Khảo sát phân bố suất liều xung quanh phòng máy x quang chuẩn 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