CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TIA X VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA X-QUANG KỸ THUẬT SỐ Từ khi phát hiện ra lợi ích của tia X và được ứng dụng trong máy X-quang chẩn đoán, đến nay đã có nhiều thế hệ máy X-Quang ra đời ngày càng nâng cao hiệu quả trong chẩn đoán hình ảnh, giúp cho bác sỹ chẩn đoán nhanh chóng, phục vụ đắc lực cho điều trị bệnh, nâng cao sức khỏe của người dân. 1 Giới thiệu về tia X 1.1 Khái niệm tia X Tia X được nhà bác học người Đức Roentgen phát hiện ra vào năm 1895, với phát minh này ông nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1901. Tia X được sinh ra từ sự thay đổi quỹ đạo của electron khi nó đang chuyển động có gia tốc đến gần 1 hạt nhân, khi quỹ đạo của tia X thay đổi, 1 phần động năng (là phần năng lượng của vật thể có được khi chuyển động) của electron sẽ bị mất đi và chính năng lượng này chuyển thành bức xạ điện tử, phát ra tia X.1: Phổ bức xạ điện từ Bản chất của tia X là 1 dạng của sóng điện từ có bước sóng trong khoảng 0,01 đến 10nm tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz và năng lượng 120eV đến 120KeV. Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma.2: Khả năng đâm xuyên của bức xạ ion hóa Tia X là một dạng bức xạ ion hóa, sinh ra do sự chuyển đổi năng lượng qua nhiều bước: Từ điện năng sang động năng rồi cuối cùng là nhiệt năng và bức xạ tia X.
Nguồn điện năng: Nhờ một điện trường rất mạnh tạo ra do một điện áp cao thế (cỡ khoảng từ vài chục đến 150kV) đặt vào giữa hai cực a-nốt và ca-tốt của bóng X-quang. Nguồn điện năng này truyền cho chùm tia điện tử bức xạ từ ca-tốt khiến cho chùm tia điện tử được gia tốc, đạt được động năng rất lớn từ vài chục đến hàng trăm keV và chuyển động với vận tốc rất cao. Mối quan hệ giữa vận tốc và động năng của điện tử theo công thức: EK=1/2meve2. Trong đó: EK: Động năng điện tử me: Khối lượng của điện tử (9,1.10-31 kg) ve: Vận tốc của điện tử Khi va vào vật cản (a -nốt) chùm tia điện tử sẽ đột ngột giảm tốc độ.
Tại đây, chùm điện tử gia tốc tương tác với các nguyên tử tấm đích theo một trong nhưng khả năng sau: Điện tử gia tốc có thể va chạm với nhiều điện tử khác nằm trên các quỹ đạo của hạt nhân nguyên tử tấm đích, tạo ra bức xạ kích thích. Bức xạ này chủ yếu là bức xạ nhiệt (99%). Điện tử gia tốc có thể tương tác với một hạt nhân nguyên tử tấm đích tạo ra bức xạ tia X có năng lượng bằng năng lượng của điện tử gia tốc. Điện tử gia tốc có thể tương tác với một số hạt nhân nguyên tử tấm đích tạo ra bức xạ tia X có năng lượng thấp hơn năng lượng của điện tử gia tốc theo mức độ tùy vào số lần tương tác.
2 Điện tử gia tốc có thể đẩy một điện tử trên quỹ đạo của nguyên tử tấm đích ra khỏi quỹ đạo của nó. Tương tác này tạo ra bức xạ tia X có năng lượng đặc trưng cho vật liệu chế tạo tấm đích. Phần lớn động năng của các electron gia tốc được chuyển thành nhiệt qua các tương tác với các electron ở lớp ngoài của nguyên tử đích. Những tương tác này chủ yếu là kích thích.3: Tương tác của electron với nguyên tử tấm đích Bức xạ ion hoá khi đi vào vật chất sẽ truyền năng lượng, kích thích và ion hoá các nguyên phân tử.
Kích thích là quá trình nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ năng lượng, chuyển về trạng thái năng lượng mới không bền vững (trạng thái kích thích) mà không có bất cứ điện tử nào bị bứt ra khỏi nguyên phân tử. Nguyên tử hoặc phân tử kích thích dễ dàng và nhanh chóng phát xạ năng lượng đã hấp thụ được dưới dạng photon, bức xạ nhiệt hoặc phản ứng hoá học để trở về trạng thái ban đầu. Ion hoá là quá trình làm bật điện tử quỹ đạo của nguyên tử hoặc phân tử. Tương tác của photon tia X với vật chất: Tia X dùng trong chẩn đoán có mức năng lượng từ 50keV-150keV, sẽ có 2 quá trình tương tác xảy ra: Tán xạ Compton, hấp thụ quang điện.
3 Hiệu ứng quang điện: Tia X tương tác với điện tử quỹ đạo lớp trong (K hoặc L), truyền toàn bộ năng lượng (hn) làm cho điện tử bị bắn ra khỏi nguyên tử (gọi là quang điện tử) với động năng Ed: Eg = hn = Eq – Ed (Eq là công thoát; Ed là động năng). Chỗ trống trên lớp điện tử được lấp đầy bởi các điện tử ở lớp quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Quá trình này kèm theo bức xạ tia X đặc trưng. Tán xạ Compton: Thuật ngữ “tán xạ” nói lên trạng thái photon khi va chạm với vật chất bị chuyển hướng.
Tán xạ compton xảy ra khi photon tương tác với một điện tử ở lớp ngoài của nguyên tử. Photon sẽ truyền cho điện tử năng lượng đủ để điện tử bật ra khỏi nguyên tử, còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng với một góc nhất định.2 Phổ của tia X Bức xạ tia X do các loại tương tác nêu trên tạo ra có thể chia làm hai loại với những đặc trưng riêng biệt là bức xạ kìm hãm còn gọi là bức xạ liên tục và bức xạ đặc trưng còn gọi là bức xạ rời rạc. Bức xạ kìm hãm: Bức xạ sinh ra nhiệt năng (chiếm tới 99% động năng của chùm tia X) và tia X với mức năng lượng biến thiên liên tục từ thấp đến cao do vậy loại bức xạ này còn gọi là bức xạ liên tục. Bức xạ đặc trưng: Nếu điện tử gia tốc có năng lượng đủ lớn, khi tương tác với tấm đích nó có thể đẩy bật khỏi quỹ đạo những điện tử nằm trên các quỹ đạo bên trong của nguyên tử tấm đích.
Khi đó những điện tử tại các quỹ đạo có mức năng lượng cao hơn sẽ tự động chuyển chỗ, chiếm lấy vị trí này để lấp đầy lại quỹ đạo. Quá trình chuyển mức năng lượng sẽ bức xạ ra tia X. Những tia X này có mức năng lượng đặc trưng cho nguyên tố của vật liệu chế tạo tấm đích. Bức xạ đặc trưng chỉ sinh ra tia X có mức năng lượng rời rạc và phổ tia X cũng là phổ rời rạc.
Năng lượng của tia X đặc trưng là sự chênh lệch về năng lượng liên kết giữa hai quỹ đạo khi điện tử chuyển mức. Bức xạ tổng hợp: Bức xạ đặc trưng kết hợp với bức xạ liên tục tạo thành bức xạ tia X tổng hợp.4: Phổ bức xạ tổng hợp 1.3 Tính chất của tia X Tính chất tia X: - Tính truyền thẳng và đâm xuyên: Tia X truyền thẳng và có khả năng xuyên qua vật chất, qua cơ thể người. Sự đâm xuyên này càng dễ khi cường độ tia càng tăng. Chính độ xuyên sâu của tia X cao nên người ta dùng để chụp những bộ phần cứng như: răng, xương, không dùng chụp mô.
Tia X được chia làm 2 loại là tia X cứng và tia X mềm, tuy nhiên tia X cứng thường được sử dụng rộng rãi hơn vì nó có năng lượng photon cao hơn và có thể nhìn thấy được hình ảnh bên trong các vật thể. Những tia X nằm trong vùng bước sóng dài có năng lượng và khả năng đâm xuyên thấp, nhiều tia không xuyên thấu được tới phim và không có tác dụng tạo ảnh, những tia này được gọi là tia mềm, ngược lại gọi là tia cứng. Trong số tia mềm, những tia có bước sóng dài nhất là tia có hại, chũng chỉ làm tăng liều vô ích trên cơ thể người bệnh do vậy người ta phải lọc những tia này bằng cách đặt những tấm nhôm dày khoảng 2mm hoặc vật liệu khác có độ hấp thụ tương đương trên đường đi của tia X, thương các tấm lọc được bố trí ngay tại của sổ bóng X quang. - Tính bị hấp thụ: Sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị giảm xuống do một phần năng lượng bị hấp thụ.
Đây là cơ sở của các phương pháp chẩn đoán Xquang và liệu pháp Xquang. Sự hấp thụ này tỷ lệ thuận với: + Thể tích của vật bị chiếu xạ: Vật càng lớn thì tia X bị hấp thụ càng nhiều. + Bước sóng của chùm tia X: Bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ bị hấp thụ càng nhiều. + Trọng lượng nguyên tử của vật: Sự hấp thụ tăng theo trọng lượng nguyên tử của chất bị chiếu xạ.
+ Mật độ của vật: Số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật càng 5 nhiều thì sự hấp thụ tia X càng tăng. Ví dụ nước ở trạng thái lỏng hấp thụ tia X nhiều hơn ở trạng thái hơi. - Đặc tính truyền thẳng, đâm xuyên và hấp thụ của tia X là những đặc tính quan trọng trong tạo hình X-quang. - Tính chất quang học: Giống như ánh sáng, tia X cũng có những hiện tượng quang học như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ.
Những tính chất này tạo nên những chùm tia thứ cấp bao gồm chùm tia tán xạ và chùm tia rò trong cơ thể khi nó xuyên qua và gây nên giảm độ tương phản trên các phim chụp. Để chống lại hiện tượng này người ta có thể dùng loa khu trú, đóng nhỏ chùm tia, lưới lọc… - Tính chất gây phát quang: Dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát quang như clorua, Na, Ba, Mg, Li… và có chất trở nên sáng như Tungstat cadmi, platino-cyanua Bari, các chất này được dùng để chế tạo màn huỳnh quang dùng khi chiếu X-quang, tấm tăng quang. - Tính chất hóa học: Tính chất hóa học quan trọng nhất của tia X là tác dụng lên muối bromua bạc trên phim và giấy ảnh làm cho nó biến thành bạc khi chịu tác dụng của chất khử trong thuốc hiện hình. Nhờ tính chất này mà nó cho phép ghi hình X- quang của các bộ phận trong cơ thể lên phim và giấy ảnh.
- Tác dụng sinh học: Khi truyền qua cơ thể tia X có những tác dụng sinh học. Tác dụng này được sử dụng trong điều trị đồng thời nó cũng gây nên những biến đổi có hại cho cơ thể. Tuy việc sử dụng phương pháp chụp X-quang có thể mang lại nhiều lợi ích trong chẩn đoán, phát hiện tình trạng bệnh, song những nghiên cứu khoa học cũng chỉ ra rằng việc tiếp xúc nhiều với phương pháp chụp X-quang có thể gây ra những tổn thương cho các tế bào trong cơ thể.