La Produzione dei Raggi X Master: Verifiche di Qualità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radioterapia Lezione 2 Dr. Rocco Romano (Dottore di Ricerca) Facoltà di Farmacia, Università degli Studi di Salerno Via Ponte Don Melillo, 84084 - Fisciano E-mail: rocco.romano@na.infn.it, rromano@unisa.it
Raggi X: cosa sono costoro? I Raggi X sono onde elettromagnetiche
Il Concetto di Onda A = Ampiezza λ= lunghezza d onda ν= frequenza Se v è la velocità di propagazione dell onda, allora vale la relazione: v = λν La velocità di propagazione di un onda elettromagnetica è la velocità della luce c Per un onda elettromagnetica vale quindi la relazione ν = c/λ 0
Il Concetto di Fotone Un onda elettromagnetica di frequenza ν è costituita da un insieme di fotoni (quanti di energia) L energia di un fotone è legata alla frequenza ν dalla nota relazione E = h ν = h (c/λ 0 ) dove h è la costante di Plank Plank (h= 6.626 10-34 J s).
Lo Spettro Elettromagnetico
La Corrente di Tubo Gli elettroni accelerati dal catodo all anodo costituiscono la corrente del tubo Gli elettroni urtano il target trasferendo la loro energia cinetica ai suoi atomi Una volta ceduta la loro energia cinetica, sono condotti al circuito elettronico attraverso l anodo
La Produzione di Calore Circa il 99% dell energia cinetica degli elettroni è convertito in calore Gli elettroni interagiscono con gli elettroni delle shell esterne degli atomi del target La produzione di calore cresce al crescere della corrente di tubo (ma( selezionati) e con la differenza di potenziale (KVp( selezionati) L efficienza nella produzione di raggi X non dipende dalla corrente di tubo, mentre dipende dai KVp applicati: a 60 KVp 0.5%, a 100 KVp 1% e a 20 MV il 70%.
Modello a Shell di un Atomo
I Raggi X: La Radiazione Caratteristica Gli elettroni interagiscono con elettroni di una shell interna ionizzando l atomo La transizione di un elettrone orbitale da una shell esterna ad una interna è accompagnata dall emissione di un fotone X
Raggi X Caratteristici del Tungsteno Raggi X Caratteristici del Tungsteno e Loro Energie (KeV( KeV) Shell L Shell M Shell N Shell O Shell P K 57.4 66.7 68.9 69.4 69.5 69 L 9.3 11.5 12.0 12.1 12 M 2.2 2.7 2.8 3 N 0.52 0.6 0.6 O 0.08 0.1 Energia Effettiva
La Radiazione di Bremsstrahlung I raggi X di Bremsstrahlung sono prodotti quando un elettrone è frenato dall interazione con il campo elettrico del nucleo Lo spettro di Bremsstrahlung è continuo e va da zero all energia massima (kvp( kvp)
Intensità dei Raggi X Intensità = energia/(area x tempo) = J/(m 2 s) L area di solito è quella del rivelatore L unità di tempo il secondo
Lo Spettro
Effetto della Corrente Un aumento della corrente in ma o dei mas comporta un aumento della quantità di raggi, ma non un miglioramento della qualità dello spettro
Effetto dei kvp 1/2 Un aumento dei kvp modifica sia la quantità che la qualità del fascio L area dello spettro aumenta con una potenza di due dell aumento dei kvp Va osservato che i kvp non hanno effetti sulla frequenza o lunghezza d onda della radiazione caratteristica.
Effetto dei kvp 2/2 Dal punto di vista diagnostico, un aumento del 15% dei kvp è equivalente a raddoppiare i mas Non raddoppia la quantità dei raggi (che richiederebbe un aumento del 40%), ma la migliore qualità dei raggi
Filtri L aggiunta di un filtro comporta un aumento dell energia media del fascio (qualità del fascio: indurimento) in quanto si ha un assorbimento di raggi a bassa energia
Materiale del Target Al crescere del numero atomico, aumenta l efficienza della produzione di radiazione di Bremsstrahlung e crescono i raggi ad alta energia Anche l energia dei raggi caratteristici aumenta per l aumento dell energia di legame
Effetto della Forma d Onda 1/9 Il generatore di alta tensione serve ad aumentare la tensione fino ai kvp desiderati Esso contiene: Il trasformatore ad alta tensione Rettificatore d onda
Effetto della Forma d Onda 2/9 La legge del trasformatore è: V s = N s /N p * V p Per la corrente: I s = N p /N s * I p La forma d onda è la stessa e quindi va rettificata
Effetto della Forma d Onda 3/9 La tensione va rettificata perché il flusso di elettroni deve avvenire solo dal catodo all anodo Si utilizzano i diodi a semiconduttore Giunzione p-np
Effetto della Forma d Onda 4/9 Rettificazione a mezza onda I raggi X sono pulsati, con 60 impulsi al secondo I portatili o i dentali posso essere auto-rettificanti alla mezza onda Non impiega metà della potenza e richiede un tempo di esposizione più lungo
Effetto della Forma d Onda 5/9
Effetto della Forma d Onda 6/9 Potenza Trifase La differenza di potenziale è quasi costante, cioè non si avvicina mai allo zero
Effetto della Forma d Onda 7/9 Generatori ad Alta Frequenza Un segnale rettificato ad onda intera a 50 Hz è convertito in un segnale ad alta frequenza tra i 500 ed i 25000 Hz
Effetto della Forma d Onda 8/9 Ripple Minori ripple implicano una maggiore intensità di raggi ed una migliore qualità degli stessi
Effetto della Forma d Onda 9/9 A causa di un ridotto livello di ripple,, l operatività con trifase o con generatori ad alta frequenza è equivalente approssimativamente ad un aumento del 12% nei KVp e circa del 100% nei mas rispetto ad un generatore monofase
Riepilogo Cambiamenti in quantità e qualità da fattori che influenzano lo spettro di emissione Un aumento in Corrisponde Corrente anodica (mas( mas) Voltaggio (kvp( kvp) Filtri Aumento del Z del Target Aumento dei voltage ripple Aumenta quantità; non cambia la qualità Aumenta quantità e qualità Diminuisce la quantità; aumenta la qualità Aumento in quantità e qualità Diminuisce la quantità e la qualità
L Intensità Si misura in Gy ed è una misura del numero di ioni prodotti in aria da una quantità di raggi X. La ionizzazione aumenta all aumentare della quantità di raggi X. L intensità è direttamente proporzionale ai mas L intensità è proporzionale al quadrato dei kvp: : per tenere costante la Densità ottica, un aumento del 15% dei kvp deve corrispondere ad un dimezzamento dei mas.
Intensità L intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente Quando la distanza è aumentata, i mas vanno aumentati con la legge del quadrato: mas mas SID 2 1 = 1 SID 2 2 2
Intensità del Fascio e DO Effetto di un aumento mas kvp Distanza Filtro Intensità Cresce proporzionalmente Cresce con il quadrato Decresce con il quadrato Riduce DO Cresce Cresce Si riduce Riduce
Qualità del Fascio La qualità del fascio è una misura della penetrabilità, cioè della capacità del fascio di attraversare i tessuti La qualità è definita numericamente dal HVL (Half-Value Layer), che dipende dai kvp e dalla filtrazione I mas e la distanza non cambiano la qualità del fascio, ma solo la quantità
Half-Value Layer 1/3 L attenuazione è la riduzione di intensità del fascio dovuta ad assorbimento e scattering La qualità del fascio è misurata dal HVL (normalmente da 3 a 5 mm Al) L HVL è lo spessore di materiale assorbente necessario a ridurre l intensità del fascio a metà del suo valore originale
Half-Value Layer 1/3 Disposizione per la determinazione del HVL Tipico esempio di grafico Intensità- Spessore 70 kvp con distanza 100cm tra target e rivelatore
HVL vs Kvp kvp HVL (mm Al) 50 1.9 75 2.8 100 3.7 125 4.6 150 5.4
Qualità del Fascio ed Intensità Un aumento di mas kvp Distanza Filtro Qualità Nessun effetto aumenta Nessun effetto aumenta Intensità aumenta aumenta Si riduce Si riduce