias coronarias ) y trago de bario (para examinar si hay trastornos esofágicos y trastornos de la deglución).
El uso de rayos X como tratamiento se conoce como radioterapia y se utiliza en gran medida para el tratamiento (incluido el alivio ) del cáncer ; requiere dosis de radiación más altas que las recibidas únicamente para obtener imágenes. Los haces de rayos X se utilizan para tratar cánceres de piel utilizando haces de rayos X de menor energía, mientras que los haces de mayor energía se utilizan para tratar cánceres dentro del cuerpo, como el de cerebro, pulmón, próstata y mama. [103] [104]
Las radiografías de diagnóstico (principalmente a partir de tomografías computarizadas debido a la gran dosis utilizada) aumentan el riesgo de problemas de desarrollo y cáncer en las personas expuestas. [105] [106] [107] Los rayos X son una forma de radiación ionizante y están clasificados como carcinógenos tanto por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud como por el gobierno de los EE. UU. [99] [108] Se estima que el 0,4 % de los cánceres actuales en los Estados Unidos se deben a tomografías computarizadas (TC) realizadas en el pasado y que esto puede aumentar hasta un 1,5 a 2 % con las tasas de TC de 2007. uso. [109]
Los datos experimentales y epidemiológicos actualmente no respaldan la propuesta de que exista una dosis umbral de radiación por debajo de la cual no haya un mayor riesgo de cáncer. [110] Sin embargo, esto es cada vez más dudoso. [111] El riesgo de cáncer puede comenzar con una exposición de 1100 mGy. [112] Se estima que la radiación adicional de los rayos X de diagnóstico aumentará el riesgo acumulativo de una persona promedio de contraer cáncer a los 75 años entre un 0,6% y un 3,0%. [113] La cantidad de radiación absorbida depende del tipo de prueba de rayos X y de la parte del cuerpo involucrada. [109] La TC y la fluoroscopia implican dosis más altas de radiación que las radiografías simples.
Para poner el mayor riesgo en perspectiva, una radiografía simple de tórax expondrá a una persona a la misma cantidad de radiación de fondo a la que están expuestas (dependiendo de la ubicación) todos los días durante 10 días, mientras que la exposición de una radiografía dental es aproximadamente equivalente a 1 día de radiación ambiental de fondo. [114] Cada una de esas radiografías agregaría menos de 1 por 1.000.000 al riesgo de cáncer de por vida. Una TC abdominal o de tórax equivaldría a 2 a 3 años de radiación de fondo en todo el cuerpo, o a 4 a 5 años en el abdomen o el tórax, lo que aumentaría el riesgo de cáncer a lo largo de la vida entre 1 por 1.000 y 1 por 10.000. [114] Esto se compara con aproximadamente el 40% de posibilidades de que un ciudadano estadounidense desarrolle cáncer durante su vida. [115] Por ejemplo, la dosis efectiva para el torso de una tomografía computarizada del tórax es de aproximadamente 5 mSv, y la dosis absorbida es de aproximadamente 14 mGy. [116] Una tomografía computarizada de la cabeza (1,5 mSv, 64 mGy) [117] que se realiza una vez con y otra sin agente de contraste, equivaldría a 40 años de radiación de fondo en la cabeza. La estimación precisa de las dosis efectivas debido a la TC es difícil con el rango de incertidumbre de estimación de aproximadamente ±19% a ±32% para exploraciones craneales de adultos, dependiendo del método utilizado. [118]
El riesgo de la radiación es mayor para el feto, por lo que en pacientes embarazadas, los beneficios de la investigación (rayos X) deben equilibrarse con los peligros potenciales para el feto. [119] [120] Si hay 1 exploración en 9 meses, puede ser perjudicial para el feto. [121] Por lo tanto, las mujeres embarazadas se someten a ecografías como método de diagnóstico por imágenes porque no utilizan radiación. [121] Si hay demasiada exposición a la radiación, podrían producirse efectos nocivos en el feto o en los órganos reproductivos de la madre. [121] En los EE. UU., se estima que se realizan 62 millones de tomografías computarizadas anualmente, incluidos más de 4 millones en niños. [109] Evitar radiografías innecesarias (especialmente tomografías computarizadas) reduce la dosis de radiación y cualquier riesgo de cáncer asociado. [122]
Los rayos X médicos son una fuente importante de exposición a la radiación producida por el hombre. En 1987, representaron el 58% de la exposición a fuentes de origen humano en los Estados Unidos. Dado que las fuentes artificiales representaron sólo el 18% de la exposición total a la radiación, la mayor parte de la cual provino de fuentes naturales (82%), los rayos X médicos solo representaron el 10% de la exposición total a la radiación estadounidense; Los procedimientos médicos en su conjunto (incluida la medicina nuclear ) representaron el 14% de la exposición total a la radiación. Sin embargo, en 2006, los procedimientos médicos en los Estados Unidos contribuían con mucha más radiación ionizante que a principios de los años 1980. En 2006, la exposición médica constituyó casi la mitad de la exposición total a la radiación de la población estadounidense de todas las fuentes. El aumento se puede atribuir al crecimiento del uso de procedimientos de imágenes médicas, en particular la tomografía computarizada (TC), y al crecimiento del uso de la medicina nuclear. [100] [123]
La dosis debida a las radiografías dentales varía significativamente según el procedimiento y la tecnología (película o digital). Dependiendo del procedimiento y la tecnología, una sola radiografía dental de una persona produce una exposición de 0,5 a 4 mrem. Una serie de rayos X de toda la boca puede dar como resultado una exposición de hasta 6 (digitales) a 18 (películas) mrem, para un promedio anual de hasta 40 mrem. [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130]
Se ha demostrado que los incentivos financieros tienen un impacto significativo en el uso de rayos X, ya que los médicos reciben una tarifa separada por cada radiografía que proporcionen más rayos X. [131]
La tomografía de fotones temprana o EPT [132] (a partir de 2015), junto con otras técnicas [133], se están investigando como posibles alternativas a los rayos X para aplicaciones de imágenes.
Otros usos notables de los rayos X incluyen:
Aunque generalmente se consideran invisibles para el ojo humano, en circunstancias especiales los rayos X pueden ser visibles. Brandes, en un experimento poco tiempo después del histórico artículo de Röntgen de 1895, informó que después de adaptarse a la oscuridad y colocar su ojo cerca de un tubo de rayos X, vio un tenue brillo "gris azulado" que parecía originarse dentro del ojo mismo. [138] Al escuchar esto, Röntgen revisó sus libros de registro y descubrió que él también había visto el efecto. Al colocar un tubo de rayos X en el lado opuesto de una puerta de madera, Röntgen notó el mismo brillo azul, que parecía emanar del ojo mismo, pero pensó que sus observaciones eran falsas porque solo vio el efecto cuando usó un tipo de tubo. Más tarde se dio cuenta de que el tubo que había creado el efecto era el único lo suficientemente potente como para hacer que el brillo fuera claramente visible y, a partir de entonces, el experimento fue fácilmente repetible. Hoy en día se ha olvidado en gran medida el conocimiento de que los rayos X son apenas visibles a simple vista adaptado a la oscuridad; Probablemente esto se deba al deseo de no repetir lo que ahora se consideraría un experimento imprudentemente peligroso y potencialmente dañino con radiación ionizante . No se sabe qué mecanismo exacto produce la visibilidad en el ojo: podría deberse a la detección convencional (excitación de las moléculas de rodopsina en la retina), a la excitación directa de las células nerviosas de la retina o a la detección secundaria mediante, por ejemplo, la inducción de rayos X. de fosforescencia en el globo ocular con detección retiniana convencional de la luz visible producida de forma secundaria.
Aunque los rayos X son invisibles, es posible ver la ionización de las moléculas de aire si la intensidad del haz de rayos X es lo suficientemente alta. La línea de luz del Wiggler de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón [139] es un ejemplo de intensidad tan alta. [140]
La medida de la capacidad ionizante de los rayos X se llama exposición:
Sin embargo, el efecto de la radiación ionizante sobre la materia (especialmente el tejido vivo) está más estrechamente relacionado con la cantidad de energía depositada en ella que con la carga generada. Esta medida de energía absorbida se llama dosis absorbida :
La dosis equivalente es la medida del efecto biológico de la radiación sobre el tejido humano. Para rayos X es igual a la dosis absorbida .
portal medico
Portal de físicaSe ha entrenado a ratas para responder a señales que consisten en dosis muy bajas de chi-ray dirigidas a la cabeza.
{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)De los 5 mil millones de investigaciones de imágenes realizadas en todo el mundo...
Definiciones de Wikcionario
Medios de los comunes