1. Tương tác của photon (tia X, g) với vật chất

Với những photon thường dùng trong y học, mức năng lượng từ 50 keV đến 5 MeV, sẽ có ba quá trình tương tác xảy ra: tán xạ compton, hấp thu quang điện và hiệu ứng tạo cặp.

1.1. Hiệu ứng quang điện

Photon tương tác với điện tử quỹ đạo lớp trong (K hoặc L), truyền toàn bộ năng lượng (hn) làm cho điện tử bị bắn ra khỏi nguyên tử (gọi là quang điện tử) với động năng E_d:  E_g = hn = E_q - E_d (E_q là công thoát; E_d là động năng). Chỗ trống trên lớp điện tử được lấp đầy bởi các điện tử ở lớp quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Quá trình này kèm theo bức xạ tia X đặc trưng hoặc phát điện tử Auger.

Quang điện tử có thể đóng vai trò hạt điện tích và tiếp tục ion hoá các nguyên phân tử khác. Hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào số Z và năng lượng của photon, xác suất hiệu ứng s_photo ~ Z⁵/E^7/2, dễ xảy ra với các photon có năng lượng không lớn (£ 0,1MeV). Hiệu ứng quang điện được lưu ý để thiết kế các thiết bị ghi đo  trong YHHN.

Hiệu ứng quang điện đặc biệt có ý nghĩa đối với chất có số Z lớn, khi đó xác suất hiệu ứng đáng kể ngay cả ở năng lượng cao. Còn ở những chất có số khối bé, hiệu ứng quang điện chỉ có ý nghĩa với năng lượng thấp. Những nhân phóng xạ có tia gamma có năng lượng thấp không ứng dụng được trong đo lường vì chúng bị làm yếu ngay do hiệu ứng quang điện.

Hấp thu quang điện là hiện tượng rất thuận lợi cho việc ghi hình YHHN, vì có thể chặn các photon đó để tạo ra dòng điện tử một cách dễ dàng. Tinh thể NaI, các collimator chì... đều làm dừng các photon, các điện tử bật ra được thu nhận và khuếch đại trong hệ thống ghi hình của máy SPECT.

1.2. Tán xạ Compton

Thuật ngữ “tán xạ”nói lên trạng thái photon khi va chạm với vật chất bị chuyển hướng. Tán xạ compton xảy ra khi photon tương tác với một điện tử ở lớp ngoài của nguyên tử. Photon sẽ truyền cho điện tử năng lượng đủ để điện tử bật ra khỏi nguyên tử, còn bản thân photon bị giảm năng lượng và lệch hướng với một góc q nhất định.

Năng lượng photon tán xạ và electron thứ cấp được tính theo công thức:

E_g2 = E_g1/[1 + (1- cosq) E_g1/511] (keV) ;          Ee  = E_{g1  -} E_g2

Tán xạ compton gây nhiều bất lợi cho chẩn đoán YHHN vì những tán xạ đó làm nhiễu, khó định vị nơi xuất phát, đồng thời làm mờ hình ảnh ghi được. Người ta có thể khống chế tán xạ compton bằng cách giới hạn trong một khung cửa sổ nhất định, không cho các bức xạ yếu lọt qua, tuy nhiên cũng không thể loại trừ được hoàn toàn.

1.3. Sự tạo cặp

Khi photon đi vào vùng điện trường của nhân nguyên tử, sẽ chuyển từ dạng sóng sang dạng hạt và hạt được tạo thành là: electron, positron, có động năng:  E_(e+p) = hn - 2m₀C².

Positron gặp một electron trong môi trường sẽ xảy ra hủy cặp, tạo thành 2 photon, mỗi photon có năng lượng E = m₀C² = 511keV. Theo định luật bảo toàn năng lượng, muốn tạo được cặp photon 511keV, photon ban đầu phải có năng lượng >1022 keV. Những hạt nhân dùng để ghi hình trong YHHN đều có năng lượng nhỏ hơn 1022keV nên không xảy ra hiện tượng này.

Tương tác xảy ra theo hiệu ứng quang điện, compton hay hiệu ứng tạo cặp phụ thuộc vào nguyên tử số Z của chất hấp thụ và năng lượng của tia gamma và tia X (hình 1.9). Chẳng hạn với tia gamma năng lượng 0,01MeV khi đi vào mô mềm và nước thì 95% xảy ra theo hiệu ứng quang điện, 5% theo hiệu ứng compton; năng lượng là 0,15 MeV xảy ra hầu như theo hiệu ứng compton; năng lượng 100 MeV thì 84% theo hiệu ứng tạo cặp, 16% theo hiệu ứng compton.

2. Định luật hấp thụ bức xạ ion hoá

Photon đi qua một vật chất có chiều dày X nhất định sẽ bị giảm yếu do 3 loại tương tác với vật chất: tán xạ compton, hấp thu quang điện và tạo cặp. Nếu    gọi m  là  hệ số giảm yếu sau khi đi qua vật chất ta có:

m   = m_c+ m_pe + m_pp

Trong đó: m = hệ số giảm yếu tổng cộng, m_c = hệ số giảm yếu do tán xạ compton,  m_pe = hệ số giảm yếu do hấp thu quang điện, m_pp = hệ số giảm yếu do tạo cặp.  Nếu N₀ là số photon đi vào chiều dày d của vật chất, số photon không bị cản lại sẽ là:  N= N₀ exp (-m_xX).

(m_x là hệ số hấp thụ tuyến tính, phụ thuộc vào mật độ r). Để không còn phụ thuộc vào mật độ của vật chất, tích số d = X.r được dùng và gọi là độ dày khối. Khi đó ta có:   N= N₀ exp [(-m_x/r)rX)] = N₀ exp (-md).

Với m  = m_x/r được gọi là hệ số giảm yếu khối, đơn vị là cm²/g.

2.1. Tương tác của electron với vật chất

Điện tử (electron) được sinh ra từ nhiều nguồn: phân rã beta, điện tử nội biến hoán, tán xạ compton, hấp thu quang điện, tạo cặp... Các điện tử khi chuyển động trong vật chất có thể bị đẩy bởi các điện tử cùng dấu ở vòng ngoài các nguyên tử, có thể bị hút bởi proton...

- Tương tác electron - electron

Điện tử đi trong môi trường sẽ va chạm và truyền cho nhau năng lượng, thay đổi hướng. Khó xác định được đâu là hướng đi của điện tử ban đầu, đâu là hướng đi của điện tử trong môi trường mới di chuyển sau khi tiếp xúc và truyền năng lượng cho nhau. Sau khoảng 1000 lần va chạm điện tử sẽ hết động năng, quãng đường đi của điện tử trong vật chất có hướng gấp khúc chữ chi và ngắn.

Các điện tử ở vòng ngoài của nguyên tử khi nhận được năng lượng của điện tử đi tới có thể bật hẳn ra tạo thành cặp ion, có thể bị chuyển lên trạng thái kích thích. Những điện tử bị bật ra, có đủ năng lượng để tiếp tục ion hoá nguyên tử khác được gọi là các bức xạ delta (delta ray).

Người ta có thể tính được đoạn đường đi trung bình của các điện tử đó trong vật chất, phạm vi (Range - R) mà các điện tử đó không thể vượt qua trong một vật chất nhất định và với năng lượng nhất định:

Phạm vi = chiều dày của vật liệu đủ để dừng tất cả các điện tử.

Vì đường đi của điện tử không phải là một đường thẳng nên tính trung bình đoạn đường đi có thể gấp 2 lần phạm vi. Phạm vi tỷ lệ thuận với năng lượng điện tử và tỷ lệ nghịch với tỷ trọng của vật liệu.

Như vậy có thể nhận thấy các điện tử từ các nhân dùng trong YHHN sẽ không vượt qua được cơ thể người bệnh và không ảnh hưởng gì đến việc ghi hình các phủ tạng. Đồng thời cũng có thể nhận thấy việc che chắn các điện tử này bằng vật liệu sẽ đơn giản hơn nhiều so với che chắn photon.

- Tương tác electron - proton

Như trong phần trên đã nêu, các bức xạ điện tử và các photon phát sinh khi tăng tốc các hạt tích điện. Trường hợp một chùm điện tử đi vào vật chất, một số đi vào gần nhân, dưới tác động của lực hút của các proton trong nhân làm cho điện tử tăng tốc và kết quả là tạo nên một luồng bức xạ, gọi là bức xạ hãm (bremsstrahlung).

Với những vật liệu có số Z thấp như các mô của cơ thể thì bức xạ hãm ít khi xảy ra. Ngược lại, với bóng X quang, chùm điện tử bị tăng tốc mạnh vào bia là sợi tungsten nên sẽ phát ra bức xạ hãm, đó là tia X vẫn thường dùng trong chẩn đoán.

- Tán xạ đàn hồi của các điện tử

Có những điện tử bị hút bởi proton trong nhân chỉ đổi hướng mà không tham gia vào tạo bức xạ hãm, không mất năng lượng. Trong tán xạ đàn hồi, sau khi va chạm với nhân điện tử không mất năng lượng, không tạo bức xạ và cũng không kích thích nhân hoặc điện tử quỹ đạo. Hiện tượng này thường hay gặp và được gọi là tán xạ đàn hồi.

- Truyền năng lượng tuyến tính

Trên đường đi, năng lượng của các điện tử truyền được nhiều thì liều hấp thu bức xạ của cơ thể sẽ cao. Để đánh giá mức độ truyền năng lượng người ta dùng khái niệm truyền năng lượng tuyến tính (Linear Energy Transfer - LET), tức là truyền năng lượng trên một đơn vị khoảng cách. LET = DE/Dx.

Đơn vị của LET là J/m hoặc keV/mm. Giá trị của LET cũng nói lên khả năng ion hoá. Năng lượng của điện tử càng cao thì LET càng nhỏ, ngược lại năng lượng thấp thì LET lại cao. Nguyên nhân: năng lượng lớn thì điện tử sẽ đi nhanh và đoạn đường sẽ dài, vì vậy trên một đơn vị khoảng cách sự truyền năng lượng sẽ thấp, ngược lại năng lượng thấp thì điện tử di chuyển trong vật chất chậm hơn, nhiều thời gian va chạm để truyền năng lượng hơn.

2.2. Tương tác của các hạt nặng với vật chất

Các hạt nặng mang điện tích là các proton, deuteron và hạt alpha. Hạt alpha gồm hai hạt proton và hai neutron, trọng khối bằng 4 và điện tích bằng +2, nặng hơn electron khoảng 7000 lần. Khi đi vào vật chất hạt alpha chủ yếu tương tác với các điện tử ở lớp vỏ của nguyên tử. Vì mang điện tích dương nên alpha có thể hút điện tử vào và vì có khối lượng lớn lại có động năng nên có thể đẩy điện tử ra khỏi nguyên tử. Trên một đoạn đường đi ngắn có thể có hàng vạn cuộc trao đổi điện tử xảy ra, vì vậy LET của alpha rất cao. Là một hạt lớn, có điện tích dương nên va chạm rất nhiều, truyền năng lượng lớn và đường đi thẳng không bị chệch hướng. Quãng đường đi không dài hơn phạm vi. Số cặp ion tạo ra trên đường đi tăng dần khi vận tốc của hạt giảm, lớn nhất ở cuối đường đi (hiệu ứng Bragg). Phạm vi của hạt alpha trong không khí được tính đơn giản theo công thức:

R = 0,318 E^3/2 ( với E = 5,3MeV thì phạm vi R=3,85cm).

¹t alpha kh«ng ®i qua ®­îc quÇn ¸o, v× vËy viÖc b¶o vÖ chèng chiÕu ngoµi kh«ng thµnh vÊn ®Ò, nh­ng khi th©m nhËp vµo bªn trong c¬ thÓ sÏ lµm tæn th­¬ng c¸c m« rÊt nÆng. Gi¶ thiÕt lµ c¸c m« trong c¬ thÓ cã tû träng nh­ n­íc, cã thÓ tÝnh sù truyÒn n¨ng l­îng tuyÕn tÝnh cña h¹t alpha 5 MeV nh­ sau:

LET = 5 MeV/ 50 mm = 100 keV/mm.

3. Các đơn vị đo liều bức xạ ion hoá

Những biến đổi xảy ra trong môi trường vật chất nói chung và cơ thể sống nói riêng khi bị chiếu xạ bởi tia anpha, beta hay gamma đều phụ thuộc vào năng lượng bức xạ bị hấp thụ, số điện tích được tạo ra trong quá trình ion hoá. Đặc trưng định lượng cho những thuộc tính này là liều bức xạ.

- Liều hấp thụ D_h

Liều hấp thụ D_h là một đại lượng vật lý cho biết năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của môi trường bị chiếu xạ.

D_h =

Đơn vị đo liều hấp thụ là Jun/kilogam (J/kg). Một đơn vị khác đo liều hấp thụ là rad (Roentgen Absorbed Dose). 1 rad = 0,01 J/kg.

Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ J/kg được gọi là Gray (Gy).

1 rad = 0,01Gy hay 1Gy = 100 rad

- Liều chiếu D_c

Chỉ áp dụng cho các bức xạ sóng điện từ (tia X và gamma), cho biết số điện tích cùng dấu của các ion được tạo ra trong một đơn vị khối lượng không khí khô dưới tác dụng của tia X hay tia gamma.

D_c =

DQ: tổng số điện tích cùng dấu sinh ra trong khối lượng Dm.

Trong hệ SI, đơn vị đo liều chiếu là C/kg. Đơn vị thông dụng là Roentgen (R). Giữa C/kg và R có mối liên hệ như sau:

1R = 2,58x10^-4 C/kg  hay 1C/kg = 3876R

Roentgen là liều chiếu của tia gamma hay tia X sinh ra trong 1cm³ không khí ở điều kiện tiêu chuẩn một lượng điện tích âm và dương bằng 1 đơn vị điện tích. Ta biết điện tích của 1 ion bằng 4,8x10^-10 đơn vị tĩnh điện, do đó muốn tạo 1 đơn vị tĩnh điện cần: 1/4,8x10^-10 = 2,083x10⁹ cặp ion.

Muốn sinh 1 cặp ion cần 32,5eV, bởi vậy 1R tương ứng với năng lượng hấp thu trong không khí là: 2,083x10⁹ x32,5 = 0,68x10¹¹ eV/cm³ = 0,11erg/cm³ = 85 erg/g (1eV = 1,6x10^-12erg).

Nguyên tử số Z của không khí và của các mô cơ thể sống xấp xỉ nhau nên đối với cơ thể liều chiếu 1R tương đương với năng lượng hấp thu 85erg/g. Nếu kể cả mô cứng giá trị 93erg/g có thể lấy làm giá trị trung bình cho toàn cơ thể.

Roentgen (R) chỉ dùng cho bức xạ tia X và tia g, đối với các bức xạ alpha, beta...có thể dùng đương lượng vật lý của R, viết tắt là REP (Roentgen Equivalent Physical). REP là liều chiếu của bất kỳ loại bức xạ nào gây ra hiệu ứng giống như  tia X hay tia gamma có liều là 1R.

Những biến đổi trong cơ thể sinh vật bị chiếu xạ không những phụ thuộc vào liều hấp thụ D_h mà còn phụ thuộc vào bản chất của chùm tia. Tính chất này được đặc trưng bởi hiệu ứng sinh vật tương đối RBE (Relative Biological effectiveness). Giá trị của từng loại tia được xác định bởi tỷ số giữa liều hấp thụ tia gamma có E = 500 keV và liều hấp thụ của tia khảo sát khi cùng gây nên một hiệu ứng sinh học như nhau.

D_h (rad) tia g, E_g = 500keV

RBE (tia khảo sát) =                                                              (gây cùng hiệu ứng)

D_h (rad) tia khảo sát

RBE còn được gọi là trọng số bức xạ của chùm tia, ký hiệu là W_R.

Trọng số bức xạ W_R của một số loại bức xạ như sau:

- Liều tương đương

Liều tương đương H_T,R trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ R được thể hiện bởi công thức:

H_T,R = W_R.D_T,R

D_T,R là liều hấp thụ trung bình từ bức xạ R trong mô hoặc cơ quan T.

W_R là trọng số bức xạ của chùm tia.

Trong hệ SI liều hấp thụ D_T,R tính bằng Gy thì đơn vị đo liều tương đương là Sievert (Sv). Một đơn vị khác của liều tương đương là REM (Roentgen Equivalent Man - REM). 1 REM ứng với năng lượng hấp thụ trong 1g mô của tia bức xạ bất kỳ tạo ra một hiệu ứng sinh vật tương đương với liều hấp thụ của tia X hay tia gamma 1rad.

REM = RBE x rad.                  1Sv = 100 REM.

Nếu trường bức xạ bao gồm nhiều loại bức xạ, mỗi loại bức xạ lại bao gồm nhiều năng lượng khác nhau, để tính liều tương đương phải chia ra từng loại bức xạ và cuối cùng lấy tổng của chúng. Kết quả liều tương đương đối với mô hoặc cơ quan T:  H_T = _R D_T,R

- Liều hiệu dụng

Tổn thương sinh học là một khái niệm dùng để chỉ mọi nguy cơ có liên quan tới phóng xạ: nguy cơ ung thư, nguy cơ biến đổi gen trong vật liệu di truyền của tế bào.

Ngoài tổn thương toàn bộ, còn phân ra tổn thương cho từng cơ quan. Đáp ứng với bức xạ ion hoá của các cơ quan không giống nhau. Nhận cùng một liều chiếu như nhau nhưng tổn thương sinh học ở các cơ quan với mức độ khác nhau. Để đặc trưng cho tính chất này của từng mô hoặc từng cơ quan, người ta đưa ra đại lượng đặc trưng gọi là trọng số mô W_T (bảng 1.7).

Tổn thương sinh học của cơ thể bị chiếu xạ khi đó được đặc trưng bởi đại lượng gọi là liều hiệu lực E, xác định bởi công thức:

E = _T H_T

- Liều cá nhân tương đương H_p(d)

Liều cá nhân tương đương là liều tương đương trong mô mềm ở độ sâu d dưới điểm xác định trong cơ thể. Đối với bức xạ có khả năng xuyên sâu yếu thì  d=0,07mm đối với da và d=0,03mm đối với mắt. Đối với bức xạ có khả năng đâm xuyên mạnh thì d =10mm. Đại lượng này được sử dụng trong lĩnh vực chuẩn liều bức xạ.