Đề tài Điều khiển tham số : kvp, ma, s, sid trong máy x quang

Điều khiển tham số : KVp, mA, s, SID trong máy X Quang Lời giới thiệu. 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 3 tham số điện :trị số điện áp cao thế (kVp), trị số dòng cao thế (mA) và khoảng thời gian phát tia (s); và một tham số cơ :khoảng cách từ nguồn phát tia X đến ảnh (SID). Vì vậy, trong bất kỳ máy X Quang nào dù loại truyền thống hay cao tần đều cần phải có các loại mạch điện tử, thiết bị để điều khiển, đo lường và chỉ thị các tham số cơ bản trên. Tuy nhiên giữa hai loại máy X Quang truyền thống và X Quang cao tần có sự khác nhau trong các mạch điện điều khiển. Với nội dung :”Điều khiển các tham số cơ bản : kVp, mA, s, SID trong máy X Quang”. Trong bài báo cáo của mình, Em chủ yếu đi sâu vào phân tích những vấn đề cơ bản về các loại mạch điện điều khiển tham số trong máy X Quang truyền thống và máy X Quang cao tần, cụ thể: I. Điều khiển tham số KVp, mA, s, SID trong máy X Quang truyền thống. 1. Cấu trúc chung của máy X Quang truyền thống. 2. Mạch điều khiển điện áp cao thế (KVp). 3. Mạch điều khiển dòng cao thế (mA). 4. Mạch điều khiển thời gian (s) 5. Điều khiển SID (Source Image Distance). II. Điều khiển tham số trong máy X Quang cao tần. 1. Cấu trúc chung của máy X Quang cao tần. 2. Bộ đổi tần. 3. khối cao thế cao tần. 4. Khối nguồn sợi đốt và điều khiển dòng cao thế. B. Nội dung. I.Điều khiển tham số KVp, mA, s, SID trong máy X Quang truyền thống. 1.Cấu trúc chung của máy X Quang truyền thống. Máy X Quang là một thiết bị tạo ảnh quang tuyến dùng trong chẩn đoán hình ảnh y tế. Về mặt cấu tạo nó bao gồm các khối: Khối thiết bị định dạng chùm tia X: Bộ cấp nguồn, mạch thời gian, mạch chiếu, mạch sợi đốt, mạch động cơ a-nốt. Khối thiết bị định vị bệnh nhân, chùm tia X... Khối thiết bị mang ảnh. Khối điều khiển. 2. Mạch điều khiển điện áp cao thế (KVp). 2.1. Đặc điểm và yêu cầu. Điện áp cao thế cung cấp cho bóng X Quang là một 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 phạm vi từ 40-150KVp. 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 trong thùng chứa đầy dầu cách điện cao thế (gọi là thùng cao thế). Trong máy X Quang truyền thống để tăng hoặc 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. 2.2. Điều khiển KV trong máy X Quang truyền thống. 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-tức là điện áp nguồn cung cấp cho biến thế cao thế, 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 thứ cấp. Biến thế cấp nguồn là biến thế tự ngẫu, chỉ gồm một cuộn dây với nhiều đầu ra, điện áp lối vào và ra lối với biến thế tại các điểm khác nhau (hình 1.2 và hình 1.3). Thông thường có hai loại biến thế cấp nguồn được chế tạo phù hợp với chức năng chụp và chiếu: Trong chế độ chụp: việc điều khiển trị số KV phải được thực hiện trước khi phát tia vì: Công suất tiêu hao rất lớn từ 10KWá150KW tuỳ từng loại máy X Quang, vì vậy biến thế cấp nguồn dùng cho chức năng này là loại công suất lớn với dòng điện chạy trong cuộn dây của nó (đồng thời cũng là dòng phía sơ cấp biến thế cao thế) cỡ hàng trăm Am_pe.Với dòng điện chụp lớn nếu quay công tắc chỉnh KV trong khi chụp thì sẽ phát sinh hồ quang điện gây cháy công tắc.Việc thay đổi KV được thực hiện từng bước, gián đoạn nhờ hai cái chuyển mạch (hình 1.2), mỗi chuyển mạch có khoảng từ 5á10 nấc.Trong đó một chuyển mạch để điều chỉnh thô với mỗi nấc tương ứng với trị số điện áp khoảng 10KV và một để điều chỉnh tinh với mỗi nấc tương ứng khoảng 1á1,5KV. Kết hợp hai chuyển mạch sẽ thực hiện được khoảng 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 di chuyển bóng qua các bộ phận dầy mỏng khác nhau của cơ thể, cần điều chỉnh KV kịp thời. 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 hay điều chỉnh vô cấp. Để làm được điều này, người ta dùng một biến thế lõi hình xuyến có con trượt tỳ lên lớp dây cuốn quanh để trích điện áp ra (hình 1.3). Điện áp lối ra lấy giữa một 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 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 áp hình xuyến và duy trì cường độ sáng. 2.3. Chỉ thị trị số KV. Trị số KV được xác định trước khi phát tia, chỉ thị bởi 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- DKV Trong đó KVtính toán là trị số KV lý thuyết với giả thiết hiệu suất của biến thế và chỉnh lưu là 100%. DKV là sụt áp tổng trên biến thế và chỉnh lưu cao thế. DKV thay đổi khi dòng cao thế thay đổi do vậy phải thiết kế mạch bù sụt áp theo các giá trị dòng cao thế khác nhau để đồng hồ đo chỉ thị đúng KV thực. Quan hệ giữa dòng điện sợi đốt (IH1, IH2 ), dòng a-nốt (I1,I2) và điện áp a-nốt bóng X Quang khi không tải (U01,U02) với một giá trị điện áp cao thế đặt trước (U1) được minh hoạ trên hình 1.4. Từ hình vẽ ta có nhận xét: Khi dòng bóng X Quang thay đổi từ giá trị I1 đến I2,với giá trị điện áp cao thế đã đặt trước, thì sụt áp cao thế cũng thay đổi theo (U01-U1,U02-U1) Dòng sợi đốt thay đổi nhỏ kéo theo sự thay đổi lớn của dòng a-nốt bóng X Quang. 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 thứ 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 DKV khác nhau được tính toán tương ứng với các giá trị KVbóng để khắc độ trên đồng hồ KV. Trên hình 1.5 là sơ đồ nguyên lý một loại mạch điện chỉ thị KV có bù sụt áp. Đồng hồ đo KV là loại xoay chiều, được nối với hai cụm chuyển mạch trong đó một để chọn kV và một để chọn mA. Hai cuộn dây được cuốn ngược chiều nhau trên cùng lõi biến thế cấp nguồn. Trị số điện áp đặt vào đồng hồ bằng hiệu của hai điện áp: VĐồng hồ=VKV-VBù=VKVthực Trong đó VKV trích từ chuyển mạch KV, còn VBù từ chuyển mạch mA. Giả sử khi tăng mA, chuyển mạch chuyển xuống phía dưới nên VBù tăng, VĐồng hồ giảm và ngược lại do vậy đồng hồ chỉ đúng giá trị thực của KV đặt vào bóng X Quang. 3. Mạch điều khiển dòng cao thế (mA). 3.1. Đặc điểm và yêu cầu. Tham số thứ hai cần thiết phải xác định trong tạo ảnh X Quang là trị số dòng điện cao thế, thường viết tắt là “mA“. Trị số mA tuỳ thuộc vào số lượng điện tử bức xạ tử bề mặt ca tốt-được xác định bởi nhiệt độ ca-tốt. Nhiệt độ ca-tốt phụ thuộc vào công suất điện tiêu hao trên sợi đốt (Psợi đốt=V2sợi đốt/R), nghĩa là do điện áp sợi đốt (Vsợi đốt) quyết định. Điện áp sợi đốt của bóng X Quang thường trong khoảng từ 8á12V 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 toả nhiệt vì vậy chỉ có thể thay đổi điện áp sợi đốt bằng cách thay đổi điện áp sơ cấp của biến thế này. Nếu bóng X Quang thuộc loại hội tụ kép thì cần có hai biến thế sợi đốt riêng biệt. Mỗi cái cấp nguồn cho một sợi đốt. Nguồn điện cung cấp nuôi sợi đốt phải đạt 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. 3.2. Mạch điều khiển mA trong máy X Quang truyền thống. Sơ đồ khối của các thành phần trong mạch sợi đốt của bóng X Quang truyền thống vẽ trên hình 1.6. Trong đó bao gồm các thành phần sau: 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. 3.2.1. Bộ ổn áp Trị số điện áp nguồn cung cấp thường không ổn định. Trị số điện áp nguồn tăng giảm do nhiều nguyên nhân: phụ tải thay đổi, chất lượng đường dây, dao động tần số lưới điện...,trong khi đó dòng cao thế (mA) phụ thuộc rất nhiều vào dòng sợi đốt tức là phụ thuộc vào điện áp nguồn. Trên hình 1.7 biểu thị mối quan hệ giữa dòng cao thế và dòng sơi đốt bóng X Quang. Thông thường dòng sợi đốt thay đổi khoảng 5 % thì mA thay đổi khoảng 30%. Do đó cần thiết phải ổn định điện áp sợi đốt bóng X Quang. Điện áp nguồn cấp cho biến thế sợi đốt được ổn định nhờ một bộ nguồn ổn áp, lối vào của nó nối với lưới điện, còn điện áp đã được ổn định ở lối ra sẽ cung cấp cho biến thế sợi đốt thông qua mạch điều khiển mA. Hai loại nguồn ổn định được dùng phổ biến trong các thiết bị X Quang hiện nay là ổn áp sắt từ và ổn áp điện tử. Mỗi loại có những ưu và nhược điểm riêng. 3.2.2. Mạch bù tần số. Để hạn chế sự ảnh hưởng của sự thay đổi tần số lưới điện tới điện áp nguồn sợi đốt, một mạch bù tần số như hình 1.8 được ứng dụng. Trong đó LC được lựa chọn sao cho nhạy cảm với tần số lưới điện. Trở kháng của các linh kiện L và C biến đổi theo tần số. Giả sử khi tần số lưới điện tăng cao hơn 50Hz thì điện áp ra của bộ ổn áp tăng, khi đó trở kháng của mạch LC và sụt áp trên nó (DVLC) cũng tăng, kết quả điện áp ra cung cấp cho biến thế sợi đốt không đổi. Khi tần số lưới điện giảm dưới 50 Hz thì quá trình xảy ra theo chiều ngược lại và điện áp ra cũng được duy trì ổn định. 3.2.3. Mạch bù hiệu ứng điện tích không gian. Trạng thái dưới bão hoà và hiệu ứng điện tích không gian : Khi ca-tốt bóng X Quang được nung nóng, tại bề mặt của nó sẽ bức xạ ra chùm điện tử. Mật độ năng lượng bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ (dòng sợi đốt) và diện tích bề mặt phát xạ (cấu trúc của a-nốt). Đám mây điện tích bao quanh ca-tốt do các điện tử tạo nên, gọi là điện tích không gian. Khi đặt một hiệu điện thế giữa a-nốt và ca-tốt, trong đó a-nốt có điện thế dương so với ca-tốt thì điện tử sẽ chuyển động về phía a-nốt và tạo nên dòng điện chạy trong bóng X Quang (dòng a-nốt). Nếu duy trì nhiệt độ ca-nốt ở một giá trị nào đó (do dòng sợi đốt quyết định) thì số lượng điện tử bức xạ ra sẽ không đổi. Khi tăng điện thế a-nốt, số lượng điện tử dịch chuyển về phía a-nốt sẽ tăng khiến cho dòng a-nốt tăng. Đây là trạng thái làm việc được gọi là trạng thái dưới mức bão hoà, trong đó điện áp và dòng điện của bóng X Quang phụ thuộc lẫn nhau. Khi điện áp a-nốt tăng tới một giá trị, tại đó toàn bộ số lượng điện tử bức xạ được hút hết về phía a-nốt, lúc này bóng X Quang làm việc ở trạng thái gọi là trạng thái bão hoà. Kể từ mức đó trở lên, việc thay đổi điện áp a-nốt không làm thay đổi dòng điện, nghĩa là điện áp và dòng điện biến đổi độc lập với nhau, bóng X Quang làm việc ở trạng thái trên mức bão hoà. Đây là trạng thái cần thiết trong việc tạo ảnh X Quang. Trong thực tế không phải lúc nào cũng đạt được trạng thái này. Thực tế đã chứng tỏ rằng, chỉ ở phạm vi dòng a-nốt còn tương đối thấp (dưới 100mA) thì dễ dàng đạt được trạng thái làm việc trên bão hoà ngay cả khi điện áp a-nốt còn tương đối thấp (khoảng 40 mA). Khi bóng hoạt động với dòng lớn hơn thì với điện áp a-nốt đã khá cao, một số lượng điện tử bức xạ không được hút về a-nốt mà tạo thành đám mây điện tử bao quanh bề mặt ca-tốt. 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. Từ hình 1.7 tương ứng dòng điện sợi đốt IH=4,25A, mối quan hệ giữa điện áp a-nốt và dòng điện a-nốt của một bóng X Quang như trong bảng 1 dưới đây: Điện áp a-nốt UA (KVp) Dòng điện a-nốt IA(mA) 60 150 70 200 100 250 Điều này khiến cho không thể các giá trị KV và mA độc lập với nhau. Mạch bù hiệu ứng điện tích không gian: Chức năng của mạch: 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 hoạt động của mạch bù hiệu ứng điện tích không gian: Giả sử đặt giá trị dòng cao thế là 200 mA và thay đổi các giá trị KV (theo bảng 1). Tai UA=70KV dòng cao thế sẽ là 200mA , nếu chuyển sang 60KV hoặc 100KV thì dòng tương ứng sẽ là 150mA và 250mA mặc dù giá trị đặt dòng cao thế vẫn là 200mA. Từ những số liệu trên đây ta thấy để duy trì trị số 200mA với UA=60KV thì phải tăng nhiệt độ ca-tốt nghĩa là phải tăng dòng sợi đốt, ngược lại để duy trì 200mA với UA=100KV thì phải giảm dòng sợi đốt. Tóm lại cần phải 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. Đây chính là nguyên lý hoạt động của mạch bù hiệu ứng điện tích không gian, được vẽ trên hình 1.9. Trong mạch cấp nguồn sợi đốt bóng X Quang, có một biến thế gọi là biến thế bù áp (ký hiệu chữ T), cuộn dây thứ cấp của nó được nối liên tiếp giữa biến thế sợi đốt (F) và mạch chọn mA, còn 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 a-nốt. Chiều cuốn và cách đấu cuộn thứ cấp biến áp T sao cho điện áp cảm ứng của nó ngược pha với điện áp từ bộ ổn áp. Từ hình vẽ, điện áp tại sơ cấp biến thế sợi đốt (VF) sẽ bằng: VF=Vổn áp-(VR+VT) Khi chuyển mạch KV đặt tại vị trí x (tương ứng 70KV như ví dụ trên), điện áp trên cuộn sơ cấp biến áp bù bằng 0V nên không ảnh hưởng đến mạch sợ đốt. Khi chuyển mạch di chuyển về hướng B, KV tăng (ví dụ lên 100KV) tại sơ cấp và thứ cấp biến áp bù xuất hiện điện áp tỷ lệ với sự tăng trưởng của KV, khi đó điện áp sợi đốt VF sẽ giảm khiến cho dòng a-nốt được duy trì như giá trị đặt tương ứng với 70KV. Khi chuyển mạch KV di chuyển về hướng A, điện áp a-nốt giảm (ví dụ xuống 60KV) quá trình xảy ra theo hướng ngược lại và dòng a-nốt không thay đổi. 2.2.4. Mạch đặt dòng cao thế Mạch này bao gồm một cái chuyển mạch nhiều nấc và một số điện trở (hình 1.8). Những điện trở này được mắc nối tiếp giữa nguồn ổn áp và các mạch bù (tần số, hiệu ứng điện tích không gian) với sơ cấp biến thế sợi đốt thông qua tiếp điểm của chuyển mạch chọn mA. Trị số của các điện trở được lựa chọn sao cho điện áp sợi đốt thích hợp với các giá trị mA đã xác định. 2.2.5. Chỉ thị dòng cao thế (mA) Trong các máy X Quang truyền thống ,việc chỉ thị trị số dòng cao thế chỉ thực hiện trong chế độ soi vì thời gian soi đủ dài. Trong chế độ chụp vì thời gian phát tia quá ngắn không đủ thời gian hiển thị dòng cao thế. Đồng hồ có thể là loại chỉ kim hoặc loại chỉ thị số. Vị trí lắp đặt tại điểm nối tiếp giữa 2 nửa cuộn dây thứ cấp biến áp cao thế-điểm nối đất an toàn (hình 1.1). 4. Mạch điều khiển thời gian (s) 4.1. Đặc điểm và yêu cầu Thời gian phát tia X là một trong những tham số quyết định mật độ tia X. Chức năng này được thực hiện bởi mạch thời gian(timer). Nhiều loại mạch thời gian được nghiên cứu và chế tạo trong quá trình phát triển công nghệ chế tạo máy X Quang. Về phương thức xác định thời khoảng phát tia X, có thể phân chia mạch thời gian ra làm 3 loại sau đây: Mạch điều khiển phát tia X theo khoảng thời gian (s). Mạch điều khiển phát tia X theo mAs. Mạch thời gian tự động. 4.2. Mạch điều khiển phát tia X theo khoảng thời gian. Hầu hết các mạch 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 0V, tụ bắt đầu được nạp điện và tia X bắt đầu được phát. Mạch nạp tụ bao gồm một hoăc 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. Một số loại linh kiện điện tử thường được dùng trong các mạch thời gian điện tử như: transistor một tiếp giáp (UJT-UniJunction Transistor) và thyristor hoặc mạch tích hợp (IC-Intergrated Circuit). Trên đường đặc tuyến V-A của UJT và thyristor đều có vùng trở kháng âm nhờ vậy sự chuyển trạng thái của chúng từ ngắt sang dẫn hoặc ngược lại diễn ra đột biến (thời gian quá độ rất ngắn) và chúng được dùng làm công tắc điện tử. Mạch điện trên hình 1.12 ứng dụng transistor một tiếp giáp UJT cho hai chức năng: 1.Mạch thời gian (hình 1.12 b): công tắc S1 chuyển từ trạng thái đóng sang hở mạch, tụ C được nạp với hằng số thời gian RC, Uc tăng đến điện áp kích hoạt Vp của UJT, UJT mở, tụ C phóng điện qua tiếp điểm EB1 của UJT tạo ra một xung nhọn tại R1, S1 đóng lại kết thúc quá trình tạo khoảng thời gian T. 2.Mạch tạo xung (hình 1.12 c) :nếu S1 tiếp tục mở, tụ C tiếp tục được nạp, quá trình tiếp diễn .Kết quả tại B1 của UJT một chuỗi xung nhọn được tạo ra. Loại mạch thời gian điều khiển phát tia X theo thời khoảng, hoạt động theo nguyên lý đồng pha là loại mạch phổ biến, được vẽ trên hình 1.13. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: 1.Nguồn cấp cho mạch gồm: Biến thế hạ áp T5 Mạch cấp nguồn DC : điện áp AC 24V, cầu chỉnh lưu RE1 và các mắt lọc R49, R35, C7 &C8 tạo thành nguồn DC 28V Mạch tạo xung có tần số 100Hz : điện áp AC 24V, điốt D6, D7, R46, và điốt Zener Z3, tạo ra một chuỗi xung gần vuông có biên độ bằng 5,6V. Mạch nguồn nuôi rơ-le phát tia S012: điện áp AC 2x85V 2.Thời điểm bấm công tắc chụp. Rơ-le S9 tác động, S9a nối mạch nguồn DC 28V. Điện áp phân áp cho transistor T7 bằng : VBE(T7)=VR42-VR43ằ0V Trong đó: VR42 là điện áp tạo ra từ nguồn 28V DC và mạch phân áp R33, R42 (28V x 3,3/(82+3,3))=1,08V VR43 là điện áp tạo ra từ nguồn 5,6V DC và mạch phân áp R43, R44 (5,6V x 0,47/(0,47+1,8))=1,15V có chiều ngược với VR42. Với phân áp VBE(T7) làm T7 ngắn mạch (off), VR32=0V nên T8 cũng ngắn mạch và điện áp tại điểm TP2=0V Transistor T3 thông nhờ mạch phân áp R36 và R37 ,điện áp tại TP3=0V và T4 ngắn mạch. Như vậy, tại thời điểm bấm công tắc phát tia, rơ-le phát tia S012 chưa tác động và chưa có tia X được phát ra. 3.Thời điểm bắt đầu phát tia. Khi điện áp AC về điểm 0V, điện áp tại điểm B cũng tụt xuống 0V, VR43=0V nên VBE(T7)ằ1V. T7 dẫn (on) kéo theo T8 dẫn và điện áp tại TP2ằ28V. Một mạch hồi tiếp dương gồm R45, R42 tiếp tục duy trì trạng thái dẫn của T7 và loại bỏ ảnh hưởng của điện áp trên R43. Tại thời điểm này: Mạch tạo xung điều khiển bắt đầu hoạt động. Đây là một mạch dao động tự do gồm T5 (loại UJT) ,C3, R24, R25, R27, tạo ra một chuỗi xung nhọn có chu kỳ lặp lại khoảng 1ms. Chuỗi xung này kích hoạt các thyristor TH1 và TH2 khiến chúng thay nhau dẫn dòng trong cả 2 nửa chu kỳ AC. Nguồn AC 2x85V được cấp cho rơ-le S012 và tia X bắt đầu được phát ra. Mạch tính thời gian bắt đầu hoạt động. Mạch này gồm transistor T6 (UJT), điốt zener Z2 và các linh kiện liên quan. Điện áp 28V DC được ổn định tại 15V nhờ Z2 và R16, cung cấp cho mạch nạp điện gồm tụ C4 và các điện trở R13, R50, chuỗi các điện trở từ R19-R37 để đặt thời khoảng phát tia từ 10 ms đến 5 s, R13 để chuẩn mức thời gian 10 ms. Mạch tạo xung đơn gồm T6, R14, R15, C5, R47, R41 và C1, trong đó R15 để điều chỉnh chính xác giá trị điện áp kích hoạt-mở T6 và chính là điện trở hiệu chuẩn mức thời gian dài nhất (5 s). Tụ C4 được nạp với tốc độ nhanh/chậm tương ứng với thời khoảng phát tia ngắn/dài, điện áp tại tụ tăng dần. 4.Thời điểm kết thúc phát tia X. Khi VC4 đạt tới giá trị ngưỡng mở (Vp) của T6 thì T6 dẫn. C4 phóng qua EB1T6 và R47 tạo nên một xung kim, được đưa vào cực gốc T4 để chuyển trạng thái T4 từ off sang on. Điện áp cực góp T4 sụt xuống gần bằng 0V do có sụt áp trên R36,VB T3 giảm xuống dưới 0,6V và T3 ngắn mạch khiến mạch tạo xung điều khiển thyristor TH1 và TH2 ngừng hoạt động. Tuy nhiên, do tính chất của thyristor, việc phát tia X chỉ ngừng khi kết thúc nửa chu kỳ AC sau khi đã hết xung điều khiển. T4 được duy trì ở trạng thái dẫn nhờ mạch phân áp R23 và R40. Đây là mạch thời gian đồng pha. Tia X chỉ được bắt đầu và kết thúc tại thời điểm nguồn AC bằng 0V. Do vậy thời khoảng phát tia được tính bằng bội số thời gian nửa chu kỳ dòng AC. T=n. Trong đó f là chu kỳ dao động của nguồn điện lưới (giá trị danh định 50Hz), n là số nguyên dương. Kỹ thuật tạo ảnh X Quang ứng dụng 3 trị số đặt KVp, mA và s còn được gọi là kỹ thuật 3 điểm. Ưu điểm của mạch phát tia X theo khoảng thời gian: Cấu trúc đơn giản, độ chính xác và độ ổn định khá cao. Nhược điểm: Phụ thuộc vào tần số lưới điện: theo công thức trên, nếu tần số lưới điện thay đổi thời khoảng phát tia X thay đổi. Việc sử dụng phức tạp: mật độ quang cần thiết để tạo ảnh Q phụ thuộc vào dòng cao thế IA (mA) và thời gian phát tia T(s). Q=IA.T (mAs). Vì hai giá trị này được đặt độc lập với nhau nên người sử dụng phải tra bảng để xác định Q. Bất kỳ sự sai lệch nào giữa giá trị thực và giá trị đặt của một trong hai thông số trên đều ảnh hưởng đến mật độ quang. Thời khoảng phát tia ngắn nhất còn khá dài, với n=1 thời gian phát tia ngắn nhất sẽ là 10 ms. Trong thực tế có những trường hợp thời gian phát tia Ê1ms như kiểu chụp nhiều ảnh liên tiếp trong máy X Quang chụp mạch... Hình 1.13: Mạch thời gian ứng dụng nguyên lý cắt đồng pha 4.3. Mạch điều khiển phát tia X theo mAs. Để khắc phục nhược điểm của loại máy đóng cắt tia X theo khoảng thời gian nói trên, mạch đóng ngắt tia X theo đại lượng Q đã được ứng dụng Q=I.T Q: mật độ quang (mAs). I: dòng cao thế (mA). T: thời khoảng phát tia (s). Hình 1.15 là sơ đồ khối của mạch loại này . Nguyên lý hoạt động của mạch: Khi đóng mach phát tia, trong mạch chỉnh lưu cao thế sẽ có dòng cao thế theo thời gian thực Ithực, dòng này tạo ra một điện áp trên điện trở R mắc giữa hai nửa cuộn thứ cấp cao áp, điện áp nay 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 vời một đại lượng mà nó phản ánh cả hai đại lượng I và T đó chính là Qthực, được tính theo biểu thức sau: Qthực= Trong đó tE là thời gian phát tia. Điện áp này được đưa tới một đầu vào của một mạch so sánh, đầu ra của mạch so sánh là một điện áp tham chiếu mà trị số của nó tỷ lệ với giá trị đã xác định (Qđặt). Ngay khi Qthực đặt tới giá trị Qđặt thì mạch so sánh sẽ phát tín hiệu ra lệnh ngừng phát tia. Như vậy, trong mạch đóng cắt tia X theo Q, thời gian phát tia tE và/hoặc dòng cao thế Ithực có thể thay đổi nhưng mật độ quang vẫn đạt yêu cầu. Hiện nay loại máy X Quang ứng dụng mạch thời gian tính theo giá trị Q (mAs) còn gọi là kỹ thuật 2 điểm ngày càng phổ biến và thay thế dần loại mạch đóng cắt tia X thuần tuý theo thời gian. 4.4. Mạch thời gian tự động Mạch thời gian tự động mới được ứng dụng gần đây. Khác với các loại mạch nói trên, 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 (D)-đó là sự kết hợp nhiều thông số trong quá trình tạo ảnh bằng tia X. Với những mạch thời gian nói trên, khi tiến hành các ca chụp, người vận hành căn cứ vào thể trạng người bệnh (già, trẻ, gầy, béo...) và cơ quan nội tạng (đường ruột, phổi, xương... ) mà định ra các chỉ số điện áp cao thế (KV), dòng cao thế (mA) và thời gian (s) cần thiết. Như vậy các tham số này được xác định dựa trên cơ sở kiến thức và kinh nghiệm của người vận hành là chính nên kết quả thu được mang tính chủ quan. Hình ảnh trên phim không phải lúc nào cũng đạt chất lượng như mong muốn. Còn trong máy X Quang ứng dụng mạch thời gian tự động, điều quan tâm và điều khiển là lượng tia X thâm nhập vào phim- đây chính là yếu tố quyết định chất lượng hình ảnh và là một yếu tố khách quan. Để thực hiện được 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). Hiện nay có 3 loại cảm biến thường được ứng dụng là: Đèn nhân quang. Buồng I-ông. Vật liệu bán dẫn điện. Nguyên lý hoạt động của mạch: Sơ đồ khối của loại mạch thời gian tự động ứng dụng cả hai loại cảm biến(buồng I-ông & đèn nhân quang) vẽ trên hình 1.16. Các dòng điện cảm ứng ic và ib tỷ lệ với liều lượng tia X, từ buồng I-ông hoặc đèn nhân quang được đưa tới lối vào của một mạch tích phân, tại đầu ra của mạch tích phân sẽ tạo ra điện áp tỷ lệ với liều lượng tia thực Dthực- mang thông tin về mật độ chùm tia X đã bị suy giảm sau khi xuyên qua đối tượng, tín hiệu này sẽ được so sánh với tín hiệu Dđặt(liều lượng tia X cần thiết) tại một mạch so sánh. Khi 2 tín hiệu này bằng nhau, mạch so sánh sẽ phát tín hiệu ra lệnh ngừng phát tia. Buồng I-ông được dùng khá phổ biến, thường được bố trí trước phim, có kích thước bao trùm vùng xét nghiệm, bề dầy khoảng 6-10 mm và không tạo ra bóng trên phim (trong suốt với tia X). Hai mặt đối diện của buồng I-ông là hai tấm điện cực tạo thành tụ điện có chất điện môi là không khí. Hiệu điện thế giữa 2 tấm điện cực vào khoảng300-1000V DC. Dòng điện cảm ứng khoảng vài chục đến vài trăm pA. Đèn nhân quang (hình 1.17) thường được sử dụng kết hợp với hệ thống máy X Quang truyền hình, bố trí tại lối ra của thiết bị tăng sáng. Dòng điện cảm ứng tỷ lệ với cường độ sáng của hình ảnh. Trong hình 1.16 tác dụng của đèn nhân quang để ổn định cường độ sáng của ảnh khi soi. Loại mạch thời gian tự động còn gọi là kỹ thuật 1 điểm được ứng dụng trong hầu hết các hệ thống X Quang chẩn đoán hiện đại như chụp/chiếu tăng sáng -truyền hình, chụp mạch, chụp mạch xoá nền... Ưu điểm của loại mạch này là sự phối hợp chặt chẽ cả 3 thông số KVp, mA và s để tạo ra mật độ quang cần thiết. Bất kỳ sự biến động nào của các thông số cũng được bù/trừ bởi các thông số khác để duy trì giá trị mật độ quang đã đặt. 4.5. Chỉ thị thời gian Máy X Quang ứng dụng loại mạch thời gian tương ứng với một trong 3 loại mạch thời gian nói trên sẽ có đồng hồ chỉ thị các trị số s hoặc mAs. Hầu hết đồng hồ chỉ thị thời gian là đồng hồ hiển thị số. 5. Điều khiển SID (Source Image Distance). SID là khoảng cách từ nguồn phát tia X đến vật mang ảnh, độ lớn của SID ảnh hưởng tới liều lượng tia X thâm nhập vào ảnh và độ méo dạng của ảnh: SID lớn thì cường độ tia X thâm nhập vào ảnh nhỏ, nhưng bù lại độ méo dạng của ảnh lại ít. Ngược lại, SID nhỏ thì cường độ tia X thâm nhập vào ảnh lớn và độ méo dạng của ảnh X Quang lại nhiều. Một yêu cầu đặt ra cho một ảnh X Quang có chất lượng tốt là: Chỉ chụp một lần. Có độ tương phản và phân giải cao. Để đạt được điều này cần có sự phối hợp giữa các thông số kVp, mA, s và SID một cách hợp lý trước khi bấm công tắc chụp. Nhờ vào biểu đồ kỹ thuật người vận hành máy sẽ tìm được mối quan hệ giữa các thông số ,cụ thể: Khi trị số kVp tăng 15% cần giảm 50% mAs thì mới giữ được độ tương phản của ảnh như cũ. Để nhận biết được sự thay đổi mật độ quang thì trị số kV ít nhất được thay đổi 5% và mAs ít nhất thay đổi 30%. mAs tỷ lệ với bình phương SID, tức là nếu SID tăng lên 2 lần tương đương mAs tăng 4 lần. Việc điều chỉ tham số SID thông qua hệ thống cơ của máy X Quang. Ii. Điều khiển tham số trong máy X Quang cao tần. 1.Cấu trúc chung của máy X Quang cao tần. Trong 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 50Hz. Do đó nó có một số nhược điểm : Chất lượng 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 phố trong giải khá rộng bao gồm cả 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. Cấu trúc cồng kềnh chiếm nhiều diện tích, khối lượng lớn. Để khác phục hai nhược điểm cơ bản nói trên, trong máy X Quang cao tần, các bộ biến đổi tần số lưới điện lên tần số cao từ vài kHz đến vài chục kHz đã được ứng dụng. Về mặt cấu tạo, sự khác nhau cơ bản giữa máy X Quang cao tần và máy X Quang truyền thống chỉ ở chỗ trong máy X Quang cao tần có các bộ đổi tần. 2. Bộ đổi tần. Thành phần chủ yếu của các mạch điều khiển tham số trong máy X Quang cao tần là bộ đổi tần. Do vậy, trước khi đi cụ thể vào phân tích từng mạch, việc phân tích, lắm vững cấu tạo và nguyên lý bộ đổi tần là một yếu tố cần thiết. Sơ đồ khối bộ đổi tần vẽ trên hình 2.1, bao gồm mạch cấp nguồn DC và mạch đổi tần. 2.1. Mạch cấp nguồn một chiều DC. Mạch cấp nguồn một chiều là mạch chỉnh lưu AC-DC, thông thường được nối trực tiếp với nguồn AC 50 Hz một pha hoặc 3 pha (hình 2.2) Nguồn AC được chỉnh lưu bởi cầu chỉnh lưu hoặc bởi mạch chỉnh lưu 3 pha 6 xung. Điện áp sau chỉnh lưu được làm bằng phẳng bởi các mắt lọc. Để đảm bảo sao cho các thành phần gợn sóng chỉ còn rất nhỏ, khiến cho VDC có thể coi như là hằng số, các tụ lọc thường có trị số rất lớn (từ vài nghìn đến hàng chục nghìn mF). Những tụ này thường là loại tụ điện hoá học có điện áp làm việc khoảng 500-1000V DC. 2.2. Mạch đổi tần. Sơ đồ nguyên lý của mạch đổi tần vẽ trên hình 2.3. Mạch bao gồm 4 cái Chuyển mạch điện tử và một mạch dao động liên tiếp. Hiện nay hai loại mạch chuyển mạch điện tử thường được dùng là: thyristor và transistor có cực cổng các ly (IGBT). Với loại thyristor tần số mạch đổi tần đạt được khoảng 5á15 kHz, còn với IGBT trị số này từ vài chục kHz á khoảng 100kHz. Bốn cái chuyển mạch điện tử Th1, h2, Th3, Th4 được nối thành mạch cầu, trong đó một đường chéo của cầu nối với nguồn DC, một nối 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 thyristor Th1, Th4. Hai thyristor này mở và dòng điện từ nguồn +UDC qua Th1, tụ Cs , cuộn L, Th3 tới -UDC. Đến thời điểm t2, một xung điều khiển tiếp theo được đưa đồng thời vào cực cổng của 2 thyristor Th2, Th3. Hai thyristor này mở và dòng điện từ nguồn +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) vẽ trên hình 2.4 2.3. Điều khiển trong mạch đổi tần. t2 t Xung điều khiển i(t) t6 t7 t8 t t5 t4 t3 t1 Hình2.4 :Dạng sóng i(t) tại thời điểm khác nhau và với tần số xung điều khiển khác nhau Dạng sóng i(t) trên hình 2.4 có những đoạn khác nhau do tần số lặp lại của xung điều khiển thay đổi. Từ thời điểm từ t1át5 tần số lặp lại của xung điều khiển bằng tần số cộng hưởng riêng của mạch dao động liên tiếp: fxđk=f0. Các cặp thyristor Th1, Th4 và Th2, Th3 lần lượt dẫn dòng tạo ra dao động liên tục với dạng sóng gần hình sin. Trở kháng của mạch dao động liên tiếp được tính theo biểu thức: Z= Trong đó XL=2pfL và XC=1/(2pfC). Khi XL=XC- ứng với tần số cộng hưởng, trở kháng sẽ nhỏ nhất Z=R và dòng điện trong mạch đạt giá trị cực đại. Từ thời điểm t5át7 tần số lặp lại của xung điều khiển nhỏ hơn tần số cộng hưởng riêng của mạch dao động liên tiếp: fxđk<f0. Cặp thyristor Th1, Th4 dẫn , tiếp đến các đi-ốt D1, D4 dẫn dòng theo chiều ngược lại, rồi đến các cặp thyristor Th2, Th3 và đi-ốt D2, D3 tạo ra dao động ngắt đoạn với dạng sóng khác với dạng sóng hình sin. Trở kháng của mạch dao động lớn hơn R và dòng trong mạch sẽ giảm. Udđ fthđk Hình 2.5:Quan hệ giữa điện áp tại cuộn L và tần số tín hiệu điều khiển trong mạch dao động liên tiếp. Như vậy bằng cách thay đổi tần số của tín hiệu điều khiển sẽ thay đổi dòng điện và điện áp trong mạch dao động liên tiếp. Quan hệ giữa điện áp tại cuộn cảm L và tần số tín hiệu điều khiển vẽ trên hình 2.5 3. Khối cao thế cao tần. Sơ đồ nguyên lý của khối cao thế cao tần vẽ trên hình 2.6, trong đó bộ đổi tần đóng vai trò quan trọng. 2.6 3.1. Mạch đổi tần. Gồm có 4 transistor loại IGBT Q1áQ4, 4 đi-ốt D1áD4 và mạch dao động liên tiếp gồm cuộn cảm L2, tụ C4 và biến áp cao thế. Từng cặp transistor Q1, Q4 và Q2, Q3 được điều khiển bởi các xung do các mạch tích hợp J10, J11 tạo ra. Mạch hồi tiếp tự động ổn định tức thời trị số điện áp cao thế gồm phần tử cảm nhận trong mạch dao động và mạch tích hợp J8. Các linh kiện ghép quang J1a,báJ4a,b, dùng để cách ly về điện giữa các mạch điều khiển và các transistor Q1áQ4. 4. Khối nguồn sợi đốt và điều khiển dòng cao thế. Bộ đổi tần cũng được ứng dụng trong khối mạch cung cấp nguồn mạch sợi đốt bóng X Quang. Sơ đồ khối của một khối cấp nguồn trong máy X Quang cao tần vẽ trên hình 2.7 2.7 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 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 ánh cả sự thay đổi của dòng cao thế và dòng sợi đốt, điều khiển bộ đổi tần. Kết qủa dòng điện trong mạch đổi tần và dòng sợi đốt được duy trì ổn định theo giá trị đặt trước. ------------------------------------o0o-----------------------------------