Luận văn về an toàn che chắn trong phòng X-quang chẩn đoán sử dụng chương trình MCNP

Bài viết đánh giá an toàn che chắn trong phòng X-quang chẩn đoán sử dụng phần mềm MCNP, giúp tối ưu hóa bảo vệ bức xạ cho nhân viên y tế và bệnh nhân.

• Tác giả: Nguyễn Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa học kỹ thuật
• Đề tài: Đánh giá an toàn che chắn trong phòng X-quang chẩn đoán bằng MCNP
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về tia X và máy phát tia X
• 1.2. Tính chất của tia X
• 1.3. Tương tác của tia X với vật chất
• 1.4. Ứng dụng của tia X trong y học
• 1.5. Phân loại máy X quang
• 1.6. Cấu tạo của ống phát tia X
• 1.7. Nguyên lý hoạt động ống phát tia X
• 1.8. Các thông số kỹ thuật
• 1.9. Tổng quan về chương trình MCNP
• 1.10. Lịch sử của chương trình MCNP
• 1.11. Cấu trúc của chương trình MCNP
• 1.12. Độ chính xác của kết quả và các nhân tố ảnh hưởng
• 2. CHƯƠNG 2: AN TOÀN CHE CHẮN TRONG PHÒNG X-QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ
• 2.1. Nhu cầu che chắn của phòng X quang
• 2.2. Ảnh hưởng của bức xạ
• 2.2.1. Tổn thương ở mức phân tử
• 2.2.2. Tổn thương ở mức tế bào
• 2.2.3. Tổn thương ở mức cơ thể
• 2.3. Ý nghĩa và mục đích của việc che chắn
• 2.3.1. Đối với nhân viên bức xạ
• 2.3.2. Đối với môi trường xung quanh
• 2.3.3. Đối với bệnh nhân
• 2.4. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ
• 2.4.1. Lịch sử xây dựng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới
• 2.4.2. Các khuyến cáo về an toàn bức xạ của ICRP
• 2.4.3. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ của IAEA
• 2.4.4. Giới hạn liều
• 2.4.5. An toàn che chắn
• 2.4.6. An toàn bức xạ tại các cơ sở y tế ở Việt Nam
• 2.4.7. Các văn bản pháp lý về an toàn bức xạ của Việt Nam
• 2.4.8. Các chỉ dẫn về liều trong chiếu, chụp X quang chẩn đoán
• 2.4.9. Các giới hạn liều đối với chiếu xạ nghề nghiệp và chiếu xạ dân chúng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thông số về phòng và máy X quang thường quy ở bệnh viện Nguyễn Trãi
• 3.2. Khảo sát thực nghiệm đo suất liều ở bệnh viện Nguyễn Trãi
• 3.3. Kết quả tính toán suất liều của chương trình MCNP tại những điểm khảo sát thực nghiệm
• 3.4. Mô phỏng suất liều tại một số điểm từ chùm tia X sơ cấp theo khoảng cách so với tâm phát
• 3.5. Kết quả suất liều của một số điểm trong và ngoài phòng X quang và có cùng chiều cao với nguồn phát, cách tường 1 cm
• 3.6. Kết quả suất liều của một số điểm trong và ngoài phòng X quang trên trần phòng và dưới sàn
• 3.7. Mô phỏng phân bố suất liều trong phòng chụp khi giảm kích thước phòng
• 3.8. Ảnh hưởng của tán xạ
• 3.9. Tiết kiệm chi phí xây dựng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về an toàn che chắn trong phòng X quang

An toàn che chắn trong phòng X-quang là một yếu tố quan trọng nhằm bảo vệ nhân viên y tế, bệnh nhân và môi trường xung quanh khỏi tác động của bức xạ ion hóa. Việc đánh giá an toàn che chắn không chỉ dựa vào các tiêu chuẩn quốc tế mà còn phải phù hợp với thực tiễn tại các cơ sở y tế. Các tổn thương do bức xạ có thể xảy ra ở nhiều mức độ, từ phân tử đến cơ thể, do đó việc hiểu rõ về nguyên lý che chắn và các tiêu chuẩn an toàn là rất cần thiết. Theo các nghiên cứu, việc che chắn bức xạ ion hóa có thể giảm thiểu đáng kể nguy cơ tổn thương cho con người. Các tiêu chuẩn an toàn bức xạ như ICRP và IAEA đã đưa ra các khuyến cáo cụ thể về liều lượng bức xạ cho phép, từ đó giúp các cơ sở y tế xây dựng các phòng X-quang đạt tiêu chuẩn.

1.1. Nhu cầu che chắn của phòng X quang

Nhu cầu che chắn trong phòng X-quang xuất phát từ việc sử dụng tia X trong chẩn đoán y tế. Tia X có khả năng xuyên qua vật chất và gây ra tổn thương cho tế bào sống. Do đó, việc xây dựng các bức tường che chắn là cần thiết để bảo vệ nhân viên y tế và bệnh nhân khỏi bức xạ không cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu không có biện pháp che chắn thích hợp, mức độ bức xạ có thể vượt quá giới hạn an toàn, dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Việc sử dụng chương trình MCNP để mô phỏng và tính toán suất liều bức xạ là một phương pháp hiệu quả để đánh giá mức độ an toàn của các bức tường che chắn. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí xây dựng mà còn đảm bảo an toàn cho tất cả những người có mặt trong khu vực chụp X-quang.

1.2. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ

Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ được thiết lập nhằm bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Tiêu chuẩn ICRP và IAEA đã đưa ra các khuyến cáo cụ thể về giới hạn liều bức xạ cho nhân viên y tế và dân chúng. Theo đó, các cơ sở y tế cần tuân thủ các quy định này để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng máy X-quang. Việc đánh giá an toàn không chỉ dựa vào các tiêu chuẩn quốc tế mà còn phải xem xét các yếu tố thực tiễn tại từng cơ sở. Các văn bản pháp lý về an toàn bức xạ tại Việt Nam cũng đã được ban hành nhằm hướng dẫn các cơ sở y tế trong việc xây dựng và duy trì các phòng X-quang đạt tiêu chuẩn. Điều này không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe con người mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ y tế.

II. Phân tích MCNP trong đánh giá an toàn che chắn

Chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particle Transport Code) là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng và phân tích bức xạ. Chương trình này cho phép người dùng mô phỏng sự tương tác của tia X với vật chất, từ đó tính toán suất liều bức xạ tại các vị trí khác nhau trong phòng X-quang. Việc sử dụng MCNP giúp xác định chính xác mức độ bức xạ mà nhân viên y tế và bệnh nhân có thể tiếp xúc. Các kết quả từ mô phỏng có thể được so sánh với các tiêu chuẩn an toàn bức xạ để đánh giá tính hiệu quả của các biện pháp che chắn. Điều này không chỉ giúp cải thiện thiết kế phòng X-quang mà còn đảm bảo rằng các phòng này hoạt động trong giới hạn an toàn cho phép.

2.1. Mô phỏng suất liều bức xạ

Mô phỏng suất liều bức xạ bằng chương trình MCNP cho phép đánh giá chính xác mức độ bức xạ tại các vị trí khác nhau trong phòng X-quang. Các thông số như khoảng cách từ ống phát tia X đến bức tường che chắn, loại vật liệu che chắn và độ dày của bức tường đều có thể được điều chỉnh trong mô phỏng. Kết quả từ mô phỏng giúp xác định liệu các biện pháp che chắn hiện tại có đủ hiệu quả hay không. Nếu mức độ bức xạ vượt quá giới hạn an toàn, các biện pháp điều chỉnh có thể được thực hiện để cải thiện tình hình. Việc này không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe con người mà còn đảm bảo rằng các cơ sở y tế tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn bức xạ.

2.2. Đánh giá rủi ro bức xạ

Đánh giá rủi ro bức xạ là một phần quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho nhân viên y tế và bệnh nhân. Chương trình MCNP không chỉ giúp mô phỏng suất liều mà còn cho phép phân tích các yếu tố rủi ro liên quan đến bức xạ. Các yếu tố như thời gian tiếp xúc, khoảng cách và loại vật liệu che chắn đều ảnh hưởng đến mức độ bức xạ mà con người có thể tiếp xúc. Việc đánh giá rủi ro bức xạ giúp các cơ sở y tế có thể đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả, từ đó giảm thiểu nguy cơ tổn thương do bức xạ ion hóa. Điều này không chỉ bảo vệ sức khỏe con người mà còn nâng cao chất lượng dịch vụ y tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và y học hiện đại, máy X quang giữ vai trò thiết yếu trong chẩn đoán và điều trị bệnh lý. Tại thành phố Hồ Chí Minh, từ năm 1996 đến nay, có khoảng 504 cơ sở bức xạ y tế với gần 900 thiết bị X quang chẩn đoán hình ảnh, bao gồm CT Scanner, X quang thường quy, di động và nha khoa. Tuy nhiên, theo thống kê trung bình các năm 2009-2010, chỉ có 53% phòng X quang tuân thủ quy định về kích thước phòng được cấp phép, trong đó 100% phòng máy X quang chụp nha không đạt tiêu chuẩn kích thước. Thực trạng này xuất phát từ việc nhiều phòng X quang được xây dựng theo tiêu chuẩn cũ, không phù hợp với thiết bị kỹ thuật số hiện đại, gây khó khăn trong việc cấp phép và đảm bảo an toàn bức xạ.

Mục tiêu nghiên cứu là tính toán lại diện tích và bề dày che chắn phòng X quang phù hợp với thiết bị mới, đảm bảo an toàn bức xạ cho nhân viên, bệnh nhân và môi trường, đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư cơ sở vật chất. Nghiên cứu tập trung khảo sát phòng X quang thường quy tại Bệnh viện Nguyễn Trãi, thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng mô phỏng chương trình Monte Carlo MCNP để đánh giá suất liều bức xạ trong và ngoài phòng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng tiêu chuẩn an toàn bức xạ mới, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ y tế và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý về tia X và tương tác của tia X với vật chất, bao gồm:

• Tính chất của tia X: Tia X là bức xạ điện từ có bước sóng từ 0,01 nm đến 10 nm, năng lượng từ 120 eV đến 120 keV, có khả năng truyền thẳng và xuyên qua vật chất, tính hấp thụ tỷ lệ thuận với trọng lượng nguyên tử và mật độ vật chất.
• Tương tác tia X với vật chất: Bao gồm tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton, hấp thụ quang điện và quá trình tạo cặp. Trong đó, tán xạ Compton chiếm ưu thế trong vùng năng lượng chẩn đoán trên 26 keV, ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh và liều bức xạ.
• Hệ số hấp thụ tuyến tính và khối: Mô tả sự suy giảm cường độ tia X khi truyền qua vật chất, là cơ sở để tính toán bề dày che chắn.
• Tiêu chuẩn an toàn bức xạ: Dựa trên các khuyến cáo của ICRP và IAEA, cùng các tiêu chuẩn Việt Nam như TCVN 6561:1999 và TCVN 6866:2001, quy định giới hạn liều chiếu xạ nghề nghiệp và dân chúng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo với phần mềm MCNP5 để xây dựng mô hình phòng X quang và tính toán suất liều bức xạ. Cỡ mẫu gồm các điểm khảo sát trong và ngoài phòng X quang tại Bệnh viện Nguyễn Trãi, với kích thước phòng 4m × 5,2m × 3,5m, tường dày 17 cm có lót chì 2 mm, cửa thép lót chì 2 mm và kính chì dày 2 mm.

Phương pháp chọn mẫu là khảo sát thực nghiệm đo suất liều tại các vị trí quan trọng, sau đó chuẩn hóa mô hình MCNP5 với dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác. Phân tích số liệu tập trung vào so sánh suất liều tại các điểm khác nhau, đánh giá ảnh hưởng của tán xạ, kích thước phòng và vật liệu che chắn. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Suất liều bức xạ trong và ngoài phòng X quang: Kết quả đo thực nghiệm và mô phỏng MCNP5 cho thấy suất liều tại các điểm trong phòng dao động từ khoảng 0,1 đến 0,5 µSv/h, trong khi ngoài phòng giảm mạnh, chỉ còn dưới 0,01 µSv/h, đảm bảo an toàn theo tiêu chuẩn giới hạn liều cho dân chúng (1 mSv/năm).

2. Ảnh hưởng của khoảng cách đến suất liều: Suất liều giảm theo khoảng cách từ tâm phát tia X, với mức giảm khoảng 70% khi khoảng cách tăng từ 1 m lên 3 m, phù hợp với định luật suy giảm nghịch đảo bình phương khoảng cách.

3. Tác động của tán xạ và vật liệu che chắn: Tán xạ Compton làm tăng suất liều tại các điểm gần tường và trần, chiếm khoảng 10-15% tổng suất liều. Việc sử dụng vật liệu barit thay thế một phần chì trong tường giúp giảm chi phí xây dựng khoảng 20% mà vẫn duy trì hiệu quả che chắn tương đương.

4. Ảnh hưởng của kích thước phòng: Mô phỏng cho thấy giảm kích thước phòng từ 4,5m × 5,2m xuống còn 3,5m × 4m làm tăng suất liều ngoài phòng lên khoảng 0,02 µSv/h, vẫn trong giới hạn an toàn nhưng cần cân nhắc khi áp dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm tương đồng, chứng tỏ chương trình MCNP5 là công cụ tin cậy để đánh giá an toàn bức xạ trong phòng X quang. Suất liều ngoài phòng luôn thấp hơn giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn cho nhân viên và dân cư xung quanh. Việc tán xạ Compton làm tăng liều bức xạ tại các vị trí gần bề mặt phòng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế vật liệu che chắn phù hợp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn bức xạ hiện hành. Việc thay thế chì bằng barit là giải pháp tiết kiệm chi phí hiệu quả, đồng thời giảm tải trọng công trình. Tuy nhiên, giảm kích thước phòng cần được cân nhắc kỹ lưỡng để không ảnh hưởng đến chất lượng chẩn đoán và an toàn bức xạ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố suất liều theo khoảng cách và bảng so sánh suất liều tại các điểm khảo sát trong và ngoài phòng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp che chắn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa kích thước phòng X quang: Điều chỉnh kích thước phòng phù hợp với thiết bị kỹ thuật số hiện đại, đảm bảo diện tích tối thiểu 4m × 5m × 3,5m để cân bằng giữa an toàn bức xạ và tiết kiệm chi phí. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: Ban quản lý bệnh viện và cơ quan cấp phép.

2. Sử dụng vật liệu che chắn thay thế: Áp dụng vật liệu barit thay thế một phần chì trong tường và trần phòng để giảm chi phí xây dựng khoảng 20% mà vẫn đảm bảo hiệu quả che chắn. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: Nhà thầu xây dựng và kỹ sư vật liệu.

3. Triển khai mô phỏng MCNP trong thiết kế phòng X quang: Áp dụng mô phỏng Monte Carlo MCNP để đánh giá suất liều và thiết kế che chắn cho các phòng X quang mới, nâng cao độ chính xác và an toàn. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và kỹ thuật y tế.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức an toàn bức xạ: Tổ chức các khóa đào tạo cho nhân viên y tế về an toàn bức xạ, sử dụng thiết bị bảo hộ và tuân thủ quy định liều giới hạn. Thời gian thực hiện: hàng năm. Chủ thể: Bộ Y tế và các bệnh viện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhân viên kỹ thuật X quang và bác sĩ chẩn đoán hình ảnh: Nâng cao hiểu biết về an toàn bức xạ, cách thiết kế phòng chụp và sử dụng thiết bị hiệu quả, giảm thiểu rủi ro cho bản thân và bệnh nhân.

2. Quản lý bệnh viện và cơ quan cấp phép: Căn cứ vào kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về kích thước và vật liệu phòng X quang, đảm bảo tuân thủ pháp luật và an toàn cộng đồng.

3. Kỹ sư xây dựng và thiết kế công trình y tế: Áp dụng các giải pháp vật liệu và mô phỏng để thiết kế phòng X quang tiết kiệm chi phí, đảm bảo an toàn bức xạ và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành y học hạt nhân, vật lý y tế: Tham khảo phương pháp mô phỏng Monte Carlo MCNP, các tiêu chuẩn an toàn bức xạ và ứng dụng thực tiễn trong y tế, phục vụ nghiên cứu và phát triển chuyên môn.

Câu hỏi thường gặp

1. MCNP là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
   MCNP (Monte Carlo N-Particle) là phần mềm mô phỏng vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte Carlo, có khả năng mô phỏng neutron, photon và electron trong môi trường 3D. Nó được sử dụng để tính toán suất liều bức xạ trong phòng X quang nhằm đánh giá an toàn bức xạ một cách chính xác và tin cậy.

2. Tại sao cần tính toán lại kích thước và bề dày che chắn phòng X quang?
   Nhiều phòng X quang hiện nay được xây dựng theo tiêu chuẩn cũ không phù hợp với thiết bị kỹ thuật số hiện đại, dẫn đến việc không đảm bảo an toàn bức xạ hoặc lãng phí chi phí xây dựng. Tính toán lại giúp tối ưu hóa diện tích và vật liệu che chắn, đảm bảo an toàn và tiết kiệm.

3. Vật liệu barit có ưu điểm gì so với chì trong che chắn?
   Barit có khả năng cản tia X tương đương với chì nhưng có trọng lượng nhẹ hơn và chi phí thấp hơn, giúp giảm tải trọng công trình và tiết kiệm chi phí xây dựng mà vẫn đảm bảo hiệu quả che chắn.

4. Giới hạn liều bức xạ cho nhân viên và dân chúng là bao nhiêu?
   Theo tiêu chuẩn Việt Nam và khuyến cáo ICRP, giới hạn liều hiệu dụng cho nhân viên bức xạ là 20 mSv/năm trung bình trong 5 năm, không vượt quá 50 mSv trong một năm. Đối với dân chúng, giới hạn là 1 mSv/năm.

5. Làm thế nào để giảm thiểu tác động của tán xạ Compton trong phòng X quang?
   Thiết kế phòng với vật liệu che chắn phù hợp, đặc biệt tăng cường che chắn tại các vị trí dễ bị tán xạ như gần tường và trần, đồng thời sử dụng mô phỏng để tối ưu hóa cấu trúc phòng nhằm giảm suất liều do tán xạ.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng MCNP5 cho phòng X quang thường quy tại Bệnh viện Nguyễn Trãi, chuẩn hóa với dữ liệu thực nghiệm.
• Suất liều bức xạ trong và ngoài phòng đều nằm trong giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam.
• Vật liệu barit có thể thay thế một phần chì trong che chắn, giúp tiết kiệm chi phí xây dựng khoảng 20% mà vẫn đảm bảo an toàn.
• Giảm kích thước phòng cần được cân nhắc kỹ lưỡng để không ảnh hưởng đến an toàn và chất lượng chẩn đoán.
• Đề xuất áp dụng mô phỏng MCNP trong thiết kế phòng X quang và tăng cường đào tạo an toàn bức xạ cho nhân viên y tế.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất tại các cơ sở y tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu đánh giá các loại máy X quang khác và môi trường làm việc đa dạng. Mời các nhà quản lý, kỹ sư và nhân viên y tế tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong chẩn đoán hình ảnh y học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan, trong chương này trình bày về tổng quan tia X, máy phát tia X và tổng quan về chương trình MCNP. Chương 2: An toàn che chắn trong phòng X quang chẩn đoán y tế. Trình bày về các hiệu ứng sinh học, các tổn thương do bức xạ ion hóa, các giới hạn liều chiếu xạ, các tiêu chuẩn an toàn bức xạ của thế giới, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6561:1999 “An toàn bức xạ ion hóa tại các cơ sở X quang y tế”, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6866:2001 “An toàn bức xạ - Giới hạn liều chiếu đối với nhân viên bức xạ và dân chúng”. Đồng thời cũng trình bày về mục đích và ý nghĩa của việc che chắn.

Chương 3: Kết quả và thảo luận. Trình bày việc xây dựng mô hình phòng máy X quang bằng chương trình MCNP5, chuẩn hóa chương trình bằng kết quả đo đạc thực nghiệm. Ứng dụng chương trình MCNP5 để tính toán suất liều tại các vị trí xung quanh ống phát tia X trong và ngoài phòng, từ đó đánh giá an toàn bức xạ xung quanh khu vực khảo sát. Đồng thời tính toán suất liều khi giảm kích thước phòng, xem xét ảnh hưởng của tán xạ đến kết quả và thay thế vật liệu để tiết kiệm chi phí xây dựng.

Tổng quan về tia X và máy phát tia X. Tính chất của tia X Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, sau khi rời phòng thí nghiệm một quãng, sực nhớ quên chưa ngắt cầu dao điện cao thế dẫn vào ống tia catod, Wilhelm Conrad Roentgen quay lại phòng và nhận thấy một vệt sáng màu xanh lục trên bàn tuy phòng tối om. Với đầu óc nhạy bén, đầy kinh nghiệm của một nhà vật lí học, việc này đã lôi cuốn ông và sau 49 ngày liên tục miệt mài nghiên cứu, ông đã tìm ra tính chất của thứ tia bí mật mà ông tạm đặt tên là tia X và mang lại cho ông giải Nobel về vật lý đầu tiên vào năm 1901 [14]. Một số đặc tính của tia X: Tia X hay tia Roentgen, là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 0,01 nm đến 10 nm, tương ứng với dãy tần số khoảng từ 30 PHz đến 30 EHz (1PHz = 1015Hz, 1EHz=1018Hz) và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV.

Ta có thể so sánh P P P P bước sóng tia X trong dãy sóng điện từ sau đây: Hình 1. Phổ sóng điện từ. Tính truyền thẳng và đâm xuyên: là tính chất nổi bật của tia X, tia X truyền thẳng theo mọi hướng và có khả năng xuyên qua vật chất, qua cơ thể người, nó dễ dàng đi qua các vật không trong suốt như gỗ, giấy, vải, các mô mềm như thịt, da. 11 Đối với các mô cứng và kim loại thì nó đi qua khó hơn, kim loại có nguyên tử lượng càng lớn thì tia X càng khó xuyên qua.

Tia X có bước sóng càng ngắn thì khả năng đâm xuyên càng mạnh, khi đó ta nói tia X càng cứng. Sự đâm xuyên này càng dễ dàng khi năng lượng tia càng tăng. Đây là đặc trưng quan trọng trong tạo hình X quang. Tính bị hấp thụ: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị suy giảm do một phần năng lượng bị hấp thụ.

Đây là cơ sở của các phương pháp chẩn đoán X quang và liệu pháp X quang. Sự hấp thu này tỉ lệ thuận với:  Thể tích của vật chất bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thụ càng nhiều.  Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ bị hấp thụ càng nhiều.  Trọng lượng nguyên tử của vật chất: sự hấp thụ tăng theo trọng lượng nguyên tử của chất bị chiếu xạ.

 Mật độ của vật chất: số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật càng nhiều thì sự hấp thụ tia X càng tăng. Tính chất quang học: tia X có những hiện tượng quang học như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Tính chất gây phát quang: dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát quang như các muối clorua, Na, Ba, Mg, Li,. và có chất trở nên sáng như Tungstat cadmi, platino-cyanua Bari các chất này được dùng để chế tạo màn huỳnh quang dùng khi chiếu X quang, tấm tăng quang.

Tính chất hóa học: tính chất hóa học quan trọng nhất của tia X là tác dụng lên muối Bromua bạc trên phim và giấy ảnh làm cho nó biến thành bạc khi chịu tác dụng của các chất khử trong thuốc hiện hình. Nhờ tính chất này mà nó cho phép ghi hình X quang của các bộ phận trong cơ thể lên phim và giấy ảnh. 12 Tác dụng sinh học: khi truyền qua cơ thể, tia X có những tác dụng sinh học. Tác dụng này được sử dụng trong điều trị đồng thời nó cũng gây nên những biến đổi có hại cho cơ thể.

Tương tác của tia X với vật chất Khi đi qua vật chất, các photon sẽ xuyên qua, tán xạ hoặc bị hấp thụ. Có ba loại tương tác chính của tia X với vật chất là tán xạ (gồm có tán xạ Rayleigh và tán xạ Compton), hấp thụ quang điện và tạo cặp. Trong đó tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton và hấp thụ quang điện đóng vai trò quan trọng trong X quang chẩn đoán và y học hạt nhân [3]. Tán xạ Rayleigh Trong tán xạ Rayleigh (hay tán xạ đàn hồi), các photon tới tương tác và kích thích nguyên tử.

Trong tương tác này, photon tán xạ có cùng năng lượng với photon tới, electron không được phát ra do đó không xảy ra quá trình ion hóa và góc tán xạ tăng khi năng lượng tia X giảm. Tán xạ Rayleigh xảy ra chủ yếu với tia X chẩn đoán năng lượng thấp như trong chụp nhũ ảnh (15keV đến 30keV). Trong chẩn đoán hình ảnh, tia X tán xạ sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, tương tác này xảy ra với xác suất thấp trong vùng năng lượng chẩn đoán.

Trong mô mềm, tán xạ Rayleigh chiếm ít hơn 5% tương tác tia X trên 70keV và hầu hết chỉ chiếm 12% tương tác tia X ở khoảng 30keV. Tán xạ Compton Tán xạ Compton còn gọi là tán xạ không đàn hồi là hiện tượng photon tán xạ trên electron của nguyên tử và lệch khỏi hướng đi ban đầu. Tán xạ Compton là tương tác chủ yếu của tia X trong vùng năng lượng chẩn đoán với mô mềm. Trong thực tế, tán xạ Compton chiếm ưu thế trong vùng năng lượng chẩn đoán trên 26 keV.

Tương tác này có khả năng xảy ra nhất giữa các photon và các electron lớp vỏ ngoài. Electron bị đẩy ra từ nguyên tử, photon bị tán xạ với năng lượng suy giảm. Như tất cả các tương tác khác, năng lượng và động lượng phải được bảo toàn. Vì năng lượng liên kết của các electron rất nhỏ nên có thể bỏ qua, do đó năng lượng của photon tới E 0 bằng tổng năng lượng của photon tán xạ E sc và năng lượng R R R R electron phát ra E e-.

Tán xạ Compton Tán xạ Compton dẫn đến sự ion hóa của nguyên tử và sự phân chia năng lượng photon tới giữa photon tán xạ và electron phát ra. Electron phát ra sẽ mất động năng của nó qua việc kích thích và ion hóa các nguyên tử trong môi trường vật chất xung quanh. Photon tán xạ có thể đi trong môi trường mà không xảy ra tương 14 tác hoặc có thể tiếp tục trải qua các tương tác như tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh và hiệu ứng quang điện. Năng lượng của photon tán xạ E sc có thể được tính từ năng lượng photon tới R R E 0 và góc của photon tán xạ θ: R R E0 E sc = (1.

Hấp thụ quang điện Trong hiệu ứng quang điện, các photon va chạm không đàn hồi với các nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Hấp thụ quang điện Động năng của quang electron bị đẩy ra E e bằng năng lượng photon tới E 0 trừ R R R R năng lượng liên kết của electron quỹ đạo E b .3) Để hấp thụ quang điện xảy ra, năng lượng photon tới phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron bị đẩy ra. Sau tương tác quang điện, nguyên tử bị ion hóa, xuất hiện một lỗ trống bên trong lớp vỏ electron. Lỗ trống này sẽ được lấp đầy bởi một electron từ lớp vỏ có năng lượng liên kết thấp hơn.

Một lỗ trống khác được tạo ra và sau đó được lấp đầy bởi một electron từ lớp vỏ có năng lượng liên kết thấp hơn. Do đó, một thác electron từ lớp vỏ ngoài đến lớp vỏ trong xuất hiện. Sự khác biệt trong năng lượng liên kết là giải phóng cả bức xạ tia X đặc trưng và electron Auger. 15 Xác suất phát xạ tia X giảm khi số khối của chất hấp thụ giảm và do đó không thường xuyên xảy ra đối với tương tác photon năng lượng chẩn đoán trong các mô mềm.

Xác suất hấp thụ quang điện trên một đơn vị khối lượng xấp xỉ bằng Z3/E3 với P P P P Z là số nguyên tử và E là năng lượng của photon tới. Quá trình quang điện chiếm ưu thế khi photon năng lượng thấp tương tác với vật liệu có Z lớn. Lợi ích của sự hấp thụ quang điện trong hình ảnh X quang là không có photon thứ cấp bổ sung làm giảm chất lượng hình ảnh. Thực tế, xác suất của sự hấp thụ quang điện tỉ lệ thuận với 1/E3, một phần do độ tương phản hình ảnh giảm khi năng P P lượng tia X cao được sử dụng trong quá trình chụp ảnh.

Quá trình tạo cặp Quá trình tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng tia X vượt quá 1,022 MeV. Trong quá trình tạo cặp, một tia X tương tác với điện trường của hạt nhân của nguyên tử. Năng lượng của photon được truyền sang cặp elelctron và positron. Electron và positron di chuyển và mất động năng thông qua quá trình kích thích và ion hóa.

Quá trình tạo cặp ít xuất hiện trong chẩn đoán hình ảnh vì nó cần năng lượng cực lớn để xảy ra. Trong thực tế, quá trình tạo cặp không đáng kể nếu năng lượng photon tới không vượt quá 1,022 MeV. Quá trình tạo cặp 16 1. Hệ số hấp thụ tuyến tính Xét một chùm tia X đơn sắc, chuẩn trực có cường độ I 0 , khi đi qua một lớp vật R R chất có bề dày x(cm), sự suy giảm cường độ của chùm tia sau khi đi qua vật chất I tuân theo định luật suy giảm: I = I 0 e − µx (1.4) Với µ (cm-1) là hệ số hấp thụ tuyến tính.