La Produzione dei Raggi XLa Produzione dei Raggi XMaster: Verifiche di Qualità in Master: Verifiche di Qualità in Radiodiagnostica, Medicina Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radioterapia Nucleare e Radioterapia Lezione 2 Lezione 2

Dr. Rocco Romano (Dottore di Ricerca)Facoltà di Farmacia, Università degli Studi di SalernoVia Ponte Don Melillo, 84084 - Fisciano E-mail: rocco.romano@na.infn.it, rromano@unisa.it

Raggi Raggi X: cosa sono costoro?X: cosa sono costoro?

I Raggi X sono ondeelettromagnetiche

Il Concetto di OndaIl Concetto di Onda

A = Ampiezzaλ = lunghezza d’ondaν= 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 cPer un’onda elettromagnetica vale quindi la relazione ν = c/λ0

Il Concetto di FotoneIl Concetto di Fotone

Un’onda elettromagnetica di frequenza Un’onda elettromagnetica di frequenza ν ν è è costituita da un insieme di fotoni (quanti di costituita da un insieme di fotoni (quanti di energia)energia)L’energia di un fotone è legata alla frequenza L’energia di un fotone è legata alla frequenza ν ν dalla nota relazione dalla nota relazione

E = h E = h ν = ν = h (ch (c/λ/λ00)dove h è la costante di dove h è la costante di PlankPlank (h= 6.626 ·10(h= 6.626 ·10--34 J· s). 34 J· s).

Lo Spettro ElettromagneticoLo Spettro Elettromagnetico

La Corrente di TuboLa Corrente di TuboGli elettroni accelerati dal Gli elettroni accelerati dal catodo all’anodo catodo all’anodo costituiscono la costituiscono la corrente corrente del tubodel tuboGli elettroni urtano ilGli elettroni urtano il targettargettrasferendo la loro energia trasferendo la loro energia cinetica ai suoi atomicinetica ai suoi atomiUna volta ceduta la loro Una volta ceduta la loro energia cinetica, sono energia cinetica, sono condotti al circuito condotti al circuito elettronico attraverso elettronico attraverso l’anodo l’anodo

La Produzione di CaloreLa Produzione di CaloreCirca il 99% dell’energia cinetica Circa il 99% dell’energia cinetica degli elettroni è convertito in degli elettroni è convertito in calorecaloreGli elettroni interagiscono con Gli elettroni interagiscono con gli elettroni delle gli elettroni delle shellshell esterne esterne degli atomi del target degli atomi del target La produzione di calore cresce La produzione di calore cresce al crescere della corrente di al crescere della corrente di tubo (tubo (mAmA selezionati) e con la selezionati) e con la differenza di potenziale (differenza di potenziale (KVpKVpselezionati)selezionati)L’efficienza nella produzione di L’efficienza nella produzione di raggi X non dipende dalla raggi X non dipende dalla corrente di tubo, mentre dipende corrente di tubo, mentre dipende dai dai KVpKVp applicati: a 60 applicati: a 60 KVpKVp0.5%, a 100 0.5%, a 100 KVpKVp 1% e a 20 MV 1% e a 20 MV il 70%.il 70%.

Modello a Modello a ShellShell di un Atomodi un Atomo

I Raggi X: La Radiazione I Raggi X: La Radiazione CaratteristicaCaratteristica

Gli elettroni interagiscono Gli elettroni interagiscono con elettroni di una con elettroni di una shellshellinterna ionizzando l’atomointerna ionizzando l’atomoLa transizione di un La transizione di un elettrone orbitale da una elettrone orbitale da una shellshell esterna ad una esterna ad una interna è accompagnata interna è accompagnata dall’emissione di un fotone dall’emissione di un fotone X X

Raggi X Caratteristici del TungstenoRaggi X Caratteristici del Tungsteno

Raggi X Caratteristici del Tungsteno e Loro Raggi X Caratteristici del Tungsteno e Loro Energie (Energie (KeVKeV))

ShellShell LL ShellShell MM ShellShell NN ShellShell OO ShellShell PP Energia Energia EffettivaEffettiva

KK 57.457.4 66.766.7 68.968.9 69.469.4 69.569.5 6969

LL 9.39.3 11.511.5 12.012.0 12.112.1 1212

MM 2.22.2 2.72.7 2.82.8 33

NN 0.520.52 0.60.6 0.60.6

OO 0.080.08 0.10.1

La Radiazione di La Radiazione di BremsstrahlungBremsstrahlung

I raggi X di I raggi X di BremsstrahlungBremsstrahlungsono prodotti quando un sono prodotti quando un elettrone è frenato elettrone è frenato dall’interazione con il campo dall’interazione con il campo elettrico del nucleoelettrico del nucleoLo spettro di Lo spettro di BremsstrahlungBremsstrahlungè continuo e va da zero è continuo e va da zero all’energia massima (all’energia massima (kVpkVp))

Intensità dei Raggi XIntensità dei Raggi X

Intensità = energia/(area x tempo) = J/(m2 s)L’area di solito è quella del rivelatoreL’unità di tempo il secondo

Lo SpettroLo Spettro

Effetto della CorrenteEffetto della Corrente

Un aumento della Un aumento della corrente incorrente in mAmA o deio deimAsmAs comporta un comporta un aumento della quantità aumento della quantità di raggi, ma non un di raggi, ma non un miglioramento della miglioramento della qualità dello spettroqualità dello spettro

Effetto dei Effetto dei kVpkVp 1/21/2

Un aumento dei Un aumento dei kVpkVp modifica sia la quantità modifica sia la quantità che la qualità del fascioche la qualità del fascioL’area dello spettro aumenta con una L’area dello spettro aumenta con una potenza di due dell’aumento dei potenza di due dell’aumento dei kVpkVpVa osservato che i Va osservato che i kVpkVp non hanno effetti non hanno effetti sulla frequenza o lunghezza d’onda della sulla frequenza o lunghezza d’onda della radiazione caratteristica.radiazione caratteristica.

Effetto dei Effetto dei kVpkVp 2/22/2

Dal punto di vista diagnostico, un aumento Dal punto di vista diagnostico, un aumento del 15% dei del 15% dei kVpkVp è equivalente a è equivalente a raddoppiare iraddoppiare i mAsmAsNon raddoppia la quantità dei raggi (che Non raddoppia la quantità dei raggi (che richiederebbe un aumento del 40%), ma la richiederebbe un aumento del 40%), ma la migliore qualità dei raggimigliore qualità dei raggi

FiltriFiltri

L’aggiunta di un filtro L’aggiunta di un filtro comporta un aumento comporta un aumento dell’energia media del dell’energia media del fascio (qualità del fascio (qualità del fascio: indurimento) in fascio: indurimento) in quanto si ha un quanto si ha un assorbimento di raggi assorbimento di raggi a bassa energiaa bassa energia

Materiale del TargetMateriale del Target

Al crescere del numero Al crescere del numero atomico , aumenta atomico , aumenta l’efficienza della l’efficienza della produzione di radiazione produzione di radiazione di di BremsstrahlungBremsstrahlung e e crescono i raggi ad alta crescono i raggi ad alta energiaenergiaAnche l’energia dei raggi Anche l’energia dei raggi caratteristici aumenta per caratteristici aumenta per l’aumento dell’energia di l’aumento dell’energia di legamelegame

Effetto della Forma d’Onda 1/9Effetto della Forma d’Onda 1/9

Il generatore di alta Il generatore di alta tensione serve ad tensione serve ad aumentare la tensione aumentare la tensione fino ai fino ai kVpkVp desideratidesideratiEsso contiene:Esso contiene:Il trasformatore ad alta Il trasformatore ad alta tensionetensioneRettificatore d’ondaRettificatore d’onda

Effetto della Forma d’Onda 2/9Effetto della Forma d’Onda 2/9

La legge del La legge del trasformatore è:trasformatore è:VVss = = NNss//NNpp * * VVpp

Per la corrente:Per la corrente:IIss = = NNpp//NNss * * IIpp

La forma d’onda è la La forma d’onda è la stessa e quindi va stessa e quindi va rettificatarettificata

Effetto della Forma d’Onda 3/9Effetto della Forma d’Onda 3/9

La tensione va La tensione va rettificata perché il rettificata perché il flusso di elettroni deve flusso di elettroni deve avvenire solo dal avvenire solo dal catodo all’anodocatodo all’anodoSi utilizzano i diodi a Si utilizzano i diodi a semiconduttoresemiconduttoreGiunzione pGiunzione p--nn

Effetto della Forma d’Onda 4/9Effetto della Forma d’Onda 4/9

Rettificazione a mezza Rettificazione a mezza ondaondaI raggi X sono pulsati, con I raggi X sono pulsati, con 60 impulsi al secondo60 impulsi al secondoI portatili o i dentali posso I portatili o i dentali posso essere autoessere auto--rettificanti alla rettificanti alla mezza ondamezza ondaNon impiega metà della Non impiega metà della potenza e richiede un potenza e richiede un tempo di esposizione più tempo di esposizione più lungolungo

Effetto della Forma d’Onda 5/9Effetto della Forma d’Onda 5/9

Effetto della Forma d’Onda 6/9Effetto della Forma d’Onda 6/9

Potenza TrifasePotenza TrifaseLa differenza di La differenza di potenziale è quasi potenziale è quasi costante, cioè non si costante, cioè non si avvicina mai allo zeroavvicina mai allo zero

Effetto della Forma d’Onda 7/9Effetto della Forma d’Onda 7/9

Generatori ad Alta Generatori ad Alta FrequenzaFrequenzaUn segnale rettificato Un segnale rettificato ad onda intera a 50 ad onda intera a 50 HzHzè convertito in un è convertito in un segnale ad alta segnale ad alta frequenza tra i 500 ed i frequenza tra i 500 ed i 25000 25000 Hz Hz

Effetto della Forma d’Onda 8/9Effetto della Forma d’Onda 8/9

RippleRippleMinori Minori rippleripple implicano implicano una maggiore intensità una maggiore intensità di raggi ed una di raggi ed una migliore qualità degli migliore qualità degli stessistessi

Effetto della Forma d’Onda 9/9Effetto della Forma d’Onda 9/9

A causa di un ridotto livello A causa di un ridotto livello di di rippleripple, l’operatività con , l’operatività con trifase o con generatori ad trifase o con generatori ad alta frequenza è alta frequenza è equivalente equivalente approssimativamente ad approssimativamente ad un aumento del 12% nei un aumento del 12% nei KVpKVp e circa del 100% neie circa del 100% neimAsmAs rispetto ad un rispetto ad un generatore monofasegeneratore monofase

RiepilogoRiepilogo

Cambiamenti in quantità e qualità da fattori che Cambiamenti in quantità e qualità da fattori che influenzano lo spettro di emissioneinfluenzano lo spettro di emissione

Un aumento inUn aumento in CorrispondeCorrisponde

Corrente anodica (Corrente anodica (mAsmAs)) Aumenta quantità; non Aumenta quantità; non cambia la qualitàcambia la qualità

Voltaggio (Voltaggio (kVpkVp)) Aumenta quantità e qualitàAumenta quantità e qualitàFiltriFiltri Diminuisce la quantità; Diminuisce la quantità;

aumenta la qualitàaumenta la qualitàAumento del Z del Aumento del Z del TargetTarget Aumento in quantità e qualitàAumento in quantità e qualitàAumento dei Aumento dei voltagevoltage rippleripple Diminuisce la quantità e la Diminuisce la quantità e la

qualitàqualità

L’IntensitàL’IntensitàSi misura in Si misura in GyGy ed è una misura ed è una misura del numero di ioni prodotti in del numero di ioni prodotti in aria da una quantità di raggi X. aria da una quantità di raggi X. La ionizzazione aumenta La ionizzazione aumenta all’aumentare della quantità di all’aumentare della quantità di raggi X.raggi X.L’intensità è direttamente L’intensità è direttamente proporzionale aiproporzionale ai mAsmAsL’intensità è proporzionale al L’intensità è proporzionale al quadrato dei quadrato dei kVpkVp: per tenere : per tenere costante la Densità ottica, un costante la Densità ottica, un aumento del 15% dei aumento del 15% dei kVpkVp deve deve corrispondere ad un corrispondere ad un dimezzamento deidimezzamento dei mAsmAs..

IntensitàIntensità

L’intensità è L’intensità è inversamente inversamente proporzionale al proporzionale al quadrato della quadrato della distanza dalla sorgentedistanza dalla sorgenteQuando la distanza è Quando la distanza è aumentata, iaumentata, i mAsmAsvanno aumentati con vanno aumentati con la legge del quadrato:

21 1

22 2

mAs SIDmAs SID

=la legge del quadrato:

Intensità del Fascio e DOIntensità del Fascio e DO

Effetto di un Effetto di un aumentoaumento

IntensitàIntensità DODO

mAsmAs Cresce Cresce proporzionalmenteproporzionalmente

CresceCresce

kVpkVp Cresce con il Cresce con il quadratoquadrato

CresceCresce

DistanzaDistanza Decresce con il Decresce con il quadratoquadrato

Si riduceSi riduce

FiltroFiltro RiduceRiduce RiduceRiduce

Qualità del FascioQualità del Fascio

La qualità del fascio è una misura della La qualità del fascio è una misura della penetrabilità, cioè della capacità del fascio penetrabilità, cioè della capacità del fascio di attraversare i tessutidi attraversare i tessutiLa qualità è definita numericamente dal HVL La qualità è definita numericamente dal HVL ((HalfHalf--ValueValue LayerLayer), che dipende dai ), che dipende dai kVpkVp e e dalla filtrazionedalla filtrazioneII mAsmAs e la distanza non cambiano la qualità e la distanza non cambiano la qualità del fascio, ma solo la quantitàdel fascio, ma solo la quantità

HalfHalf--ValueValue LayerLayer 1/31/3

L’attenuazione è la riduzione di intensità del L’attenuazione è la riduzione di intensità del fascio dovuta ad assorbimento e scatteringfascio dovuta ad assorbimento e scatteringLa qualità del fascio è misurata dal HVL La qualità del fascio è misurata dal HVL (normalmente da 3 a 5 mm Al)(normalmente da 3 a 5 mm Al)L’HVL è lo spessore di materiale assorbente L’HVL è lo spessore di materiale assorbente necessario a ridurre l’intensità del fascio a necessario a ridurre l’intensità del fascio a metà del suo valore originale metà del suo valore originale

HalfHalf--ValueValue LayerLayer 1/31/3

Disposizione per la Disposizione per la determinazione del determinazione del HVLHVLTipico esempio di Tipico esempio di grafico Intensitàgrafico Intensità--SpessoreSpessore70 70 kVpkVp con distanza con distanza 100cm tra target e 100cm tra target e rivelatorerivelatore

HVL HVL vsvs KvpKvp

kVpkVp HVL (mm Al)HVL (mm Al)

5050 1.91.9

7575 2.82.8

100100 3.73.7

125125 4.64.6

150150 5.45.4

Qualità del Fascio ed IntensitàQualità del Fascio ed Intensità

Un aumento diUn aumento di QualitàQualità IntensitàIntensità

mAsmAs Nessun effettoNessun effetto aumentaaumenta

kVpkVp aumentaaumenta aumentaaumenta

DistanzaDistanza Nessun effettoNessun effetto Si riduceSi riduce

FiltroFiltro aumentaaumenta Si riduceSi riduce