Corso di Diagnostica per Immagini

Facoltà di Medicina e Chirurgia

COSA SONO I RAGGI XI raggi X

sono onde elettromagnetichela cui

lunghezza d'ondaè molto più piccola di quella

delle radiazioni visibili .Furono scoperti casualmentedal fisico tedesco Roentegen

nel 1895 il quale, non sapendo di che tipo di radiazione si trattasse,

dette loro il nome di raggi X.

COSA SONO I RAGGI XI raggi X

vengono prodotti attraverso l'urto

tra un fascio di elettroniad alta energia

ed un disco compostoda un elemento ad alto numero

atomico (in genere tungsteno).

COSA SONO I RAGGI XSono, quindi, il risultato

della fortedecelerazione degli elettroni

nelle collisioni con i nuclei atomicie delle transizioni

degli elettroni nelle orbite più profonde

all'interno degli atomi.

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI X

I meccanismi di produzione dei raggi X sono due:

•Bremsstrahlung (o radiazione di frenamento)

•Radiazione caratteristica

Bremsstrahlung

Radiazione caratteristica

COSA SONO I RAGGI X

Gli elettroni ad alta velocitàvengono

bruscamente deceleratiquando passano vicinoagli atomi dell'anodo .

Gli elettroni hanno carica negativa e sono attratti dai nuclei

(a carica positiva), vengono deviati e perdono energia.La perdita di energia si concretizza

nell'emissionedi radiazione elettromagnetica

Bremsstrahlung

COSA SONO I RAGGI XBremsstrahlung

Dal punto di vistaquantistico,

vengono prodottimolti fotoni

di diversa lunghezza d'onda, ma nessun fotone ha più energia di quella posseduta inizialmente

dagli elettroni. Dopo l'emissione dello spettro di

raggi X,gli elettroni incidenti

rallentano o si fermano.

COSA SONO I RAGGI X

La perdita di energia avviene secondo la

relazione

E=hv

doveE rappresenta l'energia,h rappresenta la costante di Planckv rappresenta la frequenza

dell'onda elettromagnetica.

Bremsstrahlung

COSA SONO I RAGGI XBremsstrahlung

L'energia di una radiazione Xemessa

per Bremsstrahlung dipende dall‘ energia iniziale

dell'elettrone e dalla distanza tra

l'elettrone e i nuclei atomici.

COSA SONO I RAGGI XBremsstrahlung

COSA SONO I RAGGI XRadiazione caratteristicaQuesta radiazione è prodotta quando

un elettrone acceleratourta

un elettrone delle orbitali più internedi un atomo

L'elettrone viene rimossodal suo livello energetico,

che viene riempitoda un elettrone

di un livello superiore.

COSA SONO I RAGGI XRadiazione caratteristica

L'energia persa dall‘elettroneche precipita

viene emessasotto forma di raggi X.

Intanto, elettroni con energia maggiore occupano lo strato

vacante, spazio K ,nel guscio esterno.

COSA SONO I RAGGI X

Radiazione caratteristicaL'emissione di guscio K

produce raggi X di intensità maggiore

rispetto alla Bremsstrahlung,

i fotoni prodotti hanno tutti lamedesima lunghezza d'onda.

COSA SONO I RAGGI XRadiazione caratteristica

La radiazione X emessacorrisponde

alla differenza di energia tra i due livelli,

che risulta esserequindi

caratteristica dell'atomo e dei livelli stessi.

COSA SONO I RAGGI XRadiazione caratteristica

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI XNegli esami radiologici si usano

apparecchi che generano raggi X,detti tubi radiogeni.

Un tubo a raggi X è costituito da un'ampolla di vetro,

posta dentro un involucro metallico

rivestito di piombo. L'emissione dei raggi X

avviene solo da unapiccola zona non schermata detta

finestra

COSA SONO I RAGGI X

All’ interno dell’ ampolla di vetroviene creato

il vuoto molto spinto.In essa sono incorporati

due elettrodi, disposti l’uno di fronte all’altro,

denominati:

catodo ( con uno o due filamenti )anodo

COSA SONO I RAGGI X

Schema rappresentativo tubo radiogeno

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI X

Il catodo è l’ elettrodo negativodel tubo radiogeno ed è costituito da

un involucro metallico, “testa del catodo”,

realizzata normalmente in nichel o ferro nichelato,contenete

uno o due filamenti di tungsteno

COSA SONO I RAGGI X

Schema rappresentativo testa del catodo

Testa catodo

Filamento catodo

COSA SONO I RAGGI X

Una parte essenziale del catodo è la focusing cup.

Il suo ruolo è quello di restringere

il diametro del fascio di elettroni in modo che possano essere

diretti solo su una piccola parte dell'anodo,

la macchia focale.

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI XLa grandezza del filamento

determinail diametro del fascio di elettroni,

la grandezza della macchia focale e quindi il

diametro del fascio di raggi X prodotti.

Le dimensioni della macchia focale sonocritiche

per quanto riguardala qualità dell'immagine,

più piccola è la macchia focale,più puntiforme è la sorgente di radiazioniquindi migliore risulta l‘immagine finale.

COSA SONO I RAGGI X

La funzione del catodoè quella

di produrre elettroniper effetto termoelettrico:

Il filamento viene attraversatoda una corrente intensa che

riscalda il catodoe determina la produzione

di elettroni di conduzione

COSA SONO I RAGGI X

Variando la tensione applicataai capi del filamento

si fa variare la corrente che lo percorre,

quindi la sua temperatura ,

e di conseguenza la quantità di elettroni liberati

cioè i mA

COSA SONO I RAGGI X

L’energia cinetica degli elettroni aumenta all’aumentare della T del filamento.

Per valori di questa energia inferioread un certo valore limite,

gli elettroni rimangono confinati nell’ atomo.

All’aumentare della T aumenta anche l’E cinetica,

per cui gli elettroni superano la “barriera di potenziale” ed

escononello spazio vuoto

COSA SONO I RAGGI X

La temperatura del filamento di tungsteno

di un tubo a raggi X deve raggiungere almeno 2200° C

perchè si possa avere un’ emissione elettronica utile e non deve superare i 2500°C

perché quanto più è caldo tanto più tende ad evaporare

COSA SONO I RAGGI X

Applicandoun campo elettrostatico opportuno,

tra il catodo e l’ anodo,si possono convogliare

la nube di elettroni verso l’ anodo generando così

una corrente elettronica

COSA SONO I RAGGI XNei tubi radiogeni

si polarizzanegativamente il catodo e positivamente l’anodo,

con una differenza di potenzialetra i 40 e i 150 KV

affinché gli elettroniprodotti al catodo siano convogliati

verso l’ anodo con un energia sufficiente a provocare un’interazione

tale da generare un fascio di raggi X

COSA SONO I RAGGI XGli elettroni di conduzione,

quindi vengono accelerati verso l'anodo

grazie all'alta differenza di potenziale. La “costante di emissione primaria”

è la quantità di elettroni che un filo metallico riscaldato può fornire

per unità di potenza e dipende

dalla natura del filo,dallo stato e dall’ estensione

della sua superficie,dalla temperatura e dalla sua costituzione chimica

COSA SONO I RAGGI X

L’anodo è l’elettrodo positivodel tubo radiogeno.

Può essere fisso o rotante.E’ costituito da tungsteno.

COSA SONO I RAGGI XL’anodo fisso è costituito da rame

mentre,nel punto in cui

avviene il bombardamento,vi è una placchetta di tungsteno

dello spessore di circa 2 mmIl codolo è la parte in rame

dell’anodoprolungata all’esterno dell’ ampolla di vetro

per una più attiva dissipazionedel calore

COSA SONO I RAGGI X

Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo fisso

COSA SONO I RAGGI X

L’ anodo rotanteè costituito

da un piattello di tungsteno forgiatomontato tramite un

sottile stelo di molibdeno,sull’estremità di un cilindro di rame

(rotore),contenuto

nell’ampolla di vetrodel tubo radiogeno

COSA SONO I RAGGI X

Il piattello di tungstenoruota

durante il bombardamento degli elettroni.

Così metallo riscaldato dall’ impatto con gli elettroni

lascia il posto a del metallo più freddo,si’ da ripartire il calore su diuna superficie più grande

COSA SONO I RAGGI X

Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante

COSA SONO I RAGGI X

La funzione dell’ anodo è quelladi costituire un bersagliocontro il quale avviene l’impatto degli elettroni.

E’ questo impatto che provocal’emissioni di raggi X

COSA SONO I RAGGI X

Il bersaglio non è perpendicolareal fascio degli elettroni,

ma inclinatodi un angolo di circa 20°.

In questo modogli elettroni interagiscono con un'area

rettangolare (area focale)mentre i fotoni

escono da un‘ area quasi quadrata molto più piccola,

detta macchia focale o spot focale effettivo

COSA SONO I RAGGI X

Aumentandol'angolo di inclinazione,

aumenta l'area focale

che determinal'intensità

del fascio X in uscitaed aumentano anche le

dimensioni dello spot effettivo.

COSA SONO I RAGGI X

Il fuoco è quindila parte della superficie

dell’anodoche viene colpita dal fascio elettronicoproveniente dal filamento del catodo

e dalla quale prendono originei raggi X.

COSA SONO I RAGGI XFuoco elettronico:

sezione del fascio elettronico sulla superficie di impatto dell’anodo del tubo radiogeno

Fuoco termico:la parte dell’anodo sottoposta a riscaldamento per effetto dell’impatto del fascio elettronico

Fuoco ottico:l’area della proiezione ortogonale del fuoco elettronico vista sul fascio centrale del fascio di radiazione

COSA SONO I RAGGI XNei tubi ad anodo fisso

il fuoco termicocoincide

col fuoco elettronico

COSA SONO I RAGGI XNei tubi ad anodo rotante

il fuoco termicoè costituito da tutta la superficie circolare

colpita dal fascio elettronico per effetto della rotazione dell’anodo

COSA SONO I RAGGI X

Per FUOCO o MACCHIA FOCALEsi intende

sempre il FUOCO OTTICO

COSA SONO I RAGGI Xsolo l'1 % dell'energia cinetica

degli elettroniè disponibile per la produzione

di raggi Xil resto viene convertita in

energia termicae ciò può causare il deterioramento o

addirittura la fusionedell'anodo.

Per evitare l'eccessivo riscaldamentodell'anodo

vengono utilizzati anodi rotantiin modo che il fascio di elettroni

incida in punti diversi.

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI X

Perchè si usa il tungstenonei tubi a raggi X?

Esistono altri elementi che

possono produrre raggi X?

COSA SONO I RAGGI X

La maggior parte degli elementi emette raggi X

se opportunamente bombardatacon elettroni.

Gli elementi più pesanti(come il tungsteno)

sono i migliori poichè emettono una maggiore intensità di radiazione

attraversoil meccanismo di bremsstrahlung

COSA SONO I RAGGI X

La scelta è legata ad un problema tecnico:quasi tutta l'energia derivante

dall'impattoproduce solo riscaldamento del materiale.

Si utilizzail tungsteno poichè può sopportare

questo bombardamento, ha un elevato punto di fusione

ed è in grado di disperdere il calore molto bene

COSA SONO I RAGGI XPerchè lo spettro di guscio K dipende

dall'elemento utilizzato come bersaglio?Esiste un legame fra la lunghezza d'ondadel raggio X emesso

e il numero atomico dell'elementoQueste radiazioni sono dette caratteristiche,

perché sono proprie della natura chimicadell’ anodo.

Precise leggi della meccanica quantisticavietano alcune transizioni che collegano

L, M, N a K.

COSA SONO I RAGGI X

Per variarela quantità dei fotoni X

bisogna variarela corrente

che alimenta la spiralina catodica(misurata in mA):

incrementando la T del filamento è possibileottenere

una maggiore quantitàdi raggi X.

COSA SONO I RAGGI XPer variare la qualità dei fotoni X

emessi dal tubo radiogeno

bisogna agire sulla differenza di potenziale

(misurata in kV):a maggiore d.d.p. corrispondono

raggi X più energetici, cioè più penetranti.

COSA SONO I RAGGI X

I raggi X escono dal tuboattraverso un' apposita finestra.

A questo punto, le radiazioni a bassa energiadevono essere rimosse, infatti non sono abbastanza

intenseda attraversare il paziente

( quindi contribuire alla formazione dell'immagine)provocherebbero

solo danni al paziente stesso.Per assolvere tale funzione,

si usa un filtro di alluminio

Filtri e collimatori

COSA SONO I RAGGI X

I collimatori consentonodi regolare la forma e la grandezza del

fascio di raggi X.Questo controllo è necessario per due motivi:

-protezione delle persone,collimare le radiazioni significa ridurresostanzialmente le radiazioni diffuse e quindi diminuire l’esposizione del paziente ;

-qualità dell'immagine, le radiazioni diffuse riducono la definizione ed il contrasto.

Filtri e collimatori

COSA SONO I RAGGI X

Il dispositivo di collimazioneè costituito da una serie di lamine, da uno specchio e da una luce che

imitano il fascio di raggi X econsentono

all'operatore di regolare al meglioil fascio di radiazioni

prima di iniziarel'esposizione vera e propria.

Filtri e collimatori

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI X

I DIAFRAMMIsono dei limitatori di fascio che

permettono di confinareil fascio radiogeno alla zona da radiografare,

riducendo l’ esposizione al paziente

COSA SONO I RAGGI X

COSA SONO I RAGGI X

I tubi radiogeni

devono essere sempre racchiusi

in contenitori dedicati chiamati

guaine o anche cuffie

COSA SONO I RAGGI X

Sono degli involucri di piomboche hanno solo una

“finestra” radiotrasparentein corrispondenza del fascio di radiazioni,

di aperturasufficiente a delimitare tale fascio

Consentonouna schermatura protettiva

contro le radiazioni X e contro l’alta tensione applicata

agli elettrodi del tubo

GUAINE E CUFFIE

COSA SONO I RAGGI X

LA DIFFICOLTA’ CHE INCONTRIAMOPER RAGGIUNGERE LA NOSTRA META

E’IL CAMMINO PIU’ BREVEPER ARRIVARCI

K. Gibran

Principi di fisica DEF.lnk