PRINCÍPIOS DE FORMAÇÃO Rx

PRINCPIOS DE FORMAO DA IMAGEM RADIOGRFICA

Prof. Alwin Elbern, Ph.D. DENUC - UFRGS1

Smula Qualidade da Imagem Gerao de Raios X Formao da Imagem Radiogrfica Contraste Filme Radiogrfico Processamento Radiogrfico Sensibilidade do Filme Noes de Controle de Qualidade do Processamento Definio, Resoluo e Visibilidade de Detalhes Controle de Qualidade Portaria 453/982

Noes Bsicas sobre Raios X

Qualidade da ImagemA qualidade da imagem mdica determinada pelo mtodo de Radiodiagnstico (Raios X, US, TC, RM, etc.), pelas caractersticas do equipamento e pelos ajustes selecionados pelo operador.A qualidade da imagem depende de pelo menos cinco fatores:

Contraste, Definio, Rudo, Artefatos, Distoro3

Corpo HumanoO corpo humano tem muitas estruturas (ou objetos) que aparecem simultaneamente, e freqentemente, sobrepostos na imagem. Outro fator importante que determina uma boa visibilidade, que um objeto presente em uma imagem mdica deve sobressair-se em relao s imagens de fundo.4


Gerao de Raios XHistricoA radiografia foi inaugurada praticamente junto com o descobrimento dos raios X, realizado por Wilhelm Conrad Rntgen em novembro de 1895, o que lhe conferiu o 1o prmio Nobel de 1901 de Fsica. A primeira radiografia foi feita ainda em seu laboratrio, onde permaneceu sozinho por semanas obcecado por experimentos secretos, quando exps aos raios X a mo de sua mulher, apoiada sobre uma chapa fotogrfica, por 15 minutos.5

HistricoRadiografia da mo de Anna Rntgen, em novembro de 1895. Por seus trabalhos, ele recebeu o primeiro Nobel de fsica no ano de 1901. Rntgen observou que os raios X podiam atravessar os corpos. Alguns materiais se apresentavam mais opacos e outros mais transparentes.6


Gerao de Raios XOs raios X so originrios da frenagem dos eltrons gerados no catodo, que se convertem em ftons, pelo fenmeno conhecido por Bremsstrahlung. Os raios X produzidos no interior das ampolas so constitudos por ondas eletromagnticas de vrias freqncias e intensidades. A maior parte (99%) da energia cintica dos eltrons perdida sob a forma de calor e apenas 1% dela convertida em raios X. Os raios X produzidos por bremsstrahlung constituem um espectro contnuo dentro de uma faixa de comprimento de onda que vai de 0,1 a 0,5 (10-10 m).7

Origem dos Raios X

Bremsstrahlung8


Propriedades EltricasA qualidade e a quantidade de raios X produzidos podem ser controladas ajustando-se as grandezas: TENSO - Kilovoltagem (kV) = diferena de potencial (ou potencial para aumentar a energia dos eltrons). - Eltrons com mais energia adquirida por meio de kV mais alto produzem raios X mais penetrantes e em maior quantidade. CORRENTE - Miliamperagem (mA)=quantidade ou nmero de eltrons que passam a cada segundo do catodo para o anodo. TEMPO de exposio (s) = durao do pulso9

Tubo de Raios XNo tubo (ampola) so gerados os Raios X pela comverso da energia dos eltrons em calor (ou energia trmica) e, em menor quantidade, em raios X (Bremsstrahlung). O calor um subproduto indesejvel no processo. O tubo de raios X projetado para maximizar a produo de raios X e dissipar o calor to rpido quanto possvel.

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Ampola de Raios X

Uma corrente de eltrons flui atravs do tubo, do catodo, onde so produzidos, em direo ao anodo, onde os eltrons param bruscamente, sofrendo uma perda abrupta de energia resultando na produo dos raios X.11

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Elementos do Tubo de RXCATODO: o eletrodo negativo do tubo. constitudo de duas partes principais: o filamento e o copo focador.A funo bsica do catodo emitir eltrons a partir de um circuito eltrico secundrio, e focaliz-los em forma de um feixe bem definido apontado para o anodo. Em geral, o catodo consiste de um pequeno fio em espiral (ou filamento) dentro de uma cavidade (copo de focagem) conforme mostrado na figura anterior.13

FilamentoO filamento normalmente feito de Tungstnio Toriado (Tungstnio com mais de 1 a 2% de Trio), pois esta liga tem alto ponto de fuso e no vaporiza facilmente (a vaporizao do filamento provoca o enegrecimento do interior do tubo e a conseqente mudana nas caractersticas eltricas do mesmo). A queima do filamento , talvez, a mais provvel causa da falha de um tubo. a b

(a) sem corpo focador e (b) com corpo focador14


Copo de focagemO corpo de focagem: serve para focalizar os eltrons que saem do ctodo e fazer com que eles batam no nodo e no em outras partes. A corrente do tubo controlada pelo grau de aquecimento do filamento (ctodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais eltrons sero emitidos pelo mesmo, e maior ser a corrente que fluir entre o nodo e o ctodo. Assim, a corrente de filamento controla a corrente entre o nodo e o ctodo.

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Corrente de filamentoCORRENTE NO TUBO (mA) 100 kVp 125 kVp 50 kVp 70 kVp

Alguns tubos apresentam dois filamentos, ou dois ctodos. So os chamados tubos de foco dual, Estes filamentos tem comprimentos distintos, produzindo reas de impacto diferentes no nodo. Temos assim dois tipos de foco:

CORRENTE DO FILAMENTO (AMPRES)

Foco fino: de 0,3 a 1 mm Correntes de tubo e de filamento em funo da tenso Foco grosso: de 1 a 2,5 mm aplicada.16


Foco Dual

Tubo de foco dual, onde o tamanho do foco controlado por um ou outro filamento. O controle do foco fino-foco grosso feito por uma chave que escolhe ou um ou outro filamento. Para evitar que se coloque grandes correntes em foco fino (o que poderia danificar o nodo), um mesmo comando seleciona a corrente e o foco simultaneamente (as duas chaves so acopladas mecanicamente). 17

AnodoO Anodo o plo positivo do tubo. Existem dois tipos de nodo: anodo fixo e anodo giratrio. Os tubos de nodo fixo so usualmente utilizados em mquinas de baixa corrente, tais como: raio-X dentrio, raioX porttil, mquinas de radioterapia, raio-X industrial, etc. Os de anodos giratrios so usados em mquinas de alta corrente, normalmente utilizadas em radiodiagnstico. O anodo tem as seguintes finalidades: formar o caminho eltrico, servir de suporte para o alvo e como elemento condutor de calor.18


Anodo Alvo de TungstnioO alvo o local do nodo que sofre o impacto dos eltrons. O material do alvo deve ter as seguintes propriedades: Alto Z: Isto , alto nmero de prtons no ncleo atmico. A relao entre a perda de energia dos eltrons por radiao (raios-X) e a perda de energia por ionizao (aquecimento) dada pela seguinte frmula:

dE dx RAD = Ec.Z 800 dE dx COL

Onde Ec a energia cintica dos eltrons e Z o nmero atmico do alvo.19

Propriedades do alvoBoa Condutividade Trmica: no alvo h uma grande gerao de calor, que dever ser retirada do mesmo para evitar a sua fuso; Alto Ponto de Fuso: Em algumas aplicaes de alta corrente, associada a grandes tempos de exposio podem levar a alvo o atingir temperaturas da ordem de 2000 C. Portanto, o material alvo dever suportar altas temperaturas sem fundir ou se danificar. O material que apresenta todas estas caractersticas o Tungstnio (Z=74).

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Anodo GiratrioFixo Giratrior=30 mm

A=4 mm2

O nodo giratrio permite altas correntes, pois a rea de impacto dos eltrons fica muito aumentada.A=754 mm2

1 mm 1 mm

4 mm

Como exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja rea de impacto de 1 mm x 4 mm, isto , 4 mm2. Se este alvo girar com um raio de giro igual a 30 mm, a rea de impacto seria aproximadamente: 4 mm * 2 * 30 mm 754 mm2; nestas condies, o tubo giratrio teria cerca de 200 vezes mais rea que o tubo fixo.21

Detalhes Alvo GiratrioEm mquinas de alvo giratrio, necessrio esperar o nodo atingir a velocidade de regime, para ento se aplicar a alta tenso (disparo do feixe). O rotor gira no interior da ampola de vidro, sem nenhuma ligao mecnica para o exterior. O modo como isto acontece semelhante ao que acontece nos motores de induo, onde no h ligao mecnica nem eltrica entre a parte que gira (rotor) e a parte fixa (estator). Os tubos para mamografia utilizam anodos de molibdnio (Z=42), que tem um nmero atmico intermedirio, e, portanto, produzem ftons de energia menores, mais adequados baixa densidade do tecido mamrio.22


Cabeote do RXO anodo e o catodo ficam acondicionados no interior de um invlucro fechado (tubo). Alm de desempenhar as funes de isolante eltrico e de suporte estrutural para o anodo e catodo, o sistema de encapsulamento serve para manter o vcuo no interior do tubo. A presena de ar dentro do tubo indesejvel, pois, alm de interferir na produo de raios X, permitiria que eletricidade percorresse o tubo, na forma de pequenos raios e centelhas, danificando o sistema.

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Cabeote e Tubo

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Tubo de Raios XAnodo Girante

Estator Alta Tenso

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Ponto FocalAo selecionar-se um tubo de raios X para uma determinada aplicao especfica, a principal caracterstica que deve ser observada o tamanho do ponto focal. Tubos com pontos focais pequenos so os mais indicados quando essencial gerar imagens de alta qualidade que permitem boa visibilidade de pequenos detalhes e tambm quando houver necessidade de menores quantidades de raios X. Ex. Foco grosso Equipamento para medida26


Representao do ponto focal real e efetivoNGULO DO ALVO

FEIXE DE ELTRONS TAMANHO REAL DO FOCO

FOCO EFETIVO

O ponto focal real a rea na qual os eltrons colidem. O ponto focal efetivo a rea que vista na direo do feixe til, conforme mostra a figura. Dependendo do ngulo do alvo, podemos ter grande rea de impacto com pequeno ponto focal efetivo.27

Espectro de EnergiaUm espectro de energia um grfico que mostra no eixo horizontal a energia dos ftons de raios X de um feixe. A energia varia de zero at o valor mximo (ou kVp- max) e, no eixo vertical, nmero de ftons dentro de cada faixa energia.28


Espectro de Energia dos RXOrigem do Espectro contnuo de energia dos Raios X. As raias de energia discretas so provenientes das transies que ocorrem no tomo do alvo.

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Espectro de Energia dos RX

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Espectro em Mamografia

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Fatores que afetam o EspectroO material do alvo: no influencia na forma do espectro contnuo, apenas na sua intensidade. Isso, obviamente influir no espectro de linhas ou espectro caracterstico, pois como vimos, este espectro caracteriza o DE FTONS N ncleo alvo. Resumo: fatores que afetam o espectro: TUNGSTNIO -Quantidade da radiao: Z, KeV2, mA, seg, forma de onda e filtrao; -Qualidade de radiao: KeV, forma de onda e filtrao.

Molibdnio

ENERGIA DO FTON

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Filtrao

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Aparelho de Raios XGERADOR A principal funo do gerador transformar a energia eltrica da rede em uma forma de energia eltrica mais adequada produo de raios X. Outra funo importante do gerador, permitir que o operador controle as grandezas:

kV kilovoltagem; mA miliamperagem; e s - tempo de exposio.34


Transformador de Alta TensoO transformador de alta tenso o dispositivo que transforma a baixa tenso (por exemplo 220 volts) em alta tenso (por exemplo 100000 volts 100kV), necessria para acelerar os eltrons no interior do tubo de raios-X.TENSO APLICADA CORRENTE NO TUBO

Sistemas monofsicos - Retificao de onda completa. Nestas mquinas a tenso aplicada ao tubo varia desde zero at um valor mximo. Os raios-X assim produzidos tem menor poder de penetrao.35

Aparelho TrifsicoR T

Tenso trifsica

Tenso DC

S

Corrente retificada 6 PULSOS

Nas mquinas trifsicas a tenso aplicada ao tubo varia muito pouco enquanto nas monofsicas a tenso varia desde zero at um valor mximo, isto , 100%. A esta variao d-se o nome de Ripple.36


Partes principais de uma mquina de raios-XBANCO DE COMANDOREDE TRANSFORMADOR DE ALTA TENSO E RETIFICADOR

RAIOS-X

AJUSTE DA TENSO, CORRENTE E TEMPO

TUBO

As mquinas de Raios-X podem operar a diversas tenses e a diversas correntes no tubo. De um modo geral, temos as seguintes caractersticas: Diagnstico: de 40 150 KVP e correntes de 25 1200 mA. Terapia: de 60 250 KVP e correntes de aproximadamente 8 Ma Raio-X dentrio: de 50 90 KVP e correntes de at 10 mA. Raio-X industrial: de 50 300 KVP e correntes de at 10 mA37

TransformadorUm transformador tem dois circuitos, basicamente de duas bobinas (enrolamento de fios) com nmero de espiras diferentes. O primeiro o circuito de entrada, que recebe energia eltrica e, por isso chamado de circuito primrio. O segundo, o circuito de sada, chamado circuito secundrio. Os eltrons no mudam de V1N1 V2N2 circuito. A energia transformada do circuito primrio para o secundrio por meio de um Representao de campo magntico.um transformador38


Forma de OndaN DE FTONS POTENCIAL CONSTANTE

ONDA COMPLETA (2 PULSAES

ENERGIA DOS FTONS

A Forma da onda aplicada ao tubo influenciar o espectro emitido, pois a est implcito quanto tempo aplicada uma determinada tenso. A figura ilustra os espectros emitidos por um tubo no qual aplicado um potencial constante e outro com potencial varivel provido de retificao de onda completa (2 pulsaes).39

b) Tenso AplicadaNa produo de raios X, os eltrons que alimentam o tubo de raios X de energia, devem ter energia individual no mnimo igual energia dos ftons de raios X. A energia dos ftons (em kiloeltronvolts ou keV) sempre limitada pela energia do eltron da maior energia, ou tenso ( em kilovolts ou kV). A tenso aplicada, estabelece a energia que o eltron ter ao alcanar o anodo, e, portanto, nenhum fton de raios X poder ter mais energia que o eltron que o gerou.

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Tenso Aplicada - EspectroN DE FTONS SRIES DA CAMADA K

80 kVpSRIE DA CAMADA L

70 kVp 60 kVpENERGIA DOS FTONS (KeV)

Observe que para a tenso de 60 KeV, as linhas de espectro caracterstico da srie K, no aparecem, porque para remover um eltron da rbita K (1a rbita), necessrio um potencial de no mnimo 70 KeV.

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Tenso AplicadaAumento da Tenso aplicada

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Corrente do TuboO catodo aquecido devido passagem de uma corrente proveniente de um fonte de baixa tenso. A sada desta fonte controlada por um setor de mA. Aumentando-se o seletor de mA, mais corrente eltrica passa atravs do catodo ( o filamento) gerando calor e aumentando sua temperatura. Com o aumento da temperatura, aumenta-se a emisso termoinica no catodo (ou ejeo de eltrons). Com o aumento da corrente eltrica no filamento do catodo, aumenta-se o fluxo de eltrons que sai do filamento (catodo) e incide sobre o anodo e, portanto, mais raios X so

gerados.

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Tempo de ExposioEm radiografias, a exposio iniciada pelo operador do equipamento e terminada depois que se esgota o tempo selecionado previamente Em fluoroscopia, a exposio iniciada e terminada pelo operador, mas h um indicador do tempo de exposio acumulado que emite um sinal sonoro aps 5 minutos de exposio. Os temporizadores e botes de controle ajustados pelo operador ativam e desativam a gerao de raios X acionando dispositivos de chaveamento que pertencem, ao circuito primrio do gerador.44


Tempo Ajuste manualNos temporizadores manuais, o ajuste do tempo de exposio deve ser feito pelo operador antes de iniciar o procedimento. A seleo adequada dos ajustes do tempo de exposio no equipamento depender do conhecimento pessoal ou da consulta a uma Tabela de Exposio que correlaciona a espessura do paciente com o kV, o mA e o tempo.

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O mAs (Miliampere-Segundo)Freqentemente, as unidades mA e mAs so confundidas ou tomadas como termos sinnimos. No so. Cada uma dessas unidades refere-se a uma grandeza diferente.A unidade mA refere-se grandeza fsica corrente eltrica (i). A corrente eltrica definida como a quantidade de carga eltrica Q, dada em Coulomb (C), que passa por um meio qualquer, dividido pelo intervalo de tempo em que ocorre esta passagem, em segundo (s). A corrente eltrica i medida na unidade do SI denominada Ampre (A) dado pela relao: i [C/s] = Q [C] /t[s].

Fisicamente, Q[mAs] representa o nmero total de eltrons que atingem o anodo.46


Controle Automtico de Exposio (AEC)

Dentre os modelos de equipamentos mais modernos de radiodiagnstico, alguns possuem um dispositivo eletrnico que controla o nvel de exposio no receptor, que tem a funo de suspender a gerao de raios X quando o receptor de imagens (conjunto tela-filme) recebe uma determinada quantidade de exposio pr-determinada considerada ideal para um determinado exame.

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AEC

CMARA DE IONIZAO

TELA FLUORESCENTEFOTOMULTIPLICADORA

Filme48


Filtrao do Feixe de RXOs ftons com energia abaixo de 20 KeV no interessam ao Radiodiagnstico, pois tm capacidade de penetrao muito baixa, no contribuem com informaes sobre o paciente e s aumentam a dose do paciente. Por isso h a necessidade de filtragem desses raios X que no contribuem para a formao da imagem.Abaixo de 20 KeV, somente 45% dos ftons do feixe conseguem atingir a profundidade de 10 mm de msculo contra apenas insignificantes 0,00063% destes atingem a profundidade de 150 mm. Em contrapartida, 3,5% dos ftons que tm energia de 50kV atingem estes mesmos 150 mm. O prprio corpo atua, ento, como um filtro retirando do feixe os ftons de baixa energia.

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Filtrao adicionalPara diminuir a dose do paciente, uma soluo bvia interpor algum material entre o feixe de raios X primrio e o paciente que sirva de filtro e remova do feixe de ftons os de baixa energia. O material geralmente utilizado para este propsito em Radiodiagnstico o alumnio. Toda mquina de raios X tem uma flitragem equivalente de alumnio. Diz-se equivalente porque outros componentes do equipamento tambm filtram parte dos ftons de baixa energia tais como, a janela do tubo de vidro e o colimador do feixe. A quantidade de filtrao total expressa, portanto, em valores de espessura equivalente de alumnio.50


Penetrao dos Ftons e alterao do Espectro do RX

Penetrao dos ftons no tecido mole

A forma do espectro de raios X significativamente alterada por alteraes na filtragem. Como o filtro absorve preferencialmente ftons de baixa energia, produz-se, como conseqncia, uma elevao na energia efetiva de raios X.51

Camada semi-redutora CSRAumentando-se a filtrao, aumenta-se a penetrao do feixe de raios X assim como tambm a espessura da camada semiredutora necessria para atenu-la, devido remoo dos ftons de baixa energia. Os valores de CSR so usados para avaliar a adequao dos filtros adicionados.

As normas que especificam os requisitos de filtragem geralmente estabelecem um valor mnimo aceitvel. So considerados seguros os equipamentos que tive-rem filtros de espessuras superiores aos valores de CSR em funo do kVp, mostrados na tabela.52


Conceito de CSR

CSR A atenuao a reduo da intensidade de um feixe de raios X medida que ele atravessa a matria. A atenuao se deve aos fenmenos de absoro e de espalhamento dos ftons do feixe incidente. A equao fundamental da atenuao de um feixe monocromtico : Nx= N0 . e-x 53

Valores da CSRA camada semi-redutora a espessura de um material capaz de reduzir a metade a intensidade da radiao incidente.

kVp30 50 70 90 110

CRS (mm Al)0,3 1,2 1,5 2,5 3,0

I = I0e-xCSR ou HVL X1/2 = 0,693/

Valores da Camada Semi-Redutora para o Alumnio

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Referncias1 Curso do CBR Formao de Imagens Radiogrficas Ed. CBR SP - 2000 2 Frank Attix Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry Ed. J.Wiley USA 1986 3 Thomaz Bitelli Dosimetria e Higiene das Radiaes Ed. Gremio Politcnico SP -1982

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