Bức xạ trong lĩnh vực hình ảnh y khoa

Bức xạ - Radiation- là năng lượng truyền qua một khoảng không hay môi trường vật chất. Hai dạng bức xạ được ứng dụng trong kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh là dạng điện từ ( electromagnetic) và dạng hạt (particulate).

  1. Bức xạ điện từ

Ánh sáng nhìn thấy được, sóng vô tuyến radio, và tia X (X quang) là các dạng khác nhau của bức xạ điện từ. Bức xạ điện từ không có khối lượng, không bị ảnh hưởng bởi các trường điện hoặc từ, và có tốc độ truyền là hằng số trong một môi trường xác định. Mặc dù bức xạ điện từ có thể xuyên qua vật chất nhưng nó lại không cần vật chất trung gian để di chuyển. Vận tốc tối đa của nó (2,998 x 10⁸m/giây) đạt được trong điều kiện môi trường chân không – với vận tốc này ta có thể “vào Bắc ra Nam” 170 lần chỉ sau một cú chớp mắt!. Trong môi trường khác, tốc độ của nó là một hàm phụ thuộc vào đặc tính dẫn truyền của môi trường. Bức xạ điện từ là những đường thẳng; tuy nhiên, quỹ đạo của nó có thể bị thay đổi tuỳ theo tương tác với vật chất. Tương tác này có thể diễn ra do quá trình hấp thụ (khử bức xạ) hay quá trình tán xạ (làm biến đổi quỹ đạo).
Bức xạ điện từ đặc trưng bởi các đại lượng: bước sóng (λ), tần số (ν), và năng lượng mỗi photon (E). Các nhóm bức xạ điện từ (bao gồm bức xạ nhiệt; radio, TV, và vi sóng; hồng ngoại, khả kiến, và ánh sáng tử ngoại; và các tia X và gamma) được thể hiện trên phổ điện từ như hình dưới. 

Minh hoạ phổ điện từ (Nguồn: NASA)

.* Bức xạ ion hoá và không ion hoá

Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng cận tử ngoại trong dải phổ bức xạ sẽ mang năng lượng đủ để mỗi photon có thể bứt các electron vùng biên ra khỏi nguyên tử, tạo ra các nguyên tử và phân tử ion hoá. Bức xạ trong vùng này (như bức xạ cực tím, tia X và tia gamma) được gọi là bức xạ ion hoá. Bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn vùng viễn - tử ngoại (như ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, radio, và sóng truyền hình) gọi là bức xạ không ion hoá. Ngưỡng năng lượng của việc ion hoá phụ thuộc vào từng loại vật chất. Ví dụ, năng lượng tối thiểu cần có để bứt một electron (được biết là thế ion hoá) từ H₂O và C₆H₆ có giá trị tương ứng là 12.6 và 9.3 eV.

2. Bức xạ dạng hạt

Đặc tính vật lý của hầu hết bức xạ dạng hạt quan trọng sử dụng trong lĩnh vực hình ảnh y khoa được liệt kê trong bảng dưới đây. 

amu: Atomic Mass Unit

Tất cả các nguyên tử đều có chứa proton trong nhân. Mỗi proton mang một đơn vị điện tích dương và là hạt nhân của một nguyên tử Hidro-1. Electron có mặt tại các quỹ đạo nguyên tử (xung quanh hạt nhân). Electron đồng thời cũng được phóng ra từ hạt nhân của vài nguyên tử phóng xạ; trong trường hợp đó chúng chính là các hạt beta-trừ. Các hạt beta-trừ (β^-) còn được gọi là các negatron hay đơn giản là “hạt beta”. Positron là electron mang tích điện dương (β⁺), và được phóng ra từ một số hạt nhân trong quá trình phân rã phóng xạ. Neutron là một hạt không mang điện tích nằm trong nhân, có khối lượng lớn hơn một ít so với khối lượng của proton. Neutron được phóng thích từ các phản ứng hạt nhân và được sử dụng vào việc sản xuất hạt nhân phóng xạ. Một hạt alpha (α²⁺) bao gồm hai proton và hai neutron; vì thế nó mang điện tích +2 và giống với hạt nhân của một nguyên tử helium (⁴He²⁺). Hạt alpha được phóng ra từ một số vật liệu phóng xạ tự nhiên như uranium, thorium, và radium. Sau quá trình phóng thích từ các phóng xạ tự nhiên như vậy, hạt α²⁺ cuối cùng sẽ nhận hai electron từ môi trường xung quanh và trở thành một nguyên tử helium trung tính (⁴He)

Tài liệu tham khảo:JERROLD T.BUSHBERG et al., The essential Physics of Medical Imaging 2^nd edition, Lippincott Williams & Wilkins (2002)