Hệ thống X quang số

ông nghệ thông tin trong y học làm giảm đáng kể thời gian lưu trữ, tìm kiếm tài liệu và tăng nhanh khả năng hội choẩn cho các bác sĩ. Cùng với sự ra đời của các chuẩn HL7 ( Health Level 7) - một tiêu chuẩn để mã hoá bản tin về các thông số của bệnh nhân để tiện lợi cho việc truyền trên hệ thống thông tin và chuẩn DICOM (Digital Image and Communication in Medicine) - tiêu chuẩn về hình ảnh cho các thiết bị tạo ảnh y tế, hay một hệ thống lưu trữ và truyền ảnh PACS (Picture Achieving Communication System) rất thuận tiện cho các bác sĩ trong việc quản lý bệnh án, đào tạo từ xa, và kết nối một hệ thống liên bệnh viện. Thiết bị tạo ảnh đầu tiên trên thế giới là một máy X quang do nhà bác học người Đức Wilhelm Conrad Roentgen phát minh, ý tưởng thiết kế và cấu tạo của nó ngày nay vẫn được các nhà chế tạo sử dụng. Song song với việc sử dụng máy tạo ảnh X quang truyền thống là dùng phim X quang để lưu trữ ảnh, các nhà chế tạo đã áp dụng công nghệ bán dẫn trong việc tạo ra máy X quang số - là hệ thống máy X quang về cơ bản có cấu tạo như máy X quang thường quy (convention radiography) nhưng ảnh của nó được lưu trữ dưới dạng số thuận tiện cho quá trình phóng to, thu nhỏ và truyền ảnh trên hệ thống thông tin. Máy X quang số là một sự kết hợp giữa công nghệ tạo ảnh truyền thống và công nghệ thông tin trong bệnh viện ngày nay. Hiện nay do kinh phí để mua một hệ thống X quang số là rất lớn, bên cạnh đó số lượng máy X quang thường quy trong bệnh viện còn khá nhiều nên nhu cầu để chuyển từ một máy X quang thường quy thành một máy X quang số để có thể kết hợp với mạng HIS là rất lớn. Trong bản luận văn này em xin trình bày chi tiết về một hệ thống X quang số, từ đó nêu ra giải pháp để chuyển từ máy X quang thường quy thành một máy X quang số phụ vụ trong công tác chẩn đoán và liên kết thông tin trong bệnh viện. Chương 1 Lịch sử phát triển Trong những năm 1870 và 1880 có rất nhiều nhà vật lý ứng dụng hoạt động của một ống tia âm cực gọi là ống Crooks trong thí nghiệm của họ. Hình 1.1 Loại ống này là dạng nguyên thuỷ đầu tiên của đèn huỳnh quan và đèn neon. Mặc dù ống Crook là một loại ống tạo ra tia X nhưng tại thời điếm đó không ai phát hiện ra sự có mặt của tia X. Hình 1.1 Nguyên bản của ống Crooks Vào ngày 8 tháng 11 năm 1895, Wilhelm Conrad Roentgen, một nhà vật lý người Đức cũng ứng dụng việc sử dụng ống Crook trong các thí nghiệm của ông ở trường Đại Học Wurzburg. Trong phòng thí nghiệm tối của mình, ông bọc xung quanh ống Crook một loại giấy ảnh đen để ngăn không cho các tia phát ra ngoài. Khi thực hiện thí nghiệm, một đĩa kim loại đặt ngang qua ống được bao phủ bới tinh thể hợp kim Bari - một chất huỳnh quang bắt đầu phát sáng. Roentgen rất chú ý đến đặc điểm này và đặc biện ông để ý đến mối quan hệ giữa độ phát sáng của đĩa so với khoảng cách của ống, đĩa phát sáng hơn khi được di chuyển lại gần nguồn phát tia. Roentgen lần lượt đặt các chất khác nhau như gỗ, nhôm và thậm chí là cả bàn tay của ông giữa ống và đĩa kim loại, cẩn thận quan sát sự ảnh hưởng tại bền mặt đĩa. Roentgen mất thêm một vài tuần sau đó để tìm hiểu về một dạng năng lượng từ một loại tia lạ mà ông phát hiện ra, ông gọi đó là "tia x", x là biểu tượng chưa biết. Cuối năm 1895, Roentgen gần như đã khám phá ra hầu hết tính chất của tia X có bản chất gần giống như ngày hôm nay. Ông đã được nhận giải Nobel về vật lý vào năm 1901nhờ khám phá này. Trong các thí nghiệm đầu tiên với tia X. Roentgen đã tạo ra một bức ảnh giải phẫu về bàn tay của vợ ông nhờ tia X. ứng dụng của tia X trong y học đầu tiên ở Mỹ là một cuộc thử nghiệm tại trường cao đẳng Dartmouth vào tháng 2 năm 1896 khi tạo ảnh một cánh tay bị gãy xương của một sinh viên. Máy X quang cổ phải mất 30 phút để tạo ra một bức ảnh có thể quan sát được. Theo thời gian có rất nhiều cải tiến đã được ứng dụng vào trong máy X quang nhằm giảm thời gian phát tia và thời gian tạo ảnh. Khó khăn ban đầu của máy X quang là nguồn điện tại thời điểm đó không đủ công suất để có có thể tạo ảnh và rất khó để có thể điều chỉnh. Nhờ ứng dụng biến thế tự ngẫu H. C. Snook với máy phát dòng xoay chiều nên việc điều chỉnh dòng điện được dễ dàng hơn, với thiết kế "Cathode nóng" của William Coolidge kết hợp với phát minh của Snook đã cải thiện đáng kể nguồn điện cấp cho máy. ống Coolidge được giới thiệu vào năm 1910, là một dạng ống điển hình mà còn được ứng dụng cho các thiết kế của ống tia X ngày nay. Roentgen sử dụng một đĩa thuỷ tinh được bao phủ bởi chất nhũ tương như trong phim ảnh để tạo ra phim ảnh X quang. Cách này ngày nay vẫn được sử dụng trên thế giới, Pupin sử dụng màn hình phát quang để hiện ảnh X quang - gọi là X quang tăng sáng truyền hình sử dụng để tạo ra một ảnh X quang chuyển động. Năm 1898, Thomas Edison phải thử nghiệm với 1800 chất để tìm ra đặc tính phát quang của chúng. Ông là người phát minh ra ống huỳnh quang và khám phá ra rất nhiều các chất phát quang được sử dụng trong ngành X quang ngày nay. Edison đã phải từ bỏ các nghiên cứu của ông khi người trợ lý của ông Clarence Dally gần như bị bỏng hết bàn tay do phải hứng nhiều tia X. Tay của Dally đã phải bị cắt bỏ và ông mất vào năm 1904. Đây là cái chết đầu tiên được ghi nhận bới tia X tại Mỹ. Cho đến tận chiến chiến tranh thế giới thứ nhất, đĩa tạo ảnh bằng thuỷ tinh vẫn được sử dụng để tạo ảnh tia X. Trong suốt thời kì chiến tranh các nhà sản xuất đĩa tạo ảnh không thể có được nguồn cung cấp thuỷ tinh chất lượng cao từ Bỉ, và chính phủ Mỹ đã phải nhờ đến George Eastman, người sáng lập ra công ty Kodak Eastman. Eastman đã phát minh ra phim ảnh sử dụng Nitrate Cenllulose, một loại chất plastic mới thay thế cho thuỷ tinh. Bức ảnh đầu tiên ứng dụng phát minh này ra đời năm 1941. Những năm đầu thế kỉ 20, sự phát xạ gây ra những ảnh hưởng trên da người như bỏng da, rụng tóc và sự thiếu máu ở cả bác sĩ và bệnh nhân. Sự đo đạc liều phóng xạ và kiểm soát liều chiếu vẫn luôn được duy trì nhằm đánh giá thương tốn mà tia X gây ra vẫn được tiếp tục ngày nay. Việc mặc quần áo bằng chì và sử dụng hàng rào bảo vệ để giảm liều chiếu đối với người vận hành máy phải luôn được kiểm tra. Ngày nay, nhờ cải tiến công nghệ và các cảnh báo an toàn, các lần phát tia X dần trở nên an toàn hơn với bệnh nhân. Hình 1.2 Wilhelm Conrad Roentgen Chương 2 Cơ sở lý thuyết 2.1 Nguyên lý Công nghệ chẩn đoán quang tuyến là công nghệ tạo ảnh nhờ ứng dụng tia X, một nguồn năng lượng bức xạ từ bóng X quang Chùm tia X khi xuyên qua một vật thể (ví dụ cơ thể người bệnh) sẽ bị suy giảm, sau đó tác động vào một vật hiện hình, từ đó tạo ra một hình ảnh tổng thể của toàn bộ thể tích được tia X chiếu qua. Sự suy giảm này không đồng đều mà khác nhau, phụ thuộc vào khả năng hấp thụ tia X của vật chất và được đánh giá bởi công thức (Lamber-Beer): I = I0e-àps Trong đó: I0 là năng lượng chùm tia tới I là năng lượng chùm tia sau khi đi qua đối tượng (chùm tia ló) s là chiều dày của đối tượng à là hệ số suy giảm khối lượng. Hệ số à biểu thị cấu trúc vật chất của các đối tượng và phụ thuộc vào năng lượng bức xạ Chùm tia X đã được biến đổi sau khi đi xuyên qua vật thể sẽ tác động vào một vật hiện hình, từ đó tạo ra một hình ảnh tổng thành của toàn bộ thể tích được tia X chiếu qua Vật hiện hình có thể là phim, màn hình quang bóng tăng sáng Chùm tia X quang Chùm tia X quang ống tia X quang Bệnh nhân Phim Hình 2.1 Mô phỏng chụp X quang bàn tay Hình 2.2 Mô phỏng chiếu ảnh X quang lồng ngực 2.2 Cấu trúc của máy X quang Hình 2.3 Một hệ thống thiết bị của máy X quang Máy X quang là một hệ thống thiết bị. Trong đó bao gồm thiết bị tạo tia X và các thiết bị khác như thiết bị mang ảnh, khối cao thế, thiết bị định dạng chùm tia X và định vị bệnh nhân, thiết bị tạo ảnh, thiết bị rửa phim, hệ thống máy tính liên mạng và bộ cảm biến điện tử đối với hệ thống X quang số. Dù đơn giản hay phức tạp một hệ thống thiết bị X quang thường gồm các khối sau: Hình 2. 4 Sơ đồ khối hệ thống máy X quang Chụp/chiếu (R/F) Thiết bị tạo tia X gồm bóng X quang và khối tạo điện áp cao thế cỡ 30-150 kV cung cấp cho bóng. Khối điều khiển có nhiệm vụ quản lý toàn bộ hoạt động của hệ thống như: thay đổi chức năng chụp/chiếu, đặt liều lượng tia X phù hợp với từng đối tượng - điều khiển kV, mA và thời gian chụp/chiếu (s) cũng như kiểm soát an toàn. Khối các thiết bị khác để định vị bệnh nhân và chùm tia X gồm có bàn bệnh nhân, cột/giá treo bóng, bộ chuẩn trực… Thiết bị mang ảnh phổ biến là phim. Với máy X quang tăng sáng truyền hình có bóng tăng sáng. Với hệ thống X quang số (DR), do không sử dụng cassette mà sử dụng một panel cảm biến thu lại cường độ của tia X khi đi qua cơ thể bệnh nhân, sau đó biến đổi cường độ này thành các mức điện áp, nhờ sử dụng một phần mềm tạo ảnh và kết hợp với các thuật toán tạo ảnh. ảnh X quang về bộ phận cơ thể cần tạo sẽ được hiển thị trực tiếp nên màn hình để các bác sĩ có thể xem ngay khi chụp mà không phải mất một khoảng thời gian chờ rửa phim. Ưu việt của hệ thống X quang số là khả năng tạo ảnh nhanh, ảnh có thể dễ dàng phóng to, thu nhỏ, hiệu chỉnh độ sáng tối để giúp cho việc chẩn đoán dễ dàng hơn. Một hệ thống máy tính xử lý sau đó có nhiệm vụ lưu ảnh, truyền ảnh trên mạng hệ thống thông tin bệnh viện (HIS) giúp cho các bác sĩ dễ dàng trao đổi kinh nghiệm và chẩn đoán từ xa. Hình 2. 5 Một hệ thống X quang số điển hình của hãng Anexa Hình 2. 6 Sơ đồ mạch điện điển hình máy X quang thông thường 2.3 Đặc trưng kĩ thuật của máy X quang Công suất phát xạ lớn (dòng cao thế có thể đạt tới 1000mA với điện áp cao thế tương ứng khoảng 150 KV) . Thời gian phát xạ ngắn tới 1ms. Liều lượng tia xạ qua bệnh nhân giảm. Hình ảnh rõ ràng. Có thể chụp cắt lớp theo mặt phẳng hoặc không gian tạo ra những hình ảnh có chiều sâu và chi tiết tới cỡ vài mm2. Cho phép nhiều người cùng quan sát hình ảnh thông qua hệ thống truyền hình. Có thể lập chương trình xét nghiệm theo bệnh lý, thể trạng người bệnh... ghi vào bộ nhớ, có thể nhanh chóng gọi các chương trình này ra nhờ ứng dụng hệ thống máy tính. Hình ảnh không chỉ được in trên phim mà còn có thể được lưu trữ trên đĩa từ hoặc quang với số lượng rất lớn tới hàng vạn dữ liệu về người bệnh bao gồm cả hình ảnh và các số liệu liên quan. Công suất tiêu hao tổng thể thấp. Đảm bảo an toàn cho bệnh nhân, người sử dụng và môi trường xung quanh. Thiết bị ngày càng gọn, nhẹ, cơ động, hình thức trang nhã... 2.4 Ưu, nhược điểm của máy X quang Ưu điểm Nhược điểm Được phổ cập và ứng dụng rộng rãi nhất so với các loại thiết bị chẩn đoán hình ảnh khác. Có thể dùng để chẩn đoán toàn thân với các góc độ và vị trí khác nhau của người bệnh. Có thể lắp đặt cố định hoặc di động. Có thể vừa chiếu vừa chụp hỗ trợ cho các thủ thuật can thiệp như nong mạch vành, nắn bó xương, tháo lồng ruột… Chi phí đầu tư và vận hành thấp Khả năng kết nối mạng, truyền ảnh, xử lý ảnh đối với hệ thống X quang số Tia X là bức xạ ion hóa ảnh hưởng có hại đối với người bệnh và môi trường. Có sự chồng chất các chi tiết trên màn hình. Độ phân giải thấp đối với các mô mềm. Khó quan sát và đánh giá hình ảnh các đối tượng nằm sâu bên trong. Chất lượng hình ảnh phụ thuộc vào giấy tăng sáng và hệ thống tráng rửa phim. 2.5 Một số loại máy X quang chuyên dụng Máy X quang chiếu/chụp cao tần số hoá. Máy X quang chụp mạch quang tuyến. Máy X quang chụp nhũ ảnh X-quang nhi khoa X-quang nha khoa 2.5.1 Máy X quang chiếu/chụp cao tần số hoá. Nguyên lý: Chùm tia X mang các thông tin về người bệnh, thay vì tác động trực tiếp lên phim để tạo ảnh X quang, sẽ được biến đổi thành tín hiệu điện dạng tương tự (Analog). Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu dạng số (Digital) nhờ bộ chuyển đổi ADC và được xử lý để có thể hiển thị trên màn hình, cất giữ trong các bộ nhớ hoặc in ra phim. Các số liệu về hình ảnh quang tuyến được lưu trữ tại bộ nhớ của hệ thống máy tính. Sau đó sẽ được kiểm tra lại tất cả các hình ảnh và chỉ đưa lên phim những hình ảnh được xem là quan trọng nhất. Hình 2. 7 Máy X quang di động chiếu chụp tăng sáng - truyền hình 2.5.2 Máy X quang chụp mạch quang tuyến Nguyên lý: Thiết bị chụp mạch quang tuyến là một dạng đặc biệt của thiết bị X quang tăng sáng-truyền hình số hoá dùng để chẩn đoán mạch máu. Hệ thống thiết bị này thường bao gồm một hoặc hai cụm thiết bị tương ứng với loại máy chụp mạch một hoặc hai bình diện. Mỗi cụm thiết bị gồm có bóng X quang và bóng tăng sáng-camera được gắn tại hai đầu của một cánh tay hình chữ C. Cụm/các cụm thiết bị này chuyển động xoay quanh và dọc theo thân người bệnh để có thể thu được hình ảnh của các mạch máu đã được bơm đầy chất cản quang. Mọi hoạt động từ việc định vị cánh tay C, bơm thuốc cản quang, di chuyển cánh tay C “đuổi theo” vết thuốc cản quang, thu nhận/ xử lý/ lưu trữ/ và hiển thị tín hiệu ảnh trên màn hình đều được tự động hoá Hình 2. 8 Chụp mạch quang tuyến - hệ thống chụp mạch 1 bình diện Hình 2. 9 Chụp mạch quang tuyến - hệ thống chụp mạch 2 bình diện Chụp mạch xoá nền (DSA –Digital Substraction Angiography) Chụp X quang số mạch máu là một kỹ thuật tạo ảnh các mạch máu được tách ra khỏi các cấu trúc phủ bên trên. Để thực hiện được điều này, người ta cần hai ảnh của cùng một vùng, khác nhau về thời gian. ảnh đầu tiên được chụp trước khi đưa chất tương phản vào mạch máu, ảnh này (còn gọi là mặt nạ) bao gồm tất cả các cấu trúc giải phẫu thông thường được bộc lộ trong một ảnh X quang. ảnh thứ hai được chụp sau khi chất tương phản được đưa vào mạch máu cần quan sát. Nếu như người ta sử dụng chất tương phản loãng, các mạch máu sẽ có độ tương phản rất thấp so với các cấu trúc xung quanh, đặc biệt là xương. Nếu lấy ảnh thứ hai này trừ đi ảnh thứ nhất trong các điều kiện lý tưởng, người ta sẽ thu được ảnh của các mạch máu chứa chất tương phản. Độ phân giải: Hiển thị được mạch máu có đường kính nhỏ tới cỡ 0,1 mm. Hình 2. 10 Nguyên lý cơ bản của quá trình chụp X quang số mạch máu Hình 2. 11 Sơ đồ khối máy X quang chụp mạch xoá nền Một ứng dụng quan trọng của kỹ thuật chụp mạch số hoá là chụp mạch can thiệp: đồng thời với việc hiển thị tức thời mạch máu, tiến hành xử lý nong mạch đối với mạch vành hay mạch ngoại vi, hay đóng mạch đối với mạch dẫn máu vào khối u... 2.5.3 Máy X quang chụp nhũ ảnh Là loại X quang chuyên dụng dùng để xác định ung thư vú, tế bào bị vôi hoá ở vú, đối tượng chụp là mô mềm Sử dụng mức điện áp thấp (thường là 30 kVp), năng lượng photon tạo ra: 15-20 keV với anode molybden 21-25 keV với anode tungsten Độ dày của đối tượng chụp ảnh hưởng nhiều đến chất lượng ảnh Hình 2. 12 Máy X quang chụp vú (Mammography) 2.5.4 Máy X quang nhi khoa Đối tượng chụp là trẻ em nên yêu cầu an toàn cao hơn so với người lớn Phải thay đổ các tham số hệ thống để phù hợp với một số yêu cầu: Khả năng hấp thụ của đối tượng chụp yếu hơn Kích thước cơ thể nhỏ hơn Bệnh nhân nhi hay cử động trong quá trình chụp Các yêu cầu cho nhi khoa Thời gian chụp phải ngắn Tăng cường bộ lọc Dùng vật liệu suy giảm thấp Trường chiếu và bộ chuẩn trực thích hơp Giữ cố định bệnh nhân thật tốt Lưới lọc phù hợp, không dùng lưới di động vì rất ít tia tán xạ 2.5.5 Máy X quang X-quang nha khoa Là loại máy X quang chuyên dùng để chụp răng do đối tượng chụp có kích thước rất nhỏ, lại nằm ở khu vực khó sắp xếp Chụp răng theo 2 phương pháp: Chụp bên trong miệng Chụp toàn cảnh Kỹ thuật thường sử dụng Chụp hoặc chiếu dùng phim-màn truyền thống Chụp bằng kỹ thuật số Hình 2. 13 Máy X quang răng 2.6 Các tính chất vật lý cơ bàn của tia X 2.6.1 Bức xạ tia X Tia X là một bức xạ điện từ, mang tính chất sóng và tính chất hạt. Tia X được sinh ra nhờ sự chuyển đổi năng lượng điện năng sang động năng, sau đó là nhiệt năng và bức xạ tia X. Nguyên lý tạo tia X: Catốt được nung nóng tới 20000 C để phát ra điện tử. Dưới tác dụng của điện áp cao giữa anốt và catốt của bóng X quang (30 – 150kVp), các điện tử này được gia tốc về phía anốt với động năng lớn, tới đập vào anốt làm phát ra tia X (1%) và nhiệt năng (99%). Mối quan hệ giữa vận tốc và động năng của điện tử theo công thức sau: Trong đó W : Động năng điện tử me: khối lượng của điện tử (9,1.10-31 kg) ve : vận tốc của điện tử Khi va vào vật cản (anốt) chùm tia điện tử sẽ đột ngột giảm tốc độ. Tại đây, chùm điện tử gia tốc tương tác với các nguyên tử của tấm đích theo một trong các khả năng sau (hình 2.14) Hình 2.14 Các loại tương tác giữa điện tử gia tốc và nguyên tử tấm đích và bức xạ tương ứng tao ra từ những tương tác này. Điện tử gia tốc số 1 có thể va chạm với nhiều điện tử khác nằm trên các quỹ đạo của hạt nhân nguyên tử tấm đích, tạo ra bức xạ kích thích. Bức xạ này chủ yếu là bức xạ nhiệt (99%). Điện tử gia tốc số 2 có thể tương tác trực tiếp với một hạt nhân nguyên tử tấm đích tạo ra bức xạ tia X có năng lượng bằng năng lượng của điện tử gia tốc. Điện tử gia tốc số 3 có thể tương tác trực tiếp với một số hạt nhân nguyên tử tấm đích tạo ra bức xạ tia X có năng lượng thấp hơn năng lượng của điện tử gia tốc theo mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào số lần tương tác. Điệnt tử gia tốc số 4 có thể đẩy một điện tử trên quỹ đạo của nguyên tử tấm đích ra khỏi quỹ đạo của nó. Tương tác này tạo ra bức xạ tia X có năng lượng đặc trưng cho vật liệu chế tạo tấm đích. 2.6.2 Phổ tia X Bức xạ tia X do các tương tác nói trên tạo ra có thể chia làm hai loại với những đặc trưng riêng gọi là bức xạ hãm (bức xạ liên tục) và bức xạ đặc trưng (bức xạ rời rạc). 2.6.2.1 Bức xạ hãm (Bremstralung - Breaking Radiation) Là bức xạ sinh ra nhiệt năng (chiếm tới hơn 99% động năng của chùm tia điện tử) và tia X có mức năng lượng biến thiên liên tục từ thấp đến cao (bức xạ liên tục). Quan hệ giữa bước sóng tia X với năng lượng của nó theo công thức: l(Å) = 12,4 / E (keV) Bức xạ tia X là bức xạ đa sắc nghĩa là phổ của nó bao gồm nhiều tần số với bước sóng trong giải từ 10pm đến 100pm (1pm=10-12 m). Hình 2.15 Biểu đồ bức xạ liên tục. Năng lượng của tia X thay đổi liên tục từ 5 keV đến 80 keV (giá trị cực đại). Số lượng photon trội hơn nằm trong dải năng lượng từ 1/3 dến 1/2 Emax 2.6.2.2 Bức xạ đặc trưng Điện tử gia tốc có thể đẩy một điện tử trên quỹ đạo của nguyên tử tấm đích ra khỏi quỹ đạo của nó. Các điện tử có mức năng lượng cao sẽ nhảy lên chiếm lại vị trí này. Sự nhảy mức năng lượng tạo ra bức xạ tia X có năng lượng đặc trưng cho vật liệu chế tạo tấm đích (bức xạ rời rạc). Năng lượng của bức xạ tia X đặc trưng là sự chênh lệch về năng lượng liên kết giữa hai quỹ đạo khi điện tử chuyển mức. Bức xạ đặc trưng chỉ sinh ra tia X có mức năng lượng rời rạc và phổ tia Xcũng là phổ rời rạc. Hình 2.16 Năng lượng liên kết giữa các quỹ đạo với hạt nhân nguyên tử tungsten. Để đẩy một điện tử ra khỏi quỹ đạo K thì điện tử gia tốc phải có năng lượng tối thiểu khoảng 70 keV, còn đối với quỹ đạo L chỉ cần 11 keV. Khi một điện tử bị bật ra khỏi quỹ đạo K và một điện tử từ quỹ đạo L nhẩy xuống chiếm chỗ thì một tia X đặc trưng sẽ được sinh ra với mức năng lượng : EL - EK = (11-69,5) keV = 58,5 keV Khi điện tử bị đẩy ra khỏi các quỹ đạo L, M, N thì điện tử ở các quỹ đạo lân cận có mức năng lượng cao hơn sẽ nhẫy xuống chiếm chỗ của chúng, tương tự hiện tượng xảy ra với quỹ đạo K, và sử chuyển đổi quỹ đạo này cũng sẽ bức xạ ra tia X. Tuy nhiên do sự chệnh lệch giữa năng lượng liên kết của các quỹ đạo này không lớn (EM - EL hoặc EN - EM .. đều < 11 keV) nên năng lượng của các tia X đặc trưng này thấp và bị hấp thụ bởi vỏ thuỷ tinh hoặc tấm lọc sơ bộ tại cửa sổ bóng X quang. Vì vậy với tungsten chỉ có tia X đặc trưng K có đủ năng lượng để tham gia tạo ảnh quang tuyến X. 2.6.2.3 Bức xạ tổng hợp Bức xạ tổng hợp là sự kết hợp giữa bức xạ liên tục và bức xạ rời rạc. Số lượng tia X-đặc trưng trong phổ bức xạ tổng hợp phụ thuộc vào trị số kV. Xét với anôt là tungsten: U Ê 70 kVp thì 100% là bức xạ liên tục. U = 80 kVp thì 10% là bức xạ đặc trưng, 90% là bức xạ liên tục. U = 150 kVp thì 28% là bức xạ đặc trưng, 72% là bức xạ liên tục. Hình 2.17 Phổ bức xạ tổng hợp Trong máy X quang thông thường (anôt là vonfram) bức xạ đặc trưng chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong bức xạ tổng hợp (vì U < 100 kVp). Trong máy X quang chụp vú (có điện áp cao thế trong khoảng từ 25 kVp đến 50 kVp, anôt là Molypden) bức xạ đặc trưng chiếm tỷ lệ cao hơn trong bức xạ tổng hợp. 2.6.3 ảnh hưởng của các tham số đến đặc điểm chùm tia X Đặc điểm của chùm tia X có thể được biểu hiện qua 2 yếu tố: chất lượng và số lượng (hình 2.17). Chất lượng là năng lượng toàn bộ của chùm tia, được biểu diễn theo keV (trục ngang) Số lượng là số phôton có trong chùm tia, biểu thị bới các mức trên trục dọc. Chất lượng và số lượng của chùm tia X chịu tác động của nhiều tham số và yếu tố như: kVp, mA, mAs, dạng sóng chỉnh lưu, tấm lọc tia, v.v... Hình 2.18 Sự thay đổi kVp ảnh hưởng đến số lượng của cả hai loại bức xạ, nhưng chỉ ảnh hưởng đến chất lượng của loại bức xạ liên tục Hình 2.19 Sự thay đổi mA, mAs chỉ ảnh hưởng đến số lượng của cả hai loại bức xạ. 2.6.4 Đặc trưng cơ bản của tia X Xuyên qua vật chất do có năng lượng cao, bước sóng cực ngắn. Khi xuyên qua vật chất, tia X bị hấp thụ không đồng đều ở các cơ quan khác nhau. Trong cơ thể xương có độ hấp thụ cao hơn cơ và các mô mềm khác, nên cần chọn đúng liều tia cần thiết cho từng loại thăm khám. Không nhìn thấy bằng mắt thường. Tia X có hại vì là bức xạ ion hoá, khi xâm nhập sẽ phá huỷ tế bào cơ thể và có thể gây ra một số bệnh nếu liều lượng tia vượt qúa mức độ cho phép, vì vậy phải hạn chế tác dụng có hại của nó xuống mức tối thiểu bằng cách sử dụng các phương tiện phòng ngừa thích hợp như áo chì, kính chì..... Một số tia X mang năng lượng thấp không mang được thông tin tới ảnh nên phải được loại bỏ bằng tấm lọc. 2.6.5 ảnh X quang 2.6.5.1 Đặc điểm của ảnh X quang ảnh X quang là ảnh tạo ra nhờ ứng dụng tia X. Nó là ảnh xếp chồng nghĩa là kêt quả của sự chồng nên nhau của hình ảnh những đối tượng nằm trên đường đi của tia X, giống như ta đặt nhiều tấm ảnh mà mỗi tấm đều có nền là tấm nhựa trong suốt chồng nên nhau Hình 2.20 Mô phỏng tạo ảnh bằng chùm tia X quang Đặc điểm của ảnh X quang: ảnh X quang có chiều sâu ảnh X quang là ảnh bị méo dạng do chùm tia X được phát theo dạng khối chóp nên những bộ phận nằm gần nguồn phát tia sẽ được phóng đại lớn hơn so với các bộ phận nằm xa hơn ảnh X quang biến dạng theo góc phát xạ, khi trục của đối tượng vuông góc với trục của chùm tia thì ảnh ít méo dạng nhất. Khi chiếu, ảnh X quang di chuyển theo hướng ngược chiều với hướng di chuyển của tiêu điểm phát xạ có nghĩa là ngược với chiều di chuyển của bóng X quang. 2.6.5.2 Chất lượng của ảnh X quang Chất lượng ảnh X quang được quyết định bởi những yếu tố sau đây: Độ tương phản mầu sắc (sau đây sẽ gọi vắn tắt là độ đối quang):Là sự biểu hiện trên màn hình (phim, màn huỳnh quang...) của sự suy giảm năng lượng của chùm tia X khi đâm xuyên qua các bộ phận khác nhau (biểu hiện bằng các mức độ đen trắng). Vùng tối trên ảnh có mật độ quang cao, tương ứng mật độ tia X xâm nhập cao. Vùng sáng trên ảnh có mật độ quang thấp do mật độ tia X xâm nhập thấp. Để có độ tương phản thích hợp nhất với từng đối tượng khác nhau cần phải thay đổi năng lượng bức xạ của chùm tia X bằng cách lựa chọn các tham số kVp, mA và thời gian s phù hợp. Độ phân giải là một chỉ tiêu định lượng đánh giá chất lượng ảnh, đó là số lượng cặp vạch đen, trắng có cùng độ rộng trên 1 mm ảnh (Line pair/mm - Lp/mm). Số lượng cặp vạch càng nhiều ảnh càng rõ nét, khả năng phân biệt các chi tiết trên ảnh càng cao. Độ phân giải của ảnh phụ thuộc chủ yếu vào các cấu kiện và thiết bị ghi ảnh như: phim, bìa tăng quang, màn huỳnh quang... Độ sắc nét liên quan tới đường biên của chi tiết trong ảnh. Một ảnh được coi là sắc nét khi có thể phân biệt rõ đường biên giữa các bộ phận nằm trong vùng thăm khám. Độ sắc nét phụ thuộc: Hình học: Khoảng cách giữa tiêu điểm của bóng X quang và màn hình (phim, màn huỳnh quang...) càng lớn. Chùm tia được phát ra từ một tiêu điểm nhỏ. Chất liệu màn hình: Bìa tăng quang mỏng có hạt mịn, mật độ hạt cao sẽ tạo ảnh sắc nét hơn . Sự chuyển động (dịch chuyển) của đối tượng chụp: Nếu đối tượng cố định vị trí trong khi phát tia (như nằm yên, nín thở...) sẽ tạo được ảnh sắc nét. 2.6.5.3 Các thông số quyết định đến chất lượng của ảnh X quang Các thông số kỹ thuật: Trị số điện áp cao thế (kVp). Dòng cao thế (mA). Thời gian phát tia (s). Khoảng cách từ nguồn phát tia tới ảnh (Source Image Distance - SID). ảnh X quang phải đạt được các chỉ tiêu: mật độ quang đủ lớn, giảm thiểu méo dạng, độ tương phản đủ cao, chi tiết (độ sắc nét) tối đa. kVp xác định năng lượng - khả năng thâm nhập của tia X do đó quyết định độ tương phản của ảnh. mAs xác định mật độ quang của ảnh. Tuy nhiên, vì kVp cũng ảnh hưởng đến số lượng photon X xâm nhập vào phim nên cũng ảnh hưởng đến mật độ quang. Khi tia X có năng lượng thấp: Khả năng thâm nhập thấp nên sẽ tăng liều tia hấp thụ bởi tế bào. Để có được mật độ tia X đủ cao để tạo ảnh, phải tăng lượng photon X (tăng mAs). Độ tương phản (contrast) tăng. Khi tia X có năng lượng cao: Khả năng thâm nhập cao nên sẽ giảm liều tia hấp thụ bởi tế bào. Có thể giảm mAs vì có nhiều photon X thâm nhập được tới phim. Độ tương phản trong trường hợp này giảm. Để tạo ảnh X quang có chất lượng cao, không dùng photon X có năng lượng quá thấp (bằng cách sử dụng các bộ lọc sơ bộ) và quá cao (bằng cách hạn chế trị số kVp). Chương 3 Cấu trúc của máy X quang Máy X quang là một hệ thống thiết bị trong đó bao gồm các thiết bị chủ yếu sau: Thiết bị tạo tia X - Bóng X quang Khối cao thế Thiết bị định vị bệnh nhân. Thiết bị mang ảnh. Thiết bị thu nhận và hiển thị ảnh. Một số thiết bị phụ trợ khác... 3.1 Bóng X quang 3.1.1 Nguyên lý hoạt động Bóng X quang là một trong những linh kịên chủ yếu của máy X quang, hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng từ động năng của chùm tia điện tử bức xạ từ catốt sang năng lượng tia X bức xạ từ anốt. Bóng X quang ảnh hưởng quyết định đến chất lượng ảnh. Các yêu cầu sau đây có tầm quan trọng đặc biệt đối với bóng X quang: Khả năng thâm nhập - độ cứng của tia X có thể thay đổi trong giải rộng bằng cách thay đổi điện áp cấp cho bóng để đáp ứng được nhiều đối tượng và phương pháp thăm khám. Mật độ bức xạ - liều lượng tia X có thể điều khiển trong phạm vi rộng thông qua dòng bóng. Kích thước của điểm hội tụ và sự phân bố năng lượng tại điểm hội tụ phải tạo được độ tương phản và phân giải cao 3.1.2 Cấu tạo Bóng X quang là dạng đặc biệt của loại bóng điện tử chân không thường gồm các bộ phận sau: Catôt: nguồn bức xạ điện tử. Anôt: Nguồn phát xạ tia X. Anốt chính là tấm bia của chùm tia điện tử. Diện tích nơi chùm tia điện tử bắn vào gọi là điểm hội tụ - là nguồn phát tia X. Vỏ trong bằng thuỷ tinh, bao quanh anôt và catôt, được hút chân không để tạo áp lực âm nhằm loại trừ các phân tử không khí cản trở trên đường đi của chùm tia điện tử. Vỏ ngoài bằng thép hoặc hợp kim nhôm phủ chì, để ngăn ngừa tia X bức xạ theo những hướng không mong muốn có hại cho môi trường xung quanh và để tản nhiệt. Cửa sổ lối ra tia X trên vỏ, nới ghép với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối Hình 3.1 Một loại bóng X quang Có hai loại bóng được ứng dụng trong thiết bị X quang là: Bóng X quang anôt cố định. Bóng X quang anôt quay. 3.1.2.1 Bóng X quang anôt cố định Cấu tạo: Hình 3.2 Cấu trúc bóng X quang Anôt cố định Hình 3.3 Cấu trúc ruột bóng và vỏ thuỷ tinh của một loại bóng X quang a-nốt cố định dùng cho máy chụp răng a) Catốt: bao gồm một sợi đốt và một điện cực phụ (điện cực Wehnelt) dùng làm giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ nhằm tập trung toàn bộ số lượng điện tử bức xạ từ catốt về phía anốt. Sợi đốt: làm bằng hợp kim Vôn-fram với Thô-ri. Vôn-fram (thường gọi là tung - sten) có nhiệt độ nóng chảy rất cao (3370oC) nên ít bị bốc hơi khi hoạt động ở nhiệt độ trên 2000oC. Nếu sợi đốt bị bốc hơi với một mức độ nào đó mỗi khi bị nung nóng thì lâu dần sẽ tạo ra các phần tử dẫn điện và tích luỹ chúng làm giảm độ chân không , gây ra sự phóng điện hồ quang trong bóng dẫn tới làm giảm tuổi thọ bóng. Để khắc phục hiện tượng này, một lượng nhỏ Thô-ri (1% - 2%) được hỗn hợp với tung - sten. Nhờ vậy có thể tạo ra cùng một lượng điện tử bức xạ với nhiệt độ sợi đốt giảm hơn nhiều so với khi sử dụng tung - sten nguyên chất. Sợi đốt có dạng hình xoắn ốc để tạo diện tích bức xạ điện tử rộng, đường kính khoảng 0,2 - 0,3 mm. Toàn bộ cuộn dây có kích thưứoc khoảng 2 - 5 mm theo chiều rộng và 1 - 2 cm theo chiều dài. Điện cực Wehnelt (có điện thế bằng điện thế catôt), các đường đẳng thế tại bề mặt anốt được phân bố để tạo ra điện trường hội tụ chùm tia điện tử hướng về một điểm có điện tích rất nhỏ tại bề mặt anốt - tiêu điểu, dùng làm giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ để Hội tụ chùm tia điện tử. Hình 3.4 Sự phân bố đường đẳng thế khi không (hình a) và có (hình b) điện cực Wehnelt. Sự hội tụ chùm tia điện tử (hình b) Hình 3.5 Hình ảnh của một ca-tốt sợi đốt kép, A và C - khe hội tụ lớn và nhỏ; B và D - sợi đốt lớn và nhỏ; E - ca-tốt Catốt có hai loại: Đơn và Kép Loại Catốt đơn chỉ gồm một sợi đốt và một khe bức xạ. Loại Catốt kép gồm có hai sợi đốt (thường gọi là tóc nhỏ và tóc lớn đặt trong hai khe bức xạ tương ứng với hai kích thước nhỏ và lớn. Hai khe này được bố trí kề nhau trong mặt phẳng. Các khe này tạo ra các điểm hội tụ nhỏ và lớn tại bề mặt Anốt. Nguồn điện cấp cho sợi đốt là nguồn điện áp thấp cỡ vài chục vôn với dòng điện khoảng vài Am-pe. Khi hoạt động, sợi đốt được nung nóng và bức xạ chùm tia điện tử có mật độ được xác định theo công thức: Trong đó: Je - mật độ dòng bức xạ W - hàm số phụ thuộc loại vật liệu. Với Tungsten W = 4,5 eV T - nhiệt độ k - hằng số Boltzmann A0 - hằng số vật liệu. Với Tungsten A0 xấp xỉ 60 Mật độ dòng bức xạ tỉ lệ với bình phương nhiệt độ. Quan hệ giữa Je và nhiệt độ được minh hoạ trên hình 3.6 Hình 3.6 Quan hệ giữa mật độ dòng bức xạ (Je) và nhiệt độ sợi Với mật độ dòng bức xạ từ 100 mA đến 1000mA nhiệt độ sợi đốt phải trong khoảng từ 2400 - 2700oK Để đảm bảo độ cách điện cao và tản nhiệt, biến thế cấp điện cho sợi đốt thường được đặt trong thùng cao thế cùng với biến áp cao thế b) Anốt: Có chức năng hứng chùm tia điện tử bắn ra t._.