Método Não Invasivo para Avaliação do Ângulo de Inclinação do Anodo de
Aparelhos Radiológicos
Paulo Domingues de Oliveira Junior, Marcelo Andrade da Costa Vieira, Homero Schiabel
Escola de Engenharia de São Carlos - Departamento de Engenharia Elétrica - EESC/USP Av.
Trabalhador Sãocarlense, 400, Centro, São Carlos, SP - 13566-590 - (16) 3373-9366 (r.222)
poliveira@sel.eesc.usp.br
Abstract
There are several parameters related to the radiographic equipment that must be evaluated to guarantee the efficiency of a radiological examination. Most of them are directly related to the quality of the radiographic image. The anode angle of an x-ray tube is an important parameter that must be evaluated as it is associated to the focal spot size, heel effect and anode heat dissipation, and can determine the useful life of the x-ray tube. However, it is very difficult to be measured experimentally and rarely is provided by the manufacturer. Thus, this work presents a computational technique for automatic determination of the anode angle of any radiographic equipment using a non-invasive method. First, it was built a pinhole matrix made by lead, which contains 33 radial 50µm diameter holes. This pinhole matrix is used to obtain a radiographic image of focal spot projections along the radiation field. The computer algorithm calculates the point spread function of each focal spot projection as well as the distance between them. Thus, anode angle can be determined automatically by using the field characteristic equations, as the geometric unsharpness at any arbitrary field position can be derived from those at the central beam position. Results showed good accuracy compared to nominal values and also a methodology was developed to validate the computational algorithm. Determination of anode angle of any radiographic equipment (including mammographic ones) which great precision can be easily done by using the method proposed in this work.
1. Introdução
Desde sua descoberta por Wilhelm Conrad Röentgen, os raios X vêm sendo largamente utilizados em várias áreas com inúmeras finalidades. Entretanto, foi no âmbito da medicina que eles proporcionaram a maior revolução. Por ser um meio de diagnóstico não invasivo e ainda, no contexto terapêutico, por contribuir para cura de doenças, os raios X tiveram grandes avanços tecnológicos, os quais permitiram o surgimento de equipamentos sofisticados e de fácil interação. Por outro lado, os efeitos biológicos associados às radiações ionizantes são muitos, e dependendo da dose recebida, pode ocasionar a morte do individuo [1]. No cenário brasileiro, a Portaria Federal nº 453, de 1 de junho de
1998, aprova o regulamento técnico que estabelece as diretrizes básicas de proteção radiológica em radiodiagnóstico médico e odontológico, e dispõe sobre o uso dos raios X diagnósticos em todo território nacional. Essa norma apresenta um conjunto de procedimentos que permitem avaliar e identificar entre todo o serviço de radiodiagnóstico, qual o processo produtivo que está degradando a qualidade da imagem registrada, que deverá ser posteriormente analisada por um profissional competente da área [2].
Existem várias parâmetros importantes que devem ser levados em consideração em um exame de radiodiagnóstico. Muitos destes fatores estão compreendidos nas normas técnicas, que avaliam não só a segurança radiológica que o aparelho fornece ao paciente, mas também a qualidade da imagem formada pelo mesmo [3]. Um parâmetro importante que não está compreendido nas normas técnicas mas, entretanto, tem influência direta sobre vários aspectos do processo de formação da imagem é o ângulo de inclinação do anodo [4]. No tubo de raios X, o anodo é ligeiramente inclinado para aumentar a área bombardeada pelo feixe de elétrons no alvo e, dessa forma, evitar um superaquecimento do local. Além disso, essa inclinação permite que o tamanho do ponto focal projetado no plano-imagem seja menor do que o tamanho efetivo do foco. Com isso, aumenta-se a nitidez da imagem sem comprometer o equipamento [5-7]. Contudo, existe um limite prático para essa inclinação. Estudos demonstram que ângulos menores que 12º podem limitar excessivamente o tamanho do campo e, por conseqüência aumentar a influência negativa do efeito
heel na qualidade da imagem [8]. Portanto, o ângulo de
inclinação do anodo deve ser considerado uma característica importante do tubo de raios X e, associado com outros parâmetros do aparelho, pode-se obter informações relevantes sobre o funcionamento do mesmo. Entretanto, essa informação nem sempre é fornecida pelo fabricante do aparelho. Além disso, sua medida experimental é muito complicada, pois o tubo é lacrado no interior do equipamento radiográfico [4].
Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo apresentar uma nova metodologia que permitirá a medida precisa do ângulo de inclinação do anodo de aparelhos de raios X convencionais e mamográficos, sem que haja a necessidade de procedimentos invasivos ao tubo. A metodologia utilizada baseia-se na extração de um conjunto de parâmetros das imagens de
projeções do ponto focal obtidas com uma matriz de orifício, onde se pode verificar o fenômeno de característica de campo. Assim, utilizando-se as equações propostas por Doi em 1977 [9], pode-se com baixo índice de erro aferir o ângulo de inclinação do anodo.
2. Metodologia
Os experimentos computacionais foram realizados em dois aparelhos de raios X diagnósticos e um mamógrafo. As especificações dos aparelhos podem ser visualizadas na tabela 1 a seguir.
Tabela 1 - Especificações técnicas e medidas nominais dos aparelhos utilizados nos experimentos
Caract. Eq 1 Eq 2 Eq 3 Marca Philips GE GE Modelo Rotalix SRO 25/50 MX 100 GCR Senographe 500t Aplicação Radiodiag. Radiodiag. Mamog. Foco fino 0,6 mm 0,6 mm 0,3 mm Foco grosso 1,2 mm 1,2 mm 0,6 mm Material do alvo (W) (W) (Mo) Ângulo do Anodo 16º 12º 7º
Para confecção das imagens foi utilizada uma matriz de orifício (Figura 1a), que é constituída de uma folha de chumbo com 1,0 mm de espessura. Um sistema de marcação a laser, cujo intuito principal é cortar laminas de aço, foi adaptado para que fizesse furos com 50μm de diâmetro na folha de chumbo. Esse sistema consiste em um aparelho laser de diodo (775nm) acoplado a um amplificador pulsado (CPA-2001, Clark-MXR Inc.,
USA) operando a 1,0 kHz [10, 11] Utilizou-se de uma
configuração geométrica apropriada, a qual permitiu-se controlar com precisão desejável a espessura do feixe e, portanto, o tamanho dos furos. Pode-se através dessa matriz verificar o tamanho e forma do ponto focal em diferentes áreas do campo de radiação, como é demonstrado na Figura 1b.
Figura 1 – a) imagem da matriz de orifício desenvolvida para os testes de inclinação do anodo b) ilustração de uma imagem do fenômeno da característica de campo formada
utilizando a matriz.
Para garantir o alinhamento da matriz de orifício com o feixe central de raios X, foi utilizado um objeto simulador da Nuclear Associates (Cardinal Health,
Cleveland, EUA). Esse dispositivo é utilizado em
conjunto com um kit de avaliação do ponto focal modelo Multipurpose Focal Spot/HVL Test Stand
07-62. Esse dispositivo é composto de um cilindro de
acrílico que possui em seu interior 5 esferas de tungstênio. Quatro dessas esferas são dispostas nas extremidades do objeto formando um quadrado, enquanto a esfera restante situa-se no centro.
Pode-se através de um objeto, onde a distância real entre dois pontos é conhecida, calcular-se a magnificação (M) que é dada pela razão entre a mesma distância medida na imagem digital e a distância real anteriormente aferida. Foi então realizada a medida da distância do objeto ao filme e utilizando-se do resultado obtido para magnificação, é possível obter com precisão o valor da distância foco-filme por meio da equação 1.
1
−
×
=
M
M
DOF
DFF
(1)a)
b)
Onde,
DFFé a distância foco-filme real DOF é a distância objeto-filme M é a magnificação.
A técnica selecionada para os aparelhos convencionais consiste em 60kVp e 30mAs, utilizando o foco fino do aparelho. Para o mamógrafo foi utilizada a técnica de 30kVp e 120mAs. O sistema de registro é composto de um chassi com material de baixo número atômico, o que oferece a mínima atenuação dos feixes incidentes. Não se utilizou écran, para evitar o fenômeno de difusão da luz provocada pela sua presença, proporcionando assim medidas mais precisas. Sabe-se que o filme radiológico é mais sensível à luz que a radiação, dessa forma, o filme utilizado em todos os experimentos foi mamográfico, pois possui maior sensibilidade a exposição à radiação. As imagens registradas em filmes foram, em seguida, digitalizadas em um digitalizador a laser Lumiscan 50 o qual possui resolução de 1140 x 1520 pixels. Sua resolução espacial é muito próxima de 0,150mm e sua resolução de contraste é de 12 bits. Em termos de densidade óptica (DO) a faixa sensível varia de 0 a 3,6.
O método computacional desenvolvido consiste na extração de parâmetros da imagem, os quais são posteriormente convertidos em medidas de acordo com a resolução espacial utilizada na digitalização. Para o cálculo da inclinação as primeiras informações necessárias são os tamanhos do ponto focal no centro do campo e nas suas projeções (Figura 2a). Para isso, faz-se o levantamento da Função de espalhamento de linha (FEL) e utilizando o método da largura em meia altura (FWHM) calcula-se o tamanho das projeções do ponto focal no campo. O primeiro passo é encontrar à proporção que a projeção do ponto focal aumenta, nas diferentes áreas do campo de radiação, dada pela constante k (Figura 2c).
Figura 2 – a) Esboço do fenômeno da característica de campo. b) e c) Esboço da proporção de aumento entre o ponto focal no centro do campo e sua projeção. b) refere-se ao ponto focal no centro, enquanto c) é sua projeção em
algum lugar do campo de radiação
Pode-se calcular o valor da constante k a partir da relação entre o tamanho do ponto focal no centro do campo (figura 2b) e cada uma de suas projeções (figura 2c). Calcula-se então a distância entre o ponto focal no centro do campo e suas projeções (dx). Isso pode ser feito contando o número de pixels entre os pontos e multiplicando pela constante dada pela resolução do sistema de aquisição da imagem digital. Por fim, calcula-se o ângulo de inclinação utilizando a equação 2 e os parâmetros adquiridos previamente.
(2)
Onde;
dx é a distância do ponto focal no centro do campo até a sua projeção em questão
DFF é a distância foco-filme calculada pela
equação 1
k é a constante calculada pela relação do tamanho do ponto focal no centro do campo e suas projeções
α é a inclinação do anodo calculada.
3. Resultados
A seguir são apresentados os resultados obtidos com o aplicativo computacional desenvolvido. Foram registradas três imagens para cada equipamento, garantindo assim, um espaço amostral confiável para avaliar a reprodutibilidade do sistema desenvolvido. Com isso, calcula-se a média dos ângulos encontrados para cada equipamento e seus respectivos desvios padrão. Pelo fato do anodo ser de difícil acesso e seu valor nominal possuir exatidão questionável, foi
desenvolvido um método de validação para o sistema. Esse método consiste em inclinar o próprio sistema de registro das imagens em um ângulo conhecido. Dessa forma, proporciona-se uma variação conhecida, e assim, caso o sistema responda na proporção dessa variação, os resultados serão confiáveis. Esse sistema pode ser visualizado na figura 3.
Figura 3 - Ilustração do método de validação proposto para o sistema. Em (a) as imagens são registradas sem
inclinação, da mesma forma que os experimentos mostrados na tabela 2. Em (b) inclina-se o sistema de registro em 10 graus simulando uma mudança conhecida
no ângulo de inclinação do anodo.
Foram calculados os desvios médios percentuais levando em consideração os valores médios obtidos para cada equipamento, a variação entre os valores médios e os obtidos para cada ângulo θ. Esses resultados podem ser observados na tabela 2. Analisando os resultados obtidos é possível notar que os valores calculados para os desvios percentuais entre os experimentos com e sem inclinação são muito
próximos dos resultados esperados, cuja maior erro encontrada foi de 4.06%.
Tabela 2 - Inclinações medidas para cada equipamento nos testes de validação do método computacional
desenvolvido Ângulo medido ( 0º) Inclin. (10º) Inclin. (15º) Inclin. (20º) Desvio Médio (%) Exp. 1 15.79° 9.56º 15.58º 19.44º 3,69% Exp. 2 12,20° 10.38º 14.44º 20.39º 3,16% Exp. 3 6,77° 9.43º 14.62º 19.21º 4,06%
4. Discussões e Conclusões
Um grande fator que influência no resultado do sistema é o contraste conseguido nas imagens adquiridas. Por esse motivo tomou-se certo cuidado no processo de aquisição das imagens. Foram utilizados no sistema de registro filmes e chassi mamográfico, que juntamente com a técnica demonstraram-se ótimos resultados, embora não foram utilizadas telas intensificadoras, o que ocasionou a necessidade de varias exposições até que o filme adquirisse o contraste desejável. As informações obtidas das imagens tiveram uma boa precisão. Isso ocorreu por dois motivos, o baixo nível de ruído encontrado na imagem, que foi proporcionado pelo método de aquisição adotado, e a alta resolução que as imagens foram digitalizadas, com cerca de 1200dpi.
A análise dos resultados obtidos revelou que o aplicativo computacional se demonstrou eficiente, proporcionando baixa estimativa de erros fundamentados pelo método de validação utilizado. Pode-se notar que a reprodução dos ângulos do anodo ao se variar a inclinação do chassi foram muito próximas das variações nominais utilizadas, obtendo um desvio máximo de 4.06%. Através desse método de validação foi possível perceber que os ângulos de inclinação nominais dos aparelhos estavam coerentes com os informados. Todavia, isso pode nem sempre estar correto e disponível. Ao se adquirir um equipamento, deve-se em primeira instância realizar os testes de aceitação, verificando se o equipamento analisado possui realmente os parâmetros especificados. Por serem equipamentos frágeis, vários fatores podem ser alterados a qualquer hora, seja pelo próprio desgaste levado por sua utilização ou mesmo no transporte até seu destino final. Sendo assim, esses equipamentos estão sujeitos a alterações que podem prejudicar a qualidade da imagem formada, já que o ângulo de inclinação do anodo tem influência direta sobre o tamanho do ponto focal, efeito heel e também na vida útil do tubo. Dessa forma através de um considerável
número de testes juntamente com a análise dos resultados obtidos pode-se concluir que o aplicativo desenvolvido é funcional e realiza medidas coerentes, portanto, sua utilização pode repercutir medidas precisas da inclinação do anodo, proporcionando cálculos mais precisos para equações que necessitam desse parâmetro como parâmetro de informação.
5. Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer a FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo apoio financeiro.
6. Referências
[1] OKUNO, E., CALDAS, I. L. e CHOW, C., Física para ciências biológicas e biomédicas. Ed. Harbra (1982).
[2] BRASIL (1998). Portaria nº453: Diretrizes de proteção radiológica em radiodiagnóstico médico e odontológico. Secretaria de Vigilância Sanitária, Ministério da Saúde. Brasília.
[3] MEDEIROS, R.B.; ALVES, F.F.R.; FERREIRA, A.H.P.G. et al., (2000). How the Quality Control Program Can Help the Clinical Detectability of findings in Mammograms. In: World Congress on Medican Physics and Biomedical Engineering, Chicago. USA. [4] STUMBO, S.; BOTTIGLI, U.; GOLOSIO, B.; OLIVA, P. TANGARO. S.; (2004) Direct analysis of molybdenum target generated x-ray spectra with a portable device. Medical Physics, v.31, n.10, p. 2763-2770.
[5] CHRISTENSEN, E.E., CURRY, T.S., (1978) III and Dowley, J.E., An Introduction to the Physics of Diagnostic Radiology, Lea and Febiger, Philadelphia. [6] HENDEE, W.R., CHANEY, E.L. AND ROSSI, R.P., (1997) Radiologic Physics, Equipament and Quality Control, Yer book Medical Publishers, Chicago.
[7] MEREDITH, W.J., MASSEY, J.B., (1977) Fundamental Physics of Radiology, John Wright and Sons, Bristol.
[8] FRITZ, S.L.; LIVINGSTON, W.H. (1985). The effect of anode curvature on radiographic heel effect. Medical Physics, v.12, n.4, p.443-446.
[9] DOI, K. (1977). Field characteristics of geometric unsharpness due to X-ray tube focal spot. Medical Physics, v.4, n.1, p.15-20.
[10] LERNER, E. J. (1999) “Laser marking systems strive for color and speed, Laser Focus World 35, p.123.
[11] CRAIG, B. (1998) Ultrafast pulses promise better processing of fine structures, Laser Focus World 34, p.79.
