Đồ án Hệ thống X quang số

c vôn với dòng điện khoảng vài Am-pe. Khi hoạt động, sợi đốt được nung nóng và bức xạ chùm tia điện tử có mật độ được xác định theo công thức: 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 dòng bức xạ tỉ lệ với bình phương nhiệt độ. Quan hệ giữa Je và nhiệt độ được minh hoạ trên hình 3.6 Hình 3.6 Quan hệ giữa mật độ dòng 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 thường được 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 tròn có diện tích lớn hơn diện tích điểm hội tụ, được gắn vào một giá đỡ bằng đồng dầy giúp cho việc tản nhiệt được nhanh. Tung -sten được 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 lượng nguyên tử rất cao (Z=74). Những ưu điểm này bảo đảm tuổi thọ và hiệu suất phát xạ của bóng cao. Hiệu suất phát xạ tia X được tính theo công thức sau: Hiệu suất phát xạ = 0,9 x 10-9 ZUA x 100% Trong đó : Z: số lượng nguyên tử UA: điện áp bóng (Vôn ) 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 thường 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 được dùng khi yêu cầu công suất bức xạ thấp (dòng cao thế - mA thấp), được sử dụng để xét nghiệm những đối tượng có độ hấp thụ tia thấp, những bộ phận có kích thước nhỏ chẳng hạn người gày, trẻ em, hệ thống tuần hoàn v.v, trong trường hợp này người 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 Còn chấm hội tụ lớn ứng với công suất bức xạ cao (mA cao) được dùng chụp xương hoặc những bộ phận có kích thước lớn, độ hấp thụ tia cao. Khi đó người 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 vuông góc với trục bóng. Góc giữa bề mặt chứa chấm hội tụ của Anốt với đường thẳng đứng gọi là góc vát (góc đích). Sự thay đổi góc đích sẽ làm thay đổi kích thước thực cũng như kích thước 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 công suất bức xạ sẽ càng thấp. Góc đích có trị số từ 7o - 20o. c)Vỏ trong: (thường làm bằng thuỷ tinh) có dạng hình trụ và có các chức năng: Bao kính các bộ phận của bóng trong chân không 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 thường được 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 được áp lực chân không lớn. d) Vỏ ngoài: 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 hướng có hại cho người bệnh và môi trường bao quanh. Cách điện cao, chống phóng điện hồ quang và phòng ngừa điện giật. Vỏ ngoài được chế tạo từ thép, nhôm, hoặc hợp kim nhôm, bề mặt trong của vỏ được lót một lớp chì có độ dày 3 - 4 mm để hấp thụ tia X, hạn chế sự phát xạ tia X ra chung quanh (trừ cửa sổ) tới mức cho phép không gây nguy hiểm cho bệnh nhân và cho môi trường xung quanh. Ví dụ theo tiêu chuẩn của nước Anh liều lượng bức xạ tia X qua vở không được vượt quá 100 mili Rơnghen tromg một giờ hoạt động tại vị trí cách bóng 1m. Để đảm bảo độ cách điện, người ta đổ đầy dầu cao thế vào khoang giữa hai lớp vỏ. Ngoài tác dụng cách điện, dầu còn có tác dụng tản nhiệt để làm mát bóng. Khi bóng hoạt dộng, nó sẽ nóng lên khiến cho dầu giãn nở nên một phía đầu vỏ phải có một khoang co giãn chế tạo bởi màng cao su hình lồng xếp. Để báo động tình trạng bóng quá nóng khi hoạt động liên tục, người ta gắn một bộ cảm nhận (ví dụ một công tắc điện cực nhỏ) vào một bề mặt khoang, khi khoang dãn ra tới mức nhất định, ví dụ với một loại bóng khi thể tích dầu tăng từ 1 dm3 đến 1,3 dm3 (tương ứng với nhiệt độ dầu là 70oC) thì công tắc tác động đóng mạch phát tín hiệu cảnh báo. Vấn đề loại bỏ tia mềm Khi phát xạ từ điểm hội tụ của Anốt, chùm tia X bao gồm nhiều bước sóng khác nhau, trong số này, những tia có năng lượng thấp nhất tương ứng với bước sóng dài nhất (còn gọi là tia mềm) sẽ bị hấp thụ bới da và các mô mềm ở phần nông của cơ thể nên chúng chỉ làm tăng liều lượng tia X trong cơ thể mà không cải thiện được chất lượng hình ảnh vì chúng không xâm nhập tới phim. Do vậy, cần phải lọc bỏ những bước sóng có hại này trước khi chùm tia X tới bệnh nhân. Trong thực tế chùm tia X sau khi truyền qua vỏ thuỷ tinh, qua lớp dầu bao quanh vỏ và cửa sổ bóng (được chế tạo bằng chất dẻo) các bước sóng dài đã bị lọc bớt. Việc lọc này được gọi là lọc nội bộ (tương đương với độ dày 1 mm nhôm). Khi cần thiết người ta có thể bổ sung thêm một lớp nhôm nữa tại cửa sổ bóng sao cho bề dày lớp lọc tổng cộng tương đương với lá nhôm có bề dày khoảng 1-2 mm. Dòng Anốt Dòng Anốt là dòng điện từ Catốt đến Anốt dưới tác dụng của điện áp Anốt UA UA + - Hình 3.8 Dòng Anốt Khi UA còn thấp chỉ có một số ít điện tử có đủ năng lượng tới được Anốt. Bao quanh bề mặt Catốt còn một đám mây điện tử gọi là điện tích không gian. Trạng thái này được gọi là trạng thái dưới bão hoà. Trị số dòng điện Anốt trong trạng thái này được tính như sau: Trong đó: IA - dòng a-nốt e - Hằng số điện môi e, m - điện tích và khối lượng điện tử UA - điện áp a-nốt d - khoảng cách giữa ca-tốt và a-nốt IA tỉ lệ với UA3/2 . Sự phụ thuộc của dòng Anốt vào điện áp Anốt được gọi là hiệu ứng điện tích không gian. Khi UA đủ cao, toàn bộ số lượng điện tử bức xạ từ Catốt được hút về Anốt. Trạng thái này được gọi là trạng thái bão hoà. Dòng Anốt được tính như sau: Trong đó: IAS - dòng a-nốt trong trạng thái bão hoà. Je - mật độ dòng điện tử bức xạ xác định. SE - diện tích bề mặt bức xạ của ca-tốt. Khi trị số dòng điện Anốt không phụ thuộc vào điện áp Anốt thì gọi là trạng thái bão hoà. Do vậy việc điều khiển điện áp và dòng Anốt độc lập với nhau. Trạng thái dưới bão hoà được khắc phục bằng một số biện pháp như mạch điện bù hiệu ứng điện tích không gian hoặc mạch tự động xác định liều lượng tia X. Phạm vi ứng dụng của bóng Anốt cố định Trong bóng X quang Anốt cố định, chùm tia điện tử luôn bắn vào một điểm cố định trên bề mặt Anốt, do vậy làm cho nhiệt độ tại điểm này tăng lên đáng kể. Điều này hạn chế công suất phát xạ của bóng. Vì vậy, hiện nay loại bóng X quang Anốt cố định chỉ còn được dùng trong các thiết bị X quang công suất nhỏ, thường là loại máy di động hoặc máy X quang răng với dòng cao thế tối đa khoảng 50 mA. 3.1.2.2 Bóng X quang Anốt quay Để khắc phục nhược điểm của bóng X quang Anốt cố định, người ta đã chế tạo ra loại bóng X quang Anốt quay. Loại bóng này đã được hãng Philips Medical System Hà Lan chế tạo lần đầu tiên trên thế giới vào năm 1929. Khi Anốt quay với tốc độ lớn, chùm tia điện tử bắn vào Anốt không phải là một điểm cố định mà trên một diện tích hinh vành khăn, hơn nữa hình vành khăn này lại quay nhiều vòng trong suốt thời gian phát tia. Vì vậy diện tích điểm hội tụ - diện tích phát xạ tia X nhỏ hơn diện tích tản nhiệt rất nhiều. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa hai loại bóng. Nhờ có diện tích tản nhiệt lớn, bóng X quang Anốt quay có thể hoạt động với dòng (mA) lớn do vậy làm tăng được công suất phát xạ tia X. Cấu tạo Hình 3.9 Cấu trúc bóng X quang a-nốt quay Ngoại trừ Anốt, các thành phần khác của bóng như Catốt, vỏ thuỷ tinh, vỏ ngoài đều có cấu trúc và chức năng tương tự như đối với loại bóng Anốt cố định. Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại bóng là ở cấu trúc của Anốt bóng. Khi hoạt động Anốt quay với tốc độ lớn khoảng từ 3000 - 9000 vòng/phút (50 -150 vòng/giây), nghĩa là nếu thời gian chụp xảy ra trong vòng 0,1 giây thì Anốt quay ít nhất 5 vòng. Anốt gồm một đĩa được chế tạo bới tungsten hoặc bới Môlip đen phủ một lớp tungsten hoặc hợp kim tungsten. Lớp hợp kim này gồm 90 % tungsten và 10% rêni có tác dụng giảm sự thô nhám và rạn nứt bề mặt Anốt. Đĩa Anốt này được gắn vào một đế Môlip đen để cách nhiệt với Rôto. Mặt kia của đế Môlip đen được gắn với rôto của động cơ. Loại đĩa Anốt này thường được gọi là đĩa RTM (Rini, Tung-sten, Môlip đen). Tung-sten được chọn để chế tạo Anốt vì nó có nhiệt độ nóng chảy rất cao và nguyên tử lượng lớn. Còn Môlip đen được dùng vì nó có mật độ tương đối thấp (10,2 gr/cm3 so với 19,3 gr/cm3 đối với Tung-sten) nên sẽ làm giảm khối lượng Anốt khiến cho Anốt dễ đạt tốc độ quay mong muốn. Mặt khác Môlip đen dẫn nhiệt kém nên sẽ cách điện giữa đĩa Anốt và Roto của động cơ. Đường kính đĩa Anốt thường là từ 5 - 12,5 cm Hình 3.10 Ruột và vỏ thuỷ tinh một loại bóng anôt quay Mặt đĩa Anốt không phẳng mà vạt chéo ở rìa nơi chùm điện tử bắn vào, góc vát từ 7o - 20o tuỳ theo loại bóng. Kích thước điểm họi tụ nhỏ từ 0,6 - 0,8 mm và lớn từ 1-2 mm Động cơ Anốt là loại động cơ cảm ứng, trục của rôto có gắn một vòng bi, để bôi trơn vòng bi này được mạ bạc hoặc chì, không tra dầu vì sẽ làm hỏng độ chân không của bóng. Hình 3.11 Bề mặt a-nốt quay-điểm hội tụ Tốc độ quay của Anốt thường từ 3000 - 9000 vòng/phút. Với tốc độ thấp, nguồn điện cấp cho động cơ là nguồn AC 50 Hz, để đạt được tốc độ cao, phải sử dụng bộ đổi tần tạo nguồn AC có tần số tới 150 Hz. Anốt, Rôto, vòng bi được đặt trong vỏ thuỷ tinh. Bên ngoài vỏ, sát với Rôto là các cuộn dây và lõi sắt của Stato. Muốn bóng làm việc bình thường, Anốt phải quay và nhanh chóng đặt được tốc độ yêu cầu (ví dụ sau khoảng 1 s) do vậy trong thiết bị X quang người ta đã thiết kế các mạch bảo vệ và tăng tốc Anốt. Phạm vi ứng dụng Loại bóng X quang Anốt quay được dùng trong hầu hết các hệ thống máy X quang hiện đại, từ loại công xuất nhỏ như các máy di động (dòng cao thế khoảng 100mA) đến trung bình (dòng cao thế khoảng 300 - 600 mA) và lớn (dòng cao thế khoảng 800mA - 1000mA) 3.1.3 Tải của bóng X quang Tải của bóng được xác định bởi sự gia tăng nhiệt độ của điểm hội tụ đến giới hạn cho phép. Với thời gian phát tia ngắn < 0,05s, sự gia tăng nhiệt độ được tính như sau: Trong đó: P - công suất tải của bóng S - diện tích điểm hội tụ t - thời gian hoạt động l - độ dẫn nhiệt c - nhiệt đặc trưng r - mật độ Với thời gian phát tia dài: Trong đó: R – kích thước nhỏ nhất của điểm hội tụ thực (chiều rộng) Với các giá trị tương ứng với loại vật liệu làm a-nốt và nhiệt độ tối đa cho phép sẽ xác định được giá trị P – công suất tải của bóng. Khả năng tải nhiệt của bóng Khả năng tải nhiệt của bóng X quang là nhiệt lượng a-nốt của bóng có thể hấp thụ mà không bị hư hỏng.Bóng X quang có hoạt động an toàn hay không phụ thuộc vào hai yếu tố: Tốc độ gia tăng nhiệt lượng do chùm tia điện tử mang đến. Tốc độ tản nhiệt nhờ sự dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và sự đối lưu từ a-nốt sang các thành phần khác của bóng và môi trường xung quanh. Hai quá trình này xảy ra đồng thời và phải được tính tới khi thiết kế, chế tạo sao cho bóng hoạt động an toàn, không bị phá huỷ do quá nhiệt. Những tham số chủ yếu tác động tới hai yếu tố trên gồm: Loại bóng X quang: a-nốt quay hay cố định. Tốc độ quay a-nốt nếu là bóng a-nốt quay. Kích thước điểm hội tụ. Loại nguồn điện cao thế (1 pha, 3 pha, cao tần). Nhiệt độ môi trường xung quanh. Lượng nhiệt tạo ra tại Anốt còn phụ thuộc vào các tham số đặt như: kVp, mA, s và phụ thuộc vào dạng sóng chỉnh lưu cao thế và phương thức sử dụng: chụp từng ảnh hay chụp liên tục... Khả năng chịu nhiệt (H) đối với các loại mạch chỉnh lưu: 1pha : H = kVp ´ mA ´ sec (HU) 3 pha 6 xung : H = 1.35 ´ kVp ´ mA ´ s (HU) 3 pha 12 xung: H = 1.41 ´ kVp ´ mA ´ s (HU) Trong đó: HU = Heat Unit (đơn vị nhiệt) 1HU=1(kVp ´ mA ´ s) = 0,714 Joule (1J = 1,4HU) Khả năng tải nhiệt của bóng X quang là nhiệt lượng Anốt của bóng có thể hấp thụ mà không bị hư hỏng. Khả năng này được đánh giá bằng đơn vị nhiệt. Mỗi bóng X quang được đặc trưng bởi biểu đồ công suất, trong đó tập hợp các tham số ảnh hưởng tới khả năng chịu nhiệt của bóng như: kVp, mA, sec, kích thước chấm hội tụ, loại chỉnh lưu cao thế, tốc độ quay Anốt. Hình dưới miêu tả biểu đồ công suất của hai loại bóng X quang. Vùng hoạt động an toàn là vùng nằm phía dưới và bên trái đường biểu diễn. Hình 3.12 Biểu đồ công suất của hai loại bóng X quang 3.1.4 Một số loại bóng X quang chuyên dụng Bóng X quang có lưới điều khiển: Điện cực Wenelt trong loại bóng này đóng vai trò lưới điều khiển. Khi được cấp điện thế âm so với điện thể sợi đốt, lưới sẽ ngăn cản chùm tia điện tử và với điện thế âm đủ lớn (khoảng 1,5 - 3kV) lưới có thể ngăn chặn hoàn toàn chùm tia điện tử. Như vậy lưới đóng vai trò một công tắc. Ưu điểm của loại bóng X quang có lưới điều khiển là có thể cho phép chụp với thời gian rất ngắn cỡ 1ms nên bóng thường được ứng dụng trong máy X quang chụp mạch hoặc trong những ứng dụng đặc biệt khác Hình 3.13 Điện cực Wenelt có điện thế âm so với Catốt, đóng vai trò lưới điều khiển đóng và ngắt Bóng X quang vỏ kim loại Nhược điểm của loại bóng X quang có vỏ thuỷ tinh là sau một thời gian hoạt động dài, một lượng chất Tung-sten bốc hơi từ Catốt và Anốt tích tụ tại bề mặt trong vỏ thuỷ tinh làm giảm khả năng tản nhiệt của bóng. Ưu điểm của loại bóng X quang vỏ kim loại so với bóng X quang vỏ thuỷ tinh là: Chịu tải cơ học lớn nên có thể ứng dụng Anốt có khối lượng lớn hơn, ví dụ 2000 gr so với 700 gr ở loại bóng thông thường có cùng kích thước Chịu dòng tải lớn Khả năng tản nhiệt không bị suy giảm theo thời gian Bóng X quang vỏ kim loại thường được ứng dụng trong máy X quang thông thường cũng như máy X quang chuyên dụng - CT Scanner Bóng X quang trong máy X quang chụp vú Trong chẩn đoán các mô mềm như chụp vú, phải ứng dụng tia X có năng lượng thấp (không quá 50 keV) vì nếu tia X có năng lượng cao nó sẽ đâm xuyên hầu hết qua các mô bình thường và các mô bệnh lý và hầu như không thể phát hiện được sự khác biệt trên ảnh quang tuyến X. Ngoài việc hạ thấp kV, còn phải chọn loại vật liệu chế tạo Anốt sao cho có thể tạo được hiệu suất phát xạ tia X cao với kV thấp. Vì vậy các nhà chế tạo đã sử dụng Môlipđen để chế tạo Anốt chứ không dùng Tung-sten như trong bóng X quang thông thường. Với loại Anốt này, bức xạ tia X được sử dụng là loại bức xạ đặc trưng. Các chỉ tiêu kĩ thuật đánh giá bóng X quang Trị số điện áp cao thế tối đa, thông thường trong khoảng 125 kV - 150kV Trị số dòng điện áp cao thế tối đa, thường từ 100 -1000 mA Loại hội tụ: đơn, kép Tiết diện điểm hội tụ, thông thường trong khoảng 0,6 mm2 (hội tụ bé) - 1,5 mm2 (hội tụ lớn) Khả năng chịu nhiệt thường vào khoảng vài trăm nghìn đến vài MHU Khả năng tản nhiệt tới vài trăm kHU/phút Góc phát xạ của chùm tia Tốc độ quay của Anốt nếu là bóng Anốt quay, thông thường trong khoảng 3000 - 9000 vòng/phút 3.2 Khối cao thế 3.2.1 Nguyên lý hoạt động Khối cao thế trong máy X quang có chức năng cung cấp điện áp cao thế cho bóng X quang. Điện áp cao thế là điện áp một chiều, có trị số có thể điều khiển trong phạm vi từ 40-150 kVp. Dòng điện cao thế do khối cung cấp phải bảo đảm công suất lớn nhất tương ứng với từng loại máy. 3.2.2 Cấu tạo Khối cao thế bao gồm nguồn cấp điện, biến áp cao thế và chỉnh lưu cao thế, những linh kiện này được bố trí trong thùng cao thế để đảm bảo độ cách điện và toả nhiệt. Thanh chỉnh lưu gồm nhiều điốt ghép nối tiếp Hình 3.14 Các linh kiện bên trong thùng cao thế 3.2.2.1 Biến áp cao thế Nhiệm vụ: Biến đổi điện áp từ trị số điện áp nguồn (220V hoặc 380V) lên 40kV đến 150kV. Công suất của biến áp cao thế phải bảo đảm công suất thiết kế của máy. Cấu tạo: Là biến áp 1 pha hoặc 3 pha tuỳ nguồn. Biến áp cao thế gồm có các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cuốn quanh lõi chế tạo bởi các lá tôn Silic. Hình 3.15 Hai kiểu biến thế cao áp và ký hiệu quy ước Bao quanh cuộn sơ cấp thường có một lớp vỏ bọc kim bằng đồng mỏng không khép kín. Lớp vỏ này dùng với mục đích an toàn phòng khi các lớp cách điện bị hỏng, điện thế cao sẽ phóng qua lớp đồng này xuống đất. Cuộn thứ cấp được chia làm hai nửa cân xứng. Điểm giữa của chúng được nối đất. Cách bố trí này làm giảm đi một nửa yêu cầu về cách điện, do vậy giảm được chi phí chế tạo biến thế và cáp cao thế. Giả sử hiệu điện thế giữa hai đầu cực cuộn dây thứ là 100 kV thì giữa một đầu với đất chỉ còn 50 kV, do vậy chỉ phải đảm bảo độ cách điện giữa hai đầu biến thế so với đất là 50 kV. Cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp có mối quan hệ: Cách điện trong khối cao thế Để đảm bảo cách điện giữa các linh kiện trong khối cao thế, giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, giữa biến thế với chỉnh lưu cao thế và giữa các linh kiện với đất có hai cách giải quyết sau: Đối với khối cao thế công suất lớn, toả nhiệt nhiều, toàn bộ linh kiện và cấu kiện của khối cao thế được nhúng vào trong thùng chứa dầu cao thế. Ngoài tác dụng cách điện, dầu còn có tác dụng làm mát những cấu kiện này bằng cách truyền nhiệt đối lưu từ bên trong biến thế ra ngoài môi trường xung quanh. Khi nạp dầu, phải hút hết khí trong thùng để dầu có thể thâm nhập vào toàn bộ các lỗ rỗng trong các linh kiện và cấu kiện sao cho không còn bọt khí. Sau đó thùng cao thế được đậy kín. ở các máy X quang loại nhỏ, di động, công suất tiêu hao không lớn, nhiệt lượng toả ra không nhiều, người ta có thể bố trí khối cao thế và bóng X quang vào chung trong một thùng. Để cách điện, người ta nhúng chúng vào chất dẻo khi đang ở dạng lỏng. Sau đó chất dẻo khô đi tạo thành vật liệu cách điện rắn bao quanh các cấu kiện. 3.2.2.2 Chỉnh lưu cao thế Bóng X quang chỉ dẫn dòng theo một chiều từ Anốt đến Catốt. Vì vậy, cần phải chỉnh lưu nguồn điện cao thế xoay chiều, dù là nguồn điện lưới tần số thấp hay là nguồn cao tần, thành nguồn một chiều để cung cấp cho bóng hoạt động: Các loại chỉnh lưu cao thế: 3 loại Chỉnh lưu một pha nửa sóng. Chỉnh lưu một pha cả sóng. Chỉnh lưu ba pha. Hình 3.16 Ba loại chỉnh lưu và các dạng sóng điện áp, cường độ bức xạ tia X a) Chỉnh lưu một pha nửa sóng Đây là loại chỉnh lưu đơn giản nhất sơ đồ mạch điện và các dạng sóng đặc trưng cho điện áp chỉnh lưu, dòng điện và năng lượng tia X được minh hoạ trên hình 3.16 a . Thực chất đây là loại tự chỉnh lưu - bóng X quang kiêm luôn chức năng điốt chỉnh lưu, chỉ có dòng điện trong nửa chu kì dương (nửa sóng) khi điện thế Anốt là dương so với Catốt, trong nửa chu kì âm còn lại, không có dòng qua bóng. Ưu điểm: Kích thước nhỏ Khối lượng nhỏ Dễ chế tạo Giá thành thấp Nhược điểm: Trị số điện áp tối đa kVp trong nửa chu kì dương nhỏ hơn trị số kVp trong nửa chu kì âm một lượng là ∆kV = IAR Trong đó IA là dòng cao thế, R là điện trở trong của các cuộn dây biến áp cao thế. Khi IA tăng thì ∆kV cũng tăng, ∆kV có thể lên tới 20-30kV. Do vậy công suất của bóng X quang phụ thuộc vào kVp trong nửa chu kì dương, còn các vấn đề cách điện kèm theo là kích thước, trọng lượng của khối cao thế lại liên quan đến nửa chu kì âm (không tải), điều này làm giảm hiệu suất của khối cao thế. Để giảm ∆kV phải giảm dòng cao thế vì vậy trị số dòng cao thế lớn nhất trong kiểu chỉnh lưu này bị giới hạn trong phạm vi dưới 50 mA. Trị số dòng đỉnh Iđ và trị số dòng trung bình Itb của bóng X quang chênh lệch lớn Id = 3 Itb Dòng trung bình là dòng quyết định công suất phát xạ tia X và nhiệt toả ra trong quá trình phát tia. Trong khi đó dòng đỉnh Iđ lại quyết định nhiệt độ của điểm hội tụ. Sự chênh lệch này đã hạn chế dòng Itb của bóng X quang để sao cho dòng đỉnh của nó không quá cao có thể làm cho điểm hội tụ quá nóng tới mức tạo ra bức xạ điện tử thứ cấp hoặc bị nóng chảy, nghĩa là phải giới hạn công suất phát xạ tia X. Nếu phải dùng cáp cao thế để nối giữa biến thế và bóng, thì điện áp giữa ruột và vỏ cáp ở giữa hai giá trị đỉnh, do vậy cáp cao thế phải có độ cách điện cao hơn so với cáp trong các kiểu chỉnh lưu khác. Để loại bỏ nhược điểm này, thường không dùng cáp cao thế mà bố trí biến thế cao thế và bóng liền kề nhau trong một thùng cao thế. Phạm vi ứng dụng: Trong các máy X quang công suất nhỏ (P<2kW), di động hoặc máy X quang răng. b) Chỉnh lưu cao thế một pha cả sóng. Loại chỉnh lưu một pha cả sóng được ứng dụng nhằm khắc phục những nhược điểm cơ bản của loại chỉnh lưu một pha nửa sóng. Sơ đồ mạch điện và các dạng sóng đặc trưng cho điện áp chỉnh lưu, dòng điện và năng lượng tia X được minh hoạ trên hình 3.17. Trong loại chỉnh lưu này, cả hai nửa chu kì dương và âm của dòng điện xoay chiều đều được sử dụng. Nhờ vậy đã tăng đáng kể công xuất phát xạ tia X, hiệu suất của khối cao thế và mở rộng phạm vi ứng dụng của thiết bị. Hình 3.17 Nguyên lý hoạt động của loại chỉnh lưu 1 pha cả sóng Các đặc trưng cơ bản: Bóng X quang dẫn dòng trong cả hai nửa sóng do vậy kVp trong cả hai nửa sóng biến thiên như nhau và trị số sụt áp ∆kV cũng giống nhau. Sự chênh lệch giữa trị số dòng cao thế đỉnh Iđ trị số dòng cao thế Itb giảm đi 2 lần so với sự khác biệt trong kiểu chỉnh lưu nửa sóng. Iđ = 1,5 Itb nên có thể tăng công suất phát xạ tia X. Giảm yêu cầu về độ cách điện giữa ruột và vỏ cáp cao thế, nên có thể dùng cáp cao thế nối giữa nguồn cao thế và bóng. Ưu điểm: Công suất phát xạ tia X cao hơn. Hiệu suất sử dụng bóng X quang lớn hơn. Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp hơn. Kích thước và trọng lượng lớn hơn. Giá thành cao hơn. Ưng dụng: Trong các máy X quang loại công suất thấp và trung bình (PÊ 50 kW). Dòng điện cao thế cực đại của máy X quang trong kiểu chỉnh lưu này đạt tới khoảng 500 mA với 80 kVp. c) Chỉnh lưu cao thế ba pha Liều lượng tia X tỷ lệ với mAs. Trong hai loại chỉnh lưu trên vì dòng cao thế (mA) còn thấp nên phải kéo dài thời gian chụp dẫn tới nhoè ảnh trong những trường hợp có sự cử động tự nhiên của một số bộ phận cơ thể như tim, phổi đặc biệt đối với trẻ em. Hơn nữa trong những thủ thuật xét nghiệm quang tuyến X đặc biệt như chụp mạch số lượng ảnh cần thiết có thể lên tới vài chục ảnh trong một giây. do vậy cần phải rút ngắn thời gian chụp và tăng cường độ dòng chụp. Hình 3.18 Dạng sóng nguồn 3 pha và sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu 3 pha Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu cao thế 3 pha 6 xung. Trong nguồn cấp điện ba pha, điện áp tại các pha biến đổi không đồng bộ. Giả sử trong nửa chu kì dương khi điện áp trên pha A đạt giá trị cực đại, thì điện áp trên pha B mới đạt giá trị lớn nhất, rồi sau đó tới điện áp trên pha C (pha C chậm 120o so với pha B và chậm 240o so với pha A). Trong nửa chu kì âm sự biến đổi cũng diễn ra tương tự, nhưng lúc này cực tính của điện áp là âm so với điểm trung tính. Do vậy trong cả hai chu kì sẽ xuất hiện 6 đỉnh điện áp dương hoặc âm, mỗi đỉnh cách nhau một pha bằng 60o. Pha B(+) và C (-) hoạt động, pha A - nghỉ Pha A(+) và B (-) hoạt động, pha C - nghỉ Pha B(+) và A (-) hoạt động, pha C - nghỉ Pha C(+) và A (-) hoạt động, pha B - nghỉ Pha A(+) và B (-) hoạt động, pha C - nghỉ Pha C(+) và B (-) hoạt động, pha A - nghỉ Tổng hợp hoạt động của các mạch chỉnh lưu tương ứng với các cặp pha trong cả chu kỳ, có thể đi tới kết luận: mạch chỉnh lưu ba pha có thể được xem như là tổ hợp của 3 mạch chỉnh lưu cầu: Pha A, B với cầu chỉnh lưu D1,D2,D3,D4 Pha B, C với cầu chỉnh lưu D3,D4,D5,D6 Pha C, A với cầu chỉnh lưu D5,D6,D1,D2 Chỉnh lưu cao thế 3 pha 12 xung Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý 2 loại mạch chỉnh lưu 3 pha tạo điện áp cao thế 1 đỉnh xung Mạch điện chỉnh lưu cao thế 3 pha cải tiến hình 3.19 tạo ra điện áp cao thế 12 đỉnh xung với mục đích giảm độ gơn sóng của điện áp chỉnh lưu xuống thấp hơn tăng công suất phát xạ. Phía thứ cấp của biến thế cao thế có thêm một 1 tổ hợp 3 pha. Những tổ hợp này có thể được cấu thành hình sao hoặc phối hợp giữa hình sao và hình tam giác. Trong mạch sử dụng 12 điốt chỉnh lưu. Những mạch chỉnh lưu nói trên sẽ tạo ra 12 đỉnh xung trong một chu kì điện áp. Trong một chu kỳ điện áp xoay chiều 3 pha, sẽ có 6 hoặc 12 nửa sóng điện áp chỉnh lưu cấp cho bóng X quang. Hơn nữa, những nửa sóng này không kế tiếp nhau như trong kiểu chỉnh lưu một pha cả sóng mà đặt chồng một phần lên nhau tạo điện áp cao thế có 6 hoặc 12 đỉnh sóng trong một chu kỳ dòng điện. Đây là một điểm khác biệt cơ bản giửa hai kiểu dòng chỉnh lưu. Do vậy khi hoạt động, điện áp tại Anốt bóng X quang không bao giờ sụt xuống giá trị 0 V như trong kiểu chỉnh lưu một pha, mà chỉ biến đổi từ cực đại xuống một giá trị nhất định nào đó. Độ gợn sóng ∆kV phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: điện trở trong, cấu tạo biến thế cao thế, sự cân bằng giữa các pha, độ méo dạng của điện áp pha... Thông thường ∆kV bằng khoảng 25% giá trị đỉnh đối với kiểu 3 pha 6 xung và khoảng 10% giá trị đối với kiểu 3 pha 12 xung. Hình 3.20 Chỉnh lưu ba pha-dạng 6 xung và 12 xung Khi độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu cao thế giảm, sự khác biệt giữa trị số dòng đỉnh Iđ và dòng trung bình Itb trong kiểu chỉnh lưu 3 pha thấp hơn trong kiểu chỉnh lưu một pha cả sóng rất nhiều (Iđ = 1,2 Itb và Iđ = 1,05 Itb tương ứng với điện áp 6 xung và 12 xung. Ưu điểm So với kiểu chỉnh lưu một pha, trong kiểu chỉnh lưu ba pha, dòng tải phân phối đều trong cả 3 pha, sự chênh lệch giữa Iđ và Itb ít hơn do vậy có thể chế tạo những máy X quang có công suất phát xạ lớn và dòng cao thế lên tới cỡ 1000 – 1500 mA. Nhờ vậy có thể giảm thời gian phát tia (xuống cỡ ms) để nâng cao chất luợng ảnh nhất là khi cần chụp những đối tượng vận động như phổi, tim... Nhược điểm Cấu tạo của máy bao gồm biến thế, chỉnh lưu...phức tạp Khối tích và trọng lượng lớn Chi phí cao 3.3 Điều khiển thông số trong máy X quang 3.3.1 Khái niệm chung Khi tiến hành xét nghiệm chẩn đoán X quang, người vận hành phải kiểm soát được liều lượng tia X sao cho phù hợp với từng đối tượng và bệnh lý để đạt được ảnh có chất lượng tốt nhất và đảm bảo an toàn cho người bệnh. Liều lượng tia X được quyết định bởi các tham số sau: Trị số điện áp cao thế - kVp Trị số dòng cao thế - mA Khoảng thời gian phát tia - s Vì vậy trong bất kì máy X quang nào, dù loại truyền thống hay cao tần, dù đơn giản hay phức tạp đều cần phải có các loại mạch điện tử để điều khiển, đo lường và chỉ thị các tham số cơ bản trên. Giữa hai loại máy X quang truyền thống và máy X quang cao tần có sự khác nhau trong các mạch điện điều khiển. Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý máy X quang truyền thống với các mạch điều khiển tham số kV, mA, thời gian và các đồng hồ đo 3.3.2 Mạch điều khiển điện áp cao thế kVp Điện áp cao thế cung cấp cho bóng X quang là một trong những tham số quyết định khả năng xâm nhập và công suất phát xạ tia X. Trị số của nó trong các loại máy X quang chẩn đoán nằm trong khoảng phạm vi từ 40 – 150 kVp. Việc thay đổi trị số điện áp phải được thực hiện theo từng bước nhỏ, mỗi bước khoảng 1 – 2 kV Điện áp cao thế đưa ra từ phía thứ cấp biến áp cao thế. Để ngăn ngừa sự phóng điện của điện cao thế trong không khí, biến áp cao thế phải được đặt vào trong thùng chứa đầy dầu cách điện cao thế. Trong máy X quang truyền thống để tăng/giảm kV người ta phải và chỉ có thể thay đổi trị số điện áp của nguồn cấp điện cho cuộn sơ cấp biến thế cao thế. Điều khiển kV trong máy X quang Trong mỗi máy X quang truyền thống sử dụng nguồn điện lưới AC thường có một hoặc hai biến thế - gọi là biến thế cấp nguồn trong đó một biến thế dùng cho chức năng chụp còn biến thế kia dùng cho chức năng chiếu. Phía sơ cấp của các biến áp này nối với nguồn điện AC. Điện áp đầu ra của chúng phải có thể thay đổi để tạo ra điện áp cao thế cần thiết bằng cách thay đổi tỷ số vòng dây giữa các cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Hình 3.23 Biến thế tự ngẫu điều chỉnh liên tục Hình 3.22 Biến thế tự ngẫu điều chỉnh từng nấc Biến thế cấp nguồn là loại biến thế tự cảm ứng, thường được gọi là biến thế tự ngẫu, chỉ gồm có một cuộn dây với nhiều đầu ra, điện áp lối vào và ra nối với biến thế tại các điểm khác nhau. Trong chế độ chụp, việc điều khiển trị số kV phải thực hiện trước khi phát tia Việc thay đổi kV được thực hiện từng bước, gián đoạn nhờ hai cái chuyển mạch, mỗi chuyển mạch có khoảng từ 5 đến 10 nấc. Trong đó một chuyển mạch để điều chỉnh thô với mỗi nấc tương ứng với trị số điện áp khoảng mười kV và một để điều chỉnh tinh với mỗi nấc tương ứng khoảng 1-1,5 kV. Kết hợp hai chuyển mạch sẽ thực hiện khoảng trên dưới 50 nấc điều chỉnh bao trùm giải kV cần thiết. Thời gian chụp rất ngắn, các chuyển mạch cơ khí hoặc cơ điện có quán tính cao không thể đáp ứng tức thời. Trong chế độ soi, thời gian thực hiện kéo dài có khi tới vài phút, để có hình ảnh rõ ràng khi chuyển bóng qua các bộ phận dày mỏng khác nhau của cơ thể, cần phải điều chỉnh kV kịp thời. Mặt khác dòng điện cao thế trong chế độ soi rất nhỏ cỡ một vài mA nên biến thế cấp nguồn dùng cho chức năng này thuộc loại công suất nhỏ cỡ vài trăm W. Việc điều chỉnh kV trong chế độ soi được thực hiện liên tục còn gọi là điều chỉnh mềm hoặc điều chỉnh vô cấp. Để làm được điều này, người ta dùng một biến thế lõi hình xuyến, có con trượt tỳ nên lớp dây cuốn quanh lõi để trích điện áp ra (hình 3.23). Điện áp lối ra lẩy giữa 1 cực của biến áp và dây nối với thanh trượt. Việc ứng dụng biến thế tự ngẫu điều chỉnh mềm đặc biệt thích hợp trong các máy X quang có trang bị đèn tăng sáng và hệ thống truyền hình. Khi đó, để tự động duy trì độ sáng màn hình người ta gắn con trượt biến thế với một động cơ, tốc độ, chiều và góc quay của động cơ được điều khiển bởi một mạch điện để thay đổi trị số điện áp ra của biến thế tự ngẫu hình xuyến và duy trì cường độ sáng. Chỉ thị trị số kV Trị số kV được xác định trước khi phát tia, chỉ thị bới đồng hồ kV. Đồng hồ đo kV có thể thuộc loại chỉ kim hoặc hiện số. Trị số kV hiển thị trên đồng hồ phải là trị số thực - trị số kV đặt vào bóng X quang trong khi phát tia (kVbóng), được tính theo công thức sau: kVbóng = kVtính toán - ∆kV Trong đó kVtính toán là trị số kV lý thuyết với giả thiết hiệu suất của biến thế và chỉnh lưu là 100%. ∆kV là sụt áp tổng trên biến thế và chỉnh lưu cao thế . ∆kV thay đổi khi dòng cao thế thay đổi do vậy phải thiết kế mạch điện bù sụt áp theo các giá trị dòng cao thế khác nhau để đồng hồ đo chỉ thị đúng kV thực Mạch đo kV không thể ở phía cao thế vì trước khi phát tia điện áp cao thế bằng 0V mà phải đặt tại phía sơ cấp biến thế cấp nguồn (sơ cấp biến thế cao thế). Căn cứ vào tỷ số giữa số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp biến thế cao thế và các tham số khác như nội trở biến thế, nội trở bóng X quang... các trị số sụt áp ∆kV khác nhau được tính toán tương ứng với các trị số kVbóng để khắc độ trên đồng hồ kV. 3.3.3 Mạch điều khiển dòng cao thế (mA) Tham số thứ hai cần thiết phải xác định trong tạo ảnh X quang là trị số dòng điện cao thế, thường gọi là mA. Trị số mA tuỳ thuộc vào số lượng điện tử bức xạ từ bề mặt Catốt được xác định bởi nhiệt độ Catốt. Nhiệt độ Catốt phụ thuộc vào công suất điện tiêu hao trên sợi đốt (Psợi đốt = V2sợi đốt/R) nghĩa là do điện áp sợi đốt quyết định. Điện áp sợi đốt của bóng X quang thường trong khoảng từ 8 đến 12 V do một biến áp hạ thế cung cấp. Biến thế này được bố trí trong thùng cao thế để cách ly với môi trường không khí nhằm chống phóng điện và để toả nhiệt vì vậy chỉ có thể thay thay đổi điện áp sợi đốt bằng cách thay đổi điện áp sơ cấp của biến thế này. Nếu bóng X quang thuộc lại hội tụ kép thì cần có hai biến thế sợi đột riêng biệt. Mỗi cái cấp nguồn cho một sợi đốt. Nguồn điện cung cấp để nuôi sợi đốt phải đạt được các chỉ tiêu cơ bản sau: Thay đổi trị số điện áp cho phù hợp với các dòng cao thế mA khác nhau Giữ ổn định khi có sự thay đổi về trị số (biên độ) hoặc tần số nguồn điện lưới Loại trừ hiệu ứng điện tích không gian Mạch điều khiển mA trong máy X quang Cấu tạo Hình 3.24 Mạch điều khiển mA trong máy X quang Gồm các thành phần: Bộ ổn áp Mạch bù tần số Mạch bù hiệu ứng điện tích không gian Mạch đặt dòng cao thế mA Biến thế sợi đốt Bộ ổn áp: Dòng cao thế (mA) phụ thuộc rất nhiều vào dòng sợi đốt tức là vào điện áp nguồn đ phải ổn định điện áp nguồn. Có 2 loại: ổn áp sắt từ và ổn áp điện tử. ổn áp sắt từ: ứng dụng nguyên lý bão hoà từ. Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp. Độ ổn định điện áp đầu ra đạt được khoảng ±1% với sự dao động điện áp nguồn ±10%. Hiệu suất thấp và rất nhậy cảm với sự biến đổi tần số lưới điện. ổn áp điện tử: ứng dụng mạch phản hồi âm và mạch so sánh để duy trì sự ổn định của điện áp ra. Cấu tạo phức tạp và giá thành cao hơn loại trên nhưng không bị tác động của sự biến động tần số điện lưới và độ ổn định điện áp ra đạt cao hơn khoảng ±1% với sự dao động điện áp nguồn ±20% Mạch bù tần số: Tần số lưới điện luôn thay đổi trong khoảng 50Hz ± 5Hz, gây ảnh hưởng đến điện áp nguồn sợi đốt đ dùng mạch L//C để bù trừ tần số. Hình 3.25 Sơ đồ mạch bù tần số và chọn mA Mạch bù hiệu ứng điện tích không gian: Khi bóng X quang hoạt động với dòng lớn thì dù với điện áp a-nốt đã khá cao, một số lượng điện tử bức xạ không được hút về a-nôt mà tạo thành một đám mây điện tử bao quanh bề mặt ca-tôt. Chúng làm cho dòng a-nốt thay đổi theo điện áp a-nốt, tạo nên một hiệu ứng gọi là hiệu ứng điện tích không gian đ không thể đặt được các giá trị kV và mA độc lập với nhau. Điện áp Anốt UA (kVp) Dòng Anốt IA (mA) 60 70 100 150 200 250 Chức năng mạch bù: Loại trừ ảnh hưởng của điện tích không gian trong máy X-quang để có thể điều chỉnh độc lập giữa dòng a-nốt và điện áp a-nốt trong toàn bộ phạm vi đặt của các giá trị kV và mA. Nguyên lý: Thay đổi điện áp sợi đốt thích ứng với sự thay đổi điện áp a-nốt sao cho có thể duy trì dòng a-nốt khi thay đổi điện áp a-nốt trong phạm vi rộng. Giả sử đặt giá trị dòng cao thế là 200 mA và thay đổi các giá trị kV (theo bảng trên). Tại UA = 70 kV dòng cao thế sẽ là 200 mA, nếu chuyển sang 60 kV hoặc 100 kV thì dòng tương ứng sẽ là 150 mA và 250 mA mặc dù giá trị đặt dòng cao thê vẫn là 200 mA. Từ đó cho thấy để duy trì trị số 200 mA với UA = 60 kV thì phải tăng nhiệt độ Catốt, nghĩa là phải tăng dòng sợi đốt thích ứng với sự thay đổi điện áp Anốt sao cho có thể duy trì dòng Anốt khi thay đổi điện áp Anốt trong phạm vi rộng. Hình 3.26 Sơ đồ mạch điện bù hiệu ứng điện tích không gian Trong mạch cấp nguồn sợi đốt bóng X quang, có một biến thế gọi là biến thế bù áp (chữ T), cuộn dây thứ cấp của nó được nối liên tiếp giữa biến thế sợi đốt F và mạch chọn mA, còn cuộn sơ cấp được cấp điện từ biến thế nguồn cao thế, trị số điện áp này thay đổi tuỳ thuộc vào chuyển mạch điều khiển điện áp Anốt. Chiều cuốn và cách đấu cuộn thứ cấp biến áp T sao cho điện áp cảm ứng của nó nguợc pha với điện áp từ bộ ổn áp. Như vậy điện áp tại sơ cấp biến thế sợi đốt VF sẽ bằng: VF = Vổn áp – (VR + VT) Khi chuyển mạch kV đặt tại ví trí x (tương ứng với 70 kV như ví dụ trên), điện áp trên cuộn sơ cấp biến áp bù bằng 0V nên không ảnh hưởng tới mạch sợi đốt Khi chuyển mạch di chuyển về hướng B, kV tăng, tại sơ cấp và thứ cấp biến áp bù xuất hiện điện áp tỉ lệ với sự tăng trưởng của kV, khi đó điện áp sợi đốt VF sẽ giảm khiến cho dòng Anốt được duy trì như giá trị đã đặt tương ứng với 70 kV. Khi chuyển mạch kV di chuyển về hướng A, điện áp Anốt giảm, quá trình xảy ra theo hướng ngược lại và dòng Anốt không thay đổi. 3.3.4 Mạch điều khiển thời gian Thời gian phát tia X là một trong những tham số quyết định mật độ tia X. Điều khiển thời gian phát tia đòi hỏi độ chính xác cao. Có 3 phương thức tương ứng với 3 loại mạch thời gian: Mạch điều khiển phát tia X theo khoảng thời gian (s). Mạch điều khiển phát tia X theo một đại lượng (mAs). Mạch thời gian tự động. Mạch điều khiển phát tia X theo khoảng thời gian (s). Hầu hết các mạch thời gian loại này đều hoạt động dựa trên cơ sở là sự phóng, nạp và thời gian nạp điện của tụ điện. Khoảng thời gian phát tia được xác định giữa hai thời điểm: Thời điểm bắt đầu khi điện áp trên tụ bằng 0 V, tụ bắt đầu được nạp điện và tia X bắt đầu được phát. Mạch nạp tụ bao gồm một hoặc nhiều điện trở R và tụ C có trị số khác nhau mắc nối tiếp tương ứng với các khoảng thời gian khác nhau. Tụ nạp nhanh hay chậm phụ thuộc vào hằng số thời gian RC của mạch Thời điểm kết thúc khi điện áp trên tụ đạt tới một giá trị đã chọn trước thì nó sẽ phóng và sẽ kích hoạt một công tắc điện tử để ngắt mạch phát tia X. Mạch điều khiển phát tia X theo một đại lượng (mAs). Nguyên lý: khi đóng mạch phát tia, trong mạch chỉnh lưu cao thế sẽ có dòng cao thế theo thời gian thực Ithưc , dòng điện này tạo ra một điện áp trên điện trở R mắc giữa hai nửa cuộn thức cấp cao áp, điện áp này được đưa vào một mạch điện tích phân theo thời gian, tại lối ra của mạch tích phân sẽ hình thành một điện áp, trị số của điện áp này tỷ lệ với một đại lượng mà trong nó phản ánh cả hai đại lượng I và T đó chính là trị số Qthực, được tính theo biểu thức: Trong đó tE là thời gian phát tia. Điện áp này được đưa tới một đầu vào cảu một mạch so sánh, đầu kia của mạch so sánh là một điện áp tham chiếu mà trị số của nó tỉ lệ với giá trị đã xác định (Qđặt / mAs). Ngay khi Qthực đạt tới giá trị Qđặt thì mạch so sánh sẽ phát tín hiệu ra lệnh ngừng phát tia. Mạch thời gian tự động Trong mạch thời gian tự động, tham số điều khiển việc đóng cắt tia X không phải là khoảng thời gian (s) hoặc Q (mAs) mà là liều lượng tia X (Dose) Với nhưng loại mạch thời gian trên, khi tiến hành các ca chụp, người vận hành căn cứ vào thể trạng người bệnh và cơ quan nội tạng mà định ra chỉ số điện áp cao thế (kV) dòng cao thế mA và thời gian phát tia s. Điều này dựa vào kinh nghiệm của quan của người chụp lên hình ảnh trên phim không phải lúc nào cũng đạt chất lượng như mong muốn. Trong máy X quang ứng dụng mạch thời gian tự động, điều cần quan tâm và điều khiển không phải là việc phát ra một chùm tia X có công suất bức xạ theo yêu cầu trong khoảng thời gian ấn định, mà là lượng tia X thâm nhập vào phim. Để thực hiện điều này người ta ứng dụng những bộ cảm biến có chức năng biến đổi chùm tia X thành tín hiệu điện, được bố trí liền kề với phim (trước hoặc sau). Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu tia X sau khi đi qua đối tượng cần tạo ảnh được thu lại nhờ các bộ cảm biến và chuyển lại thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này được so sánh với một tín hiệu liều đặt trước nhờ một mạch so sánh. Tín hiệu liều đặt trước được người vận hành đặt ban đầu để đảm bảo với liều lượng ra như vậy thì sẽ có chất lượng ảnh tốt nhất. Khi hai tín hiệu ở mạch so sánh bằng nhau, mạch so sánh sẽ phát tín hiệu ra lệnh ngừng phát tí Mạch thời gian tự động được ứng dụng trong các hệ thống X quang chẩn đoán hiện đại như chụp/chiếu, tăng sáng truyền hình, chụp mạch, chụp mạch xoá nền.... 3.4 Máy X quang cao tần 3.4.1 Đặc điểm Trong các máy X quang truyền thống nguồn điện cung cấp cho khối chỉnh lưu cao thế và các mạch điện khác được lấy trực tiếp từ nguồn điện lưới có tần số 50 Hx. Máy X quang truyền thống có một số nhược điểm sau: Chất lượng của nguồn điện cao thế kVp còn thấp Độ gợn sóng còn khá lớn trên 10 %, sự chênh lệch này khiến cho phổ tia X phân bố trong giải khá rộng bao gồm cả những tia mềm không có tác dụng tạo ảnh. Do vậy hiệu suất phát tia của máy còn thấp, liều lượng tia X có hại đối với người bệnh còn cao Độ ổn định kém vì không thể thực hiện tự động điều chỉnh kVp trong khi phát tia Để khắc phục những nhược điểm trên, người ta sử dụng bộ biến đổi tần số lên cao đến vài chục kHz. Hình 3.27 Sơ đồ khối máy X quang cao tần Sự khác nhau cơ bản giữa máy X quang truyền thống và máy X quang cao tần chỉ ở chỗ trong máy X quang cao tần có các bộ đổi tần nhờ sử dụng các mạch điện tử vi xử lý và kĩ thuật số. để điều khiển và hiển thị 3.4.2 Bộ đổi tần Hình 3.28 Sơ đồ khối bộ đổi tần Mạch cung cấp nguồn một chiều DC Là mạch chỉnh lưu AC-DC, thông thường được nối trực tiếp với nguồn AC 50 Hz một pha, hoặc ba pha Nguồn AC được chỉnh lưu bới cấu trúc chỉnh lưu hoặc bởi mạch chỉnh lưu 3 pha 6 xung. Điện áp sau chỉnh lưu được làm phẳng bởi các mạch lọc Hình 3.29 Mạch cấp nguồn một chiều từ nguồn điện 3 pha/50 Hz Để đảm bảo sao cho thành phần gợn sóng chỉ còn rất nhỏ, khiến cho VDC có thể coi như hằng số, các tụ điện lọc thường có trị số rất lớn. Những tụ điện này thường là loại tụ điện hoá học có điện áp làm việc trong khoảng 500 – 1000 VDC 3.4.3 Mạch đổi tần Mạch đổi tần gồm có các mạch dao động liên tiếp LC và các chuyển mạch điện tử để cung cấp năng lượng duy trì biên độ tín hiệu dao động. 3.4.3.1 Mạch dao động liên tiếp tắt dần Hình 3.30 Mạch dao động liên tục tắt dần (dao động tự do) Tần số dao động f của mạch điện: 3.4.3.2 Mạch dao động liên tiếp duy trì Hình 3.31 Mạch dao động liên tục duy trì (dao động cưỡng bức) 3.4.3.3 Mạch đổi tần Hình 3.32 Sơ đồ nguyên lý mạch đổi tần ứng dụng mạch dao động liên tục và chuyển mạch thyristor Hiện nay hai loại chuyển mạch điện tử thường được dùng là : Thyristor và transistor có cực cổng cách ly (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor). Với loại Thysistor tần số của mạch đổi tần đạt được khoảng 5-15 kHz, còn với IGBT trị số này từ vài chục kHz tới khoảng 100 kHz. Bốn cái chuyển mạch điện tử được nối thành mạch cầu tựa như một cầu chỉnh lưu, trong đó một đường chéo của cầu nối với nguồn DC, một với mạch dao động liên tiếp. Mạch dao động liên tiếp gồm cuộn cảm L - cuộn sơ cấp biến thế cao áp và tụ điện CS Mạch đổi tần hoạt động như sau: Giả sử tại thời điểm t1, một xung điều khiển được đưa đồng thời vào cực cổng của 2 Thysistor Th1, Th4, Hai thysistor này mở và dòng điện từ nguồn +UDC qua Th1, tụ CS cuộn L, Th4 tới –UDC Đến thời điểm t2, một xung điều khiển tiếp theo được đưa đồng thời vào cực cổng của 2 Thysistor Th2, Th3. Hai thysistor này mở và dòng điện từ +UDC qua Th2, cuộn L tụ CS, Th3 tới –UDC Quá trình lặp lại và tiếp diễn, kết quả trong mạch dao động liên tiếp có dòng điện xoay chiều, dạng sóng i(t) được biễu diễn dưới hình 3.33 Hình 3.33 Dạng sóng i(t) tại các thời điểm khác nhau và với tần số xung điều khiển khác nhau 3.4.4 ứng dụng của bộ đổi tần - máy X quang cao tần Bộ đổi tần được ứng dụng trong các khối cao thế, khối nguồn sợi đốt và khối khởi động và điều khiển tốc độ quay Anốt. Máy X quang ứng dụng các bộ đổi tần được gọi là máy X quang cao tần. Hình 3.34 Sơ đồ khối máy X quang cao tần ứng dụng vi xử lý 3.4.4.1 Khối cao thế cao tần Hình 3.35 Sõ đồ khối cao thế cao tần 3.4.4.2 Mạch đổi tần Mạch đổi tần: Gồm có 4 transistor loại IGBT Q1-Q4 lần lượt mắc song song 4 đi-ốt D1-D4 và mạch dao động liên tiếp gồm cuộn cảm L2, tụ C4 và biến áp cao thế. Mạch tích hợp J10, J11 tạo ra các xung điều khiển cặp Tranzito Q1,Q4 và Q2, Q3. Đầu ra J8 có 2 tín hiệu đảo pha, đưa về hai mạch điều khiển để thay đổi tần số xung điều khiển. Các linh kiện ghép quang J1a,b - J4a,b dùng để cách ly về điện giữa các mạch điều khiển và các transistor Q1-Q4. 3.4.4.3 Mạch chỉnh lưu cao thế Hình 3.36 Mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp Chức năng của các tụ điện là lọc bỏ các thành phần gợn sóng, đây là một trong những sự khác nhau giữa các mạch chỉnh lưu trong hai loại khối cao thế thông thường và cao tần. Vì tần số f của nguồn AC cao tần rất lớn nên các tụ lọc tuy có trị số của khá nhỏ nhưng vẫn bảo đảm chức năng lọc nguồn của nó. 3.4.4.4 Khối nguồn sợi đốt và điều khiển dòng cao thế Hình 3.37 Sơ đồ khối điều khiển dòng sợi đốt và dòng cao thế Trị số dòng điện cao thế yêu cầu Iđặt được đưa vào bộ nhớ thông qua mạch so sánh, rồi được đưa tới bộ điều khiển để tạo xung, điều khiển bộ đổi tần và tạo ra nguồn cấp điện cao tần cho sợi đốt bóng X quang thông qua biến thế nguồn sợi đốt. Để ổn định trị số dòng cao thế trong khi phát tia, dòng cao thế thực Ithực được cảm nhận từ mạch cao thế và so sánh với giá trị Iđặt tại một mạch so sánh. Mặt khác dòng sợi đốt thực IHthực cũng được cảm nhận từ mạch sợi đốt rồi so sánh với giá trị dòng sợi đốt yêu cầu IHđặt tại một bộ so sánh khác. Tín hiệu từ đầu ra mạch so sánh này, phản ảnh cả sự thay đổi của dòng cao thế và dòng sợi đốt, điều khiển bộ đổi tần. Kết quả dòng điện trong mạch đổi tần và dòng sợi đốt được duy trì ổn định theo giá trị đặt trước. 3.4.4.5 Điều khiển tốc độ quay a-nốt Hình 3.38 Sơ đồ khối mạch điều khiển động cơ Anốt Tốc độ quay của động cơ được tính theo công thức: N = 60.fp (vòng/phút - rpm) Trong đó fp: tần số nguồn điện Khi chiếu, IA nhỏ (0,1-4 mA) đ nhiệt lượng ít đ anôt quay với tốc độ chậm đ f = 15-20 Hz. Khi chụp, IA lớn ( > 50mA) đ nhiệt lượng nhiều đ anôt quay với tốc độ nhanh đ f = 50-180 Hz (hoặc có thể lên tới 200 - 300 Hz). 3.4.4.6 Ưu điểm của máy X quang cao tần Điều khiển các trị số kVp, mA, tốc độ quay a-nốt bằng xung điều khiển và tự động duy trì các giá trị này trong quá trình phát tia X. Dùng tụ lọc để điện áp chỉnh lưu bớt gợn sóng vì: Trong đó: IA/2fC là độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu cao thế. Độ gợn sóng này tỷ lệ thuận với dòng tải IA và tỷ lệ nghịch với tích số của tần số f với trị số điện dung C. Để giảm độ gợn sóng thì phải tăng hoặc C hoặc f hoặc cả hai. Giảm được kích thýớc và trọng lượng của máy. 3.5 Các thiết bị phụ trợ Bao gồm: Các thiết bị định vị và định dạng chùm tia X: Hộp chuẩn trực, lưới, bàn b ệnh nhân và cột bóng X quang... Các thiết bị ghi ảnh quang tuyến: Phim X quang, bìa tăng quang và cassette, detector Các thiết bị và dụng cụ buồng tối: Thùng rửa, tráng phim, bàn lắp, tháo phim, máy sấy phim, khoang chuyển giao cassette, ... Chương 4 Các phuơng pháp biến đổi từ máy X quang thường quy thành máy X quang số Có hai phương pháp hiện nay được ứng dụng để chuyển đổi từ máy X quang thường quy thành máy X quang số là: Sử dụng máy quét phim Sử dụng panel cảm biến 4.1 Phương pháp sử dụng máy quét phim (Computed radiography) Hình 4.1 Một máy quét phim của hãng Protec-Đức Với phương pháp này một phim ảnh (imaging plate) được đặt thay cho phim trong máy X quang thường đặt trong cassette. Sau khi được chụp mang thông tin tạo ảnh phim ảnh này được lấy ra khỏi cassette trong điều kiện thường (không cần buồng tối) đặt vào máy quét. Hình 4.2 Lấy phim ảnh ra khỏi cassette trong điều kiện thường để quét Môt chùm tia laser đồng tâm được lái vào phim ảnh – phim ảnh này được quay quanh lăng kính hình ngũ giác. Với tốc độ quay quanh của lăng kính cùng với các cảm biến số được định vị đồng tâm sẽ thu lại các bức xạ quang (được phát ra từ phim ảnh sau khi được kích thích bằng tia laser). Tia Laser được lái tuyến tính nhờ bộ điều khiển để cảm biến có thể ghi lại toàn bộ thông tin tạo ảnh trên phim. Các tín hiệu thu được từ cảm biến được chuyển thành tín hiệu dòng điện và sau đó nhờ một phần mềm xử lý sẽ cho hiện ảnh trên màn hình. Hình 4.3 Xử lý tín hiệu và cho hiện ảnh trên màn hình Hình 4.4 Cấu trúc máy quét phim Proscan 35 ảnh số được tạo bởi phương pháp này có thể loại bỏ các nhiễu ảnh do việc đặt liều chiếu xạ ban đầu (thiết lập kV), nhờ có độ phân giải cao trên 5 cặp vạch trên 1 mm và ảnh số lưu dưới dạng 16 bit nên ảnh có thể dễ dàng xử lý và vẫn cho chất lượng chẩn đoán tốt. Phim dùng để tạo ảnh là loại phim có thể tẩy sau khi tạo ảnh nên có thể tái sử dụng. Do ảnh sau khi quét được lưu dưới dạng số nên sau đó có thể in trên phim nhựa nhờ loại máy in chuyên dụng theo yêu cầu của bác sĩ. 4.2 Phương pháp sử dụng panel cảm biến Cơ sở của phương pháp này là sử dụng một panel cảm biến (detector) dùng thay cho cassette. Các cảm biến được sắp xếp thành ma trận sẽ thu tín hiệu X sau khi đi qua cơ thể người bệnh và chuyển đổi thành tín hiệu điện sau đó được chuyển thành hình ảnh chẩn đoán nhờ phần mềm chuyên dụng. Hình 4.5 Panel cảm biến thu nhận tia X Cấu tạo của panel cảm biến Hinhf 4.6 Cấu tạo của panel cảm biến Bao phủ trên bề mặt bảng detector là các detector nhấp nháy (scintillator) các detector nhấp nháy dựa trên việc ghi lại các bức xạ huỳnh quang khi một điện tử chuyển từ một trạng thái kích thích về dải dẫn. Bình thường khi một lượng tử 1 MeV bị hấp thụ trong một detector nhấp nháy sẽ sinh ra khoảng 10000 cú kích thích và cũng cùng một số đó các lượng tử ánh sáng. Những ánh sáng nhấp nháy này được thu vào một ống nhân quang tích điện, có tác dụng biến đổi ánh sáng thành các xung điện mà sau đó sẽ được khuyếch đại. Biên độ của mỗi xung tỷ lệ với năng lượng truyền cho tinh thể bởi một hạt tích điện hoặc photon. Các detector nhấp nháy này được làm bằng CsI (tinh thể Cesi Iốt) vì chúng có đặc tính là hấp thụ tia X và biến đổi thành các hạt photon. Lớp tiếp theo là một matrận detector nhạy cảm với các hạt phôton và biến đổi chúng thành các dòng điện tương ứng để đưa tới một mạch điện tử tích hợp ở lớp dưới. Lớp dưới cùng là mạch điều khiển và đầu ra đưa tới hệ thống máy tính hiển thị và điều khiển bằng phần mềm. Hình 4.7 Ma trận cảm biến Kết luận ở nhiều nước trên thế giới do hệ thống mạng thông tin bệnh viện đã phát triển rất mạnh nên việc sử dụng rất là phổ biến nhờ ưu điểm của ảnh X quang số là có thể phóng to, thu nhỏ, xử lý và nhiễu ảnh rất ít. ảnh X quang số còn dễ dàng lưu trữ, truyền và in trên phim để thuận tiện cho bệnh nhân và bác sĩ chuẩn đoán. Tại Việt Nam, ứng dụng X quang số chỉ mới được biết đến là những mođul được tích hợp trong máy CT. Với việc các bệnh viện ứng dụng công nghệ thông tin trong y học thì nhu cầu để chuyển đổi từ máy X quang thông thường sang máy X quang số là rất lớn, điều này không những làm giảm chi phí lắp đặt hệ thống máy X quang số mới mà còn tận dụng được các loại máy X quang thường quy sẵn có trong bệnh viện. Trong tương lại gần máy X quang số sẽ dần thay thế máy X quang thường quy nên việc cập nhật kiến thức trong việc sử dụng vận hành là rất cần thiết đối với đội ngũ kĩ sư và kĩ thuật viên. Các bác sĩ chẩn đoán phải luôn được hỗ trợ về các tiêu chuẩn ảnh, phần mềm để có thể chẩn đoán bệnh một cách chính xác nhất. Tài liệu tham khảo Bài giảng công nghệ chẩn đoán hình ảnh Đoàn Nhật ánh Hendee W.R. Medical Imaging Physics Wiley,2002 X-ray Equipment for student D. Noreen Chesney & Muriel O Digital Imaging Philip Brentnall www.protec-med.com www.trixel.com www.gmmed.co.kr Mục Lục Chương 1 Kết luận................................................................94 Tài liệu tham khảo..............................................95