Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Đánh giá an toàn che chắn trong phòng X quang chẩn đoán bằng chương trình MCNP

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:103

Thêm vào BST

Báo xấu

104
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Đánh giá an toàn che chắn trong phòng X quang chẩn đoán bằng chương trình MCNP tập trung tìm hiểu về thông số về phòng và máy X quang thường quy ở Bệnh viện Nguyễn Trãi; suất liều của một số điểm trong và ngoài phòng X quang và có cùng chiều cao với nguồn phát, cách tường 1 cm;... Mời các bạn tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Đánh giá an toàn che chắn trong phòng X quang chẩn đoán bằng chương trình MCNP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Trần Thị Anh Châu ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CHE CHẮN TRONG PHÒNG X QUANG CHẨN ĐOÁN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành phố Hồ Chí Minh - 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Trần Thị Anh Châu ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CHE CHẮN TRONG PHÒNG X QUANG CHẨN ĐOÁN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trương Thị Hồng Loan Thành phố Hồ Chí Minh - 2013
LỜI CẢM ƠN Để có được kết quả như hôm nay, tôi đã được sự quan tâm giúp đỡ của gia đình, thầy cô và bạn bè, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến mọi người đã quan tâm giúp đỡ tôi. Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS. Trương Thị Hồng Loan đã dành nhiều thời gian quý báu của mình để hướng dẫn và đưa ra nhiều gợi ý cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Cô đã tận tình giúp đỡ những lúc em bế tắc, mở ra hướng đi mới cho em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Bên cạnh đó, em cũng xin gởi lời cảm ơn đến Thầy Thái Mỹ Phê và bệnh viện Nguyễn Trãi Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho em tham quan và thu thập số liệu. Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Cử nhân Nguyễn Thị Trúc Linh đã giúp đỡ tôi trong việc tìm hiểu về chương trình MCNP. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy Cô đã tham gia giảng dạy, các Thầy Cô phòng sau đại học – trường ĐH sư phạm Tp. Hồ Chí Minh về những bài giảng nghiêm túc và chất lượng, những kiến thức bổ ích để làm hành trang cho tôi vào nghề. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc nhất đối với sự động viên, hỗ trợ lớn lao của những người thân yêu trong gia đình, các bạn bè của khoa Vật lí trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn mọi người. TP. HCM, ngày 22 tháng 8 năm 2013 T 8
1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. .................................................................. 3 T 7 T 7 DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ 4 T 7 7T DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... 6 T 7 7T Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 10 T 7 7T 7T 7T 1.1. T 7 T 7 Tổng quan về tia X và máy phát tia X. ..................................................... 10 7T T 7 1.1.1. T 7 7T Tính chất của tia X ......................................................................................... 10 7T 7T 1.1.2. T 7 7T Tương tác của tia X với vật chất .................................................................... 12 7T T 7 1.1.3. T 7 7T Ứng dụng của tia X trong y học ..................................................................... 18 7T T 7 1.1.4. T 7 7T Phân loại máy X quang .................................................................................. 19 7T T 7 1.1.5. T 7 7T Cấu tạo của ống phát tia X ............................................................................. 20 7T T 7 1.1.6. T 7 7T Nguyên lý hoạt động ống phát tia X .............................................................. 24 7T T 7 1.1.7. T 7 7T Các thông số kỹ thuật..................................................................................... 26 7T T 7 1.2. T 7 T 7 Tổng quan về chương trình MCNP........................................................... 27 7T T 7 1.2.1. Lịch sử của chương trình MCNP ................................................................... 27 T 7 7T 7T T 7 1.2.2. Cấu trúc của chương trình MCNP ................................................................. 29 T 7 7T 7T T 7 1.2.3. Độ chính xác của kết quả và các nhân tố ảnh hưởng ..................................... 33 T 7 7T 7T T 7 Chương 2. AN TOÀN CHE CHẮN TRONG PHÒNG X-QUANG CHẨN T 7 7T 7T ĐOÁN Y TẾ........................................................................................................ 35 7T 2.1. T 7 T 7 Nhu cầu che chắn của phòng X quang ...................................................... 35 7T T 7 2.2. T 7 T 7 Ảnh hưởng của bức xạ .............................................................................. 36 7T T 7 2.2.1. Tổn thương ở mức phân tử ............................................................................ 36 T 7 7T 7T T 7 2.2.2. Tổn thương ở mức tế bào. .............................................................................. 36 T 7 7T 7T T 7 2.2.3. Tổn thương ở mức cơ thể ............................................................................... 36 T 7 7T 7T T 7 2.3. T 7 T 7 Ý nghĩa và mục đích của việc che chắn .................................................... 37 7T T 7 2.3.1. Đối với nhân viên bức xạ ............................................................................... 37 T 7 7T 7T T 7 2.3.2. Đối với môi trường xung quanh .................................................................... 38 T 7 7T 7T T 7 2.3.3. Đối với bệnh nhân .......................................................................................... 38 T 7 7T 7T 7T 2.4. T 7 T 7 Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ.............................................................. 39 7T T 7 2.4.1. T 7 7T Lịch sử xây dựng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới....................... 39 7T T 7 2.4.2. T 7 7T Các khuyến cáo về an toàn bức xạ của ICRP ................................................ 39 7T T 7 2.4.3. T 7 7T Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ của IAEA ................................................. 41 7T T 7 2.4.4. T 7 7T Giới hạn liều .................................................................................................. 42 7T 7T 2.4.5. T 7 7T An toàn che chắn............................................................................................ 43 7T 7T 2.5. T 7 T 7 An toàn bức xạ tại các cơ sở y tế ở Việt Nam .......................................... 45 7T T 7 2.5.1. Các văn bản pháp lý về an toàn bức xạ của Việt Nam .................................. 45 T 7 7T 7T T 7 2.5.2. Các chỉ dẫn về liều trong chiếu, chụp X quang chẩn đoán ............................ 47 T 7 7T 7T T 7
2 2.5.3. Các giới hạn liều đối với chiếu xạ nghề nghiệp và chiếu xạ dân chúng ........ 48 T 7 7T 7T T 7 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................... 50 T 7 7T 7T T 7 3.1. Thông số về phòng và máy X quang thường quy ở bệnh viện Nguyễn T 7 T 7 T 7 Trãi .............................................................................................................. 50 7T 3.2. Kết quả ...................................................................................................... 52 T 7 T 7 7T 7T 3.2.1. Khảo sát thực nghiệm đo suất liều ở bệnh viện Nguyễn Trãi........................ 52 T 7 7T 7T T 7 3.2.2. Kết quả tính toán suất liều của chương trình MCNP tại những điểm khảo T 7 7T 7T sát thực nghiệm .............................................................................................. 53 7T 3.2.3. Mô phỏng suất liều tại một số điểm từ chùm tia X sơ cấp theo khoảng T 7 7T 7T cách so với tâm phát ...................................................................................... 56 T 7 3.2.4. Kết quả suất liều của một số điểm trong và ngoài phòng X quang và có T 7 7T 7T cùng chiều cao với nguồn phát, cách tường 1 cm. ......................................... 57 T 7 3.2.5. Kết quả suất liều của một số điểm trong và ngoài phòng X quang trên trần T 7 7T 7T phòng và dưới sàn .......................................................................................... 67 7T 3.2.6. Mô phỏng phân bố suất liều trong phòng chụp khi giảm kích thước phòng . 70 T 7 7T 7T T 7 3.2.7. Ảnh hưởng của tán xạ .................................................................................... 75 T 7 7T 7T T 7 3.2.8. Tiết kiệm chi phí xây dựng ............................................................................ 79 T 7 7T 7T T 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 84 T 7 T 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 86 T 7 7T PHỤ LỤC ............................................................................................................ 88 T 7 7T
3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. IAEA International Atomic Energy Agency. ICRP International Commission on Radiological Protection. ICRU The International Commission on Radiation Units and Measurements. 10T MCNP Monte Carlo N-Particle. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam.
4 DANH MỤC HÌNH VẼ Thứ tự Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Phổ sóng điện từ 10 Hình 1.2 Tán xạ Rayleigh. 12 Hình 1.3 Tán xạ Compton. 13 Hình 1.4 Hấp thụ quang điện. 14 Hình 1.5 Quá trình tạo cặp. 15 Hình 1.6 Hệ số hấp thụ khối đối với mô mềm. 17 Sự suy giảm năng lượng bức xạ khi truyền qua các lớp hấp Hình 1.7 18 thụ một nửa. Hình 1.8 Cấu tạo ống phát tia X. 20 Hình 1.9 Cấu tạo cathode trong ống phát tia X. 21 Hình 1.10 Hình dạng của anode xoay. 22 Diện tích bao phủ của vùng tia X và diện tích vùng tiêu điểm Hình 1.11 23 hiệu dụng thay đổi theo góc vát. Mối quan hệ giữa dòng nung, nguồn cao thế ống phát và Hình 1.12 25 dòng của ống. Hình 2.1 Mô hình phòng X quang. 44 Hình 2.2 Mặt cắt ngang mô hình phòng X quang. 45 Hình 3.1 Mặt cắt ngang phòng X quang ở bệnh viện Nguyễn Trãi. 51 Hình 3.2 Máy X quang sử dụng ở bệnh viện Nguyễn Trãi. 51 Mặt cắt ngang ống phát tia X sử dụng ở bệnh viện Nguyễn Hình 3.3 52 Trãi. Hình 3.4 Phòng chụp X quang thường quy ở bệnh viện Nguyễn Trãi. 54 Hình 3.5 Tường và trần phòng mô phỏng bằng chương trình MCNP. 54 Mô phỏng 2D ống phát tia X và hệ thống collimator bằng Hình 3.6 54 MCNP5 Hình 3.7 Mô phỏng 3D anode bằng chương trình MCNP. 55
5 Hình 3.8 Phân bố suất liều theo khoảng cách so với tâm phát. 57 Vị trí các điểm khảo sát trong và ngoài phòng X quang ở độ Hình 3.9 58 cao z = 185, 625cm. Phân bố suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với Hình 3.10 60 hành lang. Phân bố suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với bãi Hình 3.11 62 đậu xe. Phân bố suất liều trong và ngoài phòng tiếp giáp với phòng Hình 3.12 64 kỹ thuật viên. Phân bố suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với Hình 3.13 66 phòng X quang Toshiba. Vị trí các điểm khảo sát trong và ngoài phòng X quang ở độ Hình 3.14 cao z = 349cm và z = 368cm (trần phòng), z = 1cm và z = −18cm 67 (sàn phòng).
6 DANH MỤC CÁC BẢNG Thứ tự Tên bảng Trang Bảng 1.1 Các Tally dùng để tính toán. 33 Bảng 2.1 Giới hạn liều chiếu khuyến cáo của ICRP. 43 Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với Bảng 2.2 47 bệnh nhân (TCVN 6561:1999) Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp Bảng 2.3 48 1 phim. Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm đo suất liều theo khoảng cách. 53 Kết quả của chương trình MCNP tại những điểm khảo sát Bảng 3.2 55 thực nghiệm. Bảng 3.3 Kết quả suất liều so với khoảng cách tâm phát. 56 Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với hành Bảng 3.4 59 lang. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với bãi Bảng 3.5 61 đậu xe. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với Bảng 3.6 63 phòng kỹ thuật viên. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp với Bảng 3.7 65 phòng X quang Toshiba. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng trên trần phòng và Bảng 3.8 68-69 dưới sàn phòng. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp hàng Bảng 3.9 70-71 lang khi giảm kích thước phòng. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp bãi đậu Bảng 3.10 72 xe khi giảm kích thước phòng. Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp phòng Bảng 3.11 73 kỹ thuật viên khi giảm kích thước phòng.
7 Kết quả suất liều trong và ngoài phòng mặt tiếp giáp phòng X Bảng 3.12 74-75 quang Toshiba khi giảm kích thước phòng. Kết quả suất liều tại một số điểm khi không có tường che Bảng 3.13 75-78 chắn. Kết quả suất liều tại một số điểm khi thay 2 mm lót tường Bảng 3.14 80-83 bằng 2 mm barit. Kết quả suất liều khi thay đổi bề dày của barit cho phù hợp Bảng 3.15 97-99 với thực tế. T 8
8 MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực y tế nói riêng, máy X quang giữ vai trò quan trong trong chẩn đoán và điều trị. Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng trong việc xác định bệnh lý về xương, nhưng cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Một vài ví dụ như khảo sát ngực, có thể dùng để chẩn đoán bệnh về phổi như là viêm phổi, ung thư phổi hay phù nề phổi, và khảo sát vùng bụng, có thể phát hiện ra tắc ruột, tắc thực quản, tràn khí do thủng ruột, tràn dịch trong khoang bụng... Máy X quang được sử dụng một cách rộng rãi và phổ biến trên khắp cả nước, bất cứ bệnh viện lớn hay nhỏ, từ trung ương đến địa phương. Chính vì việc sử dụng rộng rãi nên một vấn đề lớn đặt ra là đảm bảo an toàn khi xây dựng phòng chụp X quang. Về thực trạng sử dụng máy X quang trong chẩn đoán y tế tại thành phố Hồ Chí Minh từ năm 1996 đến nay có gần khoảng 504 cơ sở bức xạ thuộc y tế và khoảng 900 các thiết bị X quang chẩn đoán hình ảnh như CT Scanner, X quang thường quy, X quang di động, X quang chụp nha...Thống kê trung bình các năm 2009-2010 [6] cho thấy có đến 53% phòng X quang tuân thủ theo quy định về kích thước phòng đã phải được cấp giấy phép. Đặc biệt 100% phòng máy X quang chụp nha không tuân thủ kích thước phòng theo quy định. Một trong nhiều nguyên nhân của sự việc này là do nhiều phòng X quang được xây dựng theo tiêu chuẩn cũ, không còn thích hợp với các thiết bị chẩn đoán X quang hiện đại dạng kỹ thuật số với liều lượng bức xạ phát ra không cao, các kích thước phòng do nhà sản xuất cung cấp không khớp với kích thước phòng theo TCVN, ngoài ra tiêu chuẩn kích thước cho mỗi loại X quang cũng thay đổi nhiều từ năm này qua năm kia mà không có những cơ sở khoa học rõ ràng kèm theo. Điều đó gây khó khăn cho cơ quan có thẩm quyền trong việc cấp phép hoạt động cho các cơ sở X quang. Thực tế này đã đặt ra nhu cầu cần phải tính toán lại diện tích các phòng X quang cho phù hợp với các thiết bị mới sao cho vừa đảm bảo an toàn bức xạ vừa giảm được chi phí đầu tư cơ sở vật chất. Với nhu
9 cầu thiết yếu đó việc tính toán bề dày che chắn sao cho đảm bảo an toàn bức xạ, tiết kiệm chi phí và diện tích cho các phòng X quang chẩn đoán là hết sức cần thiết. Trong thực tế khi không có điều kiện để đo đạc thực nghiệm thì mô phỏng là một biện pháp hữu hiệu và có kết quả đáng tin cậy. Chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP được sử dụng để mô phỏng ống phát tia X và vật liệu che chắn xung quanh, tính toán suất liều tại các vị trí xung quanh ống phát tia X trong và ngoài phòng, từ đó đánh giá an toàn bức xạ xung quanh khu vực khảo sát. Với ý nghĩa trên, luận văn này bao gồm ba chương sau: Chương 1: Tổng quan, trong chương này trình bày về tổng quan tia X, máy phát tia X và tổng quan về chương trình MCNP. Chương 2: An toàn che chắn trong phòng X quang chẩn đoán y tế. Trình bày về các hiệu ứng sinh học, các tổn thương do bức xạ ion hóa, các giới hạn liều chiếu xạ, các tiêu chuẩn an toàn bức xạ của thế giới, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6561:1999 “An toàn bức xạ ion hóa tại các cơ sở X quang y tế”, tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6866:2001 “An toàn bức xạ - Giới hạn liều chiếu đối với nhân viên bức xạ và dân chúng”. Đồng thời cũng trình bày về mục đích và ý nghĩa của việc che chắn. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Trình bày việc xây dựng mô hình phòng máy X quang bằng chương trình MCNP5, chuẩn hóa chương trình bằng kết quả đo đạc thực nghiệm. Ứng dụng chương trình MCNP5 để tính toán suất liều tại các vị trí xung quanh ống phát tia X trong và ngoài phòng, từ đó đánh giá an toàn bức xạ xung quanh khu vực khảo sát. Đồng thời tính toán suất liều khi giảm kích thước phòng, xem xét ảnh hưởng của tán xạ đến kết quả và thay thế vật liệu để tiết kiệm chi phí xây dựng.
10 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về tia X và máy phát tia X. 1.1.1. Tính chất của tia X Tối ngày 8 tháng 11 năm 1895, sau khi rời phòng thí nghiệm một quãng, sực nhớ quên chưa ngắt cầu dao điện cao thế dẫn vào ống tia catod, Wilhelm Conrad Roentgen quay lại phòng và nhận thấy một vệt sáng màu xanh lục trên bàn tuy phòng tối om. Với đầu óc nhạy bén, đầy kinh nghiệm của một nhà vật lí học, việc này đã lôi cuốn ông và sau 49 ngày liên tục miệt mài nghiên cứu, ông đã tìm ra tính chất của thứ tia bí mật mà ông tạm đặt tên là tia X và mang lại cho ông giải Nobel về vật lý đầu tiên vào năm 1901 [14]. Một số đặc tính của tia X: Tia X hay tia Roentgen, là bức xạ điện từ có bước sóng trong khoảng từ 0,01 nm đến 10 nm, tương ứng với dãy tần số khoảng từ 30 PHz đến 30 EHz (1PHz = 1015Hz, 1EHz=1018Hz) và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV. Ta có thể so sánh P P P P bước sóng tia X trong dãy sóng điện từ sau đây: Hình 1.1. Phổ sóng điện từ. Tính truyền thẳng và đâm xuyên: là tính chất nổi bật của tia X, tia X truyền thẳng theo mọi hướng và có khả năng xuyên qua vật chất, qua cơ thể người, nó dễ dàng đi qua các vật không trong suốt như gỗ, giấy, vải, các mô mềm như thịt, da.
11 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. Sự đâm xuyên này càng dễ dàng khi năng lượng tia càng tăng. Đây là đặc trưng quan trọng trong tạo hình X quang. Tính bị hấp thụ: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị suy giảm 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. Sự hấp thu này tỉ lệ thuận với:  Thể tích của vật chất bị chiếu xạ: vật càng lớn thì tia X bị hấp thụ càng nhiều.  Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ bị hấp thụ càng nhiều.  Trọng lượng nguyên tử của vật chất: sự hấp thụ tăng theo trọng lượng nguyên tử của chất bị chiếu xạ.  Mật độ của vật chất: số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật càng nhiều thì sự hấp thụ tia X càng tăng. Tính chất quang học: tia X có những hiện tượng quang học như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Tính chất gây phát quang: dưới tác dụng của tia X một số muối trở nên phát quang như các muối 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 hóa học: tính chất hóa 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.
12 Tác dụng sinh học: khi truyền qua cơ thể, tia X có những tác dụng sinh học. Tác dụng này được sử dụng trong điều trị đồng thời nó cũng gây nên những biến đổi có hại cho cơ thể. 1.1.2. Tương tác của tia X với vật chất Khi đi qua vật chất, các photon sẽ xuyên qua, tán xạ hoặc bị hấp thụ. Có ba loại tương tác chính của tia X với vật chất là tán xạ (gồm có tán xạ Rayleigh và tán xạ Compton), hấp thụ quang điện và tạo cặp. Trong đó tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton và hấp thụ quang điện đóng vai trò quan trọng trong X quang chẩn đoán và y học hạt nhân [3]. 1.1.2.1. Tán xạ Rayleigh Trong tán xạ Rayleigh (hay tán xạ đàn hồi), các photon tới tương tác và kích thích nguyên tử. Trong tương tác này, photon tán xạ có cùng năng lượng với photon tới, electron không được phát ra do đó không xảy ra quá trình ion hóa và góc tán xạ tăng khi năng lượng tia X giảm. Tán xạ Rayleigh xảy ra chủ yếu với tia X chẩn đoán năng lượng thấp như trong chụp nhũ ảnh (15keV đến 30keV). Trong chẩn đoán hình ảnh, tia X tán xạ sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên, tương tác này xảy ra với xác suất thấp trong vùng năng lượng chẩn đoán. Trong mô mềm, tán xạ Rayleigh chiếm ít hơn 5% tương tác tia X trên 70keV và hầu hết chỉ chiếm 12% tương tác tia X ở khoảng 30keV. Hình 1.2. Tán xạ Rayleigh
13 1.1.2.2. Tán xạ Compton Tán xạ Compton còn gọi là tán xạ không đàn hồi là hiện tượng photon tán xạ trên electron của nguyên tử và lệch khỏi hướng đi ban đầu. Tán xạ Compton là tương tác chủ yếu của tia X trong vùng năng lượng chẩn đoán với mô mềm. Trong thực tế, tán xạ Compton chiếm ưu thế trong vùng năng lượng chẩn đoán trên 26 keV. Tương tác này có khả năng xảy ra nhất giữa các photon và các electron lớp vỏ ngoài. Electron bị đẩy ra từ nguyên tử, photon bị tán xạ với năng lượng suy giảm. Như tất cả các tương tác khác, năng lượng và động lượng phải được bảo toàn. Vì năng lượng liên kết của các electron rất nhỏ nên có thể bỏ qua, do đó năng lượng của photon tới E 0 bằng tổng năng lượng của photon tán xạ E sc và năng lượng R R R R electron phát ra E e-. R R E 0 =E sc +E e- (1.1) Hình 1.3. Tán xạ Compton Tán xạ Compton dẫn đến sự ion hóa của nguyên tử và sự phân chia năng lượng photon tới giữa photon tán xạ và electron phát ra. Electron phát ra sẽ mất động năng của nó qua việc kích thích và ion hóa các nguyên tử trong môi trường vật chất xung quanh. Photon tán xạ có thể đi trong môi trường mà không xảy ra tương
14 tác hoặc có thể tiếp tục trải qua các tương tác như tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh và hiệu ứng quang điện. Năng lượng của photon tán xạ E sc có thể được tính từ năng lượng photon tới R R E 0 và góc của photon tán xạ θ: R R E0 E sc = (1.2) E0 1+ (1-cosθ) 511keV 1.1.2.3. Hấp thụ quang điện Trong hiệu ứng quang điện, các photon va chạm không đàn hồi với các nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng của mình cho electron liên kết của nguyên tử. Hình 1.4. Hấp thụ quang điện Động năng của quang electron bị đẩy ra E e bằng năng lượng photon tới E 0 trừ R R R R năng lượng liên kết của electron quỹ đạo E b . R R E e =E 0 -E b (1.3) Để hấp thụ quang điện xảy ra, năng lượng photon tới phải lớn hơn năng lượng liên kết của electron bị đẩy ra. Sau tương tác quang điện, nguyên tử bị ion hóa, xuất hiện một lỗ trống bên trong lớp vỏ electron. Lỗ trống này sẽ được lấp đầy bởi một electron từ lớp vỏ có năng lượng liên kết thấp hơn. Một lỗ trống khác được tạo ra và sau đó được lấp đầy bởi một electron từ lớp vỏ có năng lượng liên kết thấp hơn. Do đó, một thác electron từ lớp vỏ ngoài đến lớp vỏ trong xuất hiện. Sự khác biệt trong năng lượng liên kết là giải phóng cả bức xạ tia X đặc trưng và electron Auger.
15 Xác suất phát xạ tia X giảm khi số khối của chất hấp thụ giảm và do đó không thường xuyên xảy ra đối với tương tác photon năng lượng chẩn đoán trong các mô mềm. Xác suất hấp thụ quang điện trên một đơn vị khối lượng xấp xỉ bằng Z3/E3 với P P P P Z là số nguyên tử và E là năng lượng của photon tới. Quá trình quang điện chiếm ưu thế khi photon năng lượng thấp tương tác với vật liệu có Z lớn. Lợi ích của sự hấp thụ quang điện trong hình ảnh X quang là không có photon thứ cấp bổ sung làm giảm chất lượng hình ảnh. Thực tế, xác suất của sự hấp thụ quang điện tỉ lệ thuận với 1/E3, một phần do độ tương phản hình ảnh giảm khi năng P P lượng tia X cao được sử dụng trong quá trình chụp ảnh. 1.1.2.4. Quá trình tạo cặp Quá trình tạo cặp chỉ xảy ra khi năng lượng tia X vượt quá 1,022 MeV. Trong quá trình tạo cặp, một tia X tương tác với điện trường của hạt nhân của nguyên tử. Năng lượng của photon được truyền sang cặp elelctron và positron. Electron và positron di chuyển và mất động năng thông qua quá trình kích thích và ion hóa. Quá trình tạo cặp ít xuất hiện trong chẩn đoán hình ảnh vì nó cần năng lượng cực lớn để xảy ra. Trong thực tế, quá trình tạo cặp không đáng kể nếu năng lượng photon tới không vượt quá 1,022 MeV. Hình 1.5. Quá trình tạo cặp
16 1.1.2.5. Hệ số hấp thụ tuyến tính Xét một chùm tia X đơn sắc, chuẩn trực có cường độ I 0 , khi đi qua một lớp vật R R chất có bề dày x(cm), sự suy giảm cường độ của chùm tia sau khi đi qua vật chất I tuân theo định luật suy giảm: I = I 0 e − µx (1.4) Với µ (cm-1) là hệ số hấp thụ tuyến tính. P P Hệ số hấp thụ tuyến tính toàn phần µ của vật chất là tổng của các hệ số hấp thụ ứng với các quá trình riêng lẻ: μ=μ Rayleigh +μ photoelectric effect +μ Compton scatter +μ pair production (1.5) Trong vùng năng lượng chẩn đoán, hệ số hấp thụ tuyến tính giảm khi năng lượng tăng, ngoại trừ tại các cạnh hấp thụ. Hệ số hấp thụ tuyến tính cho vùng mô mềm từ ~0,35 đến ~0,16 cm-1 đối với vùng năng lượng photon từ 30 đến 100 keV. P P Ý nghĩa: hệ số hấp thụ tuyến tính mô tả sự dịch chuyển của bức xạ photon qua môi trường khi không chú ý đến các photon tán xạ, nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và năng lượng của lượng tử gamma. 1.1.2.6. Hệ số hấp thụ khối Hệ số hấp thụ tuyến tính tỉ lệ với mật độ ρ của môi trường vật chất. Nghĩa là hệ số hấp thụ tuyến tính đối với cùng một vật liệu khác nhau nếu mật độ môi trường khác nhau. Để tránh sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ tuyến tính vào mật độ vật chất, người ta sử dụng hệ số hấp thụ khối µ m : R R μ μm = (1.6) ρ Đơn vị tính của hệ số hấp thụ khối là cm2/g. Bề dày lớp vật chất hấp thụ được tính P P bằng đơn vị g/cm2. P P Nếu vật chất chịu tương tác là một hỗn hợp gồm nhiều chất thì hệ số hấp thụ khối toàn phần µ/ρ phải là một tổ hợp của các hệ số hấp thụ khối của các thành phần hỗn hợp đó:
17 μ μ1 μ μ = ω1 + 2 ω2 + 3 ω3 +... (1.7) ρ ρ1 ρ2 ρ3 Trong đó ω1 , ω2 , ω3 là tỉ lệ phần trăm theo trọng lượng của các chất trong hỗn hợp. Hình 1.6 minh họa sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ khối theo năng lượng đối với mô mềm. Hình 1.6. Hệ số hấp thụ khối đối với mô mềm Ý nghĩa: Hệ số hấp thụ khối là tỉ lệ của hệ số hấp thụ tuyến tính với mật độ vật chất ρ. Đây là đại lượng cơ bản hơn hệ số hấp thụ tuyến tính vì có thể áp dụng cho bất kỳ dạng nào của chất hấp thụ: rắn, lỏng, khí. 1.1.2.7. Bề dày hấp thụ một nửa Bề dày hấp thụ một nửa (HVL) là bề dày của vật liệu bất kỳ mà khi bức xạ tới truyền qua cường độ của nó bị giảm đi một nửa. Bề dày một nửa của chùm tia là một phép đo gián tiếp năng lượng của chùm photon trong điều kiện hình học của chùm tia hẹp. Giống như các hệ số hấp thụ, nó phụ thuộc vào năng lượng photon. Khi năng lượng của chùm photon tới tăng thì bề dày một nửa của vật liệu cũng tăng. Bề dày hấp thụ một nửa tỉ lệ nghịch với hệ số suy giảm: 0,693 HVL= (1.8) μ