A röntgencsőfeszültség mérésének korszerű eszközei
(MODERN DEVICES FOR X-RAY TUBE VOLTAGE MEASUREMENT)
Dr. Porubszky Tamás
OSSKI
Kivonat
A röntgenberendezések fejlesztése, vizsgálata és szervize során a legfontosabb mérendő paraméter a röntgencsőfeszültség. Az utóbbi két évtizedben számos olyan mérőeszköz került forgalomba, amelyekkel a mérés a nagyfeszültségű kör megbontása nélkül, a sugárzás detektálásával valósítható meg (ún. nem-invazív mérőeszközök). Tanulmányunkban ezek elméleti alapjait és a világpiacon jelenleg kapható típusok jellemzőit ismertetjük.
MODERN DEVICES FOR X-RAY TUBE VOLTAGE MEASUREMENT
Abstract
During development, testing, and
service of X-ray equipment the most important parameter to be measured is X-ray
tube voltage. In the last decades there were placed on the market several
so-called non-invasive measuring devices with which X-ray tube voltage is
measured with radiation detection, without breaking the high-voltage circuit.
The paper gives a review their conceptual bases and characteristics of current
types.
Bevezetés
A röntgendiagnosztikai berendezéssel szemben alapvető követelmény, hogy alkalmas legyen megfelelő minőségű kép létrehozására. Ennek feltétele, hogy a röntgencsőfeszültség, röntgencsőáram és - felvételi üzemmódban - a felvételi idő tényleges értékei adott pontosságon belül feleljenek meg a beállított (névleges) értékeknek. E feltétel fennállása csakis méréssel ellenőrizhető. Ezért az említett röntgenparaméterek - és egyes esetekben további paraméterek, mint pl. a sugárszűrés, dózis és/vagy dózisteljesítmény stb. - mérése a fejlesztés, gyártási bemérés, minőségellenőrzés, üzembehelyezés, szervizelés, sőt üzemeltetés közbeni ellenőrzés során is elengedhetetlen.
A csőáram és a felvételi idő mérése nem okoz különösebb nehézséget, ezekre itt nem térünk ki. A sugárzás mennyisége (dózisa) a csőáram-idő szorzattal egyenesen arányos, minősége (vagyis a sugárzás spektrális eloszlása) pedig - ha közben a csőfeszültség nem változik - független tőle.
A képalkotás minőségére a legnagyobb befolyással a röntgencső feszültége van, mivel a sugárzás spektrumát - az elnyelő közegek mellett - ez határozza meg, ugyanakkor a sugárzás mennyisége (dózisa) hatványozottan függ tőle. Ennek a 40-150 (mammográfiánál 20-60) kV-os tartományba eső nagyfeszültségnek a meghatározása méréstechnikailag nehéz feladat. Egyszerűbb rutin ellenőrző méréseknél a feszültség csúcsértékére, igényesebb minősítő méréseknél ezenkívül időbeli lefolyásának jelalakjára is kíváncsiak vagyunk.
A röntgencsőfeszültség sohasem tekinthető tökéletesen simított egyenfeszültségnek, ezért az ún. hagyományos, a nagyfeszültségű kör megbontásával végezhető mérési eljárások közül a röntgen méréstechnikában csak a gömbszikraköz és a nagyfeszültségű ohmos osztó használata szokásos. Az előbbivel csak csúcsérték, az utóbbival jelalak is vizsgálható. (Részletesebb ismertetésük megtalálható [1]-ben.)
Az utóbbi egy-két évtizedben széles körben elterjedtek az ún. nem-invazív, vagyis a röntgencsőfeszültséget a nagyfeszültségű kör megbontása nélkül, közvetlenül a sugárzásból meghatározó műszerek. Ezek sok esetben helyettesítik a nehézkes, hosszadalmas és nem is mindig veszélytelen hagyományos módszereket. Ennél is fontosabb azonban, hogy az ún. egytankos röntgenberendezéseknél, ahol a nagyfeszültségű transzformátor a röntgencsővel közös burába van zárva, a röntgencsőfeszültség mérése csakis nem-invazív módszerekkel lehetséges.
Spektrometriai módszerek
Régóta ismeretes, hogy a röntgensugárzás folytonos spektrumának maximális fotonenergiája, illetve minimális hullámhossza a csőfeszültség (csúcs)értékével egyértelmű összefüggésban áll az ún. Duane-Hunt-képletnek megfelelően:
Emax = eU = hc/lmin , (1)
ahol e az elektrontöltés, h a Planck-állandó, c a fénysebesség és U a csőfeszültség. Emax-ot vagy l min-t megmérve (1)-ből U közvetlenül adódik. Meghatározásának hibája csakis ezen mérés hibájából ered, mivel a képletben szereplő állandók értéke igen nagy pontossággal ismert. Minthogy itt nem szerepelnek közelítő összefüggések, spektrometriai módszerekkel néhány tized kV-os mérési pontosság érhető el (ennél pontosabb mérés csak különleges, ún. hiteles osztókkal lehetséges). A pontos spektrumméréshez azonban igen drága és helyigényes mérőrendszerre van szükség, maga a mérés pedig szaktudás- és időigényes. Emiatt rutin jellegű mérésnek nem alkalmas, kutatási célok mellett csupán más mérőeszközök kalibrálására, esetleg egytankok típusvizsgálatára ajánlható [2].
Radiográfiai módszerek
A radiográfiai módszerek mindegyike röntgenfilmre helyezett abszorbenslépcsőt vagy éket alkalmaz. A felvételt elkészítve és előhíva meg kell keresni azt a lépcsőfokot, amelynek feketedése a referenciaként szolgáló sávéval azonos. Minden lépcsőfokhoz tartozik egy kV-tartomány, amelyre ez a feketedés-azonosság előáll. Ezt természetesen a gyártónak előzőleg más mérőeszközzel kalibrálnia kell. Az egyes eszközök között eltérés van az egyenletes feketedésű referenciasáv előállításának módjában. Ezeket az eszközöket tesztkazettának nevezik.
Az Ardran-Crooks-féle penetrameter-kazetta két felében eltérő erősítésű ernyőket helyeznek el, a nagyobb erősítésű fölé helyezik el a szűrőlépcsőt, a másik hozza létre a referenciasávot. Az ernyők öregedésével pontossága csökken. - A Wisconsin tesztkazettában csak egyféle erősítőernyő van, a referenciasávot a kazetta egyik felében az ernyő és a film közé helyezett féligáteresztő fólia egyenletes fény-gyengítése hozza létre. Jelenleg a Gammex-RMI cég gyártja (egy külön változatot a mammográfiás tartomány mérésére is). - A már régebben ismeretes elvű, a 80-as években a Szovjetunióban gyártott pörgettyűs tesztkazettánál az egyenletes feketedésű referenciasávot egy ólomba vágott nyílás megforgatása hozza létre.
Ezen módszerek előnye a viszonylagos egyszerűség. Hátrányuk a csekély pontosság (Wisconsin: ± 4 kV, pörgettyűs: ± 10 %) és az, hogy röntgenfilm-kidolgozást igényelnek, azaz a csőfeszültség értékének nagyobb számú pontban való ellenőrzése idő- és filmigényes. Kórházi röntgentechnikusoknak ajánlhatók üzemeltetés közbeni ellenőrzésre, ha más, korszerűbb mérőeszköz nem áll rendelkezésre. Ma már a kétdetektoros eszközök nagyrészt kiszorították őket a használatból.
Kétdetektoros eszközök
1932-ben Silberstein ismerte fel elsőként, hogy egy röntgensugárforrás spektruma és sugárgyengülési görbéje (azaz az áteresztett nyaláb dózisa az abszorbensvastagság függvényében) kölcsönösen egyértelmű matematikai összefüggésben áll egymással. A sugárgyengülést dózismérő és szűrősorozat segítségével megmérve a spektrum visszaszámítható és abból (1) alapján U is adódik. Maga a számítás azonban nagyon bonyolult. A módszer egyszerűsítését az a felismerés tette lehetővé, hogy a sok pontból álló görbének már két pontja is elegendő ahhoz, hogy a csőfeszültségre elfogadható pontossággal lehessen következtetni.
A régebben alkalmazott egymás utáni mérés lényeges hibaforrás, mivel a két expozíció tényleges csőfeszültsége között eltérés lehet. Ezért a korszerű eszközökben olyan detektorfejet alkalmaznak, amelyben két detektor van, különböző (esetleg változtatható) szűrővel, és a két detektort egyszerre kell besugarazni a nyalábbal. Ilyen műszerek kifejlesztésében az USA járt az élen.
A kétdetektoros eszközök pontossága
Bár az eszközöket a hagyományos szakzsargonnak megfelelően általában csúcsfeszültség- (kVp, p:peak=csúcs) mérőknek nevezik, éppen a feszültségnek (és az áramnak) a csúcsértéktől való eltérése, azaz a jelalakok befolyása a mérési eredményre alapos megfontolást igényel. A nem mikroprocesszoros eszközök csak időátlagolt jelet tudnak mérni valamilyen előre beépített kalibráció szerint.
Kutatásokat végeztünk annak meghatározására, hogy a jelalakoknak az idealizálttól való eltérései milyen mérési pontatlanságot okoznak. A mérőeszközök általában - közel 100 %-os elnyelésűnek tekinthető - CsI szcintillátor és fotodióda kombinációját alkalmazzák detektorként, amikor is a létrejövő jel a sugárzás energiaintenzitásával (energiafluxussűrűségével) lesz arányos. Számítottuk ezért különböző csőfeszültségekre, réz szűrővastagságokra és jelalakokra (az idealizáltnál nagyobb hullámosságúakra is) a
m eff = - x -1 × ln (y (x)/y 0)
ún. effektív lineáris sugárgyengítési együtthatót, ahol y 0 az eredeti, y (x) pedig az x vastagságú szűrőn áthaladt nyaláb intenzitása. A mérési módszerrel elérhető kVp-meghatározás pontosságát ugyanis az korlátozza, hogy csak olyan kV-különbségek különíthetők el, amelyek nagyobb m eff eltérést okoznak, mint állandó kVp és adott kalibráció mellett a pulzáció maximális eltérései.
A számítások elméleti alapjai [3]-ban, részletei [4]-ben találhatók, eredményeiket összefoglalva az 1. ábra mutatja
1. ábra Effektív lineáris sugárgyengítési együttható pulzációfüggése
A vízszintes tengelyen a százalékos hullámosság [R'=(Umax-Umin )/Umax] periódusidőre korrigált értéke, illetve a röntgengenerátortípusok (7: egyenfeszültségű, 0: kétpulzusú, 2: tizenkétpulzusú, 1: hatpulzusú, 122, 123, 124: 20, 30 és 40 %-os megnövelt pulzációjú hatpulzusú, 3, 4, 5, 6: különböző pulzációjú inverteres gépeket modellező jelalakok); paraméter a röntgencsőfeszültség és a réz szűrővastagság
Figure 1 Dependence of effective linear attenuation coefficient on X-ray tube voltage ripple. Horizontal axis: R'=(Umax-Umin )/Umax percentage ripple value, corrected to period time, and X-ray generator types (7: constant potential, 0: two-pulse, 2: twelwe-pulse, 1: six-pulse, 122, 123, 124: six-pulse with 20, 30, and 40 % ripple, respectively, 3, 4, 5, 6: waveforms modelling inverter type X-ray generators with different ripple values). Parameters: X-ray tube voltage and copper filter thickness
Az ábra alapján megállapítható, hogy ha megelégszünk ± 5-7%-os pontossággal,
akkor elegendő kétféle kalibráció: egy az egy- és kétpulzusú generátorokhoz, egy
pedig az összes többihez (azaz egyenfeszültségű, középfrekvenciás, tizenkét- és
hatpulzusú gépekhez). A két szűrővastagság optimalizált megválasztásával ez a
pontosság növelhető.
A világpiacon kapható mérőműszerek
Tudomásunk
szerint jelenleg nem-invazív röntgencsőfeszültség-mérő műszereket mindössze 8
cég gyárt a világon: az Egyesült Államokban a Fluke Biomedical (ebbe
olvadt össze a korábbi Victoreen - a márkanevet megtartva – és a
Keithley - a márkanév megtartása nélkül -), Gammex-RMI és a Radcal,
Németországban a PTW-Freiburg, az IBA (korábban Wellhöfer)
és a PehaMed, valamint Svédországban az RTI Electronics
Electronics és az
Unfors Instruments.
A cégek honlapjai:
http://www.flukebiomedical.com/
www.gammex.com
www.radcal.com
www.ptw.de
www.iba-dosimetry.com
www.pehamed.de
www.unfors.com
www.rti.se
A választék
igen széles: a legegyszerűbb eszköz csak kV-ot mér egyetlen expozícióval (a
készülék kezelőszervei mindössze egy ki-bekapcsolóból és egy ellenőrzőgombból
állnak), a legbonyolultabb mikroprocesszoros és egyben számítógéppel
összeköthető eszközök a csőfeszültségen kívül sokféle további paraméter mérésére
is képesek (invazív és nem-invazív röntgencsőáram- és mAs-mérés, felvételi idő,
jelalakok, dózis és/vagy dózisteljesítmény, relatív dózis/mAs linearitás mérése,
mindez átvilágítási üzemmódban is stb.). A "középkategóriájú" eszközök a kV-on
kívül expozíciós időt is mérnek és a dózissal arányos sugárzási jelalakot -
egyes esetekben analóg módon számított real-time kV-jelalakot - is
szolgáltatnak. Egyesek közülük mammográfiás, illetve fogászati kV-mérésre
specializáltak. Sok eszköznél hangsúlyozzák a gyártók, hogy középfrekvenciás
generátorok mérésére is alkalmasak és a megfelelő kalibráció kiválasztásához a
jelalaktípust automatikusan felismerik. Az előírt feltételek betartása esetén a
legjobb műszerek ± 2 %-os pontossággal képesek a röntgencsőfeszültség
meghatározására.
Tájékoztatásul a 2. ábrán bemutatjuk a legrégebbi mikroprocesszoros kV-mérő műszer, a NERO (Victoreen gyártmány) egyszerűsített blokkvázlatát.
2. ábra: NERO blokkvázlata
Figure 2: Block scheme of NERO
Röntgensugárnyaláb: X-ray beam, Ionizációs kamra: Ionization chamber, Detektorok: Detectors, Erősítők: Amplifiers, Küszöbdetektor: Threshold detector
Műszervásárlás esetén a kiválasztáshoz - a mérni kívánt terület (felvétel, átvilágítás, mammográfia, fogászat, CT) figyelembevétele mellett - jelentős szempontnak tartjuk, hogy az eszköz szervizelése és főként rendszeres időszaki kalibrálása gyorsan, egyszerű ügyintézéssel és lehetőleg Európában legyen megoldható.
Összefoglalásképpen megállapíthatjuk, hogy a korszerű nem-invazív röntgencsőfeszültség-mérő eszközöknek - a hagyományosak mellett - minden mérési szinten megvan a maguk létjogosultsága és előnye.
Hivatkozások
1. Porubszky T., Máté T.,
Mustó F.: Röntgencsőfeszültség mérésének korszerű műszerei.
Műszerügyi és Méréstechnikai
Közlemények 25/1, 23-32 (1989)
2. Porubszky T., Végh A.,
Török Sz.: Orvosi diagnosztikai röntgenspektrumok mérése.
Mérés és Automatika 33,
111-118 (1985)
3. Porubszky, T.: Calculations concerning voltage ripple of X-ray generators.
Phys. Med. Biol. 31, 371-381 (1986)
4 Porubszky, T.: Dependence of
effective linear attenuation coefficient on X-ray tube voltage ripple.
Aktuality z Klinickej Onkológie
14, 169-172 (1987)
A szerző munkahelye:
Országos "Frédéric Joliot-Curie" Sugárbiológiai és Sugáregészségügyi
Kutató Intézet, Munkahelyi Sugáregészségügyi Osztály
Levélcím: 1775 Budapest, Pf. 101.
E-mail: porubszky@osski.hu