Súmula

Noções Básicas sobre Raios X
PRINCÍPIOS DE FORMAÇÃO
DA
IMAGEM RADIOGRÁFICA
Súmula
Prof. Alwin Elbern, Ph.D.
DENUC - UFRGS
• Qualidade da Imagem
• Geração de Raios X
• Formação da Imagem Radiográfica – Contraste
• Filme Radiográfico
• Processamento Radiográfico
• Sensibilidade do Filme
• Noções de Controle de Qualidade do Processamento
• Definição, Resolução e Visibilidade de Detalhes
• Controle de Qualidade – Portaria 453/98
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Noções Básicas sobre Raios X
Qualidade da Imagem
A qualidade da imagem médica é determinada
pelo método de Radiodiagnóstico
(Raios X, US, TC, RM, etc.), pelas
características do equipamento e pelos
ajustes selecionados pelo operador.
A qualidade da imagem depende de pelo menos cinco
fatores:
Contraste, Definição, Ruído, Artefatos, Distorção
Corpo Humano
O corpo humano tem muitas estruturas
(ou objetos) que aparecem simultaneamente,
e freqüentemente, sobrepostos na
imagem. Outro fator importante que
determina uma boa visibilidade, é que um
objeto presente em uma imagem médica
deve sobressair-se em relação às
imagens de fundo.
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Noções Básicas sobre Raios X
Geração de Raios X
Histórico
A radiografia foi inaugurada praticamente junto com o
descobrimento dos raios X, realizado por Wilhelm
Conrad Röntgen em novembro de 1895, o que lhe
conferiu o 1 o prêmio Nobel de 1901 de Física.
A primeira radiografia foi feita ainda em seu laboratório,
onde permaneceu sozinho por semanas
obcecado por experimentos secretos, quando expôs
aos raios X a mão de sua mulher, apoiada sobre uma
chapa fotográfica, por 15 minutos.
Histórico
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•Radiografia da
mão de Anna
Röntgen, em
novembro de
1895. Por seus
trabalhos, ele
recebeu o
primeiro Nobel
de física no ano
de 1901.
•Röntgen observou que os raios X podiam atravessar os corpos.
Alguns materiais se apresentavam mais opacos e outros mais transparentes.
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Noções Básicas sobre Raios X
Geração de Raios X
Os raios X são originários da frenagem dos elétrons
gerados no catodo, que se convertem em fótons,
pelo fenômeno conhecido por Bremsstrahlung.
Os raios X produzidos no interior das ampolas são constituídos
por ondas eletromagnéticas de várias freqüências e intensidades.
A maior parte (99%) da energia cinética dos elétrons é
perdida sob a forma de calor e apenas 1% dela é convertida
em raios X.
Os raios X produzidos por “bremsstrahlung” constituem um
espectro contínuo dentro de uma faixa de comprimento de
onda que vai de 0,1 a 0,5 Å (10 -10 m).
Origem dos Raios X
Bremsstrahlung
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Noções Básicas sobre Raios X
Propriedades Elétricas
A qualidade e a quantidade de raios X produzidos
podem ser controladas ajustando-se as grandezas:
TENSÃO - Kilovoltagem (kV) = diferença de potencial
(ou “potencial para aumentar a energia dos elétrons”).
- Elétrons com mais energia adquirida por meio de kV
mais alto produzem raios X mais penetrantes e em
maior quantidade.
CORRENTE - Miliamperagem (mA)=quantidade
ou número de elétrons que passam a cada
segundo do catodo para o anodo.
•TEMPO de exposição (s) = duração do pulso
Tubo de Raios X
No tubo (ampola) são gerados os Raios X pela comversão
da energia dos elétrons em calor (ou energia
térmica) e, em menor quantidade, em raios X
(Bremsstrahlung).
O calor é um subproduto indesejável no processo. O
tubo de raios X é projetado para maximizar a produção
de raios X e dissipar o calor tão rápido quanto
possível.
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Noções Básicas sobre Raios X
Ampola de Raios X
Uma corrente de elétrons flui através do tubo, do catodo, onde são
produzidos, em direção ao anodo, onde os elétrons param
bruscamente, sofrendo uma perda abrupta de energia resultando na
produção dos raios X.
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Noções Básicas sobre Raios X
Elementos do Tubo de RX
CATODO: é o eletrodo negativo do tubo. É constituído
de duas partes principais: o filamento e o
copo focador.
A função básica do catodo é emitir elétrons a partir
de um circuito elétrico secundário, e focalizá-los em
forma de um feixe bem definido apontado para o
anodo.
Em geral, o catodo consiste de um pequeno fio em
espiral (ou filamento) dentro de uma cavidade (copo
de focagem) conforme mostrado na figura anterior.
Filamento
O filamento é normalmente feito de Tungstênio Toriado
(Tungstênio com mais de 1 a 2% de Tório), pois esta liga
tem alto ponto de fusão e não vaporiza facilmente (a
vaporização do filamento provoca o enegrecimento do
interior do tubo e a conseqüente mudança nas
características elétricas do mesmo). A queima do
filamento é, talvez, a mais provável causa da falha de
um tubo.
a
(a) sem corpo focador e (b) com corpo focador
b
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Noções Básicas sobre Raios X
Copo de focagem
O corpo de focagem: serve para focalizar os elétrons
que saem do cátodo e fazer com que eles “batam” no
ânodo e não em outras partes. A corrente do tubo é
controlada pelo grau de aquecimento do filamento
(cátodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais
elétrons serão emitidos pelo mesmo, e maior será a
corrente que fluirá entre o ânodo e o cátodo.
Assim, a corrente de filamento controla a corrente
entre o ânodo e o cátodo.
Corrente de filamento
CORRENTE NO
TUBO (mA)
100 kVp
125 kVp
70 kVp
50 kVp
CORRENTE DO
FILAMENTO
(AMPÉRES)
Correntes de tubo e de filamento
em função da tensão
aplicada.
Alguns tubos apresentam dois
filamentos, ou dois cátodos.
São os chamados tubos de
foco dual, Estes filamentos
tem comprimentos distintos,
produzindo áreas de impacto
diferentes no ânodo.
Temos assim dois tipos de
foco:
• Foco fino: de 0,3 a 1 mm
• Foco grosso: de 1 a 2,5 mm
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Noções Básicas sobre Raios X
Foco Dual
Tubo de foco dual, onde o tamanho do foco é
controlado por um ou outro filamento.
O controle do foco fino-foco grosso é feito por uma chave
que escolhe ou um ou outro filamento. Para evitar que se
coloque grandes correntes em foco fino (o que poderia
danificar o ânodo), um mesmo comando seleciona a
corrente e o foco simultaneamente (as duas chaves são
acopladas mecanicamente).
Anodo
O Anodo é o pólo positivo do tubo. Existem dois tipos de
ânodo: anodo fixo e anodo giratório.
Os tubos de ânodo fixo são usualmente utilizados em
máquinas de baixa corrente, tais como: raio-X dentário, raio-
X portátil, máquinas de radioterapia, raio-X industrial, etc.
Os de anodos giratórios são usados em máquinas de alta
corrente, normalmente utilizadas em radiodiagnóstico.
O anodo tem as seguintes finalidades: formar o caminho
elétrico, servir de suporte para o alvo e como elemento
condutor de calor.
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Noções Básicas sobre Raios X
Anodo – Alvo de Tungstênio
O alvo é o local do ânodo que sofre o impacto dos elétrons.
O material do alvo deve ter as seguintes propriedades:
Alto Z: Isto é, alto número de prótons no núcleo
atômico. A relação entre a perda de energia dos elétrons
por radiação (raios-X) e a perda de energia por ionização
(aquecimento) é dada pela seguinte fórmula:
dE ⎞
⎜ ⎟
⎝ dx ⎠
⎛ dE ⎞
⎜ ⎟
⎝ dx ⎠
⎛ Onde E c é a energia cinética dos
RAD =
COL
Ec.Z
800
elétrons e Z o número atômico do
alvo.
Propriedades do alvo
Boa Condutividade Térmica: no alvo há uma grande
geração de calor, que deverá ser retirada do mesmo para
evitar a sua fusão;
Alto Ponto de Fusão: Em algumas aplicações de alta
corrente, associada a grandes tempos de exposição podem
levar a alvo o atingir temperaturas da ordem de 2000 C.
Portanto, o material alvo deverá suportar altas
temperaturas sem fundir ou se danificar. O material que
apresenta todas estas características é o Tungstênio
(Z=74).
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Noções Básicas sobre Raios X
Anodo Giratório
Fixo Giratório
1 mm
A=4 mm 2
r=30 mm
1 mm
4 mm
O ânodo giratório permite
altas correntes, pois a área
de impacto dos elétrons fica
muito aumentada.
A=754 mm 2
Como exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja área de impacto
é de 1 mm x 4 mm, isto é, 4 mm 2 .
Se este alvo girar com um raio de giro igual a 30 mm, a área
de impacto seria aproximadamente: 4 mm * 2 π * 30 mm ≅
754 mm2 ; nestas condições, o tubo giratório teria cerca de
200 vezes mais área que o tubo fixo.
Detalhes – Alvo Giratório
Em máquinas de alvo giratório, é necessário esperar o
ânodo atingir a velocidade de regime, para então se aplicar
a alta tensão (disparo do feixe).
O rotor gira no interior da ampola de vidro, sem nenhuma
ligação mecânica para o exterior. O modo como isto
acontece é semelhante ao que acontece nos motores de
indução, onde não há ligação mecânica nem elétrica entre
a parte que gira (rotor) e a parte fixa (estator).
Os tubos para mamografia utilizam anodos de molibdênio
(Z=42), que tem um número atômico intermediário,
e, portanto, produzem fótons de energia
menores, mais adequados à baixa densidade do tecido
mamário.
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Noções Básicas sobre Raios X
Cabeçote do RX
O anodo e o catodo ficam acondicionados no interior
de um invólucro fechado (tubo).
Além de desempenhar as funções de isolante elétrico
e de suporte estrutural para o anodo e catodo, o
sistema de encapsulamento serve para manter o
vácuo no interior do tubo.
A presença de ar dentro do tubo é indesejável, pois,
além de interferir na produção de raios X, permitiria
que eletricidade percorresse o tubo, na forma de
pequenos raios e centelhas, danificando o sistema.
Cabeçote e Tubo
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Noções Básicas sobre Raios X
Tubo de Raios X
Ponto Focal
Anodo Girante
Estator
Alta
Tensão
Ao selecionar-se um tubo de raios X para uma determinada
aplicação específica, a principal característica
que deve ser observada é o tamanho do ponto focal.
Tubos com pontos focais pequenos são os mais
indicados quando é essencial gerar imagens de alta
qualidade que permitem boa visibilidade de pequenos
detalhes e também quando houver necessidade de
menores quantidades de raios X.
Ex. Foco grosso
Equipamento
para medida
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Noções Básicas sobre Raios X
Representação do ponto focal real e efetivo
ÂNGULO DO ALVO
FEIXE DE ELÉTRONS
TAMANHO
REAL DO FOCO
FOCO EFETIVO
O ponto focal real é a área na qual os elétrons colidem.
O ponto focal efetivo é a área que é “vista” na direção do feixe
útil, conforme mostra a figura. Dependendo do ângulo do alvo,
podemos ter grande área de impacto com pequeno ponto focal
efetivo.
Espectro de Energia
Um espectro de energia
é um gráfico que mostra
no eixo horizontal a
energia dos fótons de
raios X de um feixe.
A energia varia de zero
até o valor máximo (ou
kV p - max) e, no eixo
vertical, ó número de
fótons dentro de cada
faixa energia.
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Noções Básicas sobre Raios X
Espectro de Energia dos RX
Origem do Espectro
contínuo de energia
dos Raios X.
As raias de energia
discretas são
provenientes das
transições que
ocorrem no átomo
do alvo.
Espectro de Energia dos RX
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Noções Básicas sobre Raios X
Espectro em Mamografia
Fatores que afetam o Espectro
O material do alvo: não influencia na forma do
espectro contínuo, apenas na sua intensidade. Isso,
obviamente influirá no espectro de linhas ou espectro
característico, pois como vimos, este espectro caracteriza
o núcleo alvo.
N° DE FÓTONS
TUNGSTÊNIO
Molibdênio
ENERGIA DO FÓTON
Resumo: fatores que afetam o
espectro:
-Quantidade da radiação:
Z, KeV 2 , mA, seg, forma de
onda e filtração;
-Qualidade de radiação: KeV,
forma de onda e filtração.
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Noções Básicas sobre Raios X
Filtração
Aparelho de Raios X
GERADOR
A principal função do gerador é transformar a energia
elétrica da rede em uma forma de energia elétrica mais
adequada à produção de raios X.
Outra função importante do gerador, é permitir que o
operador controle as grandezas:
kV – kilovoltagem;
mA – miliamperagem; e
s - tempo de exposição.
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Noções Básicas sobre Raios X
Transformador de Alta Tensão
O transformador de alta tensão é o dispositivo que
transforma a baixa tensão (por exemplo 220 volts) em alta
tensão (por exemplo 100000 volts – 100kV), necessária
para acelerar os elétrons no interior do tubo de raios-X.
TENSÃO APLICADA CORRENTE NO TUBO
Sistemas monofásicos - Retificação de onda completa.
Nestas máquinas a tensão aplicada ao tubo varia desde zero
até um valor máximo. Os raios-X assim produzidos tem menor
poder de penetração.
Tensão DC
Aparelho Trifásico
R
S
T
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Tensão trifásica
Corrente
retificada
6 PULSOS
Nas máquinas trifásicas a tensão aplicada ao tubo varia
muito pouco enquanto nas monofásicas a tensão varia
desde zero até um valor máximo, isto é, 100%.
A esta variação dá-se o nome de Ripple.
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Noções Básicas sobre Raios X
Partes principais de uma máquina de raios-X
REDE
BANCO
DE
COMANDO
AJUSTE DA
TENSÃO,
CORRENTE E
TEMPO
TRANSFORMADOR
DE
ALTA TENSÃO
E
RETIFICADOR
TUBO
RAIOS-X
As máquinas de Raios-X podem operar a diversas tensões e a
diversas correntes no tubo. De um modo geral, temos as seguintes
características:
• Diagnóstico: de 40 à 150 KVP e correntes de 25 à 1200 mA.
• Terapia: de 60 à 250 KVP e correntes de aproximadamente 8 Ma
• Raio-X dentário: de 50 à 90 KVP e correntes de até 10 mA.
• Raio-X industrial: de 50 à 300 KV P e correntes de até 10 mA
Transformador
Um transformador tem dois circuitos, basicamente
de duas bobinas (enrolamento de fios) com número
de espiras diferentes. O primeiro é o circuito de
entrada, que recebe energia elétrica e, por isso é
chamado de circuito primário.
V 1N 1
V 2N 2
Representação de
um transformador
O segundo, é o circuito de saída,
chamado circuito secundário.
Os elétrons não mudam de
circuito. A energia é transformada
do circuito primário para o
secundário por meio de um
campo magnético.
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N° DE FÓTONS
Noções Básicas sobre Raios X
Forma de Onda
POTENCIAL CONSTANTE
ONDA COMPLETA
(2 PULSAÇÕES
ENERGIA DOS FÓTONS
b) Tensão Aplicada
A Forma da onda aplicada
ao tubo influenciará o espectro
emitido, pois aí está implícito
quanto tempo é aplicada uma
determinada tensão. A figura
ilustra os espectros emitidos por
um tubo no qual é aplicado um
potencial constante e outro
com potencial variável provido
de retificação de onda completa
(2 pulsações).
Na produção de raios X, os elétrons que alimentam
o tubo de raios X de energia, devem ter energia
individual no mínimo igual à energia dos fótons de
raios X. A energia dos fótons (em kiloelétronvolts ou
keV) é sempre limitada pela energia do elétron da
maior energia, ou à tensão ( em kilovolts ou kV).
A tensão aplicada, estabelece a energia que o elétron
terá ao alcançar o anodo, e, portanto, nenhum fóton
de raios X poderá ter mais energia que o elétron que
o gerou.
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N° DE FÓTONS
SÉRIE DA CAMADA L
Noções Básicas sobre Raios X
Tensão Aplicada - Espectro
80 kVp
70 kVp
60 kVp
SÉRIES DA CAMADA K
ENERGIA DOS FÓTONS (KeV)
Tensão Aplicada
Observe que para a
tensão de 60 KeV, as linhas
de espectro característico
da série K, não aparecem,
porque para remover um
elétron da órbita K (1 a
órbita), é necessário um
potencial de no mínimo 70
KeV.
Aumento da
Tensão aplicada
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Noções Básicas sobre Raios X
Corrente do Tubo
O catodo é aquecido devido à passagem de uma
corrente proveniente de um fonte de baixa tensão.
A saída desta fonte é controlada por um setor de mA.
Aumentando-se o seletor de mA, mais corrente
elétrica passa através do catodo ( o filamento)
gerando calor e aumentando sua temperatura.
Com o aumento da temperatura, aumenta-se a
emissão termoiônica no catodo (ou ejeção de
elétrons). Com o aumento da corrente elétrica no
filamento do catodo, aumenta-se o fluxo de
elétrons que sai do filamento (catodo) e incide
sobre o anodo e, portanto, mais raios X são
gerados.
Tempo de Exposição
Em radiografias, a exposição é iniciada pelo operador
do equipamento e terminada depois que se esgota o
tempo selecionado previamente
Em fluoroscopia, a exposição é iniciada e terminada
pelo operador, mas há um indicador do tempo de
exposição acumulado que emite um sinal sonoro
após 5 minutos de exposição.
Os temporizadores e botões de controle ajustados
pelo operador ativam e desativam a geração de
raios X acionando dispositivos de chaveamento que
pertencem, ao circuito primário do gerador.
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Noções Básicas sobre Raios X
Tempo – Ajuste manual
Nos temporizadores manuais, o ajuste do tempo de
exposição deve ser feito pelo operador antes de
iniciar o procedimento.
A seleção adequada dos ajustes do tempo de
exposição no equipamento dependerá do conhecimento
pessoal ou da consulta a uma Tabela de
Exposição que correlaciona a espessura do paciente
com o kV, o mA e o tempo.
O mAs (Miliampere-Segundo)
Freqüentemente, as unidades mA e mAs são
confundidas ou tomadas como termos sinônimos.
Não são. Cada uma dessas unidades refere-se a
uma grandeza diferente.
A unidade mA refere-se à grandeza física corrente elétrica (i). A
corrente elétrica é definida como a quantidade de carga elétrica
Q, dada em Coulomb (C), que passa por um meio qualquer,
dividido pelo intervalo de tempo em que ocorre esta passagem,
em segundo (s).
A corrente elétrica i é medida na unidade do SI denominada
Ampère (A) dado pela relação: i [C/s] = ∆Q [C] /∆t[s].
Fisicamente, Q[mAs] representa o número
total de elétrons que atingem o anodo.
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Noções Básicas sobre Raios X
Controle Automático de Exposição (AEC)
Dentre os modelos de equipamentos mais modernos
de radiodiagnóstico, alguns possuem um dispositivo
eletrônico que controla o nível de exposição no
receptor, que tem a função de suspender a geração
de raios X quando o receptor de imagens (conjunto
tela-filme) recebe uma determinada quantidade de
exposição pré-determinada considerada ideal para
um determinado exame.
TELA
FLUORESCENTE
AEC
FOTOMULTIPLICADORA
CÂMARA DE
IONIZAÇÃO
Filme
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Noções Básicas sobre Raios X
Filtração do Feixe de RX
Os fótons com energia abaixo de 20 KeV não interessam
ao Radiodiagnóstico, pois têm capacidade de
penetração muito baixa, não contribuem com
informações sobre o paciente e só aumentam a dose
do paciente.
Por isso há a necessidade de filtragem desses raios X
que não contribuem para a formação da imagem.
Abaixo de 20 KeV, somente 45% dos fótons do feixe conseguem atingir a
profundidade de 10 mm de músculo contra apenas insignificantes 0,00063%
destes atingem a profundidade de 150 mm.
Em contrapartida, 3,5% dos fótons que têm energia de 50kV atingem estes
mesmos 150 mm. O próprio corpo atua, então, como um filtro retirando do
feixe os fótons de baixa energia.
Filtração adicional
Para diminuir a dose do paciente, uma solução óbvia
é interpor algum material entre o feixe de raios X
primário e o paciente que sirva de filtro e remova do
feixe de fótons os de baixa energia.
O material geralmente utilizado para este propósito
em Radiodiagnóstico é o alumínio.
Toda máquina de raios X tem uma “flitragem
equivalente de alumínio”. Diz-se equivalente porque
outros componentes do equipamento também filtram
parte dos fótons de baixa energia tais como, a janela
do tubo de vidro e o colimador do feixe. A quantidade
de filtração total é expressa, portanto, em valores de
espessura equivalente de alumínio.
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Noções Básicas sobre Raios X
Penetração dos Fótons e alteração
do Espectro do RX
Penetração dos fótons
no tecido mole
A forma do espectro de raios X é significativamente alterada por
alterações na filtragem. Como o filtro absorve preferencialmente
fótons de baixa energia, produz-se, como conseqüência, uma
elevação na energia efetiva de raios X.
Camada semi-redutora CSR
Aumentando-se a filtração, aumenta-se a penetração do feixe
de raios X assim como também a espessura da camada semiredutora
necessária para atenuá-la, devido à remoção dos
fótons de baixa energia.
Os valores de CSR são usados para avaliar a adequação dos
filtros adicionados.
As normas que especificam os requisitos de filtragem
geralmente estabelecem um valor mínimo aceitável.
São considerados seguros os equipamentos que
tive-rem filtros de espessuras superiores aos valores
de CSR em função do kV p , mostrados na tabela.
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Noções Básicas sobre Raios X
Conceito de CSR
CSR
A atenuação é a redução da intensidade de um feixe de raios X
à medida que ele atravessa a matéria. A atenuação se deve aos
fenômenos de absorção e de espalhamento dos fótons do feixe
incidente. A equação fundamental da atenuação de um feixe
monocromático é: N x = N 0 . e -µx
Valores da CSR
A camada semi-redutora semi redutora é a espessura de um material
capaz de reduzir a metade a intensidade da radiação
incidente. incidente
kVp
30
50
70
90
110
CRS (mm Al)
0,3
1,2
1,5
2,5
3,0
Valores da Camada Semi-Redutora para o Alumínio
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I = I 0e -µx
CSR ou HVL
X 1/2 = 0,693/µ
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Noções Básicas sobre Raios X
Referências
1 –Curso do CBR –“Formação de Imagens Radiográficas”
Ed. CBR SP - 2000
2 – Frank Attix – “Introduction to Radiological Physics and
Radiation Dosimetry” – Ed. J.Wiley USA 1986
3 – Thomaz Bitelli – “Dosimetria e Higiene das Radiações”
– Ed. Gremio Politécnico SP -1982
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