A nem-invazív röntgencsőfeszültség-mérés fizikai alapjai

A röntgenberendezések fejlesztése, szervize és minőségellenőrzése során a legfontosabb mérendő paraméter a röntgencsőfeszültség. Az utóbbi évtizedekben számos olyan mérőeszköz került forgalomba, amelyekkel a mérés a nagyfeszültségű kör megbontása nélkül, a sugárzás detektálásával valósítható meg (ún. nem-invazív mérőeszközök).

Az egyéb mérendő paraméterek közül a felvételi idő nem-invazív mérése nem okoz különösebb nehézséget. A röntgencsőáramot „invazív” módon akkor könnyű megmérni, ha a röntgengenerátornak van transzformátorközép-kivezetése, ez azonban az újabb generátorokon már nemigen fordul elő. Nem-invazív módon csőáramot lakatfogós módszerrel lehet mérni, ezt viszont csak akkor, ha van nagyfeszültségű kábel, tehát egytankos generátorokon nem. A szoros értelemben vett minőségellenőrző mérésektől azonban mind a két módszer idegen, alapelv az ilyen mérések kizárólagosan nem-invazív volta. A minőségellenőrző méréseknél a csőáram értékének ezért mindig a kijelzett (névleges) értéket tekintjük. A sugárzás mennyisége (dózisa) a csőáram-idő szorzattal egyenesen arányos, minősége (vagyis a sugárzás spektrális eloszlása) pedig – ha közben a csőfeszültség nem változik – független tőle.

A képalkotás minőségére a legnagyobb befolyással a röntgencső feszültsége van, mivel a sugárzás spektrumát – az elnyelő közegek mellett – ez határozza meg, ugyanakkor a sugárzás mennyisége (dózisa) hatványozottan függ tőle. Ennek a 40-150 (mammográfiánál 20-50) kV-os tartományba eső nagyfeszültségnek a meghatározása méréstechnikailag nehéz feladat. Egyszerűbb rutin ellenőrző méréseknél a feszültség csúcsértékére, igényesebb méréseknél ezen kívül időbeli lefolyásának jelalakjára is kíváncsiak vagyunk.

A röntgencsőfeszültség sohasem tekinthető tökéletesen simított egyenfeszültségnek, ezért az ún. hagyományos, a nagyfeszültségű kör megbontásával végezhető (azaz invazív) mérési eljárások közül a röntgen méréstechnikában csak a gömbszikraköz és a nagyfeszültségű ohmos osztó használata szokásos. Az előbbivel csak csúcsérték, az utóbbival jelalak is vizsgálható. Ezek a módszerek azonban csak a gyártó cégeknél vagy típusvizsgáló laboratóriumokban használatosak.

Az utóbbi egy-két évtizedben széles körben elterjedtek az ún. nem-invazív, vagyis a röntgencsőfeszültséget a nagyfeszültségű kör megbontása nélkül, közvetlenül a sugárzásból meghatározó műszerek. Ezek sok esetben helyettesítik a nehézkes, hosszadalmas és nem is mindig veszélytelen hagyományos módszereket. Ennél is fontosabb azonban, hogy az ún. egytankos röntgenberendezéseknél, ahol a nagyfeszültségű transzformátor a röntgencsővel közös burába van zárva, a röntgencsőfeszültség mérése csakis nem-invazív módszerekkel lehetséges.

Spektrometriai módszerek

Régóta ismeretes, hogy a röntgensugárzás folytonos spektrumának maximális fotonenergiája, illetve minimális hullámhossza a csőfeszültség (csúcs)értékével egyértelmű összefüggésban áll az ún. Duane-Hunt-képletnek megfelelően:

 
ahol e az elektrontöltés, h a Planck-állandó, c a fénysebesség és U a csőfeszültség. -ot vagy -t megmérve (1)-ből U közvetlenül adódik. Meghatározásának hibája csakis ezen mérés hibájából ered, mivel a képletben szereplő állandók értéke igen nagy pontossággal ismert. Minthogy itt nem szerepelnek közelítő összefüggések, spektrometriai módszerekkel néhány tized kV-os mérési pontosság érhető el (ennél pontosabb mérés csak különleges, ún. hiteles osztókkal lehetséges). A pontos spektrumméréshez azonban igen drága és helyigényes mérőrendszerre van szükség, maga a mérés pedig szaktudás- és időigényes. Emiatt rutin jellegű mérésnek nem alkalmas, kutatási célok mellett csupán más mérőeszközök kalibrálására, esetleg egytankok típusvizsgálatára ajánlható.

Radiográfiai módszerek

A radiográfiai módszerek mindegyike röntgenfilmre helyezett abszorbenslépcsőt vagy -éket alkalmaz. A felvételt elkészítve és előhívva meg kell keresni azt a lépcsőfokot, amelynek feketedése a referenciaként szolgáló sávéval azonos. Minden lépcsőfokhoz tartozik egy kV-tartomány, amelyre ez a feketedés-azonosság előáll. Ezt természetesen a gyártónak előzőleg más mérőeszközzel kalibrálnia kell. Az egyes eszközök között eltérés van az egyenletes feketedésű referenciasáv előállításának módjában. Ezeket az eszközöket tesztkazettának nevezik.

Az Ardran-Crooks-féle penetrameter-kazetta két felében eltérő erősítésű ernyőket helyeznek el, a nagyobb erősítésű fölé helyezik el a szűrőlépcsőt, a másik hozza létre a referenciasávot. Az ernyők öregedésével pontossága csökken. – A Wisconsin-tesztkazettában csak egyféle erősítőernyő van, a referenciasávot a kazetta egyik felében az ernyő és a film közé helyezett féligáteresztő fólia egyenletes fény-gyengítése hozza létre. Jelenleg a Gammex-RMI cég gyártja (egy külön változatot a mammográfiás tartomány mérésére is). – A már régebben ismeretes elvű, a 80-as években a Szovjetunióban gyártott pörgettyűs tesztkazettánál az egyenletes feketedésű referenciasávot egy ólomba vágott nyílás megforgatása hozza létre.

Ezen módszerek előnye a viszonylagos egyszerűség. Hátrányuk a csekély pontosság (Wisconsin: ± 4 kV, pörgettyűs: ± 10 %) és az, hogy röntgenfilm-kidolgozást igényelnek, azaz a csőfeszültség értékének nagyobb számú pontban való ellenőrzése idő- és filmigényes. Kórházi röntgentechnikusoknak ajánlhatók üzemeltetés közbeni ellenőrzésre, ha más, korszerűbb mérőeszköz nem áll rendelkezésre. Ma már a kétdetektoros eszközök nagyrészt kiszorították ezeket a használatból, és a digitális technika kizárólagossá válásával sok helyen már film-előhívási lehetőség sem áll rendelkezésre.

Kétdetektoros eszközök

1932-ben Silberstein ismerte fel elsőként, hogy egy röntgensugárforrás spektruma és sugárgyengülési görbéje (azaz az áteresztett nyaláb dózisa az abszorbensvastagság függvényében) kölcsönösen egyértelmű matematikai összefüggésben (laplace-transzformáció) áll egymással. A sugárgyengülést dózismérő és szűrősorozat segítségével megmérve a spektrum visszaszámítható és abból (1) alapján U is adódik. Maga a számítás azonban nagyon bonyolult. A módszer egyszerűsítését az a felismerés tette lehetővé, hogy a sok pontból álló görbének már két pontja is elegendő ahhoz, hogy a csőfeszültségre elfogadható pontossággal lehessen következtetni.

A régebben alkalmazott egymás utáni dozimetriai mérés (pl. R. H. Morgan 1944) lényeges hibaforrás, mivel a két expozíció tényleges csőfeszültsége között eltérés lehet. Ezért a korszerű eszközökben olyan detektorfejet alkalmaznak, amelyben két detektor van, különböző (esetleg változtatható) szűrővel, és a két detektort egyszerre kell besugarazni a nyalábbal. Ilyen műszerek kifejlesztésében az 1970-es években az USA járt az élen.

A kétdetektoros eszközök pontossága

Bár az eszközöket a hagyományos szakzsargonnak megfelelően általában csúcsfeszültség- (kVp, p=peak=csúcs) mérőknek nevezik, éppen a feszültségnek (és az áramnak) a csúcsértéktől való eltérése, azaz a jelalakok befolyása a mérési eredményre alapos megfontolást igényel. A nem mikroprocesszoros eszközök csak időátlagolt jelet tudnak mérni valamilyen előre beépített kalibráció szerint.

A világpiacon kapható mérőműszerek

Tudomásunk szerint jelenleg nem-invazív röntgencsőfeszültség-mérő műszereket mindössze 8 cég gyárt a világon: az Egyesült Államokban a Fluke Biomedical (ebbe olvadt össze a korábbi Victoreen – a márkanevet megtartva – és a Keithley – a márkanév megtartása nélkül –), Gammex-RMI és a Radcal, Németországban a PTW-Freiburg, az IBA (korábban Wellhöfer) és a PehaMed, valamint Svédországban az RTI Electronics és az Unfors Instruments.

A választék igen széles: a legegyszerűbb eszköz csak kV-ot mér egyetlen expozícióval (a készülék kezelőszervei mindössze egy ki-bekapcsolóból és egy ellenőrzőgombból állnak), a legbonyolultabb mikroprocesszoros és egyben számítógéppel összeköthető eszközök a csőfeszültségen kívül sokféle további paraméter mérésére is képesek (invazív és nem-invazív röntgencsőáram- és mAs-mérés, felvételi idő, jelalakok, dózis és/vagy dózisteljesítmény, relatív dózis/mAs linearitás mérése, mindez átvilágítási üzemmódban is stb.). A "középkategóriájú" eszközök a kV-on kívül expozíciós időt is mérnek és a dózissal arányos sugárzási jelalakot – egyes esetekben analóg módon számított real-time kV-jelalakot – is szolgáltatnak. Egyesek közülük mammográfiás, illetve fogászati kV-mérésre specializáltak. Sok eszköznél hangsúlyozzák a gyártók, hogy nagyfrekvenciás generátorok mérésére is alkalmasak és a megfelelő kalibráció kiválasztásához a jelalaktípust automatikusan felismerik. A legújabb eszközök jelentős része maga határozza meg a sugárnyaláb szűrését, és a kV-meghatározást erre nézve korrigálja. Az előírt feltételek betartása esetén a legjobb műszerek ±1,5-2%-os pontossággal képesek a röntgencsőfeszültség meghatározására.

Tájékoztatásul az 1. ábrán bemutatjuk a legkorábbi kétdetektoros mikroprocesszoros kV-mérő műszer, a NERO (Victoreen gyártmány) egyszerűsített blokkvázlatát.

 
Műszervásárlás esetén a kiválasztáshoz – a mérni kívánt terület (felvétel, átvilágítás, mammográfia, fogászat, CT) figyelembevétele mellett – jelentős szempontnak tartjuk, hogy az eszköz szervizelése és főként rendszeres kalibrálása gyorsan, egyszerű ügyintézéssel és lehetőleg Európában legyen megoldható.

---