Nghiên cứu tính toán liều cơ thể từ nguồn gamma nhiễm bẩn trong không khí sử dụng code MCNP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------

-------

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đềtài:
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LIỀU CƠ THỂ
TỪ NGUỒN GAMMA NHIỄM BẨN
TRONG KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG
CODE MCNP

NGUYỄN THỊ ÁI LOAN

-------------------

TP. HỒ CHÍ MINH


1

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô đã tận
tình chỉ bảo, truyền đạt những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Em xin gởi lời biết ơn đến các thầy, cô:
• PGS.TS Mai Văn Nhơn, người thầy đã đóng góp ý kiến, hướng dẫn em làm

đề tài, động viên và truyền đạt kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa
học.
• TS. Lê Văn Ngọc và TS. Trần Văn Hùng là những người thầy đầu tiên
truyền đạt kiến thức về chương trình MCNP. Riêng thầy TS. Lê Văn Ngọc
đã dành thời gian quý báu để đóng góp ý kiến cho đề tài.
• TS. Châu Văn Tạo đã gợi ý, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho em nhận
đề tài.
• TS. Nguyễn Đông Sơn đã giúp em nâng cao kiến thức, cung cấp tài liều
cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn.
• Đặc biệt là TS. Trần Văn Hùng, người đã đònh hướng, đã nhiệt tình hướng
dẫn, góp ý, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành
luận văn này.
• Cám ơn bạn Nguyễn Văn Chung, Trần Duy Tập đã luôn hổ trợ, giúp đỡ
trong quá trình tiếp cận, làm quen với chương trình MCNP.
Xin gởi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô trong bộ môn Vật lý Hạt nhân
đã tận tình giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt luận văn.
Cám ơn bạn bè gần xa đã giúp đỡ tài liệu, phương pháp, kinh nghiệm trong
quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, em cám ơn gia đình luôn động viên và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn này.


2

Lời cám ơn ------------------------------------------------------------------------------------- 1
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt ------------------------------------------------- 5
Danh mục các bảng và hình vẽ -------------------------------------------------------------- 7
Mở đầu ------------------------------------------------------------------------------------------ 9
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHANTOM THUYẾT HÌNH NGƯỜI--------- 13
1.1 Phantom hình người ------------------------------------------------------------------- 13
1.1.1 Phantom số --------------------------------------------------------------------- 13

1.1.2 Phantom toán học -------------------------------------------------------------- 14
1.2 Mô tả phantom MIRD-5 ------------------------------------------------------------- 16
1.2.1 Thành phần của phantom ----------------------------------------------------- 17
1.2.1.1 Thành phần của phantom ở các độ tuổi khác nhau (trừ trẻ sơ sinh) --- 17
1.2.1.2 Thành phần của phantom đối với trẻ sơ sinh ---------------------------- 18
1.2.2 Mô tả các vùng cơ thể và các cơ quan -------------------------------------- 20
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH
MCNP ---------------------------------------------------------------------------------------- 35
2.1 Phương pháp Monte Carlo ----------------------------------------------------------- 35
2.2 Giới thiệu chương trình MCNP ----------------------------------------------------- 35
2.3 Đặc điểm của chương trình MCNP ------------------------------------------------- 36
2.3.1 Dữ liệu hạt nhân --------------------------------------------------------------- 36
2.3.2 Các đặc trưng về nguồn ------------------------------------------------------ 37
2.3.3 Đánh giá sai số ---------------------------------------------------------------- 37
2.3.4 Kỹ thuật giảm sai số ----------------------------------------------------------- 39
2.3.5 Cấu trúc của một tập tin input------------------------------------------------ 40
2.3.6 Hình học của MCNP ---------------------------------------------------------- 41
2.3.7 Các tally tính toán ------------------------------------------------------------- 42


3

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU VÀ CÁC ĐẠI LƯNG AN
TOÀN ----------------------------------------------------------------------------------------- 43
3.1 Cơ sở lý thuyết ------------------------------------------------------------------------- 43
3.1.1 Kerma không khí --------------------------------------------------------------- 43
3.1.2 Mối quan hệ giữa liều hấp thụ D và kerma --------------------------------- 44
3.1.3 Kerma của mô mềm trong không khí ---------------------------------------- 46
3.1.4 Quãng chạy tự do trung bình -------------------------------------------------- 46
3.2 Các đại lượng an toàn ---------------------------------------------------------------- 47

3.2.1 Liều hấp thụ và liều tương đương trong một cơ quan hoặc mô(tissue) - 47
3.2.2 Liều hiệu dụng ----------------------------------------------------------------- 48
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT LIỀU CƠ QUAN CỦA CƠ THỂ NGƯỜI ------------ 50
4.1 Mơ hình tính tốn ---------------------------------------------------------------------- 50
4.1.1 Mơ hình vùng nguồn ------------------------------------------------------------ 50
4.1.2 Thành phần vật chất ------------------------------------------------------------ 51
4.2 Xác đònh bán kính vùng nguồn ----------------------------------------------------- 51
4.2.1 Bán kính vùng nguồn ----------------------------------------------------------- 51
4.2.2 khảo sát bán kính vùng nguồn ---------------------------------------------- 52
4.3 Kết quả tính liều đối với nguồn đơn năng ----------------------------------------- 54
4.3.1 Liều cơ quan --------------------------------------------------------------------- 54
4.3.2 Liều hiệu dụng ------------------------------------------------------------------ 68
4.4 Hệ số chuyển đổi liều ---------------------------------------------------------------- 70
4.5 So sánh kết quả ------------------------------------------------------------------------ 73
4.6 Kết luận và kiến nghò ----------------------------------------------------------------- 76
4.6.1 Kết luận -------------------------------------------------------------------------------- 76


4

4.6.2 Kieỏn nghũ ------------------------------------------------------------------------------ 76
Taứi lieọu tham khaỷo ------------------------------------------------------------------------- 78
Phuù luùc ---------------------------------------------------------------------------------------- 83


5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
¾ Các ký hiệu
σ :

độ lệch chuẩn.

W R : trọng số sức xạ .
x :

trò trung bình.

ρ : khối lượng riêng.
Kcol : kerma va chạm.
Krad: kerma phát bức xạ.

WT : trọng số mô.

µen: hệ số hấp thụ năng lượng.

R:

µ:

hệ số suy giảm tuyến tính.

λ:

quãng chạy tự do trung bình.

sai số tương đối.

Kair : kerma không khí.
Sx:

thăng giáng chuẩn.

K(Ei) : hệ số chuyển đổi kerma.
N:

số lòch sử.

φ i ( E i , R ) : thông lượng photon.

j:

là chỉ số cell

η:

cường độ bức xạ trong không khí

m:

là số vật chất trong cell.

H:

liều tương đương.

d:

khối lượng riêng.

K:

kerma.

D:

liều hấp thụ .

dE k : năng lượng trung bình.
dm :

khối lượng vật chất.

φ:

thông lượng photon.

hν :

năng lượng của chùm photon.

ψ :

thông lượng năng lượng.

µk :

hệ số truyền năng lượng

d ε : năng lượng trung bình.

6

¾ Các chữ viết tắt:
CT: Chụp cắt lớp (Computed tomography).
CPE: Cân bằng điện tích (Charged particle equilibrium).
FGR-12: Bảng báo cáo của số 12 của Liên Bang (Federal Guidance Report No
12).
FIA: Free-in-air.
ICRP: Ủy ban Quốc tế về An toàn bức xạ (International Commission on
Radiation Protection).
ICRU: Ban Quốc tế về đơn vò và đo lường bức xạ (International Commission on
Radiation Units and Measurement)
Kerma: động năng được truyền cho vật chất (Kinetic Energy Released in
Material)
MIRD-5: tên của loại phantom (Medical Internal Radiation Dose)
MCNP: là Monte Carlo N-Particle.
MC: Monte Carlo.
MR: Cộng hưởng từ (Magnetic resonance).
Mfp: Quãng chạy tự do trung bình (mean free path).
Phantom: là mô hình người, có cấu tạo vật chất như cơ thể người thật.
ORNL: Phòng Thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (Oak Ridge National
Laboratory).
QF: Quality factor (hệ số chất lượng).


7

DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

Bảng 1.1: Thành phần cơ bản của các mô cho tất cả các phantom trừ trẻ sơ
sinh ----------------------------------------------------------------------------------------------- 18
Bảng 1.2: Các thành phần vật chất trong xương trẻ sơ sinh và người trưởng
thành --------------------------------------------------------------------------------------------- 19
Bảng 1.3: Thành phần cơ bản của mô trong phantom trẻ sơ sinh --------------------- 20
Bảng 1.4: Thể tích của thành tim và bên trong tim của phantom ở các độ tuổi
khác nhau -------------------------------------------------------------------------------------- 30
Bảng 1.5: Thể tích của da trong phantom ở các độ tuổi khác nhau ------------------- 32
Bảng 2.1: Các đánh giá sai số tương đối R trong MCNP ------------------------------- 39
Bảng 2.2: Các loại tally tính toán ---------------------------------------------------------- 42
Bảng 3.1: Hệ số suy giảm khối µ/ρ được xác đònh trong không khí và đất ----------- 47
Bảng 3.2: Trọng số bức xạ đối với các loại bức xạ -------------------------------------- 48
Bảng 3.3: Trọng số mô đối với các bộ phận chính trong cơ thể (được lấy trong tài
liệu ICRP-60------------------------------------------------------------------------------------ 49
Bảng 4.1: Thành phần của đất và không khí được sử dụng trong tính toán ----------- 51
Bảng 4.2: Bán kính cực tiểu của vùng nguồn đối với các nguồn đơn năng ----------- 53
Bảng 4.3: Liều các cơ quan của phantom trẻ sơ sinh được đặt trong một vùng nguồn
bán vô hạn ở 12 mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV (Gy/Bq/m3) ----------------- 56
Bảng 4.4: Liều các cơ quan của phantom trẻ 1 tuổi được đặt trong một vùng nguồn
bán vô hạn ở 12 mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV (Gy/Bq/m3)----------------- 58
Bảng 4.5: Liều các cơ quan của phantom trẻ 5 tuổi được đặt trong một vùng nguồn
bán vô hạn ở 12 mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV (Gy/Bq/m3) ---------------- 60
Bảng 4.6: Liều các cơ quan của phantom trẻ 10 tuổi được đặt trong một vùng nguồn
bán vô hạn ở 12 mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV (Gy/Bq/m3) ----------------- 62


8

Bảng 4.7: Liều các cơ quan của phantom 15 tuổi được đặt trong một vùng nguồn
bán vô hạn ở 12 mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV (Gy/Bq/m3)------------------64

Bảng 4.8: Liều các cơ quan của phantom người lớn được đặt trong một vùng nguồn
bán vô hạn ở 12 mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV (Gy/Bq/m3) ----------------- 66
Bảng 4.9: Liều hiệu dụng được tính cho các phantom ở độ tuổi khác nhau ---------- 68
Bảng 4.10: Hệ số chuyển đổi của liều tương đương (E/Kair) cho các phantom ở các độ
tuổi khác nhau ------------------------------- ---------------------------------------------- ----71
Bảng 4.11: Liều hiệu dụng của người lớn--------------------------------------------------- 73
Bảng 4.12: Hệ số chuyển đổi liều cho người lớn (E/Kair) (Sv/Gy) ---------------------- 74
Hình 1.1:

Hệ trục toạ độ --------------------------------------------------------------------- 21

Hình 1.2:

Mô hình phantom hình người với chiều cao 174cm ------------------------- 34

Hình 3.1:

Mối quan hệ giữa liều hấp thụ D và kerma va chạm Kcol ------------------ 45

Hình 4.1:

Mô tả vùng nguồn --------------------------------------------------------------- 50

Hình 4.2:

Đồ thò bán kính cực tiểu của vùng nguồn ------------------------------------- 54

Hình 4.3:

Đồ thò tỷ số giữa liều hiệu dụng của phantom ở các độ tuổi khác nhau

với phantom người lớn ------------------------------------------------------------------------- 69
Hình 4.4:

Đồ thò hệ số chuyển đổi liều cơ quan của các phantom ở các độ tuổi

khác nhau đối với nguồn bán vô hạn trong không khí ------------------------------------ 72
Hình 4.5: Hệ số chuyển đổi liều của phantom người lớn đối với nguồn bán vô
hạn trong không khí ---------------------------------------------------------------------------- 75


9

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, các nguồn bức xạ được sử
dụng ngày càng nhiều trong hàng loạt lónh vực như: công nghiệp, nông nghiệp,
sinh học, xây dựng, thăm dò và khai thác tài nguyên, y tế, khảo cổ, bảo tồn di vật,
cảnh giới, bảo mật, tạo vật liệu mới, xử lý nâng cao chất liệu sản phẩm, bảo vệ
môi trường…Vì vậy, việc sử dụng các nguồn bức xạ ngày càng trở nên phổ biến
và thường xuyên hơn. Điều gì cũng có hai mặt của nó, ảnh hưởng của bức xạ đối
với cơ thể sống và môi trường như thế nào, có đáng kể không, đều phụ thuộc vào
nhiều yếu tố mà những yếu tố chủ quan trong đó nhận thức và thái độ của chúng
ta.
Đặt biệt, ngày nay có nhiều nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động, nhiều
vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân càng gia tăng…, điều đó sẽ ảnh hưởng đến môi
trường sinh thái, nhất là cơ thể sống của con người. Vì vậy, có rất nhiều người
trên thế giới đã nổ lực hết sức để đưa ra những phương pháp xác đònh liều lượng
bức xạ trên cơ thể sống, trong các cơ quan, các mô sống… nhằm để bảo đảm an
toàn bức xạ cho nhân loại. Họ đưa ra những trường hợp khác nhau, điều kiện của
nguồn chiếu xạ khác nhau, các loại mô hình phantom khác nhau phụ thuộc vào

giới tính, độ tuổi… để xây dựng một mô hình tính toán thực với thực tiễn nhằm
ngày càng nâng cao độ chính xác trong tính toán, để từ đó mà có thể làm giảm đi
thiệt hại cho con người đang sống và làm việc trong môi trường bò nhiễm xạ.
Việc đánh giá liều của các mô trong cơ thể từ những bức xạ phát ra được
phân bố ngẫu nhiên trong môi trường là một việc tính toán cực kỳ khó. Cho nên,
nhìn chung là cần phải đơn giản hóa và lý tưởng hóa mô hình chiếu. Năm 1974,
Poston và Snyder đã thực hiện công việc này trong vùng nguồn không khí bán vô
hạn bò nhiễm xạ và Kocher đã thực hiện công việc này trong vùng nguồn nước và
đất bán vô hạn bò nhiễm xạ [28], [29].


10

Công việc có ảnh hưởng mạnh đến sự phát triển về sau là của Beck và de
Planque [7] đã sử dụng phương pháp phương trình ma trận khai triển đa thức để
giải bài toán vận chuyển bức xạ trong không khí, đất để xác đònh suất liều chiếu
tại một vò trí cách mặt đất 1m cho các nguồn phóng xạ trong đất. Suất liều trong
không khí cũng được tính cho các mức năng lượng từ 0,25MeV đến 2,75MeV cho
các nhân phóng xạ thường được tìm thấy trong môi trường tự nhiên. Những cố
gắng tiếp theo là của Willams và các cộng sự (1985), Koblinger và Nagy [31],
Jacob và các cộng sự [25], [26], [27] đã sử dụng phương pháp luận tương đối cho
việc phân tích sự phụ thuộc về năng lượng, về góc, về không gian của trường bức
xạ cho cả hai loại phantom, phantom toán học và phantom được lấy từ ảnh CT
cho các độ tuổi khác nhau. Yamaguchi (1994) tính những hệ số liều cho những
phantom thuyết hình người, sử dụng phantom cho sáu nhóm tuổi dưới năm dạng
hình học chiếu xạ khác nhau.
Khác với công việc trên, Eckerman và Rydman (1993) [10] đã thực hiện
công việc kết hợp giữa những tung độ gián đoạn và phương pháp Monte Carlo để
giải phương trình vận chuyển photon cho nguồn photon được phân bố trong môi
trường, nó được chia thành 2 bước:

- Tính trường bức xạ tương tác lên mặt trụ bao quanh mô hình phantom.
- Tính liều cơ quan với nguồn mặt tương đương có dòng bức xạ phân bố góc
đi vào mặt trụ xung quanh phantom.
Ưu điểm của phương pháp này là tránh được những khó khăn do độ xuyên
sâu (nhiều quãng chạy trung bình tự do (mfp) trong không khí, đất) và hình học
phức tạp trong phantom hình người.
Nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác trong quá trình tính của
kết quả tính toán liều phụ thuộc vào độ chính xác của nguồn mặt tương đương.


11

Có rất nhiều người đã thực hiện công việc này, nhưng với công việc đó đều
thực hiện trong những điều kiện khác nhau, đưa ra những kết luận và nhận xét
khác nhau nhằm giúp cho công việc an toàn bức xạ ngày càng hiệu quả hơn.
Từ năm 1990, Ủy ban Quốc tế về An toàn bức xạ (ICRP) đã đề nghò xem
liều hiệu dụng E như là một thước đo của liều chiếu cá nhân. Nó có liên quan đến
những ảnh hưởng ngẫu nhiên trên cơ thể người khi các cơ quan nhận được các
liều bức xạ khác nhau. Tuy nhiên, các liều này không thể đo hay đánh giá một
cách trực tiếp. ICRP [22] và Ủy ban Quốc tế về đơn vò và đo lường bức xạ
(ICRU) đã đề nghò sử dụng các đại lượng đo được thay thế cho E [23]. Như vậy,
cần phải xác đònh hệ số chuyển đổi từ các đại lượng có thể đo được (chẳng hạn
như: hoạt độ nguồn, kerma không khí…) sang liều cơ quan không thể đo được. Để
thực hiện cho mục đích này, người ta đã sử dụng phương pháp tính toán, kết hợp
giữa kỹ thuật Monte Carlo với các phantom hình người. Hệ số chuyển đổi của
liều cơ quan, liều hiệu dụng tương tương và liều hiệu dụng được nghiên cứu hơn
ba thập kỷ qua đối với việc chiếu xạ ngoài từ nguồn photon như đất, nước và
không khí.
Trong luận văn này, công việc là tính hệ số chuyển đổi liều, liều hiệu dụng
phụ thuộc vào các độ tuổi khác nhau từ các nguồn gamma nhiễm bẩn trong không

khí ở các mức năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV sử dụng chương trình MCNP.
Ứng với mỗi nguồn photon đơn năng đó sẽ tính liều 22 cơ quan trong 6 nhóm tuổi
khác nhau: trẻ sơ sinh, 1 tuổi, 5 tuổi, 10 tuổi, 15 tuổi và người lớn.
Để thực hiện mục tiêu trên, nội dung của luận văn bao gồm các chương:
-

Chương 1: Tổng quan về phantom thuyết hình người, khái niệm
phantom số, phantom toán học, mô tả phantom MIRD-5: thành
phần vật chất và các phương trình toán học của phantom.


12

-

Chương 2: Trình bày phương pháp Monte – Carlo phương pháp
được sử dụng trong luận văn này. Giới thiệu chương trình MCNP.
Đặc điểm chung của chương trình MCNP.

-

Chương 3: Trình bày cơ sở của phép đo liều: kerma không khí,
hệ số chuyển đổi thông lượng photon thành kerma đối với mô
mềm, quãng chạy tự do trung bình và các đại lượng an toàn.

-

Chương 4: Khảo sát kích thước vùng nguồn, đảm bảo đủ đặc
trưng cho vùng nguồn bán vô hạn. Tính liều cơ quan đối với 12
nhóm năng lượng từ 0,01MeV đến 5MeV tương ứng với 6 nhóm

tuổi: trẻ sơ sinh, 1 tuổi, 5 tuổi, 10 tuổi, 15 tuổi và người lớn. Tính
liều hiệu dụng E và hệ số chuyển đổi liều.


13

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHANTOM THUYẾT HÌNH NGƯỜI
1.1. Phantom hình người
Phantom hình người là mô hình sử dụng trong tính toán sự phân bố liều bức
xạ trên cơ thể người dưới một nguồn bức xạ. Có hai loại phantom được xây dựng
theo công thức toán học hay còn gọi là phantom toán học và phantom số [10].
Phantom toán học được phát triển chủ yếu ở Phòng Thí Nghiệm Quốc gia
Oak Ridge (ORNL) bằng cách sử dụng các phương trình toán học của hình học
giải tích. Phantom toán học phù hợp với việc tính liều, chúng gần giống với
những đặc điểm kết cấu cơ thể của người thật và cho ta sự phân bố liều của các
cơ quan. Một vài phantom toán học được phát triển như: phantom nam, nữ trưởng
thành, phantom trẻ sơ sinh và những mô hình cơ quan được phát triển theo
phantom toán học người trưởng thành lưỡng tính đầu tiên, dạng phantom MIRD-5
[14].
Phantom số dựa trên kỹ thuật ảnh không gian ba chiều như ảnh cộng hưởng
từ MR, ảnh chụp cắt lớp điện toán CT. Phantom số giới thiệu thuật giải phẫu
người bao gồm một số lớn các nguyên tố thể tích mô. Loại phantom này được dựa
vào hình ảnh MR [10].
1.1.1 Phantom số (Phantom tomographic)
Phantom số được xây dựng từ ảnh chụp X quang, ảnh này có được nhờ
phương thức trong y học hiện đại như MR, CT của một chủ thể người thật hoặc
được tạo thành từng bộ phận của người bệnh, người tình nguyện hoặc tử thi.
Khoảng 10 cơ quan và các mô được phân đoạn bằng tay hoặc bán tự động từ
những hình ảnh và dữ liệu nguyên tố ảnh (không gian hai chiều) sắp xếp thành

một ma trận các nguyên tố thể tích mô không gian ba chiều mà ở đó những đặc
điểm riêng của cơ quan và tính đồng nhất được chuyển cho những nguyên tố thể


14

tích mô riêng lẻ [10]. Kết quả là nó gần giống với ảnh gốc trong y học, có thể nói
thuật giải phẫu người được mô tả thực hơn là phantom toán học. Đến bây giờ có
gần khoảng 30 phantom bao gồm phantom nam, nữ trưởng thành, phantom trẻ sơ
sinh và cả phantom phụ nữ mang thai, chúng được phát triển và sử dụng cho việc
tính toán liều bức xạ.
Năm 1984, Gibbs và các cộng sự [18], [19] đã đưa ra phantom số đầu tiên,
được lấy từ ảnh chụp hình cắt lớp tử thi của một người phụ nữ, nó mô tả đầu và
thân và được sử dụng để tính liều cho việc chụp X quang của răng. Cũng trong
năm này, Willam và các cộng sự của ông đã xây dựng phantom nữ 8 tuần tuổi
BABY và 7 tuổi CHILD [36].
Trải qua nhiều giai đoạn biến đổi và phát triển, đến 1995 Dimbylow đưa ra
phantom NORMAN dựa vào ảnh MR. Sau đó, phantom này được biến đổi một
lần nữa với chiều cao 178 cm, trọng lượng là 73kg và dùng để tính các hệ số hiệu
chỉnh trong công việc tính liều chiếu trong và liều chiếu ngoài. Năm 2000, Xu và
những người khác đưa ra loại phantom Vip-Man [35].
Đến năm 2005, Dimbylow [12], [13] đưa ra một phantom số của nữ NAOMI,
được xây dựng từ ảnh MR của một phụ nữ 23 tuổi, phantom này được áp dụng cho
việc tính liều trong từ trường.
Tất cả những phantom số đều dựa vào những hình ảnh y học chủng tộc người
da trắng và kích thước của chúng gần với kích thước chuẩn của chủng tộc người
da trắng.
1.1.2 Phantom toán học
Trong việc xác đònh vò trí và độ lớn của liều cực đại trong cơ thể người,
người ta hướng đến sử dụng máy tính kết hợp với kỹ thuật Monte Carlo cùng với

sự vận dụng phantom toán học để tính toán.


15

Phiên bản đầu tiên của phantom loại này là một bản dày 30 cm, tiếp theo nó
là một hình trụ tròn có đường kính 30cm, có chiều cao là 60cm. Phantom toán học
mô tả hình dạng cơ thể con người bao gồm các cơ quan bên trong nhờ sự kết hợp
của những phương trình toán học với các mặt phẳng, hình trụ, hình nón, hình elip
hoặc hình cầu. Phantom toán học được phát triển bởi Fisher và Snyder ở ORNL
năm 1966 [16].
Trong phantom này, đầu, cổ, thân (kể cả cánh tay) và vùng chân được xác
đònh tách biệt nhau. Phần thân của cơ thể thì đồng nhất nhưng vùng phổi và
xương thì mật độ của nó khác với mô mềm. Những năm tiếp theo, người ta đưa ra
loại phantom của người trưởng thành, có 22 cơ quan bên trong và hơn 100 vùng
phụ được xác đònh, nhưng phổi và xương vẫn không được xác đònh. Đến năm
1969, Snyder [34] đã giới thiệu một phantom khác bao gồm 3 vùng khác nhau,
với xương, phổi và mô mềm có những thành phần cấu tạo khác nhau.
Phantom này là phantom toán học không đồng nhất được nhiều người biết
đến và được gọi là phantom MIRD-5. Phantom MIRD-5 được xây dựng dựa vào
số liệu chuẩn trong tài liệu của ICRP-23 [24]. Loại phantom này được sử dụng để
tính liều trong an toàn bức xạ.
Một vài cải tiến được hợp nhất lại trong phantom MIRD: đỉnh đầu hình elip,
những vùng chân được tách biệt ra, bộ phận sinh dục nam, cấu trúc của bộ xương
và bộ máy đường ruột được cải tiến.
Năm 1980, Crysty và Eckerman [9] đã đưa ra một chuỗi các phantom toán
học cho các độ tuổi khác nhau: trẻ sơ sinh, 1 tuổi, 5 tuổi, 10 tuổi, 15 tuổi và người
trưởng thành dựa vào số liệu trong tài liệu ICRP-23. Tuy nhiên, chúng không
được sử dụng cho đến khi phiên bản mới được viết lại trong báo cáo ORNL/TM8381 vào năm 1987 [8].

16

Năm 1982, Kramer và cộng sự của ông [30] đã đưa ra hai loại phantom toán
học nam và nữ là ADAM và EVA, chúng được biến đổi từ phantom lưỡng tính
MIRD-5 và được sử dụng cho việc tính hệ số chuyển đổi liều trong tài liệu ICRP74 [21].
Cùng với sự phát triển của phantom người trưởng thành người ta đã xây dựng
phantom trẻ sơ sinh. Phantom trẻ sơ sinh thu nhỏ từ phantom ngøi trưởng thành.
Chúng tương tự như phantom người trưởng thành nhưng nhỏ hơn. Tuy nhiên, kích
thước cơ thể và những cơ quan của trẻ sơ sinh khác với người lớn. Các cơ quan và
hệ thống của chúng khác nhau về số lượng tăng trưởng, kiểu tăng trưởng và vò trí
của chúng trong cơ thể.
Trong luận văn này, ta sử dụng loại phantom MIRD-5 [14] với các độ tuổi
khác nhau: trẻ sơ sinh (0 tuổi), 1 tuổi, 5 tuổi, 10 tuổi, 15 tuổi và người trưởng
thành để tính liều các cơ quan trong cơ thể từ nguồn gamma trong không khí.
1.2 Mô tả phantom MIRD-5 [14]
Mỗi phantom gồm có 3 phần: phần đầu và cổ; thân và cánh tay; cẳng chân
và bàn chân [8, tr.37-40].
-

Phần đầu và cổ được mô tả bởi một hình trụ elip được đội bởi một nửa

hình elipxoit.
-

Phần thân và cánh tay được mô tả bằng một hình trụ elip.

-

Phần cẳng chân và bàn chân được mô tả bằng hai hình nón cầu bò cắt

cụt.
Gắn liền với cẳng chân là một mặt phẳng ở phía trước có chứa tinh hoàn.
Gắn với phần thân là hai hình elipxoit mô tả ngực của phụ nữ.
Bề ngoài phantom người lớn thì cánh tay không tách rời khỏi thân, những vật
nhỏ được thêm vào như: những ngón tay, bàn chân, cằm, mũi bò bỏ qua.


17

1.2.1 Thành phần của phantom
1.2.1.1 Thành phần của phantom ở các độ tuổi khác nhau (trừ trẻ sơ
sinh)
Mỗi phantom bao gồm: bộ xương, phổi và các mô mềm khác. Thành phần cơ
bản cho mỗi loại mô được cho ở bảng 1.1 cùng với các mật độ. Thành phần này
được lấy từ số liệu trong tài liệu ICRP-23 (1975). Chúng không khác nhiều so với
thành phần mà Snyder và các cộng sự đưa ra (1974) đối với phantom người lớn.
Dựa trên những cơ sở số liệu trong bảng 105 trong tài liệu ICRP-23 thì mật
độ của xương và mô mềm có thay đổi nhỏ so với số liệu Snyder đưa ra. Mật độ
xương được thay đổi từ 1,4846g/cm3 đến 1,4g/cm3 và từ 0,9869g/cm3 đến
1,04g/cm3 đối với mô mềm. Mật độ của phổi thì không thay đổi nhưng được làm
tròn bởi ba con số, được đưa ra trong bảng 1.1 [8, tr.41-42].
Hệ thống bộ xương mô tả toàn bộ bộ xương trong cơ thể và tủy sống. Vật
chất này được xem như là phân bố đồng nhất trong bộ xương.
Đối với phổi, thành phần hơi khác so với mô mềm vì trong phổi không chứa
chất béo (mỡ) và lượng máu cao hơn [9].


18

Bảng 1.1: Thành phần cơ bản của các mô cho tất cả các phantom trừ trẻ sơ
sinh.

Phần trăm theo trọng lượng
Nguyên tố
Mô mềm Xương
H
10,454
7,337
C
22,663
25,475
N
2,490
3,057
O
63,525
47,893
F
0
0,025
Na
0,112
0,326
Mg
0,013
0,112
Si
0,03
0,002

P
0,134
5,095
S
0,204
0,173
Cl
0,133
0,143
K
0,208
0,153
Ca
0,024
10,190
Fe
0,005
0,008
Zn
0,003
0,005
Rb
0,001
0,002
Sr
0
0,003
Zr
0,001
0

Pb
0
0,001
3
Mật độ(g/cm ) 1,04
1,4

Phổi
10,134
10,238
2,866
75,752
0
0,184
0,007
0,006
0,08
0,225
0,266
0,194
0,009
0,037
0,001
0,001
0
0
0
0,296

1.2.1.2 Thành phần của phantom đối với trẻ sơ sinh [8, tr.42-45]

Thành phần cơ bản và trọng lượng riêng của trẻ sơ sinh khác với người lớn
được đưa ra trong bảng 1.3. Khác nhau nổi bậc nhất là hàm lượng nước cao hơn
và hàm lượng chất khoáng trong xương thấp hơn. Trọng lượng riêng của trẻ sơ
sinh 1,02g/cm3 so với người lớn là 1,07g/cm3. Thành phần cấu tạo và mật độ mô


19

là những tham số quan trọng cho việc xác đònh sự vận chuyển photon trong cơ thể
[8].
Bộ xương: Xương của trẻ sơ sinh thì có nhiều nước nhưng ít chất béo, ít chất
khoáng hơn là xương người lớn. Hơn nữa, còn có sự khác biệt giữa xương cơ và
xương vỏ não. Vì vậy, không thể sử dụng thành phần xương người lớn cho việc
tính toán sự vận chuyển bức xạ trong trẻ sơ sinh. Các thành phần vật chất trong
xương được đưa ra trong bảng 1.2.

Bảng 1.2: Các thành phần vật chất trong xương ở trẻ sơ sinh và người
trưởng thành.

Thành phần % theo trọng lượng
Vật chất
Nước
Protein
Chất khoáng
Chất béo

Trẻ sơ sinh
61
17
21

1

Người trưởng thành
33
19
28
19

Phổi: Chúng ta có thể sử dụng thành phần cấu tạo của phổi người lớn cho
việc tính toán sự vận chuyển bức xạ trong trẻ sơ sinh. Từ những kết luận trên
người ta đưa ra thành phần cơ bản của mô trong phantom trẻ sơ sinh trong bảng
1.3.


20

Bảng 1.3: Thành phần cơ bản của mô trong phantom trẻ sơ sinh
Thành phần % theo trọng lượng
Nguyên tố
Mô mềm Xương
Phổi
H
10,625
7,995
10,134
C
14,964
9,708
10,238
N

1,681
2,712
2,866
O
71,830
66,811
75,752
Na
0,075
0,314
0,184
Mg
0,019
0,143
0,007
P
0,179
3,712
0,080
S
0,240
0,314
0,225
Cl
0,079
0,140
0,266
K
0,301
0,148

0,194
Ca
0,003
7,995
0,009
Fe
0,004
0,008
0,037
3
Mật độ(g/cm )
1,04
1,22
0,296
1.2.2 Mô tả các vùng cơ thể và các cơ quan [14]
Phantom được mô tả bởi các trục toạ độ OX, OY, OZ như trình bày ở hình
1.1:
-

Trục OX hướng từ trước ra sau phantom.

-

Trục OY từ bên phải sang bên trái.

-

Trục OZ từ dưới lên trên đỉnh đầu.

Gốc tọa độ nằm ở tâm của phần thân phantom. Đơn vò kích thước là cm được

lấy hai số thập phân. Kích thước, vò trí của các bộ phận cơ thể và các cơ quan
được xác đònh bằng công thức toán học.


21

z

y
x
o

Hình 1.1: Hệ trục toạ độ
Phần thân: Bao gồm cánh tay và khung xương chậu cho đến đáy chậu,
không tính phần ngực của của phụ nữ, là một hình trụ elip đặc, được mô tả bởi
phương trình:
2

2

 x   y 
 ≤1

 +
 AT   B T 
và 0 ≤ z ≤ C T .

(1.1)

Trong đo,ù A T , B T , C T có giá trò được cho tùy thuộc vào độ tuổi khác nhau có

trong bảng [14, tr.2].
Phần đầu: Bao gồm cả cổ được mô tả bởi một hình trụ vuông tròn, còn phần
đầu là hình trụ elip đặc được chụp lên bởi một nữa hình elipxoit, được mô tả bởi
phương trình:


22

2

2
2
 x   y   z −(C T +C H 0 +C H 1) 
 ≤1
  +   + 

CH2
 AH   BT  


và

(1.2)

z > CT + C H 0 + C H 1

Trong đó, C T , CH0 , C H1 : giá trò được cho tuỳ thuộc vào độ tuổi khác nhau [14,
tr.3].
Phần cẳng chân: Được mô tả bởi hai hình nón tròn cụt với phương trình:


2
AT
2
x + y ≤ ± x  AT +
CL



z


và − C L ≤ z ≤ 0

(1.3)

“+” ký hiệu cho chân trái.
“-” ký hiệu cho chân phải.
Trong đó, C T , AT , C L giá trò được cho tùy thuộc vào độ tuổi khác nhau [14, tr.3].
Bộ phận sinh dục nam: Cơ quan sinh dục nam trong mỗi phantom được xác
đònh:
z1 ≤ z ≤ 0 ;

−r ≤ x ≤ r ;

−r ≤ y ≤ 0
và

(x± r )

2

+ y ≥ r2
2

(1.4)

'
Trong đó, r : được cho trong biểu thức 0, 5 A T (1 + z C L ) ; A T : là kích thước

của thân; C 'L : là kích thước của cẳng chân;

z1 : được cho bởi biểu thức –(2c+S),

c : giá trò được xác đònh cho tinh hoàn, S : bề dày của da. Tất cả các tham số được
xác đònh bên ngoài, ở đây chỉ đưa ra bảng giá trò thể tích [14, tr.4].
Hệ thống bộ xương: Xương cẳng chân, xương cánh tay, xương sống, xương
sọ, khung xương chậu, xương lòng ngực, xương đòn, xương bã vai, tủy xương.


23

Tuyến thượng thận: được mô tả bởi một phần hai ở đỉnh elipxoit của thận
và được xác đònh:
2

2

2

 x1   y1   z1 
  +  +  ≤1
a  b  c
và z 1 ≥ 0

(

(1.5)

)

Với x1, y1, z1 , ( x , y , z ) bởi ma trận:

 x1   cos θ sin θ 0   x − x 0 
  =  − sin θ cos θ 0  

 y 1 
  y− y0
 z1   0
0
1   z − z 0 

(1.6)

Trong đó, x0 , θ : mang dấu “+” đối với tuyến thượng thận trái; dấu “-” đối với
thượng thận phải.
Với a , b , c , x 0 , y 0 , z 0 : giá trò của nó và thể tích được cho trong bảng [14, tr.10].
Não: Được mô tả bởi hình elipxoit ở hình 1.2, có phương trình:
2

2
2
 x   y   z − (C T + C H 0 + C H 1) 
 ≤ 1
  +   + 
c
a b 


(1.7)

Trong đó, a , b , c : giá trò được cho tuỳ thuộc vào độ tuổi khác nhau [14, tr.11].
Ngực (vú): Ngực của phụ nữ là hai elipxoit được gắn trên thân (xem hình
1.2):
2

2

2

 x− x0   y− y0   z − z 0 

 +
 ≤1
 +
 a   b   c 
2

2

 x   y 
và 
 +  >1
 AT   B T 
Trong đó: y 0 = − B T



1−  x0 
 AT 

2

(1.8)


24

Với x 0 : mang dấu “+” đối với ngực trái và mang dấu “-” đối với ngực phải.
Nếu có tính đến bề dày S của da thì:
2

2

2

 x− x0   y− y0   z− z0 

 +
 ≤1

 +
 a−S   b−S   c−S 
2

2

 x   y 
và 
 +  >1
A
 T   BT 

(1.9)

Với a , b , c , x 0 , z 0 được cho tùy thuộc vào độ tuổi khác nhau [14, tr.11].
Túi mật: Đối với 1 tuổi, 5 tuổi, 10 tuổi, 15 tuổi và người lớn được mô phỏng
bởi một hình nón bò cắt cụt và được chụp lên bởi một bán cầu. Đối với trẻ sơ sinh
thì túi mật được mô phỏng bởi một hình trụ. Túi mật được xem như là một cơ
quan.

(

)

Với x1, y1, z1 , ( x , y , z ) được liên hệ bởi ma trận :

 x 1  α 1 β 1 γ 1   x − x 0 

y  = 


y
y
−
β
γ
α
2
2
2
0
1

  

 z 1   α 3 β 3 γ 3   z − z 0 

(1.10)

Bên ngoài thành bán cầu được xác đònh:
2
2
2
x1 + y1 + z1 ≤ r 2 ;
2

2
2
2
x1 + y1 + z1 ≤ r1 ;
2

(1.11)

z1 < 0 ;

và bên ngoài hình nón:
2

2
x 1 + y 1 ≤ ( r 2 − s z 1) ;
2

2

2
x 1 + y 1 ≥ ( r 1 − s z 1) ;
2

0 ≤ z1 ≤ h

(1.12)