Transcript Radiodiagnostika 3

Konstrukční prvky RTG zařízení
Parametry, funkce a konstrukční elementy generátoru vysokého napětí
a rentgenové trubice, zobrazovací vady, tepelné a spektrální
charakteristiky rentgenky
Mgr. David Zoul
Fakulta biomedicínského inženýrství ČVUT
2013
Klasický generátor
transformace + usměrnění síťového střídavého napětí
Vysokonapěťový okruh
Autotransformátor (regulace napětí na ovládacím pultu) – 1 cívka a 1 jádro (samoindukce)
Expoziční timer (regulace délky expozice)
Vysokonapěťový transformátor (poměr 1:1000) – 2 cívky (primární a sekundární vinutí)
p
Usměrňovač jednofázový
N1 U1 I 2


N 2 U 2 I1
a) jednopulzní (dioda) – do 2 kW
b) dvoupulzní (Graetzův můstek) – 10 - 50 kW
Klasický generátor
Žhavící okruh
Napojení na autotransformátor
Proudový stabilizátor
Proudový selektor (regulace proudu na ovládacím pultu) – reostat
Žhavící transformátor (směrem dolů 230  10 V, 4 – 10 A)
Třífázový generátor
(6 nebo 12 pulzů v periodě)
a) zapojení do hvězdy – 50 - 150 kW
b) zapojení do trojúhelníku – 50 - 150 kW
Vysokofrekvenční generátor
Zvlnění 4 – 15 %, výkon 2 – 150 kW
Usměrňovač
Vyhlazovací filtr (kapacitor)
Tyristorový střídač
Vysokonapěťový transformátor
Vysokonapěťový usměrňovač
Vysokonapěťový vyhlazovací filtr (kapacitor)
Generátor konstantního napětí
Zvlnění méně, než 2 %, výkon 80 – 200 kW
Kondenzátorový generátor
Bateriový generátor
Rengenka
Rentgenka: borokřemičité sklo 2,5 mm, okénko cca. 1 mm
Katoda: 2000 – 2500 °C
Richardsonův-Dushmanův vztah
Anoda: vysoký bod tání – 3370 °C pro wolfram
a) pevná (s radiátorem)
b) rotační – 2800 otáček za minutu na 50 Hz
Pomocná mřížka: napětím přiváděným na mřížku lze regulovat anodový proud
Anodové napětí: nejčastěji 25 – 160 kV
Konverzní účinnost: (poměr mezi energií fotonů brzdného záření a elektronů v katodovém paprsku)
Pro wolfram je Z = 74, by se dosáhlo 1% konverzní účinnosti cca. při napětí 135 kV.
Druhy záření:
a) brzdné záření – ve wolframu při 100 kV zabrzdí elektrony v dráze 25 µm
b) charakteristické záření
c) nárazové záření: (Duane – Hunt), I  ZI aU a2
d) afokální záření: I  ZI aU
Terčík: sklon 5° – 20°
Ohnisko: 0,1 až 3 mm cca. po 0,1 mm
Astigmatizmus ohniska a Heel efekt
Energie přenesená na ohnisko: E = UIt
Rentgenka
Její základní části jsou katoda emitující elektrony, kterou obvykle tvoří wolframové vlákno žhavené na teplotu
2000 - 2500 C, a anoda, zhotovená obvykle buď z wolframu nebo z molybdenu či rhodia (mamografy).
V některých impulsních rentgenkách (tzv. zábleskových) vzniká emise elektronů ze studené katody na kterou
se přivede vhodně tvarovaný impuls vysokého napětí.
Mezi katodou a anodou je udržován velký potenciálový rozdíl U  10 kV  500 kV  v němž se emitované
elektrony pohybují se značným zrychlením směrem k anodě, na níž dopadají vysokou rychlostí s energií
E = U  e J za vzniku brzdného, charakteristického, případně i dalších druhů záření.
Ve skleněné baňce s maximální tloušťkou stěn 2,5 mm, s vakuem 10-5 - 510-6 Pa , se nalézají katoda s
anodou v konstantní vzdálenosti.
Sklo rentgenky musí mít vhodné tepelné, vakuové a dielektrické vlastnosti.
Experimentálně bylo zjištěno, že ve skle o tloušťce 2 - 3 mm se při napětí 50 kV pohlcuje 20 - 25 
rentgenového záření, při napětí 25 kV je to již 60 - 70 .
V rentgenkách používaných při napětí U < 30 kV se někdy používá výstupní okénko vyrobené z berilia, které
má pro rentgenové záření nízkou pohltivost, nebo se u takovýchto rentgenek ve skle baňky v místě výstupu
Roentgenova paprsku vybrušuje ploška o tloušťce 1 - 1,5 mm aby se snížilo zeslabení vystupujícího
Roentgenova záření.
Rentgenové lampy rozdělujeme na:
1) S pevnou anodou : její anoda se při expozici nepohybuje
2) S rotační anodou : její anoda se při snímkování otáčí s frekvencí závislou na kmitočtu napětí přiváděného
na stator rentgenky (50, 100, 150 a 300 Hz) - je to nejčastěji 2800, 5600, 8500, 17000 ot/min.
V rentgenkách s rotační anodou se dosahuje pulsní výkon 50 - 150 kW
Maximální provozní napětí u tohoto typu rentgenky bývá zpravidla 25 - 160 kV.
3) Spínací rentgenka : má pomocnou mřížku, napětím na této mřížce lze spínat anodový proud.
4) Řízená rentgenka : má velikost a tvar impulsu anodového proudu určený časovou změnou napětí na
pomocné mřížce.
Rentgenka s pevnou anodou
(Roentgenova lampa 8.11.1895)
Wilhelm Konrád Roentgen
(1845 – 1923)
Rentgenka s rotační anodou
(Coolidgeova rentgenka - 1913)
Při konstrukci lékařských diagnostických RTG je dávána přednost
rentgence s rotační anodou, která umožňuje zmenšit optické ohnisko
rentgenky až na rozměr cca 0,1 x 0,1 mm
William David Coolidge (1873 – 1975)
Katoda
Katoda: žhavena na 2000 – 2500 °C
Termoemise: Richardsonův-Dushmanův vztah:
J e  A0T 2e

W
kT
 A cm2  ,
4 k 2eme
2
2

 .
A0 

120
A
cm
K
3

h
Je - hustota proudu emitovaných elekronů
A0 - materiálová konstanta
T - teplota (K)
W - výstupní práce (eV)
k - Boltzmannova konstanta
e - elementární náboj
me - hmotnost elektronu
h - Planckova konstanta
Závislost anodového proudu na
žhavícím proudu
Při vysokých žhavících proudech a nízkém napětí, nestíhají být všechny
elektrony emitované z katody dostatečně rychle odváděny na anodu. V okolí
katody se tak v důsledku termoemise tvoří elektronový mrak, jehož odpudivá
síla brání termoemisi dalších elektronů z katody.
Fokusace elektronového svazku
Záporně nabitá kovová miska
1) Unbiased – spojena s vláknem (na stejném potenciálu)  double banana focal spot
2) Biased – držena na potenciálu -100 V vůči vláknu  gaussian focal spot
Pevná anoda
Bázi tvoří dobře tepelně vodivý materiál (zpravidla měď), opatřený na zadní
straně radiátorem pro odvod tepla.
Terčík je tvořen vhodným, těžko tavitelným materiálem (wolfram, rhenium,
rhodium, molibden).
Tepelné ohnisko tvoří malý obdélník
Rotační anoda
Tepelné ohnisko rovnoměrně rozloženo po obvodu anody do tvaru
kružnice
Vysoká tepelná kapacita nastavená výrobcem především tloušťkou
grafitové vrstvy
Vedení tepla omezeno kvůli zamezení poškození rotoru
Ohnisko
optické ohnisko (důležitá součást parametrů přístroje)
- tvořeno plochou průmětu elektronového ohniska do roviny kolmé k
centrální ose primárního svazku rtg záření
- pro danou geometrii procesu zobrazení (vzdálenost ohnisko-scéna a
scéna-receptor obrazu) určuje limitní dosažitelnou prostorovou
rozlišovací schopnost procesu zobrazení, tzv. geometrickou neostrost
sklon dopadové plochy
 zmenšení optického ohniska
 čtvercová plocha – většinou 5-20°
Vliv sklonu dopadové plochy na optické
ohnisko
Víceohnisková anoda
Ohnisko
Astigmatismus ohniska
V důsledku divergence výstupního RTG svazku se mění velikosti optického
ohniska v různých místech svazku ve směru A – K, což se projevuje na
výsledném rentgenogramu rostoucí neostrostí ve směru ke katodě.
Heel effekt
V úloze 7 Radiodiagnostika 2, jsme spočítali, že RTG záření vzniká uvnitř ohniska
anody až do hloubky cca. 25 µm. Toto záření tak musí překonat při své cestě ven z
anody různou tloušťku velmi hustého materiálu (nejčastěji wolframu), která je
závislá na úhlu, pod nímž záření vystupuje (viz obrázek). Vlastní filtrace anody je
tak příčinou zeslabení a zároveň vytvrzení divergentního svazku ve směru K – A,
které se nazývá Heel effekt.
Konverzní účinnost
Proud elektronů závisí na materiálu, teplotě a ploše povrchu katody.
Např. rentgenky pro lékařskou rentgenografii pracují při proudech I  0,1 mA  1 A.
Na produkci fotonového záření se spotřebuje jen malá část energie nesené elektrony
dopadajícími na terčík.
Poměr mezi energií fotonů brzdného záření a energií ve svazku elektronů Kef je možné
vyjádřit aproximativním vztahem:
K ef  10 6  U  Z
kde U je urychlující napětí v kV,
Z je protonové číslo materiálu terčíku.
Vezmeme-li tedy např. wolfram, kde Z = 74 a dosadíme napětí U = 100 kV, dostaneme
účinnost převodu energie elektronů na energii fotonů Kef = 0.0074, tj. méně než 1 %.
Zbývající energie tedy zůstane absorbována v terčíku a přemění se na teplo.
V důsledku toho se anoda intenzívně zahřívá, často na teplotu převyšující 400 C.
Odtud vyplývají značné nároky na odvod tepla, řešené buď mědí jako materiálem anody,
nebo se u rentgenek na vyšší výkony, jak již bylo uvedeno výše, velmi často používají
rychle rotující terčíky, kde svazek elektronů postupně zasahuje různá místa terčíku čímž
dochází k rozložení dopadající energie po celém jeho povrchu. U pevných anod lze
terčíky rovněž chladit vodou nebo olejem.
Zatěžovací a tepelná charakteristika rentgenky
Rentgenka se připojuje na velmi krátkou dobu (obvykle při největším přípustném výkonu).
Během této expoziční doby se rozptýlený výkon na ohniskové dráze rentgenky snižuje tak, aby teplota
ohniskové dráhy zůstala konstantní.
Dosahuje se toho tzv. klesající zátěží Pkl = f(t).
Anoda rentgenky během expozice obdrží celkové množství energie W :
t
W
 P dt
kl
0
Při spojitě klesající zátěži Pkl dochází ke spojité změně anodového proudu.
Zatěžovací a tepelná charakteristika rentgenky
Energie přenesená na ohnisko je E = U.I.t
Pro pulsní rentgenku je však potřeba uvážit, že mezi jednotlivými pulzy neběží
na plný výkon. V tomto případě tepelný příkon ohniska platí vztah
P = U.I.w,
kde w je tzv. waveform faktor
Tepelná charakteristika rentgenky
(vychlazovací a vyhřívací charakteristiky)
(Q-t diagram pro různá W)
Zatěžovací charakteristika rentgenky
(I-t diagram pro různá U)
tepelná zatížitelnost - příklad
3 minuty skiaskopie (3 mA a 85 kV) + 4 snímky
(0,25 s; 85 kV a 150 mA)
Kolik času musí uplynout, aby bylo možné vyšetření
opakovat?
skia: 85x3=255 HU/s
 31 000 HU za 3 min.
snímky: 85x150x0,25x4
 12 750 HU
72 000 – 43 750 = 28 250
 2,6 – 1,4 = 1,2 min
Tepelné poškození anody a ohniska
Příklad 1: Rotační wolframová anoda o hmotnosti 1 kg se nalézá uvnitř rentgenky,
připojené na třífázový šestipulzní generátor, pracující při hodnotě potenciálového rozdílu
125 kV, a proudu 187 mA. Teplota anody před začátkem expozice byla 20 °C. Vypočítej
dobu expozice, po níž by došlo k úplnému roztavení anody. Měrná tepelná kapacita
wolframu je 134 Jkg-1K-1. Ztráty tepla vyzařováním a vedením pro jednoduchost zanedbej.
Kryt rentgenky
Kryt rentgenky: ochrana rentgenky, odvod tepla a izolace VN (olejová náplň),
stator, stínění primárního neužitečného záření (olovo), vlastní filtrace (olej,
výstupní okénko krytu).
Spektrum RTG záření
Detailní tvar spektra emitovaných fotonů závisí na materiálu terčíku
anody jakož i na použitém napětí.
Brzdné záření: energie fotonu závislá na vzdálenosti průletu elektronu od
jádra, spojité spektrum s maximem energie odpovídajícím napětí na
rentgence. Účinnost produkce brzdného záření je úměrná Z, I a U2.
Charakteristické záření: excitace atomu a vyzáření fotonu během
následné deexcitace mezi jednotlivými slupkami – čárové spektrum.
Účinnost produkce charakteristického záření je přibližně úměrná I a U.
Nárazové záření: Rychlost elektronů při nárazu do anody může dosahovat
až 2/3 rychlosti světla. 1 – 2% těchto elektronů pronikne až do blízkosti
atomových jader anody, kde se nalézá slupka K. Zde jsou elektrony náhle
prudce zabrzděny a jejich kinetická energie se přemění v RTG záření zvané
nárazové. Toto záření má spojité spektrum začínající na vlnové délce dané
Duaneovým – Huntovým zákonem. Účinnost produkce nárazového záření
je, podobně jako u brzdného záření, úměrná Z, I a U2.
Afokální záření: Při bombardování ohniska anody svazkem elektronů se
část primárních elektronů odráží od povrchu anody pod různými úhly a
s různými rychlostmi poté dopadají zpět na anodu, kde vyvolávají tzv.
afokální záření, které ostrost zobrazení snižuje. Účinnost produkce
afokálního záření je úměrná Z, I a U.
Spektrum rentgenky
Spektrum rentgenky
Efektivní energie: energie monochromatického záření, které má stejnou d1/2
jako reálně měřené spektrum (tabulková hodnota závislá na polotloušťce):
Eef  Estř
N E
E
N
i
Střední energie: střední hodnota energie spektra:
i
i
i
i
1
1
Nejvíce zastoupená energie: E  Emax až Emax
3
2
Koeficient homogenity: poměr první a druhé polotloušťky: H 
Parametry spektra
Kvalita (pronikavost svazku): Z, U, filtrace
Kvantita (množství fotonů):
ZQU max
d1I 2
d1II2
Filtrace
Záření které vychází z rentgenky, je zeslabováno vlastní filtrací (okénko rentgenky, chladící olej atd.),
která je ekvivalentní 0.5 - 2 mm Al.
K této vlastní filtraci se dále volí tzv. přídavné filtry podle nastaveného napětí tak, aby byly splněny
podmínky stanovené předpisy.
Pro běžnou skiagrafii jsou přídavné filtry vyrobeny z hliníku, popř. mědi.
Pro mamografická vyšetření kde se vyžaduje velmi měkké záření, se jako přídavný filtr nejčastěji
používá molybden, popř. rhodium, nebo stříbro.
Filtry zeslabují nízkoenergetickou složku spojitého rentgenového spektra, která by se jinak absorbovala
v těle pacienta neúčelně, neboť by nepřispěla k tvorbě obrazu.
Použitím filtrů se snižuje nejen hustota toku fotonů, ale svazek se stává pronikavějším, vzrůstá střední
energie fotonového spektra.
Na obrázku jsou znázorněny změny relativní intenzity rentgenového záření ( v % ), pro tři tloušťky filtru
při napětí rentgenky U=100 kV:
Filtrace
Napětí na rentgence spolu s filtrací určuje nejen
kvalitu rentgenového záření charakterizovanou
energetickým složením fotonového spektra, ale
významně ovlivňuje dávku pacientovi. Se stoupající
filtrací výrazně klesá dávka na kůži, dávka v
hloubce je již redukována méně.
Spektrum RTG záření
Příklady
Příklad 2: Vypočtěte úhel, pod kterým vyletěl rozptýlený foton, pakliže rychlost
odraženého elektronu byla rovna 0,5 c a energie primárního fotonu byla 200
keV.
Příklad 3: Při ozáření terčíku fotony bylo zjištěno, že energie fotonů
rozptýlených comptonovsky pod úhlem 90° je 288,2 keV. Vypočti energii
a vlnovou délku dopadajících fotonů.