KHẢO SÁT AN TOÀN CHE CHẮN CỦA PHÒNG MÁY X-QUANG CHẨN ĐOÁN THÔNG THƯỜNG TẠI BỆNH VIỆN NHI ĐỒNG I SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LƯU THỊ VÀNG

KHẢO SÁT AN TOÀN CHE CHẮN CỦA PHÒNG
MÁY X-QUANG CHẨN ĐOÁN THÔNG

THƯỜNG TẠI BỆNH VIỆN NHI ĐỒNG I SỬ
DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

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 suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tại Bộ môn Vật lý hạt nhân,

tôi đã nhận được sự giảng dạy, sự góp ý, giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên
chân thành từ các thầy cô và các bạn học viên.

Thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Cô TS. Trương Thị Hồng Loan, người đã tận tình hướng dẫn, định
hướng, giúp đỡ, chỉ bảo để tôi hoàn thành luận văn này.

Thầy ThS. Thái Mỹ Phê, người đã cung cấp tài liệu và tạo điều kiện để
tôi đi đo đạc ở Bệnh viện Nhi Đồng I TPHCM.

Anh ThS Đặng Nguyên Phương, người đã nhiệt tình giúp đỡ khi tôi gặp
khó khăn.

Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, Đại học Khoa

học tự nhiên TPHCM đã tận tình giảng dạy tôi trong suốt thời gian học
Cao học.

Tập thể Bác sĩ và kỹ sư tại Phòng X quang bệnh viện Nhi đồng 1 đã tạo

điều kiện thuận lợi cho tôi đo đạc tại Phòng máy.

Các bạn học viên Cao học khóa 18, cùng các anh chị em trong nhóm

NMTP và gia đình đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian
qua.

Lưu Thị Vàng


1

MỤC LỤC
Trang
Danh mục các bảng .................................................................................................. 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................... 4

MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 6

Chương 1 - ỨNG DỤNG TIA X TRONG CHẨN ĐOÁN X - QUANG ................ 8
1.1.Nguyên lý của ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang ............................. 8

1.2. Sự tạo thành và tính chất của tia X ............................................................. 10

1.2.1. Ống tia X ........................................................................................... 10
1.2.1.1. Ống tia X dùng cho chẩn đoán.................................................... 12

1.2.1.2. Collimator ................................................................................... 15

1.2.2. Phổ năng lượng – Chất lượng và cường độ chùm tia – kVp và mAs 16
1.2.2.1. Phổ năng lượng .......................................................................... 16
1.2.2.2. Lượng tia X ................................................................................ 17
1.2.2.3. Chất lượng tia X ........................................................................ 21
1.2.3. Phân bố góc của tia X........................................................................ 23

Chương 2 - CHE CHẮN LIỀU TRONG PHÒNG CHẨN ĐOÁN X-QUANG .... 26
2.1. Cơ sở của việc che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế ...................... 26

2.2. Vật liệu che chắn......................................................................................... 26
2.2.1. Chì ..................................................................................................... 28
2.2.2. Bê tông .............................................................................................. 28
2.2.3. Thạch cao .......................................................................................... 28
2.2.4. Thép .................................................................................................. 28
2.3. Các yếu tố thiết kế che chắn ....................................................................... 28
2.3.1. Tường bên trong ................................................................................ 28
2.3.2. Tường bên ngoài ............................................................................... 29

2.3.3. Cửa .................................................................................................... 30
2.3.4. Cửa sổ ................................................................................................ 30
2.3.5. Sàn nhà và trần nhà ........................................................................... 30


2

2.4. Thiết lập hệ X-quang .................................................................................. 31
2.5. Mục đích thiết kế che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế và liều hiệu

dụng ............................................................................................................. 32
2.6. An toàn bức xạ ............................................................................................ 32
Chương III - MÔ PHỎNG LIỀU TRONG PHÒNG MÁY X-QUANG SỬ DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH MCNP ..................................................................................... 34
3.1. Phương pháp Monte Carlo .......................................................................... 34
3.2. Chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particle code) ............................... 34
3.2.1. Cấu trúc một file input của chương trình MCNP .............................. 34
3.2.1.1. Thẻ bề mặt ................................................................................. 35
3.2.1.2. Thẻ ô .......................................................................................... 36
3.2.1.3. Thẻ dữ liệu ................................................................................. 37
3.3. Mô phỏng MCNP phòng X-quang thông thường ....................................... 37
3.3.1. Cấu trúc hình học phòng X-quang thông thường được mô phỏng bằng

MCNP ................................................................................................. 37
3.3.2. Các thông số của phòng X-quang ..................................................... 39
3.3.3. Nguồn phát tia X ............................................................................... 39

3.3.4. Mô tả đánh giá suất liều tại một vị trí trong MCNP5 ....................... 40

3.4. Kết quả và thảo luận ................................................................................... 41

3.4.1. Khảo sát phân bố suất liều xung quanh máy phát tia X .................... 41

3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng tán xạ khi thay đổi kích thước phòng lên
suất liều nhận được của người có mặt trong phòng .......................... 44

3.4.3. Khảo sát suất liều bên ngoài phòng khi thay đổi vật liệu ................. 49
3.4.3.1. Thạch cao ................................................................................... 49
3.4.3.2. Barit ........................................................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 53
DANH MỤC CÔNG TRÌNH................................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 56
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 57


3

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Kích thước tối thiểu cho các phòng máy X-quang chẩn đoán, điều trị . 33
Bảng 3.1. Các thông số của các phương trình bề mặt thông dụng ......................... 35

Bảng 3.2. Kết quả tính toán suất liều tại một số các điểm xung quanh đầu phát tia X

bên trong và ngoài phòng theo sơ đồ hình 3.6 (diện tích sử dụng là 17,73m2) .... 42

Bảng 3.3. Kết quả tính toán suất liều tại những điểm cách tường 30cm và so sánh

với kết quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều

rộng đi 20cm (diện tích phòng tương ứng 16,08m2) ............................................. 45

Bảng 3.4. Kết quả tính toán suất liều tại những điểm cách tường 40cm và so sánh

với kết quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều
rộng 30cm (diện tích phòng 15,29m2)................................................................... 46

Bảng 3.5. Tính toán suất liều tại những điểm cách tường 60cm và so sánh với kết

quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều rộng 50cm
(diện tích phòng 13,76m2) ..................................................................................... 47

Bảng 3.6. Kết quả tính toán suất liều tại vị trí bệnh nhân nằm ............................. 49
Bảng 3.7. Kết quả tính toán suất liều (µSv/h) khi thay bê tông bằng thạch cao dày
10cm, giữ nguyên chì 2mm .................................................................................... 49

Bảng 3.8. Tỉ số kết quả giữa hai suất liều đo được theo bảng 3.7 ......................... 50

Bảng 3.9. Trình bày kết quả tính toán suất liều (µSv/h) tại những điểm khi thay chì

bằng barit 2mm, 3,5mm, 3,3mm và giữ nguyên bề dày bê tông............................ 51

Bảng 3.10. Trình bày tỉ số kết quả giữa các suất liều đo được theo bảng 3.9 và bảng
3.7 ........................................................................................................................... 51


4

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh chụp X-quang: Xương hấp thụ tia X năng lượng cao, ít tia X xuyên
qua; còn mô mềm hấp thụ năng lượng thấp, tia X xuyên qua nhiều hơn ................ 9

Hình 1.2. Ống tia X trong phòng máy X-quang..................................................... 10

Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo một ống tia X ................................................................... 11

Hình 1.4. a) Anode có line focus spot cố định ; b) Anode có line focus spot xoay13
Hình 1.5. Sự thay đổi kích cỡ focus spot theo vị trí trong trường tia X ................. 14

Hình 1.6. Sơ đồ anode xoay ................................................................................... 14
Hình 1.7. Kích thước focal spot ............................................................................. 15
Hình 1.8. Mô tả hệ Collimator ............................................................................... 16

Hình 1.9. Phổ năng lượng tia X ............................................................................. 17

Hình 1.10. Ảnh hưởng của mAs lên cường độ phổ ............................................... 18

Hình 1.11. Hiệu ứng của điện thế ống (kVp) lên phổ tia X ................................... 19

Hình 1.12. Sơ đồ chỉ ra hiệu ứng của vật liệu bia lên phổ tia X ............................ 19

Hình 1.13. Hiệu ứng của việc lọc lên phổ tia X ..................................................... 20
Hình 1.14. Hiệu ứng của tín hiệu điện thế lên phổ tia X ....................................... 21

Hình 1.15. Phân bố phổ của bức xạ được tạo bởi electron 200 keV bắn phá vào . 23

Hình 1.16. Phân bố cường độ tia X theo góc tạo bởi electron tới bắn vào các bia
khác nhau................................................................................................................ 24
Hình 1.17. Hiệu ứng chân ...................................................................................... 25

Hình 2.1. Minh họa cho bức xạ sơ cấp, tán xạ, rò rỉ và bức xạ truyền qua trong
phòng X-quang với bệnh nhân được chụp phổi ..................................................... 27

Hình 2.2. Cấu trúc ván lót ...................................................................................... 31
Hình 3.1. Mặt cắt ngang của phòng X-quang thông thường. Những số trong vòng
tròn biểu diễn các ô, những số trong hình vuông biểu diễn các mặt ..................... 38
Hình 3.2. Mặt cắt dọc của phòng X-quang thông thường ...................................... 38
Hình 3.3. Mô tả mặt cắt dọc và ngang của bia vonfram ....................................... 39


5

Hình 3.4. Mặt cắt dọc và ngang của tấm lọc nhôm (Gốc O nằm ở mặt dưới của tấm
lọc) ......................................................................................................................... 39

Hình 3.5. Mô tả vị trí của hệ trục tọa độ, kích thước hình học của hệ cathode – bia
anode và tấm lọc nhôm .......................................................................................... 40

Hình 3.6. Sơ đồ các điểm khảo sát phân bố suất liều quanh ống tia X bên trong và

ngoài phòng X-quang ............................................................................................. 41


6

MỞ ĐẦU
Hiện nay, X-quang là một thủ thuật cận lâm sàng không đắt tiền và được thực

hiện một cách nhanh chóng, thích hợp để chẩn đoán viêm phổi, viêm khớp, gãy

xương, các bệnh lý của tim, phổi, dạ dày, đầu, ngực, bụng, mạch máu… Chụp Xquang là những phương pháp tốt trong chẩn đoán hình ảnh, giúp bác sĩ thấy được

tình trạng bên trong cơ thể bệnh nhân, tạo điều kiện cho khâu chẩn đoán bệnh chính

xác hơn. Tuy nhiên, việc chụp X-quang ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có
những biện pháp bảo vệ thích đáng. Liều thấp không gây ra các tổn thương và các

hiệu ứng có thể quan sát được. Liều cao sẽ gây ra các hiệu ứng cấp, ảnh hưởng đến

hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương, bao gồm các triệu chứng như:

buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác. Đối với

da, liều chiếu cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét. Tính nguy
hiểm của việc chụp X-quang tuy thấp hơn so với nguồn phóng xạ, nhưng mức độ

ảnh hưởng không phải nhỏ đối với cộng đồng. Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ
thường xuyên các cơ sở sử dụng máy X-quang vẫn còn bị buông lỏng.
Trong các bệnh viện, việc sử dụng phòng X-quang hiện nay gặp nhiều khó

khăn về vấn đề kích thước phòng do hạn chế về diện tích, phòng quá nhỏ dẫn đến

liều chiếu lên bệnh nhân càng cao và che chắn không đủ an toàn sẽ ảnh hưởng đến
bệnh nhân, nhân viên bức xạ vận hành máy X-quang và của cả dân chúng trong khu
vực này.

Mục đích của che chắn và bảo đảm kích thước phòng hợp lý sẽ giảm thiểu tối

đa liều chiếu đến bệnh nhân, nhân viên bức xạ và dân chúng.

Luận văn này được thực hiện với mục đích ứng dụng chương trình Monte

Carlo MCNP trong mô phòng phòng X-quang nhằm khảo sát sự phân bố liều trong
phòng X-quang, khảo sát liều tăng khi giảm kích thước phòng, và khảo sát che chắn
của tường với một vài vật liệu: bêtông, chì, barit, thạch cao.

Với mục đích nêu trên, luận văn được hoàn thành với 3 chương như sau:


7

Chương 1 – Ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang: trình bày những vấn đề

về nguyên lý của việc ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang, sự tạo thành và
tính chất của tia X.

Chương 2 – Che chắn liều trong phòng chẩn đoán X-quang: trình bày cơ sở

của việc che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế, một vài vật liệu được sử dụng

trong che chắn, các yếu tố thiết kế che chắn, thiết lập hệ X-quang, mục đích thiết kế
che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế, liều hiệu dụng và an toàn bức xạ.

Chương 3 – Mô phỏng suất liều trong phòng máy X-quang sử dụng chương

trình MCNP: trình bày phương pháp Monte Carlo, chương trình MCNP và ứng
dụng chương trình vào việc mô phỏng phòng X-quang; khảo sát phân bố suất liều

trong và ngoài phòng, khảo sát phân bố suất liều khi thay đổi kích thước phòng,
thay đổi vật liệu; đánh giá hiệu ứng tán xạ khi thay đổi kích thước phòng; đánh giá

hiệu ứng che chắn khi thay đổi vật liệu. Từ đó rút ra kết luận về an toàn phóng xạ

trong phòng máy X-quang đang khảo sát.


8

Chương 1

ỨNG DỤNG TIA X TRONG CHẨN ĐOÁN X-QUANG
Bức xạ được ứng dụng trong y học nhằm hai mục đích chính: chẩn đoán và điều

trị. Việc chẩn đoán bằng bức xạ dựa trên khả năng đâm xuyên mạnh của bức xạ,
giúp người ta có thể nhìn thấy những bộ phận bên trong cơ thể. Ứng dụng trong
điều trị dựa trên tác dụng sinh học (giết chết tế bào) của bức xạ ion hóa.

Bức xạ là một con dao hai lưỡi, do đó người sử dụng phải hiểu biết các mặt lợi

và hại của nó để có thể ứng dụng bức xạ một cách tối ưu, nghĩa là vừa hiệu quả vừa
an toàn.

1.1. Nguyên lý của ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang
Khi chiếu một chùm tia X qua cơ thể người, do khả năng xuyên thấu dễ dàng
của tia X, nên chỉ một số tia X chịu sự tương tác với các bộ phận của cơ thể và suy

yếu đi, phần còn lại đi qua cơ thể. Mức độ suy yếu của tia X phụ thuộc vào các cấu

trúc khác nhau (thịt, xương, không khí) mà tia X gặp phải trên đường đi. Phần đi

qua được gọi là tia X còn dư (remnant X ray). Nếu ở phía sau cơ thể người, ta đặt
một phim ảnh, thì tia X còn dư có thể làm thay đổi tính chất của phim ảnh này. Sau

khi xử lý phim ta có thể nhìn thấy sự thay đổi đó bằng mắt thường. Nhìn phim, ta có

thể thấy cấu trúc của cơ thể. Kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh bằng tia X đã phát triển

nhanh chóng trong thời gian gần đây, nhờ vào những tiến bộ nhảy vọt của kỹ thuật
máy tính. Ngày nay người ta đã có thể tạo ra những ảnh có chất lượng rất cao.
Phương pháp chẩn đoán CT cho phép tái tạo hình ảnh 3 chiều đã rất phổ biến hiện

nay. Hiện nay kỹ thuật X-quang đã được chuyên môn hóa. Kỹ thuật chụp hay rọi
ảnh X-quang đơn giản vẫn đang được áp dụng rất rộng rãi, người ta gọi đó là X-

quang thông thường (conventional radiology). Với việc sử dụng kỹ thuật máy tính,

người ta đã có thể xử lý ảnh bằng kỹ thuật số. Đó là X-quang kỹ thuật số (digital X

ray image).


9

Hình 1.1. Ảnh chụp X-quang: Xương hấp thụ tia X năng lượng cao, ít tia X xuyên
qua; còn mô mềm hấp thụ năng lượng thấp, tia X xuyên qua nhiều hơn.
Một hệ thống chụp ảnh tia X thông dụng bao gồm các khối chức năng sau:

Bàn điều
khiển
(console)

Máy tạo điện
thế cao

(generator)

Ống tia
X ( Xray
tube)

Bệnh
nhân

Hệ
thống
ghi
ảnh

• Bàn điều khiển là nơi người vận hành có thể thay đổi các thông số của tia X
(điện thế, cường độ, thời gian phát tia).

• Máy tạo hiệu điện thế cao (generator): là nơi để tạo ra một hiệu điện thế cao.
Hiệu điện thế này sẽ được áp vào các điện cực của ống tia X, để gia tốc các
electron.

• Ống tia X (X ray tube): là nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng bức xạ hãm.

• Hệ thống ghi ảnh (image receptor): 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.


10

Hình 1.2. Ống tia X trong phòng máy X-quang
1.2. Sự tạo thành và tính chất của tia X
1.2.1. Ống tia X

Ống tia X là nơi các electron được gia tốc để tạo ra tia X, dựa trên hiện tượng

bức xạ hãm. Về nguyên tắc, mọi ống tia X đều được cấu tạo từ hai bản cực: một bản

cực âm (cathode) thường làm bằng tungsten, là một dây tóc được nung nóng bằng

điện để sản sinh ra các electron và một bản cực dương (anode), là nơi các electron

đập vào để phát sinh ra bức xạ hãm và hai cực này được bọc bên ngoài bằng thủy

tinh (hình 1.3). Phần của anode nơi mà các electron tập trung vào thường được làm
bằng tungsten hoặc hợp kim tungsten với Reni (90% tungsten, 10% Reni)[3].

Ống tia X được nâng đỡ, cách ly và bảo vệ bởi vỏ hộp của ống, trong đó được

hút chân không để electron không bị mất năng lượng do va chạm với các phân tử


11

khí khi đi từ cathode đến anode. Dầu chứa trong vỏ hộp để dẫn nhiệt và cách điện.

Chì được sử dụng trong vỏ hộp để làm suy giảm tia X tỏa ra theo tất cả các hướng.
Chì
Vỏ

bọc
thép

Dầu

Chùm
tia cơ
bản

Chì

Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo một ống tia X


12

Hiệu điện thế giữa cathode và anode có thể thay đổi được, thường nằm trong

khoảng từ 25 kV đến 150 kV. Hiệu điện thế này dùng để gia tốc cho các electron.

Tương ứng, khi electron đến cực dương, động năng của nó có thể có giá trị nằm

trong khoảng từ 25 keV đến 150 keV. Trong các máy phát tia X hiện đại, dòng điện

trong ống tia X thường được giữ ở một số giá trị cố định, thường là 100 mA, 200

mA, 300 mA. Trong chế độ chụp phim, thời gian phát tia X thường vào khoảng 100
ms.

Bản cực dương thường được làm bằng tungsten, là một kim loại nặng, để tăng

hiệu suất phát tia X, dẫn nhiệt tốt và chịu được nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy của
tungsten là 3410oC). Khi các electron bị hãm trong cực dương, chỉ 1% động năng

của chúng biến thành tia X, còn 99% biến thành nhiệt làm nóng anode. Do đó cần

phải làm nguội anode. Các ống tia X công suất bé, chẳng hạn dùng trong chụp ảnh

răng, có anode là một bia cố định. Các ống tia X công suất cao thường có anode

hình đĩa, có thể quay quanh một trục. Do chùm electron chỉ bắn vào một điểm nhỏ
trên anode, nên khi anode quay, vị trí bị bắn thay đổi liên tục. Điều này làm nhiệt

phân bố đều trên một diện tích rộng của anode, tránh cho việc anode bị quá nóng.
Ngoài ra còn phải chú ý khi vận hành để tránh quá tải làm mau hỏng anode. Ống tia
X có nhiều loại khác nhau tùy theo mục đích mà ống được thiết kế.

1.2.1.1. Ống tia X dùng cho chẩn đoán

Ống tia X dùng cho chẩn đoán được thiết kế để tạo ra hình ảnh sắc nét của một

bộ phận cơ thể bệnh nhân. Thậm chí nếu bệnh nhân được giữ cố định hoàn toàn thì
sự chuyển động sinh học vẫn tồn tại do sự hô hấp và chuyển động của tim. Để ảnh

được rõ nét thì tia X phải đến từ một nguồn điểm và liều chiếu phải ngắn đủ để ổn

định sự chuyển động. Tuy nhiên, yêu cầu nguồn tập trung dạng điểm và liều chiếu

đủ ngắn sẽ dẫn đến có một lượng electron lớn tập trung vào một diện tích nhỏ của
bia và dẫn tới dễ phá hủy bia [3].

Để cải thiện vấn đề trên, người ta thiết kế ống tia X loại Line focus tube (hình

1.4a), trong đó electron được tạo ra để va đập vào diện tích trên bia nghiêng có
chiều dài ab và rộng cd. Kích thước tập trung thực sự là diện tích trên anode mà


13

electron đập lên ab × cd. Chiều dài cd sẽ bằng với absinθ, để khi nhìn từ trên xuống
diện tích này sẽ xuất hiện như là hình vuông kích thước cd × cd. Vì thế, tia X sẽ
xuất hiện như đến từ một diện tích nhỏ, trong khi electron bắn phá vào bia có diện

tích lớn. Ống tia X có góc nghiêng bia θ (được gọi là góc anode, được xác định như
là góc của bề mặt bia với tia chính giữa trong trường tia X) trong khoảng từ 6o đến

16o, thường dùng trong khoảng từ 12o đến 15o. Góc 6o được dùng cho kỹ thuật đặc
biệt như kỹ thuật chụp mạch tia X mà cần điểm tập trung (focus spot) nhỏ [3]. Góc

anode tối ưu phụ thuộc vào ứng dụng hình ảnh lâm sàng. Góc anode nhỏ phù hợp

cho hệ thống ghi ảnh nhỏ. Góc anode lớn cần thiết cho công việc chụp X-quang

tổng quát để đạt được độ phủ diện tích trường lớn ở khoảng cách ngắn giữa focus

spot và hình ảnh. Chiều dài focus spot hiệu dụng thay đổi theo vị trí trong mặt
phẳng hình ảnh theo hướng của anode – cathode (Hình 1.5). Theo chiều rộng, kích

cỡ focus spot không thay đổi đáng kể theo vị trí trong mặt phẳng hình ảnh. Kích cỡ
danh định được xác định ở tia trung tâm của chùm tia.

a)

b)

Hình 1.4. a) Anode có line focus spot cố định ; b) Anode có line focus spot xoay

Anode xoay (rotating anode) được cải tiến để tăng công suất bằng cách xoay bia

khi chiếu. Electron bắn phá vùng có độ cao ab và chiều dài giới hạn từ L’ đến L =


14

2πR phụ thuộc vào thời gian chiếu nhưng tia X luôn xuất hiện từ điểm tập trung
diện tích cd × cd (hình 1.4b)[3]. Hình 1.6 là sơ đồ một anode xoay.

Hình 1.5. Sự thay đổi kích cỡ focus spot theo vị trí trong trường tia X

Hình 1.6. Sơ đồ anode xoay.


15

Hình 1.7. dưới đây mô tả ảnh hưởng của góc anode, kích thước cathode, công

suất ống tia X vào trường chiếu.

Hình 1.7. Kích thước focal spot
1.2.1.2. Collimator

Để chuẩn trực tia X lối ra người ta thiết kế hệ collimator như hình 1.8. Hệ

collimator này dùng để điều chỉnh hình dạng và kích cỡ trường tia X phát ra từ ống
tia X. Nó bao gồm những tấm chắn (shutter) chì đặt song song và đối nhau có thể

điều chỉnh được. Collimator hạn chế chùm tia giới hạn kích cỡ trường đến vùng hữu

ích của detector.


16

Hình 1.8. Mô tả hệ Collimator

1.2.2. Phổ năng lượng – Chất lượng và cường độ chùm tia – kVp và mAs
1.2.2.1. Phổ năng lượng

Chùm tia X phát ra từ ống tia X có dạng phổ diễn tả bởi đường thẳng 1 trong

hình 1.9a. Đó là một phổ liên tục, trên đó có những đỉnh phổ đặc trưng. Tuy nhiên
khi đi qua vỏ ống tia X và các tấm lọc, thành phần tia X năng lượng thấp bị hấp thụ,

và phổ tia X đến bệnh nhân có dạng như đường cong 2. Năng lượng cực đại của tia
X đúng bằng động năng của electron, tức là bằng tích số giữa điện tích của electron

và hiệu thế giữa hai bản cực anode và cathode, do đó tỉ lệ với kVp. Trong các máy

phát tia X thông thường hiệu điện thế này nằm trong khoảng 25 kV đến 150 kV.

Tương ứng, năng lượng cực đại của tia X phát ra nằm trong khoảng từ 25 keV đến

150 keV. Tùy theo bộ phận của cơ thể cần chụp ảnh, người vận hành có thể thay đổi
giá trị này. Trên hình 1.9b ta thấy dạng phổ tia X tương ứng với hai giá trị kVp1 và

kVp2 khác nhau. Diện tích dưới phổ cho biết cường độ tia X. Diện tích càng lớn thì

cường độ tia X (tức là số photon trong chùm) càng lớn.


17

Hình 1.9. Phổ năng lượng tia X
1.2.2.2. Lượng tia X

Lượng tia X (X-ray quantity) hay cường độ chùm tia là số photon có ích trong

chùm.

Lượng tia X được điều khiển bởi cường độ ống tia X được sử dụng (mA).

Lượng tia X còn chịu ảnh hưởng bởi điện thế ống tia X, vật liệu bia mà chùm
electron đập vào để phát ra tia X, sự lọc, khoảng cách từ nguồn và tín hiệu của điện

thế [7].

Sự ảnh hưởng của những yếu tố trên đối với lượng tia X phát ra được trình bày

sau đây [7].

a) mAs

Trong chế độ chụp phim, người vận hành có thể đặt thời gian phát tia X, hoặc

như trong một số máy hiện đại, đặt lượng mAs. Đại lượng này thực chất là tích số

giữa cường độ dòng điện trong ống tia X (tính bằng mA) và thời gian chiếu, tính

bằng giây (s). Rõ ràng khi mAs càng lớn, thì lượng tia X đi đến phim càng nhiều.

Nói chung khi đó ảnh càng rõ hơn. Tùy thuộc vào bề dày của vùng cơ thể được
khảo sát mà người vận hành có thể chọn mAs thích hợp.

Electron được tạo ra bằng cách nung nóng sợi dây tóc trong ống tia X và được

gia tốc. Việc tăng tốc độ tỏa nhiệt của cathode sẽ làm tăng cường độ ống và làm
tăng lượng tia X phát ra. Điều này được diễn đạt bằng biểu thức toán học:


18

với I1 và I2 là cường độ tia X ở mAs1 và mAs2 tương ứng. Chất lượng tia X tỉ lệ trực
tiếp với mAs, vì thế khi mAs tăng lên 50% thì chất lượng tia X cũng tăng 50%, khi

đó phổ tia X sẽ thay đổi về biên độ nhưng hình dạng phổ và năng lượng cực đại
Emax thì không thay đổi (hình 1.10)[7].

Hình 1.10. Ảnh hưởng của mAs lên cường độ phổ.
b) kVp

Đại lượng kVp xác định động năng của electron được gia tốc trong ống tia X và

năng lượng đỉnh của phổ tia X. Khi điện thế ống (kVp) tăng, lượng tia X tăng tỉ lệ
bình phương với điện thế cung cấp. Hiệu ứng này được biểu diễn bằng hệ thức toán
học:

với I1 và I2 là cường độ tia X tương ứng với kVp1 và kVp2. Nếu kVp tăng gấp đôi,

lượng tia X sẽ tăng gấp bốn lần. Thêm vào đó, khi kVp tăng, đỉnh của phổ liên tục
sẽ di chuyển về phía năng lượng cao hơn như hình 1.11 [7].


19

Hình 1.11. Hiệu ứng của điện thế ống (kVp) lên phổ tia X.
c) Vật liệu bia

Vật liệu bia ở phía anode của ống tia X có hiệu ứng quan trọng lên lượng tia X.

Khi số nguyên tử (Z) của bia cao thì hiệu ứng tạo bức xạ hãm tăng và số photon

năng lượng cao được tạo ra tăng như hình 1.12.

Hình 1.12. Sơ đồ chỉ ra hiệu ứng của vật liệu bia lên phổ tia X
Hơn nữa, với việc tăng số nguyên tử (Z) của vật liệu bia, tính chất tia X di

chuyển về phía năng lượng photon cao hơn, do đó nhiều năng lượng được cần để
làm bật electron từ lớp K và L của nguyên tử Z cao hơn[7].
d) Lọc tia

20

Việc lọc xảy ra ở bất kỳ vật liệu nào mà tia X gặp phải trên đường đi. Vật liệu

giống như là kính của ống tia X hoặc dầu làm nguội trong ống tia X được gọi là
tấm lọc có sẵn (inherent filtration). Bất kỳ vật liệu nào được thêm vào được gọi là

tấm lọc bổ sung (added filtration). Các tấm lọc làm giảm lượng tia X nhưng nó cải
tiến chất lượng chùm tia do nó hấp thụ photon năng lượng thấp.

Hiệu ứng tổng cộng của sự lọc trên chùm tia có thể được tóm tắt như sau (xem

hình 1.13):

Hình 1.13. Hiệu ứng của việc lọc lên phổ tia X.

-

Một sự thay đổi của hình dạng phổ tia X với sự loại bỏ năng lượng thấp.

Đỉnh của phổ sẽ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn.

-

Năng lượng cực đại (Emax) vẫn không đổi.

-

Năng lượng cực tiểu (Emin) sẽ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn.[6]

e) Khoảng cách từ nguồn

Lượng tia X thoát ra từ bất kỳ một nguồn nào thay đổi tỉ lệ nghịch với bình

phương khoảng cách từ nguồn. Điều này được biểu diễn bằng biểu thức:

với I1 là cường độ của tia ở khoảng cách d1 và I2 là cường độ của tia ở khoảng cách

d2. Lượng tia X của chùm vì thế sẽ giảm nhanh theo khoảng cách. Hiệu ứng giảm


21

lượng tia X là do sự phân kỳ của chùm tia hơn là bất kỳ sự tương tác nào giữa chùm
tia và nguyên tử của khí quyển[7].
f) Tín hiệu điện thế

Với cùng một điện thế ống được cung cấp, hiệu ứng của những loại khác nhau

của tín hiệu điện thế đối với sự phát ra của tia X được tóm tắt trong hình 1.14.

Hình 1.14. Hiệu ứng của tín hiệu điện thế lên phổ tia X
Lượng tia X lớn khi dùng tín hiệu tần số cao và ba pha lớn hơn khi dùng một

pha. Đầu ra tia X cho ba pha tương ứng tăng 12% so với máy phát một pha. Phổ tia

X dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn với năng lượng cực đại (Emax) không
đổi. Đường năng lượng đặc trưng của tia X vẫn cố định nhưng tăng nhẹ về biên độ

bởi vì sự tăng của electron được phóng ra đã sẵn sàng cho tương tác electron ở lớp

K [7].
1.2.2.3. Chất lượng tia X
Chất lượng tia X là khả năng tia X xuyên sâu qua vật thể, vì thế gọi là năng suất

hãm. Một tia X với khả năng xuyên sâu cao được giới hạn trong tia X cứng và tia X

mềm với khả năng xuyên sâu thấp hơn. Chất lượng tia X được biểu diễn trong bề
dày hấp thụ một nửa (HVL). HVL là bề dày của vật liệu làm giảm cường độ tia X

đến một nửa giá trị ban đầu. Chất lượng chùm tia được điều khiển bởi kVp cung cấp

và sự lọc. Hiệu ứng của mỗi yếu tố này được đưa ra như sau:


22

a) kVp

Khi kVp tăng, năng lượng photon cực đại dịch chuyển về phía năng lượng cao

hơn. Sự dịch chuyển trong năng lượng photon cực đại, tăng chất lượng xuyên sâu

của tia X. Năng lượng tỏa ra cực đại (Emax) bằng với điện thế cung cấp [7].
b) Lọc tia

Như được đề cập ở phần lượng tia X, việc lọc cải tiến chất lượng chùm tia do nó

hấp thụ hết photon năng lượng thấp [7].

Hiệu ứng lọc tia X [3]

Khi chùm electron đơn năng đến bia dày, sự phân bố phổ của chùm tia không

được lọc là đường thẳng nét gạch A trong hình 1.15. Sự phân bố phổ sẽ không có
ích cho chuẩn đoán X-quang vì không có photon năng lượng thấp xuyên qua bệnh

nhân để đến dụng cụ hình ảnh nhưng sẽ đóng góp vào liều. Bức xạ năng lượng thấp

không mong muốn có thể được loại bỏ từ chùm tia bằng cách sử dụng tấm lọc thích
hợp.

Đường cong B trên hình là kết quả của chùm tia A khi được lọc với nhôm dày

1mm. Đường cong C là kết quả khi chùm tia B được thêm vào tấm lọc thiếc dày
0,25mm.

HVL và hiệu ứng lọc trong chẩn đoán X-quang [3]

Nếu không cẩn thận, việc chẩn đoán bằng tia X có thể gây nguy hại thật sự đến

bệnh nhân. Thông thường việc sử dụng tấm lọc thận trọng có thể giảm liều đến

bệnh nhân nếu không có bất kỳ hiệu ứng có hại nào lên việc chẩn đoán của phim
chụp X-quang. Nhìn chung, cần lọc đủ để loại bỏ photon năng lượng thấp không

đến được dụng cụ hình ảnh mà chỉ làm tăng thêm liều của mô khi bức xạ đến bệnh

nhân. Tất cả máy X-quang chẩn đoán trong việc kiểm tra định kỳ phải được trang bị
tấm lọc nhôm (sẵn có và bổ sung) dày 3 mm cố định. HVL của Al từ 1 đến 3mm

phụ thuộc vào kVp.


23

Hình 1.15. Phân bố phổ của bức xạ được tạo bởi electron 200 keV bắn phá vào

bia dày với sự thay đổi tấm lọc. Đường nét gạch A: tia không được lọc. Đường cong
B, C, D thu được từ A bằng cách tính toán sự hấp thụ được tạo bởi những lớp của
Al, Cu, và Sn.
1.2.3. Phân bố góc của tia X
Bia mỏng: Nếu một tia của electron năng lượng thấp tới trên bia rất mỏng, khi

đó tia X phân bố theo hướng vuông góc với hướng chuyển động của electron tới. Ví
dụ như đường cong A của Hình 1.16b, tia X được tạo ra khi bắn chùm electron 34

keV vào lá nhôm 200nm (thí nghiệm của Honerjager). Sự phân bố góc này cho bức

xạ ở giới hạn năng lượng cao. Độ dài của mũi tên chỉ từ bia chỉ ra cường độ tương

đối trong các hướng khác nhau. Sự phân bố trong không gian được tìm thấy bằng

cách xoay đường cong quanh trục của chùm electron. Hình1.16b cho thấy cường độ

về phía trước nhỏ. Khi năng lượng electron tới tăng, cường độ càng phân bố dần về

phía trước như đường cong B và C (đường cong lý thuyết được tính bởi Schiff) cho

phân bố góc của bức xạ được tạo bởi việc bắn bia tungsten mỏng với bề dày 0,05

cm với electron 10 và 20 MeV. Sự phân bố này phù hợp với một số kết quả thí
nghiệm sử dụng betatron.[3]