Tipos de Colisiones entre Partículas Cargadas

Existen diferentes tipos de colisiones entre partículas cargadas, clasificadas según la transferencia de energía:

• Colisión elástica: La partícula incidente cede parte de su energía a otra partícula en forma de energía cinética, conservándose la energía cinética total del sistema.
• Colisión inelástica: La partícula incidente transfiere pequeñas cantidades de energía a los átomos del medio, provocando su excitación (un electrón salta a un nivel energético superior) o ionización (un electrón es arrancado del átomo).
• Colisión radiactiva (Frenado o Bremsstrahlung): La partícula cargada (generalmente electrones) es frenada y desviada por el campo eléctrico de los núcleos atómicos del medio, emitiendo la energía perdida en forma de ondas electromagnéticas (fotones).

Producción y Espectro de Rayos X

Fundamento Físico

El fundamento físico de la producción de rayos X en un tubo de rayos X convencional reside principalmente en las colisiones de tipo radiactivo. Los electrones acelerados a altas energías impactan contra un material de blanco (ánodo), generalmente con un número atómico alto (Z). Al interaccionar con los campos eléctricos de los núcleos de este material, los electrones se frenan y desvían bruscamente, emitiendo su energía cinética perdida en forma de fotones de rayos X, conocidos como radiación de frenado o Bremsstrahlung.

Espectro de Rayos X

El espectro de rayos X representa el número relativo de fotones emitidos en función de su energía. Consta de dos componentes superpuestas:

• Espectro continuo: Corresponde a la radiación de frenado (Bremsstrahlung). Se extiende desde energías bajas hasta una energía máxima que coincide con la energía cinética máxima de los electrones incidentes (determinada por el kilovoltaje aplicado al tubo). La forma e intensidad de este espectro dependen del material del ánodo y del kilovoltaje.
• Espectro discreto (o característico): Consiste en picos de intensidad a energías específicas. Se produce cuando un electrón incidente de alta energía expulsa a un electrón de una capa interna del átomo del blanco. El hueco dejado es ocupado por un electrón de una capa más externa, emitiéndose la diferencia de energía en forma de un fotón de rayos X característico. La energía de estos fotones es específica para cada elemento químico del ánodo (de ahí el nombre ‘característico’).

Factores que Modifican el Espectro

La corriente del tubo (mA) y el tiempo de exposición (s) afectan la cantidad de rayos X producidos:

• Al aumentar la corriente del tubo (mA), aumenta el número de electrones que chocan contra el ánodo por unidad de tiempo. Esto incrementa proporcionalmente el número de fotones de rayos X emitidos (tanto continuos como característicos) a todas las energías, elevando la altura general del espectro (el área bajo la curva), pero sin modificar las energías máximas o características.
• El tiempo de exposición (s) tiene un efecto similar: a mayor tiempo, mayor número total de electrones que impactan y, por tanto, mayor número total de fotones producidos.

Ambos parámetros (corriente y tiempo) determinan la cantidad total de radiación y a menudo se combinan en el producto miliamperio-segundo (mAs), que es directamente proporcional a la intensidad del haz de rayos X.

Interacción de los Fotones (Rayos X y Gamma) con la Materia

Atenuación de Fotones

La atenuación es la disminución progresiva de la intensidad (número de fotones) de un haz de rayos X o gamma al atravesar un medio material. Esta reducción se debe a las interacciones que ocurren entre los fotones del haz y los átomos del medio.

Procesos de Atenuación

Los fotones pueden desaparecer del haz o cambiar su dirección mediante dos procesos generales:

• Absorción: La energía del fotón se transfiere completamente a los átomos del medio, generalmente expulsando un electrón (fotoelectrón o electrón Auger). Este electrón deposita su energía cinética en el medio a través de ionizaciones y excitaciones posteriores, contribuyendo a la dosis absorbida y a los posibles efectos biológicos. El fotón original desaparece.
• Dispersión: El fotón incidente interactúa con un átomo o electrón, cambiando su dirección. Puede conservar su energía (dispersión coherente o Rayleigh) o perder parte de ella transfiriéndola a un electrón (dispersión incoherente o Compton). El fotón dispersado continúa su camino en una dirección diferente y, en el caso Compton, con menor energía.

Interacciones Principales en Radiodiagnóstico

En el rango de energías utilizado en radiodiagnóstico, las interacciones más relevantes son:

• Interacción fotoeléctrica: El fotón incidente transfiere toda su energía a un electrón ligado (generalmente de las capas internas K o L), expulsándolo del átomo (fotoelectrón). El hueco electrónico se rellena mediante transiciones de electrones de capas superiores, emitiendo rayos X característicos o electrones Auger. Este proceso es dominante a bajas energías de fotones y en materiales con alto número atómico (Z). Es el principal responsable del contraste en la imagen radiográfica entre tejidos de diferente composición (ej., hueso vs. tejido blando).
• Interacción Compton (o dispersión incoherente): El fotón incidente interactúa con un electrón poco ligado (considerado casi libre), transfiriéndole parte de su energía y cambiando de dirección. Se genera un electrón retroceso (electrón Compton) con energía cinética y un fotón dispersado de menor energía que el inicial. Es la interacción dominante a energías intermedias (las más comunes en radiodiagnóstico) y en materiales de bajo Z, como los tejidos blandos. Contribuye a la atenuación general pero también genera radiación dispersa que degrada la calidad de la imagen.

Formación de la Imagen Radiológica

Tipos de Fotones en la Imagen

Los fotones que alcanzan el detector (placa radiográfica, detector digital) y contribuyen a formar la imagen son principalmente de dos tipos:

• Fotones primarios: Son aquellos fotones del haz original que han atravesado al paciente sin experimentar ninguna interacción. Su intensidad varía según la atenuación sufrida en las distintas estructuras atravesadas, transportando así la información útil para formar la imagen y generar contraste.
• Fotones dispersados: Son aquellos que han sufrido una o más interacciones Compton (principalmente) dentro del paciente, cambiando su dirección original. Si alcanzan el detector, lo hacen en posiciones que no se corresponden con su trayectoria inicial, produciendo un velo generalizado que reduce el contraste y la nitidez de la imagen.

Elección de la Diferencia de Potencial (kV)

La elección de la diferencia de potencial aplicada al tubo de rayos X (kilovoltaje pico, kVp o kV) es crucial y debe buscar un compromiso entre la calidad de imagen y la dosis de radiación impartida al paciente:

• Utilizar bajos kV favorece la interacción fotoeléctrica. Esto resulta en un mayor contraste entre tejidos con diferente número atómico (ej., hueso/tejido blando, medios de contraste), lo cual mejora la calidad diagnóstica de la imagen. Sin embargo, la absorción de energía en el paciente es mayor, lo que implica una dosis de radiación más alta.
• Utilizar altos kV favorece la interacción Compton y aumenta la penetración de los fotones. Esto resulta en un menor contraste entre tejidos blandos, pero permite visualizar estructuras más densas y reduce la dosis absorbida por el paciente por unidad de exposición (aunque puede aumentar la radiación dispersa).

Por tanto, la selección del kV adecuado depende de la región anatómica a estudiar y del tipo de información diagnóstica requerida, buscando siempre el equilibrio óptimo entre obtener una imagen con suficiente contraste y detalle, y minimizar la dosis de radiación al paciente (principio ALARA: As Low As Reasonably Achievable).

Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante

Mecanismos de Acción de la Radiación

La radiación ionizante puede dañar las células y tejidos biológicos a través de dos mecanismos complementarios:

• Acción directa (Teoría del blanco): La energía de la radiación se deposita directamente sobre moléculas biológicamente críticas, como el ADN, provocando ionizaciones o excitaciones en ellas que pueden llevar a roturas de cadena, bases dañadas u otros tipos de lesiones moleculares. Este mecanismo es predominante para radiaciones con alta Transferencia Lineal de Energía (TLE), como las partículas alfa o neutrones.
• Acción indirecta (Teoría de los radicales libres): La radiación ioniza moléculas abundantes en la célula, principalmente el agua (que constituye ~80% de la célula). Esto genera especies químicas muy reactivas llamadas radicales libres (ej., H•, OH•, e⁻aq). Estos radicales pueden difundir cortas distancias dentro de la célula y reaccionar químicamente con moléculas biológicas importantes (ADN, proteínas, lípidos), dañándolas. Es el mecanismo dominante para radiaciones con baja TLE, como los rayos X y gamma.

Clasificación Temporal de los Efectos Biológicos

Según el tiempo que tardan en manifestarse tras la exposición a la radiación, los efectos biológicos se clasifican en:

• Efectos precoces (o agudos): Aparecen en un corto período de tiempo tras la irradiación (horas, días, semanas), generalmente como resultado de exposiciones a dosis relativamente altas. Suelen ser efectos deterministas, es decir, tienen un umbral de dosis por debajo del cual no se observan, y su gravedad aumenta con la dosis. Ejemplos: eritema cutáneo (enrojecimiento de la piel), náuseas, vómitos, caída del cabello, síndrome agudo de irradiación (si la dosis es muy alta y afecta a todo el cuerpo).
• Efectos tardíos: Se manifiestan meses o años después de la exposición. Pueden ser de dos tipos:
  • Deterministas tardíos: Tienen umbral de dosis y su gravedad depende de la dosis. Ejemplos: cataratas (opacidad del cristalino), fibrosis tisular, radiodermitis crónica, esterilidad permanente.
  • Estocásticos (o probabilísticos): No tienen un umbral de dosis conocido (se asume que cualquier dosis, por pequeña que sea, conlleva un riesgo, aunque sea mínimo). La probabilidad de que ocurra el efecto aumenta con la dosis, pero su gravedad es independiente de la dosis que lo causó. El principal ejemplo es el cáncer radioinducido. También se incluyen aquí las mutaciones genéticas hereditarias.

Clasificación Biológica de los Efectos

Desde el punto de vista del individuo o población afectada, los efectos se clasifican en:

• Efectos somáticos: Son aquellos que se manifiestan en el propio individuo que ha sido expuesto a la radiación. Incluyen tanto los efectos precoces como los tardíos (deterministas y estocásticos) que afectan a las células y tejidos del cuerpo, excluyendo las células germinales. Ejemplos: eritema cutáneo, cataratas, cáncer.
• Efectos hereditarios (o genéticos): Son aquellos que aparecen en la descendencia del individuo irradiado, como consecuencia de mutaciones inducidas por la radiación en sus células germinales (óvulos o espermatozoides). Estas mutaciones pueden transmitirse a las generaciones futuras. Son efectos de naturaleza estocástica.