Los detectores de rayos X son dispositivos utilizados 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 ), actualmente reemplazados en su mayoría por diversos dispositivos de digitalización como placas de imágenes o detectores de panel plano ) y dispositivos de medición de dosis (como cámaras de ionización) . , contadores Geiger y dosímetros utilizados para medir la exposición local a la radiación , la dosis y/o la tasa de dosis, por ejemplo, para verificar que los equipos y procedimientos de protección radiológica sean eficaces de forma 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 parcialmente bloqueados ("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 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 las arterias o venas para resaltar estos vasos. Los compuestos de contraste tienen elementos de alto número atómico que (como el hueso) esencialmente bloquean 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 resultaron ser nocivos –por ejemplo, alguna vez se utilizó torio como medio de contraste ( Thorotrast )–, pero resultaron ser tóxicos y provocaron 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]
La película de rayos X típica contiene "granos" de cristales de haluro de plata , normalmente principalmente bromuro de plata . [2] El tamaño del grano y la composición se pueden ajustar para afectar las propiedades de la película, por ejemplo, para mejorar la resolución de la imagen revelada. [3] Cuando la película se expone a radiación, el haluro se ioniza y los electrones libres quedan atrapados en 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 radiación. Otros pasos de desarrollo 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 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] Gradualmente, 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 estado reemplazando a las películas fotográficas en aplicaciones médicas y dentales, aunque la tecnología de las películas sigue siendo ampliamente utilizada en los procesos de radiografía industrial (por ejemplo, para inspeccionar uniones soldadas). El metal plateado (anteriormente necesario para las industrias radiográfica y fotográfica) es un recurso no renovable, aunque la plata se puede recuperar fácilmente de las películas de rayos X gastadas. [8] Mientras que las películas de rayos X requerían instalaciones de procesamiento húmedo, las tecnologías digitales más nuevas no las requieren. El archivo digital de imágenes también ahorra espacio de almacenamiento físico. [9]
La radiografía con placa de fósforo [10] es un método de registro de rayos X mediante luminiscencia fotoestimulada (PSL), del que Fuji fue pionero en la década de 1980. [11] Se utiliza una placa de fósforo fotoestimulable (PSP) en lugar de la placa fotográfica. Después de someter la placa a rayos X, los electrones excitados en el material de fósforo permanecen "atrapados" en los " centros de color " de 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 modificaciones para utilizarlos. 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 (p. ej., 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 reciben este nombre porque convierten directamente los fotones de rayos X en carga eléctrica y, por tanto, en una imagen digital. Los sistemas indirectos pueden tener pasos intermedios, por ejemplo, primero convertir 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 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]
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 mediante el efecto Peltier o incluso mediante nitrógeno líquido 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 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 los de Si(Li), no es necesario enfriarlos con nitrógeno líquido. Estos detectores rara vez se utilizan para obtener imágenes y solo son eficientes con 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 de rayos X comerciales de panel plano de gran superficie 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 amplia banda prohibida y su alto número cuántico, lo que permite un funcionamiento a temperatura ambiente con alta eficiencia. . [20] [21] Las aplicaciones actuales incluyen densitometría ósea y SPECT , pero aún no se producen detectores de panel plano adecuados para imágenes radiográficas. [22] La investigación y el desarrollo actuales se centran en detectores de píxeles que resuelven energía , como el detector Medipix del CERN y el detector HEXITEC del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas . [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]
Los detectores indirectos están formados 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 en la actualidad en aplicaciones médicas, dentales, veterinarias e industriales.
La matriz TFT consiste en una lámina de vidrio cubierta con una fina capa de silicio que se encuentra en un estado amorfo o desordenado. A escala microscópica, el silicio lleva impresos millones de transistores dispuestos en una matriz muy ordenada, como la cuadrícula de una hoja de papel cuadriculado. Cada uno de estos transistores de película delgada (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 electrón-hueco. 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 puede convertirse rápidamente en un voltaje y luego en una señal digital, que una computadora interpreta para producir una imagen digital. Aunque el silicio tiene excelentes propiedades electrónicas, 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.
Los rayos X que atraviesan un gas lo ionizarán , produciendo iones positivos y electrones libres . Un fotón entrante creará un número 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 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 proporciona 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 radiación portátiles para comprobar los niveles de dosis de radiación.
Los contadores proporcionales utilizan una geometría con un fino alambre anódico cargado positivamente 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 hacer 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 provoca una avalancha de aproximadamente el mismo tamaño, la carga recogida 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 generar fotones UV . [28] Estos inician nuevas avalanchas, que eventualmente resultan en una ionización total del gas alrededor del cable del ánodo. Esto hace que la señal sea muy fuerte, pero provoca 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 el número de fotones que interactúan como se explicó anteriormente, pero se pueden resolver espacialmente 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 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 célula solar, un amperímetro y un filtro de luz visible en la parte superior de la célula solar que permite que la radiación ionizante llegue a la célula solar mientras bloquea longitudes de onda no deseadas.
La película radiocrómica de autorrevelado puede proporcionar mediciones de muy alta resolución, con fines de dosimetría y elaboración de perfiles, particularmente en física de radioterapia. [31]
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