2.6 Các tính chất vật lý cơ bàn của tia X
2.6.2.3 Bức xạ tổng hợp
• Bức xạ tổng hợp là sự kết hợp giữa bức xạ liên tục và bức xạ rời rạc.
• Số lợng tia X-đặc trng trong phổ bức xạ tổng hợp phụ thuộc vào trị số kV. • Xét với anơt là tungsten:
o U ≤ 70 kVp thì 100% là bức xạ liên tục.
o U = 80 kVp thì 10% là bức xạ đặc trng, 90% là bức xạ liên tục.
o U = 150 kVp thì 28% là bức xạ đặc trng, 72% là bức xạ liên tục.
Hình 2.17 Phổ bức xạ tổng hợp
• Trong máy X quang thông thờng (anôt là vonfram) bức xạ đặc trng chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong bức xạ tổng hợp (vì U < 100 kVp).
• Trong máy X quang chụp vú (có điện áp cao thế trong khoảng từ 25 kVp đến 50 kVp, anôt là Molypden) bức xạ đặc trng chiếm tỷ lệ cao hơn trong bức xạ tổng hợp.
2.6.3 ảnh hởng của các tham số đến đặc điểm chùm tia X
• Đặc điểm của chùm tia X có thể đợc biểu hiện qua 2 yếu tố: chất lợng và số lợng (hình 2.17).
o Chất lợng là năng lợng tồn bộ của chùm tia, đợc biểu diễn theo keV (trục ngang)
o Số lợng là số phơton có trong chùm tia, biểu thị bới các mức trên trục dọc.
• Chất lợng và số lợng của chùm tia X chịu tác động của nhiều tham số và yếu tố nh: kVp, mA, mAs, dạng sóng chỉnh lu, tấm lọc tia, v.v...
Hình 2.18 Sự thay đổi kVp ảnh hởng đến số lợng của cả hai loại bức xạ, nhng chỉ ảnh hởng đến chất lợng của loại bức xạ liên tục
Hình 2.19 Sự thay đổi mA, mAs chỉ ảnh hởng đến số lợng của cả hai loại bức xạ.
2.6.4 Đặc trng cơ bản của tia X
• Xuyên qua vật chất do có năng lợng cao, bớc sóng cực ngắn.
• Khi xuyên qua vật chất, tia X bị hấp thụ không đồng đều ở các cơ quan khác nhau. Trong cơ thể xơng có độ hấp thụ cao hơn cơ và các mô mềm khác, nên cần chọn đúng liều tia cần thiết cho từng loại thăm khám.
• Khơng nhìn thấy bằng mắt thờng.
• Tia X có hại vì là bức xạ ion hoá, khi xâm nhập sẽ phá huỷ tế bào cơ thể và có thể gây ra một số bệnh nếu liều lợng tia vợt qúa mức độ cho phép, vì vậy phải hạn chế tác dụng có hại của nó xuống mức tối thiểu bằng cách sử dụng các phơng tiện phịng ngừa thích hợp nh áo chì, kính chì.....
• Một số tia X mang năng lợng thấp không mang đợc thông tin tới ảnh nên phải đợc loại bỏ bằng tấm lọc.
2.6.5 ảnh X quang
2.6.5.1 Đặc điểm của ảnh X quang
• ảnh X quang là ảnh tạo ra nhờ ứng dụng tia X. Nó là ảnh xếp chồng nghĩa là kêt quả của sự chồng nên nhau của hình ảnh những đối tợng nằm trên đ- ờng đi của tia X, giống nh ta đặt nhiều tấm ảnh mà mỗi tấm đều có nền là tấm nhựa trong suốt chồng nên nhau
Hình 2.20 Mơ phỏng tạo ảnh bằng chùm tia X quang
• Đặc điểm của ảnh X quang:
o ảnh X quang có chiều sâu
o ảnh X quang là ảnh bị méo dạng do chùm tia X đợc phát theo dạng khối chóp nên những bộ phận nằm gần nguồn phát tia sẽ đợc phóng đại lớn hơn so với các bộ phận nằm xa hơn
o ảnh X quang biến dạng theo góc phát xạ, khi trục của đối tợng vng góc với trục của chùm tia thì ảnh ít méo dạng nhất.
o Khi chiếu, ảnh X quang di chuyển theo hớng ngợc chiều với hớng di chuyển của tiêu điểm phát xạ có nghĩa là ngợc với chiều di chuyển của bóng X quang.
2.6.5.2 Chất lợng của ảnh X quang
• Chất lợng ảnh X quang đợc quyết định bởi những yếu tố sau đây:
o Độ tơng phản mầu sắc (sau đây sẽ gọi vắn tắt là độ đối quang):Là sự
biểu hiện trên màn hình (phim, màn huỳnh quang...) của sự suy giảm năng lợng của chùm tia X khi đâm xuyên qua các bộ phận khác nhau (biểu hiện bằng các mức độ đen trắng). Vùng tối trên ảnh có mật độ quang cao, tơng ứng mật độ tia X xâm nhập cao. Vùng sáng trên ảnh có mật độ quang thấp do mật độ tia X xâm nhập thấp.
Để có độ tơng phản thích hợp nhất với từng đối tợng khác nhau cần phải thay đổi năng lợng bức xạ của chùm tia X bằng cách lựa chọn các tham số kVp, mA và thời gian s phù hợp.
o Độ phân giải là một chỉ tiêu định lợng đánh giá chất lợng ảnh, đó là số l-
ợng cặp vạch đen, trắng có cùng độ rộng trên 1 mm ảnh (Line pair/mm - Lp/mm). Số lợng cặp vạch càng nhiều ảnh càng rõ nét, khả năng phân biệt các chi tiết trên ảnh càng cao.
Độ phân giải của ảnh phụ thuộc chủ yếu vào các cấu kiện và thiết bị ghi ảnh nh: phim, bìa tăng quang, màn huỳnh quang...
o Độ sắc nét liên quan tới đờng biên của chi tiết trong ảnh. Một ảnh đợc
coi là sắc nét khi có thể phân biệt rõ đờng biên giữa các bộ phận nằm trong vùng thăm khám.
Độ sắc nét phụ thuộc:
o Hình học:
Khoảng cách giữa tiêu điểm của bóng X quang và màn hình (phim, màn huỳnh quang...) càng lớn.
Chùm tia đợc phát ra từ một tiêu điểm nhỏ.
o Chất liệu màn hình:
Bìa tăng quang mỏng có hạt mịn, mật độ hạt cao sẽ tạo ảnh sắc nét hơn .
o Sự chuyển động (dịch chuyển) của đối tợng chụp:
Nếu đối tợng cố định vị trí trong khi phát tia (nh nằm yên, nín thở...) sẽ tạo đợc ảnh sắc nét.
2.6.5.3 Các thông số quyết định đến chất lợng của ảnh X quang
• Các thơng số kỹ thuật:
o Trị số điện áp cao thế (kVp).
o Dịng cao thế (mA).
o Thời gian phát tia (s).
• ảnh X quang phải đạt đợc các chỉ tiêu: mật độ quang đủ lớn, giảm thiểu méo dạng, độ tơng phản đủ cao, chi tiết (độ sắc nét) tối đa.
• kVp xác định năng lợng - khả năng thâm nhập của tia X do đó quyết định độ tơng phản của ảnh.
• mAs xác định mật độ quang của ảnh. Tuy nhiên, vì kVp cũng ảnh hởng đến số lợng photon X xâm nhập vào phim nên cũng ảnh hởng đến mật độ quang.
• Khi tia X có năng lợng thấp:
o Khả năng thâm nhập thấp nên sẽ tăng liều tia hấp thụ bởi tế bào.
o Để có đợc mật độ tia X đủ cao để tạo ảnh, phải tăng lợng photon X (tăng mAs).
o Độ tơng phản (contrast) tăng. • Khi tia X có năng lợng cao:
o Khả năng thâm nhập cao nên sẽ giảm liều tia hấp thụ bởi tế bào.
o Có thể giảm mAs vì có nhiều photon X thâm nhập đợc tới phim.
o Độ tơng phản trong trờng hợp này giảm.
• Để tạo ảnh X quang có chất lợng cao, khơng dùng photon X có năng lợng quá thấp (bằng cách sử dụng các bộ lọc sơ bộ) và quá cao (bằng cách hạn chế trị số kVp).
Cấu trúc của máy X quang
Máy X quang là một hệ thống thiết bị trong đó bao gồm các thiết bị chủ yếu sau: • Thiết bị tạo tia X - Bóng X quang
• Khối cao thế
• Thiết bị định vị bệnh nhân. • Thiết bị mang ảnh.
• Thiết bị thu nhận và hiển thị ảnh. • Một số thiết bị phụ trợ khác...
3.1 Bóng X quang
3.1.1 Ngun lý hoạt động
• Bóng X quang là một trong những linh kịên chủ yếu của máy X quang, hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi năng lợng từ động năng của chùm tia điện tử bức xạ từ catốt sang năng lợng tia X bức xạ từ anốt.
• Bóng X quang ảnh hởng quyết định đến chất lợng ảnh. Các yêu cầu sau đây có tầm quan trọng đặc biệt đối với bóng X quang:
o Khả năng thâm nhập - độ cứng của tia X có thể thay đổi trong giải rộng bằng cách thay đổi điện áp cấp cho bóng để đáp ứng đợc nhiều đối tợng và phơng pháp thăm khám.
o Mật độ bức xạ - liều lợng tia X có thể điều khiển trong phạm vi rộng thơng qua dịng bóng.
o Kích thớc của điểm hội tụ và sự phân bố năng lợng tại điểm hội tụ phải tạo đợc độ tơng phản và phân giải cao
3.1.2 Cấu tạo
• Bóng X quang là dạng đặc biệt của loại bóng điện tử chân khơng thờng gồm các bộ phận sau:
o Catôt: nguồn bức xạ điện tử.
o Anơt: Nguồn phát xạ tia X. Anốt chính là tấm bia của chùm tia điện tử. Diện tích nơi chùm tia điện tử bắn vào gọi là điểm hội tụ - là nguồn phát tia X.
o Vỏ trong bằng thuỷ tinh, bao quanh anôt và catôt, đợc hút chân không để tạo áp lực âm nhằm loại trừ các phân tử khơng khí cản trở trên đờng đi của chùm tia điện tử.
o Vỏ ngồi bằng thép hoặc hợp kim nhơm phủ chì, để ngăn ngừa tia X bức xạ theo những hớng khơng mong muốn có hại cho mơi trờng xung quanh và để tản nhiệt.
o Cửa sổ lối ra tia X trên vỏ, nới ghép với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối
Hình 3.1 Một loại bóng X quang
o Bóng X quang anơt cố định.
o Bóng X quang anơt quay.
3.1.2.1 Bóng X quang anơt cố định Cấu tạo:
Hình 3.3 Cấu trúc ruột bóng và vỏ thuỷ tinh của một loại bóng X quang a-nốt cố định dùng cho máy chụp răng
a) Catốt: bao gồm một sợi đốt và một điện cực phụ (điện cực Wehnelt) dùng làm
giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ nhằm tập trung toàn bộ số lợng điện tử bức xạ từ catốt về phía anốt.
• Sợi đốt: làm bằng hợp kim Vôn-fram với Thô-ri. Vôn-fram (thờng gọi là tung - sten) có nhiệt độ nóng chảy rất cao (3370oC) nên ít bị bốc hơi khi hoạt động ở nhiệt độ trên 2000oC.
Nếu 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 và tích luỹ chúng làm giảm độ chân khơng , gây ra sự phóng điện hồ quang trong bóng dẫn tới làm giảm tuổi thọ bóng.
Để khắc phục hiện tợng này, một lợng nhỏ Thô-ri (1% - 2%) đợc hỗn hợp với tung - sten. Nhờ vậy có thể tạo ra cùng một lợng điện tử bức xạ với nhiệt độ sợi đốt giảm hơn nhiều so với khi sử dụng tung - sten ngun chất.
• Sợi đốt có dạng hình xoắn ốc để tạo diện tích bức xạ điện tử rộng, đờng kính khoảng 0,2 - 0,3 mm. Tồn bộ cuộn dây có kích thứoc khoảng 2 - 5 mm theo chiều rộng và 1 - 2 cm theo chiều dài.
• Điện cực Wehnelt (có điện thế bằng điện thế catơt), các đờng đẳng thế tại bề mặt anốt đợc phân bố để tạo ra điện trờng hội tụ chùm tia điện tử hớng về một điểm có điện tích rất nhỏ tại bề mặt anốt - tiêu điểu, dùng làm giá đỡ sợi đốt và tạo khe hội tụ để Hội tụ chùm tia điện tử.
Hình 3.4 Sự phân bố đờng đẳng thế khi khơng (hình a) và có (hình b) điện cực Wehnelt. Sự hội tụ chùm tia điện tử (hình b)
Hình 3.5 Hình ảnh của một ca-tốt sợi đốt kép, A và C - khe hội tụ lớn và nhỏ; B và D - sợi đốt lớn và nhỏ; E - ca-tốt
• Catốt có hai loại: Đơn và Kép
Loại Catốt đơn chỉ gồm một sợi đốt và một khe bức xạ.
Loại Catốt kép gồm có hai sợi đốt (thờng gọi là tóc nhỏ và tóc lớn đặt trong hai khe bức xạ tơng ứng với hai kích thớc nhỏ và lớn. Hai khe này đ- ợc bố trí kề nhau trong mặt phẳng. Các khe này tạo ra các điểm hội tụ nhỏ và lớn tại bề mặt Anốt.
• Nguồn điện cấp cho sợi đốt là nguồn điện áp thấp cỡ vài chục vơn với dịng điện khoảng vài Am-pe.
Khi hoạt động, sợi đốt đợc nung nóng và bức xạ chùm tia điện tử có mật độ đợc xác định theo cơng thức: kt W 2 0 − = A T e Je Trong đó: Je - mật độ dòng bức xạ
W - hàm số phụ thuộc loại vật liệu. Với Tungsten W = 4,5 eV T - nhiệt độ
k - hằng số Boltzmann
A0 - hằng số vật liệu. Với Tungsten A0 xấp xỉ 60
Mật độ dịng bức xạ tỉ lệ với bình phơng nhiệt độ. Quan hệ giữa Je và nhiệt độ đợc minh hoạ trên hình 3.6
Hình 3.6 Quan hệ giữa mật độ dịng bức xạ (Je) và nhiệt độ sợi
Với mật độ dòng bức xạ từ 100 mA đến 1000mA nhiệt độ sợi đốt phải trong khoảng từ 2400 - 2700oK
• Để đảm bảo độ cách điện cao và tản nhiệt, biến thế cấp điện cho sợi đốt th- ờng đợc đặt trong thùng cao thế cùng với biến áp cao thế
b) Anốt: Có chức năng hứng chùm tia điện tử bắn ra từ Catốt, và bức xạ tia X.
• Anốt gồm một tấm tung-sten dày khoảng 2 mm, hình chữ nhật hoặc trịn có diện tích lớn hơn diện tích điểm hội tụ, đợc gắn vào một giá đỡ bằng đồng dầy giúp cho việc tản nhiệt đợc nhanh.
• Tung -sten đợc chọn làm vật liệu chế tạo tấm phát xạ vì có nhiệt độ nóng chảy rất cao (3370oC) so với các kim loaị khác (khoảng 1500oC) và có số l- ợng nguyên tử rất cao (Z=74). Những u điểm này bảo đảm tuổi thọ và hiệu suất phát xạ của bóng cao. Hiệu suất phát xạ tia X đợc tính theo cơng thức sau:
Hiệu suất phát xạ = 0,9 x 10-9 ZUA x 100% Trong đó : Z: số lợng ngun tử
• Diện tích mà chùm tia điện tử hội tụ vào gọi là điểm hội tụ, đó chính là nguồn phát xạ tia X. Chấm hội tụ thờng có dạng chữ nhật, chiều dài bằng (3-4) lần chiều rộng và diện tích khoảng 1 - 2 mm2 (tiêu điểm nhỏ) tới 5 - 10 mm2 (tiêu điểm lớn)
• Điểm hội tụ nhỏ đợc dùng khi yêu cầu cơng suất bức xạ thấp (dịng cao thế - mA thấp), đợc sử dụng để xét nghiệm những đối tợng có độ hấp thụ tia thấp, những bộ phận có kích thớc nhỏ chẳng hạn ngời gày, trẻ em, hệ thống tuần hoàn v.v, trong trờng hợp này ngời ta dùng mA thấp với thời gian chụp dài.
Hình 3.7 Quan hệ giữa góc đích với điểm hội tụ thực và điểm hội tụ hiệu dụng
• Cịn chấm hội tụ lớn ứng với cơng suất bức xạ cao (mA cao) đợc dùng chụp xơng hoặc những bộ phận có kích thớc lớn, độ hấp thụ tia cao. Khi đó ngời ta dùng mA cao với thời gian chụp ngắn.
• Bề mặt của Anốt nằm dốc chéo so với trục dọc của bóng nên chùm tia X bức xạ ra sẽ vng góc với trục bóng.
• Góc giữa bề mặt chứa chấm hội tụ của Anốt với đờng thẳng đứng gọi là góc vát (góc đích). Sự thay đổi góc đích sẽ làm thay đổi kích thớc thực cũng nh kích thớc 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 cơng suất bức xạ sẽ càng thấp. Góc đích có trị số từ 7o - 20o.
• Bao kính các bộ phận của bóng trong chân khơng • Làm giá đỡ các điện cực Catốt và Anốt
• Cách điện giữa các điện cực
• Truyền nhiệt toả từ các điện cực ra ngoài
Vỏ trong thờng đợc chế tạo từ Pyrex - loại thuỷ tinh đặc 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 đợc áp lực chân khơng lớn.
d) Vỏ ngồi: bao quanh bóng X quang, nó có ba nhiệm vụ:
• Chỉ cho tia X bức xạ qua cửa sổ bóng.
• Hấp thụ tia X theo các hớng có hại cho ngời bệnh và mơi trờng bao quanh. • Cách điện cao, chống phóng điện hồ quang và phịng ngừa điện giật.
Vỏ ngoài đợc chế tạo từ thép, nhôm, hoặc hợp kim nhôm, bề mặt trong của vỏ đợc lót một lớp chì có độ dày 3 - 4 mm để hấp thụ tia X, hạn chế sự