Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy chụp x quang cao tần sử dụng trong y tế

Viện máy và dụng cụ công nghiệp IMI đã tiến hành xây dựng đề tài độc lập cấp Nhà Nước: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chụp X quang cao tần sử dụng trong y tế” mã số ĐTĐL.2009G/30 nhằ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHỤP

X QUANG CAO TẦN SỬ DỤNG TRONG Y TẾ

MÃ SỐ ĐỀ TÀI: ĐTĐL.2009G/30

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp

Chủ nhiệm đề tài: Tiến sỹ Trần Ngọc Hưng

9539

HÀ NỘI - 2012

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHỤP

X QUANG CAO TẦN SỬ DỤNG TRONG Y TẾ

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH

Họ và tên Học

hàm, học vị

Tổ chức công tác Nội dung công việc

tham gia

Tham gia vào chương mục Chủ nhiệm đề tài

Trần Ngọc Hưng TS Viện IMI Chủ nhiệm đề tài I, III, IX

thiết bị điện tử IV, VI

Lê Hoàng Hải KS Viện IMI Nghiên cứu thiết kế

hệ thống điều khiển VI Nguyễn Hữu Quang ThS Viện IMI Nghiên cứu thiết kế

TÓM TẮT NỘI DUNG BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây ngành y tế Việt Nam đã gặt hái được nhiều thành công trong việc khai thác và ứng dụng các thiết bị chuẩn đoán hình ảnh y tế vào khám chữa bệnh Trong đó, máy chụp X quang đóng một vai trò cốt yếu giúp cho quá trình chuẩn đoán bệnh chính xác hơn và ngày càng được nhiều cơ sở y

tế trang bị phục vụ cho nhu cầu khám chữa bệnh của mình Tuy vậy, một thực trạng đang diễn ra ở các cơ sở y tế trong nước ta là các thiết bị chuẩn đoán hình ảnh ở các tuyến quận, huyện là vừa thiếu và vừa yếu Cho tới nay số lượng máy

X quang y tế các loại tại các cơ sở y tế không nhiều chủ yếu là nhập ngoại Do giá thành thiết bị cao nên các máy chụp X quang tại các cơ sở y tế trong nước có đến gần một nửa là máy chụp thường quy và phần lớn đều ở tình trạng lạc hậu

kỹ thuật Đây là các máy X quang cuối thế hệ thứ hai sử dụng nguồn phát có cường độ tia thấp, tần số thấp nên liều chụp cao, dẫn tới ảnh hưởng chất lượng chuẩn đoán hình ảnh và sức khoẻ người bệnh Ngoài ra, các máy này còn sử dụng hệ điều khiển cơ-điện hoặc cơ-điện tử tương tự, vừa giảm năng suất khám bệnh, đồng thời cũng không hỗ trợ chuẩn đoán hình ảnh chính xác bằng các kỹ thuật mới

Trước bối cảnh cần trang bị mới, thay thế và nâng cấp máy chụp X quang cao tần cho các trung tâm y tế, bệnh viện tuyến cơ sở và khối tư nhân Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI) đã tiến hành xây dựng đề tài độc lập cấp Nhà Nước:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chụp X quang cao tần sử dụng trong y tế” mã

số ĐTĐL.2009G/30 nhằm tạo ra sản phẩm cơ-điện tử công nghệ cao trong y tế đầu tiên chế tạo trong nước thay thế hàng nhập ngoại Sản phẩm của đề tài có chất lượng tương đương sản phẩm của các nước công nghiệp phát triển nhưng giá thành thấp phục vụ cho các cơ sở y tế trong nước tiến tới xuất khẩu Bản báo cáo này sẽ cung cấp cho người đọc những kết quả thu được sau thời gian thực hiện và hoàn thành toàn bộ các nội dung của đề tài Bản báo cáo bao gồm các nội dung chính như sau:

Báo cáo tổng kết, trình bày những nét chính và tiêu biểu của đề tài gồm 9 chương nội dung cụ thể như sau:

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị cơ khí

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điện-điều khiển

Nghiên cứu thiết kế qui trình chạy thử và thử nghiệm cho máy X quang cao tần thường qui

Tài liệu tham khảo

Ngoài báo cáo tổng kết nhóm thực hiện đề tài còn có các báo cáo chuyên đề trình bày cơ sở lý thuyết và các tính toán cho thiết kế kỹ thuật, thiết kế chế tạo

và các qui trình thử nghiệm máy chụp X quang cao tần của đề tài, nội dung cụ thể như sau:

• Báo cáo nghiên cứu tổng quan về máy chụp X quang cao tần y tế

• Phần mềm máy chụp X quang cao tần thường qui cho y tế

• Máy chụp X quang cao tần thường qui cho y tế

• Bộ bản vẽ kỹ thuật và chi tiết toàn máy và các cụm cơ khí của máy

• Qui trình tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chụp X quang cao tần y tế

• Qui trình chế tạo mô đun thân máy (cột bóng, bàn chụp, giá chụp, )

• Qui trình lắp ráp, hiệu chỉnh máy chụp X quang cao tần y tế

• Các qui trình thử nghiệm, kiểm định, thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng máy chụp X quang cao tần y tế

• Các báo cáo thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng máy chụp X quang cao tần y tế

Với khối lượng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khá lớn và đây là thiết bị y tế công nghệ cao lần đầu tiên được nghiên cứu tại Việt Nam một cách đầy đủ do vậy trong quá trình thực hiện nhóm đề tài gặp nhiều khó khăn đặc biệt là nhập khẩu thiết bị, thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng, Bằng sự quyết tâm và kinh nghiệm nghiên cứu của mình nhóm đề tài vượt lên mọi khó khăn hoàn thành tốt các mục tiêu đề ra ban đầu và mở ra hướng nghiên cứu phát triển sản phẩm cơ điện tử trong y tế công nghệ cao trong nước ta

MỤC LỤC

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT

BỊ Y TẾ SỬ DỤNG TIA X 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ Y TẾ

SỬ DỤNG TIA X TRÊN THẾ GIỚI

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ Y TẾ

SỬ DỤNG TIA X TRONG NƯỚC

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TIA X VÀ ỨNG DỤNG CỦA

CHÚNG TRONG THIẾT BỊ YTẾ 2.1 TIA X, BẢN CHẤT VẬT LÝ, PHƯƠNG PHÁP TẠO TIA

VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA TIA X

2.1.1 Bản chất vật lí của tia X

2.1.2 Phương pháp tạo tia X

2.1.2.1 Nguyên lí tạo tia X

2.1.2.2 Các bóng X quang

2.1.3 Tính chất tương tác với vật chất

2.2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, TỔNG QUAN VỀ

ỐNG PHÁT TIA X

2.2.1 Giới thiệu chung về ống phát tia X

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.3 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, TỔNG QUAN VỀ

NGUỒN PHÁT TIA X

2.3.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của nguồn X quang tần số thấp

2.3.2 Biến thế nguồn

2.3.2.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của biến thế nguồn 1 pha

2.3.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến thế nguồn 3 pha

2.3.5 Khối tạo cao áp

2.3.5.1 Biến thế cao áp

2.3.5.2 Cáp cao áp

2.3.6 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của nguồn X quang cao tần

2.3.6.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc bộ đổi tần

2.3.6.2 Mạch tạo cao áp máy X quang cao tần

2.4 ỨNG DỤNG CỦA TIA X TRONG THIẾT BỊ Y TẾ

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY

CHỤP X QUANG Y TẾ

3.1 XÂY DỰNG CẤU HÌNH CỦA MÁY X QUANG CHO ĐỀ TÀI

3.2 CẤU TẠO CHI TIẾT CỦA CÁC BỘ PHẬN MÁY X QUANG

3.3 XÂY DỰNG THIẾT BỊ MẪU CHO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

3.3.1 Máy X-Quang dòng UArm của hãng Del Medical – Mỹ

3.3.2 Máy X-Quang dòng Z-MOTION của hãng Control X Medical –

Mỹ

3.3.3 Máy X-Quang dòng UNI của hãng Listem – Hàn Quốc

CHƯƠNG IV NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN HỆ THỐNG

PHÁT TIA X 4.1 YÊU CẦU

4.2 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN BÓNG PHÁT

TIA X

4.2.1 Bóng phát tia X của hãng Varian – Mỹ

4.2.2 Bóng phát tia X của hãng Toshiba – Nhật Bản

4.2.3 Bóng phát tia X của hãng General Electric – Mỹ

4.2.4 Bóng phát tia X của hãng Philips – Hà Lan

4.2.5 Bóng phát tia X của hãng Siemens – CHLB Đức

4.2.6 Chọn bóng phát tia X cho thiết bị của đề tài

4.3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN NGUỒN PHÁT

TIA X

4.3.1 Nguồn phát tia X của hãng GE – Mỹ

4.3.2 Nguồn phát tia X của hãng SIEMENS – CHLB Đức

4.3.3 Nguồn phát tia X của hãng CPI – Canada

4.4 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN BỘ HIỆU

CHỈNH DÒNG TIA (COLLIMATOR)

4.4.1 Bộ hiệu chỉnh dòng tia của hãng Huestis Medial – Mỹ

4.4.2 Bộ hiệu chỉnh dòng tia của hãng EUREKA – Mỹ

4.4.3 Bộ hiệu chỉnh dòng tia của hãng DUNLEE – Mỹ

CHƯƠNG V NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG

THIẾT BỊ CƠ KHÍ 5.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ

5.2 NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT

BỊ CƠ KHÍ CỦA MÁY X-QUANG CAO TẦN THƯỜNG QUI

CHƯƠNG VI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG

ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN 6.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ

6.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN-ĐIỀU KHIỂN MÁY

CHỤP X-QUANG CAO TẦN THƯỜNG QUI

6.3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN

6.3.1 Tính toán, thiết kế Module hiển thị

6.3.2 Khối nguồn

6.3.3 Khối giao tiếp ngoại vi

6.3.4 Khối phím bấm và đèn báo

6.3.5 Khối xử lý trung tâm

6.3.6 Phần mềm cho bộ điều khiển

6.4 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO TỦ CẤP NGUỒN

6.5 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MODUL ĐỊNH VỊ VỊ

TRÍ CHỤP

6.6 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU

KHIỂN TRÊN MÁY TÍNH

CHƯƠNG VII NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUI TRÌNH CHẠY THỬ VÀ THỬ

NGHIỆM CHO MÁY X QUANG CAO TẦN THƯỜNG QUI

7.2 QUI TRÌNH THỬ NGHIỆM TIỀN LÂM SÀNG, LÂM SÀNG

CHƯƠNG VIII CÁC KẾT QUẢ CHẠY THỬ VÀ THỬ NGHIỆM MÁY X

QUANG CAO TẦN THƯỜNG QUI 8.1 DANH MỤC SẢN PHẤM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CỦA ĐỀ TÀI

8.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ HÌNH ẢNH TỔNG THỂ MÁY

CHỤP X QUANG CAO TẦN THƯỜNG QUI DO NHÓM ĐỀ TÀI

CHẾ TẠO

8.3 KẾT QUẢ KIỂM TRA CỦA CƠ QUAN CHỨC NĂNG

8.4 KẾT QUẢ CHẠY THỬ TIỀN LÂM SÀNG VÀ LÂM SÀNG

CHƯƠNG IX KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 9.1 KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A Diện tích chiếu của bản lề mm2

C Nhiệt dung bóng phát tia X J, kHU

DT Liều hấp thụ trung bình cơ quan J/kg, rad, Gy

k Hệ số xét đến độ cong cầu của vòng lò xo -

mAs Tích số dòng phát & thời gian phát tia X mAs

N Công suất (bộ truyền xích) kW

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

2 Hình 2-2 Minh hoạ tương tác của điện tử với đối tượng

wolfram và mối quan hệ với phổ năng lượng của bóng X quang

13

5 Hình 2-5 Ví dụ về sự chiếu xuyên tia X qua các phần tử

mô-xương trong cơ thể

15

6 Hình 2-6 Các hiệu ứng chính trong sự tương tác X- vật chất 16

8 Hình 2-8 Cấu tạo chung bóng phát tia X analog quay 18

9 Hình 2-9 Bóng phát tia X cùng động cơ quay analog 19

10 Hình 2-10 Bóng phát tia X với động cơ quay cảm ứng 20

11 Hình 2-11 Hình ảnh bóng phát tia X analog quay 21

12 Hình 2-12 Quan hệ dòng nung ống phát và dòng điện ống phát 22

13 Hình 2-13 Dòng điện tử khi phát xạ bóng phát tia X analog quay 22

14 Hình 2-14 Đồ thị chỉnh lưu nguồn cho bóng phát tia X 23

15 Hình 2-15 Vùng tiêu điểm bóng phát tia X analog quay 23

16 Hình 2-16 Vùng tiêu điểm hiệu dụng và kích thước ảnh trên

21 Hình 2-21 Cấu tạo của biến thế cao áp 28

22 Hình 2-22 Cách đấu dây hai cuộn thứ cấp biến thế cao áp 28

26 Hình 2-26 Cách đấu cáp và bóng phát tia 29

27 Hình 2-27 Sơ đồ khối máy X quang tần số thấp 30

28 Hình 2-28 Sơ đồ khối máy X quang cao tần 30

40 Hình 4-1 Hình ảnh bóng phát tia X của hãng Varian – Mỹ 47

41 Hình 4-2 Hình ảnh bóng phát tia X của hãng TOSHIBA –

43 Hình 4-4 Hình ảnh bóng phát tia X của hãng Philips – Hà Lan 51

44 Hình 4-5 Hình ảnh bóng phát tia X của hãng Siemens – CHLB

47 Hình 4-8 Nguồn phát tia X của hãng GE – Mỹ 55

48 Hình 4-9 Nguồn phát tia X của hãng Siemens – CHLB Đức 55

49 Hình 4-10 Nguồn phát tia X của hãng CPI – Canada 56

50 Hình 5-1 Kết cấu cơ khí máy chụp X-Quang do IMI chế tạo 60

51 Hình 6-1 Sơ đồ khối hệ thống Điện – Điều khiển máy

X-Quang cao tần thường qui

62

55 Hình 6-5 Sơ đồ nguyên lý giao tiếp RS232 65

56 Hình 6-6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đèn báo LED 65

57 Hình 6-7 Sơ đồ nguyên lý khối phím bấm và đèn báo 66

58 Hình 6-8 Sơ đồ nguyên lý vi xử lý trung tâm 67

59 Hình 6-9 Bộ điều khiển máy chụp X Quang do IMI thiết kế,

chế tạo

67

60 Hình 6-10 Sơ đồ nguyên lý tủ điện máy chụp X Quang 68

61 Hình 6-11 Sơ đồ nguyên lý môdun định vị vị trí chụp 69

LỜI MỞ ĐẦU

Bản báo cáo tổng hợp kết quả khoa học công nghệ đề tài được trình bày trên

cơ sở đề tài độc lập cấp Nhà Nước bắt đầu thực hiện từ năm 2009 theo quyết định số 2892/QĐ-BKHCN ngày 26 tháng 12 năm 2008 và các phụ lục kèm theo, kinh phí sử dụng nguồn vốn ngân sách Nhà Nước và nguồn vốn đối ứng từ đơn

vị thực hiện đề tài là Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp (IMI)

Những thông tin chính liên quan đến đề tài như sau:

1 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy chụp X quang cao tần sử dụng

Tên tổ chức đang công tác: Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp

Địa chỉ tổ chức: số 46 Láng Hạ - Đống Đa - Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: Số 1 Ngách 173/137 Hoàng Hoa Thám–Ba Đình–Hà nội

7 Cơ quan chủ trì đề tài

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp

Điện thoại: 04 3835 1010 Fax: 04 3834 4975

E-mail: imi@hn.vnn.vn

Website: www.imi-holding.com

Địa chỉ: số 46 Láng Hạ - Đống Đa - Hà Nội

Căn cứ theo hợp đồng kinh tế số 30/2009/HĐ-ĐTĐL ký ngày 27 tháng 02 năm 2009 giữa bên A là Bộ Khoa học và Công nghệ và bên B là Viện Máy và

√

Dụng cụ Công nghiệp, theo nội dung hợp đồng bên B sẽ phải hoàn thành các sản

phẩm khoa học công nghệ sau :

12 Điều chỉnh vị trí giữa nguồn X quang và bàn chụp

1 Bộ bản vẽ kỹ thuật và chi tiết toàn

máy và các cụm cơ

Đầy đủ bản thiết kế chi tiết theo tiêu chuẩn

kỹ thuật hiện hành

2 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống

máy chụp X quang cao tần y tế

Đầy đủ bản thuyết minh tính toán thiết kế theo tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành

3 Quy trình chế tạo các mô đun thân

5 Các Quy trình thử nghiệm, kiểm định,

thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm

sàng máy chụp X quang cao tần y tế

Đầy đủ các bản quy trình thử nghiệm, kiểm định, thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng theo các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật y tế hiện hành

6 Các báo cáo thử nghiệm tiền lâm sàng

và lâm sàng máy chụp X quang cao

tần y tế

Đầy đủ các bản báo cáo thử nghiệm tiền lâm sàng và lâm sàng theo các quy định, tiêu chuẩn về thử nghiệm do bộ y tế ban hành

Bản báo cáo này sẽ lần lượt trình bày các nội dung đã thực hiện trong quá trình triển khai đề tài

Nhóm thực hiện đề tài rất mong muốn và xin chân thành cảm ơn những phê bình đóng góp quí báu của các nhà khoa học, các nhà quản lý vào các nội dung báo cáo sau khi đọc xong bản báo cáo này

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA

Trên thế giới, thị trường trang thiết bị y tế khá tập trung Năm 2003, tổng thị trường trang thiết bị y tế lên tới 148 tỷ đô la Mỹ, tăng đến 2006 khoảng 246 tỷ

đô la Mỹ và tăng trưởng mỗi năm chừng 5,56% Thống kê cho thấy thị phần của

10 nhóm trang thiết bị y tế lớn nhất chiếm tới gần 84%, trong đó Mỹ là thị trường lớn nhất (chiếm một nửa thị phần) và tăng trưởng mỗi năm chừng 7% Số liệu trên thế giới cũng cho thấy khi thu nhập bình quân tăng lên thì thị trường trang thiết bị y tế cũng tăng lên Tuy vậy, nhiều quốc gia vẫn đương đầu với thiếu tiếp cận với các trang thiết bị y tế chất lượng cao phù hợp với mô hình dịch

tễ bệnh tật của mình

Thiết bị y tế ứng dụng tia X đã được các nước trên thế giới tập trung nghiên cứu và phát triển với nhiều các kỹ thuật mới được đưa vào nghiên cứu và ứng dụng nhưng đây là công nghệ đặc biệt và kỹ thuật rất cao do vậy cho đến nay ứng dụng của tia X trong y học bao gồm các nhóm thiết bị sau:

- Nhóm thiết bị y tế để chuẩn đoán hình ảnh đây là ứng dụng chủ yếu của tia X trong y học với các thiết bị như: máy chụp X quang cao tần thường qui, máy chụp X quang cao tần kỹ thuật số, máy X quang tăng sáng truyền hình,

- Nhóm thiết bị y tế dùng để đo và chuẩn đoán bệnh như: máy đo độ loãng xương toàn thân bằng tia X,

- Nhóm thiết bị y tế dùng để chữa các bệnh hiểm nghèo như: xạ trị để chữa ung thư,

Với bản chất là sản phẩm y tế công nghệ cao theo hướng mechatronic, cho tới nay, việc nghiên cứu phát triển và sản xuất thiết bị X quang y tế được triển khai trên thị trường theo các hướng chính:

ƒ Phần lớn thị trường là do một vài tổ hợp công nghiệp lớn, trong đó đặc biệt là

bộ tứ General Electric (GE) – Mỹ, Siemens - CHLB Đức, Philips - Hà lan,

Toshiba - Nhật Bản chiếm giữ Các tổ hợp này có ưu thế tuyệt đối về công nghệ nguồn, vốn để đóng giữ vai trò khống chế trong lĩnh vực xây dựng và phát triển các thế hệ máy X quang y tế Phần lớn máy X quang các dòng trung và cao cấp nói riêng cũng như các thiết bị chuẩn đoán hình ảnh nói chung đều do các hãng này chế tạo Các tổ hợp này cũng nắm phần lớn các patent về thiết bị toàn bộ và linh kiện X-ray chính

ƒ Một thị phần khá quan trọng dành cho nhóm các công ty chuyên về các thiết

bị y tế, hoặc chỉ chuyên về thiết bị chuẩn đoán hình ảnh: Dell Medical Group – Mỹ, Hitachi, Shimadzu - Nhật Bản, Swissray - Thuỵ Sỹ, BMI – Italia, Các công ty dạng này thường dựa vào các kết quả nghiên cứu phát triển của hai nhóm trên và dưới, phối hợp với một số patent của riêng mình, tạo nên những dòng sản phẩm đảm bảo về tính năng kỹ thuật và tốt về giá cả, nhờ vậy xác lập được chỗ đứng của họ trên thị trường, đặc biệt là thị trường các nước đang phát triển, các khu vực, cộng đồng dân cư có thu nhập thấp

ƒ Nhóm các công ty, viện chuyên nghiên cứu phát triển các linh kiện, thiết bị chính của các hệ thống X quang để cung cấp cho thị trường, như COMET - Thuỵ Sỹ, Varian - Hoa kỳ, Dunlee - Hoa kỳ Một số hãng chế tạo thiết bị điện tử, đặc biệt chuyên về thiết bị vision như: DALSA - Canada, PerkinElmer - Hoa kỳ, Thales -Pháp, Hamamatsu - Nhật Bản, DRTech - Hàn Quốc cũng rất chú trọng phát triển các sản phẩm Hi-Tech cho thiết bị chuẩn đoán hình ảnh nói chung, X quang y tế nói riêng, tạo nên sự sôi động

và phát triển không ngừng của ngành thiết bị này

ƒ Trong những năm gần đây, đã xuất hiện các cơ sở sản xuất lắp ráp thiết bị X quang trực tiếp tại các nước đang phát triển có thị trường lớn như: Trung Quốc, Ấn Độ, Braxin, Các cơ sở này phần lớn là công ty liên doanh hoặc FDI của các hãng thuộc nhóm đầu tiên

Các thiết bị y tế sử dụng tia X là các sản phẩm y tế phức tạp được tích hợp từ nhiều lĩnh vực khác nhau và sử dụng những công nghệ đặc vì vậy chỉ có vài nước theo đuổi chế tạo và có những thành công nhất định Có thể kể ra các hãng sau: GE, Dell (Mỹ), Siemens (Đức), Philips (Hà Lan), Toshiba, Hitachi, Shimadzu (Nhật), Vila (Ý),…

Trong các lĩnh vực được tập trung phát triển thì công nghệ chế tạo trang thiết

bị y tế chiếm một vai trò quan trọng Hiện nay, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cũng như những phát minh mới trong công nghệ vật liệu mới dẫn tới việc ra đời các sản phẩm thiết bị y tế cực kỳ hiện đại và đạt độ chính xác cao trong việc chuẩn đoán

Mặt khác do tỷ lệ tăng dân số trên thế giới cũng như xuất hiện một loạt các loại bệnh dịch mới khiến cho việc phát triển công nghệ chế tạo trang thiết bị y tế nhằm đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Nhận thức được tầm quan trọng của nó, các nước trên thế giới đã rất tập trung phát triển lĩnh vực này Dưới đây là điều tra đánh giá của một số nước trên thế giới

Mỹ: Nhân tố chính của việc cải cách hệ thống chăm sóc y tế mới tại Mỹ là

việc can thiệp của chính phủ trong việc khảo sát tỉ mỉ sự cạnh tranh của thị trường để đảm bảo phát triển được nền kinh tế y tế nó chính là chính sách bảo hiểm y tế cá nhân chỉ có ở các nước không có hệ thống bảo hiểm chung thường nằm trong số các nước đã phát triển theo hệ thống chăm sóc y tế này cả hai nguồn tài chính và cung cấp dịch vụ y tế phần lớn là tư nhân hóa Thêm vào đó

là bảo hiểm y tế đặc biệt bên cạnh việc mua bảo hiểm cá nhân, những người sử dụng lao động cũng cung cấp cho người lao động những nhóm bảo hiểm y tế

độc lập Chính vì vậy thị trường thiết bị y tế tại Mỹ được đánh giá là lớn nhất

trên thế giới với ước tính chiếm trên 50%, được tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực thiết bị y tế cũng như thử nghiệm lâm sàng Thêm vào đó, nhờ có sự điều khiển và giám sát nghiêm ngặt thị trường thiết bị y tế, chi phí cho việc marketing là khá đắt nhưng những hoạt động này được rõ ràng và phổ biến Vì vậy, trong một số năm trở lại đây, phần lớn các thiết bị y tế đã phát triển trở thành một bộ phận then chốt trên thị trường chiếm tới 34% GDP Sự tăng trưởng này một phần do việc sử dụng các nhà chế tạo nước ngoài giá rẻ như Ireland và Mexico và sau đó lại nhập khẩu các sản phẩm

đó vào Mỹ

Anh: Theo hệ thống y tế quốc gia của Anh, tất cả các công dân nước này

đều được hưởng các dịch vụ y tế miễn phí Hệ thống chăm sóc y tế là một kiểu

hệ thống dọc từ trên xuống dưới và cũng là hệ thống chuyển hai chiều Thêm vào đó, hơn 80% kinh phí y tế được cung cấp từ nguồn thuế của chính phủ và

dựa vào bảo hiểm sức khỏe tư nhân Ngày nay, chính phủ Anh đã bổ xung thêm

phương án trả tiền theo các kết quả, với thay đổi lớn về gánh nặng tài chính trong hệ thống bảo hiểm y tế quốc gia, nó cũng là biện pháp then chốt cho các kiểu mẫu chăm sóc sức khỏe của chính phủ Thêm vào đó các bệnh nhân có thể chọn lựa các bệnh viện vì với việc trả tiền theo các kết quả sẽ dẫn đến việc cạnh tranh mạnh mẽ từ các bệnh viện, không những là cơ hội để phát triển các tiêu chuẩn y tế mà còn không mang đến những rủi ro tài chính cho các cơ sở chăm

sóc sức khỏe hàng đầu và các hệ thống bảo hiểm y tế dân sự Nước Anh được

xem như một trong những thị trường thiết bị y tế lớn nhất với tổng giá trị năm

2009 là 7,8 tỷ USD, trên cơ sở thị trường tiêu dùng quốc nội với tỷ lệ 125USD/1người là nước đứng thứ 3 trong các nước châu Âu sau Đức và Pháp, tuy nhiên do nhiều nhà chế tạo trong nước không thay đổi nhanh chóng các sản phẩm theo nhu cầu của khách hàng vì họ không cho rằng việc nhập khẩu các

thiết bị y tế sẽ tiếp tục tăng trưởng

Thụy Điển: Nơi có hẳn quỹ cộng đồng về phát triển hệ thống chăm sóc sức

khỏe Theo hướng mua sắm thiết bị mới, Thụy Điển mong muốn phát triển công nghệ để trở thành quốc gia đứng đầu về công nghệ này Trong năm 2008, nước này nhập khẩu các thiết bị y tế với giá trị khoảng 2,1 tỷ USD tăng 11,2% so với năm trước Trong giai đoạn từ 2004 đến 2008 tỷ lệ tăng trưởng là 12,2% và nhập khẩu các sản phẩm chủ yếu là các thiết bị phục vụ cho chỉnh hình chiếm tới 33,7% lượng nhập khẩu tuy nhiên sự phân phối phung phí vẫn còn diễn ra tại các cơ sở y tế của chính phủ Thêm vào đó với sự tăng trưởng của số người

cao tuổi, sự điều khiển chi phí cũng trở nên có hậu quả đáng kể

Trung Quốc: Sự khác biệt lớn trong hệ thống chăm sóc sức khỏe giữa Trung

Quốc và các nước đã phát triển cũng như giới hạn về kinh nghiệm chính là điều cấp thiết để Trung Quốc thiết kế các hệ thống chăm sóc y tế phù hợp với những điều kiện, hoàn cảnh của quốc gia dựa trên những tham khảo kinh nghiệm của

các hệ thống chăm sóc sức khỏe cộng đồng từ nước đã phát triển Trong thời

gian 20 năm trở lại đây, Trung Quốc đã trở thành một bộ phận quan trọng trong thị trường thiết bị y tế trên thế giới và không nghi ngờ rằng Trung Quốc đang có thạm vọng sẽ làm bá chủ thị trường này Hơn thế nữa bên cạnh những phát triển

về kinh tế và dân số, sự già hóa và thành thị hóa cũng kéo theo sự bành trướng

của thị trường thiết bị y tế Các sản phẩm công nghệ cao chủ yếu phụ thuộc vào

nhập khẩu hoặc được sản xuất bởi các công ty đa quốc gia và các công ty liên doanh nước ngoài với các công ty nội địa nhìn chung có quan hệ rất hạn chế Hơn nữa, dưới tình hình khủng hoảng tài chính toàn cầu cũng làm cho thị trường thiết bị y tế quốc tế bị thu hẹp lại Tuy nhiên, nhờ có những bổ xung của hệ thống chăm sóc sức khỏe mới, ngành công nghiệp thiết bị y tế cần phải đương đầu với một chu kỳ mới về cơ hội và cạnh tranh Thêm vào đó, cùng với sửa đổi cách quảng cáo, sự hoàn thiện hệ thống bảo hiểm chăm sóc sức khỏe sẽ cung

cấp một thị trường rộng và rạch ròi các thiết bị của ngành y tế

Như vậy, có thể thấy rằng ngành chế tạo trang thiết bị y tế trên thế giới đang phát triển rất mạnh Các nghiên cứu phát triển cũng như cải tiến trong lĩnh vực này đang được đẩy nhanh, tạo ra những giá trị kinh tế và ảnh hưởng sống còn đối với các bệnh nhân khi càng xuất hiện nhiều dịch bệnh mới

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ Y TẾ SỬ DỤNG TIA X TRONG NƯỚC

Việt Nam là nước có số dân lớn (trên 87 triệu dân), trở thành thành viên thứ

150 của tổ chức thương mại thế giới năm 2007 và tốc độ phát triển kinh tế tương đối ổn định 6-7%/năm nên được coi là khá hấp dẫn với thị trường thiết bị y tế Ngành Y tế vốn được coi là ngành có tính chất sự nghiệp công, nên hệ thống y

tế Nhà nước chiếm vai trò chi phối và nhà nước đảm nhiệm trách nhiệm đầu tư chính cho y tế (bao gồm cả kinh phí trả lương và một phần kinh phí hoạt động) Chi y tế bình quân đầu người tại Việt Nam có xu hướng tăng qua các năm, tính theo giá hiện hành qua các năm 1998, 2000, 2005, 2008, 2010 là: 17 USD, 21 USD, 38 USD, 66 USD và 80 USD Tỷ lệ tổng chi y tế và GDP có tăng song ở mức thấp, đạt khoảng 5-6% Nhờ tổng chi cho y tế tăng lên do vậy các bệnh viện

có ngân sách để mua sắm máy móc và trang thiết bị y tế

Xét về quy mô thị trường TTB y tế, năm 2010 ước tính thị trường Việt Nam đối với thiết bị y tế và vật tư có giá trị chừng 515 triệu USD, tương đương 6 USD trên đầu dân Một số con số dự báo lạc quan thị trường Việt Nam sẽ tiếp tục tăng trưởng từ 10-15% mỗi năm và đạt quy mô trên 1 tỷ đô la Mỹ vào năm

2015 Thị phần chủ yếu hiện nay là từ nhập khẩu và một phần ba (30-40%) là từ các hãng của Nhật, Đức và Mỹ Các thiết bị được tiêu thụ chủ yếu là thiết bị chẩn đoán hình ảnh, xét nghiệm, thiết bị phòng mổ, thiết bị khử trùng, chống nhiễm khuẩn, theo dõi bệnh nhân và cấp cứu TP Hồ Chí Minh và Hà Nội vẫn là nơi đầu tư TTB y tế nhiều nhất Theo thống kê của Cục Hải quan TP.HCM, giá trị một số loại máy móc khám chữa bệnh nhập về Việt Nam qua các cảng của TP.HCM tăng mạnh qua từng năm: năm 2009 là gần 203,8 triệu USD; năm 2010

là 261,5 triệu USD;

Về chi đầu tư phát triển trong tổng chi y tế quốc gia cho thấy chiếm tỷ lệ dao động xung quanh 10% tổng chi y tế song có xu hướng giảm từ giai đoạn 2004-

2007 (từ 13,77% năm 2003 xuống 7,6% năm 2004 và 6,9% năm 2007) nhưng từ

2008 đến nay đã tăng nên nhờ các chương trình trái phiếu Chính phủ Từ 2008 đến năm 2013, Chính phủ sẽ tiếp tục các chương trình đầu tư trái phiếu Chính phủ đầu tư cho bệnh viện huyện, một số chuyên khoa và bệnh viện tuyến tỉnh Bên cạnh đầu tư từ ngân sách nhà nước và viện trợ, ngành y tế Việt Nam đã từng bước mở rộng xã hội hóa, cho phép một số hình thức huy động tài chính để trang bị thêm máy móc, trang bị Hiện nay hình thức phổ biến trong các bệnh viện công huy động tài chính dưới các hình thức: liên doanh, liên kết đặt máy phân chia lợi nhuận Nhờ phương thức này, nhiều dịch vụ kỹ thuật cao đã được triên khai (mà không có nguồn vốn nhà nước) như chẩn đoán hình ảnh (MRI,

CT scan, siêu âm), xét nghiệm, nội soi chẩn đoán và can thiệp; nguồn thu tài chính của bệnh viện tăng lên và giúp phát triển kỹ thuật tại các bệnh viện Tuy

nhiên, hình thức này thực hiện khi không tách thành pháp nhân độc lập sẽ có khả năng dẫn tới sự lạm dụng dịch vụ nếu kiểm soát không tốt

Về đầu tư nước ngoài trong lĩnh vực y tế, theo Cục Đầu tư nước ngoài (Bộ

Kế hoạch và Đầu tư), cả nước có trên 70 dự án đầu tư nước ngoài trực tiếp vào lĩnh vực y tế (y, dược, TTB) với tổng vốn đăng ký là gần 1 tỷ đô la Mặc dù, vốn đầu tư trực tiếp FDI vào y tế còn khiêm tốn, song nhiều chuyên gia vẫn nhận định rằng trong những năm tới, số bệnh viện tư nhân và bệnh viện có vốn FDI sẽ tăng mạnh khi một loạt chính sách ưu đãi đầu tư vào lĩnh vực khám chữa bệnh được triển khai, nhiều rào cản trong hoạt động y tế tư nhân được tháo gỡ khi áp dụng chính sách ưu đãi đặc biệt về thuế

Trong nước ta hiện có gần 900 bệnh viện lớn nhỏ ngoài ra còn rất nhiều các

cơ sở y tế khám chữa bệnh tư nhân khác vì vậy nhu cầu về trang thiết bị y tế là rất lớn, đa dạng về chủng loại, đòi hỏi độ an toàn, chính xác cao Để phục vụ nhu cầu cho các bệnh viện ngành y tế đã có rất nhiều nỗ lực trong việc đầu tư trang thiết bị, trong đó có các thiết bị X quang y tế Tuy nhiên, do đây là các thiết bị đặc biệt, phức tạp về kỹ thuật và có giá trị kinh tế lớn, nên hầu như chỉ được đầu tư vào việc nghiên cứu tìm hiều và khai thác là chính Cho tới những năm gần đây, do nhu cầu thị trường ngày một cấp bách đã ra đời nhiều công ty,

tổ chức tư nhân như: Công ty thiết bị y tế Việt Nhật, Công ty lắp đặt và chuyển giao thiết bị y tế (MTI), tham gia vào cung ứng, dịch vụ sau bán hàng, bảo trì, bảo hành thiết bị Ngoài ra, một số đơn vị nghiên cứu đào tạo như: các trường, viện kỹ thuật, kể cả quân sự, đã bắt đầu thành lập và đào tạo kỹ sư, kỹ thuật viên

y sinh, mà mục đích của nó trước tiên là xây dựng đội ngũ cán bộ kỹ thuật chuyên ngành thiết bị y tế công nghệ cao, phục vụ cho công tác vận hành sử dụng và sửa chữa trước mắt cũng như nghiên cứu phát triển sau này (Viện máy

và dụng cụ công nghiệp, Viện nghiên cứu điện tử, tin học, tự động hoá, các trường Đại học Bách khoa Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, Viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Trang thiết bị và công trình y tế - Bộ Y Tế, )

Năm 2006, Viện nghiên cứu điện tử, tin học, tự động hoá đã thực hiện đề tài cấp bộ "Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy chụp X quang dùng cho các cơ sở y tế" với mục tiêu của đề tài là các máy X quang y tế thường quy tần số công nghiệp (50 Hz) mặc dù máy chụp X quang này có nhiều nhược điểm và từ nhiều năm nay đã không còn được các hãng trên thế giới sản xuất nữa nhưng đây là bước đi đầu tiên đặt nền móng cho các nghiên cứu tiếp theo Ngoài ra còn một số nghiên cứu khác nhưng chủ yếu là lý thuyết hoặc từng phần như: đề tài “Khảo sát nguyên lý thiết kế tổng thể thiết bị chụp X quang số 500 mA” do trung tâm công nghệ Laser - Viện ứng dụng công nghệ - Bộ khoa học và công nghệ thực hiện,

số hóa các máy chụp X quang cao tần thường qui theo công nghệ DR/FPD do

công ty TNHH thiết bị Việt Ba thực hiện, Đặc biệt gần đây đã hình thành công ty liên doanh y học Việt – Hàn (VIKOMED) tại khu công nghệ cao Hòa Lạc đã cung cấp các loại thiết bị X quang như: máy chụp X quang cao tần thường qui, máy chụp X quang kỹ thuật số, hệ thống C-Arm, Các thiết bị này cung cấp cho thị trường từ năm 2010 và chủ yếu là lắp ráp thiết bị và hầu như không thiết kế hoặc sản xuất chi tiết nào

Năm 2009, Viện trang thiết bị và công trình y tế cũng xây dựng đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy chụp X quang di động kỹ thuật số” đề tài thực hiện trong 2 năm 2010-2011 đến nay đề tài đang trong giai đoạn hoàn thiện để chuẩn bị nghiệm thu Đề tài này cùng với những nghiên cứu của nhóm đề tài là

cơ sở để có những nghiên cứu tiếp theo sâu hơn về thiết bị X quang trong y tế

Xuất phát từ thực trạng trang thiết bị của tuyến cơ sở (huyện, quận): vừa thiếu vừa yếu Cho tới cuối 2007, mới chỉ có trên 1000 máy X quang các loại (gần một nửa là máy chụp thường quy), phần lớn đều ở tình trạng lạc hậu kỹ thuật, đang được trang bị cho các tuyến nói trên Đây là các máy X quang cuối thế hệ hai (sử dụng nguồn có cường độ tia thấp, tần số thấp), nên liều chụp cao, dẫn tới ảnh hưởng chất lượng chuẩn đoán và sức khoẻ người bệnh Với số lượng quận huyện trên cả nước như hiện nay thì số lượng máy mới và máy cần trang bị lại, nâng cấp hoặc thay mới lên tới gần 2000 chiếc trong vòng 3-5 năm tới Bên cạnh khối các bệnh viện công lập vừa nêu, khối các bệnh viện tư nhân, đang trong quá trình phát triển nhanh cả về số lượng và năng lực, cũng có nhu cầu rất cao, ước tính có thể tới không dưới 500 máy/năm trong thời gian tới Do vậy, nhiệm vụ trọng tâm của các cơ sở làm công tác trang thiết bị y tế trước mắt

là phải trang bị mới, thay thế, nâng cấp thiết bị X quang cao tần cho các bệnh viện tuyến cơ sở cũng như khối tư nhân Đây chính là một thị trường, một cơ hội rất lớn cho ngành thiết bị y tế công nghệ cao trong nước nắm bắt, phục vụ

Bên cạnh việc phục vụ nhu cầu trong nước, việc xuất khẩu sang các nước trong khu vực như Lào, Campuchia, Đông Nam Á là hoàn toàn khả thi, một khi

ta có thể sản xuất được các máy chụp X quang cao tần kỹ thuật số với giá cả cạnh tranh

Để đáp ứng các thị trường như đã phân tích ở trên, vừa có giá vừa phải, lại tương đối tiên tiến, bước đầu cần thiết kế chế tạo loại máy chụp X quang cao tần

có được những đặc trưng cấu tạo và công nghệ hiện đại của thế hệ thứ ba đời trung trở lên với các thông số: nguồn X quang có dòng chụp không dưới 300

mA, tần số tối thiểu 30 kHz, điện áp chụp 40-150 kVp, điều khiển điện tử số, cảm biến hình (phim, detector, màn huỳnh quang) số hoá, ứng dụng một số kỹ thuật chụp tiên tiến như APR, AEC,

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu, phạm vi nghiên cứu của đề tài do Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp thực hiện cụ thể như sau:

• Chế tạo 01 máy chụp X quang hoàn chỉnh với các chỉ tiêu kỹ thuật như sau: + Điện áp: 40÷120 kV

+ Cường độ dòng ≥ 300 mA

+ Công suất máy ≥ 30 kW

+ Tần số dòng ≥ 30 kHz

+ Có lưới lọc tia + Hiển thị các thông số chụp

+ Có bàn chụp nằm và giá chụp đứng

Hồ sơ của thiết kế, chế tạo của máy bao gồm:

+ Bản thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối của máy chụp X quang cao tần thường quy

+ Bản thiết kế phần cơ khí của máy chụp X quang cao tần thường quy

+ Bản thiết kế phần điện, điều khiển máy chụp X quang cao tần thường quy + Tiêu chuẩn cơ sở của máy tương đương tiêu chuẩn Châu Âu

• Làm chủ thiết kế, quy trình công nghệ chế tạo và lắp ráp máy X quang cao tần dùng cho các cơ sở y tế:

+ Xây dựng cơ sở công nghệ cho thiết kế hệ thống chụp X quang cao tần y

tế thường quy đảm bảo chất lượng ảnh theo yêu cầu chuẩn đoán

+ Thiết kế chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh một thiết bị chụp X quang cao tần y tế thường quy

+ Tỷ lệ nội địa hoá đạt ≥ 40%, giá thành cạnh tranh so với nhập ngoại

• Góp phần đảm bảo chất lượng, tăng hiệu suất chụp chiếu X quang trong chuẩn đoán bệnh

• Thay thế thiết bị nhập ngoại đắt tiền, giảm chi phí đầu tư cho ngành y tế của đất nước, giảm chi phí khám chữa bệnh cho bệnh nhân

• Nâng cao năng lực chế tạo thiết bị y tế công nghệ cao theo hướng cơ điện tử, tiến tới xuất khẩu sản phẩm ra các nước trong khu vực và thế giới

• Thúc đẩy phát triển các ngành liên quan: thiết bị y tế công nghệ cao, cơ khí chính xác, điện tử y sinh, điều khiển tự động hoá

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Bằng kinh nghiệm triển khai nghiên cứu thiết kế chế tạo cho các đề tài khoa học trong lĩnh vực cơ-điện tử của Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp đã ứng dụng thành công vào thực tế tại Việt Nam và những kinh nghiệm nghiên cứu của nhóm đề tài Để nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công máy chụp X quang cao tần thường qui sử dụng trong y tế nhóm đề tài chọn phương pháp nghiên cứu là lấy mẫu và cải tiến cho phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo trong nước

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:

- Nghiên cứu lý thuyết: nhằm chuẩn bị cơ sở cho công tác thiết kế hệ thống, thiết kế thân máy, thiết kế hệ điều khiển chuyên dùng cho thiết bị chuẩn đoán

hình ảnh y tế Trong quá trình nghiên cứu, sẽ tham khảo, tìm hiểu, xây dựng

và rút ra các công thức, nguyên lý thiết kế cơ bản cho xây dựng máy, các sơ

đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển, các giải thuật cơ sở cho thu nhận

và xử lý ảnh X quang cao tần,…

- Nghiên cứu thực nghiệm: nhằm rút ra những thông số về vật liệu hoặc quá trình vật lý cần thiết cho tính toán công nghệ cũng như thiết kế thiết bị, kiểm

nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống, thiết bị đang được nghiên cứu chế tạo

- Nghiên cứu công nghệ: nhằm tổng hợp các kết quả nghiên cứu lý thuyết và

thực nghiệm, đề xuất và thực hiện các công nghệ chụp tối ưu được đề xuất

- Nghiên cứu tích hợp hệ thống để tạo ra một thiết bị X quang cao tần hoàn chỉnh Với một sản phẩm có tính cơ điện tử nổi bật như máy chụp X quang y

tế, việc ứng dụng phương pháp tích hợp sẽ mang lại một cấu hình máy hiện

đại, đáp ứng tốt nhất cùng một lúc nhiều yêu cầu kỹ thuật, tính năng thiết bị Các kỹ thuật chính được ứng dụng là:

- Kỹ thuật thiết kế CAD cho thiết kế máy: trên cơ sở ứng dụng những phiên bản mới nhất của AutoCAD, triển khai quá trình thiết kế các hệ thống cơ như: thân máy, bàn và giá chụp đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và mỹ thuật công nghiệp ở mức cao

- Kỹ thuật thiết kế hệ thống X quang cao tần chuyên dùng cho y tế: bao gồm những tiêu chuẩn, yêu cầu kỹ thuật, các quy tắc tính toán trong lĩnh vực X quang nói chung, cũng như chụp ảnh y tế nói riêng, nhằm đảm bảo cho hệ thống đáp ứng được yêu cầu chụp ảnh có chất lượng cao, an toàn

- Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển tự động các hệ thống thiết bị X quang cao tần y tế: bao gồm các kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại như

kỹ thuật thiết kế mạch nguyên lý, kỹ thuật thiết kế mạch in với các công cụ

tự động (các phần mềm OrCAD, ProTel…), kỹ thuật phát triển hệ vi điều khiển với các công cụ phát triển chuyên dụng như: các hệ nghiên cứu phát triển DK51+C51 của Ceibo-Keil, iC2000 của iSystem,…

- Kỹ thuật đo lường, kiểm soát bức xạ: bao gồm việc áp dụng hàng loạt tiêu chuẩn chuyên ngành cho đo lường và kiểm soát bức xạ của Việt nam và quốc

tế ban hành, việc sử dụng các thiết bị đo lường kiểm soát bức xạ hiện đại của các nước tiên tiến như thiết bị đo và báo động giới hạn bức xạ nguy hiểm, thiết bị kiểm tra X quang chuyên dụng cho các máy chụp y tế…

- Kỹ thuật lấy mẫu một số thiết bị chuẩn như: colimator, lưới chống nhiễu Bucky, hệ điều khiển : bao gồm việc đo chính xác trên các thiết bị đo 2D/3D, kiểm tra vật liệu trên các máy đo cơ lý…

- Kỹ thuật và công nghệ chế tạo thiết bị y tế nói chung, máy X quang cao tần cho chẩn đoán y tế nói riêng: bao gồm các kỹ thuật và công nghệ cơ khí, điện

tử và điện động lực thông dụng cũng như các kỹ thuật, công nghệ đặc thù cho nhóm thiết bị X quang y tế

Tính mới, tính độc đáo, tính sáng tạo:

- Lần đầu tiên, một thiết bị chuẩn đoán hình ảnh (máy chụp X quang cao tần) được nghiên cứu thiết kế và chế tạo tại Việt Nam, phục vụ cho nhu cầu khám chữa bệnh của xã hội

- Thiết bị được thiết kế chế tạo phù hợp với điều kiện sử dụng Việt Nam, phù hợp và góp phần nâng cao công nghệ và trình độ ngành chế tạo thiết bị y tế trước mắt cũng như trong tương lai

- Thiết bị bao gồm: nguồn X quang cao tần chuyên dụng, các cụm thiết bị liên quan khác, được thiết kế chế tạo trên cơ sở vừa kế thừa các nguyên lý đã

có, vừa mang tính sáng tạo, độc đáo, nhằm một mặt nâng cao hiệu suất thiết

bị, đồng thời giảm chi phí đầu tư, chế tạo

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TIA X VÀ ỨNG DỤNG CỦA

λ - là chiều dài bước sóng của tia X

Dựa vào công thức trên ta thấy những photon tia X có bước sóng dài hơn thì sẽ

có năng lượng thấp hơn so với các photon có bước sóng ngắn hơn Năng lượng tia X được thể hiện bằng đơn vị eV (1eV=1,601×10-19J) Đó là lượng năng luợng động học mà một điện tử tăng tốc đi qua điện áp 1V (năng lượng bằng tích của thời gian phóng điện tử và điện áp) Năng lượng quang tử tia X lớn nhất

có thể bằng với toàn bộ năng luợng động học của điện tử Phương trình 2.1 có thể chuyển sang đơn vị có eV như 2.2:

Sóng tia X càng ngắn thì năng lượng xuyên thấu của nó càng lớn Những sóng dài hơn, trong khoảng 10nm (124eV) ÷ 0,1nm (12,4keV) được gọi là các tia X mềm (soft X rays) Do khả năng xuyên thấu chiều dày vật chất nhỏ nên các tia này ít có giá trị trong y học phóng xạ Những tia sóng ngắn, gần hoặc chờm lên vùng sóng của tia gama (γ) được gọi là tia X cứng (hard X rays), dù mang năng lượng cao, nhưng do cho thông tin tương phản thấp nên cũng không được y học phóng xạ quan tâm Các tia X dùng trong chuẩn đoán y học là các tia

có chiều dài sóng 0,1nm ÷ 0,01nm, tương ứng với vùng năng lượng 12,4keV ÷ 124keV Hỗn hợp của nhiều tia chiều dài sóng khác nhau được gọi là tia X

“trắng” Nếu chỉ gồm một loại sóng thì tia X được gọi là tia X “đơn sắc” Cả ánh sáng và tia X đều được sinh ra bởi sự chuyển trạng thái của các điện tử di chuyển theo quỹ đạo quanh hạt nhân Ánh sáng được sinh bởi sự chuyển trạng thái của các điện tử ở lớp bên ngoài còn tia X được sinh ra bởi các điện tử ở lớp bên trong Trong trường hợp, bức xạ tia bị hãm, tia X được sinh bởi sự chậm trễ hoặc lệch hướng của các điện tử tự do qua một trường điện từ mạnh

2.1.2 Phương pháp tạo tia X

2.1.2.1 Nguyên lí tạo tia X

Tia X được tạo khi có sự va chạm điện tử tốc độ cao với một vật thể vật chất Một phần năng lượng của điện tử bị mất mát qua nhiệt, phần còn lại tạo tia X do việc gây các thay đổi trạng thái trong điện tử của vật thể đối tượng, kết quả của sự va đập Có 3 dạng chạm va chạm được quan tâm hơn cả:

• Thứ nhất: Khi điện tử tốc độ cao đến gần hạt nhân nguyên tử và chịu một tổn thất bức xạ Do sức hút giữa hạt nhân (+) và điện tử (-), điện tử này di chuyển quanh hạt nhân, nhưng do tổn hao bức xạ nên di động này không hoàn chỉnh Việc giảm tốc bất ngờ của điện tử tốc độ cao sinh bức xạ hãm (bremsstralung) (hình 2-2a) Năng luợng của bức xạ kết quả phụ thuộc vào lượng động năng tia tới tạo ra khi tương tác Nếu điện tử mang năng lượng chỉ sượt qua trường coulonb nguyên tử, thì tạo ra được các tia X năng lương đối thấp Khi lượng tương tác tăng, năng lượng của tia X kết quả cũng tăng lên Bức xạ này có phổ liên tục, phủ toàn bộ vùng năng lượng của phổ điện

từ

• Thứ hai: Khi điện tử tốc độ cao va vào 1 điện tử ở lớp trong của nguyên tử đích, giải phóng điện tử này Hốc trống lập tức được điền bởi một điện tử lớp ngoài, cùng với sự phát bức xạ đặc trưng (hình 2-2b) Theo thuyết lượng tử, các điện tử trong một nguyên tử vật chất quay trên các quỹ đạo với các mức năng lượng lượng tử nhất định Năng lượng của tia X đặc trưng là chênh lệch giữa các năng lượng liên kết của hai lớp

• Thứ ba: Khi điện tử va chạm trực tiếp hạt nhân, toàn bộ năng lượng xuất hiện như là bức xạ hãm, tia X sinh ra bởi tương tác này thể hiện giới hạn năng lượng trên của phổ tia X (hình 2-2 c)

Các tia X không thể có động năng cao hơn động năng của các điện tử sinh

ra chúng Do vậy, ví dụ một bóng X quang hoạt động tại 120kVp thì sự tương tác chỉ tạo ra photon X với năng lượng 120keV (hình 2-2d) Hơn nữa bức xạ phát ra không phải là đơn sắc mà được kết họp từ một dải rộng các chiều dài sóng với giới hạn chiều dài sóng nhọn thấp hơn tương ứng với năng lượng bắn phá lớn nhất của điện tử Quang phổ liên tục này phụ thuộc vào bản chất của vật chất đối tượng Nếu tia X phát đi qua một quang phổ kế, người ta thấy các đường riêng biệt chồng lên nhau trên phổ liên tục Các đường này, được xem là đặc tính của các tia X, thể hiện chiều dài sóng phụ thuộc chỉ vào cấu trúc các nguyên tử vật đối tượng Nói cách khác, một điện tử chuyển động nhanh va vào đối tượng có thể gây nên kích hoạt tia X từ năng lượng bất kỳ tới năng lượng của bản thân điện tử, hoặc có thể kích hoạt tia X năng lượng riêng nào

đó, phụ thuộc vào bản chất của nguyên tử vật đối tượng

Theo nguyên lí tạo tia X trên, người ta đã tạo các tia X nhờ các bóng X quang

2.1.2.2 Các bóng X quang

• Bóng Crookes: là bóng tạo tia X đầu tiên có cấu trúc, một ống bán chân

không có 2 điện cực Khi có một dòng điện qua ống này, khí còn lại trong ống được ion hoá, các ion dương va đập vào cathode phóng ra các điện tử Những điện tử này hình thành chùm tia cathode bắn phá tường thủy tinh của ống tạo ra các tia X Đặc điểm của bóng Crookes chỉ tạo ra được tia X mềm

có năng lượng thấp Một cải tiến để tăng cường chất lượng tia X là bóng có cathode cong nhằm tập trung chùm điện tử vào đối tượng kim loại nặng gọi

là anode Loại này tạo được các tia X có mức năng lượng cao hơn, sóng

(d)

Hình 2-2: Minh hoạ tương tác của điện tử với đối tượng wolfram và mối quan

hệ với phổ năng lượng của bóng X quang

ngắn hơn so với loại trong bóng Crookes, tuy nhiên hoạt động trong bóng này không đều do việc tạo ra tia X còn phụ thuộc vào áp suất khí trong bóng

• Bóng Coolidge: được phát minh năm 1913 bởi nhà vật lí người Mỹ William

David Coolidge, là bóng chân không thermionic, có 1 sợi đốt wolfram (cathode-K) và một vật liệu đích (anode-A), trong đó điện tử được tạo nên bởi hiệu ứng nhiệt điện tử từ cathode được nung nóng bởi dòng điện, chứ không phải do bắn phá bởi các ion như các loại bóng nói trên Các điện tử phát ra từ cathode nung nóng tăng tốc bởi điện áp cao đặt xuyên bóng (hình 2-3), rồi va đập với anode tạo ra các tia X Điện áp càng tăng thì chiều dài bước sóng tối thiểu của bức xạ càng giảm Hầu hết các bóng X quang ngày nay dều mang nguyên lý của bóng Coolidge cải tiến Đối với bóng có công suất cao cần phải có đường làm mát cathode để tránh sự nóng chảy do va đập dưới sự bắn phá của các điện tử Các bóng Coolidge cải tiến có thể chịu chấn động được sử dụng rộng rãi với lớp cách điện bao quanh (bằng dầu) và được nối đất Thiết bị này (gọi là betatron) được sử dụng để tạo các tia X cứng có sóng ngắn hơn tia gama

• Bóng anode quay: là bóng coolidge cải tiến để tăng hiệu suất năng lượng

(thường việc tạo tia X không hiệu quả, 99% năng lượng chuyển đổi thành nhiệt) Bằng việc quét anode qua điểm tiêu, nhiệt có thể lan toả trên một vùng rộng hơn, làm tăng đáng kể công suất Trừ bóng tạo X quang của máy chụp răng, hầu như các bóng X quang y tế có dạng này

Anode bao gồm một đĩa với mục tiêu bắn hình vành khuyên sát ngay cạnh, nhờ vòng ổ bi đỡ, khi có cảm ứng điện từ trường từ dãy dây quấn stator bên ngoài bóng chân không, anode có thể quay Do toàn bộ phần này nằm trong bóng chân không, việc loại trừ nhiệt là một vấn đề, nhất là khi công suất cao Trong trường hợp này, làm mát bằng dẫn nhiệt hoặc đối lưu trực tiếp như ở các bóng Coolidge là rất khó Trong đa số các bóng với anode quay, anode đuợc treo vào ổ bi, bôi trơn bằng bột bạc, như vậy không cần làm mát do sự dẫn nhiệt Một phát triển gần đây là ổ đỡ thuỷ động bôi trơn bằng gali lỏng Loại ổ đỡ này

có thể chịu nhiệt độ rất cao mà không làm hỏng bóng chân không Bể mặt tiếp xúc lớn của gối đỡ với chất bôi trơn kim loại tạo nên hiệu quả thoát nhiệt từ anode

Hình 2-3: Sơ đồ ống Coolidge

K: sợi đốt A: Anode Win , Wout: nước vào, ra từ cơ cấu làm mát

Anode phải là vật liệu chịu nhiệt độ cao Điểm tập trung nhiệt có thể đến 2500°C và hệ thống anode có thể đạt 1000oC Vật liệu đặc trưng làm mục tiêu là wolfram-remi lõi molipden, gắn grafit phía sau Remi làm cho wolfram dẻo hơn

và chịu mòn tốt hơn đối với va đập của chùm điện tử Molipden dẫn nhiệt khỏi mục tiêu Grapit là nơi trữ nhiệt của anode và giảm đến mức tối thiểu khối lượng quay của anode

2.1.3 Tính chất tương tác với vật chất

Khi chiếu vào một vật, tia X hoặc đi xuyên qua hoặc tương tác với vật chất

Là tia có nội năng nên khi tương tác với vật chất, tia X truyền nội năng cho vật

chất theo hình thức hoặc là hấp thụ hoặc phát tán (sự hấp thụ bán phần)

Sự xuyên qua: Tia X tác động vào các phần tử vật chất và xuyên qua chúng,

hình ảnh nhận được ở phía sau là các vùng sáng tối khác nhau (hình 2-5) Sự xuyên qua của tia X của các chất phụ thuộc vào năng lượng photon tia X, tỷ trọng, nguyên tử lượng và mật độ và chiều dày của vật chất ấy Đối với một chiều dài bước sóng cho trước, vật liệu có nguyên tử lượng nhẹ hơn thì sẽ trong hơn Như vậy, khi chiếu tia X vào cơ thể người thì loại được cấu tạo bởi các thành phần có nguyên tử nhẹ hơn là thịt bao quanh sẽ hấp thụ bức xạ ít hơn, vì vậy tạo nên bóng mầu sẫm hơn trên các ảnh chụp còn xương được cấu tạo bởi các nguyên tử canxi sẽ có mầu trắng nhạt Tính chất này là cơ sở ứng dụng chuẩn đoán bằng X quang trong y học

Hình 2-4: Bóng X quang anod quay

Sự hấp thụ: Khi tương tác với vật chất, tia X có thể để lại toàn bộ năng lượng

hoặc một phần năng lượng trong vật chất Việc này phụ thuộc vào năng lượng của photon tia X, cách va chạm của photon với vật chất Hấp thụ hoàn toàn là đặc điểm của hiệu ứng quang điện còn hấp thụ bán phần là đặc điểm của tán xạ, khi

đó photon chuyển hướng và để lại một phần năng lượng trong vật chất Về lí thuyết, quá trình tương tác của tia X với vật chất là đa dạng Tuy nhiên chỉ có 3 quá trình là quan trọng đối với X quang y tế, đó là hiệu ứng quang điện (Photoelectric Effect), hiệu ứng Compton (Compton effect) và sự sinh cặp (Pair Production).Quá trình nào ngự trị phụ thuộc vào đặc tính hấp thụ theo khối lượng khi tia X tương tác với vật chất.(phụ thuộc trực tiếp vào trọng lượng nguyên tử Z) và năng lượng của tia X, thể hiện như trong hình 2-5

Hiệu ứng Photoelectric (photon-electronic) xẩy ra khi photon X tia tới tương

tác với vật chất, va vào một điện tử lớp trong, truyền năng lượng và giải phóng điện tử khỏi lớp quỹ đạo của nó Điện tử này được gọi là Photoelectron (điện

tử quang điện) Photonelectron bắt đầu xuyên qua vật chất, nhưng do mất năng lượng nên không chuyển dịch được xa Năng lượng của photon lắng trong vật chất Vị trí “trống” trên quỹ đạo được thay thế bởi một điện tử lớp ngoài Do điện tử lớp ngoài ở trạng thái năng lượng cao hơn nên việc “thế chỗ” sẽ kèm theo một phát xạ, tức sinh ra một photon tia X đặc tính Nếu photon X tia tới mang năng lượng lớn hơn lượng cần thiết để đẩy điện tử, nó sẽ chuyển năng lượng của nó dưới dạng động năng vào điện tử bị đẩy Phụ thuộc vào năng lưọng của nó, photon điện tử tương tác với những điện tử của các phân tử và nguyên tử khác theo một phản ứng dây chuyền cho đến khi mất hết năng lượng, gọi là hiệu ứng Auger Hiệu ứng quang điện xẩy ra chủ yếu trong quá trình hấp thụ tia X năng lượng thấp, đến 500keV hoặc tương tác đối với vật chất có nguyên tử lượng cao (kim loại) Hiệu ứng quang điện được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật cảm biến vật liệu Trong X quang y tế, hiệu ứng này có thể gây tổn hại cho cấu trúc nguyên tử của các mô mềm

Hiệu ứng Compton là hiện tượng giảm năng lượng (tăng chiều dài sóng) của tia

X khi tương tác với vật chất Khi một photon X tia tới chạm một điện tử lớp ngoài, giải phóng nó khỏi quỹ đạo, cả 2 hạt này đều có thể bị lệch đi một góc

Năng lượng photon theo MeV

Hình 2-6: Các hiệu ứng chính trong sự tương tác X- vật chất

so với hướng của tia tới X Sự cấp năng lượng và làm cho điện tử bị lệch hướng khiến cho năng lượng của photon tia X giảm, bước sóng bị thay đổi theo xu hướng dài hơn Kết quả của hiệu ứng này là sự tạo nên một photon tán xạ (do đi lệch hướng) và một điện tử giật lùi Hiện tượng này rất quan trọng đối với các vật chất có nguyên tử số thấp Hiệu ứng Compton xẩy ra đặc biệt trong trong quá trình hấp thụ tia X năng lượng từ 100 keV ÷ 10 MeV hoặc tương tác đối với vật chất có nguyên tử lượng thấp

Trong tán xạ tia X, hiệu ứng Compton có thể xẩy ra trên toàn phổ tia X, tuy nhiên đối với tia X năng lượng thấp hiệu ứng này không đáng kể Hiệu ứng này rất quan trọng trong sinh học phóng xạ do thường xẩy ra khi tia X năng lượng cao tương tác với hạt nhân nguyên tử trong sinh vật sống, do vậy có thể sử dụng để điều trị bằng phóng xạ

Sự sinh cặp: Hiện tượng xẩy ra đặc biệt rõ khi tia X- có năng lượng cao hơn

1,02MeV tương tác với các vật chất có nguyên tử lượng cao Khi photon năng lượng cao này tác động gần hạt nhân, tạo ra một cặp điện tử, một mang điện tích dương (positron), một mang điện tích âm, đảm bảo tính chât bảo toàn động lượng Positron tồn tại chỉ trong thời gian ngắn và biến mất với sự hình thành hai photon năng lượng 0,51MeV Sự sinh cặp này là một ví dụ về sự chuyển đổi năng lượng thành chất Sinh cặp là quá trình không đáng kể trong phổ tia X Như vậy, khi tương tác với vật chất, tia X có thể xuyên qua hoặc tán xạ Tính chất xuyên qua của tia X được sự dụng để chụp ảnh các bộ phận trong cơ thể con người mà mắt thường không thể nhìn thấy Các tính chất tán xạ của tia X

có thể sử dụng cho những mục đích khác Tuy nhiên trong chụp X quang, các hiệu ứng này có thể gây nên những tác động tổn hại đến các mô Do vậy trong

X quang y tế, các kỹ thuật nhằm giảm các tác động tán xạ như sử dụng collimator, lưới lọc, định thời gian chụp (liều an toàn) vv được quang tâm nghiên cứu và được quy định thành các tiêu chuẩn

2.2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, TỔNG QUAN VỀ ỐNG

PHÁT TIA X

2.2.1 Giới thiệu chung về ống phát tia X

Các nguồn sinh ra tia X gồm có: đồng vị phóng xạ, phản ứng hạt nhân (nhiệt hạch và phân hạch), gia tốc hạt Trong đó, chỉ có phương pháp gia tốc hạt là đáp ứng được những yêu cầu trên Tia X được sinh ra trong buồng chân không khi dòng điện tử từ âm cực được gia tốc bắn phá vào bia dương cực

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 tử được giải phóng khi Âm cực nhôm i-ôn hóa lượng không khí ít ỏi bên trong buồng chứa thủy tinh giải phóng dòng điện tử 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

thay đổi này chính là nền tảng cho sự phát triển của thế hệ ống phát tia X ngày nay Ống phát tia X hiện đại ít sử dụng dương cực tĩnh như trong các thế hệ của Crookes và Coolidge mà dùng dương cực quay bằng cảm ứng điện từ Như vậy, thế hiện 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 Coolidge với dương cực tĩnh vẫn được dùng trong một số kỹ thuật X quang khác với yêu cầu đặc thù như: X-quang nha khoa, X-quang tăng sáng truyền hình,

Hình ảnh dưới đây so sánh sự khác nhau về cấu tạo và nguyên lý của các thế

hệ ống phát tia X:

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

  Ống phát tia X hiện đại được cấu thành từ tổ hợp 2 bộ phận chính âm cực (cathode), dương cực (Anode) và các bộ phận phụ trợ: động cơ quay dương cực (Rotor & Stator), vỏ ống, dầu làm mát, hộp chứa, cổng giao tiếp,

Ống phát tia X Crookes Ống phát tia X Coolidge

Ống phát tia X: âm cực sợi đốt dương cực quay Hình 2-7: Các loại bóng phát tia X

Dương cực – Anode

Dương cực là một bia hứng điện tử bằng kim loại cấu trúc cứng và có mật độ phân tử cao, mang điện thế dương tương ứng với điện thế âm cực Khi chùm điện tử va chạm với dương cực, chỉ dưới 1% năng lượng của chúng chuyển hóa thành tia X Còn lại, hơn 99% năng lượng của chùm điện tử được chuyển hóa thành nhiệt năng nên dương cực còn phải có khả năng chịu nhiệt cao Tuy nhiên, dương cực cũng bị hao mòn theo thời gian và chỉ có thể chịu được va chạm và nhiệt độ nhất định nên cần điều chỉnh hợp lý công suất phát tia X để đảm bảo an toàn và tuổi thọ dương cực vật liệu làm dương cực thường là vonfram (W, Z=74), molybdenum (Mo, Z=42) hoặc rhodium (Rh, Z= 45) Trong đó, vonfram với nguyên tử khối lớn cho tỉ lệ bức xạ hãm cao hơn so với molybdenum và rhodium Riêng X-quang vú (Mammography) cần nhiều bức xạ tia X đặc trưng nên thích hợp hơn với dương cực làm bằng các nguyên tố có nguyên tử khối nhẹ (molybdenum và rhodium)

Trong cấu trúc ống phát tia X hiện đại, dương cực cấu tạo dạng đĩa tròn và được quay với tốc độ hàng nghìn vòng mỗi phút khác với vị trí cố định như trong các thế hệ ống phát Crookes và Coolidge Chuyển động của dương cực yêu cầu một động cơ quay dương cực bằng cảm ứng điện từ Mặc dù cấu trúc ống phát sẽ phức tạp hơn nhưng ống phát tia X với dương cực quay vẫn được áp dụng trong hầu hết các thiết bị X-quang khác bởi các ưu điểm của nó: tăng tuổi

thọ dương cực, tản nhiệt tốt hơn, hiệu suất bức xạ tia X cao hơn

Dương cực được thiết kế dạng đĩa vát một góc θ, có tác dụng hướng tia X ló

ra phía biên của ống phát Đường phân giác của góc vát phải nằm trong vùng tia

Hình 2-9: Bóng phát tia X cùng động cơ quay analog

X ló Tùy vào mục đích sử dụng mà ta thiết kế và lựa chọn góc vát dương cực cho phù hợp Góc vát càng nhỏ thì độ phân giải không gian càng lớn nhưng lại làm giảm diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và diện tích bao phủ của vùng tia

X phát xạ ở cùng một khoảng cách nguồn-phim Dương cực với góc vát nhỏ

(7-9o) thích hợp hơn 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 dùng dương cực có góc vát lớn (12-15o)

Động cơ quay cảm ứng điện từ (rotor/stator)

Động cơ quay cảm ứng có 3 bộ phận chính bao gồm: rotor, stator và vòng bi

Tổ hợp rotor, vòng bi, dương cực đặt bên trong lồng thủy tinh, stator đặt bên ngoài

Chuyển động quay này 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 nằm trong khoảng 3.000 vòng/phút (chậm) đến 10.000 vòng/phút (nhanh), tùy thuộc vào tần số nguồn cấp là một pha (50-60Hz) hay 3 pha (170-180Hz) Ống phát tia X được thiết kế sao cho ống không phát tia cho đến khi dương cực đạt tốc độ quay cần thiết, do đó có sẽ độ trễ khoảng 1-2s giữa 2 thời điểm bấm nút và phát tia

Vòng bi trong rotor và chân trung gian rotor-anode là 2 bộ phận quan trọng

và dễ gây hỏng hóc cho ống phát nhất Ngoài ra, chân trung gian rotor-anode cần đảm bảo ít truyền nhiệt nhất từ dương cực tới vòng bi Do đó, có 2 yêu cầu khắt khe đối với vật liệu chế tạo các chi tiết này là: môi trường làm việc là chân không gần như tuyệt đối; vật liệu không nhạy nhiệt, không biến dạng do nhiệt Molybdenum là vật liệu kim loại lý tưởng nhất để làm vòng bi và chân trung gian giữa rotor và dương cực bởi những ưu điểm sau đây: độ cứng cao (1500HB); hệ số giãn nở tuyến tính do nhiệt thấp (4.8 x 10-6/oC); truyền nhiệt kém

Vỏ ống chân không, dầu trung gian, khoang chứa và các bộ phận khác

Vỏ ống chân không thường được làm bằng thủy tinh với rotor, dương cực,

âm cực nằm bên trong một không gian gần như chân không, áp suất khoảng dưới 10-5 mmHg Môi trường chân không có tác dụng làm giảm đi hầu hết các

va chạm của hạt không khí với điện tử được phát xạ và các linh kiện khác trong

Hình 2-10: Bóng phát tia X với động cơ quay cảm ứng

không gian ống, đồng thời, ngăn cản quá trình oxy hóa của các linh kiện đặc biệt

là dây tóc

Khối ống phát được đặt trong khoang chứa kim loại với dung dịch dầu Hộp chứa được tiếp mát với đất để ngăn điện tử chuyển động trong không gian chứa dầu Dầu vừa có tác dụng cách ly hộp chứa với nguồn cao thế, vừa giải nhiệt sinh ra trong quá trình phát tia X Buồng chứa dầu được bổ sung một hệ co giãn đảm bảo áp suất dầu không tăng khi dầu nở vì nhiệt

Một số bộ phận khác được bổ sung trong cấu trúc tổ hợp ống phát nhằm phục

vụ một số nhiệm vụ riêng khác: cảm biến nhiệt được dùng để dừng hoạt động của ống phát khi nhiệt độ dầu và buồng chứa vượt ngưỡng cho phép; lớp chì bọc ngoài khoang chứa nhằm hấp thụ tia ló bất thường, bao gồm tia X chệch hướng

từ dương cực và tia X sinh ra khi điện tử thứ cấp va chạm với các linh kiện kim loại khác trong ống phát; cửa ló tia có thêm lớp lọc tia X mềm bằng nhôm, độ dày phổ biến cỡ 1mm mặc dù bản thân các vật liệu trên phương của tia ló, như thủy tinh, dầu, đã có tác dụng tương đương lớp lọc nhôm 0.5-1 mm; hai lối vào độc lập của hai nguồn cao áp cho âm cực và dương cực

Nguyên lý tạo tia X và các yếu tố liên quan

Về nguyên lý, tia X được sinh ra từ sự thay đổi quỹ đạo của electron khi nó đang chuyển động có gia tốc đến gần 1 hạt nhân, khi quỹ đạo của tia X thay đổi,

1 phần động năng (là năng lương của 1 vật thể có được khi chuyển động) của electron sẽ bị mất đi và chính năng lượng này chuyển thành bức xạ điện từ, phát

ra tia X

Âm cực mang điện thế âm phát ra điện tử tự do dựa trên nguyên lý phát xạ nhiệt Dòng nung ảnh hưởng đến nhiệt độ và tốc độ phát xạ điện tử Khi dòng nung qua sợi đốt, điện từ được phát xạ từ bề mặt sợi đốt Khi không có hiệu điện thế nào giữa âm cực và dương cực, một đám mây điện tử tích tụ quanh không gian sợi đốt Cấp nguồn cao thế cho cả âm cực và dương cực, âm cực cần một hiệu điện thế đủ lớn (khoảng 10kV) để gia tốc đám mây điện tử và dương cực cần một hiệu điện thế tương tự để hấp dẫn điện tử Chùm điện tử chuyển động từ

âm cực về dương cực tạo ra một dòng điện dịch, gọi là dòng của ống

Đám mây điện tử thường chỉ tồn tại khi nguồn thấp hơn 40kV, và khi đó cũng chỉ có một phần nhỏ lượng điện tử trên ngay lập tức được gia tốc đến dương cực, tùy thuộc vào một giới hạn điện tích không gian nhất định Điều đó

Hình 2-11: Hình ảnh bóng phát tia X analog quay

có nghĩa là dòng của ống đã đạt đến tới hạn, sẽ không tăng khi ta tiếp tục tăng dòng nung Với nguồn cao thế cho ống phát lớn hơn 40kV, gần như toàn bộ điện

tử sẽ được gia tốc đến dương cực và không còn tồn tại giới hạn điện tích không gian, dòng trong ống tiếp tục tăng khi tăng nguồn cao thế Như thế, với cùng một nguồn cao thế xác định (>40kV), dòng trong ống biến thiên phụ thuộc vào dòng nung theo một hàm xác định Mối liên hệ giữa dòng nung, nguồn cao thế ống phát và dòng của ống được minh họa bởi đồ thị dưới đây:

Ngoài ra, dòng điện tử phát xạ cũng cần được định hình và định hướng chính xác đến dương cực Khi đó, hộp điều tiêu điện tử có hiệu điện thế khoảng 100V được bọc bên ngoài sợi đốt, có tác dụng nắn chỉnh, thu gọn dòng điện tử khi phát xạ, xác định mức độ tập trung và kích thước của vùng tiêu điểm Mỗi âm cực thường có 2 sợi đốt có kích thước và dòng khác nhau để lựa chọn vùng tiêu điểm lớn hoặc nhỏ

Hình 2-12: Quan hệ dòng nung ống phát và dòng điện ống phát

Hình 2-13: Dòng điện tử khi phát xạ bóng phát tia X analog quay

Chỉnh lưu toàn sóng nguồn dòng ba pha

Sự phân bố cường độ và năng lượng của tia X phụ thuộc điện thế giữa sợi đốt (âm cực) và bia (dương cực) của ống phát Thiết bị X-quang thường dùng nguồn dòng xoay chiều AC để giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền điện, sau đó được chỉnh lưu toàn sóng thành dòng một chiều DC để đảm bảo sợi đốt là âm cực và bia là dương cực Hiệu suất phát xạ tia X đạt tối đa khi điện thế giữa âm cực và dương cực luôn ở mức cao nhất theo thời gian Do đó, dòng chỉnh lưu 3 pha thường được sử dụng hơn cả so với dòng chỉnh lưu một pha nửa sóng hay toàn sóng 1 pha bởi ưu thế của nó: theo thời gian, trong một chu kì, điện thế ống phát luôn ở mức cao gần với điện thế cực đại nhất mà không phải

về điện thế không

Vành tiêu điểm – Vùng tiêu điểm thực – Vùng tiêu điểm hiệu dụng

Diện tích vành tiêu điểm là khái niệm mô tả phần diện tích nghiêng trên bia

dương cực va chạm với chùm điện tử Vành tiêu điểm có bán kính trung bình r, chu vi trung bình 2πr và độ rộng vành ∆r, diện tích được tính theo công thức: S=2πr∆r Như vậy, một dương cực quay có diện tích vành tiêu điểu lớn hơn

khoảng 314 lần diện tích một vùng tiêu điểm kích thước tương ứng của dương cực tĩnh

Hình 2-14: Đồ thị chỉnh lưu nguồn cho bóng phát tia X

Hình 2-15: Vùng tiêu điểm bóng phát tia X analog quay

Vùng tiêu điểm thực là vùng hình chữ nhật trên mặt vát dương cực mà chùm điện tử bắn phá, kích thước vùng này phụ thuộc vào độ dài của sợi đốt và độ rộng của hộp điều tiêu trên âm cực Vùng tiêu điểm thực chỉ mang ý nghĩa hình học, chúng ta quan tâm nhiều hơn đến vùng tiêu điểm hiệu dụng Diện tích vùng tiêu điểm hiệu dụng và góc vát dương cực ảnh hưởng chủ yếu đến tia X phát xạ

Độ rộng vùng tiêu điểm hiệu dụng chính bằng độ rộng của chùm điện tử và độ rộng vùng tiêu điểm thực Độ dài vùng tiêu điểm hiệu dụng lại phụ thuộc vào góc vát dương cực θ và độ dài vùng tiêu điểm thực, được tính theo công thức sau:

Trong thực nghiệm, vùng tiêu điểm hiệu dụng có thể đo đạc được bằng phương pháp chụp ảnh qua lỗ ngắm

Một tấm cản quang với lỗ ngắm có đường kính cỡ µm được đặt vuông góc và nằm giữa ống phát tia X và phim hoặc hệ thu nhận theo mô hình hình học bên, với d1, d2 lần lượt là khoảng cách từ lỗ ngắm đến dương cực và từ lỗ ngắm đến phim, a,b và a’, b’ lần lượt là kích thước vùng tiêu điểm hiệu dụng và kích thước ảnh trên phim Đo đạc các kích thước d1, d2, a’, b’, ta tính được a, b qua công thức đồng dạng: