Khảo sát sự thay đổi suất liều bên trong phòng x quang chuẩn đoán y tế theo kích thước phòng

Sự hấp thụ quang điện là sự tương tác của photon tới với các electron lớp bên trong nguyên tử hấp thụ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng photon tới.. Photon tới truyền hết năng lượng của n

NGÔ VINH QUANG

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI SUẤT LIỀU

BÊN TRONG PHÒNG X QUANG CHUẨN ĐOÁN

Y TẾ THEO KÍCH THƯỚC PHÒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

NGÔ VINH QUANG

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI SUẤT LIỀU

BÊN TRONG PHÒNG X QUANG CHUẨN ĐOÁN

các thầy cô, bạn bè, người thân và gia đình Thông qua luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn:

 Cô TS Trương Thị Hồng Loan, người đã tận tình định hướng và chỉ bảo cho tôi thực hiện luận văn này

 Thầy ThS Thái Mỹ Phê là người trước đây đã hướng dẫn cho em làm khóa luận tốt nghiệp đại học, nay thầy lại tiếp tục giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn này

 Tập thể ban lãnh đạo và nhân viên Bệnh viện Nhi Đồng I TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em có thể hoàn thành luận văn này

 Thầy TS Trần Thiện Thanh và thầy TS Trần Văn Hùng đã đọc và góp ý, góp phần làm cho luận văn của em hoàn chỉnh hơn

 Các thầy cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật Lý – Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học cao học

 Các kỹ sư vật lý đồng nghiệp tại các bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung Bướu

và bệnh viện 115 đã cung cấp cho tôi những tài liệu quí giá mà nếu không có sự giúp đỡ này tôi sẽ gặp khó khăn trong nghiên cứu này

 Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K20, gia đình, người thân và bạn bè

đã ủng hộ, động viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua

Cuối cùng tôi xin chúc quý Thầy Cô và những người mà tôi yêu quý luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp của mình

Tôi xin cảm ơn tất cả

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 03 năm 2014 Ngô Vinh Quang

hiện một cách nhanh chóng, thích hợp để chuẩn đoán viêm phổi, viêm khớp, gãy xương, các bệnh lý của tim, phổi, dạ dày, đầu, ngực, bụng, mạch máu… Chụp X quang

là phương pháp tốt trong chẩn đoán hình ảnh, nó giúp các bác sĩ thấy được tình trạng bên trong cơ thể bệnh nhân, tạo điều kiện cho khâu chẩn đoán bệnh chính xác hơn Tuy nhiên, việc chụp X quang cũng ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có những biện pháp bảo vệ thích đáng Tính nguy hiểm của các loại máy X quang tuy thấp hơn so với nguồn phóng xạ, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không phải nhỏ đối với cộng đồng Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ và thường xuyên các cơ sở sử dụng máy X quang vẫn chưa được các cơ sở y tế và các đơn vị quản lý nhà nước về y tế nhận thức và quan tâm đúng mức

Trong các bệnh viện hiện nay, việc sử dụng phòng X quang hiện nay gặp nhiều khó khăn về vấn đề kích thước phòng do hạn chế về diện tích, phòng quá nhỏ dẫn đến liều chiếu lên bệnh nhân càng cao và che chắn không đủ an toàn sẽ ảnh hưởng đến bệnh nhân, nhân viên vận hành máy X quang và cả dân chúng nói chung trong khu vực tác dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát

Luận văn này được thực hiện với mục đích ứng dụng chương trình mô phỏng MCNP để mô phỏng phòng X quang nhằm khảo sát sự phân bố liều trong phòng X quang, khảo sát sự thay đổi liều khi thay đổi kích thước phòng X quang Với mục đích trên, luận văn được chia thành 3 chương:

 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIA X

 Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ PHÒNG X QUANG

 Chương 3: KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC PHÒNG X QUANG ĐẾN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ – đồ thị

Mở đầu

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ TIA X 1

1.1 Đại cương về tia X 1

1.1.1 Tương tác của tia X với vật chất 1

1.1.1.1 Sự hấp thụ quang điện 1

1.1.1.2 Tán xạ Rayleigh 2

1.1.1.3 Tán xạ Compton 3

1.1.1.4 Tạo cặp 4

1.1.2 Sự hấp thụ và tán xạ tia X 4

1.1.2.1 Sự hấp thụ tia X 4

1.1.2.2 Sự tán xạ tia X 6

1.2 Cấu tạo của máy phát tia X 7

1.2.1 Cấu tạo ống phát tia X 7

1.2.1.1 Âm cực (Cathode) 9

1.2.1.2 Dương cực (Anode) 11

1.2.1.3 Động cơ quay cảm ứng điện từ 15

1.2.1.4 Vỏ ống chân không, dầu tản nhiệt, vỏ kim loại, cửa sổ ống phát tia X 16

1.2.2 Bộ lọc tia 19

1.2.3 Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) 20

1.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X 22

1.3.1 Nguyên lý tạo tia X 22

1.3.1.1 Bức xạ hãm 22

1.3.1.2 Bức xạ đặc trưng 25

CHƯƠNG 2 – AN TOÀN BỨC XẠ PHÒNG X QUANG 30

2.1.1 Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa lên cơ thể sống 30

2.1.1.1 Giai đoạn hóa lí 30

2.1.1.2 Giai đoạn sinh học 31

2.1.2 Các tổn thương do bức xạ ion hóa 32

2.1.2.1 Tổn thương ở mức phân tử 32

2.1.2.2 Tổn thương ở mức tế bào 32

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa 33

2.2 Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 về an toàn bức xạ ion hóa tại các cơ sở X quang y tế 34

2.2.1 Phạm vi áp dụng 34

2.2.2 Nội dung 34

2.2.2.1 Liều giới hạn 34

2.2.2.2 Bố trí phòng đặt máy X quang 37

CHƯƠNG 3 – KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC PHÒNG X QUANG ĐẾN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU 41

3.1 Chương trình mô phỏng MCNP 41

3.1.1 Giới thiệu 41

3.1.2 Đặc điểm của chương trình MCNP 43

3.1.2.1 Các thư viện dữ liệu được sử dụng 43

3.1.2.2 Các bảng số liệu 43

3.1.3 Cấu trúc của MCNP 44

3.1.4 Cấu trúc của một file input của chương trình MCNP 45

3.1.4.1 Cell cards 46

3.1.4.2 Surface cards 46

3.1.4.3 Data cards 48

3.1.5 Sai số trong MCNP 52 3.2 Kết quả khảo sát sự thay đổi liều theo kích thước phòng X quang chuẩn

3.2.1.1 Mô tả phòng máy X quang 53

3.2.1.2 Thông số và cấu trúc hình học máy X quang 55

3.2.2 Kết quả và thảo luận 56

3.2.2.1 Khảo sát phân bố suất liều theo khoảng cách 57

3.2.2.2 Khảo sát suất liều bên ngoài phòng X quang 61

3.2.2.3 Khảo sát sự thay đổi suất liều bên trong phòng X quang khi giảm kích thước phòng 62

3.2.2.4 Khảo sát sự thay đổi suất liều tại giường bệnh nhân khi giảm kích thước phòng 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 77

Bảng 2.1 Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều 33

Bảng 2.2 Liều giới hạn trong một năm 35

Bảng 2.3 Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với bệnh nhân (TCVN 6561:1999) 36

Bảng 2.4 Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp 1 phim 37

Bảng 2.5 Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang các loại theo TCVN 6561:1999 39

Bảng 3.1 Một số loại mặt được định nghĩa trong MCNP 47

Bảng 3.2 Các loại tally trong MCNP 51

Bảng 3.3 Các đại lượng tương ứng với tally 52

Bảng 3.4 Chú giải sai số tương đối R trong MCNP 52

Bảng 3.5 Kết quả đo suất liều theo khoảng cách 57

Bảng 3.6 Kết quả tính toán suất liều tại một số điểm bên trong phòng 58

Bảng 3.7 Kết quả tính toán suất liều tại một số điểm bên ngoài phòng 62

Bảng 3.8 Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 20 cm 64

Bảng 3.9 Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 40 cm 66

Bảng 3.10 Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 60 cm 68

Bảng 3.11 Kết quả thay đổi suất liều khi giảm chiều dài và rộng 80 cm 70

Bảng 3.12 Sự thay đổi suất liều tại giường bệnh nhân khi giảm kích thước phòng 72

Hình 1.2 Sự hình thành bức xạ hủy 4

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang 7

Hình 1.4 Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường 8

Hình 1.5 Các bộ phận chính của ống tia X trong máy X quang hiện đại 8

Hình 1.6 Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ 9

Hình 1.7 Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm điện tử của chén tội tụ 10

Hình 1.8 Các thành phần của một ống tia X có anode cố định 11

Hình 1.9 Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định 12

Hình 1.10 Cấu tạo anode quay 12

Hình 1.11 Diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và diện tích bao phủ của vùng tia X thay đổi theo góc vát 13

Hình 1.12 Mặt cắt của một anode RTM 14

Hình 1.13 Mặt cắt của một anode RTM – than chì 15

Hình 1.14 Cấu tạo của động cơ cảm ứng điện từ 15

Hình 1.15 Bầu thủy tinh chứa anode quay 16

Hình 1.16 Bộ lọc tia 19

Hình 1.17 Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn 20

Hình 1.18 Mặt cắt ngang bộ chuẩn trực loại R20–J của hãng Shimadzu 21

Hình 1.19 Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia 23

Hình 1.20 Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp 24

Hình 1.21 Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng 26

Hình 1.22 Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử 28

Hình 2.1 Mô hình phòng X quang 37

Hình 2.2 Mặt cắt ngang mô hình phòng X quang 38

Hình 3.1 Mô hình phòng X quang thường quy ở bệnh viện Nhi đồng I 53

Hình 3.2 Mặt cắt ngang của phòng X quang 54

Hình 3.7 Phân bố suất liều tại các điểm từ 1 đến 15 59

Hình 3.8 Phân bố suất liều tại các điểm từ 15 đến 29 60

Hình 3.9 Phân bố suất liều tại các điểm từ 29 đến 43 60

Hình 3.10 Phân bố suất liều tại các điểm từ 43 đến 56 60

Hình 3.11 Sơ đồ các điểm khảo sát phân bố suất liều bên ngoài phòng X quang 61

Hình 3.12 Sơ đồ các điểm khảo sát trước và sau khi thay đổi kích thước phòng 63

Hình 3.13 Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 20 cm 65

Hình 3.14 Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 40 cm 67

Hình 3.15 Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 60 cm 69

Hình 3.16 Đồ thị thay đổi suất liều khi giảm chiều dài, chiều rộng 80 cm 71

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TIA X 1.1 Đại cương về tia X

1.1.1 Tương tác của tia X với vật chất

Hình 1.1 Tương tác của tia X với vật chất 1.1.1.1 Sự hấp thụ quang điện

Tia X là sóng điện từ nên mang lưỡng tính sóng – hạt Tính hạt là kết quả của sự lượng tử hóa sóng điện từ liên tục thành các hạt gián đoạn gọi là “photon” Lượng tử photon đóng vai trò then chốt trong việc giải thích hiện tượng quang điện

Sự hấp thụ quang điện là sự tương tác của photon tới với các electron lớp bên trong nguyên tử hấp thụ có năng lượng nhỏ hơn năng lượng photon tới Photon tới truyền hết năng lượng của nó cho electron và đồng thời giải phóng electron quỹ đạo

ra khỏi lớp nguyên tử (thường là lớp K), có động năng EK chính bằng sự chênh lệch giữa năng lượng photon tới E0, với năng lượng liên kết của lớp vỏ electron EBE:

EK = E0 – EBE (1.1)

Khi electron phóng ra sẽ để lại lổ trống và ngay sau đó được lấp đầy bởi các electron từ lớp ngoài với năng lượng liên kết nhỏ hơn (từ lớp L hay M) Chính sự dịch chuyển này đã tạo ra tia X đặc trưng

Nếu năng lượng photon tới nhỏ hơn năng lượng liên kết của electron thì tương tác quang điện không thể xảy ra Khi năng lượng photon tới tăng dần lên trên mức năng lượng liên kết của lớp vỏ nguyên tử, xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện giảm theo tỉ lệ 1/E3 Sau khi xảy ra hiệu ứng quang điện, nguyên tử bị ion hóa trở thành ion dương đồng thời phóng thích electron quang điện Các electron này có thể gây ion hóa thứ cấp khi va chạm với những electron khác Ngay sau đó, do sự dịch chuyển của các electron ở lớp cao hơn lấp các lổ trống và gây ra sự phát bức xạ tia

X đặc trưng

Hầu hết các mô trong cơ thể con người đều chứa các nguyên tố có nguyên tử

số thấp (Hidro Z=1, Cacbon Z=6, Nitơ Z=7 và Oxi Z=8), tức là có năng lượng liên kết ở lớp K thấp, và hiệu suất tạo tia X đặc trưng đối với các nguyên tố có Z<10 gần như là bằng “0” Trong các nguyên tố này việc tạo ra electron Auger chiếm ưu thế

Do đó, đối với sự hấp thụ quang điện trong mô, năng lượng của photon tới bị hấp thụ hoàn toàn Tuy nhiên, đối với các thành phần chứa các nguyên tố có bậc số nguyên tử cao thì năng lượng liên kết của lớp K cao (Iot Z=53, EB=33,2keV; Gadolini Z=64, EB=50,2keV) Do đó các tia X đặc trưng được tạo ra có năng lượng cao (28,632,3 và 4348,7keV) và có thể lan truyền ra khoảng cách khá xa

Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện, kí hiệu là , tỉ lệ thuận với lập phương bậc số nguyên tử của nguyên tố tương tác và tỉ lệ nghịch với lập phương năng lượng photon tới, Z3/E3 Do đó sự hấp thụ quang điện thường xảy ra với các nguyên tố có bậc số nguyên tử cao và năng lượng tia X thấp Chính điều đó đã giải thích tại sao các đầu dò tia X, các thiết bị bảo vệ thường làm bằng vật liệu cấu tạo từ các nguyên

tố có bậc số nguyên tử cao như Ga, Pb…

1.1.1.2 Tán xạ Rayleigh

Trong tán xạ Rayleigh, photon tới có thể tương tác với electron và bị tán xạ

mà không mất năng lượng Quá trình này gọi là tán xạ đàn hồi, trong đó năng lượng của electron tăng lên nhưng vẫn không thoát ra khỏi nguyên tử Sau đó electron trở

về mức năng lượng ban đầu bằng cách phát ra photon có cùng năng lượng với photon tới nhưng khác hướng Ở đây không có sự hấp thụ năng lượng và hầu hết

các photon tới bị tán xạ với một góc rất nhỏ Xác suất để xảy ra tán xạ Rayleigh, kí hiệu là coh, tăng theo bậc số nguyên tử Z của nguyên tố hấp thụ và giảm theo năng lượng tia X Do đó, trong mô mềm xác suất xảy ra sự tán xạ này rất thấp do bậc số nguyên tử hiệu dụng của các mô mềm thấp (Z7,5)

1.1.1.3 Tán xạ Compton

Tán xạ Compton là sự tương tác không đàn hồi giữa photon với electron nguyên tử, trong đó photon có năng lương E0 lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên kết của electron nguyên tử (trong trường hợp này electron được xem như là tự do) Một phần năng lượng của photon tới truyền cho electron gây ra sự giật lùi và electron bị dịch chuyển khỏi nguyên tử một góc  Phần năng lượng còn lại Es được truyền cho photon tán xạ với góc  tương ứng với quỹ đạo photon tới

Trong khi photon tán xạ có thể di chuyển theo nhiều hướng (góc tán xạ  từ

00 đến 1800), electron giật lùi chỉ có thể hướng về phía trước tương ứng với góc của photon tới (lớn hơn 00

đến gần bằng 900) Theo định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, ta có phương trình Klein – Nishina:

S 0

0 2 0

E

E =

E1+ (1-cos )

m c 

Theo phương trình Klein – Nishina năng lượng tia X tán xạ sẽ nhỏ đi khi tăng góc tán xạ và năng lượng photon tới Trong tán xạ Compton, do photon tới tương tác với các electron tự do nên xác suất xảy ra tương tác, kí hiệu là , tỉ lệ với mật độ của electron trong vật liệu Trong khoảng năng lượng của tia X dùng trong chuẩn đoán hình ảnh (10→15 keV), xác suất để hiệu ứng Compton xảy ra phụ thuộc vào năng lượng, mặc dù ở mức năng lượng cao hơn xác suất đó giảm đi khoảng 1/E0

Tại mức năng lượng thấp, photon tán xạ lấy đi một phần năng lượng của photon tới, nhưng khi năng lượng tăng lên, một phần năng lượng lớn hơn lại được truyền cho electron giật lùi

1.1.1.4 Tạo cặp

Hình 1.2 Sự hình thành bức xạ hủy

Sự tạo cặp xảy ra khi photon tới có năng lượng lớn hơn 1,022MeV (2m0c2)

Sự tương tác của photon tới với trường điện từ của hạt nhân sẽ sinh ra cặp electron (e-) – positron (e+), trong đó năng lượng của photon sẽ chuyển thành động năng của cặp e-/e+ Nguyên tử vẫn không bị ion hóa mặc dù các hạt tích điện được hình thành

và động năng của chúng có thể gây ra sự ion hóa Ngay khi động năng của positron giảm hết thì chúng sẽ liên kết với các electron có sẵn và sinh ra bức xạ hủy

Do khối lượng nghỉ của photon bằng không, nên nó chỉ có thể tạo cặp nếu năng lượng nghỉ của electron và positron (2m0c2=1,022MeV) Do đó, hiệu ứng tạo cặp có thể bỏ qua khi năng lượng của photon nhỏ hơn 1,022MeV Xác suất của hiệu ứng tạo cặp, kí hiệu là , sẽ tăng với năng lượng trên 1,022MeV

1.1.2 Sự hấp thụ và tán xạ tia X

1.1.2.1 Sự hấp thụ tia X

Do các quá trình tương tác quang điện, Compton, tạo cặp nên tia X khi đi xuyên qua vật chất năng lượng, mật độ chùm tia có thể giảm đi và do đó cường độ chùm tia sẽ bị suy giảm Sự suy giảm này được tính theo định luật Beer Nếu I0 là cường độ chùm tia X tới, I là cường độ tia X ra khỏi lớp vật chất, d là bề dày lớp vật chất mà tia X xuyên qua định luật hấp thụ Beer thể hiện như sau:

I=I e0 - d

Trong đó, là hệ số suy giảm theo chiều dài đặc trưng cho bản chất hấp thụ tia X của vật chất và mật độ vật chất Vì quá trình hấp thụ phụ thuộc ngẫu nhiên vào xác suất xảy ra các hiệu ứng ở trên nên hệ số suy giảm được xem như là tổng hệ số suy giảm của từng hiệu ứng:

         (1.4)

Với , ,  lần lượt là hệ số suy giảm của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp Trong nhiều trường hợp để thể hiện rõ khả năng làm giảm cường độ bức xạ qua các loại vật liệu khác nhau người ta sử dụng hệ số suy giảm khối    m / trong đó ρ là mật độ vật chất Áp dụng công thức Beer sẽ làm xuất hiện đại lượng mới dm=d.ρ (kg/m2

) gọi là bề dày khối của bản vật chất Khi khảo sát một cách định tính ta thấy rằng sự hấp thụ tia X trong vật chất phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

- Thể tích của vật bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thu càng nhiều

Bề dày cơ thể càng lớn, sự hấp thụ tia X càng nhiều Người ta nhận thấy rằng tia X

sẽ suy giảm 50% khi đi qua lớp vật liệu nào đó dày 1cm thì sẽ giảm 25% nữa khi đi qua 1cm tiếp theo của vật liệu đó Và chỉ còn 12,5% khi đi qua độ dày 3cm Như vậy sau khi đi qua một vật liệu không dày lắm tia X sẽ chỉ còn không đầy 1% cường

xạ

- Mật độ nguyên tử: số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật càng nhiều thì sự hấp thu tia X càng tăng Ví dụ nước ở trạng thái lỏng hấp thụ tia X nhiều hơn ở trạng thái hơi

1.1.2.2 Sự tán xạ tia X

Sự tán xạ của tia X có quy luật khác với sự tán xạ của ánh sáng trong vùng quang phổ học (là vùng ánh sáng nhìn thấy hay tia tử ngoại) Như ta đã biết, trong vùng quang phổ học, ở đó độ dài sóng ánh sáng cỡ 10-5cm, như vậy lớn hơn nhiều kích thước của nguyên tử (cỡ A0

=10-8 cm) sự tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng

Trong vùng tia X, độ dài bước sóng của nó cùng bậc về giá trị với kích thước của nguyên tử Như vậy quy luật về tán xạ với tia X sẽ phải khác Cụ thể, về sự tán

xạ được khảo sát như kết quả của những dao động cưỡng bức của những điện tử dưới tác dụng của trường điện từ của sóng Roentgen tới Thomson trước đây đã đưa

ra công thức sau cho hệ số tán xạ nguyên tử:

Ta xác định được tiết diện hiệu dụng của nguyên tử

r 4,57.10 cm

1.2 Cấu tạo của máy phát tia X [1], [3], [18]

Một hệ thống chụp ảnh tia X thông dụng bao gồm các khối chức năng sau:

Hình 1.3 Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang

 Bàn điều khiển là nơi người vận hành có thể thay đổi các thông số của ống phát tia X (điện thế, cường độ, thời gian phát tia)

 Máy tạo điện thế cao (generator) là nơi cung cấp một hiệu điện thế cao cho các điện cực của ống tia X để gia tốc chùm điện tử

 Ống tia X (X ray tube) là nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng phát bức xạ hãm

 Hệ thống ghi ảnh (image receptor) có thể là một tấm phim X quang hay một hệ thống biến hình ảnh tia X thành hình ảnh mà mắt thường có thể nhìn thấy trên một màn hình

Dưới đây tác giả xin tập trung vào phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống phát tia X và một số bộ phận chính của máy phát tia X

1.2.1 Cấu tạo ống phát tia X

Trong máy X quang, bộ phận quan trọng nhất là ống phát tia X, có chức năng tạo ra tia X thông qua cơ chế bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng

Về nguyên tắc, mọi ống phát tia X đều được cấu tạo từ hai bản cực: một bản cực âm (cathode) và dương cực (anode), ngoài ra còn có các bộ phận phụ trợ như rotor, stator, vỏ ống…

Những ống phát tia X thế hệ đầu tiên được chế tạo vào khoảng cuối thế kỉ 19 bởi William Crookes và các cộng sự được gọi là ống phát âm cực nguội Dòng điện

Ống tia X (X ray tube)

tử được giải phóng khi âm cực nhôm ion hóa lượng không khí ít ỏi bên trong buồng chứa thủy tinh giải phóng dòng electron tự do, rồi sau đó gia tốc chúng bằng nguồn cao thế (cỡ 100kV), bắn phá vào bia dương cực Platin đặt nghiêng và phát ra tia X

Năm 1913, William Coolidge đã cải tiến ống phát tia X bằng cách dùng âm cực sợi đốt thay thế cho âm cực nguội để đạt được công suất phát cao hơn Sự cải tiến này chính là nền tảng cho sự phát triển của thế hệ ống phát tia X ngày nay

Hình 1.4 Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường

Hình 1.5 Các bộ phận chính của ống tia X trong máy X quang hiện đại

Ống phát tia X hiện đại ít sử dụng dương cực tĩnh như trong các thế hệ đầu

mà dùng dương cực quay bằng cảm ứng điện từ Như vậy, ống phát tia X hiện đại là

sự kết hợp giữa âm cực nguội, dương cực quay và các kết cấu thích hợp khác Tuy nhiên, thế hệ ống phát tia X của Coolige với dương cực tĩnh vẫn được dùng trong một số kỹ thuật X quang đặc thù như X quang nha, X quang cầm tay…

a Dây tóc (sợi filament)

Hình 1.6 Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ

Dây tóc (sợi filament) là hệ hai tim đèn sợi đốt dạng lò xo xoắn (để tăng diện tích bức xạ điện tử) có chiều dài khác nhau nằm thẳng đứng song song và được gắn chìm vào trong một chén hội tụ

Vật liệu dùng làm tim đèn thường là hợp kim Vonfram và Thorium Nguyên

tố Vonfram kim loại chuyên sử dụng làm sợi đốt vì là một kim loại nặng, dẫn nhiệt tốt và có nhiệt độ nóng chảy cao (33700C) Nguyên tố Thorium thường được bổ sung vào sợi đốt Vonfram để tăng cường hiệu suất phát xạ điện tử và tăng tuổi thọ sợi đốt

Phần lớn bóng X quang hiện nay đều có hai hệ thống chén hội tụ và hai sợi tóc nhằm mở rộng cho nhiều ứng dụng riêng biệt Sợi tóc lớn có kích thước 1,2mm dùng để chụp những cơ quan lớn, dày cần công suất cao Sợi tóc nhỏ có kích thước khoảng 0,6mm dùng để chụp những bộ phận nhỏ cần công suất thấp Hai sợi tóc này được nung nóng bằng mạch điện với hiệu điện thế hai đầu là 10V, dòng điện qua sợi tóc bóng X quang trong khoảng từ 3 đến 7A

b Chén hội tụ (foscusing cup)

Chùm điện tử phát ra từ âm cực (cathode) được gia tốc bằng nguồn cao thế

cỡ 20 đến 80kVp đến đập vào dương cực (anode) là chùm phân kỳ, nếu không có sự hiệu chỉnh thì chùm tia này sẽ đập vào anode trên diện tích rộng, điều này sẽ làm

mờ hình ảnh X quang Do đó cần phải có một thiết bị có chức năng hội tụ chùm điện tử thẳng đến anode được gọi là chén hội tụ (hình 1.6)

Chén hội tụ được đặt vào cùng giá trị hiệu điện thế với tim đèn và điện trường mà nó sinh ra, có tác dụng làm thay đổi các đường đẳng thế của điện trường, giới hạn sự mở rộng chùm điện tử khiến chùm điện tử hội tụ lại trên một điểm đặt biệt trên anode (focal spot), chính điều này làm tăng độ nét của hình ảnh X quang

Nếu chén hội tụ được thêm vào một hiệu điện thế âm chênh lệch với tim đèn thì tác dụng càng rõ rệt, kích thước vết tiêu càng nhỏ Chén hội tụ làm thay đổi hình dạng phân bố chùm điện tử khi nó có cùng giá trị điện áp với sợi tóc (hình 1.7.a) Chén hội tụ được tích điện âm có giá trị lệch khoảng 100V so với sợi tóc có tác

dụng làm giảm bề rộng chùm điện tử mạnh hơn (hình 1.7.b)

1.2.1.2 Dương cực (Anode)

Dương cực (anode) là nơi tia X được tạo ra, nó là một bia hứng điện tử, được làm bằng kim loại có cấu trúc cứng và có mật độ phân tử cao, mang điện thế tương ứng với điện thế của âm cực Anode có hai cấu hình: ống tia X có công suất bé dùng trong chụp ảnh răng có anode là một bia cố định (anode tĩnh) và ống tia X có công suất lớn thường có anode dạng đĩa, có thể quay quanh một trục (anode quay)

a Anode tĩnh

Bao gồm một bia bằng Volfram là nơi chùm electron bắn vào để tạo ra tia X, được gắn chặt vào một khối đồng lớn Khối đồng có vai trò nâng đỡ bia Volfram và tiêu tán nhiệt cho bia Volfram vì đồng có khả năng dẫn nhiệt tốt

Hình 1.8 Các thành phần của một ống tia X có anode cố định

Anode thường được đặt nghiêng một góc từ 150

đến 200 so với mặt phẳng thẳng đứng, góc nghiêng này quyết định diện tích hội tụ của chùm electron (là phần diện tích của anode bị chùm electron bắn vào)

Nhược điểm của loại anode này là diện tích bia bị bắn phá nhỏ nên giới hạn tốc độ tiêu tán nhiệt và do đó giới hạn dòng cực đại qua ống và hạn chế hiệu suất phát tia

Loại bóng này dùng trong các máy X quang công suất nhỏ như máy X quang

nha, máy X quang di động, máy chiếu (fluoro)

Hình 1.9 Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định

b Anode quay

Hình 1.10 Cấu tạo anode quay

Khi sử dụng anode cố định thì chùm điện tử chỉ đập vào một vị trí cố định trên bia, làm nhiệt độ ở vị trí này rất cao, đồng thời làm giảm công suất của bóng và giảm tuổi thọ của anode Do đó, người ta thường sử dụng anode quay để thay đổi liên tục điểm tiếp xúc của anode và chùm điện tử, làm cho diện tích vết hội tụ rất bé

so với diện tích giải nhiệt, giúp tiêu tán nhiệt lượng sinh ra trong quá trình phát tia

X làm tăng công suất bóng và tăng tuổi thọ anode Ngoài ra, chuyển động quay còn

làm cho vị trí va chạm của điện tử lên anode thay đổi liên tục, điều này làm cho anode mòn đều nên không ảnh hưởng đến góc phát tia Do những ưu điểm trên mà anode quay được sử dụng phổ biến trong các ống phát tia X hiện đại mặc dù nó đòi hỏi những thiết kế và kĩ thuật phức tạp

Các anode quay có hình dạng bia có góc vát nghiêng một góc , có tác dụng hướng tia X ló ra phía biên của ống phát Đường phân giác của góc vát phải nằm trong vùng ló ra của tia X Tùy vào mục đích sử dụng mà góc ta thiết kế và lựa chọn góc vát của anode phù hợp Góc vát càng nhỏ thì độ phân giải không gian càng lớn nhưng lại làm giảm diện tích hiệu dụng của tiêu điểm và diện tích bao phủ của vùng tia X phát xạ (hình 1.11)

Hình 1.11 Diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và diện tích bao phủ của vùng tia X

thay đổi theo góc vát Anode với góc vát nhỏ (7090) thích hợp với các thiết bị thu nhận cỡ nhỏ như máy chụp X quang động mạch, chụp dây thần kinh Các máy X quang thường quy thông dụng yêu cầu vùng chụp lớn thì thường sử dụng anode có góc vát lớn (120150) Kích thước của đĩa anode nằm trong khoảng từ 5cm đến 12,5cm, kích thước này quyết định khả năng chịu nhiệt của anode

Khi chùm điện tử đập vào anode, hơn 90% năng lượng của chùm điện tử được chuyển hóa thành nhiệt, chỉ dưới 1% năng lượng của chúng chuyển hóa thành

tia X Vì vậy, dương cực phải có khả năng chịu nhiệt cao Một số vật liệu được sử dụng làm dương cực là Vonfram (W, Z=74), Molybdenum (Mo, Z=42) hoặc Rhodinum (Rh, Z=45) Tuy nhiên, hầu hết các ống tia X đều sử dụng Vonfram làm vật liệu anode vì Vonfram có số hiệu nguyên tử lớn, cho tỉ lệ bức xạ hãm cao, khả năng chịu nhiệt cao do có điểm nóng chảy cao, khả năng bay hơi rất thấp Trong nhiều năm Vonfram tinh khiết thường được sử dụng làm vật liệu anode

Công nghệ chế tạo anode quay ngày càng phát triển Anode quay Vonfram được sản xuất trên cơ sở chuẩn luyện kim bột, hạn chế của công nghệ này là sự mài mòn bề mặt do sự nén cơ nhiệt cao Hiệu ứng này dẫn đến sự sụt giảm nhanh chóng cường độ tia X và gây nên cái gọi là hiệu ứng mặt nghiêng Ở đây, một phần bức xạ trong những lớp sâu hơn của anode bị hấp thụ trước khi rời khỏi anode Thêm vào

đó là sự biến dạng cơ học xảy ra có thể phá hủy anode

Trong những năm gần đây hợp kim của Vonfram và Reni (10% Rhenium và 90% Vonfram) được sử dụng làm vật liệu bề mặt anode Việc sử dụng một hợp kim Vonfram – Reni cung cấp thêm khả năng chống thương tổn bề mặt, cho phép sử dụng ống phát tia X trong khoảng thời gian dài Công nghệ nâng cao dựa trên nguyên liệu hỗn hợp Reni – Vonfram – Molyden (RTM) Anode RTM là loại anode

có bề mặt là lớp hợp kim Reni – Vonfram dày khoảng 1,3mm, tiếp theo là lớp Molybdenum dày từ 5 đến 11mm (một số hãng sản xuất sử dụng Graphit thay cho Molybdenum) Hợp kim Reni – Vonfram thường có tỉ lệ khối lượng tùy thuộc vào mỗi hãng sãn xuất

Hình 1.12 Mặt cắt của một anode RTM

Một giải pháp tối ưu để điều khiển khả năng tích trữ nhiệt và bức xạ nhiệt có thể đạt được trong một anode giới nội với tấm than chì Với anode nhiệt, tấm RTM được hàn vào chất tải nhiệt than chì, ống được sản xuất với trọng tải lớn hơn 3.106

J hoạt động tại công suất nhiệt trung bình 4kW

Hình 1.13 Mặt cắt của một anode RTM – than chì 1.2.1.3 Động cơ quay cảm ứng điện từ

Hình 1.14 Cấu tạo của động cơ cảm ứng điện từ

Động cơ quay cảm ứng điện từ có ba bộ phận chính là động cơ quay (rotor), động cơ tĩnh (stator) và vòng bi Tổ hợp rotor, vòng bi và anode được đặt bên trong một lồng thủy tinh, còn stator được đặt bên ngoài Chuyển động quay được thực hiện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Vòng bi có tác dụng giảm ma sát và đảm bảo ổn định quá trình quay của rotor

Tốc độ quay của rotor thường khoảng 3000 vòng/phút (chậm) đến 10000 vòng/phút (nhanh) Tốc độ quay nhanh hay chậm của rotor phụ thuộc vào tần số nguồn cung cấp là một pha (50→60Hz) hay là ba pha (170→180Hz) Tốc độ quay của rotor cũng ảnh hưởng đến vùng điện tử bắn vào đĩa anode

Vòng bi trong rotor và chân trung gian rotor – anode là hai bộ phận quan trọng và dễ gây hỏng hóc cho ống phát nhất Chân trung gian rotor – anode cần đảm bảo càng ít truyền nhiệt từ dương cực tới vòng bi càng tốt Do đó, có hai yêu cầu đối với vật liệu chế tạo các chi tiết này là môi trường làm việc là chân không và vật liệu không nhạy nhiệt, không biến dạng theo nhiệt Molybdenum là vật liệu lý tưởng nhất để làm vòng bi và chân trung gian rotor – anode do có độ cứng cao (1500HB), hệ số giãn nở tuyến tính do nhiệt thấp (4,8E–6/0C), truyền nhiệt kém

Ống phát tia X được thiết kế sao cho ống sẽ không phát tia cho đến khi anode đạt tốc độ quay cần thiết, do đó có sự chênh lệch 1→2 giây giữa thời điểm bấm nút và thời điểm phát tia

1.2.1.4 Vỏ ống chân không, dầu tản nhiệt, vỏ kim loại, cửa sổ ống phát tia X

a Vỏ ống chân không

Vỏ ống chân không thường được làm bằng thủy tinh bao bọc cathode, anode, rotor tạo thành một không gian bên trong gần như chân không (áp suất trong khoảng dưới 10-5mmHg) Thủy tinh làm vỏ ống thường là thủy tinh loại borosilicate, là loại kính chống nhiệt có ít nhất 5% oxit boron (B2O3) thường dùng làm kính hóa học, đĩa chịu nhiệt do có độ bền cao, hệ số nở vì nhiệt thấp, điểm nóng chảy cao

Hình 1.15 Bầu thủy tinh chứa anode quay

Bề dày của vỏ ống thủy tinh thường nằm trong khoảng từ 1→2mm, tùy theo máy của mỗi hãng sản xuất Một số hãng chế tạo loại thủy tinh borisilicat có pha chì, ngoại trừ phần thủy tinh ở lối ra nhằm ngăn chùm tia X theo các hướng khác

Chức năng chính của vỏ chân không này là hỗ trợ và cách điện cho anode, cathode đồng thời để duy trì môi trường chân không bên trong ống phát tia X Sự có mặt của khí trong ống phát tia X sẽ cho phép dòng điện tử truyền qua ống một cách

tự do hơn là tạo thành chùm điện tử Điều này sẽ gây trở ngại trong việc tạo ra bức

xạ và có thể gây hư hại mạch điện Môi trường chân không có tác dụng giảm đi hầu hết các va chạm của không khí với điện tử được phát xạ và các linh kiện khác trong không gian ống, đồng thời ngăn cản quá trình oxy hóa của các linh kiện khác, đặc biệt là dây tóc

Theo thời gian sử dụng sẽ có sự xâm nhập của các phân tử khí làm giảm độ chân không của ống, khi đó cần kiểm tra và hút chân không trong ống Dung tích vỏ phụ thuộc vào ống tia X sử dụng, vỏ chân không và những bộ phận chứa trong nó được xem như phần riêng l đặt vào trong ống phát tia X, đây là phần có thời gian

sử dụng hạn chế và có thể thay thế ngay bên trong khoang chứa (tube housing)

b Dầu tản nhiệt

Vùng không gian giữa vỏ kim loại (tube housing) và bầu thủy tinh chân

không được đổ đầy một loại dầu đặc biệt xem như vật liệu cách ly bầu thủy tinh với nguồn cao thế và tải nhiệt từ bầu thủy tinh ra bên ngoài, dầu này còn được gọi là dầu biến áp hay dầu tản nhiệt Dầu biến áp có hai nhiệm vụ chính là:

- Chiếm chỗ không khí trong các thiết bị điện áp cao và làm nhiệm vụ cách điện, tăng độ bền cách điện lên rất nhiều

- Làm mát, tăng cường thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và trong lõi thép máy biến áp sinh ra

Dầu biến áp là chất lỏng dễ cháy nên nhiệt độ chớm cháy của dầu biến áp quy định không được thấp hơn +1350C Nhiệt độ đông đặc của dầu biến áp không được cao hơn –450C Một trong những đặc tính quan trọng có nhiều ý nghĩa thực tiễn là độ bền của dầu biến áp Trị số độ bền của dầu biến áp rất nhạy cảm với độ

ẩm của dầu Độ bền điện của dầu còn giảm nhiều hơn nếu như trong dầu có những tạp chất, nó sẽ làm cầu nối cho sự phóng điện sớm phát triển

Mặt tiếp xúc giữa lớp dầu và lớp vỏ chì được quét một loại vật liệu đặc biệt

có nhiệm vụ giữ cho lớp chì không bị oxi hóa

Buồng chứa dầu được bổ sung một hệ co giãn đảm bảo áp suất dầu không tăng lên khi dầu giãn nở do nhiệt Hộp chứa được tiếp mát với đất để ngăn điện tử chuyển động trong không gian chứa dầu

Trong quá trình sử dụng dầu biến áp bị già hóa, các tính chất của dầu bị giảm, màu của dầu trở nên sẫm hơn do không khí lọt vào gây hiện tượng oxy hóa dầu, sự tiếp xúc giữa dầu và một số kim loại, tác dụng của ánh sáng và cường độ từ trường cao Do vậy trong quá trình bão dưỡng máy X quang các kĩ sư sẽ kiểm tra chất lượng dầu để thay thế, bổ sung lượng dầu phù hợp

c Vỏ kim loại

Hộp chứa (housing) của ống phát tia X là một khoang chứa bằng kim loại đựng dung dịch dầu, đóng vai trò trong việc gia tăng sự đóng kín cũng như hỗ trợ bảo vệ ống chân không khỏi môi trường bên ngoài Nó có chức năng như một lá chắn và hấp thụ các bức xạ phát ra trừ bức xạ hữu dụng Nó có bề mặt bên ngoài tương đối lớn làm tiêu tán hầu hết nhiệt tạo ra trong ống Lớp chì bọc ngoài khoang chứa nhằm hấp thụ tia ló bất thường bao gồm tia X chệch hướng từ anode, tia X sinh ra khi điện tử thứ cấp va chạm với các linh kiện kim loại khác trong ống phát Bên ngoài lớp chì là lớp thép không gỉ hoặc barit có bề dày khác nhau tùy theo thiết

kế của từng hãng

d Cửa sổ ống

Chùm bức xạ tia X phát ra từ ống qua một cổng hoặc cửa sổ Góc khối của chùm bức xạ hình nón thường là 400→500 Cửa sổ thường được chế tạo bằng một vật liệu hấp thụ bức xạ thấp như là các kim loại nhẹ có nguyên tử số thấp (chẳng hạn như là beryllium) Một số loại bóng X quang còn sử dụng cửa sổ làm bằng nhựa bakelite Ngay bên dưới cửa sổ trong vùng chùm tia hiệu dụng là một màn chắn,

quá trình mở màn che chắn cho phép thay đổi được kích thước hiệu dụng của chùm tia

1.2.2 Bộ lọc tia

Bộ lọc tia X đuợc sử dụng nhằm loại bỏ những tia X năng luợng thấp và tạo chùm tia X có năng lượng đồng đều hơn Những tia X có năng lượng thấp trong phổ tia X tạo ra rất nhiều liều cho bệnh nhân nhưng không đóng góp vào tín hiệu thu nhận Bởi vậy việc lọc bỏ những tia X này là cần thiết, do đó trong các máy X quang luôn có bộ phận lọc tia

Hình 1.16 Bộ lọc tia

Có hai bộ phận tham gia vào việc lọc tia là bộ lọc sẵn có (inherent filter) và

bộ lọc bổ sung (additional filter) Bộ lọc sẵn có tạo nên do các vật liệu có sẵn trong ống tia X nằm trên lối ra chùm tia có chức năng lọc tia gồm vỏ thủy tinh, dầu cao

áp, cửa sổ bakelite Mỗi hãng có tiêu chuẩn bề dày vật liệu vỏ ống khác nhau nên

“bộ lọc sẵn có” có bề dày tương đương 0,5mm→1mm Al

Bộ phận thứ hai là một tấm kép nhôm – đồng đặt sau đầu phát tia X có bề dày cực tiểu d phụ thuộc vào điện thế cực đại sử dụng trong ống phát tia X (nhưng thông thường d2,5mmđối với điện áp từ 70kV trở lên) Bộ lọc này loại bỏ những tia X có thể xuyên qua “bộ lọc sẵn có” nhưng năng lượng không đủ lớn để đóng góp vào việc tạo ảnh hiệu quả trên phim Bộ lọc có thể loại bỏ hiệu quả những tia X năng lượng thấp nhưng đồng thời cũng đòi hỏi công suất tia X cao hơn

1.2.3 Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator)

Chùm tia X đi ra từ ống phát là chùm tia phân kỳ do đó khi đến cơ thể bệnh nhân mức độ phủ của chùm tia sẽ lớn hơn giá trị cần thiết cho việc ghi nhận hình ảnh (FOV – field of view) Điều này dẫn đến hai vấn đề nảy sinh: thứ nhất là tăng liều chiếu trên người bệnh không cần thiết, thứ hai là làm tăng ảnh hưởng photon tia

X tán xạ Compton lên phim

Để thay đổi kích thước hình học của chùm tia người ta sử dụng hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) là bộ phận gồm nhiều tấm chì có thể trượt lên nhau dùng để giới hạn chùm tia đặt giữa vùng phát tia và cơ thể bệnh nhân

Hình 1.17 Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn

Hệ chuẩn trực của ống tia X được nối với đầu ra ống tia X nhờ một khớp xoay cho phép thay đổi vị trí của nó Một nguồn sáng khả kiến được bố trí bên trong

hệ chuẩn trực xem như một vết tiêu ảo, phát ra ảnh sáng đi đến gương phản xạ đặt nghiêng góc 450 (hình1.17) Ánh sáng phản xạ từ gương đi ra khỏi bộ chuẩn trực và cho một trường che phủ trùng với trường che phủ của tia X Nhờ quan sát trường chiếu của ánh sáng khả kiến này ta có thể biết được kích thước trường chiếu tia X

để có những điều chỉnh thích hợp Trường chiếu tia được xác định nhờ các tấm chì sắp xếp như hình 1.17

Thông thường có hai hệ thống chuẩn trực đầu đèn Đặt gần đầu phát tia X hơn là hệ chuẩn trực đầu đèn dạng cố định, có tác dụng làm giảm độ hỗn loạn của tia X được tạo ra và giới hạn vùng chiếu hình học Hệ thống chuẩn trực thứ hai đặt ngay sau hệ thứ nhất có tác dụng làm giảm liều chiếu cho bệnh nhân được gọi là hệ chuẩn trực dạng điều chỉnh được

Tùy theo tiêu chuẩn của mỗi hãng mà cấu trúc bề dày của các lớp chì trong

bộ chuẩn trực sẽ có sự khác nhau Máy X quang khảo sát ở bệnh viện nhi đồng sử dụng bộ chuẩn trực loại R20–J của hãng Shimadzu có cấu tạo như hình 1.18 gồm ba lớp chì

Lớp chì phía trước (front leaf) gồm bốn lá chì di động bề dày 3 mm, nằm mặt dưới collimator đóng vai trò chính trong việc xác định kích thước trường chiếu Lớp chì ở giữa (middle leaf) gồm bốn lá chì di động bề dày 2mm đóng vai trò loại bỏ các bức xạ rò rĩ Lớp chì trong cùng (inner leaf) gồm bốn lá chì cố định bề dày 2mm

có vai trò làm giảm bức xạ “off focus” (bức xạ tạo ra khi electron đập vào anode ngoài vị trí tiêu điểm) Giữa lớp chì giữa và chì trong cùng có một tấm Al (0,5mm) đóng vai trò là bộ lọc bổ sung Bên ngoài vỏ collimator có núm điều khiển để thay đổi khoảng cách giữa các lá chì thuộc lớp chì trước và chì giữa nhằm thay đổi kích thước trường chiếu

Hình 1.18 Mặt cắt ngang bộ chuẩn trực loại R20–J của hãng Shimadzu

Trong một số máy X quang hiện đại có hệ chuẩn trực tối ưu là hệ chuẩn trực

có khả năng tự động giới hạn kích thước trường chiếu nằm trong diện tích đón nhận

của detector Bộ cảm biến cơ học nằm trong giá đỡ casset chứa phim sẽ dò tìm kích thước của casset và tự động điều chỉnh các lá chì trong hệ chuẩn trực sao cho trường chiếu tia trùng khớp với kích thước của casset chứa phim

Bên cạnh hệ chuẩn trực đầu đèn, một hệ chuẩn trực khác cũng được sử dụng đặt ngay sau bệnh nhân có tác dụng hấp thụ những tia tán xạ trên bệnh nhân, giảm nhiễu và xảo ảnh cho hệ thống

Một số bộ phận khác được bổ sung trong cấu trúc tổ hợp ống phát nhằm thực hiện một số chức năng khác trong quá trình phát tia X Cảm biến nhiệt dùng để dừng hoạt động của ống phát khi nhiệt độ dầu và buồng chứa vượt ngưỡng cho phép

1.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X

1.3.1 Nguyên lý tạo tia X

Khi cho một chùm electron có vận tốc khá lớn đập vào anode làm bằng kim loại nặng (Vonfram), tương tác này làm phát ra bức xạ tia X

Có hai dạng tương tác tạo ra tia X, dạng thứ nhất là khi electron tương tác với lớp vỏ electron của nguyên tử kích thích sự chuyển mức năng lượng Trạng thái kích thích có năng lượng Ei phát ra các tia X dạng phổ vạch trong sự chuyển mức

EiEk có bước sóng ik đặc trưng cho vật liệu làm anode Các tia X này vì vậy còn được gọi là các tia X đặc trưng Dạng thứ hai bức xạ tia X có phổ năng lượng liên tục (còn gọi là bức xạ hãm) khi electron tương tác trực tiếp với trường điện từ của hạt nhân nguyên tử

1.3.1.1 Bức xạ hãm

Khi các electron mang năng lượng đi qua vật liệu có nguyên tử số (Z) lớn bị làm lệch hướng dưới tác dụng của trường thế Coulomb của hạt nhân mang điện tích dương Theo lý thuyết điện động lực học, các hạt mang điện khi tăng tốc hay giảm tốc sẽ phát ra bức xạ với năng lượng tỉ lệ với bình phương của gia tốc Các electron này phát ra một bức xạ có phổ liên tục trên một dải rộng với sự phân bố cường độ phụ thuộc vào năng lượng của electron tới Bức xạ phát ra như vậy được gọi là

Bremsstrahlung theo tiếng Đức có nghĩa là bức xạ hãm hay bức xạ do làm chậm các hạt mang điện

Một electron trước khi dừng lại có thể phát ra nhiều photon, năng lượng phát

ra phụ thuộc vào khoảng cách tương tác giữa electron và hạt nhân, năng lượng giảm khi tăng khoảng cách Trong hình 1.19 electron số 2 tương tác với hạt nhân ở khoảng cách gần hơn electron số 3 nên bức xạ hãm phát ra đối với tương tác của electron số 2 lớn hơn đối với electron số 3 Rõ ràng là photon với năng lượng cực đại được tạo ra khi electron mất hết động năng trong một quá trình tương tác duy nhất, trong hình 1.19 là electron số 1 Trường hợp này xảy ra khi electron tiến tới rất gần với hạt nhân va chạm với hạt nhân và đánh mất tất cả động năng của mình Photon phát ra có năng lượng chính bằng động năng của electron, tức nếu electron

có động năng 100keV thì photon phát ra sẽ có năng lượng đúng bằng 100keV

Xác suất để electron va chạm trực diện với hạt nhân thì cực kỳ hiếm, vì ở thang đo nguyên tử, trong một nguyên tử vùng không gian trống chiếm phần lớn, tiết diện hạt nhân thì cực nhỏ Do đó tia X năng lượng thấp được tạo ra nhiều hơn,

và số lượng tia X năng lượng cao giảm gần như tuyến tính với giá trị năng lượng của electron tới

Hình 1.19 Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia

Phổ bức xạ hãm mô tả sự phân bố của photon tia X như là một hàm của năng lượng Phổ bức xạ hãm sau khi chưa qua bộ phận lọc tia có dạng dốc theo mối quan

hệ giữa số lượng và năng lượng tia X tạo ra, năng lượng cực đại được quyết định bởi giá trị điện áp đỉnh (kVp) đặt vào ống tia X Khi có bộ lọc tia thì các tia X năng lượng thấp bị hấp thụ, do đó phổ tia X lúc này có dạng như hình 1.20.

Hình 1.20 Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90kVp

Nhân tố chính ảnh hưởng đến việc phát xạ tia X bao gồm: số nguyên tử của vật liệu bia, động năng của chùm electron tới (quy định bởi điện thế gia tốc) Tỷ số gần đúng của năng lượng mất đi cho việc phát bức xạ hãm và năng lượng mất đi trong các va chạm là:

ER: Năng lượng electron dùng vào việc phát bức xạ,

EL: Năng lượng electron mất đi trong va chạm,

EK : Động năng của electron tính theo keV,

Z: Số hiệu nguyên tử của vật liệu anode

Ví dụ: đối với chùm electron năng lượng 100keV đến đập vào bia Vonfram (Z=74), tỷ số xấp xỉ của năng lượng bức xạ và năng lượng mất khi va chạm là:

% 9

 , điều đó có nghĩa là có hơn 99% năng lượng của electron chuyển

thành nhiệt Đối với electron có năng lượng 6MeV, tỉ lệ này là 54%, tức lượng nhiệt

không cần thiết tạo ra nhỏ hơn Như vậy, khi năng lượng của electron tăng lên thì hiệu suất phát tia cũng tăng lên

Điện tử sau khi vượt qua được hiệu điện thế U sẽ có năng lượng eU Khi va chạm với nguyên tử, một phần năng lượng được bức xạ ra dưới dạng phôtôn, một phần năng lượng truyền cho nguyên tử, chủ yếu biến thành nhiệt năng

T: nhiệt độ anode Tần số cực đại được xác định từ điều kiện cho rằng: một electron đập vào cathode sẽ phát ra một lượng tử, và toàn bộ động năng của electron dùng để tạo thành lượng tử Lúc đó ta có:

hfmax  e.U (1.8) min

hc eU

  (1.9) Với: Hằng số Plank h=6,625.10-34

J.s Điện tích electron e=1,6.10-19C

nhọn đó chỉ phụ thuộc vào điện áp gia tốc U và hoàn toàn đặc trưng cho vật liệu làm anode Do đó, bức xạ này được gọi là bức xạ đặc trưng vì năng lượng của nó đặc trưng cho lớp electron trong nguyên tử Lúc đó cũng có nghĩa là năng lượng của điện tử gia tốc bằng hay lớn hơn một giá trị xác định đặc trưng trong chất làm đối

âm cực

Cơ chế tạo ra phổ tia X đặc trưng, có thể hình dung như sau: trong số các electron đập vào anode bị hãm lại, có những electron năng lượng lớn có thể xuyên sâu vào bên trong nguyên tử, va chạm với electron ở lớp trong cùng của nguyên tử làm cho electron này bật ra khỏi nguyên tử

Chổ trống mà electron vừa rời khỏi nguyên tử bị các electron ở lớp cao hơn xuống chiếm chỗ Quá trình chiếm chỗ diễn ra liên tiếp nhau kèm theo phát bức xạ photon h.

Hình 1.21 Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng

Trường hợp lớp K bị đánh bật đi một electron để lại một chỗ trống lập tức từ các lớp bên ngòai L, M, N electron sẽ chuyển xuống chiếm chỗ trống ở lớp K sẽ làm xuất hiện các vạch phổ K, K, K Tương tự như vậy nếu ở lớp L bị đánh bật đi một electron để lại một chỗ trống, thì từ các lớp vỏ ngoài M, N, O electron chuyển xuống chiếm chỗ kèm theo phát xạ các vạch phổ L, L, L và tương tự như vậy khi electron lớp ngoài chuyển xuống chỗ trống ở lớp M cho các vạch phổ

M, M, M

Trên hình 1.21 mô tả nguyên tử Vonfram với các lớp vỏ K, L, M Năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Vonfram ở các lớp K, L, M lần lựơt là 69,5keV, 12keV, 2keV Electron tới va chạm với một electron ở lớp K và làm bứt electron ra khỏi quỹ đạo, sau đó cả 2 electron bay ra khỏi nguyên tử Khi có sự thế chỗ các electron sẽ làm phát xạ ra 2 photon có năng lượng là 57,5keV (đây là năng lượng chênh lệch giữa lớp K và lớp L)

Mặt khác electron ở lớp vỏ ngoài M lại chuyển xuống thế chỗ trống của electron ở lớp L và làm phát ra photon có năng lượng và 10keV (phần năng lượng chênh lệch giữa lớp L và M) Như vậy, năng lượng tia X phát ra đặc trưng cho mức năng lượng của các lớp electron trong nguyên tử Vonfram

Để xác định bước sóng tia X đặc trưng, ta vận dụng biểu thức năng lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử phức tạp (Z>1) Vì chỉ có nguyên tử phức tạp mới cho phổ tia X (tức là chỉ có các nguyên tử với Z lớn)

Trong đó: R là hằng số Ritbe; c là vận tốc ánh sáng; Z là nguyên tử số của nguyên tố hóa học chế tạo nên cathode

Hình 1.22 Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử

Biểu thức trên gọi là định luật Moseley, công thức này đúng với các nguyên

tử có nguyên tử số Z>30 (tức là những nguyên tố từ trung bình đến các nguyên tố nặng) Mỗi dãy phổ đều có vạch đầu và vạch cuối gọi là vạch ranh giới Vạch đầu là

K, L, L… vạch cuối là K, L, M (hình 1.22)

Bức xạ đặc trưng cần thiết trong X quang chẩn đoán là bức xạ phát ra do sự dịch chuyển electron từ các lớp L, M, N (thậm chí electron ở bên ngoài nguyên tử) về lấp đầy lỗ trống ở lớp K Nếu gọi chỉ số  biểu thị lớp vỏ kề cận lớp K, và 

là lớp vỏ không kề cận và các dịch chuyển tương ứng là K và Kthì tia X ứng với



K mang năng lượng lớn hơn Đối với mỗi lớp vỏ, có những vạch năng lượng rời rạc của các lớp vỏ con là kết quả của sự tách năng lượng tinh tế của tia X đặc trưng Đối với Vonfram, có 3 vạch nổi bật trên nền phổ liên tục là K1, K2, K1 như trong hình 1.22

Những vạch bức xạ đặc trưng không phát ra bởi sự dịch chuyển về lớp K thì không quan trọng trong chụp X quang chẩn đoán vì chúng gần như bị suy giảm khi

đi qua cửa số ống phát tia và bộ lọc Bảng 1.1 liệt kê các giá trị năng lượng liên kết của các electron ở lớp K tương ứng với năng lượng bức xạ đặc trưng của lớp K ứng với một số vật liệu anode thông dụng

Bảng 1.1 Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode

Số lượng tia X đặc trưng so với tia X bức xạ hãm tăng theo năng lượng electron tới,

ví dụ với điện áp đỉnh 80kVp, có khoảng 5% tổng số tia X phát ra là bức xạ đặc trưng, với điện áp 100kVp thì tỉ lệ này tăng lên 10% Việc tạo ra tia X đặc trưng hầu như là kết quả của tương tác giữa electron – electron, tuy nhiên tương tác giữa bức

xạ hãm và electron thông qua hiệu ứng quang điện cũng có thể làm phát ra tia X đặc trưng

CHƯƠNG 2

AN TOÀN BỨC XẠ PHÒNG X QUANG 2.1 Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa [4], [12]

Sự khác nhau cơ bản giữa bức xạ hạt nhân và các bức xạ thông thường như nhiệt và ánh sáng là ở chỗ bức xạ hạt nhân có năng lượng đủ lớn để gây ion hóa Sự ion hóa những phân tử nước (thành phần chủ yếu của các phân tử cấu tạo nên tế bào) có thể dẫn đến những thay đổi bên trong phân tử và tạo ra các loại hợp chất gây hại cho các nhiễm sắc thể Sự hủy hoại này thể hiện ở sự biến đổi về cấu trúc và chức năng của phân tử Trong cơ thể người, sự hủy hoại này biểu lộ qua các triệu chứng bệnh lý như ốm mệt do phóng xạ, đục thủy tinh thể hoặc về lâu về dài là ung thư

2.1.1 Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa lên cơ thể sống

Dưới tác dụng của bức xạ ion hóa, tổ chức sống trải qua hai giai đoạn biến đổi: giai đoạn hóa lý và giai đoạn sinh học

2.1.1.1 Giai đoạn hóa lí

Giai đoạn này thường xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn Trong giai đoạn này các phân tử sinh học cấu tạo tổ chức sống chịu tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp của bức xạ ion hóa

a Giai đoạn vật lí

Bức xạ ion hóa trực tiếp truyền năng lượng và gây nên quá trình kích thích

và ion hóa các phân tử sinh học dẫn đến tổn thương các phân tử đó, kéo dài chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn (10-16 giây) Quá trình ion hóa trực tiếp tổ chức sống được mô tả bởi phương trình

H2O  H2O+ + e

-b Giai đoạn hóa – lí

Kéo dài khoảng 10-6

giây, trong đó các e- được tạo ra có thể bị bắt bởi một nguyên tử khác để tạo ra ion âm Trong giai đoạn này các ion tương tác với các phân tử nước tạo thành một số sản phẩm mới

Ví dụ, một ion dương sẽ bị tách rời ra: