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RADECIMIENTOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE CIENCIAS “Uso de un maniquí brasileño para control de calidad en mamografía convencional” TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE FÍSICO PRESENTA Omar Prieto Ruiz DIRECTOR DE TESIS: M. en C. César Gustavo Ruiz Trejo 2012 FACULTAD DE CIENCIAS UNAM UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Agradecimientos Se agradece a IRD Brasil, INMUJERES DF, FUCAM A.C. y al ISSSTE, por proveer los medios necesarios para la realización de este trabajo. De igual forma se agradece a DGAPA‐UNAM y al proyecto PAPITT IN101610 por el apoyo económico brindado. Se agradece también a la Dra. Lucía Canevaro, al Dr. Juan Carlos Barrón, a la Dra. Carolina Hernández, a la Dra. Rubí Espejo, a la Dra. María Ester Brandan, al M. en C. César Ruiz y a la Lic. María Eugenia Martínez por la ayuda prestada, misma que fue imprescindible para realizar esta tesis. Además, se agradece el apoyo de las Técnicas Radiólogas, Magdalena Martínez y Anahí Villagrán, durante la realización de las pruebas de control de calidad. 1 Índice Índice ...................................................................................................................................... 1 Resumen ................................................................................................................................. 3 Introducción ........................................................................................................................... 5 Capítulo 1: Física de las radiaciones aplicada a la mamografía analógica ........................................................................................................... 9 1.1. La mama femenina. ....................................................................................................... 11 1.2. La mamografía. .............................................................................................................. 11 1.3. Los rayos X. .................................................................................................................... 12 Rayos X característicos ........................................................................................................ 13 1.4. Tubo de rayos X. ............................................................................................................ 14 Cátodo .................................................................................................................................. 14 Ánodo................................................................................................................................... 15 El efecto talón. ..................................................................................................................... 15 1.5 Espectros de rayos X usados en mamografía. ................................................................ 16 El espectro continuo ............................................................................................................ 16 El espectro característico..................................................................................................... 17 Filtración .............................................................................................................................. 18 1.6 Interacción de los rayos X usados en mamografía con la materia ................................. 21 Efecto fotoeléctrico ............................................................................................................. 21 Efecto Compton ................................................................................................................... 21 Dispersión coherente........................................................................................................... 22 Atenuación ........................................................................................................................... 22 Capítulo 2: Funcionamiento de un mastógrafo analógico ................................................. 25 2.1 Funcionamiento de un mastógrafo analógico. ............................................................... 27 2.2 Sistema película pantalla ................................................................................................ 29 Película ................................................................................................................................. 29 Pantalla intensificadora ....................................................................................................... 29 Densidad óptica ................................................................................................................... 29 Contraste ............................................................................................................................. 29 Sensitometría ....................................................................................................................... 30 Curva característica ............................................................................................................. 30 Base más niebla ................................................................................................................... 32 Índice de velocidad .............................................................................................................. 32 Gradiente promedio ............................................................................................................ 32 Resolución espacial .............................................................................................................. 33 Capítulo 3: Maniquíes usados en control de calidad .......................................................... 35 3.1 Control de calidad ........................................................................................................... 37 3.2 Maniquí Phantom Mama ................................................................................................ 37 3.3.Maniquí de acreditación del ACR ................................................................................... 40 2 Capítulo 4: Desarrollo experimental ................................................................................... 43 Prueba 1. Ajuste del control de densidad óptica: valor central y diferencia por pasos .................................................................................... 46 Prueba 2. Reproducibilidad a corto plazo. .......................................................................... 47 Prueba 3. Reproducibilidad del ajuste del aparato de rayos X. ........................................................................................................................... 48 Prueba 4. Reproducibilidad a largo plazo. ........................................................................... 48 Prueba 5. Compensación con el espesor del objeto. .......................................................... 48 Prueba 6. Compensacióncon la tension del tubo de rayos X. ................................................................................................................................ 49 Prueba 7. Factor de rejilla. ................................................................................................... 49 Prueba 8. Rango de variación de densidad óptica y variación de la sensibilidad entre chasis. .......................................................................... 50 Prueba 9. Sensitometría. ..................................................................................................... 51 Prueba 10. Artefactos de la imagen. ................................................................................... 51 Prueba 11. Velo debido a la entrada de luz en el cuarto oscuro. ...................................................................................................................... 52 Prueba 12. Velo debido a luces de seguridad. .................................................................... 52 Prueba 13. Definición de la imagen. .................................................................................... 53 Prueba 14. Detalles de alto contraste. ................................................................................ 53 Prueba 15. Contraste de la imagen. .................................................................................... 53 Prueba 16.Umbral de bajo contraste. ................................................................................. 54 Prueba 17.Detalles lineales de bajo contraste. ................................................................... 54 Prueba 18.Masas tumorales. ............................................................................................... 54 Resultados obtenidos de acuerdo con el manual del ACR. ................................................................................................................................ 55 Prueba 1. Calidad de imagen. .............................................................................................. 55 Prueba 2. Capacidad de desempeño del CAE. ..................................................................... 55 Prueba 3. Reproducibilidad del CAE. ................................................................................... 56 Prueba 4. Evaluación de la resolución del sistema. ............................................................. 56 Capítulo 5: Resultados ......................................................................................................... 57 Resultados. .......................................................................................................................... 60 Capítulo 6: Análisis de resultados ....................................................................................... 75 Analisis de resultados. ......................................................................................................... 77 Capítulo 7: Conclusiones ...................................................................................................... 83 Conclusiones. ....................................................................................................................... 85 Bibliografía ........................................................................................................................... 87 Especificaciones de los mastógrafos ................................................................................... 91 3 Resumen Se efectuó una caracterización del maniquí Phantom Mama de construcción y diseño brasileños, para conocer su uso y estudiar las bases físicas en las que se basa su funcionamiento. Para ello, se realizaron 18 pruebas de control de calidad en 3 mastógrafos analógicos pertenecientes a instalaciones de la ciudad de México, según los procedimientos que se siguen en Brasil. Las pruebas comprendieron la evaluación del Control Automático de Exposición (CAE), la rejilla antidispersora (bucky), los chasis empleados en los mastógrafos, el cuarto oscuro donde se revelan las mamografías producidas en esas unidades, y la calidad de la imagen. Adicionalmente, en dos de los tres mastógrafos se realizaron pruebas de control de calidad siguiendo los procedimientos del American College of Radiology (ACR). Se encontró que el Phantom Mama cuenta con patrones para evaluar la resolución espacial y el contraste de la imagen, así como la presencia de artefactos. Que éste, simula también mamas comprimidas de 2, 3, 4 y 5 cm de espesor, así como las estructuras normales y anormales en la mama, como son: microcalcificaciones, ductos lactíferos, masas tumorales, y neodensidades. Los resultados de la evaluación según los procedimientos del Phantom Mama, mostraron una semejanza con los resultados obtenidos siguiendo el protocolo del ACR, encontrando el mismo diagnóstico de los equipos independientemente del maniquí utilizado. La forma en que se realizaron las pruebas con el Phantom Mama, es la misma que requiere el Ministerio de Salud de Brasil, sin embargo, se encontró que el maniquí cumple con lo establecido por las leyes mexicanas por lo que puede ser utilizado en las pruebas de control de calidad en instalaciones nacionales. 5 Introducción El cáncer de mama es el más común entre las mujeres en todo el mundo, y representa el 16% de todos los tipos de cáncer femeninos. Se estima que en 2004 murieron 519,000 mujeres por cáncer de mama y, aunque este cáncer está considerado como una enfermedad del mundo desarrollado, el 69% de las defunciones por esta enfermedad se registran en los países en desarrollo [1]. A pesar de la incidencia creciente, en las últimas décadas la mortalidad por cáncer de mama declinó cerca de un 30% en algunos países desarrollados, como es el caso de los Estados Unidos, Canadá, Reino Unido, Holanda, Dinamarca y Noruega, lo que se atribuye principalmente al diagnóstico precoz [2]. Uno de los países en vías de desarrollo dentro de Latinoamérica es Brasil, en donde el cáncer de mama es la primera causa de muerte en mujeres brasileñas [3] [4]. En México, desde el año 2008 se presenta una situación similar a Brasil ya que el cáncer de mama es la primera causa de muerte por neoplasias en mujeres mexicanas, teniéndose 4,835 defunciones por esa enfermedad, en ese año [5], lo que implica que esta clase de cáncer es un grave problema de salud en ambos países. Las bajas tasas de supervivencia de mujeres en estos países pueden deberse a la falta de programas de detección precoz, por lo que un alto porcentaje de mujeres acuden al médico con la enfermedad en etapa muy avanzada, pero también son atribuibles a la falta de servicios adecuados de diagnóstico y tratamiento. Aunque se puede buscar reducir los factores de riesgo mediante medidas de prevención, estas estrategias no pueden eliminar la mayoría de los cánceres de mama. Así pues, la detección precoz enfocada a mejorar el pronóstico y la supervivencia por cáncer de mama sigue siendo la piedra angular para controlar esta enfermedad. La mamografía, o también llamada mastografía, es la única técnica radiográfica que puede aumentar la probabilidad de conseguir un tratamiento con éxito al detectar neoplasias en una fase temprana, antes de que se puedan palpar, (i.e. diámetros menores que 1 cm). Además, es de gran utilidad en diagnóstico, ya que permite conocer la localización y extensión de los tumores. Esta modalidad radiográfica presenta un alto grado de dificultad, ya que los tejidos que constituyen a la mama presentan una respuesta radiológica muy similara la que presentan las lesiones buscadas como indicadores de la posible presencia de un tumor, por lo que en la imagen es difícil distinguirlas. Una mamografía no puede considerarse de buena calidad si no es capaz de registrar con alta definición y contraste, las estructuras normales y anormales en la mama. Para lograr una imagen de calidad diagnóstica usando una dosis óptima de radiación se requiere que los mastógrafos y sus equipos periféricos estén funcionando de manera correcta. Esto se logra al establecer un programa de control de calidad (PCC) efectivo. En nuestro país existe la Norma Oficial Mexicana NOM‐229‐SSA1‐2002 que tiene observancia obligatoria en todo el 6 territorio nacional y que expone los requisitos técnicos para las instalaciones, las responsabilidades sanitarias, así como las especificaciones técnicas y de protección radiológica para los establecimientos que utilizan rayos X para diagnostico médico [6]. Dentro de esta norma se contempla una sección de mamografía, en donde se presentan las pruebas de control de calidad que debe realizar un asesor especializado en seguridad radiológica y los valores que deben obtenerse (criterios de aceptación) en estas pruebas. Las pruebas de control de calidad (CC) conforman el PCC y sirven para evaluar el funcionamiento del equipo. Estas pruebas deben efectuarse de manera que pueda detectarse cualquier cambio en las configuraciones que pudiera reducir la calidad de la imagen o aumentar la dosis a la paciente, así como determinar cualquier deterioro del equipo a través del tiempo. Existen diferentes tipos de instrumentos para realizar estas pruebas. Entre ellos se encuentran objetos que se colocan en el mastógrafo, mismos que simulan en atenuación, una mama femenina promedio y son llamados maniquíes. Existen maniquíes como el acreditado por el Colegio Estadounidense de Radiología (ACR) [7], el cual se utiliza para el control de calidad en Estados Unidos y otros países, y el Phantom Mama que se utiliza en Brasil. En México también existe un maniquí desarrollado en la Universidad Nacional Autónoma de México que se utiliza en mamografía convencional y que simula una mama promedio, 50% glandular y 50% adiposa, de 4.2 cm de espesor, el cual es utilizado en el Instituto Nacional de Cancerología. Los objetivos en este trabajo son: Aprender a usar el maniquí brasileño Phantom Mama Conocer las bases físicas en las que se basa su funcionamiento. Para este fin se realizaron pruebas de control de calidad en 3 mastógrafos analógicos pertenecientes a instalaciones de la Ciudad de México, siguiendo los procedimientos que se siguen en Brasil. Además se realizaron pruebas de control de calidad siguiendo los procedimientos del protocolo del ACR en 2 de estos mastógrafos. La tesis se desarrolla en 7 capítulos distribuidos de la siguiente forma: En el capítulo 1 se presentan la anatomía de la mama femenina y la mamografía, además se estudian los principios básicos de la física detrás de ésta, como son los rayos X, su producción, su interacción con la materia, así como los espectros utilizados en esta modalidad radiográfica. En el capítulo 2 se estudia el funcionamiento de un mastógrafo analógico, empezando por el tubo de rayos X, hasta la producción de la imagen final y sus características. En el capítulo 3 se expone el maniquí Phantom Mama, se describe su composición física y se explica qué es, y para qué sirve cada elemento que lo conforma. En el capítulo 4 se presentan los procedimientos de las pruebas de control de calidad realizadas, así como su respectivo criterio de aceptación, de acuerdo con el manual del fabricante. 7 En el capítulo 5 se presentan los resultados de las pruebas realizadas con el Phantom Mama y según el ACR. En el capítulo 6 se discuten los resultados obtenidos. En este capítulo se tratan la explicación de los resultados y se comparan con respecto a los resultados de pruebas de control de calidad realizadas con otro maniquí. En el capítulo 7 se presentan las conclusiones del trabajo. 9 Capítulo I Física de las radiaciones aplicada a la mamografía analógica 11 1.1 La mama femenina Una mama femenina es un órgano que contiene glándulas cuya función es secretar leche durante la lactancia. Cada mama, cuyo aspecto exterior es una prominencia de tamaño variable, posee en el centro una zona pigmentada más o menos circular llamada areola, donde se sitúa el pezón. Internamente la mama está compuesta de gran cantidad de tejido adiposo así como de tejido glandular, fibroso, y grasa subcutánea. Figura 1.1. El tejido glandular se organiza en lóbulos y lobulillos que drenan a los conductos galactóforos, los que a su vez desembocan en el pezón. Con la edad, el componente glandular se atrofia y es reemplazado por grasa. Figura 1.1 Estructura de la mama femenina. Adaptado de [8] 1.2 La mamografía La mamografía es una imagen bidimensional de la glándula mamaria obtenida con rayos X. La imagen se forma debido a la atenuación sufrida por los rayos X al atravesar los diferentes tejidos que conforman la mama. Los rayos X que se logran transmitir a través de la mama inciden sobre el receptor de imagen, que puede ser una película en el caso de un mastógrafo analógico o un detector de estado sólido en el caso de un mastógrafo digital, formándose una imagen latente que es hecha visible por un proceso químico (película) o electrónico (digital). La mayoría de los cánceres de mama se originan en el conducto de la glándula mamaria o glándula productora de leche. El resto procede del propio tejido glandular. El objetivo de la mamografía es poder visualizar posibles microcalcificaciones, las cuales son pequeños depósitos de calcio en el tejido glandular, así como posibles masas tumorales y asimetrías en la densidad. Si una asimetría es detectada en la comparación entre exámenes de épocas diferentes, puede ser llamada neodensidad. 12 Figura 1.2. Mamografías que presentan masas tumorales y ductos galactóforos (1), microcalcificaciones (2) y neodensidades (3). Figura adaptada de [9] El problema que presenta la mamografía es que las respuestas radiográficas que presentan el tejido con cáncer y el tejido glandular sano, son muy parecidas, lo que hace difícil distinguirlas en la imagen. Es por ello que la energía de los rayos X usados en mamografía, debe encontrarse en un intervalo bien definido como se expondrá posteriormente. 1.3 Los Rayos X Los rayos X son radiación electromagnética cuya longitud de onda es menor que la de la luz visible. La longitud de onda (λ) de los rayos X, está entre los 1x10‐8 m y los 3x10‐12 m, lo que corresponde a las frecuencias (ν) de 3x1016 Hz a 9x1019 Hz. De acuerdo con la teoría cuántica, la radiación electromagnética puede manifestarse en forma de paquetes discretos de energía, llamados fotones. La energía de cada fotón sólo depende de la frecuencia de la radiación, y está dada por la siguiente expresión (ecuación 1.1) [10]: ν … (1.1) Utilizando el valor de la constante de Plank, h = 4.13×10−15 eVs y con los valores de ν arriba mencionados, se encuentra que la energía de los rayos X producidos en tubos de rayos X está en el intervalo de los 124 eV y 400keV, sin embargo, estos límites no son precisos ya que la energía más alta se traslapa con los rayos gamma y la energía más baja con la luz ultra violeta en el espectro electromagnético. Usualmente, la producción de rayos X se realiza mediante un tubo de rayos X, bombardeando un blanco metálico con un haz de electrones de alta energía. Los electrones incidentes pueden interaccionar con los átomos del blanco de dos formas posibles, produciendo bremsstrahlung ó rayos X característicos. En el bremsstrahlung, los electrones se desaceleran por el núcleo cargado positivamente, como se muestra en la figura 1.3. 13 Figura 1.3 Producción de bremsstrahlung [11] Cuando el electrón es desacelerado, produce radiación en forma de un fotón con energía igual que el cambio en energía cinética del electrón. La radiación que se produce de esta forma se conoce como bremsstrahlung; palabra de origen alemán que significa radiación de “frenado”. La cantidad de bremsstrahlung producida por un número dado de electrones que golpean el blanco, depende de dos factores; el número atómico Z del material del blanco, ya que a mayor número de protones en el núcleo la aceleración sufrida por los electrones será mayor para un parámetro de impacto determinado; y el voltaje de aceleración, ya que al producir electrones más rápidos, la probabilidad de que penetren hasta la región del núcleo es mayor. Un electrón proveniente de un haz, puede producir varios fotones antes de llegar al reposo. El fotón más energético posible ocurre cuando un electrón pierde toda su energía cinética inicial en una sola interacción, produciendo un fotón único con una frecuencia máxima dada por la ecuación 1.2 [10]: ν á í … (1.2) Donde la constante c es la velocidad de la luz, V el voltaje aplicado en el tubo de rayos X, y e la carga del electrón. Así, el proceso de bremsstrahlung produce radiación con un espectro continuo que tiene una energía máxima que, de acuerdo con la ecuación 1.2, depende del voltaje de aceleración. Esto quiere decir que la energía máxima de cualquiera de los fotones producidos no puede ser mayor que la energía del electrón incidente más energético. Rayos X característicos A medida que aumenta el voltaje, los electrones del haz adquieren suficiente energía para desalojar electrones de las capas interiores de los átomos del blanco. En general, los electrones se encuentran ordenados en el átomo en capas alrededor del núcleo, los electrones más cercanos al núcleo y por tanto más fuertemente ligados están en la capa K. Los que se encuentran en la 14 siguiente posición de mayor enlace están en la capa L, y después en la capa M, y así sucesivamente. Cuando electrones altamente energéticos colisionan y remueven un electrón de la capa K, un electrón de la capa L baja para llenar la vacancia dejada en la capa K, liberando energía en forma de un rayo X debido a la transición. Esta radiación se denomina línea Kα y es característica del material del blanco, por ello es llamada rayos X característicos. El electrón de la capa M que llena la vacante de la capa K cede energía en forma de otro rayo X llamado línea Kβ. Así, estas transiciones de las capas L, M, N a la capa K dan lugar a la serie de líneas Kα, Kβ, Kγ, denominada serie K. De igual forma cuando los electrones incidentes desalojan electrones de la capa L y las vacancias son llenadas por electrones de las restantes capas M, N, O, estas transiciones dan lugar a la serie L. Debido a que este tipo de radiación depende de la naturaleza de los átomos del blanco, son llamados rayos X característicos. 1.4 Tubo de rayos X Un tubo de rayos X es un convertidor de energía. Este recibe energía eléctrica y la convierte en otras dos formas de energía, estas son: radiación X y calor. El calor es un subproducto indeseable. Los tubos de rayos X están diseñados y fabricados para maximizar la producción de rayos X y disipar el calor tan rápido como sea posible. Los principales componentes de un tubo de rayos X son; un tubo al vacío, un filamento o cátodo que sirve como fuente de electrones, una fuente de alto voltaje positivo para acelerar a los electrones cuya carga es negativa y un blanco también llamado ánodo, en el cual golpearán los electrones para producir rayos X. El esquema de un tubo de rayos X se muestra en la figura 1.4. Figura 1.4. Diagrama de un tubo de rayos X. Una corriente eléctrica pasa a través del cátodo liberando electrones por emisión termoiónica. La diferencia de potencial producida entre el cátodo y el ánodo, acelera a los electrones libres hacia éste último. [10] Cátodo La función básica del cátodo es expulsar a los electrones y focalizarlos en un haz bien definido hacia el ánodo. Para ello, durante el funcionamiento del tubo, el filamento se calienta haciendo pasar una corriente a través de él, y el calor producido expulsa algunos de los electrones en un proceso conocido como emisión termoiónica. La cantidad de electrones que son acelerados hacia el ánodo dependen de la temperatura del filamento. La energía máxima de los fotones producidos 15 en el tubo de rayos X está determinada por el voltaje de aceleración, también referido como kilovoltaje pico (kVp). El kilovoltaje pico es el valor máximo o pico, durante un ciclo de voltaje de un circuito de corriente alterna. La corriente de electrones que es dirigida del cátodo hacia el ánodo es medida en miliamperes (mA) donde 1 mA= 6.24x1015 electrones/segundo. La mayoría de los tubos de rayos X tienen dos filamentos que pueden ser intercambiados para producir ya sea un punto focal grueso o uno pequeño. Los tubos empleados en mamografía, generalmente se componen de dos filamentos que producen puntos focales de 0.3 y 0.1 mm. Puntos focales pequeños producen imágenes más nítidas que imágenes obtenidas cuando se usa un punto focal grueso, sin embargo al concentrar el calor en un área más pequeña se produce riesgo de daño en el ánodo por sobrecalentamiento. Ánodo El ánodo es el blanco en el que impactarán los electrones provenientes del cátodo. La intensidad del haz de rayos X producido cuando los electrones golpean el ánodo depende del número atómico del material del que esté constituido y la energía de los electrones. Los materiales usados como ánodos deben tener un alto punto de fusión debido a que la mayoría de la energía cinética de los electrones incidentes es transformada en calor después de colisionar. Los tubos de rayos X empleados en mamografía usan un diseño de ánodo giratorio para evitar el sobrecalentamiento, en estos equipos el elemento más comúnmente empleado es el molibdeno aunque también se encuentran ánodos de rodio y más recientemente de tungsteno. Estos elementos (Mo, Rh) son empleados como ánodos, debido a que la energía de la radiación característica se encuentra en el intervalo útil en mamografía. Los rayos X característicos del molibdeno tienen energías de 17.5 y 19.6 keV, mientras que los del rodio de 20.2 y 22.7 keV. Es importante mencionar que no todo el ánodo está involucrado en la producción de rayos X. La radiación es producida en un área muy pequeña sobre la superficie del ánodo, la cual es llamada punto focal. En la mayoría de los tubos de rayos X el punto focal es aproximadamente rectangular. Las dimensiones del punto focal están definidas de dos maneras: el punto focal real y el punto focal efectivo. El punto focal real es el área sobreel ánodo que es golpeada por los electrones, y éste es determinado por las dimensiones del filamento del cátodo y por el tamaño del haz de electrones enfocado. El punto focal efectivo, corresponde en tamaño al largo y ancho del punto focal proyectado bajo el rayo central en el campo de rayos X. Al modificar el ángulo del punto focal real y hacerlo más pequeño, se obtiene un punto focal efectivo más pequeño, lo cual proporciona una mejor resolución espacial en las imágenes, sin embargo el tamaño del campo de rayos X útil se ve limitado. El efecto talón. El efecto talón se refiere a la reducción en la intensidad del haz de rayos X hacia el lado del ánodo en el campo de rayos X. Los rayos X son producidos isotrópicamente en la profundidad de la estructura del ánodo. En el campo de radiación, los fotones dirigidos hacia el lado del ánodo, 16 transitan un mayor espesor del material y experimentan mayor atenuación que aquéllos dirigidos hacia el lado del cátodo en el campo. Debido al efecto talón, el tubo de rayos X en los equipos de mamografía es orientado de tal forma que se pueda aprovechar dicho efecto. 1.5 Espectros de rayos X usados en mamografía El espectro continuo La gráfica de intensidad contra energía de los fotones de rayos X, da lugar a los espectros característicos y de frenado. En la figura 1.5 se muestra esta gráfica. La recta es el espectro de frenado teórico. En la realidad al producir rayos X de diferentes energías, los fotones menos energéticos no logran salir del tubo, por lo que el espectro que se forma es similar a la curva de la figura 1.5 y es llamado espectro de frenado real. Figura 1.5. Espectros de rayos X de frenado. En la gráfica el espectro teórico es la recta, mientras que la curva representa el espectro real [12]. Al producir espectros reales de rayos X, se observa que la variación de la energía y la cantidad de fotones producidos dependen del voltaje del tubo como se muestra en la figura 1.6. 17 Figura 1.6 Espectro continuo, usado en mamografía. El espectro fue producido con una combinación de ánodo y filtro de molibdeno (Mo/Mo) para diferentes voltajes. Figura adaptada de la referencia [13]. Cuando electrones provenientes del cátodo ceden toda su energía en una sola interacción con los átomos del blanco, se obtienen fotones con energía máxima. Si los electrones no son completamente detenidos, experimentan diferentes interacciones y los fotones producidos tendrán una energía menor que la máxima, formando un espectro como el de la figura 1.6. La totalidad de esos fotones de energías bajas, hasta la máxima, constituyen el espectro continuo (figura 1.6). El espectro de la figura 1.6 muestra también las curvas producidas a diferentes voltajes. Cuando el kilovoltaje en el tubo se incrementa, la intensidad de todas las curvas se incrementa y la posición de los picos permanece constante. El kilovoltaje producido en el tubo establece la energía con la que los electrones llegan hasta el ánodo, por lo que la energía de ningún fotón creado, puede ser mayor que la de los electrones incidentes. La energía máxima de los fotones, por lo tanto, en keV es numéricamente igual al potencial máximo aplicado en kV. El espectro característico Debido a la producción de rayos X característicos, aparecen picos de máxima intensidad a ciertas energías, superpuestos en el espectro continuo. Debido a que son demasiado estrechos y a que estas energías son características de cada material, estas son llamadas líneas, o picos característicos. Esas líneas forman diferentes conjuntos referidos como, K, L, M, etc., a medida que aumenta el valor de la energía en el espectro. Todas las líneas forman el espectro característico del material que se usa como objetivo. De hecho, un material dado produce rayos X característicos de varias energías. Esto es porque los electrones en los diferentes niveles de energía (K, L, etc.) pueden ser desplazados por electrones incidentes y las vacancias pueden ser rellenadas desde diferentes niveles de energía. Es importante mencionar que aunque se ocupen las vacancias en la capa L, esto produce fotones con energías demasiado bajas como para usarse en imágenes diagnósticas. La mayoría de los rayos X característicos que se encuentran en el intervalo de energías de uso diagnóstico, son los que resultan de las vacancias en la capa K, ocupadas por electrones de las capas L, M y N. 18 Los espectros de utilidad en mamografía son producidos utilizando blancos de Molibdeno (Mo, Z = 42) y Rodio (Rh, Z = 45), materiales que se utilizan en los ánodos de muchos mastógrafos. Las energías en keV de los rayos X característicos de transiciones en la capa K se encuentran en la tabla 1.1 Transición Molibdeno Rodio Kα1 17.48 20.22 Kα2 17.37 20.07 Kβ1 19.61 22.72 Tabla 1.1. Rayos X característicos de materiales comúnmente empleados como ánodos en mamografía. Los rayos X característicos producen líneas espectrales con muchas energías discretas. Kα indica una transición electrónica de la capa L a la capa K, mientras que Kβ indica una transición de las capas M, N u O a la capa K. Los subíndices 1 y 2 son para identificar los bordes producidos por las subcapas. [14] Los rayos X característicos K son emitidos sólo cuando los electrones que inciden sobre el ánodo exceden la energía de amarre de los electrones en la capa K. Los voltajes aceleradores deben ser mayores que 20 kVp para ánodos de molibdeno para producir rayos X característicos K. Filtración. Debido a que en la mamografía es necesario visualizar objetos cuya respuesta radiográfica es muy similar a la del tejido sano, es necesario producir imágenes con alto contraste a la más baja dosis de radiación posible, para esto es necesario considerar la composición y el espesor de la mama. Se ha determinado [14], que el contraste óptimo puede logarse usando un haz monoenergético de 15 a 25 keV. Los rayos X polienergéticos producidos en los tubos de rayos X no producen el contraste deseado en mamografía; los rayos X en el espectro del bremsstrahlung entregan una alta dosis y no contribuyen a la imagen, mientras que los rayos X de energías más altas disminuyen el contraste, por ello es necesario el uso de filtros en los mastógrafos. El efecto de la filtración se muestra en las figuras 1.7 y 1.8. Para remover los fotones que no son útiles en la formación de la imagen es necesario considerar el elemento del que está constituido el ánodo así como utilizar filtros atenuadores, que permitan la transmisión de los fotones que están en el intervalo energético deseado. Los filtros eliminan los fotones de muy bajas y de muy altas energías. Los elementos comúnmente empleados como filtros, son el rodio y el molibdeno, por lo que se pueden encontrar las combinaciones ánodo‐filtro: Mo/Mo, Mo/Rh y Rh/Rh. La combinación de ánodo de molibdeno y filtro de 0.025 mm de rodio es empleada para la adquisición de imágenes de mamas más gruesas y densas, ya que esta combinación produce una energía efectiva un poco más alta que la combinación Mo/Mo, y permite la transmisión de los fotones con energías entre los 20 y 23 keV como se observa en la figura 1.9. 19 Fig. 1.7. Espectro de rayos X generado con un tubo con ánodo de molibdeno a 26 y 30 kVp [14]. Fig. 1.8. Espectro de rayos X producido a 26 y 30 kVp con un tubo con filtro de 0.030 mm de Mo. [14] 20 Fig. 1.9. Espectro de rayos X generado con un tubo con ánodo de molibdeno y con filtrode 0.025 mm de Rh, producido a 30 kVp [14]. El ánodo de rodio junto con un filtro de rodio produce rayos X característicos con energías de 20.2 y 22.7 keV (fig. 1.10) que resultan ser más altas que la combinación Mo/Mo, las cuales son de 17.5 y 19.6 keV. Fig. 1.10. Espectro de rayos X generado con un tubo con ánodo de rodio a 30 kVp con un filtro de 0.025 mm de Rh [14]. 21 1.6 Interacción de los rayos X usados en mamografía con la materia A diferencia de las partículas cargadas, los fotones son eléctricamente neutros, por lo que no pierden energía y no son frenados lentamente conforme penetran la materia. En lugar de eso, pueden avanzar una cierta distancia antes de que interaccionen con un átomo. La distancia que puede recorrer el fotón, está estadísticamente gobernada por la probabilidad de interacción por unidad de distancia recorrida, la cual depende del medio atravesado y la energía del fotón. Cuando los fotones interactúan, pueden ser absorbidos y desaparecer ó pueden ser dispersados cambiando su dirección con pérdida de energía. A continuación se presentan los procesos por los cuales interaccionan los fotones de rayos X con la materia. Efecto fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico es una interacción fotón‐electrón donde un fotón incidente transfiere toda su energía al electrón, el cual es expulsado del átomo. La energía cinética del electrón expulsado es igual a la energía del fotón incidente, menos la energía de amarre del electrón. La ecuación 1.3 muestra esta relación [10]: … (1.3) Ec es la energía cinética del electrón expulsado, Ef la energía del fotón y Eb la energía de amarre del electrón al núcleo. Esta interacción sólo es posible cuando la energía de amarre del electrón es un poco menor que la energía del fotón. La probabilidad de que se produzca el efecto fotoeléctrico por unidad de masa, es proporcional a Z3/E3 donde Z es el número atómico del material y E la energía del fotón. De esta forma, el efecto fotoeléctrico tiene una mayor probabilidad de ocurrir cuando inciden fotones de baja energía en materiales de alto número atómico. Efecto Compton En el efecto Compton, un fotón de rayos X, colisiona con un electrón que se encuentra en las capas externas del átomo, por lo que se considera libre, provocando la emisión del electrón y la dispersión del fotón, con menor energía. El fotón es dispersado en una dirección que forma un ángulo φ con la dirección de propagación original. El cambio en energía del fotón está dado por la ecuación 1.4 [15]: 1 φ … (1.4) Debido a que después de la interacción es dispersado un fotón, cuando se usan rayos X en mamografía, la mama de la paciente, que está dentro del haz de rayos X, se convierte en una fuente de la radiación dispersa. Esto tiene dos consecuencias indeseables. La radiación dispersa que llega al receptor de la imagen disminuye la calidad (contraste) de la imagen, y además, la radiación que es dispersada por la paciente es la principal fuente de exposición para el personal que realiza el examen. 22 Dispersión coherente En la dispersión coherente o de Rayleigh, el fotón incidente interactúa con el átomo entero y no sólo con electrones individuales. Esta interacción se produce a bajas energías, y su probabilidad de ocurrir es baja, es decir cerca del 10% de las interacciones. Esta dispersión se lleva a cabo cuando el campo eléctrico del fotón incidente consume energía y todos los electrones en el átomo comienzan a oscilar en fase. El átomo irradia esta energía, emitiendo un fotón de la misma energía que el incidente, pero en dirección ligeramente diferente. En la dispersión coherente los electrones no son expulsados, por lo que no se produce ionización como en el efecto fotoeléctrico. Además de estos 3 fenómenos, existe otro llamado producción de pares, en el cual un fotón de alta energía penetra en la capa electrónica cercana al núcleo, y debido a su interacción con el campo eléctrico del núcleo, se crea un par electrón‐positrón. El equivalente en energía que requiere la masa en reposo de cada electrón es de 0.511 MeV, es por ello que el fotón necesita una energía de al menos 1.02 MeV para proporcionar la masa del par. Debido a que el intervalo de energías en mamografía es del orden de 10 a 50 keV, la probabilidad de que éste efecto ocurra es nula. Atenuación En los rayos X, la penetración de los fotones en la materia está gobernada estadísticamente por la probabilidad por unidad de distancia desplazada, de que un fotón interactúe por un proceso físico o el otro. Esta probabilidad se denota como μ, que es llamado coeficiente lineal de atenuación y tiene dimensiones de [cm‐1]. El coeficiente μ depende de la energía de los fotones, el número atómico, y la densidad del material que está siendo atravesado. En las imágenes mamográficas, la respuesta radiológica de los tejidos sanos, es decir, la atenuación producida por los tejidos glandulares, es muy parecida a la atenuación producida por los tejidos cancerígenos, cuando se usan altas energías (energías mayores que 35 keV) como se muestra en la figura 1.11. Los rayos X monoenergéticos de bajas energías (15 a 20 keV) proveen la mejor diferencia en atenuación, entre estos dos tejidos. 23 Fig.1.11 Coeficiente lineal de atenuación de los diferentes tejidos de la mama; adiposo y glandular, contra energía. Como se observa, la mayor diferencia en atenuación es a energías menores que 35 keV. [14] Es por ello que el intervalo de energías en mamografía debe ser preferentemente menor que 35 keV, para obtener una diferencia más clara en la imagen. Un intervalo óptimo de energías usado en mamas comprimidas de hasta 6 cm de espesor comprende de los 17 a los 30 keV aproximadamente. 24 25 Capítulo II Funcionamiento de un mastógrafo analógico 27 2.1 Funcionamiento de un mastógrafo analógico Un mastógrafo es un aparato que se utiliza para obtener imágenes radiográficas exclusivamente de la mama. Un diagrama de estos aparatos se muestra en la figura 2.1. Fig. 2.1 Componentes típicos de un sistema de mamografía analógica, sin incluir la consola de control. [14] En un mastógrafo, los rayos X son producidos por un tubo localizado en la parte superior del equipo, justo arriba del receptor de imagen. El tamaño del campo de rayos X puede ser controlado mediante un sistema de colimación, que consiste de láminas que obturan el haz, de manera que se pueden producir diferentes tamaños del campo de radiación. La cantidad de rayos X está limitada gracias a un control automático de exposición, conocido por sus siglas como CAE. El CAE, es un sistema diseñado para proporcionar imágenes clínicas, con una densidad óptica (DO, definida en la ecuación 2.2) deseada, independientemente de las características de la mama. El CAE detecta y compensa la técnica radiográfica (kVp y mAs) según la densidad y espesor de cada mama. El CAE consiste en un detector de radiación colocado en la parte inferior del bucky. El detector puede desplazarse desde la posición más próxima a la pared del tórax, hasta posiciones próximas al pezón. Actúa finalizando elhaz de radiación, cuando la exposición detectada ha alcanzado el valor necesario para producir una imagen con la densidad óptica requerida. El valor de densidad óptica puede ajustarse también modificando las posiciones del mando de selección de densidad óptica. Este último varía generalmente entre las posiciones ±5 y a cada paso le corresponde un aumento o disminución de la densidad óptica. Para obtener un espesor de la mama más uniforme y plano, el mastógrafo tiene un sistema de compresión. Este consiste de una bandeja de acrílico, conocida como compresor, la cual sujeta e inmoviliza la mama contra el soporte del receptor de imagen. Además, la compresión ayuda a: 28 disminuir la cantidad de radiación dispersa, disminuir la dosis, aumentar el contraste y mejorar la visualización en las estructuras internas de la mama. En la parte inferior del soporte de la mama, se encuentra una rejilla antidispersora, cuya función es evitar que la radiación dispersa, generada por la interacción de los rayos X con el tejido mamario, interfiera de manera negativa en la imagen. La manera en la que actúa la rejilla antidispersora es filtrando la radiación dispersa, dejando pasar preferentemente el haz primario que logra transmitirse a través de la mama. Esta filtración se logra ya que la rejilla está formada de bandas de un material absorbente de rayos X, alternadas con bandas de un material de baja absorción. Aunque la rejilla disminuye la cantidad de radiación dispersa que llega al receptor de imagen, no es posible eliminar por completo su efecto sobre la imagen. Finalmente, la imagen mamográfica se forma cuando el haz de rayos X atraviesa los diferentes tejidos que componen a la mama. Así, la atenuación produce variaciones en la radiación transmitida. Los rayos X que se logran transmitir llegan hasta el receptor de imagen, el cual en los mastógrafos analógicos, se compone de un chasis ó cassette que contiene una pantalla intensificadora en contacto con la película radiográfica. En el caso de la mamografía se utilizan películas emulsionadas en una sola cara, en combinación con una sola pantalla, cuya capa de material luminiscente, llamada coloquialmente fósforo queda orientada hacia el tubo de rayos X. La película con emulsión en una sola cara, se sitúa con esta cara hacia la pantalla y su dorso, (parte no emulsionada) hacia el tubo. Una vez que la pantalla intensificadora convierte la radiación en luz visible, se forma entonces en la película, una imagen latente que será visible después de un proceso químico de revelado. Hoy en día, el revelado se realiza con procesadores automáticos que revelan las imágenes en cuatro pasos: revelado, fijado, lavado y secado. La figura 2.2 muestra un esquema del recorrido de la película una vez que es depositada en la máquina. Figura 2.2. Componentes de un procesador de películas. La película es depositada y un sistema de rodillos pone a circular la placa por 3 tanques de líquidos diferentes y un camino de secado [9]. 29 2.2 Sistema película pantalla Película La película convierte la radiación, por lo general luz visible, en varios tonos de gris o valores de densidad óptica. El grado de exposición necesario para producir una imagen depende de la sensibilidad o velocidad de la película utilizada. La sensibilidad es un factor muy importante ya que relaciona la exposición del paciente a los rayos X, con la calidad de imagen. Una película muy sensible reduce la exposición, sin embargo, disminuye la calidad de imagen. La película está compuesta de una emulsión, la cual es una mezcla homogénea de gelatina y cristales de halogenuros de plata, depositada sobre un material de base transparente. La gelatina sirve como soporte para los halogenuros de plata, los cuales son el componente activo. Las diferencias de velocidad, contraste y resolución entre las diferentes películas radiográficas están determinadas por la concentración, el tamaño y la distribución de los cristales en la emulsión. Pantalla intensificadora El haz de rayos X no impresiona directamente la película. Las pantallas intensificadoras se encuentran contenidas en los chasis y se activan cuando inciden sobre ellas los rayos X. Estas pantallas intensificadoras liberan la energía luminosa que impresiona después la película. La luz emitida, corresponde a un cierto color y cada fabricante maneja componentes propios para las pantallas, por lo que si las pantallas emiten luz de un determinado color, la película debe ser diseñada de forma que se obtenga una imagen con la luz de ese color. Una discusión más extensa sobre la sensibilidad de las películas en combinación con las diferentes pantallas intensificadoras se encuentra en la referencia [16]. Densidad óptica La densidad óptica es una magnitud que cuantifica el grado de oscurecimiento de una película. Este último es obtenido al exponer la película y revelarla. La densidad óptica está definida por la ecuación 2.1 [14]: log …(2.1) Donde I0 es la intensidad de luz que incide sobre la película e I es la intensidad trasmitida. La densidad óptica de una película asigna un valor numérico a la cantidad de luz que penetra la película, por ello es una cantidad adimensional. Generalmente la película mamográfica produce valores de densidad óptica entre 0.23 y 4.0. Contraste El contraste se define como la diferencia relativa en densidad óptica de un punto de la imagen y sus alrededores. 30 A las diferencias de tonos de gris debidas a las atenuaciones producidas por los tejidos en función de su composición química y densidad, se le denomina “contraste intrínseco” o “contraste del objeto”. La composición, es decir, la densidad y número atómico de los tejidos son dos características de las cuales depende el coeficiente lineal de atenuación μ. El espesor de la mama y la energía del haz de rayos X utilizada, también afectan el contraste en la imagen. Sensitometría La sensitometría se lleva a cabo mediante la obtención de una tira de película dividida en una serie de áreas individuales, cada una expuesta con un nivel diferente de radiación. Este patrón es usualmente obtenido con aparatos conocidos como sensitómetros. Es esencial seleccionar un sensitómetro que exponga la película de manera similar a la exposición que recibiría la película en uso clínico. Es recomendable usar sensitómetros de 21 pasos para proveer un adecuado número de niveles diferentes de exposición. Idealmente se debería usar un sensitómetro que exponga la película en un espectro de emisión similar al de las pantallas intensificadoras usadas clínicamente, sin embargo los sensitómetros disponibles de emisión de “luz verde” que se usan comúnmente, emiten también un amplio espectro azul que es extendido. A partir de las lecturas de densidad óptica de la tira sensitométrica, se obtiene la curva característica de la película utilizada. Curva característica La curva característica es la gráfica que muestra la relación entre densidad óptica y exposición relativa. La gráfica que se obtiene es una sigmoide y la forma exacta de la curva depende de las características de la emulsión y de las condiciones del revelado. Una curva característica se muestra en la figura 2.3 Fig.2.3. Curva característica. La gráfica de densidad óptica contra el logaritmo de la exposición relativa es una sigmoide. Figura adaptada de [14].31 A niveles de exposición muy bajos y muy altos, la variación de la densidad óptica es muy pequeña. Esos tramos se denominan pie y hombro respectivamente. Para niveles de exposición intermedios, cambios pequeños en la exposición se traducen en notables variaciones en la densidad óptica. En esta región, la curva característica presenta un comportamiento lineal. El contraste característico de la película está representado por la pendiente de la curva. El nivel más alto de contraste se produce en la región lineal. Esta porción de la curva se caracteriza por tener una pendiente mayor en comparación con las regiones del pie y hombro. El intervalo de exposiciones sobre el cual la película produce este contraste útil es llamado latitud. En mamografía es deseable exponer la película dentro de este intervalo con el fin de obtener el máximo contraste. La densidad óptica mínima está en la región del pie, que es la densidad óptica residual que se observa después de procesar las partes no expuestas, típicamente está en el intervalo de 0.1 a 0.2 unidades de densidad óptica. Este oscurecimiento de la película es producido por la densidad óptica inherente del material base de la película y la densidad óptica de velo ó niebla en la emulsión, causado por la exposición inadvertida en la película o contaminación química no deseada de la emulsión. Es por ello que esta densidad óptica mínima se conoce comúnmente como la base más niebla. La densidad óptica máxima se encuentra en la región del hombro, y está determinada por el diseño de la emulsión de la película y las condiciones de procesamiento. La variación del contraste con la exposición puede analizarse a partir de la derivada en la curva característica. La derivada en cada punto de la curva característica forma una curva como la de la figura 2.4 llamada curva de contraste. De la curva de contraste se observa que en cierta región el contraste es mínimo (los primeros pasos de la sensitometría) y aumenta con respecto a la exposición hasta un valor constante y finalmente decrece hasta la zona sobreexpuesta (hombro). Fig.2.4. Curva de contraste. [9] 32 Cabe mencionar que las condiciones de procesamiento modifican la curva característica. La concentración así como la temperatura del líquido revelador pueden provocar exceso de revelado, lo cual afecta principalmente las partes de la curva característica con menor densidad óptica cuando los halogenuros de plata que no fueron expuestos a la luz, se revelan. Por otra parte, también es posible que exista falta de revelado debido a la baja concentración ó baja temperatura del líquido revelador, lo que reduce el valor de la densidad óptica en el hombro de la curva característica. Estos procesos son conocidos como subrevelado y sobrerevelado, y además de producir cambios indeseados en la densidad óptica, también producen cambios en el contraste. Debido a esta variación de la curva característica con las condiciones de revelado, es necesario que cada fabricante establezca las condiciones de procesamiento para cada tipo de película, y después se deben hacer revisiones diarias para verificar que la sensibilidad y contraste de películas procesadas, se encuentren en el intervalo señalado. Estas especificaciones se proporcionan en forma de curva característica que debe ser comparada con las producidas por el procesador a lo largo del tiempo. Los parámetros a comparar son: base más niebla, índice de velocidad y gradiente promedio. Base más niebla La base mas niebla es la densidad óptica leída en cualquier parte de la película que no haya sido expuesta. La densidad base es la densidad inherente a la base de la película y se debe a su composición y al colorante añadido. La densidad óptica de la niebla o velo es debida al revelado de granos de plata que no contienen información útil. Índice de velocidad El índice de velocidad indica, de manera general, la velocidad o sensibilidad de la película. Éste es calculado como el corte en el eje X, en el valor de densidad óptica de (B+N) + 1.00 en la curva característica. La selección del valor (B+N) + 1.0 también llamado “punto de velocidad” es sugerido en la referencia [17]. Variaciones anormales pueden ser causadas por cualquiera de los factores que afectan a la cantidad de revelado. Gradiente promedio El gradiente promedio es un número que define el nivel de contraste de la película en el intervalo útil de diagnóstico. Éste se obtiene de calcular la pendiente de la recta dibujada entre dos puntos bien definidos de la curva característica. El gradiente promedio es un parámetro que describe las propiedades de contraste de la película, sin embargo, debido a que la curva característica no es lineal, la pendiente de la curva (el contraste) depende del nivel de exposición. La expresión para calcular el gradiente promedio, siguiendo los procedimientos indicados en la referencia [17] es la siguiente: . . … (2.2) 33 Como se puede observar, la expresión 2.2 es la ecuación de la pendiente de la recta formada por dos puntos de la forma , de la curva característica. Los dos puntos son: , 0.25 y , 2.0 . Donde B+N es el valor de la base más niebla, y los puntos X1 y X2 corresponden al valor de la función (curva característica) en X y son obtenidos mediante interpolación. Los fabricantes de las películas radiográficas controlan el contraste que producirán las películas variando la distribución de los granos de plata: las películas con alto contraste tienen una distribución más homogénea en el tamaño de los halogenuros de plata, mientras que las películas con menor contraste tienen una distribución más heterogénea. Resolución espacial La resolución espacial describe la capacidad de distinguir dos objetos pequeños y muy próximos en la imagen. Ésta se expresa en pares de líneas por milímetro pl/mm y puede ser medida en los equipos con un patrón de barras paralelas. La resolución depende principalmente del tamaño del foco y del receptor de imagen (es decir de la rejilla antidispersora y la combinación película pantalla). 34 35 Capítulo III Maniquíes usados en control de calidad 37 3.1 Control de calidad En mamografía se requieren de imágenes de alto contraste y alta resolución espacial, por ello es necesario el desarrollo y la aplicación de un programa de control de calidad (PCC) sobre los equipos utilizados. En estos programas, se incluyen tareas de verificación, conservación de registros y evaluaciones rutinarias de los equipos a través de las llamadas, pruebas de control de calidad. El objetivo final de estos programas es conseguir imágenes de calidad diagnóstica, con la dosis más baja posible y reducir los costos, minimizando las pérdidas de tiempo y de material. En consecuencia, estos programas comprueban el correcto funcionamiento de cada componente de la cadena de obtención de imágenes. La calidad de la imagen, es una medida de la adecuación de la imagen, a los requisitos necesarios para un correcto diagnóstico. Entre los instrumentos que se emplean para evaluar la calidad de la imagen, se encuentran los maniquíes, que son objetos que simulan en atenuación una mama femenina. 3.2 Maniquí Phantom Mama El maniquí Phantom mama fue desarrollado por el Centro de Diagnóstico Mamario (CDM) de la Santa Casa de laMisericordia de Río de Janeiro y acreditado por el Colegio Brasileño de Radiología (CBR) [18]. El maniquí está constituido por 3 placas de polimetilmetacrilato (también llamado PMMA o acrílico) de 1 cm x 12 cm x 16 cm y una placa de 2 cm x 12 cm x 16 cm que juntas simulan una mama de 5 centímetros de espesor. Al interior de la placa de acrílico de 2 cm x 12 cm x 16 cm se encuentra una placa de cera de dimensiones 1 cm x 7 cm x 14 cm la cual contiene en su interior diferentes elementos para evaluar la calidad de la imagen. 38 Figura 3.1. El maniquí Phantom Mama. Vista superior, lateral y sobre el mastógrafo. Las 3 placas de acrílico de 1 cm x 12 cm x 16 cm, tienen bordes que permiten colocarlas en el mismo orden siempre. Los parámetros de calidad de imagen que se evalúan con este maniquí son: la presencia de artefactos, la resolución espacial, el contraste de la imagen, la visibilidad de microcalcificaciones, ductos lactíferos, masas tumorales, y neodensidades o asimetrías de nueva aparición. Para ello el maniquí dispone del elemento de cera en el interior de la placa de acrílico superior. Una imagen radiográfica del maniquí se encuentra en la figura 3.2. 39 Figura 3.2. Imagen radiográfica del maniquí. Los diferentes elementos de prueba se marcan en las líneas punteadas. Los elementos contenidos en cada región marcada en la figura 3.2 es la siguiente: A) 5 casquetes esféricos de nylon con las siguientes medidas en milímetros (de diámetro y altura): 10.0/2.00, 8.0/1.5, 7.0/1.0, 6.0/0.75 y 5.0/0.50. Estas estructuras simulan masas tumorales. B) 5 grupos de motas de oxido de aluminio de 0.45mm, 0.35mm, 0.30 mm, 0.25mm y 0.18 mm de diámetro que simulan microcalcificaciones en la mama. C) 8 discos de poliéster de 6 mm de diámetro y grosores 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 y 0.8 mm que reducen el contraste en 0.8%, 1.3%, 2%, 2.6%, 3.3%, 4.0%, 4.7% y 5.5% respectivamente. Simulan áreas de bajo contraste y grandes diámetros (i.e. diámetros mayores que 5 mm). Estas estructuras simulan neodensidades. D) 6 fibras de nylon de 1 cm de longitud y 1.4 mm, 1.2 mm, 0.8 mm, 0.7 mm, 0.6 mm y 0.4 mm de diámetro que simulan ductos lactíferos. 40 E) 5 regiones cilíndricas de polietileno que producen densidades ópticas diferentes, usadas para crear una escala de tonos de gris y evaluar el contraste de la imagen. F) 4 mallas metálicas con resoluciones espaciales aproximadas de 4, 6, 8 y 12 líneas por milímetro, para evaluar la resolución espacial. Con respecto a la región E, se puede comentar que la escala de tonos de gris para evaluar el contraste, se forma debido a que cada una de las 5 regiones (o pasos) está constituida de diferentes espesores que producen diferente atenuación. Cuando se produce una exposición de rayos X, unas regiones absorben más rayos X que otras, exponiendo la película en cada paso de manera diferente. Este efecto ha sido calculado durante la fabricación del maniquí, a fin de obtener la atenuación deseada y por tanto una “exposición” conocida en la película. Cada maniquí Phantom Mama que se fabrica es único. Cada uno, tiene pasos que producen exposiciones conocidas por el fabricante y cuyo valor varía en cada maniquí. En el caso del maniquí con el que se trabajó, la distinción está marcada con el número 579 que se observa en la imagen radiográfica del maniquí, y los valores de exposición que produce la escala de contraste son entregados por el fabricante cuando se compra el maniquí. En el caso del maniquí 579 los valores son: 8.62, 9.71, 10.8, 11.72, 12.77 también llamados número de paso. La pendiente de la recta obtenida de graficar densidad óptica medida contra esta exposición relativa o número de paso, es el contraste de la imagen. Este maniquí también sirve para identificar la presencia de artefactos. Los artefactos son estructuras o rasgos en las imágenes que no están en el paciente y son producto del equipo de rayos X, o de los equipos de proceso de revelado. Al conocer las estructuras internas del maniquí, es posible identificar artefactos, detectando cualquier estructura que no está en el plano del maniquí. Figura 3.2 El maniquí Phantom Mama es utilizado en Brasil para realizar las pruebas de control de calidad de frecuencia diaria, mensual y anual que son requeridas por las normas del Ministerio de Salud establecidos en la Portaria 453 del 1o de Junio de 1998 [19]. Los criterios de aceptación de cada prueba se mencionan en el capítulo V. 3.3 Maniquí de acreditación del Colegio Estadounidense de Radiología (ACR) Este maniquí acreditado por el ACR sirve para simular una mama comprimida de 4.2 cm de espesor, compuesta de 50% tejido adiposo y 50% tejido glandular. El maniquí se compone de una base de PMMA o acrílico, con un elemento de cera que contiene en su interior objetos de prueba de diferentes tamaños, los cuales representan microcalcificaciones, ductos y masas tumorales. Las dimensiones del maniquí son 4.5 cm x 10.2 cm x 10.8 cm. Una foto del maniquí está en la figura 3.3. 41 Figura 3.3. Maniquí de acreditación del ACR. La fotografía de la izquierda muestra la colocación del maniquí en el mastógrafo. Las estructuras internas del maniquí se muestran en la figura 3.4. Figura 3.4. Interior del maniquí del ACR [7]. a) 6 estructuras de nylon que simulan estructuras fibrosas de tamaños: 4.56 cm, 1.12 cm, 0.89 cm, 0.75 cm, 0.54 cm, 0.54 cm y 0.40 cm (figura 3.4, 1‐6) b) 5 simuladores de microcalcificaciones con dimensiones de: 0.54 cm, 0.40 cm, 0.32 cm, 0.24 cm y 0.16 cm (figura 3.4, 7‐11) c) 5 simuladores de masas tumorales de: 2.0 cm, 1.0 cm, 0.75 cm, 0.50 cm y 0.25 cm. (figura 3.4, 12‐16) 42 El protocolo del ACR de 1999 [7] contiene las pruebas de control de calidad que se realizan usando este maniquí. Además de calificar la calidad de imagen, este maniquí se utiliza para calcular la dosis glandular promedio. Sus criterios de aceptación se rigen según la legislación de Estados Unidos, según la Mammography Quality Standard Act (MQSA) [20]. Siguiendo estos criterios, se requieren acciones correctivas inmediatas si se encuentran fallos como: dosis excesiva a la mama y deficiente calidad de imagen del maniquí. Si cualquiera de las dos falla, la instalación no debe seguir realizando estudios de mamografía hasta que el problema sea solucionado. Se debe comunicar el problema al responsable de la instalación de manera oral y escrita, el mismo día de realización de las pruebas. 43 Capítulo IV Desarrollo experimental 45 El Phantom Mama está diseñado para evaluar parámetros de calidad de la imagen, y eso fue lo que se desarrolló en este trabajo, por lo que no se calculó la dosis impartida por los mastógrafos. Se realizaron 18 pruebas de control de calidad, siguiendo los procedimientos del fabricante del Phantom mama [21]. Las pruebas se realizaron en 3 mastógrafos analógicos y en los procesadores de película asociados. Las pruebas fueron: 1. CAE: Ajuste del control de densidad óptica: valor central y diferencia por pasos 2. CAE: Reproducibilidad a corto plazo 3. Reproducibilidad del ajuste del aparato de rayos X 4. CAE: Reproducibilidad a largo plazo 5. CAE: Compensación del espesor del objeto 6. CAE: Compensación de la tensión del tubo de rayos X 7. Factor de rejilla 8. Rango de variación de la densidad óptica y variación de la sensibilidad entre chasis. 9. Sensitometría 10. Artefactos en la imagen 11. Velo debidoa entrada de luz en el cuarto oscuro 12. Velo debido a Luces de seguridad 13. Definición de la imagen (resolución espacial) 14. Detalles de alto contraste (umbral de alto contraste) 15. Contraste de la imagen 16. Umbral de bajo contraste 17. Detalles lineales de bajo contraste 18. Masas tumorales La mayoría de las imágenes del maniquí se tomaron usando exposiciones de referencia, cuyo montaje en el mastógrafo se muestra en la figura 4.1. Una exposición de referencia es una exposición con el maniquí centrado lateralmente, a 28 kVp, en modo semiautomático, CAE en la segunda posición más próxima al borde del tórax y con el compresor a contacto con el maniquí. En algunos casos se modificaron uno o más de estos parámetros dependiendo de la prueba, sin embargo se especifica en qué forma en cada uno de los procedimientos afectados. 46 Los procedimientos completos, así como su respectiva hoja de registro se encuentran en el anexo. Adicionalmente se realizaron pruebas de control de calidad de acuerdo con el manual del Colegio Estadounidense de Radiología (ACR), con el propósito de comparar los resultados obtenidos con el Phantom Mama con los obtenidos usando otro maniquí acreditado. Se utilizó el maniquí del ACR ya que es un maniquí más comercial que el Phantom Mama y es utilizado en muchas instalaciones a nivel mundial. Los procedimientos de estas pruebas se encuentran detallados en la referencia [7]. Las pruebas fueron: 1. Calidad de imagen 2. Capacidad de desempeño del CAE 3. Repetibilidad del CAE 4. Evaluación de la resolución del sistema Debido a que el acceso a los equipos está limitado, y por cuestiones de tiempo las pruebas siguiendo los procedimientos del ACR se realizaron solamente en los mastógrafos 1 y 2. Además por la misma razón, no fue posible realizar el análisis diario que es requerido en la prueba 4 “CAE: Reproducibilidad a largo plazo” ya que sólo se logró acceso a los mastógrafos por un día en cada hospital. A continuación se describen las pruebas individualmente. Prueba 1 Ajuste del control de densidad óptica: valor central y diferencia por pasos Esta prueba se presenta en el protocolo con frecuencia semestral y el objetivo es verificar el ajuste del control de densidad óptica. Procedimiento: Con el Phantom mama centrado lateralmente sobre la superficie del soporte de la mama, se realizó una exposición de referencia para cada posición (paso) del selector de control de densidad óptica. Se midió la densidad óptica de las películas reveladas en el punto de referencia localizado a 6 cm por encima del borde del tórax en la imagen del maniquí. NOTA: Para evitar variaciones de densidad óptica debidas a los chasis, se utilizó el mismo chasis a lo largo de las pruebas. Criterio de aceptación: La densidad óptica (incluyendo base + niebla) del punto de referencia, con el selector de control de densidad óptica en la posición central, depende de la película utilizada, de 47 su procesamiento y de la preferencia del radiólogo. Un intervalo normal está entre 1.0 y 1.5 DO. Una variación inferior al 10% es aceptable. Es deseable una variación del 20% en el valor de la DO por paso del control de densidad óptica, siendo aceptable un variación comprendida entre 15 y 25% de la DO por paso. Fig. 4.1 Colocación del maniquí para una exposición de referencia. El maniquí está centrado lateralmente y con el compresor en contacto con el maniquí. Prueba 2 Reproducibilidad a corto plazo Esta prueba debe realizarse semestralmente y tiene como objetivo calcular la repetibilidad del sistema CAE a través de la desviación de la densidad óptica producida en 5 imágenes, obtenidas mediante exposiciones de referencia, del Phantom mama. Procedimiento: Se realizaron 5 exposiciones de referencia en el mastógrafo. Con las 5 películas reveladas, se midió la densidad óptica en el punto de referencia. Criterio de aceptación: El desvío de la densidad óptica del punto de referencia debe ser inferior a ±10% de la DO, siendo deseable un valor inferior a ±5%. 48 Prueba 3 Reproducibilidad del ajuste del aparato de rayos X Esta prueba debe realizarse con una frecuencia semestral y tiene como objetivo evaluar la reproducibilidad del ajuste del aparato de rayos X a través de la comparación de los resultados de la repetibilidad y la compensación con el espesor y con la tensión. Procedimiento: Se realizó una comparación de los resultados obtenidos de la prueba reproducibilidad a corto plazo con los resultados de las pruebas de compensación con el espesor y compensación con la tensión del tubo de rayos X, para el Phantom mama a 28 kVp. Criterio de aceptación: Variación inferior a ±10% de la densidad óptica en relación al valor de referencia, siendo deseable ±5%. Prueba 4 Reproducibilidad a largo plazo Esta prueba debe realizarse diariamente y tiene por objetivo evaluar la reproducibilidad a largo plazo a partir de medidas de la densidad óptica y del mAs resultantes de exposiciones del maniquí en el control de calidad diario. Procedimiento: En esta prueba se debe evaluar la reproducibilidad a partir de las medidas de densidad óptica y de mAs resultantes de las exposiciones de referencia del control de calidad diario. Criterio de aceptación: La variación debe ser inferior a ±15% del valor de referencia. Prueba 5 Compensación con el espesor del objeto. Esta prueba debe realizarse semestralmente y tiene por objetivo determinar la compensación con el espesor del control automático de exposición (CAE) a través de exposiciones del Phantom mama de diferentes espesores. Procedimiento: Se realizaron exposiciones de referencia en el mastógrafo, cambiando el espesor cada vez, para 5, 4, 3 y 2 centímetros de espesor. Después, se midió la densidad óptica de las películas reveladas en el punto de referencia. 49 Fig. 4.2 Colocación del maniquí para diferentes espesores. La placa de acrílico con la cera se colocó siempre en la parte superior. Criterio de aceptación: Todas las variaciones de densidad óptica deben estar comprendidas en un intervalo de ±20% del valor de densidad óptica de referencia (densidad óptica registrada para 5 cm de espesor), siendo deseable una variación del ±10%. Prueba 6 Compensación de la tensión del tubo de rayos X Esta prueba debe realizarse semestralmente y el objetivo es medir la compensación con la tensión del tubo de rayos X a través de exposiciones del Phantom mama de 5 cm de espesor en los voltajes: 26, 28 y 30 kVp. Procedimiento: Se realizaron 3 exposiciones de referencia, cambiando la tensión a 26, 28 y 30 kVp, se midió la densidad óptica de las películas reveladas en el punto de referencia. Criterio de aceptación: Todas las variaciones de densidad óptica deben estar comprendidas en un intervalo de ±20% del valor de densidad óptica de referencia, siendo deseable una variación del ±10%. Prueba 7 Factor de rejilla Esta prueba debe realizarse inicialmente y siempre que la dosis o el tiempo de exposición aumenten súbitamente. El objetivo es obtener el factor por el cual se eleva la dosis, al usar la rejilla. 50 Procedimiento: Se realizaron exposiciones variando los parámetros kVp y mAs, de modo de obtener en la película procesada una densidad óptica de 1.0. El montaje fue con el chasis cargado sobre el soporte de la mama y con el Phantom mama encima centrado lateralmente. Después se realizaron exposiciones con el chasis en su lugar usual y el maniquí sobre el soporte de la mama y centrado lateralmente, a fin de obtener una densidad óptica de 1.0. El factor de rejilla está dado por el
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