RÖNTGEN FİZİĞİ X-Işını oluşumu Doç. Dr. Zafer KOÇ Başkent Üniversitesi Tıp Fak
X-IŞINI TÜPÜ X-IŞINI TÜPÜ PARÇALARI 1. Metal korunak (hausing, haube) 2. Havası alınmış cam veya metal tüp 3. Katot 4. Anot
ANOT X-ışını tüpünün (+) elektrodudur. X-ışınlarının oluştuğu target denilen tungsten plak ve onun yerleştirildiği metal destekten oluşur Katoddan gelen e - ları alır ve bağlantı kabloları ile yüksek voltaj jeneratörüne iletir. Hedef için mekanik destek sağlar ve İyi ısı iletken özelliğiyle ısıyı iletir Anoda çarpan e - ların kinetik enerjilerinin %99 u ısıya, ~ %1 i ise X-ışını enerjisine dönüştürülür Sabit ve döner tipleri vardır
ANOT Anodda tungstenin target materyali olarak seçilmesinin 3 nedeni vardır: 1. atom numarası (74) enerjili x-ışını oluşumunu sağlar 2. ergime noktası anodu ısıya daha dayanıklı yapar. Cu ergime derecesi 1100 o C iken tungsten alaşımı 3400 o C a kadar dayanabilir. X-ışını oluşumunda anot ısısı 2000 o C a kadar yükselir 3.İyi ısı iletkeni olması: Tungstenin ısı iletkenliği bakıra yakındır
SABİT ANOT Diş görüntüleme, bazı portatif görüntüleme sistemleri gibi güçlü çıkış gerekmeyen sistemlerde kullanılır Bakır kütlesi üzerine yerleştirilmiş 2-3 mm kalınlıkta tungsten plağıdır Boyutları 1 cm civarında dikdörtgen veya kare şeklindedir
Target denilen bu plakta e- ların çarptığı alan (gerçek fokal spot) küçük ve sabittir. Bu nedenle daha çok ısınır ve çabuk tahrip olur Tungsten plağın gömülü olduğu bakır kütle anodun ısı kapasitenini arttırır ve ısıyı hızla cam tüpe ve onun aracılığı ile çevresindeki yağ ve metal muhafazaya iletir
DÖNER ANOT Genel amaçlı x-ışını tüpleri döner anotludur X-ışın enerjisi ve miktarının arttırılabilmesi için anodun ısı kapasitesinin gerekir
Bir kola yerleştirilmiş döner disk şeklinde target alanı sabit anoda kıyasla 500 kat Ör: 75-100 mm çapta diskin çevresine yerleşik target alanına ısı yayılarak ısı kapasitesi birkaç yüz misli
DÖNER ANOT Elektromanyetik indüksiyon motoru ile döndürülür Anot arkasındaki cam tüpün boynu çevresinde elektromıknatıs sargıları (statör) vardır Sargılardan geçen akımın yarattığı manyetik alan tüp içindeki bakır ve demir çubuklardan oluşan rotoru döndürür Rotorun dişlilerindeki sürtünmeyi minimuma indirmek için metal kayganlaştırıcı ve ısıya dayanaklı gümüş kullanılır
DÖNER ANOT Döner anodda oluşan ısının dişlilerde kilitlenme yapmaması için tungstenin altında anodun boynunda ısı yalıtkan molibden ve grafit katmanlar bulunur. Böylece ısı cam tüpe ve daha sonra çevreye iletilir. Molibden ve grafit daha küçük kütle yoğunluğu nedeniyle anodun dönüşünü kolaylaştırır
DÖNER ANOT Döner anodlar 3400-10000/dk hızla dönerler Şutlama düğmesine basılınca duyulan dönüş sesi anodun hızlanma sesidir. X-ışını ekspojuru anot optimum dönme hızına ulaştığı zaman gerçekleşir Anodun yeterli hıza erişmesi için geçen bu süre ~ 0.5-1 sn olup aynı sürede filament de ısıtılır Disk yüzeyindeki her nokta ~1/60 sn de bir bombardıman edilmektedir Şutlamadan sonra anodun durması da belirli zaman almakta kalan zaman ısının dağıtılmasında kullanılmaktadır
ÇİZGİ-ODAK PRENSİBİ Tüp akımı esnasında tungsten targetin fokal spot denilen belirli bir alanı e - larla bombardıman edilir e - kinetik enerjileri büyük kısmı ısıya dönüşür, ısı kapasitesini arttırmak için x- ışınlarının çarptığı alanı (gerçek fokal spot) geniş tutmak gerekir Buna karşın fokal spot ne kadar küçük ise görüntü keskinliği o kadar artar Aradaki bu çelişki 1918 yılında geliştirilen çizgi-odak prensibi ile çözülmüştür
Çizgi-odak prensibi Targete açı verilerek bunun izdüşümü olan etkin fokal spot küçültülmektedir
ÇİZGİ-ODAK PRENSİBİ Etkin fokal spottaki küçülme anot açısının sinüsü ile orantılıdır Anot açısı küçüldükçe etkin fokal spot alanı da küçülmektedir Tanısal tüplerde anot açısı 5-20 o arasında değişir 0,3 mm etkin fokal spotlu tüplerde anot açısı 6-7 o civarındadır Çizgi-odak prensibinin istenmeyen bir sonucu topuk (heel) etkisidir. Topuk etkisi anot açısındaki küçülmeyi sınırlar
TOPUK (HEEL) ETKİSİ Açının dezavantajı topuk etkisi iki önemli özelliği var X-ışını şiddeti ışın demetinin her yerinde aynı değil, katoda yakın tarafta radyasyon yoğunluğu daha fazladır Etkin fokal spot anot tarafında daha küçüktür Targette oluşan x-ışınları izotropiktir yani her yöne dağılır
Etkin fokal spot büyüklüğü ve şekli yönlendirildiği x-ışını alanına göre değişir.
Anoddaki açılanma nedeniyle e - lar target içindeki atomlarla değişik derinliklerde etkileşir. Anoda yakın tarafta oluşan x-ışınları daha kalın bir target metalini katederek absorbsiyonu arttığı için targetin topuğunda daha çok zayıflamakta, anoda yakın tarafta x-ışını şiddeti azalmaktadır
Değişik kalınlıktaki anatomik kısımların radyografisinde topuk etkisi göz önüne alınmalıdır Hastanın kalın kısmı tüpün katot tarafına yerleştirilirse daha homejen bir grafi elde olunabilir
TOPUK (HEEL) ETKİSİ Örneğin lumbosakral vertebra yan grafisinde kalın olan pelvik bölge katoda doğru yerleştirilmelidir Mamografide katot tarafı dokunun daha kalın olduğu göğüs duvarı tarafına alınır. Bazı mamografi üreticileri tüpe açı vererek göğüs duvarı tarafında daha küçük fokal spot oluşturur Topuk etkisini azaltmak için; Anot açısı artırılmalı, Odak (Tüp) - film mesafesi artırılmalı, Santral ışın civarında x-ışın şiddeti daha homojen olduğu için küçük filmlerde topuk etkisi azalır Fokal spotun boyu azaltılmalıdır
EKSTRAFOKAL RADYASYON Katoddan hızlandırıılan e - lar anodla fokal spot bölümünde etkileşir. Bazı e - lar fokal spottan saçılır buna ekstrafokal radyasyon denir Ekstrafokal radyasyon nedeniyle Fokal spot boyutu genişler, Cilt dozu artar, Görüntü kontrastı azalır, Görüntülenen bölüm dışına x-ışını gider Bu olumsuz etkilerini azaltmak için pencere bölümüne diyafram yerleştirilir
Tüpün ısı kapasitesi ve tüp hasarı X-IŞINI TÜP DEĞERLENDİRME CETVELLERİ Tüpe verilen elektrik enerjisinin ~% 1 i x- ışınına, ~ % 99 u ısı enerjsine dönüşür Bir ekspojur süresince tüpte depolanan ısı enerjisi miktarına tüp yüklenmesi denir Yüklenme miktarı tüp voltajı, voltaj dalga formu, tüp akımı, ekspojur süresi ve sayısına bağlıdır
Tüpün ısı kapasitesi ve tüp hasarı X-IŞINI TÜP DEĞERLENDİRME CETVELLERİ Hedefte oluşan ısı önce anot metaline geçer, buradan anot bağlantılarına geçerek soğutucu sisteme iletilir Tungstenin dayanabileceği maksimum ısı 3000 o C dir. Bu değer üstünde erime ve buharlaşma ortaya çıkar
Tüp ısı kapasitesi Tüp voltajı (V) ve akımı (I) sabit olmak koşuluyla, saniye olarak ekspojur süresinde (t), Joule (J) olarak enerji depolanması= voltaj x akım x süre Isı kapasitesi birimi ısı ünitesidir Heat Unit (HU) = V. I. t formülü ile hesaplanır 1 HU = 0,74 J 1 J =1,35 HU dir Isı kapasitesi; Monofaze cihaz; HU = kvp. ma. sn Trifaze cihaz; HU = l,35. ma. kvp. sn Yüksek voltaj jeneratörlü cihaz; HU= l,4. ma. kvp. sn
Tüp ısı kapasitesi Fluoroskopide x-ışını çıkışı devamlı olduğu için HU/sn değeri hesaplanır (HU/sn = kvp x ma) Anot yüksek ısılarda daha hızlı soğur ve fluoroskopide genellikle ısının yüklenmesi ve soğuma arasında bir denge oluşur Tüp yüklenmesinin en önemli belirleyicisi tüpün güç üretim hızıdır (rating). Tüp ratingi 0.1 sn ekspojur süresinde müsaade edilebilir max kilowat (kw) ile ifade edilir ör: ratingi 80 kw (80 000W) olan tüp 80 kvp 1000 ma değerlerinde en fazla 0.1 sn lik bir ekspojuru tolere eder. Tipik bir x-ışın tüpünün ratingi 5-100 kw arasındadır
Tüp ısı kapasitesi Radyografide tüp yüklenmesi tipik olarak büyük fokal spotta 80-100 kw, küçük fokal spotta 29 kw tır Tüpü ısıtmadan güç üretimini artırmak için büyük foküs seçilir veya ekspojur süresi uzatılır Tüpün güç üretimi fokal spot boyutu, anodun çapı, dönüş hızı ve ısıya dayanıklılığı ile doğru, anot açısı ile ters orantılı olarak artar
Tüp ısı kapasitesi Bir x-ışını tüpüne uygulanabilecek ısı 3 faktörde belirlenir; Tüpün tek ekspojura dayanaklılığı Tüpün birden fazla ve hızlı ekspojura dayanaklığı Tüpün uzun süreli ve çoklu ekspojura dayanıklığı
Tüpün performans verileri Tüp üzerinde firma ismini izleyen sayı ve harf dizini şeklinde verilir. Ör; 150/40/80 HC-100 dizgesinde: 150 max tüp voltajını, 40 ve 80 küçük /büyük foküs max yüklenme kapasitesi (kw), HC tüpün iç dizayn özelliklerini, 100 döner anod çapını gösterir
Tüp performans verileri Tüpün anoda hasar vermeyecek şekilde çalışabilmesi için ekspojura dayanaklılığı tüm tüplerle birlikte verilen tüp değerlendirme grafiklerinde belirtilir Bu grafiklerde kvp ye karşı süreyi gösteren farklı ma eğrilerine bakarak karar verilir Tüp yüklenmesi üst sınırı bu grafiklerden belirlenerek ekspojur değerleri ve işlemin süresi belirlenir
Tüp değerlendirme grafiği (rating chart)
Tüpün performans verileri Bu grafiklerde maksimum ekspojur süresi ve ma in hangi kvp ile kullanılabileceği belirtilmiştir Tüpün uzun süreli multipl ekspojura dayanıklılığı anot ısı depolama karakteristikleri ile saptanır. Bu karakteristik grafik ile gösterilir Bu grafik anodun soğuması için geçen zamanı gösterir. Günümüzde dijital teknloji sayesinde tüpler yüklenmeye karşı otomatik devre kesicilerle korunur
Anodun soğuma grafiği
Tüpten ısı atımı Tüpler ısıyı etkin bir şekilde atacak yapıda üretilmiştir Isı geniş alana yaymak için disk şeklinde ve yüksek hızda (3-10 000 devir/dk) döner anodlar kullanılır Anodda oluşan ısı radyasyon, kondüksiyon ve konveksiyon ile azalır Fokal spottan radyasyon yoluyla tüp korunağına, iletim anoda, rotora ve gövdeye iletilir, Yağa geçerek soğutulur ve kalanı da oda havasına yayılır Radyasyon ısı kaybında temel yoldur
Tüpten ısı atımı Tüpler elektrik izolasyonu ve ısı kaybına yardım amacıyla yağ içerisine gömülüdür Yağ aracılığı ile ısı kaybı konveksiyon (sirkülasyon) yoluyladır. Tüpe bağlı vantilatörler ısı kaybına yardımcı olur Hedefin hasarlanmadan tolere edebileceği ısı miktarı ~2000 o C dır. Maksimum anot ısı yüklemesi sonrası tüpün tekrar kullanılmadan önce dakikalarca soğumasını beklemek gerekir Fluoroskopi ve anjiografi tüpleri 2.5 MHU, tomografi tüpleri 8 MHU ısı depolama kapasitesine sahiptir
Tüpten ısı atımı Straton tüplerinde soğuma hızı 4.7 MHU/dk gibi çok değerlerde olduğundan ısı depolama kapasitesine gereksinim duyulmaz Ayrıca tüp muhafazasının da ısı kapasitesi vardır Bu kapasite çok daha fazla olup ~1.500.000 HU dir Tüp muhafazası soğuması yaklaşık 1-2 saat zaman gerektirebilir Muhafazaya yerleştirilmiş fanlar soğumayı hızlandırır
TÜP HASARI NEDENLERİ Tüp hasarı nedenlerinin hemen hepsi ısı ile ilgilidir Döner anodun hasarı genelde e - bombardımanı sonucu termal stress ile target yüzeyinin aşınması ile oluşur Targetin yüzeyi ve derini arasında ısı ile genleşme farklılıkları ortaya çıkar Bu farklılıklar anot yüzeyinde hedefte yüksek ısı nedeniyle ergimeler ve düzensizlik oluşturur
TÜP HASARI NEDENLERİ Anot yüzeyinde bozulmalar sonucu değişken ve azalmış x-ışını oluşur Buharlaşan tungstenin cam tüp iç yüzeyinde oluşturduğu kaplama kısa devre yaparak elektron akımını etkileyebilir X-ışınları bu tungsten kaplama ile filtre edilir Ani ısı farklılıklarına bağlı denge bozukluğu ve sürtünme ile anodun dönmesinin bozulması Filamandaki tungsten yüksek ısı ile buharlaşma sonucu zamanla incelerek kopabilir
X-IŞIN TÜPÜ KORUMA YOLLARI Dikkatli kullanım ile tüp uzun ömürlü olur. Tüpün uzun ömürlü olması için eksposur zamanı, ma ve kvp değerlerde kullanılması gerekir Hızlı görüntü algılayıcılar tüp ömrünü uzatır Anod ısınmadan maksimal parametrelerde kullanılmamalı tüp önce düşük değerlerde ısıtılmalıdır Ekspojur değerleri tüpün kullanım grafiklerine uygun seçilmeli, tüp ısı kapasitesi aşılmamalıdır Anot uzun süreli yüksek ısıda bırakılmamalı, tüpün soğuması için zaman tanınmalı
Kaynaklar 1. Bushong SC. Radiologic Science for Technologist: Physics, Biology and Protection. 9 th ed. St. Louis, Mosby Elsevier, 2008. 2. Tuncel E. Klinik Radyoloji. Bursa, Nobel & Güneş, 2008. 3. Kaya T. Temel Radyoloji Tekniği. Bursa, Güneş & Nobel, 1997.