Chuyên đề Vật lí 12 Bài 5 (Chân trời sáng tạo): Tia X. Chụp ảnh X-quang và chụp ảnh cắt lớp (CT)

Giải Chuyên đề Vật lí 12 Bài 5: Tia X. Chụp ảnh X-quang và chụp ảnh cắt lớp (CT)

Mở đầu trang 29 Chuyên đề Vật Lí 12: Năm 1895, nhà vật lí người Đức Wilhelm Conrad Röntgen (Quy-ham Con-ra Rơn-ghen) (1845 - 1923) (Hình 5.1) đã tìm ra một loại tia đặc biệt có khả năng đâm xuyên qua vật thể, giúp ta quan sát được cấu trúc của một số cơ quan trong cơ thể (như xương bàn tay trong Hình 5.2a) mà không cần phẫu thuật. Tia đặc biệt đó được gọi là tia X, kĩ thuật chụp ảnh bằng tia X được gọi là kĩ thuật chụp ảnh X-quang. Ngoài ra, để hỗ trợ quá trình chẩn đoán bệnh của bác sĩ được nhanh chóng và chuẩn xác, xương và các mô của cơ thể có thể được chụp bằng kĩ thuật chụp ảnh cắt lớp (CT - Computed Tomography) (Hình 5.2b). Vậy tia X có những tính chất gì và nguyên tắc cơ bản của kĩ thuật chụp CT là gì?

Lời giải:

Tia X có một số tính chất nổi bật sau đây:

- Có bản chất là sóng điện từ nên có thể truyền trong chân không.

- Không mang điện tích vì thế không bị lệch trong điện trường và từ trường.

- Mang năng lượng cao, do đó có khả năng đâm xuyên mạnh. Tia X có thể đâm xuyên qua tấm nhôm dày vài cm, nhưng lại bị cản lại bởi lớp chì dày vài mm. Do đó, người ta thường dùng chì để làm vật liệu che chắn tia X.

- Có tác dụng mạnh lên kính ảnh, làm ion hoá không khí.

- Có tác dụng làm phát quang một số chất.

- Có tác dụng sinh lí mạnh: huỷ diệt tế bào, diệt vi khuẩn,…

Nguyên tắc cơ bản của kĩ thuật chụp CT:

- Trong kĩ thuật chụp CT, máy tính được sử dụng để điều khiển chuyển động quét của nguồn phát tia X và tái tạo hình ảnh của vùng cơ thể cần chẩn đoán.

- Hai bộ phận quan trọng nhất của máy chụp CT, gồm:

+ Ống phát tia X để phát ra chùm tia X có dạng rẻ quạt 30º - 60º . Ống tia X được gắn vào mâm quay để có thể quay 360º quanh vùng cơ thể cần chụp của bệnh nhân.

+ Hàng trăm đầu dò được ghép liên tiếp nhau trên một vòng tròn quỹ đạo của ống tia X để ghi nhận chùm tia X sau khi xuyên qua cơ thể bệnh nhân.

- Để chuẩn bị chụp CT, bệnh nhân được nằm trên bàn trượt và đưa vào trong máy chụp. Trong quá trình chụp, ống phát tia X quay xung quanh bệnh nhân. Các chùm tia X sau khi xuyên qua cơ thể bệnh nhân được ghi nhận bởi hệ thống đầu dò tia X. Dữ liệu thu được từ hệ thống đầu dò tạo ra một loạt ảnh X-quang hai chiều ở nhiều góc độ khác nhau. Những dữ liệu này được chuyển đến hệ thống máy tính để xử lí và hiển thị chúng thành nhiều lớp khác nhau của vùng cần chụp.

1. Tia X

Hình thành kiến thức mới 1 trang 30 Chuyên đề Vật Lí 12: Trình bày các quá trình biến đổi năng lượng diễn ra khi ống phát tia X hoạt động.

Lời giải:

Chùm electron phát ra từ cathode, được gia tốc bởi điện trường có cường độ lớn giữa anode và cathode, đến va đập vào đối cathode và phát ra tia X theo mọi hướng. Các kết quả thực nghiệm cho thấy chỉ khoảng 1% năng lượng của chùm electron năng lượng cao này được chuyển thành năng lượng của tia X, phần còn lại chuyển thành nhiệt năng của đối cathode làm nhiệt độ của nó tăng lên.

Luyện tập trang 32 Chuyên đề Vật Lí 12: Chiếu một chùm tia X có cường độ 30 W/m² qua một phần mô xương có bề dày là 5 mm. Tính cường độ chùm tia X sau khi truyền qua phần mô xương đó, biết hệ số hấp thụ của xương đối với chùm tia X đó là 600 m^-1.

Lời giải:

Cường độ chùm tia X sau khi truyền qua phần mô xương là:

$I=I_0.e^{-\mu x}=30.e^{-{\mathrm{600.5.10}}^{-3}}=1,49W/m^2$

Vận dụng trang 32 Chuyên đề Vật Lí 12: Dựa vào công thức (5.1), giải thích sự tạo thành hình ảnh X-quang ở Hình 5.2a.

Lời giải:

Vì m là hệ số hấp thụ tia X của vật chất, xương và các mô, cơ quan khác nhau sẽ có hệ số thấp thụ khác nhau, do đó trong chụp X-quang, các mô dày, đặc (ví dụ như xương) sẽ chặn hầu hết tia X, trong khi các mô mềm như mỡ hoặc cơ, chặn ít hơn. Các mô chặn nhiều tia X sẽ hiển thị dưới dạng vùng trắng trên nền đen. Các mô mềm chặn ít tia X hơn được hiển thị với màu xám. Với những khối u, mô thường dày và đặc hơn các mô xung quanh, vì vậy chúng có màu xám nhạt hơn. Các cơ quan chứa nhiều không khí (chẳng hạn như phổi) thường có màu đen.

Hình thành kiến thức mới 2 trang 32 Chuyên đề Vật Lí 12: Giải thích tại sao chụp ảnh X-quang liên tục trong một khoảng thời gian ngắn sẽ có hại đến sức khoẻ bệnh nhân.

Lời giải:

Chụp ảnh X-quang liên tục trong một khoảng thời gian ngắn sẽ có hại đến sức khoẻ bệnh nhân vì:

- Khi ta tiếp xúc tia X quá mức mà tia X là một dạng bức xạ ion hoá, có khả năng phá huỷ tế bào của cơ thể.

- Tiếp xúc nhiều có thể gây ra các bệnh như: ung thư, bỏng da, bệnh về mắt,…

- Chụp X-quang nhiều gây các tác dụng phụ như buồn nôn, chóng mặt, ảnh hưởng đến sức khoẻ của bệnh nhân.

Vận dụng trang 33 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu trên sách, báo, internet để trình bày một số ứng dụng khác của tia X trong đời sống và khoa học. Gợi ý: Tia X có thể được sử dụng để kiểm tra khuyết tật mối hàn kim loại hoặc các sản phẩm công nghiệp (vết nứt trong các vật đúc, bọt khí trong các vật thể bằng kim loại); máy quét tia X được sử dụng trong kiểm soát an ninh (Hình 5.7).

Lời giải:

Ứng dụng của tia X trong đời sống và khoa học:

- Tia X được dùng nhiều nhất để tạo ảnh trong y học (còn gọi là chiếu điện, chụp điện hay chụp X quang), góp phần quan trọng vào việc chẩn đoán bệnh. Tia X cũng được dùng trong việc điều trị một số khối u ung thư nằm nông ở da, các tế bào ung thư có thể bị huỷ diệt bởi chùm tia X năng lượng cao.

- Tia X được dùng trong nghiên cứu cấu trúc vật rắn, các ngôi sao, lỗ đen, ... Ví dụ, kính thiên văn tia X là một trong những thiết bị quan sát các đối tượng thiên văn.

- Tia X có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ, tia X được dùng để kiểm tra chất lượng các vật đúc, tìm các vết nứt, các bọt khí bên trong các vật bằng kim loại, ...

- Tia X còn được dùng để xác định tính nguyên bản hoặc tính xác thực của một tác phẩm nghệ thuật. Ví dụ, một bức tranh được chiếu bằng tia X để kiểm tra xem nó có được vẽ chồng lên bức tranh khác hay không. Điều này giúp loại bỏ việc vi phạm bản quyền các bức tranh và tác phẩm nghệ thuật.

- Tia X được dùng trong kiểm tra an ninh như kiểm tra hành lí của hành khách đi máy bay, phát hiện các chất bất hợp pháp như thuốc nổ, ... xác định vị trí các kim loại như bạc, vàng, ... khi cần thiết (ví dụ mang vàng trái phép trong hành lí khi di chuyển, ... ).

2. Kĩ thuật chụp ảnh X-quang

Hình thành kiến thức mới 3 trang 33 Chuyên đề Vật Lí 12: Quan sát Hình 5.9 và cho biết làm sao để điều chỉnh bề rộng của chùm tia X khi chiếu vào phần cơ thể cần chụp của bệnh nhân.

Lời giải:

Để điều chỉnh bề rộng của chùm tia X khi chiếu vào phần cơ thể cần chụp của bệnh nhân ta cần điều chỉnh khẩu độ.

Hình thành kiến thức mới 4 trang 35 Chuyên đề Vật Lí 12: Quan sát Hình 5.12, giải thích vì sao màn chống tán xạ thường gồm những tấm chì được đặt xen kẽ với những tấm nhôm.

Lời giải:

Màn chống tán xạ thường gồm những tấm chì được đặt xen kẽ với những tấm nhôm vì:

- Chì là vật liệu có khả năng hấp thụ tia X cao do mật độ nguyên tử lớn. Khi tia X đi qua màn chống tán xạ, các nguyên tử chì trong màn sẽ hấp thụ một phần lớn năng lượng của tia X, giúp giảm thiểu lượng tia X tán xạ ra ngoài.

- Nhôm là vật liệu có mật độ nguyên tử thấp hơn chì, do đó có khả năng hấp thụ tia X cũng thấp hơn nhưng nhôm có khả năng hấp thụ tia X mềm tốt hơn chì.

Vận dụng trang 36 Chuyên đề Vật Lí 12: Dựa vào Bảng 5.1 (trang 31), giải thích vì sao các kĩ thuật viên thường sử dụng tia X năng lượng thấp (khoảng 50 keV) để phân biệt rõ xương và cơ khi tiến hành chẩn đoán bằng kĩ thuật chụp ảnh X-quang.

Lời giải:

Các kĩ thuật viên thường sử dụng tia X năng lượng thấp (khoảng 50 keV) để phân biệt rõ xương và cơ khi tiến hành chẩn đoán bằng kĩ thuật chụp ảnh X-quang vì: Ở mức năng lượng này hệ số hấp thụ của xương và cơ có sự khác nhau rõ rệt nhất, khi đó sẽ cho hình ảnh X-quang rõ nét nhất.

3. Kĩ thuật chụp ảnh cắt lớp (CT)

Luyện tập trang 37 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày những ưu và nhược điểm của kĩ thuật chụp CT.

Lời giải:

Ưu điểm:

- Kĩ thuật chụp cắt lớp CT được sử dụng để cung cấp những hình ảnh chi tiết và rõ nét hơn các lát cắt ngang của vùng cần chẩn đoán trong cơ thể.

- Có thể thực hiện nhanh chóng và chính xác.

- Được ứng dụng rộng rãi.

Nhược điểm:

- Tiếp xúc với tia X đặc biệt nhạy cảm với trẻ em và phụ nữ mang thai, nên cần cân nhắc kĩ trước khi chụp CT cho đối tượng này.

- Có thể gây ra một số tác dụng phụ như buồn nôn, chóng mặt sau khi chụp.

- Chi phí khá là cao

Vận dụng trang 37 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu trên sách, báo, internet, ... và trình bày sơ lược một số bệnh có thể được chẩn đoán hiệu quả bằng kĩ thuật chụp CT.

Lời giải:

Một số bệnh có thể được chuẩn đoán hiệu quả bằng kĩ thuật chụp CT:

- Bệnh đột quỵ: chụp CT giúp xác định vị trí và mức độ tổn thương não do đột quỵ, từ đó giúp bác sĩ đưa ra phương pháp điều trị phù hợp, kịp thời.

- Chấn thương đầu: giúp phát hiện các tổn thương như xuất huyết não, …

- Các bệnh về tim mạch, bệnh phổi (ung thư phổi, viêm phổi,…)

Hình thành kiến thức mới 5 trang 37 Chuyên đề Vật Lí 12: Thảo luận và đề xuất mô hình chụp ảnh một vật từ nhiều góc độ khác nhau.

Lời giải:

Tham khảo mô hình máy chụp CT đơn giản:

- Khung đỡ (1) gồm hai vòng tròn giống nhau ghép song song đặt trên chân đế (2).

- Một đèn LED trắng và pin (3) gắn trên khung đỡ, có thể di chuyển được nhờ vít hãm. Đèn LED đóng vai trò ống phát tia X.

- Một tấm kính (hoặc tấm nhựa trong) (4).

- Vật cần chụp CT (5) được đặt trên tấm kính.

- Điện thoại thông minh (6) có thể di chuyển trên khung đỡ thông qua vít hãm, điện thoại đóng vai trò đầu dò.

Bài tập (trang 38)

Bài tập 1 trang 38 Chuyên đề Vật Lí 12: Chiếu một chùm tia X có công suất 300 W, tiết diện mặt cắt ngang chùm tia 4 cm² qua một vật liệu dày 50 mm. Biết hệ số hấp thụ của vật liệu đang xét với tia X trên là 1,2 cm^-1. Tính cường độ của tia X sau khi truyền qua vật liệu đang xét.

Lời giải:

Cường độ của tia X sau khi truyền qua vật liệu đang xét là:

$I=\frac{P}{A}=\frac{300}{{4.10}^{-4}}=750000$ W/m²

Bài tập 2 trang 38 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu và so sánh kĩ thuật chụp ảnh X-quang và kĩ thuật chụp CT.

Lời giải:

Chụp X-quang:

- Máy X-quang phát ra một chùm tia X đi qua cơ thể, tia X bị hấp thụ tuỳ thuộc vào mật độ của mô. Hình ảnh được tạo ra trên phim chụp X-quang hoặc máy dò điện tử, thể hiện mức độ hấp thụ tia X của các mô.

- Thực hiện nhanh chóng, đơn giản.

- Chi phí thấp hơn so với chụp CT.

- Tuy nhiên độ phân giải thấp hơn so với chụp CT.

- Hạn chế trong chẩn đoán một số bệnh lí.

Chụp CT:

- Máy CT sử dụng một ống tia X quay xung quanh cơ thể, phát ra tia X theo từng lát cắt mỏng. Máy thu ghi tín hiệu tia X đi qua cơ thể và sử dụng máy tính để tái tạo hình ảnh 3D chi tiết của các cấu trúc bên trong.

- Hình ảnh chi tiết, có thể thu được hình ảnh từ nhiều góc độ khác nhau.

- Được ứng dụng rộng rãi.

- Chụp CT không phù hợp với một số bệnh nhân, có thể gây một số tác dụng phụ.

- Chi phí cao hơn chụp X-quang.

Bài tập 3 trang 38 Chuyên đề Vật Lí 12: Một người bị tai nạn giao thông và được chuẩn đoán lâm sàng là bị chấn thương hộp sọ. Hãy giải thích vì sao trong trường hợp này việc sử dụng kĩ thuật chụp CT phù hợp hơn chụp X-quang.

Lời giải:

Trong trường hợp này việc sử dụng kĩ thuật chụp CT phù hợp hơn chụp X-quang vì:

- Hình ảnh chi tiết và độ phân giải cao giúp bác sĩ quan sát được các cấu trúc bên trong bộ não một cách rõ ràng từ đó giúp chẩn đoán tốt hơn.

- Có thể thu được hình ảnh từ nhiều góc độ khác nhau.

- Giúp phát hiện sớm các biến chứng.

- Lựa chọn các phương pháp điều trị phù hợp.