Konstrukční prvky RTG zařízeníParametry, funkce a konstrukční elementy generátoru vysokého napětí

a rentgenové trubice, zobrazovací vady, tepelné a spektrální charakteristiky rentgenky

Mgr. David ZoulFakulta biomedicínského inženýrství ČVUT

2013

Klasický generátortransformace + 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)

Usměrňovač jednofázový a) jednopulzní (dioda) – do 2 kW

b) dvoupulzní (Graetzův můstek) – 10 - 50 kW 

1 1 2

2 2 1

N U IpN U I

Klasický generátorŽhavící 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 generátorZvlnění 4 – 15 %, výkon 2 – 150 kW

UsměrňovačVyhlazovací filtr (kapacitor)Tyristorový střídačVysokonapěťový transformátorVysokonapěťový usměrňovačVysokonapěťový vyhlazovací filtr (kapacitor)

Generátor konstantního napětí

Zvlnění méně, než 2 %, výkon 80 – 200 kW

Kondenzátorový generátor

Bateriový generátor

RengenkaRentgenka: borokřemičité sklo 2,5 mm, okénko cca. 1 mmKatoda: 2000 – 2500 °CRichardsonův-Dushmanův vztah Anoda: vysoký bod tání – 3370 °C pro wolframa) pevná (s radiátorem)b) rotační – 2800 otáček za minutu na 50 HzPomocná mřížka: napětím přiváděným na mřížku lze regulovat anodový proudAnodové napětí: nejčastěji 25 – 160 kVKonverzní 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 zářeníc) nárazové záření: (Duane – Hunt),

d) afokální záření:

Terčík: sklon 5° – 20°Ohnisko: 0,1 až 3 mm cca. po 0,1 mmAstigmatizmus ohniska a Heel efektEnergie přenesená na ohnisko: E = UIt

aI ZI U

2a aI ZI U

RentgenkaJejí 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 - 510-6 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 nepohybuje2) 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)

KatodaKatoda: žhavena na 2000 – 2500 °C

Termoemise: Richardsonův-Dushmanův vztah:

2 20 ,

WkT

eJ A T e A cm

2

2 20 3

4120 .ek em

A A cm Kh

Je - hustota proudu emitovaných elekronůA0 - materiálová konstantaT - teplota (K)W - výstupní práce (eV)k - Boltzmannova konstantae - elementární nábojme - hmotnost elektronuh - 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 svazkuZáporně nabitá kovová miska 1) Unbiased – spojena s vláknem (na stejném potenciálu) double banana focal spot2) Biased – držena na potenciálu -100 V vůči vláknu gaussian focal spot

Pevná anodaBázi 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 anodaTepelné ohnisko rovnoměrně rozloženo po obvodu anody do tvaru kružniceVysoká tepelná kapacita nastavená výrobcem především tloušťkou grafitové vrstvyVedení tepla omezeno kvůli zamezení poškození rotoru

Ohniskooptické 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 ohniskaV 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 effektV 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 účinnostProud 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:

 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.

ZUK ef 610

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 : 

Při spojitě klesající zátěži Pkl dochází ke spojité změně anodového proudu.

t

kl dtPW0

Zatěžovací a tepelná charakteristika rentgenky

Zatěžovací charakteristika rentgenky (I-t diagram pro různá U)

Tepelná charakteristika rentgenky (vychlazovací a vyhřívací charakteristiky) (Q-t diagram pro různá W)

Energie přenesená na ohnisko je E = U.I.tPro 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 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 Jkg-1K-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

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.

Detailní tvar spektra emitovaných fotonů závisí na materiálu terčíku anody jakož i na použitém napětí.

Spektrum rentgenkySpektrum rentgenky

Efektivní energie: energie monochromatického záření, které má stejnou d1/2 jako reálně měřené spektrum (tabulková hodnota závislá na polotloušťce):

Střední energie: střední hodnota energie spektra:

Nejvíce zastoupená energie:

Koeficient homogenity: poměr první a druhé polotloušťky:  

Parametry spektra

Kvalita (pronikavost svazku): Z, U, filtrace

Kvantita (množství fotonů):

ef střE Ei i

i

ii

N EE

N

max max1 1 až 3 2

E E E

I1 2II

1 2

dH

d

maxZQU

FiltraceZáření 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:

  

FiltraceNapětí 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.