방사선 기기학

안녕하세요 아들 둘 키우는 아빠 건설소장입니다. 오늘은 방사선 기기학에 대해 알아보겠습니다.

쉽게 말해서 x-ray 나오는 장비에 대해서 알아보는 시간이 되겠습니다.

임상에서 장비 들어 올 때 그리고 QC 할 때 많이 사용되어 집니다.

임상과 이론이 크게 차이가 없어서 이론으로 공부 하시면 크게 무리가 없을 거라고 생각되어 집니다.

방사선 기기학

2교시 <방사선 응용> 10문항

 

X선
열전자 리차드슨 공식  열전자 방출 ∝ 온도의 제곱
2극관 정류관 : 한쪽으로만 흐른다 초속도영역 : 전압이 없어도 전류가 흐르는 영역 공간전하영역 : 0~40kV kV를 올리면 mA도 오른다 진단용 tube : 40kV↑ (포화영역) → mA와 kV를 독립적으로 사용하기 위해서 공간전하수 : filament의 온도에만 좌우	<2극관 특성그래프>
공간전하효과(Schottky Effect) 포화영역에서 kVp가 높으면 약간 전류 상승	공간전하보상회로 공간전하효과 보상 : 위상반전 콘덴서 이용
Duane-Hunt's Law [Å]	X선발생강도 & 발생효율 발생강도 =  발생효율  k : 1.1 × 10-9
X선발생의 필요조건 ① 자유전자 공급 - mA관련 ③ 저지물(Target) - 텅스텐(Z↑)	② 고속도 운동에너지 - 고압변압기 ④ 고진공도 유지 - 10-5~-7(2차전자생성X)

X선 발생장치의 기본
진단용 X선발생장치의 구성 : ①X선관장치 ②고전압발생장치 ③제어장치
X선장치의 정격 R : 촬영 F : 투시 D : 치과 T : 3상 C : 콘덴서식 I : 인버터식 H : half - X선발생기 형식
RF-500-100 단상 촬영/투시용 공칭 최대 관전류 : 500mA 공칭 최고 관전압 : 100kV 단, 100kV 500mA는 안됨	CR-1-125 콘덴서식 촬영용 공칭 촬영용 콘덴서 용량 : 1μF -μF 공칭 최고 관전압 : 125kV
HRF-70-P X선발생기 촬영/투시용 단시간 최고정격관전압 : 70kV 점화방식 : P - 선점화방식 S - 동시점화방식	정격 장시간정격 : 투시용 - 4mA를 넘을 수 없음(∵피폭) 단시간정격 : 촬영용

초점
실초점 실제 타겟에서 초점의 면적 실초점이 클수록 좋음 : 타겟수명연장	실효초점 상의 형성에 관여 : 작을수록 좋다(반음영 감소) 실효초점 = 실초점 × sinθ
진단영역의 Anode 경사 10~18° Anode 경사각↓ : Sharpness↑, Useful Beam↓ Anode 경사각↑ : Sharpness↓, Useful Beam↑	초점의 크기 필라맨트 깊이↑ : 정초점↓, 부초점↑ 음극(필라맨트)직경↑ : 정초점↑, 부초점↓ kVp↑ : 초점↓ mA↑ : 초점↑
공칭초점(NEMA) kVp, mA를 정해서 초점의 크기를 정함	등가초점(Homogeneous Intensity Distribution) 특정강도분포를 지닌 균등강도의 분포의 초점크기
초점의 흠집과 그 영향 Spot형성 : 필라멘트와 디스크가 증발 - 선팅처럼 → 투과X선량 감소(50%이하) Disk : W + Re 합금 양은 줄고, 선질은 경해진다	초점외 X선 발생(Off-Focus Ray) Focus에서 흡수안되고 튕긴전자가 양극에 흡수 Rebound 전자 → 초점에서 먼 곳에서 더 세다 영향 : Contrast 저하 방지 : ①kVp↓ ②콘 깊숙이 ③방사창↓ ④셔터수↑

3극 X선관

양극, 음극 사이에 grid를 넣음(최근에는 격자가 없는 3극관도 만들어지고 있음) : Pulse방식으로 촬영 콘덴서 방전식은 격자전압을 조정해 조사시간을 제한 : On/Off 통전시간 조절 1/1000까지 폭사 가능 2극 X선관에 비해 허용부하는 80%로 제한 관전류 차단 격자 전압은 약 -2000V

장점 ①피폭 경감 ②X선관 부하 감소(장시간 촬영가능) ③단시간에 촬영(해상력 상승)

유방용 X선관
유방용 X선관의 특성 High mA, low kVp 필요 (1000mA↑, 30kVp↓)
X선방사구(Window) Be(베릴륨) 유리 window X Al당량 0.5mm↑ 여과해야 함 (피폭경감)	Target Mo(몰리브덴) 텅스텐 target X 20keV이하의 연선 + Mo Filter 이용

대용량 금속X선관
대용량 금속X선관의 특성 유리 대신 금속사용 초점외 X선을 15%이하로 감소 복합양극 : 양극 뒷면에 흑연부착 - 열축적용량 2배	금속 중앙의 장점 접지작용 일정한 전기적 영역 형성 : Spot 방지 수명의 안정성, 사용범위 확대, 고출력 노출횟수 증가

X선관의 구조
고정양극 X선관	회전양극 X선관
진공도 : 10-6~-7mmHg의 고진공상태	Cathode
Glass Bulb : 규산, 붕산의 주성분인 결정의 glass 구비조건 : 절연내력 클 것 고진공도 유지, 가공 용이 X선 흡수 적을 것, 화학적 내성 클 것 기계적 강도 클 것, 열팽창 계수 작을 것	Anode Cu 양극 끝부분에 W disk Rotor : 회전자계에 의해 target 회전 회전속도  f : 고정자 전류주파수 p : 고정자 코일 자극수 Bearing : 금속윤활제(Ag) - 고장이 제일 잘 난다
Cathode Filament : 가열에 의한 열전자 방출 직경 1~3mm W wire - 초점형성 결정인자 Focusing Cap : 열전자를 target 일정부위에 집속 전자의 확산방지 - 초점형성
	전자충돌 궤도면적 2πrd [㎟] r : 중심-충돌면 중앙선 거리 d : 충돌면 폭
Anode Target : 초점형성부분 재질 : Pure W W + Mo : 회전특성, 허용부하↑ W + Re : 초점손상(Spot현상) 방지 구비조건 : Z, 용융점, 증기압, 열·전기전도↑ 괴산성 적고, 가공·입수 용이할 것
	회전양극 X선관의 특징 장점 열용량 크다 부하량 크다 실초점 크다 : 부하량↑ 단점 복잡, 수명 짧음

허용부하(Permissible Load)
순간허용부하 단시간 최대 입력 P[kW] = f × U × I × 10-3 f=1.00 : 관전압 맥동률 10% 이하 - 삼상12피크 f=0.95 : 관전압 맥동률 10 ~ 25% - 삼상6피크 f=0.74 : 관전압 맥동률 25% 이상 - 단상2피크 순간허용부하의 증대 ①초점면적 크게 ②타겟 각도 작게 ③초점 크기 및 직경 크게 ④리플 백분율 작게 ⑤양극 회전수 증가 최대허용부하 = K  K:정수 n:회전수 d:타겟지름 ⑥동일 mAs시 mA 낮추고 s증가	연속허용부하 P[HU] = f × U × I × t HU/sec = f × U × I f=1.00 : 단상전파 정류회로 f=1.35 : 삼상전파 정류회로 f=1.41 : 정전압회로 콘덴서 방전회로 P = 0.7 × C × (U1 - U2) 1HU = 0.71Ws = 0.71J = 0.17cal
	혼합허용부하 Spot 촬영 : 투시+촬영+투시+촬영 Angiography Cine Radiography 집단간접촬영

X선관 Tube Housing
역할 X선관 보호·지지 누설선량 차폐 : 1m에서 적산선량 100mR/hr 이하 접지·절연·냉각 초점외 X선 흡수	절연유 필요조건 절연내력·파괴전압·인화점(130℃이상) 높을 것 점도가 낮을 것 냉각효율 클 것 불순물이 없고 화학적으로 안정할 것

여과(Filtration)
총여과 : 피사체까지의 여과의 총합(고유여과 + 부가여과) 고유여과 : 관체, 절연유, 방사구 등 자체의 X선 흡수 0.5~1mmAl 부가여과 : X선속 내에 인위적 흡수체로 연선 흡수 1~2mmAl	X선 총 여과의 최소치 최고정격관전압 총여과의 최소치 60kVp 미만 1.5mmAl 60~100kVp 2.0mmAl 100kVp 이상 2.5mmAl

고전압발생장치
변압기 단권변압기 가열변압기 고압변압기 승·강압 강압 승압 저압절연 고압절연 고압절연 kVp조절 mA 조절 kVp조절	변압기의 손실 철손 Hysterisis Loss : 교류반복에 따른 열손실 Eddy Current Loss : 부피 큰 철심의 와류손실 ↳ 적철심, 권철심 이용해 손실 경감 동손 Copper Loss : 길이에 의한 손실(저항증가)
단권변압기 가장 굵은 코일 장치에 전력공급 전기적 절연X : 절연유로 절연하지 않음 입력측 : 전원전압보상기 출력측 : 부하전류에 이한 전압강하 보상	고압변압기 X선 발생에 필요한 고전압 공급(열전자에 운동E 부여) 코일이 가장 가늘다 변압기의 법칙 N : 권선수  : 강압  : 승압 교류의 실효값(R.M.S) =  변압기의 효율
가열변압기 Filament를 가열시켜 열전자 공급 고압절연 입력측 : 관전류 조절
관전압계 단권변압기 출력측에 삽입(병렬연결) 가동 철편형, kV 최고치 사용	관전류계 고압변압기 2차코일 중성점에 연결(직렬연결) 가동 코일형, mA 평균치 사용
전압안정기(Stabilizer) 가열변압기 1차측 X선관 가열전류를 일정하게 유지	주파수 보상기 전압안정기(Stabilizer) 사용 시 사용 안정기의 출력전압을 일정하게 유지

정류회로
단상 자기정류회로(Self Rectification) X선관 자체가 정류역할 : 정류기X X선관의 역전압이 반cycle마다 걸림 소용량, 간단, 가볍다, 싸다 흑점 수 6, 최소 조사시간 1/60 sec 관전류 최고치 = 발생전압 × 3	단상 전파정류회로(Single Phase Full-wave Rectification) 흑점 수 12, 최소 조사시간 1/120sec X선발생이 간헐적(맥동률 47%) 정류기 4개 브릿지형 접속 : Graetz 결선식 회로 누설전류 보정회로가 꼭 필요(고압누설전류 : 2mA정도) 관전류 최고치 : 평균치의 1.5배
삼상전파 정류회로(Three Phase Full Wave Rectification) 3상정류의 특징 대전력 공급용이, 단위시간당 X선 발생량 많음, 순간허용부하 큼, 환자피폭감소 장치가 고가, 설치면적 큼, 복잡 *V : 상전압 a : 권선수   6피크 2중 6피크 12피크 2중 12피크 결선방식 △-Y △-Y-Y △-Y-△ △-Y-△-△ 정류기 6 12 12 24 맥동률 13.4 13.4 3.4 3.4 (+),(-)파형 대칭성 비대칭( ) 대칭 비대칭( ) 대칭 출력전압 kV= Va kV=2 Va kV=1.932 Va kV=1.932×2 Va 계기용 정류기 필요 불필요 불필요 불필요
콘덴서 방전식 회로(Condenser Discharge Circuit) 간접촬영, 순간촬영 (연속촬영, 단층촬영X) 정류기 2개, Timer X mAp로 관전류 표시 촬영조건의 재현성 좋음 파미절단방식 : 콘덴서 재충전 빠름, 장파장 피폭 없음 관전압, 관전류 별도조정이 불가능	인버터 방식 주파수로 고전압 발생 : 소형화, 정밀도 높은 제어 정전압 방식 단상전원으로 3상에 가까운 출력 피검자 피폭선량 감소 전원주기에 관계없이 X선 차단 Amorphous(Fe-B-N 비결정 금속변압기) 사용
고압정류회로   단상장치 삼상장치 인버터 자기정류 반파정류 전파정류 6P 2중 6P 12P 2중 12P 크기 중간 크다 작다 직선성(재현성) Bad Good Very Good 선질 특성 Bad(연선) Good Very Good(경선) 맥동률 100% 13.4% 3.4% - 고압정류기 X 1~2 4 6 12 12 24 - X선 허용부하 0.5 0.7 1 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 X선최단조사시간 1/60 1/60 1/120 1/360 1/360 1/720 1/720 1/1000

제어장치
단권변압기 : 장치에 전력공급 정원전압조정기 : 단권변압기 입력측 장치내 전원전압을 항상 일정하게 유지 관전압 조정기 : 단권변압기 출력측 임의로 전압 조절(고압변압기의 1차전압조정) 관전압 조정범위 : 40~150kV 일반촬영 : Major/Minor 2개의 tap 연속촬영 : 연동변압기 슬라이어 닥스 사용 관전류 조정기 : 가열변압기 입력측 가열전압 안정화 필요 → 철 공진형 Stabilizer 사용 Stabilizer에 안정된 출력전압 필요 → 주파수 보상기	한시장치(Timer) 고압변압기 입력측에서 X선조사 제어 한시장치 이용 특징 시계식 Timer 스프링 간단, Potable 전동식 Timer 동기전동기 0.05sec 임펄스 Timer 동기전동기 1/120sec 전자관 Timer T = RC 격자제어방전관 반도체 Timer T = RC Thyristor(SCR) Photo Timer 광전자증배관 간촬 자동노출타이머 전리조 Timer 전리조 직촬 자동노출타이머
변압기의 입/출력측 단권변압기 입력측 전원전압 지시계 전원전압조정기 출력측 관전압 조정기 고전압변압기 입력측 관전압 지시계(병렬·간접) 출력측 관전류 지시계(직렬) 가열변압기 입력측 필라멘트 가열전압안정기 관전류 조정기 공간전하 보상변압기	Switch 주회로 개폐기(Main SW) : 전자개폐기 → SCR 가열 개폐기(Heating SW) : mA Selector X선 개폐기(Exposure SW) : 주변압기 1차측 전자접촉기(Magnetic SW) : Contactor 과부하 자동차단기(OLR) : 규정이상 전류 흐르면 차단 → X선관 장치보호, 환자피폭보호 고정자 Interlock : relay coil이 회전하지 않고 정상속도에 이르지 못하면 회로열어 X선 차단 Over Load Interlock : X선부하가 정격 이상이면 차단
mAs 제어 관전류를 적분하여 그 적분치가 미리 설정한 값에 도달하면 X선 조사 정지 특징 ①관전류를 변화해도 조사시간 보충으로 일정한 mAs 얻어짐 ②관전류 변화(허용부하 범위내)에도 일정한 사진효과 획득 및 최단시간 조사가능

전원설비
전원설비 주상변압기에서 X선 발생장치에 이르는 설비 전압강하가 10% 이하가 되도록 용량과 인입선 굵기 결정	접지설비 제3종 접지공사 : 접지저항 100Ω 이하 접지점 ①고전압 변압기의 출력측 중심점 ②고압 Cable 외피 ③관용기 외함 ④제어장치
주상변압기 용량 X선관 소비전력 = 75kW 필라멘트 가열전력 ≒ 1kW 그 외 전력 ≒ 4kW Total 전력 ≒ 80kW

영상증강장치(Image Intensifier Tube)
원리 X선 → 입력형광면(형광상 형성) → 광전음극면(광전자방출 : 전자밀도영상) → 정전집속렌즈(가속) → 출력형광면(축소영상)
장점 : ①피폭선량 감소 ②검사시간 단축 ③X선관 부하량 감소
구조 입력형광면 : 기판 위 CsI 100~200μm 증착 섬유소구조로 농축밀도 3배 높임 광전음극 : 안티몬(Sb)+Cs - 빛을 받아 광전자 방출 방출량∝형광량 고압(음극역할) 정전집속렌즈 : 다수 배열 양전위 전극 - 집속 가속양극 출력형광면 : 광전자가 입사하여 가시광으로 변화	휘도 증가 계수 휘도증가계수 =  변환계수 =  축소인자 =  총 휘도증가계수 = 축소인자 × 유량증가인자

X선 TV System
구성 X선관 - 환자 - 형광증배관 - 수상관 - VTR
원리 투과한 x선을 I.I가 밝은 형광상으로 만들고 이 형광상을 Lens계를 통해 TV camera로 촬영하여 형광상을 전기신호로 바꾸고 이것을 주사(scanning)의 방법으로 분해하여 영상신호를 만들어 TV브라운관에 다시 재현한다.
주사방식 순차주사 : 1번에서 끝번까지 순차적으로 실시 비월주사 : 하나씩 건너띄어 수평주사하고 나중에 주사 유효주사선수 : 525개 주사선 중 32개가 귀선기간에 없어지므로 493개	촬상관 비디콘 : 광도전효과 이용(명암에 따라 전기저항 바뀜) 장점 : 취급용이, SNR↑, 소형, 저렴, 장수명 단점 : 낮은 강도, 해상도↓, 잔상 오디콘 : 회귀신호 이용 장점 : 감도↑, 해상도↑ 단점 : 회로가 복잡, 취급 어려움, 부피 큼 플럼비콘 장점 : 대조도↑, 움직임에 의한 영상 끌림 방지 단점 : 반점 발생률↑, 단수명
CCD(Charge Coupled Device) MOS구조의 콘덴서가 연속해서 나열된 구조 촬상관과 비교 장점 : 소형, 전력소모 적음, 수명단축 없음 회부의 빛/온도 변화에 영향 적음 블루밍현상 적음, 중심과 가장자리 해상도차↓ 단점 : 엘리어싱, gain을 높이면 노이즈 큼 밝은 피사체에 수직 스미어 현상 동적화면의 왜곡, 대각선상 스테핑효과
	DSA(Digital Subtraction Angiography) Scout → Mask View(Scout반전) → Angiogram →Subtraction Angiogram(Mask + Angio) 소초점, 대용량 요구, 3상12피크 테트로드 or 인버터 시간차분법 순차촬상법 : 실시간으로 감영상 묘출 연속촬상법 : 1초에 최대 30매 영상 X선관 부하 및 피폭이 큰 단점 변화량촬상법 : 심실조영 경색구역 판단 에너지차분법 K흡수단차분법 : 조영제 흡수단 이용 비흡수단차분법 : 저E와 고E의 투과율 차분 이용 하이브리드차분법 : 시간차분법+에너지차분법 가장 좋음, 장내가스에 의한 motion artifact제거
CR(Image Plate방식) 고감도, 고선예도, 광범위한 관용도 광휘진성 발광(최초 자극 정보가 형광체에 축적) 레이저빔 : 635nm 적색 He-Ne 레이저빔 이용 형광체 : BaFBr:Eu2+, BaFCl:Eu2+, BaFI:Eu2+ 장점 : 피폭선량 경감, 진단정보 풍부, 영상정보처리에 의한 새로운 진단법 개발 영상정보를 디지털화해서 보관, 검색, 통신가능

X선 발생장치의 고장
X선관 Glow 발생 : 제작 시 배기불량, 과부하에 의한 gas 발생 ․ mA계가 끝까지 흔들림 ․ 전원 전압계, 1차 전압계 저하 ․ X선관에서 녹색 형광이 발생 ․ X선관 filament를 꺼도 이 현상이 일어남 X선관 filament의 단선 : 과부하에 의해 발생 ․ 고전압을 가하여도 X선을 발생치 않는다. ․ 가열 전압계의 진동이 정상보다 커짐(최대치 지시) ․ 가열 전압계의 조정기를 가동하여도 진동이 변치 않음 ․ 관전류계가 지시하지 않는다 Target의 요철, 용융 : 과부하에 의해 발생 ․ 동일 관전압, 관전류에서 선량율 저하 ․ gas가 발생되어 glow 발생	정류관 Glow 발생 : 정류작용의 상실 ․ mA계의 진동이 끝까지 가버림(최대치 지시) ․ 전원전압계와 1차 전압계가 현저히 감소(전압강하가 생김) ․ 정류관에서 녹색형광 발생 filament 가열 부족 ․ 정류관 전압강하가 커짐 ․ 정류관의 양극온도가 상승(glow 발생원인) ․ 정류관에서 X선 발생 ․ X선관의 관전압이 감소(사진농도 저하) filament 단선 ․ 전파정류에서 정류관 filament가 1개 단선된 경우 ․ 반파정류와 같음(mA계는 1/2지시, 선량률이 1/2) 정류기의 불량 : 정류 작용 상실
고압 변압기 변압기 2차측 절연 불량, 절연 파괴 ․ mA계의 진동이 커짐(최대치 지시) ․ 전원 전압계와 1차 전압계의 이상 강하 ․ fuse가 끊어짐 ․ circuit breaker 동작 1,2차 coil의 손상 및 단선 ․ 고압이 발생하지 않고, X선도 발생되지 않음	가열 변압기(X선관, 정류관) ․ 절연 불량과 절연파괴 - mA계의 진동이 커짐(최대치 지시) ․ coil의 단선 - filament의 점화가 안됨(X선이 발생되지 않음)
	고압 cable ․ cable head의 절연불량과 절연 파괴 - mA계의 진동이 커짐(최대치 지시)