رادیولوژی چیست؟بخش دوم

اجزای تیوپ اشعه ایکس در دستگاه رادیولوژی

۱-کولیماتور

وسیله ای است برای محدود کردن اشعه ایکس به کار می رود. به خروجی تیوب اشعه ایکس در محفظه تیوب وصل می شود تا اندازه و شکل شعاع اشعه ایکس را تنظیم کند.

انواع کولیماتور

۱-کولیماتور با روزنه موازی

۲-کولیماتورهای واگرا

۳-کولیماتورهای تک روزنه ای

۴-کولیماتورهای همگرا

۲-محفظه تیوپ

از جنس فولاد بوده که مملو از روغن مخصوصی با درجه عایقی بالا است و حباب شیشه ای را دربرمی گیرد. این محفظه محلی برای اتصال کابلهای فشار قوی داشته و دارای پایه ای است که تیوپ را نگه می دارد.

این محفظه سه وظیفه اصلی دارد:

۱ – ایزوله نمودن اطراف اینسرت نسبت به اشعه

۲ – محافظت پرسنل از شوک الکتریکی

۳ – هدایت حرارت ایجاد شده در اینسرت به بیرون.

در انتهای این محفظه یک دیافراگم قرار گرفته تا با افزایش احتمالی حجم روغن در اثر حرارت داخلی فضای بیشتری برای آن ایجاد نماید.

ساختمان داخلی تیوب اشعه ایکس در شکل زیر مشخص شده است :

اصول کار تیوب ، برانگیخته شدن فیلامان کاتد(تنگستن) ، ایجاد ابر الکترونی در اطراف کاتد ، شتاب گرفتن الکترونها ( براساس اختلاف پتانسیل بسیار بالای بین کاتد و آند ) به سمت آند ، برخورد الکترونهای سریع با صفحه آند که از جنس تنگستن ( یا آلیازی از آن ) است و ساطع شدن اشعه ایکس می باشد.

در کاتد سرعت صدور الکترونها به دو عامل دما و سطح مفید سیم بستگی دارد به همین دلیل برای افزایش سطح صدور الکترون ، سیم آنرا به شکل فنر می سازند البته با بزرگتر شدن این سطح ( سطحی که از آن الکترونها شتاب می گیرند ) ، سطحی از هدف که الکترونهای سریع به آن برخورد می کنند نیز باید بزرگتر شود که این خود باعث می شود حرارت ایجاد شده در سطح وسیع تری پخش شود.

۳-تیوپ شیشه ای

حباب خلاء شیشه ای است که از جنس پیرکس است و شامل:

۱- فیلامنت سیمی (از جنس تنگستن)،

۲- متمرکزکننده از جنس مولیبدنیوم یا فولاد(سرپوش کانونی)،

۳- آند مسی که روی آن هدفی از جنس تنگستن است، می باشد.

مزیت استفاده از شیشه در بدنه جذب کم اشعه ایکس، عایق الکتریکی بسیار خوب شیشه و انتشار حرارتی مناسب آن است. اما به دلیل رسوب بخارات تنگستن در سطح شیشه از آلیاژهای خاصی مثل شیشه بروسیلیکات در درون دیواره لامپ استفاده می شود تا از رسوب جلوگیری کند.

۴-حفاظ لامپ و کابلهای فشار قوی

به دلیل ساطع شدن اشعه ایکس در تمام جهات از لامپ مولد با شدت تقریباً یکسان و اینکه بسیاری از این تشعشعات اکسپوژر غیر ضروری برای بیماران و پرسنل ایجاد می کند، و کیفیت فیلم را نیز کاهش می دهد، حفاظ فلزی لامپ این قسمت از اشعه اضافی و اشعه های پراکنده شده را جذب می کند.

۵-ژنراتور

وظیفه تولید ولتاژ بالای لازم برای ایجاد اشعه ایکس را درتیوب ژنراتورهای ولتاژ بالا بر عهده دارند.

۶-دتکتور(دریافت کننده)

صفحه ای از سلول های دریافت کننده اشعه ایکس که میزان فرکانس اشعه ها را پس از برخورد به بیمار محاسبه و به پردازشگر می فرستد.

کاتد

قطب منفی لامپ اشعه X است که حاوی فیلامان یا منبع تولید الکترون و سرپوش کانونی است. فیلامان خود دارای ولتاژ (متوسط۱۰ ولت) و جریان (متوسط ۳ تا ۵ آمپر) است و بوسیله آنها گرم می شود.تعداد فوتونهای اشعه X تولیدی به تعداد الکترون هایی که از کاتد به سمت آند حرکت می کنند بستگی دارد.

فیلامان

سیمی است از جنس تنگستن که در اثر عبور جریان از آن گرم می شود و در اثر این دما تعدادی از الکترون های آن تا مسافت کمی از سطح فلز جدا می شوند. این فرایند تابش ترمویونیک نام دارد.

برای وقوع تابش ترمویونیک و ایجاد تعداد مفیدی الکترون فیلامان باید تا ۲۲۰۰ درجه گرم شود. به همین دلیل فیلامان را از جنس تنگستن می سازند چون این ماده به راحتی به شکل سیم نازک و محکم در آمده و نقطه ذوب بالایی(۳۳۷۰)   دارد. الکترون های تابش شده در اطراف فیلامان ابر کوچکی به نام فضای بار الکتریکی ایجاد می کنند. حال می توان بایک اختلاف پتانسیل مناسب این الکترون ها را به سمت آند شتاب داد.

به دلیل اینکه الکترون ها همگی دارای بار منفی هستند در طول مسیر به سمت آند از هم دور و پراکنده می گردند و سطح بزرگی از آند را بمباران می کنند که دلخواه نیست.به همین دلیل از سرپوش کانونی (Focusing Cap) که فیلامان را احاطه کرده استفاده می شود.

این وسیله دارای پتانسیل منفی است و باعث به هم فشرده شدن الکترون ها می شود. این وسیله که از جنس مولیبدیم است با نیروی الکتریکی موجب کانونی شدن سیم الکترونی می شود. لامپ های امروزی دارای دو فیلامان کوچک و بزرگ می باشند. فیلامان بزرگ برای تابش های بیشتر و فیلامان کوچک برای تابش های کمتر کاربرد دارند.

آند

قطب مثبت لامپ اشعه Xمی باشد که به دو صورت ثابت و دوار میباشد. آندهای ثابت یک صفحه کوچک تنگستن به ضخامت ۲تا ۳ میلی متر می باشند که در یک بلوک بزرگ مس قرار داده شده اند.

به چند دلیل جنس آند از تنگستن انتخاب شده است. این ماده عدد اتمی بالایی دارد و لذا بازده تولید اشعه بالاتری دارد. نقطه ذوب بالای تنگستن تحمل حرارتی خوبی به آن می دهد و در ضمن این ماده در جذب، انتقال و پراکنده سازی گرما نیز عملکرد خوبی دارد.آند را در بلوک مسی قرار می دهند تا انتقال و دفع گرما به خوبی صورت بگیرد. به دلیل اینکه در سیستمهای قدرتمند امروزی گرمای زیادی در سطح هدف ایجاد میگردد نیاز به روشی بود که تحمل گرما را برای هدف آسان سازد، لذا آندهای ثابت جای خود را به آندهای دوار دادند. این آندها مقاومت لامپ را دربرابرگرمای زیاد ناشی از پرتو دهی طولانی افزایش می دهند.

هدف استفاده از آند دوار پخش گرمای ایجاد شده در خلال یک اکسپوژر، در سطح بزرگی از آند است. به دلیل تابش الکترونها به سطح آند پس از مدتی در سطح آن ناهمواری و فرورفتگی هایی مشاهده می شود که این تغییرات فیزیکی ناشی از فشارهای حرارتی بوده و باعث کاهش خروجی لامپ اشعه می شوند به همین دلیل در ساخت آند مقداری رنیوم به تنگستن اضافه می کنند تا مقاومت سطحی آن افزایش یابد.

طراحی آند :

از آنجا که در تکنیکهای رادیوگرافی مانند فلورسکپی و آنژیوگرافی باید بطور پیوسته تصاویر تهیه شوند باید به گونه ای از ذوب شدن هدف جلوگیری نمود معمولا برای افزایش ظرفیت حرارتی آند آنرا بصورت دیسکی از آلیاژ مخصوص ، شامل تنگستن و رنیوم می سازند که توسط یک موتور القایی به چرخش در می آید به این نوع تیوبها ، تیوب های با آند دوار می گویند.

این گونه آند ها معمولا با دور عادی ۳۰۰۰ دور در دقیقه و دور تند ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه می توانند بچرخند پایه این آندها از جنس مولیبدنیوم می باشد که درون یک استوانه مسی قرار گرفته است . به دلیل آنکه مس هادی خوبی برای حرارت است موتور آند را نیز از مس می سازند.

کیفیت و طول عمر بلبرینگهای موتور آند در طول عمر تیوب نقش بسیار زیادی دارند از اینرو برای کاهش اصطکاک در بلبرینگها بجای گریس آنها را به وسیله لایه نازکی از نقره و سرب پوشش می دهند چرا که حتی گریس نسوز نیز نمی تواند حرارت بالای آند را تحمل کند.

ژنراتورهای اشعه ایکس(X – ray Generator)

این بخش از سیستم رادیولوژی از یک جعبه فلزی متصل به زمین و پر از روغن و ترانسفورماتور ولتاژ پائین برای تغذیه فیلمان ها، همچنین یک ترانسفورماتور ولتاژ بالا و مجموعه ای از دیودهای یکسوکننده ولتاژ بالا و تعدادی کنتاکتور تشکیل شده است.تغذیه این ژنراتورها از برق ۲۲۰ ولت شهر به گونه تک فاز و یا سه فاز می باشد که خروجی ان تاحد ۱۵۰کیلو ولت در مدت زمان کوتاهی می باشد وجود روغن درون جعبه ژنراتور به دلیل عدم بروز جرقه الکتریکی ناشی از ولتاژ بسیار بالا می باشد.

هر چه ضخامت عضو بیشتر باشد، فوتون های پر انرژی تری لازم است.

وظایف ژنراتور

۱- تأمین اختلاف پتانسیل دو سر تیوپ اشعه ایکس.

۲- ملتهب کردن فیلامان برای تولید الکترون.

۳- کنترل اختلاف پتانسیل دو سر تیوپ.

 ولتاژ مورد استفاده در ژنراتورهای اشعه ایکس از نوع ولتاژ متناوب(AC) به دو صورت تک فاز و سه فاز می باشد.

مولد تک فاز

مبنای کار، قانون القای الکترومغناطیسی است. در نتیجه گردش یک سیم پیچ درون میدان مغناطیسی ثابت با القای ولتاژ در سیم پیچ لازم است.

مولد سه فاز

در مولدهای سه فاز، سه سیم پیچ به طور همزمان درون میدان مغناطیسی می چرخند. هر سیم پیچ با اختلاف زاویه ˚۱۲۰ نسبت به بقیه قرارگرفته است. به علت متفاوت بودن موقعیت سیم پیچ ها، مقدار ولتاژ تولیدی در هر سیم پیچ در یک زمان مشخص متفاوت است.

ترانسفورماتورها

وظیفه افزایش یا کاهش ولتاژ نسبت به مقدار مبنا در ژنراتور بر عهده ترانسفورماتورها می باشد که بر دو نوع اند:

۱٫ترانسفورماتور افزاینده (step up Transformer).

۲٫ترانسفورماتور کاهنده (step down Transformer).

اجزای ترانسفورماتور

۱- هسته فلزی

۲- دو سری سیم پیچ که بر روی هسته فلزی پیچیده می شوند.

سیم پیچ متصل به ولتاژ ورودی سیم پیچ اولیه و سیم پیچی که ولتاژ تغییریافته از آن خارج شده سیم پیچ ثانویه نام دارد. سیم پیچ ها نسبت به هم عایق بندی شده است. تشکیل میدان مغناطیسی موجب القای مجدد جریان در سیم پیچ های ثانویه و هسته فلزی می شود. برای آنکه در سیم پیچ ثانویه جریانی القا شود، بایستی ولتاژ ورودی متناوب(AC) باشد. ولتاژ متناوب، ‌میدان مغناطیسی متناوبی را در هسته ایجادکرده و شار در واحد زمان تغییرمی کند. بر مبنای قانون القای فارادی،‌ تغییر در شار مغناطیسی موجب القاء جریان جدید در سیم پیچ ثانویه می گردد.

دیاگرام یك ترانسفورماتور تك فاز (سمت راست) و یك ترانسفورماتور سه فاز (سمت چپ)

مدار ژنراتورهای اشعه ایکس از دو قسمت تشکیل شده است:

۱- مدار ژنراتور اشعه ایکس

۲- تیوپ اشعه ایکس

مدار ژنراتور اشعه ایکس بر حسب مقدار ولتاژ عبوری دارای دو قسمت است:

۱-مدار اولیه

این مداردارای فشار ضعیفی می باشد و ولتاژی حدود ۲۴۰ تا ۴۱۵ولت را تامین می کند.

اجزای مدار اولیه

فیوزها، کلید اصلی، قطع کننده های مدار، اتوترانسفورماتور، جبران کننده ولتاژ اصلی، کنترل کیلوولت، کلید کنتاکتور اولیه، اندازه گیر کیلوولت، سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور فشارقوی، مدار زمان سنج، مدار گرم کننده فیلامنت، مدارات جبران کننده.

۲-مدار ثانویه

مدار فشار قوی است و ولتاژ بیشتر از ۷۵کیلوولت را دارد.

اجزای مدار ثانویه

سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور فشار قوی، یکسوکننده های فشارقوی، تیوپ اشعه ایکس، سیم پیچ ثانویه، ترانسفورماتور گرم کننده فیلامنت.

ژنراتور اشعه ‌ایکس، به منظور تولید انرژی ۴ وظیفه زیر را به عهده دارد:

۱–   ولتاژ بالا (kV) برای لامپ اشعه‌ایکس

۲–   ولتاژ پایین برای فیلامان

۳–   ولتاژ متغییر برای هردو فیلامان و لامپ

۴–   ولتاژ یکسو شده برای لامپ

۱-اتو ترانسفورماتور

از سیم ضخیمی که به صورت یک سیم پیچ به دور هسته آهنی پیچیده شده تشکیل شده است.با لایه لایه کردن هسته می توان از ایجاد جریان های گردابی جلوگیری کرد.

۲-جبران کننده ولتاژاصلی

ثابت نگه داشتن ولتاژ القایی با تغییر تعداد حلقه هایی که به آنها ولتاژ اصلی القا شده، صورت می پذیرد. در جبران سازی اتوماتیک تغییرات ولتاژ باعث گردش چرخ دنده ای توسط یک میله محوری می شود تا حلقه های بیشتر یا کمتری از سیم پیچ به منبع برق وصل شود.

۳-کنترل کیلوولت

با اعمال ولتاژ مناسب به سیم پیچ اولیه، از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور فشارقوی، می توان هر کیلو ولت دلخواهی را به دست آورد.مقدار kv مورد نظر بوسیله عقربه روی صفحه مدرج (scale) یا صفحه دیجیتالی نشان داده می شود.

۴-ترانسفورماتور فشار قوی

از یک سیم پیچ اولیه و یک سیم پیچ ثانویه تشکیل شده است و وظیفه آن تأمین ولتاژهای بالا (تا kv 150) برای تولید اشعه ایکس در تیوپ است.

۵-جبران افت ولتاژ در کابل تغذیه کننده

بدیهی است تمام انرژیی که در مدار ثانویه استفاده می شود، بایستی توسط مدار اولیه تأمین شود. در مدار ایده آل که افت انرژی وجود ندارد، توان ثانویه درست برابر توان اولیه است نه بیش از آن. زمانی که توان ثانویه با افزودن kv و یا mA افزایش می یابد، می بایست جریان مدار اولیه نیز افزایش یابد. این کار موجب افزایش افت توان (به صورت گرما) در کابل های تغذیه کننده می شود.که با مقدار مقاومت z و نسبت سیم پیچ های xو y این اتلاف توان در کابل ها جبران می شود.

۶-ترانسفورماتور کاهنده فیلامنت

شامل دو سیم پیچ اولیه و دو سیم پیچ ثانویه که یکی برای فوکوس بزرگ و یکی برای فوکوس کوچک می باشد. ولتاژ تغذیه کننده فیلامنت را می توان به هر دو سیم پیچ اولیه اعمال کرد. تنظیم سوئیچینگ مدار به نحوی است که در یک زمان فقط می توان به یک سیم پیچ اولیه انرژی داد.

۷-كابل های ولتاژ بالا

وظیفه این كابل ها رساندن ولتاژ بالای ایجاد شده در ترانسفورماتور به دو سر تیوب است. هر تیوب به یك جفت كابل نیاز دارد. كابلی كه به آند تیوب وصل می شود فقط به یك رشته سیم برای انتقال ولتاژ بالا نیاز دارداما كابل متصل شده به كاتد باید علاوه بر رشته سیم حامل ولتاژ بالا، دو رشته سیم برای تغذیه دو فیلمان فوكوس بزرگ و كوچك داشته باشد.

یك سو سازی

يكي از مهمترين مدارات الكترونيكي مدارات يكسوساز هستند كه جريان متناوب(AC) را به جريان مستقيم(DC) كه تقريبا تمامی دستگاه های الكترونيكی به اين مدارات نياز دارند تبدیل می کنند.

ولتاژ خروجی ترانسفورماتور ولتاژ بالا دارای یك سیكل مثبت و یك سیكل منفی است و باید یكسو شود. این كار بوسیله یكسوكننده های دیودی ولتاژ بالا كه درون مجموعه ژنراتور تعبیه شده صورت می گیرد .

يكسوساز ها به سه نوع تقسيم مي شوند:

۱-يكسوساز نيم موج

 

۲-يكسوساز تمام موج

 

۳-يكسوساز تمام موج پل

یکسوکننده تمام موج(دو پالس)

با استفاده مناسب از یکسوکننده ها در مدار ثانویه، جریان طی نیم سیکل در همان جهت نیم سیکل مثبت، از تیوپ اشعه ایکس می گذرد. بدین خاطر می توان گفت همیشه هدف تیوپ اشعه ایکس مثبت و فیلامنت (کاتد) همیشه منفی خواهد بود.

شکل موجهای حاصل از خروجی یکسوکننده‌های تمام موج

     الف : دو پالس        ب : شش پالس       ج : دوازده پالس        د. فرکانس بالا

مدارات كنترلی دستگاه رادیولوژی

سه پارامتر اصلی كه در دستگاه های عكسبرداری اشعه X باید قابل انتخاب،اندازه گیری و كنترل باشند عبارتند از:

 

۱-ولتاژ تیوب(KV)

 

۲-جریان تیوب (MA)

 

۳-زمان تابش یا اكسپوژ(S)

این سه پارامتر روی كیفیت تصویر در رادیولوژی اثر مستقیم دارند.

در دستگاه های قدیمی این پارامترها با روش های بسیار ساده و غیر دقیق كنترل و اندازه گیری می شدند

وظیفه مدارات كنترلی دستگاه های عكسبرداری اشعه X علاوه بر بوجود آوردن امكان انتخاب و كنترل دقیق سه پارامتر اصلی ، حفاظت از قسمت های حساس دستگاه و یا افزایش بار دستگاه به میزان فراتر از حد مجاز و همین طور حفظ ایمنی الكتریكی اپراتور و بیمار است.

میز فرمان اپراتور

بخشی از سیستم رادیولوژی است كه در اتاق كنترل قرار گرفته و با اپراتور در ارتباط می باشد و ابزار كنترلی و نمایشی و انتخاب هایی را در اختیار اپراتور قرار می دهد که پارامترهای کنترل عبارتند از:

کنترل kv در رادیولوژی

با اعمال ولتاژ مناسب به سیم پیچ اولیه، از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور فشار قوی، می توان هر kv دلخواهی را به دست آورد. این کار برای انتخاب ولتاژ مناسبِ حرکت کنترل چرخان که تعداد مناسبی از حلقه های اتوترانسفورماتور را درسیم پیچ اولیه انتخاب می کند، لازم است. مقدار kv مورد نظر بوسیله عقربه روی صفحه مدرج (scale) یا صفحه دیجیتالی نشان داده می شود.

کنترل kv توسط یک ولت مترکه بین ترمینالهای خروجی اتوترانسفورماتور قرارداده شده است انجام می شود.

کنترل میلی آمپر در رادیولوژی

از تعدادی مقاومت تشکیل شده که به دلخواه می توان به هر کدام ولتاژ فیلامنت تیوپ را اعمال و mA   مورد نظر را تولید کرد.

جریان لامپ اشعه ایکس توسط یک میلی آمپرسنج که در مدارنصب می شود مشخص می شود.

کنترل زمان تابش اشعه در رادیولوژی(زما نسنج یا تایمر)

کنترل زمان تابش توسط کلید زمان (s)که درروی کنسول اپراتور دستگاه اشعه ایکس قراردارد انجام می شود.

مدارتایمرازمدارهای اصلی دستگاه اشعه ایکس جدا می باشد.

زمانسنج ها(تایمرها )انواع مختلفی دارند :

 

۱-تایمرهای مکانیکی

تایمرهای مکانیکی اسبابهای ساده ای هستند که فقط دردستگاههای پرتابل و پری اپیکال(ضایعات ریشه ای دهان) مورد استفاده قرار می گیرند. تایمرهای مکانیکی بوسیله ساعت کارمی کنند . باچرخاندن کلید تایمر، فنرآن جمع شده و زمان اکسپوژرموردنظررامی توان تنظیم کرد وقتی دکمه اکسپوژرفشارداده می شود فنرآزاد شده وبازمی شود ، زمان لازم برای بازشدن فنرمتناسب با زمان اکسپوژر می باشد.

تایمرهای مکانیکی ارزان هستند ولی دقیق نیستند.ازاین گونه تایمرها دراکسپوژرهایی که زمان آنها تقریبا بیشتر از ۲۵۰ میلی ثانیه است استفاده می شود.

 

۲-تایمرهای الکترونیکی

اینگونه تایمرها پیچیده ترین ، مشکل ترین و دقیقترین تایمرهای دستگاهای رادیولوژی می باشند.تایمرهای الکترونیکی دارای مدارنسبتا پیچیده ای هستند که براساس زمان لازم برای شارژکردن خازن ازطریق یک مقاومت متغیر کار می کنند.اینگونه تایمرها اجازه می دهند بتوان دامنه وسیعی از فواصل زمانی را انتخاب کرد ودقت آن کمتر از یک میلی ثانیه است.

اغلب دستگاههای رادیولوژی امروزه مجهز به تایمرهای الکترونیکی هستند.

۳-فتوتایمرها

برخلاف تایمرهای قبلی فتوتایمرهانیاز به دخالت اپراتور ندارد.

فتوتایمر وسیله ای است که مقدار پرتو رسیده به فیلم را اندازه گیری می کند و هنگامی که مقدار کافی پرتو برای تهیه دانسیته لازم به فیلم رسید به طور خودکار اکسپوژر را قطع می کند.

 

رادیولوژی چیست؟بخش سوم

 

مدرسه مهندسی پزشکی ایران