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:

E_max = eU = hc/l_min , (1)

ahol e az elektrontöltés, h a Planck-állandó, c a fénysebesség és U a csőfeszültség. E_max-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'=(U_max-U_min )/U_max] 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'=(U_max-U_min )/U_max 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