khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy x quang chẩn đoán y tế bằng chương trình mcnp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Võ Thị Thùy Dung

KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG
QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y
TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thành phố Hồ Chí Minh -2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Võ Thị Thùy Dung

KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG
QUANH PHÒNG MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y
TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số

: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học
TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

Thành phố Hồ Chí Minh-2012


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm,
động viên, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Xin cho phép tôi được bày
tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:
TS. Trương Thị Hồng Loan, người đã theo dõi suốt quá trình thực hiện luận
văn của tôi. Cô là người giảng dạy, hướng dẫn những bài học đầu tiên về phương
pháp mô phỏng Monte Carlo và gợi ý sử dụng chương trình MCNP (Monte Carlo N
– Particle) trong nghiên cứu đề tài này. Cô cũng là người truyền cho tôi sự say mê
nghiên cứu khoa học, đã có những góp ý quý báu cho tôi trong quá trình tiến hành
luận văn.
Các thành viên trong nhóm MCNP của Bộ môn Vật lý hạt nhân : Cô Trương
Thị Hồng Loan, các anh chị: Đặng Nguyên Phương, Trần Ái Khanh, Lê Thanh
Xuân, Nguyễn Thị Cẩm Thu đã hỗ trợ, đóng góp ý kiến và luôn bên cạnh giúp đỡ
tôi trong quá trình tiến hành luận văn.
ThS. Thái Mỹ Phê đã giúp tôi trong việc tiến hành đo đạc thực nghiệm tại
bệnh viện Nhi đồng. Bác sĩ Nguyễn Anh Tuấn bệnh viện Nhi đồng I đã cho phép
chúng tôi tiến hành đo đạc thực nghiệm tại bệnh viện.
Ngoài ra tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các kĩ sư của hãng Shimadzu là
những người đã cung cấp cho tôi tài liệu về máy X quang của hãng cũng như hỗ trợ
tôi rất nhiều trong việc tìm hiểu về cấu tạo của máy X quang.
Tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè luôn ủng hộ động viên tôi để tôi
hoàn thành khóa học.
Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2012

VÕ THỊ THÙY DUNG

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................. 6
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. 10
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 11
Chương 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X .................... 16
1.1. Cấu tạo máy phát X quang thông thường .........................................................16
1.1.1. Cấu tạo ống phát tia X ................................................................................16
1.1.2. Bộ lọc tia .....................................................................................................35
1.1.3. Hệ chuẩn trực đầu đèn (Collimator) ...........................................................36
1.2. Nguyên lý của quá trình phát tia X ....................................................................39
1.2.1. Nguyên lý tạo tia X .....................................................................................39
1.2.2. Các tính chất của tia X ................................................................................47
1.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát tia X ..........................................................51
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra tia X ............................................52

Chương 2: AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ 57
2.1. Các hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa .........................................................57
2.1.1. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hóa ...........................................................57
2.1.2. Những tổn thương do bức xạ ion hóa .........................................................58
2.2. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ .......................................................................61


2.2.1. Lịch sử xây dựng các tiêu chuẩn an toàn bức xạ trên thế giới ..................61
2.2.2. Các khuyến cáo về an toàn bức xạ của ICRP .............................................61
2.2.3. Các tiêu chuẩn về an toàn bức xạ của IAEA [6][34][35][38] ....................63
2.2.4. Giới hạn liều ...............................................................................................64

2.3. An toàn bức xạ tại các cơ quan y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam ........................65
2.3.1. Các quy chế an toàn bức xạ đã được ban hành ở Việt Nam .......................65
2.3.2. Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 về an toàn bức xạ ion hóa tại
các cơ sở X quang y tế ..........................................................................................66

Chương 3: KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU XUNG QUANH PHÒNG
MÁY X QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP . 72
3.1. Giới thiệu chương trình MCNP..........................................................................72
3.1.1. Lịch sử của chương trình MCNP ................................................................72
3.1.2. Dữ liệu hạt nhân và phản ứng của MCNP ..................................................74
3.1.3. Cấu trúc của chương trình MCNP ..............................................................75
3.1.4. Độ chính xác của kết quả và các nhân tố ảnh hưởng ..................................77
3.2. Tally đánh giá ....................................................................................................78
3.2.1. Tally F4 .......................................................................................................78
3.2.2. Tally Fmesh4 ..............................................................................................79
3.2.3. Tally F2 .......................................................................................................79
3.3. Kết quả khảo sát phân bố liều xung quanh phòng máy X quang chẩn đoán y tế
bằng chương trình MCNP .........................................................................................79
3.3.1. Mô tả phòng X quang thường quy tại bệnh viện Nhi đồng I ......................80
3.3.2. Kiểm tra hiệu lực của mô hình - chuẩn hóa kết quả mô phỏng ..................84


3.3.3. Mô phỏng phân bố suất liều trong phòng chụp X quang bằng tally Fmesh
với các chế độ chiếu chụp khác nhau ...................................................................89

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 107


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ALARA

As Low As Reasonably Achievable

ACTL

The Activation Library

ENDF

The Evaluated Nuclear Data File

ENDL

The Evaluated Nuclear Data Library

IAEA

International Atomic Energy Agency

ICRP

International Commission on Radiological Protection

ICRU

The International Commission on Radiation Units and Measurements

MCNP

Monte Carlo N-Particle

NCRP

National Council on Radiation Protection and Measurement


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang thông thường ................................. 16
Hình 1.2. Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường .................... 17
Hình 1.3. Các bộ phận chính của ống tia X trong máy chụp X quang hiện đại .......... 18
Hình 1.4. Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ .... 19
Hình 1.5. Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron của chén tội tụ ... 20
Hình 1.6. Các thành phần của một ống tia X có anode cố định gồm bia Vonfram
gắn vào một khối đồng .................................................................................................. 21
Hình 1.7. Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định............................................ 22
Hình 1.8. Hình dạng của anode xoay ........................................................................... 23
Hình 1.9. Cấu tạo anode xoay ..................................................................................... 24
Hình 1.10.a. Mặt cắt của một anode RTM ................................................................... 25
Hình 1.10.b. Mặt cắt của một anode RTM- than chì .................................................. 25
Hình 1.11. Vết tiêu thực và vết tiêu hiệu dụng của anode .......................................... 26
Hình 1.12. Vùng tiêu điểm thực và tiêu điểm hiệu dụng ............................................. 27
Hình 1.13. Phương pháp chụp ảnh qua lỗ ngắm để xác định kích thước tiêu điểm .... 28
Hình 1.14. Anode sử dụng hai vết tiêu lớn nhỏ ........................................................... 29
Hình 1.15. Ảnh hưởng của góc nghiêng anode lên kích thước vết tiêu hiệu dụng .... ..30
Hình 1.16. Sự phân bố không đồng đều chùm tia X theo phương song song với trục
Cathode - Anode ........................................................................................................... 31
Hình 1.17. Ảnh hưởng của hiệu ứng chân lên khoảng cách đặt phim ......................... 31
Hình 1.18. Bầu thủy tinh chứa anode quay ................................................................. 32

Hình 1.19. Mặt cắt ống tia X loại có anode quay của hãng Shimadzu ........................ 33


Hình 1.20. Bộ lọc hấp thụ các photon năng lượng thấp và cho các photon năng
lượng cao đi qua ............................................................................................................ 35
Hình 1.21. Phổ tia X tạo ra ở điện áp đỉnh 150 kVp đối với anode làm bằng
Vonfram. ....................................................................................................................... 36
Hình 1.22. Cấu trúc bên trong hệ chuẩn trực đầu đèn ................................................. 39
Hình 1.23. Mặt cắt ngang bộ chuẩn trực loại R20-J của hãng Shimadzu ................... 38
Hình 1.24. Bức xạ hãm phát ra khi electron tương tác với hạt nhân bia ...................... 40
Hình 1.25. Electron va chạm trực diện với hạt nhân làm phát ra bức xạ hãm có năng
lượng cực đại ................................................................................................................. 41
Hình 1.26. Sự phân bố năng lượng bức xạ hãm ở giá trị điện áp đỉnh 90 kVp (trong
trường hợp không có bộ lọc (đường đứt nét) và có bộ lọc tia (liền nét) ....................... 41
Hình 1.27. Tương tác làm phát ra bức xạ tia X đặc trưng ........................................... 44
Hình 1.28. Các dãy phổ ứng với các chuyển dời electron trong nguyên tử ................ 46
Hình 1.29. Các vạch bức xạ đặc trưng ứng với sự dịch chuyển trên nền bức xạ hãm
đối với Vonfram ở điện áp 90kVp ............................................................................... 47
Hình 1.30. Cường độ phát xạ tia X thay đổi mạnh theo giá trị kVp, khi giữ cùng
một giá trị dòng qua ống và thời gian chiếu không đổi ................................................ 53
Hình 1.31. Ảnh hưởng của mA lên hiệu suất phát tia X .............................................. 55
Hình 3.1. Quang cảnh phòng chụp X quang thường quy ở bệnh viện Nhi đồng I ....... 80
Hình 3.2. Mô phỏng 3D phòng X quang Nhi đồng I bằng chương trình MCNP5 ...... 81
Hình 3.3. Mô phỏng các lớp chì trần, chì tường, chì ốp cửa, kính chì,vị trí ống phát
tia X bằng MCNP5 ........................................................................................................ 81
Hình 3.4. Máy X quang sử dụng ở bệnh viện Nhi đồng I ............................................ 82
Hình 3.5. Kích thước cấu hình đầu bóng phát tia X tính theo mm (inch) ................... 82
Hình 3.6. Cấu trúc collimator loại R-20J ..................................................................... 83

Hình 3.7. Mô hình ống phát tia X và hệ thống Collimator của hãng Shimadzu .......... 82
Hình 3.8. Vỏ ống chân không và cấu trúc bên trong collimator được ......................... 84
Hình 3.9. Anode và hệ thống cửa sổ Bakelite, các lớp trong collimator .................... 84
Hình 3.10. Hình chụp các vị trí đặt các cell khảo sát liều vẽ bằng MCNP5 ................ 86
Hình 3.11. Đồ thị suất liều (theo khoảng cách nguồn – máy đo) ................................. 88
Hình 3.12. Mô phỏng phổ tia X tại giá trị điện áp 100kV ........................................... 89
Hình 3.13. Mô phỏng phân bố suất liều tại vị trí bàn bệnh nhân ở chế độ chụp 70
kVp, 200 mA, 100 ms ................................................................................................... 91
Hình 3.14. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp ngực..................... 92
Hình 3.15. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp chân ..................... 92
Hình 3.16. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp tay ........................ 92
Hình 3.17. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) ứng với chụp bụng 75kV ............... 93
Hình 3.18. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp bụng 90kV ........... 94
Hình 3.19. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (xy) của chế độ chụp nhũ – lưng ........... 95
Hình 3.20. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp sọ ........................ 95
Hình 3.21. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp đầu gối ................ 96
Hình 3.22. Mô phỏng phân bố suất liều mặt (x,y) của chế độ chụp ngực AP ............. 96
Hình 3.23. Phân bố suất liều cho khu vực phòng chụp dự kiến thu hẹp kích thước .... 98
Hình 3.24. Phân bố suất liều trong phòng chụp khi giảm kích thước .......................... 99
Hình 3.25. Mô phỏng sự suy giảm suất liều khi đi qua khu vực tường ..................... 100
Hình 3.26. Mô phỏng sự suy giảm suất liều khi đi qua cửa bệnh nhân và tường ..... 101
Hình 3.27. Sự suy giảm chùm tia khi đi qua tường phòng X quang .......................... 102
Hình 3.28. Mô phỏng phân bố liều mặt (x,y) trong phòng chụp sát trần nhà ............ 102
Hình 3.29. Mô phỏng phân bố suất liều (x,y) trong khu vực trần có lót chì .............. 103


Hình 3.30. Sự suy giảm suất liều khi đi qua tường ngăn cách hành lang bệnh viện.. 104


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Tiêu chuẩn độ bền của dầu máy biến áp ...................................................... 34
Bảng 1.2. Năng lượng liên kết của electron lớp K ứng với một số vật liệu anode ...... 46
Bảng 1.3. Bước sóng của các loại sóng điện từ ............................................................ 47
Bảng 2.1. Hiệu ứng sinh học theo mức độ liều ............................................................ 60
Bảng 2.2. Giới hạn liều chiếu khuyến cáo của ICRP ................................................... 65
Bảng 2.3. Liều giới hạn trong một năm ........................................................................ 66
Bảng 2.4. Liều khuyến cáo cho một phim chụp X quang quy ước đối với bệnh nhân
(TCVN 6561:1999) ....................................................................................................... 66
Bảng 2.5. Liều khuyến cáo chụp, chiếu X quang qui ước cho 1 lần chụp 1 phim ....... 67
Bảng 2.6. Kích thước tiêu chuẩn cho phòng đặt máy X quang các loại theo (TCVN
6561:1999) .................................................................................................................... 69
Bảng 3.1. Kết quả đo suất liều theo khoảng cách ......................................................... 84
Bảng 3.2. Giá trị suất liều mô phỏng tại các khoảng cách khảo sát và sai số thống kê
tương đối tương ứng ...................................................................................................... 86
Bảng 3.3. Các chế độ chụp của phòng X quang chẩn đoán thường quy tại bệnh viện
nhi đồng I ...................................................................................................................... 87
Bảng 3.4. So sánh giá trị suất liều giữa các chế độ chụp.............................................. 90
Bảng 3.5. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm các đỉnh tia X đặc trưng của
Vonfram ........................................................................................................................ 99


MỞ ĐẦU
Từ khi Wilhelm Conrad Röntgen phát hiện ra tia X có thể chẩn đoán cấu
trúc xương, tia X được phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế nhờ những ưu thế
vượt trội hơn về tính hiệu quả, chính xác, nhanh chóng hơn các phương pháp chẩn
đoán bệnh trước đây. Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng trong việc xác định
bệnh lý về xương, nhưng cũng có thể giúp ích tìm ra các bệnh về phần mềm. Máy
chụp X quang ngày nay được phổ biến rộng rãi ở tất cả các bệnh viện, phòng khám
đa khoa, phòng khám tư nhân để đáp ứng nhu cầu khám chữa bệnh của người dân.
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật trong các lĩnh vực vật lý, điện tử, cơ

khí, hóa sinh, công nghệ thông tin…thiết bị chẩn đoán X quang ngày càng được cải
tiến trở thành phương pháp chẩn đoán ưu việt không thể thiếu trong y học hiện đại.
Ngày nay máy chụp X quang được cải tiến và phát triển để sử dụng trong các
lĩnh vực khám chữa bệnh chuyên biệt, ngoài X quang thường quy (chụp hầu hết các
bộ phận trên cơ thể) còn có X quang răng, X quang vú, X quang chụp mạch, X
quang đo độ loãng xương, X quang có tăng sáng truyền hình…Máy X quang
thường quy loại cũ có tần số thấp (nửa sóng, cả sóng), ngày nay thường sử dụng các
máy X quang cao tần dùng phim hay cao tần kỹ thuật số. Trên thị trường có rất
nhiều loại máy X quang từ nhiều hãng sản xuất trên thế giới, đa dạng về chủng loại,
số lượng cung cấp ra thị trường cũng tăng nhanh trong những năm gần đây.
Trước sự phát triển của lĩnh vực X quang thì vấn đề an toàn bức xạ trong
chụp chiếu phim X quang chẩn đoán y tế càng thu hút sự quan tâm của các nhà
khoa học nói riêng, toàn xã hội nói chung. Vì bên cạnh những ưu thế vượt trội so
với những phương pháp chẩn đoán y tế trước đây các thiết bị phát tia X để chẩn
đoán và điều trị bệnh cũng ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có biện pháp bảo
vệ thích đáng. Tính nguy hiểm của máy X quang tuy thấp hơn so với các nguồn
phóng xạ vì mức độ ảnh hưởng chỉ mang tính cục bộ, nhất thời, dễ dàng quản lý và
khắc phục nếu có sự cố về thiết bị, nhưng mức độ ảnh hưởng cũng không phải nhỏ


đối với cộng đồng vì các cơ sở y tế là nơi tập trung đông người đặc biệt là những
người đang suy giảm sức khỏe. Nguy cơ liều chiếu trên bệnh nhân cao hơn mức cần
thiết, liều bức xạ lọt ra ngoài cao nếu mức độ che chắn không đảm bảo. Điều này đã
đưa tới những hậu quả hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe cho cuộc
sống của chính bác sỹ và kỹ thuật viên vận hành thiết bị chụp X quang, cho bệnh
nhân phải chụp chiếu và cho cả nhân viên, dân chúng nói chung trong khu vực tác
dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát tia X.
Trên thế giới, công tác bảo vệ an toàn bức xạ trong lĩnh vực y tế được nhiều
tổ chức quan tâm và thường xuyên xây dựng các tiêu chuẩn an toàn che chắn đối
với thiết bị X quang trong chẩn đoán y tế và tiêu chí ALARA (As Low As

Reasonably Achievable) trở thành tiêu chí hàng đầu trong việc thiết kế các phòng X
quang. Hằng năm, tổ chức NCRP (National Council on Radiation Protection and
Measurement) và ICRU đều đưa ra các khuyến cáo mới nhằm bảo vệ an toàn bức xạ
cho môi trường, nhân viên y tế và bệnh nhân điều trị.
Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA - International Atomic Energy
Agency) thường xuyên tổ chức các lớp đào tạo và hội thảo liên quan đến thiết kế
che chắn thiết bị chẩn đoán y tế sao cho nhân viên làm việc và bệnh nhân chịu một
mức liều càng thấp càng tốt nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả chẩn đoán và lợi ích về
kinh tế. Các tài liệu kĩ thuật (TECDOC 1040) và các ấn phẩm về an toàn trong chẩn
đoán và xạ trị (Safety Guide for Radiotherary) của IAEA nhấn mạnh các mục đích
che chắn:
-

Giảm liều chiếu tối đa với nhân viên y tế, bệnh nhân và dân chúng ở mức
thấp nhất có thể.

-

Nghiên cứu tối ưu hóa kích thước phòng X quang và điều kiện che chắn
hợp lý đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Ở nước ta, từ “pháp lệnh năm 1996 cho đến thông tư 05/2006/BKHCN ngày
10/01/2006 về việc hướng dẫn thủ tục khai báo cấp giấy đăng ký, cấp giấy phép cho
các hợp đồng liên quan đến bức xạ, thông tư mới nhất-thông tư 08/2010/TTBKHCN ngày 22/07/2010 của BKHCN hướng dẫn về việc khai báo, cấp giấy phép


tiến hành công việc bức xạ & CCNVBX”, các cơ sở bức xạ y tế nói chung hay các
phòng chụp X quang nói riêng đều phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn về kích thước
phòng X quang và điều kiện che chắn để đảm bảo an toàn bức xạ cho môi trường
xung quanh, nhân viên y tế và bệnh nhân trước khi được cấp phép sử dụng.

Về thực trạng sử dụng máy X quang trong chẩn đoán y tế tại thành phố Hồ
Chí Minh từ năm 1996 đến nay có gần khoảng 504 cơ sở bức xạ thuộc y tế và
khoảng 900 các thiết bị X quang chẩn đoán hình ảnh như CT Scanner, X quang
thường quy, X quang di động, X quang chụp nha...Thống kê trung bình các năm
2009-2010 [13] cho thấy có đến 53% phòng X quang tuân thủ theo quy định về
kích thước phòng đã phải được cấp giấy phép. Đặc biệt 100% phòng máy X quang
chụp nha không tuân thủ kích thước phòng theo quy định. Một trong nhiều nguyên
nhân của sự việc này là do nhiều phòng X quang được xây dựng theo tiêu chuẩn cũ,
không còn thích hợp với các thiết bị chẩn đoán X quang hiện đại dạng kỹ thuật số
với liều lượng bức xạ phát ra không cao, các quy định về kích thước phòng do nhà
sản xuất cung cấp không khớp với kích thước phòng theo TCVN, ngoài ra tiêu
chuẩn kích thước cho mỗi loại X quang cũng thay đổi nhiều từ năm này qua năm
kia mà không có những cơ sở khoa học rõ ràng kèm theo. Điều đó gây khó khăn cho
cơ quan có thẩm quyền trong việc cấp phép hoạt động cho các cơ sở X quang. Thực
tế này đã đặt ra nhu cầu cần phải tính toán lại diện tích các phòng X-quang cho phù
hợp với các thiết bị mới sao cho vừa đảm bảo an toàn bức xạ rất đa dạng trong các
cơ sở bức xạ tư nhân vừa giảm được chi phí đầu tư cơ sở vật chất.
Nguyên lý của việc tính toán che chắn an toàn cho X quang chẩn đoán được cho
trong báo cáo của NCRP49. Dù NCRP49 đã duy trì dữ liệu về tiêu chuẩn che chắn
trong nhiều năm, nhiều tác giả đã đề nghị những mô hình che chắn khác thích hợp
có thể tính toán bằng chương trình trên máy tính, có độ chính xác cao hơn và giảm
bớt tính cứng nhắc vốn có của NCRP49.
Phương pháp luận trong NCRP tính toán mức liều chiếu của tia sơ cấp, tia tán
xạ và bức xạ rò rỉ từ nguồn tia X riêng lẻ, nó không cho thông tin liên quan đến sự
kết hợp của tất cả các thông lượng bức xạ khác nhau xuyên qua lớp che chắn ngoại


trừ đưa vào xấp xỉ HVL (lớp giá trị một nửa). Archer và cộng sự [21] đã chứng
minh việc đưa vào cứng nhắc này dẫn tới mức liều chiếu hằng tuần của các nhân
viên giảm hơn giá trị yêu cầu theo MPD (giới hạn liều cho phép cực đại) đã thiết

lập. Để cải tiến phương pháp luận trong NCRP, B.R.Archer đã đưa ra phương pháp
xác định bề dày thứ cấp chính xác cần cho việc đáp ứng các tiêu chí thiết kế. Điều
này nhằm giảm thiểu che chắn quá lớn của NCRP-49.
Do đó việc tính toán liều chiếu xung quanh phòng chụp X quang để đánh giá
mức độ an toàn bức xạ từ đó có những cải tiến kịp thời cơ sở trang thiết bị kỹ thuật,
đề ra những tiêu chuẩn trong thiết kế xây dựng phòng chụp X quang để vừa đảm
bảo tính an toàn và tính kinh tế là vấn đề hết sức cần thiết. Đây cũng không phải là
vấn đề mới mẻ và trước đây đã có nhiều phương pháp tính toán khác nhau, riêng
trong luận văn này chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo với
chương trình MCNP để nghiên cứu vấn đề này. Việc tiến hành mô phỏng sẽ cho
một kết luận chính xác trước khi thiết lập các tiêu chuẩn che chắn bức xạ cho phòng
X quang sao cho vừa đảm bảo an toàn bức xạ, vừa tiết kiệm kinh phí xây dựng.
Trước đây đã có một số luận văn (đồng giáo viên hướng dẫn) thực hiện tính
toán phân bố suất liều phòng chụp X quang bằng chương trình MCNP. Tuy nhiên
do thiếu nhiều thông tin về cấu trúc máy X quang nên kết quả có được chưa đủ
chính xác. Luận văn này kế thừa và nghiên cứu sâu, rộng thành quả có được từ các
luận văn trước, trong đó nỗ lực tìm kiếm thông tin thật chi tiết đến mức có thể về
cấu tạo của máy X quang ở bệnh viện Nhi đồng I nhằm đạt được mô hình X quang
chính xác hơn.
Với mục đích trên nội dung luận văn được phân bổ trong 3 chương như sau:
Chương 1 Cấu tạo và nguyên lý máy phát tia X: trình bày những vấn đề về
cấu tạo chi tiết máy phát tia X sử dụng trong X quang chẩn đoán y tế, sự tạo thành
và tính chất của tia X.
Chương 2 An toàn bức xạ trong X quang chẩn đoán y tế: trình bày về các
hiệu ứng sinh học, các tổn thương do bức xạ ion hóa. Các giới hạn liều chiếu xạ,


các tiêu chuẩn an toàn bức xạ của thế giới, TCVN6561 của Việt Nam và một số
yêu cầu an toàn bức xạ đối với X quang chẩn đoán.
Chương 3 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo, chương trình MCNP và

ứng dụng chương trình vào việc mô phỏng phòng X quang tại bệnh viện Nhi đồng
1; khảo sát phổ tia X, khảo sát phân bố liều trong và ngoài phòng X quang, đánh giá
an toàn che chắn, thảo luận về những kết quả thu được.


Chương 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X
1.1. Cấu tạo máy phát X quang thông thường
Một hệ thống chụp ảnh tia X thông dụng bao gồm các khối chức năng sau:
Bàn điều khiển

Máy tạo điện thế cao

Ống tia X

(console)

(generator)

(X ray tube)

Hệ thống ghi ảnh

Bệnh nhân

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống chụp ảnh X quang thông thường
Bàn điều khiển là nơi vận hành có thể thay đổi các thông số của tia X (điện
thế, cường độ, thời gian phát tia). Máy tạo điện thế cao là nơi cung cấp một hiệu
điện thế cao cho các điện cực của ống tia X để gia tốc chùm điện tử. Ống tia X là
nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng phát bức xạ hãm. Hệ thống ghi ảnh có thể là một
tấm phim tia X hay một hệ thống biến hình ảnh tia X thành hình ảnh mà mắt thường

có thể nhìn thấy trên một màn hình.
Dưới đây tác giả tập trung vào vấn đề phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của ống phát tia X.
1.1.1. Cấu tạo ống phát tia X
Chức năng: Ống phát tia X là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành hai
dạng khác là năng lượng tia X và nhiệt. Trong đó nhiệt tạo ra là kết quả không
mong muốn, do đó ống phát tia X được thiết kế sao cho lượng nhiệt tạo ra là ít nhất
và tiêu tán càng nhanh càng tốt.
Những ống phát tia X thế hệ đầu tiên được chế tạo vào khoảng cuối thế kỉ 19
bởi William Crookes và các cộng sự được gọi là ống phát âm cực nguội. Dòng điện
tử được giải phóng khi âm cực nhôm ion hóa lượng không khí ít ỏi bên trong buồng


chứa thủy tinh giải phóng ḍng điện electron tự do, rồi sau đó gia tốc chúng bằng
nguồn cao thế (cỡ 100kV), bắn phá vào bia dương cực Platin đặt nghiêng và phát ra
tia X.
Năm 1913, William Coolidge đã cải tiến ống phát tia X bằng cách dùng âm
cực sợi đốt thay thế cho âm cực nguội để đạt được công suất phát cao hơn. Sự thay
đổi này chính là nền tảng cho sự phát triển của thế hệ ống phát tia X ngày nay.
Về nguyên tắc, mọi ống tia X đều được cấu tạo từ 2 bản cực: một bản cực
âm (cathode) là một dây tóc được nung nóng bằng dòng điện để sản sinh ra các
electron và một bản cực dương là nơi các electron đập vào để phát sinh ra bức xạ
hãm. Ống tia X được hút chân không để electron không bị mất năng lượng do va
chạm với các phân tử khí khi đi từ cathode đến anode.

Hình 1.2. Những bộ phận cơ bản của một ống phát tia X thông thường [26]
Ống phát tia X hiện đại là thiết bị gồm 2 thành phần chính là âm cực
(cathode), dương cực (anode) và các bộ phận phụ: động cơ quay dương cực (Rotor
và Stator), vỏ ống, hộp chứa, dầu tản nhiệt, cổng giao tiếp….
Ống phát tia X hiện đại ít sử dụng dương cực tĩnh như trong các thế hệ của

Crookes và Coolidge mà dùng dương cực quay bằng cảm ứng điện từ. Như vậy, ống
phát tia X hiện đại là sự kết hợp giữa âm cực nguội, dương cực quay và các kết cấu
thích hợp khác. Tuy nhiên, thế hệ ống phát tia X Coolidge với dương cực tĩnh vẫn


được dùng trong một số kỹ thuật X- quang khác với yêu cầu đặc thù, như X- quang
nha khoa, X- quang cầm tay, tăng sáng truyền hình di động.

Hình 1.3. Các bộ phận chính của ống tia X trong máy chụp X quang hiện đại [26]

1.1.1.1. Âm cực ( Cathode)
Âm cực (Cathode) là một bộ phận có chức năng cơ bản là giải phóng chùm
điện tử và hội tụ chúng thành một chùm tia xác định nhắm vào dương cực (anode).
Về cấu tạo: một âm cực điển hình bao gồm hai thành phần chính là dây tóc
(sợi filament) và chén hội tụ (focusing cup). Dây tóc làm bằng những sợi Volfram
có hình lò xo xoắn (để tăng diện tích bức xạ điện tử ) thẳng đứng được gắn chìm
vào trong một chén hội tụ như hình 1.4.
Vật liệu làm tim đèn thường là hợp kim Vonfram và Thorium vì Vonfram là
một kim loại nặng, dẫn nhiệt tốt và chịu được nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy cao
33700C), Thorium thường được thêm vào sợi đốt Vonfram để tăng cường hiệu suất
phát xạ electron và tăng tuổi thọ tim đèn.


Hình 1.4. Cấu trúc cathode của ống tia X sợi đốt Volfram nằm trong chén hội tụ
[26]
Phần lớn bóng X quang hiện nay đều có 2 hệ thống chén hội tụ và 2 sợi tóc
nhằm mở rộng cho nhiều ứng dụng riêng biệt. Sợi tóc lớn có kích thước 1,2mm
dùng để chụp những cơ quan lớn, dày cần công suất cao, sợi tóc nhỏ có kích thước
khoảng 0,6mm sử dụng cho những bộ phận nhỏ sử dụng công suất thấp. Hai sợi tóc
này được nung nóng bằng mạch điện với hiệu điện thế 2 đầu là 10V, dòng điện qua

sợi tóc bóng X quang thay đổi từ 3 đến 7A.
Chùm electron phát ra từ cathode được gia tốc đến đập vào anode là chùm
phân kỳ, nếu không có sự can thiệp thì chùm tia này sẽ đập vào anode trên diện tích
rộng, điều này sẽ làm mờ hình ảnh X quang. Do đó cần thiết sử dụng bộ phận bổ
sung, có chức năng hội tụ chùm electron thẳng đến anode. Điện cực bổ sung có hình
dạng đặc biệt bao quanh cathode giữ vai trò này chính là chén hội tụ còn được gọi
là điện cực Wehnelt ( hình 1.4).
Điện cực này được đặt vào cùng giá trị điện thế với tim đèn và điện trường
mà nó sinh ra có tác dụng làm thay đổi các đường đẳng thế của điện trường, giới
hạn sự mở rộng chùm electron khiến chùm electron hội tụ lại trên 1 điểm đặc biệt
trên anode (focal spot), chính điều này làm tăng độ nét của hình ảnh X quang.


(so với chén hội tụ

Điện thế V

Hình 1.5.a

Hình 1.5.b

Hình 1.5. Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron của chén tội tụ
Nếu điện cực Wehnelt được thêm vào một điện thế âm chênh lệch điện thế
với tim đèn thì tác dụng càng rõ rệt, kích thước bề rộng vết tiêu càng nhỏ. Chén hội
tụ làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron khi nó có cùng giá trị điện áp với
sợi tóc (Hình 1.5.a). Chén hội tụ được tích điện thế âm có giá trị lệch khoảng 100 V
so với sợi tóc có tác dụng giảm bề rộng chùm electron mạnh hơn (Hình 1.5.b) [26].

1.1.1.2. Dương cực (anode)
Anode là nơi tia X được tạo ra, nó là một bia hứng electron bằng kim loại có

cấu trúc cứng và có mật độ phân tử cao nối với điện cực dương. Anode có 2 chức
năng: (1) chuyển năng lượng của electron thành bức xạ tia X và (2) làm tiêu tán
lượng nhiệt tạo ra trong quá trình phát tia X, do đó vật liệu anode được chọn để đáp
ứng 2 yêu cầu trên.
Về cấu tạo: các ống tia X công suất bé chẳng hạn dùng trong chụp ảnh răng
có anode là một bia cố định, còn các ống tia X có công suất cao thường có anode
dạng đĩa, có thể quay quanh một trục.

A. Anode cố định


Bao gồm 1 gương phản xạ bằng Volfram là nơi chùm electron bắn vào để tạo
ra tia X, được gắn chặt vào một khối đồng lớn. Khối đồng có vai trò nâng đỡ bia
Volfram và tiêu tán nhiệt cho bia Volfram vì đồng có khả năng dẫn nhiệt tốt.

Hình 1.6. Các thành phần của một ống tia X có anode cố định gồm bia Vonfram
gắn vào một khối đồng [26]
Anode thường được đặt nghiêng một góc từ 150- 200 so với mặt phẳng thẳng
đứng, góc nghiêng này quyết định diện tích hội tụ của chùm electron (là phần diện
tích của anode bị chùm electron bắn vào).
Nhược điểm của loại anode này là diện tích bia bị bắn phá nhỏ nên giới hạn
sự tiêu tán nhiệt và do đó giới hạn dòng cực đại qua ống và hạn chế hiệu suất phát
tia.
Loại bóng này dùng trong các máy X quang công suất nhỏ như máy X quang
nha, máy X quang di động, máy chiếu (fluoro).


Hình 1.7. Vết hội tụ của bóng X quang có anode cố định

B. Anode quay

a. Cấu tạo và vật liệu của đĩa anode quay
Cấu tạo
Khi sử dụng Anode cố định thì chùm electron chỉ đập vào 1 vị trí cố định
làm nhiệt độ ví trí này rất cao đồng thời làm giảm công suất của bóng và làm giảm
tuổi thọ của anode, do đó người ta thường sử dụng anode quay để thay đổi liên tục
điểm tiếp xúc của anode và chùm electron, làm cho diện tích vết hội tụ rất bé so với
diện tích giải nhiệt. Chuyển động quay làm cho vị trí đập của electron lên anode
thay đổi liên tục, điều này làm cho anode mòn đều nên không ảnh hưởng đến góc
phát tia. Chuyển động quay còn có tác dụng tiêu tán lượng nhiệt sinh ra trong quá
trình phát tia X làm tăng công suất bóng, tăng tuổi thọ anode. Đó là lí do mà anode
quay vẫn được sử dụng phổ biến trong chụp X quang dù đòi hòi những thiết kế và
kĩ thuật phức tạp.
Các anode quay có hình dạng đĩa có gờ vát nghiêng một góc θ có tác dụng
hướng tia X ló ra phía biên của ống phát. Đường phân giác của góc vát phải nằm
trong vùng ló ra của tia X, góc vát được thiết kế sao cho phù hợp với mục đích sử
dụng. Góc vát càng nhỏ thì độ phân giải không gian càng lớn nhưng lại làm giảm
diện tích hiệu dụng của tiêu điểm và diện tích bao phủ của vùng tia X phát xạ.


Hình 1.8. Hình dạng của anode xoay
Anode với góc vát nhỏ ( 70 – 90) thích hợp với các thiết bị thu nhận cỡ nhỏ
như máy chup X quang động mạch, chụp dây thần kinh… Các máy X quang thường
quy thông dụng yêu cầu vùng chụp lớn thì thường sử dụng anode có góc vát lớn (
120 -150) . Kích thước của đĩa anode nằm trong khoảng từ 5cm – 12,5cm và kích
thước này quyết định khả năng chịu nhiệt của anode [26].
Vật liệu
Khi chùm electron đập vào anode chỉ dưới 1% năng lượng của chúng chuyển
hóa thành tia X, còn lại hơn 99% năng lượng của chùm điện tử được chuyển hóa
thành nhiệt nên anode phải có khả năng chịu nhiệt cao. Hầu hết các ống tia X đều sử
dụng Volfram ( Z =74) làm vật liệu anode vì Volfram có số hiệu nguyên tử lớn, khả

năng chịu nhiệt cao do có điểm nóng chảy cao, khả năng bay hơi rất thấp. Trong
nhiều năm Volfram tinh khiết thường được sử dụng làm vật liệu anode.
Công nghệ anode quay ngày càng phức tạp. Anode quay Vonfram thì được
sản xuất trên cơ sở chuẩn luyện kim bột. Hạn chế của công nghệ này là sự mài mòn
bề mặt do sự nén cơ nhiệt cao.