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Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, 21 80125 Napoli.

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Presentazione sul tema: "Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, 21 80125 Napoli."— Transcript della presentazione:

1 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Elementi essenziali di una macchina radiologica. Tubo generatore raggi X (1); alimentatore (2); tavolo comando (3); tavolo porta paziente (4); rilevatore di rad.ni X (5); sviluppatrice (6)

2 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Schema del tipo di tubo di Crookes utilizzato da Roentgen quando scopri i raggi X. Nel tubo, attraverso la valvola, viene effettuato un vuoto parziale e con un generatore di alta tensione si applica una differenza di potenziale ai due elettrodi di platino. I raggi catodici (elettroni), giungendo all’anodo. Producono raggi X Rappresentazione schematica di un tubo a raggi X. I raggi X sono prodotti a seguito dell’impatto degli elettroni prodotti dal catodo C quando questi interagiscono con l’anodo o anticatodo A. Spettro dei raggi X al variare della lunghezza d’onda. La curva continua è denominata “radiazione di frenamento” mentre le righe “radiazione caratteristica.”

3 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE -

4 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro elettromagnetico relativo ai fotoni X e   utilizzati in terapia e diagnosi

5 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Livelli energetici delle orbite atomiche dell’atomo di tungsteno

6 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Energia e righe di emissione per tungsteno e molibdeno

7 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - INTERAZIONI TRA ELETTRONI E MATERIA Energia TermicaEnergia Termica Radiazione caratteristicaRadiazione caratteristica Radiazioni di frenamento (Bremsstrablung)Radiazioni di frenamento (Bremsstrablung) A

8 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Meccanismo quantio dell’emissione dei raggi X Il fenomeno di eccitazione orbitale è rarissimo nel senso che se si bombarda un bersaglio di un metallo con un fascio di elettroni, quelli che trasformano la loro energia cinetica in una radiazione elettromagnetica per espulsione di un elettrone appartenente al metallo, sono una frazione trascurabile. Assai più frequente e la trasformazione dell'energia cinetica in calore. Gli elettroni proiettile interagiscono con gli elettroni delle orbite esterne dell'atomo bersaglio, ma non sempre trasferiscono ad essi l'energia sufficiente per produrre una eccitazione: 1/5

9 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Meccanismo quantio dell’emissione dei raggi X di solito gli elettroni appartenenti alle orbite più esterne passano ad un livello più elevato di energia e ritornano alloro stato fondamentale con emissioni di radiazione elettromagnetiche di frequenza υ che compete per buona parte all'infrarosso e cioè il bersaglio si scalda ed emette calore ed anche luce se υ è compresa nel campo  Hz. In generale più del 99 percento dell' energia cinetica degli elettroni proiettile si trasforma in energia termica, e solo l'uno per cento circa rimanente e disponibile per la emissione di fotoni X. 2/5

10 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Meccanismo quantio dell’emissione dei raggi X Di quest'ultima frazione, la maggioranza degli elettroni che penetra nell'atomo e si avvicina al nucleo subisce un forte effetto di frenamento per effetto dei campi elettrostatici interni all'atomo. L'elettrone proiettile viene quindi da questi deviato mentre frena la sua corsa. L'energia dissipata nel corso del frenamento viene riemessa sotto forma di fotoni X. Al termine del frenamento l'elettrone incidente esce variamente deviato dall'atomo con una velocità finale inferiore a quella iniziale: la differenza di energia cinetica che ne deriva costituisce l'energia del fotone X emesso. 3/5

11 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Meccanismo quantio dell’emissione dei raggi X 4/5 Rappresentazione schematica dell’effetto Bremsstrablung

12 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Meccanismo quantio dell’emissione dei raggi X I raggi X prodotti per frenamento (Bremsstrahlung) a differenza di quelli prodotti per radiazione caratteristica, hanno uno spettro continuo perché infinite sono le situazioni per gli elettroni che entrano in un atomo con energie diverse e che sono deviati nell'atomo in modo diverso a seconda del luogo ove la penetrazione si verifica e di quanto essi riescono a penetrare nell' atomo stesso. Se si ammette che un elettrone veloce perda nella sua traiettoria curva all'interno dell'atomo tutta la sua energia cinetica con la contemporanea emissione di un solo fotone X, si può calcolare la frequenza massima o la lunghezza d'onda 0 minima della radiazione emessa che corrisponde evidentemente nelle predette condizioni, al massimo valore dell' energia che e conferita al fotone singolo. 5/5

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14 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - I raggi X di frenamento (bremsstrahlung) sono il risultato della interazione degli elettroni proiettili con il nucleo degli atomi bersaglio dell’anodo e, a seconda della interazione, possono essere di alta o bassa energia

15 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Dall'osservazione dello spettro riportato emerge: · che per lunghezze d'onda inferiori a 0 definita dall'equazione [11.16] non vi è alcuna emissione di raggi X; · che al valore 0 l' emissione di raggi X parte in modo brusco nel punto O e per > 0 1'intensità spettrale aumenta rapidamente; · tale intensità raggiunge il massimo M per un valore m  > 0 e decresce poi rapidamente; · le lunghezze d'onda caratteristiche del gruppo K ed L si sovrappongono alla radiazione di spettro continuo; · la coda dello spettro continuo compresa tra le lunghezze d'onda relative ai punti P e Q ha intensità spettrali modeste e la radiazione X che vi corrisponde ha bassa capacita di penetrazione nei corpi. 1/16

16 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Quest'ultima viene in parte arrestata dalle pareti di vetro del tubo generatore di raggi X e dall'olio di raffreddamento interno alla guaina (filtrazione inerente) e completamente estinta da un ulteriore filtro di alluminio che di norma si posiziona sulla finestra di uscita (bocca raggi) proprio allo scopo di bloccare questa parte di radiazione poco energetica e dannosa in quanto non fornisce alcun contributo alla formazione dell'immagine radiologica. Essa è invece capace di ionizzare la materia e quindi produrre danno biologico. I raggi di questo tipo vengono chiamati raggi molli. 2/16

17 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Per converso vengono chiamati raggi duri le radiazioni X che escludono quelle relative alla coda dello spettro di emissione: ad essi è dovuta principalmente la formazione dell'immagine radiografica. Lo spettro di emissione dei raggi X ha forma e valori caratteristici che sono strettamente connessi con i livelli energetici degli elettroni appartenenti agli atomi di cui e costituito il bersaglio e cioè l'anodo. La spettro relativo all'anodo di tungsteno di Figura 11.6 è stato dedotto, come gia accennato, accelerando gli elettroni in modo da conferire ad essi l'energia di 150keV. Se la differenza di potenziale aumenta, diminuisce corrispondentemente la 0 e quindi il valore m relativo a quello di massima intensità spettrale (Fig. 11.7). 3/16

18 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di emissione totale del tungsteno a 150 kV 4/16

19 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Andamento dell’intensità spettrale in funzione della lunghezza d’onda e al variare della tensione applicata(tensione anodica) 5/16

20 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Si osserva che m si sposta verso lunghezze d'onda maggiori proporzionalmente a 0 Per quanto riguarda il valore massimo dell'intensità spettrale si osserva che essa diminuisce molto rapidamente con il diminuire della tensione anodica. A 30kV le radiazioni emesse hanno carattere molto vicino a quelle che nella Figura 11.2 sona individuate come raggi molli e quindi inutilizzabili per la formazione d’ immagini radiologiche. 6/16

21 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro elettromagnetico relativo ai fotoni X e   utilizzati in terapia e diagnosi 7/16

22 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale È importante rilevare ora come si modificano gli spettri di emissione di Figura 11.6 quando l'alimentazione del tubo generatore di raggi X non avviene con tensione continua. È infatti questa la circostanza più comune poiché, come verrà illustrato nel seguito, l'alimentazione dei tubi radiogeni così come è fornita dai generatori in alta tensione ha sempre un contenuto in alternata. A seconda del tipo di generatore e della potenza erogata il contenuto in alternata (ripple) può variare da un valore minimo del l  2 percento per i generatori per cineangiografia, al 3  5 percento per gli alimentatori trifasi a 12 impulsi o in alta frequenza, fino ad un massimo del 100 percento per gli alimentatori a doppia semionda raddrizzata. 8/16

23 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale In questi casi, ed in particolar modo in quest'ultimo caso, la tensione anodica varia tra un minimo (V o ) ed un valore di picco (V P ) che e il valore massimo che la tensione raggiunge nel ciclo. È evidente che in tutti questi casi lo spettro di radiazione X emesso è variabile nel senso che vengono emesse radiazioni molli e dure essendo le dure quelle emesse in prossimità del valore di picco della tensione. Se si pongono a confronto gli spettri continui di emissione per una radiazione prodotta da un tubo RX alimentato a 100kV costanti e 100kV p intendendo con quest'ultima scrittura il valore del picco raggiunto nel tubo dalla tensione a doppia semionda raddrizzata, si hanno gli spettri riportati in Figura /16

24 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Effetto della forma d’onda sullo spettro 10/16

25 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Si osserva che con la tensione variabile lo spettro di emissione ha perduto in qualità in quanto è m "> m ' e quindi è presente una maggiore quantità di radiazioni molli non utili ai fini della formazione dell'immagine; ed in quantità poiché l'area racchiusa dalla curva di emissione a 100kV p è significativamente inferiore a quella relativa allo spettro ottenuto con alimentazione 100kV in tensione continua. Da questa importante osservazione emerge chiaramente la sostanziale differenza esistente tra kilovolt (kV) e kilovolt di picco (kV p ). 11/16

26 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Poiché praticamente la totalità delle apparecchiature radiologiche è alimentata da generatori che forniscono alta tensione con un certo contenuto di alternata (ripple), tutti i tavoli di comando, ove vengono scelti i valori dei kilovolt (kV), milliampere (mA) e secondi (s), riportano la grandezza dei kilovolt in kilovolt di picco. E perciò, anche nel prosieguo di questa trattazione, le tensioni di alimentazione dei tubi verranno sempre indicate in kilovolt di picco (kV p ). 12/16

27 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Un'altra importante osservazione in tema di possibilità di modifica dello spettro di emissione di radiazione X di un determinato materiale, è quella relativa alla operazione di filtraggio della radiazione medesima a mezzo di schermi, chiamati filtri, di materiali metallici (alluminio, rame, piombo, etc.) che possono essere posti all'uscita della bocca raggi della cuffia che contiene il tubo radiogeno. Ci si domanda come viene modificato lo spettro della radiazione incidente dopo aver attraversato il filtro. Si osserva al riguardo che la radiazione emergente ha certamente un contenuto energetico inferiore a quella entrante nella materia (Fig. 11.9) e quindi il valore dell'intensità massima è sempre inferiore a quello della radiazione incidente. 13/16

28 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale Ciò si verifica in modo proporzionale sia all'entità dello spessore del metallo costituente il filtro attraversato dalla radiazione sia al particolare materiale utilizzato per la costruzione del filtro. Il valore di o è invece identico per ogni spettro perché tale e l' energia massima del fotone che rimane costante essendo invariata la tensione massima di alimentazione del tubo radiogeno (come espresso dalla relazione [11.16]). Si osserva inoltre che l'effetto principale della filtrazione è quello di eliminare soprattutto le radiazioni meno energetiche che sono quelle che vengono diffuse. Si riconosce infatti che le radiazioni più energetiche, e cioè quelle a più prossime alla o sono quelle che vengono meno alterate perché per esse e minima la probabilità di interazione con gli atomi costituenti il filtro. 14/16

29 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro di Emissione Totale II filtraggio, pertanto, dipendentemente dal materiale del filtro e dal suo spessore, ha come effetto l'eliminazione delle radiazioni non utili alla formazione dell'immagine. Per tale motivo tutti i tubi radiogeni possiedono due tipi di filtrazione: l'una, detta inerente, è quella propria offerta dal vetro costituente l'involucro contenente il tubo stesso, e l'altra, chiamata aggiuntiva, è quella in genere ottenuta con un disco di alluminio dello spessore di 2.5 mm il cui compito e proprio quello di eliminare le radiazioni molli ed incrementare quindi la qualità della radiazione. 15/16

30 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Spettro della radiazione a,b,c, e d dopo aver attraversato rispettivamente i filtri 1,2,3, e 4 del medesimo spessore e materiale posti in serie 16/16

31 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Quantità della dose nei vari punti in un esame radiodiagnostico

32 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE -

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34 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Elementi costitutivi di una tubo radiogeno (a) e schema elettrico (b). Anodo (A); bocca raggi (B); con filtro di alluminio (Al); cuffia metallica (C ); catodo (K); olio (O); coppa focalizzatrice (Q); involucro di vetro (V);

35 Università di Napoli “Federico II” - Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Unità di Bioingegneria - Via Claudio, Napoli tel: fax: Prof. Marcello BRACALE - Schema elementare del circuito e caratteristica tensione-corrente di un diodo(tubo a vuoto). I a corrente anodica; I f corrente di riscaldamento del filamento; R resistenza di carico del diodo; V a potenziale anodico


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