Khối thiết bị tăng sáng bao gồm bóng tăng ánh sáng và các mạch điện phụ trợ (mạch cấp nguồn, mạch điều khiển trường nhìn…), trong đó hạt nhân là bóng tăng sáng.
a. Hoạt động của bóng tăng sáng
Chùm tia X chứa các thông tin về các đối tượng thăm khám dưới dạng điều chế mật độ theo không gian, rời khỏi bệnh nhân và va đập vào huỳnh quang tại cửa sổ vào (gọi là màn ảnh vào) của bóng tăng sáng, màn ảnh này hấp thụ photon X và bức xạ photon ánh sáng.
Những photon ánh sáng này va đập vào catốt của bóng. Đây là loại catốt quang, nó hấp thụ photon ánh sáng và bức xạ điện tử. Chùm điện tử sau khi được bức xạ sẽ được gia tốc trên quỹđạo từ catốt đến anốt bởi một trường tĩnh điện với hiệu điện thế khoảng 26 – 40 kV đặt giữa anốt và catốt. Trên đường bay của chùm điện tử có một số thấu kính tĩnh điện, đó là những điện cực có điện thế dương so với catốt, để gia tăng gia tốc và chủ yếu để hội tụ chùm tia điện tử vào màn huỳnh quang tại lối ra của bóng tăng sáng (gọi là màn ảnh ra). Tại đây chùm tia điện tử được chuyển đổi thành ánh sáng tạo ra hình ảnh nhìn thấy được của đối tượng thăm khám.
Màn ảnh có kích thước rất nhỏ so với kích thước màn ảnh vào, mặt khác khi va đập vào màn ảnh ra chùm điện tử có động năng rất lớn nên số lượng photon ánh sáng do 1 điện tử tạo ra sẽ tăng gấp nhiều lần số photon ánh sáng tại màn ảnh vào. Nhờ hai yếu tố này cường độ ánh sáng của ảnh tại màn ảnh ra được khuếch đại lên hàng nghìn lần.
Cấu tạo: Bóng tăng ánh sáng là một bóng điện tử chân không, gồm có vỏ bóng, các điện cực anốt, màn huỳnh quang tại cửa sổ lối vào, lối ra, các điện cực thấu kính điện tử…
- Vỏ bóng tăng sáng được chế tọa bởi thủy tinh hoặc kim loại như Ti-tan, thép không rỉ, nhôm. Vỏ bóng phải chịu được áp lực cao vì trong bóng phải hút hết không khí. Độ dãn nở của vỏ bóng phải đồng nhất với độ dãn nở của các điện cực xuyên qua vỏđể tránh bị lọt khí.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
- Màn ảnh vào là một màn huỳnh quang, gồm một lớp mỏng chất lân quang phủ lên phía bề mặt của bóng tăng sáng. Lớp lân quang có bề dầy khoảng 0,1- 0,2mm. Với hầu hết bóng tăng sáng hiện nay, lớp lân quang được chế tạo bởi hợp chất I-ốt Xê-di hoạt hóa Na-tri (CsI:Na) vì có hiệu suất chuyển đổi từ photon X sang photon ánh sáng cao hơn so với các loại vật liệu khác.
CsI có nguyên tử lượng vào loại trung bình (Cs = 66, I = 64), có độ hấp thụ photon X cao tương tự như đối với tấm tăng quang chế tạo bằng đất hiếm sử dụng trong việc chụp X quang thông thường. Nhờ hiệu suất chuyển đổi cao việc sử dụng CsI giảm liều lượng tia X đối với bệnh nhân và tăng độ phân giải không gian, 1 photon X có năng lượng cỡ 60 keV sẽ sinh ra khoảng 2000 photon sáng.
Bề mặt bóng có dạng cong để đảm bảo khoảng cách đồng đều giữa các điểm tại màn ảnh vào tương ứng với các điểm tại màn ảnh ra nhằm giảm thiểu sự méo dạng ảnh. Màn ảnh vào hình tròn có đường kính từ 6 - 24inch, trong đó phổ cập từ 6 - 14inch. Loại 9inch được dùng phổ biến trong các máy X quang chẩn đoán tim mạch hoặc nhi khoa, loại 12 inch dùng trong các máy X quang chẩn đoán chung cho cả người lớn và trẻ em.
- Catốt quang là loại catốt trong suốt, thường được chế tạo bởi một lớp mỏng (khoảng 10-40mm) hỗn hợp Antimon và Cesium. Khi nhận ánh sáng, catốt quang bức xạ điện tử. Số lượng bức xạ điện tử từ catốt quang tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng nhận được từ màn ảnh lối vào. Tuổi thọ của catốt quang đồng thời là tuổi thọ bóng phụ thuộc vào nhiệt độ của độ chân không của bóng. Để kéo dài tuổi thọ của bóng tăng sáng, cần duy trì nhiệt độổn định tại khoảng 260C và độ chân không khoảng 10-6mbar.
- Thấu kính hội tụ.
Trong bóng tăng sáng để hội tụ chùm tia điện tử vào bề mặt màn ảnh lối ra có một sốđiện cực bố trí dọc theo quỹđạo điện tử catốt đến anốt. Những điện cực này có cấu trúc hình trụđồng tâm với đường kính khác nhau và được tích điện dương so với catốt. Điện thế của điện cực tăng dần về phía anốt.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
Những điện cực này một mặt góp phần tăng gia tốc, mặt khác tác động làm thay đổi quỹđạo chùm tia điện tử tương tự như những thấu kính quang học đối với ánh sáng vì vậy được gọi là điện cực hoặc thấu kính hội tụ.
Khi thay đổi điện thế tại các thấu kính hội tụ, điểm hội tụ và kích thước ảnh (còn gọi là trường nhìn) tại màn ảnh cửa sổ ra sẽ thay đổi, ảnh được phóng to hoặc thu nhỏ (chức năng Zoom). Với trường nhìn lớn nhất điện áp tại điện cực hội tụ sẽ nhỏ nhất. với trường nhìn nhỏ hơn ví dụ 7” đối với bóng 9” điện áp tại điện cực hội tụ sẽ tăng, điểm hội tụ lùi xa khỏi màn ảnh lối ra, kích thước ảnh quan sát được tại màn ảnh vào sẽ nhỏ hơn trong khi kích thước màn ảnh ra giữ nguyên, như vậy ảnh được phóng to hơn. Những bóng tăng ánh sáng hiện nay có loại có một trường nhìn, có loại có 2 hoặc 4 trường nhìn. Ví dụ loại bóng 9” có thể có 4 trường nhìn là 9/7/6” tương đương 24/17/14 cm, loại 12” có thể có 4 trường nhìn là 12/9/7” ( 46/24/17cm).
Khi thay đổi trường nhìn hệ số thu nhỏ sẽ thay đổi theo, trường nhìn càng nhỏ, hệ số thu nhỏ ( bằng tỷ số giữa kích thước màn ảnh vảo và màn ảnh ra) sẽ càng nhỏ và hệ số khuếch đại ánh sáng sẽ giảm. Để bù lại sự thay đổi này, các thông sốảnh hưởng tới liều lượng tia X sẽđược tựđộng bù trừ.
- A nốt có cấu trúc hình trụ rỗng, được bố trí trực tiếp phía trước màn ảnh lối ra. Để chùm tia bức xạ từ ca tốt quang có động năng lớn a – nốt được cấp điện thế dương từ 26 – 40kV.
- Màn ảnh lối ra
Sau khi được gia tốc và chịu tác động bởi hệ thống thấu kính hội tụđiện tử, chùm tia điện tử với động năng cao đập vào màn ảnh lối ra. Màn ảnh ra là một màn huỳnh quang, hình tròn, mỏng có đường kính 0,6” hoặc 1” được chế tạo bởi hợp chất lân quang – muối sun phát Cd Zn phủ lên bề mặt phía trong mặt thủy tinh.
Chùm tia điện tử va đập vào màn ảnh ra được chuyển đổi thành photon sáng – loại ánh sáng có bước sóng phù hợp với sự nhạy cảm của phim X quang.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
Trong những bóng tăng sáng mới, đĩa sợi quang đã được dùng thay cho màn huỳnh quang thủy tinh nhằm hạn chếảnh hưởng do sự phản xạ của ánh sáng ngược về phía catốt và đồng thời cải thiện độ phân giải của ảnh.
Với một điện tử va đập vào màn huỳnh quang lối ra sẽ tạo ra khoảng 60 photon sáng và hệ số khuyếch đại thông lượng trong trường hợp này bằng 60.
- Hệ thống quang lọc
Từ màn ảnh ra, hình ảnh sẽ thông qua một hệ thống quang học để đưa đến các thiết bị ứng dụng. Hệ thống quang học được ghép nối trực tiếp với đầu ra của bóng tăng sáng, nó bao gồm các thấu kính hoặc lăng kính. Nhờ hệ thống quang học, hình ảnh từ màn ảnh ra được truyền dẫn đồng thời theo các góc độ khác nhau tới các thiết bị như:
+ Ống thu ảnh thuộc hệ thống truyền hình. + Máy chụp ảnh, máy quay phim.
+ Bóng nhân quang thuộc hệ thống điều khiển tựđộng cường độ sáng.
2.5.2. Khối thiết bị thu ảnh
Thiết bị thu ảnh có chức năng biến đổi hình ảnh tại lối ra bóng tăng sáng thành tín hiệu thị tần. Thiết bị thu ảnh thường bao gồm hai phần: linh kiện thu ảnh và mạch xử lý tín hiệu.
a. Linh kiện thu ảnh
Linh kiện thu ảnh chủ yếu gồm 2 loại: ống thu ảnh và CCD camera.
b. Ống thu ảnh: Trong hầu hết thiết bị tăng sáng truyền hình trước đây, thường sử dụng ống thu ảnh Vidicon. Ống Vidicon hoạt động theo nguyên lý quang dẫn. Về cấu tạo ống gồm 4 bộ phận chính: cửa sổ vào, nguồn phát tia điện tử và các điện cực gia tốc và điều khiển.
- Cửa sổ vào là nơi nhận hình ảnh từ cửa sổ ra bóng tăng sáng. Thông thường đường kính của sổ vào có 2 kích thước 1” hoặc 0,6”, trong đó loại 1” phổ cập trong chuẩn đoán quang tuyến.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
Cửa sổ vào gồm một tấm điện cực trong suốt tiếp giáp với một mặt của tấm ngăn – dẫn sáng. Mặt kia của tấm ngăn – đối diện với catốt (nguồn phát tia điện tử) được phủ một lớp vật liệu quang dẫn, thông thường lớp này được chế tạo bởi sunphat antimon (Sb2S4).
Khi có ánh sáng chiếu vào lớp quang dẫn, nó sẽ bức xạđiện tử với số lượng tỷ lệ với cường độ sáng, và bản thân trở nên tích điện dương. Khi chùm tia điện tử từ catốt đập vào bề mặt lớp quang dẫn, nó sẽ trung hòa điện tích dương này và tạo dòng điện kín mạch. Trị số dòng điện này – dòng điện tín hiệu tỷ lệ với cường độ sáng, tại từng điểm trê bề mặt cửa sổ khi chùm tia điện tử từ catốt được điều khiển để quét ngang và dọc suốt trên bề mặt cửa sổ vào. Giá trị trung bình của dòng điện tín hiệu khoảng 100nA và giá trị max khoảng 1400nA. Sụt áp trên điện trở tải chính là tín hiệu thị tần.
- Catốt và các điện cực điều khiển: Catốt được nung nóng bởi sợi đốt với nguồn cáp điện 6,4VAC là nguồn bức xạ chùm tia điện tử. Ngoài catốt trong ống Vidicon còn có các điện cực tác động vào chùm tia điện tử với các chức năng khác nhau để tạo tia điện tử sắc nét. Thường có 4 điện cực với các điện áp DC được cấp có các giá trị khác nhau.
+ G1; Điều khiển mật độ chùm tia Điện áp: 0-100V + G2: Điều khiển gia tốc chùm tia. Điện áp; 400V + G4: Điều khiển hội tụ chùm tia. Điện áp: 600 – 800V + G4: Điều chỉnh quỹđạo sao cho
tia điện tửđập vào cửa sổ
và theo phương vuông góc. Điện áp: 800 – 1000V
- Các cuộn dây điều khiển: Bao quanh và dọc theo thân ống Vidicon là tập hợp các cuộn dây điều khiển gồm cuộn lái tia ngang, dọc và các cuộn hội tụ, định tâm chùm tia.
c. CCD Camera
Trong nhiều hệ thống tăng sáng truyền hình hiện nay, được sử CCD camera (Charge Couple Device) dùng thay cho ống Vidicon. CCD camera thường có đường kính 0,6”, bao gồm vài trăm nghìn điốt quang được sắp xếp theo chiều ngang và dọc.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
Mỗi một điốt quang là một ảnh điểm và được nối với các mạch điều khiển gồm xung nhịp và mạch xử lý tín hiệu. Cường độ tín hiệu do mỗi điốt quang tạo ra tỷ lệ với cường độ sáng từ màn ảnh ra của bóng tăng sáng. Tín hiệu điều khiển sẽ quét qua từng đi- ốt theo hàng ngag và dọc suốt bề mặt CCD camera.
So với Vidicon, CCD camera có những ưu điểm sau: + Gọn, nhẹ ít tiêu hao năng lượng.
+ Không bị méo dạng hình học.
+ Không bị quầng sáng, độ tương phản cao hơn.
+ Hội tụđồng đều và không bị nhiễu do các hài bậc cao.
2.5.3. Khối thiết bị xử lý tín hiệu
Mạch xử lý tín hiệu thường bao gồm các thành phần sau: + Mạch khếch đại tín hiệu thị tần.
+ Mạch quét.
+ Mạch dập tia quét ngược.
Tín hiệu ảnh, từ thiết bị thu ảnh sẽđược truyền đến thiết bị quan sát (monitor), tại đây hình ảnh sẽ được tái tạo. Nhưng trong quá trình truyền dẫn, tín hiệu ảnh phải qua khối thiết bị xử lý tín hiệu để:
+ Đạt được biên độ và tỷ số tín hiệu/ nhiễu đủ lớn đểđảm bảo ảnh rõ nét. + Việc quét ảnh tại thiết bị thu ảnh và thiết bij quan sát phải đồng bộđể ảnh tái tạo không bị nhấp nháy.
+ Tín hiệu ảnh và các xung đồng bộ sẽđược trộn thành tổ hợp tín hiệu thị tần trước khi gửi đến thiết bị quan sát.
Cấu tạo và chức năng
- Một thiết bị xử lý tín hiệu thường bao gồm ba cụm mạch chính sau: + Tạo các loại xung.
+ Tạo tín hiệu thị tần tổ hợp. + Cấp nguồn.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
Các loại tín hiệu được tạo ra từ thiết bị xử lý tín hiệu dùng để cung cấp và điều khiển thiết bị thu ảnh và thiết bị quan sát.
- Giao diện với thiết bị thu ảnh Nhận: Tín hiệu ảnh từ lối ra. Cung cấp:
+ Xung quét dọc và ngang. + Xung dập tia quét ngược.
+ Nguồn cung cấp điện DC cho các điện cực ống Vidicon/CCD camera, các mạch khuếch đại thông qua một cơ chế bảo vệ, phòng ngừa ống thu ảnh bị hư hại khi bị trục trặc mất tia quét dọc hoặc ngang...
- Giao diện với thiết bị quan sát:
+ Khuếch đại tín hiệu ảnh từ thiết bị thu ảnh tới. + Tạo xung đồng bộ dọc và ngang.
+ Tạo xung xóa tín hiệu khi quét ngược. + Tạo xung ghim mức tín hiệu ( mức trắng)
+ Trộn tín hiệu ảnh với tổ hợp xung đồng bộ trên để tạo ra tín hiệu thị tần. Tạo xung xóa một phần tín hiệu khi quét thuận để tái tạo khung ảnh hình tròn phù hợp với dạng cửa sổ vào, ra của bóng tăng sáng và ống thu ảnh Vidicon.
2.5.4. Monitor
Nhiệm vụ của thiết bị quan sát (monitor) là tái tạo hình ảnh thu được tại thiết bị thu ảnh, nghĩa là biến đổi tín hiệu thị tần thành hình ảnh quan sát được tại màn ảnh bóng hình. Nói chung, mọi thiết bị quan sát có các chức năng cơ bản sau:
- Khuếch đại tín hiệu thị tần đủ lớn đểđiều khiển cường độ chùm tia điện tử trong bóng hình. - Tách xung đồng bộ từ tổ hợp tín hiệu thị tần.
- Tạo các xung quét dòng và mành. - Xoá tín hiệu quét ngược.
Nghiên cứu so sánh các hệ thống X quang hiện nay tại Việt Nam
Cấu tạo: Thực chất, cấu trúc của thiết bị quan sát tương tự cấu trúc của máy thu hình vô tuyến ngoại trừ khối cao tần.
Tuy nhiên, vì là thiết bị chuyên dụng nên các mạch điện được thiết kế và chế tạo tốt hơn để đạt các chỉ tiêu chất lượng cao hơ. Trong đó bao gồm bóng hình và các mạch điện thuộc khối tiền khuếch đại, tầng đồng bộ, tầng khuếch đại thị tần, khối tạo các xung quét dòng và mành và khối tạo điện áp cao thế.
2.6. Sự đa dạng của máy X quang
Đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao trong kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh, máy X quang hiện đại không chỉ chụp ảnh X quang thông thường mà thực hiện được nhiều chức năng như máy X quang chiếu chụp đa năng, máy X quang cốđịnh, di động…để đi sâu phân tích các bộ máy có máy X quang răng, máy X quang chụp sọ não, CT scanner, máy chụp mạch, máy chụp vú….
2.6.1. Máy chụp cắt lớp điện toán( Computer Tomography Scanner)
Máy chụp cắt lớp điện toán là một thiết bị tạo ảnh số ứng dụng nguồn bức xạ X quang, công cụ cao cấp trong hệ thống kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh y học.
Máy chụp cắt lớp điện toán được dùng để thu thập và tạo ra hình ảnh các lớp cắt thuộc nhiều bộ phận khác nhau của cơ thể.
Máy hoạt động theo nguyên lý sau: Bức xạ quang tuyến xuyên qua một lớp cắt mỏng (1-10mm) và vuông góc với trục của cơ thể người, tới một bộ phát hiện