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ProfessorDoutor.IFGW-

UNICAMP

M. A. B.Rodríguez

Introdução Física da Radiología-F852. Aula 3-4

Mário Antônio Bernal Rodríguez 1

1Departamento de Física Aplicada-DFAUniversidade Estadual de Campinas-UNICAMP Local-DFA 68

email: [email protected] pessoal: www.ifi.unicamp.br\ ∼mabernal


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Introdução

Resumo

1 Produção de raios-X. Tubos e geradores.Produção de raios-XTubo de raios-XFiltragem e colimaçãoGerador de Raios-XCircuitos do geradorFatores que afetam a emissão de raios-XPotência do tuboCarga térmica do tubo


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Capítulo 5Produção deraios-X

Tubo de raios-X

Filtragem ecolimação

Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador

Fatores que afetama emissão deraios-X

Potência do tubo

Carga térmica dotubo

Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Produção de raios-X

Espectro de bremsstrahlung puro

Intensidade daemissão (num film)

• I ∝ NxE• N ∝ σ = 2πbdb• E ∝ Z

b• I = k(constante)


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo




Intensidade daemissão (foil elâmina)

• I ∝ NxE• N ∝ σ = 2πbdb• E ∝ Z

b• I = k(constante)


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo




Características

• Espectro contínuo• Energia

máxima≡potencialacelerador

• Auto-filtrado pelopróprio tubo (paraenergias baixas)


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Espectro de raios-X Características

• Espectro discretosuperposto sobreespectro contínuo

• As linhas deemissãocaracterísticascorrespondem aoalvo

• Para Tungstênio:EKα1 = 59.32keVEKα2 = 57.98keVEKβ1 = 67.24keV


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Eficiência de emissão

•• ( dσ

dW )Brem/( dσdW )Exc,Ion = Ek Z

820 , Ek enMeV

• Para Z=74 (Tungstênio) e elétronsde 100 keV,>99% da energia doselétrons é convertido em calor

• Para Z=74 (Tungstênio) e elétronsde 6 MeV, esta razão é 54%


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Diagrama de tubo rotatório real Componentes mínimos

• Anodo• Catodo• Tubo ao vácuo• Transformador de alta

voltagem• Motor do alvo• Janela de saída• Potencial acelerador

20-150 kV• Corrente 1-1000 mA


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

O catodo

• Dois filamentos dediferentestamanhos

• Taça de focado• Polarização ∼10 V• Corrente de

alimentação ∼ 3-7A

• Emissãotermo-iônica


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Focalização

• Mediante campoeletrostático

• Vf =Vt

• Vf >Vt (melhorfocado)


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Itubo.vs.Ifilamento

• Ocorre saturação paraVtubo baixo. Vtubo baixonão tira suficienteselétrons e a nuvem deelétrons ao redor dofilamento apantalha ocampo gerado pelopotencial do tubo.


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Anodo

• Fixo ou rotatório• Material com Z alto

inserido em cobre parasuporte mecânico eextração do calor.

• Produz raios-X mediantebremsstrahlung efluorescência

• Produz muito calor(baixa eficiência deraios-X). Tem que serrefrigerado


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Anodo rotatório

• 3000-3600 rpm, motormonofásico

• 9000-1000 rpm, motortrifásico

• Melhora a dissipação docalor por maior área emassa do alvo

• A=2πr∆r


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Ponto focal

• Obtém-se por projeção• Depende do ângulo do

alvo e do tamanho docátodo e da suafocalização

• Muito importante para aresolução espacial daimagem


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Ângulo do alvo-tamanho do cátodo

Ângulo do alvo

• 7-9o para campospequenos (p.e.angiografia)

• 12-15o paracampos grandes(p.e. radiografia)


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Ponto focal

• Tamanho variacom a posição nocamporadiográfico

• Aumenta nadireção anodo→catodo


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Medição do Ponto focalPadrões

• Pin-hole• Ranhura ou fenda• Estrela• Barra


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Medição do Ponto focal

Padrões

• Pinhole• Ranhula• Estrela• Barra


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-XEfeito de calcanhar

CausaOcorre uma atenuaçãodiferencial do feixedependendo dadirecção dos raios.


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Filtragem

• Inerente: Devido à janela de saída do tubo.Convencional: alumínio ou vidro. Mammografia:Berílio (para obter mais fótons de baixa energia).

• Adicional Agregado para endurecer (aumentarenergia e o HVL) o feixe e assim diminuir a dose nopaciente.

• O HVL é regulamentado por normas, segundo o kVpto tubo (trade-off dose qualidade de imagem).


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Tubo de raios-X

Colimadores Causa

• Definem o campode irradiação

• Uma lâmpada éusada junto comum espelho parasimular o campode radiação

• Ajuda a evitarirradiação nãonecessário detecidos


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Geração de raios-X

Transformadores

Funcionamento

• Permitem elevar oreduzir a voltagem deuma corrente alternada

• Baseiam-se nofenômeno da induçãoeletromagnética


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Transformadores

Propriedades

• A frequência da correntenão muda, só a suaamplitude

• VPVS

= NPNS

• VP IP = VSIS(transformador ideal)


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Componentes de um gerador de raios-X


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Circuitos do gerador

Rectificador de meia onda.Monofásico


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Rectificador de onda completa.Monofásico


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Diagrama de gerador monofásico


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Corrente alternada monofásicaCaracterísticas

• Só uma onda• Corrente do tubo não

linear com a voltagempara <40 kV

• Mínimo tempo deexposição limitado a1/120 s


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Corrente alternada trifásica

Características

• Três ondasdefasadas 120o entresi


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Formas de ondas

Fator de ondulação(Ripple factor)

• R = Vmax−VminVmax

100%

• Menor com correntetrifásica


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Controle do tempo deexposição

Circuito de controle Características

• Usa detector (câmarade ionização oudiodo) para medir aexposição perto dapelícula

• Un circuito compara aexposição com umvalor previamenteescolhido


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Controle do tempo deexposição

Circuito de carga decrescente

Características

• A carga começa pelovalor máximo quesuporta o tubo

• Reduz o tempo deexposição comrespeito à cargaconstante


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Fatores que afetam a emissãode raios-X

Principais fatores

• Material do anodo: determina a eficiência de bremsstrahlung(∝ Z )e a influi na qualidade da radiação (pelos raios-Xcaracterísticos).

• Potencial do tubo: Determina a energia máxima do espectro deraios-X.Exposição∝ kVp2. Sem presença do paciente.Exposição∝ kVp5. Com presença do paciente.

• Corrente do tubo: Influi na fluência de fótonsTaxa de exposição∝ mA

• Tempo de exposição: Exposição∝ tempo


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Exposição detrás do paciente

Principais factores

• Exposição∝ ZalvokVp2mAs (antes do paciente)• Exposição∝ ZalvokVp5mAs (detrás do paciente)


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Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Factores que afetam a emissãode raios-X

Principais fatores

• Filtração do feixe: Modifica o espectro do feixe e atenua a fluênciade fótons. Os fótons de baixa energia são eliminadospreferencialmente. O feixe se endurece.

• Forma de onda: O fator de ripple influi na qualidade do feixe.Maior ripple da onda diminui a energia média do feixe.


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Influência do potencial noespectro

Comportamento

• Determina a energia máxima• Com altos kVp aparecem os

pico característicos.• Para uma filtragem, a energia

mínima do espectro éindependente do potencial dotubo

• A fluência de fótons aumentacom o kVp


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo



Influência da forma daonda

Comportamento

• Maior ripple diminui opotencial acelerador médio eassim, a energia média dofeixe. Também diminui afluência de fótons


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Potência do tubo

Cálculo da potência do tubo

• Pele = VI• Definição: Ptubo = kVpAmax , durante 0.1 s (devido a limitações

térmicas)• Grandes pontos focais, altas velocidades de rotação do ânodo,

grandes massas e diâmetros do ânodo e pequenos ângulos doânodo, contribuem a altas potências do tubo.


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Potência do tubo

Raiz quadrada davoltagem quadráticamédia

Cálculo da potência do tubo

• Ptubo ∝ Vrms


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Potência do tubo

Uso de raios-X e seu demanda de potência


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Potência do tubo

Demanda de potência e tamanho do ponto focal

Maiores pontos focais produzem maiores correntes edemandam maiores potências


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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Resumo



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Tubo de raios-X


Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Carga térmica

Definição da unidade de calor (HU)

• Energy(HU) = f Vtubo(kVp) Itubo(mA) texp(s)f=1, corrente monofásicaf=1.35, corrente trifásicaf=1.40, corrente constante

• Energy(J) = f V rmstubo(kVp) Itubo(mA) texp(s)

1 HU=1.4 J (corrente monofásica)


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Gerador de Raios-X

Circuitos dogerador


Potência do tubo


Carga térmica

Curvas de carga térmica permitida

C) ponto focal de 1.2 mm, carga=120 kW, wanodo=3000 rpmD) ponto focal de 1.2 mm, carga=120 kW, wanodo=10000 rpm

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