Physics of Medical Imaging – And Introduction

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

BÀI DỊCH MƠN:
CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH 1
ĐỀ TÀI:

Physics of Medical Imaging – And Introduction
Edwin L. Dove
Biomedical Engineering
The University of Iowa
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thái Hà
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Đức Mạnh

20122055

Vũ Tùng Lâm

20121962

Hà Nội, tháng 01-2017


Lời nói đầu
Ngày nay, cuộc sống con người càng phát triển, kéo theo dịch vụ chăm sóc sức
khỏe cũng như phát hiện các bệnh từ sớm là rất cần thiết. Vì thế cần sự hỗ trợ rất đắc lực
từ các phương tiện kĩ thuật hiện đại. Mơn Chẩn đốn hình ảnh cho chúng em những
khái niệm cơ bản nhất về các loại máy chụp mơ người, hiểu rõ ngun lí, cấu tạo và cách
vận hành của chúng. Nhiệm vụ của chúng em là tìm hiểu "Tính chất vật lý của ảnh y tế",

qua đó chúng em đã tìm hiểu được những kiến thức cơ bản nhất về các phương thức chụp
ảnh X Quang, tương tác giữa tia X và vật chất ... Bài dịch của chúng em vẫn còn nhiều
thiếu sót một phần vì kiến thức chun mơn chưa thực sự vững và đơi lúc gặp khó khăn
trong việc xử lí các từ ngữ chuyên ngành.
Qua đây chúng em cũng xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Thái Hà đã tận tình giúp đỡ từ
khi chọn đề tài, tới những bài giảng tận tình trên lớp. Ngồi những kiến thức mơn học
nhận được, chúng em còn nâng cao thêm được vốn tiếng anh, tiếp cận được các từ ngữ
chuyên ngành y sinh, đó là những kiến thức quý báu giúp cho hành trang chúng em sau
khi ra trường thêm tự tin hơn.
Phân công nhiệm vụ:

Vũ Tùng Lâm

Phần 1,2 và 3

Trang 1 – 20

Nguyễn Đức Mạnh

Phần 4,5,6,7 và 8

Trang 21 - 46

Hà Nội, tháng 01 năm 2017
Nhóm Sinh viên thực hiện
Vũ Tùng Lâm
Nguyễn Đức Mạnh
1

Mục Lục
Lời nói đầu......................................................................................................................... 1
1

Giới thiệu..................................................................................................................... 4

2

Phương thức chụp ảnh X quang...................................................................................8

3

2.1

Lịch sử.................................................................................................................. 8

2.2

Bản chất vật lí tia X............................................................................................10

2.3

Tống quan về cấu trúc nguyên tử........................................................................13

Tương tác giữa tia X với vật chất..............................................................................14
3.1

Tán xạ Coherent..................................................................................................15

3.2

Hiệu ứng quang rã...............................................................................................15

3.3

Hiệu ứng quang điện...........................................................................................15

3.4

Tán xạ Compton.................................................................................................17

3.5

Hiệu ứng tạo cặp.................................................................................................19

3.6

Tổng kết.............................................................................................................. 19

4. Liều lượng và sự phơi sáng.......................................................................................21
4.1. Liều lượng tương đương.....................................................................................21
4.2. Mức độ tối đa được cho phép..............................................................................22
4.3. Liều lượng đối với môi trường............................................................................23
4.4. Những phần cơ thể - liều tồn thân.....................................................................24
5. Mơ hình lan truyền....................................................................................................25
5.1. Phương thức truyền ảnh đơn giản.......................................................................25
5.2. Hệ số suy giảm..............................................................................................26
5.3. Truyền hình ảnh............................................................................................28
6. Tóm tắt ngắn gọn................................................................................................29
7. Các thế hệ của tia X-ray...................................................................................30

7.1. White radiation..............................................................................................31
2


7.2. Đặc tính của bức xạ.....................................................................................32
7.3. Máy phát X-ray..............................................................................................32
7.4. Lưới....................................................................................................................34
7.5. Đầu dò..............................................................................................................35
7.6. Những phương pháp tổng hợp.................................................................39
8. Tổng kết và lịch sử.............................................................................................43
9. Tài liệu tham khảo..............................................................................................46

3


1 Giới thiệu
Việc tao ảnh cơ thể con người đểu được tạo ra nhờ sự tương tác năng lượng với mơ
người. Năng lượng có thể ở dưới dạng bức xạ, từ trường hoặc điện hoặc năng lượng âm
thanh. Năng lượng thường tương tác ở mức độ phân tử hay nguyên tử. Do đó, chúng ta
cần hiểu biết rõ về cấu trúc của nguyên tử. Ngoài sự hiểu biết về vật lý nguyên tử, chúng
ta cần biết về các thuật ngữ dung trong tạo ảnh. Ví dụ:
 Chụp cắt lớp (tomography) tomo: cắt lát. Một hình ảnh cắt ngang được hình thành
từ một tập hợp các hình ảnh chiếu.
 CT: Chụp cắt lớp vi tính
 MRI: Chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân.
 PET: Chụp positron cắt lớp. Chụp cắt lớp phát xạ.
 SPECT: Chụp cắt lớp bằng bức xạ đơn photon.
 Siêu âm
 Chụp cắt lớp quang học: sử dụng ảnh sang hồng ngoại để tạo ảnh các động mạch
vành.

Mỗi phương thức có một phương pháp tạo ảnh riêng.
MR, CT, … đều là các phương thức tạo ảnh. Đôi khi ta phân loại các phương thức
theo mức năng lượng áp dụng vào cơ thể, ví dụ: phương pháp chụp X quang sản xuất ra
một năng lượng đủ để ion hóa nguyên tử.
Các phương thức mà gây ra bức xạ ion hóa là X-quang, CT, SPECT, PET. phương
thức khơng ion hóa bao gồm chụp cộng hưởng từ và siêu âm.
Nhiều bác sĩ đã xem xét bốn phương thức tạo: X quang, phát xạ hạt nhân phóng xạ,
cộng hưởng từ và siêu âm. Và đưa ra kết quả so sánh:

4


Bảng 1.1 So sánh các phương thức chụp ảnh y tế

Phương pháp
Chụp cắt lớp điện toán
truyền qua

Chụp cắt lớp bằng bức xạ
Chụp ảnh cộng hưởng từ
hạt nhân
Siêu âm

Thông số đo

Ứng dụng y tế

Mật độ và số lượng
nguyên tử trung bình

Giải phẫu, hàm lượng khống
chất, dịng chảy và độ thấm
từ chuyển động của tương
phản vật chất

Nồng độ hạt nhân phóng
xạ

Trao đổi chất, , lưu lượng

Nồng độ, thư giãn thông
số T1, T2 và tần số thay
đổi do cấu trúc hóa học.
Sự sai lệch trở kháng âm,
vận tốc âm thanh, suy
giảm, thay đổi tần số do
chuyển động

Giải phẫu, phù nề, dòng chảy,
và thành phần hóa học
Giải phẫu, đặc điểm cấu trúc
mơ, dịng chảy

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn các phương thức tạo ảnh lớn trong chẩn đốn hình ảnh.
Một số phương thức tạo ảnh hiện đại (PET, CT và MR) yêu cầu các bệnh nằm trong một
vòng tròn. Điều này gây cản trở với các bện nhân sợ nơi chật hẹp, hoặc vài vấn đề khác.
Còn kĩ thuật siêu âm lại đòi hỏi một đầu dò đơn giản được đặt sát trên da của đối tượng.

5

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn các phương thức tạo ảnh lớn trong chẩn đốn hình ảnh

Hình 1.2 Ảnh chụp khối u não- chụp PET.

6


Hình 1.3 Ảnh chụp khối u não- chụp SPECT.

Hình 1.4 Sơ đồ của một máy MRI.

7


Hình 1.5 Hình ảnh đầu gối khi chụp MRI

2 Phương thức chụp ảnh X quang
2.1 Lịch sử
Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, Wilhelm Conrad Röntgen (một giáo sư của đại học
Julius Maximilian University of Wurzburg) phát hiện ra một loại tia mới có khả năng đâm
xuyên vật chất và đặt tên nó là tia X (X-rays). Rưntgen đã tìm kiếm tia X mà nhà vật lí
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz đã dự đốn từ lí thuyết điện từ học maxwell
về bức xạ điện từ. Rưntgen đăng kí cơng bố việc phát hiện tia X ngày 5/1/1896.
Röntgen tiến hành chụp bức ảnh X quang đầu tiên trên 1 mẫu là mơ người. Tấm
ảnh nổi tiếng đó là tấm ảnh bàn tay vợ ông với chiếc nhẫn trên tay.

8

Hình 2.6 Ảnh bàn tay bà Rưntgen với một chiếc nhẫn, chụp năm 1895

Năm 1901, Röntgen được nhận giải Nobel vật lí, ơng là người đầu tiên được nhận
giải Nobel Vật lĩ. Nhưng khơng may sau đó, vợ ơng và các nhà nghiên cứu tại trung tâm
của ông đã sớm chết vì ung thư.
Việc áp dụng X-ray trong y tế lần đầu tiên vào ngày 13 tháng 1 năm 1896 bới tiến
sĩ Ratcliffe và Hall-Edwards. Họ đã chỉ ra vị trí của một cây kim nhỏ trong bàn tay của 1
người phụ nữ, và tiến hành phẫu thuật dưới sự hộ trợ của tia X 9 ngày sau khi công bố sự
tồn tại của tia X.
Cũng năm 1896, Randolp Hearst đã thách thức cá nhà khoa học chụp ảnh được
hình ảnh của não. Nhiều nhà khoa học đã thử và tất cả đều thất bại, mặc dù nhiều kĩ thuật
tạo ảnh đã được phát minh.
9


Allan Macleod Cormack (Đại học Tufts) và Godfrey Newbold Hounsfield (phịng
thí nghiệm nghiên cứu của EMI, Ltd) đã phát triển thuật toán cần thiết (1962) và phần
cứng đầu tiên của máy quét CT (1972), thiết bị có thể tạo ảnh não. Máy qt này đã có
thể tính tốn một hình ảnh CT trong khoảng 24 giờ. Cormack và Hounsfield đã nhận giải
Nobel Sinh lý học và Y khoa năm 1979.
2.2 Bản chất vật lí tia X
Tia X-ray là bức xạ điện từ tương tự như ánh sáng, sóng radio, sóng truyền hình, vv
Bảng 2.1 cho ta thấy một số thành phần của phổ điện từ như tần số, bước sóng, năng
lượng.

Hình 2.7 Phổ sóng điện từ

10

Hình 2.8 Quang phổ điện từ và năng lượng tương ứng của từng thành phần.

Mối liên hệ giữa năng lượng và tấn số của sóng điện từ.
E=hf
 E là năng lượng tính bằng keV,
 h là hằng số Planck. h =4.13x10-19 keVs hoặc h = 6,625.10-34 Js
 f là tần số.
Trong chân khơng, tất cả các sóng điện từ lan truyền với cùng tốc độ được gọi là tốc
độ ảnh sáng (c = 3.0x108 m. s-1).
Ta có mối quan hệ giữa vận tốc, bước sóng và tần số:
C= λ.f
 Với λ là bước sóng (đơn vị: m)
X-quang cũng có đặc điểm như các hạt. Đây là một ví dụ của tính hai mặt của chất năng lượng đồng thời là sóng và hạt. Ví dụ với một hạt X-ray với vận tốc v và khối
lượng m có động lượng p là :

Các hạt tia X thường được gọi là photon, lượng tử. Nếu năng lượng các hạt này
lớn hơn 2-3 eV thì chúng có thể ion hóa các ngun tử. Bức xạ chẩn đốn thường trong
khoảng bước sóng từ 100nm-0.01nm hoặc năng lượng 12eV-125eV.
2-10eV là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết hóa học của một điện tử. Dải
năng lượng này được phát ra bởi sóng điện tử nằm trong vùng tử ngoại hoặc cao hơn.
11


Nhưng tia cực tím sẽ phá vỡ liên kết hóa học trong mơ (tức là ion hóa mơ), do đó
nó có thể gây ra mối nguy hiểm cho sức khỏe. Nếu phá vỡ liên kết hóa học vỡ đang nằm
trên phân tử DNA thì chính chỗ đó sẽ bị 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 làm nóng mơ.
Ví dụ, ánh sáng hồng ngoại có thể làm nóng đối tượng bằng cách làm cho họ rung. Lị vi
sóng trong nhà bếp làm các phân tử nguyên nước chuyển động sẽ gây ra nhiệt độ của

thức ăn để tăng.
Một thí nghiệm cổ điển cho thấy tính hai mặt của năng lượng điện từ là thí nghiệm
khe đơi. Kết quả thí nghiệm được nêu ở hình 2-3 và hình 2-4.

Hình 2.9 thí nghiệm khe đơi

Hình 2.10 Kết quả thí nghiệm khi mở 2 khe.

Kết quả của thí nghiệm khe đơi đều cho ra kết quả giống nhau khi sử dụng
electron và bức xạ điện tử. Do đó các electron có tính chất tương tự sóng và hạt,
chỉ là bức xạ điện từ. Lướng tính sóng hạt tồn tại trong bức xạ điện từ hoặc các
12


hạt ngun tử. Chúng ta khơng thấy tính lưỡng tính này với các đối tượng lớn hơn
như là quả bóng chày,..
2.3 Tống quan về cấu trúc nguyên tử.
Lý do để xem xét tổng quan là sự tương tác của sóng điện từ hoặc các hạt với mô
người phụ thuộc khá nhiều vào cấu trúc của nguyên tử.
Tống quan thế hiện:
 Ba hạt cơ bản của một nguyên tử là electron, proton và neutron. Tất nhiên, có
nhiều hạt nhỏ hơn mà giữ tất cả mọi thứ cùng nhau, nhưng nghiên cứu này sẽ được
dành riêng cho các nhà vật lý hạ nguyên tử - các chuyên gia trong vật lý hiện đại.
 Các electron mang điện tích âm, các proton mang điện tích dương, và neutron là
trung lập
 Nếu nhân có q ít nơtron, sau đó các hạt nhân sẽ khơng ổn định. Nếu hạt nhân là
quá lớn, hoặc có quá nhiều các proton và neutron, hạt nhân cũng sẽ trở nên khơng
ổn định. Khơng có đồng vị ổn định của các nguyên tử ở trên chì (Pb-208)
 Số lượng các proton được gọi là số nguyên tử. Hydrogen chỉ có một proton và số
nguyên tử của nó là một.

 Để trung hịa, một ngun tử phải có cùng số proton như electron. Nếu ngun tử
được tích điện, nó được gọi là ion.
 Khối lượng của neutron và proton gần như bằng nhau. Cịn electron có khối lượng
nhỏ hơn rất nhiều. Vì vậy khối lượng nguyên tử được định nghĩa là số neutron
cộng với số lượng proton.
 Các đám mây electron xung quanh hạt nhân chủ yếu là xác định khối lượng của
không gian bị chiếm bởi một nguyên tử.
 Các electron không thể di chuyển ra khỏi quỹ đạo do sóng bản chất của chúng, các
electron được giới hạn trong quỹ đạo của năng lượng cụ thể (tần số). Khái niệm
này được gọi là mơ hình Bohr (người đưa ra khái niệm này).
 Mơ hình Bohr:

13


 Mỗi quỹ đạo có một năng lượng khác nhau.
 Chỉ có hai electron có thể có "cùng một" giá trị năng lượng trong 1 nguyên tử.
Trong thực tế, các mơ hình nói rằng hai electron có "cùng" năng lượng phải có
năng lượng riêng
 Năng lượng mà chúng ta quan tâm là năng lượng liên kết của electron trong mỗi
mức năng lượng. Điều này sẽ cho chúng ta biết cần truyền bao nhiêu nặng lượng
cho các nguyên tử để đánh bật mà electron từ nguyên tử. năng lượng liên kết điện
tử rất cao, thường là vào thứ tự của 1-100 keV. Sóng điện từ nhỏ nhất với năng
lượng, tần số của tia X cần thiết để thay đổi cấu trúc của ngun tử. Ví dụ, ion hóa
một tín hiệu điện từ với bước sóng λ = 1 nm? Chúng ta cần phải tính tốn năng
lượng của sóng. Nếu nó vượt quá 1-2 keV, các sóng được xem là ion hóa, và có
khả năng gây nguy hiểm cho sức khỏe con người.

 Vì tia X có thể làm bất các electron và ion hóa nguyên tử nên tia X là bức xạ ion
hóa. Bức xạ này có thể thay đổi các liên kết hóa học quan trọng của các chất chẳng

hạn như DNA.
 Bức xạ chẩn đoán X-quang thường là trong khoảng bước sóng từ 100 nm đến
khoảng 0,01 nm, hoặc năng lượng từ 12 keV đến 125 keV.

3 Tương tác giữa tia X với vật chất.
Có 5 tương tác:
 Tán xạ Coherent
 Hiệu ứng quang điện
 Tán xạ Compton
14


 Sư tạo cặp
 Sự quang rã
3.1 Tán xạ Coherent
Tán xạ Coherent mô tả sự va chạm của một photon với electron mà các photon bị
lệch sang một hướng khác, năng lượng không bị mất đi. Đây không phải là bức xạ điện
tử ion hóa.
Phương thức tán xạ này ít quan trọng trong tạo ảnh y tế. ngoại trừ 125I được sử
dụng trong quét hạt nhân của tuyến giáp. Độ phân giải của quét tuyến giáp bị do tán xạ
mạch lạc của các photon phát ra.
3.2 Hiệu ứng quang rã
Các photon sẽ tương tác hoặc bị hấp thụ bởi các hạt nhân của các nguyên tử mục
tiêu. Trong phương thức này, một hoặc nhiều hạt nguyên tử được lấy ra.
Điều này dẫn đến một phần tử trở thành một phần tử khác. Chuyển đổi nguyên tố
này có thể rất hại cho các mơ của con người. Hiệu ứng này có thể xảy ra nếu các photon
có năng lượng rất cao (tần số). Năng lượng tiêu biểu cho các photon > 1MeV.
3.3 Hiệu ứng quang điện
Albert Einstein đạ dành được giải Nobel vât ví về hiệu ứng quang điện.
Theo lý thuyết lượng tử, bức xạ điện tử được lượng tử hóa thành các gói rời rạc hay

lượng tử gọi là photon. Mỗi photon có năng lượng E mà phụ thuộc vào tần số f. Mối
quan hệ giữa năng lượng và tần số, đó là E=hf-phương trình (2.1).
Một photon duy nhất có một và chỉ một tần số (và do đó một và chỉ một trạng thái
năng lượng), và có thể tương tác với một và chỉ một electron. Một photon không thể chia
sẻ năng lượng với vài electron. Vì một photon đi ở tốc độ của ánh sáng, lý thuyết tương
đối rộng dự đốn rằng các photon có năng lượng nghỉ m0. Ví dụ, năng lượng là hồn tồn
động. Nếu photon tương tác với một điện tử, sau đó nó truyền đạt tổng số năng lượng cho
electron và photon biến mất. Nếu năng lượng cần thiết để giữ các electron trong ngun
tử là ít thì năng lượng truyền đạt cho các electron của các photon, giúp electron có thể
thốt do đó sản xuất quang điện tử. Động năng của quang điện tử này phụ thuộc vào sự
chênh lệch của năng lượng liên kết của electron và năng lượng của photon tới. Hay nói
cách khác năng lượng này bằng hiệu năng của năng lượng liên kết của electron và năng
lượng của photon tới.
15


Điều gì xảy ra nếu electron bắn phá được liên kết với một nguyên tử? Nếu photon
có mức năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng liên kết của lớp K của nguyên tử, sau
đó các photon sẽ "tung ra" một trong những điện tử lớp K. Tuy nhiên, các nguyên tử cần
có đủ nguyên tử ở lớp K cho nên, một electron từ mức năng lượng cao hơn sẽ di chuyển
để điền vào các mức năng lượng thấp hơn. Điều này có thể xảy ra, hoặc do một trong các
electron lớp bên ngoài di chuyển đến cấp độ năng lượng chưa được lấp đầy, hoặc nó có
thể xảy ra như là một sự kiện bậc thang trong đó một lớp L electron di chuyển đến lớp K,
một điện tử lớp M di chuyển đến lớp L, v.v..
Như một electron di chuyển từ một lớp lớp năng lượng cao hơn để một lớp năng
lượng thấp hơn, nó phải bỏ (loại bỏ) các năng lượng dư thừa. Quá trình này lại sản xuất
các photon..
Năng lượng của photon được tạo ra bởi quá trình rơi xuống này được gọi là năng
lượng huỳnh quang hoặc năng lượng đặc trưng; các bức xạ được gọi là bức xạ đặc trưng.
Các quang điện tử sản xuất được gọi là một electron Auger. Quá trình này được minh họa

trong hình 3-1

Hình 3.11 Hiệu ứng quang điện.

.

Ví dụ, giả sử rằng các photon có năng lượng E. Nó truyền tất cả năng lượng cho
electron lớp K. Nếu electron này có năng lượng liên kết Eb, thì đây là lượng năng lượng
cần thiết để bứt electron ra khỏi vỏ của nó. Nếu E> Eb, sau đó phần cịn lại của năng
lượng kết thúc như là động năng. Electron chuyển động này là quang điện tử.
16


 Với m0 là khổi lượng nghỉ của electron.
Các nguồn năng lượng bắt buộc đối với Iốt là:

Một photon tần số 9.86x1018 Hz kích hoạt electron lớp K. Một e lớp M sẽ điền đầy
chỗ trống và nó sẽ làm thay đổi năng lượng là 32.6 KeV. Như vậy, bức xạ đặc trưng
photon với năng lượng 32,6 KeV sẽ được phát ra.
3.4 Tán xạ Compton
Trong tán xạ Compton, một photon tương tác với electron, nhưng trái ngược với
hiệu ứng quang điện, chỉ là một phần của năng lượng photon được chuyển giao cho
electron. Photon tiếp tục di chuyển, nhưng năng lượng của nó giảm đi. Nó tương đương
với việc giảm động lượng của photon. Các electron vẫn được phát ra từ vỏ của nó. Điều
này được minh họa rõ trong hình 3-2.

Hình 3.12 Minh họa hiện tượng tán xạ Compton

Động lượng của photon được tính theo phương trình sau đây:

17


Như vậy động lượng của một sóng EM phụ thuộc vào tần số. Chiều của
động lượng hướng theo đường truyền của sóng.
Khi xem xét bản chất của một photon, có thể sử dụng bảo toàn năng lượng và
động lượng để mô tả các vụ va chạm giữa một photon và một hạt tích điện. Điều này
được minh họa rõ trong hình 3.3:

Hình 3.13 Minh họa sự tương tác giữa một photon và một hạt tích điện

 Động lượng vốn có của photon là h/f trong khi đó động lượng sau biến đổi sẽ là
h/f’.
 Động lượng của electron là m0v.
Ta có:

Phương trình thể hiện sự thay đổi bước sóng là:

18


Năng lượng của tán xạ photo là:

Các bước sóng của tán xạ photon tăng hơn so với các photon tới, và do đó làm cho
năng lượng của nó giảm. Sự thay đổi trong năng lượng và bước sóng chỉ phụ thuộc vào
khối lượng nghỉ của electron, tốc độ của ánh sáng, hằng số Planck, và các góc độ của
photon tới. Giá trị moc2 thì rất phổ biến và tương đương với 511 keV.
Nếu năng lượng vốn có E thấp thì năng lượng tán xạ E ' độc lập với góc tán xạ θ.
Nếu mặt khác, năng lượng vốn có là cao thì năng lượng tán xạ cao cho θ nhỏ. Điều này
chỉ ra rằng photon tán xạ có năng lượng cao hơn sẽ tiếp tục trong cùng một hướng.

3.5 Hiệu ứng tạo cặp
Hiệu ứng tạo cặp được đặc trưng bởi một sự tương tác photon hạt nhân. Trong này,
các photon năng lượng cao được hấp thụ bởi một hạt nhân; một positron được phát hành
cùng với một electron.
Sự tương tác này là cực kỳ bất thường trong X quang chẩn đoán do các nguồn năng
lượng cao cần thiết. Tuy nhiên, Hiệu ứng tạo cặp mơ tả sự hình thành phản vật chất được
sử dụng trong PET scan.
3.6 Tổng kết
Các phương thức tương tác cơ bản là:
 Quang điện trong một photon được hấp thụ, bức xạ đặc trưng được phát ra cùng
với quang điện tử, và có thể là các electron Auger.
 Compton phân tán trong một photon được hấp thụ rải rác. Các năng lượng photon
giảm, và một electron được đẩy ra. Đây là nguồn gốc chính của nhiễu trong ảnh X
quang.
 Hiệu ứng tạo cặp trong một photon được hấp thụ bởi các hạt nhân, một positron
được phát ra, và một electron được đẩy ra.

19


Các tần số xuất hiện (xác suất) phụ thuộc vào năng lượng E tới,
cấu hình của các điện tử xung quanh các nguyên tử, số nguyên tử và khối lượng của mơ
đích,… cho thấy xác suất tương đối của cơ chế hấp thu khác nhau cho X-quang trong
carbon. Hầu hết các loại mơ người có đường cong tương tự. Con số này là chìa khóa để
hiểu tính chất vật lý của X-quang y tế. Tại các mức năng lượng của hầu hết các bệnh Xquang (50 keV đến 200 keV), hầu hết năng lượng được hấp thụ bởi các mô của con người
là do hiệu ứng quang điện, cũng đóng một vai trị quan trọng là Compton Scattering, mà
chúng tơi sẽ tìm thêm nhiễu vào hình ảnh. Hiệu ứng tạo cặp xảy ra ở mức năng lượng
thường vượt khỏi phạm vi tần số của X-quang y tế.

Hình 3.14 Xác suất tương đối của ba cơ chế hấp thụ. photon năng lượng thấp được hấp

thu chủ yếu bằng cơ chế quang điện, các photon năng lượng cao của Hiệu ứng tạo cặp, và
photon các cấp năng lượng bởi Compton tán xạ.

4. Liều lượng và sự phơi sáng
20


Để bảo vệ con người khỏi bức xạ ion hóa, hoặc để tính tỉ lệ sự rủi ro/lợi ích cho
việc phơi chiếu bệnh nhân để bức xạ là quan trọng cần thiết, rõ ràng cần thiết để đo mức
độ bức xạ tới đối tượng được phơi sáng. Cùng với trường bức xạ kín tới nguồn bức xạ sẽ
bị ảnh hưởng từ một hạt nguyên tử mà được định nghĩa bởi
với N là số phần tử
nguyên tử trên mặt cắt ngang. Đại lượng của sự phơi sáng được dùng là tia Rơnghen(roentgen R) được định nghĩa “ Số lượng của sự bức xạ sẽ phóng thích lượng điện
nạp của 2.58x10e-4 coulombs trong một kg khơng khí khơ. Nó tương đương với
1.3x10e15 electrons. Đại lượng mới khơng có tên( đây là một sự thật),
nhưng được biết như 1 R = 2.58x10e-4 C/kg khơng khí khơ.
Một phép đo hữu dụng nữa được đưa ra tử khái niệm liều lượng bức xạ, khái niệm
được mô tả là liều lượng của sự bức xạ được hấp thu bởi mô tế bào con người. Phép đo
khác là liều lượng tương đương, khái niệm cho thấy sự thật rằng một số dạng của bức xạ
đang phá hủy nhiều hơn so với những dạng khác.
Liều lượng bị hấp thụ được tính bằng lượng năng lượng hấp thụ trên đơn vị khối
lượng của mô tế bào. Năng lượng được theo Joules(Jun) và khối lượng theo kilograms.
Đơn vị của liệu lượng là ‘gray’ (Gy) được tính bằng
1 Gy = 1 J kg-1 của mô
Đây là đơn vị cũ của liệu sượng vẫn còn được sử dụng, RAD(Radiation absorbed
Dose)-liên quan tới gray theo công thức:
1 rad = 0.01 Gy = 0.01 J kg-1 của mơ
Ví dụ minh họa, nếu 1000 lượng tử(từng phần) được hấp thụ hoàn toàn trong 1 kg
của mơ, sau đó năng lượng bị hấp thụ bởi mơ sẽ là 1000 lần năng lượng của mỗi mẫu
nhỏ. Năng lượng bức xạ thương được đo bằng keV( hoặc MeV), nhưng bạn có thể

chuyển mức năng lượng:
1 J = 6.2x1018 eV
Liều lượng của 1 Gy nghĩa là 6.2x1018 eV của năng lượng được hấp thu trong 1 kg
của mơ. Nó có thể tăng từ 6.2x10 12 năng lượng phơ tơng X-Ray 1000 keV, hoặc sự kết
hợp của những số khác.
Liều bị hấp thụ rất khó để đo. Lần tính đầu của phép đo phơi sáng và sau đó định
cỡ từ hệ số hấp thụ khối lượng cho khơng khí và mô.
4.1.

Liều lượng tương đương

21


Các đơn vị của liều tương đương là liều cung cấp cho cùng nguy cơ thiệt hại hoặc
gây thiệt hại đến sức khỏe từ bất cứ loại phóng xạ nào. Đơn vị này được gọi là Sievert
(Sv):

1 Sv = 1 J kg mô x hằng số
-1

Hằng số, được gọi là yếu tố bức xạ nặng, phụ thuộc vào loại bức xạ. Có một đơn
vị cũ vẫn đang được sử dụng, rem, có liên quan đến các Sievert bởi

1 rem = 0.01 Sv = 0.01 J kg-1 mô x hằng số
Tương đương với liều lượng ở Sv thu được bằng cách nhân
liều trong Gy bởi một hằng số:
Liều lượng trong Sv = liều lượng trong Gy x hằng số
Các yếu tố bức xạ nặng cho X-Ray và γ-quang là sự thống
nhất (1), cho neutron sự không đổi là 10, và cho α hạt hằng số là

20. Vì vậy, nếu bạn đã có sự lựa chọn của bạn, bạn sẽ đánh giá
được chiếu xạ bằng tia X so với các hạt α. Bảng 4.1 đưa ra một số
ý tưởng của kích thước của các đơn vị thuộc liều.
Table 4.1 Con số điển hình cho liều X-ray cho năm điều kiện khác
nhau

Liều lượng do bức xạ nền trong 1 năm (Iowa)
Cấp thiết lập như là liều tối đa đến chung dân số trong 1
năm (một liều lớn hơn là đôi khi cho phép trong 1 năm
cung cấp trung bình của 5 năm khơng vượt quá 1 mSv).
Mức độ liều tối đa cho những người làm việc với bức xạ
(50 mSv là tối đa bất kỳ một năm)
Liều tiếp xúc đó sẽ gây ra buồn nôn, ốm đau, tiêu chảy ở
hầu hết mọi người
Liều tiếp xúc đó sẽ giết chết nhiều người trong một vài
tháng sau khi tiếp xúc
4.2.

1 mSv=0.1 rem
1 mSv = 0.1 rem
20 mSv = 2 rem
0,5 Gy = 50 rad

6 Gy = 500 rad

Mức độ tối đa được cho phép

Liều tối đa được phép thiết lập trong các mã khác nhau của thực tiễn được thể
hiện bằng đơn vị liều tương đương. Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ phóng xạ (ICRP) khuyến
cáo tương đương với liều tối đa hàng năm cho nhân viên bức xạ là 50 mSv (5 rem), với

bình quân 5 năm dưới 20 mSv mỗi năm. liều lớn được phép cụ thể bộ phận cơ thể. Đối
với các thành viên của cơng chúng, liều tồn thân đề nghị là 1 mSv (0,1 rem) trung bình
trên 5 năm.

22


Table 4.2 Liều tượng tối đa cho phép ICRP

Điều kiện
Liều lượng
Người làm việc với 50 mSv = 5 rem (5-yr average < 20 mSv = 2
bức xạ
rem)
Cộng đồng
1 mSv = 0.1 rem over 5 years
Ủy ban Quản lý hạt nhân Hoa Kỳ đã thông qua các tiêu chuẩn, hạn chế tối đa tiếp
xúc với cơng chúng nói chung đến 0,5 rem một năm. Giới hạn phơi nhiễm nghề nghiệp là
1,25 rem / 3 tháng cho toàn bộ cơ thể, và 18,75 rem / 3 tháng đối với các giám sát cá
nhân thường xuyên thường được thực hiện với phim Xquang và vịng loại mác nhãn ngón
tay
Các mức liều tối đa cho phép đã được giảm trong vòng 70 năm qua. Trong năm
1931, các phép mức tối đa là 15 mSv (1,5 rem) mỗi tuần. Có thể là tiếp tục giảm sẽ được
thực hiện. Lý do là ngay cả liều nhỏ có hiệu ứng lâu dài, và đó là những hiệu ứng đó là
nguyên nhân của việc tiếp tục tranh cãi trong việc thiết "an toàn" cài đặt. Tác động sinh
học chỉ có thể được biểu diễn theo thống kê là cơ hội rằng một sự thay đổi chung chung,
hoặc một bệnh bạch cầu (ung thư khác) có thể phát triển trong một thời gian nhất định
thời gian. Việc đánh giá rủi ro là rất phức tạp bởi vì đó cũng là những nguyên nhân tự
nhiên những thay đổi này. Sự tồn tại của hiệu ứng dài hạn là lý do tại sao những người trẻ
tuổi, và đặc biệt là thai nhi chưa sinh, phải chịu rủi ro lớn nhất đối với bức xạ ion hóa, và

do đó có thể đến mức tối đa cụ thể của mình tiếp xúc với bức xạ. Ví dụ, nó là khuyến cáo
rằng, theo "quy tắc 10 ngày", phụ nữ chỉ được tiếp xúc với chẩn đoán X-Ray thủ tục
trong 10 ngày sau kỳ kinh nguyệt khi mang thai là không thể.
4.3.

Liều lượng đối với môi trường

Chúng ta được tiếp xúc với bức xạ từ nhiều nguồn khác nhau trong cuộc sống của
chúng tôi. Một số nguồn là tự nhiên, một số là nhân tạo. Định lượng liều cơ thể khác
nhau của các nguồn này. Bạn nên so sánh chúng với liều tối đa được phép cho ở trên.

Bảng 4.3 Các liều tương ứng với sáu tình huống khác nhau (giá trị là
gần đúng).
Bức xạ vũ trụ
Vật liệu phóng xạ tự nhiên (e.g., 238U)
Trong tự nhiên, các vật liệu phóng xạ trong
cơ thể (ví dụ, 40K)
X-Ray ngực
Chụp mạch vành

200 µSv (20 mrem) trên 1 năm

300 µSv (30 mrem) trên 1 năm
300 µSv (30 mrem) trên 1 năm
500 µSv (50 mrem) liều lượng
da cho một X-Ray
20 mSv (2 rem) liều lượng da
cho một
23

Nhà máy điện hạt nhân

4.4.

< 1mSv (100 mrem) trên một
năm 1 km từ trạm

Những phần cơ thể - liều toàn thân

Có một tối đa cho phép dùng liều 20 mSv (2 rem) cho nhân viên bức xạ, và 1 mSv
(0,1 rem) cho cơng chúng nói chung. Các cơ sở cho các cấp độ là nguy cơ hư hại sinh
học. Một số cho rằng nó là quá dễ dàng để bùng nổ mối nguy hiểm bức xạ khi làm so
sánh với các mối nguy hiểm khác của cuộc sống. Ví dụ Bảng 4.4 cho thấy số liệu về một
rủi ro ngang nhau gây tử vong trên 1 năm.
Table 4.4 Tất cả những hoạt động mang tới một vài rủi ro. Họ đưa 1 trong
20000 cơ hội của gây tử vong trong 1 năm ( từ E.E. Pochin 1974 )
Liều sáng tới 5mSv (0.5 rem) bức xạ toàn
bộ cơ thể
Hút 75 điếu xì gà
Du lịch 2500 dặm bằng xe máy ơ tơ
Du lịch 12 500 dăm j bằng máy bay
Leo núi 75 phút
Cano trong 5 tiếng
Làm việc trong công ty tiêu chuẩn trong 1
năm
Các thơng tin trên khơng có nghĩa là để giảm thiểu các tác hại của bức xạ; thông
tin là có nghĩa là để đưa các rủi ro thành quan điểm. Hãy nhớ rằng, những dữ liệu này
được dựa trên các mơ hình thống kê, và khơng phải trên phịng thí nghiệm đo dữ liệu.
Bảng 4.5 đưa ra một số liều điển hình thu được trong thực hành lâm sàng. Lưu ý

rằng một số các liều là khá gần với giới hạn cho phép (0,1 mSv trung bình trên 5 năm đối
với các công chúng).
Bảng 4.5, liều lượng cho một số khảo sát X-Ray thông thường

ICRP đã gợi ý việc sử dụng số lượng hiệu quả liều tương đương, mà là một toa để
tính liều rằng, nếu cho tồn bộ cơ thể, sẽ sản xuất cùng gây thiệt hại như tiếp xúc thực tế
nhận được cho bệnh nhân. Việc tính toán EDE là phức tạp và sử dụng thủ tục MonteCarlo, nhưng kết quả là một số đại diện toàn thân "nguy hiểm" của các thủ tục lâm sàng.

24