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Erweiterung des Definitionsbereiches der Praktischen Spitzenspannung

15.01.2007

Im Allgemeinen wird die Strahlungsqualität von Röntgenstrahlung durch Angabe von einer oder mehreren der nachstehenden Größen charakterisiert: die Röntgenröhrenspannung, die Gesamtfilterung und die erste sowie die zweite Halbwertschichtdicke. In der Regel hat die Röhrenspannung einen zeitlich nicht konstanten Verlauf. Dies macht es schwierig, sie mit einem einzigen Wert zu kennzeichnen. Zur eindeutigen Kennzeichnung der Röhrenspannung für den in der medizinischen Röntgendiagnostik angewendeten Röhrenspannungsbereich (20 ~ 150 kV) wurde die so genannte Praktische Spitzenspannung entwickelt [1,2] und in die Praxis eingeführt [3]. Die Praktische Spitzenspannung ergibt sich als eine gewichtete Mittelwertbildung der im Messzeitraum auftretenden Röhrenspannungen. Die Wichtung erfolgt in der Weise, dass beliebige, unterschiedliche zeitliche Verläufe der Hochspannung gerade dann denselben Wert der Praktischen Spitzenspannung ergeben, wenn mit ihnen bei einer gedachten Röntgenaufnahme derselbe Kleinkontrast erzielt würde. Nachdem sich die Nützlichkeit der neu entwickelten Messgröße in der Praxis erwiesen hat, stellte sich die Frage nach einer Erweiterung ihres Definitionsbereichs für Röhrenspannungen bis zu 300 kV.

Die bisherige Definition der Praktischen Spitzenspannung basierte auf dem von 1 mm Al auf einem 10 cm dicken Plexiglasphantom hervorgerufenen Kontrast. Die Gesamtfilterung beträgt dabei 2,5 mm Al. Diese Parameter eignen sich nicht für eine Erweiterung zu Röhrenspannungswerten bis 300 kV. Zum einen ist der Kontrast für Röhrenspannungen oberhalb von 150 kV kaum noch röhrenspannungsabhängig, und zum anderen ist die Filterung von nur 2,5 mm Al bei 300 kV weit unterhalb aller üblicherweise verwendeten Filterungen. Die erste Aufgabe bestand also darin, eine neue, für den vorgesehenen Röhrenspannungsbereich geeignete Wahl der Filterung und der Kontrastgeometrie zu treffen. Als Kontrastbedingung wurde das Verhältnis der Luftkermaleistung hinter zwei unterschiedlich dicken Filtern, z.B. 0,5 mm und 0,55 mm Cu untersucht. Die Luftkermaleistung hinter dem Filter mit der kleineren Dicke ist größer als die hinter dem Filter mit der größeren Dicke und zwar für alle Röhrenspannungen. Das Verhältnis der Luftkermaleistungen nimmt mit steigender Röhrenspannung streng monoton ab. D.h. durch Bestimmung des Verhältnisses der Luftkermaleistungen in einem Strahlungsfeld mit beliebigem Verlauf der Röhrenspannung lässt sich diesem Spannungsverlauf eindeutig eine kontrast-äquivalente Gleichspannung zuordnen.

Das Interessante ist nun, dass sich mit ein wenig Mathematik zeigen lässt, dass die kontrast-äquivalente Gleichspannung sich auch aus einer geeigneten Wichtung der auftretenden Hochspannungswerte direkt aus einer elektrischen Spannungsmessung ermitteln lässt. Damit lässt sich die Häufigkeitsverteilung der auftretenden Röhrenspannungswerte in eindeutiger Form auf die Durchdringungsfähigkeit der Strahlung abbilden. Dies wiederum ermöglicht es, auf die schwierig durchzuführenden Messungen des Luftkermakontrastes zu verzichten und statt dessen eine direkte elektrische Messung der Röhrenspannung vorzunehmen.

Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit des Wichtungsfaktors von der Röhrenspannung. Für Spannungswerte unterhalb von etwa 80 kV fällt eine extrem starke Spannungsabhängigkeit auf. Sie bedeutet, dass Röhrenspannungen unterhalb von etwa 50 kV nur noch mit einem völlig vernachlässigbar geringem Gewicht zur Mittelwertbildung beitragen. Dies ist eine Folge der gewählten Gesamtfilterung von 3 mm Cu, eine Filterung, die für eine Röhrenspannung von 300 kV eher als gering zu bezeichnen ist, die aber für eine 50 kV-Strahlung praktisch undurchdringbar ist. Die getroffene Wahl ist das Ergebnis einer Kompromisssuche zwischen möglichst starker Filterung zur Steigerung der Genauigkeit bei hohen Spannungswerten und möglichst schwacher Filterung zur Ausdehnung des Messbereichs zu kleinen Spannungswerten.

Abb.: Verlauf der Wichtungsfunktion zur Bestimmung der Praktischen Spitzenspannung bis 300 kV.

Für den Röhrenspannungsbereich bis einschließlich 150 kV gibt es somit neben der früher ermittelten [1,2] eine zweite Wichtungsfunktion, die sich zudem ganz erheblich von der ersten unterscheidet. Diese unschöne Situation lässt sich allerdings durch einen kleinen Kunstgriff entschärfen: durch Kombination der beiden Wichtungsfunktionen zu einer einzigen. Im Röhrenspannungsbereich bis einschließlich 150 kV besteht sie unverändert aus der bisherigen und im Bereich darüber aus der neu ermittelten Wichtungsfunktion. Die Stetigkeit des Übergangs bei 150 kV wird durch Multiplikation der neu ermittelten Wichtungsfunktion mit einem entsprechend bestimmten Faktor erzielt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass der gesamte Röhrenspannungsbereich von 20 bis 300 kV unter Beibehaltung der bisherigen Wichtungsfunktion abgedeckt ist. Ein Nachteil besteht darin, dass eine experimentelle Überprüfung der Kontrastäquivalenz auf Grund der sprunghaften Änderung der Filterung und der Kontrastbedingung bei 150 kV zumindest nur noch schwer möglich ist. Dieser Nachteil ist allerdings eher grundsätzlicher Art. Ein zentraler Vorteil der Praktischen Spitzenspannung besteht ja gerade darin, dass sie sich durch eine Messung der elektrischen Spannung bestimmen lässt, ohne auf Kontrastmessungen zurückgreifen zu müssen.

Literatur

  1. Kramer, H.-M.; Selbach, H.-J.; Iles, W. J.:
    The practical peak voltage of diagnostic X ray generators.
    In: Brit. J. Radiol., (1998), S 200-209
  2. Yue, Baorong.; Kramer, H.-M.; Selbach, H.-J.; Lange, B.:
    Experimental determination of practical peak voltage.
    In: British Journal of Radiology (2000), Vol. 73, S. 641-649
  3. International Electrotechnical Commission:
    Medical electrical equipment - Dosimetric instruments used for non-invasive measurement of X-ray tube voltage in diagnostic radiology,
    IEC 61676, Genf, 2002