Rentgenové spektrum – kvalitativně a kvantitativně

Rentgenové (rtg) spektrum lze popsat kvalitativně a kvantitativně. Kvalitou popisujeme prostupnost rtg svazku, s rostoucí energií je rtg svazek pronikavější. Kvantitou popisujeme množství fotonů v rtg spektru. Kvalita a kvantita rtg svazku je ovlivněna zejména materiálem terčíku, napětím rentgenky, proudem rentgenky, expozičním časem, filtrací a typem generátoru [1].

Jen pro připomenutí, rtg spektrum se skládá z brzdného (spojité spektrum) a charakteristického (diskrétní energie) záření.

Materiál terčíku
Materiál anody rentgenky neboli terčíku ovlivňuje efektivitu tvorby brzdného záření, přičemž energie fotonů brzdného záření je úměrná atomovému číslu materiálu terčíku. S rostoucím atomovým číslem Z terčíku vzniká více fotonů brzdného záření (kvantitativní změna) a současně to ovlivňuje energii fotonů charakteristického záření (kvalitativní změna) [1].

Napětí rentgenky (napětí mezi katodou a anodou)
Napětí rentgenky určuje maximální energii ve spektru brzdného záření a ovlivňuje tak kvalitu spektra. Efektivita produkce rtg záření je úměrná napětí rentgenky. Závislost je přibližně kvadratická, tj. množství záření je úměrné druhé mocnině napětí. Např. poměr množství rtg záření při 80 kV a 60 kV při stejném proudu rentgenky je roven cca 1,78. Zvýšením napětí roste efektivita produkce rtg záření, tím se mění kvantita a kvalita rtg spektra. Proto pro stejnou expozici je při zvýšení napětí vhodné snížit elektrické množství (mAs). Ukázka rtg spektra pro různá napětí je uvedena na obr. 1.

spektra_napetiObr. 1: Rtg spektra pro různá napětí (spektra vytvořena v programu SpekCalc)

Proud rentgenky (A)
Proud rentgenky vyjadřuje množství elektronů uvolněných z katody, které jsou urychlovány směrem k anodě, se kterou interagují. Množství fotonů v rtg spektru roste úměrně s rostoucím proudem (kvantitativní změna) [1].

Expoziční čas (ms)
Expoziční čas udává, jak dlouho trvá expozice. Množství vzniklých fotonů rtg spektra je přímo úměrné součinu proudu a času (mAs). Součin proudu a času se nazývá elektrické množství. Elektrické množství ovlivňuje rtg spektrum kvantitativně [1].

Filtrace
Rtg fotony vzniklé na terčíku rentgenky procházejí dvěma druhy filtrace, než se dostanou ven z rentgenky. První filtrace je základní filtrace (inherent filtration), která je tvořena skleněnou evakuovanou baňkou rentgenky (ekvivalent cca 0,8 mm Al), chladícím olejem (ekvivalent 0,1 mm Al) a výstupním okénkem (ekvivalent 0,05 mm Al) [2]. Druhou filtrací je přídavná filtrace (additional filtration). Jako přídavná filtrace se nejčastěji používá Al a/nebo Cu.

Filtrace ovlivňuje rtg spektrum kvantitativně i kvalitativně, protože odstraňuje ze spektra nízkoenergetické fotony. Tím se snižuje počet fotonů ve spektru (kvantitativní změna), ale mění se i střední energie spektra, která je vyšší (kvalitativní změna). Dochází k tzv. tvrdnutí svazku (beam hardening). Ukázka dvou spekter s maximální energií 80 keV, s filtrací 3,0 mm Al+0,0 mm Cu a 3,0 mm Al+0,2 mm Cu je na obr. 2. Oblast pod křivkou odpovídá celkovému počtu fotonů ve spektru.

graf_spektraObr. 2: Spektra s různými filtracemi (spektra vytvořena v programu SpekCalc)

Přídavná filtrace se používá zejména z toho důvodu, že odfiltrováním nízkoenergetických fotonů dochází ke snížení dávky na kůži pacienta. Tyto nízkoenergetické fotony by pouze zvýšily dávku na kůži pacienta, ale téměř by nepřispěly k tvorbě obrazu, protože by byla většina z nich pohlcena kůží pacienta. Přídavná filtrace má velký význam při intervenčních výkonech, kdy je určitá oblast kůže pacienta exponována mnoha expozicemi a může tedy dojít ke vzniku deterministických účinků, v tomto případě poškození kůže.

Typ generátoru
Rtg spektrum je ovlivněno typem generátoru. Zvlnění napětí (voltage ripple), definované jako (Vmax-Vmin)/Vmax, udávané v procentech, kde Vmax je maximální napětí, Vmin minimální napětí, ovlivňuje vzhled spektra. Není tedy dostatečné převést pouze střídavé napětí na stejnosměrné (rektifikace), ale je potřeba napětí vyhladit, protože efektivita tvorby rtg záření je největší tehdy, je-li na anodě neustále udržován kladný potenciál a je-li potenciál mezi katodou a anodou udržován na maximální, pokud možno konstantní hodnotě (je nevýhodné, aby napětí v rámci jednoho cyklu klesalo z maxima k nule). Největší zvlnění napětí poskytuje jednofázový generátor (100 %), s vyšším počtem fází klesá zvlnění napětí, např. 3-fázový 12-pulzní generátor poskytuje zvlnění napětí 3-10 %. Ukázka spektra pro napětí se zvlněním 100 % a 5 % je na obr. 3. Zvlnění napětí ovlivňuje spektrum kvalitativně i kvantitativně [1].

zvlneniObr. 3: Vliv zvlnění napětí na vzhled spektra [1]

Použitá literatura:
[1] Bushberg JT, Seibert JA, Leidholdt EM, Boone JM. The essential physics of medical imaging. Second edition. Lippincott Williams & Wilkins, 2002, Philadelphia
[2] Hende WR, Ritenour ER. Medical imaging physics. Fourth edition. Wiley-Liss, 2002, New York

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *