Luận văn Khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP

on ở lớp trong cùng của nguyên tử làm cho electron này bật ra khỏi nguyên tử. Chổ trống mà electron vừa rời khỏi nguyên tử bị các electron ở lớp cao hơn xuống chiếm chỗ. Quá trình chiếm chỗ diễn ra liên tiếp nhau kèm theo phát bức xạ photon ν.h . Trường hợp lớp K bị đánh bật đi 1 electron để lại một chỗ trống lập tức từ các lớp bên ngòai L,M,N electron sẽ chuyển xuống chiếm chỗ trống ở lớp K sẽ làm xuất hiện các vạch phổ γβα K,K,K ... Tương tự như vậy nếu ở lớp L bị đánh bật đi 1 electron để lại một chỗ trống, thì từ các lớp vỏ ngoài M,N,O... electron chuyển xuống chiếm chỗ kèm theo phát xạ các vạch phổ ,...L,L,L γββ và tương tự như vậy khi electron lớp ngòai chuyển xuống chỗ trống ở lớp M cho các vạch phổ ,...M,M,M γβα (1.7) (1.8) (1.9) Hình 1.27. Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng [26] Trên hình 1.27 mô tả nguyên tử Vonfram với các lớp vỏ K,L,M. Năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử Vonfram ở các lớp K, L, M lần lựơt là 69,5 keV, 12 keV, 2 keV. Electron tới va chạm với một electron ở lớp K và làm bứt electron ra khỏi quỹ đạo, sau đó cả 2 electron bay ra khỏi nguyên tử. Khi có sự thế chỗ các electron sẽ làm phát xạ ra 2 photon có năng lượng là 57,5 keV (đây là năng lượng chênh lệch giữa lớp K và lớp L). Mặt khác electron ở lớp vỏ ngoài M lại chuyển xuống thế chỗ trống của electron ở lớp L và làm phát ra photon có năng lượng và 10 keV (phần năng lượng chênh lệch giữa lớp L và M). Như vậy, năng lượng tia X phát ra đặc trưng cho mức năng lượng của các lớp electron trong nguyên tử Vonfram. Để xác định bước sóng tia X đặc trưng, ta vận dụng biểu thức năng lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử phức tạp (Z>1). Vì chỉ có nguyên tử phức tạp mới cho phổ tia X (tức là chỉ có các nguyên tử với Z lớn).[4] 2* 2l,n )Z(n RhcE −= Với e)aZ(eZ* −= gọi là điện tích trung bình hiệu dụng, a là hệ số màn chắn tĩnh điện tích âm đối với hạt nhân. Hệ số a này thay đổi tùy theo từng lớp điện tử. Đối với lớp K thì hệ số a =1, vậy khi điện tử chuyển từ lớp L vào chỗ trống lớp K sẽ cho vạch phổ αK tương ứng với tần số: 22 22 KL )1Z.(RC 4 3)1Z)( 2 1 1 1(C.R h EE −=−−= − =να Trong đó: R là hằng số Ritbe; C là vận tốc ánh sáng; Z là nguyên tử số của nguyên tố hóa học chế tạo nên cathode. Biểu thức trên gọi là định luật Moseley, công thức này đúng với các nguyên tử có nguyên tử số Z>30 ( tức là những nguyên tố từ trung bình đến các nguyên tố nặng). Mỗi dãy phổ đều có vạch đầu và vạch cuối gọi là vạch ranh giới. Vạch đầu là ααα M,L,K , vạch cuối là ∞∞∞ M,L,K ... (hình 1.28). Bức xạ đặc trưng cần thiết trong X quang chẩn đoán là bức xạ phát ra do sự dịch chuyển electron từ các lớp L,M,N... (thậm chí electron ở bên ngoài nguyên tử) về lấp đầy lỡ trống ở lớp K. Nếu gọi chỉ số α biểu thị lớp vỏ kề cận lớp K, và β là lớp vỏ không kề cận và các dịch chuyển tương ứng là αK và βK thì tia X ứng với βK mang năng lượng lớn hơn. Đối với mỗi lớp vỏ, có những vạch năng lượng rời rạc của các lớp vỏ con là kết quả của sự tách năng lượng tinh tế của tia X đặc trưng. Đối với Vonfram, có 3 vạch nổi bật trên nền phổ liên tục là 121 K,K,K βαα như trong hình 1.28. (1.10) (1.11) Hình 1.28. Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử [4] Những vạch bức xạ đặc trưng không phát ra bởi sự dịch chuyển về lớp K thì không quan trọng trong chụp X quang chẩn đoán vì chúng gần như bị suy giảm khi đi qua cửa số ống phát tia và bộ lọc. Bảng 1.2 liệt kê các giá trị năng lượng liên kết của các electron ở lớp K tương ứng với năng lượng bức xạ đặc trưng của lớp K ứng với một số vật liệu anode thông dụng [26]. Bảng 1.2. Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode Loại dịch chuyển Vonfram Molybden Rodi 1Kα 59,32 17,48 20,22 2Kα 57,98 17,37 20,07 1Kβ 67,24 19,61 22,72 Bức xạ tia X đặc trưng ứng với lớp K chỉ phát xạ khi electron tới anode có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết của electron ở lớp K, tức điện thế gia tốc phải lớn hơn 69,5 kVp đối với bia Vonfram, lớn hơn 20 kVp đối với bia Molybden. Số lượng tia X đặc trưng so với tia X bức xạ hãm tăng theo năng lượng electron tới, ví dụ với điện áp đỉnh 80 kVp, có khoảng 5% tổng số tia X phát ra là bức xạ đặc trưng, với điện áp 100 kVp thì tỉ lệ này tăng lên 10%. Việc tạo ra tia X đặc trưng hầu như là kết quả của tương tác giữa electron-electron, tuy nhiên tương tác giữa bức xạ hãm và electron thông qua hiệu ứng quang điện cũng có thể làm phát ra tia X đặc trưng. Hình 1.29. Các vạch bức xạ đặc trưng ứng với sự dịch chuyển αK và βK trên nền bức xạ hãm đối với Vonfram ở điện áp 90kVp [26] 1.2.2. Các tính chất của tia X 1.2.2.1. Bản chất của tia X Tia Rơnghen có bản chất là sóng điện từ như ánh sáng nhưng có bước sóng nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng. Ta có thể so sánh bước sóng tia Rơnghen trong dải sóng điện từ sau đây: Bảng 1.3. Bước sóng của các loại sóng điện từ Bức xạ Bước sóng λ Tia Gamma <0,0012nm Tia Ronghen (tia X) 0,0012 – 12nm Tử ngọai 12 – 380nm Khả kiến 380 – 760nm Hồng ngoại 760 – 106 nm Sóng vô tuyến >1mm Tính chất của tia X: - Tia X làm ion hóa không khí, do đó đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra đuợc liều lượng tia X. Rọi vào các vật, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật. - Tính truyền thẳng và đâm xuyên: là tính chất nổi bật của tia X, nó dễ dàng đi qua các vật không trong suốt với ánh sáng thông thường như gỗ, giấy, vải, các mô mềm như thịt, da. 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. Đây là đặc trưng quan trọng trong tạo hình X quang. - Tính bị hấp thu: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị giảm xuống 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. -Tính chất quang học: giống như ánh sáng, tia X cũng có những hiện tượng quang học như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Những tính chất này tạo nên những tia thứ cấp trong cơ thể khi nó xuyên qua và gây nên giảm độ tương phản trên các phim chụp. Để chống lại hiện tượng này người ta có thể dùng loa khu trú, đóng nhỏ chùm tia, lưới lọc.... - Tính chất gây phát quang: dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát quang như 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 hoá học: tính chất hoá 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. - Tác dụng sinh học: khi truyền qua cơ thể tia X gây ra tác dụng sinh lí hủy diệt tế bào. Tác dụng này được sử dụng trong điều trị (điều trị ung thư nông) đồng thời nó cũng gây nên những biến đổi có hại cho cơ thể. 1.2.2.2. Sự hấp thụ tia X Do các quá trình tương tác quang điện, Compton, tạo cặp nên tia X khi đi xuyên qua vật chất năng lượng, mật độ chùm tia có thể giảm đi và do đó cường độ chùm tia sẽ bị suy giảm. Sự suy giảm này được tính theo định luật Beer. Nếu I0 là cường độ chùm tia X tới, I là cường độ tia X ra khỏi lớp vật chất, d là bề dày lớp vật chất mà tia X xuyên qua định luật hấp thụ Beer thể hiện như sau: d 0 e.II µ−= Trong đó, µ là hệ số suy giảm theo chiều dài đặc trưng cho bản chất hấp thụ tia X của vật chất và mật độ vật chất. Vì quá trình hấp thụ phụ thuộc ngẫu nhiên vào xác suất xảy ra các hiệu ứng ở trên nên hệ số suy giảm được xem như là tổng hệ số suy giảm của từng hiệu ứng: χδτ µ+µ+µ=µ Với χδτ µµµ ,, lần lượt là hệ số suy giảm của hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. Trong nhiều trường hợp để thể hiện rõ khả năng làm giảm cường độ bức xạ qua các loại vật liệu khác nhau người ta sử dụng hệ số suy giảm khối ρµ=µ /m trong đó ρ là mật độ vật chất. Áp dụng công thức Beer sẽ làm xuất hiện đại lượng mới ρ= .ddm (kg/m 2) gọi là bề dày khối của bản vật chất. Khi khảo sát một cách định tính ta thấy rằng sự hấp thụ tia X trong vật chất phụ thuộc vào một số yếu tố sau: - Thể tích của vật bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thu càng nhiều. Bề dày cơ thể càng lớn, sự hấp thụ tia X càng nhiều. Người ta nhận thấy rằng tia X sẽ suy giảm 50% khi đi qua lớp vật liệu nào đó dày 1cm thì sẽ giảm 25% nữa khi đi qua 1cm tiếp theo của vật liệu đó. Và chỉ còn 12,5% khi đi qua độ dày 3cm. Như vậy sau khi đi qua một vật liệu không dày lắm tia X sẽ chỉ còn không đầy 1% cường độ ban đầu. - Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ bị hấp thụ càng nhiều. (1.12) (1.13) - Nguyên tử số của vật chất: số thứ tự của nguyên tử vật chất càng cao thì số điện tử chứa trong hình cầu nguyên tử càng lớn. Đường kính nguyên tử lớn nên khả năng va chạm giữa những điện tử và photon tia X lớn nên quá trình hấp thụ càng dễ xảy ra. Nói cách khác sự thấp thụ tăng theo trọng lượng nguyên tử của chất bị chiếu xạ. - Mật độ nguyên tử: số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật càng nhiều thì sự hấp thu tia X càng tăng. Ví dụ nước ở trạng thái lỏng hấp thụ tia X nhiều hơn ở trạng thái hơi. 1.2.2.3. Sự tán xạ tia X Sự tán xạ của tia Roentgen có quy luật khác với sự tán xạ của ánh sáng trong vùng quang phổ học (là vùng ánh sáng nhìn thấy hay tia tử ngoại). Như ta đã biết, trong vùng quang phổ học, ở đó độ dài sóng ánh sáng cỡ , như vậy lớn hơn nhiều kích thước của nguyên tử (cỡ = cm) sự tán xạ tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc 4 của bước sóng. Trong vùng tia Roentgen, độ dài bước sóng của nó cùng bậc về giá trị với kích thước của nguyên tử. Như vậy quy luật về tán xạ với tia Roentgen sẽ phải khác. Cụ thể, về sự tán xạ được khảo sát như kết quả của những dao động cưỡng bức của những điện tử dưới tác dụng của trường điện từ của sóng Roentgen tới. Thomson trước đây đã đưa ra công thức sau cho hệ số tán xạ nguyên tử: Với : hệ số tán xạ nguyên tử, e: điện tích của electron ( Coulomb), m: khối lượng electron (kg), C: tốc độ ánh sáng (cm/s), Z: số thứ tự nguyên tố. Có thể khảo sát như tiết diện hiệu dụng của một electron đối với sự tán xạ của tia X. Khi đặt vào đó những giá trị đã biết: (1.14) Ta xác định được tiết diện hiệu dụng của nguyên tử 4 25 2 2 4 8 6,57.10 3a e cm m C πσ −= = Bán kính hiệu dụng của tiết diện này rất nhỏ cm 1.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X Khi nung nóng một vật liệu thích hợp, một số electron trong vật liệu trở nên linh động và bứt ra khỏi vật liệu như các electron tự do. Những electron tự do này sẽ bao quanh vật liệu như một đám mây electron. Đó là sự phát xạ nhiệt các electron, được sử dụng để tạo ra nguồn electron tự do trong ống tia X. Khi một điện thế chạy qua cathode sẽ sinh ra một dòng điện đốt nóng nó đến dải nhiệt độ phát xạ electron. Sợi đốt được nung nóng với một dòng điện AC có cường độ nằm trong khoảng từ 1 đến 5A ở hiệu điện thế trong khoảng từ 4 -12V. Dòng điện trong ống phát bức xạ tia X chạy qua giữa cathode và anode gần bằng 0,1% dòng đốt nóng cathode. Chùm electron phát xạ nhiệt thoát ra khỏi Cathode theo mọi hướng, do đó cần hội tụ chùm electron theo hướng nhắm thẳng vào vị trí vết tiêu trên anode. Do đó cần có hệ thống hội tụ chùm electron, hệ thống hội tụ thường được gọi là chén hội tụ được lắp xung quanh tim đèn và được nối với 1 cực nguồn DC nhằm tạo ra một điện trường lái các electron. Để đạt được vết hội tụ nhỏ, chén hội tụ sẽ được cấp thêm một điện thế âm, điều này sẽ tạo nên một điện trường có các đường sức cong hơn, mức độ hội tụ sẽ cao hơn. Các bóng X quang thường có vết hội tụ khoảng 0,6 – 1,6mm. Khi đặt một hiệu điện thế vào giữa anode và cathode, trong đó anode mang điện thế dương thì electron sẽ chuyển động về phía anode và tạo nên dòng điện chạy trong bóng X quang có chiều từ anode về cathode. Nếu chúng ta duy trì nhiệt độ cathode ở một giá trị nào đó (do dòng sợi đốt quyết định) thì số lượng electron bức xạ ở cathode sẽ không đổi. Khi tăng dần điện thế anode, số lượng điện tử dịch chuyển về anode sẽ tăng làm dòng qua bóng tăng, đây là trạng thái làm việc chưa bão hòa.Ở trạng thái này dòng điện và điện áp của bóng X quang còn phụ thuộc vào nhau. Khi điện áp anode tăng đến một giá trị mà tại đó toàn bộ số điện tử bức xạ được hút hết về anode, lúc này bóng X quang làm việc ở trạng thái bão hòa. Ở trạng thái này dòng điện và điện áp không phụ thuộc vào nhau. Đây là trạng thái làm việc thực tế của bóng X quang. Tuy vậy, trong thực tế không phải lúc nào cũng đạt được trạng thái này. Để tạo ra bức xạ cần thiết dùng cho chụp ảnh bức xạ trong công nghiệp thì điện thế dùng để gia tốc các electron phải nằm trong khoảng từ 30KV đến 30MV. Các ống phát bức xạ tia X thường sử dụng điện thế gia tốc các electron lên đến 420KV trong khi đó những giá trị điện thế gia tốc các electron lớn hơn được sử dụng cho các máy gia tốc tuyến tính. Năng lượng của các electron nhận được tương đương với dải điện thế này. 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra tia X Để đánh giá chất lượng liều ra của tia X người ta thường sử dụng các thuật ngữ: chất lượng (quality) đặc trưng cho khả năng đâm xuyên của chùm tia, số lượng (quantity) photon phát ra, liều chiếu (exposure). Liều chiếu là tỉ số giữa giá trị tuyệt đối tổng điện tích dQ của tất cả các ion cùng dấu được tạo ra trong một thể tích nguyên tố không khí (khi tất cả các electron và positron thứ cấp do các gamma tạo ra bị hãm hoàn toàn trong thể tích không khí đó) và khối lượng dm của thể tích nguyên tố không khí [6]. Liều chiếu chịu sự ảnh hưởng của chất lượng và số lượng chùm tia phát ra. Hiệu suất phát tia, liều chiếu, chất lượng và số lượng chùm tia được quyết định bởi 6 yếu tố chính: vật liệu anode, điện áp, dòng, thời gian chiếu, bộ lọc, dạng sóng của điện áp đầu vào. Vật liệu bia anode ảnh hưởng đến hiệu suất phát bức xạ hãm theo công thức: 000.820 ZE E E K L R ≅ (đã trình bày trong phần 1.3.1.1). Chùm electron tới tương tác nhiều hơn với vật liệu có nguyên tử số Z lớn hơn nên hiệu suất phát bức xạ tia X cao hơn. Mặt khác, năng lượng bức xạ đặc trưng phụ thuộc vào vật liệu bia (trình bày ở phần 1.3.1.2). Vậy vật liệu bia ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng photon phát ra và chất lượng của bức xạ đặc trưng. Điện áp đỉnh kVp quyết định giá trị năng lượng cực đại của bức xạ và ảnh hưởng đến chất lượng phổ bức xạ hãm, với giá trị kVp càng lớn thì năng lượng bức xạ càng lớn. Thêm vào đó hiệu suất phát xạ tia X liên hệ trực tiếp với giá trị kVp. Trong ống phát bức xạ tia X sử dụng điện thế thấp có 0,1% năng lượng của chùm electron được chuyển đổi thành bức xạ tia X. Các ống phát bức xạ tia X sử dụng điện thế 100KV hiệu suất phát bức xạ tia X tăng lên được khoảng 1%. Ở 2MV thì nó có thể đạt đến 10% và ở 15MV có thể lớn hơn 50%. Liều chiếu (exposure) gần như tỉ lệ với bình phương kVp: Liều chiếu ~ (kVp)2 [26] Ví dụ, theo công thức trên tỉ lệ liều chiếu ứng với điện áp 80 kVp so với chùm tia ứng với điện áp 60 kVp của cùng một ống tia X và cùng thời gian chiếu tính được (80/60)2 ~1,78, có nghĩa liều chiếu tăng lên khoảng 78%. Hình 1.30. Cường độ phát xạ tia X thay đổi mạnh theo giá trị kVp, khi giữ cùng một giá trị dòng qua ống và thời gian chiếu không đổi Ta cũng thấy rằng giá trị năng lượng tại đó có nhiều tia X nhất ( điểm cao nhất trên phổ) có giá trị càng lớn khi kVp càng lớn. Nghĩa là với kVp lớn, đa phần các tia X trong chùm là có năng lượng cao. Điện áp đỉnh kVp là giá trị cơ bản quyết định giá trị năng lượng hay khả năng đâm xuyên của tia X. Giá trị kVp càng lớn thì giá trị năng lượng tia X đạt được càng lớn, giá trị năng lượng cao cho phép tia X dễ dàng xuyên qua những bộ phận cơ thể có mật độ mô dày nên chất lượng hình ảnh trên phim tốt. Thêm vào đó, việc sử dụng giá trị điện áp cao sẽ tạo ra lượng tia X lớn do đó giảm được thời gian chiếu. Điều này có lợi khi chụp phim cho trẻ em hay những đối tượng không thể kiểm soát sự vận động khi chụp X quang.[26] Dòng qua ống (mA) bằng số electron đi từ Cathode đến Anode trong một đơn vị thời gian. Với cùng giá trị kVp và bộ lọc không thay đổi thì liều chiếu của ống tia X tỉ lệ với giá trị mA. Như đã biết, giá trị mA lựa chọn càng lớn thì nhiệt độ tim đèn càng cao nên số electron phát xạ ra càng nhiều. Điều này sẽ làm tăng số lượng hoặc cường độ bức xạ tia X. Như vậy khi mA tăng, diện tích phổ tăng lên như hình 1.30. Ta thấy khi đó đỉnh phổ không dịch chuyển nghĩa là năng lượng chùm tia không thay đổi khi thay đổi giá trị mA.[15] Hình 1.31. Ảnh hưởng của mA lên hiệu suất phát tia X Việc tăng thời gian chiếu sẽ dẫn tới việc tăng lượng tia X phát xạ ra, ví dụ nếu tăng thời gian chiếu lên hai lần thì lượng tia X phát ra cũng tăng lên hai lần. Trong một số máy hiện đại người vận hành có thể đặt lượng mAs. Đại lượng này là tích số giữa cường độ dòng điện qua ống tia X (tính bằng mA) và thời gian đến (tính bằng giây). Rõ ràng khi mAs càng lớn, thì lượng tia X đi đến phim càng nhiều, nói chung hình ảnh sẽ rõ hơn. Tùy thuộc vào bề dày vùng cơ thể khảo sát mà người vận hành có thể chọn mAs phù hợp. Việc thay đổi thời gian chiếu không ảnh hưởng lên năng lượng của chùm tia X. Sự thay đổi kVp phải cân bằng với sự thay đổi mAs để đạt được cùng một giá trị liều chiếu. Ở ví dụ trên, tỉ số liều chiếu ứng với giá trị điện áp 80 kVp và 60 kVp là 1,78. Để đạt được cùng một giá trị liều chiếu như nhau khi đi qua cơ thể bệnh nhân thì mAs phải thay đổi theo lũy thừa bậc 5 của tỉ số kVp:[26] Tức nếu liều chiếu ứng với 60kVp, 40 mAs thì tại giá trị 80kVp thì mAs tương ứng phải là: mAs5,9mAs40.) 80 60( 5 = Hoặc giá trị mAs cũng có thể được tính theo công thức:[26] 21 4 2 1 mAsmAs.) kVp kVp ( = . Việc lựa chọn giữa 2 công thức trên phụ thuộc vào bề dày và tính suy giảm bức xạ khi đi qua cơ thể bệnh nhân. 21 5 2 1 mAsmAs.) kVp kVp ( = (1.15) (1.16) Quá trình lọc tia điều chỉnh số lượng và chất lượng tia X bằng việc loại bỏ các tia X năng lượng thấp ra khỏi phổ. Việc lọc tia làm tăng giá trị năng lượng trung bình bức xạ từ đó làm tăng chất lượng tia X. Dạng sóng của điện áp ảnh hưởng đến chất lượng (khả năng đâm xuyên) của bức xạ. Với cùng giá trị kVp, điện áp một pha cung cấp hiệu điện thế trung bình thấp hơn điện áp 3 pha. Do đó cả chất lượng và số lượng tia X phát ra đều bị ảnh hưởng. Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ 2.1. Các hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa 2.1.1. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những tương tác xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những quá trình sinh học có thể âm ỉ hàng chục năm. Dưới tác dụng của bức xạ ion hóa, trong tổ chức sống trải qua hai giai đoạn biến đổi là giai đoạn hóa lý và giai đoạn sinh học. 2.1.1.1. Giai đoạn hóa lý Giai đoạn này thường rất ngắn, chỉ xảy ra trong khoảng thời gian từ 10-16 – 10-13 giây. Trong giai đoạn này các phần tử sinh học chịu tác dụng trực tiếp hay gián tiếp của bức xạ ion hóa. Tác dụng trực tiếp: bức xạ ion hóa trực tiếp truyền năng lượng và gây nên quá trình kích thích và ion hóa các phân tử sinh học dẫn đến tổn thương các phần tử đó. Tác dụng này dễ dàng quan sát được trên thực nghiệm với các vật chất khô. Tác dụng gián tiếp: bức xạ ion hóa tác dụng lên phân tử nước (chiếm 75% tổ chức sống) gây hiện tượng xạ phân các phân tử nước ( H+ , OH-,....) các hợp chất có khả năng ion hóa cao (HO2, H2O2,...) đánh lên các phân tử sinh học gây tổn thương chúng. Những tổn thương trong giai đoạn này chủ yếu là các tổn thương hóa sinh. 2.1.1.2. Giai đoạn sinh học Giai đoạn này kéo dài từ vài giây đến vài chục năm sau chiếu xạ. Những tổn thương hóa sinh ở giai đoạn đầu nếu không được hồi phục sẽ dẫn đến những rối loạn về chuyển hóa, tiếp đến là những tổn thương hình thái và chức năng của tế bào. Kết quả cuối cùng là những hiệu ứng sinh học trên cơ thể sống được biểu hiện một cách đa dạng và phong phú. Chiếu bức xạ ion hóa Tác dụng trực tiếp Tác dụng gián tiếp H2O Ion, gốc tự do phân tử kích thích Các phân tử sinh học quan trọng và các cơ quan của tế bào Rối loạn chuyển hóa các chức năng tế bào Giai đoạn sinh học (vài giây đến vài chục năm) Các hiệu ứng sinh học 2.1.2. Những tổn thương do bức xạ ion hóa 2.1.2.1. Tổn thương ở mức phân tử Khi bị chiếu xạ, năng lượng của chùm bức xạ làm phá vỡ các mối liên kết hóa học hoặc phân li các phân tử sinh học. Tuy nhiên, các bức xạ ion hóa thường khó làm đứt hết các mối liên kết hóa học mà thường chỉ làm mất thuộc tính sinh học của các phân tử sinh học. 2.1.2.2.Tổn thương ở mức tế bào Sự thay đổi đặc tính của tế bào có thể xảy ra trong nhân và nguyên sinh chất của chúng sau khi bị chiếu xạ. Trong nhiều trường hợp người ta thấy thể tích tế bào tăng lên do có sự hình thành các khoảng trống trong nhân và trong chất nguyên sinh sau khi bị chiếu xạ. Nếu bị chiếu xạ liều cao tế bào có thể bị phá hủy hoàn toàn. Các tổn thương phóng xạ lên tế bào có thể khiến: - Tế bào chết do bị tổn thương nặng ở nhân và chất nguyên sinh, O2 Giai đọan hóa lý (10-6s) - Tế bào không chết nhưng không thể phân chia được, - Tế bào không phân chia được nhưng nhiễm sắc thể tăng lên gấp đôi và trở thành tế bào khổng lồ, - Tế bào vẫn có thể phân chia nhưng có rối loạn trong cơ chế di truyền. 2.1.2.3. Tổn thương ở mức cơ thể Tổn thương gây ra bởi bức xạ là hệ quả của các tổn thương ở nhiều mức độ liên tục diễn ra trong cơ thể sống từ tổn thương phân tử, tế bào, mô đến tổn thương các cơ quan và các hệ thống của cơ thể. Hậu quả của những tổn thương này làm phát sinh những triệu chứng lâm sàng, có thể dẫn đến tử vong. Diễn tiến của tổn thương bức xạ luôn đi cùng với quá trình phục hồi tổn thương. Sự phục hồi này cũng diễn ra ở mức độ từ phân tử, tế bào, mô đến hồi phục các cơ quan và hệ thống trong cơ thể. 2.1.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa [16] a. Liều chiếu Liều chiếu là yếu tố quan trọng nhất quyết định tính chất và các tổn thương sau chiếu xạ. Liều càng lớn, tổn thương càng nặng và càng biểu hiện sớm. b. Suất liều chiếu Với cùng liều hấp thụ nếu thời gian chiếu kéo dài sẽ làm giảm hiệu ứng sinh học của bức xạ. Do với những suất liều nhỏ, tốc độ phát triển những tổn thương cân bằng với tốc độ hồi phục của cơ thể. Nếu tăng suất liều lên thì tốc độ hồi phục sẽ giảm xuống, mức độ tổn thương tăng lên, hiệu ứng sinh học cũng tăng theo. c. Diện tích chiếu Mức độ tổn thương sau khi chiếu xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích bị chiếu. Chiếu một phần hay chiếu toàn thân. Liều tử vong khi chiếu toàn thân thấp hơn nhiều so với liều chiếu cục bộ. d. Các nhân tố khác - Nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ sau khi chiếu xạ ảnh hưởng rõ rệt lên các quá trình tổn thương gây ra do bức xạ. Giảm nhiệt độ sẽ làm giảm tác dụng của bức xạ ion hóa. Do khi hạ thấp nhiệt độ, tốc độ vận chuyển các gốc tự do tới các phần tử sinh học giảm, dẫn đến giảm số phân tử sinh học bị tổn thương do chiếu xạ. Bảng 2.1. Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều Liều Hiệu ứng 0,1 Gy Không có dấu hiệu tổn thương lâm sàng. Tăng sai lệch nhiễm sắc thể có thể phát hiện được 1 Gy Xuất hiện bệnh nhiễm xạ trong số 5-7% cá thể sau chiếu xạ 2 -3 Gy Rụng lông, tóc, đục thủy tinh thể, giảm bạch cầu, xuất hiện ban đỏ trên da. Bệnh nhiễm xạ gặp ở hầu hết các đối tượng bị chiếu. Tử vong 10-30% số cá thể sau chiếu xạ 3- 5 Gy Giảm bạch cầu nghiêm trọng.Ban, xuất huyết, nhiểm khuẩn, rụng lông,tóc. Tử vong 50% số cá thể sau chiếu xạ 6 Gy Vô sinh lâu dài ở cả nam và nữ. Tử vong hơn 50% số cá thể bị chiếu ngay cả khi được điều trị tốt nhất - Hàm lượng H2O Nước đóng vai trò quan trọng gắn liền với việc tạo nên các gốc tự do dưới tác dụng của bức xạ ion hóa, do đó hàm lượng nước lớn làm tăng tác dụng ion hóa của bức xạ. - Hiệu ứng Oxy Độ nhạy cảm của hệ sinh vật tăng lên rõ rệt khi tăng áp suất oxy của môi trường. Khi tăng nồng độ oxy, lượng HO2, H2O2 tạo ra càng nhiều nên số phân tử sinh học tổn thương càng tăng lên và ngược lại. 2.2. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ 2.2.1. Lịch sử xây dựng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới Vào cuối thế kỷ 19 khi khám phá ra chất phóng xạ người ta đã nhận thấy các lợi ích và tác hại của chúng. Năm 1899 đánh dấu thành công đầu tiên trong việc sử dụng tia X để chữa bệnh ung thư thượng bì trên mặt một phụ nữ.