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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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Filtragem ecolimação
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Carga térmica dotubo
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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Produção de raios-X
Espectro de bremsstrahlung puro
Intensidade daemissão (foil elâmina)
• I ∝ NxE• N ∝ σ = 2πbdb• E ∝ Z
b• I = k(constante)
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Carga térmica dotubo
Produção de raios-X
Espectro de bremsstrahlung puro
Características
• Espectro contínuo• Energia
máxima≡potencialacelerador
• Auto-filtrado pelopróprio tubo (paraenergias baixas)
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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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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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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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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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Focalização
• Mediante campoeletrostático
• Vf =Vt
• Vf >Vt (melhorfocado)
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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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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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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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Potência do tubo
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Ponto focal
• Obtém-se por projeção• Depende do ângulo do
alvo e do tamanho docátodo e da suafocalização
• Muito importante para aresolução espacial daimagem
![Page 17: Professor Doutor. IFGW- UNICAMP M. A. B. Rodríguez · imagem. Professor Doutor. IFGW-UNICAMP M. A. B. Rodríguez Capítulo 5 Produção de raios-X Tubo de raios-X Filtragem e colimação](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062403/60568bfa072e5c4f240f3f89/html5/thumbnails/17.jpg)
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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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Ponto focal
• Tamanho variacom a posição nocamporadiográfico
• Aumenta nadireção anodo→catodo
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Carga térmica dotubo
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Medição do Ponto focalPadrões
• Pin-hole• Ranhura ou fenda• Estrela• Barra
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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Tubo de raios-X
Medição do Ponto focal
Padrões
• Pinhole• Ranhula• Estrela• Barra
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Tubo de raios-XEfeito de calcanhar
CausaOcorre uma atenuaçãodiferencial do feixedependendo dadirecção dos raios.
![Page 22: Professor Doutor. IFGW- UNICAMP M. A. B. Rodríguez · imagem. Professor Doutor. IFGW-UNICAMP M. A. B. Rodríguez Capítulo 5 Produção de raios-X Tubo de raios-X Filtragem e colimação](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062403/60568bfa072e5c4f240f3f89/html5/thumbnails/22.jpg)
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Carga térmica dotubo
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
![Page 23: Professor Doutor. IFGW- UNICAMP M. A. B. Rodríguez · imagem. Professor Doutor. IFGW-UNICAMP M. A. B. Rodríguez Capítulo 5 Produção de raios-X Tubo de raios-X Filtragem e colimação](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062403/60568bfa072e5c4f240f3f89/html5/thumbnails/23.jpg)
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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Carga térmica dotubo
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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Geração de raios-X
Transformadores
Funcionamento
• Permitem elevar oreduzir a voltagem deuma corrente alternada
• Baseiam-se nofenômeno da induçãoeletromagnética
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Geração de raios-X
Transformadores
Propriedades
• A frequência da correntenão muda, só a suaamplitude
• VPVS
= NPNS
• VP IP = VSIS(transformador ideal)
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Geração de raios-X
Componentes de um gerador de raios-X
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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
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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Filtragem ecolimação
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Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Circuitos do gerador
Rectificador de meia onda.Monofásico
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Filtragem ecolimação
Gerador de Raios-X
Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Circuitos do gerador
Rectificador de onda completa.Monofásico
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Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Circuitos do gerador
Diagrama de gerador monofásico
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Circuitos do gerador
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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Gerador de Raios-X
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Circuitos do gerador
Corrente alternada trifásica
Características
• Três ondasdefasadas 120o entresi
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Circuitos do gerador
Formas de ondas
Fator de ondulação(Ripple factor)
• R = Vmax−VminVmax
100%
• Menor com correntetrifásica
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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Exposição detrás do paciente
Principais factores
• Exposição∝ ZalvokVp2mAs (antes do paciente)• Exposição∝ ZalvokVp5mAs (detrás do paciente)
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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Fatores que afetam a emissãode raios-X
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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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Fatores que afetam a emissãode raios-X
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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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Potência do tubo
Raiz quadrada davoltagem quadráticamédia
Cálculo da potência do tubo
• Ptubo ∝ Vrms
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Gerador de Raios-X
Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Potência do tubo
Uso de raios-X e seu demanda de potência
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Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
Potência do tubo
Demanda de potência e tamanho do ponto focal
Maiores pontos focais produzem maiores correntes edemandam maiores potências
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Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Tubo de raios-X
Filtragem ecolimação
Gerador de Raios-X
Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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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Tubo de raios-X
Filtragem ecolimação
Gerador de Raios-X
Circuitos dogerador
Fatores que afetama emissão deraios-X
Potência do tubo
Carga térmica dotubo
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