Un sistema a raggi-x consiste di:

1. Generatore Un sistema a raggi-x consiste di: • Tubo a raggi-x • Sistema di rilevazione • Generatore Il generatore trasferisce la potenza elettrica P (KW) al tubo a raggi-x I parametri U (KV) e I (mA) vengono impostati alla console del generatore. Anche lo start e stop dell’esposizione (tempo t) vengono definiti alla console del generatore La selezione del tempo t (s) e della corrente I (mA), cioè il carico elettrico Q (mAs) viene fatta in combinazione

2. Le funzioni basiche dei un generatore sono quindi la generazione dei seguenti parametri: • Alta Tensione U (KV) • Corrente al tubo I (mA) • Start e stop t (s) Il tubo a raggi-x converte l’energia elettrica fornita in raggi-x

3. La caratteristica della radiazione generata dipende dai differenti livelli dei tre parametri di energia, ripercuotendosi nella qualità della radiografia U = Il livello di energia dei quanta di raggi-x generati dipende dal livello dei KV forniti. La penetrazione dei quanta attraverso la materia è maggiore tanto più alta è il livello della loro energia I= La densità dei quanta di raggi-X (quanta per unità di tempo) è tanto alta quanto alta è la corrente che passa attraverso il tubo T= Il numero totale di quanta di raggi x dipende dal tempo durante il quale un certo flusso irradia un oggetto, per permettere di esporre un film radiografico o un oggetto ripreso da un tubo di una telecamera

4. Generatore • Il Generatore può essere considerato, in maniera molto semplice, come un convertitore di tensione con le seguenti funzioni principali: • Trasformare la tensione di alimentazione in Alta Tensione • Raddrizzare l’Alta Tensione in Tensione Continua • Controllare l’Alta Tensione impostata fra i valori di 40 KV e 150 KV

5. Affinché si possa ottenere uno spettro di emissione adeguato la tensione che deve essere fornita al tubo radiogeno deve essere: • Continua • Costante

6. La tensione di alimentazione può variare in seguito ai maggiori consumi nell’arco di una giornata all’interno dell’ospedale. • Questo porta ad una variazione dell’alta tensione e quindi dell’energia delle radiazioni con un conseguente variazione della qualità radiografica • Per ovviare a questo effetto viene utilizzato un sistema chiamato • Compensazione di linea • Attraverso l’utilizzo di un autotrasformatore L’autotrasformatore viene inoltre utilizzato per selezionare l’alta tensione impostata alla console del generatore

7. La tensione,proveniente dall’autotrasformatore, compensata e regolata in funzione della impostazione effettuata sulla console, viene inviata al trasformatore di Alta Tensione. L’aumento di tensione è proporzionale al rapporto fra il numero di spire dell’avvolgimento secondario rispetto all’avvolgimento primario, mentre il valore della corrente è ridotto proporzionalmente. Il rapporto può variare da 500:1 fino a 1000:1 Poiché il trasformatore lavora solamente con correnti alternate, la forma d’onda della tensione su entrambi i lati è sinusoidale. La sola differenza tra il primario e il secondario è l’ampiezza. La tensione del primario è misurata in volt mentre la tensione del secondario viene misurata in kilovolt

8. Poiché il tubo radiogeno può solamente sostenere una corrente che fluisce dal catodo verso l’anodo, cioè continua, la tensione generata dal trasformatore di alta tensione deve essere rettificata. La rettifica è il processo che converte una tensione alternata in tensione continua con l’utilizzo di elementi elettronici chiamati diodi I diodi sono degli elementi costruiti con dei semiconduttori (silicio). Sono denominati diodi allo stato solido. In origine i diodi erano costituiti da valvole

9. Gli elementi di rettifica, sia a valvole che allo stato solido, sono assemblati in circuiti elettronici in grado di convertire la corrente alternata in corrente continua necessaria per il funzionamento di un tubo a raggi x. Durante la porzione positiva dell’onda, il diodo conduce liberamente e permette alla corrente di passare attraverso il tubo. Durante il la porzione negativa dell’onda, il diodo non conduce e quindi non circola nessuna corrente La corrente risultante è una serie di impulsi positivi separati da degli spazi duranti i quali non è permessa la circolazione della corrente negativa

10. kV t Einpuls Generator Questa metodo di rettifica è chiamata rettifica a semi-onda perché solo una metà dell’onda alternata appare in uscita. La parte negativa dell’onda viene quindi rimossa Questo tipo di raddrizzamento non viene mai usata nella radiologia diagnostica in quanto viene persa metà della potenza

11. E’ comunque possibile realizzare un circuito che permette che rettifica tutta l’intera onda alternata. Questo circuito prevede l’impiego di quattro diodi. kV t Sia durante la fase positiva che negativa, la tensione attraverso il tubo radiogeno è positiva e non ci sono intervalli tra le semionde. Anche in questo caso, l’utilizzo di una singola fase è di poca praticità in quanto la tensione ai capi del tubo scende a zero e quindi con una emissione di bassa energia e poca penetrabilità

12. E’ possibile evitare questo problema utilizzando una alimentazione trifase. Con una tensione trifase vengono utilizzati dei particolari circuiti che permettono di sovrapporre sei onde ottenendo una alimentazione al tubo con una piccola oscillazione Questo tipo di generatori vengono chiamati: Generatore a sei impulsi

13. E’ anche possibile realizzare dei circuiti che permettono di utilizzare dodici curve che, sovrapposte, generano una tensione al tubo praticamente costante Questo tipo di generatori vengono chiamati: Generatore a dodici impulsi

14. Le forme d’onda rettificate sono caratterizzate da un parametro chiamato • tensione di ripple La tensione di ripple è la variazione di tensione nella forma d’onda rettificata, corrispondente ai valori di picco della tensione sinusoidale Una alimentazione ad una fase, ha il 100% di tensione di ripple in quanto la tensione varia da zero al suo massimo. Una tensione a tre fasi con raddrizzamento a sei impulsi, produce una tensione di ripple di circa il 13% Conseguentemente la tensione fornita al tubo non scende mai in questo caso, al di sotto del 87%. Con una tensione a tre fasi e raddrizzamento a dodici impulsi si ottiene una tensione di ripple di appena 4% e quindi la tensione fornita al tubo non scende mai al di sotto del 96%

15. Il metodo più efficiente di produrre raggi x e quello effettuato con la forma d’onda che possiede la tensione di ripple più bassa. Il grande vantaggio sta nel fatto di avere una maggiore quantità e qualità di radiazione. • La quantità di radiazione x è maggiore perché l’efficienza di produzione è maggiore quando la tensione al tubo è alta. • In altri termini, per ogni elettrone emesso dal catodo, maggiore sarà il numero di raggi x prodotti quanto maggiore sarà la sua energia • La qualità aumenta con una tensione di ripple bassa perché meno elettroni a bassa energia vengono proiettati dal catodo all’anodo e quindi vengono prodotti meno radiazioni x a bassa energia. Poiché l’emissione di raggi x è maggiore in quantità e qualità, per le radiografie prodotte con sistemi trifasi, è necessario utilizzare dei parametri diversi (fino a 10 KV in meno) a parità di densità ottica sulla radiografia.

16. 1 Tensione continua 6 - Impulsi 2 - Impulsi 0,8 0,6 0,4 0,2 Energia 0 20 40 60 80 keV Emissione nominale di energia a 70 KV

17. UR Schema a blocchi di un generatore tradizionale Avviamento anodo Parte di potenza per la generazione dell‘alta tensione UR - Regolatore Circuito di Misura KV Rete IR IR - Regolatore Circuito di Misura mA Circuiti per L‘accensione Filamenti Tubo rx Riferimento Riferimento Comandi controllo calcolo Esposizione automatica Interfaccia con accessorio radiologico

18. Circuito di alimentazione dell’anodo

19. Circuito di alimentazione del filamento

20. Il grande svantaggio di un generatore tradizionale, sta nelle grandi dimensioni del trasformatore di alta tensione a causa della frequenza del circuito di alimentazione (50 o 60 Hz). Se tuttavia si considera l’equazione semplificatadel trasformatore si nota che ad un aumento della frequenza f corrisponde una simultanea diminuzione del numero delle spire n dell’avvolgimento

21. I generatori moderni forniscono l’alta tensione al trasformatore con alta frequenza (fino 25 KHz). Lo spazio richiesto per i cosiddetti “generatori ad alta frequenza” è quindi estremamente ridotto. Per fornire il trasformatore di alta tensione con frequenze più alte della frequenza di rete, è prima necessario raddrizzare la tensione di rete. La tensione raddrizzata alimenta successivamente un “inverter” Un “inverter” è un circuito elettronico che converte una corrente continua in una corrente alternata. In questo caso la conversione avviene ad una frequenza elevata.

22. Tensione al tubo 40 – 150 KV Potenza 30 – 55 KW mAs di lavoro 0,5 – 800 mAs Esposizione 1 ms – 5s Potenza dissipata 1 KW Tensione al tubo 40 – 150 KV Potenza 65 – 80 KW mAs di lavoro 0,5 – 800 mAs Esposizione 1 ms – 5s Potenza dissipata 2 KW

23. La tensione alternata generata dall’inverter, alimenta il trasformatore di alta tensione Sul lato secondario del trasformatore viene effettuato il raddrizzamento e il livellamento dell’alta tensione.

24. Trasformatore di alta tensione Raddrizzamento di alta tensione Livellamento di alta tensione Raddrizzamento Di linea Filtro di livellamento Inverter U t

25. Multi impulso U [kV] U [kV] 6 - Impulsi 30 x più corto 3,33 t [ms] t [ms] 0,1 A parità di valore di tensione di ripple, con tempi brevi di emissione aumenta la qualità delle radiazioni x

26. Con i generatori ad alta frequenza la tensione di ripple si abbassa fino ad ottenere un valore inferiore all’uno percento, con un evidente influenza positiva sulla qualità delle radiazioni x emesse

27. Le più importanti funzioni del generatore ad alta frequenza sono: • Il circuito di potenza, per generare l’alta tensione per il tubo a raggi x • il circuito di avviamento per la rotazione dell’anodo • il riscaldamento del filamento, per generare la necessaria nube elettronica attorno al filamento • i circuiti di controllo del generatore, per l’impostazione dei valori dalla console e la comunicazione con le apparecchiature collegate • circuiti interni, per l’accensione e alimentazione del generatore

28. R R R Circuito di potenza – alimentazione di linea Un elemento importante del circuito di potenza è la resistenza di linea dell’alimentazione. Una resistenza di linea troppo alta porta ad una elevata caduta di tensione sulla linea che si ripercuote in una minore potenza al generatore e quindi al tubo. La resistenza di linea è dovuta alla sezione dei cavi di alimentazione, della loro lunghezza, dalla resistenza del trasformatore nella centrale elettrica di distribuzione

29. Circuito di potenza - inverter Il compito dell’inverter è quello di convertire la tensione continua (DC) in tensione alternata (AC) con una frequenza molto più alta rispetto alla frequenza di alimentazione e per questa ragione è necessario un circuito “switching”. Gli elementi “switching” devono essere molto potente in quanto le correnti in gioco sono molto alte (fino a 100 A) • Esistono due tipi di elementi: • Tiristori • IGBT • (Insulated Gate Bipol Transistor)

30. Circuito di potenza - trasformatore L’alimentazione al tubo radiogeno è divisa i due sezioni, ognuna delle quali produce una alta tensione ma con polarità invertita e simmetrica rispetto al potenziale di terra. In questo modo i valori di isolamento possono essere riferiti ad una massima tensione di 75 KV.

31. Circuito di potenza - trasformatore All’interno del contenitore del trasformatore si possono inoltre trovare dei componenti (resistenze) utilizzate per monitorare sia la corrente al tubo che l’alta tensione. Nello schema sopra troviamo: P -> mA act (lato positivo) N -> mA act (lato negativo) Utilizzati per monitoraggio e controllo della corrente del tubo R+ -> (+) KV act (alta tensione del lato positivo) R- -> (-) KV act (alta tensione del lato negativo) Utilizzati per monitoraggio e controllo dell’alta tensione

32. Circuito di alimentazione del filamento Per ottenere raggi x è necessario che degli elettroni bombardino un bersaglio (anodo). Gli elettroni necessari vengono prodotti riscaldando un filo di tungsteno (filamento). • La radiazione viene emessa quando gli elettroni liberi vengono accelerati e colpiscono l’anodo. Perché questo avvenga sono necessari due parametri: • Elettroni liberi, emessi dal filamento • Alta tensione per accelerare gli elettroni Corrente di filamento (IH) Per avere elettroni liberi, essi devono essere generati dalla corrente di filamento. La corrente di filamento è quindi necessaria per avere la corrente del tubo. Non esiste una relazione lineare tra la corrente di filamento e la corrente del tubo. In questo senso, ogni tubo possiede una sua speciale caratteristica

33. Circuito di alimentazione del filamento L’esecuzione di una radiografia in tempi rapidi è spesso richiesta durante gli esami dinamici in fluoroscopia, per documentare dei dettagli visualizzati in tempo reale. La rotazione normale dell’anodo ci impiega 0,5 sec per raggiungere i giri richiesti. Durante il tempo di accelerazione, deve essere raggiunta la corretta emissione e per questo il filamento deve essere riscaldato. Ma il filamento è un sistema relativamente lento e incapace a generare la necessaria emissione in così poco tempo. Per risolvere questo problema, il filamento del tubo deve essere pre-riscaldato Con tubi standard (diametro del filamento = 0,22 mm) i due fuochi vengono pre-riscaldati come segue: Fuoco piccolo -> aprox 3A Fuoco grande -> aprox 2A

34. Circuito di alimentazione del filamento Il fuoco piccolo viene utilizzato per la fluoroscopia. Per questa ragione la corrente di riscaldamento del filamento è più alta in quanto una piccola quantità di elettroni è necessaria per l’emissione in fluoroscopia. La corrente di riscaldamento di standby è la base della corrente di filamento durante la fluoroscopia La corrente di riscaldamento di standby del fuoco grande deve essere necessariamente più bassa del limite di emissione in quanto si avrebbero due macchie focali e un conseguente sfuocamento dell’immagine Corrente massima di filamento (JHmax) La corrente massima di filamento nei tubi standard è di circa 5A. Questo valore non deve essere mai superato

35. Circuito di alimentazione del filamento Corrente di Boost del filamento Sebbene il filamento sia preriscaldato, il tempo di preparazione non è spesso sufficiente per raggiungere l’emissione richiesta. Per questo è necessaria un aumento della corrente di filamento (Jpush) durante la preparazione Corrente di riscaldamento di esposizione Il livello della corrente di riscaldamento per una esposizione dipende dal tipo di tubo, dal fuoco selezionato e dai parametri di esposizione selezionati (KV, mA) Per un tubo standard il valore della corrente è compreso tra 4A e 5A

36. Circuito di alimentazione del filamento Durante il periodo di standby, il filamento usato per fluoroscopia viene riscaldato con circa 2,8 A. Il fuoco non usato per fluoroscopia viene pre-riscaldato con circa 2 A Quando viene rilasciata una radiografia (pre-contatto VK),viene attivata una corrente di push. Questo è un aumento del riscaldamento necessario per avere una emissione sufficiente di elettroni dopo la preparazione Dopo il tempo di spinta, il riscaldamento di esposizione è attivo. Il valore dipende dai valori di esposizione selezionati (KV, mA)

37. Circuito di alimentazione del filamento Alla seconda posizione del pulsante raggi, viene rilasciato il contatto principale. A questo punto il riscaldamento di esposizione non viene più cambiato e il generatore è pronto per generare alta tensione Con l’applicazione dell’alta tensione al tubo, viene generata una corrente del tubo (mA) e viene attivato il circuito di controllo della corrente del tubo. Questo significa che se la corrente del tubo non corrisponde a quanto richiesto, la corrente di filamento deve essere opportunamente corretta

38. Circuito di alimentazione del filamento Corrente al tubo troppo bassa alla inizializzazione Se la corrente del tubo all’inizio dell’esposizione non è sufficiente, deve essere aumentata leggermente la corrente di riscaldamento. Corrente al tubo troppo alta alla inizializzazione Nel caso si abbia troppa emissione x, deve essere diminuita la corrente del tubo e quindi la corrente di riscaldamento. Nel caso di una singola esposizione, il generatore ritorna alla corrente di standby dopo un piccolo ritardo

39. Circuito di alimentazione del filamento I tubi standard contengono due fuochi. Per la corrente di filamento richiesta, nel contenitore del trasformatore di alta tensione sono locati due trasformatori distinti, uno per ogni fuoco La corrente richiesta viene controllata attraverso due inverters (fuoco piccolo e fuoco grande) i quali ricevono i segnali di regolazione dai controlli della corrente di filamento e del tubo.

40. Controllo della dose Esistono due modi di controllo della quantità di radiazione applicata durante l’esposizione o la fluoroscopia : -controllo in mAs mode (dati impostati) -Controllo automatico di esposizione

41. Controllo della dose Nel controllo in mAs mode, viene impostata l’emissione del tubo e la dose ricevuta sul piano dell’imagine non è conosciuta. Questa metodologia viene utilizzata solamente nella tecnica diretta quando, ad esempio, una mano o un piede vengono posizionati direttamente sulla cassetta. Nel controllo automatico della esposizione, la dose viene controllata per ottenere una corretta esposizione. Il carico (mAs) al tubo viene impostato in funzione delle dimensioni del paziente. Nella tecnica diretta, con l’uso di cassette radiografiche, la dose viene misurata con una camera di ionizzazione davanti alla cassetta Nella tecnica indiretta, DFR, viene misurata con un fotomoltiplicatore la luce all’uscita dell’intensificatore di immagine

42. Controllo della dose in mAs mode Durante l’esposizionela corrente del tubo viene misurata per controllare la corrente del filamento. La stessa corrente viene uitlizzata per monitorare i mAs. La tensione (segnale blu), ricavata dalla misura della corrente del tubo, viene trasformata in frequenza. Gli impulsi generati decrementano un contatore impostato attraverso i dati di esposizione inseriti alla console. Gli impulsi generati vanno a decrementare il contatore finché non viene raggiunto il valore zero. Al valore “zero”, il segnale in uscita (rosso) blocca l’inverter dell’alta tensione terminando l’esposizione.

43. Controllo automatico della esposizione Conoscendo i valori di dose richiesti per un certo annerimento della pellicola, viene impostato un contatore ad un valore che rappresenta la dose (freccia nera). Durante l’esposizione viene misurata la corrente di ionizzazione (blu), proporzionale alla dose, la quale viene convertita in tensione e successivamente in frequenza. Gli impulsi generati decrementano il contatore fino a che non viene raggiunto il valore di “zero”. A questo punto, l’alta tensione viene bloccata dal segnale in uscita (rosso) terminando l’esposizione.

44. Controllo automatico della esposizione Conoscendo i valori di dose richiesti per un ottima visualizzazione e ripresa delle immagini, viene impostato un contatore ad un valore che rappresenta la dose (freccia nera). Durante l’esposizione viene misurata l’intensità di luce alla uscita dell’intensificatore di brillanza (blu), proporzionale al dose rate, la quale viene convertita in tensione e successivamente in frequenza. Gli impulsi generati decrementano il contatore fino a che non viene raggiunto il valore di “zero”. A questo punto, l’alta tensione viene bloccata dal segnale in uscita (rosso) terminando l’esposizione.

45. Controllo automatico della Dose Rate in fluoroscopia – Autom. Dose Rate Regulation (ADR) In Fluoroscopia, il sistema di controllo calcola la 20ms-dose, e regola il contatore conseguentemente. Come nel controllo automatico della dose, viene misurata la luce e decrementato il contatore (blu). Ogni 20 ms di misura, il valore rimanente nel contatore, che rappresenta la deviazione dal valore preimpostato, viene trasferito ai circuiti di controllo i quali correggono i parametri di KV e mA (rossi) finché la deviazione di dose-rate è zero.

46. Controllo automatico della esposizione fluoroscopia Con l’aumento delle dimensioni dei pazienti, un maggior numero di raggi x vengono assorbiti dal corpo con un conseguente degrado della qualità di immagine. Come visto in precedenza, il sistema ADR mantiene costantela quantità di luce in uscita adattando l’emissione del tubo. Combinando differenti valori di KV/mA, come visualizzato nel grafico, si può influire significativamente sulla qualità della radiazione. Le tre croci rappresentano valori differenti di KV ottenute con lo stesso paziente ma con diverse curve di fluoroscopia:

47. Controllo automatico della esposizione Antiisowatt: La curva lineare grigia, aumenta costantemente la potenzafornita al tubo da 4W fino 440W e viene utilizzata principalmente per calibrazione Curva di riduzione della dose: La curva verde con KV alti fornisce una radiazione meno dannosa ma con un contrasto ridotto. Nonostante il nome della curva, la dose fornita non viene ridotta Curva di contrasto: La curva blue cerca di mantenere un ottimo contrasto nell’intervallo compreso fra i 60 KV ai 80 KV, indipendentemente dalle dimensioni del paziente.

48. Controllo della dose DIAMENTOR: Il Diamentor viene utilizzato per la misura del prodotto Area-dose, che corrisponde praticamente alla dose pelle. La camera di ionizzazione è direttamente connessa al collimatore e collegata a un controllo che genera degli impulsi dipendenti dalla dose durante l’emissione per esposizioni, serie e fluoroscopia. Gli impulsi vengono inviati al generatore che li visualizza sulla console.

49. Circuito di controllo dell’anodo Il circuito di avviamento dell’anodo è un inverter alimentato dai circuiti intermedi. La sequenza corretta che controlla lo statore del tubo viene generata dai circuiti di controllo. Una volta accelerato, l’anodo viene lasciato ruotare liberamente controllando comunque la sua velocità di rotazione. Se la frequenza di rotazione scende al di sotto di un minimo, l’anodo viene accelerato di nuovo per un breve periodo. La decelerazione avviene applicando tensione continua al rotore finché l’anodo non si ferma