NGUYÊN lý tạo ẢNH của SIÊU âm và TIA x (3)

BÀI - NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA SIÊU ÂM VÀ TIA X MỤC TIÊU HỌC TẬP Sau học xong phần học viên cần: Nêu chất siêu âm tính chất vật lý Trình bày cách tạo siêu âm y học tạo ảnh siêu âm, diễn giải kiểu siêu âm ứng dụng chẩn đốn Trình bày chất tia X tác động vật lý, hóa học Nêu cách tạo tia X (Cấu tạo bóng phát tia X) Trình bày cách ghi ảnh tia X I NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA SIÊU ÂM Bản chất siêu âm Trong vũ trụ có nhiều loại sóng sóng vơ tuyến, đa, truyền hình, ánh sáng, tia xạ, sóng âm… tựu chung lại chia làm hai loại sóng điện từ (bao gồm sóng ánh sáng, tia xạ, đa…) loại thứ hai sóng học (sóng âm) Sóng âm lan truyền dao động mơi trường truyền âm Như thấy cần hai yếu tố giãn nở học phải có mơi trường truyền âm Mơi trường truyền âm rắn, lỏng, khí cịn chân khơng khơng truyền âm Về mặt chất, sóng dọc nghĩa truyền có phương trùng với phương sóng Âm tai người nghe nằm khoảng 20Hz đến 20.000Hz (Hertz) Nếu sóng âm có tần số nhỏ 20Hz gọi hạ âm Siêu âm sóng âm có tần số lớn 20.000Hz hay 20kHz Hình Sơ đồ tần số âm Trong tự nhiên có nhiều loại động vật nghe siêu âm ngựa, chó, dơi… nhiều loại nghe hạ âm voi Ban đầu siêu âm ứng dụng rộng rãi hải quân (đo độ sâu đáy biển, phát tàu ngầm…), ứng dụng đánh giá bề mặt (có vết nứt hay khơng…) Đến tận năm 1950 bắt đầu ứng dụng vào y khoa Siêu âm ứng dụng y khoa hai lĩnh vực điều trị chẩn đốn siêu âm chẩn đốn sử dụng chùm âm có tần số cao, 1MHz (1.000.000Hz) Tính chất vật lý siêu âm Vì chất siêu âm sóng học nên có tính chất sóng -Truyền theo đường thẳng mơi trường truyền âm -Có thể bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ -Bị hấp thụ vật chất -Năng lượng giảm theo bình phương khoảng cách *Sự truyền âm phụ thuộc vào mơi trường truyền âm có mật độ Dưới tốc độ truyền âm số mơi trường Khơng khí: khoảng 350m/s Nước: 1490m/s Cơ: 1600m/s Xương: 3600-4000m/s Hình Tính chất vật lý siêu âm (Suy giảm, hấp thu, phản xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ) *Sự phản xạ (quan trọng để ứng dụng vào siêu âm chẩn đốn) phản hồi sóng siêu âm gặp phải mặt phẳng phân cách mặt phẳng phân chia hai môi trường khác mật độ Khi sóng siêu âm đến mặt phân cách bị phản hồi trở lại Sự phản hồi nhiều hay phụ thuộc vào khác biệt hai môi trường Hệ số phản hồi chùm âm gọi R tính sau: R=Z2)2/(Z1+Z2)2 Trong Z1, Z2 trở kháng âm mơi trường truyền âm Hình Sơ đồ phản hồi âm chùm âm qua mặt phẳng phân cách hai môi trường truyền âm khác Như thấy hệ số phản hồi K lớn khác biệt hai môi trường truyền âm lớn Khi hệ số K lớn chùm âm bị phản hồi hồn tồn, khơng có khả đâm xun tiếp Sự phản hồi âm trở lại sóng siêu âm thể người cách để tạo ảnh siêu âm siêu âm học người ta gọi Echography *Cách tạo siêu âm Siêu âm tạo nhờ hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) Hiệu ứng Pierre Curie phát năm 1900 Hiệu ứng áp điện có thuận nghịch Hiệu ứng áp điện thuận: Khi kẹp tinh thể áp điện (tinh thể thạch anh gốm) hai điện cực tinh thể áp điện dao động với tần số dòng điện hai điện cực ngược lại Do muốn tạo siêu âm người ta cho tinh thể áp điện kẹp hai điện cực sử dụng dịng điện với tần số thích hợp rung lên với tần số chủ động tạo sóng siêu âm Hình Sơ đồ hiệu ứng áp điện (Piezoelectric) *Cách tạo ảnh siêu âm Chùm siêu âm phát từ đầu dò sau truyền vào thể người gặp mặt phân cách phản hồi trở lại phía đầu dò người ta thu lại âm phản hồi mã hóa thơng qua hệ thống máy tính chuyển đổi thành dạng sóng hình ảnh ghi lại giấy hiển thị hình Hình Sơ đồ cách tạo ảnh siêu âm Hình Một số đầu siêu âm chẩn đốn (Từ trái qua phải: đầu dị chiều (đầu dò khối), đầu dò phẳng (Linear), đầu dò cong điện tử (Convex) đầu dò nội soi ) CÁC KIỂU SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN 3.1 Kiểu A (Amplitude) Ở kiểu này, chùm sóng siêu âm xuyên qua mô thể phản hồi trở lại phía đầu dị ghi lại dạng dao động ký Nếu phản hồi âm trở nhiều biên độ sóng lớn Kiểu đầu áp dụng vào số lĩnh vực sản khoa, mắt Ngày sử dụng, chủ yếu sử dụng lĩnh vực mắt hiệu chỉnh máy siêu âm Hình Sơ đồ siêu âm kiểu A 3.2 Kiểu B (Brightness) Khác với kiểu A, kiểu B thu tín hiệu phản hồi dạng chấm sáng Âm phản hồi nhiều sáng Phản hồi sáng khơng phản hồi hiển thị với màu đen hình Có hai kiểu B B tĩnh B động (hay thời gian thực, realtime) Đối với kiểu B tĩnh, muốn tạo ảnh người ta phải chủ động quét tay, hình ảnh thu ảnh tĩnh (do lưu ảnh quét hình) Kiểu B động (hay realtime) hình ảnh quét theo mặt phẳng hai chiều, liên tục nên ảnh tạo ảnh động Nó ứng dụng rộng rãi ngày máy siêu âm chẩn đốn sử dụng kiểu Hình Kiểu B (chấm sáng), B tĩnh (quét tay) B động (Real time) 3.3 Kiểu TM (Time motion) Kiểu TM kiểu biên độ theo thời gian (như thăm khám siêu âm tim) Đó thời điểm, chuyển động có biên độ khác người ta ghi lại dạng dao động ký Hình Kiểu TM (Sự chuyển động valve hai lá) 3.4 Kiểu D (Doppler) Kiểu D hay kiểu Doppler dựa hiệu ứng Doppler Đây tên nhà vật lý người Áo Johann Christian Doppler Ơng tìm hiệu ứng từ việc quan sát bầu trời với ngơi Ơng nhận thấy di chuyển màu sắc thay đổi, xa màu sắc trở nên màu xanh tiến lại gần có màu đỏ, điều chứng tỏ có thay đổi tần số sóng ánh sáng có chuyển động so với mắt người quan sát.Hiệu ứng với tất loại sóng kể sóng âm Hàng ngày gặp hiệu ứng Doppler, ví dụ đứng lề đường ô tô chạy qua nghe thấy âm có tần số thay đổi xe từ xa đến qua chỗ đứng xa dần Hiệu ứng Doppler áp dụng vào siêu âm chẩn đoán rộng rãi đặc biệt thăm khám mạch máu tim có lưu chuyển dịng máu Chùm siêu âm phát hồng cầu phản hồi trở lại thu lại sóng phản hồi có thay đổi vị trí nguồn phát siêu âm hồng cầu có thay đổi tần số phản hồi trở lại Người ta ghi lại chuyển động phổ thay đổi tần số âm Ngày nay, người ta sử dụng hiệu ứng để phổ màu cho dòng chảy gọi đồ dòng chảy (CFM: Color Flow Mapping) Siêu âm Doppler ứng dụng rộng rãi việc thăm khám tim, mạch máu Thơng qua người ta xác định tốc độ dịng máu, lưu lượng chảy qua mạch máu, valve tim có hở, hẹp hay khơng… Hình 10 Sơ đồ hiệu ứng Doppler (Sự thay đổi tần số sóng âm vật chuyển động tiến đến gần xa khỏi vật ghi) Hình 11 Hình ảnh siêu âm siêu âm Doppler màu mạch máu II NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA TIA X Sơ lược lịch sử phát minh tia X Hình Wihelm Conrad Roentgen (1845-1923) Năm 1895, Wihelm Conrad Roentgen, nhà vật lý học người Đức q trình nghiên cứu bóng khí hay bóng Crookes phát tia X Trong phịng thí nghiệm minh ơng quan sát thấy kính huỳnh quang phát sáng để gần bóng Crookes Ơng đem bọc kính huỳnh quang giấy đen dày nhận huỳnh quang phát sáng dù cách xa vài feet Vì ông cho có loại tia xạ Loại tia xạ xun qua mơ thể trừ xương kim loại Sau đó, ông ghi lại hình bàn tay người vợ kính ảnh phim chụp X quang giới Vì chưa biết loại tia nên ơng gọi tia X tên tồn tận ngày Tia X hay gọi tên người phát minh tia Roentgen Phát minh tia X làm thay đổi mặt ngành y tế chuyên ngành đời ngành X quang Với phát minh này, ông nhận giải Nobel vật lý năm 1901 Hình Phim X quang giới Bản chất tính chất vật lý tia X 2.1 Bản chất tia X Tia X hay gọi tia âm cực có chất sóng điện từ với bước sóng ngắn Có thể thấy có nhiều loại tia có chất sóng điện từ sóng ánh sáng, sóng đa, tia alpha, bê ta, gamma…Tia X có bước sóng ngắn hàng nghìn lần so với sóng ánh sáng dài so với tia gamma Bước sóng khoảng từ 10Ao đến 0,001Ao, bước sóng tia gamma … 2.2 Tính chất lý hóa tia X Vì tia X có chất sóng điện từ nên có đầy đủ tính chất sóng điện từ sau: -Nó truyền theo đường thẳng, tốc độ truyền khơng khí tương đương ánh sáng, khoảng 300.000 km/s -Tia X có khả đâm xuyên tốt có bước sóng ngắn ánh sáng nên xuyên qua vật chất mà ánh sáng khơng thể xun qua -Nó bị phản xạ, khúc xạ tán xạ -Năng lượng giảm theo bình phương khoảng cách, xa khỏi nguồn phát tia lượng chùm tia giảm nhanh -Nó bị hấp thu số vật chất (Sẽ trình bày kỹ phần sau) -Tia X làm phát quang số tinh thể muối (như là: cIorua,Na, Ba, Mg, Li., muối uran có chất trở nên sáng Tungsteng Cadimi platino-Cyanua Bari…) -Nó làm đen nhũ tương phim ảnh -Nó tạo xạ ion hóa, tạo ion dương âm *Sự hấp thu tia X vật chất Sự hấp thu tia X vật chất tỷ lệ thuận với yếu tố sau: -Thể tích vật -Trọng lượng phân tử vật chất -Chiều dài bước sóng tia X (bước sóng dài bị hấp thu nhiều) -Mật độ vật chất (ví dụ nước hấp thu tia X so với nước) Sự hấp thu tia X vật chất quan trọng việc tạo ảnh tia X tác dụng khác tia X mô thể để áp dụng vào điều trị 2.3 Nguyên lý tạo ảnh tia X Chùm tia X phát từ bóng X quang đồng Sau qua vật chất có đậm độ, trọng lượng, thể tích khác chùm tia X suy giảm mức khác ghi lại phương pháp khác Nếu ghi lại huỳnh quang gọi chiếu, ghi lại phim ảnh gọi chụp Ngày nay, với kỹ thuật số hóa người ta ghi lại suy giảm tia X Phospho tinh thể hấp thụ tia X sau qua hệ thống máy qt xử lý máy tính sau in phim giấy ảnh (CR: Computed Radiograph, DR: Digital Radiograph) Cấu tạo bóng phát tia X Tia X tia âm cực tạo có chùm điện tử bị chặn lại đột ngột Như muốn tạo tia X phải có bóng bao gồm hai cực cực dương (đối âm cực) cực âm Giữa hai cực phân cách mơi trường khí (khí trơ) ngày chân khơng (để cách điện) Âm cực nuôi nguồn điện có cường độ dịng điện nhỏ (miliamper-mA) hiệu điện thấp (chỉ khoảng 6-8V) Giữa hai cực nối với nguồn điện có hiệu điện cao (kV) Khi âm cực đốt nóng đỏ dịng điện có cường độ thấp, tạo lớp mây điện tử xung quanh (hiệu ứng nhiệt điện tử) Khi đóng nguồn điện với hiệu điện lớn hai cực dương âm, điện tử (e-) tích điện âm nên bị hút mạnh phía dương cực (hay gọi đối âm cực) va vào đối âm cực Sự va chạm làm hãm lại di chuyển điện tử tạo tia X nên nhớ có 1% tạo thành tia X cịn đến 99% tạo nhiệt Như vậy, điều chỉnh chùm tia X phát từ bóng X quang Nếu muốn tăng độ đâm xuyên, cần tăng hiệu điện hai cực lên, tốc độ di chuyển điện tử tăng lên, va chạm mạnh tạo tia X với bước sóng ngắn nên khả đâm xuyên lớn Khi tăng cường độ dịng điện ni âm cực có mật độ điện tử dày mật độ tia X tạo nhiều Người ta thường sử dụng vật liệu cho âm cực đối âm cực bóng điện quang Wolfram Nếu cần tia mềm (bước sóng dài hơn) chụp phận đặc biệt người ta sử dụng dương cực (hay đối âm cực) Molybden (sử dụng máy chụp vú) Hình 3.Sơ đồ cấu tạo bóng phát tia X (bóng X quang) K: âm cực (cathode), A: dương cực (Anode) Hình Bóng X quang CÁC CÁCH GHI LẠI HÌNH ẢNH TIA X 4.1 Chiếu X quang Chiếu X quang sử dụng huỳnh quang để ghi lại đậm độ chùm tia X sau qua vật chất Hình ảnh mà ghi lại cho ta thấy phần cản tia nhiều sáng (đen hơn) chiếu ngược lại (Ví dụ: chiếu X quang phổi thấy nhu mơ phổi trắng chiếu xương xương sườn, xương bả vai… có màu đen Ngày nay, kỹ thuật tăng sáng truyền hình làm thay đổi việc chiếu X quang Thông qua hệ thống máy móc, người ta khuếch đại chùm tia X chuyển sang hình, giống xem ti vi (tăng sáng truyền hình) Hình 5.Chiếu chụp X quang 4.2 Chụp X quang 4.2.1 Ghi hình phim ảnh thơng thường (analog-tương đồng) Đó ghi lại trực tiếp chùm tia sau xuyên qua vật chất phim ảnh Dựa vào làm đen nhũ tương phim ảnh để ghi lại chùm tia sau xuyên qua vật chất Những thành phần vật chất hấp thu nhiều tia X (cản tia) có màu trắng phim (ngôn ngữ X quang gọi hình mờ) cịn thành phần hấp thụ tia X có màu đen phim (X quang gọi hình sáng) Ví dụ phim phổi xương sườn có màu trắng nhu mơ phổi có màu đen 4.2.2 Ghi hình Phospho Thay ghi hình phim ảnh trực tiếp (analog) người ta sử dụng có phủ tinh thể muối phosphor Sau tạo xạ ion hóa ghi người ta sử dụng máy qt sau truyền liệu vào máy tính, tạo ảnh hình in ảnh máy in phim Kỹ thuật gọi CR (Computed Radiograph) Hình Hệ thống CR 4.2.3 Ghi hình buồng ion hóa (tấm DR) Dựa vào xạ ion hóa vật chất tia X người ta ghi lại chùm tia X phát (Detector) buồng ion hóa (khí đặc) Sau máy tính xử lý tạo hình ảnh hình lưu trữ, in phim ảnh máy in phim Kỹ thuật gọi DR (Digital Radiograph) Với việc sử dụng phát (Detector) áp dụng vào việc ghi hình máy chụp cắt lớp vi tính (CT scanner) Hình Tấm DR Tài liệu tham khảo Hoàng Kỷ (chủ biên) Bài giảng Chẩn đốn hình ảnh NXB Y học (2005) Harry E Martz et al X-ray Imaging Fundamentals, Industrial Techniques an Application, st Edition CRC Press (2017) Phạm Minh Thông (chủ biên) Siêu âm tổng quát 4th editon NXB Đại học Huế (2017) 4 Carol Rumack, Deborah Levine Diagnostic Ultrasound The 5th edition Elsevier (2017)  ... hấp thu tia X so với nước) Sự hấp thu tia X vật chất quan trọng việc tạo ảnh tia X tác dụng khác tia X mô thể để áp dụng vào điều trị 2.3 Nguyên lý tạo ảnh tia X Chùm tia X phát từ bóng X quang... hồn tồn, khơng có khả ? ?âm xun tiếp Sự phản hồi âm trở lại sóng siêu âm thể người cách để tạo ảnh siêu âm siêu âm học người ta gọi Echography *Cách tạo siêu âm Siêu âm tạo nhờ hiệu ứng áp điện... đổi tần số sóng âm vật chuyển động tiến đến gần xa khỏi vật ghi) Hình 11 Hình ảnh siêu âm siêu âm Doppler màu mạch máu II NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA TIA X Sơ lược lịch sử phát minh tia X Hình Wihelm