Disciplina: TECNOLOGIE DIAGNOSTICHE (MED/50)

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1 Disciplina: TECNOLOGIE DIAGNOSTICHE (MED/50) oscar fiorucci.

2 Obiettivo della lezione: conoscere il tubo a raggi X. Riferimenti bibliografici: L immagine radiologica: tecnologie e tecniche di acquisizione. Robert A. ed At. Editore McGraw Hill Radiologia (Volumi IIIIII) La Galla, Editore IdelsonGnocchi Metodologia e apparecchiature nella diagnostica per immagini l.cei, A. La Fianza Editrice Universo Elementi di tecnologia radiologica Roberto Passariello, Editore: IdelsonGnocchi Definizione e caratteristiche dei fotone Componenti del tubo a raggi X: cuffia, ampolla, finestra, anodo e catodo Produzione dei raggi X Caratteristiche fisiche e geometriche del fascio di raggi X oscar fiorucci. laurea.tecn.radiol@ospedale.perugia.it

3 La diagnostica per immagini è basata sull interpretazioni di immagini ottenute dall interazione delle radiazioni con tessuti biologici. Trasporto di energia nello spazio. Sono radiazioni : la luce visibile, le onde radiotelevisive, le emissioni di particelle o di fotoni X o gamma da parte di un elemento radioattivo.

4 Definiamo la radiazione Il termine radiazione è usato in fisica per descrivere fenomeni apparentemente assai diversi tra loro, come l'emissione di luce visibile da una lampada, di radioonde da un circuito elettrico, di raggi infrarossi da un corpo incandescente, e, di raggi X da una macchina radiogena e così via. La caratteristica peculiare comune a tutti questi fenomeni è il trasferimento di energia da un punto a un altro dello spazio senza che vi sia il movimento di corpi macroscopici e senza il supporto o di un mezzo materiale.. Quando la propagazione di energia avviene secondo queste modalit ità si dice che si è in presenza di radiazione. Il suono emesso dalle casse di uno stereo non è una radiazione, bensì un'onda sonora che ha bisogno dell'aria per propagarsi. A livelli normali, il suono non si può considerare dannoso per la salute, mentre a livelli molto elevati i può generare danni al sistema uditivo. Si distingono le radiazioni in corpuscolari ed elettromagnetiche,, sulla base del loro comportamento prevalente: le radiazioni corpuscolari sono costituite da particelle subatomiche che si spostano con velocità assai elevate, spesso prossime a quelle della luce, le radiazioni elettromagnetiche si propagano nel vuoto con la velocità della luce e sono classificate in modo differente a seconda della loro energia.

5 Si dice che una radiazione è ionizzante quando è in grado di produrre, in modo diretto o indiretto, la ionizzazione degli atomi e delle molecole del mezzo attraversato (la ionizzazione è un processo mediante il quale gli atomi acquistano, o perdono, elettroni, diventando quindi elettricamente carichi). Si considerano ionizzanti le radiazioni con lunghezza d'onda maggiore di m; la radiazione ultravioletta ( m) non è quindi da considerarsi ionizzante. Al fine di renderci conto dell'effettivo rischio a seguito di un'esposizione a radiazioni ionizzanti soffermiamoci sull'esame radiografico. Questa è una procedura molto comune. In Italia, il numero di esami radiologici i in un anno è stato stimato essere dell'ordine di 100 milioni, questo equivale e ad affermare che in media ciascun italiano si sottopone a due esami radiologici all'anno. Per rendersi conto delle minime probabilità di subire un danno a seguito di una o più radiografie è sufficiente evidenziare quanto sia più rischioso compiere le proprie attività quotidiane; ad esempio fare circa 200 radiografie al torace all'anno accorcia la vita: 100 volte di meno di essere alcolista, 63 volte di meno di essere fumatore, 25 volte di meno di fare lavori pesanti, 8 volte di meno di guidare l'automobile, 5 volte di meno di bere alcolici ogni tanto, 3 volte di meno di respirare aria inquinata. Una mammografia corrisponde invece al rischio di: percorrere in macchina 100 km in autostrada, oppure fumare 3 sigarette in tutta la vita.

6 Nel caso di donne in stato di gravidanza si preferisce, per quel periodo, evitare esami radiologici alla zona del torace e del bacino. Infatti, la probabilità di danni casuali sul feto è maggiore che sull'adulto, in quanto i tessuti e gli organi in formazione sono più sensibili alle radiazioni degli organi già formati. Inoltre le prime settimane di gestazione sono le più a rischio per eventuali malformazioni. Ciò non significa assolutamente che i danni si manifestino per forza, ma se è possibile evitare di sottoporsi a un esame radiologico all'addome o al torace proprio in quel periodo è meglio. Se si tratta invece di una frattura a una mano o a una gamba è possibile sottoporsi all'esame; è compito del personale fornire i necessari sistemi per proteggere l'addome dalle radiazioni. Il miglior modo di proteggersi ersi dai raggi X è evitare radiografie inutili, ma un sospetto di malattia giustifica ica sempre un'indagine approfondita, anche radiologica. È necessario notare tuttavia che l'uomo, fin dal suo apparire sulla Terra, è stato costantemente esposto alle radiazioni ionizzanti di origine naturale,, che sono state l'unica fonte d'irradiazione fino a poco meno di un secolo fa. Ancora oggi, nonostante l'ampio impiego a scopo medico, e non solo, delle radiazioni, la radioattività naturale continua a essere il maggior contributo alla dose ricevuta dalla popolazione e ed è assai probabile che questo si verifichi anche in futuro. In natura esistono infatti nuclei radioattivi (radionuclidi( radionuclidi) ) di elementi chimici che, essendo instabili, si trasformano (decadono) in uno o più nuclei, generalmente più stabili, emettendo radiazione elettromagnetica oppure particelle cariche di diversa energia a seconda del tipo di nucleo.

7 I fotoni viaggiano nello spazio (anche vuoto) sotto forma di onde elettromagnetiche a una velocità di Km/secondo. La energia trasportata dalla radiazione, viene ceduta quando la radiazioni interferisce con la materia attraversata.

8 RAGGI COSMICI metri: 13 µsv/h metri: 5 µsv/h m.: 0.2µSv/h m.: 0.1µSv/h Livello del mare: 0.03 µsv/h

9 I raggi X si propagano dalla sorgente in linea retta in tutte le direzioni dello spazio. sorgente Fotone X

10 Se le radiazioni interagiscono con un oggetto radiotrasparente, lo attraversano senza perdere energia. Fotone attraversate Oggetto radiotrasparente

11 Se le radiazioni interagiscono con un oggetto poco radiotrasparente (radioopaco), lo possono attraversare cedendo parte della propria energia. Fotone attenuate Oggetto poco radiotrasparente

12 Se le radiazioni interagiscono con un oggetto radioopaco, cedono interamente la propria energia e vengono assorbite. Fotone assorbite Oggetto radioopaco

13 In relazione alla natura dell oggetto in cui incide, alcune frequenze possono essere Fotone luminoso riflesse Oggetto riflettente

14 Per produrre raggi X utilizzabili in roentgendiagnostica, sono necessari: 1. una sorgente di elettroni 2. una forza che li acceleri 3. un bersaglio che li freni.

15 Il tubo radiogeno è contenuto all interno della CUFFIA metallica (esterno) rivestita internamente con una guaina in piombo per schermare le radiazioni di fuga che il tubo emette durante la produzione dei raggi X. Cuffia o guaina

16 La CUFFIA presenta una apertura non schermata, detta finestra realizzata in berillio, in corrispondenza della quale viene montato il collimatore del tubo che focalizza il fascio di raggi X verso l esterno e permette di variare l apertura del fascio. Cuffia o guaina finestra collimatore

17 Il tubo radiogeno è immerso in un bagno d olio minerale, all interno della Guaina di protezione, L olio minerale ha il compito di raffreddare il vetro dell ampolla e di isolare elettricamente i due elettrodi (anodo e catodo). Cuffia o guaina

18 L AMPOLLA (forma a pera o cilindrica) è realizzata con materiale che sopporta le alte temperature borosilicato; è l involucro che posiziona i due elettrodi e li mantiene elettricamente isolati. Ampolla

19 L AMPOLLA: la sua funzione è quella di garantire il vuoto spinto al proprio interno, al fine di evitare che residui di gas alterino la velocità degli elettroni e costituiscano sorgenti di elettroni secondari. Ampolla Catodo Anodo

20 L AMPOLLA: le parti terminali di diametro ridotto servono da supporto per i collegamenti elettrici degli elettrodi. Dei piedini (catodici e anodici) garantiscono la perfetta espansione lineare dei vari materiali del tubo alle alte temperature. Cuffia o guaina Ampolla Catodo Anodo finestra collimatore

21 .Il CATODO rappresenta l elettrodo negativo del tubo Rx. Vista laterale vista frontale Costituito da un supporto in nikel o milibdeno contenente una cavità detta coppa di concentrazione o di focalizzazione. Può contenere uno o due filamenti in tungsteno, foggiato a spirale (spiralina) di diametro di 0,2 0,5 mm per i cm di lunghezza, montate in serie o in parallelo. Parallele in serie Catodo

22 EMISSIONE TERMOELETTRICA E la produzione per effetto del riscaldamento di un metallo o di un ossido, di elettroni liberi. Quando un conduttore metallico viene riscaldato si determina un aumento dell energia cinetica degli elettroni del materiale che lo costituisce.

23 La funzione del filamento è quella di produrre elettroni per effetto termoelettrico, quando percorso da una corrente elettrica: 10V e 38A, ( corrente anodica ) Gli elettroni si addensano in una nube elettronica definita carica spaziale. e Catodo Anodo

24 Aumentando l intensità della corrente che circola nel catodo si può aumentare il numero di elettroni emessi e di conseguenza il flusso di fotoni X che verranno prodotti a seguito degli urti nell anodo. ampolla e Catodo Anodo

25 Gli elettroni della carica spaziale vengono accelerati da un opportuno campo elettrico di alta tensione per differenza di potenziale. La polarizzazione del tubo viene espressa in kv. (Diagnostica compresa fra kv; mammografia 28 kv; fino a 400 kv in roentgenterapia; da 1 70 MeV in Radioterapia) e Catodo Anodo

26 IFFERENZA DI POTENZIALE ALTA TENSIONE Carica spaziale accelerata Catodo Anodo

27 Come nascono i raggi X? Quando un fascio di raggi catodici (elettroni) urtano contro la placchetta di metallo (anodo), essa emette raggi X (?)

28 Produzione dei raggi X Gli elettroni che incidono sull anodo (elettroni proiettile) acquistano una certa energia cinetica che vanno a trasferire al bersaglio anodico (atomi dell anodo). elettrone proiettile ANODO

29 Riscaldamento dell anodo

30 Riscaldamento dell anodo Se l elettrone incidente interagisce con un elettrone bersaglio di un orbita esterna produce una ionizzazione.

31 Riscaldamento dell anodo L atomo tende riacquistare l elettrone che torna allo stato iniziale cedendo una emissione di radiazione infrarossa.

32 Riscaldamento dell anodo Il costante fenomeno di eccitazione e diseccitazione degli elettroni negli orbitali esterni del bersaglio anodico, è causa del calore che si genera nell anodo in un tubo a raggi X.

33 Se invece l elettrone proiettile colpisce un elettrone di un orbitale interno RADIAZIONE CARATTERISTICA

34 rimozione totale dell elettrone dell orbitale interno, con creazione di una lacuna Elettrone espulso lacuna RADIAZIONE CARATTERISTICA Elettrone proiettile

35 Elettrone proiettile la lacuna torna ad essere occupata da un elettrone, il quale cede una parte di energia di legame sotto forma di radiazione X RADIAZIONE CARATTERISTICA

36 L elettrone proiettile cede la propria energia cinetica, interagentdo con il nucleo dell atomo bersaglio.. RADIAZIONE di FRENAMENTO (Bremsstraglung) Elettrone proiettile

37 L elettrone proiettile cede la propria energia cinetica, interagendo con il nucleo dell atomo bersaglio.. RADIAZIONE di FRENAMENTO (Bremsstraglung) Elettrone proiettile

45 FASCIO RADIANTE Spettro continuo + Spettro caratteristico

46 Quando un fascio di raggi catodici (elettroni) urtano contro la placchetta di metallo (anodo), essa emette raggi X (?) Radiazione emessa è composta da due tipi sovrapposti di spettro: SPETTRO CONTINUO,, cioè un insieme policromatico di radiazioni SPETTRO CARATTERISTICO, cioè un numero di picchi collegati alle proprietà del metallo usato.

47 L ANODO costituisce il bersaglio contro il quale avviene l impatto degli elettroni (carica spaziale). La funzione dell ANODO: sopportare la quantità di calore accumulata; generare i raggi X. e Catodo Anodo

48 La quasi totalità dell energia cinetica posseduta dagli elettroni proiettile che arrivano sull anodo viene trasformata in calore. A tensione di 100 kvp, più del 95% dell energia cinetica viene trasformata in calore Catodo Anodo Raggi X

49 Aumentando la differenza di potenziale tra catodo e anodo aumenterà l energia cinetica del singolo elettrone e di conseguenza verranno prodotti fotoni X di maggiore energia, più penetranti, più duri (o meno molli come si usa dire nel gergo tecnico). Differenza di potenziale Catodo Anodo Raggi X

50 ev I raggi X di frenamento, posseggono una energia ev direttamente proporzionale a quanta differenza di potenziale in V viene applicata tra catodo e anodo.

51 L elettrodo positivo del tubo a raggi X è costituito da un metallo avente elevato punto di fusione e alto numero atomico (tungsteno = Z74 e punto di fusione 3000 C). SOGLIA TERMICA DEL TUBO RADIOGENO! Si definisce FUOCO, quella parte dell anodo che viene colpita dal fascio elettronico proveniente dal filamento del catodo.

52 Dinamiche termiche nel tubo ad ANODO FISSO. Le alte temperature vengono smaltite per conduzione. Il rame forma il corpo dell anodo su cui è saldata una placca in tungsteno. Il sistema assume un angolazione a becco di clarino Parte dell anodo esterna al tubo.

53 Dinamiche termiche nel tubo ad ANODO FISSO. Il corpo in rame dell anodo fisso, fuoriesce dall ampolla per migliorare il raffreddamento. In alcuni tubi dei sistemi ausiliari raffreddano l anodo tramite un radiatore e liquidi di raffreddamento (tubi con anodo ad iniezione) Parte dell anodo esterna al tubo.

54 Dinamiche termiche nel tubo ad ANODO FISSO. La zona della placca su cui incidono gli elettroni, AREA FOCALE, determina le dimensioni e le caratteristiche di emissione del fascio radiante. Parte dell anodo esterna al tubo.

55 AREA FOCALE Puntiforme Medio Mediogrande Grande

56 Dinamiche termiche nel tubo ad ANODO ROTANTE. Costituito da una corona in tungstenom con profilo da tronco di cono, dal diametro di mm e bordi inclinati di La corona montata su un disco è infissa sull asse di un rotore che gli permette di ruotare a velocità di giri/minuti. elettroni Area focale

57 Dinamiche termiche nel tubo ad ANODO ROTANTE. Il calore accumulato dall anodo rotante viene eliminato per radiazione (non per conduzione come nel tipo fisso). elettroni Area focale

58 Tubo ad anodo rotante Catodo Anodo Carica spaziale finestra fotoni X

59 Nell anodo rotante distinguiamo 3 FUOCHI: 1. ELETTRONICO (la porzione d urto degli elettroni sull anodo). elettroni F. elettronico

60 2. TERMICO (l anello, nella corona, sottoposto a riscaldamento). F. termico elettroni F. elettronico

61 3. OTTICO (l area di proiezione del fuoco elettronico). F. termico elettroni F. elettronico F. ottico

62 Le dimensioni del fuoco in un tubo ad anodo rotante, possono variare da: 0,3 x 0,3 mm (tubi per mammografia) ad un massimo di 2 x 2 mm.

63 Sistemi di monitoraggio del riscaldamento dell anodo I più moderni circuiti a raggi X sono dotati di un sistema di monitoraggio del riscaldamento dell anodo. Tale sistema visualizza la percentuale del massimo carico termico che si è accumulato a livello dell anodo. Il sistema utilizza le impostazione dei ma,, tempo e kvp per calcolare le unità termiche per ciascuna esposizione. Inoltre nel calcolo viene considerato il tempo di raffreddamento dell anodo.

64 Sistemi di monitoraggio del riscaldamento dell anodo Il calore prodotto nell anodo dagli elettroni proiettili dipende da ma, kvp e tempo di esposizione. Esplosioni con alte tensioni applicate, alte tensioni del tubo e tempi lunghi di esposizione producono più calore a livello della macchia focale. Il calore prodotto nell anodo è misurato in unità termiche (HU: heat units). Il numero HU è ottenuto in base alle seguenti formule: Sistemi monofasisi HU = kvbp X mas X sec Sistemi trifasici,esapulsati HU = 1,35 X kvbp X mas X sec Sistemi trifasici,dodecapulsati o di alta frequenza HU = 1,41 kvbp X mas X sec (1,35 e 1,41 sono costanti utilizzare per calcolare le HU nei diversi circuiti)

65 Sistemi di monitoraggio del riscaldamento dell anodo Le tabelle dei limiti termici forniscono le informazioni sull ammontare del calore che può essere depositato a livello anodico senza provocare un danno. Le curve del limite di calore dividono i fattori tecnici (kvp( kvp, ma e tempo) in aree consentite e non consentite ma 300 ma 200 ma Non consentito kv ma Consentito 0,03 0,05 0,1 0,2 0,5 (tempo)

66 FILTRAZIONE INERENTE La filtrazione del fascio di raggi X da parte della finestra e di tutti i componenti del tubo radiogeno è detta FILTRAZIONE INERENTE (tipica di quel tubo) Filtrazione prodotta da tutti quei materiali attraverso i quali il fascio di radiazione utile passa o interagisce prima di uscire dal complessa tuboguaina. Viene espressa in mmal e dipende dal materiale dell anodo, dall angolo di inclinazione, dallo spessore della finestra, dal valore di tensione e di onda. Valori tipici della filtrazione inerente vanno da 0,5 a 2 mmal.

67 FILTRO AGGIUNTIVO Viene disposto dal Costruttore, davanti all uscita dei raggi X della cuffia, un FILTRO AGGIUNTIVO in alluminio, in modo che la filtrazione TOTALE (filtrazione inerente + filtro aggiuntivo) sia equivalente ad almeno 2 mmal per tensioni fino a 110 kv e di 2,5 mmal per tensioni superiori. Catodo Anodo

68 Cenni sulle interazione dei raggi X con la materia La lunghezza d onda d dei raggi X è molto corta (0, metri). Maggiore è l energia di un fotone e tanto più corta sarà la lunghezza d onda. d

69 Cenni sulle interazione dei raggi X con la materia A seconda della loro energia i fotoni interagiscono INTERO ATOMO bassa energia ELETTRONI ORBITALI energia moderata NUCLEO alta energia.

70 Meccanismi di interazioni Cinque sono i meccanismi fondamentali di interazione dei raggi X con i diversi livelli strutturali dell atomo: 1. Diffusione classica 2. Effetto Compton 3. Effetto Fotoelettrico 4. Produzione di Coppie 5. Fotodisintegrazione

71 Le interazione con gli atomi della materia, sono in funzione della energia dei fotoni incidenti

72 Fotone diffus 1. Diffusione Classica (10KeV): il fotone incidente interagisce con un atomo bersaglio, il quale cede l energia l sotto forma di fotone diffuso. Fotone incidente

73 2. Effetto Compton Energia moderata. Interazione del fotone incidente con orbitali esterni. Il Fotone espelle l elettrone l orbitale, l atomo l è ionizzato. Elettrone Compton Fotone incidente Fotone diffuso

74 3. Effetto Fotoelettrico Energia media (effetto molto probabile in radiodiagnostica). Interazione del fotone incidente con elettroni interni. Il Fotone non viene diffuso ma interamente assorbito. Espulsione di un fotoelettrone. Fotoelettron Fotone incidente

75 positrone 4. Produzione di Coppie 1,02 MeV.. Fotone incidente interagisce con il campo di forza del nucleo e provoca: la scomparsa del fotone materializzazione di due elettroni: uno con carica positiva (positrone) l altro con carica negativa. elettron Fotone incidente

76 5. Fotodisintegrazione > 10 MeV.. Fotone incidente viene assorbito dal nucleo, il quale eccitato espelle un nucleone o un altro frammento nucleare. Fotone incidente Frammen nucleare