Генерирование рентгеновского излучения

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Радиационная защита
в диагностике
и интервенционной радиологии
Л6: Генерирование рентгеновского
излучения
IAEA
International Atomic Energy Agency
Введение
Обзор:
• Главные элементы рентгеновской
трубки: устройство анода и катода
• Технологические ограничения для
материалов анода и катода
• Оценочные диаграммы и тепловые
нагрузочные характеристики рентгеновских трубок
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
2
Темы
• Основные элементы источника рентгеновского излучения
•
•
•
•
•
Устройство катода
Устройство анода
Оценочные характеристики
Рентгеновский генератор
Автоматические реле экспозиции
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
3
Обзор
• Ознакомление с технологическими принципами генерирования рентгеновского
излучения
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
4
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 1: Основные элементы источника
рентгеновского излучения
IAEA
International Atomic Energy Agency
Основные элементы источника
рентгеновского излучения
• Генератор : Схема
электрического питания,
обеспечивающая требуемый потенциал на
рентгеновской трубке
• Рентгеновская трубка и
коллиматор: устройство,
генерирующее рентгеновские лучи
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
6
Рентгеновские трубки
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
7
Детали рентгеновской трубки
• Катод: нить накала, которая является ис-
точником пучка электронов, испускаемых в
направлении анода
• вольфрамовая нить
• Анод (неподвижный или вращающийся):
бомбардируется электронами и испускает
рентгеновское излучение
• Металлический кожух трубки покрывает
стеклянную (иногда частично металлическую) оболочку вакуумной трубки.
• Защитный материал (защищает от рассеянного излучения)
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
8
Детали рентгеновской трубки
Кожух
Катод
1: отметка фокусного пятна
IAEA
1: длинная вольфрамовая нить
2: короткая вольфрамовая нить
3: реальные размеры катода
6: Генерирование рентгеновского излучения
9
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 2: Устройство катода
IAEA
International Atomic Energy Agency
Устройство катода (I)
•
•
Катод включает в себя (нить) нити накаливания и
электрическую цепь
• вольфрам: предпочтителен из-за высокой точки
плавления (3370°C)
• медленное испарение нити
• отсутствие электрической дуги
• минимальное осаждение W на стеклянную оболочку
Чтобы уменьшить испарение катод нагревают
непосредственно перед экспозицией
• в дежурном режиме температура поддерживается на
уровне около 1500°C, так что температура эмиссии
2700°C может быть достигнута в течение одной
секунды
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
11
Пример катода
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
12
Устройство катода (II)
•
•
У современных трубок есть две нити
•
•
длинная : больший ток/худшее разрешение
короткая : меньший ток/лучшее разрешение
Взаимное отталкивание зарядов вызывает
расхождение электронного пучка на пути к
аноду
•
•
•
нехватка электронов, генерирующих излучение
используется большая площадь мишени
Увеличивается фокальное пятно изображение
с низким разрешением
Необходима фокусировка электронов!
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
13
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 3: Устройство анода
IAEA
International Atomic Energy Agency
Характеристики рентгеновской трубки
• Механические ограничения для анода
• Материал : вольфрам, рений, молибден, графит
• Фокальное пятно : поверхность анода бомбардируется электронами
• Угол анода
• Диск и диаметр кольцевой фокусной дорожки
(вращение - от 3000 до 10000 оборотов/мин)
• Толщина  масса и объём материала 
теплоёмкость
• Температурные ограничения для анода
• Работа трубки под непрерывной нагрузкой
(тепловые единицы)
• Кривая нагревания анода трубки
• Кривая охлаждения анода трубки
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
15
Угол анода (I)
•
Принцип линейного фокуса
•
•
•
Форма мишени анода больше напоминает
прямоугольник или элипсоид, чем круг
• Форма зависит от :
• размера и формы нити
• фокусирующей чашки и потенциала
• расстояния между катодом и анодом
Для получения чёткого изображения требуется
маленькое фокусное пятно
Для рассеяния тепла требуется большое пятно
• Эта проблема решается с помощью
наклона поверхности мишени
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
16
Характеристики анода
1 : фокусная дорожка
2 : следы перегрева
фокусной дорожки
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
17
Угол анода (II)
 Угол
‘ Угол
Ширина пучка
падающих
электронов
Ширина пучка
падающих электронов
Действит. размер
фокусного пятна
Кажущийся размер
фокусного пятна
Плёнка
Действит. размер
фокусного пятна
Увеличенный
кажущийся размер
фокусного пятна
Плёнка
Чем меньше угол, тем лучше
разрешающая способность
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
18
Эффект скоса анода (I)
• Угол анода (от 7° до 20°) вызывает различия
мощности излучения в плоскости, параллельной оси анод-катод
• Поглощение излучения анодом при малых
углах эмиссии
• Величина влияния эффекта скоса на качество
изображения зависит от таких факторов как:
• угол анода
• размер плёнки
• расстояние фокус-плёнка
• Старение анода увеличивает эффект скоса
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
19
Эффект скоса анода (II)
• Эффект скоса не всегда является
негативным фактором
• Он может быть использован для компенсации разного ослабления излучения различными частями тела
• Например:
• Грудной отдел позвоночника (более
толстая часть пациента направлена к
катоду трубки)
• маммография
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
20
Размер фокусного пятна и геометрия
просвечивания
• Конечный размер фокусного пятна  нерезкое
изображение
• Повышение резкости  малый размер фокусного пятна
• Для маммографии номинальный размер пятна  0,4 мм
• Малый размер фокусного пятна  уменьшает выходную
мощность (увеличивает время экспозиции)
• Большой размер пятна обеспечивает высокую выходную
мощность (сокращает время экспозиции)
• Выбор зависит от движения органа (быстрое движение
органов требует увеличенного фокуса)
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
21
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 4: Оценочные диаграммы
IAEA
International Atomic Energy Agency
Резервы по тепловой нагрузке
• Количество выделяемого тепла при проведении
процедуры зависит от:
•
•
• напряжения (кВ), тока трубки (мA), времени экспозиции
• формы кривой прикладываемого напряжения
• Количества экспозиций в быстрой последовательности
Единица нагрева (HU) [Джоуль] : В x Аx С
Для различных электрических схем применяются разные коэффициенты:
• 1 фазное устройство :
HU = кВ x мA x с
• 3 фазное устр., 6 пульсное : HU = 1,35 кВ x мA x с
• 3 фазное устр., 12 пульсное: HU = 1,41 кВ x мA x с
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
23
Оценочная диаграмма рентгеновской
трубки (I)
• Характеристики охлаждения и размер
фокусного пятна трубки
•  Отношение {мA - время} при постоянном кВ
• Интенсивность падает с увеличением времени
экспозиции
• Интенсивность увеличивается с уменьшением кВ
• Примечание: повышенная мощность 
сокращенное время экпозиции пониженная
динамическая нерезкость
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
24
Оценочная диаграмма рентгеновской
трубки (II)
• Графическое представление характеристик
тепловой нагрузки и информации о пределах возможностей рентгеновской трубки,
даваемой изготовителями, называется оценочной диаграммой трубки
• Пример:
• Трубка А: 300 мA, 0,5 с, 90 кВ процедура может
причинить вред системе, работающей с однофазным
полуволновым генератором
• Трубка
В: 200 мA, 0,1 с, 120 кВ процедура
соответствует техническим характеристикам системы,
работающей
с
3-х
фазным
генератором
и
выпрямителем (приемлемо)
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
25
Оценочная диаграмма рентгеновской
трубки (III)
Трубка A
1 f полуволновый выпрямитель
3000 об/мин 90 кВ
1,0 мм эфф. фокусное пятно
700
Ток трубки (мА)
600
500
400
Неприемлемо
300
200
100
0,01
0,05
0.1
0,5
1,0
5,0
10,0
Время экспозиции (с)
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
26
Оценочная диаграмма рентгеновской
трубки (IV)
Ток трубки (мА)
700
Трубка В
3 f выпрямитель
10000 об/мин 125 кВ
1,0 мм эфф. фокусное пятно
600
500
400
Неприемлемо
300
200
Приемлемо
100
0.01
0.05
0.1
0.5
1.0
5.0
10.0
Время экспозиции (с)
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
27
Диаграмма охлаждения анода (I)
• Генерируемое тепло передаётся аноду и рассе-
ивается охлаждающей системой
• Типичная диаграмма охлаждения включает в себя:
• Входные характеристики (зависимость нагрева от
времени)
• Кривую охлаждения анода
• На графике показано, что:
• При 500 HU/с процедура может продолжаться
неопределенно долго
• при 1000 HU/с она должна прекратиться через10 мин
• При накоплении на аноде 120.000 HU, требуется  9 min
для полного охлаждения
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
28
Диаграмма охлаждения анода (II)
Максимальное теплосодержание (теплоёмкость) анода
Единицы нагрева (x 1000)
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
1
IAEA
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Прошедшее время (мин)
29
6: Генерирование рентгеновского излучения
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 5: Рентгеновский генератор
IAEA
International Atomic Energy Agency
Рентгеновский генератор (I)
Он обеспечивает рентгеновскую трубку :
 Током для нагревания нити катода
 Потенциалом для ускорения электронов
 Автоматическим контролем экспозиции
(времени приложения напряжения)
 Подвод энергии  1000  энергия рентгеновских лучей (99.9% переходит в тепловую энергию)
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
31
Рентгеновский генератор (II)
• Характеристики генератора оказывают значительное
влияние на контраст и резкость рентгеновского
изображения
• Динамическая нерезкость может быть значительно
уменьшена при максимальном сокращении времени
экспозиции
• Так как доза в плоскости изображения может быть
выражена как:
D = k0 . Un . I . T
• U: пиковое напряжение (кВ)
• I: средний ток (мA)
• T: время экспозиции (мс)
• n: имеет значения от 1.5 до 3
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
32
Рентгеновский генератор (III)
• Величина пикового напряжения влияет на
жёсткость излучения
• Она связана с вопросами, относящимися к
медицине
• Какая анатомическая структура исследуется?
• Какая нужна контрастность?
• Для исследования грудной клетки: чтобы получить
изображение лёгких нужно 140 - 150 кВ, в то время как
для визуализации костей необходимо только 65 кВ
• Пульсация “r” генератора должна быть минимальной
r = [(U - Umin)/U] x 100%
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
33
Форма напряжения на трубке (I)
• Обычные генераторы
• однофазный 1-пульсный (дентальные и некоторые
мобильные аппараты)
• однофазный 2-пульсный (с двойным выпрямлением)
• трёхфазный 6-пульсный
• трёхфазный 12-пульсный
• Генератор с постоянным потенциалом (ПП)
• Высокочастотные генераторы (ВЧ) используют
дроссели для преобразования напряжения частотой 50 Гц в кГц диапазон)“технология инвертирования”
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
34
Форма напряжения на трубке (II)
Однофазный однопульсный
КВ, пульсация(%)
100%
Однофазный двухпульсный
13%
Трёхфазный шестипульсный
4%
Трёхфазный 12-пульсный
Линейное напряжение
IAEA
0,01 с
0,02 с
6: Генерирование рентгеновского излучения
35
Выбор числа пульсов (I)
• Однопульсный : малой мощности (<2 кВт)
• 2-пульсный : малая и средняя мощность
• 6-пульсный : 3-х фазная сеть, средняя и
большая мощности (ручная и автоматическая компенсация падения напряжения)
• 12-пульсный : две смещённых 3-фазных
системы, большая мощность до 150 кВт
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
36
Выбор числа пульсов (II)
• ПП : сохраняется постоянное напряжение и
ток трубки
• Высоковольтные регуляторы служат для управ-
ления напряжением и включения экспозиции
• Напряжение может переключаться в любой
момент
• кВ пульсация <2% обеспечивает низкое облучение пациентов
• ВЧ : сочетает преимущества постоянного
потенциала и обычного генератора
• Воспроизводимость и постоянство напряжения
на трубке
• Возможность высокой скорости съёмки
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
37
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 6: Автоматические реле экспозиции
(АРЕ)
IAEA
International Atomic Energy Agency
Автоматические реле экспозиции
• Оптимальный выбор технических
параметров для исключения повторного
просвечивания (кВ, мA)
• Детектор излучения за (или перед) кассетой с плёнкой (с коррекцией)
• Экспозиция прерывается, когда набрана
требуемая доза
• Компенсация kVp при данной толщине
• Компенсация толщины при данном kVp
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
39
Автоматические реле экспозиции
Рентгеновская трубка
Коллиматор
Луч
Мягкая
Воздух ткань
Кость
Пациент
Стол
Решётка
Детекторы АРЕ
Кассета
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
40
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 6: Генерирование
рентгеновского излучения
Тема 7: Режимы работы рентгеновского
оборудования
IAEA
International Atomic Energy Agency
Режимы работы и применение
рентгеновского оборудования (I)
Радиография и томография
• 1 и 3 фазные генераторы (с инвертером)
• Выходная мощность : 30 кВт при 0,3 фокусном пятне
• Выходная мощность : 50-70 кВт при 1,0 фокусном пятне
• Выбор кВ и мАс, AРЭ
Радиография и флюороскопия
• Оборудование под столом, 3 f генератор (с инвентером) – постоянный выход 300 - 500 Вт
•
•
•
•
Выход : 50 кВт при 0,1 фокусном пятне для снимка
выход : 30 кВт при 0,6 для флюороскопии (выс. разреш.)
Предпочтение отдаётся контрасту
Автоматические уставки кВ
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
42
Режимы работы и применение
рентгеновского оборудования (II)
Радиография и флюороскопия
• Оборудование над столом, 3-фазный генератор (с
инвертером) – постоянный выход как минимум 500 Вт
•
•
•
•
выход : 40 кВ при 0,6 фокусном пятне для снимка
выход : 70 кВ при 1,0 для флюороскопии (выс. разрешение)
Предпочтение отдаётся контрасту
Автоматические уставки кВ
• Кардиоангиография
• Трёхфазный генератор – постоянный выход  1кВ
• выход : 30 кВ при размере фокуса равном 0,4
• выход : 80 кВ при размере фокуса равном 0,8
• Скорость визуализации : до 120 кадр/с
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
43
Резюме
• Основные требования к комплектации и
настройке системы генерации рентгенов-ского
излучения:
• обеспечить источник требуемой мощности
• Оптимизировать рентгеновский спектр
• обеспечить оптимальную настройку параметров
экспозиции, чтобы получить приемлемое качество
изображения
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
44
Где можно получить информацию
• Equipment for diagnostic radiology, E. Forster,
MTP Press, 1993
• IPSM Report 32, part 1, X-ray tubes and
generators
• The Essential Physics of Medical Imaging,
Williams and Wilkins. Baltimore:1994
• Manufacturers data sets for different X Ray
tubes
IAEA
6: Генерирование рентгеновского излучения
45