Av. Salvador Allende, s/n Rio de Janeiro, RJ

2007 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2007 Santos, SP, Brazil, September 30 to October 5, 2007 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: 978-85-99141-02-1

ESTUDO DA VIABILIDADE DE CONSTRUÇÃO DE UM MEDIDOR DE

ALTA TENSÃO INVASIVO PARA O LABORATÓRIO DE REFERÊNCIA

NACIONAL DA REDE BRASILEIRA DE CALIBRAÇÃO EM

RADIOLOGIA DIAGNÓSTICA

Quaresma, D.S.1, Pereira, M.A.G.2 and Peixoto, J.G.P.1

1 _{Instituto de Radioproteção e Dosimetria (IRD / CNEN - RJ)}

Av. Salvador Allende, s/n 22780-160 Rio de Janeiro, RJ

dansq@ird.gov.br guilherm@ird.gov.br

2 _{Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE / USP - SP)}

Av. Prof. Luciano Gualberto 1289 05508-900 São Paulo, SP

guedes@iee.usp.br.

ABSTRACT

This work has studied the parameters for the construction of an invasive high tension meter for the National Reference Laboratory of the Brazilian Net Calibration in Diagnostic Radiology, the National Laboratory of Metrology of the Ionizing Radiation - LNMRI. This study took into consideration the necessity of quality control of the of X-rays equipments required by Ministry of Health - MS, through the regulation N.453. To satisfy the demands of the MS, the recommendation of the norm IEC 61676 was analyzed by using the quantity of Practical Peak Voltage (PPV) in the measurements of the tension discharge applied to the X-rays tubes, the infra structures of metrology available in the country to offer rastreability to the components of the high tension meter through INMETRO and the difficulty of adaptation of the high tension meter dynalyser IIIU in relation to the Pantak HF160 equipment in which respect the connection of the high tension cable and the tension limitations due to the electric configuration of the high tension generator of the constant potential Pantak HF160 equipment.

1. INTRODUÇÃO

O controle da qualidade de equipamentos de raios X no Brasil é uma atividade regulamentada pelo Ministério da Saúde (MS) “Diretrizes Básicas de Proteção Radiológica Médico e Odontológico”, aprovada pela Portaria N. 453 do MS de junho de 1998 [1], determinando a obrigatoriedade de programas de testes de constância de operação dos equipamentos e acessórios.

Com o objetivo de assegurar a qualidade das medições realizadas foi criada a RBC em Radiologia Diagnóstica.

A RBC em Radiologia Diagnóstica conta com os apoios de fomento dos projetos da Agência Internacional de Energia Atômica, Technical Co-operation Programme / AIEA (2003-2005), de nome Rede de Calibração de Equipamentos e Controle da Qualidade usados em Radiodiagnóstico (BRA 1.034, 2003) e do projeto da FINEP sob o nome “METRORAD” (FINEP, 2003). Estes projetos visam garantir que os instrumentos de medição usados em todo o território nacional para o controle da qualidade e dosimetria em radiodiagnóstico estejam adequados e calibrados, contribuindo para a eficiência e segurança das aplicações das radiações ionizantes no diagnóstico médico.

As Instituições que participam do projeto da Rede de Calibração:

– O Instituto de Radioproteção e Dosimetria da Comissão Nacional de Energia Nuclear/ IRD-CNEN – responsável pela coordenação da RBC em Radiologia Diagnóstica;

– Laboratório de Ciências Radiológicas da Universidade Estadual do Rio de Janeiro/

LCR-UERJ

– Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares da Comissão Nacional de Energia Nuclear/ IPEN-CNEN

– Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo/ IEE-USP

– Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear da Comissão Nacional de Energia Nuclear/ CDTN-CNEN

– Centro Regional de Ciências Nucleares da Comissão Nacional de Energia Nuclear/ CRCN-CNEN

– Departamento de Engenharia Nuclear da Comissão Nacional de Energia Nuclear/

DEN-CNEN

Para realizar as calibrações, os laboratórios da RBC receberam equipamentos de raios X industrial de potencial constante utilizados em radiografia insdustrial. Estes equipamentos foram adaptados para serem aplicados em metrologia das radiações ionizantes. Este tipo de equipamento de raios X possui um circuito de geração de alta tensão fornecendo o mínimo de variação, diferente da alta tensão fornecida por equipamentos convencionais de raios X de diagnóstico médico usados em clínicas e hospitais, que possuem normalmente geradores de meia onda ou onda completa, proporcionando uma variação elevada no valor da tensão. Outro fator importante é o tempo de exposição do feixe de raios X. Os equipamentos de raios X convencionais possuem tempo de exposição máximo na casa de unidades de segundo. Os equipamentos de potencial constante são construídos para trabalhar em regime contínuo, ou seja, sem limite para o tempo de exposição do feixe de radiação.

Na aquisição das leituras no processo de calibração do medidor não-invasivo, pode-se adotar a obtenção de leituras de carga em um feixe de raios X padronizado, com intervalos de integração de 10s e múltiplas repetições. Este procedimento demanda certo tempo, inviabilizando o uso de equipamentos de raios X de uso clínico que trabalham normalmente com tempos de irradiação máximos de 5s, com isso justificando a utilização de equipamentos de raios X de potencial constante.

De acordo com a necessidade de expor a câmara de ionização no feixe de raios X com tempos de exposição consideráveis, foi escolhida a utilização do equipamento de raios X industrial de potencial constante. Entretanto, a aquisição dos mesmos para a RBC em Radiologia Diagnóstica não ocorreu ao mesmo tempo, por motivos relacionados à liberação de recursos e trâmites legais. Por esse motivo, houve uma defasagem de tempo para que todos os Laboratórios obtivessem seus equipamentos.

INAC 2007, Santos, SP, Brazil.

Durante esse processo ocorreram diversos problemas nos equipamentos adquiridos. Pode-se citar problemas nos cabos de alta tensão, defeito no tubo de raios X, problemas na geração da alta tensão entre outros. Por esse motivo, os Laboratórios não possuem uma padronização em relação aos equipamentos de raios X, conseqüentemente eles possuem diferenças nas configurações de geração de alta tensão, conectores, freqüência de operação e limitações de potência.

O divisor de alta tensão Dynalyser IIIU adquirido no projeto também foi distribuído a RBC e utiliza o padrão de conector do tipo federal adotado como padrão nos equipamentos de raios X de diagnóstico médico. Um aspecto importante é que o Dynalyser IIIU tem limite de tensão entre anodo e catodo de 150kVp e 85kVp de anodo para carcaça ou catodo para carcaça respectivamente. Os geradores de potencial constante da RBC são de 160kV do tipo gerador de alta tensão de catodo e de 320kV com gerador de alta tensão de anodo à catodo.

A diferença no tipo de conector e as limitações de tensão dificultam a adaptação do divisor Dynalyser IIIU, tornando inviável as medições invasivas para o controle da qualidade nos equipamentos de potencial constante até o momento.

A medição invasiva da alta tensão é recomendada pela norma IEC 61676 [2], para efeitos de calibração e ajuste da quilovoltagem (kVp) aplicada ao tubo de raios X. A medição não-invasiva de kVp é feita para verificação e processos de inspeção em equipamentos de raios X clínicos e pode ser adotada como procedimento de verificação nos laboratórios de calibração. Através dos projetos BRA/1/037, (BRA 1.034, 2003) e do METRORAD (FINEP, 2003) foram adquiridos vários equipamentos, dentre os quais; duas fontes de alta tensão DC de 100kV cada, que podem ser ligadas em série para gerar potenciais até 200 kV, sendo que a tensão limite determinada pela norma IEC 61676 para teste dos medidores de kVp é de 150 kVp. Essas fontes se encontram no laboratório do LNMRI e foram adquiridas para calibrar o divisor invasivo, sendo rastreadas ao National Institute of Standars and Technology - NIST. Também foram adquiridos multímetros para efetuar as medidas de tensão e corrente [4]. Com base nos fatos supracitados, foi realizado um estudo para verificar a viabilidade de construção de um medidor invasivo para o Laboratório de Referência da RBC em Radiologia Diagnóstica, tendo como fundamentos à análise da infra-estrutura para a calibração dos componentes do medidor invasivo, como realizar a calibração em alta tensão do divisor, resolver o problema apresentado na utilização do equipamento adquirido para realizar as medições invasivas, implantar as recomendações da norma IEC 61676 na adoção da grandeza PPV e atender a necessidade do Laboratório de fornecer rastreabilidade aos laboratórios integrantes da RBC em Radiologia Diagnóstica para suprir a demanda de calibração dos medidores não-invasivos do mercado, com isso, atendendo às exigências da Portaria N.453 do MS [1].

2. _{Potencial de Pico Prático PPV} 2.1. Definição

A introdução de uma nova grandeza chamada PPV foi determinada pela norma IEC 61676 [2], sendo esta grandeza utilizada para a avaliação da alta tensão aplicada em tubos de raios X (kVp) na área de radiologia diagnóstica.

A proposta dessa nova grandeza visa relacionar diretamente a tensão aplicada no tubo de raios X com o contraste obtido na imagem, sendo definida formalmente como:

“O potencial de pico prático (PPV) para um determinado equipamento de raios X é a tensão que aplicada a um equipamento de raios X de potencial constante produziria o mesmo contraste entre uma imagem obtida atrás de um fantoma de 10cm de acrílico, com a adição de um filtro de 1mm de alumínio e sem a adição deste filtro, quando medido no equipamento que está sendo analisado.”

Através do procedimento de medição desenvolvido por Kramer et al [3] foi proposto medir esta grandeza através da digitalização da curva de alta tensão do equipamento de raios X que está em análise.

De acordo com a norma IEC 61676 [2], a calibração na grandeza PPV exige o prévio conhecimento da curva de alta tensão em todo o tempo de exposição. Sendo assim, o PPV pode ser calculado da seguinte forma:

( )

( )

( )

( )

∑

∑

= = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = _n i n i Ui w Ui pi Ui w Ui Ui pi PPV 1 1 . (1)

Na equação (1) o termo p(Ui) é a probabilidade de encontrar, em qualquer instante

durante a exposição, um potencial Ui pertencente ao intervalo de tensão de [Ui

-(∆U/2),Ui+(∆U/2)], com ∆U pequeno. O termo w(Ui) é uma função de ponderação, ajustada

por dois polinômios. No intervalo de tensão: kV Ui kV 36 20 ≤ < É dado por:

( )

exp

(

8,646855 10 3 2 8,170361 10 1 23,27793

)

− + − = x − Ui x −Ui Ui w (2)

Para o intervalo de tensão compreendido entre: kV Ui kV 150 36 ≤ < É definido por:

( )

2 5 2 5 3 7 4 10 10 747153 , 1 10 03082 , 1 10 30819 , 2 10 662009 , 1 10 310644 , 4 − − − − − − + + − = x Ui x Ui x Ui x Ui x Ui w (3)

Se os valores de tensão forem adquiridos com uma taxa constante e de forma independente, a equação (a) fica reduzida a:

INAC 2007, Santos, SP, Brazil.

( )

( )

∑

∑

= = = _n i n i Ui w Ui Uiw PPV 1 1 ₍₄₎ 2.1.1. Determinação experimental do PPV

A determinação experimental do PPV é efetuada com a montagem de um setup de medição invasiva de kV. Para conseguir coletar os valores de kV, é necessário que seja instalado entre o transformador de saída da alta tensão e o tubo de raios X o medidor de kV. A figura 1 representa um esquema resumido para aquisição de dados nas medições de alta tensão.

Figura 1. Sistema de aquisição de dados

Tabela 1. Características elétricas necessárias para o medidor de alta tensão invasivo do laboratório

Tensão de anodo para catodo Maior ou igual à 320kVp

Tensão de anodo para carcaça Maior ou igual à 160kVp

Tensão de catodo para carcaça Maior ou igual à 160kVp

Relação de divisão da tensão DC Maior ou igual à 10000:1

Relação da precisão de divisão ± 1%

Carga do divisor de tensão Maior que 100MΩ para a carcaça

Resposta de freqüência ± 1dB de 0 à 100kHz

3. CONCLUSÃO

Analisando o estudo realizado, a construção de um medidor invasivo de alta tensão para o Laboratório de Referência da Rede de Calibração em Radiologia Diagnóstica deve ser levada em consideração porque há determinação do MS através da Portaria N.453, no que diz respeito ao controle da qualidade dos equipamentos de raios X.

A norma IEC 61676 recomenda a adoção da grandeza PPV como referência para medidas de quilovoltagem de pico (kVp), sendo o método de medição invasiva recomendada para calibração e ajuste da tensão do tubo de raios X. O LNMRI possui equipamentos de referência para calibração em alta tensão DC até 200kV.

O INMETRO tem a infra-estrutura para fornecer rastreabilidade à calibração dos componentes do divisor resistivo, afirmando a escolha deste tipo de medidor invasivo. O divisor Dynalyser IIIU adquirido apresenta dificuldades de adaptação tanto do cabo de alta tensão como das limitações elétricas de medição de tensão para a configuração do gerador de alta tensão do equipamento de raios X Pantak HF160 e o Laboratório de Referência da RBC em Radiologia Diagnóstica, o LNMRI, para determinação da nova grandeza PPV, necessita do conhecimento da forma de onda da tensão aplicada ao tubo de raios X.

Este trabalho recomenda mais estudos em relação à estrutura mecânica, elétrica, determinação da incerteza de medição do medidor invasivo, seleção dos componentes do divisor resistivo, teste dos componentes do divisor e a execução do projeto em trabalhos futuros.

REFERÊNCIAS

1. Ministério da Saúde (MS). Diretrizes de proteção radiológica em radiodiagnóstico médico e odontológico. Portaria 453. Diário Oficial da União, Brasília, 2 de junho de 1998.

2. International Electrotechnical Commission, Radiation conditions for use in the determination of characteristics, IEC 61676, 1997-11

3. Kramer, H. M., H-J Selbach and W. J.Iles, “The Practical peak voltage of diagnostic X-ray generators”, The British Journal of Radiology, 71, (1998) 200-209

4. Peres, Marcos A.L., Paulo H.B.Becker, Samanda C.A.Correa, “Automação da calibração