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2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005
Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN
ISBN: 85-99141-01-5
PROPOSTA DE PROTOCOLO PARA DETERMINAÇÃO DE kVp
ATRAVÉS DE MEDIDOR DE TENSÃO INVASIVO
Samanda C. A. Correa1, Jaime L. Ludwig2, Ricardo T. Lopes1, Márcia T. Carlos2 e
Paulo H. B. Becker3
1
2
Programa de Engenharia Nuclear (COPPE / UFRJ – RJ)
Samanda C. A.Correa: [email protected]
Ricardo T. Lopes: [email protected]
Instituto de Radioproteção e Dosimetria (IRD / CNEN - RJ)
Jaime L. Ludwig: [email protected]
Marcia T. Carlos: [email protected]
3 International Atomic Energy Agency (IAEA)
Paulo H. B. Becker: [email protected]
RESUMO
A proposta deste trabalho é um protocolo para determinação das grandezas potencial de pico máximo, potencial
de pico absoluto, potencial de pico médio, potencial de pico prático, ripple e tempo de exposição a partir da
análise das curvas de tensão obtidas através de medidas invasivas de equipamentos de raios X com retificações
diferentes. Para obter as curvas de tensão ao longo do tempo de exposição foi utilizado um divisor de alta tensão
conectado entre o gerador de alta tensão e o tubo de raios X. Um resumo do procedimento desenvolvido para
determinar essas grandezas e os resultados obtidos aplicando essa metodologia em equipamentos de raios X com
retificação de alta freqüência, retificação de média freqüência e retificação monofásica são apresentados.
1. INTRODUÇÃO
O controle de qualidade em radiologia diagnóstica vem sendo implementado em diversos
paises. No Brasil, esta atividade foi regulamentada através da portaria 453 de 1998 do
Ministério da Saúde. Em função disto, a demanda por calibração de equipamentos para
medições de parâmetros indicadores do funcionamento dos equipamentos de raios X, tais
como o kVp, o ripple, o tempo de exposição e outros, vem aumentando.
A norma IEC 61676 [1] recomenda que esta calibração seja feita através de curvas de tensão
obtidas ao longo do tempo de exposição por divisores de tensão colocados entre o gerador de
alta tensão e o tubo de raios X. Apesar desta técnica de medição, também conhecida como
técnica de medição invasiva, ser considerada uma referência para a determinação de
grandezas associadas ao kVp tais como o potencial de pico máximo (kVpmáx), potencial de
pico absoluto (kVpabs) [2], potencial de pico médio (kVpmed), potencial de pico prático
(PPP) e etc., são encontrados poucos trabalhos publicados que descrevam uma metodologia
para determinação destas grandezas através da curva de tensão.
Outro aspecto pouco estudado é a influência do tipo de retificação do gerador de tensão do
equipamento de raios X na determinação das grandezas associadas ao kVp, visto que
equipamentos com retificações distintas possuem a forma das curvas de tensão e corrente
completamente diferente.
A partir destes questionamentos, este trabalho propõe um protocolo para determinação das
grandezas potencial de pico máximo, potencial de pico absoluto, potencial de pico médio,
potencial de pico prático, ripple e tempo de exposição a partir da análise das curvas de tensão
obtidas através de medidas invasivas de equipamentos de raios X com retificação de alta
freqüência, retificação de média freqüência e retificação monofásica. Este protocolo foi
desenvolvido baseado na norma IEC61676 [1], na publicação de Ranallo [2] e no Report N0
14 da AAPM [3].
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Foram avaliados equipamentos de raios X com gerador de alta freqüência (fabricado pela
VMI, modelo Plus 800), de média freqüência (fabricado pela Siemens, modelo Polimat 30/50)
e monofásico de onda completa (fabricado pela Siemens, modelo Neo-heliophos).
As curvas de tensão foram obtidas utilizando um
divisor de alta tensão Dynalyser III, fabricado
pela Radcal Corporation, acoplado entre o
gerador e o tubo de raios-X, como mostra a
Figura 1.
Este sistema dispõe de uma placa de aquisição de
dados modelo PCI-MIO-16E-4 da National
Instruments (de 12 bits e 500000 amostragens por
segundo) e um programa desenvolvido utilizando
o software Labview, que possibilita a obtenção da
Figura 1. Diagrama do sistema de
tensão com uma taxa de aquisição de até 250000
aquisição de dados.
amostragens por segundo por canal.
A taxa de aquisição utilizada para obter a curva de tensão foi de 100000 amostras por
segundo.
A Figura 2 mostra as curvas de tensão obtidas através do sistema de aquisição de dados para
os três equipamentos de raios X avaliados.
overshoot
overshoot
v
(A)
(B)
(C)
Figura 2. Curvas de tensão obtidas nas seguintes condições: A) equipamento de alta freqüência com
90kV, 100mA e 100ms, B) equipamento de média freqüência com 90kV, 100mA e 100ms, C) equipamento
monofásico com 89kV, 100mA e 135ms.
Observa-se que as curvas de tensão dos equipamentos de raios X com retificação de alta
freqüência e monofásica apresentam instabilidade de tensão no início da exposição
(overshoot). Entretanto, após a região de overshoot, os equipamentos de raios X apresentam
curvas de tensão estáveis ao longo do tempo de exposição.
Determinação das incertezas:
As incertezas das medidas de tensão foram calculadas considerando os seguintes fatores [4]:
Incerteza do tipo A:
- desvio padrão da média de três medidas obtidas pelo divisor de alta tensão Dynalyser III.
Incerteza do tipo B:
- incerteza do divisor de alta tensão Dynalyser – 0,3 % (95%)
- incerteza da placa de conversão A/D – 0,2% (95%)
- incerteza na resposta de freqüência – (ripple)*2%(resposta de freqüência em 50 kHz).
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A resposta de freqüência foi obtida considerando o caso extremo, onde a variação do sinal é
igual a variação do ripple medido, relativo a cada kV, com um erro de 2% devido a resposta
de freqüência do Dynalyser.
As incertezas do tempo de exposição foram calculadas considerando os seguintes fatores:
Incerteza do tipo A:
- desvio padrão da média de três medidas.
Incerteza do tipo B:
- incerteza do divisor de alta tensão Dynalyser – 0,3 %(95%)
- incerteza da placa de conversão A/D – 0,2%(95%)
2.1 Métodos:
Para estimar as grandezas kVpmax, kVpabs, kVpmed, PPP, ripple e tempo de exposição foi
desenvolvido um programa de tratamento de dados utilizando o software Labview. Os itens
que seguem descrevem o protocolo para determinação destas grandezas.
A. Determinação do Potencial de pico máximo, potencial de pico absoluto, potencial de
pico médio e potencial de pico prático:
1) Potencial de pico máximo (kVpmax): Foi atribuído o maior valor de tensão ao longo do
tempo de exposição, excluindo a região de overshoot.
2) Potencial de pico absoluto (kVpabs): Foi atribuído o maior valor de tensão ao longo do
tempo de exposição.
Obs.: Esta grandeza não deve ser utilizada nos testes de reprodutibilidade ou de exatidão de
equipamentos de raios X, uma vez que sua finalidade é evitar danos ao tubo ocasionados por
valores altos de tensão que ocorrem principalmente na região de overshoot.
3) Potencial de pico médio (kVpmed) : Foi calculado através da média aritmética de todos os
picos que ocorram durante um intervalo específico de tempo de exposição, excluindo a região
de overshoot.
4) Potencial de pico prático (PPP): O potencial de pico prático foi calculado exatamente
como recomendado pela IEC61676 [1]. A estimativa do PPP foi feita através da Equação 1.
n
U =
∑U
i
i =1
n
∑
i =1
w (U i )
(1)
w (U i )
onde Ui são os valores de tensão ao longo do tempo de exposição, U é o valor do PPP e
w(Ui) é um fator de peso dado para a faixa de 20 kV ≤ Ui < 36 kV, calculado pela Equação 2:
w ( U i ) = exp{ − 8 , 646855
x 10
−3
U
2
i
+ 0 , 8170361
U
i
− 23 , 27793 }
(2)
e para a faixa de 36 kV ≤ Ui ≤ 150 kV pela Equação 3:
w(U i ) = 4,310644 x10 −10 U i4 − 1,662009 x10 −7 U i3 + 2,30819 x10 −5 U i2 + 1,03082 x10 −5U i − 1,747153 x10 −2 (3)
B. Determinação do ripple:
O cálculo do ripple foi feita através da Equação 4:
R (%) = 100 * [(kV max − kV min ) / (kV max
)]
(4)
onde: kVmax é o valor de tensão máxima e kVmin é o valor de tensão mínima obtidos no
intervalo de tensão analisado.
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O intervalo de tensão utilizado para calcular o ripple não inclui a região de overshoot. A
Figura 3 mostra o intervalo de tensão utilizado para estimar o ripple da curva de tensão do
equipamento de raios X de alta freqüência obtida utilizando a técnica de 90kV, 100mA e
100ms.
C. Determinação do tempo de exposição:
Para o equipamento de raios X com
retificação monofásica o tempo efetivo de
exposição foi calculado considerando o
Intervalo de tensão utilizado
para estimar o ripple
intervalo de tensão compreendido entre os
valores de tensão iguais a 20 % do valor de
kVpmed e para o equipamento de raios X de
média freqüência e de alta freqüência foi
calculado considerando o intervalo de tensão
Figura 3: Intervalo de tensão utilizado para
compreendido entre os valores de tensão
estimar o ripple.
iguais a 75 % do valor de kVpmed [3].
Como a taxa de aquisição de amostragens para obter a curva de tensão é constante (100000
amostras por segundo) o tempo de exposição foi estimado pelo programa de tratamento de
dados através da Equação 5.
(5)
Tempo de exposição = ( N / Taxa de Aquisição de dados ) x 1000 [ms]
onde, N é o número de amostras do intervalo de tensão considerado para estimar o tempo.
3. RESULTADOS
Em seguida, são apresentados os resultados obtidos com a aplicação do protocolo para os três
equipamentos de raios X avaliados.
A. Potencial de pico máximo, potencial de pico absoluto, potencial de pico médio e
potencial de pico prático:
As Figuras 4 e 5 mostram o comportamento do kVpmax, kVpabs, kVpmed e PPP para os
equipamentos de raios X avaliados.
100
80
60
40
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
120
100
40
Equipamento de Raios X
de média freqüência - 100mA
100
80
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
60
40
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
120
140
120
80
60
40
80
60
40
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
Equipamento de Raios X
de média freqüência - 200mA
100
Equipamento de Raios X
de alta freqüência - 300mA
100
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
kVp (kV)
kVp (kV)
120
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
60
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
140
80
140
140
kVp (kV)
kVp (kV)
120
Equipamento de Raios X
de alta freqüência - 200mA
140
kVp (kV)
Equipamento de Raios X
de alta freqüência - 100 mA
kVp (kV)
140
120
Equipamento de Raios X
de média freqüência - 320mA
100
80
60
40
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
Figura 4. Comportamento do kVpmax, kVabs, PPP e kVmed em função da tensão nominal para os
equipamentos de raios X de alta freqüência e média freqüência.
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Equipamento de Raios X
monofásico - 100mA
kVp (kV)
120
100
80
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
60
40
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
Equipamento de Raios X
monofásico - 200mA
140
kVp (kV)
140
120
100
80
kVpmax
kVpabs
PPP
kVpmed
60
40
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
Figura 5. Comportamento do kVpmax, kVabs, PPP e kVmed em função da tensão nominal para o
equipamento de raios X monofásico.
Através das curvas apresentadas nas Figuras 4 e 5, pode-se constatar que os valores de
kVpmax e kVpmed são aproximadamente iguais para os três equipamentos de raios X
avaliados, mostrando que a curva de tensão é estável ao longo do tempo de exposição, como
observado na Figura 2.
Como os equipamentos de raios X de alta freqüência e monofásico apresentaram overshoot
durante as medidas, os valores de kVpabs foram maiores que os valores de kVpmax e
kVpmed. Para o equipamento de média freqüência que não apresentou overshoot, os valores
dessas grandezas foram próximos.
A diferença do PPP em relação as grandezas kVpmax e kVpmed cresce com o aumento do
ripple do equipamento de raios X. Isto é conseqüência da definição do PPP, que é calculado
através de uma média ponderada, onde se considera toda curva de alta tensão.
B. Ripple:
A Figura 6 mostra o comportamento do ripple em função da tensão nominal (kV) aplicada
para diferentes valores de corrente (mA) e equipamentos de raios X.
Pode-se observar que a variação do ripple é uma característica de cada tipo de gerador, além
de depender da potência aplicada (P = βmAkV/1000, onde β é uma constante que depende do
tipo do gerador).
Verifica-se que o ripple cresce com o aumento da corrente para os equipamentos de alta
freqüência e monofásico. Entretanto, para o equipamento de média freqüência o ripple
decresce com o aumento da corrente.
100m A
200m A
300m A
12
8
Ripple (%)
Ripple (%)
16
100mA
200mA
320mA
16
12
4
(A )
Equipamento de raios X
de média freqüência
20
8
108
Ripple (%)
Equipam ento de raios X
de alta freqüência
20
104
100
60
80
100
120
T ensão N om inal (kV )
(B)
Foco Fino
Foco Grosso
96
92
4
40
Equipamento de raios X
monofásico
40
60
80
100 120
Tensão Nominal (kV)
(C)
40
50
60
70
80
90
Tensão Nominal (kV)
Figura 6. Variação do ripple com a tensão nominal para diferentes correntes nas seguintes condições: A)
equipamento de alta freqüência com 100 ms, B) equipamento de média freqüência com 100 ms, e
C) equipamento monofásica com 135 ms.
C. Tempo de exposição:
Na Figura 7, são mostrados os valores do tempo de exposição em função da tensão nominal,
para diferentes valores de corrente (mA) e equipamentos de raios X.
Na avaliação do tempo de exposição, a repetitividade apresenta um desvio inferior a 0,5%
para o equipamento de alta freqüência, 0,6% para o equipamento de média freqüência e 3,5%
para o equipamento monofásico. Ao se avaliar a diferença entre o valor nominal e o valor
medido do tempo, encontra-se uma diferença máxima absoluta de 1,8% para o equipamento
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de alta freqüência, de 3,1% para o equipamento de média freqüência e de 2,1% para o
equipamento monofásico.
Equipamento de raios X de
alta freqüência
100
95
100mA
200mA
300mA
90
85
80
(A)
40
60
80
100 120
Tensão nominal aplicada (kV)
110
105
100
95
90
85
80
(B)
155
Equipamento de raios X de
média freqüência
100mA
200mA
300mA
150
Tempo (ms)
Tempo (ms)
105
Tempo (ms)
110
145
Equipamento de raios X
monofásico
Foco Fino
Foco Grosso
140
135
130
125
40
60
80 100 120 140
40 50 60 70 80 90 100
(C)
Tensão nominal aplicada (kV)
Tensão nominal aplicada (kV)
Figura 7. Tempo de exposição para diferentes valores de corrente calculado nas seguintes condições: A)
equipamento de alta freqüência com 100 ms, B) equipamento de média freqüência com 100 ms, e
C) equipamento monofásico com 135 ms.
4. CONCLUSÕES
Para o equipamento de média freqüência as grandezas kVpmax, kVpmed e kVpabs
apresentaram valores próximos em função da tensão nominal, mostrando que a curva de
tensão deste equipamento é estável e não apresenta overshoot. Para os equipamentos de raios
X de alta freqüência e monofásico, as grandezas kVpmax e kVpmed apresentaram valores
próximos, no entanto, os valores do kVpabs foram superiores, o que indica a presença de
overshoot. Na avaliação do PPP, observa-se que diferença desta grandeza em relação ao
kVpmax e kVpmed cresce com o aumento do ripple do equipamento de raios X.
O ripple apresentou um comportamento característico do tipo de gerador e da potência
aplicada.
Para o tempo de exposição, observou-se que a maior variação ocorreu para o equipamento
monofásico. Neste caso, ocorreu uma diferença máxima absoluta de 1,8% entre o valor
obtido e o valor nominal, e um desvio máximo 3,5% para a repetitividade das medidas.
A partir dos resultados obtidos para os equipamentos de raios X pode-se concluir que o
conjunto das grandezas kVpmax, kVpmed, kVpabs, PPP, ripple e tempo de exposição
descrevem o comportamento da curva de tensão aplicada. Portanto, para avaliação de um
controle de qualidade para um equipamento de raios X é importante que se análise todas
essas grandezas.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a Doutora Simone K. Dias e ao Instituto de Radioproteção e Dosimetria
(IRD/CNEN) pela colaboração na realização do presente trabalho.
REFERÊNCIAS
1.
2.
3.
4.
International Electrotechnical Commission, “Medical Electral Equipment – Dosimetric Instruments for
Non-Invasive Measurements of X-Ray Tube Voltage in Diagnostic Radiology”, IEC 61676 (1998).
F. N. Ranallo, “The invasive measurement of x-ray tube potential,” University of Wisconsin-Madison,
Thesis (1993).
American Association of Physics in Medicine (AAPM), “Performance Specifications and Acceptance
Testing for X-ray Generators and Automatic Exposure Control Devices”, Report N0 14 (1985).
P. H. B. Becker, M. A. L. Peres, J. L. Ludwig, C. C. Chernicaro, “Calibração de Medidores de kV com a
Grandeza Potencial de Pico Prático (IEC 61676)”. Proceedings of the IV ENAN (2002).
INAC 2005, Santos, SP, Brazil.