Kiểm định và đánh giá an toàn bức xạ cho máy x quang mobile

1.2 Sự Tương Tác Của Electron Trong Môi Trường Vật Chất: Khi một chùm electron đi vào môi trường vật chất, các electron này sẽ mất năng lượng do sự va chạm và sự bức xạ năng lượng.. Ngư

CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề Tài:

KIỂM ĐỊNH VÀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ

CHO MÁY X-QUANG MOBILE

SVTH : NGUYỄN THỊ CẨM TÚ GVHD: LƯƠNG KIM HOÀNG NGUYỄN THIỆN ĐẠT ÂN GVPB : THS NGUYỄN ĐÌNH GẪM

TP.HCM -2007

LỜI CẢM ƠN

Thông qua Khoá Luận Tốt Nghiệp này, với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất Em xin gởi đến:

Quý Thầy Cô giai đoạn Đại Cương

Quý Thầy Cô Khoa Vật Lý-Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức khoa học rất bổ ích

Em chân thành cám ơn Thầy Lương Kim Hoàng, người đã giúp em lựa chọn đề tài này

Đặc biệt, em chân thành cảm ơn anh Nguyễn Thiện Đạt Ân, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình, giúp đỡ em hoàn thành Khoá Luận này

Và sau cùng, em chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Đình Gẫm đã nhiệt tình đọc và góp ý, góp phần làm cho khóa luận của em hoàn chỉnh hơn

Qua đây em cũng xin cảm ơn Gia Đình và bè bạn đã động viên tinh thần, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện Khoá Luận và học tập ở trường

Sinh viên thực hiện Khoá Luận Nguyễn Thị Cẩm Tú



Chương 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY X-QUANG MOBILE ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

2.3 Cánh tay hình chữ C và hệ thống lưu trữ dữ liệu 16

2.3.1 Cánh tay di động hình chữ C (C-arm) 17

2.3.1.2 Ảnh khuyếch đại với ống Camera tích hợp CCD 21 2.3.1.3 Detector bảng phẳng trên cánh tay C-arm 22

2.3.3.2 Collimater sơ cấp và Collimater xác định

2.4 Hệ thống khống chế và kiểm soát liều lượng 32

2.4.2 Điều khiển và kiểm soát sự đồng dạng của chùm tia 33

Chương 3: NỘI DUNG ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG MÁY X-QUANG

3.2.3 Bộ phận chỉ thị khoảng cách quang học ODI 36 3.2.3.1 Mối liên hệ giữa trường sáng và trường xạ 37 3.2.3.2 Cách kiểm tra khoảng cách quang học 37

3.3.1 Độ ổn định suất liều ra của chùm phôton 38

3.3.3.1 Phương pháp đo liều bằng nhiệt huỳnh quang 40 3.3.3.2 Phương pháp đo liều bằng Diode Silicon 40

Chương 4: VẤN ĐỀ AN TOÀN BỨC XẠ (ATBX) TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

4.2 Các nước có cơ sở hạ tầng bức xạ tương tự Việt Nam 43

Chương 5: QUI TRÌNH KIỂM CHUẨN-ĐÁNH GIÁ AN TOÀN BỨC XẠ CHO MÁY X-QUANG MOBILE

5.1 Giới thiệu 50 5.2 Các thông số kỹ thuật chính của máy X-quang Mobile 50

5.2.10 Độ trùng hợp giữa trường sáng và trường xạ 55

5.3.4 Kiểm tra cường độ dòng phát tia của bóng X-quang 62

5.3.7 Kiểm tra kích thước tiêu điểm hiệu dụng của bóng

5.3.9 Kiểm tra độ trùng hợp giữa trường sáng và trường xạ 69 5.3.10 Đánh giá HVL và chiều dày tấm lọc tổng cộng

5.3.11 Xác định liều bệnh nhân theo tiêu chuẩn BSS 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của năng lượng vào số đếm với vật liệu làm bia 4

Hình 1.5: Phổ bức xạ đặc trưng kết hợp với phổ bức xạ hãm 6 Hình 1.6: Chùm tia bức xạ phát ra từ một nguồn điểm 8 Hình 1.7: Mô hình Diaphragm tạo kích thước trường chiếu 9

Hình 2.2: Cánh tay C-arm và hệ thống giường điều trị 14

Hình 2.6: Nguyên tắc hoạt động của bộ khuyếch đại ảnh tia X 20

Hình 2.10: Quá trình chuyển đổi chùm photon thành chùm electron 24

Hình 2.12: Nguyên tắc hoạt động của Detector bảng phẳng 25

Hình 2.14: Chất lượng ảnh với lớp “siêu nhạy “ ánh sáng 27

Hình 2.15: Ảnh “Blooming” 27

Hình 5.2 : Những lá Nhôm (Al) được chèn trước Collimator 52

Hình 5.5: Kích thước tiêu điểm hiệu dụng đặt lệch một góc θ

Hình 5.6: Liều bệnh nhân bao gồm tia X tới và tán xạ 56

Hình 5.11: Ảnh viên bi kiểm tra độ đồng trục chùm tia 68 Hình 5.12: Thiết bị kiểm tra độ trùng hợp giữa trường sáng và trường xạ 70

CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

XRF: X-ray Fluorescent

MVF: Mobile Vision Flat

DSA: Digital Subtraction Angiography

DAC: Digital Analog Conversion

CCD: Charge Coupled Device

FFDM: Full Field Digital Mammography

DQE: Detective Quantum Effiency

SNR OUT: Signal To Noise Ratio At The Radio Output

SNR IN: Signal Noise Ratio At The Radio Input

AFC: Automatic Frequency Control

QC: Quality Control

QA: Quality Assurance

AERB: Atomic Energy Regulatory Board

BSS: Basic Standard Safety

SSD: Source To Skin Distance

SSDL: The Secondary Standard Dosemetry Loboratory

ODI: Optical Divice Indicator

MU: Monitor Unit

PCB: Printed Circuit Boards

ALARA: As Low As Resonably Achievable

TSD: Source To Skin Distance

MCP: Micro Channel Plate

SCD: Source Chamber Distance

TFD: Target To Film Distance

Film “M”: Monochromatic

Film “O”: Orthochromatic

CAS: Computer Aided Surgery

LỜI NÓI ĐẦU

Sử dụng đặc tính của tia X trong chẩn đoán hình ảnh là một lĩnh vực

ứng dụng Vật Lý Hạt Nhân trong y học Hiện nay do xã hội hoá và nhu cầu

của người dân trong cuộc sống ngày một nâng cao Theo đó, nhu cầu được khám và điều trị bệnh bằng các phương tiện chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật cao là một nhu cầu thiết yếu của người dân Đứng trước tình hình đó các thiết bị chẩn đoán hình ảnh hiện đại như máy CT cắt lớp, máy MRI, máy X-quang di động ra đời hàng loạt

Để sử dụng được các thiết bị này, đòi hỏi các bác sĩ, kĩ sư và các vận hành viên làm việc trong môi trường bức xạ phải có những kiến thức cơ bản nhất định về Vật Lý Hạt Nhân nói chung và về an toàn bức xạ (ATBX) nói riêng

Song song với việc ứng dụng các thiết bị bức xạ phục vụ cho việc khám, chữa bệnh thì một yêu cầu thiết yếu được đặt ra là việc bảo quản, bảo dưỡng định kỳ và đặc biệt là quá trình kiểm định chất lượng máy là hết sức cần thiết Để đảm bảo rằng các thiết bị luôn hoạt động ổn định nhằm bảo

vệ tối đa sức khoẻ của bệnh nhân và nhân viên bức xạ

Trong Khoá Luận này, em trình bày 5 chương:

Chương 1: Những vấn đề cơ bản trong chẩn đoán hình ảnh

Chương 2: Giới thiệu máy X-quang Mobile ứng dụng trong y học

Chương 3: Nội dung đảm bảo chất lượng máy X-quang

Chương 4: Vấn đề an toàn bức xạ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Chương 5: Qui trình kiểm chuẩn-đánh giá an toàn bức xạ cho máy quang Mobile dùng trong chẩn đoán

X-Trong thời gian thực hiện Khoá Luận, tác giả đã nghiên cứu nhiều tài liệu trong và ngoài nước Do đó, đề tài này có thể dùng làm tài liệu tham khảo hay giảng dạy cho học phần ứng dụng Hạt Nhân Trong Y Học



CHƯƠNG 1

NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA VẬT LÝ TRONG

CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH 1.1 Giới Thiệu:

Chẩn đoán hình ảnh là một lĩnh vực ứng dụng Vật Lý Hạt Nhân vào y học và có thể nói đây là một lĩnh vực không thể thiếu trong nền y học hiện đại ở một nước phát triển Trong lĩnh vực này đòi hỏi các bác sĩ, các kĩ sư vật lý và các vận hành viên X-quang phải có những kiến thức cơ bản về Vật Lý Hạt Nhân Các chùm tia bức xạ, các vấn đề an toàn và liều lượng là những kiến thức rất cần thiết đối với người làm công tác bức xạ

Trong chương này sẽ trình bày các khái niệm do các hiện tượng vật lý vi mô được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh Đồng thời nêu ra một số thuật ngữ dùng trong chẩn đoán cũng như trong xạ trị Bên cạnh đó một số tác nhân tạo bởi các hiệu ứng vật

lý ảnh hưởng lên bệnh nhân cũng được giới thiệu chung nhất trong chương này

1.2 Sự Tương Tác Của Electron Trong Môi Trường Vật Chất:

Khi một chùm electron đi vào môi trường vật chất, các electron này sẽ mất năng lượng do sự va chạm và sự bức xạ năng lượng Trong đó, năng lượng của electron mất

đi do ion hoá, mất do sự kích thích và do các hiện tượng nhiệt được gọi là sự mất năng lượng do va chạm Ngược lại, năng lượng electron mất đi để tạo ra những dạng năng lượng mới như photon, bức xạ đặc trưng và bức xạ hãm phát ra từ môi trường vật chất được gọi là sự mất năng lượng do bức xạ Năng lượng electron mất đi do va chạm là năng lượng của electron đã bị hấp thụ trong môi trường vật chất và năng lượng electron mất đi để tạo ra các bức xạ dạng photon Vì vậy, trong trường hợp này ta có các nguồn phát tia X chính là phần năng lượng của electron được chuyển sang tia X, số lượng photon phát ra tỉ lệ với bậc số nguyên tử của vật liệu bia và tỉ lệ với độ lớn năng lượng của electron thứ ba ( electron ở các lớp ngoài dịch chuyển về lấp lỗ trống)

Hình 1.1: Sự tương tác của electron với vật chất

1.3 Phân Loại Bia Tia X:

Dựa vào sự bức xạ tia X khi cho các chùm electron tương tác vào môi trường vật chất, khi đó ta có các nguồn phát tia X Trong trường hợp cho chùm electron tương tác với các bia mỏng các electron này phát ra không gian xung quanh theo những hướng khác nhau sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào năng lượng chùm electron tương tác Sự phân bố cường độ chùm tia X phát ra trong không gian như vậy được gọi là sự phân bố góc của tia X Dựa vào sự phân bố góc của tia X người ta có được hai kiểu bia tia X khác nhau

đó là: bia phản xạ và bia truyền qua

Với chùm electron năng lượng thấp (chùm tia X được phát ra theo hướng vuông góc với hướng của chùm electron tương tác) Do đó, tại những mức năng lượng thấp bia tia X được gọi là bia phản xạ và ở những mức năng lượng cao hơn tia X sẽ phát ra theo hướng chùm electron tới và được gọi là bia truyền qua

Hình 1.2: Bia tia X

1.4 Phổ Năng Lƣợng Chùm Photon:

Trong chẩn đoán hình ảnh, năng lượng chùm photon đóng vai trò rất quan trọng

vì nó quyết định sự phân bố liều và tạo ảnh tia X lên phim Do đó, việc nghiên cứu năng lượng chùm tia X là một công việc tất yếu của các nhà vật lý học Như đã đề cập

ở trên trong quá trình tương tác của electron trong môi trường vật chất, khi electron tương tác với môi trường tĩnh điện của hạt nhân nguyên tử và các electron ở vỏ nguyên

tử, chúng sẽ phát bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng Do đó, phổ năng lượng tia X sẽ là

sự chồng chất của hai loại bức xạ trên Năng lượng bức xạ hãm phụ thuộc vào năng lượng electron mất đi trong quá trình tương tác đó, điều này phụ thuộc vào điện tích của hạt nhân và khoảng cách của sự tương tác (khoảng cách từ electron đến nhân) Với một vật liệu làm bia cho trước, năng lượng photon phát ra sẽ phụ thuộc vào khoảng cách tương tác Nếu khoảng cách tương tác rất nhỏ (tương tác trực diện) thì toàn bộ năng lượng của electron chỉ truyền sang cho một photon Vì vậy, khi cho một chùm

electron tương tác với một bia Tungsten người ta thấy rằng phổ năng lượng của chùm

tia X sinh ra là một dải liên tục có năng lượng từ 0 đến năng lượng cực đại tức là sự phân bố năng lượng là liên tục Đối với bức xạ đặc trưng, năng lượng của bức xạ đặc trưng phụ thuộc vào bậc số nguyên tử của vật liệu làm bia Tóm lại, năng lượng photon

sinh ra từ sự tương tác giữa electron và hạt nhân nguyên tử phụ thuộc vào năng lượng cực đại của electron và cấu trúc năng lượng của vật liệu bia

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của năng lượng vào số đếm với vật liệu làm bia Việc phân tích và xây dựng phổ năng lượng tia X được dựa trên cả hai lĩnh vực lý thuyết và thực nghiệm Phổ bức xạ hãm được xây dựng từ lý thuyết bia mỏng như sau: Theo lý thuyết này, ta cho một chùm electron tương tác với một bia đủ mỏng để trung bình mỗi electron đều chịu một sự tương tác Phổ năng lượng photon từ bia mỏng này

là một đường nằm ngang từ 0 đến E1 Điều này cho thấy rằng, các photon được tạo ra ở các mức năng lượng từ 0 đến E1 có xác suất bằng nhau Năng lượng trung bình của electron sau khi vượt qua bia mỏng sẽ nhỏ hơn và bằng E2 Những electron này lại được cho tương tác với bia mỏng thứ hai Phổ năng lượng thu được sẽ tương tự như trên và có năng lượng cực đại là E2 Phổ năng lượng tổng sẽ là tổng của hai quá trình này Và quá trình trên được lặp đi lặp lại cho tới khi toàn bộ năng lượng của electron bị

mất hết Kết quả phổ năng lượng là tổng của tất cả các phổ năng lượng riêng biệt Do

đó, phổ năng lượng là một đường thẳng

Hình 1.4: Phổ năng lượng tia X Tương tự ta có thể dự đoán, phổ bức xạ hãm cho một bia dày sẽ là một đường thẳng có số photon nhiều nhất tại năng lượng thấp nhất và có số photon ít nhất tại năng lượng cực đại Sau đó, phổ bức xạ đặc trưng sẽ được kết hợp với phổ bức xạ hãm hình thành một dãy những đầu nhọn

Hình 1.5: Phổ bức xạ đặc trưng kết hợp với phổ bức xạ hãm Phổ năng lượng thực nghiệm của một chùm tia X được ghi nhận và biểu diễn cùng phổ lý thuyết để so sánh Giữa hai phổ thực nghiệm và lý thuyết có cùng điểm năng lượng cực đại, nhưng trong phổ tia X thực nghiệm vùng năng lượng thấp bị suy giảm mạnh Sự suy giảm này là do các photon năng lượng thấp đã bị hấp thụ trong bia hoặc trong các tấm lọc và được gọi là sự tự lọc của hệ thống

Tóm lại, phổ bức xạ tia X gồm hai thành phần chính: bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng Trong đó bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục, còn bức xạ đặc trưng có phổ gián đoạn Phổ năng lượng bức xạ hãm có giá trị từ 0 đến giá trị cực đại của chùm tia tới và giá trị năng lượng cực đại này bằng điện thế gia tốc chùm tia của máy X-quang Cuối cùng, hầu hết những photon năng lượng thấp đều bị hấp thụ bởi sự tự lọc

1.5 Chất Lượng Chùm Photon:

Chất lượng của chùm photon là một thuật ngữ để chỉ khả năng xuyên thấu của chùm photon Một chùm tia chất lượng tốt là chùm tia có khả năng xuyên thấu cao (khả năng đâm xuyên mạnh) Chất lượng của chùm tia chủ yếu phụ thuộc vào sự phân bố năng lượng chùm phôton Với một chùm tia đơn năng, năng lượng của chùm photon là một sự mô tả đầy đủ về chùm tia đó Nhưng với chùm tia không đơn năng (phổ năng lượng liên tục) thì những hiểu biết về năng lượng photon là rất cần thiết để xác định chất lượng chùm tia

1.6 Chùm Tia Bức Xạ Và Trường Bức Xạ:

Một chùm tia bức xạ về mặt nào đó được xem là một chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn điểm và có hai đặc tính quan trọng:

- Tiết diện chùm tia tỉ lệ với bình phương khoảng cách từ nguồn

- Cường độ chùm tia tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tương ứng

Trong một máy xạ trị dùng nguồn bức xạ (trong máy Coban-60) hay là bia tia X (trong các máy gia tốc hay các máy X-quang…) Tuy nhiên, dù là nguồn đồng vị hay

hiệu dụng có góc khối vuông góc với bề mặt cần chiếu và từ đó cho ta trường bức xạ (hay trường chiếu) Hai thông số quan trọng của trường bức xạ là hình dạng và kích thước trường hay diện tích của một chùm tia tại một khoảng cách cho trước từ nguồn Thông thường trường bức xạ là hình vuông hoặc tròn Về trường bức xạ, người ta đưa

ra khái niệm trường lý tưởng và được định nghĩa: Trường lý tưởng là vùng tiết diện

hay trường chiếu của một chùm tia mà tại đó suất liều chiếu tại bất cứ vị trí nào trong trường đều bằng nhau

Hình 1.6: Chùm tia bức xạ phát ra từ một nguồn điểm

1.7 Thiết Bị Bảo Vệ Và Xác Định Trường:

Để thu được chùm tia có kích thước và hình dạng như mong muốn, một máy quang đòi hỏi phải có các thành phần cơ bản sau: sự che chắn bảo vệ, Diaphragm,… Những thành phần này làm việc chung với nhau để tạo ra chùm bức xạ có hình dạng, kích thước phù hợp theo yêu cầu

X-1.7.1 Thiết bị che chắn bảo vệ:

Các nguồn chiếu xạ, bia tia X hay nguồn đồng vị đều phát bức xạ theo mọi hướng Ngoại trừ theo hướng chiếu của chùm tia hữu dụng Bất kỳ tia bức xạ nào phát

ra theo các hướng khác nhau đều là những tia không mong muốn và phải được che chắn lại Vì vậy, trong các máy phát tia X phải được bao bọc bởi những vật liệu hấp

thụ với bề dày thích hợp sao cho sự bức xạ không đáng kể xuyên qua và đáp ứng được yêu cầu về an toàn phóng xạ

1.7.2 Thiết bị tạo trường Diaphragm:

Một máy xạ trị hay máy X-quang luôn có khả năng tạo ra kích thước và hình dạng trường thay đổi được Trong đó, buồng nguồn, ống phát tia X có một góc mở cực đại

và tạo ra một trường bức xạ lớn nhất khi được yêu cầu và được gọi là thiết bị xác định trường sơ cấp Những thiết bị nhỏ hơn được xác định bởi một dụng cụ che chắn được gắn thêm vào buồng nguồn gọi là Diaphragm Bề dày của Diaphragm cho hầu hết máy

xạ trị và các máy X-quang phải đảm bảo sao cho sự truyền qua nhỏ hơn 1% của bức xạ

sơ cấp

Hình 1.7: Mô hình Diaphragm tạo kích thước trường chiếu Ngoài ra, Diaphragm được gắn với một Amplicator, khi đó kích thước và hình dạng của trường chiếu được thông qua Amplicator này Một Amplicator ngoài việc xác định kích thước và hình dạng trường bức xạ nó còn xác định hình dạng và kích thước trường tại một khoảng cách TSD tuỳ ý để làm giảm thiểu vùng bán dạ phụ

1.8 Sự Nhiễm Bẩn Electron:

Các bức xạ phát ra từ máy X-quang được xem là tinh khiết Tuy nhiên, trong các chùm bức xạ này luôn có sự hiện diện của các electron do sự tương tác của chùm photon với những cấu trúc như thiết bị xác định bức xạ sơ cấp và Collimator hay sự pha trộn của electron vào chùm photon Quá trình này được gọi là sự nhiễm bẩn electron Sự nhiễm bẩn này đã góp phần làm tăng liều ở bệnh nhân và đây là điều không mong muốn

Người ta không thể loại bỏ toàn bộ sự nhiễm bẩn của electron ra khỏi chùm tia được Tuy nhiên, có thể làm giảm thiểu ảnh hưởng của nó bằng hai phương pháp Thứ nhất là sử dụng bộ lọc để lọc chùm tia (bộ lọc được sử dụng là những tấm nhôm hoặc đồng có bề dày khác nhau) Song với phương pháp này, một vật liệu hấp thụ được đưa vào có thể hấp thụ electron thì chúng cũng có thể tạo ra electron theo hướng của chùm tia đó và dĩ nhiên làm bẩn chùm tia Do đó, một bộ lọc tốt là bộ lọc có vật liệu hấp thụ nhiều electron, hơn là sinh ra electron theo hướng chiếu của chùm tia Người ta nhận thấy những vật liệu có bậc số nguyên tử trung bình (khoảng Z = 50) là rất tốt để tạo nên các bộ lọc

Thứ hai là sử dụng không khí như là vật liệu hấp thụ electron Cũng như bộ lọc, không khí cũng có khả năng tạo ra electron và vì vậy không thể loại bỏ toàn bộ sự nhiễm bẩn electron ra khỏi chùm tia được

Nói chung khi sử dụng bộ lọc electron hay không khí điều phải chú ý đến khoảng cách an toàn cho bệnh nhân

1.9 Độ Phẳng Trường Chiếu:

Trong chẩn đoán hình ảnh, một chùm bức xạ với cường độ đồng đều trên toàn vùng tiết diện của các cơ quan cần chiếu, chụp là rất quan trọng vì nó đảm bảo mức liều đồng đều cho mỗi vị trí

Độ phẳng của trường được định nghĩa là sự thay đổi lớn nhất của cường độ chùm tia so với giá trị cường độ tại tâm chùm tia trong trường Độ phẳng của trường phụ thuộc vào ba hệ số: kích thước trường, khoảng cách từ nguồn và đặc tính tự nhiên của nguồn

Như vậy, dựa vào sự tương tác của bức xạ với vật chất người ta đã chế tạo ra nhiều hệ máy ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp và đặc biệt là trong y học Và hệ máy được trình bày trong chương 2 là hệ máy X-quang Mobile Hệ máy này đã dựa vào sự tương tác của bức xạ với vật chất để tạo ra tia X Tia X có khả năng đâm xuyên mạnh nên được dùng để chiếu điện, chụp điện, phát hiện chỗ nứt, chỗ có bọt trong máy móc Đặc biệt với tác dụng sinh lý, tia X được sử dụng

để chữa bệnh ung thư nông, vùng gần da Cùng với khả năng tạo ảnh của vật thể khi tia

X xuyên qua thì tia X được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh

CHƯƠNG 2

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY X-QUANG MOBILE

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 2.1 Giới Thiệu:

Máy X-quang được ứng dụng trong lâm sàng từ đầu thập niên 50 bằng cách sử dụng chùm electron hay chùm tia X và nó đã trở thành thiết bị chủ yếu tại nhiều trung tâm y tế cũng như Bệnh Viện Với mục đích ứng dụng trong lâm sàng các loại máy X-quang được thiết kế sao cho thoả mãn các yêu cầu sau:

- Năng lượng, cường độ chùm tia bức xạ có thể điều khiển theo ý muốn của nhà điều trị

- Đối với một chùm tia thì liều lượng phải đồng đều nhau tại các vị trí bên trong chùm tia và trên cơ thể bệnh nhân

- Liều lượng của thiết bị phải ổn định Không chỉ ổn định trong mỗi giai đoạn điều trị mà phải ổn định trong suốt thời gian sử dụng thiết bị

- Hướng chiếu của chùm tia bức xạ phải được điều chỉnh và thay đổi theo bất kỳ yêu cầu nào của phép điều trị

Hình 2.1: Sự thay đổi hướng chiếu của chùm tia

Trên đây là những yêu cầu đối với các máy X-quang truyền thống Tuy nhiên, các

hệ máy X-quang sử dụng trong chẩn đoán lâm sàng ngày nay kế thừa quá trình nghiên cứu trong suốt 30 năm qua Hiện nay, không chỉ một mà nhiều nước trên Thế Giới đã

có thể sản xuất máy quang ứng dụng trong lĩnh vực y học hạt nhân Do đó, máy quang hiện đại ra đời với hình dáng, kích thước và tính năng di động phù hợp cho quá trình chiếu, chụp những cơ quan, tổ chức nằm ở nhiều góc độ khác nhau để phù hợp với nhu cầu của người sử dụng

X-Với hệ máy X-quang truyền thống, đó là máy X-quang cố định, X-quang qui ước cho hình ảnh trên phim Trong những thập niên gần đây với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đã cho ra đời hệ máy X-quang Mobile Sở dĩ hệ máy X-quang này có tên như vậy là do toàn bộ hệ thống có thể di chuyển gọn nhẹ và đặc biệt nó có hai bộ phận với khả năng di động linh hoạt đó là: màn hình lưu trữ –hiển thị hình ảnh và cánh tay di động hình chữ C (C-arm)

Hình 2.2: Cánh tay C-arm và hệ thống giường điều trị

2.2 Sơ Lƣợc Về Hệ Máy X-Quang Mobile:

Máy X-quang Mobile đầu tiên được đưa vào sử dụng là C-arm Vision Flat, sau đó

là C-arm 8000, C-arm 3D Ngày nay máy X-quang đã có mặt ở hầu hết các Bệnh Viện hiện đại ở nước ta Song về số lượng vẫn còn hạn chế Chẳng hạn, Bệnh Viện Đa Khoa Phú Thọ đã được trang bị một máy C-arm Vista, Bệnh Viện Ung Bứu (một máy), Bệnh Viện Chợ Rẫy (2 máy),…

2.2.1 Máy X-quang Mobile Vision Flat:

Máy X-quang Mobile Vision Flat (MVF) là máy phát huỳnh quang tia X (XRF) lần đầu tiên C-arm được đưa vào sử dụng Kích thước ảnh 32, ma trận ảnh điểm trên màn hình monitor là 1024 x 1024 pixel, độ phân giải ảnh 1.61-3.21 pixel cho ảnh X-quang rõ nét, độ phân giải cao Vào thời điểm này, MVF được xem là hệ máy X-quang cung cấp ảnh chức năng hoàn hảo nhất

Ảnh chức năng là ảnh cho biết chức năng hoạt động bình thường hoặc bất thường của các tổ chức mô hoặc cơ quan trong đối tượng chụp

2.2.2 Máy X-quang Mobile 8000:

Với một hệ phát tia X cao tần kết hợp với máy ghi hình kĩ thuật số DSA và bộ khuyếch đại hình ảnh có đường kính 30 cm

Mobile 8000 có một tay cầm rất nhỏ trên C-arm, góp phần làm giảm trọng lượng của máy Kích thước của C-arm khá rộng đảm bảo cho quá trình chụp ảnh của các cơ quan, các tổ chức mô,… nằm ở các góc độ khác nhau một cách rõ ràng Trên C-arm được trang bị những cái khoá, giúp cho C-arm luôn ở vị trí cố định trong quá trình chiếu, chụp X-quang

Khi C-arm chuyển động luôn có một đối trọng ở mọi vị trí nhờ vào những cái khoá Chính phần đối trọng này cho phép chùm electron bức xạ phát ra chính xác Ngoài ra, với bán kính quỹ đạo 450, C-arm Mobile 8000 có thể chụp được hình ảnh ở mọi góc độ từ khớp gối đến chỉnh hình xương sống

C-arm được kết nối với hệ thống máy tính để tái tạo và hiển thị hình ảnh qua cổng DICOM Khi đó, tất cả dữ liệu ảnh của bệnh nhân sẽ được lưu lại trong bộ nhớ máy tính hoặc đĩa CD, không cần thông qua phim X-quang giúp cho việc chẩn đoán được nhanh chóng và chính xác Màn hình monitor có hai phần Phần bên phải hiện thị ảnh thu được khi C-arm chiếu chụp (hiển thị tối đa 16 ảnh), phần bên trái được sử dụng như một kính lúp quang học để phóng to ảnh cần quan sát trong 16 ảnh trên và truy xuất các ảnh đã được lưu trữ trên máy

Hình 2.3: Màn hình lưu trữ và hiển thị hình ảnh 2.2.3 Mobile C-arm 3D:

Tương tự các hệ máy X-quang Mobile trước đây, C-arm 3D cũng được kết nối với

hệ thống tái tạo ảnh (monitor) nhưng ảnh được tạo ra là ảnh 3 chiều (3D) C-arm 3D với một bộ khuyếch đại ảnh cực kỳ cao, góp phần tạo ảnh 3D rõ nét hơn Ngoài ra, một công nghệ mới được lắp đặt vào màn hình 3D đó là bộ cảm ứng Với bộ cảm ứng này, tất cả các nút điều khiển đều được vận hành bằng cách chạm nhẹ, không cần ấn mạnh giúp cho quá trình thao tác, cài đặt trở nên dễ dàng hơn

2.3 Cánh Tay Hình Chữ C (C-Arm) Và Hệ Thống Lưu Trữ Dữ Liệu (Monitor):

Dù các hệ máy X-quang Mobile có khác nhau về kích thước, kiểu dáng Song tất

cả chúng đều có hai bộ phận chính đó là: cánh tay di động hình chữ C (C-arm) cùng với hệ thống hiển thị và lưu trữ dữ liệu (Monitor)

2.3.1 Cánh tay di động hình chữ C (C-arm):

Cánh tay di động hình chữ C là thiết bị có hai đầu làm việc riêng biệt Một đầu phát tia X và đầu còn lại ghi nhận tia X Hai bộ phận này được đặt trên cùng một hệ thống có dạng cánh tay hình chữ C và có thể quay 3600 Vì vậy, hệ thống này được gọi

2.3.1.1 Bộ khuyếch đại với ống Camera:

Bộ khuyếch đại ảnh tia X là một ống thuỷ tinh gồm bốn phần cơ bản:

- Thứ nhất là màn hình ghi nhận tín hiệu (Input Screen) gồm một màn huỳnh quang (Fluorescent Screen) và catod quang điện (Photocathode)

- Thứ hai là thấu kính tĩnh điện (Electrostatic Lens)

- Thứ ba là anod tăng tốc (Accelerating Anode)

- Thứ tư là màn hình truy xuất (Output Screen)

Hình 2.4: Mô hình hệ thống chuyển đổi ảnh

Hình 2.5: Bộ chuyển đổi chùm tia X Input screen được phủ một lớp Caesium – Iodide (CsI), màn huỳnh quang này hút chùm electron của đầu phát tia X Chùm electron này sau khi qua lớp màn huỳnh quang vào sẽ trở thành những photon ánh sáng Những photon ánh sáng này đập vào catod quang điện làm phát ra các electron quang điện Các electron quang điện tiếp tục được gia tốc và làm hội tụ trước khi bay đến màn huỳnh quang ra Một điện thế 30 kV được tạo ra giữa anod tăng tốc và catod quang điện Sau đó, những thấu kính tĩnh điện sẽ lái chùm electron quang điện này bay từ cực âm đến cực dương tới màn huỳnh quang ra một cách chính xác Tại màn huỳnh quang ra ta có một chùm tia sáng có cường độ được khuyếch đại Số electron bức ra tỉ lệ với lớp huỳnh quang của Input Screen Vì chùm electron đuợc gia tốc khá mạnh nên chùm photon ánh sáng tạo ra ở Output Screen xấp

xỉ 50 lần chùm electron ban đầu

Hình 2.6: Nguyên tắc hoạt động của bộ khuyếch đại ảnh tia X

Ống Camera là một ống chân không có đường kính 2.5 cm, chiều dài 15 cm quấn quanh nó là những cuộn dây điều khiển Phía sau tấm kính của cửa sổ nhập (Input Window) được phủ một lớp truyền dẫn phóng xạ tia X và lớp chất bán dẫn cảm quang Chùm electron sẽ quét qua quét lại lớp chất bán dẫn này theo từng hàng, khoảng cách giữa các hàng có thể điều chỉnh được thông qua những cuộn dây điều khiển

Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động của ống Camera Tùy thuộc vào độ sáng của lớp huỳnh quang tại mỗi vị trí quét, mà một tín hiệu điện thế cao hơn hay thấp hơn được phát ra Nó tương tự như sóng video Sau đó tín hiệu tồn tại dưới dạng số hoá này được đưa tới hệ thống xử lý hình ảnh Cuối cùng ảnh này được xuất ra màn hình vi tính (Monitor)

2.3.1.2 Ảnh khuyếch đại với Camera tích hợp CCD:

Sau thế hệ Camera ống là Camera tích hợp CCD, với khả năng lưu dữ liệu tốt hơn Đặc biệt với độ khuyếch đại tinh vi hơn Vì vậy, Camera tích hợp cho chất lượng hình ảnh vượt trội so với Camera ống

Trên cánh tay C-arm hiện đại, với kích thước nền Silic (Si) vô cùng nhỏ 7.68 x 7.68 mm được trang bị khoảng một triệu con diode quang

Hình 2.8: Camera tích hợp CCD Một diode quang có kích thước rất nhỏ 7.5 x 7.5 ìm Một Camera tích hợp CCD

có khả năng lưu trữ điện tích trong những ô Sau đó những tín hiệu điện này được đọc

từ hàng này sang hàng khác, khoảng 30 frame/giây Khi đó, tín hiệu Analog đã được chuyển đổi thành tín hiệu Digital và đưa đến hệ thống xử lý ảnh

So với Camera ống, Camera tích hợp CCD chiếm một khoảng không gian nhỏ hơn vì trong Camera CCD không còn những cuộn dây điều khiển để lái chùm electron Tuy vậy, CCD vẫn có khả năng mô tả ảnh một cách nhanh chóng và trực tiếp

2.3.1.3 Detector bảng phẳng trên cánh tay C-arm:

Detector bảng phẳng là một máy dò tìm kĩ thuật số được bố trí để ghi nhận chùm photon phát ra mà không cần thông qua bộ chuyển đổi ADC hay DAC Về cơ bản có hai dạng Detector số hoá khác nhau Một là, nó làm việc với sự dò tìm trực tiếp của bức xạ tia X và một là làm việc với sự dò tìm gián tiếp của tia X

- Với một máy dò tìm trực tiếp : Những photon tia X đập vào lớp Selenium vô định hình rồi được chuyển trực tiếp thành những electron – lỗ trống

Hình 2.9: Chức năng của Detector Amorphous Selenium (a-Se) Trong lớp Selenium, một sự chênh lệch điện thế sẽ điều khiển những phần tử mang điện lên trên một điện cực

Với sự chuyển đổi trực tiếp này làm cho các photon ánh sáng không bị tán xạ Vì vậy, Detector Se với hiệu suất dò lượng tử rất cao lên đến 70% và độ phân giải sắc nét Với những đặc tính trên, Detector Se được sử dụng trong những hệ thống FFDM Tuy nhiên, do sự khác nhau về hệ số giản nở giữa thuỷ tinh và Selenium chính sự sai khác

này góp phần tạo ra những vết rạn nứt ở nhiệt độ dưới 100C và trên 700C Thêm vào

đó, lớp Selenium sẽ mất cấu trúc vô định hình ở nhiệt độ trên 700

C và không thể trở về cấu trúc vô định hình khi hạ nhiệt độ

- Với Detector gián tiếp: Những photon tia X đập vào lớp phát sáng nhấp nháy Caesium Iodide (CsI), rồi những photon này được chuyển thành photon ánh sáng Cuối cùng chùm photon ánh sáng này được đưa đến photodiode (photodiode này được làm bằng Silicon)

Hình 2.10: Quá trình chuyển đổi chùm photon thành chùm electron

Hình 2.11: Mặt cắt của lớp MCP Một khi lớp Silicon không còn nhạy với những photon tia X thì chất phát sáng nhấp nháy CsI được đưa vào để chuyển đổi năng lượng

Những phần tử nhạy riêng lẻ của từng ô được kích thích theo một đường thẳng, kết quả bóng của tia X được quét từ hàng này sang hàng khác và được đưa đến hệ thống xử lý ảnh

Hình 2.12: Nguyên tắc hoạt động của Detector bảng phẳng

Detector này có thể tuỳ chọn vùng điểm 19.8 x 19.8 cm (40 x 30 cm) ứng với ma trận ảnh 1024 x 1024 pixel (2048 x 1536 pixel), với kích thước mỗi ảnh điểm cỡ 194ìm

Với sự bố trí ảnh cực đại khoảng 30 ảnh/giây Do đó, 30 triệu ảnh điểm là thông tin xuất ra từ bộ nhớ hoặc thiết bị lưu trữ và được xử lý bằng một bộ lọc điện tử tích hợp với chiều rộng 14 bit Sau đó hình ảnh được hiển thị trên màn hình với chất lượng ảnh rõ nét

Detector Si có thể thu nhận thông tin một cách đầy đủ từ một đối tượng mà không

có sự mất mát nào Kết quả của dây chuyền tạo ảnh cách mạng này là tạo ra một chất lượng hình ảnh rõ nét, ảnh hưởng mức liều thấp và do đó làm giảm phóng xạ cho bệnh nhân và kĩ thuật viên cũng như bác sĩ

Một tham số mô tả hiệu suất chuyển đổi tín hiệu ở đầu vào và đầu ra của Detector

là hiệu suất ghi lượng tử (DQE) Hiệu suất ghi lượng tử được định nghĩa là thương số

giữa tín hiệu được ghi nhận ở đầu ra (SNROUT) với tín hiệu được ghi nhận ở đầu vào (SNRIN)

2 OUT IN

X

Hình 2.13: Chất lượng ảnh với DQE khác nhau Trong chẩn đoán có nhiều cơ quan, tổ chức cần được hiển thị những vùng sáng, tối cùng lúc Những ống động mạch hay tĩnh mạch được tái tạo với độ tương phản cao hơn Thậm chí nếu chúng bị chồng chập lên nhau bởi những cấu trúc hay những cơ quan khác nhau làm cho sự vôi hoá hay những tổn thương có mật độ rắn chắc trở nên

rõ ràng Hình ảnh xương sống, phổi và các khối u có thể được khuyếch đại rõ nét

Hình 2.14: Chất lượng ảnh với lớp “siêu nhạy “ ánh sáng Cũng ảnh trên, nhưng được ghi nhận bằng một bộ khuyếch đại hình ảnh truyền thống Khi đó, chất lượng ảnh bị bảo hoà ở tâm vòng tròn định vị, những đường viền trở nên mờ hơn và hiện tượng này được gọi là”Blooming”

Hình 2.15: Ảnh “Blooming”

Một đặc điểm nổi bật của Detector kĩ thuật số là có thể ghi nhận tín hiệu một cách hoàn chỉnh mà không cần bất kì một thấu kính quang học điện tử nào Từ trường trái đất cũng như từ trường nhân tạo đều không ảnh hưởng đến quá trình ghi nhận tín hiệu

2.3.2 Hệ thống chân không và làm nguội:

Cần tạo một vùng chân không trong ống phát tia X, để làm giảm tối đa sự tương tác của electron với các phân tử khí khi chúng đi từ catod sang anod Tác dụng của vùng chân không:

- Giảm sự mất mát năng lượng của electron tới anod

- Giảm đi sự nóng lên của ống phát tia X

2.3.2.1 Hệ thống chân không:

Hệ thống chân không cao là điều cần thiết khi gia tốc electron vì nó hạn chế sự va chạm của chùm electron với các phân tử khí Giữa vùng chân không và không khí được ngăn cách với nhau bởi lớp vỏ bọc hoặc các cửa sổ

Áp suất không khí trong ống chân không đạt giá trị cực đại cỡ 1.3 x 10-3 Pa hoặc

để đảm bảo độ chính xác trong việc kiểm soát nhiệt độ để ổn định hoạt động

Ví dụ, để có sự cộng hưởng tần số ta sử dụng hệ thống kiểm soát tần số nhằm làm giảm sự thay đổi của tần số do yếu tố giản nở vì nhiệt gây ra Như vậy, việc kiểm soát chính xác nhiệt độ của các bộ phận là điều kiện tiên quyết mà hệ thống kiểm soát tần số

tự động (AFC) mang lại

Mặc dù mỗi bộ phận cần đòi hỏi sự làm nguội khác nhau, nhưng để sử dụng hiệu quả thì đòi hỏi những thành phần cần được làm lạnh phải ở nhiệt độ cố định

Được gắn với C-arm là hệ thống làm lạnh tiên tiến, cho phép kéo dài thời gian chiếu, chụp trên những cơ quan có yêu cầu cao trong thủ tục tạo ảnh như mạch máu, tim và ứng dụng nội soi Để quản lý nhiệt, người ta sử dụng một chu trình khép kín và

sự trao đổi nhiệt xảy ra bên trong ống phóng điện tử Sự trao đổi nhiệt được gia tăng đến một mức cao khi đó nhiệt được tạo ra tại cánh tay di động (C-arm) Hầu hết khả năng làm lạnh này tăng lên ba lần so với các thiết bị làm lạnh truyền thống Không giống sự làm lạnh như quạt, hệ thống làm lạnh được gắn trên C-arm không bị ảnh hưởng bởi tổng số chất dẻo được quấn quanh đầu ống

2.3.3 Đầu máy phát tia X:

Đầu máy phát tia X là một bộ phận của máy X-quang Mobile dùng để tạo ra hai loại chùm tia (tia X và electron) để điều trị cho bệnh nhân Để chùm tia phát ra đi theo