Trang 26
Chẩn đoán hình ảnh cho phép các bác sĩ tìm dấu hiệu bệnh lí của bệnh nhân thông qua hình ảnh chụp X-quang, chụp cắt lớp, siêu âm, chụp cộng hưởng từ,... Vậy nguyên lí chụp, cách điều khiển, cách tạo hình ảnh của các phương pháp này như thế nào?
NỘI DUNG
- Tia X
- Chụp X-quang. Chụp cắt lớp
- Siêu âm
- Chụp cộng hưởng từ
Trang 27
| Khởi động Tia X được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, một trong những ứng dụng phổ biến là trong lĩnh vực y học. Vậy bản chất của tia X là gì? Cách tạo ra và cách điều khiển tia X như thế nào? |
I. BẢN CHẤT VÀ CÁCH TẠO RA TIA X
Tia X có bản chất là sóng điện từ, có bước sóng trong khoảng từ 10
m đến 10
m.
Hình 5.1 mô tả nguyên tắc tạo ra tia X. Ống phát tia X là ống thuỷ tinh, trong đó có gắn hai điện cực anode và cathode, áp suất trong ống vào khoảng 10
mmHg.
- Cathode được nung nóng bằng nguồn điện, là nguồn phát ra các electron.
- Anode là cực dương, đối diện với cathode. Trên bề mặt anode có gắn một tấm kim loại có nguyên tử lượng lớn để chắn chùm electron (điện cực này được gọi là đối cathode).
Hình 5.1. Mô hình nguyên tắc cách tạo ra tia X
Nguồn điện cao áp
Đối cathode bång vonfram
Vỏ ống
Chùm electron
Anode bằng đồng
Cathode được nung nóng bằng nguồn điện
Tia X
- Hiệu điện thế giữa hai điện cực cathode và anode có độ lớn khoảng 200 kV.
Chùm electron bị bật ra khỏi cathode được tăng tốc trong điện trường mạnh nên có động năng rất lớn. Khi chùm electron đập vào bề mặt đối cathode, nó bị dừng đột ngột và phát ra một bức xạ không nhìn thấy được. Bức xạ này có tác dụng làm phát quang một số chất và làm đen kính ảnh. Bức xạ đó được gọi là tia X.
Trong ống phát tia X, chỉ có một số ít electron có tác dụng tạo ra tia X (gần 1%), phần còn lại (trên 99%) khi đập vào đối cathode chỉ gây ra tác dụng nhiệt làm nóng đối cathode. Do đó, đổi cathode bị nóng lên rất nhanh, nên cần phải được làm nguội.
Câu hỏi
1. Nêu cách tạo ra tia X.
2. Tại sao đổi cathode của ống phát tia X lại được làm bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao?
Hoạt động
Hãy tìm hiểu trên internet, sách, báo và các nguồn thông tin khác để:
1. Nêu một số tính chất của tia X.
2. Chỉ ra một số tác dụng không mong muốn khi sử dụng tia X.
Trang 28
EM CÓ BIẾT?
Có hai dạng tia X được tạo ra là bức xạ hãm và tia X đặc trưng.
Bức xạ hãm sinh ra do tương tác giữa các electron và nguyên tử của vật liệu làm bia. Tia X đặc trưng được tạo ra khi electron bắn phá bia làm bật electron ở các lớp bên trong ra khỏi nguyên tử của vật liệu làm bia. Các electron trong nguyên tử chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao về trạng thái có mức năng lượng thấp sẽ phát ra tia X. Tia X này đặc trưng riêng cho từng loại nguyên tố làm bia nên được gọi là tia X đặc trưng. Vùng năng lượng tia X dùng cho chẩn đoán y học hầu hết là bức xạ hãm, chỉ một vài phần trăm năng lượng là của tia X đặc trưng.
II. CÁCH ĐIỀU KHIỂN TIA X
Tính chất nổi bật và quan trọng của tia X là khả năng đâm xuyên. Tia X bao gồm tia X cứng (có bước sóng ngắn) và tia X mềm (có bước sóng dài hơn). Tia X mềm có năng lượng thấp hơn và khả năng đâm xuyên kém hơn so với tia X cứng. Tuỳ theo mục đích sử dụng, người ta có thể điều khiển để tạo ra tia X có bước sóng phù hợp. Để điều khiển tia X, người ta có thể:
- Tăng dòng điện dùng để nung nóng cathode, số electron bứt ra khỏi cathode trong mỗi giây tăng lên, số electron đến anode nhiều hơn sẽ tạo tia X có cường độ lớn hơn.
- Tăng hiệu điện thế giữa hai cực anode và cathode của ống tia X, khi đó tia X được tạo ra có năng lượng cao hơn.
- Một phương pháp khác là sử dụng một bộ lọc hấp thụ tia X mềm để năng lượng trung bình của chùm tia X cao hơn.
III. SỰ SUY GIẢM TIA X
Tia X có tính chất làm ion hoá các nguyên tử và phân tử của vật liệu mà chúng đi qua. Trong quá trình này, tia X bị hấp thụ khi đi qua vật liệu. Sự giảm cường độ của tia X khi nó
đi qua vật liệu được gọi là sự suy giảm tia X.
Hình 5.2 là ảnh chụp X-quang, từ ảnh chụp ta thấy xương có màu trắng, các mô mềm có màu đậm hơn, lí do là xương hấp thụ tia X tốt hơn so với các mô mềm.
Hình 5.2. Hình ảnh chụp X- quang
Trang 29
Cường độ I của chùm tia X được xác định bằng biểu thức:
(5.1)
trong đó P là công suất chùm tia X truyền qua mặt S, S là diện tích mặt cắt ngang của chùm tia X. Đơn vị của cường độ là W.m
.
Sự suy giảm của tia X khi đi qua một vật liệu đồng nhất được mô tả bằng biểu thức sau:
(5.2)
trong đó 
là cường độ ban đầu (trước khi hấp thụ), d là độ dày của vật liệu, I là cường độ truyền qua và μ là hệ số suy giảm (hoặc hấp thụ) của môi trường.
Hình 5.3 biểu diễn mô hình sự suy giảm cường độ tia X. Có thể thấy cường độ tia X bị suy giảm nhiều hơn khi truyền qua xương so với khi truyền qua các mô mềm, nghĩa là nó có hệ số suy giảm cao hơn.
Đơn vị của hệ số suy giảm μ là m
.
Hình 5.3. Mô hình suy giảm cường độ tia X
Cường độ tia X
Không khí
Mô mềm
Xương
Quãng đường truyền
IV. ỨNG DỤNG CỦA TIA X
Y học
Tia X được sử dụng trong các máy chụp X – quang, chụp cắt lớp, xạ trị,... rất có giá trị trong việc chẩn đoán cũng như điều trị bệnh. Tia X đặc biệt hữu dụng trong việc xác định bệnh lí về xương, nhưng cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Ưu điểm của ứng dụng này là chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh một cách nhanh chóng.
Xạ trị tia X là can thiệp y tế dùng chuyên biệt cho các tế bào ung thư nông (là những khối u không nằm quá sâu trong cơ thể) bằng cách sử dụng tia X có năng lượng cao.
Công nghiệp
Trong dây chuyền sản xuất, máy dò sử dụng tia X để phát hiện tạp chất trong sản phẩm. Dùng tia X quét qua các sản phẩm, máy quét có thể phát hiện ra sản phẩm có đạt chuẩn chất lượng hay không.
Trong lĩnh vực công nghệ cơ khí, dùng tia X chiếu qua sản phẩm sẽ cho ta biết được vùng nào của sản phẩm có khuyết tật.
Thiên văn học
Tia X được dùng để nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các bước sóng tia X. Các thiên thể có nhiệt độ cực cao bức xạ tia X theo lí thuyết bức xạ của vật đen tuyệt đối, là cơ sở để xác định nhiệt độ ngôi sao đó.
Kiểm tra an ninh
Chiếu X-quang để thu được hình ảnh các đồ vật bên trong hành lí được gói kín hay trong quần áo trên người, được thực hiện tại các nơi có yêu cầu an ninh cao như cửa lên máy bay, tàu cao tốc, cửa khẩu và một số nhà giam đặc biệt. Hệ thống quét an ninh thường tích hợp chiếu X-quang với quét dò kim loại để thu được thông tin tin cậy hơn về đối tượng được quét (Hình 5.4).
Trang 30
Hình 5.4. Kiểm tra an ninh
Phân tích cấu trúc và các thành phần hoá học
- Phổ tán sắc năng lượng tia X là kĩ thuật phân tích thành phần hoá học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn.
- Phổ nhiễu xạ tia X được sử dụng để phân tích cấu trúc tinh thể của vật liệu.
Hoạt động
Hãy đánh giá vai trò của tia X trong trong đời sống và trong khoa học.
EM ĐÃ HỌC
• Cách tạo ra tia X, một số tính chất của tia X.
• Cách điều khiển tia X.
• Sự suy giảm tia X.
• Ứng dụng của tia X.
EM CÓ THỂ
Đánh giá được vai trò của tia X trong đời sống và trong khoa học.
Trang 31
EM CÓ BIẾT?
Phát minh ra tia X
Tia X là một trong những phát minh nổi bật trong thế kỉ XIX. Nó không những mở ra một chương mới cho ngành vật lí mà còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, giúp các bác sĩ nhìn thấy hình ảnh những bộ phận bên trong cơ thể bệnh nhân mà không cần phẫu thuật.
Năm 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (Quy-ham Con-ra Rơn-ghen) nhà vật lí người Đức, là người đầu tiên phát hiện ra tia X. Đây là một phát minh khoa học quan trọng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chủ yếu là y học. Khám phá của Röntgen diễn ra tại phòng thí nghiệm của Đại học Würzburg (Vuy-xbuốc) (Đức), khi ông tiến hành các nghiên cứu với một ống tia cathode làm bằng thuỷ tinh, bên trong là chân không với hai điện cực. Mặc dù bọc ống bằng giấy đen cẩn thận, nhưng Röntgen tình cờ nhìn thấy màn huỳnh quang phủ hợp chất barium platinocyanide đặt gần đó phát sáng khi ống tia cathode được bật trong căn phòng tối. Ông thử rút phích điện ra khỏi ổ cắm thì ánh sáng ngay lập tức biến mất.
Hình 5.5. Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923), nhà vật lí người Đức
Röntgen suy đoán một loại tia bí ẩn nào đó đã làm sáng màn huỳnh quang. Röntgen cố gắng chặn các tia phát ra từ ống tia cathode lần lượt bằng tấm bìa cứng, một cuốn sách dày 1.000 trang, một tấm gỗ dày hơn 2,5 cm nhưng đều không thành công. Do không rõ bản chất của tia này nên ông gọi nó là tia X (chữ X tượng trưng cho điều chưa biết), sau này giới khoa học gọi là tia Röntgen.
Qua quá trình miệt mài nghiên cứu ông khám phá ra rằng, tia X là sóng điện từ, có bước sóng trong khoảng từ 10- m đến 10 m.
Trước ngày Giáng sinh, Röntgen chia sẻ kết quả nghiên cứu với vợ, cũng như muốn bà giúp đỡ thực hiện một thí nghiệm tiếp theo. Ông thay thế màn huỳnh quang bằng giấy ảnh, sau đó để vợ giơ tay chắn đường truyền của tia X. Thật kì lạ, những đốt xương ngón tay của bà hiện lên rõ nét trên giấy ảnh, bao gồm cả chiếc nhẫn cưới đang đeo. Đây là bức ảnh chụp X-quang đầu tiên trên thế giới. Năm 1896, Röntgen công bố bức ảnh tại hội nghị của tổ chức tại Würzburg với sự tham dự đông đảo của các nhà khoa học nhằm chứng minh khả năng đâm xuyên của tia X qua cơ thể người. Với phát minh quan trọng này, Röntgen nhận được giải thưởng Nobel Vật lí đầu tiên vào năm 1901.
