Nguyên lý Luật Bình Phương Nghịch Đảo trong Quang Học | Tài liệu chuẩn đoán hình ảnh

lOMoAR cPSD| 46342985
Luật bình phương nghịch đảo (Inverse Square Law) 1. Khái niệm
Luật bình phương nghịch đảo mô tả mối quan hệ giữa cường độ của một hiện tượng vật lý
(như ánh sáng, âm thanh, hay lực hấp dẫn) với khoảng cách từ nguồn. Theo luật này:
I∝1r2I \propto \frac{1}{r^2} Trong đó: •
II: Cường độ tại khoảng cách rr từ nguồn.  rr: Khoảng cách từ nguồn.
Khi khoảng cách rr tăng, cường độ II sẽ giảm theo bình phương của khoảng cách. 2. Ứng dụng •
Quang học: Ánh sáng từ một nguồn sáng giảm dần khi khoảng cách tăng. •
Âm thanh: Âm lượng từ một nguồn âm giảm khi người nghe di chuyển xa nguồn. •
Lực hấp dẫn: Lực hút giữa hai vật giảm khi khoảng cách giữa chúng tăng. 
Bức xạ: Cường độ bức xạ giảm khi khoảng cách từ nguồn tăng. 3. Lý giải
Khi một hiện tượng phát ra từ một nguồn điểm, năng lượng (hay cường độ) của nó được phân
bố trên diện tích bề mặt hình cầu có bán kính rr. Diện tích bề mặt hình cầu tăng theo bình
phương bán kính (A=4πr2A = 4\pi r^2). Vì năng lượng không đổi, nên cường độ phải giảm
theo tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt, tức là tỷ lệ nghịch với r2r^2.
4. Sơ đồ minh họa
Sơ đồ sẽ thể hiện một nguồn (như bóng đèn) phát ra năng lượng đồng đều, và cường độ giảm
khi khoảng cách từ nguồn tăng lên. lOMoAR cPSD| 46342985
Sơ đồ trên minh họa luật bình phương nghịch đảo (Inverse Square Law): •
Trục ngang (r): Khoảng cách từ nguồn. 
Trục dọc (I): Cường độ.
Ta thấy khi khoảng cách rr tăng, cường độ II giảm rất nhanh theo bình phương của khoảng
cách. Các điểm đỏ minh họa cường độ tại các khoảng cách cụ thể (1, 2, 3, 4). lOMoAR cPSD| 46342985
Đây là sơ đồ minh họa Nguyên lý tiêu điểm đường (Line Focus Principle) trong ống tia X.
Chú thích các tiêu điểm: •
True Focal Spot (Tiêu điểm thực): Là vị trí mà chùm electron từ cathode va chạm vào mục tiêu anode. •
Effective Focal Spot (Tiêu điểm hiệu dụng): Là tiêu điểm nhìn thấy từ góc tia X
phát ra (thường nhỏ hơn tiêu điểm thực do góc nghiêng của anode).
Giải thích sự bù trừ giữa độ phân giải và khả năng chịu nhiệt (Resolution vs. Heat Loading):
1. Độ phân giải cao (High Resolution): lOMoAR cPSD| 46342985
o Tiêu điểm hiệu dụng nhỏ -> Tăng độ sắc nét của hình ảnh.
o Nhưng tiêu điểm thực nhỏ -> Giảm khả năng chịu nhiệt (vì nhiệt tập trung vào diện tích nhỏ).
2. Khả năng chịu nhiệt cao (Heat Loading):
o Tiêu điểm thực lớn hơn -> Phân tán nhiệt tốt hơn. o Nhưng tiêu điểm hiệu
dụng lớn hơn -> Giảm độ phân giải hình ảnh.
Do đó, góc nghiêng của anode được thiết kế để tối ưu hóa giữa hai yếu tố này, thường duy trì
một cân bằng hợp lý giữa độ phân giải và khả năng chịu nhiệt.
Đây là sơ đồ minh họa Heel Effect trong ống tia X, một hiện tượng trong đó cường độ tia X
không đồng đều trên hai phía của chùm tia.
Chú thích trong sơ đồ: •
Cathode Side (Phía catốt): Cường độ tia X cao hơn. lOMoAR cPSD| 46342985 •
Anode Side (Phía anốt): Cường độ tia X thấp hơn, do một phần tia bị hấp thụ bởi anốt. •
Anode Angle (Góc nghiêng anốt): Góc giữa bề mặt anốt và trục chùm electron, ảnh
hưởng đến mức độ của hiệu ứng Heel.
Các yếu tố làm giảm Heel Effect:
1. Tăng góc anốt (Larger Anode Angle): Góc lớn giúp giảm sự hấp thụ tia X ở phía anốt.
2. Tăng khoảng cách từ nguồn đến hình ảnh (Longer SID): Khoảng cách lớn hơn làm
giảm sự khác biệt cường độ giữa hai bên.
3. Giảm kích thước trường chiếu (Smaller Field Size): Hạn chế vùng chiếu sáng để
giảm hiệu ứng này trong hình ảnh.
Giải thích về bức xạ đặc trưng (Characteristic Radiation): lOMoAR cPSD| 46342985
Bức xạ đặc trưng là một quá trình xảy ra trong ống tia X khi một electron gia tốc từ cathode
va chạm vào nguyên tử của mục tiêu (anode). Quy trình xảy ra:
1. Tương tác của electron: Electron năng lượng cao từ cathode đập vào một electron ở
lớp vỏ K hoặc L của nguyên tử mục tiêu.
2. Tạo khoảng trống: Electron lớp trong bị bắn ra khỏi nguyên tử, tạo thành một lỗ trống (vacancy).
3. Tái cấu trúc: Một electron từ lớp vỏ ngoài (L hoặc M) nhảy xuống để lấp lỗ trống ở lớp trong.
4. Giải phóng năng lượng: Năng lượng chênh lệch giữa hai lớp vỏ được phát ra dưới dạng tia X đặc trưng.
Biểu đồ phổ tia X: •
Phần liên tục (Bremsstrahlung Radiation): Do sự giảm tốc của electron khi gần
nhân nguyên tử, tạo ra phổ liên tục. •
Đỉnh đặc trưng (Characteristic Peaks): Do quá trình tái cấu trúc ở các lớp vỏ
nguyên tử, xuất hiện tại các năng lượng xác định tùy thuộc vào loại nguyên tử của
mục tiêu (như Kα và Kβ). lOMoAR cPSD| 46342985
Đây là hình minh họa các yếu tố ảnh hưởng đến phổ tia X: 1.
Điện áp ống (Tube Voltage, kVp): Tăng kVp sẽ làm tăng năng lượng tối đa của tia X
và cường độ tổng thể của phổ liên tục. Đồng thời, nó ảnh hưởng đến mức độ xuất hiện của
các đỉnh đặc trưng từ vật liệu đích. 2.
Lọc (Filtration): Bộ lọc loại bỏ các tia X năng lượng thấp, làm cho phổ trở nên mạnh
mẽ hơn và tập trung vào các tia có năng lượng cao, giảm liều lượng bức xạ không cần thiết. 3.
Vật liệu đích (Target Material): Vật liệu đích như tungsten hoặc molybdenum tạo ra
các đỉnh đặc trưng trong phổ tia X do sự phát xạ của các electron trong các lớp vỏ nguyên tử. 4.
Dòng ống (Tube Current, mA): Tăng dòng điện sẽ tăng số lượng tia X được phát ra,
nhưng không ảnh hưởng đến năng lượng của chúng. lOMoAR cPSD| 46342985
Giải thích về K-edge filter (Bộ lọc K-edge):
K-edge filter là một thiết bị được sử dụng trong lĩnh vực hình ảnh y học và chụp X-quang để
tối ưu hóa phổ năng lượng tia X. Bộ lọc này hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ năng
lượng tại mức năng lượng K-edge của nguyên tố trong vật liệu lọc.
Cấu tạo và hoạt động:
1. Nguồn tia X: Phát ra phổ năng lượng rộng.
2. Bộ lọc K-edge: Làm từ vật liệu có nguyên tố với mức năng lượng K-edge cụ thể.
o Tại K-edge, nguyên tố hấp thụ mạnh năng lượng, làm giảm bớt cường độ tia X
trong một dải năng lượng nhất định.
3. Máy dò (Detector): Thu nhận tia X còn lại sau khi đi qua bộ lọc, giúp cải thiện độ
tương phản và chất lượng hình ảnh. Cơ chế: lOMoAR cPSD| 46342985 •
Khi tia X đi qua bộ lọc K-edge, các photon có năng lượng gần mức K-edge của
nguyên tố trong bộ lọc sẽ bị hấp thụ mạnh mẽ. •
Điều này giúp loại bỏ các photon không cần thiết hoặc không hữu ích, đồng thời tập
trung năng lượng vào khoảng phù hợp cho ứng dụng cụ thể. Ứng dụng: •
Trong chụp cắt lớp vi tính (CT), bộ lọc K-edge giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và
giảm liều tia X cho bệnh nhân. •
Trong nghiên cứu vật liệu, nó được dùng để tăng độ chính xác trong phép đo phổ hấp thụ.
Giải thích về K-edge filter trong Mammography (Nhũ ảnh): lOMoAR cPSD| 46342985
K-edge filter được sử dụng trong nhũ ảnh để cải thiện chất lượng hình ảnh, tăng độ tương
phản và giảm liều tia X cho bệnh nhân. Bộ lọc này được thiết kế đặc biệt để điều chỉnh phổ
năng lượng tia X sao cho phù hợp với đặc tính của mô vú.
Cấu tạo và hoạt động:
1. Nguồn tia X: Phát ra tia X với phổ năng lượng rộng.
2. Bộ lọc K-edge (molybdenum hoặc rhodium):
o Vật liệu lọc có mức năng lượng K-edge phù hợp với dải năng lượng tối ưu cho
nhũ ảnh (~17-20 keV). o Hấp thụ mạnh năng lượng ngoài khoảng cần thiết,
chỉ để lại các photon hiệu quả.
3. Tia X đã lọc: Được điều chỉnh để tối ưu hóa cho việc tạo hình mô mềm như mô vú.
4. Máy dò: Thu nhận tia X còn lại sau khi đi qua mô vú, tạo hình ảnh chi tiết và có độ tương phản cao. Lợi ích: •
Cải thiện độ tương phản: Dải năng lượng được tối ưu hóa giúp phân biệt rõ ràng hơn
giữa mô mềm và các khối u hoặc cấu trúc bất thường. •
Giảm liều tia X: Loại bỏ năng lượng không cần thiết, giảm tác động tiêu cực đến cơ thể bệnh nhân. •
Tăng độ chính xác: Đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện sớm các bất thường trong mô vú. lOMoAR cPSD| 46342985
Giải thích về đường cong đặc tính (Characteristic Curve - H&D Curve):
Đường cong đặc tính là một đồ thị quan trọng thể hiện mối quan hệ giữa mật độ quang học
(Optical Density) và logarit của độ phơi sáng (Log Exposure) của phim quang học hoặc phim X-quang.
Các phần chính của đường cong:
2. Fog (Mật độ mờ nền):
o Đây là giá trị mật độ quang học khi phim chưa được phơi sáng.
o Tương ứng với mật độ tối thiểu (baseline), thường do các yếu tố như hóa chất
xử lý hoặc ánh sáng không mong muốn.
3. Contrast (Độ tương phản):
o Thể hiện ở phần dốc của đường cong, nơi sự thay đổi nhỏ trong phơi sáng dẫn
đến thay đổi lớn trong mật độ quang học. lOMoAR cPSD| 46342985
o Độ dốc càng lớn, độ tương phản càng cao, giúp phân biệt chi tiết hình ảnh.
4. Average Gradient (Độ dốc trung bình):
o Là độ dốc trung bình của đường cong trong vùng làm việc (phần giữa của
đường cong, nơi phim hoạt động hiệu quả nhất).
o Được sử dụng để đánh giá độ tương phản tổng thể.
5. Toe and Shoulder (Chân và Vai):
o Toe: Phần cong bên trái, nơi mật độ quang học bắt đầu tăng chậm. o
Shoulder: Phần cong bên phải, nơi mật độ quang học dần đạt cực đại. Ứng dụng: •
High Contrast Film: Đường cong dốc hơn, phù hợp với chi tiết nhỏ và độ khác biệt
cao (ví dụ: X-quang xương). •
Low Contrast Film: Đường cong thoải hơn, phù hợp với việc chụp các mô mềm.