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

BÀI 7 - NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA SIÊU ÂM VÀ TIA X
MỤC TIÊU HỌC TẬP
Sau khi học xong phần này học viên cần:
1. Nêu được bản chất của siêu âm và tính chất vật lý của nó.
2. Trình bày được cách tạo ra siêu âm trong y học và tạo ảnh của siêu âm, diễn giải được
các kiểu siêu âm đang được ứng dụng trong chẩn đốn
3. Trình bày được bản chất của tia X và các tác động vật lý, hóa học chính của nó
4. Nêu cách tạo ra tia X (Cấu tạo của một bóng phát tia X)
5. Trình bày được các cách ghi ảnh tia X
I. NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA SIÊU ÂM
1. Bản chất của siêu âm
Trong vũ trụ có rất nhiều loại sóng như sóng vơ tuyến, ra đa, truyền hình, ánh sáng, các
tia bức xạ, sóng âm… nhưng tựu chung lại nó được chia ra làm hai loại là sóng điện từ
(bao gồm sóng ánh sáng, tia bức xạ, ra đa…) và loại thứ hai là sóng cơ học (sóng âm)
Sóng âm là sự lan truyền của các dao động trong môi trường truyền âm. Như vậy có thể
thấy được nó cần hai yếu tố đó là sự giãn nở cơ học và phải có mơi trường truyền âm.
Mơi trường truyền âm ở đây có thể là rắn, lỏng, khí cịn chân khơng thì khơng truyền
được âm thanh.
Về mặt bản chất, nó là sóng dọc nghĩa là sự truyền đi của nó có phương trùng với phương
của sóng.
Âm thanh tai người nghe được nằm trong khoảng 20Hz đến 20.000Hz (Hertz). Nếu sóng
âm có tần số nhỏ hơn 20Hz gọi là hạ âm.
Siêu âm là sóng âm có tần số lớn hơn 20.000Hz hay 20kHz.

Hình 1. Sơ đồ các tần số âm thanh


Trong tự nhiên có rất nhiều loại động vật có thể nghe được siêu âm như ngựa, chó, dơi…
và nhiều loại có thể nghe được hạ âm như voi.
Ban đầu siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong hải quân (đo độ sâu đáy biển, phát hiện
tàu ngầm…), trong ứng dụng đánh giá bề mặt (có vết nứt hay khơng…) Đến tận những

năm 1950 bắt đầu được ứng dụng vào y khoa.
Siêu âm ứng dụng trong y khoa ở hai lĩnh vực là điều trị và chẩn đốn trong đó siêu âm
chẩn đốn sử dụng những chùm âm có tần số rất cao, trên 1MHz (1.000.000Hz)
2. Tính chất vật lý của siêu âm
Vì bản chất của siêu âm là sóng cơ học nên nó cũng có các tính chất của sóng đó là
-Truyền đi theo đường thẳng ở trong mơi trường truyền âm
-Có thể bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ
-Bị hấp thụ bởi vật chất
-Năng lượng của nó giảm theo bình phương khoảng cách
*Sự truyền âm phụ thuộc vào mơi trường truyền âm có mật độ như thế nào. Dưới đây là
tốc độ truyền âm trong một số môi trường
Khơng khí: khoảng 350m/s
Nước: 1490m/s
Cơ: 1600m/s
Xương: 3600-4000m/s

Hình 2. Tính chất vật lý của 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 đoán) là sự phản hồi của sóng
siêu âm khi gặp phải mặt phẳng phân cách là mặt phẳng phân chia giữa hai mơi trường
khác nhau về mật độ. Khi sóng siêu âm đến mặt phân cách sẽ bị phản hồi trở lại. Sự phản


hồi nhiều hay ít phụ thuộc vào sự khác biệt giữa hai môi trường. Hệ số phản hồi của
chùm âm gọi là R và được tính như sau:
R=Z2)2/(Z1+Z2)2
Trong đó Z1, Z2 là trở kháng âm của mơi trường truyền âm.

Hình 3. Sơ đồ sự phản hồi âm khi chùm âm đi qua mặt phẳng phân cách giữa hai môi trường truyền âm
khác nhau

Như vậy có thể thấy được hệ số phản hồi K càng lớn nếu sự khác biệt giữa hai môi
trường truyền âm lớn. Khi hệ số K lớn có thể chùm âm bị phản hồi về hồn tồn, khơng
có khả năng đâm xun tiếp.
Sự phản hồi âm trở lại của sóng siêu âm trong cơ thể người chính là cách để tạo ảnh siêu
âm do vậy siêu âm học người ta còn gọi là Echography.
*Cách tạo ra siêu âm
Siêu âm được tạo ra nhờ hiệu ứng áp điện (Piezoelectric). Hiệu ứng này được Pierre
Curie phát hiện ra năm 1900. Hiệu ứng áp điện có cả thuận và nghịch.
Hiệu ứng áp điện thuận: Khi kẹp tinh thể áp điện (tinh thể thạch anh hoặc gốm) giữa hai
điện cực thì tinh thể áp điện sẽ dao động với đúng tần số của dòng điện giữa hai điện cực
và ngược lại.
Do đó muốn tạo ra siêu âm người ta cho tinh thể áp điện kẹp giữa hai điện cực và sử dụng
dịng điện với tần số thích hợp nó sẽ rung lên với tần số chủ động và tạo ra sóng siêu âm.


Hình 4. Sơ đồ hiệu ứng áp điện (Piezoelectric)

*Cách tạo ảnh của siêu âm
Chùm siêu âm phát ra từ đầu dò sau khi truyền vào cơ thể người khi gặp các mặt phân
cách sẽ được phản hồi trở lại phía đầu dò và người ta thu lại những âm phản hồi đó mã
hóa và thơng qua hệ thống máy tính sẽ chuyển đổi thành dạng sóng hoặc hình ảnh và
được ghi lại trên giấy hoặc hiển thị trên màn hình.

Hình 5. Sơ đồ về cách tạo ảnh siêu âm

Hình 6. Một số đầu do trong siêu âm chẩn đoán (Từ trái qua phải: đầu dò 3 chiều (đầu dò khối), đầu dò
phẳng (Linear), đầu dò cong điện tử (Convex) và đầu dò nội soi )

3. CÁC KIỂU SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN

3.1. Kiểu A (Amplitude)
Ở kiểu này, chùm sóng siêu âm khi đi xun qua mơ cơ thể sẽ phản hồi trở lại phía đầu
dị và được ghi lại dưới dạng dao động ký. Nếu sự phản hồi âm trở về càng nhiều thì biên
độ sóng càng lớn. Kiểu này mới đầu được áp dụng vào trong một số lĩnh vực như sản
khoa, mắt. Ngày nay nó ít được sử dụng, chủ yếu sử dụng trong lĩnh vực mắt và hiệu
chỉnh máy siêu âm.


Hình 7. Sơ đồ siêu âm kiểu A

3.2. Kiểu B (Brightness)
Khác với kiểu A, kiểu B sẽ thu các tín hiệu phản hồi về dưới dạng chấm sáng. Âm phản
hồi về càng nhiều thì càng sáng. Phản hồi ít sẽ kém sáng hơn và khơng phản hồi thì sẽ
hiển thị với màu đen trên màn hình.
Có hai kiểu B đó là B tĩnh và B động (hay thời gian thực, realtime). Đối với kiểu B tĩnh,
muốn tạo được ảnh người ta sẽ phải chủ động quét bằng tay, do vậy hình ảnh thu được là
ảnh tĩnh (do sự lưu ảnh khi quét trên màn hình). Kiểu B động (hay realtime) thì hình ảnh
được quét theo mặt phẳng hai chiều, liên tục nên ảnh của nó tạo ra là ảnh động. Nó được
ứng dụng rộng rãi và cho đến ngày nay các máy siêu âm chẩn đoán đều sử dụng kiểu này.

Hình 8. Kiểu B (chấm sáng), B tĩnh (quét tay) và B động (Real time)

3.3. Kiểu TM (Time motion)


Kiểu TM là kiểu biên độ theo thời gian (như trong thăm khám siêu âm tim). Đó là ở mỗi
một thời điểm, sự chuyển động này có những biên độ khác nhau và người ta ghi lại nó
dưới dạng dao động ký

Hình 9. Kiểu TM (Sự chuyển động của valve hai lá)

3.4. Kiểu D (Doppler)
Kiểu D hay kiểu Doppler dựa trên hiệu ứng Doppler. Đây là tên của nhà vật lý người Áo
Johann Christian Doppler. Ơng tìm ra hiệu ứng này từ việc quan sát bầu trời với các ngôi
sao. Ơng nhận thấy khi nó di chuyển thì màu sắc của nó cũng thay đổi, càng đi xa màu
sắc của nó trở nên màu xanh trong khi tiến lại gần nó sẽ có màu đỏ, điều đó chứng tỏ có
sự thay đổi tần số của sóng ánh sáng khi có sự chuyển động của ngôi sao so với mắt
người quan sát.Hiệu ứng này đúng với tất cả các loại sóng kể cả sóng âm. Hàng ngày
chúng ta vẫn gặp hiệu ứng Doppler, ví dụ như khi chúng ta đứng ở lề đường và ô tô chạy
qua chúng ta sẽ nghe thấy âm thanh có tần số thay đổi khi xe đi từ xa đến và qua chỗ
chúng ta đứng rồi xa dần.
Hiệu ứng Doppler áp dụng vào siêu âm chẩn đoán rộng rãi đặc biệt trong thăm khám
mạch máu và tim do có sự lưu chuyển của dịng máu. Chùm siêu âm phát đi sẽ được các
hồng cầu phản hồi trở lại và khi thu lại sóng phản hồi đã có sự thay đổi vị trí giữa nguồn
phát siêu âm và hồng cầu và như thế nó sẽ có sự thay đổi về tần số trong sự phản hồi trở
lại. Người ta sẽ ghi lại sự chuyển động này bằng phổ và sự thay đổi về tần số bằng âm
thanh. Ngày nay, người ta cũng sử dụng hiệu ứng này để phổ màu cho dòng chảy gọi là
bản đồ dòng chảy (CFM: Color Flow Mapping)
Siêu âm Doppler ứng dụng rộng rãi trong việc thăm khám tim, mạch máu. Thông qua nó
người ta có thể xác định được tốc độ của dòng máu, lưu lượng chảy qua mạch máu, các
valve tim có hở, hẹp hay khơng…


Hình 10. Sơ đồ hiệu ứng Doppler (Sự thay đổi tần số của sóng âm khi vật chuyển động tiến đến gần và đi
xa khỏi vật ghi)

Hình 11. Hình ảnh siêu âm và siêu âm Doppler màu của mạch máu

II. NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH CỦA TIA X
1. Sơ lược lịch sử phát minh ra tia X

Hình 1. Wihelm Conrad Roentgen (1845-1923)

Năm 1895, Wihelm Conrad Roentgen, một nhà vật lý học người Đức trong q trình
nghiên cứu bóng khí kém hay bóng Crookes đã phát hiện ra tia X. Trong phịng thí
nghiệm của minh ơng quan sát thấy tấm kính huỳnh quang phát sáng khi để gần bóng
Crookes. Ơng đem bọc tấm kính huỳnh quang bằng giấy đen dày và nhận ra rằng và màn


huỳnh quang vẫn phát sáng dù cách xa vài feet. Vì vậy ơng cho rằng có một loại tia bức
xạ mới. Loại tia bức xạ này có thể xuyên qua mơ của cơ thể trừ xương và kim loại. Sau
đó, ông đã ghi lại hình bàn tay người vợ của mình trên tấm kính ảnh và đó là phim chụp
X quang đầu tiên trên thế giới. Vì chưa biết loại tia này là gì nên ơng gọi nó là tia X và
cái tên này nó vẫn tồn tại cho đến tận ngày nay. Tia X hay còn được gọi bằng tên của
người phát minh ra nó là tia Roentgen. Phát minh ra tia X đã làm thay đổi bộ mặt của
ngành y tế và một chuyên ngành mới ra đời đó là ngành X quang. Với phát minh này, ơng
đã được nhận giải Nobel về vật lý năm 1901.

Hình 2. Phim X quang đầu tiên trên thế giới

2. Bản chất và tính chất vật lý của tia X
2.1 Bản chất của tia X
Tia X hay còn gọi là tia âm cực có bản chất là sóng điện từ với bước sóng ngắn. Có thể
thấy có rất nhiều loại tia có bản chất là sóng điện từ như sóng ánh sáng, sóng ra đa, các
tia alpha, bê ta, gamma…Tia X có bước sóng ngắn hơn hàng nghìn lần so với sóng ánh
sáng nhưng dài hơn so với tia gamma. Bước sóng của nó khoảng từ 10Ao đến 0,001Ao,
trong khi bước sóng của tia gamma là …
2.2 Tính chất lý hóa của tia X
Vì tia X có bản chất là sóng điện từ nên nó có đầy đủ tính chất của sóng điện từ như sau:
-Nó truyền đi theo đường thẳng, tốc độ truyền của nó trong khơng khí tương đương như

ánh sáng, đó là khoảng 300.000 km/s
-Tia X có khả năng đâm xuyên tốt do có bước sóng ngắn hơn ánh sáng nên nó có thể
xuyên qua những vật chất mà ánh sáng khơng thể xun qua được.
-Nó cũng có thể bị phản xạ, khúc xạ và tán xạ.
-Năng lượng của nó giảm theo bình phương của khoảng cách, càng đi xa khỏi nguồn phát
tia thì năng lượng của chùm tia giảm càng nhanh


-Nó cũng bị hấp thu bởi một số vật chất. (Sẽ trình bày kỹ ở phần sau)
-Tia X làm phát quang một số tinh thể muối (như là: cIorua,Na, Ba, Mg, Li., và các muối
uran có chất trở nên sáng như Tungsteng Cadimi platino-Cyanua Bari…)
-Nó cũng làm đen nhũ tương phim ảnh
-Nó có thể tạo bức xạ ion hóa, tạo ra các ion dương và âm
*Sự hấp thu tia X của vật chất
Sự hấp thu tia X bởi vật chất tỷ lệ thuận với các yếu tố sau:
-Thể tích của vật
-Trọng lượng phân tử của vật chất
-Chiều dài của bước sóng tia X (bước sóng càng dài bị hấp thu càng nhiều)
-Mật độ của vật chất (ví dụ như hơi nước hấp thu tia X kém hơn so với nước)
Sự hấp thu tia X của vật chất rất quan trọng trong việc tạo ảnh của tia X và cả những tác
dụng khác của tia X trên các mô cơ thể để được áp dụng vào trong điều trị.
2.3 Nguyên lý tạo ảnh của tia X
Chùm tia X được phát ra từ bóng X quang là đồng đều. Sau khi nó đi qua vật chất có các
đậm độ, trọng lượng, thể tích khác nhau chùm tia X sẽ suy giảm ở các mức khác nhau và
được ghi lại bằng các phương pháp khác nhau.
Nếu ghi lại bằng màn huỳnh quang gọi là chiếu, ghi lại bằng phim ảnh thì gọi là chụp.
Ngày nay, với kỹ thuật số hóa người ta có thể ghi lại sự suy giảm bằng tia X bởi các tấm
Phospho hoặc bằng các tinh thể hấp thụ tia X sau đó qua hệ thống máy quét và xử lý bằng
máy tính sau đó in ra phim hoặc giấy ảnh (CR: Computed Radiograph, DR: Digital
Radiograph)

3. Cấu tạo của một bóng phát tia X
Tia X hay là tia âm cực được tạo ra khi có một chùm điện tử bị chặn lại đột ngột. Như
vậy muốn tạo ra tia X phải có một quả bóng bao gồm hai cực là cực dương (đối âm cực)
và cực âm. Giữa hai cực này được phân cách bởi mơi trường là khí kém (khí trơ) và ngày
nay là chân khơng (để cách điện). Âm cực sẽ được ni bằng một nguồn điện có cường
độ dòng điện nhỏ (miliamper-mA) và hiệu điện thế thấp (chỉ khoảng 6-8V). Giữa hai cực
được nối với nguồn điện có hiệu điện thế cao (kV).
Khi âm cực được đốt nóng đỏ bởi dịng điện có cường độ thấp, nó sẽ tạo ra một lớp mây
điện tử xung quanh (hiệu ứng nhiệt điện tử). Khi chúng ta đóng nguồn điện với hiệu điện
thế lớn giữa hai cực dương và âm, các điện tử (e-) tích điện âm nên sẽ bị hút mạnh về


phía dương cực (hay cịn gọi là đối âm cực) và va vào đối âm cực. Sự va chạm này làm
hãm lại sự di chuyển của các điện tử và sẽ tạo ra tia X và nên nhớ là chỉ có 1% tạo thành
tia X cịn đến 99% tạo ra nhiệt.
Như vậy, chúng ta có thể điều chỉnh được chùm tia X phát ra từ bóng X quang. Nếu
muốn tăng độ đâm xuyên, cần tăng hiệu điện thế giữa hai cực lên, tốc độ di chuyển của
điện tử tăng lên, sự va chạm sẽ mạnh hơn và tạo ra tia X với bước sóng ngắn hơn nên khả
năng đâm xuyên sẽ lớn hơn. Khi chúng ta tăng cường độ dòng điện ni âm cực sẽ có
mật độ điện tử dày hơn và mật độ tia X tạo ra cũng nhiều hơn.
Người ta thường sử dụng vật liệu cho âm cực và đối âm cực trong bóng điện quang là
Wolfram. Nếu cần tia mềm (bước sóng dài hơn) khi chụp những bộ phận đặc biệt người
ta có thể sử dụng dương cực (hay đối âm cực) là Molybden (sử dụng trong 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 4. Bóng X quang

4. CÁC CÁCH GHI LẠI HÌNH ẢNH TIA X
4.1. Chiếu X quang

Chiếu X quang là sử dụng màn huỳnh quang để ghi lại đậm độ chùm tia X sau khi đi qua
vật chất. Hình ảnh mà nó ghi lại được sẽ cho ta thấy những phần cản tia nhiều sẽ kém


sáng (đen hơn) trên màn chiếu và ngược lại. (Ví dụ: chiếu X quang phổi sẽ thấy nhu mô
phổi trắng trên màn chiếu còn các xương như xương sườn, xương bả vai… sẽ có màu đen
Ngày nay, kỹ thuật tăng sáng truyền hình đã làm thay đổi việc chiếu X quang. Thơng qua
một hệ thống máy móc, người ta khuếch đại chùm tia X và chuyển sang trên màn hình,
giống như chúng ta xem ti vi (tăng sáng truyền hình)

Hình 5.Chiếu và chụp X quang

4.2. Chụp X quang
4.2.1 Ghi hình bằng phim ảnh thơng thường (analog-tương đồng)
Đó là sự ghi lại trực tiếp chùm tia sau khi xuyên qua vật chất bằng phim ảnh. Dựa vào sự
làm đen nhũ tương phim ảnh để ghi lại chùm tia sau khi xuyên qua vật chất. Những thành
phần nào của vật chất hấp thu nhiều tia X (cản tia) sẽ có màu trắng hơn trên phim (ngơn
ngữ X quang gọi là hình mờ) cịn thành phần hấp thụ ít tia X hơn sẽ có màu đen ở trên
phim (X quang gọi là hình sáng). Ví dụ như trên phim phổi thì xương sườn sẽ có màu
trắng trong khi nhu mơ phổi có màu đen.
4.2.2 Ghi hình bằng tấm Phospho
Thay vì ghi hình bằng phim ảnh trực tiếp (analog) người ta sử dụng một tấm có phủ tinh
thể muối phosphor. Sau khi tạo bức xạ ion hóa trên tấm ghi này người ta sử dụng một
máy quét và sau đó truyền dữ liệu vào máy tính, tạo ra ảnh trên màn hình và in ảnh bằng
máy in phim. Kỹ thuật này được gọi là CR (Computed Radiograph)


Hình 6. Hệ thống CR

4.2.3 Ghi hình bằng buồng ion hóa (tấm DR)

Dựa vào sự bức xạ ion hóa vật chất của tia X người ta ghi lại chùm tia X bằng các bộ
phát hiện (Detector) là các buồng ion hóa (khí hoặc đặc). Sau đó máy tính sẽ xử lý và tạo
ra hình ảnh trên màn hình và chúng ta có thể lưu trữ, in ra phim ảnh bằng máy in phim.
Kỹ thuật này được gọi là DR (Digital Radiograph)
Với việc sử dụng các bộ phát hiện (Detector) cũng được áp dụng vào việc ghi hình ở máy
chụp cắt lớp vi tính (CT scanner)

Hình 7. Tấm DR
Tài liệu tham khảo
1. Hồng Kỷ (chủ biên). Bài giảng Chẩn đốn hình ảnh. NXB Y học (2005).
2. Harry E. Martz et al. X-ray Imaging Fundamentals, Industrial Techniques an Application, 1 st Edition.
CRC Press (2017)
3. 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).