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CALIBRAÇÃO DE MEDIDORES DE KV COM A GRANDEZA POTENCIAL DE PICO
PRÁTICO (IEC 1676)
Paulo H. B. Becker*, Marcos A. L. Peres*, Jaime L. Ludwig* e Carlos C. Chernicharo*
*Instituto de Radioproteção e Dosimetria-IRD-CNEN
Av. Salvador Allende S/N. Barra da Tijuca – Rio de Janeiro
RJ – Brasil. CEP: 22780-160
RESUMO
A norma IEC 1676 introduz uma nova grandeza para a medição da alta tensão nas
aplicações médicas dos raios X, o “Potencial de Pico Prático” (PPP). Para possibilitar a
implementação desta grandeza no Brasil, o Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações
Ionizantes desenvolveu um procedimento para calibrar instrumentos nesta nova grandeza. Foi
utilizado o mesmo arranjo experimental desenvolvido para calibrar equipamentos com a grandeza
kVp convencional que consiste em um divisor de tensão invasivo (Dynalyser III da Radcal
Corporation) associado à uma placa de digitalização rápida e um software especifico. Visando
avaliar este procedimento, um medidor de kV com capacidade de medir a grandeza PPP modelo
Universal Diavolt da PTW foi calibrado e os resultados comparados. Este trabalho apresenta um
resumo do procedimento de calibração e os resultados obtidos com a comparação.
Keywords: kVp, practical peak voltage, IEC 1676
I. INTRODUÇÃO
Existem diversas grandezas associadas às altas
tensões empregadas nos aparelhos de raios X. As mais
comuns são o potencial de pico máximo (kVp), o potencial
médio dos picos e o potencial eficaz. Além destas
grandezas existem outras e esta diversidade de definições
gera inúmeras discussões e dúvidas quando se quer avaliar
o funcionamento de um aparelho de raios X. A norma IEC
1676[1] introduz mais uma grandeza associada aos
potenciais aplicados nos tubos de raios X; o potencial de
pico prático (PPP). O PPP é definido como o potencial
constante que aplicado a um tubo de raios X irá produzir o
mesmo contraste que o feixe que está sendo medido. Esta
grandeza associa diretamente a medição da alta tensão ao
resultado obtido com a exposição (contraste). Ainda
existem alguns questionamentos sobre a sua “praticidade”
por exemplo: como é que um técnico vai regular um
aparelho de raios X baseado em uma medição do PPP ? De
qualquer forma esta nova grandeza já é uma realidade
existindo, inclusive, equipamentos no mercado que
possuem uma opção de medi-la.
O Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações
Ionizantes (LNMRI) preocupado em disponibilizar
futuramente calibrações nesta grandeza desenvolveu um
procedimento para o arranjo experimental utilizado para
calibrações das grandezas anteriores (kVp, kV médio, kV
eficaz etc.). Para verificar este procedimento e comprovar
os seus resultados seria necessário participar de uma
intercomparação com outras instituições, entretanto o
Sistema Metrológico Internacional ainda não está
realizando intercomparações nesta grandeza mesmo porque
são muito poucos os instrumentos capazes de medi-la.
Através de um projeto de cooperação regional
(ARCAL) com a IAEA, o LNMRI recebeu um medidor de
tensões de tubos de raios X que possui uma escala em PPP.
Decidiu-se então utilizar este instrumento, que veio com um
certificado de calibração do fabricante que inclui a
grandeza PPP, para implementar uma primeira comparação
entre os fatores de calibração obtidos com o procedimento
desenvolvido e aqueles declarados pelo fabricante.
II. MATERIAS E MÉTODOS
O processo de calibração na grandeza PPP envolve o
conhecimento da curva da alta tensão aplicada ao tubo de
raios X ao longo do tempo de exposição. Partindo da
disponibilidade desta curva o PPP é calculado através da
seguinte equação[2]:
n
U=
∑ p (U )U w(U )
i −1
n
i
i
i
i
∑ p (U )w(U )
i =1
i
i
(1)
i
Onde U é o valor do PPP, pi(Ui) é a probabilidade de
ocorrência, em qualquer tempo durante a exposição, de uma
tensão no intervalo [Ui-(∆U/2), Ui+(∆U/2)], sendo ∆U o
menor intervalo de tensão definido pela seqüência de
Index
tensões de referencia Ui= i ∆U. w(Ui) é um fator de peso
dado para a faixa de 20 kV ≤ Ui < 36 kV pela equação:
Eq (2) e Eq (3) e n é o número de conversões A/D. Com
uma planilha eletrônica pode-se calcular o valor do PPP.
w(Ui)=exp{-8,646855x10-3Ui2 +0,8170361Ui-23,27793} (2)
U=
e para a faixa de 36 kV ≤ Ui ≤ 150 kV por:
w(Ui) = 4,310644x10-10Ui4 - 1,662009x10-7Ui3 +
2,30819x10-5Ui2 + 1,03082x10-5Ui - 1,747153x10-2
Gerador
de Alta
tensão
PC
∑U w(U )
i −1
n
i
i
∑ w(U )
i =1
(3)
A Fig.1 apresenta um diagrama do arranjo
experimental utilizado que está implementado no
laboratório de ensaios do DEFISME/IRD. O aparelho de
raios X é um VMI modelo Pulsar 800, o divisor de tensão é
um Dynalyser III da Radcal Corporation e a placa de
aquisição de dados modelo PCI-MIO-16E-4 da National
Instruments (NI) (12 bits, 500 ksamples/s).
Divisor de
tensão
n
(4)
i
Fica evidente que o calculo do PPP é bastante
simples quando se dispões da curva de alta tensão
digitalizada com taxa de conversão constante. É
interessante ressaltar que uma vez que PPP considera o
período de tempo de aplicação da tensão os problemas
referentes a tensões aplicadas por curtíssimos intervalos de
tempo[4] são descartados.
III. RESULTADOS OBTIDOS
RX
Medidor
de kV
Placa de aquisição
de dados
Figura 1. Diagrama do arranjo experimental utilizado.
Utilizando o software LabView da NI, foi
desenvolvido um programa que funciona como um
osciloscópio digital, porém com uma resolução de 12 bits.
O sinal proveniente do divisor de tensão ao ultrapassar o
nível de disparo faz com que um número conversões A/D
pré-definidas sejam efetuadas. Os resultados destas
conversões são apresentados graficamente na tela do PC e
os dados são armazenados em um arquivo pré-estabelecido
pelo operador. A taxa de conversão é selecionada antes da
operação do sistema de acordo com a freqüência de
operação do gerador de alta tensão.
O divisor de tensão (Dynalyser III) foi calibrado
conforme descrito na referência [3] com uma incerteza de
0,3% (95%). A placa de conversão A/D foi calibrada
conforme sugerido pelo fabricante utilizando um
multicalibrador Fluke 5500 A. Este procedimento leva a
uma incerteza de 0,2% (95%).
Considerando cada conversão de forma
independente podemos associar a cada tensão um intervalo
de tempo constante, pois o tempo de conversão é fixo.
Desta forma as probabilidades pi são iguais para todas as
tensões (correspondem a um mesmo intervalo de tempo).
Com isto a Eq (1) fica reduzida a Eq (4). Onde Ui é o valor
obtido pela conversão A/D, wi são calculados conforme as
O medidor de kV Diavolt Universal da PTW
apresenta três faixas de medição para equipamentos de
raios X convencionais:
-
40-85 kV
65-110 kV
80-150 kV
Foram efetuadas medições em todas estas faixas
sendo que todas foram realizadas com um tempo de 250 ms
e 200 mAs. O Diavolt Universal foi colocado a 50 cm do
tubo de raios X e selecionada inicialmente uma filtração
equivalente a 3,5 mm de alumínio pois a filtração total do
aparelho de raios X da VMI utilizado é de 3,46 mm. Após
algumas medições observou-se que o Diavolt apresentava
erros nas medidas dos kV limites das faixas. Optou-se então
em selecionar uma filtração de 3.0 mm no Diavolt que
funcionou normalmente em todas as faixas, inclusive nas
extremidades.
A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos para
diferentes kVs, utilizando as três faixas acima citadas. Os
resultados das leituras dos PPP correspondem a média de
três medidas experimentais.
A incerteza na calibração foi calculada
considerando os seguintes fatores:
Incertezas tipo A:
-
desvio padrão da média de 3 medidas
experimentais tanto para o Dynalyser quanto
para o Diavolt Universal
Incertezas tipo B:
Para o Dynalyser:
- incerteza do Dynalyser – 0,3% (95%)
- incerteza da placa de conversão A/D – 0,2%
(95%)
Index
-
incerteza na resposta de freqüência
%(ripple)*2%(resposta de freqüência em 50
kHz)
Para o Diavolt Universal:
- 1% (95%) (conforme especificado no catálogo
do fabricante[5]).
A resposta de freqüência foi obtida na referência
[3]. Considerou-se um caso extremo onde a variação do
sinal seria igual à variação percentual do ripple medido
relativo a cada kV e um erro de 2% devido à resposta de
freqüência do Dynalyser.
Pode-se observar uma concordância entre os
resultados encontrados para as faixas de medições de 40 a
85 kV e de 80 a 150 kV. Para toda a faixa de 65 a 110 kV
os valores não coincidem tão bem como nas outras faixas
dentro das faixas das incertezas associadas às medições.
Comparando a Fig.1 com a Fig 2. verifica-se que o
ripple é muito mais elevado para kV menores (15% para 40
kV) do que para kV maiores (2% para 120 kV). Isto se
reflete na incerteza da medição pois o valor percentual do
ripple entra diretamente no calcula da incerteza
140
120
TABELA 1. Resultados Obtidos
100
Alta tensão Dynalyser
kVprático
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
Tempo (ms)
Figura 2. Curva da alta tensão na saída do Dynalyser
digitalizada e o PPP calculado para 110 kV.
90
80
PPP medido (kV)
Faixa
kV PPP
PPP Dif.
Inc.
Inc.
selecionada
Diavolt Dynal. (%) Diavolt Dynal.
(kV)
(kV)
(%)
(%)
(95%) (95%)
45 45,53 45,45 0,18 1,01
0,70
50 50,43 50,53 0,19 1,01
0,51
40-85
60 59,73 60,64 1,50 1,07
0,41
70 70,20 70,82 0,86 1,00
0,39
80 80,63 80,98 0,43 1.00
0,38
85 86,43 86,04 0,45 1.01
0,38
65 66,30 65,75 0,83 1.00
0,41
65-110
70 71,63 70,81 1,16 1.00
0,38
80 82,53 80,98 1,91 1.00
0,38
90 92,87 91,15 1,88 1.00
0,37
85 86,67 86,04 0,72 1.83
0,38
90 91,80 91,15 0,71 1.91
0,37
80-150
100 101,77 101,20 0,56 1,55
0,37
110 111,70 111,31 0,35 1.22
0,37
120 121,53 121,44 0,08 1.00
0,41
125 124,53 124,37 0,13 1.04
0,48
kV
80
70
60
Diavolt
Dynalyser
50
40
40
A Fig. 1 exemplifica uma curva de alta tensão
digitalizada e o valor do PPP calculado utilizando o
Dynalyser para 40 kV e a Fig.2 para 110 kV
60
50
60
70
80
90
Alta tensão selecionada (kV)
Figura 3. Resultados experimentais com suas respectivas
incertezas para a faixa de 40 a 85 kV.
Alta tensão Dynalyser
kVprático
95
90
PPP medido (kV)
kV
40
20
85
80
75
Diavolt
Dynalyser
70
0
0
50
100
150
200
250
Tempo (ms)
Figura 1. Curva da alta tensão na saída do Dynalyser
digitalizada e o PPP calculado para 40 kV.
As Figs. 3, 4 e 5 apresentam os resultados das
medições com suas respectivas incertezas.
65
65
70
75
80
85
90
Alta tensão selecionada (kV)
Figura 4. Resultados experimentais com suas respectivas
incertezas para a faixa de 65 a 110 kV.
Index
REFERENCIAS
130
125
120
PPP medido (kV)
115
110
105
100
95
Diavolt
Dynalyser
90
85
80
80
90
100
110
120
130
Alta tensão selecionada (kV)
Figura 5. Resultados experimentais com suas respectivas
incertezas para a faixa de 80 a 150 kV.
[1] International Electrical Commission “Instruments as
used in the non-invasive measurement of X-ray tube
potential in diagnostic radiology” IEC 1676 Draft. 1997.
[2] BAORONG Y., KRAMER, H. M., SELBACH, H. J.,
LANGE B. Experimental determination of practical
peak voltage, The British Journal of Radiology 73 641-649
(2000).
[3] Becker, P. H. B., e Peres, M. A. L. Implantação de um
laboratório para calibrar divisores de tensão utilizados
em radiologia, Anais da International Conference on
Advanced Opticall, Electrical and Legal Metrology São
Paulo, Nov. 2000.
[4] Becker, P. H. B., e Peres, M. A. L. Calibração de
divisores de tensão para medidas de kVp em radiologia,
uma comparação da calibração elétrica com a
espectrométrica IRPA, Recife, 2001
[5] PTW, manual do medidor de kV Diavolt Universal.
IV. CONCLUSÕES
Os
resultados
demonstram
haver
uma
concordância entre os valores medidos com o Diavolt
Universal da PTW e aqueles obtidos utilizando o
procedimento e o arranjo experimental do IRD para as
faixas de medidas de 40 a 85 kV e de 80 a 150 kV. Para a
faixa de 65 a 110 kV as diferenças encontradas foram
maiores. Isto ocorreu inclusive quando variou-se a filtração
selecionada para o tubo de raios X no Diavolt.
Aparentemente este instrumento apresenta problemas na
medição do PPP quando se utiliza esta faixa. Outro ponto
observado é que o Diavolt tem uma grande sensibilidade
com a filtração do tubo selecionada o que foi comprovado
quando selecionou-se uma filtração de 3,5 mm de alumínio
e o instrumento não foi capaz de medir um kV de 44 kV
dentro da faixa de 40 a 85 kV. Não dispondo de nenhum
outro instrumento com capacidade de medir o PPP, não é
possível fazer uma melhor avaliação do que ocorreu neste
ponto específico. Aparentemente o problema é realmente
do instrumento, pois, variando a seleção da filtração a
resposta passou a ser coerente.
De qualquer forma os resultados indicam que o
procedimento desenvolvido e o arranjo experimental
utilizado levaram a valores coerentes com a maioria das
leituras do instrumento fabricado pela PTW.
Em seqüência a este trabalho serão efetuadas
comparações em aparelhos de raios X com geradores de
altas tensões que utilizam média freqüência ou uma rede
trifásica de forma a se avaliar a resposta do sistema com
outros tipos de geradores. Dentro do projeto ARCAL LIII
Cuba, México e Peru estão implementando, baseados na
experiência brasileira, ainda este ano, arranjos
experimentais semelhantes ao do IRD e receberão também
medidores Diavolt Universal. Solicitaremos a estes países
que efetuem medições semelhantes a cujos resultados foram
apresentados neste trabalho de forma a possibilitar uma
comparação dos resultados e confirmar a resposta do
Diavolt Universal.
ABSTRACT
The IEC 1676 standard introduces a new quantity
for the measurements of the high voltages applied to the X
ray tubes used for diagnosis, the ‘Practical Peak Voltage”
(PPV). In order to start the introduction of this new quantity
in Brazil the National Laboratory for Metrology of Ionizing
Radiation has developed a procedure for calibrating
measuring instruments in this quantity. This procedure is
based in the same set up used for the calibration of the
conventional kVp, which consists in a high voltage divider
(Dynalyser III from Radcal Corporation), a fast analogue to
digital conversion board and a data acquisition software. In
order to evaluate this procedure a commercial kVp measure
instrument that is able to measure PPV (Universal Diavolt
from PTW) was calibrated and the results compared. This
work presents a summary of the procedure developed and
the results obtained with the comparison.