Zatěžovací, vychlazovací, zahřívací a angiografická charakteristika rentgenky

Při dopadu elektronů z katodového vlákna na anodový terčík vzniká velké množství tepla, což vede k velkému zahřátí terčíku (pouze 1 % energie elektronů dopadajících na terčík je přeměněno na fotony rtg záření, zbytek na teplo). Proto by měl mít terčík velkou tepelnou vodivost, aby byl schopný odvést teplo do okolí. Z důvodu velkého množství vznikajícího tepla se pro rtg diagnostiku používají většinou rentgenky s rotační anodou. Anoda rotuje s frekvencí až 10 000 otáček/minutu. Tepelná energie je vyzářena do chladícího oleje obtékajícího evakuovanou baňku rentgenky. Rentgenky se stacionární anodou se používají pouze pro některé aplikace, např. u zubních rtg zařízení a u některých pojízdných rtg zařízení, kdy není vyžadováno tak velké zatížení. Právě rotující terčík dokáže odvést větší množství energie, čímž umožňuje větší zatížení ohniska (produkci více fotonů). Ještě efektivnější odvedení tepla umožňují rotující rentgenky (více o rozdílu mezi rentgenkou s rotační anodou a rotační rentgenkou zde) [1].

Každá rentgenka je charakterizována maximálním možným napětím pro urychlení elektronů mezi katodovým vláknem a anodovým terčíkem, a stejně tak maximálním možným proudem. Je-li použito kontinuální zatížení, je maximální možný proud nižší než pro případ pulzního zatížení [1].

Energetické zatížení rentgenky je vyjádřeno pomocí tepelné kapacity rentgenky, která je definována jako největší množství tepla, které může být v rentgence absorbováno, aniž by došlo k nějakému poškození. Pro diagnostické rentgenky je tepelná kapacita anody od stovek tisíc až po miliony tzv. heat units. Pro heat unit (HU) platí následující vztah: 1 MJ = 1,34 MHU (více zde). Tepelná kapacita krytu rentgenky je vyšší než tepelná kapacita anody a obvykle je v řádu 1,5 milionu HU [1].

Maximální zatížení anody je charakterizováno tzv. zatěžovací charakteristikou (energy rating chart) pro různé kombinace napětí, proudu a expozičního času. Ukázka takového grafu je na obr. 1 [1].

Zatezovaci charakteristikaObr. 1: Zatěžovací charakteristika anody [1]

Použití je následující: pro zvolené napětí, např. 100 kV a proud 150 mA může expozice trvat maximálně cca 0,25 s. Při delší expozici by došlo ke zničení terčíku. Plocha pod křivkou pro dané napětí představuje oblast různých kombinací proudů a expozičních časů, které mohou být použity.  Naopak oblast nad křivkou představuje kombinace proudů a expozičních časů, které nemohou být použity, protože by došlo k tepelnému poškození terčíku. Většina rentgenek má již ochranu před tepelným poškozením, provedení expozice s nevhodnými expozičními parametry proto není možné.

Pomocí zatěžovací charakteristiky je možné stanovit vhodné expoziční parametry pro jednu expozici tak, aby nedošlo k poškození terčíku. Avšak při delší expozici, např. při skiaskopii, je nutné uvážit taktéž odvod tepla z terčíku. Efektivita odvádění tepla z terčíku je definována tzv. vychlazovací charakteristikou, která je daná výrobcem. Vychlazovací charakteristika začíná na maximální hodnotě tepla, které je možné na terčíku generovat, aniž by došlo k poškození terčíku. Tato hodnota je rovna tepelné kapacitě anody. Vychlazovací charakteristika je graficky znázorněna na obr. 2, označení „cooling“ [1]. Zahřívaci charakteristika popisuje zahřívání anody při kontinuálním zatížení. Tato charakteristika zahrnuje i chlazení anody. Zahřívací charakteristiky jsou graficky znázorněny taktéž na obr. 2 [1].

Vychlazovaci a zahrivaci charakteristikaObr. 2: Vychlazovací a zahřívací charakteristika anody [1]

Použití je následující: Tepelná kapacita anody je maximální možné množství HU, které může být dodáno na anodu. Z grafu na obr. 2 je zřejmé, že tato hodnota je 72 000 HU. Při tepelném příkonu 425 HU/s bude tepelné kapacity anody dosaženo po cca 5,5 minutách kontinuálního zatížení. Naopak zatížení 340 HU/s může probíhat po neomezenou dobu.

Při intervenčních výkonech může být provedeno několik expozic za sebou. Pak ani jeden z výše uvedených grafů neříká, jak rychle se bude ochlazovat anoda. Při těchto expozicích může dojít k překročení schopnosti disipace energie z rotujícího terčíku. Proto se zavádí ještě jedna charakteristika, tzv. angiografická charakteristika, která je graficky znázorněna na obr. 3 [1]. Číslice nad každou křivkou v grafu uvádí počet expozic/s.

Angiograficka charakteristikaObr. 3: Angiografická charakteristika anody [1]

Použití je následující: Pro danou kombinaci expozičních parametrů se spočítá množství tepla, které daná expozice na terčíku vyprodukuje. Nechť je to např. 2000 HU/expozici. Nyní chceme pracovat např. s frekvencí 5 expozic/s. Z průsečíku křivky s číslem 5 expozic/s a teplem vyprodukovaným na jednu expozici dostáváme, že je možné provést maximálně 35 expozic. Tato charakteristika je použitelná např. pro kino mód (cine mode) angiografických systémů.

Použitá literatura:
[1] Hendee WR. Medical Imaging Physics. Fourth Edition. Wiley-Liss, 2002; New York

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *