khảo sát che chắn an toàn cho phòng x quang nha tại phòng khám thế hệ mới

LI 
Để hoàn thành xong khóa luận này, trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến
Cô ThS. Nguyễn Thị Cẩm Thu và Thầy ThS. Lê Thanh Xuân. Thầy, Cô đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm khóa luận. Mặc dù bận rộn nhiều
công việc gia đình nhưng Cô vẫn luôn quan tâm nhắc nhở và chỉ bảo để em hoàn
thành khóa luận đúng thời hạn.
Xin chân thành cảm ơn những lời phản biện của ThS. Huỳnh Đình Chương,
những ý kiến đóng góp của Thầy vô cùng hữu ích để khóa luận của em hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Vật Lý- Vật Lý Kỹ Thuật, hơn
hết là bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã tận tình truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm học tập
và nhiều bài học hữu ích trong cuộc sống. Những gì học được trong suốt bốn năm qua
là hành trang vững chắc để em bước vào tương lai.
Cám ơn tất cả các bạn, những người luôn luôn bên cạnh giúp đỡ và động viên
mình trong suốt quá trình học tập.
Cám ơn gia đình đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để con được học tập và rèn
luyện .
Cuối cùng em xin kính chúc quý Thầy, Cô, gia đình, bạn bè luôn dồi dào sức
khỏe và đạt nhiều thành công trong cuộc sống.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014

Lê Việt Tân


i

MC LC
MC LC……………………………………………………………………… i

DANH MC CÁC KÍ HIU VÀ CÁC CH VIT TT…………………… iv
DANH MC CÁC BNG…………………………………………………… v
DANH MC CÁC HÌNH V………………………………………………… vi
LI M U……………………………………………………………………….vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Tia X 1
1.1.1 Lịch sử ứng dụng tia X 1
1.1.2 Bản chất của tia X 2
1.1.3 Cách tạo tia X 3
1.1.3.1 Bức xạ hãm 3
1.1.3.2 Tia X đặc trưng 4
1.1.4 Tính chất của tia X 6
1.1.4.1 Sự suy giảm tia X qua bề dày vật chất 6
1.1.4.2 Tương tác tia X với vật chất [6] 8
1.2 Máy X quang nha 10
1.2.1 Cấu trúc chung của một máy X quang 10
1.2.2 Nguyên lý quá trình phát tia X trong máy X quang nha 10
1.2.3 Cấu tạo ống phát tia X ( Bóng X quang) 11
1.2.3.1 Âm cực (cathode) 11
1.2.3.2 Dương cực (Anode) 12
1.2.3.3 Vỏ thủy tinh, dầu tản nhiệt, vỏ máy, bộ lọc và hệ chuẩn trực 13
1.3 Các thông số trong máy phát tia X cần quan tâm cho việc xây dựng mô
hình 16
1.3.1 Góc vát (anode angel), vết tiêu ( focal splot) 16
1.3.2 Kilovolt áp đỉnh (KVp) 16
1.3.3 Thời gian phát tia (s) 17
1.3.4 Cường độ dòng qua tim (mA) 17


ii

1.3.5 Mật độ tia X (mAs) 17
CHƯƠNG 2: AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X QUANG CHẨN ĐOÁN 18
2.1 Tác hại của bức xạ [3] 18
2.1.1 Cơ chế gây tác hại của bức xạ 18
2.1.2 Quá trình dẫn đến các tổn thương do bức xạ 18
2.1.2.1 Giai đoạn vật lý 18
2.1.2.2 Giai đoạn hóa lý 19
2.1.2.3 Giai đoạn hóa sinh 19
2.1.2.4 Giai đoạn sinh học 19
2.1.3 Những tổn thương do bức xạ gây ra 19
2.1.3.1 Tổn thương ở cấu trúc di truyền DNA 19
2.1.3.2 Tổn thương ở mức phân tử 20
2.1.3.3 Tổn thương mức tế bào 20
2.1.3.4 Tổn thương toàn cơ thể 20
2.2 An toàn bức xạ 20
2.2.1 Tiêu chuẩn quốc tế 20
2.2.2 Các tiêu chuẩn của Việt Nam 21
2.2.2.1 Tiêu chuẩn về phòng X quang (TCVN-4470:1995) [8] 21
2.2.2.2 Tiêu chuẩn An toàn bức xạ ion hoá tại các cơ sở X quang
(TCVN- 6561:1999) [4] 23
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT CHE CHẮN CHO PHÒNG MÁY X QUANG
NHA TẠI PHÒNG KHÁM THẾ HỆ MỚI BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ
PHỎNG MCNP5 29
3.1 Chương trình mô phỏng MCNP5 29
3.1.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo 29
3.1.2 Giới thiệu chương trình mô phỏng MCNP5 (Monte Carlo N-Partical) 29
3.1.2.1 Cấu trúc file input 30
3.1.2.2 File output 32
3.1.2.3 Sai số tương đối 33

iii

3.2 Xây dựng mô hình phòng X quang nha tại phòng khám Thế Hệ Mới
bằng chương trình MCNP5 34
3.2.1 Sơ đồ phòng máy X quang nha tại phòng khám Thế Hệ Mới 34
3.2.2 Cấu trúc đầu máy X quang nha khoa tại phòng khám Thế Hệ Mới
được vẽ bằng MCNP5 35
3.2.3 Khảo sát độ chính xác của mô hình 36
3.2.3.1 Tally đánh giá 36
3.2.3.2 Giới thiệu về đầu dò Piranha 36
3.2.3.3 Công thức chuyển đổi từ tally sang suất liều. 37
3.3 Giới hạn an toàn cho người làm việc ở phòng X quang nha trong mỗi ca
chụp tại phòng khám Thế Hệ Mới. 38
3.4 Đánh giá độ an toàn của vật liệu che chắn 41
KT LUN VÀ KIN NGH………………………………………………………49
TÀI LIU THAM KHO……………………………………………………… 50



iv

DANH MC CÁC KÍ HIU VÀ CÁC CH VIT TT
Ch vit tt
Ting Anh
Ting Vit
MCNP
Monter Carlo N-Particle

ICRP
International Commission on
Radiological Protection
Ủy ban quốc tế về bảo vệ
an toàn bức xạ
IAEA
International Atomic
Energy Agency
Cơ quan năng lượng
nguyên tử quốc tế
TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam
MP/TN

Tỉ số giữa suất liều mô
phỏng và suất liều thực
nghiệm
AP

Chụp từ phía trước ra phía
sau
PA

Chụp từ phía sau ra phía
trước
Lat

Chụp nghiêng
LSI

Đốt sống cùng





v

DANH MC CÁC BNG
Bng 1.1: Tia X đặc trưng của một vài nguyên tố được sử dụng làm anode………….5
Bng 2.1: Giới hạn liều qua các thời kì của ICRP. [3] 21
Bng 2.2: Liều giới hạn trong một năm 23
Bng 2.3: Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với
bệnh nhân (TCVN 6561:1999) 24
Bng 2.4: Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang các loại theo
(TCVN 6561:1999) 25
Bng 3.2: So sánh giá trị mô phỏng bằng MCNP5 với giá trị đo đạc bằng thiết bị
Detector Piranha 37
Bng 3.3: Giá trị suất liều trong các vùng contour ở phòng X quang nha Thế
Hệ Mới. 40
Bng 3.4: Bảng phân bố suất liều cho từng vùng trong phòng 41
Bng 3.5: So sánh độ xuyên sâu của các vùng suất liều trong các trường hợp được
khảo sát theo hướng trường chiếu 47




vi

DANH MC CÁC HÌNH V
Hình 1.1: Thang sóng điện từ 3
Hình 1.2: Quá trình tương tác và phát ra bức xạ hãm 4
Hình 1.3: Bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng 5
Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện và tán xạ 8
Hình 1.5: Sơ đồ máy X quang cơ bản 11
Hình 1.7: Vỏ thủy tinh 13
Hình 1.8: Quá trình lọc tia X 15
Hình 1.9: Minh họa tương quan giữa kích thước chùm tia X với sự phát xạ thứ cấp . 15
Hình 1.10: Ống chuẩn trực thực tế trong máy X quang nha 16
Hình 3.1: (a) Sơ đồ bố trí của phòng, (b) mặt cắt XY, (c) mặt cắt XZ và (d) mặt
cắt YZ của phòng X quang nha tại phòng khám Thế Hệ Mới vẽ bằng
Vised MCNP5. 34
Hình 3.2: Máy X quang TOSHIBA DG-073B-AC. 35
Hình 3.3: Hình vẽ mặt cắt đầu bóng X quang nha của phòng khámThế Hệ Mới. 36
Hình 3.4: Phân bố suất liều mặt XZ của chùm tia X đến mặt phẳng hướng chùm
tia cách nguồn 75cm, vẽ theo thang 0-0,01mGy/s được mô phỏng theo
mô hình của phòng Nha Thế Hệ Mới. 39
Hình 3.5: Đường contour các vùng suất liều của phòng X-quang Nha Thế Hệ
Mới. 40
Hình 3.6: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều khi tường chỉ có
lớp chì dày 1,5mm 42
Hình 3.7: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp
15cm bê tông. 43
Hình 3.8: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp
20cm bê tông 44
Hình 3.9: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp

15cm gạch 45
Hình 3.10: Hình vẽ đường contour phân bố từng vùng suất liều bên trong và bên
ngoài phòng với tường được cấu tạo gồm lớp chì dày 1,5mm kết hợp
20cm gạch 46



vii

LI M U
Kể từ sau cuộc cách mạng Khoa học - Kỹ thuật, các ngành khoa học cơ bản
phát triển nhanh chóng. Y học hạt nhân là một ngành khoa học mới, ứng dụng những
thành tựu của Vật Lý học hiện đại vào Y học, trong đó có tia X. Tia X ngày càng
được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị. Với chất lượng ngày càng tốt và
nhu cầu sử dụng ngày càng cao máy X quang là thiết bị không thể thiếu trong các cơ
sở y tế.
Một bài toán được đặt ra trong thực tế là phải xây dựng phòng máy X quang
như thế nào cho phù hợp với mục đích sử dụng và đảm bảo an toàn cho bệnh nhân, kĩ
thuật viên điều khiển và dân chúng trong khu vực xung quanh. Việc xây dựng phòng
X quang tốn khá nhiều thời gian, nhân lực và chi phí, song song đó việc kiểm tra thực
tế cũng gặp không ít khó khăn. Trong khi đó, với sự bùng nổ của kỉ nguyên máy tính,
con người có thể giải quyết những bài toán phức tạp đến hàng tỉ phép tính một cách
nhanh chóng. Do đó, nó thúc đẩy phương pháp mô phỏng phát triển và trở thành một
công cụ hữu hiệu giúp giải quyết nhiều vấn đề một cách đơn giản với độ chính xác
cao tiết kiệm rất nhiều chi phí, thời gian và nhân lực.
Trong khóa luận này chúng tôi khảo sát độ an toàn bức xạ khi thay đổi vật liệu
che chắn và độ dày của vật liệu che chắn để đưa ra khuyến cáo cho việc xây dựng
phòng X quang sao cho đảm bảo an toàn bức xạ cho dân chúng nếu đứng bên ngoài
phòng X quang. Khóa luận này sẽ mô phỏng cấu trúc phòng và máy X quang của
phòng X quang nha Thế Hệ Mới. Khóa luận bao gồm 3 chương:

 Chương 1 -Tổng quan: Trình bày về các tính chất, đặc điểm của tia X,
cấu tạo chi tiết của máy X quang nha và các thông số cần quan tâm khi tiến hành mô
phỏng máy X quang nha .
 Chương 2 -An toàn bức xạ trong X quang chẩn đoán: Trình bày về tác
hại và những thương tổn do tia bức xạ gây ra. Tìm hiểu về các tiêu chuẩn an toàn
trong nước và quốc tế thông qua giới hạn liều chiếu xạ của ICRP, tiêu chuẩn về phòng
X quang TCVN 4470 và TCVN 6561.


viii

 Chương 3 -Khảo sát độ an toàn phòng X quang nha Thế Hệ Mới bằng
MCNP5: Trình bày về chương trình mô phỏng MCNP5 và ứng dụng MCNP5 để đánh
giá độ an toàn của vật liệu che chắn và bề dày của vật liệu che chắn từ đó đưa ra
khuyến cáo xây dựng phòng X quang an toàn và tiết kiệm hơn.


1

 TNG QUAN
1.1 Tia X
1.1.1 Lch s ng dng tia X
Roentgen tên đầy đủ là Wihelm Conrad Roentgen, sinh năm 1845 tại Lenep,
CHLB Đức. Năm 1895 Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X trong lúc ông đang
nghiên cứu hiện tượng phóng điện qua không khí. Trong một thời gian thí nghiệm
trên các loại tia mới và bí ẩn này thì Roentgen đã chụp được một bức ảnh bóng của
các vật thể khác nhau gồm những hộp đựng các quả cầu và một khẩu súng ngắn
nhìn thấy được rõ ràng. Những bức ảnh bóng này đã đánh dấu sự ra đời của phương
pháp chụp ảnh bức xạ. Trong khoảng một năm sau, khi Roentgen đã phát hiện ra
bức xạ tia X thì phương pháp chụp ảnh bức xạ được áp dụng để kiểm tra mối hàn.

Năm 1913 Collidge đã thiết kế một ống phát bức xạ tia X mới. Thiết bị này có khả
năng phát phát bức xạ tia X có năng lượng cao hơn và có khả năng xuyên sâu hơn.
Năm 1917 phòng thí nghiệm chụp ảnh bức xạ bằng tia X đã được thiết lập tại Royal
Arsenal ở Woolwich. Bước phát triển quan trọng tiếp theo là vào năm 1930 khi hải
quân Mĩ đồng ý dùng phương pháp chụp ảnh bức xạ để kiểm tra các mối hàn của
nồi hơi.
Phương pháp chụp ảnh bức xạ không những được ứng dụng trong ngành
công nghiệp hàng không, mà còn mở rộng sang các lĩnh vực khác như kiểm tra các
mối hàn trong nhà máy điện, các nhà máy luyện kim, các cấu trúc của thiết bị vận
chuyển và đặc biệt là trong lĩnh vực y học.
Từ khi Wilhelm Conrad Roentgen 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. Khoa X quang là
một lĩnh vực chuyên biệt trong y tế sử dụng ảnh tia X và các kĩ thuật khác để chẩn
đoán bệnh bằng hình ảnh nên còn được gọi là Khoa chẩn đoán hình ảnh.
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, khảo sát vùng bụng, có thể phát hiện ra tắc ruột (tắc thực quản), tràn

2

khí (từ thủng ruột), tràn dịch (trong khoang bụng). Trong vài trường hợp, sử dụng X
quang còn gây tranh cãi, như là sỏi mật (ít khi cản quang) hay sỏi thận (thường thấy
nhưng không phải luôn luôn). Hơn nữa, các tư thế chụp X quang truyền thống ít sử
dụng trong việc tạo hình các phần mềm như não hay cơ. Việc tạo hình cho phần
mềm được thay thế bằng kĩ thuật chụp cắt lớp vi tính computed axial tomography,
(CAT hay CT scanning) hoặc tạo hình bằng chụp cộng hưởng từ (MRI) hay siêu âm.
Tia X còn được sử dụng trong kỹ thuật soi trực tiếp "thời gian thực", như
thăm khám thành mạch máu hay nghiên cứu độ cản quang của các tạng rỗng nội
tạng (chất lỏng cản quang trong các quai ruột lớn hay nhỏ) bằng cách sử dụng máy

chiếu huỳnh quang. Hình ảnh giải phẫu mạch máu cũng như các can thiệp y tế qua
hệ thống động mạch đều dựa vào các máy soi X quang để định vị các thương tổn
tiềm tàng và có thể chữa trị.
Xạ trị tia X là một can thiệp y tế, hiện nay dùng chuyên biệt cho ung thư,
dùng các tia X có năng lượng mạnh. [7]
1.1.2 Bn cht ca tia X
Tia X hay tia Roentgen là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong
khoảng từ 0,01 nanômét đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz
đến 30 Exahertz và năng lượng từ 120eV đến 120keV. Bước sóng của nó ngắn hơn
tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma. Tia X có năng lượng dưới 10keV được gọi là
tia X mềm, trên 10keV gọi là tia X cứng. [7]

3


Hình 1.1: Thang sóng điện từ
1.1.3 Cách to tia X
Khi một chùm electron có vận tốc lớn tương tác với kim loại nặng, tương tác
này tạo ra tia X với hai dạng: bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng.
1.1.3.1 Bc x hãm
Theo điện động lực học cổ điển, các hạt mang điện được gia tốc hoặc làm
chậm đều phát ra bức xạ điện từ. Khi các hạt mang điện tương tác với nguyên tử
(hạt nhân của nguyên tử) và bị hãm đột ngột sẽ phát ra bức xạ gọi là bức xạ hãm.
Thực chất của quá trình này là động năng của electron đã được giải phóng dưới
dạng tia X. Trong ống tia X, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay
đổi liên tục trong trường Culông của các nguyên tử bia. Do lực Culông tỉ lệ nghịch
với bình phương khoảng cách, những electron ở xa so với hạt nhân sẽ chịu lực
Culông yếu hơn những electron có khoảng cách gần và do đó các electron ở xa hạt
nhân sẽ tạo ra tia X năng lượng thấp hơn các electron ở gần. Quá trình tương tác và
phát bức xạ hãm minh họa trên hình 1.2.

4


Hình 1.2: Quá trình tương tác và phát ra bức xạ hãm
Xác xuất để electron tương tác trực diện với hạt nhân là vô cùng bé, vì hạt
nhân có kích thước rất nhỏ. Do đó tia X năng lượng thấp sẽ được tạo ra nhiều hơn
tia X năng lượng cao.
Quá trình tạo ra tia X phụ thuộc vào các yếu tố: nguyên tử số của vật liệu bia,
động năng electron tới (trong máy X quang nha thì được xác định từ điện thế gia tốc
cho electron). Tỉ số của năng lượng mất mát do tạo ra bức xạ hãm và năng lượng
mất mát do va chạm (do kích thích hay ion hóa) được xem gần đúng là: [6]

RK
C
E E ×Z
=
E 820.000
(1.1)
E
R
: năng lượng electron mất do tạo ra bức xạ hãm (keV),
E
C
: năng lượng electron mất do va chạm (keV),
E
k
: động năng của electron (keV),
Z: nguyên tử số hạt nhân bia.
1.1.3.2 

Các electron xung quanh hạt nhân bia có năng lượng liên kết phụ thuộc vào
vị trí lớp vỏ chứa electron đó. Gần hạt nhân là hai electron thuộc lớp K, có năng
lượng liên kết lớn nhất. Kế tiếp là lớp L có tám electron có năng lượng liên kết thấp
hơn và giảm dần đối với các electron ở xa hạt nhân. Khi electron tới có năng lượng
lớn hơn năng lượng liên kết của electron hạt nhân nó sẽ đánh bật electron đó ra khỏi

5

hạt nhân (ion hóa nguyên tử) tạo thành lỗ trống (electron số 4 hình 1.3). Lỗ trống
mà electron vừa rời khỏi nguyên tử bị các electron lớp cao hơn chiếm chỗ. Quá
trình chiếm chỗ diễn ra liên tiếp nhau kèm theo phát tia X đặc trưng.

Hình 1.3: Bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng
Mỗi nguyên tố khác nhau có năng lượng liên kết khác nhau, do đó bức xạ
photon phát ra cũng khác nhau (tia X đặc trưng). Ví dụ, đối với Tungsteng khi
electron lớp L lấp vào lớp K thì sẽ phát ra tia X đặc trưng có năng lượng:
E
K-shell
-E
L-shell
=69,5keV-10,2keV=59,3 KeV
Trong X quang ta chỉ quan tâm đến sự dịch chuyển electron về lớp K, vì
những dịch chuyển về mức khác năng lượng không cao và dễ dàng hấp thụ ở cửa sổ
phát hay bộ lọc tia. Bảng 1.1 cho ta năng lượng tia X đặc trưng ( keV) ứng với dịch
chuyển electron về lớp K của ba nguyên tố thường được dùng để làm anode.
Bng 1.1: Tia X đặc trưng của một vài nguyên tố được sử dụng làm anode
Chuyn di
Tungsten
(keV)
Molybdenum

(keV)
Rhodium
(keV)
K
α1
59,32
17,48
20,22
K
α2
57,98
17,37
20,07
K
β1
67,24
19,61
22,72


6

Tia X đặc trưng phát ra trong ống X quang chủ yếu là kết quả của quá trình
tương tác electron-electron. Tuy nhiên, khi bức xạ hãm tương tác với electron quang
điện cũng có thể sinh ra tia X đặc trưng.
1.1.4 Tính cht ca tia X
Tia X là sóng điện từ có bước sóng nhỏ khi đi qua môi trường vật chất thì nó
sẽ tương tác với môi trường vật chất.
Các tính chất của tia X:
 Làm ion hóa môi trường: có thể bứt các electron ra khỏi bề mặt một số kim

loại.
 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 rửa phim. Nhờ tính chất này mà nó cho phép ghi
hình tia X quang của các bộ phận cơ thể lên phim và giấy ảnh.
 Tính sinh học: khi truyền qua cơ thể tia X gây ra tác dụng sinh lý hủy diệt tế
bào, sử dụng trong điều trị (ung thư nông) đồng thời cũng gây nên một số biến đổi
có hại cho cơ thể (đột biến).
 Tính truyền thẳng và tính 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.
 Tính hấp thụ: sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị giảm
xuống do một phần bị hấp thụ. Đây là cơ sở của các phương pháp chẩn đoán X
quang và liệu pháp X quang.
1.1.4.1 S suy gim tia X qua b dày vt cht
Một chùm tia X đi qua vật chất thì cường độ của chúng bị suy giảm. Hiện
tượng này gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X trong vật chất. Tính chất này của bức xạ tia
X được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp. Nếu có một khuyết tật nằm bên
trong cấu trúc của mẫu vật, thì có sự thay đổi về bề dày hoặc mật độ mẫu vật đó, và

7

nó tác động đến cường độ của chùm bức xạ truyền qua, chùm bức xạ truyền qua này
được ghi nhận trên phim tạo ra một ảnh chụp bức xạ trên phim. Xét một ví dụ cụ thể:
Lấy một mẫu vật dạng tấm có bề dày là d và truyền một chùm bức xạ đơn
năng song song qua nó. Gọi I
0
là cường độ bức xạ tới, I là cường độ bức xạ truyền

qua thì theo định luật Beer ta có biểu thức:
-μd
0
I=I ×e
(1.2)

Trong đó
μ
được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính.
Cường độ của chùm bức xạ tia X đi qua vật chất bị suy giảm do tác động của
ba hiệu ứng: hấp thụ quang điện, hấp thụ và tán xạ Compton, tạo cặp. Vì quá trình
hấp thụ phụ thuộc ngẫu nhiên vào xác xuất xảy ra các hiệu ứng ở trên nên hệ số suy
giảm được xem như là tổng các hệ số suy giảm của từng hiệu ứng.

τ δ χ
μ=μ +μ +μ
(1.3)
Trong đó:
τ
μ
là hệ số suy giảm do tương tác quang điện,
δ
μ
là hệ số suy giảm do tán xạ compton,
χ
μ
là hệ số suy giảm do tạo cặp.
Ngoài ra sự suy giảm tia X còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như:
 Thể tích của vật bị chiếu xạ: thể tích vật càng lớn hấp thụ tia X càng nhiều
 Mật độ vật chất: mật độ vật chất trong cùng một đơn vị thể tích khác nhau sẽ

hấp thụ tia X khác nhau.
 Nguyên tử số của vật chất: nguyên tử số càng lớn thì số electron chứa trong
nguyên tử càng lớn. Do đó, khả năng va chạm giữa những electron và photon tia X
lớn nên quá trình hấp thụ càng dễ xảy ra.
 Bước sóng của chùm tia X: bước sóng càng dài tức tia X càng mềm thì bị
hấp thụ càng nhiều.

8

1.1.4.2 i vt cht [6]
Khi một chùm bức xạ tia X đi qua vật chất thì có một số tia được truyền qua,
một số tia bị hấp thụ và một số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau. Trong
chụp ảnh X quang, tương tác tia X với môi trường vật chất xung quanh bệnh nhân là
nguyên nhân dẫn đến sự tăng liều không mong muốn gây ảnh hưởng tới bệnh nhân.
Sự hiểu biết về những hiện tượng này là rất quan trọng cho một nhân viên chụp ảnh
bức xạ. Hình 1.4 trình bày hai loại tương tác là tán xạ (đàn hồi và không đàn hồi) và
hiệu ứng quang điện.

Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện và tán xạ
a. Tán x i (tán x Rayleigh)
Trong tán xạ đàn hồi, photon tương tác và kích thích nguyên tử lên trạng thái
kích thích. Khi nguyên tử trở về trạng thái kích thích sẽ phát ra một photon mang
năng lượng bằng đúng năng lượng của photon tới. Tán xạ đàn hồi chủ yếu xảy ra
với tia X năng lượng thấp (từ 15keV đến 30keV). Trong chụp ảnh y tế, tia X tán xạ
sẽ gây nhiễu làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng hình ảnh. Tuy nhiên tán xạ này có
xác xuất thấp. Trong mô mềm, tán xạ đàn hồi chiếm dưới 5% tương tác tia X có
năng lượng trên 70keV và chiếm 12% tương tác tia X có năng lượng cỡ 30keV.[5]
b. Tán x i (tán x Compton)
Tán xạ không đàn hồi là hiện tượng photon tới tương tác với electron ở lớp
vỏ nguyên tử. Khi đó photon truyền cho electron một phần năng lượng, phần còn lại

9

được phát ra với dạng photon tán xạ có năng lượng nhỏ hơn photon ban đầu.
Electron bị tương tác sẽ bứt ra khỏi lớp vỏ gọi là Compton electron (electron D hình
1.4). Photon tán xạ đi vào môi trường có thể không xảy ra tương tác nhưng cũng có
thể tiếp tục gây ra các tương tác khác như tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi,
quang điện, hay tạo cặp. Năng lượng photon tới phải lớn hơn năng lượng liên kết
của electron. Nếu năng lượng photon tăng lên thì xác xuất xảy ra tán xạ không đàn
hồi sẽ cao hơn tán xạ đàn hồi và hấp thụ quang điện. Xác xuất của tán xạ không đàn
hồi còn phụ thuộc vào mật độ electron.
Tán xạ không đàn hồi là tương tác chủ yếu với tia X trong vùng chẩn đoán
với mô mềm. Trong thực tế, tán xạ Compton không chỉ chiếm ưu thế trong vùng
năng lượng chẩn đoán trên 26keV trong mô mềm mà còn chiếm ưu thế trong vùng
năng lượng chẩn đoán khoảng 30MeV.
c. Hiu n
Hiệu ứng quang điện xảy ra khi photon va chạm không đàn hồi với electron
nguyên tử và trao toàn bộ năng lượng cho electron. Để hiện tượng quang điện xảy ra,
năng lượng photon tới phải bằng hay lớn hơn năng lượng liên kết của electron. Sau
tương tác electron sẽ bật khỏi nguyên tử để lại một lỗ trống. Các electron ở tầng kế
tiếp sẽ lấp đầy lỗ trống đó và phát ra tia X đặc trưng. Khi hiệu ứng quang điện xảy
ra nguyên tử có thể phát một hay nhiều tia X có bước sóng riêng biệt tùy vào số
dịch chuyển của electron trong nguyên tử (electron B hình 1.4).
Xác xuất hấp thụ quang điện trên một đơn vị khối lượng xấp xỉ Z
3
/E
3
với Z là
nguyên tử số và E là năng lượng photon tới. Quá trình quang điện chiếm ưu thế khi
photon tới mang năng lượng thấp tương tác với bia có số Z cao.

Hiệu ứng quang điện trong chụp ảnh X quang không gây ảnh hưởng lớn tới
chất lượng phim chụp vì năng lượng của nó rất yếu.
d. To cp
Tạo cặp chỉ diễn ra khi năng lượng của tia X lớn hơn 1,02MeV. Trong quá
trình tạo cặp, tia X tương tác với trường Culông của hạt nhân nguyên tử. Trong

10

tương tác này photon sẽ biến mất và một cặp electron-positron xuất hiện. Năng
lượng dư chuyển thành động năng electron và positron.
+-
2
0
ee
E +E =hν - 2m c
(1.4)
Positron là hạt không bền nên đi được một quãng thì nó tương tác với
electron của môi trường ngoài lại tiếp tục gây ra hiện tượng hủy cặp và một cặp
photon năng lượng 0.511MeV xuất hiện. Quá trình tạo cặp hầu như không gây ảnh
hưởng gì trong việc chụp X quang bởi vì năng lượng cần thiết cho quá trình tạo cặp
này rất cao. Trong thực tế quá trình này không đáng kể nếu không có nhiều photon
mang năng lượng vượt ngưỡng 1,02MeV.
1.2 Máy X quang nha
1.2.1 Cu trúc chung ca mt máy X quang
Máy X quang là một hệ thống, trong đó bao gồm các thiết bị chủ yếu sau:
 Thiết bị tia X: gồm bóng X quang, khối tạo cao thế, khối điều khiển.
 Thiết bị hiện ảnh gồm màn huỳnh quang, cat-xet, bìa tăng quang và
phim.
 Thiết bị buồng tối như thùng rửa (hiện) và tráng (hãm) phim, đèn soi,
đánh dấu phim, đồng hồ báo giờ và nhiệt kế.

 Thiết bị bảo vệ có cửa sổ kính chì, phòng ngăn tia có cửa sổ, áo và găng
chì…Các thiết bị này tham gia vào quá trình tạo ảnh X quang.
1.2.2 Nguyên lý quá trình phát tia X trong máy X quang nha
Máy X quang là một thiết bị phát tia X. Bộ phận quan trọng nhất trong máy X
quang là ống phát tia X và nó tạo ra tia X thông qua phát bức xạ hãm và tia X đặc
trưng. Hai bộ phận quan trọng nhất của ống phát tia X là dương cực (anode) và âm
cực (cathode), bên cạnh còn nhiều bộ phận hỗ trợ quá trình phát tia khác. Hình 1.5
trình bày sơ đồ máy X quang cơ bản.

11

Hình 1.5: Sơ đồ máy X quang cơ bản
1.2.3 Cu to ng phát tia X ( Bóng X quang)
Bóng X quang có thể xem như dạng đặc biệt của Điốt chỉnh lưu chân không,
bóng X quang gồm các bộ phận chủ yếu sau:
+ Nguồn bức xạ điện tử (cathode),
+ Nguồn bức xạ tia X (anode),
+ Vỏ thủy tinh (vỏ trong),
+ Vỏ bóng (vỏ ngoài) .
Hiện nay, hai loại bóng được ứng dụng phổ biến trong thiết bị X-quang là:
+ Bóng X-quang anode cố định.
+ Bóng X-quang anode quay.
1.2.3.1 Âm cc (cathode)
Cathode bao gồm sợi đốt và giá đỡ bằng kim loại để đỡ sợi đốt đồng thời còn
tạo khe hội tụ. Chức năng cơ bản là nguồn phát electron và hướng electron đó vào
anode để tạo thành tia X.
Sợi đốt được chế tạo bởi dây Vonfram có nhiệt độ nóng chảy rất cao
(3360
0
C). Sợi đốt có dạng hình xoắn ốc để tạo diện tích bức xạ điện tử rộng. Để hội

tụ chùm tia điện tử, người ta đặt sợi đốt trong lòng một khe của giá đỡ và chùm tia
điện tử bức xạ từ sợi đốt qua khe này. Kích thước, hình dạng của sợi đốt và khe
được thiết kế và chế tạo rất chu đáo và sợi đốt được định vị rất cẩn thận trong khe
sao cho chùm tia điện tử tập trung (hội tụ) tại một điểm với diện tích rất nhỏ trên bề
mặt anode. Diện tích mà chùm tia điện tử hội tụ đó chính là nguồn phát xạ tia X.

12

Điểm hội tụ thường có dạng hình chữ nhật, chiều dài bằng 3 – 4 lần chiều
rộng và diện tích của điểm hội tụ khoảng 1 – 2 mm
2
(tiêu điểm nhỏ) tới 10 – 15mm
2

(tiêu điểm lớn).
Cathode có hai loại: hội tụ đơn và hội tụ kép.
Loại cathode hội tụ đơn chỉ gồm một sợi đốt và một khe bức xạ. Trong khi
đó, loại hội tụ kép bao gồm hai sợi đốt đặt trong hai khe bức xạ tương ứng với hai
diện tích to và nhỏ. Hai khe này lại được bố trí kề nhau trong mặt phẳng đứng hoặc
ngang.
Nguồn điện cấp cho sợi đốt là nguồn điện áp thấp cỡ vài chục Volt với dòng
từ vài Ampe đến mười Ampe. Để đảm bảo độ cách điện cao và làm nguội, biến thế
cấp điện cho sợi đốt thường được đặt trong thùng cao thế cùng với biến thế cao thế.
Hình 1.6 cho ta thấy Cathode trong thực tế.
Hình 1.6: Hình thực tế Cathode
1.2.3.2 c (Anode)
Anode: là bộ phận có nhiệm vụ hứng chùm tia điện tử bắn vào, rồi phát xạ
chùm tia X. Chùm tia này càng tập trung càng tốt để tạo được hình ảnh rõ.
Anode gồm một miếng Vonfram dày khoảng 2mm, hình chữ nhật hoặc tròn
có diện tích lớn hơn diện tích điểm hội tụ một chút, miếng Vonfram này được gắn

vào một giá đỡ bằng đồng giúp tản nhiệt nhanh. Bề mặt anode nằm dốc chéo so với
trục dọc của bóng nên chùm tia X sẽ vuông góc với trục bóng. Anode của máy X
quang nha thuộc loại anode cố định.

13

Khi bóng hoạt động, nó sẽ nóng lên khiến cho dầu dãn nở nên một phía đầu
vỏ phải có một khoang dãn nở chế tạo bởi màng cao su hình lồng xếp. Để báo động
tình trạng bóng quá nóng do hoạt động liên tục, người ta gắn một công tắc hành
trình vào bề mặt khoang dãn nở. Khi khoang dãn nở nở tới mức nhất định thì công
tắc tác động đóng mạch phát tín hiệu cảnh báo.
Phạm vi ứng dụng của bóng anode cố định:
Trong bóng X-quang anode cố định, chùm tia điện tử luôn bắn vào một điểm
cố định trên bề mặt anode. Do vậy làm cho nhiệt độ tại điểm này tăng lên. Điều này
hạn chế việc tăng công suất phát xạ (mA của bóng). Vì vậy ngày nay loại bóng X-
quang anode cố định chỉ còn được dùng trong các thiết bị X-quang nhỏ, di động
hoặc trong máy X-quang nha có dòng tối đa khoảng 100mA.
1.2.3.3 V thy tinh, du tn nhit, v máy, b lc và h chun trc
*Vỏ thủy tinh: vỏ trong thường có dạng hình trụ bao quanh và đồng thời làm
giá đỡ cathode và anode. Vỏ này được chế tạo từ loại thủy tinh đặc biệt có khả năng
chịu nhiệt cao, có độ cách điện cao, có đồng nhất với sự dãn nở của các điện cực và
chịu được áp lực chân không lớn.
Vỏ ngoài bao quanh bóng X-quang, nó có ba nhiệm vụ:
 Chỉ cho tia bức xạ qua cửa sổ,
 Hấp thụ tia X theo các hướng có hại cho người bệnh và môi trường
xung quanh,
 Chống điện giật.
Hình 1.7: Vỏ thủy tinh

14

*Vỏ máy: được chế tạo từ nhôm, hợp kim nhôm hoặc thép, bề mặt trong của
vỏ được tráng một lớp chì đủ dày để hấp thụ tia X, hạn chế sự phát xạ tia X ra xung
quanh (từ cửa sổ) tới mức cho phép không gây nguy hiểm cho bệnh nhân và cho
môi trường xung quanh.
*Dầu tản nhiệt: để đảm bảo độ cách điện, người ta đổ đầy dầu cao thế vào
khoang giữa hai lớp vỏ. Ngoài tác dụng cách điện, dầu còn có tác dụng tản nhiệt và
làm mát bóng. Khi bóng hoạt động, nó sẽ nóng lên khiến cho dầu dãn nở nên một
phía đầu vỏ phải có một khoang dãn nở chế tạo bởi màng cao su hình lồng xếp. Để
báo động tình trạng bóng quá nóng do hoạt động liên tục, người ta gắn một công tắc
hành trình vào bề mặt khoang dãn nở. Khi khoang dãn nở nở tới mức nhất định thì
công tắc tác động đóng mạch phát tín hiệu cảnh báo.
* Bộ lọc (filtration): Một tính năng bảo vệ bệnh nhân rất quan trọng khi chụp
ảnh phóng xạ là lọc tia X. Lọc là quá trình loại bỏ tia X năng lượng thấp không
mong muốn, những tia này tạo ra rất nhiều liều cho bệnh nhân nhưng không đóng
góp vào hình ảnh thu nhận. Trong các máy X quang luôn có bộ phận lọc tia. Nhôm
là vật liệu lọc phổ biến nhất được sử dụng để lọc tia X.
Có hai bộ phận tham gia vào quá trình lọc tia X:
 Thứ nhất là bộ lọc sẵn có, do các vật liệu có sẵn và có khả năng lọc
như ống thủy tinh, dầu cao áp, các vật liệu này nằm trên lối ra của chùm tia X trong
ống phát tia X. Bộ lọc sẵn có tương đương khả năng lọc của lớp nhôm dày 0,5mm –
1mm.
 Thứ hai là một tấm kép nhôm – đồng đặt sau đầu phát tia X có chức
năng loại bỏ những tia X có thể xuyên qua bộ lọc sẵn có nhưng vẫn không đóng góp
cho việc tạo ảnh. Hình 1.8 mô tả quá trình lọc tia X.

15


Hình 1.8: Quá trình lọc tia X

*Hộp chuẩn trực (collimator)
- Hộp chuẩn trực là một dụng cụ đặt giữa bóng X-quang và người bệnh, có
chức năng giới hạn chùm tia theo một kích thước do người vận hành quyết định.
- Hộp chuẩn trực có cấu trúc như ống kính máy ảnh, gồm các tấm chì gắn với
các cơ cấu điều khiển bằng tay hoặc động cơ điện, lỗ mở của hộp có thể có dạng
hình chữ nhật hoặc hình tròn và một hệ thống quang bao gồm đèn chiếu và gương
giúp cho người vận hành có căn cứ để điều chỉnh kích thước và định vị chùm tia X.
Kích thước chùm tia cần được chọn càng nhỏ càng tốt miễn là bao trùm được bộ
phận cần thăm khám, việc giảm kích thước dẫn tới giảm liều tia và giảm lượng phát
xạ thứ cấp có nghĩa là tăng độ đối quang và chất lượng ảnh.

Hình 1.9: Minh họa tương quan giữa kích thước chùm tia X với sự phát xạ thứ cấp
Ngoài ra để giảm lượng phát xạ thứ cấp, cần giảm bề dày của vùng thăm
khám bằng cách nén vùng này lại. Như trên hình 1.9, ở trường hợp thứ nhất, lượng
phát xạ thứ cấp rất cao, nó được giảm cùng với việc giảm kích thước chùm tia trong
trường hợp thứ hai và giảm hơn nữa khi nén nhỏ đối tượng như trong trường hợp

16

thứ ba. Trong thực tế khi chụp ảnh nhũ và ảnh răng chúng ta cần giảm bề dày vùng
thăm khám.
Hình 1.10: Ống chuẩn trực thực tế trong máy X quang nha
1.3 Các thông s trong máy phát tia X cn quan tâm cho vic xây dng mô
hình
1.3.1 Góc vát (anode angel), vt tiêu ( focal splot)
Không phải toàn bộ anode đều tham gia vào quá trình tạo tia X. Góc vát
được xác định là góc hợp bởi mặt phẳng thực mà electron đập vào và mặt phẳng
vuông góc với tia X trung tâm. Tùy vào nhu cầu chụp ảnh mà các máy sẽ có từng
góc vát khác nhau. Giống như để chụp nhũ góc vát vào cỡ 7
0

- 20
0
. Thông thường
hiện nay góc vát từ 12
0
- 15
0
.
Tia X chỉ được tạo ra từ một vùng nhỏ trên anode, vùng này được gọi là vết
tiêu. Vết tiêu có 2 loại là vết tiêu thực và vết tiêu hiệu dụng liên hệ với nhau qua
công thức:

ea
F =F ×sinθ
(1.5)
Trong đó:
 F
e
là vết tiêu hiệu dụng,
 F
a
là vết tiêu thực tế (khu vực electron tương tác với anode),
 θ là góc vát.
1.3.2 nh (KVp)
KVp là điện cao áp sau khi chỉnh lưu đặt vào giữa anode và cathode của
bóng phát tia X, có tác dụng gia tốc cho chùm electron tạo ra từ cathode đập vào