IAEA International Atomic Energy Agency Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии Л6: Генерирование рентгеновского излучения Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 2 Введение Обзор: Главные элементы рентгеновской трубки: устройство анода и катода Технологические ограничения для материалов анода и катода Оценочные диаграммы и тепловые нагрузочные характеристики рент- геновских трубок

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 3 Темы Основные элементы источника рентгенов- ского излучения Устройство катода Устройство анода Оценочные характеристики Рентгеновский генератор Автоматические реле экспозиции

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 4 Обзор Ознакомление с технологическими прин- ципами генерирования рентгеновского излучения

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 1: Основные элементы источника рентгеновского излучения Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 6 Основные элементы источника рентгеновского излучения Генератор : Схема электрического питания, обеспечивающая тре- буемый потенциал на рентгеновской трубке Рентгеновская трубка и коллиматор: устройство, генерирующее рентге- новские лучи

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 7 Рентгеновские трубки

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 8 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 металличес- кую) оболочку вакуумной трубки. Защитный материал (защищает от рассеян- ного излучения)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 9 Детали рентгеновской трубки 1: длинная вольфрамовая нить 2: короткая вольфрамовая нить 3: реальные размеры катода 1: отметка фокусного пятна КожухКатод

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 2: Устройство катода Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 11 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 12 Пример катода

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 13 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! Устройство катода (II)

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 3: Устройство анода Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 15 Характеристики рентгеновской трубки Механические ограничения для анода Материал : вольфрам, рений, молибден, графит Фокальное пятно : поверхность анода бомбарди- руется электронами Угол анода Диск и диаметр кольцевой фокусной дорожки (вращение - от 3000 до 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 16 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 17 Характеристики анода 1 : фокусная дорожка 2 : следы перегрева фокусной дорожки

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 18 Чем меньше угол, тем лучше разрешающая способность разрешающая способность Угол анода (II) Угол Ширина пучка падающих электронов Кажущийся размер фокусного пятна Действит. размер фокусного пятна Плёнка Угол Ширина пучка падающих электронов Увеличенный кажущийся размер фокусного пятна Действит. размер фокусного пятна Плёнка

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 19 Эффект скоса анода (I) Угол анода (от 7° до 20°) вызывает различия мощности излучения в плоскости, парал- лельной 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 20 Эффект скоса не всегда является негативным фактором Он может быть использован для ком- пенсации разного ослабления излу- чения различными частями тела Например: Грудной отдел позвоночника (более толстая часть пациента направлена к катоду трубки) маммография Эффект скоса анода (II)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 21 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 International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 4: Оценочные диаграммы Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 23 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 применя- ются 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 24 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 25 Графическое представление характеристик тепловой нагрузки и информации о преде- лах возможностей рентгеновской трубки, даваемой изготовителями, называется оце- ночной 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) Оценочная диаграмма рентгеновской трубки (II)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 26 0,010,050.10,50,51,01,05,05,010, kVp 70 kVp 90 kVp 120 kVp Неприемлемо Время экспозиции (с) Ток трубки (мА) Трубка A полуволновый выпрямитель 3000 об/мин 90 кВ 1,0 мм эфф. фокусное пятно Оценочная диаграмма рентгеновской трубки (III)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения kVp 70 kVp 90 kVp 125 kVp Приемлемо Время экспозиции (с) Ток трубки (мА) Трубка В выпрямитель об/мин 125 кВ 1,0 мм эфф. фокусное пятно Оценочная диаграмма рентгеновской трубки (IV) Неприемлемо

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 28 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 HU, требуется 9 min для полного охлаждения

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения Прошедшее время (мин) Единицы нагрева (x 1000) HU/с 1000 HU/с 350 HU/с 250 HU/c Кривая входной мощности Кривая охлажденияe Максимальное теплосодержание (теплоёмкость) анода Диаграмма охлаждения анода (II)

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 5: Рентгеновский генератор Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 31 Рентгеновский генератор (I) Он обеспечивает рентгеновскую труб- ку : Током для нагревания нити катода Потенциалом для ускорения электронов Автоматическим контролем экспозиции (времени приложения напряжения) Подвод энергии 1000 энергия рентгенов- ских лучей (99.9% переходит в тепловую энер- гию)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 32 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 = k 0. U n. I. T U: пиковое напряжение (кВ) I: средний ток (мA) T: время экспозиции (мс) n: имеет значения от 1.5 до 3 Рентгеновский генератор (II)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 33 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 кВ, в то время как для визуализации костей необходимо только 65 кВ Пульсация r генератора должна быть мини- мальной r = [(U - U min )/U] x 100% Рентгеновский генератор (III)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 34 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 часто- той 50 Гц в кГц диапазон)технология инверти- рования

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения % 13% 4% Линейное напряжение Однофазный однопульсный Однофазный двухпульсный Трёхфазный шестипульсный Трёхфазный 12-пульсный 0,02 с 0,01 с КВ, пульсация(%) Форма напряжения на трубке (II)

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 36 Выбор числа пульсов (I) Однопульсный : малой мощности (

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 37 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

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 6: Автоматические реле экспозиции (АРЕ) Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 39 Автоматические реле экспозиции Оптимальный выбор технических параметров для исключения повторного просвечивания (кВ, мA) Детектор излучения за (или перед) кассе- той 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 40 Автоматические реле экспозиции Рентгеновская трубка Коллиматор Луч Мягкая ткань Кость Воздух Пациент Стол Решётка Кассета Детекторы АРЕ

IAEA International Atomic Energy Agency Часть 6: Генерирование рентгеновского излучения Тема 7: Режимы работы рентгеновского оборудования Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии

IAEA 6: Генерирование рентгеновского излучения 42 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 : кВт при 1,0 фокусном пятне Выбор кВ и мАс, AРЭ Радиография и флюороскопия Оборудование под столом, 3 генератор (с инвен- тером) – постоянный выход 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 43 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 44 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 45 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