CHƯƠNG 1 - TƯƠNG TAC CUA BỨC XA TIA X VỚI VAT CHAT 1. Ban chất của tia X 1.1 Tia X Tia X (X - quang) hay tia Ronghen là bức xa phát ra khi chùm tia electron đập vào vật rắn. Tia X do nhà vật ly học người Đức Ron-ghen (Röntgen) tìm ra năm 1895. Tia X là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong khoảng từ 0,01 nm + 10 nm tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3E16 + 3E19Hz) va năng lượng từ 120 eV đến 120 keV.
Bước sóng của nó ngăn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia Gamma. Có hai loại tia X là: + Tia X cứng (tính đâm xuyên mạnh) có bước sóng từ 0,01 nm đến 0,1 nm. + Tia X mêm (tính đâm yếu hơn) có bước sóng từ 0,1 nm đến 10 nm. Tính chất Tia X có tính đâm xuyên mạnh.
Có tác dụng lên kính ảnh (làm đen kính ảnh dùng để chụp X quang) Làm phát quang một số chat Làm 1on hóa không khí. Có tác dụng sinh lý, hủy diệt tế bào. Ứng dụng Dùng đề chụp điện, chiếu điện. Dùng dé dò tìm vết nứt bên trong các sản phẩm đúc.
Dùng trong kiểm tra bên trong các vật chứa. Dùng để diệt khuẩn. Dùng trong điều trị ung thư nông, gan da. Dùng đê nghiên cứu câu trúc của mạng tĩnh thê.TS Huynh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo 1.
Tương tác của tia X với vật chat [1] 1.1 Các loại tương tác Có bốn loại tương tác chính của photon năng lượng cao (từ vài chục keV đến vài MeV — tương ứng với bức xạ X - quang hoặc tia gamma) với vật chất: tán xa Rayleigh, tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo cặp. Trong đó ba loại đầu tiên đóng vai trò quan trọng trong tương tác tia X với vật chất trong ngành X - quang chân đoán và y hoc hạt nhân. + Tan xa Rayleigh Scattered photon incident photon Hình 1. 1 Tan xạ Reyleigh Trong tán xa Rayleigh, còn gọi là tán xa kết hop (coherent), các photon tới tương tác và kích thích với toàn bộ nguyên tử, còn trong tán xạ Compton và hiệu ứng quang điện, photon tương tác và kích thích với từng electron riêng lẻ.
Sự tương tác này xảy ra chủ yếu ở những tia X dùng trong chân đoán có năng lượng thấp, như sử dụng trong lĩnh vực Chụp X quang ngực (15-30 keV) (mammography). Trong qua trình tan xa Rayleigh, năng lượng của photon tới truyền cho toàn bộ các electron trong nguyên tử bia dao động đông bộ va bức xạ năng lượng, phát ra một photon có cùng năng lượng với photon tới nhưng theo một hướng khác. O sự tương tác nay, electron không bi but ra ngoài, vì vậy không xảy ra sự ion hoá. Một cách đơn giản, có thể xem tán xạ Rayleigh là tán xạ chỉ làm thay đổi hướng của photon tới, mà không có sự thay đối năng lượng.TS Huynh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo + Tan xa Compton: Trong tan xa Compton, còn gọi là tan xa không kết hop (incoherent scattering), một photon va cham với một electron liên két yếu với hạt nhân.
Khi đó photon truyền một phan năng lượng cho electron va bị lệch khỏi phương chuyển động một góc ø, @ được gọi là góc tán xạ. Kết quả cua quá trình tan xa Compton là electron nhận được một năng lượng giật lùi và năng lượng cua photon tan xạ giảm so với năng lượng cua photon tới. Electron tham gia vào quá trình tan xạ gọi là electron Compton. —_-3 Phôton tán xạ Phôton đến + + Electron Compton Hình 1.2 Quá trình tan xa Compton + Hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ.
Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên “Hiệu ứng Hertz’, do nhà khoa hoc Heinrich Hertz tìm ra. Quang electron a Tia X đặc trưng. Hiệu ứng quang điện b. Sự phát tia X đặc trưng đi kèm Hình 1.3 Hiện tượng quang điện 5 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo + Sự tạo cap: Trong sự tạo cặp, một photon biến mat trong trường Coulomb của hạt nhân va một cặp electron-positron xuất hiện.
Điều nay chỉ xảy ra néu năng lượng của photon vượt qua hai lần năng lượng nghỉ của electron (2m,cˆ = 1,022 MeV). Photon năng lượng cao dap ứng được điều kiện nay. Động năng trung bình mà các hạt mang điện electron va positron nhận được trong hiệu ứng tạo cặp là E, =hv—1,022MeV (1.1) Bức xạ ham- + , electron Photon den .~ “eth od oe er a | # ị ; ras ` ở positron “ \ / + Sự sinh cặp Sự hủy cặp Hình 1.4 Quá trình sinh cặp và huy cap 1. Các đơn vị đo liều bức xạ + Liều chiếu: liều chiếu của tia X là phần năng lượng của nó mat đi dé biến đổi thành động nang cua hạt mang điện trong một đơn vi khối lượng của không khí, khí quyền 0 điều kiện tiêu chuẩn.2) “Am Dạy: liều chiếu của tia X.
Don vị: C/kg AO(C): điện tích xuất hiện do sự ion hóa không khí trong một khối thé tích Am (kg): khối lượng không khí của thể tích này Don vi ngoại hệ: Roentgen (R). với 1C/kg = 3876R + Liêu hap thụ: + |p, dm = (1.3) 1 My m, : khôi lượng của mô hoặc cơ quan D„: liều hap thụ trong yếu tố khối lượng dm 6 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo z„ : năng lượng toàn phan truyền cho khối lượng m, + Liều tương đương: H, H, = SW, Dr, (1.4) Don vi: rem, J/kg, Sievert (Sv) 1SV = 100 rem Irem = | rad.Dr, + Liêu hiệu dụng: là tông của các liều tương đương ở các mô hay co quan.5) Don vi: J/kg, Sievert (SV) 1. Sw suy giảm của chùm bức xạ tia X khi di qua vat chất [2] Sự suy giảm là sự mat đi các photon từ chùm tia X hoặc tia gamma khi nó truyền qua vật chất, sự suy giảm này là do cả sự hấp thụ và tán xạ. Đối với năng lượng của photon thập (<26 keV), hiệu ứng quang điện chiếm ưu thé trong quá trình suy giảm ở các mô mém.
Tuy nhiên, như đã trình bay, hiệu ứng quang điện phụ thuộc vao năng lượng photon và chat hap thụ. Khi photon có năng lượng cao tương tác với vật liệu có Z thấp (mô mềm), tán xa Compton chiếm ưu thé. Tan xa Rayleigh xảy ra trong chụp ảnh y khoa xảy ra với xác suất thấp, chiém 10% tương tác trong chụp tia X ngực va 5% trong kĩ thuật chụp X quang ngực. Chỉ có những photon có năng lượng rất cao (>1,02 MeV), vượt quá khoảng năng lượng của ngành X quang chan đoán và hạt nhân, phan ứng tạo cặp mới góp phân vào sự suy giảm.
Hệ số suy giảm tuyến tính Ng 7 ON — ~~ ~——*. 5 Quá trình suy giảm số lượng photon ra khỏi vật liệu 7 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo Lượng photon mat đi từ chùm tia X hoặc tia gamma đơn sắc (cùng năng lượng) trên một don vị độ dày của vật liệu gọi là hệ số suy giảm tuyến tính (u), đơn vị là cm”. Số photon bị hap thụ khi truyền qua một bé dày nhỏ Ax có thé được tinh: AN =-uNAx Với No là số photon di chuyên đến vật liệu từ chùm tia, và N là số photon ra khỏi vật liệu. Mass Attenuation Coeffictents for Sofi Tissue 10 ——————— ¬—ễ :§= 3 _| | || | __} » 1 L_ —— + 4 § 03 | L_ oO 5 0.01 : =! = 0003 L— | dù tà 4 F uction 10 100 1,000 10.
6 Đồ thị hệ số suy giảm cua tán xạ Rayleigh, tan xa Compton, hấp thu quang điện, phan ung tạo cặp và tông hệ sô suy giảm khôi lượng đổi với mô (Z = 7) là một ham của năng luong.TS Huynh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo — BE—_- SS le| — @ i, Si YM ® ì ° Areas Ơ ' eG 2 ^ © —_ — F 2 X-ray Beam Hình 1. 7 Quá trình hình thành hệ số suy giảm tuyến tính. Ta chiếu chùm tia X qua một lớp vật liệu có bề day là x. Gol: n: số nguyên tử trong một đơn vi thé tích [m ”] ơ: tiết diện của một nguyên tử [m'] dN = —noNdx u = nơ[m''] : Hệ số suy giảm tuyến tinh Đối với chùm photon tới don sắc đi qua tâm vật liệu dày hoặc mỏng, mối liên hệ theo qui luật mũ giữa số photon tới (No) và số photon truyền qua (N) bề day x mà không chịu sự tương tác nào NEN,e"” (1.6) Hệ số suy giảm tuyến tính băng hệ số suy giảm tuyến tính thành phần của từng tương tac: H = H Rayleigh + M Quang điện + | Tán xạ Compton + HL Tạo cặp Trong khoảng năng lượng chân đoán, hệ số suy giảm tuyến tính giảm nếu năng lượng tăng trừ trường hợp khi năng lượng bằng giới hạn hấp thụ.
Hệ số suy giảm tuyến tính khi khoảng năng lượng của photon từ 30 đến 100 keV vào khoảng từ 0,16 đến 0,35 cm! Với một vật liệu có bè dày cố định, xác suất tương tác phụ thuộc vào số lượng nguyên tử mà tia X hoặc tia gamma tương tác trên một đơn vi khoảng cach. Vi dụ như nếu mật độ (p, đơn vi là g/cm’) tăng gap đôi, các photon sẽ va chạm với gấp đôi số lượng nguyên tử trên một đơn vị khoảng cách của vật liệu. Vì vậy hệ số suy giảm tuyến tính tỷ lệ với mật độ của vật liệu. Vi dụ: H Nước > H Nước đá > HÍ Hơi nước 9 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang Linh HVTH :Nguyên Tran Minh Quang Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phương pháp Monte - Carlo Bang 1.1 Mat độ vat liệu, số electron trên một don vị khối lượng, mật độ electron, và hệ sô suy giảm tuyên tính (ở 50 keV) đôi với một sô vật liệu.
Vật liệu Mật độ | electron trên đơn Mật độ Hệ số suy (g/cm`) vị khối lượng electron giảm tuyến (e/g)*10”” (e/em’)*10” | tính ụ (em”) Hydro 0.