Generatore
Un sistema a raggi-x
consiste di:
•Tubo a raggi-x
•Sistema di rilevazione
•Generatore
Il generatore trasferisce la potenza elettrica P (KW) al tubo a
raggi-x
I parametri U (KV) e I (mA) vengono impostati alla console del
generatore.
Anche lo start e stop dell’esposizione (tempo t) vengono definiti
alla console del generatore
La selezione del tempo t (s) e della corrente I (mA), cioè il carico
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elettrico Q (mAs) viene fatta in combinazione
Le funzioni basiche dei un generatore sono quindi la
generazione dei seguenti parametri:
• Alta Tensione U (KV)
• Corrente al tubo
I (mA)
• Start e stop
t (s)
Il tubo a raggi-x converte l’energia elettrica fornita in raggi-x
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La caratteristica della radiazione generata dipende dai differenti
livelli dei tre parametri di energia, ripercuotendosi nella qualità
della radiografia
U = Il livello di energia dei quanta di raggi-x generati dipende dal
livello dei KV forniti. La penetrazione dei quanta attraverso la
materia è maggiore tanto più alta è il livello della loro energia
I = La densità dei quanta di raggi-X (quanta per unità di tempo) è
tanto alta quanto alta è la corrente che passa attraverso il tubo
T = Il numero totale di quanta di raggi x dipende dal tempo durante
il quale un certo flusso irradia un oggetto, per permettere di
esporre un film radiografico o un oggetto ripreso da un tubo di una
telecamera
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Generatore
Il Generatore può essere considerato, in maniera molto
semplice, come un convertitore di tensione con le seguenti
funzioni principali:
• Trasformare la tensione di alimentazione in Alta Tensione
• Raddrizzare l’Alta Tensione in Tensione Continua
• Controllare l’Alta Tensione impostata fra i valori di 40 KV e
150 KV
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Affinché si possa ottenere uno spettro di emissione adeguato
la tensione che deve essere fornita al tubo radiogeno deve
essere:
• Continua
• Costante
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La tensione di alimentazione può variare in seguito ai maggiori
consumi nell’arco di una giornata all’interno dell’ospedale.
Questo porta ad una variazione dell’alta tensione e quindi
dell’energia delle radiazioni con un conseguente variazione della
qualità radiografica
Per ovviare a questo effetto viene utilizzato un sistema chiamato
• Compensazione di linea
Attraverso l’utilizzo di un autotrasformatore
L’autotrasformatore viene
inoltre utilizzato per
selezionare l’alta tensione
impostata alla console del
generatore
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La tensione,proveniente dall’autotrasformatore, compensata e
regolata in funzione della impostazione effettuata sulla console,
viene inviata al trasformatore di Alta Tensione.
L’aumento di tensione è proporzionale al rapporto fra il numero di
spire dell’avvolgimento secondario rispetto all’avvolgimento primario,
mentre il valore della corrente è ridotto proporzionalmente.
Il rapporto può variare da 500:1 fino a 1000:1
Poiché il trasformatore lavora
solamente con correnti
alternate, la forma d’onda
della tensione su entrambi i
lati è sinusoidale. La sola
differenza tra il primario e il
secondario è l’ampiezza.
La tensione del primario è
misurata in volt mentre la
tensione del secondario viene
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misurata in kilovolt
Poiché il tubo radiogeno può solamente sostenere una corrente che
fluisce dal catodo verso l’anodo, cioè continua, la tensione generata
dal trasformatore di alta tensione deve essere rettificata. La rettifica
è il processo che converte una tensione alternata in tensione
continua con l’utilizzo di elementi elettronici chiamati diodi
I diodi sono degli elementi
costruiti con dei
semiconduttori (silicio).
Sono denominati diodi allo
stato solido.
In origine i diodi erano
costituiti da valvole
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Gli elementi di rettifica, sia a valvole che allo stato solido, sono
assemblati in circuiti elettronici in grado di convertire la corrente
alternata in corrente continua necessaria per il funzionamento di un
tubo a raggi x.
Durante la porzione positiva dell’onda, il diodo conduce liberamente
e permette alla corrente di passare attraverso il tubo. Durante il la
porzione negativa dell’onda, il diodo non conduce e quindi non
circola nessuna corrente
La corrente risultante è una serie di impulsi positivi separati da
degli spazi duranti i quali non è permessa la circolazione della
corrente negativa
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Questa metodo di rettifica è chiamata rettifica a semi-onda perché
solo una metà dell’onda alternata appare in uscita. La parte negativa
dell’onda viene quindi rimossa
kV
t
Einpuls Generator
Questo tipo di raddrizzamento non viene mai usata nella radiologia
diagnostica in quanto viene persa metà della potenza
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E’ comunque possibile realizzare un circuito che permette che
rettifica tutta l’intera onda alternata. Questo circuito prevede
l’impiego di quattro diodi.
kV
t
Sia durante la fase positiva che negativa, la tensione attraverso il
tubo radiogeno è positiva e non ci sono intervalli tra le semionde.
Anche in questo caso, l’utilizzo di una singola fase è di poca
praticità in quanto la tensione ai capi del tubo scende a zero e
quindi con una emissione di bassa energia e poca penetrabilità
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E’ possibile evitare questo problema utilizzando una alimentazione
trifase. Con una tensione trifase vengono utilizzati dei particolari
circuiti che permettono di sovrapporre sei onde ottenendo una
alimentazione al tubo con una piccola oscillazione
Questo tipo di generatori vengono chiamati:
Generatore a sei impulsi
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E’ anche possibile realizzare dei circuiti che permettono di utilizzare
dodici curve che, sovrapposte, generano una tensione al tubo
praticamente costante
Questo tipo di generatori vengono chiamati:
Generatore a dodici impulsi
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Le forme d’onda rettificate sono caratterizzate da un parametro
chiamato
• tensione di ripple
La tensione di ripple è la variazione di tensione nella forma d’onda
rettificata, corrispondente ai valori di picco della tensione
sinusoidale
Una alimentazione ad una
fase, ha il 100% di tensione di
ripple in quanto la tensione
varia da zero al suo massimo.
Una tensione a tre fasi con
raddrizzamento a sei impulsi,
produce una tensione di
ripple di circa il 13%
Conseguentemente la tensione fornita al tubo non scende mai in
questo caso, al di sotto del 87%.
Con una tensione a tre fasi e raddrizzamento a dodici impulsi si
ottiene una tensione di ripple di appena 4% e quindi la tensione
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fornita al tubo non scende mai al di sotto del 96%
Il metodo più efficiente di produrre raggi x e quello effettuato con la
forma d’onda che possiede la tensione di ripple più bassa.
Il grande vantaggio sta nel fatto di avere una maggiore quantità e
qualità di radiazione.
• La quantità di radiazione x è maggiore perché l’efficienza di
produzione è maggiore quando la tensione al tubo è alta.
In altri termini, per ogni elettrone emesso dal catodo, maggiore
sarà il numero di raggi x prodotti quanto maggiore sarà la sua
energia
• La qualità aumenta con una tensione di ripple bassa perché
meno elettroni a bassa energia vengono proiettati dal catodo
all’anodo e quindi vengono prodotti meno radiazioni x a bassa
energia.
Poiché l’emissione di raggi x è maggiore in quantità e qualità, per
le radiografie prodotte con sistemi trifasi, è necessario utilizzare dei
parametri diversi (fino a 10 KV in meno) a parità di densità ottica
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sulla radiografia.
Emissione nominale di energia a 70 KV
1
Tensione continua
6 - Impulsi
0,8
2 - Impulsi
0,6
0,4
0,2
Energia
0
20
40
60
80
keV
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Schema a blocchi di un generatore tradizionale
Rete
Avviamento
anodo
Parte di
potenza
per la
generazione
dell‘alta
tensione
UR
Circuito di
Misura KV
UR Regolatore
Circuito di
Misura mA
IR Regolatore
IR
Circuiti per
L‘accensione
Filamenti
Tubo rx
Riferimento
Riferimento
Comandi
controllo
calcolo
Esposizione automatica
Interfaccia con accessorio radiologico
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Circuito di alimentazione dell’anodo
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Circuito di alimentazione del filamento
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Il grande svantaggio di un generatore
tradizionale, sta nelle grandi dimensioni
del trasformatore di alta tensione a causa
della frequenza del circuito di
alimentazione (50 o 60 Hz).
Se tuttavia si considera l’equazione
semplificata del trasformatore
si nota che ad un aumento della
frequenza f corrisponde una simultanea
diminuzione del numero delle spire n
dell’avvolgimento
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I generatori moderni forniscono l’alta tensione al trasformatore con
alta frequenza (fino 25 KHz). Lo spazio richiesto per i cosiddetti
“generatori ad alta frequenza” è quindi estremamente ridotto.
Per fornire il trasformatore di alta tensione con frequenze più alte
della frequenza di rete, è prima necessario raddrizzare la tensione
di rete. La tensione raddrizzata alimenta successivamente un
“inverter”
Un “inverter” è un circuito elettronico che converte una corrente
continua in una corrente alternata. In questo caso la conversione
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avviene ad una frequenza elevata.
Tensione al tubo
40 – 150 KV
Potenza
30 – 55 KW
Tensione al tubo
40 – 150 KV
mAs di lavoro
0,5 – 800 mAs
Potenza
65 – 80 KW
Esposizione
1 ms – 5s
mAs di lavoro
Potenza dissipata
1 KW
Esposizione
0,5 – 800 mAs
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1 ms – 5s
Potenza dissipata
2 KW
La tensione alternata generata dall’inverter, alimenta il
trasformatore di alta tensione
Sul lato secondario del trasformatore viene effettuato il
raddrizzamento e il livellamento dell’alta tensione.
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Raddrizzamento
Filtro
Di
di
linea
livellamento
Inverter
Trasformatore Raddrizzamento Livellamento
di
di
di
alta tensione
alta tensione
alta tensione
U
t
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U [kV]
U [kV]
6 - Impulsi
Multi impulso
30 x più corto
3,33
t [ms]
0,1
t [ms]
A parità di valore di tensione di ripple, con tempi brevi di emissione
aumenta la qualità delle radiazioni x
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Con i generatori ad alta frequenza la tensione di ripple si abbassa
fino ad ottenere un valore inferiore all’uno percento, con un
evidente influenza positiva sulla qualità delle radiazioni x emesse
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Le più importanti funzioni del generatore ad alta frequenza sono:
• Il circuito di potenza, per generare l’alta tensione per il tubo a
raggi x
• il circuito di avviamento per la rotazione dell’anodo
• il riscaldamento del filamento, per generare la necessaria nube
elettronica attorno al filamento
• i circuiti di controllo del generatore, per l’impostazione dei valori
dalla console e la comunicazione con le apparecchiature collegate
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• circuiti interni, per l’accensione e alimentazione del generatore
Circuito di potenza – alimentazione di linea
R
R
R
Un elemento importante del circuito di potenza è la resistenza di
linea dell’alimentazione.
Una resistenza di linea troppo alta porta ad una elevata caduta di
tensione sulla linea che si ripercuote in una minore potenza al
generatore e quindi al tubo.
La resistenza di linea è dovuta alla sezione dei cavi di
alimentazione, della loro lunghezza, dalla resistenza del
trasformatore nella centrale elettrica di distribuzione
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Circuito di potenza - inverter
Il compito dell’inverter è quello di
convertire la tensione continua
(DC) in tensione alternata (AC)
con una frequenza molto più alta
rispetto alla frequenza di
alimentazione e per questa
ragione è necessario un circuito
“switching”. Gli elementi
“switching” devono essere molto
potente in quanto le correnti in
gioco sono molto alte (fino a
100 A)
Esistono due tipi di elementi:
• Tiristori
• IGBT
(Insulated Gate Bipol Transistor)
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Circuito di potenza - trasformatore
L’alimentazione al tubo radiogeno è divisa i due sezioni, ognuna
delle quali produce una alta tensione ma con polarità invertita e
simmetrica rispetto al potenziale di terra. In questo modo i valori di
isolamento possono essere riferiti ad una massima tensione di 75
KV.
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Circuito di potenza - trasformatore
All’interno del contenitore del trasformatore si possono inoltre
trovare dei componenti (resistenze) utilizzate per monitorare sia la
corrente al tubo che l’alta tensione. Nello schema sopra troviamo:
P -> mA act (lato positivo)
N -> mA act (lato negativo)
Utilizzati per monitoraggio e controllo della corrente del tubo
R+ -> (+) KV act (alta tensione del lato positivo)
R- -> (-) KV act (alta tensione del lato negativo)
Utilizzati per monitoraggio e controllo dell’alta tensione
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Circuito di alimentazione del filamento
Per ottenere raggi x è necessario
che degli elettroni bombardino un
bersaglio (anodo).
Gli elettroni necessari vengono
prodotti riscaldando un filo di
tungsteno (filamento).
La radiazione viene emessa quando gli elettroni liberi vengono
accelerati e colpiscono l’anodo. Perché questo avvenga sono
necessari due parametri:
-Elettroni liberi, emessi dal filamento
-Alta tensione per accelerare gli elettroni
Corrente di filamento (IH)
Per avere elettroni liberi, essi devono essere generati dalla
corrente di filamento. La corrente di filamento è quindi necessaria
per avere la corrente del tubo. Non esiste una relazione lineare
tra la corrente di filamento e la corrente del tubo. In questo
senso, ogni tubo possiede una sua speciale caratteristica 32 / 49
Circuito di alimentazione del filamento
L’esecuzione di una radiografia in
tempi rapidi è spesso richiesta
durante gli esami dinamici in
fluoroscopia, per documentare dei
dettagli visualizzati in tempo reale.
La rotazione normale dell’anodo ci impiega 0,5 sec per
raggiungere i giri richiesti. Durante il tempo di accelerazione,
deve essere raggiunta la corretta emissione e per questo il
filamento deve essere riscaldato. Ma il filamento è un sistema
relativamente lento e incapace a generare la necessaria
emissione in così poco tempo. Per risolvere questo problema, il
filamento del tubo deve essere pre-riscaldato
Con tubi standard (diametro del filamento = 0,22 mm) i due fuochi
vengono pre-riscaldati come segue:
Fuoco piccolo -> aprox 3A
Fuoco grande -> aprox 2A
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Circuito di alimentazione del filamento
Il fuoco piccolo viene utilizzato per la
fluoroscopia. Per questa ragione la
corrente di riscaldamento del
filamento è più alta in quanto una
piccola quantità di elettroni è
necessaria per l’emissione in
fluoroscopia. La corrente di
riscaldamento di standby è la base
della corrente di filamento durante
la fluoroscopia
La corrente di riscaldamento di standby del fuoco grande deve
essere necessariamente più bassa del limite di emissione in
quanto si avrebbero due macchie focali e un conseguente
sfuocamento dell’immagine
Corrente massima di filamento (JHmax)
La corrente massima di filamento nei tubi standard è di circa 5A.
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Questo valore non deve essere mai superato
Circuito di alimentazione del filamento
Corrente di Boost del filamento
Sebbene il filamento sia
preriscaldato, il tempo di
preparazione non è spesso
sufficiente per raggiungere
l’emissione richiesta. Per questo è
necessaria un aumento della
corrente di filamento (Jpush) durante
la preparazione
Corrente di riscaldamento di esposizione
Il livello della corrente di riscaldamento per una esposizione
dipende dal tipo di tubo, dal fuoco selezionato e dai parametri di
esposizione selezionati (KV, mA)
Per un tubo standard il valore della corrente è compreso tra 4A e
5A
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Circuito di alimentazione del filamento
Durante il periodo di standby, il
filamento usato per fluoroscopia
viene riscaldato con circa 2,8 A. Il
fuoco non usato per fluoroscopia
viene pre-riscaldato con circa 2 A
Quando viene rilasciata una
radiografia (pre-contatto VK),viene
attivata una corrente di push. Questo
è un aumento del riscaldamento
necessario per avere una emissione
sufficiente di elettroni dopo la
preparazione
Dopo il tempo di spinta, il
riscaldamento di esposizione è
attivo. Il valore dipende dai valori di
esposizione selezionati (KV, mA)
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Circuito di alimentazione del filamento
Alla seconda posizione del pulsante
raggi, viene rilasciato il contatto
principale. A questo punto il
riscaldamento di esposizione non
viene più cambiato e il generatore è
pronto per generare alta tensione
Con l’applicazione dell’alta tensione
al tubo, viene generata una corrente
del tubo (mA) e viene attivato il
circuito di controllo della corrente del
tubo. Questo significa che se la
corrente del tubo non corrisponde a
quanto richiesto, la corrente di
filamento deve essere
opportunamente corretta
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Circuito di alimentazione del filamento
Corrente al tubo troppo bassa alla
inizializzazione
Se la corrente del tubo all’inizio
dell’esposizione non è sufficiente,
deve essere aumentata leggermente
la corrente di riscaldamento.
Corrente al tubo troppo alta alla
inizializzazione
Nel caso si abbia troppa emissione
x, deve essere diminuita la corrente
del tubo e quindi la corrente di
riscaldamento.
Nel caso di una singola esposizione,
il generatore ritorna alla corrente di
standby dopo un piccolo ritardo
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Circuito di alimentazione del filamento
I tubi standard
contengono due fuochi.
Per la corrente di
filamento richiesta, nel
contenitore del
trasformatore di alta
tensione sono locati
due trasformatori
distinti, uno per ogni
fuoco
La corrente richiesta viene controllata attraverso due inverters
(fuoco piccolo e fuoco grande) i quali ricevono i segnali di
regolazione dai controlli della corrente di filamento e del tubo.
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Controllo della dose
Esistono due modi di controllo della quantità di radiazione applicata
durante l’esposizione o la fluoroscopia :
-controllo in mAs mode (dati impostati)
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-Controllo automatico di esposizione
Controllo della dose
Nel controllo in mAs mode,
viene impostata l’emissione
del tubo e la dose ricevuta sul
piano dell’imagine non è
conosciuta. Questa
metodologia viene utilizzata
solamente nella tecnica
diretta quando, ad esempio,
una mano o un piede
vengono posizionati
direttamente sulla cassetta.
Nel controllo automatico della esposizione, la dose viene
controllata per ottenere una corretta esposizione. Il carico (mAs) al
tubo viene impostato in funzione delle dimensioni del paziente.
Nella tecnica diretta, con l’uso di cassette radiografiche, la dose
viene misurata con una camera di ionizzazione davanti alla cassetta
Nella tecnica indiretta, DFR, viene misurata con un
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fotomoltiplicatore la luce all’uscita dell’intensificatore di immagine
Controllo della dose in mAs mode
Durante l’esposizione la corrente del tubo viene misurata per
controllare la corrente del filamento. La stessa corrente viene
uitlizzata per monitorare i mAs. La tensione (segnale blu), ricavata
dalla misura della corrente del tubo, viene trasformata in frequenza.
Gli impulsi generati decrementano un contatore impostato
attraverso i dati di esposizione inseriti alla console.
Gli impulsi generati vanno a decrementare il contatore finché non
viene raggiunto il valore zero.
Al valore “zero”, il segnale in uscita (rosso) blocca l’inverter42dell’alta
/ 49
tensione terminando l’esposizione.
Controllo automatico della esposizione
Conoscendo i valori di dose richiesti per un certo annerimento della
pellicola, viene impostato un contatore ad un valore che
rappresenta la dose (freccia nera). Durante l’esposizione viene
misurata la corrente di ionizzazione (blu), proporzionale alla dose, la
quale viene convertita in tensione e successivamente in frequenza.
Gli impulsi generati decrementano il contatore fino a che non viene
raggiunto il valore di “zero”.
A questo punto, l’alta tensione viene bloccata dal segnale in uscita
(rosso) terminando l’esposizione.
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Controllo automatico della esposizione
Conoscendo i valori di dose richiesti per un ottima visualizzazione e
ripresa delle immagini, viene impostato un contatore ad un valore
che rappresenta la dose (freccia nera). Durante l’esposizione viene
misurata l’intensità di luce alla uscita dell’intensificatore di brillanza
(blu), proporzionale al dose rate, la quale viene convertita in
tensione e successivamente in frequenza.
Gli impulsi generati decrementano il contatore fino a che non viene
raggiunto il valore di “zero”.
A questo punto, l’alta tensione viene bloccata dal segnale in
44 / uscita
49
(rosso) terminando l’esposizione.
Controllo automatico della Dose Rate in
fluoroscopia – Autom. Dose Rate Regulation (ADR)
In Fluoroscopia, il sistema di controllo calcola la 20ms-dose, e
regola il contatore conseguentemente. Come nel controllo
automatico della dose, viene misurata la luce e decrementato il
contatore (blu). Ogni 20 ms di misura, il valore rimanente nel
contatore, che rappresenta la deviazione dal valore preimpostato,
viene trasferito ai circuiti di controllo i quali correggono i parametri di
KV e mA (rossi) finché la deviazione di dose-rate è zero. 45 / 49
Controllo automatico della esposizione
fluoroscopia
Con l’aumento delle
dimensioni dei pazienti, un
maggior numero di raggi x
vengono assorbiti dal corpo
con un conseguente degrado
della qualità di immagine.
Come visto in precedenza, il
sistema ADR mantiene
costante la quantità di luce in
uscita adattando l’emissione
del tubo.
Combinando differenti valori di KV/mA, come visualizzato nel
grafico, si può influire significativamente sulla qualità della
radiazione.
Le tre croci rappresentano valori differenti di KV ottenute con lo
stesso paziente ma con diverse curve di fluoroscopia:
46 / 49
Controllo automatico della esposizione
Antiisowatt:
La curva lineare grigia,
aumenta costantemente la
potenza fornita al tubo da 4W
fino 440W e viene utilizzata
principalmente per
calibrazione
Curva di riduzione della dose:
La curva verde con KV alti fornisce una radiazione meno
dannosa ma con un contrasto ridotto. Nonostante il nome della
curva, la dose fornita non viene ridotta
Curva di contrasto:
La curva blue cerca di mantenere un ottimo contrasto
nell’intervallo compreso fra i 60 KV ai 80 KV, indipendentemente
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dalle dimensioni del paziente.
Controllo della dose
DIAMENTOR:
Il Diamentor viene utilizzato per la misura del prodotto Areadose, che corrisponde praticamente alla dose pelle.
La camera di ionizzazione è direttamente connessa al
collimatore e collegata a un controllo che genera degli impulsi
dipendenti dalla dose durante l’emissione per esposizioni, serie e
fluoroscopia. Gli impulsi vengono inviati al generatore che li
visualizza sulla console.
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Circuito di controllo dell’anodo
Il circuito di avviamento dell’anodo è un inverter alimentato dai
circuiti intermedi. La sequenza corretta che controlla lo statore
del tubo viene generata dai circuiti di controllo.
Una volta accelerato, l’anodo viene lasciato ruotare liberamente
controllando comunque la sua velocità di rotazione.
Se la frequenza di rotazione scende al di sotto di un minimo,
l’anodo viene accelerato di nuovo per un breve periodo.
La decelerazione avviene applicando tensione continua al rotore
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finché l’anodo non si ferma
