Tính toán che chắn cho phòng xạ trị dùng máy gia tốc bằng monte carlo code EGSnrc

N

O

N

N UYỄN

Ị ẨM Ú

N

ÍN
OÁN
E
ẮN
O P ÒN
X
Ị DÙN MÁY
Ố
ẲN
BẰN MON E
LO CODE EGSnrc

LU N

N

L

– ăm 2013

N

N


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................ 5
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... 7
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ ............................................. 12
1.1. Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ (ATBX) trong xạ trị ............. 12
1.1.1. Các khuyến cáo về tiêu chuẩn ATBX theo ICRP .............................. 12
1.1.1.1 Các đại lượng liều áp dụng trong tính toán che chắn .............. 13
1.1.1.2 Giới hạn liều đối với con người.............................................. 17
1.1.2. Các qui định về ATBX tại Việt Nam ................................................ 18
1.1.2.1 Giới hạn liều nghề nghiệp ...................................................... 18
1.1.2.2 Giới hạn liều công chúng ....................................................... 19
1.2. Những biện pháp nhằm hạn chế tiếp xúc với chùm tia bức xạ ..................... 19
1.3. Cơ sở lý thuyết của tính toán che chắn ATBX ............................................. 22
1.3.1. Các thuật ngữ trong tính toán thiết kế che chắn................................. 22
1.3.1.1 Khu vực được kiểm soát và khu vực không được kiểm soát ... 22
1.3.1.2 Khối lượng công việc (Workload-W)..................................... 22
1.3.1.3 Hệ số sử dụng (Use Factor-U)................................................ 23
1.3.1.4 Hệ số chiếm cứ (Occupancy Factor-T)................................... 23
1.3.1.5 Bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp ............................................ 24
1.3.1.6 Rào chắn bảo vệ..................................................................... 24
1.3.2. Lý thuyết tính toán che chắn sơ cấp .................................................. 25
1.3.2.1 Hệ số truyền qua rào sơ cấp ( B pri ) ......................................... 25

1.3.2.2 Số lớp che chắn (n) ................................................................ 26
1.3.2.3 Bề dày của tường che chắn (t)................................................ 26
1


1.3.2.4 Hệ số truyền qua (B) khi biết trước bề dày tường che chắn .... 27
1.3.2.5 Liều tương đương (Hpri) truyền qua bề dày vật liệu che chắn.. 27
1.3.3. Lý thuyết tính toán che chắn thứ cấp................................................. 27
1.3.3.1 Hệ số truyền qua rào thứ cấp của bức xạ tán xạ từ bệnh nhân. 27
1.3.3.2 Liều tương đương bên ngoài phòng máy do tán xạ................. 28
1.3.3.3 Hệ số truyền qua rào thứ cấp của bức xạ tán xạ bị rò rỉ  BL  .. 28
1.3.3.4 Liều tương đương bên ngoài phòng máy do bức xạ rò rỉ ........ 28
1.3.3.5 Bề dày lớp che chắn chùm thứ cấp......................................... 28
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ............ 29
2.1. Máy gia tốc tuyến tính HPD tại Bệnh viện Chợ Rẫy.................................... 30
2.1.1. Nguyên tắc hoạt động ....................................................................... 30
2.1.2. Cấu tạo đầu máy gia tốc.................................................................... 31
2.1.3. Tương tác của bức xạ phát ra từ máy gia tốc với vật chất.................. 32
2.1.4. Phương thức xạ trị của đầu máy gia tốc HPD tại BVCR ................... 33
2.2. Chương trình EGSnrc (Electron Gamma Shower) ...................................... 34
2.2.1. Nguyên tắc tính liều bức xạ theo phương pháp mô phỏng MCNP ..... 34
2.2.2. Nguyên tắc hoạt động của code EGSnrc ........................................... 34
2.2.3. Cấu trúc chung của code EGS........................................................... 35
2.2.4. Hệ thống thư mục của code EGSnrc ................................................. 36
2.2.5. Mối quan hệ giữa BEAMnrc và DOSXYZnrc................................... 37
2.3. Vai trò của BEAMnrc trong mô phỏng........................................................ 38
2.3.1. Khai báo cho BEAMnrc.................................................................... 38
2.3.2. File không gian pha *.egsphant......................................................... 39
2.4. Vai trò của DOSXYZnrc trong tính toán phân bố liều ................................. 41
2.4.1. Khai báo phantom............................................................................. 41

2.4.2. Các định dạng file Output ................................................................. 42

2


CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG CODE EGSnrc TRONG MÔ PHỎNG VÀ TÍNH
TOÁN SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIỮA CODE EGSnrc
VỚI KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THEO NCRP 151 VÀ KẾT QUẢ ĐO
TẠI BVCR ................................................................................................ 44
3.1. Tính phân bố liều tại khu vực công chúng theo NCRP 151.......................... 44
3.1.1. Điều kiện làm việc và dữ liệu tính toán............................................. 45
3.1.2. Kết quả tính phân bố liều theo NCRP 151 cho khu vực công chúng.. 46
3.1.2.1. Liều bên ngoài tường sơ cấp  H pri  ...................................... 46
3.1.2.2. Liều bên ngoài tường thứ cấp  H sec  ..................................... 46
3.1.2.3. Tổng liều bức xạ bên ngoài phòng máy gia tốc ..................... 47
3.1.3. Kết quả đo phân bố liều trong phòng máy gia tốc tại BVCR ............. 47
3.2. So sánh phương pháp tính giải tích theo NCRP 151 và Siemens ................ 48
3.2.1. Phương pháp tính liều giới hạn theo NCRP 151................................ 48
3.2.2. Phương pháp tính liều giới hạn tại BVCR theo Siemens ................... 51
3.3. Tính phân bố liều trong phòng máy gia tốc dùng code EGSnrc................... 53
3.3.1. Mô hình hoá đầu máy gia tốc dùng BEAMnrc .................................. 53
3.3.2. Tạo file không gian pha .................................................................... 55
3.3.2.1 Nguồn sử dụng trong BEAMnrc ............................................ 55
3.3.2.2 Các thông số mô tả nguồn...................................................... 57
3.3.3. Quá trình tính liều với DOSXYZnrc ................................................. 58
3.3.3.1 Khai báo phantom.................................................................. 59
3.3.3.2 Nguồn và các thông số vận chuyển ........................................ 60
3.3.3.3 Trình bày kết quả ................................................................... 62
KẾT LUẬN....................................................................................................... 68
HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................... 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 71
PHỤ LỤC.......................................................................................................... 74
3


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
2D:

Two-Dimensional

3D:

Three-Dimensional

ATBX:

An Toàn Bức Xạ

BVCR:

Bệnh viện Chợ Rẫy

CM:

Component Module

ECUT:

Electron cut-off energy

EGS:

Electron Gamma Shower

ETRAN:

Electron TRANsport

FS:

Field Size

GEANT4:

Geometry Add Tracking 4

IAEA:

International Atomic Energy Agency

ICRP:

International Commission on Radiological Protection

MCNP:

Monte Carlo N Particle

NCRP:

National Council on Radiation Protection and Measurements

NRCC:

National Research Council of Canada

OMEGA:

Ottawa Madision Electron Gamma Algorithm

PCUT:

Photon Cut-Off Energy

PENELOPE:

Penetration and Energy LOss of Positrons and Electron

SAD:

Source to Axis Distance

SSD:

Source to Surface Distance

W:

Workload

U:

Use Factor

T:

Occupancy Factor

TVL:

Tenth Value Layer

TVLe:

Equilibrium Tenth Value Layer

TVL1:

First Tenth Value Layer
4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ (ICRP-1990) .................. 15
Bảng 1.2: Các trọng số mô đặc trưng cho các mô hoặc cơ quan trong cơ thể.............. 16
Bảng 1.3: Giới hạn liều qua các thời kỳ của ICRP ..................................................... 18
Bảng 1.4: Giá trị của hệ số sử dụng đối với chùm tia sơ cấp ...................................... 23
Bảng 1.5: Giá trị của hệ số chiếm cứ.......................................................................... 24
Bảng 3.1: Kết quả đo liều tại Bệnh Viện Chợ Rẫy ..................................................... 48
Bảng 3.2: Bề dày che chắn cho khu vực nhân viên khi tính theo NCRP 151 và

Siemens...................................................................................................... 53
Bảng 3.3: Khoảng năng lượng và xác suất tương ứng với photon 6 MV..................... 56
Bảng 3.4: Mảng giá trị liều tại khu vực nhân viên khi đặt phantom nước tại .............. 62
tâm phòng máy gia tốc ............................................................................... 62
Bảng 3.5: Mảng giá trị liều tại khu vực công chúng khi đặt phantom nước tại tâm
phòng máy.................................................................................................. 63
Bảng 3.6: So sánh giá trị liều (mSv/năm) tại khu vực nhân viên ................................ 64
Bảng 3.7: So sánh giá trị liều (mSv/năm) tại khu vực công chúng.............................. 64
Bảng 3.8: Mảng giá trị liều khi thay phantom nước bằng không khí và loại bỏ tường
che chắn ..................................................................................................... 65
Bảng 3.9: So sánh sự suy giảm chùm tia theo lý thuyết (quy luật giảm theo bình
phương khoảng cách) và mô phỏng ............................................................ 66
5


Bảng 3.10: Mảng giá trị liều khi thay phantom nước bằng không khí và phòng máy
được che chắn với tường dày 130 cm ......................................................... 66
Bảng 3.11: So sánh sự suy giảm chùm tia theo quy luật hàm logarit và mô phỏng ..... 67

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Biểu diễn độ suy giảm cường độ chùm tia theo khoảng cách...................... 21
Hình 1.2: Biểu diễn sự phụ thuộc độ rộng chùm tia vào bề dày lớp che chắn ............ 21
Hình 1.3: Sơ đồ che chắn bức xạ sơ cấp và thứ cấp.................................................... 25
Hình 1.4: Khoảng cách từ nguồn đến điểm Q bên ngoài tường bảo vệ ....................... 26
Hình 1.5: Hình biểu diễn các khoảng cách d sca , d sec , F và d L .................................... 27
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của máy gia tốc .............................................. 30
Hình 2.2: Thành phần đầu điều trị máy gia tốc tuyến tính .......................................... 31

Hình 2.3: Sơ đồ tạo thành các hiệu ứng khi bức xạ tương tác với vật chất.................. 33
Hình 2.4: Cấu trúc của hệ thống code EGSnrc khi được sử dụng với 1 user code....... 35
Hình 2.5: Cấu trúc đường dẫn của HEN_HOUSE...................................................... 36
Hình 2.6: Cấu trúc đường dẫn của EGS_HOME ........................................................ 37
Hình 2.7: Mối liên hệ giữa BEAMnrc và DOSXYZnrc.............................................. 38
Hình 2.8: Giao diện các CM của đầu máy gia tốc HPD.............................................. 38
Hình 2.9: Giao diện cho khai báo các thông số vận chuyển, thông số vào chính ........ 39
Hình 2.10: Giao diện khai báo vùng ghi file không gian pha...................................... 40
Hình 2.11: Giao diện khai báo Phantom trong DOSXYZnrc...................................... 42
Hình 3.1: Sơ đồ vị trí tính liều bên ngoài phòng máy gia tốc...................................... 44
Hình 3.2: Các khoảng cách tính toán che chắn........................................................... 45
7


Hình 3.3: Hướng chiếu chùm tia ứng với các góc quay khác nhau ............................. 49
Hình 3.4: Mô hình 2D của đầu máy gia tốc HPD ....................................................... 55
Hình 3.5: Giao diện nguồn 0 trong khai báo cho Beamnrc ......................................... 58
Hình 3.6: Giao diện khai báo vùng tính liều............................................................... 60
Hình 3.7: Giao diện khai báo vật liệu cho phantom.................................................... 60
Hình 3.8: Giao diện khai báo các thông số cho nguồn 2 trong DOSXYZnrc .............. 61
Hình 3.9: Tọa độ File không gian pha đến từ nguồn 2................................................ 61
Hình 3.10: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm liều khi phantom nước đặt giữa phòng máy 62
Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm liều khi phòng máy gia tốc không được
che chắn ..................................................................................................... 65
Hình 3.12: Đồ thị biểu diễn sự suy giảm liều khi thay phantom nước bằng................ 67

8


MỞ ĐẦU

Nhằm thực hiện chương trình phòng chống ung thư quốc gia, nhiều bệnh viện
tại Việt Nam đang xúc tiến việc lắp đặt máy gia tốc cho xạ trị. Do suất liều cung cấp
bởi các máy gia tốc là rất cao, phòng xạ trị phải được che chắn thích hợp để bảo
đảm về mặt an toàn bức xạ cho nhân viên cũng như công chúng. Việc thiết kế che
chắn cho phòng đặt máy là một bài toán vừa mang tính khoa học vừa có yếu tố kinh
tế: một mặt nó phải đáp ứng các qui định về liều giới hạn, mặt khác nó cần hợp lý
về mặt chi phí. Để giải quyết bài toán này, cần có thông tin về suất liều, tần suất
phát tia, số lượng bệnh nhân, các góc chiếu trung bình, thời gian lưu trú của nhân
viên hay công chúng tại cơ sở, bố trí của khu vực lân cận, v.v.. Cuối cùng, khi biết
phổ năng lượng của chùm bức xạ, ta có thể mô tả sự suy giảm của chùm tia khi đi
qua những bề dày vật chất khác nhau.
Bên cạnh phương pháp tính toán giải tích như được trình bày trong tài liệu của
IAEA [10] hay NCRP 151 [14], phương pháp Monte Carlo cũng cho phép tính toán
che chắn. Đặc biệt, chương trình Monte Carlo EGSnrc, với các code chuyên dụng
như BEAMnrc và DOSXYZnrc, được xây dựng cho những tính toán với máy gia
tốc, có thể giúp tính toán che chắn cho phòng máy gia tốc. Công cụ này đã được
công nhận rộng rãi trong giới vật lý y khoa và được xem là tiêu chuẩn để đánh giá
các tính toán liều lượng.
Để có thể mô tả phổ năng lượng của chùm bức xạ nhờ EGSnrc trong tính toán
che chắn, còn cần phải có hiểu biết về cấu trúc của máy gia tốc. Với một máy gia
tốc cụ thể thì điều này là khả thi.
Luận văn này nhằm mục đích nghiên cứu áp dụng EGSnrc vào việc tính toán
che chắn cho phòng chứa máy gia tốc. Kết quả tính toán sẽ được so sánh với những
phương pháp tính khác để đánh giá độ chính xác và rút ra các kết luận cần thiết.
Từ mục đích và nội dung công việc như trên, luận văn được bố cục bao gồm
ba chương.

9

Chương 1: Tổng quan về an toàn bức xạ (ATBX) trong xạ trị
Chương này trả lời các câu hỏi có liên quan đến ATBX bao gồm: Mức liều
chiếu xạ được phép giới hạn cho bệnh nhân, cho công chúng và cho nhân viên được
qui định là bao nhiêu? Các biện pháp nào được áp dụng để che chắn bức xạ ion hoá
nhằm đảm bảo ATBX? Các kỹ thuật và thuật ngữ được sử dụng trong quá trình tính
toán che chắn? Cùng với việc trả lời các câu hỏi nêu trên, chúng tôi cũng trình bày
cơ sở lý thuyết trong tính toán che chắn theo tài liệu NCRP 151 và đưa ra một ví dụ
cụ thể để áp dụng cho cơ sở lý thuyết này.
Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng: Máy gia tốc tuyến tính tại Bệnh viện Chợ Rẫy
Phần này trình bày các vấn đề liên quan đến nguyên lí hoạt động của máy gia
tốc tuyến tính, cấu tạo đầu điều trị máy gia tốc tuyến tính. Cùng với việc tìm hiểu sự
tương tác của bức xạ trong môi trường vật chất để làm cơ sở mô phỏng chùm tia
phát ra từ máy gia tốc.
Phương pháp: Các chương trình EGSnrc, BEAMnrc và DOSXYZnrc
Phần này giới thiệu về kỹ thuật tính toán Monte Carlo nói chung cũng như
trình bày về nguyên tắc hoạt động của các code EGSnrc, BEAMnrc và
DOSXYZnrc được dùng trong bài toán mô phỏng.
Chương 3: Áp dụng code EGSnrc trong mô phỏng và tính toán. So sánh
kết quả được mô phỏng từ code EGSnrc với kết quả tính toán theo NCRP 151
và kết quả đo tại Bệnh viện Chợ Rẫy (BCVR)
Chương này trình bày kết quả tính toán về sự phân bố liều bên trong phòng
máy gia tốc (phantom nước) cùng với sự phân bố liều bên ngoài phòng máy gia tốc
dùng Code EGSnrc. Sau khi ghi nhận kết quả mô phỏng, chúng tôi tiến hành lập tỉ
số về sự phân bố liều tại một điểm cách tường bên ngoài phòng máy gia tốc 30 cm
và phân bố liều bên trong phantom nước để từ đó đánh giá và đưa ra kết luận về
mức độ an toàn cho phòng máy gia tốc. Kết quả của chúng tôi được so sánh với kết
quả đo tại BVCR cũng như được đối chiếu với kết quả tính toán trên cơ sở lý thuyết
của tài liệu NCRP 151.
10

Phần phụ lục: Được trình bày để làm sáng tỏ các giai đoạn mô phỏng, bao
gồm:
Phụ lục A: Input file cho mô phỏng đầu máy gia tốc dùng trong BEAMnrc.
Phụ lục B: Input file cho khai báo Phantom dùng trong DOSXYZznrc để tính
phân bố liều.
Phụ lục C: Kết quả tính liều mô phỏng với output file *.egslst.
Phụ lục D: Các giá trị được áp dụng cho tính toán ATBX theo NCRP 151 và
theo chương trình mô phỏng.

11


CHƯƠNG 1. AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ
1.1. Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ (ATBX) trong xạ trị
Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các máy móc công nghệ cao được sử
dụng trong lĩnh vực y tế nói chung và trong xạ trị nói riêng cũng không ngừng phát
triển, từ sử dụng nguồn Co-60 chỉ có hai mức năng lượng là 1,17 MeV và 1,33
MeV đến sử dụng máy gia tốc có các mức năng lượng lên đến 6 MV, 10 MV, 15
MV,…
Chính vì vậy, yêu cầu về ATBX đã được trình bày trong nhiều tài liệu và các
báo cáo như Report No.47 (NCRP, 2006), Report No.49 (NCRP, 1976), Report
No.51 (NCRP, 1977) và NCRP Report No.79 (NCRP, 1984). Vì yêu cầu của luận
văn nên chúng tôi chỉ trình bày sơ lược các vấn đề có liên quan đến ATBX theo
khuyến cáo của ICRP, của viện Năng Lượng Nguyên Tử Quốc Tế (IAEA) và các
qui định về ATBX tại Việt Nam, thông tin xem chi tiết tại [15] [19].
Mục đích của việc che chắn bức xạ nhằm giúp cho nhân viên làm việc trong
môi trường bức xạ và công chúng nói chung hạn chế tiếp xúc với bức xạ và duy trì
ở mức giới hạn cho phép. Do vậy, để đạt được mục đích trên, bước đầu tiên trước

khi tiến hành tính toán che chắn, chúng tôi bắt đầu tìm hiểu các khuyến cáo về tiêu
chuẩn ATBX trên Thế giới và tại Việt Nam.
1.1.1. Các khuyến cáo về tiêu chuẩn ATBX theo ICRP
Để hiểu rõ hơn các khuyến cáo về tiêu chuẩn ATBX, cần trả lời các câu hỏi:
Các khái niệm liên quan đến liều dùng trong tính toán che chắn? Tại sao dùng các
khái niệm liều khác nhau trong từng trường hợp khác nhau? Giới hạn liều đối với
con người là bao nhiêu [5] [6] [14]?

12


1.1.1.1 Các đại lượng liều áp dụng trong tính toán che chắn
 Liều hấp thụ (Absorbed dose)
Liều hấp thụ là năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trên đơn vị khối lượng của
đối tượng bị chiếu xạ [6]. Theo định nghĩa, ta có:
D ht 

E
m

(1.1)

Trong đó:

E  J  : là năng lượng của bức xạ mất đi do sự ion hóa trong đối tượng bị chiếu
xạ.

m  kg  : là khối lượng của đối tượng bị chiếu xạ.
Dht : là liều hấp thụ.
Ngoài đơn vị SI là J/kg, liều hấp thụ còn có đơn vị Gy hoặc rad.

1Gy = 1J/kg = 100 rad = 100 cGy.
Giá trị liều hấp thụ bức xạ phụ thuộc vào tính chất của bức xạ và môi trường
hấp thụ. Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác
của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất. Do đó, năng lượng hấp thụ trong
một đơn vị khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron với hạt
nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong một đơn vị khối lượng của môi trường
vật chất hấp thụ.
 Liều chiếu (Exposure dose)
Liều chiếu của tia X hoặc tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến
đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí,
khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn. Trong luận văn này, liều chiếu được đề cập là liều
chiếu của tia X. Từ định nghĩa trên, ta có:
D ch 

Q
m

(1.2)

13


Trong đó:

Q  C  : là điện tích xuất hiện do sự ion hóa không khí trong một khối thể tích.
m  kg  : là khối lượng không khí của thể tích trên.
Dch : là liều chiếu
Đơn vị của liều chiếu là Coulomb trên kilogam (C/kg) hoặc Roentgen.
1C/kg = 3876 R.
 Liều tương đương (Equivalent dose)

Trong thực nghiệm cho thấy hiệu ứng sinh học gây bởi bức xạ không chỉ phụ
thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ. Do vậy, một đại lượng
được dùng là liều tương đương: “tương đương” có nghĩa là giống nhau về mặt sinh
học. Để so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau.
Dựa vào tính chất trên, liều tương đương được định nghĩa là liều hấp thụ trung
bình trong mô hoặc cơ quan T bất kỳ do bức xạ r nhân với hệ số trọng số phóng xạ
tương ứng của bức xạ.
H T    Wr  D T,r 

(1.3)

Trong đó:
r: là loại bức xạ được hấp thụ trong mô hay cơ quan T.

Wr : là hệ số trọng số phóng xạ của bức xạ r.
DT,r : là liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T.

HT : là liều tương đương.
Đơn vị của liều tương đương là J/kg, rem hoặc Sievert (Sv).
1 Sv = 100 rem

14


Bảng 1.1: Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ (ICRP-1990)
Loại bức xạ

Khoảng năng lượng

Trọng số phóng xạ Wr

Photon

Tất cả

1

Electron và muon

Tất cả

1

Dưới 10 KeV

5

Từ 10 KeV đến 100 KeV

10

Từ 100 KeV đến 2 MeV

20

Từ 2 MeV đến 20 MeV

10

Trên 20 MeV

5

Trên 2 MeV

5

Tất cả

20

Neutron

Proton giật lùi
Hạt alpha, mảnh phân
hạch, hạt nhân nặng

 Liều hiệu dụng (Effective dose)
Để đánh giá xác suất gây ra những hiệu ứng ngẫu nhiên như ung thư hay di
truyền trên từng bộ phận hay một cơ quan bất kỳ của cơ thể, ICRP đề nghị đưa vào
các trọng số mô WT . Các mô khác nhau nhận cùng một liều tương đương như nhau
thì tổn thương sinh học khác nhau.
Liều hiệu dụng được định nghĩa là tổng của tất cả các liều tương đương ở các
mô hay cơ quan, mỗi một liều được nhân với trọng số mô tương ứng nó cho biết xác
suất xảy ra những hiệu ứng ngẫu nhiên khi cơ thể bị chiếu tại nhiều vùng khác nhau.

E =   WT  H T 

(1.4)

15


Trong đó:
WT : là trọng số mô

HT : là liều tương đương
E: là liều hiệu dụng
Đơn vị của liều hiệu dụng là J/kg hoặc Sievert (Sv).
Bảng 1.2: Các trọng số mô đặc trưng cho các mô hoặc cơ quan trong cơ thể
Cơ quan hoặc mô

Trọng số mô WT

Cơ quan sinh dục

0,20

Tủy xương

0,12

Ruột

0,12

Phổi

0,12

Dạ dày

0,12

Bàng quang

0,05

Vú

0,05

Gan

0,05

Thực quản

0,05

Tuyến giáp

0,05

Da

0,01

Mặt xương

0,01

Các cơ quan khác

0,05

Dựa vào định nghĩa cũng như tính chất của từng đại lượng liều đã nêu ở trên,
cũng như xuất phát từ mục đích của luận văn. Trong luận văn này, chúng tôi áp
16


dụng đại lượng liều tương đương trong tính toán thiết kế và che chắn từ cơ sở lý
thuyết đến mô phỏng bằng Monte Carlo Code EGSnrc.
1.1.1.2 Giới hạn liều đối với con người
Nhiệm vụ chủ yếu của việc phòng chống bức xạ ion hóa là không để sự chiếu
xạ trong và ngoài lên cơ thể vượt quá liều lượng được phép giới hạn.
Từ những năm 30, ICRP (Ủy ban quốc tế về an toàn bức xạ) đã khuyến cáo
rằng mọi tiếp xúc với bức xạ vượt quá giới hạn phông bình thường nên giữ ở mức
độ càng thấp càng tốt. Khuyến cáo này được bổ sung và điều chỉnh hàng năm để
giúp nhân viên và công chúng nói chung phòng tránh quá liều. Các khuyến cáo gần
đây nhất được đưa ra năm 1990. Các khuyến cáo này không là giới hạn bắt buộc
nhưng đã được thông qua như là quy tắt luật pháp ở nhiều nước.
Đối với nhân viên bức xạ: Theo khuyến cáo của ICRP [7], mức liều đối với
nhân viên không nên vượt quá 50 mSv/năm và liều trung bình cho 5 năm không
được vượt quá 20 mSv. Nếu một phụ nữ mang thai làm việc trong điều kiện bức xạ
thì giới hạn liều nghiêm ngặt hơn cần được áp dụng là 2 mSv. Giới hạn liều được
chọn để bảo đảm rằng, rủi ro nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ không cao hơn
rủi ro nghề nghiệp trong các ngành công nghiệp khác được xem là an toàn nói
chung.
Đối với công chúng: Giới hạn liều đối với công chúng nói chung thấp hơn đối

với nhân viên. ICRP khuyến cáo rằng giới hạn liều đối với công chúng không nên
vượt quá 1 mSv/1 năm.
Đối với bệnh nhân: ICRP không có khuyến cáo giới hạn liều đối với bệnh
nhân. Ở nhiều trường hợp chụp X quang, bệnh nhân phải chiếu liều cao hơn nhiều
lần so với giới hạn liều cho công chúng. Trong xạ trị, liều chiếu có thể tăng gấp
hàng trăm lần so với giới hạn liều đối với nhân viên. Bởi vì liều xạ được dùng là để
xác định bệnh và để chữa bệnh, nên hiệu quả của điều trị được xem là cần thiết hơn
ngay cả khi phải dùng đến liều cao.
Và ICRP cũng đưa ra khuyến nghị cho biết liều giới hạn qua các thời kỳ được
thể hiện qua bảng 1.3.
17


Bảng 1.3: Giới hạn liều qua các thời kỳ của ICRP

Năm

Giới hạn liều (mSv/năm)
Cho nhân viên bức xạ

Cho công chúng

1925

5200

1934

3600

1950

150

15

1957

50

5

1990

20

1

1.1.2. Các qui định về ATBX tại Việt Nam
Thông tư số 19 ngày 08 tháng 11 năm 2012 [1] [2] của Bộ trưởng Bộ Khoa học
và Công nghệ qui định liều giới hạn được phép đối với từng đối tượng như sau.
1.1.2.1 Giới hạn liều nghề nghiệp
 Giới hạn liều nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ trên 18 tuổi:
a) Liều hiệu dụng được lấy trung bình trong 5 năm kế tiếp nhau là 20 mSv
trong một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv.
b) Liều tương đương đối với thủy tinh thể của mắt được lấy trung bình trong 5
năm kế tiếp nhau là 20 mSv trong một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là
50 mSv.
c) Liều tương đương đối với chân, tay hoặc da là 500 mSv trong một năm.
 Giới hạn liều nghề nghiệp đối với người học việc trong quá trình đào tạo

nghề có liên quan đến bức xạ và đối với học sinh, sinh viên tuổi từ 16 đến 18
sử dụng nguồn bức xạ trong quá trình học tập:
a) Liều hiệu dụng 6 mSv trong một năm.
b) Liều tương đương đối với thủy tinh thể mắt 20 mSv trong một năm.
c) Liều tương đương đối với chân, tay hoặc da 150 mSv trong một năm.
18


1.1.2.2 Giới hạn liều công chúng
a) Liều hiệu dụng 1 mSv trong một năm.
b) Trong những trường hợp đặc biệt, có thể áp dụng giá trị giới hạn liều hiệu
dụng cao hơn 1 mSv, với điều kiện giá trị liều hiệu dụng lấy trung bình trong 5 năm
kế tiếp nhau không vượt quá 1 mSv trong một năm.
c) Liều tương đương đối với thủy tinh thể mắt 15 mSv trong một năm.
d) Liều tương đương đối với da 50 mSv trong một năm.
e) Liều bức xạ đối với người chăm sóc, hỗ trợ và thăm bệnh nhân trong chẩn
đoán, xét nghiệm và điều trị bằng bức xạ ion hóa hoặc dược chất phóng xạ có độ
tuổi từ 16 tuổi trở lên không được vượt quá 5 mSv trong cả thời kỳ bệnh nhân làm
xét nghiệm hoặc điều trị. Liều bức xạ của người chăm sóc, hỗ trợ và thăm bệnh
nhân trong chẩn đoán, xét nghiệm và điều trị bằng bức xạ ion hóa hoặc dược chất
phóng xạ có độ tuổi nhỏ hơn 16 tuổi không được vượt quá 1 mSv trong cả thời kỳ
bệnh nhân làm xét nghiệm hoặc điều trị.
Nói tóm lại, theo Ủy ban quốc tế cũng như tại Việt Nam về an toàn bức xạ, liều
lượng giới hạn được phép tiếp nhiễm các loại bức xạ trong một năm đối với công
chúng là 1 mSv và đối với nhân viên bức xạ là 20mSv. Điều này có nghĩa là chúng
ta phải có những biện pháp hạn chế tiếp xúc với bức xạ để đảm bảo liều luôn ở mức
giới hạn được phép.
1.2. Những biện pháp nhằm hạn chế tiếp xúc với chùm tia bức xạ
Việc sử dụng các nguồn bức xạ ion hóa (NBXIH) đúng theo các quy tắc an
toàn có thể giúp chúng ta tránh được tác hại không mong muốn. Ngược lai, việc bỏ

qua các quy tắc an toàn sẽ dẫn đến những hậu quả nặng nề cho sức khỏe của nhân
viên bức xạ và những người xung quanh. Mức độ an toàn khi làm việc với NBXIH
được xác định thông qua những nhân tố sau [9]:
Thứ nhất: Độ kín của nguồn
- Khi sử dụng các NBXIH kín cần thực hiện các biện pháp sau:
 Trong chừng mực có thể.
 Đặt nguồn cách nhân viên ở khoảng cách xa nhất.
19


 Khi sử dụng nguồn bức xạ cần hướng nguồn về phía không có nhân
viên làm việc.
 Khi suất liều vượt quá mức giới hạn cho phép nhất thiết phải sử dụng
các bề dày che chắn thích hợp.
- Khi làm việc với các nguồn phóng xạ hở cần tính đến các biện pháp bảo vệ
tránh sự chiếu xạ ngoài và sự thâm nhập của bức xạ vào bên trong cơ thể.
Thứ hai: Dạng năng lượng của bức xạ ion hóa.
Thứ ba: Hoạt tính và chu kỳ bán rã của các nuclit phóng xạ.
Theo [9], thực hành an toàn bức xạ được chia thành hai dạng: ATBX khi chiếu
trong và ATBX khi chiếu ngoài. Các loại bức xạ như hạt alpha, beta, gamma, tia X
và neutron đều là các bức xạ ion hóa và gây hiệu ứng khi chiếu xạ ngoài. Tuy nhiên
mức độ nguy hại của chúng không giống nhau. Hạt alpha ion hóa rất mạnh nhưng
quãng đường đi ngắn, khoảng vài cm trong không khí và không thể xuyên qua được
lớp ngoài của da. Hạt beta có khả năng xuyên sâu hơn hạt alpha, mức độ xuyên sâu
phụ thuộc vào năng lượng của hạt. Hạt neutron, tia gamma và tia X có khả năng
đâm xuyên sâu và truyền năng lượng đáng kể cho cơ thể nên rất nguy hiểm. Và
trong luận văn này, đối tượng chúng tôi tiến hành tính toán và mô phỏng là chùm tia
X được trình bày cụ thể ở chương 2.
Nhằm đảm bảo an toàn bức xạ [9], nhân viên làm việc với nguồn xạ nói riêng
và công chúng nói chung, để giảm liều chiếu xạ ngoài có thể áp dụng một hoặc kết

hợp các biện pháp sau đây:
Thứ nhất: Giảm thời gian tiếp xúc với chùm tia bức xạ. Do tổng liều mỗi cá
nhân nhận được bằng tích số giữa suất liều chiếu và thời gian chiếu xạ.
Thứ hai: Tăng khoảng cách từ nguồn phát tia đến nơi làm việc. Do cường
độ bức xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn. Nguồn được chia
thành các loại sau: nguồn điểm (a point source), nguồn dây (a line source), nguồn
mặt (a surface source) và nguồn trụ (volume source). Với mỗi loại nguồn, khoảng
cách từ nguồn đến nơi làm việc được tính bằng các phương pháp khác nhau [9].
20


Hình 1.1: Biểu diễn độ suy giảm cường độ chùm tia theo khoảng cách
Thứ ba: Che chắn bức xạ với các bề dày khác nhau. Khi bức xạ truyền qua
một lớp vật chất thì cường độ chùm bức xạ sẽ suy giảm theo hàm logarit.

I 2  I1e   x

(1.5)

Trong đó:
I2 là cường độ chùm tia sau khi đi qua lớp vật liệu có bề dày x
I1 là cường độ chùm tia phát ra từ nguồn
μ là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu

Hình 1.2: Biểu diễn sự phụ thuộc độ rộng chùm tia vào bề dày lớp che chắn
21


Do suất liều bức xạ phát ra từ các nguồn khác nhau tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách nên NCRP khuyến cáo các cá nhân nên đứng cách tường bảo

vệ một khoảng cách an toàn là 0,3 m. Và đây cũng là khoảng cách được áp dụng để
tính toán và mô phỏng trong luận văn.
Trong luận văn này, chúng tôi sẽ ứng dụng năng lực tính toán của code
EGSnrc để kiểm tra tính phù hợp với các điều kiện thực tế tại phòng máy gia tốc về
thời gian tiếp xúc với bức xạ, khoảng cách che chắn và bề dày che chắn với các
tường khác nhau.
1.3. Cơ sở lý thuyết của tính toán che chắn ATBX
1.3.1. Các thuật ngữ trong tính toán thiết kế che chắn
Để trình bày cách tính toán che chắn ATBX cho phòng máy gia tốc theo NCRP
151 (phương pháp giải tích) [14], chúng tôi giới thiệu các thuật ngữ có liên quan
được sử dụng, bao gồm:
1.3.1.1 Khu vực được kiểm soát và khu vực không được kiểm soát
Khu vực được kiểm soát: là vùng hạn chế các cá nhân tiếp xúc, chỉ những
nhân viên chuyên trách đã qua đào tạo chuyên môn và được hướng dẫn chi tiết về
ATBX được tiếp xúc. Trong luận văn này, khu vực được kiểm soát được đề cập ở
đây là phòng máy gia tốc và phòng điều khiển máy gia tốc. Theo NCRP, mức liều
giới hạn (liều tương đương) trong khu vực được kiểm soát là 0,1 mSv/tuần hoặc 5
mSv/năm.
Khu vực không được kiểm soát: là các vùng khác ngoại trừ khu vực được
kiểm soát. Theo NCRP, mức liều giới hạn trong khu vực không được kiểm soát là
0,02 mSv/tuần hoặc 1 mSv/năm.
1.3.1.2 Khối lượng công việc (Workload-W)
Theo tài liệu NCRP 151, Workload được định nghĩa là liều hấp thụ trung bình
của bức xạ được tạo ra bởi một nguồn trong một thời gian quy định tại một vị trí
xác định. Trong luận văn này, Workload là liều hấp thụ tại isocenter cách bia 100cm
22


trong thời gian một tuần được tính trung bình trong một năm. Có hai dạng
Workload: Workload sơ cấp (primary workload ) và Workload thứ cấp (leakageradiation workload).

Đơn vị của Workload: Gray/tuần
1.3.1.3 Hệ số sử dụng (Use Factor-U)
Hệ số sử dụng là một phần của Workload sơ cấp khi chùm tia hướng trực tiếp
đến tường che chắn sơ cấp. Hệ số sử dụng phụ thuộc vào loại bức xạ là chùm tia sơ
cấp hay chùm tia thứ cấp. Hệ số sử dụng đối với chùm tia thứ cấp luôn bằng 1 vì
bức xạ thứ cấp sẽ xuất hiện khi máy gia tốc hoạt động [14].
Hệ số sử dụng cho chùm tia sơ cấp tại các khu vực khác nhau là khác nhau.
Thông qua tính toán thống kê trên nhiều máy gia tốc, các giá trị hệ số sử dụng
trung bình được cho dưới bảng 1.4.
Bảng 1.4: Giá trị của hệ số sử dụng đối với chùm tia sơ cấp
Vị trí

Hệ số sử dụng (U)

Sàn nhà

1

Trần nhà

0,25

Tường

0,25

1.3.1.4 Hệ số chiếm cứ (Occupancy Factor-T)
Hệ số chiếm cứ là thời gian trung bình mà nhân viên bức xạ hay công chúng
tiếp xúc với bức xạ khi đứng ở vị trí cho phép (thông thường là 0,3 m cách tường).
Hệ số chiếm cứ cho từng vùng làm việc khác nhau là khác nhau. Giá trị của hệ số

chiếm cứ luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1 (T ≤ 1).

23


Bảng 1.5: Giá trị của hệ số chiếm cứ
Khu vực làm việc

Hệ số chiếm cứ

Khu vực với hệ số chiếm cứ tối đa như: khu
vực lập kế hoạch, khu vực kiểm soát điều trị,

1

phòng y tế, khu vực tiếp tân, phòng chờ,…
Các phòng làm việc, phòng khám bệnh nhân
tiếp giáp phòng máy gia tốc
Hành lang, phòng khám bệnh nhân tiếp giáp
phòng máy gia tốc.
Các phòng làm việc, phòng nhân viên

1/2

1/5
1/8

Khu vực vệ sinh công cộng, phòng bán hàng tự
động không cần giám sát, khu vực lưu trữ, khu
vực ngoài trời, phòng chờ không giám sát, gác

1/20

xép, tủ quần
Khu vực dành cho người đi bộ, bãi đỗ xe,
thang máy, cầu thang

1/40

1.3.1.5 Bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp
Bức xạ sơ cấp: là bức xạ được phát ra từ đầu máy gia tốc và được truyền trực
tiếp đến bệnh nhân hoặc truyền đến tường sơ cấp (trần, sàn nhà, tường xung quanh).
Bức xạ thứ cấp: Có 2 dạng chính
- Bức xạ tán xạ (Scatter radiation): là bức xạ được tạo ra khi bức xạ sơ cấp bị
tán xạ từ bệnh nhân, từ các thiết bị máy điều trị như collimater, tường, sàn, trần của
phòng điều trị.
- Bức xạ rò rỉ (Leakage radiation): là bức xạ xuất hiện trong quá trình điều trị.
Với các máy gia tốc, bức xạ rò rỉ chỉ xuất hiện khi máy đang hoạt động. Đối với các
nguồn Coban, luôn luôn tồn tại bức xạ rò rỉ.
1.3.1.6 Rào chắn bảo vệ
Có hai loại rào chắn bảo vệ, bao gồm:
24