Técnicas de Imagiologia. Raios X. Patrícia Figueiredo IST, 1 o Semestre

Transcrição

1 Técnicas de Imagiologia Raios X Patrícia Figueiredo IST, 1 o Semestre

2 Sinopse Produção de raios X Bremsstrahlung e radiação característica Espectro de raios X Tubos de raios X Interacção de raios X com a matéria Efeito fotoeléctrico e efeito de Compton Atenuação dos raios X Mecanismos de contraste Dose de radiação

3 Raios X Definições: Um raio X é um fotão de alta energia, com comprimento de onda entre 0.01 to 10 nm. Raios X são feixes destes fotões utilizados na análise de materiais, como em radiologia ou cristalografia, pelo seu elevado poder de penetração.

4 Produção de raios X

5 Produção de raios X Os raios X são produzidos por meio da aceleração de um feixe de electrões, a partir de um cátodo (emissor de electrões) em direcção a um ânodo onde se encontra um alvo (emissor de raios X). Aquecimento por passagem de corrente Emissão termiónica de electrões Aceleração dos electrões livres em direcção ao ânodo Emissão de raios X por interacção dos electrões livres com o alvo

6 Interacção de electrões com a matéria -Excitação atómica: Radiação de travagem ou bremsstrahlung -Ionização: Radiação de ionização ou característica -Efeito de Joule: calor

7 Interacção de electrões com a matéria Colisões inelásticas radiação característica radiação de travagem Colisões elásticas efeito de Joule

8 Interacção de electrões com a matéria Excitação atómica: radiação de travagem ou bremsstrahlung E 2 e - E o X E inc -(E 2 -E 0 ) E inc e - E 2 e - Eo E 1 e - E o X E kvp max η Z,kVp E inc -(E 2 -E 0 )-E e- E e-

9 Interacção de electrões com a matéria Ionização: radiação de ionização ou característica e - E e E 2 e - E o X E 2 -E 0 E inc e - Eo E 1 e - E o X E 1 -E 0

10 Interacção de electrões com a matéria Ionização: radiação de ionização ou característica e - E o X E=20-2.6=17.4 ev E=69-11=58 ev E 1 E 1 -E 0 E 2 e - E o X E 2 -E 0 E= =19.61 ev E=69-2.3=66.7 ev

11 Espectro de raios X Bremsstrahlung Relative nb photons E kvp max Maximum energy Photon energy [kev]

12 Espectro de raios X Bremsstrahlung Characteristic radiation E kvp max Maximum energy [kev]

13 Espectro de raios X Bremsstrahlung Internal filtering Characteristic radiation E kvp max Maximum energy [kev]

14 Espectro de raios X Efeito da filtragem [mm de Alumínio] Filtragem: Interna Externa É utilizado um material que atenua os raios X numa curta distância.

15 Tubos de raios X

16 Tubos de raios X

17 Tubos de raios X W Mo Target Z Melting point C C

18 Tubos de raios X F e - D θ f Range

19 Tubos de raios X Effective focal spot size: f = F sinθ Range = 2 D tanθ (θ ~ 5-20 f ~ mm) Effective focal spot size F θ D f Range Focal spot size

20 Tubos de raios X Heel effect: Increased attenuation of X rays in the sloping target towards the anode side.

21 Tubos de raios X Tubos de raios X de ânodo fixo Tubos de raios X de ânodo rotativo (~3000 rpm)

22 Tubos de raios X Tubos de raios X de ânodo fixo Tubos de raios X de ânodo rotativo (~3000 rpm) 1B2YA High Voltage Rectifier Tubes. Tube on left is manufactured by Sylvania, the right tube is General Electric manufactured. Tubes show glass discoloration (browning) from X-ray production.

23 Tubos de raios X C Cathode (and heating-coil) E Tube envelope (evacuated, metal and ceramic) H Tube housing (lead shield) O Cooling dielectric oil W Tube window (Aluminium or Beryllium) A Anode T Anode target R Rotor S Induction stator B Expansion bellows (for oil to expand)

24 Tubos de raios X Principais características: - Potencial de aceleração: kvp ~ kv, ~50 kv em mamografia, ~130 kv em radiografia tórax -Corrente: ma ~ ma em radiografia, ~1000 ma em CT, <50 ma em fluoroscopia -Potência (output): -Tempo de exposição: ma kvp s -Potência máxima numa exposição de 0.1 s: kw P = 10 kw per 0.1 s: kvp = 80 kv ma = 125 ma -Intensidade do feixe de raios X: I Z alvo ma (kvp) 2 -Energia máxima dos raios X: -Focal spot size / Effective focal spot size: E max = e kvp kvp [kev] F / f

25 Tubos de raios X Efeito do potencial de aceleração [kvp]: I (kvp) 2 E max kvp E peak shifted to higher energies Nb characteristic lines

26 Tubos de raios X Efeito da corrente [ma]: I ma E max unchanged E peak unchanged Nb characteristic lines unchanged

27 Tubos de raios X Efeito do tempo de exposição [s] / Potência máxima em 0.1 s [kw]:

28 Tubos de raios X Efeito do material do alvo:

29 Tubos de raios X Efeitos no focal spot size F:

30 Interacção dos raios X com a matéria

31 Interacção dos raios X com a matéria Efeito fotoeléctrico: absorção e - Efeito de Compton: difusão inelástica e - E 0 E 1 <<E 0 E 2 <<E 0 E 0 θ E 1 <E 0 Produção de pares: aniquilação e - Difusão de Rayleigh: difusão elástica E 0 e + γ anhilation E 0 θ E 1 <E 0

32 Interacção dos raios X com a matéria Efeito fotoeléctrico: absorção p PE Z 3 /E 3

33 Interacção dos raios X com a matéria Efeito de Compton: difusão inelástica p Compton ρn 0

34 Interacção dos raios X com a matéria Efeito de Compton: difusão inelástica Distribuição de Compton: E X, scat = 1+ E X, inc E X, inc 2 mc ( 1 cosθ) E X,inc [kev] θ E X,scat [kev]

35 Interacção dos raios X com a matéria Mecanismo Dependência da secção eficaz E Z N 0 Energias para que domina Difusão elástica 1/E Z kev Efeito fotoeléctrico 1/E 3 Z 3 N kev Difusão de Compton Diminui pouco com E - N MeV Produção de pares Aumenta pouco com E Z 2 - > 5 MeV Região de operação dos raios X para diagnóstico de tecidos humanos

36 Atenuação dos raios X

37 Atenuação dos raios X Atenuação: I = - I 0 σ N v x I = I 0 exp{-σ N v x} I = I 0 exp{-µ l x} I 0 σ,n v,µ l x I 0 exp{-µ l x} Half Value Layer (HVL): espessura de material necessária para reduzir a intensidade do feixe de raios X para metade: HVL = ln 2 / µ l I 0 = intensidade dos raios X incidentes σ [cm -2 ] = secção eficaz de interacção N v [cm -3 ] = no. partículas difusoras por unidade de volume da matéria µ l [cm -1 ] = coeficiente de atenuação linear

38 Atenuação dos raios X Num objecto heterogéneo: { } ( x, y) I( y) = I0 ( y) exp µ ( x y) µ = µ dx l l l, Coeficientes utilizados na reconstrução de imagem em CT. y I 0 (y) µ 11 µ 12 µ 21 µ 16 µ 22 µ 31 µ 26 µ 32 µ 41 µ 36 µ 42 µ 51 µ 46 µ 52 µ 61 µ 56 µ 62 µ 13 µ 23 µ 33 µ 43 µ 53 µ 63 µ 14 µ 24 µ 34 µ 44 µ 54 µ 64 µ 15 µ 25 µ 35 µ 45 µ 55 µ 65 µ 66 I(y) x

39 Atenuação dos raios X Para um feixe de raios X policromático: E max ( E) I( y) = I ( E, y) exp ( x y) { dx} I 0 = I0 0 µ l, 0 de Na prática, assume-se um feixe monocromático y I 0 (y,e) µ 11 µ 12 µ 21 µ 16 µ 22 µ 31 µ 26 µ 32 µ 41 µ 36 µ 42 µ 51 µ 46 µ 52 µ 61 µ 56 µ 62 µ 13 µ 23 µ 33 µ 43 µ 53 µ 63 µ 14 µ 24 µ 34 µ 44 µ 54 µ 64 µ 15 µ 25 µ 35 µ 45 µ 55 µ 65 µ 66 I(y) x

40 Atenuação dos raios X Coeficiente de atenuação linear:µ l = σ N v Secção eficaz de interacção: σ = σ Fotoeléctrico + σ Compton + σ Rayleigh + σ ProdPares Coeficiente de atenuação linear: µ l = µ l (ρ, N 0, Z, E) [cm -1 ] Coeficiente de atenuação de massa: µ = µ l / ρ µ= µ (N 0, Z, E) [cm 2 /g] Mecanismo Dependência da secção eficaz E Z N 0 Energias para que domina Difusão elástica 1/E Z kev Efeito fotoeléctrico 1/E 3 Z 3 N kev Difusão de Compton Diminui pouco com E - N MeV Produção de pares Aumenta pouco com E Z 2 - > 5 MeV

41 Atenuação dos raios X Dependência da energia: In water The optimum X ray energy is ~ 30 kev (kvp ~ kv) where the photoelectric effect dominates.

42 Atenuação dos raios X Dependência da energia: When the photoelectric effect dominates, the attenuation coefficient changes abruptly at the binding energy of the electrons at each shell: K, L or M edge. Photon energy [kev]

43 Atenuação dos raios X Dependência da energia: Beam hardening: os raios X de menor energia sofrem maior atenuação, pelo que a energia média do feixe de raios X aumenta durante a sua passagem pela matéria. x [mm] - Afecta o HVL - Artefactos de imagem em CT

44 Mecanismos de contraste Z

45 Mecanismos de contraste Número atómico efectivo: Z eff = α iz i m i 1 m m = 3.8 α i = fracção de electrões do elemento i Z i = número atómico do elemento i Ex: Water (H 2 O)

46 Mecanismos de contraste Dependência do material (número atómico efectivo e densidade electrónica): PE effect dominates (Z eff dependence) good contrast Compton effect dominates (ρn 0 dependence) bad contrast

47 Mecanismos de contraste Dependência do material: agentes de contraste K-edge better contrast Z I = 53 k-edge: 33.2 kev Z Ba = 56 k-edge: 37.4 kev Z Pb = 82

48 Mecanismos de contraste As diferenças de coeficiente de atenuação entre tecidos resultam essencialmente de: -Número atómico efectivo: na região de baixas energias onde o efeito fotoeléctrico é dominante; O coeficiente de atenuação depende fortemente da energia dos raios X. -Densidade electrónica: na região das altas energias onde o efeito de Compton é dominante; O coeficiente de atenuação varia pouco com a energia dos raios X.

49 Mecanismos de contraste Aproximadamente:

50 Exposição e dose de raios X Tecidos biológicos Half-Value Layer for Muscle and Bone [cm] Material 30 X-ray energy [kev] Bone Muscle A maior parte dos raios X incidentes é absorvida nos tecidos (>90%). Materiais do tubo de raios X

51 Exposição e dose de raios X Medidas dosimétricas: Exposição X: [1 R = C/cm 3 = C/Kg ] Dose D: [1 Gy = 1 J/Kg ou 1 rad = 100 erg/g ] Factor f: Dose equivalente: Índice de dose CT: f=d/x CTDI = i H ω D QF E = 1 T i + 7T i 7T D z dz [Sv ou rem]

52 Exposição e dose de raios X

53 Referências Webb, Introduction to Biomedical Imaging, Wiley Cho, Foundations of Medical Imaging, Wiley Hendee, Medical Imaging Physics, Wiley 2002.