Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường

Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường Tổng quan về kiểm tra thiết bị x quang chẩn đoán y tế thông thường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN

SVTH : Trương Thùy Dương

CBHD : ThS Nguyễn Văn Hòa

CBPB : ThS Lê Công Hảo

MSSV : 0813024

TP HỒ CHÍ MINH – 2012

iii

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành chương trình cử nhân và viết khóa luận này, ngoài những nỗ lực của cá nhân, tôi còn nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của Quý Thầy Cô trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh

Trước hết, tôi xin chân thành cám ơn đến Quý Thầy Cô khoa Vật Lý, hơn hết là Quý Thầy Cô trong bộ môn Vật Lý Hạt nhân trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh là những người bạn đường trên con đường đi tìm tri thức, những người đã hướng dẫn, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Nguyễn Văn Hòa đã tận tình hướng dẫn tôi, tạo điều kiện quan sát thực tiễn để tôi có thể hoàn thành tốt khóa luận này Tôi xin hết lòng cám ơn Thạc sĩ Nguyễn Công Hảo đã xem, nhận xét và góp ý hoàn chỉnh khóa luận

Xin cám ơn những người bạn thân đã luôn cổ vũ, làm cho bốn năm đại học của tôi không tẻ nhạt mà luôn đầy niềm vui Tôi gửi lời cảm ơn đến người bạn đặt biệt Kap đã luôn đem đến cho tôi nguồn động lực để làm việc

Cám ơn các anh chị đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc thu thập tài liệu

Những lời cảm ơn sau cùng xin dành cho ba mẹ và em đã hết lòng yêu thương, quan tâm và luôn luôn ở bên tôi Con yêu mẹ và em lắm

Tp HCM, tháng 06 năm 2012 Trương Thùy Dương

iv

MỤC LỤC

Trang

LỜI CÁM ƠN iii

MỤC LỤC iv

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG iix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG MÁY X QUANG Y TẾ THÔNG THƯỜNG 3

1.1 Bức xạ điện từ 3

1.2 Nguyên lý tạo tia X 4

1.3 Phổ tia X 6

1.3.1 Bức xạ hãm (Bremstralung – Breaking Radiation) 7

1.3.2 Bức xạ đặc trưng 7

1.3.3 Bức xạ tổng hợp 8

1.4 Tương tác của tia X với mô của cơ thể 9

1.4.1 Tán xạ Rayleigh 10

1.4.2 Tán xạ Compton 10

1.4.3 Hiệu ứng quang điện 12

1.5 Sự suy giảm cường độ chùm tia X 13

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ THÔNG THƯỜNG 15

2.1 Giới thiệu 15

v

2.2 Cấu trúc máy X quang chẩn đoán thông thường 16

2.2.1 Bóng phát tia X 16

2.2.1.2 Âm cực (Cathode) 17

2.2.1.4 Rotor/stator (phần động/phần tĩnh) 22

2.2.1.5 Vỏ trong 22

2.2.1.6 Vỏ ngoài 23

2.2.2 Khối tạo cao áp 23

2.2.3 Khối điều khiển 24

2.2.4 Khối các thiết bị để định dạng chùm tia X 24

2.2.4.1 Thiết bị định dạng chùm tia – Collimator 24

2.2.4.2 Lưới chống tán xạ 25

2.2.5 Khối thiết bị định vị bệnh nhân 28

2.2.6 Thiết bị thu nhận ảnh 29

2.2.6.1 Màn tăng quang 30

2.2.6.2 Phim X quang 31

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy X quang 32

CHƯƠNG 3: THÔNG SỐ MÁY – ẢNH X QUANG 35

3.1 Thông số máy X quang 35

3.1.1 Điện cao áp đỉnh 35

3.1.2 Thời gian phát tia 37

3.1.3 Cường độ dòng phát tia 37

3.1.4 Thông số mAs 38

3.1.5 Liều lối ra của chùm tia X 39

vi

3.1.6 Kích thước tiêu điểm hiệu dụng của bóng X quang 39

3.1.7 Độ trùng khít giữa trường sáng và trường xạ 41

3.1.9 Chiều dày hấp thụ một nửa và chiều dày tấm lọc tổng cộng 42

3.1.10 Liều bệnh nhân 42

3.2 Ảnh X quang 43

3.2.1 Mật độ quang (OD) 43

3.2.2 Hệ số tín hiệu - nhiễu ( signal to noise ratio – SNR) 44

3.2.3 Độ phân giải ảnh 45

CHƯƠNG 4: KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MÁY X QUANG Y TẾ THÔNG THƯỜNG 46

4.1 Giới thiệu 46

4.2 Thiết bị đo – Kiểm định thiết bị đo 46

4.2.1 Thiết bị đo 46

4.2.1.1 Thiết bị kiểm tra điện cao áp đỉnh kVp, cường độ dòng phát tia, thời gian phát tia, thông số mAs 46

4.2.1.2 Thiết bị kiểm tra tiêu điểm 47

4.2.1.3 Thiết bị kiểm tra độ chuẩn trực, độ trùng khít trường sáng và trường xạ 48

4.2.1.4 Thiết bị đánh giá liều lối ra, tấm lọc tổng cộng của máy phát tia X, chất lượng chùm tia, HVL 49

4.2.1.5 Các tấm lọc 50

4.2.1.5 Phantom chuẩn 50

4.2.2 Kiểm định thiết bị đo 50

4.2 Cách thức tiến hành kiểm tra 51

vii

4.3.1 Kiểm tra bên ngoài 51

4.3.2 Kiểm tra điện cao áp đỉnh 52

4.3.3 Kiểm tra thời gian phát tia 54

4.3.4 Kiểm tra cường độ dòng phát tia của bóng X quang 55

4.3.5 Kiểm tra thông số mAs 56

4.3.6 Xác định liều lối ra 57

4.3.7 Kiểm tra kích thước tiêu điểm hiệu dụng của bóng X quang 59

4.3.8 Kiểm tra độ đồng trục của chùm tia X 60

4.3.9 Kiểm tra độ trùng khít giữa trường sáng và trường xạ 61

4.3.10 Đánh giá HVL và chiều dày tấm lọc tổng cộng của bóng X quang 63

4.3.11 Xác định liều bệnh nhân theo tiêu chuẩn BSS (Basic Safety Standards) (Chỉ bắt buộc đối với loại thiết bị tự động điều chỉnh liều bức xạ) 64

4.3.12 Kiểm tra thiết bị X quang chế độ chiếu 65

4.4 Ứng dụng của việc kiểm tra chất lượng máy X quang 65

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

viii

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

QC : Quality Control (Kiểm soát chất lƣợng)

ALARA : As Low As Resonably Achievable (Đạt đƣợc liều thấp hợp lý)

SNR : Signal To Noise Ratio (Tỷ lệ tín hiệu nhiễu)

FLU : Fluoroscopy (Soi huỳnh quang)

HVL : Half Value Layer (Chiều dày hấp thụ một nửa)

TDF : Target To Film Distance (Khoảng cách từ bia đến phim)

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 4.1 Phân loại nhóm theo độ phân giải của thiết bị kiểm tra tiêu điểm 60 Bảng 4.2 Giá trị chiều dày tấm lọc tổng cộng theo giá trị HVL đối với thiết bị

X quang một pha 63 Bảng 4.3 Giá trị chiều dày tấm lọc tổng cộng theo giá trị HVL đối với thiết bị

X quang ba pha quang ba pha 64

x

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Phổ bức xạ điện từ 3

Hình 1.2 Tương tác của electron với nguên tử tấm đích 5

Hình 1.3 Cơ chế phát tia X tử bức xạ hãm 7

Hình 1.4 Năng lượng liên kết giữa các quỹ đạo với nhân Volfram 8

Hình 1.5 Phổ bức xạ tổng hợp 9

Hình 1.6 Tương tác tia X với vật chất 10

Hình 1.7 Tương tác quang điện 12

Hình 1.8 Sự truyền qua của sóng điện từ đối với 25 cm mô mềm 14

Hình 2.1 Máy X quang thường quy 15

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống máy X quang 16

Hình 2.3 Cấu tạo bên trong bóng X quang anode xoay 17

Hình 2.4 Cathode sợi đốt kép 19

Hình 2.5 Cấu tạo anode quay 20

Hình 2.6 Rotor và stator 22

Hình 2.7 Cấu tạo hộp chuẩn trực 25

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hiệu ứng Compton trên ảnh X quang 26

Hình 2.9 Cấu tạo lưới chống tán xạ 27

Hình 2.10 Sơ đồ giá Bucky và bàn chụp 29

Hình 2.11 Phim X quang được đựng trong cassette 30

xi

Hình 2.12 Cấu tạo màng tăng quang 31

Hình 2.13 Cấu tạo phim X quang 32

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động máy X quang 33

Hình 3.1 Phổ tia X khi thay đổi mA 38

Hình 3.2 Các loại kích thước tiêu điểm hiệu dụng 40

Hình 4.1 Máy đo đa chức năng 47

Hình 4.2 Thiết bị đo tiêu điểm bóng X quang 48

Hình 4.3 Thiết bị RMI 49

Hình 4.4 Máy đo liều 50

Hình 4.5 Phim chụp của phép kiểm tra tiêu điểm 59

Hình 4.6 Độ lệch của trường sáng và trường xạ 62

1

LỜI NÓI ĐẦU

X quang là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh đầu tiên được ứng dụng từ những năm đầu thế kỷ XX Kỹ thuật này từ khi ra đời, đã thống trị ngành chẩn đoán hình ảnh trong một thời gian dài hơn nữa thế kỷ và vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán cho đến ngày nay Vì vậy mà trước đây, ngành chẩn đoán hình ảnh có tên gọi

là ngành X quang

Đối với các phòng khám, bệnh viên đa khoa việc sử dụng thiết bị X quang để chiếu, chụp, hỗ trợ chẩn đoán bệnh là không thể thiếu Nhưng bên cạnh đó, việc sử dụng máy X quang vẫn tồn tại nhiều bất cập như thiết bị cũ kỹ, nhân viên vận hành không được đào tạo bài bản, không giấy phép, cơ sở vật chất không đảm bảo … Có nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe của người bệnh, người vận hành lẫn môi trường chung quanh

Trong việc sử dụng máy X quang chẩn đoán, điều được quan tâm và chú trọng nhất chính là hình ảnh X quang Nếu có được một hình ảnh X quang tốt sẽ không phải chụp nhiều lần nên cũng giúp giảm được liều chiếu vào bệnh nhân Vì vậy, chất lượng của hình ảnh X quang là một yếu tố cần được quan tâm Chất lượng ảnh

X quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố như phương pháp ghi hình, đặc điểm của thiết

bị, người vận hành, …

Để hạn chế những ảnh hưởng sinh học không tốt của tia X lên cơ thể người và môi trường, đồng thời thu được hình ảnh X quang như mong đợi, yếu tố đầu tiên chúng ta phải kiểm soát chính là thiết bị có hoạt động được, còn vận hành tốt Vì vậy, vấn đề bảo đảm chất lượng của máy X quang dùng trong chẩn đoán là một việc làm cấp thiết, cần được thực hiện một cách nghiêm chỉnh

Chương trình đảm bảo chất lượng gồm hai vấn đề:

- Thiết lập các quy trình, tiêu chuẩn và chỉ tiêu kĩ thuật để các thiết bị đang vận hành và xuất xưởng làm việc tốt (QA)

2

- Kiểm tra định kì các thiết bị sao cho chúng luôn đạt được các chỉ tiêu và tiêu chuẩn đã đề ra (QC)

Mục đích của việc kiểm tra chất lương máy X quang là:

- Đảm bảo thiết bị làm việc tốt với độ chính xác cao

- Đảm bảo các thiết bị cho phép thu đươc những bức ảnh có chất lượng hoàn hảo mang đủ thông tin cần thiết để đảm bảo cho việc chẩn đoán chính xác

- Đảm bảo sự lặp lại chính xác của các bức ảnh

- Đảm bảo an toàn của bệnh nhân trên nguyên tắc:

- Đảm bảo an toàn bức xạ cho nhân viên tiếp xúc trực tiếp với tia X

- Giảm giá thành xét nghiệm

Với những điều nêu trên, khóa luận được thực hiên nhằm trình bày ứng dụng của tia X trong chẩn đoán y tế, tìm hiểu cấu tạo chung của máy X quang y tế thông thường, giải thích và nêu phương pháp kiểm tra chất lượng máy X quang thông thường

Khóa luận được phân bố làm 4 chương:

Chương 1: Cơ sở vật lý trong máy X quang y tế thông thường

Chương 2: Khái quát về máy X quang chẩn đoán y tế thông thường

Chương 3: Thông số máy - Ảnh X quang

Chương 4: Kiểm tra chất lượng máy X quang y tế thông thường

3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG MÁY X QUANG Y TẾ THÔNG

THƯỜNG 1.1 Bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng Sóng điện từ cũng bị lượng tử hóa thành những “đợt sóng” có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon

Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Bức xạ điện từ được phân loại theo bước sóng, từ dài đến ngắn: sóng vô tuyến, sóng vi ba, bức xạ hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, tia tử ngoại, tia X, tia gamma (Hình 1.1)

Hình 1.1 Phổ bức xạ điện từ

Trong đó, bức xạ được dùng trong chẩn đoán hình ảnh chính là tia X Tia X có

30 Ehz và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV Tia X dùng trong y tế có bước sóng

4

MeV đối với mỗi photon

1.2 Nguyên lý tạo tia X

Tia X phát ra do các điện tử được gia tốc lên một động năng rất lớn đến đập vào

bề mặt của tấm bia bằng kim loại

Mối liên hệ giữa vận tốc và động năng của điện tử theo công thức sau:

1 2

2 e e

Trong đó:

W: động năng của electron

me: khối lượng của electron (9,1.10-31 kg)

ve: vận tốc của điện tử

Từ nguyên lý trên, để phát ra tia X ta cần mô hình sau:

- Một bóng X quang gồm hai cực, một cực âm (Cathode) được tích điện âm có tác dụng làm nguồn phát ra điện tử, và cực dương (Anode) tích điện dương có nhiệm

vụ là tấm bia kim loại

- Một điện áp cao trong khoảng 15 – 150 kV được áp vào giữa hai điện cực, giá trị chính xác của cao thế sẽ được chọn tùy thuộc vào từng mục đích sử dụng cụ thể

C, năng lượng nhiệt tác dụng lên các nguyên tử vonfram làm bứt ra một số lượng điện tử nhỏ ra khỏi bề mặt kim loại, đây là quá trình phát xạ electron nhiệt Một trạng thái cân bằng động được thiết lập, giữa những electron thoát ra khỏi bề mặt cathode với những electron bị hút về anode

5

- Khi va vào anode chùm tia điện tử sẽ đột ngột giảm tốc độ Tại đây, chùm điện tử gia tốc tương tác với các nguyên tử của vật liệu làm anode theo một trong các khả năng sau (Hình 1.2)

• Electron gia tốc số 1 có thể va chạm với nhiều electron khác nằm trên các quỹ đạo của hạt nhân nguyên tử anode, tạo ra bức xạ kích thích Bức xạ này chủ yếu là bức xạ nhiệt

Hình 1.2 Tương tác của electron với nguên tử tấm đích

6

• Electron gia tốc số 2 có thể tương tác trực tiếp với một hạt nhân nguyên tử anode tạo ra bức xạ tia X (bức xạ hãm) có năng lượng cực đại bằng năng lượng của electron gia tốc

• Electron gia tốc số 3 có thể tương tác trực tiếp với một số hạt nhân nguyên tử anode tạo ra các bức xạ tia X (bức xạ hãm) có năng lượng bất kỳ thấp hơn năng lượng của electron gia tốc theo mức độ khác nhau tùy thuộc vào số lần tương tác của electron

• Electron gia tốc số 4 có thể đẩy một điện tử trên quỹ đạo của nguyên tử anode

ra khỏi quỹ đạo của nó Tương tác này tạo ra bức xạ tia X đặc trưng có năng lượng đặc trưng cho vật liệu chế tạo anode

1.3 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)

1.3.2 Bức xạ đặc trưng

Electron gia tốc có thể đẩy một electron trên quỹ đạo của nguyên tử tấm bia ra khỏi quỹ đạo của nó Các electron có mức năng lượng cao sẽ nhảy lên chiếm vị trí này Sự nhảy mức năng lượng tạo ra tia X có năng lượng đặc trưng cho vật liệu chế tạo tấm bia (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

8

- Để đẩy electron ra khỏi quỹ đạo K thì electron gia tốc phải có năng lượng tối thiểu khoảng 70 keV, còn đối với quỹ đạo L chỉ cần 11 keV Khi một electron bị bật ra khỏi quỹ đạo K và một electron từ quỹ đạo L nhảy xuống chiếm chỗ thì một tia X đặc trưng sẽ được sinh ra với mức năng lượng: E = EL – EK

- Khi electron bị đẩy ra khỏi các quỹ đạo L, M, N thì electron ở các quỹ đạo lân cận có mức năng lượng cao hơn sẽ nhảy xuống chiếm chỗ của chúng, tương tự hiện tượng xảy ra với quỹ đạo K, và sự chuyển đổi quỹ đạo này cũng sẽ bức xạ ra tia X Tuy nhiên, do sự chênh lệch giữa năng lượng liên kết của quỹ đạo này không lớn nên năng lượng của các tia X đặc trưng này thấp và bị hấp thụ bởi vỏ thủy tinh hoặc tấm lọc sơ bộ tại cửa sổ X quang Vì vậy với volfram chỉ có tia X đặc trưng K có đủ năng lượng để tham gia tạo ảnh X quang

1.3.3 Bức xạ tổng hợp

Bức xạ tổng hợp là sự kết hợp giữa bức xạ liên tục và bức xạ rời rạc

Hình 1.4 Năng lượng liên kết giữa các quỹ đạo

với nhân Volfram

9

Chùm tia X phát ra từ ống X quang có dạng phổ được diễn tả bởi đường 1 trong Hình 1.5 Đó là một phổ liên tục, trên đó có những đỉnh phổ đặc trưng Tuy nhiên, khi đi qua vỏ ống X quang và các tấm lọc, thành phần tia X năng lượng thấp bị hấp thụ và phổ tia X đầu ra có dạng đường cong 2 Sự suy giảm do bị hấp thụ này được gọi là sự tự lọc của hệ thống

1.4 Tương tác của tia X với mô của cơ thể

Độ tương phản giữa các mô trên phim X quang là biểu hiện sự suy giảm năng lượng của chùm tia X khi xuyên qua các bộ phận khác nhau của cơ thể đến phim Một bộ phận nhỏ của tia X truyền thẳng qua cơ thể mà không gặp phải tương tác nào với mô: những tia X này được gọi là bức xạ sơ cấp Ngoài ra, tia X còn bị tán

xạ, tương tác này làm thay đổi quỹ đạo của tia X giữa nguồn với phim, đây được gọi là bức xạ thứ cấp Và một phần tia X bị hấp thụ hoàn toàn trong mô và không được ghi nhận trên phim, đây chính là bức xạ hấp thụ Trong phạm vi năng lượng của tia X vào khoảng 25 – 150 keV được sử dụng trong X quang chẩn đoán Ba cơ chế mô tả sự tương tác của tia X với mô là tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton sẽ tham gia vào việc tạo ra bức xạ thứ cấp, trong khi hiệu ứng quang điện dẫn đến hấp thụ tia X Trong số ba tương tác này, đại đa số tán xạ của tia X trong chẩn đoán hình ảnh phát sinh từ tán xạ Compton

Hình 1.5 Phổ bức xạ tổng hợp

10

1.4.1 Tán xạ Rayleigh

Trong tán xạ Rayleigh, photon tới có thể tương tác với điện tử và bị tán xạ mà không mất năng lượng Quá trình này gọi là tán xạ đàn hồi, trong đó năng lượng của điện tử tăng lên nhưng vẫn không thoát ra khỏi nguyên tử Sau đó điện tử trở về mức năng lượng ban đầu bằng cách phát ra photon có cùng năng lượng với photon tới nhưng khác hướng được mô tả trong Hình 1.6 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 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)

1.4.2 Tán xạ Compton

Tán xạ Compton là sự tương tác giữa tia X với một điện tử thuộc lớp vỏ bên ngoài của nguyên tử Điện tử bên ngoài vỏ này được coi như là điện tử tự do bởi vì năng lượng liên kết của nó quá thấp, đó là đối với trường hợp vật liệu có số nguyên

tử cao Tuy nhiên, với vật liệu có số nguyên tử thấp, chẳng hạn như mô mềm, tất cả các điện tử trong nguyên tử đều có thể được xem là tự do vì năng lượng liên kết của

Hình 1.6 Tương tác tia X với vật chất

11

tất cả các lớp điện tử nhỏ hơn 1 keV Khi tia X va chạm, một phần năng lượng tia

X chuyển hóa cho điện tử, điện tử được giải phóng khỏi nguyên tử, và tia X bị lệch khỏi phương ban đầu của nó (Hình 1.6D) Năng lượng này phụ thuộc vào góc tán xạ tức là phương của lượng tử năng lượng tán xạ so với phương ban đầu Nếu góc lệch

đủ năng lượng để đi qua cơ thể sẽ được ghi nhận trên phim

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và xung lượng, năng lượng của tia X sau khi tán xạ được tính theo công thức sau:

'

2

(1 cos )1

E E

E mc

Theo (1.2) góc tán xạ θcủa tia X càng lớn thì E'càng bé Nghĩa là tia X càng mất nhiều năng lượng Tia X chuyển phần năng lượng lớn nhất cho điện tử sau tán xạ bay ra một góc 180o, tức là khi tán xạ giật lùi Góc tán xạ của tia X tán xạ có thể thay đổi từ 0o đến 180o trong lúc điện tử chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc bay của nó thay đổi từ 0o đến 90o

Tiết diện của hiệu ứng Compton phụ thuộc vào số lượng của các điện tử trong vật liệu hấp thụ Con số này phụ thuộc vào mật độ của chất hấp thụ và số lượng của các điện tử trên mỗi đơn vị khối lượng

12

1.4.3 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là quá trình đóng góp chủ yếu vào sự hấp thụ tia X

Khi chùm tia X đập vào một điện tử liên kết trong hệ nguyên tử, nếu năng lượng

E của chùm tia X tới lớn hơn năng lượng liên kết của điện tử tầng tương ứng thì hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra: tia X biến mất, năng lượng của nó được trao toàn bộ cho điện tử liên kết Điện tử này (được gọi là quang – electron) bức ra khỏi hệ nguyên tử với năng lượng bằng hiệu của năng lượng tia X tới với năng lượng liên kết của điện tử tầng tương ứng

Trên Hình 1.7(a) tia X đập vào một điện tử tầng K, quang – electron này thoát ra ngoài và để lại lỗ trống ở tầng K như trong Hình 1.7(b), do đó nguyên tử ở trạng thái kích thích Các điện tử ở tầng ngoài, nơi có năng lượng liên kết thấp hơn (tầng

L, M, …), sẽ dịch chuyển tới để lấp lỗ trống, và một tia X đặc trưng xuất hiện với năng lượng bằng hiệu năng lượng liên kết hai tầng như trong Hình 1.7(c)

Hình 1.7 Tương tác quang điện

13

Hiệu ứng quang điện hầu như không xảy ra đối với các điện tử có liên kết yếu, nhất là các điện tử có năng lượng liên kết nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của tia X tới

Hiệu ứng quang điện xảy ra thường kèm theo hiệu ứng Auger hay gọi là sự biến hoán trong (hấp thụ quang điện nội tại) Trong trường hợp này, tia X đặc trưng vừa phát ra bị hấp thụ ngay bởi một điện tử ở tầng phía ngoài hơn trong cùng một nguyên tử, như trong Hình 1.7(d) Khi đó không có tia X đặc trưng được phóng thích mà là một điện tử Auger

1.5 Sự suy giảm cường độ chùm tia X

Chùm tia X khi xuyên qua một vật thể (ví dụ cơ thể người bệnh) sẽ bị suy giảm

do theo các đường tia, sau đó tác động vào một vật hiện hình, từ đó tạo ra một hình ảnh X quang là phân bố các độ đậm biểu thị độ suy giảm của chùm photon khi đi qua các tổ chức, cơ quan trong cơ thể 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):

µ: hệ số suy giảm tuyến tính của mô (cm-1)

x: quãng đường tia X đi qua (cm)

Để có thông tin chẩn đoán trong chụp hình X quang y tế, các photon tia X phải thỏa mãn hai điều kiện sau:

14

- Bước sóng phải đủ ngắn để có ảnh X quang có độ phân giải đủ cao cho tổ chức,

cơ quan cần chẩn đoán

• λ < 1 cm đối với các tổn thương lớn

- Cơ thể phải bán trong suốt đối với chùm tia X, nghĩa là các tia phải có năng thông không quá thấp (λ > 10 cm) để số photon truyền qua khỏi cơ thể đến detector hay phim đủ cao (hệ số truyền qua > 10-1), đồng thời năng lượng photon

hết qua cơ thể đi đến detector hay phim (hệ số truyền qua < 10-3) mà không có sự suy giảm đáng kể

Do đó, dãy tần số và năng lượng thích hợp nhất của các photon tia X để ghi hình chẩn đoán y tế như sau: 0,01 Å < λ < 0.5 Å, tương ứng với tần số từ 25 keV đến 1,2 MeV đối với mỗi photon Những điều trên được mô tả trong hình 1.8

Hình 1.8 Sự truyền qua của sóng điện từ đối với 25 cm mô mềm

15

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ

THÔNG THƯỜNG 2.1 Giới thiệu

Máy X quang là một hệ thống thiết bị dùng để chiếu, chụp x quang Trong đó bao gồm thiết bị tạo tia X và các thiết bị khác như thiết bị thu nhận ảnh, khối cao thế, thiết bị định dạng chùm tia X và định vị bệnh nhân

Dù đơn giản hay phức tạp một hệ thống thiết bị X quang thường gồm các khối sau:

Hình 2.1 Máy X quang thường quy

Khối các thiết bị để định vị bệnh nhân và chùm tia X gồm có bàn bệnh nhân, cột/giá treo bóng, hộp chuẩn trực và lưới chống tán xạ

Thiết bị thu nhận ảnh cơ bản thường là màn tăng quang và phim âm bản chứa trong cassette

2.2 Cấu trúc máy X quang chẩn đoán thông thường

2.2.1 Bóng phát tia X

Bóng X quang là một trong những linh kiện chủ yếu của máy X quang, hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng từ động năng của chùm tia electron bức xạ

từ cathode sang năng lượng tia X bức xạ từ anode

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống máy X quang

Hình 2.3 Cấu tạo bên trong bóng X quang anode xoay

• Khi 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 làm giảm độ chân không, gây ra sự phóng điện hồ quang trong bóng dẫn làm giảm tuổi thọ của bóng Để khắc phục hiện tượng này, một lượng nhỏ Thori (1% - 2%) đã được pha với Volfram 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 Volfram nguyên chất

• Điện cực Wehnelt có điện thế bằng điện thế cathode, các đường đẳng thế tại

bề mặt anode được phân bố để tạo ra điện trường hội tụ chùm tia electron hướng về một điểm có điện tích rất nhỏ tại bề mặt anode, dùng làm giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ để hội tụ chùm tia electron

- Cathode có hai loại: đơn và kép

• Cathode đơn chỉ gồm một sợi đốt và một khe bức xạ

• Cathode kép gồm 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 anode

k t e

20

2.2.1.3 Dương cực (Anode quay)

Có chức năng hứng chùm tia điện tử bắn ra từ cathode

- Anode gồm một đĩa được chế tạo bởi Volfram hoặc bởi Molipden phủ một lớp Volfram hoặc hợp kim Volfram Lớp hợp kim này gồm 90 % Volfram và 10 % Reni có tác dụng làm giảm sự thô nhám và rạn nứt bề mặt anode Đĩa anode này được gắn vào một đế Molipden để cách nhiệt với rotor Mặt kia của Molipden được gắn với rotor của động cơ

- Volfram được chọn để chế tạo anode vì nó có nhiệt độ nóng chảy rất cao và nguyên tử lượng lớn Còn Molipden được dùng vì nó có mật độ tương đối thấp (10,2 gr/cm3 so với 19,3 gr/cm3 đối với Volfram) nên sẽ làm giảm khối lượng anode khiến cho anode dễ đạt tốc độ quay mong muốn Mặt khác Molipden dẫn nhiệt kém nên sẽ cách điện giữa đĩa anode và rotor của động cơ Đường kính đĩa anode thường là từ 5 – 12,5 cm

- Bề mặt của anode nằm dốc chéo so với trục dọc của bóng nên chùm tia X bức xạ

ra sẽ vuông góc với trục bóng

Hình 2.5 Cấu tạo anode quay

21

- Diện tích mà chùm tia electron hội tụ vào gọi là điểm hội tụ, đó chính là nguồn phát xạ tia X Kích thước của điểm hội tụ nhỏ từ 0,6 – 0,8 mm và của điểm hội

tụ lớn từ 1 – 2 mm

• Điểm hội tụ nhỏ được dùng khi yêu cầu công suất bức xạ thấp (dòng cao thế -

mA thấp), được dùng để xét nghiệm những đối tượng có độ hấp thụ tia thấp, những bộ phận có kích thước nhỏ như người gầy, trẻ em, hệ thống tuần hoàn,…Trong trường hợp này người ta dùng mA thấp với thời gian chụp dài

• Chấm hội tụ lớn ứng với công suất bức xạ cao (mA cao) được dùng chụp xương hoặc những bộ phận có kích thước lớn, độ hấp thụ tia cao Khi đó người ta dùng mA cao với thời gian chụp ngắn

- Góc giữa bề mặt chứa chấm hội tụ của anode với đường thẳng đứng gọi là góc vát (góc đích) Sự thay đổi góc đích sẽ làm thay đổi kích thước thực cũng như kích thước hiệu dụng của chấm hội tụ và do đó sẽ thay đổi vùng bức xạ hiệu dụng của bóng Góc đích càng nhỏ, chấm hội tụ sẽ càng nhỏ, hình càng sắc nét tuy nhiên công suất bức xạ sẽ thấp Góc đích có trị số từ 7o – 20o, tùy theo loại bóng

- Động cơ anode là loại động cơ cảm ứng, trục của rotor có gắn một vòng bi, để bôi trơn nên vòng bi này được mạ bạc hoặc chì, không tra dầu vì sẽ làm hỏng độ chân không của bóng

- Khi anode quay với tốc độ lớn, chùm tia electron bắn vào anode không phải là một điểm cố định mà trên một diện tích vành khyên, hơn nữa hình vành khuyên này lại quay nhiều vòng trong suốt thời gian phát tia Vì vậy, diện tích điểm hội

tụ (diện tích phát tia X) nhỏ hơn diện tích tản nhiệt rất nhiều Nhờ có diện tích tản nhiệt lớn, bóng X quang dùng anode quay có thể hoạt động với dòng mA lớn

do vậy làm tăng công suất phát xạ tia X

- Tốc độ quay của anode thường từ 3000 – 9000 vòng/phút Muốn bóng hoạt động bình thường, anode phải quay và nhanh chóng đạt được tốc độ yêu cầu (ví dụ sau khoảng 1s) do vậy thiết bị X quang người ta đã thiết kế mạch bảo vệ và tăng tốc anode

2.2.1.5 Vỏ trong

Thường làm bằng thủy tinh có dạng hình trụ và có các chức năng:

- Bao kính các bộ phận của bóng trong chân không

- Làm giá đỡ các điện cực cathode và anode

- Cách điện giữa các điện cực

- Truyền nhiệt tỏa từ các điện cực ra ngoài

Hình 2.6 Rotor và stator

23

Vỏ trong thường được chế tạo từ Pyrex (loại thủy tinh đặt biệt có khả năng chịu nhiệt cao, có độ cách điện cao, có hệ số dãn nở đồng nhất với sự giãn nở của các điện cực và chịu được áp lực chân không lớn

2.2.1.6 Vỏ ngoài

Vỏ ngoài bóng X quang, có ba nhiệm vụ:

- Chỉ cho tia X bức xạ qua cửa bóng

- Hấp thụ tia X theo các hướng có hại cho người bệnh và môi trường bao quanh

- Cách điện cao, chống phóng điện hồ quang và phòng ngừa điện giật

Vỏ ngoài được chế tạo từ thép, nhôm, hoặc hợp kim nhôm, bề mặt trong của vỏ được lót một lớp chì có độ dày 3 – 4 mm để hấp thụ tia X, hạn chế sự phát xạ tia X

ra chung quanh (trừ cửa sổ) tới mức cho phép không gây nguy hiểm cho bệnh nhân

và môi trường xung quanh

Để đảm bảo độ cách điện, người ta đổ đầy dầu cao thế vào khoang giữa hai lớp

vỏ Ngoài tác dụng cách điện, dầu còn có tác dụng tản nhiệt để làm mát bóng Khi bóng hoạt động, nó sẽ nóng lên khiến cho dầu giãn nở nên một phía đầu vỏ phải có một khoang co giãn chế tạo bởi màng cao su hình lồng xếp

Để báo động tình trạng bóng quá nóng khi hoạt động liên tục, người ta gắn một

bộ cảm nhiệt (ví dụ một công tắc điện cực nhỏ) vào một bề mặt khoang, khi khoang dãn ra tới mức nhất định thì công tắc tác động đóng mạch phát tín hiệu cảnh báo

2.2.2 Khối tạo cao áp

Khối cao thế trong máy X quang có nhiệm vụ cung cấp điện áp cao thế cho bóng

X quang Điện áp cao thế là điện áp một chiều, có trị số có thể điều khiển trong phạm vi từ 40 – 150 kVp

Dòng điện cao thế do khối cung cấp phải đảm bảo công suất lớn nhất tương ứng với từng loại máy

2.2.3 Khối điều khiển

Người điều khiển chọn đặt các thông số để chụp hình như kVp, mA, thời gian chiếu tia, kích cỡ tiêu điểm khác nhau tùy từng bệnh nhân

Các thông số chụp hình phải được lựa chọn một cách hợp lý nhất vì chúng quyết định tới chất lượng ảnh X quang và an toàn bức xạ đối với bệnh nhân

2.2.4 Khối các thiết bị để định dạng chùm tia X

2.2.4.1 Thiết bị định dạng chùm tia – Collimator

Hộp chuẩn trực (Collimator) là một thiết bị đặt giữa bóng X quang và bệnh nhân, nhằm giới hạn chùm tia để có được kích thước vùng thăm khám phù hợp nhất Hộp chuẩn trực gồm các tấm chì gắn với các cơ cấu điều khiển bằng tay hoặc động cơ điện, tạo ra khe hở để cho tia X đi qua (Hình 2.7) Khe hở này có thể là hình chữ nhật hoặc hình tròn, nhưng loại hình chữ nhật phổ biến hơn

Kích thước của chùm tia cần chọn càng nhỏ càng tốt sao cho nó vẫn bao trùm được vùng cần thăm khám

25

2.2.4.2 Lưới chống tán xạ

Trường hợp lý tưởng nhất là tất cả các tia X đến phim đều là bức xạ sơ cấp, không có sự đóng góp từ tia X do tán xạ Compton Trong trường hợp này, độ tương phản chỉ bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt trong sự suy giảm từ tương tác quang điện trong các mô khác nhau Tuy nhiên, trong thực tế luôn có tán xạ Compton đến phim

và chúng sẽ làm giảm độ tương phản của ảnh trong phim Ảnh hưởng của bức xạ Compton trên ảnh X quang được trình bày trong hình 2.8 Trường hợp hình 2.8a chỉ

có tương tác quang điện gây ra sự suy giảm tia X đối với khối u Hình 2.8b có sự đóng góp của tia X do tán xạ Compton đến phim, làm độ tương phản giảm, và ở 2.8c trường hợp chỉ có tia X do tán xạ Compton đến phim, độ tương phản là gần như bằng không

Hình 2.7 Cấu tạo hộp chuẩn trực

26

Như được mô tả ở phần trước, hộp chuẩn trực được sử dụng để hạn chế kích thước chùm tia từ đó làm giảm số lượng tia X tán xạ đến phim, nhưng ngay cả khi

đã có hộp chuẩn trực thì vẫn còn sự hiện diện của bức xạ thứ cấp chiếm khoảng 50

% và 90 % số bức xạ tới phim Do đó, để hạn chế hơn nữa sự đóng góp của tán xạ Compton, lưới chống tán xạ được sử dụng Lưới chống tán xạ được đặt giữa bệnh nhân và cassette chứa phim

Lưới chống tán xạ bao gồm một loạt các thanh lưới song song là chì mỏng, khoảng giữa các thanh làm bằng sợi Cacbon, nhôm, hay thậm chí là giấy Các thanh lưới được đặt theo hướng song song với bức xạ sơ cấp, cho tia X sơ cấp đi xuyên qua các khe và đồng thời làm giảm tia X tán xạ đến phim

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hiệu ứng Compton trên ảnh X quang

27

Các thuộc tính của lưới tán xạ:

- Tỉ lệ lưới là tỉ lệ của chiều cao và chiều rộng của khoảng ở giữa hai thanh lưới Tỉ

lệ lưới là một biện pháp tốt trong sự chọn lọc sự truyền qua của tia X sơ cấp và thứ cấp Với một lưới có tỉ lệ lưới cao sẽ làm ngăn sự xuyên qua của tia X tán xạ tốt hơn so với một tỉ lệ lưới thấp hơn Tỉ lệ lưới được tính theo công thức sau:

Tỉ lệ lưới = h

Trong đó:

h: chiều dài của thanh chì

d: chiều rộng của khoảng giữa hai thanh lưới

Trong chụp X quang thông thường tỉ lệ lưới phổ biến là 8:1, 10:1 và 12:1

- Tần số lưới dựa vào số thanh của lưới trên một đơn vị chiều dài, và trong khoảng

40 – 60 thanh/cm, được tính như sau:

Hình 2.9 Cấu tạo lưới chống tán xạ

28

Với:

t: độ dày của thanh chì

- Chiều dài tiêu cự quyết định độ nghiêng của các thanh trong lưới

- Vật liệu giữa hai thanh ảnh hưởng đến hiệu suất liều

- Thừa số Bucky là tỉ lệ liều đi vào bệnh nhân khi có lưới và không có lưới Thừa

số này đặc trưng cho sự cân bằng giữa việc giảm tia tán xạ ( giúp tăng độ tương phản hình ảnh) và tăng liều của bệnh nhân để có cùng số tia X được ghi nhận

2.2.5 Khối thiết bị định vị bệnh nhân

Gồm: bàn chụp, giá Bucky, cột treo bóng

- Bàn chụp được cấu tạo bằng cao su lưu hóa (gỗ phíp) có tác dụng cho tia X đi qua một cách dễ dàng Khung sườn bằng nhôm định hình rất vững chắc để bệnh nhân có thể nằm, ngồi lên bàn chụp Phía dưới bàn chụp người ta thiết kế một ngăn kéo để đựng hộp phim X quang Giữa ngăn kéo với mặt bàn có hệ thống lưới để chống tia thứ cấp, khi chụp lưới này được một mô tơ di chuyển tịnh tiến

Sơ đồ cấu tạo được nêu trong hình 2.10b

- Giá chụp phổi Bucky được dựng đứng giáp tường, giá Bucky dùng để chụp phổi Giá có thể tăng giảm độ cao tùy theo bệnh nhân Trên giá có hệ thống ngăn tia thứ cấp và ngăn kéo lắp cassette phim X quang

- Cột bóng là nơi lắp đầu bóng tia X Bóng X quang được di chuyển lên xuống trên cột nhẹ nhàng qua một hệ đối trọng bằng tạ hoặc là xo Cột bóng được lắp đặt trên hệ thống đường ray có thể dịch chuyển cột tịnh tiến theo hướng của bàn chụp và giá chụp phổi

29

2.2.6 Thiết bị thu nhận ảnh

Trong chẩn đoán y học để thu nhận được tia X người ta sử dụng phim âm bản,

để tăng hiệu suất phát quang của tia X người ta dùng một cặp màn tăng quang, chúng được đặt trong cassette như hình 2.11

Hình 2.10 Sơ đồ giá Bucky và bàn chụp a) Giá Bucky b) Bàn chụp

30

2.2.6.1 Màn tăng quang

Độ nhạy nội tại của phim chụp X quang là rất thấp, nên nếu muốn có hình ảnh chất lượng cao sẽ đòi hỏi phải sử dụng liều chiếu xạ cao cho bệnh nhân Để tránh tình trạng này, màn tăng quang là một phụ kiện hỗ trợ rất cần thiết

Màn tăng quang là một thiết bị chuyển đổi năng lượng của chùm tia X thành ánh sáng nhìn thấy, mà phim nhạy hơn Ánh sáng nhìn thấy tương tác với phim X quang tạo thành ảnh ẩn

Có khoảng 30 % số tia X đến đập vào màn tăng quang tương tác với màn, phát ra một lượng lớn các photon Cấu tạo của màn gồm bốn lớp phân biệt: lớp bảo vệ, lớp photpho, lớp phản xạ và lớp đế

vệ nằm trên bề mặt màn, bảo vệ màn tránh khỏi trầy xước, hư tổn, đồng thời loại

bỏ dòng tĩnh điện và dễ lau chùi Ánh sáng có thể truyền qua lớp bảo vệ

Hình 2.11 Phim X quang được đựng trong

cassette