CÔNG NGHỆ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I MÁY CHỤP X QUANG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BỘ MÔN CNĐT VÀ KT Y SINH
***********

CÔNG NGHỆ CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH I
MÁY CHỤP X QUANG

Giảng Viên :

TS. Nguyễn Thái Hà

Sinh Viên

Trần Quang Đức - 20131067

:

HÀ NỘI, 1-2017


Như đã đề cập trước đây, X-quang từ thiên nhiên đến từ các nguồn ngồi khí
quyển, chẳng hạn như mặt trời xa xôi và các ngôi sao, tuy nhiên những Xquang chỉ đơn giản là đóng góp cho nền bức xạ xung quanh chúng ta. Mặt đất
và đất cũng là những nguồn bức xạ nền tự nhiên. Tùy thuộc vào nơi một người
sống sẽ quyết định lượng tiếp xúc họ sẽ nhận được từ các nguồn bức xạ nền tự
nhiên, tuy nhiên loại này tiếp xúc là thường không nguy hiểm.Tia Xquang
trong y học đến từ một thiết bị được thiết kế để phát ra tia phóng xạ theo sự
điều khiển.Lịch sử phát minh ra tia X-quang rất thú vị.
Vào cuối những năm 1800, có rất nhiều các nhà khoa học của thời đó tiến
hành làm thí nghiệm với điện, thứ mà vào lúc đó được coi như là một hiện
tương mới. Một thí nghiệm đặc biệt liên quan đến phản ứng của điện trong

chân không.


Các thí nghiệm mà các nhà khoa học tiến hành gồm một bóng đèn giống như
một thiết bị được gọi tên là ống Crooks được minh họa như hình vẽ. Bạn sẽ
nhận thấy rằng chiếc ống này có hai điện cực, một cực là cực dương và một
cực là cực âm. Ý định ở đây đó là truyền điện từ cực âm sang cực dương. Bởi
vì điện thì bao gồm các electron chuyển động trong các dây dẫn, trong trường
hợp này các nhà khoa học sẽ làm cho các electron chuyển động qua khoảng
không giữa cực âm tới cực dương. Nếu có khơng khí trong ống thì bất cứ
electron nào chạy qua khoảng không giữa cực âm và cực dương cũng sẽ va
chạm với các nguyên tử cho dù là khí gì có trong ống. Những sự va chạm này
sẽ làm giảm khả năng truyền điện (dịng điện) và đó là lí do tại sao các nhà
khoa học cố gắng loại bỏ càng nhiều khơng khí càng tốt.


Có một điều mà các nhà khoa học thời đó khơng biết đến đó là bất cứ khi nào
các electron chuyển động qua khoảng không giữa cực âm và cực dương, các
electron cũng sẽ tăng tốc với một tốc độ cao. Các electron chuyển động qua
khoảng không giữa cực âm và cực dương được gọi là những tia Ca-tôt. Tốc độ
này được đo bởi điện áp được gắn với ống Crookes. Điện áp càng cao thì tốc
độ của các electron càng lớn. Các nhà khoa học không biết rằng khi các
electron đến cực dương hay vùng xung quanh ống thủy tinh thì các sự va
chạm giũa các electron tốc độ cao với các cấu trúc nguyên tử của kim loại ở
cực dương và thủy tinh sẽ xảy ra. Đó là những sự tương tác chịu trách nhiệm
cho việc tạo ra tia X-quang cũng như một “ hiệu ứng phát sáng“ trong ống
thủy tinh thường được quan sát thấy khi ống được cung cấp năng lượng.


Có rất nhiều người nổi tiếng tiến hành thí nghiệm về điện trong thời điểm đó.

Bên cạnh Roentgen, cũng có rất nhiều các nhà khoa học khác tiến hành những
thí nghiệm đầu tiên. Sau đó cũng có những cá nhân như Thomas Edison được
công nhận với việc sản xuất ra thiết bị huỳnh quang đầu tiên sử dụng tia Xquang và có thể đem lại “ hình ảnh sự di chuyển của tia X-quang ”. Chúng ta
sẽ tiếp tục bàn về huỳnh quang một cách chi tiết hơn trong phần sau của bài
học. Sự thí nghiệm với huỳnh quang được sử dụng đê tiến hành kiểm tra
nhiều bộ phận trên cơ thể nhưng có lẽ nó được biết đến nhiều nhất khi tiến
hành các bài kiểm tra X-quang của các cơ quan tiêu hóa ví dụ như thực quản,
dạ dày, ruột con và đại tràng.


William Conrad Roentgen - người được công nhận cho sự khám phá ra tia Xquang là một giáo sư và một nhà vật lý học tại trường Đại học Wurzburg ở
Đức. Vào mùa thu tháng 11-1895 ông ấy đã tiến hành một thí nghiệm khi
đang xả điện áp cao trong ống Crookes đã được tháo bỏ từng phần. Cái ống
ông ấy sử dụng tình cờ có một tấm bìa cứng màu đen bao phủ và ông ấy bỗng
nhiên nhận ra rằng bất cứ khi nào ông ấy cung cấp năng lượng cho cái ống
Crookes thì sẽ có một ánh sáng mờ của một cái màn hình nhỏ được đặt cạnh
đó. Chính sự quan sát được hiệu ứng ánh sáng này đã dẫn tới các thí nghiệm
bổ sung cho hiện tương này.


Trong thí nghiệm của Roentgen , cái màn hình nhỏ được đề cập ở phần trước
được đặt tương tự như hình trên biểu đồ. Ơng ấy khơng hiểu tại sao ánh sáng
có thể phát ra bởi vì ơng ấy khơng thể nhìn thấy, nghe hay cảm nhận được bất cứ
điều gì có thể tạo ra : “hiệu ứng phát sáng”. Và để làm cho hiện tương này trở
nên thú vị hơn đối với Roentgen, chiếc ống Crookes bị bao phủ bởi tấm bìa
cứng màu đen nên ơng biết rằng khơng có một tia sáng nào có thể lọt ra ngồi
chiếc ống. Thí nghiệm tiếp tục, chú ý rằng màn hình nhỏ được tráng một loại
sơn chứa một chất hóa học có tên gọi là barium platinocyanide. Ơng ấy đã
quan sát được một phát hiện thú vị đó là khi ơng ấy di chuyển màn hình càng
gần chiếc ống thì ánh sáng lại càng trở nên rõ nét hơn. Mặc dù cái ống

Crookes bị bao phủ bởi một tấm bìa cứng màu đen, ơng ấy vẫn có thể cảm
nhận thấy thứ gì đó vơ hình đang khuấy động cái màn hình bị sơn.


Ông ấy cũng nhận ra rằng kể cả khi ông ấy đặt các quyển sách giữa cái ống và
màn hình thì màn hình vẫn phát sáng. Sau đó, ơng ấy hiểu ra rằng điều này có thể
tượng trung cho một vài loại “tia” hay “phần tử”. Với sự phát hiện này, ơng ấy
đã bắt đầu hàng loạt các thí nghiệm ở chỗ mà ơng ấy có thể đặt bàn tay của
mình hay nhưng thứ khác giữa cái ống Crookes và màn hình bị sơn và ơng ấy
có thể nhìn thấy trên thực tế một loại bóng của xương bàn tay của mình.


Roentgen cũng phát hiện ra rằng khi mà tấm kính ảnh được đặt gần ống
Crookes đã được cung cấp năng lượng thì nó cũng sẽ tạo ra các nhũ ảnh sẽ trở
nên mờ hay tối đi nếu không được tiếp xúc với ánh sáng và điều này đã giúp
ông ấy tạo ra hình ảnh X-quang trên thực tế đầu tiên của bàn tay người. Ơng ấy
có được sự giúp đỡ của vợ mình và hình ảnh đầu tiên được minh họa ở đây.
Có thể thấy rằng khơng có chi tiết quan trọng trong bức ảnh đầu tiên nhưng
nó là sự khởi nguồn của kĩ thuật chụp
X-quang. Hãy chú ý tới hình ảnh của chiếc nhẫn trên ngón tay.


Để có thể hiểu một cách đầy đủ về cách tia X được tạo ra, chúng ta cần xem
lại thuyết nguyên tử cơ bản. Tất cả mọi vật đều chứa các phần tử rẩt nhỏ gọi là
nguyên tử. Khi một nguyên tử kết hợp với một nguyên tử khác tạo ra một liên
kết hóa học, chúng được gọi là phân tử hay một hợp chất. Để có thể hiểu được
tia X được tạo ra như thế nào, chúng ta cần biết về các nguyên tử cơ bản tự
nhiên, phần nhỏ nhất tạo nên vật chất.

Như bạn có thể nhìn thấy trong phần này, nguyên tử bao gồm “hạt nhân” hay

một phần của nguyên tử chứa các proton và notron. Một proton mang điện tích
dương giúp duy trì sự tồn vẹn của nguyên tử. Notron cũng có trong hạt nhân
nhưng nó không mang điện. Trong phần tiếp theo của bài học, chúng ta sẽ
thảo luận tiếp về vai trò của notron trong sự bảo vệ phóng xạ cũng như trong
các hình thức khác. Cấu trúc trên minh họa cho một đường trịn khép kín
chứa các electron, trên thực tế, các electron chuyển động xung quanh hạt nhân
theo một quỹ đạo hình elip.


Quỹ đạo của một electron và khoảng cách nó duy trì đối với hạt nhân được
gọi là một mức năng lượng. Bởi vì các electron di chuyển trong một quỹ đạo
xoay quanh hạt nhân, chúng tạo ra một loại lực được gọi là lực hướng tâm.
Tốc độ của các electron giữ chúng trong quỹ đạo riêng và giữ khoảng cách
đối với hạt nhân và trên thực tế các electron mang điện tích âm. Khi mà
chúng xoay quanh hạt nhân, các điện tích âm của chúng bị hút bởi các điện
tích dương của các proton.
Trong phần này, chúng ta thấy hai nguyên tử, một là nguyên tử đơn chỉ với
một electron và một proton trong khi đó nguyên tử thứ hai có ba electron và ba
proton. Khi số lượng của các proton và electron gia tăng, vật chất mà chúng
tượng trưng cũng sẽ thay đổi. Phần tiếp theo minh họa cho khái niệm này. .


Sự phân loại các lọai vật chất tạo ra con rất quan trọng bởi vì mọi vật đều
được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử và tùy vào đó là loại vật chất gì mà
phản ứng bức xạ của chúng khác nhau, ví dụ như giữa xương và các mơ
mềm.

Ví dụ, những thứ cứng như là xương, cơ và các mô mềm, trong khi tất cả
những thứ này trong cơ thể người đều cứng, mật độ nguyên tử của chúng
cũng rất khác nhau. .Đó là lí do tại sao xương là phần khó nhất để bức xạ

xuyên qua, cơ và mơ mềm cũng có tỉ lệ hấp thụ bức xạ khác nhau. Khi bức
xạ bị hấp thụ bởi các vật chất, chúng sẽ mỏng đi. Nhìn chung, khi bức xạ
xuyên qua cơ thể, bạn sẽ nhận thấy rằng xương sẽ hấp thụ bức xạ nhiều
hơn cơ và các mô mềm. Bởi vì xương có mật độ ngun tử dày đặc, nên
nó có thể làm mỏng bức xạ dễ dàng.


Bởi vì xương cứng và dày đặc hơn, số lượng các electron tạo nên cấu trúc
nguyên tử của xương dày đặc hơn của các mơ mềm hơn, do đó tia bức xạ
va chạm với những chất này sẽ chứa nhiều electron hơn. Chất lỏng khác
với chất dính do đó sự mài mịn của chúng cũng có sự khác biệt nhỏ khi
bạn so sánh tỉ lệ mài mòn giữa máu và chất lỏng

tinh khiết. Tất nhiên cần

lưu ý rằng nếu có một lượng chất lỏng lớn thỉnh thoảng xuất hiện trong một
số bệnh nhất định, nó sẽ gây khó khăn trong việc chuẩn đốn hình ảnh
bằng X-quang. Bởi vì mộ lượng chất lỏng lớn rất khó để xuyên qua.

Trái lại, chất khí có cấu trúc ngun tử tương tự như cấu trúc cơ bản chúng
ta nói đến ở phần 6. Nếu bạn xem lại phần đó, lưu ý rằng nguyên tử với
một electron (khí hydro) khơng chứa nhiều electron để mài mòn bức xạ.


Sự bền vững của các chất có thể bị thay thế bất cứ khi nào có một loại kích
thích. Ví dụ, khi điện truyền qua dây đồng, sự chuyển động của các electron
là một loạt các sự ion hóa khi electron từ một nguyên tử va chạm với electron
của một nguyên tử gần kề và khi quá trình này tiếp diễn, dòng electron ( hay
dòng điện ) tiếp tục truyền đi. Khi electron chuyển động trong dây dẫn , phải
có một sự khác biệt điện thế hoặc điện cực giúp di chuyển electron từ nguyên

tử này tới nguyên tử kết tiếp. Khi pin được kết nối với một thiết bị làm việc và
thiết bị đó được khởi động, một phản ứng hóa học trong pin gây ra sự ion hóa
diễn ra trong các chất hóa học và các electron được tạo ra để chuyển động. Sự
chuyển động của các electron sẽ tiếp tục miễn là thiết bị còn đang hoạt độn
hoặc cho tới khi các chất hóa học sau khi bị ion hóa bị xả ra hết.


Trong X-quang, khi các tia X được tạo ra để va chạm với các vật chất gây ra
thuộc tính khơng bền vững của vật. Trong kĩ thuật chụp X-quang, sự va chạm
giữa tia X và các nguyên tử trong các mô của cơ thể người diễn ra một cách
ngẫu nhiên. Sự ion hóa hay là sự loại bỏ các electron từ cấu trúc nguyên tử của
các mô cơ thể người diễn ra khi tia X va chạm với electron và hất chúng ra
khỏi quỹ đạo của chúng xung quanh hạt nhân. Sự khơng bền vững nhìn chung
thường được khơi phục hoàn toàn ngay lập tức bởi cơ thể, nhưng phụ thuộc
vào phần nào của nguyên tử bị tấn công, hoạt động của nguyên tử đó có thể bị
thay thế mãi mãi, hoặc nó có thể hồi phục về trạng thái ban đầu hoặc nó có
thể bị phá hủy.
.


Sự ion hóa của một chất được mơ tả bằng cấu trúc này. Trong sơ đồ này, tốc
độ cao của các phần tử từ trái sang phải trong một đường hơi chếch xuống và
bạn sẽ nhận ra rằng tia X tấn công một trong các electron ở mức năng lượng
thứ 3 từ phía hạt nhân. Bạn sẽ nhận ra rằng electron bị loại bỏ và tia X thay
đổi đường đi của chính nó và di chuyển ra xa ngun tử tại một góc khác. Cần
lưu ý rằng tia X di chuyển với tốc độ của ánh sáng và khi va chạm diễn ra,
năng lượng phải đủ cao để đẩy các electron ra ngồi. Khi q trình này diễn
ra, nó được hiểu như sự ion hóa. Cũng rất quan trọng để nhận ra rằng tia X đi
vào sẽ trải qua một trong 2 sự tương tác và nó phụ thuộc chủ yếu vào nguồn
năng lượng gốc. Nếu năng lượng tương đối cao, photon tia X sẽ va chạm với

các electron ở lớp vỏ ngoài cùng và sẽ đẩy một electron như biểu đồ trên minh
họa.


Các va chạm như vậy gây ra trong tia X chỉ đơn giản bị chệch hướng sau va
chạm được hiểu như tia bức xạ rải rác. Bạn cũng nên biết khi các tia bức xạ
rải rác xảy ra, photon tia X vẫn có đủ năng lượng để gây ra những tương tác
khác khi nó va chạm với nguyên tử khác. Các tương tác khác gây ra photon tia
X bị hấp thụ hồn hồn tồn bởi các chất bị tấn cơng.Trong các bài học sau,
chúng ta sẽ trình bày nhiều thơng tin cụ thể hơn về các tương tác tia bức xạ.


Chất mà không bền vững một cách tự nhiên hay "chất phóng xạ" về cơ bản là
bức xạ phát ra từ hạt nhân của nó. Bất cứ khi nào chất bị phá vỡ một cách tự
phát hay bị phân hủy thì năng lượng được tạo ra xuất hiện trong cấu trúc của
phần tử từ hạt nhân. Khi nguyên tử mất đi bức xạ từ hạt nhân của nó, trên
thực tế nó sẽ chuyển sang một dạng nguyên tử khác. Điều này cịn được cho
rằng "hạt nhân chính" bị phá vỡ thành " hạt nhân con". Năng lực phóng xạ
bao gồm 3 loại phóng xạ là : alpha, beta và gamma. Chúng ta sẽ thảo luận về
những phần tử này một cách chi tiết hơn trong phần sau. Chú ý rằng cấu trúc
được miêu tả ở trên minh họa cho các phần tử và một photon đi ra từ hạt
nhân.
.


Như bạn có thể thấy, tia phóng xạ có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau. Đó là:
tia X từ ngồi khí quyển, tia phóng xạ từ mặt đất tự nhiên, và tia phóng xạ từ
thiết bị X quang. Tia phóng xạ từ máy X-quang được biết đến khơng lâu sau
sự phát hiện của Roentgen, tuy nhiên, nó mất nhiều năm trước khi thiết bị đạt
đến mức độ đáng tin cậy, an toàn và độc lập như chúng ta biết ngày nay. Gần

đây, chúng ta có thể nhìn thấy cách tia X tương tác với các vật chất sau khi
chúng rồ khỏi ống X-quang, nhưng chúng ta vẫn chưa nhìn ra cách chúng
được tạo ra trong ống X-quang. Trong bức ảnh này, bạn có thể nhìn thấy kĩ sư
cơng nghệ đang điều chỉnh ống X-quang.


Cơ ấy đặt tay mình lên một phần của hệ thống thứ mà có thể định hình chùm
tia phóng xạ tới một kích cỡ cần thiết. Thiết bị có thể giới hạn chùm tia sáng
tới một kích cỡ cụ thể được gọi là ống chuẩn trực. Ống chuẩn trực có một
chuỗi các lá kim loại xếp chồng lên nhau ở các kích thước khác nhau. Kĩ sư
cơng nghệ có thể điều chỉnh vùng của tia sáng tới bất cứ kích cỡ ảnh nào và
phim được sử dụng. Các ống chuẩn trực cúng có thể hoạt động tự động trong
đó khi phim đương đặt trên bàn khay đựng phim, ống chuẩn trực cũng có thể
cảm nhận kích cỡ của phim và giới hạn chùm tia sáng tới kích cỡ đó. Nó được
biết đến như là PBL hay sự giới hạn tia sáng dương.

Trong bức ảnh này, ống X-quang được giữ trong một hộp vng hình chữ
nhật ở phía trên của tấm ảnh.


Sơ đồ này minh họa hình dáng của một cái ống X-quang cơ bản. Tấm kính
bao phủ thường được làm bằng thủy tinh chịu nhiệt hay một loại thủy tinh có
thể chịu được một nhiệt độ cao. Nó giống như một loại lị vi sóng được sử
dụng trong nhà bếp hiện nay. Lớp vỏ bọc được cho là tương đối và nó phả có
khả năng giữ được áp lực chân không rất nhỏ để đảm bảo rằng các elcectron
và tia X được tạo ra không va chạm với phân tử của khơng khí. Như bạn có
thể thấy tấm kính bao phủ bao phủ tất các phần hoạt động bên trong.
Vật tiếp theo nằm bên phải của sơ đồ đó là cực âm. Cực âm bao gồm một ống
tiêu điểm chứa các dây tóc rất nhỏ hoặc trong một vài ống dây tóc kép được
cung cấp một điện cực nhỏ và gây ra " sự thải ra các electron nhiệt". Sự thải

ra các electron nhiệt là sự tự do của các electron từ một dây tóc Vơnfram khi
nó được cấp năng lượng. Đó là các electron theo chiều thẳng hoặc hội tụ về
bên trái của ống X-quang hướng về mục tiêu. Mục tiêu của dòng electron là
một điểm nhỏ trên cực dương của ống X-quang. Các ống X-quang hiện đại
có một đĩa cực dương thứ mà bạn có nhìn thấy ở giữa sơ đồ. Chiếc đĩa được
gắn bởi một cái vòng nhỏ gọi là rô-to (phần quay). Rô to được thiết kế để
quay bởi một thiết bị gọi là sta-to (phần tĩnh), khơng nhìn thấy ở đây. Sta-to
gồm rất nhiều các cuộn điện làm cho rô to quay với một tốc độ cao.


Phần vỏ của ống X-quang về cơ bản cung cấp sự hỗ trợ cơ học và giữ cho
ống
X-quang vững chắc và an toàn bên trong. Phần vỏ được thiết kế để chịu đựng
một mức nhiệt lớn bởi vì khi tia X phát ra, một lượng lớn năng lượng tỏa ra sẽ
bị chuyển thành nhiệt. Trong sơ đồ này, bạn sẽ nhìn thấy rất nhiều các bộ
phận chúng ta vừa thảo luận bao gồm ống chuẩn trực, cực âm và cực dương.
Một chức năng rất quan trọng của phần vỏ đó là đảm bảo rằng nó làm lạnh
ống X-quang. Bất cứ khi nào bạn phóng tia X , một lượng nhiệt lớn sẽ được
tạo ra và công việc đầu tiên của phần vỏ là làm tán xạ nhiệt. Nó làm việc này
thơng qua hai bộ phận khơng nhìn thấy được ở đây. Đầu tiên, phần vỏ được
đổ đầy dầu. Dầu giúp làm lạnh tấm kính nóng bao phủ khi các tia X được tạo
ra. Bởi vì tia X di chuyển qua lớp dầu này khi chúng tồn tại trong ống Xquang, lớp dầu cũng có một bộ lọc nhỏ và cung cấp một vài sự cách điện. Hầu
hết phần vỏ của ống X-quang có một cánh quạt làm mát giúp tuần hồn khơng
khí mát xung quanh vỏ để tán xạ nhiệt nhanh hơn và làm cho quá trình hoạt
động của ống X-quang hiệu quả hơn.


Để tạo ra tia X, cần phải có 3 yếu tố sau:
#1. Phải có 1 nguồn electron. Nguồn này được cung cấp bởi các dây tóc cực
âm. Khi các tia X trong q trình được phóng ra, các kĩ sư công nghệ bắt đầu

phơi bày bằng cách ấn nút " tăng điện thế rô-to" hay công tắc và bằng cách đó
tia X phóng dịng sóng điện thế qua dây tóc và làm nó nóng trắng sáng. Điều
này được biết đến là " sự nóng sáng " hay sự phát ra các electron nhiệt. Thứ
diễn ra ở dây tóc là một lượng lớn điện bị ép qua đường kính rất nhỏ của dây
điện tới mức mà vì sự tập trung lớn của số lượng các electron, chúng thật sự
bị " ép" ra khỏi dây tóc và tạo ra " điện tích trống " hay đám mây electron
xung quanh dây tóc. Bởi vì chúng được tích điện âm nên chúng có khuynh
hướng đẩy nhau tồn tại trong điện tích trống cho tới khi sự phơi nhiễm bắt
đầu. Đồng thời khi các electron bắt đầu đốt nóng dây tóc, dịng điện được
truyền tới động cơ cảm ứng xung quang rơ-to và nó bắt đầu quay với tốc độ
cao. Khi đạt được tốc độ quay trung bình, hệ thống sẵn sàng để phơi sáng và
các kĩ sư cơng nghệ có thể ấn nút đó.


#2. Khi phơi sáng, một điện cực cao được gắn giữa cực âm và cực dương và
nó đượcbiểu thị bằng kVp ( đỉnh kilo vols) kVp càng cao lực hút giữa các
electron xung quanh dây tóc và bề mặt đĩa cực dương càng lớn. Phụ thuộc vào
kết cấu các bộ phận mà được chiếu tia X, kVp sẽ khác nhau. Các electron
được tăng tốc và di chuyển tới mục tiêu cũng được gọi là đạn electron.
#3. Mục tiêu trên thực tế là một đĩa cực dương hình trịn. Đĩa được kết nối với
rơ-to và rơ-to quay trong suốt q trình phơi sáng.


Trong sơ đồ này, các electron di chuyển từ phải sang trái và chùm tia X nằm ở
đáy ống.
.