การเกิดรังสีเอกซ์ ปริมาณและคุณภาพของรังสีเอกซ์ ผศ. สุพจน์ เอื้ออภิสิทธิ์วงค์ หน่วยเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ภาควิชารังสีวิทยา คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ spapisitwong@gmail.com โทร. 053-93-6194 12 มกราคม 2560 08:45 - 09:30 ตึกเรียนรวม ห้อง 0308

เนื้อหา : การผลิตรังสีเอกซ์ ปริมาณและคุณภาพรังสีเอกซ์ เครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์โดยสังเขป อันตรกิริยาที่ก่อให้เกิดรังสีเอกซ์ ปริมาณและคุณภาพรังสีเอกซ์

เครื่องเอกซเรย์ แหล่งจ่ายไฟ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูงที่มีตัวเก็บประจุ ส่วนวงจรควบคุม ส่วนหัวเครื่องหลอดเอกซเรย์

X-Ray Circuit Waveform - Single phase - Full phase - Three phase 6 pulse - Three phase 12 pulse - High frequency circuit โดยรังสีเอกซ์ที่ผลิตได้ ขึ้นกับชนิดของรูปแบบวงจรผลิตคลื่น (x-ray circuit waveform) ของเครื่องเอกซเรย์นั้น

X-Ray Circuit Waveform - Single phase - Full phase - Three phase 6 pulse - Three phase 12 pulse - High frequency circuit

X-Ray tube and housing ส่วนหัวโลหะ : Tube housing หลอดแก้ว : Glass envelope แคโทด : Cathode (-) แอโนด : Anode (+)

X-Ray tube and housing

แคโทด : Cathode (-) Cathode, filament ขั้วลบของหลอด ทำด้วยขดลวดโลหะทังสเตนยาว 1-1.5 เซ็นติเมตร หลอดเอ็กซเรย์ทั่วไปมี filament 2 อันเรียก dual focus tube มีขนาดเล็ก และใหญ่ และชนเป้าที่ขั้วบวกเป็น small และ large focal spot

แอโนด : Anode (+) Anode เป็นขั้วบวกและเป็นเป้าให้อิเล็กตรอนวิ่งมาชน ตำแหน่งที่ชนเรียกว่า “target” หลอดเอ็กซเรย์แบ่งตามชนิดของขั้วบวกได้เป็น 2 แบบ 1. Stationary anode x-ray tube 2. Rotating anode x-ray tube

ชนิดของแอโนด : Anode (+) ความร้อน X-ray X-ray Stationary anode Rotating anode

การผลิตรังสีเอกซ์ เมื่อไส้หลอดหรือแคโทด ถูกเผาให้ร้อน (mA) จะ ปล่อยอิเล็กตรอนออกมา โดยขบวนการเทอร์มิโอ นิค (Thermionic emission) อิเล็กตรอนถูกเร่ง (kVP) วิ่งไปชนเป้า (Z) หรือ แอโนด เกิดเป็น Characteristic radiation หรือ Bremsstrahlung radiation

การผลิตรังสีเอกซ์ การเพิ่ม mA ทำให้เกิดอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาวิ่งไปชนเป้าหรือแอโนดมากขึ้น การเพิ่มโวลเตจระหว่างแอโนดและแคโทด อาจทำให้เกิดอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาวิ่งไปชนเป้าหรือแอโนดได้เร็วขึ้น 99% เปลี่ยนเป็นความร้อน เพียง 1% เท่านั้นเปลี่ยนเป็น X-rays

Anode Heat : ความร้อนที่เกิดขึ้นที่แอโนด เมื่อถ่ายเอกซเรย์ การผลิตรังสีเอกซ์ 99% เปลี่ยนเป็นความร้อน เพียง 1% เท่านั้นเปลี่ยนเป็น X-rays Anode Heat : ความร้อนที่เกิดขึ้นที่แอโนด เมื่อถ่ายเอกซเรย์ ความร้อนที่เกิดขึ้นที่แอโนดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการเพิ่มกระแส mA ในหลอดเอกซเรย์ และการเพิ่มค่า kVp

Anode Heat : ขึ้นกับ x-ray circuit waveform Single phase HU = kVp x mA x seconds Three phase, six pulse HU = 1.35 x kVp x mA x seconds Three phase, twelve pulse or high frequency HU = 1.41 x kVp x mA x seconds

อันตรกิริยาของอิเล็กตรอนในตัวกลาง การผลิตรังสีเอกซ์ อันตรกิริยาของอิเล็กตรอนในตัวกลาง 1. การชนแบบยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอน (Elastic collisions with atomic electron) 2. การชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอน (Inelastic collisions with atomic electron) 3. การชนแบบยืดหยุ่นกับสนามไฟฟ้านิวเคลียส (Elastic collisions with nuclear electric field) 4. การชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับสนามไฟฟ้านิวเคลียส (Inelastic collisions with nuclear electric field) 5. การชนกับนิวเคลียส (Nuclear interaction) Energy Transfer TARGET Electrons

การผลิตรังสีเอกซ์ เร่งให้อิเล็กตรอนชนกับเป้า ปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา เร่งให้อิเล็กตรอนชนกับเป้า ปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา การชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนชนกับอิเล็กตรอนในวงโคจร  Characteristic x-ray (รังสีเอกซ์เฉพาะตัว) การชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับสนามไฟฟ้านิวเคลียส อิเล็กตรอนชนกับสนามไฟฟ้ารอบนิวเคลียส  Bremsstrahlung x-ray

การผลิตรังสีเอกซ์เฉพาะตัว : Characteristic x-ray การชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์มากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนในวงโคจร (KEe > BE) ชนกับอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอม อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรอะตอม (K-shell) อิเล็กตรอนวงโคจรนอกถัดไป (L-shell) กระโดดเข้ามาแทนที่ พลังงานรังสีเอกซ์เฉพาะตัว = ความแตกต่างระหว่างพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนสองวงโคจร (K – L Shell)

พลังงานรังสีเอกซ์เฉพาะตัว = ความแตกต่างระหว่างพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนสองวงโคจร (K – L Shell) Characteristics x-ray

K characteristic radiation พลังงานรังสีเอกซ์เฉพาะตัว = ความแตกต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างอิเล็กตรอนสองวงโคจร (K – L Shell) K characteristic radiation BE of Electron : keV (Cu : z = 29) K L M +11.4 +2.9 +1.3 BE of Electron : keV (Pb : z = 82) +91.4 +22.9 +10.2 BEK-shell – BEL-shell = 11.4 - 2.9 keV = 8.5 keV BEK-shell – BEL-shell = 91.4 - 22.9 keV = 68.5 keV *For Tungsten

การผลิตรังสีเอกซ์ Bremsstrahlung x-ray Projectile electron การผลิตรังสีเอกซ์ Bremsstrahlung x-ray การชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับสนามไฟฟ้ารอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนมีพลังงานมากพอ เข้าไปชนกับเป้าที่มีความ หนา โดยทำอันตรกิริยา กับสนามไฟฟ้ารอบนิวเคลียส อิเล็กตรอนถูกหน่วง เลี้ยวเบน ลดความเร็วและ พลังงานลง พลังงานของอิเล็กตรอนที่ ลดลง ถูกเปลี่ยนเป็น Bremsstrahlung x-ray

Characteristics x-ray : Bremsstrahlung = 20 : 80 การผลิตรังสีเอกซ์ การผลิตรังสีเอกซ์ Characteristics x-ray : Bremsstrahlung = 20 : 80

สเปกตรัมของรังสีเอกซ์ X-ray energy (keV) # of x-ray having energy E Characteristics x-ray : Bremsstrahlung = 20 : 80

สเปกตรัมของรังสีเอกซ์ X-ray energy (keV) # of x-ray having energy E Characteristic x-ray Unfilter Bremmstrahlung 100 แสดงในรูปกราฟที่พล๊อตระหว่างจำนวนรังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้น (แกน Y) กับพลังงานของรังสีเอกซ์ในหน่วยเคอีวี (แกน X) ซึ่งสเปกตรัมของรังสีเอกซ์จะมีพลังงานต่อเนื่อง ตั้งแต่พลังงานต่ำ (  0 keV มีจำนวนมาก) ถึงพลังงานสูงสุดเท่ากับพลังงานของอิเล็กตรอน (มีจำนวนน้อย) ซึ่งพลังงานต่ำ (มีจำนวนมาก) จะมีผลต่อปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยได้รับ (ที่บริเวณผิวผู้ป่วย)

เควีพีและเคอีวี ในการผลิตรังสีเอกซ์ มีพลังงานรังสี 2 ชนิด เควีพี (kVp) : แสดงค่าโวลเตจสูงสุดที่ตั้งบนแฝงควบคุมของหลอดเอกซเรย์ เพื่อเร่งอิเล็กตรอน ในการผลิตรังสีเอกซ์ มีค่าประมาณ 90 kVp เคอีวี (keV) : แสดงพลังงานของรังสีเอกซ์ที่ผลิตออกมาได้ มีค่าตั้งแต่ช่วง 0 ถึง 90 keV โดยมีค่าเฉลี่ยพลังงาน ประมาณ 65.5 keV

แผ่นกรองรังสี (Filter) Inherent filter Added filter แผ่นกรองรังสี (Filter) Characteristic x-ray Unfilter Bremmstrahlung 100 88.5 Filter Bremmstrahlung X-ray energy (keV) # of x-ray having energy E Eave = 29.5 keV ดังนั้นหลอดเอกซเรย์ส่วนใหญ่มีฟิลเตอร์เพื่อกรองรังสีเอกซ์พลังงานต่ำออก เมื่อกรองรังสีพลังงานต่ำออกแล้ว ผู้ป่วยจะได้รับปริมาณรังสี (ที่ผิว) ลดลง สำหรับรังสีเอกซ์ที่ถูกกรองรังสีพลังงานต่ำออกแล้ว (เส้นทึบ) พลังงานเฉลี่ย จะมีค่าประมาณ 1 ใน 3 ของ พลังงานสูงสุด

สเปกตรัมของรังสีเอกซ์ Characteristic x-ray Unfilter Bremmstrahlung 88.5 Filter Bremmstrahlung 100 X-ray energy (keV) # of x-ray having energy E Eave = 29.5 keV Eav = 1/3 Emax  88.5/3  29.5 keV

X-RAY BEAM QUALITY AND QUANTITY ความสามารถในการทะลุทะลวง : penetrating ability. Depends on the average x-ray energy. Control by kVp. ปริมาณของรังสีเอ็กซ์ : QUANTITY จำนวนของรังสีเอกซ์ : The amount of x-rays. Depend on the number and x-ray energy. Control by mA.

# of x-ray having energy E ปัจจัยที่มีผลต่อคุณภาพและปริมาณของรังสีเอกซ์ - kVp - mA - anode materials - filter - x-ray circuit waveform Characteristic x-ray Unfilter Bremmstrahlung 100 88.5 Filter Bremmstrahlung X-ray energy (keV) # of x-ray having energy E Eave = 29.5 keV  ผลต่อสเปกตรัมของเอกซเรย์

X-ray spectra resulting from exposures at 70 and 110 kVp ผลการเปลี่ยนแปลง เพิ่มพลังงานของอิเล็กตรอน เพิ่มพลังงานสูงสุดของเอกซเรย์ เพิ่มพลังงานเฉลี่ยของเอกซเรย์ เพิ่มปริมาณของเอกซเรย์ X-ray spectra resulting from exposures at 70 and 110 kVp Change Quality, Eav and Emax, Quantity

X-ray spectra of 100 mA and 200mA exposures at 110 kVp ผลการเปลี่ยนแปลง เพิ่มปริมาณของเอกซเรย์ พลังงานของอิเล็กตรอนไม่เปลี่ยนแปลง พลังงานสูงสุดหรือพลังงานเฉลี่ยของเอกซเรย์ไม่เปลี่ยนแปลง X-ray spectra of 100 mA and 200mA exposures at 110 kVp Change Quantity

X-ray production from tungsten and molybdenum anodes ผลการเปลี่ยน anode material ต่อคุณภาพและปริมาณของรังสีเอกซ์ ผลการเปลี่ยนแปลง Characteristic x-ray เปลี่ยน - 18474Tg = 58 และ 67 เคอีวี - 9642Mo = 17 และ 19 เคอีวี รังสีเอกซ์ : Bremsstrahlung เปลี่ยน 74 : 42 1.8 : 1 IE = kZ (EM – E) / m2 ความเข้ม (ปริมาณ) ของรังสีเอกซ์เพิ่ม เพิ่มพลังงานสูงสุดของเอกซเรย์ เพิ่มพลังงานเฉลี่ยของเอกซเรย์ X-ray production from tungsten and molybdenum anodes Change Quantity, Eav and Emax

X-ray production from several thickness of filters ผลการเปลี่ยนแปลง กำจัดรังสีเอกซ์พลังงานต่ำออกไป ความเข้ม (ปริมาณ) ของรังสีเอกซ์ลดลง พลังงานสูงสุดไม่เปลี่ยนแปลง แต่พลังงานเฉลี่ยของรังสีเอกซ์เปลี่ยนแปลง Characteristic x-ray ไม่เปลี่ยนแปลง X-ray production from several thickness of filters Change Quantity, Eav

ผลการเปลี่ยน x-ray circuit waveform ต่อคุณภาพและปริมาณของรังสีเอกซ์ สำหรับเครื่องเอกซเรย์ที่มี mA และ kVp เท่ากัน ผลการเปลี่ยนแปลง เครื่องเอกซเรย์ที่เป็น high frequency circuit จะมีความเข้ม (ปริมาณ) และพลังงานเฉลี่ยของรังสีเอกซ์มากกว่า X-ray spectra from single phase, three phase and high frequency waveform exposed at 110kVp Change Quantity, Eav

SUMMARY รังสีเอกซ์ที่ผลิตขึ้นประกอบด้วย Bremsstrahlung (80%) และ Characteristic radiations (20%) ปัจจัยที่มีผลต่อสเปกตรัมของรังสีเอกซ์ ได้แก่ kVp, mA, filter, anode material and waveform. การเปลี่ยนแปลง ผลการเปลี่ยนแปลง kVp Quantity, Eav and Emax mA Quantity Filter Quantity, Eav Anode Quantity, Eav and Emax X-ray Circuit waveform Quantity, Eav

หนังสืออ่านประกอบ Techniques of Veterinary Radiography 5th.Ed.1993.Joe P. Morgan Radiography in Veterinary Technology.1and 2th Ed 1994,1999 Lisa M. Lavin. Radiographic Photography and Imaging process.1980. David Jenkin Radiation Image and Exposure. 2th Ed 2004. Terri L. Fauber. Physics of radiology. 1993. Anthony B. Wolbarst

บันไดนาค พระธาตุดอยสุเทพ เชียงใหม่ บันไดนาค พระธาตุดอยสุเทพ เชียงใหม่