raggi x - UniNa STiDuE

Facoltà di Medicina e Chirurgia
Corso di
Diagnostica per Immagini
COSA SONO I RAGGI X
I raggi X
sono onde elettromagnetiche
la cui
lunghezza d'onda
è molto più piccola di quella
delle radiazioni visibili .
Furono scoperti casualmente
dal fisico tedesco Roentegen
nel 1895 il quale,
non sapendo di che tipo
di radiazione si trattasse,
dette loro il nome di
raggi X.
COSA SONO I RAGGI X
I raggi X
vengono prodotti attraverso
l'urto
tra un fascio di elettroni
ad alta energia
ed un disco composto
da un elemento
ad alto numero
atomico
(in genere tungsteno).
COSA SONO I RAGGI X
Sono, quindi, il risultato
della forte
decelerazione
degli elettroni
nelle collisioni con i nuclei atomici
e delle transizioni
degli elettroni
nelle orbite più profonde
all'interno degli atomi.
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
I meccanismi di produzione
dei raggi X sono due:
•Bremsstrahlung
(o radiazione di frenamento)
•Radiazione caratteristica
Bremsstrahlung
Radiazione caratteristica
COSA SONO I RAGGI X
Bremsstrahlung
Gli elettroni ad alta velocità
vengono
bruscamente decelerati
quando passano vicino
agli atomi dell'anodo .
Gli elettroni hanno carica negativa e
sono attratti dai nuclei
(a carica positiva),
vengono deviati e perdono energia.
La perdita di energia si concretizza
nell'emissione
di radiazione elettromagnetica
COSA SONO I RAGGI X
Bremsstrahlung
Dal punto di vista
quantistico,
vengono prodotti
molti fotoni
di diversa lunghezza d'onda, ma
nessun fotone ha più energia di
quella posseduta inizialmente
dagli elettroni.
Dopo l'emissione dello spettro di
raggi X,
gli elettroni incidenti
rallentano o si fermano.
COSA SONO I RAGGI X
Bremsstrahlung
La perdita di energia avviene secondo la
relazione
E=hv
dove
E rappresenta l'energia,
h rappresenta la costante di Planck
v rappresenta la frequenza
dell'onda elettromagnetica.
COSA SONO I RAGGI X
Bremsstrahlung
L'energia di una radiazione X
emessa
per Bremsstrahlung dipende
dall‘ energia iniziale
dell'elettrone e
dalla distanza tra
l'elettrone e i nuclei atomici.
COSA SONO I RAGGI X
Bremsstrahlung
COSA SONO I RAGGI X
Radiazione caratteristica
Questa radiazione è prodotta quando
un elettrone accelerato
urta
un elettrone delle orbitali più interne
di un atomo
L'elettrone viene rimosso
dal suo livello energetico,
che viene riempito
da un elettrone
di un livello superiore.
COSA SONO I RAGGI X
Radiazione caratteristica
L'energia persa dall‘elettrone
che precipita
viene emessa
sotto forma di raggi X.
Intanto, elettroni con energia
maggiore occupano lo strato
vacante, spazio K ,
nel guscio esterno.
COSA SONO I RAGGI X
Radiazione caratteristica
L'emissione di guscio K
produce raggi X
di intensità maggiore
rispetto
alla Bremsstrahlung,
i fotoni prodotti hanno tutti la
medesima lunghezza d'onda.
COSA SONO I RAGGI X
Radiazione caratteristica
La radiazione X emessa
corrisponde
alla differenza di energia
tra i due livelli,
che risulta essere
quindi
caratteristica
dell'atomo e dei livelli stessi.
COSA SONO I RAGGI X
Radiazione caratteristica
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
Negli esami radiologici si usano
apparecchi che generano raggi X,
detti tubi radiogeni.
Un tubo a raggi X è costituito da
un'ampolla di vetro,
posta dentro
un involucro metallico
rivestito di piombo.
L'emissione dei raggi X
avviene solo da una
piccola zona non schermata detta
finestra
COSA SONO I RAGGI X
All’ interno dell’ ampolla di vetro
viene creato
il vuoto molto spinto.
In essa sono incorporati
due elettrodi,
disposti l’uno di fronte all’altro,
denominati:
catodo ( con uno o due filamenti )
anodo
COSA SONO I RAGGI X
Schema rappresentativo tubo radiogeno
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
Il catodo è l’ elettrodo negativo
del tubo radiogeno
ed è costituito da
un involucro metallico,
“testa del catodo”,
realizzata normalmente in nichel o ferro
nichelato,contenete
uno o due
filamenti di tungsteno
COSA SONO I RAGGI X
Testa catodo
Filamento catodo
Schema rappresentativo testa del catodo
COSA SONO I RAGGI X
Una parte essenziale del catodo è
la focusing cup.
Il suo ruolo è quello
di restringere
il diametro del fascio di elettroni
in modo che possano essere
diretti
solo su una piccola parte dell'anodo,
la macchia focale.
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
La grandezza del filamento
determina
il diametro del fascio di elettroni,
la grandezza della macchia focale e
quindi il
diametro del fascio di
raggi X prodotti.
Le dimensioni della macchia focale sono
critiche
per quanto riguarda
la qualità dell'immagine,
più piccola è la macchia focale,
più puntiforme è la sorgente di radiazioni
quindi migliore risulta l‘immagine finale.
COSA SONO I RAGGI X
La funzione del catodo
è quella
di produrre elettroni
per effetto termoelettrico:
Il filamento viene attraversato
da una corrente intensa che
riscalda il catodo
e determina la produzione
di elettroni di conduzione
COSA SONO I RAGGI X
Variando
la tensione applicata
ai capi del filamento
si fa variare
la corrente che lo percorre,
quindi
la sua temperatura ,
e di conseguenza la quantità
di elettroni liberati
cioè i mA
COSA SONO I RAGGI X
L’energia cinetica degli elettroni
aumenta all’aumentare
della T del filamento.
Per valori di questa energia inferiore
ad un certo valore limite,
gli elettroni rimangono confinati
nell’ atomo.
All’aumentare della T
aumenta anche l’E cinetica,
per cui gli elettroni superano
la “barriera di potenziale” ed
escono
nello spazio vuoto
COSA SONO I RAGGI X
La temperatura
del filamento di tungsteno
di un tubo a raggi X
deve raggiungere almeno 2200° C
perchè si possa avere
un’ emissione elettronica utile
e non deve superare i 2500°C
perché quanto più è caldo tanto più
tende ad evaporare
COSA SONO I RAGGI X
Applicando
un campo elettrostatico opportuno,
tra il catodo e l’ anodo,
si possono convogliare
la nube di elettroni
verso l’ anodo generando così
una corrente elettronica
COSA SONO I RAGGI X
Nei tubi radiogeni
si polarizza
negativamente il catodo e positivamente l’anodo,
con una differenza di potenziale
tra i 40 e i 150 KV
affinché gli elettroni
prodotti al catodo siano convogliati
verso l’ anodo
con un energia sufficiente a provocare un’interazione
tale
da generare un fascio di raggi X
COSA SONO I RAGGI X
Gli elettroni di conduzione,
quindi
vengono accelerati verso l'anodo
grazie all'alta differenza di potenziale.
La “costante di emissione primaria”
è la quantità di elettroni che un filo metallico riscaldato
può fornire
per unità di potenza e
dipende
dalla natura del filo,
dallo stato e dall’ estensione
della sua superficie,
dalla temperatura e dalla sua costituzione chimica
COSA SONO I RAGGI X
L’anodo è l’elettrodo positivo
del tubo radiogeno.
Può essere fisso o rotante.
E’ costituito da tungsteno.
COSA SONO I RAGGI X
L’anodo fisso è costituito da rame
mentre,
nel punto in cui
avviene il bombardamento,
vi è una placchetta di tungsteno
dello spessore di circa 2 mm
Il codolo è la parte in rame
dell’anodo
prolungata all’esterno
dell’ ampolla di vetro
per una più attiva dissipazione
del calore
COSA SONO I RAGGI X
Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo fisso
COSA SONO I RAGGI X
L’ anodo rotante
è costituito
da un piattello di tungsteno forgiato
montato tramite un
sottile stelo di molibdeno,
sull’estremità di un cilindro di rame
(rotore),
contenuto
nell’ampolla di vetro
del tubo radiogeno
COSA SONO I RAGGI X
Il piattello di tungsteno
ruota
durante il bombardamento
degli elettroni.
Così metallo riscaldato dall’ impatto
con gli elettroni
lascia il posto a del metallo più freddo,
si’ da ripartire il calore su di
una superficie più grande
COSA SONO I RAGGI X
Schema rappresentativo di un tubo radiogeno ad anodo rotante
COSA SONO I RAGGI X
La funzione dell’ anodo è quella
di costituire un bersaglio
contro il quale avviene
l’impatto degli elettroni.
E’ questo impatto che provoca
l’emissioni di raggi X
COSA SONO I RAGGI X
Il bersaglio non è perpendicolare
al fascio degli elettroni,
ma inclinato
di un angolo di circa 20°.
In questo modo
gli elettroni interagiscono con un'area
rettangolare (area focale)
mentre i fotoni
escono da un‘ area quasi quadrata
molto più piccola,
detta macchia focale o spot focale effettivo
COSA SONO I RAGGI X
Aumentando
l'angolo di inclinazione,
aumenta
l'area focale
che determina
l'intensità
del fascio X in uscita
ed aumentano anche le
dimensioni dello spot effettivo.
COSA SONO I RAGGI X
Il fuoco è quindi
la parte della superficie
dell’anodo
che viene colpita dal fascio elettronico
proveniente dal filamento del catodo
e dalla quale prendono origine
i raggi X.
COSA SONO I RAGGI X
Fuoco elettronico:
sezione del fascio elettronico sulla superficie di impatto
dell’anodo del tubo radiogeno
Fuoco termico:
la parte dell’anodo sottoposta a riscaldamento per effetto
dell’impatto del fascio elettronico
Fuoco ottico:
l’area della proiezione ortogonale del fuoco elettronico vista
sul fascio centrale del fascio di radiazione
COSA SONO I RAGGI X
Nei tubi ad anodo fisso
il fuoco termico
coincide
col fuoco elettronico
COSA SONO I RAGGI X
Nei tubi ad anodo rotante
il fuoco termico
è costituito da tutta la superficie circolare
colpita dal fascio elettronico per effetto
della rotazione dell’anodo
COSA SONO I RAGGI X
Per FUOCO o MACCHIA FOCALE
si intende
sempre
il FUOCO OTTICO
COSA SONO I RAGGI X
solo l'1 % dell'energia cinetica
degli elettroni
è disponibile per la produzione
di raggi X
il resto viene convertita in
energia termica
e ciò può causare il deterioramento o
addirittura la fusione
dell'anodo.
Per evitare l'eccessivo riscaldamento
dell'anodo
vengono utilizzati anodi rotanti
in modo che il fascio di elettroni
incida in punti diversi.
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
Perchè si usa il tungsteno
nei tubi a raggi X?
Esistono
altri elementi che
possono produrre raggi X?
COSA SONO I RAGGI X
La maggior parte degli elementi
emette raggi X
se opportunamente bombardata
con elettroni.
Gli elementi più pesanti
(come il tungsteno)
sono i migliori poichè emettono
una maggiore intensità di radiazione
attraverso
il meccanismo di bremsstrahlung
COSA SONO I RAGGI X
La scelta è legata ad un problema tecnico:
quasi tutta l'energia derivante
dall'impatto
produce solo riscaldamento del materiale.
Si utilizza
il tungsteno poichè può sopportare
questo bombardamento,
ha un elevato punto di fusione
ed è in grado di
disperdere il calore molto bene
COSA SONO I RAGGI X
Perchè lo spettro di guscio K dipende
dall'elemento utilizzato
come bersaglio?
Esiste un legame fra
la lunghezza d'onda
del raggio X emesso
e il numero atomico dell'elemento
Queste radiazioni sono dette caratteristiche,
perché sono proprie della natura chimica
dell’ anodo.
Precise leggi della meccanica quantistica
vietano alcune transizioni che collegano
L, M, N a K.
COSA SONO I RAGGI X
Per variare
la quantità dei fotoni X
bisogna variare
la corrente
che alimenta la spiralina catodica
(misurata in mA):
incrementando la T del filamento è possibile
ottenere
una maggiore quantità
di raggi X.
COSA SONO I RAGGI X
Per variare la qualità dei fotoni X
emessi
dal tubo radiogeno
bisogna agire
sulla differenza di potenziale
(misurata in kV):
a maggiore d.d.p.
corrispondono
raggi X più energetici,
cioè più penetranti.
COSA SONO I RAGGI X
Filtri e collimatori
I raggi X escono dal tubo
attraverso un' apposita finestra.
A questo punto, le radiazioni a bassa energia
devono essere rimosse, infatti non sono abbastanza
intense
da attraversare il paziente
( quindi contribuire alla formazione dell'immagine)
provocherebbero
solo danni al paziente stesso.
Per assolvere tale funzione,
si usa un filtro di alluminio
COSA SONO I RAGGI X
Filtri e collimatori
I collimatori consentono
di regolare la forma e la grandezza del
fascio di raggi X.
Questo controllo è necessario per due motivi:
-protezione delle persone,
collimare le radiazioni significa ridurre
sostanzialmente le radiazioni diffuse e quindi
diminuire l’esposizione del paziente ;
-qualità dell'immagine,
le radiazioni diffuse riducono la definizione ed il
contrasto.
COSA SONO I RAGGI X
Filtri e collimatori
Il dispositivo di collimazione
è costituito da una serie di lamine,
da uno specchio e da una luce che
imitano il fascio di raggi X e
consentono
all'operatore di regolare al meglio
il fascio di radiazioni
prima di iniziare
l'esposizione vera e propria.
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
I DIAFRAMMI
sono dei limitatori di fascio che
permettono di confinare
il fascio radiogeno alla zona da radiografare,
riducendo
l’ esposizione al paziente
COSA SONO I RAGGI X
COSA SONO I RAGGI X
I tubi radiogeni
devono essere sempre racchiusi
in contenitori dedicati chiamati
guaine o anche cuffie
COSA SONO I RAGGI X
GUAINE E CUFFIE
Sono degli involucri di piombo
che hanno solo una
“finestra” radiotrasparente
in corrispondenza del fascio di radiazioni,
di apertura
sufficiente a delimitare tale fascio
Consentono
una schermatura protettiva
contro le radiazioni X e contro
l’alta tensione applicata
agli elettrodi del tubo
COSA SONO I RAGGI X
LA DIFFICOLTA’ CHE INCONTRIAMO
PER RAGGIUNGERE LA NOSTRA META
E’IL CAMMINO PIU’ BREVE
PER ARRIVARCI
K. Gibran
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