Những cơ sở vật lý của chẩn đoán hình ảnh trong y tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
--------

BÁO CÁO CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH I
ĐỀ TÀI: Những cơ sở vật lý của chẩn đốn hình ảnh trong y tế

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thái Hà
Sinh viên
: Trần Huy Long
MSSV
: 20132411
Lớp
: ĐTTT 06-K58

Hà Nội, 1/2017

1


Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế - lời giới thiệu
Edwin L.Dove
Biomedical Engineering
The University of Iowa
Mục lục
Những cơ sở vật lý của ghi ảnh trong y tế - Lời giới thiệu…………………………………..…..2
1.
2.

Lời giới thiệu……………………………………………………………………………...2
Phương pháp chụp X-Quang…...………………………………………………………….7

2.1.

Lịch

sử

phát

triển………………………………………………...........................7
2.2. Những cơ sở vật lý của X-Quang………………………………………………..9
2.3.

Giới

thiệu,

tóm

tắt

tổng

quan

về

cấu

trúc

nguyên

tử……………..........................12
3.

Sự tác động của tia X và các vấn đề trong y tế……….………………………………….14
3.1. Tán xạ coherent…………………………………………………………………
14
3.2. Phân rã photon………………………………………...………………………..15
3.3.
Hiệu
ứng
quang
điện………………………...
……………………………….....15
3.4. Tán xạ Compton…………………………………………..……………………17
3.5. Hiệu ứng tạo cặp……………………………………………………………….19
3.6. Tóm tắt………………………………………………………………….………

4.

19
Liều chiếu và phơi nhiễm……………………………………………………………..…20
4.1.
Liều
tương
đương…...……………………………………………...
…………...21
4.2. Liều tối đa………………………..……………………………………….…….22
4.3. Liều mơi trường………………………………………………………………...23

4.4. Liều tồn thân…………………………………………………………………..23
2


5.

Tài liệu tham khảo……………………………………………..…………………………
24

1.

Giới thiệu
Nguyên lý tạo ảnh y tế bắt nguồn từ khả năng tương tác giữa năng lượng và các mơ
trong cơ thể. Năng lượng có thể là bức xạ, từ trường, điện trường hoặc sóng siêu âm.
Năng lượng thường tương tác ở mức độ phân tử hay nguyên tử do đó có sự hiểu biết rõ
ràng về cấu trúc của nguyên tử là rất cần thiết. Ngoài sự hiểu biết về đặc tính vật lý của
nguyên tử thì việc học về các thuật ngữ tạo ảnh cũng rất cần thiết. Ví dụ :
 Ảnh cắt lớp: là một hình ảnh tạo thành bởi tập hợp các hình chiếu mặt cắt ngang.
Từ tomo trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là cắt.
 CT : chụp cắt lớp vi tính
 MR hoặc MRI : chụp cộng hưởng từ. Công nghệ này đầu tiên được gọi là cộng
hưởng từ hạt nhân (NMR) nhưng vấn đề hạt nhân là thứ mà các bệnh nhân cảm





thấy rất lo sợ vì vậy chữ “N” đã được lược bỏ đi.
PET : chụp cắt lớp phát xạ
SPECT : máy xạ hình

Siêu âm : tái tạo hình ảnh y tế bằng cách thu nhận sóng âm phản xạ từ cơ thể
OCT : chụp cắt lớp quang học. Thu ảnh bằng cách sử dụng ánh sáng hồng ngoại.

Mỗi phương pháp là một cách thức để lấy được ảnh. MR, CT, vv tất cả đều là các
phương pháp tạo ảnh trong y tế. Các phương pháp đó được phân loại dựa vào lượng năng
lượng tương tác với cơ thể. Ví dụ, phương pháp chụp X-Quang tạo ra năng lượng để ion
hóa các nguyên tử (nghĩa là đẩy electron ra khỏi hạt nhân của nguyên tử) do đó tạo ra 1
photon tác động đến các mô trong cơ thể. Các phương pháp gây bức xạ ion hóa là XQuang, CT, PET và SPECT. Các phương pháp không bức xạ gồm siêu âm và chụp cộng
hưởng từ.
Có hệ thống phân loại khác cũng được sử dụng để phân loại các phương pháp chẩn
đốn hình ảnh hiện đại. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã xem xét đến 4 cách thức để tạo ảnh
3


y tế : tính tốn độ suy giảm tia X đi qua cơ thể, thu tín hiệu phát xạ hạt nhân từ cơ thể,
cộng hưởng từ và siêu âm. Mỗi phương pháp mơ tả một kiểu tín hiệu khác nhau thu được.
Bảng 1.1 so sánh 4 kỹ thuật tạo ảnh y tế

Phương pháp
Chụp cắt lớp điện tốn

Thơng số đo
Sự suy giảm phóng xạ tia X khi đi qua các tổ chức của

Chụp cắt lớp phát xạ

cơ thể
Mật độ tập trung của các nguyên tử phóng xạ tại các

Cộng hưởng từ

vùng của cơ thể
Sự tập trung, của các nguyên tử hydro tại các vùng

Siêu âm

khác nhau của cơ thể
Sự chênh lệch ,thay đổi, suy giảm vận tốc âm thanh
phản hồi từ cơ thể

Bảng 1.1 mơ tả những phương pháp chính trong tạo ảnh y tế. Một số phương pháp tạo ảnh y tế
hiện đại (PET, CT và MR) yêu cầu bệnh nhân phải được đưa vào 1 hệ thống có dạng đường ống
tròn. Đối với 1 số người, đây là một khó khăn do tình trạng bệnh lý, sợ nơi chật hẹp hoặc một số
nguyên nhân khác. Phương pháp siêu âm thì chỉ cần có 1 đầu dị đơn giản được tì lên da của
bệnh nhân.

4


Hình 1-1 các phương pháp tạo ảnh chủ yếu trong y tế

Hình 1-2 PET quét 1 khối u não (Nguồn : Trang web bộ phận hạt nhân Y Tế trường Harvard)
Một ví dụ về phương pháp chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT)

5


Hình 1-3 hàng 3-ảnh SPECT của 1 khối u não(Nguồn : Trang web bộ phận hạt nhân Y Tế trường Harvard)

Hình 1-4 sơ đồ cầu tạo của 1 máy chụp cộng hưởng từ MRI

6


Hình 1-5 chụp khớp gối bằng phương pháp cộng hưởng từ MRI

2.

Phương pháp chụp X-Quang
2.1.

Lịch sử phát triển

Tối thứ 6 ngày 8 tháng 11 năm 1895 Wilhelm Conrad Rưntgen (có tài liệu viết là Roentgen)
đã phát hiện ra một loại tia mới có khả năng đâm xuyên qua các loại vật chất. Röntgen là
một giáo sư vật lý 50 tuổi của đại họa Julius Maximilian tại Wuburg đã đặt tên loại tia mới
đó là tia X (“X” có nghĩa là chưa biết). Sự tồn tại của tia X mà Röntgen tìm ra đã được
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz dự đốn từ trước dựa trên những nghiên cứu của
ông về lý thuyết bức xạ điện từ của Maxwell. Phát hiện của Röntgen đã được gửi đi vào
ngày 28 tháng 12 năm 1895 và được công bố vào ngày 5 tháng 1 năm 1896. Một thiết bị
chụp X-Quang di động đã được lắp đặt trong các cửa hàng Sears vào cuối năm 1896. Chi phí
mỗi lần chụp lúc đó là 15 dollar.

7


Hình 2-1 hình ảnh X-Quang bàn tay của bà Rưntgen đeo chiếc nhẫn cưới được chụp vào năm 1895

Năm 1901, Rưntgen nhận giải Nobel vật lý, đó là giải Nobel vật lý đầu tiên được trao tặng.
Khơng may, cả Rưntgen,vợ ơng và những người làm việc trong phịng thí nghiệm của ông

đều mất sớm do căn bệnh ung thư.
Tia X được ứng dụng vào y tế lần đầu tiên vào ngày 13 tháng 1 năm 1896 bởi tiến sĩ
Ratcliffe và Hall-Edwards. Trong lần đó, họ đã xác định được vị trí của một chiếc kim nhỏ
trong bàn tay của một người phụ nữ. Như là một hệ quả, bác sĩ J.H.Clayton đã thực hiện ca
phẫu thuật đầu tiên dựa trên những chẩn đoán X-Quang vào ngày thứ 9 sau khi sự tồn tại của
tia X được công bố.
Cũng trong năm 1896, Randolph Hearst (chủ của nhà xuất bản nổi tiếng Hearst) đã đưa ra
một thách thức đối với các nhà khoa học đó là chụp lại được những hình cảnh của vỏ não.
Nhiều người đã cố gắng thử nghiệm những phương pháp giúp nâng cao chất lượng hình ảnh
X-Quang được đưa ra nhưng tất cả đều thất bại. Ví dụ như việc bơm khơng khí vào các
khoang chất lỏng bên trong não. Các đối tượng thí nghiệm xác nhận rằng khơng có bất kì sự

8


khó chịu nào (vì bộ não khơng có thụ thể cảm nhận sự đau) dù vậy họ vẫn có những bất
thường về tâm trạng, hành vi và nhận thức.
Allan Macleod Cormack (Đại học Tufts) và Godfrey Newbold Hounsfield (phịng thí nghiệm
nghiên cứu của EMI, Ltd) đã phát triển những thuật toán cần thiết và chế tạo ra máy CT đầu
tiên (1972) và đã có thể lấy được hình ảnh của vỏ não. Chiếc máy CT đầu tiên này có thể
tính tốn, xử lý và đưa ra hình ảnh chụp CT sau 24 giờ. Cormack và Hounsfield đã nhận giải
Nobel Sinh Học và Y Tế vào năm 1979. Cần lưu ý rằng Hounsfield chưa bao giờ tuyên bố
răng mình đã phát minh ra máy CT. Những nghiên cứu đầu tiên đã được công bố vào năm
1917 bởi Radon.

2.2. Những cơ sở vật lý của X-Quang
Tia X là một dạng của sóng điện từ tương tự như ánh sáng, sóng radio, sóng truyền hình, vv
Bảng 2.1 cho ta thấy một số thành phần của quang phổ sóng điện từ như bước sóng, tần số,
năng lượng và ứng dụng.
Năng lượng

4x10-11
4x10-10
4x10-9
4x10-8

Tần số
104
105
106
107

Loại sóng
sóng radio

Bước sóng
104
103
102
10

Sóng radio ngắn, FM
radio và sóng truyền
-7

4x10
4x10-6

10
109

4x10-5
4x10-4
4x10-3
4x10-2
4x10-1
4
4x10
4x102
4x103

1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018

hình
Sóng viba

8

Áng sáng hồng
ngoại
Ánh sáng nhìn thấy
Vùng tử ngoại
Tia X

9

1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10


4x104
4x105
4x106
4x107
>4x107

1019
1020
1021
1022
>1022

10-11
10-12

10-13
10-14
<10-14

Tia garma
Tia vũ trụ

Bảng 2.1. các thông số của các loại sóng điện từ

Bảng 2.2 phổ năng lượng của các loại sóng điện từ

Cơng thức liên hệ giữa tần số và năng lượng của sóng điện từ
E = hf

(2.1)

Trong đó E là năng lượng có đơn vị là KeV, h là hằng số (h = 4.13x10 -18 KeV = 6.63x10-34 J)
và f là tần số (Hz). (1KeV = 1.6x10 -19 J). Trong chân khơng, tất cả các loại sóng điện từ đều
lan truyền với cùng 1 tốc độ bằng tốc độ ánh sáng (c = 3x108 m/s).
Mối quan hệ giữa bước sóng và tần số được cho bởi cơng thức :
c = λf

(2.2)

trong đó λ là bước sóng (đơn vị : m)
Tia X cũng có đặc tính hạt. Đây là 1 ví dụ tuyệt vời về tính 2 mặt của vật chất, vừa mạng đặc
tính của hạt vừa mang đặc tính của sóng. Đây là kết luận được rút ra từ phương trình nổi
tiếng của Einstein : E = mc2. Nếu xem như một loại hạt thì hạt tia X chuyển động với vận tốc
v và có khối lượng m thì động lượng của nó được tính theo cơng thức :
P = mv = mc = E/c = hf / λf = h / λ

(2.3)

Những hạt tia X được gọi là photon, photon là lượng tử của ánh sáng. Nếu năng lượng của
hạt lớn hơn 2-3 eV thì các photon đó có khả năng ion hóa các nguyên tử. Bức xạ chẩn đoán
10


có bước sóng trong khoảng 100nm đến khoảng 0.01 nm hoặc từ 12 eV đến 125 KeV. Để phá
vỡ một liên kết hóa học, năng lượng cần thiết nằm trong khoảng 2-10 Ev, có thể thực hiện
được bởi sóng điện từ trong vùng tử ngoại hoặc cao hơn. Tia cực tím phá vỡ những liên kết
trong mơ (ion hóa mơ) do đó nó có thể là mối nguy hại cho sức khỏe. Nếu phá vỡ liên kết
hóa học trên DNA thì có thể gây ung thư da.
Các nguồn năng lượng điện từ dưới mức cực tím khơng thể phá vỡ liên kết hóa học hoặc các
ion. Mối nguy hiểm nhất từ các photon năng lượng thấp là đốt cháy các mơ.
Một thí nghiệm kinh điển cho thấy tính hai mặt của năng lượng điện từ là thí nghiệm khe
đơi. Trong thí nghiệm khe đơi, một chùm ánh sáng được bắn qua hai khe hở sát nhau trên
màn chắn. Trên màn hình phía sau xuất hiện những vân sáng tối xen kẽ nhau. Hiện tượng
này là giao thoa. Giao thoa là bằng chứng cho thấy tính sóng của ánh sáng

Hình 2-3. Thí nghiệm khe đơi thể hiện tính chất sóng-hạt của photon và electron

Hình 2-4. Kết quả của thí nghiệm khe đơi khi cả hai khe đều mở

Kết quả của thí nghiệm khe đôi giống nhau nếu thay các electron được sử dụng bằng bức xạ
điện từ. Do đó các electron có cả tính chất hạt và tính sóng chỉ là các bức xạ điện từ. Tính
lưỡng tính sóng-hạt
11

2.3. Giới thiệu tóm tắt tổng quan về cấu trúc nguyên tử
 Ba hạt cơ bản của một nguyên tử là proton, neutron và electron. Tất nhiên vẫn còn
một số hạt nhỏ hơn nhưng nghiên cứu về các hạt đó sẽ giành cho các nhà vật lý hạ
nguyên tử.
 Các electron mang điện tích âm, proton mang điện tích dương và neutron khơng mang
điện.
 Nếu nhân có q ít neutron thì hạt nhân sẽ khơng ổn định và sụp đổ. Nếu các hạt nhân
quá lớn hoặc có quá nhiều proton và neutron thì hạt nhân cũng khơng ổn định. Các
ngun tử có ngun tử khối lớn hơn chì (Pb = 208) đều khơng có đồng vị ổn định.
 Số lượng proton chính là số hiệu ngun tử. Hidro có 1 proton nên số hiệu nguyên tử
của nó bằng 1.
 Một nguyên tử phải có số lượng proton và electron bằng nhau. Nếu nguyên tử bị mất
hay nhận thêm electron thì nó được gọi là một ion.
 Khối lượng của proton và neutron gần như bằng nhau, khối lượng nghỉ của electron
rất nhỏ. Vì vậy khối lượng của một nguyên tử được định nghĩa là khối lượng của
proton cộng với khối lượng của neutron.
 Đám mây electron xung quanh hạt nhân xác định vùng không gian bị chiếm bởi 1
nguyên tử.
 Các electron được giới hạn trong một quỹ đạo xác định gọi là các phân lớp electron.
 Mơ hình Bohr
Phân lớp
K
L
M

Orbital
1s
1s, 3p
1s, 3p, 5d

Số lượng electron
2
8
18

 Mỗi phân lớp có một mức năng lượng khác nhau
 Wolfgang Pauli (1921) đã trình bày lại mơ hình Bohr về lý thuyết lượng tử. Pauli quan
sát thấy rằng một nguyên tử được quy định bởi bố hệ số lượng tử :
 N là số lớp mô tả các mức năng lượng trong nguyên tử (N = 1,2,3,…7)
 L là số phân lớp mô tả các lớp phụ trong n, các phân lớp đã biết là s-p-d-f
 M1 là số lượng tử từ mô tả orbital bên trong 1 phân lớp
 Ms là số lượng tử spin mô tả spin của các electron
12


Theo ngun lý loại trừ Pauli, khơng có 2 electron trong một nguyên tử có thể
có cùng tập hợp các hệ số lượng tử.
 Năng lượng mà chúng ta quan tâm là năng lượng liên kết của các electron trong mỗi
mức năng lượng. Chỉ số này sẽ cho ta biết cần cung cấp một năng lượng tối thiểu bao
nhiêu để có thể đánh bật electron của lớp nào đó ra khỏi nguyên tử. Năng lượng liên
kết của điện tử rất cao thường vào khoảng 1-100 KeV. Vì thế trong các loại sóng điện
từ thì tia X trở đi mới đủ để thay đổi cấu trúc điện tử của nguyên tử. Như một ví dụ,
với các sóng có bước sóng λ = 1nm thì chúng ta cần tính tốn năng lượng của nó.
E = hf = (4.13x10-18 keV.s)( ) = 1.2 KeV
Nếu năng lượng của nó vượt qua 1-2 KeV thì sóng đó được xem là một sóng có tính
ion hóa và có khả năng gây nguy hại tới sức khỏe con người.
 Các loại sóng điện từ kể từ tia X trở đi có khả năng ion hóa nguyên tử. X-Quang là 1
bức xạ ion hóa, bức xạ này có thể làm thay đổi các liên kết hóa học của các chất quan
trọng chẳng hạn như DNA. Tia X dùng trong chẩn đốn thường có bước sóng từ 1000.01 nm hoặc năng lượng từ 12 Kev đến 125 KeV.
 Những loại sóng điện từ có năng lượng cao hơn cũng có khả năng phá vỡ cấu trúc

nguyên tử. Tia garma cung cấp đủ năng lượng để ion hóa nguyên tử và cịn có khả
năng biến đổi ngun tử thành một ngun tử khác.
 Sóng vơ tuyến điện khơng đủ năng lượng để phá vỡ cấu trúc nguyên tử. Thay vào đó,
tần số của sóng vơ tuyến tương tác với các spin của electron. Tính chất này được áp
dụng trong kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ.

3. Sự tác động của tia X và các vấn đề trong y tế
Có nhiều chế độ tương tác của tia X với vật chất. Đây là nhiều hơn chỉ là một sự tò mò đi
qua, các nghiên cứu về sự tương tác của tia X là rất quan trọng để tìm hiểu về sự tạo ảnh
y tế và trong việc tìm hiểu cách thức hoạt động của tia X. Cho đến nay có 5 chế độ tương
tác của tia X :
1. Tán xạ cohenrent.
2. Hiệu ứng quang điện.
3. Hiệu ứng compton.
4. Hiệu ứng tạo cặp.
5. Sự phân rã photon.

13


Các chế độ tương tác được xác định bởi năng lượng của các photon. Đây là một quá trình
ngẫu nhiên và có thể được mơ tả đầy đủ bằng cách thống kê.

3.1. Tán xạ cohenrent
Tán xạ cohenrent mô tả sự va chạm của một điện tử với một electron là cho điện tử bị
lệch sang một hướng mới, photon chỉ bị thay đổi hướng di chuyển chứ không bị mất năng
lượng nên hao tổn năng lượng do tán xạ cohenrent là rất ít. Đây khơng phải là một tương
tác ion hóa.
Tán xạ cohenrent có ít tác dụng trong tạo ảnh y tế. Ngoại trừ I 125 được ứng dụng trong
quét xạ tuyến giáp.

3.2. Sự phân rã photon
Đây là một sản phẩm của quá trình phản ứng hạt nhân. Các photon tương tác hoặc bị hấp
thụ bởi hạt nhân của nguyên tử trong tấm đích, đưa nguyên tử này vào trạng thái kích
thích và ngay lập tức phân rã tạo thành một hoặc nhiều hạt hạ nguyên tử. Điều này làm
cho nguyên tử đó chuyển thành một nguyên tử khác, sự phân rã này rất nguy hại đến sức
khỏe con người. Tương tác này có thể xảy ra nếu năng lượng của photon đến rất lớn (> 1
MeV).

3.3. Hiệu ứng quang điện
Albert Enstein đã đạt giải Nobel vật lý vì đã khám phá ra được định luật của hiệu ứng
quang điện. Những lý luận của Enstein phù hợp với những mô tả chi tiết về mối quan hệ
giữa năng lượng, tần số, tính chất hạt và tính chất sóng mà chúng ta đã biết cho đến thời
điểm hiện tại. Tóm lại, theo như lý thuyết lượng tử, bức xạ điện từ được lượng tử hóa gọi
là các photon. Mỗi photon có một mức năng lượng E phụ thuộc vào tần số f. Mối quan hệ
giữa năng lượng và tần số E = hf giống như trong phương trình (2.1) ở trên.

14


Một photon có một và chỉ một tần số (do đó có một và chỉ một mức năng lượng) và có
thể tương tác với một và chỉ một electron. Một photon không thể chia sẻ năng lượng với
một vài electron. Một photon di chuyển với tốc độ ánh sáng và thuyết tương đối dự đốn
rằng nó khơng bao giờ ở trạng thái nghỉ tức là năng lượng của chúng hoàn toàn là động
năng. Nếu một photon tương tác với một electron thì nó có thể truyền năng lượng cho
electron và biến mất. Nếu năng lượng liên kết của electron đó với hạt nhân mà bé hơn
năng lượng electron nhận được từ photon thì các electron có thể tách ra khỏi nguyên tử
và trở thành các quang điện tử. Năng lượng của quang điện tử này phụ thuộc vào năng
lượng nhận được từ photon tới.
Điều gì sẽ xảy ra khi electron bị bắn phá liên kết với 1 nguyên tử ? Nếu photon tới có

mức năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng liên kết của electron của lớp K của
nguyên tử thì photon tới sẽ đánh bật một trong những electron ở lớp K ra khỏi nguyên tử.
Sau đó các electron có mức năng cao hơn sẽ nhảy vào thế chỗ cho electron vừa thốt ra.
Để một electron có mức năng lượng cao nhảy vào thế chỗ cho một electron có mức năng
lượng thấp hơn thì nó phải giải phóng năng lượng. Quá trình này tạo thành những khoảng
trống ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử. Năng lượng được giải phóng ra bởi q trình này
được gọi là năng lượng đặc trưng của bức xạ, bức xạ này được gọi là bức xạ đặc trưng.

Hình 3-1. Mơ tả hiệu ứng quang điện

15


Ví dụ, giả sử photon tới có năng lượng là E, nó truyền tất cả năng lượng cho electron lớp
K của nguyên tử. Nếu electron này có năng lượng liên kết là E b thì đây là năng lượng cần
thiết để bứt electron này ra khỏi nguyên tử. Nếu E > E b thì phần năng lượng cịn lại sau
khi bứt electron ra khỏi nguyên tử chuyển thành động năng. Electron chuyển động với
động năng này gọi là một quang điện tử. Như vậy E = hf = mov2 + Eb. Trong đó mo là
khối lượng nghỉ của electron.
Tiếp theo, một electron có năng lượng cao hơn sẽ nhảy xuống thế chỗ cho electron ở vỏ
K. Electron này sẽ giải phóng năng lượng của nó tạo thành 1 photon. Năng lượng của
photon này là sự chênh lệch năng lượng giữa 2 lớp vỏ electron. Sau đó, nếu năng lượng
của photon mới được tạo ra này lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của một electron
khác thì photon này có thể giải phóng cho một electron thứ hai. Electron thứ cấp này
được gọi là electron Auger.
Ví dụ với iot thì năng lượng liên kết của các lớp như sau :
Lớp
K
L
M

Năng lượng liên kết
-33.2 KeV
-4.3 KeV
-0.6 KeV

Một photon có tần số 9.86x10 18 đánh bật một electron lớp K. Một electron lớp M đến lấp
vào vị trí của electron lớp K để lại và giải phóng năng lượng là 32.6 KeV. Như vật bức xạ
đặc trưng phát ra sẽ có năng lượng là 32.6 KeV.

3.4. Tán xạ compton
Trong hiện tượng tán xạ compton, một proton tương tác với electron nhưng chỉ một phần
của photon được truyền cho electron. Photon sau khi tương tác với electron thì bị giảm
năng lượng nhưng vẫn tiếp tục di chuyển. Electron tương tác với photon vẫn sẽ bị tách ra
khỏi lớp vỏ của nó.

16


Hình 3-2. Minh họa của hiện tượng tán xạ compton

Động lượng của photon được mơ tả bởi phương trình
P= = =

(3.1)

Như vậy động lượng của một photon phụ thuộc vào tần số của nó.
Xem xét tính chất hạt của một photon thì ta có thể sử dụng định luật bảo tồn năng lượng
và bảo tồn động lực để mơ tả sự va chạm giữa một photon và một electron.

Hình 3-3. Minh họa về sự tương tác giữa photon và electron

Động lượng của photon trước va chạm là trong khi động lượng của photon sau khi va
chạm là động lượng của electron là mov. Sử dụng định lý cosin và hình tam giác trong
hình 3-3, ta có thể viết một phương trình bảo tồn động lượng
+ – 2PƛPƛ’Cos(θ) =

(3.2)

Phương trình này có thể lý giải sự thay đổi của bước sóng (hoặc năng lượng)
Δλ = λ’ – λ = (1 – Cos(θ))
Từ đó ta rút ra năng lượng của tán xạ compton là :
E’ =
17

(3.4)

(3.3)


Bước sóng của photon tới tăng sau mỗi lần va chạm với electron do đó năng lượng của nó
giảm. Sự thay đổi năng lượng và bước sóng chỉ phụ thuộc vào năng lượng nghỉ của
electron, tốc độ ánh sáng, hằng số Plank và góc độ của photon sau va chạm. Gía trị m oc2
là phổ biến và nằm vào khoảng 511 KeV.
Photon có năng lượng cao thì tán xạ compton nhiều hơn photon có năng lượng thấp. Tuy
vậy tán xạ compton là nguồn nhiễu chính trong tạo ảnh X-Quang. Ngồi ra tán xạ
compton là nguồn gây hại chính cho cơ thể con người trong X-Quang. Bởi những lý do
này, hiện tượng này không được mong muốn trong tạo ảnh X-Quang.

3.5. Hiệu ứng tạo cặp

Hiệu ứng tạo cặp là đặc trưng của tương tác giữa photon với hạt nhân. Trong đó một
photon có năng lượng cao bị hấp thụ bởi hạt nhân; một positron (electron mang điện tích
dương) được phát ra cùng với một electron. Sự tương tác này là rất hiếm gặp trong XQuang chẩn đốn do nó cần một nguồn năng lượng rất cao. Tuy nhiên sự tạo cặp mơ tả sự
hình thành phản vật chất được sử dụng trong PET scan.

3.6. Tóm tắt
Các cách thức tương tác chính :
1. Quang điện trong đó một photon được hấp thụ, bức xạ đặc trưng được phát
2.

ra cùng với photon-electron và có thể cịn có Auger electron.
Tán xạ compton trong đó một photon không được hấp thụ mà sẽ tiếp tục di
chuyển tới các nguyên tử khác cho đến khi hết năng lượng và biến mất. Sau
mỗi lần va chạm với electron thì năng lượng photon giảm và một electron
được đẩy ra khỏi lớp vỏ của nó. Đây chính là nguồn gốc của nhiểu ảnh trong

3.

CT scanner.
Hiện tượng tạo cặp trong đó một photon bị hấp thụ bởi một hạt nhân và giải
phóng ra một positron và đẩy ra một electron.

Khả năng xuất hiện của các tương tác trên phụ thuộc và năng lượng của photon tới, cấu
hình các electron xung quanh nguyên tử, số hiệu nguyên tử và nguyên tử khối của vật
18


liệu chế tạo tấm đích, vv. Hình 3-4 cho thấy khả năng hấp thụ khác nhau của carbon đối
với tia X. Hầu hết các mô trong cơ thể người cũng có khả năng hấp thụ tương tự (dạng
đường cong tương tự như trong hình). Những thơng số này là chìa khóa để tìm hiểu về

tính chất của X-Quang trong y tế. Với mức năng lượng X-Quang chẩn đoán (50 KeV–
200 KeV ) thì hầu hết năng lượng được hấp thụ bởi cơ thể là do hiệu ứng quang điện. Tán
xạ compton cũng đóng vai trị quan trọng trong việc xử lý nhiễu trong tạo ảnh X-Quang.
Hiện tượng tạo cặp thường xảy ra với mức năng lượng vượt qua mức năng lượng của XQuang y tế.

Hình 3-4. Biểu đồ thể hiện xác suất xuất hiện của ba hiệu ứng phụ thuộc vào mức năng lượng
của photon tới

4.

Liều chiếu và phơi nhiễm
Để bảo vệ bệnh nhân khỏi bức xạ ion hóa hoặc tính tốn tỷ lệ rủi ro – lợi ích khi chiếu
xạ cho bệnh nhân là việc rất cần thiết. Liều chiếu xạ được tính theo cơng thức trong
đó N là số hạt phóng xạ trên một mặt cắt hình cầu. Đơn vị của tham số này là
19


Roentgen (R) được định nghĩa là “số lượng bức xạ mang điện tích 2.58x10 -4 coulombs
trong một kg khơng khí” tương đương với khoảng 1.3x1015 electron.
Ngồi ra cịn có một khái niệm hữu ích hơn xuất phát từ khái niệm liều bức xạ trong
đó mơ tả liều bức xạ bị hấp thu bởi một số mô trong cơ thể người. Một khái niệm khác
là liều lượng tương đương trong đó có tính đến thực tế rằng một số loại bức xạ có tác
hại lớn hơn so với các loại khác.
Liều lượng hấp thụ được đo bằng tỉ lệ giữa số năng lượng hấp thụ trên một đơn vị
khối lượng của mô. Năng lượng được đo bằng J và khối lượng tính bằng kg. Đơn vị
của liều lượng hấp thụ là Gray (Gy) với
1 Gy = 1 J.kg-1
Có một đơn vị liều lượng cũ vẫn được sử dụng đó là rad với
1 rad = 0.01 Gy = 0.01 J.kg-1
Ví dụ, nếu 1000 photon được hấp thụ hồn tồn trong 1kg mơ sau đó năng lượng được

hấp thụ bởi các mơ sẽ bằng 1000 lần năng lượng của mỗi hạt. Năng lượng bức xạ
thường được tính bằng KeV (hoặc MeV) nhưng ta có thể chuyển đổi ra J :
1J = 6.2x1018 eV
Một liều 1 Gy có nghĩa là 6.2x1018 eV năng lượng đã được hấp thụ bởi 1 kg của mô.
Năng lượng này có thể đến từ 6.2x10 12 photon mỗi photon mang năng lượng 1000
KeV.

4.1. Liều tương đương
Đơn vị của liều tương đương là Sievert (Sv) với :
1 Sv = 1 J.kg-1 x trọng số bức xạ
Ngồi Sievert cịn một đơn vị khác của liều tương đương là rem
1 rem = 0.01 Sv = 0.01 J.kg-1 x trọng số bức xạ
Liều hấp thụ khi nhân với trọng số bức xạ thì được liều tương đương
Liều tương đương Sv = Liều hấp thụ Gy x trọng số bức xạ
Liều bức xạ nền trong 1 năm
Liều tối đa cho một bệnh nhân trong 1

1mSv = 0.1 rem
1mSv = 0.1 rem

năm
Liều tối đa cho những người làm việc

20 mSv = 2 rem

trong môi trường bức xạ (1 năm tối đa là
50 mSv)
Liều bức xạ mà khi tiếp xúc sẽ gây các
20

0.5 Gy = 50 rad


triệu chứng buồn nôn, mệt mỏi
Liều bức xạ khiến con người tử vong

6 Gy = 500 rad

trong vài tháng sau khi tiếp xúc
Hình 4-1. Các thơng số liều tia X cho năm trường hợp khác nhau

4.2. Liều tối đa
Liều tối đa được rút ra dựa trên các quan sát và tìm hiểu với các điều kiện khác nhau
trong thực tế. Ủy ban Quốc tế về An tồn phóng xạ (ICRP) khuyến cáo liều tối đa
hằng năm cho nhân viên làm việc trong mơi trường phóng xạ là 50 mSv (5 rem), nếu
làm việc liên tục trong 5 năm thì liều tối đa là dưới 20 mSv mỗi năm. Đối với cơng
chúng thì liều tối đa tồn thân đề nghị là 1 mSv (0.1 rem) trung bình trên 5 năm
Điều kiện nhận bức xạ
Nhân viên làm việc trong môi trường

Liều
50 mSv = 5 rem (5 năm liên tục thì dưới

phóng xạ
20 mSv mỗi năm)
Công chúng
1 mSv = 0.1 rem trong 5 năm
Bảng 4-2. Liều tối đa theo quy định của ICRP
Ủy ban quản lý phóng xạ Hoa Kỳ đã thơng qua các tiêu chuẩn, hạn chế tối đa lượng
tiếp xúc bức xạ của công chúng đến 0.5 rem mỗi năm. Giới hạn phơi nhiễm nghề

nghiệp là cho toàn bộ cơ thể và đối với các chi trên cơ thể.
Liều tối đa cho phép đã liên tục bị giảm xuống trong suốt 70 năm qua. Năm 1931, liều
tối đa là 15 mSv (1.5 rem) cho mỗi tuần. Liều tối đa có thể sẽ tiếp tục bị giảm xuống.
Lý do là cho dù liều phóng xạ nhỏ nhưng cũng có thể gây những tác động lâu dài lên
cơ thể, đó là nguyên nhân của những tranh cãi trong việc thiết lập mức an tồn hạt
nhân. Tác động sinh học chỉ có thể được thống kê dựa vào sự thay đổi của cơ thể hoặc
sự hình thành của các căn bệnh do phóng xạ. Vì vậy việc đánh giá rủi ro do phóng xạ
là rất phức tạp bởi những căn bệnh đó cũng có thể xuất hiện tự nhiên mà khơng phải
vì sự tiếp xúc với phóng xạ. Do những biến chứng này khơng thể hiện ngay mà sẽ gây
ra những hậu quả lâu dài đối với cơ thể nên những người trẻ tuổi và thai nhi là hai
thành phần chịu rủi ro lớn nhất khi phải tiếp xúc với các nguồn bức xạ ion hóa.

4.3. Liều mơi trường
21


Tất cả chúng ta đều tiếp xúc với những nguồn bức xạ khác nhau trong cuộc sống hằng
ngày, một số nguồn là do tự nhiên, một số nguồn là nhân tạo.
Bức xạ vũ trụ
Các vật liệu bức xạ trong tự nhiên (ví dụ

200µSv (20 mrem) một năm
300µSv (30 mrem) một năm

U238)
Các loại vật liệu phóng xạ ngay trong cơ

300 µSv (30 nrem) một năm

thể (ví dụ K40)

Chụp X-Quang
Chụp mạch
Nhà máy điện hạt nhân

500 µSv (50 nrem) cho 1 lần chụp
20 mSv (2 rem) cho 1 lần chụp
< 1 mSv (100 rem) trong 1 năm với
khoảng cách 1km tính từ nhà máy

4.4. Liều toàn thân
Liều toàn thân tối đa cho phép đối với một nhân viên làm việc trong mơi trường
phóng xạ là 20 mSv (2 rem) cịn đối với cơng chúng là 1 mSv (0.1 rem). Có một số ý
kiến cho rằng nguy cơ về bức xạ đang bị thổi phồng quá mức. Bảng 4.4 đưa ra các
hoạt động khiến chúng ta tiếp xúc với những bức xạ tương đương nhau
Tiếp xúc với 5 mSv (0.5 rem) bức xạ toàn thân
Hút 75 điếu thuốc lá
Di chuyển 2500 dặm bằng xe motor
Di chuyển 12.500 dặm bằng máy bay
Leo núi 74 phút
Di chuyển bằng cano trong 5 giờ
Làm việc trong nhà máy trong 1 năm
Bảng 4.4
Các thông tin trong bảng 4.4 không có nghĩa là chúng ta có thể chủ quan trước các tác
hại bức xạ. Hãy nhớ rằng những dữ liệu này dựa trên các mơ hình thống kê và khơng
phải là những dữ liệu đo được của phịng thí nghiệm.
Bảng 4.5 đưa ra thông số liều bức xạ mà cơ thể phải nhận khi tham gia chụp X-Quang
một số cơ quan trong cơ thể
Kiểm tra

Liều lượng

22


(mGy)
X quang vú
Chụp ngực
Chụp cột sống thắt lương
Chụp xương chậu
Chụp xương sọ

1.2
0.3
9.2
6.6
4.4

Tổ chức ICRP đã đề xuất sử dụng một liều lượng bức xạ chuẩn riêng khi chụp XQuang cho mỗi cơ quan khác nhau trong cơ thể và liều đó được tính tốn rằng nếu với
liều lượng như vậy và chiếu trên tồn bộ cơ thể thì sẽ gây hại đến bệnh nhân.

5.

Tài liệu tham khảo
Berger, S., W. Goldsmith, and E. Lewis (eds.) Introduction to Bioengineering, Oxford,
New York, 1996.
Brown, B., R. Smallwood, D. Barber, P. Lawford, and D. Hose. Medical Physics and
Biomedical Engineering, Institute of Physics Publishing, Bristol, 1999.
Dhawan, A., Medical Image Analysis, IEEE/John Wiley Press, 2003.
Shung, K. M. Smith, B. Tsui. Principles of Medical Imaging, Academic Press, San
Diego, 1992.
Webb, S. (ed) The Physics of Medical Imaging, Institute of Physics Publishing, Bristol,

1992.
Nhiều hình ảnh được lấy từ DICOM, được ban hành bỏi IEEE và NEMA

23