Khóa luận Nghiên cứu, thiết kế, thi công một bộ điều khiển máy chụp X-Quang công suất nhỏ (Phần 1)

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu, thiết kế, thi công một bộ điều khiển máy chụp X-Quang công suất nhỏ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, THI CÔNG MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY CHỤP X - QUANG CÔNG SUẤT NhỎ GVHD: ThS. NGUYỄN PHƯƠNG QUANG SVTH: LÊ TRUNG NHỰT MSSV: 11141300 S K L 0 0 3 8 5 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6/2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀ O TAỌ CHẤ T LƯƠNG̣ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, THI CÔNG MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY CHỤP X-QUANG CÔNG SUẤT NHỎ SVTH : LÊ TRUNG NHỰT MSSV : 11141300 Khoá : 2011 Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ-TRUYỀN THÔNG GVHD: ThS. NGUYỄN PHƯƠNG QUANG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc ập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: MSSV: Ngành: Lớp: Giáo viên hƣớng dẫn: ĐT: Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: 2. Các số iệu, tài liệu ban đâ u: 3. Nội dung thực hiện đề tài: 4. Sản phẩm: TRƢỞNG NGÀNH GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Đồ án tốt nghiệp Page i
4. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc ập – Tự do – Hạnh Phúc PHIÊ U NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họvà tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyê t điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bă ng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hƣớng dẫn Đồ án tốt nghiệp Page ii
5. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc ập – Tự do – Hạnh Phúc PHIÊ U NHÂ N XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu điểm: 3. Khuyê t điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bă ng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện Đồ án tốt nghiệp Page iii
6. LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên nhóm gửi ời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô giáo trong khoa ĐIỆN –ĐIỆN TỬ nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho nhóm những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Phƣơng Quang đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, kinh nghiệm quý báu cũng nhƣ hỗ trợ phƣơng tiện vật tƣ trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài. Đồng thời nhóm chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Đào Tạo Chất Lƣợng Cao đã tạo điều kiện, cung cấp cho nhóm những kiến thức cơ bản, cần thiết để chúng em có điều kiện và đủ kiến thức để thực hiện quá trình nghiên cứu. Đồng thời, nhóm cũng xin cám ơn các thành viên trong ớp 11141CLĐT1 đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài. Ngoài ra, nhóm cũng đã nhận đƣợc sự chỉ bảo của các anh (chị) đi trƣớc. Các anh (chị) cũng đã hƣớng dẫn và giới thiệu tài iệu tham khảo thêm trong việc thực hiện nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn! Tp HCM, Ngày Tháng Năm 2015 Sinh viên thực hiện đề tài LÊ TRUNG NHỰT Đồ án tốt nghiệp Page iv
7. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khi mà nền kinh tế đã phát triển, trình độ nhận thức của con ngƣời đƣợc nâng cao thì nhu cầu chăm sóc và bảo vệ sức khoẻ ngày càng đƣợc quan tâm hơn. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trên thế giới nói chung và ở nƣớc ta nói riêng ĩnh vực thiết bị y tế chăm sóc sức khỏe con ngƣời uôn đƣợc đầu tƣ và quan tâm một cách thích đáng. Một trong những bộ phận nhỏ đƣợc ứng dụng vào y tế đó à hệ thống thiết bị chẩn đoán hình ảnh. Hệ thống này đang đƣợc dần trang bị cho các bệnh viện nhằm phục vụ nhu cầu khám và chữa bệnh. Các thiết bị đó ngày càng hoàn thiện về tính năng và sự tiện dụng. Một trong những thiết bị đó à máy chụp X-quang. Đây có thể coi à một trong những thiết bị mới và hiện đại nhất trong hệ thống thiết bị chuẩn đoán hình ảnh ở nƣớc ta. Với máy chụp X-quang thì hình ảnh vùng thăm khám đƣợc thể hiện rõ, tạo ra đƣợc các ớp cắt trong cơ thể giúp cho bác sỹ đễ dàng chẩn đoán hơn. Với những ứng dụng thiết thực của hệ máy chụp X- quang em đã đƣợc chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, thi công một bộ điều khiển máy chụp X-quang công suất nhỏ” . Đây à vấn đề khá quan trọng trong việc chuẩn đoán sức khỏe bệnh nhân. Do đó việc tìm hiểu cơ chế hoạt động của phần này à rất thiết thực và bổ ích. Tuy nhiên do trình độ kiến thức và thời gian hạn chế do đó bài tiểu uận này vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót mong đƣợc sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn. Đồ án tốt nghiệp Page v
8. MỤC LỤC Trang phụ bìa TRANG Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i Trang nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn ii Trang nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn iii Lời cảm ơn iv Lời nói đầu v Mục ục vi Danh sách các hình ảnh, biểu đồ vii Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 1 1.5 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2 1.6 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 1.7 BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN 2 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3 2.1 KỸ THUẬT CHỤP X-QUANG 3 2.2 BÓNG X-QUANG 4 2.3 KHỐI TẠO CAO THẾ 8 2.4 ĐIỀU KHIỂN THAM SỐ TRONG THIẾT BỊ X-QUANG 12 2.5 THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CÓ HỘP CHUẨN TRỰC, LƢỚI VÀ SÀNG, BÀN BỆNH NHÂN VÀ CỘT BÓNG 17 2.6 THIẾT BỊ GHI ẢNH 20 2.7 THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ BUỒNG TỐI 23 Chƣơng 3 NỘI DUNG CHÍNH NGHIÊN CỨU 24 3.1 SƠ ĐỒ KHÔI 24 3.2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 24 3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 38 3.4 CHỨC NĂNG TỪNG KHÔI 39 Chƣơng 4 KẾT QUẢ 48 4.1 KẾT QUẢ THI CÔNG 48 Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 49 5.1 KẾT LUẬN 49 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI TRONG TƢƠNG LAI 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 Đồ án tốt nghiệp Page vi
9. DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIÊ U ĐỒ Hình 2.1 : Cấu trúc bóng X-quang anốt cố định Hình 2.2 : Cấu trúc bóng X-quang a nốt quay Hình 2.3 : Chỉnh lƣu một pha nửa sóng Hình 2.4 : Chỉnh lƣu một pha cả sóng Hình 2.5 : Chỉnh lƣu ba pha cả sóng Hình 2.6 : Sơ đồ khối – khối cao thế cao tần Hình 2.7 : Biến thế tự ngẫu điều chỉnh từng nấc và vô cấp. Mạch điều chỉnh KV Hình 2.8 : Mạch điều khiển dòng bóng X-quang Hình 2.9 : Mối tƣơng quan giữa kích thƣớc chùm tia X với sự phát xạ thứ cấp. Hình 2.10 : Cấu trúc của lƣới và tác dụng hấp thụ tia phát xạ thứ cấp của nó Hình 2.11 : Bàn bệnh nhân với màn huỳnh quang, hộp caxet và cột bóng di động Hình 2.12 : Mặt cắt của một caxet chƣa phim và hai tấm bìa tăng quang và sự phát quang thứ cấp gây ra bởi chính bìa tăng quang Hình 2.13 : Caxet và cách nạp, tháo phim Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mạch Hình 3.2 : Sơ đồ chân IC 74192 Hình 3.3 : Bảng trạng thái IC 74192 Hình 3.4 : IC 74192 thực tế Hình 3.5 : Cấu tạo IC 7490 Hình 3.6 : Sơ đồ chân IC 7490 Hình 3.7 : Bảng trạng thái ic đếm 7490 Hình 3.8 : IC 7490 thực tế Hình 3.9 : Sơ đồ cấu tạo IC 7447 Hình 3.10 : Sơ đồ chân IC 7447 Hình 3.11 : Bảng trạng thái IC 7447 Hình 3.12 : Sơ đồ chân IC 74247 Hình 3.13 : Bảng trạng thái IC 74247 Hình 3.14 : Hình ảnh thực tế của IC 74247 Hình 3.15 : Sơ đồ chân IC 4060 Đồ án tốt nghiệp Page vii
10. Hình 3.16 : Hình ảnh IC 4060 Hình 3.17 : Sơ đồ chân IC 555 Hình 3.18 : Đặc tính V-A của MOSFET loại n Hình 3.19 : Cấu tạo IGBT. Hình 3.20 : Cấu tạo của BJT Hình 3.21 : Ký hiệu của BJT Hình 3.22 : Hình dạng thực tế của một BJT Hình 3.23 : Mạch điều khiển dùng eprom Hình 3.24 : Mạch nghịch lƣu 6 bƣớc điều khiển bóng X-Quang Hình 3.25 : Mạch điều khiển dòng bóng X-Quang Hình 3.26 : Sơ đồ khối của mạch thời gian Hình 3.27 : Mạch thời gian đóng cắt theo thời gian dùng IC đếm 74192 Hình 3.28 : Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn Hình 3.29 : Khối đặt trƣớc số đếm của mạch đếm thời gian Hình 3.30 : Khối đếm xuống từ số đặt dùng IC 74192 Hình 3.31 : Khối giải mã dùng IC 7447 Hình 3.32 : Khối hiển thị dùng led 7 đoạn loại anode chung Hình 3.33 : Cấu trúc bóng X-Quang có trục anốt quay Hình 4.1 : Sơ đồ mạch in của khối điều khiển thời gian dòng qua bóng X- Quang Hình 4.2 : Mạch thi công khối điều khiển thời gian dòng qua bóng X- Quang Đồ án tốt nghiệp Page viii
11. Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Ngày nay khi mà nền kinh tế đã phát triển, trình độ nhận thức của con người được nâng cao thì nhu cầu chăm sóc và bảo vệ sức khoẻ ngày càng được quan tâm hơn. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng lĩnh vực thiết bị y tế chăm sóc sức khỏe con người luôn được đầu tư và quan tâm một cách thích đáng. Một trong những bộ phận nhỏ được ứng dụng vào y tế đó là hệ thống thiết bị chẩn đoán hình ảnh. Hệ thống này đang được dần trang bị cho các bệnh viện nhằm phục vụ nhu cầu khám và chữa bệnh. Với thiết bị chuẩn đoán hình ảnh thì hình ảnh vùng thăm khám được thể hiện rõ, tạo ra được các lớp cắt trong cơ thể giúp cho bác sỹ đễ dàng chẩn đoán hơn. Vấn đề đặt ra là phải có một thiết bị có thể thăm khám được các lớp cắt trong cơ thể giúp việc chuẩn đoán trở nên dễ dàng và chính xác hơn.Vì vậy máy chụp X-Quang đã ra đời và đáp ứng được các yêu cầu đó. 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày xưa, khi công nghệ bán dẫn còn chưa phát triển. Bộ điều khiển của máy chụp X-quang còn nhiều hạn chế như : - Bộ điều khiển điện áp cao thế dùng biến áp cao thế. Nhưng hiện nay người ta dùng biến tần thay cho biến áp cao thế, vì biến tần có những ưu điểm vượt trội sau: + Số vòng dây quấn biến áp giảm do tần số cao. + Do ở tần số cao nên tia X được bức xạ liên tục hơn so với tần số 50-60 Hz. Dẫn đến chất lượng ảnh tốt hơn. - Bộ điều khiển đóng cắt thời gian phát tia X dùng contactor. Nhưng hiện nay khi công ngệ bán dẫn phát triển người ta dùng BJT thay cho contactor. Vì contactor khi đóng cắt nhiều lần sẽ nhanh hỏng buộc phải lau chùi lại hoặc là thay contactor mới. 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề tài này tập trung nghiên cứu, thiết kế, thi công một bộ điều khiển máy chụp X- quang công suất nhỏ. 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Có thêm về kiến thức trong lĩnh vực điện tử - y sinh về thiết kế các mạch điện tử để phục vụ trong lĩnh vực y tế chăm sóc sức khỏe con người. - Tia X có khả năng xuyên thấu hầu hết mọi vật, vì thế nó giúp việc thăm khám các lớp cắt trong cơ thể con người, giúp ích rất nhiều cho việc chẩn đoán bệnh. Đồ án tốt nghiệp Page 1
12. - Đề tài này sẽ giúp sinh viên thực hiện đề tài hiểu thêm về các mạch số, cụ thể là mạch đếm thời gian, cơ chế của việc phát xạ tia X, các bộ biến áp cao thế, biến tần 1.5 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu hướng tới đối tượng chủ yếu là việc chuẩn đoán sức khỏe con người, thông qua việc chuẩn đoán hình ảnh bằng máy chụp X-quang. Đề tài nghiên cứu về lĩnh vực điện tử - y sinh, một ngành mới mẻ đối với trường ta. 1.6 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về sự phát triển của ngành điện tử-y sinh hiện nay. - Tìm hiểu về thiết bị chẩn đoán hình ảnh, máy chụp x-quang. - Tìm hiểu về các loại máy chụp x-quang thế hệ trước và sau, ưu nhược điểm của chúng. - Khảo sát thực tế các loại máy x-quang, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chúng. - Thiết kế, thi công một bộ điều khiển máy chụp x-quang công suất nhỏ. 1.7 BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Nội dung chính nghiên cứu Chương 4: Kết quả Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Đồ án tốt nghiệp Page 2
13. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KỸ THUẬT CHỤP X-QUANG Chụp X-quang là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y khoa rất phổ biến hiện nay và giữ vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán bệnh và điều trị. Máy chụp X-quang sử dụng ứng dụng của tia X trong vật lý, dựa vào mức độ xuyên thấu của tia X để vận dụng vào chụp X-quang. Khi chụp X-quang dựa vào mức độ xuyên thấu của tia X có thể chụp xương để phát hiện các loại chấn thương liên quan đến xương. Trong vật lý thì tia X trong máy chụp X-quang có thể gây hại cho sức khỏe của bạn. Tuy nhiên khi được ứng dựng vào trong y học và máy X-quang thì tia X được điều tiết với hàm lượng vô cùng nhỏ mà không ảnh hưởng tới sức khỏe của bạn. Công nghệ tạo ảnh X-quang nhờ ứng dụng của tia X ( một nguồn năng lượng bức xạ từ bóng X-quang). Nguyên lý tạo ảnh có thể được mô tả như sau: Chùm tia X khi đi qua một vật thể sẽ bị suy giảm không đồng đều phụ thuộc vào khả năng hấp thụ tia X của vật thể. Chùm tia sau suy giảm sẽ tác động vào film tạo nên ảnh do đó ảnh X-quang là ảnh xếp chồng nghĩa là kết quả của sự chồng lên nhau của hình ảnh của những đối tượng nằm trên đường đi của tia X. Sự suy giảm không đồng đều của tia X khi xuyên qua cơ thể người bệnh sẽ tạo nên ảnh đối tượng cần thăm khám trên film X-quang. - Ưu thế: + Nhờ vào tính chất xuyên thấu của tia X mà máy chụp X-quang có thể chuẩn đoán được bệnh lý thông qua chuẩn đoán hình ảnh trên film X-quang mà hiện nay chưa thiết bị nào làm được. - Hạn chế: + Chịu nhiều phóng xạ và ảnh hưởng có hại đối với bệnh nhân và môi trường. + Có sự chồng chất các chi tiết khi chụp. + Khó quan sát các bộ phận nằm sâu bên trong như khối U trong sọ não. Đồ án tốt nghiệp Page 3
14. 2.2 BÓNG X-QUANG 2.2.1 Nguyên lý hoạt động - Bóng X-quang là linh kiện thiết yếu trong các thiết bị X-quang, nó hoạt động trên nguyên lý biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác. - Một chùm tia điện tử đang chuyển động rất nhanh, khi gặp vật cản sẽ đột ngột giảm tốc độ. Tại thời điểm này động năng của chùm tia sẽ chuyển đổi. + Phần lớn (tới khoảng 99% trang thiết bị X-quang xét nghiệm) chuyển đổi thành nhiệt năng nung nóng vật cản. + Phần nhỏ chuyển đổi thành năng lượng tia X có bước sóng thẳng 10 – 100pm (10-12 m) phát xạ qua cửa sổ của bóng. 2.2.2 Cấu tạo - Bóng X-quang có thể xem như dạng đặc biệt của điốt chỉnh lưu chân không, bóng X-quang gồm các bộ phận chủ yếu sau: + Nguồn bức xạ điện tử - catốt. + Nguồn bức xạ tia X-Anốt, vật cản trên đường đi của chùm tia điện tử. Điện tích với chùm tia điện tử bắn vào gọi là điểm hội tụ. Đó chính là nguồn phát xạ tia X. + Vỏ thủy tinh (vỏ trong) bao quanh anốt và catốt, đã được hút chân không để tạo áp lực âm loại từ các phân tử khí cản trở trên đường đi của chùm tia điện tử. + Vỏ bóng (vỏ ngoài) thường bằng hợp kim nhôm phủ chì để ngăn ngừa tia X bức xạ theo những hướng không mong muốn có hại cho môi trường xung quanh và còn có tác dụng tản nhiệt. Ngoài ra trên vỏ còn bố trí cửa sổ tia X nơi ghép nối với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối. Hiện nay, hai loại bóng được ứng dụng phổ biến trong thiết bị X-quang là: + Bóng X-quang anốt cố định + Bóng X-quang anốt quay 2.2.3 Bóng X-quang anốt cố định Catốt bao gồm sợi đốt và giá đỡ bằng kim loại để đỡ sợi đốt đồng thời còn tạo khe hội tụ. Sợi đốt được chế tạo bởi dây Vonfram có nhiệt độ nóng chảy rất cao (3360C). Sợi đốt có dạng hình xoắn ốc để tạo diện tích bức xạ điện tử rộng. Để hội tụ chùm tia điện tử, người ta đặt sợi đốt trong lòng một khe của giá đỡ và chùm tia điện tử bức xạ từ sợi đốt qua khe này. Kích thước, hình dạng của sợi đốt và khe được thiết kế và chế tạo rất chu đáo và sợi đốt được định vị rất cẩn thận trong khe sao cho chùm tia điện tử tập trung (hội tụ) tại một điểm với diện tích rất nhỏ trên bề mặt anốt. Diện tích mà chùm tia điện tử hội tụ đó chính là nguồn phát xạ tia X. Điểm hội tụ thường có dạng hình chữ nhật, Đồ án tốt nghiệp Page 4
15. chiều dài bằng 3 – 4 lần chiều rộng và diện tích của điểm hội tụ khoảng 1 – 2 mm2 (tiêu điểm nhỏ) tới 10 – 15 mm2 (tiêu điểm lớn). Nguồn điện cấp cho sợi đốt là nguồn điện áp thấp cỡ vài chục vôn với dòng từ vài A đến mười A. Để đảm bảo độ cách điện cao và làm nguội, biến thế cấp điện cho sợi đốt thường được đặt trong thùng cao thế cùng với biến thế cao thế. Anốt: có nhiệm vụ hứng chùm tia điện tử bắn vào, rồi phát xạ chùm tia X. Chùm tia này càng tập trung càng tốt để tạo được hình ảnh rõ. Anốt gồm một miếng Vonfram dày khoảng 2mm, hình chữ nhật hoặc tròn có diện tích lớn hơn diện tích điểm hội tụ một chút, miếng Vonfram này được gắn vào một giá đỡ bằng đồng giúp tán nhiệt nhanh. Bề mặt anốt nằm dốc chéo so với trục dọc của bóng nên chùm tia X sẽ vuông góc với trục bóng. Vỏ thủy tinh: vỏ trong có hình dạng hình trụ bao quanh và đồng thời làm giá đỡ catốt và anốt. Vỏ này được chế tạo từ loại thủy tinh đặc biệt có khả năng chịu nhiệt cao, có độ cách điện cao, có đồng nhất với sự dãn nở của các điện cực và chịu được áp lực chân không lớn. Vỏ ngoài bao quanh bóng X-quang, nó có ba nhiệm vụ: +Chỉ cho tia bức xạ qua cửa sổ. + Hấp thụ tia X theo các hướng có hại cho người bệnh và môi trường xung quanh. +Chống điện giật. Vỏ ngoài được chế tạo từ nhôm, hợp kim nhôm hoặc thép, bề mặt trong của vỏ được tráng một lớp chì đủ dày để hấp thụ tia X, hạn chế sự phát xạ tia X ra xung quanh (từ cửa số) tới mức cho phép không gây nguy hiểm cho bệnh nhân và cho môi trường xung quanh. 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 và làm mát bóng. Đồ án tốt nghiệp Page 5
16. 1. Anốt 2. Catốt 3. Khoang dãn nở 4. Bóng X-quang 5. Cửa sổ phát tia 6. Vỏ ngoài phủ chì 7. Dầu 8. Tới biến thế sợi đốt 9. Khe hội tụ 10. Chùm tia điện tử Hình 2.1: Cấu trúc bóng X-quang anốt cố định Khi bóng hoạt động, nó sẽ nóng lên khiến cho dầu dãn nở nên một phía đầu vỏ phải có một khoang dãn nở chế tạo bởi màng cao su hình lồng xếp. Để báo động tình tráng bóng quá nóng do hoạt động liên tục, người ta gắng một công tắc hành trình vào bề mặt khoang dãn nở. Khi khoang dãn nở nở tới mức nhất định thì công tắc tác động đóng mạch phát tín hiệu cảnh báo. 2.2.4 Bóng X-quang anốt quay: Để khắc phục những nhược điểm của bóng X-quang anốt cố định, người ta đã chế tạo ra loại bóng X- quang anốt quay. Khi anốt quay với tốc độ lớn, chùm tia điện tử bắn vào anốt không phải tại một điểm cố định mà trên cả hình 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 hay nói cách khác diện tích phát xạ tia X nhỏ hơn diện tích tản nhiệt rất nhiều. Nhờ có diện tích tản nhiệt lớn, bóng X-quang anốt quay có thể hoạt động với dòng lớn. Do vậy tăng được công suất phát xạ tia X (mA). Cấu tạo của nó có cấu trúc tương tự như ở bóng X-quang anốt cố định như catốt cũng có hội tụ đơn và hội tụ kép, vỏ thủy tinh (vỏ trong), vỏ ngoài Ngoài ra nó cũng có sự khác nhau cơ bản ở cấu trúc của catốt và anốt như: + Catốt: Trong bóng X-quang, anốt cố định, chùm tia điện tử trùng với trục dọc bóng trong khi đó bóng X-quang anốt quay chùm tia này lại đi song song, cách một khoảng. Đồ án tốt nghiệp Page 6
17. + Anốt: Ở đây anốt không đứng yên mà quay với tốc độ lớn từ 3000 – 9000 vòng/phút, 150 – 150 vòng/giây. Nghĩa là thời gian chụp xảy ra trong vòng 0.1s thì anốt quay 5 vòng. Anốt gồm một đĩa được chế tạo bởi Vonfram hoặc bằng Molipden phủ Vonfram hoặc phủ hợp kim Vonfram, Giecmani. Đĩa này được gắn vào một đế Molipden để cách nhiệt với roto. Mặt kí của đế Molipden được gắn với roto của động cơ. Mặt đĩa anốt không phẳng mà vát chéo ở rìa, nơi chùm tia điện tử bắn vào, góc vát từ 15 – 200 tùy theo loại bóng. Trục của roto có gắn một vòng bi, để bôi trơn vòng bi này được mạ bạc hoặc chì chứ không tra dầu vì sẽ làm hỏng độ chân không của bóng. Anốt, rôto, vòng bi được đặt trong vỏ thủy tinh. Bên ngoài sát với rôto là các cuộn dây và lõi sắt của stato. Loại bóng X-quang anốt quay được dùng hầu hết các hệ thống máy X-quang hiện tại, công suất từ loại thấp như trong các máy di động (dòng khoảng 100 mA) đến trung bình (dòng khoảng 300-600 mA) và lớn (dòng khoảng 800 – 1000 mA). 1. Stato 2. Rato 3. Đĩa anốt 4. Chấm hội tụ 5. Catốt và sợi đốt 6. Difram 7. Phim X-quang Hình 2.2: Cấu trúc bóng X-quang a nốt quay Đồ án tốt nghiệp Page 7
18. 2.3 KHỐI TẠO CAO THẾ 2.3.1 Khái niệm chung Bóng X-quang chỉ phát xạ khi chùm tia điện tử bức xạ từ catốt của nó phải cố động năng đủ lớn. Muốn vậy, ta nối hai cực anốt, catốt của bóng với một nguồn điện áp cao thế có tự số khoảng từ 20 KV đến 100 KV. Điện áp này được tạo nhờ khối cao thế thường còn gọi là thùng cao thế. Thực chất hai tên gọi này có khác nhau đôi chút. Khối cao thế bao gồm biến áp cao thế và chỉnh lưu cao thế. Trong đó, thùng cao thế, ngoài hai cấu kiện trên còn chứa biến thế cấp nguồn sợi đốt, rơ le chọn bóng và một vài linh kiện bảo vệ khác nữa cũng như các cực đầu vào, ra. Khối tạo cao thế có hai loại: Khối cao thế và khối cao thế cao tần. 2.3.2 Khối cao thế: Bao gồm biến áp cao thế, chỉnh lưu cao thế. A. Biến áp cao thế a. Chức năng: Biến áp cao thế có nhiệm vụ tăng điện áp nguồn (220 V hoặc 380 V) lên tới hàng trăm KV (20 KV – 120 KV) nên đây là biến thế tăng áp. Nó có thể là biến thế một pha hoặc ba pha tùy theo yêu cầu chỉnh lưu cao thế. b. Cấu tạo: Gồm có hai cuộn dây, nếu là biến thế một pha hoặc 6 cuộn nếu là biến thế ba pha. Chúng được quấn quanh lõi sắt silic. Bao quanh cuộn sơ cấp (nối với nguồn AC) thường là một lớp vỏ bọc bằng đồng 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 này xuống đất. Cuộn thứ cấp được cuốn làm hai nửa. Điểm giữa chúng được nối đất. Cách bố trí này làm giảm nhu cầu về cách điện đi một nửa. Do vậy làm giảm được chi phí biến thế và cáp cao thế. Các cuộn dây sơ và thứ cấp được cách điện thật tốt với nhau. Tỷ số vòng N V giữa chúng bằng tỷ số điện áp: 2 2 N1 V1 N1, N2, V1, V2: số vòng mà các cuộn sơ, thứ cấp tương ứng. B. Chỉnh lƣu cao thế Bóng X-quang chỉ dẫn dòng một chiều từ anốt đến catốt. Vì vậy cần phải chính lưu điện áp cao thế xoay chiều thành một chiều để làm nguồn cấp cho bóng hoạt động. Hiện nay có ba loại chỉnh lưu cao thế dùng phổ biến là: + Chỉnh lưu một pha nửa sóng + Chỉnh lưu một pha cả sóng + Chỉnh lưu ba pha cả sóng Đồ án tốt nghiệp Page 8
19. a. Chỉnh lưu cao thế một pha nửa sóng Đây là loại chỉnh lưu đơn giản nhất. Thực chất nó chính là loại tự chỉnh lưu – bóng X-quang kiêm luôn chức năng chỉnh dòng, nó chỉ làm việc trong nửa chu kỳ (nửa sóng) khi điện thế anốt là dương so với catốt, còn trong nửa sóng còn lại, bóng không dẫn dòng. Loại chỉnh lưu nửa sóng chỉ được ứng dụng trong các loại máy X-quang loại nhỏ, di động hoặc máy X-quang răng. Những loại máy này thường dùng loại máy bóng X-quang anốt cố định, hội tụ đơn và dòng tối đa tới 60mA và KVp khoảng 100kV Hình 2.3: Chỉnh lưu một pha nửa sóng b. Chỉnh lưu cao thế một pha cả sóng: Loại chỉnh lưu một pha cả sóng nhằm khắc phục những nhược điểm cơ bản của loại chỉnh lưu một pha nửa sóng. Trong loại chỉnh lưu này cả hai nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều (cả sóng) đều được sử dụng. Nhờ vậy mà đã tăng đáng kể công suất phát xạ tia X, hiệu suất nói chung của cả khối cao thế và mở rộng phạm vi ứng dụng của thiết bị. Loại chỉnh lưu một pha cả sóng so với loại chỉnh lưu nửa sóng có những ưu điểm sau: + Công suất phát xạ tia X cao hơn + Hiệu suất sử dụng bóng X-quang lớn hơn. Tuy nhiên nó cũng tồn tại những nhược điểm: + Cấu tạo phức tạp hơn + Kích thước lớn hơn + Giá thành cao hơn Nhờ có những ưu điểm này, kiểu chỉnh lưu một pha cả sóng được ứng dụng chủ yếu trong các thiết bị X-quang loại lớn, lắp đặt cố định, đáp ứng được yêu cầu xét nghiệm thông thường và một số loại xét nghiệm đặc biệt. Dòng điện và nguồn Đồ án tốt nghiệp Page 9
20. điện áp cực đại của bóng X-quang trong kiểu chỉnh lưu này đạt tới khoảng 500 mA và 120 – 130 KVp tương ứng. Hình 2.4: Chỉnh lưu một pha cả sóng c. Chỉnh lưu cao thế ba pha cả sóng Hình 2.5: Chỉnh lưu ba pha cả sóng Năng lượng của tia X tỷ lệ với mAs, trong hai loại chỉnh lưu trên vì mA còn thấp nên phải kéo dài thời gian chụp dẫn tới nhòe ảnh do sự vận động của một số bộ phận cơ thể như tim, phổi đặc biệt đối với trẻ em Nhằm khắc phục những nhược điểm này cần nâng cao hơn nữa công suất phát xạ để có thể rút ngắn thời gian phát tia xuống còn có cỡ ms. Việc này được thực hiện nhờ ứng dụng kiểu chỉnh lưu ba pha. Trong chỉnh lưu ba pha, dòng tải phân phối đều trong cả ba pha, sự chênh lệch giữa Ip và Itb ít hơn. Do vậy có thể tăng dòng của bóng X-quang tới cỡ 100 mA khiến cho công suất phát xạ tia X-quang tăng lên rất nhiều. Với cùng một trị số mAs, ta có thể rút ngắn thời gian chụp do vậy có thể nâng cao chất lượng ảnh khi chụp những đối tượng vận động như phổi, tim nhờ Đồ án tốt nghiệp Page 10
21. giảm nhòe ảnh do di động, mặt khác do công suất phát xạ cao nên có thể kéo dài khoảng cách giữa tiêu điểm phát xạ (bóng X-quang) và phim nên có thể giảm tốc độ méo dạng hình học nghĩa là ảnh chụp có kích thước gần với kích thước thật. Do có thể duy trì điện áp chỉnh lưu cao thế gần như không đổi trong suốt quá trình chụp, kết hợp với việc sử dụng những mạch điện thời gian điện tử thích hợp, có thể giảm thời gian chụp xuống tới mức tối thiểu cỡ 1.0 ms. Do những ưu điểm này, kiểu chỉnh lưu ba pha được ứng dụng chủ yếu trong các thiết bị X-quang cỡ lớn, lắp đặt cố định trong các buồng xét nghiệm X-quang hiện đại, tinh vi kết hợp sử dụng nhiều thiết bị chuyên dụng khác như đèn tăng quang, hệ thống truyền hình 2.3.3 Khối cao thế cao tần Các khối cao thế trong các máy X-quang truyền thống, mà ở đó nguồn điện cung cấp cho khối chỉnh lưu cao thế được lấy trực tiếp từ lưới điện nghĩa là từ nguồn điện có tần số 50 Hz hoặc 60 Hz đều có chung một số nhược điểm sau: Độ gợn sóng của điện áp chỉnh lưu cao thế khi phát tia khá lớn tới cỡ hàng chục KV, sự chênh lệch này khiến cho phổ tia X phân bố trong giải khá rộng rãi dẫn tới ảnh không thật “sắc” như mong muốn. Trong một số máy, các nhà sản xuất đã sử dụng tụ điện để giảm độ gợn sóng này tuy nhiên cũng chỉ cải thiện được phần nào chất lượng ảnh. Tia X bức xạ không liên tục do vậy chùm tia X có nhiều bức sóng không mong muốn. Để khắc phục các nhược điểm cơ bản trên đây các nhà sản xuất đã ứng dụng kết hợp giữa nguồn điện xoay chiều có tần số cao và tụ điện lọc gợn sóng. Chúng ta đã cho ra đời máy xã hội thế hệ mới đó là máy X-quang cao tần. * Cấu tạo: Khối cao thế cao tần chỉ khác khối cao thế thông thường ở chỗ trong nó có bộ đổi tần. Bộ đổi tần có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện bởi 50 Hz thành nguồn điện cao tần vài chục KHz. Khối cao thế bao gồm các mạch sau: - Mạch nguồn DC - Mạch tạo xung - Mạch dao động liên tiếp - Mạch chỉnh lưu cao thế Đồ án tốt nghiệp Page 11
22. S K L 0 0 2 1 5 4