thiết kế và đánh giá che chắn cho các thiết bị xạ trị tia x và gamma năng lượng cao

1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ
VÀ AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ
Kể từ khi ra đời vào đầu thế kỷ 20, xạ trị và những tiến bộ của nó đã có một
mối liên kết chặt chẽ với vật lý y học. Ngày nay, xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính
trở thành một phương pháp điều trị ung thư hữu hiệu ở Việt Nam và trên thế giới
cùng với các phương pháp khác như phẫu thuật và hóa trị. Tuy nhiên do liều xuất ra
từ máy gia tốc là rất lớn nên phải đặc biệt chú ý về an toàn bức xạ. Chương này sẽ
trình bày những vấn đề liên quan đến xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị.
1.1. Tổng quan về xạ trị
1.1.1. Các khái niệm cơ bản trong xạ trị
1.1.1.1. Ung thư
 Khái niệm
Theo cơ quan Quốc tế Nghiên cứu về Ung thư (International Agency for
Research on Cancer) [16], ung thư là tên dùng chung để mô tả một nhóm các bệnh
phản ảnh những sự thay đổi về sinh sản, tăng trưởng chức năng của tế bào. Các tế
bào bình thường trở nên bất thường (đột biến) và tăng sinh một cách không kiểm
soát, xâm lấn các mô ở gần (xâm lấn cục bộ) hay ở xa (di căn) qua hệ thống bạch
huyết hay mạch máu. Di căn là nguyên nhân gây tử vong chính của ung thư. Những
thuật ngữ khác của ung thư là khối u ác tính hoặc tân sinh ác tính (malignant
neoplasm), có hơn 100 loại ung thư khác nhau.
 Điều trị ung thư
Mục tiêu của việc điều trị ung thư là loại bỏ hoàn toàn hoặc một phần các khối
u từ cơ thể của bệnh nhân [2], có 3 phương thức chính được sử dụng điều trị:
 Phẫu thuật (là phương pháp cắt bỏ trực tiếp các khối u).
 Hoá trị (là phương pháp dùng thuốc để tiêu diệt tế bào ung thư).
 Xạ trị (là phương pháp sử dụng các tia bức xạ như gamma, neutron,
proton, alpha, hạt nặng mang điện để tiêu diệt tế bào ung thư).

2

1.1.1.2. Xạ trị
Xạ trị là phương pháp điều trị tại chỗ, tác động trực tiếp lên tế bào ung thư
ngay tại vùng xạ trị. Có hai loại xạ trị: (1) xạ trị ngoài là liệu pháp dùng nguồn bức
xạ chiếu từ ngoài vào trong cơ thể bệnh nhân, (2) xạ trị trong là liệu pháp đưa nguồn
phóng xạ trực tiếp lên khối u hoặc đặt gần khối u. Một số bệnh nhân được dùng
đồng thời 2 loại xạ trị này [15].
Mục đích của việc xạ trị là chiếu một liều bức xạ (đơn vị Gray) lên khối u sao
cho đủ liều để tiêu diệt khối u và hạn chế ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh
trong cơ thể bệnh nhân. Việc cấp liều điều trị được thực hiện bởi các bác sĩ chuyên
khoa. Với mỗi bệnh nhân, giai đoạn bệnh lý khác nhau thì sẽ có một liều điều trị
khác nhau. Về loại tia xạ dùng trong xạ trị, thì hiện nay chủ yếu ở nước ta là dùng
bức xạ tia X/photon/gamma phát ra từ máy Cobalt–60 hoặc máy gia tốc tuyến tuyến
tính (LINAC). Với máy gia tốc tuyến tính thì ta có thể dùng hai loại tia bức xạ là
photon và electron. Vì luận văn này tập trung vào việc tính toán che chắn an toàn
cho một cơ sở xạ trị có máy gia tốc tuyến tính nên trong phần tiếp theo tác giả đề
cập một số khái niệm cơ bản của hai loại bức xạ cần quan tâm trong quá trình tính
toán là photon/gamma và neutron (sản phẩm gián tiếp của phản ứng quang neutron
và tương tác của electron năng lượng cao với vật chất).
1.1.2. Tương tác của gamma và neutron với vật chất
1.1.2.1. Tương tác của gamma với vật chất
Nếu không tính đến phản ứng hạt nhân, tương tác của bức xạ gamma bao gồm:
hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron – positron [3].
 Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử
electron liên kết với hạt nhân. Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của lượng tử
gamma được truyền cho điện tử electron.





 

(1.1)
Trong đó:
- 

: động năng của electron phát ra (photo electron).

3

- 

: năng lượng của lượng tử gamma tới.
- 

: năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i của hạt nhân.
Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của
lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng nhỏ.
Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá
năng lượng liên kết, đặc biệt đối với các lớp vỏ trong cùng. Khi năng lượng tăng,
xác suất tương tác giảm dần theo hàm



. Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang
điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi 


, 

là năng lượng liên kết của
electron trên lớp K, tuân theo quy luật





; khi 

thì tuân theo quy luật


.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện
phụ thuộc vào Z theo quy luật Z
5
. Như vậy tiết diện quang điện:

h







khi 


và 
h




khi 

(1.2)
Hiệu ứng quang điện có tiết diện lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở
vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử nhẹ, hiệu ứng quang điện chủ yếu
chỉ xảy ra ở vùng năng lượng thấp.
Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó
của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống. Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp
ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ. Quá trình này dẫn tới làm phát các
tia X đặc trưng hay các electron Auger.
 Hiệu ứng Compton

Hình 1.1: Tán xạ Compton [3].

4

Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron
quỹ đạo ngoài của nguyên tử. Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một
phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử. Quá trình tán xạ
Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do.
Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc  như sau:
h
′



 
h



  


(1.3)
Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên
tử và tỉ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy :





(1.4)
Trong tán xạ Compton thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo
cơ chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp.
 Sự tạo cặp electron - positron
Khi tia gamma có năng lượng rất cao






cùng với hiệu ứng quang điện
và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra

hiện tượng tạo cặp electron – positron.

Hình 1.2: Hiện tượng tạo cặp [3].
Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc
proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ. Như vậy, năng lượng ngưỡng 

để
xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ
của electron.






 (1.5)
h


 


 



(1.6)

5

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng
ngưỡng của lượng tử gamma là: 





.
Tiết diện tạo cặp electron – positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn
tiết diện tạo cặp trong trường của hạt nhân cỡ 10
3
lần. Biểu thức cho tiết diện tạo
cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp. Trong miền năng lượng 








, tiết diện tạo cặp có dạng:




 (1.7)
Theo công thức trên, tiết diện tạo cặp electron – positron gần như tỉ lệ với 


nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn.
 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất
Như đã trình bày ở trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng xảy
ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron –
positron. Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng:

h
 

 

(1.8)
trong đó tiết diện quá trình quang điện là 
h







, tiết diện quá trình tán xạ
Compton là 




và tiết diện quá trình tạo cặp là 




.

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [3].
Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng  của tia gamma và điện tích 
của vật chất như trên, suy ra rằng trong miền năng lượng bé hơn 

, cơ chế chủ yếu

6

trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang điện, trong miền năng lượng
trung gian 



là quá trình tán xạ Compton và trong miền năng lượng cao


là quá trình tạo cặp electron – positron. Các giá trị năng lượng phân giới


,

phụ thuộc vào từng môi trường vật chất.
1.1.2.2. Tương tác của neutron với vật chất
Sự tương tác của neutron với vật chất chủ yếu là tương tác với hạt nhân
nguyên tử. Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn
hồi, tán xạ không đàn hồi và phản ứng hạt nhân [4] [5].
 Sự suy giảm chùm neutron

Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron
theo năng lượng của chúng, thành các neutron nhiệt (năng lượng neutron E
n
từ 0
đến 0,5 eV), các neutron trên nhiệt (E
n
từ 0,5 eV đến 10 keV), các neutron nhanh
(E
n
từ 10 keV đến 10 MeV) và các neutron rất nhanh (E
n
lớn hơn 10 MeV). Tương
tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó.
Khi chùm hẹp các hạt neutron đi qua môi trường, cũng giống như tia gamma,
cường độ chùm tia cũng giảm đi theo hàm số mũ. Ở đây thay cho việc sử dụng hệ
số hấp thụ tuyến tính hay hệ số hấp thụ khối người ta dùng tiết diện vĩ mô ,
trong đó:  là tiết diện hấp thụ vi mô của môi trường; N là số các hạt nhân hấp thụ
của môi trường trong 1 cm
3
. Khi đó, cường độ chùm neutron I sau bản hấp thụ dày t
liên tục với cường độ chùm neutron I
o
trước bản hấp thụ như sau:









(1.9)
 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi
Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi neutron tương tác với các hạt
nhân môi trường có số nguyên tử bé. Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm
dần khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi
là chất làm chậm.
Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống
như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1,
động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lượng A. Sau tán xạ neutron

7

có năng lượng . Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán
xạ đàn hồi, ta có:


 (1.10)
Trong đó: - 





(1.11)
-  khi neutron tán xạ về phía trước.
-  khi neutron tán xạ về phía sau, tức là va chạm trực diện.
Trong công thức (1.11) trong va chạm với hạt nhân hydro thì , do đó
theo công thức (1.10) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hạt nhân
hydro khi va chạm trực diện. Tuy nhiên, đối với các hạt nhân nặng hơn, do 

nên neutron không thể truyền toàn bộ động năng của mình trong một va chạm.
Như vậy, hạt nhân có khối lượng bé làm chậm neutron có hiệu quả hơn hạt
nhân có khối lượng lớn.
 Hấp thụ neutron
Trong quá trình neutron nhanh được làm chậm thành neutron trên nhiệt hay
neutron nhiệt trong môi trường, xác suất hấp thụ cũng tăng dần. Tiết diện hấp thụ
của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lượng nhiệt tuân theo quy luật [4]:







(1.12)
Tiết diện neutron có giá trị cao nhất 

tại năng lượng nhiệt 

.
Khi đó quy luật (1.12) có thể viết thành:












(1.13)
Các phản ứng hấp thụ neutron được quan tâm trong an toàn bức xạ như:
Bảng 1.1: Các phản ứng hấp thụ neutron [4]
Các phản ứng hấp thụ neutron
Tiết diện neutron 

(barn)
1
H




2
H
0,33
14
N




14
C
1,70
10
B





7
Li
4,0110
-3

113
Cd




114
Cd
2,110
-4


8

Các phản ứng
1
H




2

H và
14
N




14
C được quan tâm trong an toàn bức
xạ do H và N là các nguyên tố chủ yếu trong mô sinh học, còn các phản ứng
10
B




7
Li và
113
Cd




114
Cd được quan tâm khi che chắn neutron. Thông
thường, khi che chắn neutron nhanh, người ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với
nhau, vật liệu như nước, paraphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh
neutron nhiệt như B
10

hay Cd
113
để hấp thụ neutron nhiệt.
1.2. An toàn bức xạ trong xạ trị
1.2.1. Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong xạ trị
Với sự phát triển của tiến bộ khoa học kỹ thuật, các máy móc công nghệ cao
được sử dụng trong lĩnh vực y tế nói chung và trong xạ trị nói riêng cũng không
ngừng phát triển. Từ sử dụng nguồn Co-60 chỉ có hai mức năng lượng là 1,17 MeV
và 1,33 MeV đến sử dụng máy gia tốc có các mức năng lượng photon từ thấp 4 MV,
6 MV, đến năng lượng cao là 10 MV, và rất cao là 15 MV, 18 MV.
Vấn đề quan trọng nhất trong ATBX cho một cơ sở sử dụng máy gia tốc tuyến
tính cho xạ trị là thiết kế phòng đặt máy, hay còn gọi là Boongke, sao cho vẫn đảm
bảo hài hòa hai yếu tố là an toàn cho nhân viên bức xạ, cho môi trường chung quanh
nhưng vẫn phải đảm bảo chi phí xây dựng tối ưu nhất. Có nhiều tài liệu đề cập đến
vấn đề này, tuy nhiên trong khóa luận này tác giả dựa trên tài liệu NCRP-151 [9].
1.2.1.1. Các đại lượng, liều áp dụng trong tính toán che chắn
 Liều hấp thụ
Liều hấp thụ là năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của
đối tượng bị chiếu xạ [5], theo định nghĩa ta có:





(1.14)
Trong đó:
- : năng lượng của bức xạ bị mất đi do sự ion hoá trong đối tượng bị chiếu
xạ.
- : khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ.
- 


: liều hấp thụ.


9

Ngoài đơn vị SI là J/kg, liều hấp thụ còn có đơn vị Gy hoặc rad.
1 Gy = 1 J/kg = 100 rad = 100 cGy.
 Liều chiếu
Liều chiếu của tia X hoặc tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến
đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí,
khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn. Từ định nghĩa trên, ta có:





(1.15)
Trong đó:
- : điện tích xuất hiện do sự ion hoá không khí trong một đơn vị thể tích.
- : khối lượng không khí của thể tích trên.
- 

: liều chiếu.
Đơn vị của liểu chiếu là Coulomb trên kilogram (C/kg) hoặc Roentgen (R).
1C/kg = 3876 R.
 Liều tương đương
Trong thực nghiệm cho thấy hiệu ứng sinh học gây bởi bức xạ không chỉ phụ
thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ. Do vậy, một đại lượng
được dùng là liều tương đương: “tương đương” có nghĩa là giống nhau về mặt sinh

học. Để so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau [5].
Dựa vào tính chất trên, liều tương đương được định nghĩa là liều hấp thụ trung
bình trong mô hoặc cơ quan T bất kỳ do bức xạ r nhân với hệ số trọng số phóng xạ
tương ứng của bức xạ.






 


(1.16)
Trong đó:
- : loại bức xạ được hấp thụ trong mô hoặc cơ quan T.
- 

: là hệ số trọng số phóng xạ của bức xạ r, bảng 1.2.
- 

: liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T.
- 

: liều tương đương.
Đơn vị của liều tương đương là J/kg, rem hoặc Sievert (Sv), 1 Sv = 100 rem.

10

Bảng 1.2: Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ [5]

Loại bức xạ
Khoảng năng lượng
Trọng số phóng xạ W
r

Photon
Tất cả
1
Electron
Tất cả
1
Neutron
Dưới 10 keV
5
Từ 10 keV đến 100 keV
10
Từ 100 keV đến 2 MeV
20
Từ 2 MeV đến 20 MeV
10
Trên 20 MeV
5
Proton giật lùi
Trên 2 MeV
5
Hạt alpha, mảnh phân
hạch, hạt nhân nặng
Tất cả
20
 Liều hiệu dụng

Để đánh giá xác suất gây ra những hiệu ứng ngẫu nhiên như ung thư hay di
truyền trên từng bộ phận hay một cơ quan bất kỳ của cơ thể, ICRP đề nghị đưa vào
các trọng số mô W
T
. Các mô khác nhau nhận cùng một liều tương đương như nhau
thì tổn thương sinh học khác nhau.
Liều hiệu dụng được định nghĩa là tổng của tất cả các liều tương đương ở các
mô hay cơ quan, mỗi một liều được nhân với trọng số mô tương ứng. Liều hiệu
dụng cho biết xác suất xảy ra những hiệu ứng ngẫu nhiên khi cơ thể bị chiếu tại
nhiều vùng khác nhau.




 


(1.17)
Trong đó:
- 

: là trọng số mô, bảng 1.3.
- 

: là liều tương đương.
- : là liều hiệu dụng.
Đơn vị của liều hiệu dụng là J/kg hoặc Sievert (Sv).

11

Bảng 1.3: Các trọng số mô W
T
theo khuyến cáo của ICRP qua các lần thay đổi [1]
Cơ quan hoặc mô
ICRP 30
(1979)
ICRP 60
(1990)
ICRP 103
(2007)
Cơ quan sinh dục
0,25
0,20
0,08
Tuỷ xương (tuỷ đỏ)
0,12
0,12
0,12
Ruột

0,12
0,12
Phổi
0,12
0,12
0,12
Dạ dày

0,12
0,12

Bàng quang

0,05
0,04
Vú
0,15
0,05
0,12
Gan

0,05
0,04
Thực quản

0,05
0,04
Tuyến giáp
0,03
0.05
0,04
Da

0,01
0,01
Bề mặt xương
0,03
0,01
0,01
Tuyến nước bọt, não

0,01
Các cơ quan còn lại
0,3
0,05
0,12
Dựa vào định nghĩa cũng như tính chất của từng đại lượng liều đã nêu ở trên,
cũng như xuất phát từ mục đích của đề tài, trong khóa luận này đại lượng liều tương
đương sẽ được dùng trong tính toán thiết kế và che chắn.
1.2.1.2. Giới hạn liều đối với con người theo ICRP
Nhiệm vụ chủ yếu của việc phòng chống bức xạ ion hoá là không để sự chiếu
xạ trong và ngoài lên cơ thể vượt quá liều lượng cho phép.
Từ những năm 30, ICRP (Uỷ ban quốc tế về an toàn bức xạ) đã khuyến cáo
rằng mọi tiếp xúc với bức xạ vượt quá giới hạn phông bình thường nên giữ ở mức
độ càng thấp càng tốt. Khuyến cáo này được bổ sung và điều chỉnh hàng năm để
giúp nhân viên và công chúng nói chung phòng tránh quá liều. Các khuyến cáo gần
đây nhất được đưa ra năm 2007. Các khuyến cáo này không là giới hạn bắt buộc
nhưng đã được thông qua như là quy tắc luật pháp ở nhiều nước [11] [13].

12

Đối với nhân viên bức xạ: Theo khuyến cáo của ICRP, mức liều đối với nhân
viên không vượt quá 50 mSv/năm và liều trung bình cho 5 năm không được vượt
quá 20 mSv. Nếu một phụ nữ mang thai làm việc trong điều kiện bức xạ thì giới hạn
liều nghiêm ngặt hơn là 2 mSv. Giới hạn liều được chọn để bảo đảm rằng, rủi ro
nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ không cao hơn rủi ro nghề nghiệp trong các
ngành công nghiệp khác được xem là an toàn nói chung.
Đối với công chúng: Giới hạn liều đối với công chúng nói chung thấp hơn đối
với nhân viên. ICRP khuyến cáo rằng giới hạn liều đối với công chúng không nên
vượt quá 1 mSv/năm.

Đối với bệnh nhân: ICRP không có khuyến cáo giới hạn liều đối với bệnh
nhân. Ở nhiều trường hợp chụp X quang, bệnh nhân phải chiếu liều cao hơn nhiều
lần so với giới hạn liều cho công chúng. Trong xạ trị, liều chiếu có thể tăng gấp
hàng trăm lần so với giới hạn liều đối với nhân viên. Bởi vì liều xạ được dùng là để
xác định bệnh và để chữa bệnh, nên hiệu quả của điều trị được xem là cần thiết hơn
ngay cả khi phải dùng đến liều cao.
Bảng 1.4: Giới hạn liều qua các thời kỳ theo ICRP [1]
Năm
Giới hạn liều (mSV/năm)
Cho nhân viên bức xạ
Cho công chúng
1925
5200

1934
3600

1950
150
15
1957
50
5
1990
20
1
2007
20
1
1.2.2. Các quy định về ATBX tại Việt Nam

Thông tư số 19 ngày 08 tháng 11 năm 2012 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và
Công nghệ quy định liều giới hạn được phép đối với từng đối tượng [6] [7] như sau:

13

1.2.2.1. Giới hạn liều nghề nghiệp
 Giới hạn liều nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ trên 18 tuổi:
 Liều hiệu dụng được lấy trung bình 5 năm kế tiếp nhau là 20 mSv trong
một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv
 Liều tương đương đối với thuỷ tinh thể của mắt được lấy trung bình
trong 5 năm kế tiếp nhau là 20 mSv trong một năm và lấy trong một năm
đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv.
 Liều tương đương đối với chân, tay hoặc da là 500 mSv trong một năm.
 Giới hạn liều nghề nghiệp đối với người học việc trong quá trình đào tạo
nghề có liên quan đến bức xạ và đối với học sinh, sinh viên tuổi từ 16 đến
18 sử dụng nguồn bức xạ trong quá trình học tập:
 Liều hiệu dụng 6 mSv trong một năm.
 Liều tương đương đối với thuỷ tinh thể mắt 20 mSv trong một năm.
 Liều tương đương đối với chân, tay hoặc da 150 mSv trong một năm.
1.2.2.2. Giới hạn liều công chúng
 Liều hiệu dụng 1 mSv trong một năm.
 Trong những trường hợp đặc biệt, có thể áp dụng giá trị giới hạn liều
hiệu dụng cao hơn 1 mSv, với điều kiện giá trị liều hiệu dụng lấy trung
bình trong 5 năm kế tiếp nhau không vượt quá 1 mSv trong một năm.
 Liều tương đương đối với thuỷ tinh thể của mắt 15 mSv trong một năm.
 Liều tương đương đối với da 50 mSv trong một năm.
 Liều bức xạ đối với người chăm sóc, hỗ trợ và thăm bệnh nhân trong
chẩn đoán, xét nghiệm và điều trị bằng bức xạ ion hoá hoặc dược chất
phóng xạ có độ tuổi từ 16 tuổi trở lên không được vượt quá 5 mSv trong
cả thời kỳ bệnh nhân làm xét nghiệm hoặc điều trị. Liều bức xạ đối với

người chăm sóc, hỗ trợ và thăm bệnh nhân trong chẩn đoán, xét nghiệm
và điều trị bằng bức xạ ion hoá hoặc dược chất phóng xạ có độ tuổi nhỏ
hơn 16 tuổi không được vượt quá 1 mSv trong cả thời kỳ bệnh nhân làm
xét nghiệm hoặc điều trị.

14

Tóm lại, theo Uỷ ban quốc tế cũng như tại Việt Nam về an toàn bức xạ, liều
lượng giới hạn được phép tiếp nhiễm các loại bức xạ trong một năm đối với công
chúng là 1 mSv và đối với nhân viên bức xạ là 20 mSv. Chúng ta phải có những
biện pháp hạn chế tiếp xúc để đảm bảo liều luôn ở mức giới hạn được phép.
1.3. Những biện pháp nhằm hạn chế tiếp xúc với chùm tia bức xạ
Nhằm đảm bảo ATBX, nhân viên làm việc với nguồn xạ nói riêng và công
chúng nói chung, để giảm liều chiếu xạ ngoài có thể áp dụng một hoặc kết hợp các
biện pháp dưới đây:
 Giảm thời gian tiếp xúc với chùm tia bức xạ.
 Tăng khoảng cách từ nguồn phát tia đến nơi làm việc.
 Che chắn bức xạ với bề dày khác nhau. Khi bức xạ gamma/tia X truyền qua
một lớp vật chất thì cường độ chùm bức xạ sẽ suy giảm theo hàm logarit.






(1.18)
Trong đó:
- 

: là cường độ chùm tia sau khi đi qua lớp vật liệu có bề dày x (cm).

- 

: là cường độ chùm tia khi đến bề mặt của lớp vật liệu.
- : là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu (1/cm).

Hình 1.4: Biểu diễn sự suy giảm của chùm tia khi qua lớp che chắn bề dày x [7].
Do suất liều bức xạ phát ra từ nguồn khác nhau tỉ lệ nghịch với bình phương
khoảng cách nên theo khuyến cáo của NCRP thì các nhân viên bức xạ nên đứng
cách tường bảo vệ một khoảng cách an toàn là 0,3 m. Và đây cũng là khoảng cách
được áp dụng để tính toán và mô phỏng trong khóa luận này.

15

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Sau khi tìm hiểu về xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị, ở chương 2 sẽ trình
bày cơ sở lý thuyết để thiết kế che chắn cho một cơ sở xạ trị bằng máy gia tốc tuyến
tính với rất nhiều yếu tố ảnh hưởng như không gian hình học của phòng điều trị, vật
liệu xây dựng và nguồn bức xạ,…
2.1. Dạng hình học của phòng điều trị và nguồn bức xạ
Cấu tạo cơ bản của một máy gia tốc tuyến tính (LINAC):
Mục đích của đề tài này là khảo sát chùm photon ở năng lượng cao (MV) sử
dụng cho xạ trị. Nguồn bức xạ được sử dụng ở đây là máy gia tốc tuyến tính, với
vùng năng lượng photon thay đổi từ 6 MV dến 24 MV.

Hình 2.1: Sơ đồ khối của một máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị [9].
Đầu máy gia tốc là một trong những thành phần quan trọng của máy gia tốc.
Nó chứa đựng những thành phần có ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia điều trị,
kích thước trường điều trị, của photon và electron. Trong đầu máy gia tốc tuyến tính
có một thành phần đặc biệt, gọi là bia tia X (target). Theo lý thuyết, máy gia tốc chỉ

gia tốc hạt electron, vậy thì để tạo ra tia X/photon phục vụ điều trì thì trên đường đi

16

của chùm hạt electron người ta chèn vào một vật liệu có bậc số nguyên tử cao
(thường là Tungsten hoặc vàng) gọi là bia tia X “Target”, tương tác của electron với
bia “Target” sẽ tạo ra bức xạ tia X/photon và khi rút “Target” ra khỏi đường đi của
chùm electron thì ta sẽ có chùm electron cho điều trị.
Về cơ bản một máy gia tốc tuyến tính sẽ có các thành phần chính sau (hình 2.1):
 Thân máy cố định. Nơi chứa các thiết bị điện tử chính như nguồn cấp
điện ban đầu, các bộ phận tạo sóng cao tần như Magnetron/Klystron, các
bo mạch điện tử, các thiết bị tải nhiệt,…
 Giàn quay hay còn gọi là Gantry, có khả năng quay 180
0
theo hai hướng
cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ.
 Ống dẫn sóng (Waveguide): nơi xảy ra quá trình gia tốc electron.
 Súng electron (Electron Gun): tạo ra chùm electron ban đầu hay còn gọi
là nguồn electron.
 Bộ từ trường uốn (Bending magnet envelop): nơi điều chỉnh hướng và
lọc chùm electron trước khi đến bệnh nhân.
 Nguồn cấp sóng cao tần (RF source): Một thiết bị gọi là “Magnetron” tạo
ra sóng cao tần RF. Sau đó sóng cao tần được đưa vào ống dẫn sóng để
gia tốc chùm electron.
 Bộ phận xác định kích thước trường chiếu xạ (Collimator), gồm
Collimator tiêu chuẩn với 04 ngàm (Jaw) tạo thành trường chiếu xạ hai
chiều hình chữ nhật hoặc hình vuông, hoặc hiện đại hơn là Collimator
nhiều lá (Multileaf Collimator, MLC), giúp tạo trường chiếu xạ bất kỳ
theo hình thái của khối u.
Trong thực tế, Gantry sẽ quay quanh một trục điều trị, gọi là trục đồng tâm

(Isocenter). Isocenter được định nghĩa là một điểm trong không gian, được xác định
bởi giao điểm của trục quay giường điều trị và Gantry. Và khoảng cách mặc định từ
nguồn phát tia bức xạ đến điểm đồng tâm (Isocenter) là 100 cm, cho tất cả các dòng
máy LINAC trên thị trường. Vị trí Isocenter thường nằm gần trung tâm phòng điều
trị (hình 2.2).

17



Hình 2.2: Sơ đồ hình học của một phòng xạ trị có thiết kế tường zic-zac điển hình.
(a) mặt trước của phòng điều trị. (b) sơ đồ toàn phòng điều trị. Vị trí của isocenter
được thể hiện bằng chữ thập màu xanh và hướng chùm tia vuông góc với góc nhìn
được đánh dấu bằng dấu chấm màu đỏ [9].

18

Một số điểm lưu ý trong thiết kế cơ sở xạ trị:
Khi thiết kế xây dựng một cơ sở xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính thì chi phí
xây dựng rất quan trọng. Đối với phòng điều trị nằm dưới mặt đất, ta có thể giảm
được chi phí cho thiết kế che chắn cho sàn và tường bên ngoài nhưng tốn kém về
chi phí cho khai quật, chống thấm nước và cho cửa ra vào. Còn đối với phòng nằm
trên mặt đất ta phải quan tâm đến chi phí xây dựng tường xung quanh, trên trần và
cửa ra vào. Về cửa ra vào, có hai cách thiết kế:
 Sử dụng trực tiếp cửa che chắn (được làm từ chì hoặc thép) và chỉ cần
tính toán như một rào cản thứ cấp để xác định độ dày của cửa (thường
chỉ sử dụng ở mức năng lượng photon thấp < 6 MV).
 Ở mức năng lượng cao hơn phải thiết kế thêm một bức tường ziczac
(hình 2.2) để giảm bức xạ thứ cấp lên cửa nhằm giảm khối lượng và bề
dày của cửa, thuận lợi hơn cho việc ra vào. Phần này sẽ được trình bày

sâu hơn ở mục 2.3.4.
2.2. Vật liệu che chắn
Với bức xạ là tia X/photon thì vật liệu che chắn tốt nhất là vật liệu có bậc số
nguyên tử cao như bê tông, chì, tungsten. Tuy nhiên các vật liệu có Z cao, như chì
và thép là gần như trong suốt với neutron nhanh mặc dù năng lượng vừa phải. Với
photon năng lượng trên 10 MV thì phải tính đến việc che chắn neutron (được đề cập
chi tiết ở phần 2.3.5). Theo lý thuyết ở mục 1.1.2.2, sử dụng các vật liệu có thành
phần hydro cao (như bê tông) hoặc các vật liệu chứa borat (như polyethylen) là hấp
thụ neutron tốt nhất, do neutron bị mất năng lượng khi tương tác tán xạ đàn hồi với
hydro, sau nhiều va chạm các neutron nhanh sẽ trở thành các neutron chậm (neutron
nhiệt và trên nhiệt), các neutron chậm trải qua phản ứng bắt neutron (capture
reactions) với vật liệu và phát ra tia gamma (gamma – ray). Đối với bức xạ là
electron thì sử dụng vật liệu nhẹ như gỗ, nhôm,… Bảng 2.1, trình bày đặc điểm,
tính chất của một số loại vật liệu che chắn.
Trong thiết kế che chắn cho chùm tia X năng lượng cao, ta thường quan tâm
đến mật độ vật chất của vật liệu. Các vật liệu thông thường được dùng trong thực tế

19

là bê tông mật độ cao, sắt thép, hoặc chì. Bê tông thường là nguyên liệu với giá rẻ
nhất cũng như dễ dàng di chuyển đến các vị trí và sử dụng cho xây dựng, che chắn
khá tốt neutron ở năng lượng  10 MV nên thường được sử dụng cho thiết kế che
chắn.
Với vùng không gian cho thiết kế là chật hẹp thì sử dụng bê tông mật độ cao
hơn, ngoài ra chì hoặc thép có thể được thêm vào. Các tấm thép có bề dày 10 mm
thường được lồng trong tường bê tông để giảm bề dày tường che chắn.
Bảng 2.1: Tính chất, đặc điểm của một số vật liệu che chắn
Vật liệu
Mật độ
(g.cm

-3
)
Hàm lượng
hydro x10
22

(nguyên
tử/cm)
Bề dày
tường
sơ cấp
(m)
Ưu điểm
Nhược điểm
Bê tông
bình
thường
2,35
0,8 – 2,4
2,5
Dễ thiết kế theo
hình dạng, rẻ, dễ
tìm, che chắn tia
X và neutron tốt
Độ dày rào cản
lớn
Bê tông
HD (mật
độ cao)
> 2,35

0,8 – 2,4
1,4
Độ dày rào cản
nhỏ hơn bê tông
bình thường
Xử lý khó khăn
Chì
11,35
Không có
0,5
Bề dày tường che
chắn nhỏ
Dễ uốn cong,
trong suốt với
neutron
Thép
7,8
Không có
0,8
Bề dày tường che
chắn nhỏ, chắc
khoẻ và rẻ hơn chì
Gần như trong
suốt với
neutron
Poly-
ethylen,
paraffin
~ 1,04
0,8

5,7
Có lợi cho che
chắn neutron


20

2.3. Tổng quan tính toán che chắn
2.3.1. Các thuật ngữ trong tính toán thiết kế che chắn
Một số thuật ngữ, khái niệm thường dùng trong thiết kế che chắn cho phòng
máy gia tốc theo NCRP 151 [9], gồm:
2.3.1.1. Khu vực kiểm soát và khu vực không kiểm soát
 Khu vực kiểm soát: là vùng hạn chế các cá nhân tiếp xúc, chỉ những
nhân viên chuyên trách đã qua đào tạo chuyên môn và được hướng dẫn
chi tiết về an toàn bức xạ mới được vào khu vực này. Trong khóa luận
này, khu vực kiểm soát được đề cập ở đây là phòng máy gia tốc và phòng
điều khiển máy gia tốc. Theo NCRP, mức liều giới hạn (liều tương
đương) trong khu vực kiểm soát là 0,1 mSv/tuần hoặc 5 mSv/năm (1/4
liều 20 mSv) để đảm bảo an toàn tối ưu.
 Khu vực không kiểm soát: là các vùng khác ngoại trừ khu vực được
kiểm soát. Theo NCRP, mức liều giới hạn trong khu vực không được
kiểm soát là 0,02 mSv/tuần hoặc 1 mSv/năm.
2.3.1.2. Tải làm việc, W (Workload)
Theo tài liệu NCRP 151 [9], tải làm việc được định nghĩa là suất liều hấp thụ
trung bình theo thời gian được xác định tại độ sâu liều hấp thụ cực đại, tương đương
100 cm tính từ nguồn phát bức xạ của máy gia tốc. Thông thường tải làm việc được
tính theo đơn vị thời gian là một tuần. Như vậy, W có thứ nguyên là Gy/tuần.
Tải làm việc có hai nguồn đóng góp đó là tải sơ cấp, do bức xạ chủ yếu từ
nguồn phát, và tải thứ cấp do bức xạ tán xạ.
2.3.1.3. Hệ số sử dụng, U (Use Factor)

Hệ số sử dụng được hiểu chính là xác suất mà chùm tia sơ cấp chiếu trực tiếp
vào một hướng nào đó của phòng điều trị. Giả sử các phát tia chính của máy gia tốc
gồm: hướng chiếu xuống trực tiếp (Gantry = 0
o
), hướng chiếu ngược lại lên trần nhà
(Gantry = 180
o
), hướng chiếu về bên trái/phải (Gantry = 90
o
/270
o
).
Như vậy, theo định nghĩa trên thì ta có bảng giá trị hệ số sử dụng, U cho các
hướng trong phòng điều trị được trình bày trong bảng 2.2.

21

Bảng 2.2: Giá trị của hệ số sử dụng đối với chùm tia sơ cấp, nếu chia theo các góc
quay Gantry thường gặp là 90
0
[9]
Vị trí
Hệ số sử dụng (U)
Sàn nhà (Gantry = 0
o
)
0,25
Sàn nhà (Gantry = 180
o
)

0,25
Tường ứng với góc Gantry = 90
o
0,25
Tường ứng với góc Gantry = 270
o
0,25
Ghi chú: Nếu chia theo gốc quay là 45
0
, thì hệ số sử dụng cho mỗi vị trí thường
gặp là 1/8 = 0,125.
2.3.1.4. Hệ số chiếm cứ, T (Occupancy Factor)
Hệ số chiếm cứ là thời gian trung bình mà nhân viên bức xạ hay công chúng
tiếp xúc với bức xạ khi đứng ở trong khu vực cần tính toán che chắn an toàn bức xạ
(thông thường là vị trí bàn điều khiển máy gia tốc, tối thiểu cách tường 0,3 m). Hệ
số chiếm cứ cho từng vùng làm việc khác nhau là khác nhau. Giá trị của hệ số
chiếm cứ luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1 ().
Bảng 2.3: Giá trị của hệ số chiếm cứ tại các khu vực làm việc [9]
Khu vực làm việc
Hệ số chiếm cứ (T)
Khu vực lập kế hoạch, khu vực kiểm soát điều trị, phòng y
tế, khu vực tiếp tân, phòng điều khiển, phòng chờ,…
1
Các phòng làm việc, phòng khám bệnh nhân tiếp giáp
phòng máy gia tốc
1/2
Hành lang, phòng nhân viên, phòng nhân viên nghỉ ngơi
1/5
Cửa hầm điều trị
1/8

Khu vệ sinh công cộng, khu vực lưu trữ, khu vực ngoài
trời, phòng chờ không giám sát
1/20
Khu vực dành cho người đi bộ, bãi giữ xe, thang máy, cầu
thang
1/40


22

2.3.1.5. Bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp
 Bức xạ sơ cấp: là bức xạ phát ra từ đầu máy gia tốc và chiếu thẳng trực tiếp
đến bệnh nhân hoặc đến tường sơ cấp (trần, sàn nhà, tường xung quanh).
 Bức xạ thứ cấp: có hai dạng chính
 Bức xạ tán xạ (Scatter radiation): là bức xạ được tạo ra khi bức xạ
sơ cấp bị tán xạ từ bệnh nhân, từ các thiết bị máy điều trị như
collimator, tường, sàn, trần của phòng điều trị.
 Bức xạ rò rỉ (Leakage radiation): là bức xạ xuất hiện trong quá trình
điều trị. Với các máy gia tốc, bức xạ rò rỉ chỉ xuất hiện khi máy đang
hoạt động. Còn đối với nguồn Cobalt, luôn luôn tồn tại bức xạ rò rỉ.

Hình 2.3: Chùm bức xạ sơ cấp (chùm xanh đậm) và chùm bức xạ thứ cấp (các
đường nét đứt) được tạo ra bên trong phòng điều trị và các rào cản được sử dụng để
chống lại bức xa sơ cấp và thứ cấp. Đối với bức xạ thứ cấp, đường nét đứt màu đen
là bức xạ rò rỉ và tán xạ từ bệnh nhân, đường nét đứt màu đỏ là chùm quang
neutron. Giả sử tất cả các bức xạ xuất phát từ isocenter, vị trí của isocenter được
đánh dấu bằng dấu thập, hai chấm tròn màu đỏ là vị trí của nguồn (ví dụ ở 90
0
và
270

0
) khi gantry quay [9].

23

2.3.1.6. Rào chắn bảo vệ
Có hai dạng rào chắn bảo vệ bao gồm:
 Rào chắn sơ cấp: được dùng để che chắn bức xạ sơ cấp được phát trực
tiếp từ nguồn đến bệnh nhân.
 Rào chắn thứ cấp: được dùng để che chắn bức xạ thứ cấp là bức xạ tán
xạ với đầu máy gia tốc hay bức xạ được tạo ra khi tương tác với bệnh
nhân hay các dụng cụ khác cũng như các tia bức xạ bị rò rỉ.
2.3.1.7. Suất liều tức thời và suất liều trung bình theo thời gian
Khi thiết kế tường che chắn bức xạ, ta thường cho rằng các khối lượng công
việc sẽ được phân bố đều trong suốt cả năm. Do đó, thiết kế rào cản đáp ứng một
giới hạn liều hàng tuần bằng 1/50 giới hạn liều hàng năm [8]. Tuy nhiên, khi lấy
giới hạn liều trong khoảng thời gian ngắn hơn năm (như tháng, tuần hoặc ngày) có
thể dẫn đến một yêu cầu che chắn lớn hơn đáng kể. Vì thế ta cần quan tâm đến khái
niệm suất liều tức thời (instantaneous dose rate – IDR), đây là liều bức xạ tức thời
cung cấp ở mỗi giờ (được đọc trực tiếp khi đo liều trong mỗi giờ trung bình trong
một phút) (bảng 2.4). Khi tính toán che chắn cho các rào cản, ta cần tính IDR để so
sánh với các phép đo liều trực tiếp sau khi cơ sở đã được xây dựng và đưa vào khai
thác. Suất liều trung bình theo thời gian (time averaged dose rate – TADR) là sự suy
giảm suất liều trung bình trong một đơn vị thời gian khi đi qua tường che chắn.
TADR được ước tính trung bình trong vòng một ngày, với 8 giờ làm việc, ký hiệu
R
8
(Sv/giờ) là như sau:



 





(2.1)
Trong đó:
- IDR: suất liều tức thời trên giờ ở điểm cách tường 0,3 m với máy hoạt động
có suất liều đầu ra DR
0
, (Sv/giờ).
- W
d
: tải làm việc hàng ngày được xác định cách nguồn 1m, (Gy/giờ).
- U: hệ số sử dụng (bảng 2.2).
- DR
0
: suất liều tối đa đầu ra cách nguồn 1 m (Gy/giờ hoặc Sv/giờ), hệ số này
phụ thuộc vào cấu hình của máy gia tốc và hãng sản xuất.

24

Bảng 2.4: Tóm tắt các đề xuất/quy định thiết kế giới hạn liều hiệu dụng [8]
Giới hạn liều
Mỹ
Anh
Thiết kế giới hạn cho
liều nghề nghiệp
Nhỏ hơn 10 mSv mỗi năm

6 mSv trong một năm
IDR là 7,5 Sv/giờ
Thiết kế giới hạn liều
công chúng
1 mSv mỗi năm
20 Sv ở bất cứ giờ nào
0,3 mSv trong một năm
IDR < 7,5 Sv/giờ
TADR < 0,5 Sv/giờ
Ngoài ra, suất liều trung bình theo tuần cũng được xác định:
TADR hàng tuần (R
W
): là TADR trung bình một tuần 40 giờ làm việc.






(2.2)
Trong đó:
- R
W
: là TADR trung bình trong một tuần (Sv/tuần).
- IDR: (Sv/giờ) khi máy hoạt động có suất liều đầu ra DR
0.

- W: tải làm việc hàng tuần được xác định cách nguồn 1 m (Gy/tuần).
- U: hệ số sử dụng.
- DR

0
: suất liều đầu ra cách nguồn 1 m (Gy/giờ).
Liều giới hạn trong bất kỳ giờ nào TADR (R
h
)
Ở một số nơi (ví dụ ở Mỹ), các quy định an toàn bức xạ chỉ định một TADR
(R
h
) có giới hạn 20 mSv ở bất kỳ giờ nào ở nơi công cộng [8]. Theo Uỷ ban Quản lý
hạt nhân Hoa Kỳ (United States Nuclear Regulatory Commission) xác định: “Liều
trong bất kỳ khu vực không kiểm soát bên ngoài nguồn phải  0,02 mSv/giờ.
R
h
được xác định:








(2.3)
Trong đó:
- R
h
: có đơn vị Sv trong bất kỳ giờ nào.
- IDR: có đơn vị Sv/giờ.
- W
h

: tải làm việc tối đa trong một giờ, W
h
có đơn vị Gy trong bất kỳ giờ nào.

25

- DR
0
: đơn vị Gy/giờ.
Lưu ý giá trị W
h
luôn nhỏ hơn hoặc bằng W và giá trị R
h
cũng nhỏ hơn hoặc
bằng giá trị R
W
.
2.3.2. Lý thuyết tính toán che chắn sơ cấp
Để áp dụng lý thuyết che chắn sơ cấp vào bài toán cụ thể, chúng ta cần tìm
hiểu các khái niệm sau [9]:
2.3.2.1. Hệ số truyền qua rào sơ cấp
Hệ số truyền qua rào sơ cấp nhằm hạn chế vùng bức xạ của chùm tia sơ cấp
khi truyền qua vật liệu che chắn.
 Đối với suất liều hàng tuần
Hệ số truyền qua rào sơ cấp (B) được tính:




(2.4)

Trong đó:
- P: liều giới hạn được phép (Sv/tuần).
- d: khoảng cách từ isocenter đến điểm cần che chắn (m) (hình 2.5).
- SAD: khoảng cách từ nguồn đến isocenter (m), SAD = 1 m cho máy gia tốc
tuyến tính.
- W: liều hấp thụ trung bình (Gy/tuần).
- U: hệ số sử dụng.
- T: hệ số chiếm cứ.
2.3.2.2. Bề dày rào cản sơ cấp
Độ dày cần thiết của vật liệu che chắn được tính bởi các lớp bề dày giảm 1/10
(tenth value layer – TVL), số lớp cần thiết (n) được tính từ:






(2.5)
Giá trị TVL được cho trong phụ lục 1.
Từ các giá trị TVL và số lớp bề dày giảm 1/10 ta tính được bề dày tường che
chắn thực tế (t):
   (2.6)