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

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP gồm có 3 chương trình bày về cấu tạo và nguyên lý máy phát tia X; an toàn bức xạ trong X quang chẩn đoán y tế; khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Võ Thị Thùy Dung KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh -2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Võ Thị Thùy Dung KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN Thành phố Hồ Chí Minh-2012
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, động viên, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Xin cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: TS. Trương Thị Hồng Loan, người đã theo dõi suốt quá trình thực hiện luận văn của tôi. Cô là người giảng dạy, hướng dẫn những bài học đầu tiên về phương pháp mô phỏng Monte Carlo và gợi ý sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N – Particle) trong nghiên cứu đề tài này. Cô cũng là người truyền cho tôi sự say mê nghiên cứu khoa học, đã có những góp ý quý báu cho tôi trong quá trình tiến hành luận văn. Các thành viên trong nhóm MCNP của Bộ môn Vật lý hạt nhân : Cô Trương Thị Hồng Loan, các anh chị: Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Lê Thanh Xuân, Nguyễn Thị Cẩm Thu đã hỗ trợ, đóng góp ý kiến và luôn bên cạnh giúp đỡ tôi trong quá trình tiến hành luận văn. ThS. Thái Mỹ Phê đã giúp tôi trong việc tiến hành đo đạc thực nghiệm tại bệnh viện Nhi đồng. Bác sĩ Nguyễn Anh Tuấn bệnh viện Nhi đồng I đã cho phép chúng tôi tiến hành đo đạc thực nghiệm tại bệnh viện. Ngoài ra tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các kĩ sư của hãng Shimadzu là những người đã cung cấp cho tôi tài liệu về máy X quang của hãng cũng như hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc tìm hiểu về cấu tạo của máy X quang. Tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn ủng hộ động viên tôi để tôi hoàn thành khóa học. Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2012 VÕ THỊ THÙY DUNG
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1 MỤC LỤC ......................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... 5 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. 10 MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 11 Chương 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X .................... 16 1.1. Cấu tạo máy phát X quang thông thường .........................................................16 1.1.1. Cấu tạo ống phát tia X ................................................................................16 1.1.2. Bộ lọc tia .....................................................................................................35 1.1.3. Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) ...........................................................36 1.2. Nguyên lý của quá trình phát tia X ....................................................................39 1.2.1. Nguyên lý tạo tia X .....................................................................................39 1.2.2. Các tính chất của tia X ................................................................................47 1.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X ..........................................................51 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra tia X ............................................52 Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ 57 2.1. Các hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa .........................................................57 2.1.1. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa ...........................................................57 2.1.2. Những tổn thương do bức xạ ion hóa .........................................................58 2.2. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ .......................................................................61
2.2.1. Lịch sử xây dựng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới ..................61 2.2.2. Các khuyến cáo về an toàn bức xạ của ICRP .............................................61 2.2.3. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ của IAEA [6][34][35][38] ....................63 2.2.4. Giới hạn liều ...............................................................................................64 2.3. An toàn bức xạ tại các cơ quan y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam ........................65 2.3.1. Các quy chế an toàn bức xạ đã được ban hành ở Việt Nam .......................65 2.3.2. Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 về an toàn bức xạ ion hóa tại các cơ sở X quang y tế ..........................................................................................66 Chương 3: KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP . 72 3.1. Giới thiệu chương trình MCNP..........................................................................72 3.1.1. Lịch sử của chương trình MCNP ................................................................72 3.1.2. Dữ liệu hạt nhân và phản ứng của MCNP ..................................................74 3.1.3. Cấu trúc của chương trình MCNP ..............................................................75 3.1.4. Độ chính xác của kết quả và các nhân tố ảnh hưởng ..................................77 3.2. Tally đánh giá ....................................................................................................78 3.2.1. Tally F4 .......................................................................................................78 3.2.2. Tally Fmesh4 ..............................................................................................79 3.2.3. Tally F2 .......................................................................................................79 3.3. Kết quả khảo sát phân bố liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế bằng chương trình MCNP .........................................................................................79 3.3.1. Mô tả phòng X quang thường quy tại bệnh viện Nhi đồng I ......................80 3.3.2. Kiểm tra hiệu lực của mô hình - chuẩn hóa kết quả mô phỏng ..................84
3.3.3. Mô phỏng phân bố suất liều trong phòng chụp X quang bằng tally Fmesh với các chế độ chiếu chụp khác nhau ...................................................................89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 107
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALARA As Low As Reasonably Achievable ACTL The Activation Library ENDF The Evaluated Nuclear Data File ENDL The Evaluated Nuclear Data Library IAEA International Atomic Energy Agency ICRP International Commission on Radiological Protection ICRU The International Commission on Radiation Units and Measurements MCNP Monte Carlo N-Particle NCRP National Council on Radiation Protection and Measurement
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang thông thường ................................. 16 Hình 1.2. Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường .................... 17 Hình 1.3. Các bộ phận chính của ống tia X trong máy chụp X quang hiện đại .......... 18 Hình 1.4. Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ .... 19 Hình 1.5. Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron của chén tội tụ ... 20 Hình 1.6. Các thành phần của một ống tia X có anode cố định gồm bia Vonfram gắn vào một khối đồng .................................................................................................. 21 Hình 1.7. Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định............................................ 22 Hình 1.8. Hình dạng của anode xoay ........................................................................... 23 Hình 1.9. Cấu tạo anode xoay ..................................................................................... 24 Hình 1.10.a. Mặt cắt của một anode RTM ................................................................... 25 Hình 1.10.b. Mặt cắt của một anode RTM- than chì .................................................. 25 Hình 1.11. Vết tiêu thực và vết tiêu hiệu dụng của anode .......................................... 26 Hình 1.12. Vùng tiêu điểm thực và tiêu điểm hiệu dụng ............................................. 27 Hình 1.13. Phương pháp chụp ảnh qua lỗ ngắm để xác định kích thước tiêu điểm .... 28 Hình 1.14. Anode sử dụng hai vết tiêu lớn nhỏ ........................................................... 29 Hình 1.15. Ảnh hưởng của góc nghiêng anode lên kích thước vết tiêu hiệu dụng .... ..30 Hình 1.16. Sự phân bố không đồng đều chùm tia X theo phương song song với trục Cathode - Anode ........................................................................................................... 31 Hình 1.17. Ảnh hưởng của hiệu ứng chân lên khoảng cách đặt phim ......................... 31 Hình 1.18. Bầu thủy tinh chứa anode quay ................................................................. 32 Hình 1.19. Mặt cắt ống tia X loại có anode quay của hãng Shimadzu ........................ 33
Hình 1.20. Bộ lọc hấp thụ các photon năng lượng thấp và cho các photon năng lượng cao đi qua ............................................................................................................ 35 Hình 1.21. Phổ tia X tạo ra ở điện áp đỉnh 150 kVp đối với anode làm bằng Vonfram. ....................................................................................................................... 36 Hình 1.22. Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn ................................................. 39 Hình 1.23. Mặt cắt ngang bộ chuẩn trực loại R20-J của hãng Shimadzu ................... 38 Hình 1.24. Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia ...................... 40 Hình 1.25. Electron va chạm trực diện với hạt nhân làm phát ra bức xạ hãm có năng lượng cực đại ................................................................................................................. 41 Hình 1.26. Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp (trong trường hợp không có bộ lọc (đường đứt nét) và có bộ lọc tia (liền nét) ....................... 41 Hình 1.27. Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng ........................................... 44 Hình 1.28. Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử ................ 46 Hình 1.29. Các vạch bức xạ đặc trưng ứng với sự dịch chuyển trên nền bức xạ hãm đối với Vonfram ở điện áp 90kVp ............................................................................... 47 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 ................................................ 53 Hình 1.31. Ảnh hưởng của mA lên hiệu suất phát tia X .............................................. 55 Hình 3.1. Quang cảnh phòng chụp X quang thường quy ở bệnh viện Nhi đồng I ....... 80 Hình 3.2. Mô phỏng 3D phòng X quang Nhi đồng I bằng chương trình MCNP5 ...... 81 Hình 3.3. Mô phỏng các lớp chì trần, chì tường, chì ốp cửa, kính chì,vị trí ống phát tia X bằng MCNP5 ........................................................................................................ 81 Hình 3.4. Máy X quang sử dụng ở bệnh viện Nhi đồng I ............................................ 82 Hình 3.5. Kích thước cấu hình đầu bóng phát tia X tính theo mm (inch) ................... 82 Hình 3.6. Cấu trúc collimator loại R-20J ..................................................................... 83
Hình 3.7. Mô hình ống phát tia X và hệ thống Collimator của hãng Shimadzu .......... 82 Hình 3.8. Vỏ ống chân không và cấu trúc bên trong collimator được ......................... 84 Hình 3.9. Anode và hệ thống cửa sổ Bakelite, các lớp trong collimator .................... 84 Hình 3.10. Hình chụp các vị trí đặt các cell khảo sát liều vẽ bằng MCNP5 ................ 86 Hình 3.11. Đồ thị suất liều (theo khoảng cách nguồn – máy đo) ................................. 88 Hình 3.12. Mô phỏng phổ tia X tại giá trị điện áp 100kV ........................................... 89 Hình 3.13. Mô phỏng phân bố suất liều tại vị trí bàn bệnh nhân ở chế độ chụp 70 kVp, 200 mA, 100 ms ................................................................................................... 91 Hình 3.14. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp ngực..................... 92 Hình 3.15. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp chân ..................... 92 Hình 3.16. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp tay ........................ 92 Hình 3.17. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) ứng với chụp bụng 75kV ............... 93 Hình 3.18. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp bụng 90kV ........... 94 Hình 3.19. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp nhũ – lưng ........... 95 Hình 3.20. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp sọ ........................ 95 Hình 3.21. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp đầu gối ................ 96 Hình 3.22. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp ngực AP ............. 96 Hình 3.23. Phân bố suất liều cho khu vực phòng chụp dự kiến thu hẹp kích thước .... 98 Hình 3.24. Phân bố suất liều trong phòng chụp khi giảm kích thước .......................... 99 Hình 3.25. Mô phỏng sự suy giảm suất liều khi đi qua khu vực tường ..................... 100 Hình 3.26. Mô phỏng sự suy giảm suất liều khi đi qua cửa bệnh nhân và tường ..... 101 Hình 3.27. Sự suy giảm chùm tia khi đi qua tường phòng X quang .......................... 102 Hình 3.28. Mô phỏng phân bố liều mặt (x,y) trong phòng chụp sát trần nhà ............ 102 Hình 3.29. Mô phỏng phân bố suất liều (x,y) trong khu vực trần có lót chì .............. 103
Hình 3.30. Sự suy giảm suất liều khi đi qua tường ngăn cách hành lang bệnh viện.. 104
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tiêu chuẩn độ bền của dầu máy biến áp ...................................................... 34 Bảng 1.2. Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode ...... 46 Bảng 1.3. Bước sóng của các loại sóng điện từ ............................................................ 47 Bảng 2.1. Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều ............................................................ 60 Bảng 2.2. Giới hạn liều chiếu khuyến cáo của ICRP ................................................... 65 Bảng 2.3. Liều giới hạn trong một năm ........................................................................ 66 Bảng 2.4. Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với bệnh nhân (TCVN 6561:1999) ....................................................................................................... 66 Bảng 2.5. Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp 1 phim ....... 67 Bảng 2.6. Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang các loại theo (TCVN 6561:1999) .................................................................................................................... 69 Bảng 3.1. Kết quả đo suất liều theo khoảng cách ......................................................... 84 Bảng 3.2. Giá trị suất liều mô phỏng tại các khoảng cách khảo sát và sai số thống kê tương đối tương ứng ...................................................................................................... 86 Bảng 3.3. Các chế độ chụp của phòng X quang chẩn đoán thường quy tại bệnh viện nhi đồng I ...................................................................................................................... 87 Bảng 3.4. So sánh giá trị suất liều giữa các chế độ chụp.............................................. 90 Bảng 3.5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các đỉnh tia X đặc trưng của Vonfram ........................................................................................................................ 99
MỞ ĐẦU Từ khi Wilhelm Conrad Röntgen phát hiện ra tia X có thể chẩn đoán cấu trúc xương, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế nhờ những ưu thế vượt trội hơn về tính hiệu quả, chính xác, nhanh chóng hơn các phương pháp chẩn đoán bệnh trước đây. 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. Máy chụp X quang ngày nay được phổ biến rộng rãi ở tất cả các bệnh viện, phòng khám đa khoa, phòng khám tư nhân để đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh của người dân. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật trong các lĩnh vực vật lý, điện tử, cơ khí, hóa sinh, công nghệ thông tin…thiết bị chẩn đoán X quang ngày càng được cải tiến trở thành phương pháp chẩn đoán ưu việt không thể thiếu trong y học hiện đại. Ngày nay máy chụp X quang được cải tiến và phát triển để sử dụng trong các lĩnh vực khám chữa bệnh chuyên biệt, ngoài X quang thường quy (chụp hầu hết các bộ phận trên cơ thể) còn có X quang răng, X quang vú, X quang chụp mạch, X quang đo độ loãng xương, X quang có tăng sáng truyền hình…Máy X quang thường quy loại cũ có tần số thấp (nửa sóng, cả sóng), ngày nay thường sử dụng các máy X quang cao tần dùng phim hay cao tần kỹ thuật số. Trên thị trường có rất nhiều loại máy X quang từ nhiều hãng sản xuất trên thế giới, đa dạng về chủng loại, số lượng cung cấp ra thị trường cũng tăng nhanh trong những năm gần đây. Trước sự phát triển của lĩnh vực X quang thì vấn đề an toàn bức xạ trong chụp chiếu phim X quang chẩn đoán y tế càng thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nói riêng, toàn xã hội nói chung. Vì bên cạnh những ưu thế vượt trội so với những phương pháp chẩn đoán y tế trước đây các thiết bị phát tia X để chẩn đoán và điều trị bệnh cũng ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có biện pháp bảo vệ thích đáng. Tính nguy hiểm của máy X quang tuy thấp hơn so với các nguồn phóng xạ vì mức độ ảnh hưởng chỉ mang tính cục bộ, nhất thời, dễ dàng quản lý và khắc phục nếu có sự cố về thiết bị, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không phải nhỏ
đối với cộng đồng vì các cơ sở y tế là nơi tập trung đông người đặc biệt là những người đang suy giảm sức khỏe. Nguy cơ liều chiếu trên bệnh nhân cao hơn mức cần thiết, liều bức xạ lọt ra ngoài cao nếu mức độ che chắn không đảm bảo. Điều này đã đưa tới những hậu quả hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe cho cuộc sống của chính bác sỹ và kỹ thuật viên vận hành thiết bị chụp X quang, cho bệnh nhân phải chụp chiếu và cho cả nhân viên, dân chúng nói chung trong khu vực tác dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát tia X. Trên thế giới, công tác bảo vệ an toàn bức xạ trong lĩnh vực y tế được nhiều tổ chức quan tâm và thường xuyên xây dựng các tiêu chuẩn an toàn che chắn đối với thiết bị X quang trong chẩn đoán y tế và tiêu chí ALARA (As Low As Reasonably Achievable) trở thành tiêu chí hàng đầu trong việc thiết kế các phòng X quang. Hằng năm, tổ chức NCRP (National Council on Radiation Protection and Measurement) và ICRU đều đưa ra các khuyến cáo mới nhằm bảo vệ an toàn bức xạ cho môi trường, nhân viên y tế và bệnh nhân điều trị. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA - International Atomic Energy Agency) thường xuyên tổ chức các lớp đào tạo và hội thảo liên quan đến thiết kế che chắn thiết bị chẩn đoán y tế sao cho nhân viên làm việc và bệnh nhân chịu một mức liều càng thấp càng tốt nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả chẩn đoán và lợi ích về kinh tế. Các tài liệu kĩ thuật (TECDOC 1040) và các ấn phẩm về an toàn trong chẩn đoán và xạ trị (Safety Guide for Radiotherary) của IAEA nhấn mạnh các mục đích che chắn: - Giảm liều chiếu tối đa với nhân viên y tế, bệnh nhân và dân chúng ở mức thấp nhất có thể. - Nghiên cứu tối ưu hóa kích thước phòng X quang và điều kiện che chắn hợp lý đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Ở nước ta, từ “pháp lệnh năm 1996 cho đến thông tư 05/2006/BKHCN ngày 10/01/2006 về việc hướng dẫn thủ tục khai báo cấp giấy đăng ký, cấp giấy phép cho các hợp đồng liên quan đến bức xạ, thông tư mới nhất-thông tư 08/2010/TT- BKHCN ngày 22/07/2010 của BKHCN hướng dẫn về việc khai báo, cấp giấy phép
tiến hành công việc bức xạ & CCNVBX”, các cơ sở bức xạ y tế nói chung hay các phòng chụp X quang nói riêng đều phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn về kích thước phòng X quang và điều kiện che chắn để đảm bảo an toàn bức xạ cho môi trường xung quanh, nhân viên y tế và bệnh nhân trước khi được cấp phép sử dụng. 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 [13] 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 quy định về 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 rất đa dạng trong các cơ sở bức xạ tư nhân vừa giảm được chi phí đầu tư cơ sở vật chất. Nguyên lý của việc tính toán che chắn an toàn cho X quang chẩn đoán được cho trong báo cáo của NCRP49. Dù NCRP49 đã duy trì dữ liệu về tiêu chuẩn che chắn trong nhiều năm, nhiều tác giả đã đề nghị những mô hình che chắn khác thích hợp có thể tính toán bằng chương trình trên máy tính, có độ chính xác cao hơn và giảm bớt tính cứng nhắc vốn có của NCRP49. Phương pháp luận trong NCRP tính toán mức liều chiếu của tia sơ cấp, tia tán xạ và bức xạ rò rỉ từ nguồn tia X riêng lẻ, nó không cho thông tin liên quan đến sự kết hợp của tất cả các thông lượng bức xạ khác nhau xuyên qua lớp che chắn ngoại
trừ đưa vào xấp xỉ HVL (lớp giá trị một nửa). Archer và cộng sự [21] đã chứng minh việc đưa vào cứng nhắc này dẫn tới mức liều chiếu hằng tuần của các nhân viên giảm hơn giá trị yêu cầu theo MPD (giới hạn liều cho phép cực đại) đã thiết lập. Để cải tiến phương pháp luận trong NCRP, B.R.Archer đã đưa ra phương pháp xác định bề dày thứ cấp chính xác cần cho việc đáp ứng các tiêu chí thiết kế. Điều này nhằm giảm thiểu che chắn quá lớn của NCRP-49. Do đó việc tính toán liều chiếu xung quanh phòng chụp X quang để đánh giá mức độ an toàn bức xạ từ đó có những cải tiến kịp thời cơ sở trang thiết bị kỹ thuật, đề ra những tiêu chuẩn trong thiết kế xây dựng phòng chụp X quang để vừa đảm bảo tính an toàn và tính kinh tế là vấn đề hết sức cần thiết. Đây cũng không phải là vấn đề mới mẻ và trước đây đã có nhiều phương pháp tính toán khác nhau, riêng trong luận văn này chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo với chương trình MCNP để nghiên cứu vấn đề này. Việc tiến hành mô phỏng sẽ cho một kết luận chính xác trước khi thiết lập các tiêu chuẩn che chắn bức xạ cho phòng X quang sao cho vừa đảm bảo an toàn bức xạ, vừa tiết kiệm kinh phí xây dựng. Trước đây đã có một số luận văn (đồng giáo viên hướng dẫn) thực hiện tính toán phân bố suất liều phòng chụp X quang bằng chương trình MCNP. Tuy nhiên do thiếu nhiều thông tin về cấu trúc máy X quang nên kết quả có được chưa đủ chính xác. Luận văn này kế thừa và nghiên cứu sâu, rộng thành quả có được từ các luận văn trước, trong đó nỗ lực tìm kiếm thông tin thật chi tiết đến mức có thể về cấu tạo của máy X quang ở bệnh viện Nhi đồng I nhằm đạt được mô hình X quang chính xác hơn. Với mục đích trên nội dung luận văn được phân bổ trong 3 chương như sau: Chương 1 Cấu tạo và nguyên lý máy phát tia X: trình bày những vấn đề về cấu tạo chi tiết máy phát tia X sử dụng trong X quang chẩn đoán y tế, sự tạo thành và tính chất của tia X. Chương 2 An toàn bức xạ trong 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, TCVN6561 của Việt Nam và một số yêu cầu an toàn bức xạ đối với X quang chẩn đoán. Chương 3 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo, chương trình MCNP và ứng dụng chương trình vào việc mô phỏng phòng X quang tại bệnh viện Nhi đồng 1; khảo sát phổ tia X, khảo sát phân bố liều trong và ngoài phòng X quang, đánh giá an toàn che chắn, thảo luận về những kết quả thu được.
Chương 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X 1.1. Cấu tạo máy phát X quang thông thường Một hệ thống chụp ảnh tia X thông dụng bao gồm các khối chức năng sau: Bàn điều khiển Máy tạo điện thế cao Ống tia X (console) (generator) (X ray tube) Hệ thống ghi ảnh Bệnh nhân Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang thông thường Bàn điều khiển là nơi vận hành có thể thay đổi các thông số của tia X (điện thế, cường độ, thời gian phát tia). Máy tạo điện thế cao là nơi cung cấp một hiệu điện thế cao cho các điện cực của ống tia X để gia tốc chùm điện tử. Ống tia X là nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng phát bức xạ hãm. Hệ thống ghi ảnh có thể là một tấm phim tia X hay một hệ thống biến hình ảnh tia X thành hình ảnh mà mắt thường có thể nhìn thấy trên một màn hình. Dưới đây tác giả tập trung vào vấn đề phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống phát tia X. 1.1.1. Cấu tạo ống phát tia X Chức năng: Ống phát tia X là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành hai dạng khác là năng lượng tia X và nhiệt. Trong đó nhiệt tạo ra là kết quả không mong muốn, do đó ống phát tia X được thiết kế sao cho lượng nhiệt tạo ra là ít nhất và tiêu tán càng nhanh càng tốt. Những ống phát tia X thế hệ đầu tiên được chế tạo vào khoảng cuối thế kỉ 19 bởi William Crookes và các cộng sự được gọi là ống phát âm cực nguội. Dòng điện tử được giải phóng khi âm cực nhôm ion hóa lượng không khí ít ỏi bên trong buồng
chứa thủy tinh giải phóng ḍng điện electron tự do, rồi sau đó gia tốc chúng bằng nguồn cao thế (cỡ 100kV), bắn phá vào bia dương cực Platin đặt nghiêng và phát ra tia X. Năm 1913, William Coolidge đã cải tiến ống phát tia X bằng cách dùng âm cực sợi đốt thay thế cho âm cực nguội để đạt được công suất phát cao hơn. Sự thay đổi này chính là nền tảng cho sự phát triển của thế hệ ống phát tia X ngày nay. Về nguyên tắc, mọi ống tia X đều được cấu tạo từ 2 bản cực: một bản cực âm (cathode) là một dây tóc được nung nóng bằng dòng điện để sản sinh ra các electron và một bản cực dương là nơi các electron đập vào để phát sinh ra bức xạ hãm. Ống tia X được hút chân không để electron không bị mất năng lượng do va chạm với các phân tử khí khi đi từ cathode đến anode. Hình 1.2. Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường [26] Ống phát tia X hiện đại là thiết bị gồm 2 thành phần chính là âm cực (cathode), dương cực (anode) và các bộ phận phụ: động cơ quay dương cực (Rotor và Stator), vỏ ống, hộp chứa, dầu tản nhiệt, cổng giao tiếp…. Ống phát tia X hiện đại ít sử dụng dương cực tĩnh như trong các thế hệ của Crookes và Coolidge mà dùng dương cực quay bằng cảm ứng điện từ. Như vậy, ống phát tia X hiện đại là sự kết hợp giữa âm cực nguội, dương cực quay và các kết cấu thích hợp khác. Tuy nhiên, thế hệ ống phát tia X Coolidge với dương cực tĩnh vẫn
được dùng trong một số kỹ thuật X- quang khác với yêu cầu đặc thù, như X- quang nha khoa, X- quang cầm tay, tăng sáng truyền hình di động. Hình 1.3. Các bộ phận chính của ống tia X trong máy chụp X quang hiện đại [26] 1.1.1.1. Âm cực ( Cathode) Âm cực (Cathode) là một bộ phận có chức năng cơ bản là giải phóng chùm điện tử và hội tụ chúng thành một chùm tia xác định nhắm vào dương cực (anode). Về cấu tạo: một âm cực điển hình bao gồm hai thành phần chính là dây tóc (sợi filament) và chén hội tụ (focusing cup). Dây tóc làm bằng những sợi Volfram có hình lò xo xoắn (để tăng diện tích bức xạ điện tử ) thẳng đứng được gắn chìm vào trong một chén hội tụ như hình 1.4. Vật liệu làm tim đèn thường là hợp kim Vonfram và Thorium vì Vonfram là một kim loại nặng, dẫn nhiệt tốt và chịu được nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy cao 33700C), Thorium thường được thêm vào sợi đốt Vonfram để tăng cường hiệu suất phát xạ electron và tăng tuổi thọ tim đèn.