Física radiológica básica: cómo nace un rayo X y se convierte en imagen

Cómo se producen los rayos X

Todo empieza en un tubo de rayos X. El tubo son dos electrodos en el vacío: el cátodo, la fuente de electrones, y el ánodo, el blanco contra el que chocan los electrones. Entre ambos se aplica una tensión elevada — típicamente de 20–150 kV en radiología diagnóstica.¹

Esta tensión acelera hacia el ánodo los electrones que salen del cátodo. Los electrones adquieren una energía cinética proporcional a la tensión: un electrón acelerado por 50 kV alcanza 50 keV.¹ Cuando chocan contra el ánodo, la mayor parte de esa energía cinética se convierte en calor; solo una pequeña fracción se emite como fotones de rayos X. Por eso la gestión del calor del ánodo es crítica en un tubo de rayos X.

Dos mecanismos de producción de rayos X

En el ánodo, dos mecanismos distintos producen rayos X:

Bremsstrahlung (radiación de frenado). Bremsstrahlung es un término de origen alemán que significa "radiación de frenado". Cuando el electrón rápido pasa cerca del núcleo de un átomo del ánodo, cambia de dirección y se frena; la energía que pierde se emite como rayo X.¹ Esto forma un espectro continuo — el grueso del haz diagnóstico.

Radiación característica. El electrón rápido arranca un electrón de una capa interna de un átomo del ánodo. Un electrón de una capa externa ocupa la vacante y la diferencia de energía se emite como rayo X. Su energía es específica del material del blanco; se denomina según la capa que quedó vacante (K, L, etc.).¹

¿Cómo interactúan los rayos X con el tejido?

Cuando el haz que sale del tubo atraviesa al paciente, los fotones interactúan con el tejido. En el rango de energía diagnóstica dos interacciones son importantes:

Efecto fotoeléctrico. El fotón entrega toda su energía a un electrón de una capa interna y lo expulsa, siendo absorbido por completo (no queda ningún fotón). La explicación de este efecto le valió a Einstein el Premio Nobel de Física de 1921.¹

Dispersión Compton. El fotón choca con un electrón externo, le transfiere parte de su energía y continúa su camino con la dirección cambiada. El Compton es la interacción predominante en el tejido blando y en todo el rango de energía diagnóstica (por encima de unos 26 keV).¹ Estos fotones dispersos se suman a la imagen como ruido/velo y reducen el contraste.

Aquí nace el contraste

El origen de las diferencias en blanco y negro de la imagen son precisamente estas interacciones — en especial el efecto fotoeléctrico. La probabilidad de absorción fotoeléctrica es aproximadamente proporcional al cubo del número atómico e inversamente al cubo de la energía (≈ Z³/E³).¹

Su significado práctico es enorme: en la representación radiográfica estándar, las estructuras de número atómico alto (el calcio del hueso, el yodo del contraste) absorben los rayos X mucho más y aparecen blancas en la imagen; el tejido blando deja pasar la mayor parte del haz y se ve más oscuro. En los sistemas digitales, el ventaneo y el procesamiento de imagen pueden modificar este aspecto; pero la diferencia de contraste subyacente procede de la distinta atenuación de los tejidos — esta absorción diferencial.¹

Atenuación

Cuando un haz de rayos X atraviesa el tejido, su intensidad disminuye debido a las interacciones; a esto se le llama atenuación. La probabilidad de interacción por unidad de grosor se expresa mediante el coeficiente de atenuación lineal. En el rango diagnóstico este coeficiente disminuye a medida que aumenta la energía y es proporcional a la densidad del material.¹

Una medida práctica útil de la "dureza" del haz es la capa hemirreductora (CHR): el grosor de material que reduce a la mitad la intensidad del haz. Cuanto mayor es la CHR, más penetrante (duro) es el haz. Toda esta cadena — producción, interacción, atenuación — determina finalmente el patrón de radiación que llega al detector, es decir, la imagen.

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