Bản chất tia X và cấu tạo - nguyên lý hoạt động của máy X-quang

Bản chất tia X và cấu tạo – nguyên lý hoạt động của máy X-quang

Bản chất tia X

Tia X là gì?

Tia X là một loại sóng điện từ, có đặc điểm là bước sóng rất ngắn so với các loại sóng điện từ khác. Bước sóng của tia X thường nằm trong khoảng từ $10^{-3}$ A0 đến 1 A0 ($1A0 = 10^{-10}$m), tương ứng với dải tần số từ $3\times 10^{16}$ Hz đến $3\times 10^{19}$ Hz và năng lượng từ 120eV đến 120keV. Do bước sóng ngắn, tia X có khả năng xuyên qua các chất rắn, lỏng và khí, tạo ra hình ảnh bên trong các vật thể. Tia X cũng có tác dụng ion hóa các nguyên tử, do đó có thể gây hại cho sức khỏe nếu tiếp xúc quá nhiều.

Cơ chế phát tia X

Tia X được tạo ra khi các electron của catod (cực âm) được gia tốc bằng một điện áp cao trong một ống chân không. Các electron này có năng lượng rất lớn khi bay với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Khi các electron này va chạm với các nguyên tử của Anode (cực dương), chúng sẽ mất một phần năng lượng và phát ra tia X. Có hai loại tia X được sinh ra trong quá trình này là tia X phát xạ liên tục (bức xạ ức chế) và tia X phát xạ đặc trưng.

Tia X phát xạ liên tục: Khi các electron có năng lượng cao va chạm với hạt nhân của nguyên tử Anode, chúng sẽ bị lệch hướng và giảm tốc độ. Quá trình này làm cho các electron phát ra một phần năng lượng dưới dạng tia X. Tia X này có bước sóng liên tục, phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của các electron và độ lệch hướng của chúng. Tia X này có bước sóng ngắn nhất là $K_{min} = \frac{hc}{eV}$, trong đó $h$ là hằng số Planck, $c$ là tốc độ ánh sáng, $e$ là điện tích của electron và $V$ là điện áp gia tốc.
Tia X phát xạ đặc trưng: Khi các electron có năng lượng cao bắn vào các nguyên tử Anode, chúng có thể đẩy các electron ở các lớp trong cùng của nguyên tử ra khỏi đạo quỹ đạo. Điều này làm cho nguyên tử trở nên không ổn định và cần phải điền vào khoảng trống bằng các electron ở các lớp ngoài. Khi các electron chuyển từ lớp năng lượng cao xuống lớp năng lượng thấp, chúng sẽ phát ra một phần năng lượng dưới dạng tia X. Tia X này có bước sóng rời rạc, phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa hai lớp electron. Tia X này có bước sóng nhỏ nhất là $K_{\alpha} = \frac{hc}{E_K – E_L}$, trong đó $E_K$ và $E_L$ là năng lượng của các lớp electron K và L. Tia X này được gọi là tia X đặc trưng vì nó chỉ phụ thuộc vào loại nguyên tố Anode, không phụ thuộc vào năng lượng của các electron bắn vào.

Hình ảnh được tạo ra khi chụp X quang là do sự khác biệt về mức độ hấp thụ tia X của các mô cơ thể. Các mô có mật độ cao như xương sẽ hấp thụ nhiều tia X hơn các mô có mật độ thấp như da. Do đó, trên phim X quang, các mô có mật độ cao sẽ hiện lên màu đen, còn các mô có mật độ thấp sẽ hiện lên màu trắng. Tia X phát xạ liên tục là nguồn chính tạo ra hình ảnh X quang, còn tia X phát xạ đặc trưng chỉ góp phần nhỏ và chủ yếu làm tăng nhiệt độ của Anode. Do đó, cần có hệ thống làm mát để giảm nhiệt độ của Anode và bảo vệ ống X quang.”

Các tính chất và ứng dụng trong y học của tia X

Tính chất của tia X

Tia X có tính chất đâm xuyên cao: Tia X có thể xuyên qua được nhiều loại vật liệu mà ánh sáng thường không thể, như giấy, gỗ, hay các tấm kim loại mỏng. Điều này là do bước sóng của tia X rất ngắn, chỉ từ $1 0^{-3}$ A0 đến 1 A0 ($1A0 = 10^{-10}$m), nên có năng lượng rất lớn. Bước sóng càng ngắn, năng lượng càng cao, khả năng đâm xuyên càng mạnh. Tính chất này giúp tia X có thể tạo ra hình ảnh bên trong các vật thể mà không cần phá hủy chúng.
Tia X có tác dụng lên kính ảnh: Khi tia X chiếu lên kính ảnh, chúng sẽ làm cho các hạt bạc halogen trên kính ảnh bị phân hủy thành bạc kim loại. Bạc kim loại sẽ tạo ra màu đen trên kính ảnh, còn các phần không bị chiếu tia X sẽ giữ nguyên màu trắng. Do đó, trên kính ảnh sẽ xuất hiện hình ảnh âm bản của vật thể bị chiếu tia X. Tính chất này giúp tia X có thể tạo ra hình ảnh X quang của các cơ quan trong cơ thể người.

Tia X có khả năng làm phát quang một số chất: Khi tia X chiếu lên một số chất như bari platinocyanua, canxi tungstat, hay kẽm sulfua, chúng sẽ làm cho các chất này phát ra ánh sáng. Tính chất này giúp tia X có thể tăng cường độ sáng của hình ảnh X quang bằng cách sử dụng các màn hình phát quang.
Tia X có khả năng ion hóa không khí và các chất khí: Khi tia X đi qua không khí hay các chất khí khác, chúng sẽ tách các nguyên tử hay phân tử thành các ion dương và âm. Tính chất này giúp tia X có thể đo được cường độ của chúng bằng cách sử dụng các thiết bị đo ion hóa như bóng Geiger-Muller hay bóng ion.
Tia X có tác dụng sinh học rất mạnh: Khi tia X chiếu vào các tế bào sống, chúng sẽ gây ra các biến đổi về cấu trúc và chức năng của các tế bào. Tác dụng này có thể là lợi ích hoặc hại cho sức khỏe, tùy thuộc vào liều lượng và thời gian tiếp xúc. Tia X có thể diệt được các vi khuẩn gây bệnh, làm giảm sưng viêm, hay kích thích tái tạo mô. Tuy nhiên, tia X cũng có thể gây ra các tổn thương cho các tế bào khỏe mạnh, làm suy giảm hệ miễn dịch, hay gây ra các biến đổi gen gây ung thư.

Ứng dụng trong y học

Tia X là một công cụ quan trọng trong lĩnh vực y học, bởi vì chúng có thể tạo ra hình ảnh chi tiết của các cơ quan bên trong cơ thể người mà không cần phẫu thuật. Tia X được sử dụng trong nhiều loại máy chẩn đoán khác nhau, như máy X quang, máy CT-scanner, hay máy PET-CT. Mỗi loại máy có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các mục đích khác nhau.

Máy X quang: Máy X quang là loại máy đơn giản nhất, chỉ sử dụng một nguồn tia X để chiếu qua cơ thể và thu được hình ảnh trên kính ảnh hay màn hình phát quang. Máy X quang có thể phát hiện được các bất thường về cấu trúc của các cơ quan, như gãy xương, nứt khớp, hay u ác tính. Tuy nhiên, máy X quang chỉ cho hình ảnh hai chiều, không thể thấy được chiều sâu hay chi tiết của các cơ quan. Máy X quang cũng không thể phân biệt được các mô có mật độ gần nhau, như mô mỡ và mô nướu.
Máy CT-scanner: Máy CT-scanner là loại máy nâng cao hơn, sử dụng nhiều nguồn tia X để chiếu qua cơ thể theo nhiều góc độ khác nhau. Máy CT-scanner có thể tạo ra hình ảnh ba chiều của các cơ quan, với độ phân giải cao và chi tiết. Máy CT-scanner có thể phát hiện được các bất thường về cấu trúc và chức năng của các cơ quan, như viêm phổi, động kinh, hay xuất huyết não. Tuy nhiên, máy CT-scanner có liều lượng tia X cao hơn máy X quang, do đó có thể gây hại cho sức khỏe nếu sử dụng thường xuyên hay không cần thiết.
Máy PET-CT: Máy PET-CT là loại máy kết hợp giữa máy CT-scanner và máy PET (Positron Emission Tomography). Máy PET sử dụng các chất phóng xạ để đánh dấu các tế bào hoạt động trong cơ thể, rồi phát hiện được sự phân bố của chúng bằng cách đo các phóng xạ sinh ra. Máy PET có thể phát hiện được các bất thường về hoạt động của các cơ quan, như sự tăng hay giảm trao đổi chất, hay sự phát triển của các khối u. Máy PET-CT kết hợp ưu điểm của cả hai loại máy trên, có thể tạo ra hình ảnh ba chiều về cấu trúc và chức năng của các cơ quan, với độ chính xác cao. Máy PET-CT được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và theo dõi các bệnh lý ung thư, tim mạch, hay thần kinh.

Tia X cũng được ứng dụng trong điều trị bệnh, bằng cách sử dụng liều lượng tia X cao để tiêu diệt các tế bào bệnh. Quá trình này được gọi là xạ trị. Xạ trị được dùng để điều trị các bệnh lý ung thư, bằng cách hướng tia X vào vị trí của khối u, làm giảm kích thước và ngăn chặn sự phát triển của chúng. Xạ trị cũng được dùng để điều trị các bệnh lý khác, như viêm khớp, viêm tuyến giáp, hay bệnh Basedow. Tuy nhiên, xạ trị cũng có thể gây ra các tác dụng phụ, như làm hỏng các tế bào khỏe mạnh xung quanh, gây ra các biến đổi gen, hay làm suy giảm hệ miễn dịch. Do đó cần tuân thủ đúng quy định về thời gian và liều lượng để đảm bảo an toàn khi sử dụng.

Tác dụng không mong muốn của tia X

Tia X là một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn, do đó có khả năng xuyên qua hầu hết các loại vật liệu, kể cả cơ thể người và các sinh vật khác. Tuy nhiên, khi xuyên qua các mô sống, tia X cũng gây ra những ảnh hưởng tiêu cực, thậm chí nguy hiểm cho sức khỏe và tính mạng của chúng.

Theo cơ chế vật lý, khi các photon tia X có năng lượng cao va chạm với các nguyên tử trong mô sống, chúng có thể làm cho các electron bị bung ra khỏi quỹ đạo, tạo ra các ion hoặc các gốc tự do. Những ion hoặc gốc tự do này có thể phá vỡ các liên kết phân tử, làm thay đổi cấu trúc và chức năng của các protein, enzyme, hormone, ADN và các phân tử khác trong tế bào. Điều này gây ra những rối loạn về sinh lý, hóa sinh và di truyền ở các cấp độ khác nhau, tùy thuộc vào liều lượng và thời gian tiếp xúc với tia X.

Theo cơ chế sinh học, khi các tế bào bị tổn thương do tia X, chúng có thể có ba phản ứng chính: chết tế bào, phục hồi tế bào hoặc biến đổi tế bào. Trong trường hợp chết tế bào, nếu số lượng tế bào chết quá nhiều, các cơ quan sẽ bị suy giảm chức năng, gây ra các triệu chứng như mệt mỏi, đau đầu, buồn nôn, nôn mửa, chảy máu, nhiễm trùng, suy gan, suy thận, suy tim, suy hô hấp, suy miễn dịch, vô sinh, v.v…. Nếu liều bức xạ cao trong một khoảng thời gian ngắn, có thể gây ra bệnh nhiễm xạ cấp tính, có thể dẫn đến tử vong. Trong trường hợp phục hồi tế bào, nếu quá trình sửa chữa ADN không hoàn hảo, có thể để lại những đột biến di truyền, ảnh hưởng đến các thế hệ sau. Trong trường hợp biến đổi tế bào, nếu tế bào bị kích thích quá mức bởi tia X, có thể dẫn đến sự tăng sinh bất thường, gây ra các khối u hay ung thư. Các bộ phận cơ thể có nguy cơ cao bị ung thư do tia X bao gồm da, tóc, mắt, tuyến giáp, phổi, vú, tử cung, tinh hoàn, v.v….

Do đó, việc sử dụng tia X trong y tế cần phải tuân thủ các nguyên tắc an toàn, hạn chế tiếp xúc với tia X ở mức thấp nhất có thể, chỉ khi thật cần thiết và có lợi ích lớn hơn rủi ro. Ngày nay, nhờ vào sự phát triển của công nghệ, các kỹ thuật chụp X quang đã được cải tiến để giảm thiểu liều bức xạ cho bệnh nhân, đồng thời nâng cao chất lượng hình ảnh để chẩn đoán và điều trị bệnh hiệu quả hơn. Bên cạnh đó, các biện pháp bảo vệ thụ động cũng được áp dụng để giảm thiểu sự phơi nhiễm của nhân viên y tế và người thân của bệnh nhân, như các phòng sử dụng tia X được bọc chì, nhân viên bức xạ có áo chì, khẩu trang, găng tay, kính bảo hộ, v.v…

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy X quang

Cấu tạo của máy X-quang

Hệ chụp X-quang là một thiết bị y tế được sử dụng phổ biến trong chẩn đoán hình ảnh. Nó ứng dụng đặc điểm và tính chất của tia X (Tia Roentgen) để thiết lập và tái tạo hình ảnh về cấu trúc các bộ phận bên trong cơ thể. Hệ chụp X-quang gồm có các thành phần chính sau:

Bóng phát tia X và bộ tạo cao áp: Bóng phát tia X là nơi tạo ra tia X bằng cách tăng nhiệt độ của dây tóc volfram lên đến 2000°C, khiến cho các electron bị giải phóng và chuyển động với vận tốc cao. Bộ tạo cao áp là nơi cung cấp điện áp cao cho bóng phát tia X, đồng thời điều chỉnh các thông số như dòng điện, điện áp, thời gian phát tia.
Phin lọc: Phin lọc là một tấm kim loại mỏng, thường là nhôm, được đặt trước ống phát tia X để lọc bỏ các tia X có năng lượng thấp, giảm liều bức xạ cho bệnh nhân và cải thiện chất lượng hình ảnh.
Hệ chuẩn trực: Hệ chuẩn trực là một thiết bị giúp định hướng và điều chỉnh góc chiếu tia X, đảm bảo tia X chỉ chiếu vào vùng cần chụp và không bị lệch hướng. Hệ chuẩn trực bao gồm một ống kính, một đèn chiếu sáng, một tấm chắn chì và một tấm kẽm.
Lưới chống tán xạ: Lưới chống tán xạ là một tấm kim loại có nhiều khe hẹp, được đặt giữa bộ phận cần chụp và bộ phận nhận tia X để chặn các tia X bị tán xạ do va chạm với các mô trong cơ thể. Lưới chống tán xạ giúp giảm nhiễu và tăng độ tương phản của hình ảnh.

Các thành phần chính trong hệ chụp X-quang

Bộ phận nhận tia X: Bộ phận nhận tia X là nơi ghi lại hình ảnh sau khi tia X đi qua cơ thể. Có nhiều loại bộ phận nhận tia X, như phim, tấm nhận ảnh kỹ thuật số (KTS), bìa tăng quang hoặc tăng sáng truyền hình (khuếch đại ảnh). Phim là loại bộ phận nhận tia X truyền thống, dựa trên hiệu ứng hóa học của tia X lên các hạt bạc halua trong phim. Tấm nhận ảnh KTS là loại bộ phận nhận tia X hiện đại, dựa trên hiệu ứng quang điện của tia X lên các tinh thể cảm ứng, tạo ra các tín hiệu điện tử được chuyển đổi thành hình ảnh số. Bìa tăng quang hoặc tăng sáng truyền hình là loại bộ phận nhận tia X dùng trong các kỹ thuật chụp động, dựa trên hiệu ứng quang phát của tia X lên các tinh thể phát quang, tạo ra ánh sáng được khuếch đại bởi một ống nhân quang và hiển thị trên màn hình.
Bộ kiểm soát liều xạ tự động (AEC): Bộ kiểm soát liều xạ tự động là một thiết bị giúp điều chỉnh thời gian phát tia X sao cho đủ để tạo ra hình ảnh chất lượng cao, tránh phát quá nhiều tia X gây hại cho bệnh nhân và hao phí phim. Bộ kiểm soát liều xạ tự động bao gồm một hoặc nhiều bộ phận cảm biến được đặt dưới bộ phận nhận tia X, có nhiệm vụ đo lường lượng tia X đến phim và ngắt điện khi đạt đến mức cần thiết.
Trung tâm điều khiển thông số và phát tia: Trung tâm điều khiển thông số và phát tia là nơi kỹ thuật viên y tế có thể thiết lập các thông số như dòng điện, điện áp, thời gian phát tia, góc chiếu tia, vùng cần chụp, v.v…. Trung tâm điều khiển thông số và phát tia cũng là nơi kỹ thuật viên y tế có thể bật hoặc tắt tia X, xem hình ảnh, lưu trữ và in ấn hình ảnh.

Bóng phát tia X

Bóng phát tia X là một loại thiết bị điện tử chuyên dụng để tạo ra tia X, một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn và khả năng đâm xuyên cao. Bóng phát tia X có cấu tạo tương tự như một điốt chỉnh lưu chân không, nhưng có một số đặc điểm riêng biệt để đảm bảo hiệu suất và an toàn khi phát tia X. Bóng phát tia X bao gồm các bộ phận sau:

Nguồn bức xạ điện tử – cathode (âm cực): Cathode là một dây kim loại, thường là volfram, được nung nóng bằng một nguồn điện riêng để phát ra các electron. Các electron này được gọi là chùm tia điện tử, có năng lượng phụ thuộc vào nhiệt độ của cathode.
Nguồn bức xạ tia X – Anode (dương cực): Anode là một đĩa kim loại, thường là volfram hoặc molybden, được kết nối với một nguồn điện áp cao để thu hút các electron từ cathode². Khi các electron đập vào anode, chúng bị hãm lại và phát ra tia X theo hai cơ chế: bức xạ hãm và tia X đặc trưng. Bức xạ hãm là tia X có bước sóng liên tục, phụ thuộc vào điện áp của anode. Tia X đặc trưng là tia X có bước sóng rời rạc, phụ thuộc vào nguyên tố của anode.
Vỏ thủy tinh (vỏ trong) bao quanh anode và cathode, đã được hút chân không để loại trừ các phân tử khí cản trở trên đường đi chùm tia điện tử. Vỏ thủy tinh cũng có tác dụng cách điện và bảo vệ anode và cathode khỏi các tác động bên ngoài.

Vỏ bóng (vỏ ngoài) thường làm bằng hợp kim nhôm phủ chì để ngăn ngừa tia X bức xạ theo những hướng không mong muốn ra môi trường xung quanh và còn có tác dụng tản nhiệt². Ngoài ra trên vỏ còn bố trí cửa sổ tia X nơi ghép nối với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối. Cửa sổ tia X là một lỗ nhỏ trên vỏ bóng, được làm bằng một lớp kim loại mỏng, thường là berylium, để cho tia X thoát ra. Các đầu nối là những chỗ để cắm các dây điện để cung cấp điện áp và dòng điện cho anode và cathode.

Có hai loại bóng phát tia X được ứng dụng phổ biến trong thiết bị X-Quang là bóng sử dụng Anode quay và bóng sử dụng Anode cố định. Bóng sử dụng Anode quay có anode được quay bằng một động cơ để giảm nhiệt độ và tăng diện tích bắn của electron. Bóng sử dụng Anode cố định có anode được cố định, do đó nhiệt độ và diện tích bắn của electron cao hơn, gây ảnh hưởng đến chất lượng tia X. Bóng sử dụng Anode quay được ưa chuộng hơn vì có thể phát tia X ở điện áp cao hơn và liên tục hơn. Máy X quang tại phòng khám chúng ta sử dụng bóng sử dụng Anode quay.

Nguyên lý tạo hình của máy chụp X quang

Máy chụp X quang là một thiết bị y tế dùng để tạo ra hình ảnh của các cấu trúc bên trong cơ thể người bằng cách sử dụng tia X, một loại bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn và khả năng đâm xuyên cao. Nguyên lý tạo hình của máy chụp X quang dựa trên sự khác biệt về độ hấp thu tia X của các cấu trúc trong cơ thể. Khi chùm tia X phát ra từ bóng phát tia X đi qua vùng thăm khám của cơ thể, nó sẽ bị suy giảm do bị hấp thụ bởi các cấu trúc như xương, mô mềm, khí, v.v…. Sự suy giảm này phụ thuộc vào độ dày và mật độ của các cấu trúc mà nó đi qua. Do đó, tác động của chùm tia còn lại tới bộ phận thu nhận tia X sẽ khác nhau, tạo ra những sự thay đổi về cường độ tia X. Bộ xử lý hình ảnh sẽ dựa trên những sự thay đổi này để cho ra thang xám khác nhau, tương ứng với độ sáng của hình ảnh. Mức độ thang xám sẽ phản ánh độ hấp thu tia X của các cấu trúc trong cơ thể, giúp cho việc nhận diện và chẩn đoán bệnh.

Bộ phận thu nhận và xử lý hình ảnh là điểm khác biệt lớn nhất giữa các thế hệ máy X quang. Có hai loại chính là X quang cổ điển và X quang kỹ thuật số.

X quang cổ điển: sử dụng phim X quang để nhận tín hiệu, dùng máy rửa hoặc rửa tay qua các hoạt chất khác nhau để hiện hình ảnh. Phim X quang là một loại phim có chứa các hạt bạc halua, khi tiếp xúc với tia X sẽ bị đen hoặc trắng tùy thuộc vào cường độ tia X. Phim X quang cần phải được rửa qua các dung dịch như dung dịch phát triển, dung dịch dừng, dung dịch rửa và dung dịch khô để hiện hình ảnh. Phim X quang có nhược điểm là khó sửa chữa, lưu trữ, truyền ảnh và có thể bị hao mòn theo thời gian.
X quang kỹ thuật số: sử dụng các tấm nhận ảnh CR hoặc DR, các máy tính sẽ sử lý tín hiệu và tạo ảnh. Các tấm nhận ảnh CR hoặc DR là các loại bộ phận nhận tia X dựa trên hiệu ứng quang điện, tạo ra các tín hiệu điện tử khi tiếp xúc với tia X. Các tín hiệu điện tử này sẽ được chuyển đổi thành hình ảnh số bằng các máy tính. Các ảnh nhận được dễ dàng được sửa chữa, lưu trữ, truyền ảnh giúp thuận tiện cho theo dõi và chẩn đoán bệnh

Hy vọng thông tin trong bài viết đã giúp bạn biết được sâu hơn về bản chất tia X và cấu tạo – nguyên lý hoạt động của máy X-quang. Nếu bạn quan tâm đến sản phẩm của chúng tôi, xin vui lòng truy cập vào trang website COMIT và Fanpage của chúng tôi.