LUẬN VĂN VẬT LÝ TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN BỨC XẠ CHO PHÒNG MÁY CT

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

Bùi Thị Hải

TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN
BỨC XẠ CHO PHÒNG MÁY CT

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

Bùi Thị Hải

TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN
BỨC XẠ CHO PHÒNG MÁY CT
Chuyên ngành : Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân & Năng lượng cao
Mã số

: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN ĐÔNG SƠN

Thành phố Hồ Chí Minh – 2012


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của các quý thầy cô, các anh chị và các bạn. Với
lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ môn Vật lý Nguyên tử, Hạt
nhân và Năng lượng cao trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tiến sĩ Nguyễn Đông Sơn, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo,
động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành
luận văn tốt nghiệp.
Toàn bộ giảng viên bộ môn Vật lý Nguyên tử Hạt nhân và Năng lượng cao
trường Đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức
quý báu, nền tảng vững chắc để thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi
những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này.
Xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, anh chị em và toàn thể lớp cao học Vật lý hạt
nhân khóa 21 đã động viên, giúp đỡ tôi học tập và hoàn thành luận văn.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2012

Bùi Thị Hải


1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .............................................................................8

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 10
NỘI DUNG ................................................................................................................... 15
CHƯƠNG I: NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ ATBX LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT BỊ X
QUANG TRONG Y TẾ ............................................................................................... 15
1.1

Tia X .................................................................................................................... 15

1.2

Sự suy giảm của chùm photon khi đi qua vật chất ......................................... 17

1.3

Một số đại lượng mô tả chùm tia bức xạ ......................................................... 19

1.3.1

Liều hấp thụ (D) .......................................................................................... 19

1.3.2

Kerma (K) .................................................................................................... 20

1.3.3

Liều tương đương (H) ................................................................................. 20

1.3.4

Liều hiệu dụng (E) ....................................................................................... 21

1.4

Các giới hạn liều đối với chiếu xạ nghề nghiệp và chiếu xạ dân chúng ........ 22

1.4.1

Chiếu xạ nghề nghiệp .................................................................................. 22

1.4.2

Chiếu xạ dân chúng ..................................................................................... 23

1.5

Một số vấn đề che chắn cho các dụng cụ X-quang ......................................... 24

1.5.1

Mục đích và nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế che chắn ..................... 24

1.5.2

Những yếu tố cần thiết trong thiết kế che chắn ........................................ 27

2

1.5.2.1 Tường bên trong ........................................................................................ 27
1.5.2.2 Tường bên ngoài ........................................................................................ 29
1.5.2.3 Cửa............................................................................................................. 29
1.5.2.4 Cửa sổ ........................................................................................................ 30
1.5.2.5 Sàn nhà và trần nhà ................................................................................... 30
1.5.2.6 Vùng không gian xen kẽ ............................................................................. 31
1.5.2.7 Những lưu ý trong thiết kế che chắn .......................................................... 31
1.5.3

Một số khái niệm và thuật ngữ .................................................................. 32

CHƯƠNG II: CT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHE CHẮN CHO PHÒNG
MÁY CT ........................................................................................................................ 37
2.1

Kiến thức chung về máy CT ............................................................................. 37

2.1.1

Giới thiệu chung về CT ............................................................................... 37

2.1.2

Nguyên lý hoạt động của máy CT.............................................................. 38

2.1.3

Một số thuật ngữ và các phương pháp quét ở máy CT ........................... 40

2.1.3.1 Một số thuật ngữ ........................................................................................ 40
2.1.3.2 Các phương pháp quét ở máy CT .............................................................. 42
2.1.4

Liều bức xạ ở máy CT ................................................................................ 47

2.1.4.1 Chỉ số liều ở máy CT (CTDI)..................................................................... 47
2.1.4.2 CTDI 100 ...................................................................................................... 48
2.1.4.3 CTDI w (Weighted CTDI) ........................................................................... 49
2.1.4.4 CTDI vol (Volume CTDI) ............................................................................. 49
2.1.4.5 DLP (Dose- Length Product)..................................................................... 50
2.2

Các phương pháp tính toán che chắn cho phòng máy CT ............................. 50


3

2.2.1

Phương pháp sử dụng CTDI ...................................................................... 50

2.2.2

Phương pháp sử dụng DLP ........................................................................ 53

2.2.3

Phương pháp sử dụng sơ đồ đồng liều ...................................................... 55

2.2.4

Phương pháp sử dụng DLP khi tính tới ảnh hưởng của khoang máy ... 55

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CHE CHẮN CHO PHÒNG MÁY CT ..................... 60
3.1

Tính toán che chắn cho phòng máy CT trong trường hợp cụ thể ................. 60

3.2

Đánh giá kết quả và thảo luận .......................................................................... 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 91
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 94
PHỤ LỤC A- CÁC BẢNG KẾT QUẢ THỐNG KÊ THU ĐƯỢC TỪ
CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT NEXT VÀ CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN CHE
CHẮN ......................................................................................................................... 94
PHỤ LỤC B – CÁC ĐƯỜNG CONG BIỂU DIỄN SỰ TRUYỀN QUA MỘT
SỐ VẬT LIỆU CHE CHẮN CỦA BỨC XẠ THỨ CẤP ĐỐI VỚI CT .................. 135


4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ATBX: An toàn bức xạ
BIR-IPEM- British Institute of Radiology and Institute of Physics in Engineering

in Medicine: Viện y học phóng xạ và Viện vật lý kỹ thuật y học Anh
CRCPD- The Conference of Radiation Control Program Directors: Hội nghị của
các Giám đốc chương trình kiểm soát bức xạ
CT -Computed Tomography: Máy chụp cắt lớp điện toán
CTDI- Computed Tomography Dose Index: Chỉ số liều ở máy CT
DLP- Dose Length Product: Giá trị liều theo chiều dài quét
DNA: Acid Deoxyribo Nucleic
FDA- U.S. Food and Drug Administration: Cơ quan quản lý thực phẩm và dược
phẩm Hoa Kỳ
HVL- Half- value layer: Bề dày giảm nửa
IAEA- International Atomic Energy Agency: Cơ quan Năng lượng Nguyên tử
Quốc tế
ICRP- International Commission on Radiological Protection: Ủy ban Quốc tế về
An toàn bức xạ
ImPACT- Imaging Performance Assessment of Computed Tomography Scanners:
Đánh giá tính năng tạo ảnh đối với các máy quét CT
NCRP- National Council on Radiation Protection : Ủy ban Quốc gia phòng chống
phóng xạ
NEXT- Nationwide Evaluation of X-ray Trends: Đánh giá xu hướng sử dụng Xquang toàn quốc
PMMA- Polymethyl Methacrylate
SI- The International System of Units: Hệ đơn vị đo lường quốc tế
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
TF- Table feed: Bước dịch của bàn bệnh nhân trong một vòng quay ở chế độ quét
xoắn ốc của máy CT


5

TLDs – Thermoluminescent detectors: Các liều kế nhiệt phát quang
TVL- Tenth- value layer: Bề dày giảm mười

6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Trọng số bức xạ WR của một số bức xạ ................................................. 21
Bảng 1.2 Trọng số mô của một số mô hoặc cơ quan ............................................ 22
Bảng 1.3 Hệ số chiếm cứ đối với một số khu vực cụ thể ..................................... 34
Bảng 2.1 Các giá trị DLP đối với mỗi qui trình chụp cụ thể ............................... 54
Bảng 2.2 Giá trị air kerma tán xạ ứng với mỗi DLP tại khoảng cách 1m từ
isocenter (hệ số tán xạ) theo các hướng khác nhau ............................................... 59
Bảng 3.1 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với khu vực não ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc .......................................................... 63
Bảng 3.2 Bề dày vật liệu che chắn cần thiết đối với tường, trần và sàn phòng máy
CT (sử dụng số liệu thống kê từ cuộc khảo sát NEXT) được tính toán bằng ba
phương pháp ........................................................................................................... 82
Bảng A.1 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với khu vực hố sọ
sau ở chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ................................................. 94
Bảng A.2 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với khu vực bụng
và khung chậu ở chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ............................... 97
Bảng A.3 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với khu vực ngực
ở chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ..................................................... 101
Bảng A.4 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng bụng ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ........................................................ 104
Bảng A.5 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng xoang ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ........................................................ 108
Bảng A.6 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng xương
chậu ở chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ............................................. 111
Bảng A.7 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối vùng xương cột
sống ở chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ............................................. 114

7

Bảng A.8 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng
ngực+bụng+khung chậu ở chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ............ 118
Bảng A.9 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng hộp sọ ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ........................................................ 121
Bảng A.10 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng thận ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ........................................................ 124
Bảng A.11 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với vùng gan ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ........................................................ 128
Bảng A.12 Số liệu thu được từ chương trình khảo sát NEXT đối với tuyến tụy ở
chế độ quét tuần tự và chế độ quét xoắn ốc ........................................................ 131


8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sự suy giảm của chùm photon khi đi qua lớp vật chất có bề dày x ....... 18
Hình 1.2 Bức xạ sơ cấp, bức xạ thứ cấp, bức xạ truyền qua và các lớp che chắn sơ
cấp, thứ cấp trong phòng chẩn đoán hình ảnh bằng X quang. ............................... 25
Hình 1.3 Bề dày của chì tấm lưu hành trên thị trường theo một cuộc khảo sát gần
đây của một số nhà cung cấp tại Mỹ. Chiều cao của mỗi cột là giá thành tương đối
của mỗi tấm chì so với tấm có bề dày 0,79 mm. ................................................... 28
Hình 2.1 Máy chụp cắt lớp vi tính (CT) ................................................................ 39
Hình 2.2 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay ở thế hệ máy CT thế hệ thứ
nhất và thứ hai ........................................................................................................ 43
Hình 2.3 Chuyển động quay trong máy CT thế hệ thứ 3 ...................................... 44

Hình 2.4 Máy CT thế hệ thứ 4 .............................................................................. 44
Hình 2.5 Sơ đồ thiết bị CT kiểu chùm electron ..................................................... 45
Hình 2.6 Chế độ quét xoắn ốc .............................................................................. 46
Hình 2.7 CT đơn lát cắt và CT đa lát cắt ............................................................... 47
Hình 2.8 Ý nghĩa của chỉ số liều ở máy CT .......................................................... 47
Hình 2.9 Phantom phần thân và đầu người ........................................................... 49
Hình 2.10 Các vị trí tiến hành đo giá trị air kerma tán xạ xung quanh khoang
máy. Đường đứt nét xác định vị trí đo, còn mũi tên chỉ hướng của liều lượng kế. 56
Hình 2.11 Các đường cong đồng liều thể hiện sự phân bố air kerma tán xạ khi tiến
hành quét phatom phần thân đối với (a) máy Siemens Somatom 64 và (b) Philips
MX8000 ................................................................................................................ 57


9

Hình 2.12 Các đường cong đồng liều thể hiện sự phân bố air kerma tán xạ khi tiến
hành quét phantom đầu đối với (a) máy Siemens Somatom 64 và (b) GE
Lightspeed 16 ........................................................................................................ 58
Hình 3.1 Mặt bằng lắp máy CT ............................................................................. 68
Hình 3.2 Phân bố liều quanh máy CT theo mặt cắt ngang (Đơn vị đo
microGy/1mAs)...................................................................................................... 77
Hình 3.3 Phân bố liều quanh máy CT theo mặt cắt đứng (Đơn vị đo
microGy/1mAs)...................................................................................................... 78
Hình 3.4 Các vị trí của TLDs .............................................................................. 83
Hình 3.5 Đồ thị thể hiện giá trị air kerma tán xạ (mGy) tại khoảng cách 1 m xung
quanh máy quét thứ nhất ....................................................................................... 84
Hình 3.6 Đồ thị thể hiện giá trị air kerma tán xạ (mGy) tại khoảng cách 1 m xung
quanh máy quét thứ hai ......................................................................................... 84
Hình 3.7 Đồ thị thể hiện giá trị air kerma tán xạ (mGy) tại khoảng cách 1 m xung
quanh máy quét thứ ba .......................................................................................... 85

Hình B.1 Đường cong biểu diễn sự truyền qua chì của bức xạ thứ cấp đối với CT
.............................................................................................................................. 135
Hình B.2 Đường cong biểu diễn sự truyền qua bê tông của bức xạ thứ cấp đối với
CT ........................................................................................................................ 136


10

MỞ ĐẦU
Ngày nay khi mà nền kinh tế đã phát triển, mức sống của con người ngày
càng được nâng cao thì nhu cầu chăm sóc và bảo vệ sức khỏe ngày càng được
quan tâm hơn. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trên thế giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng, thiết bị y tế chăm sóc sức khỏe con người luôn
được đầu tư và quan tâm một cách thích đáng. Một trong những bộ phận được ứng
dụng vào y tế là hệ thống thiết bị chẩn đoán hình ảnh. Các thiết bị này ngày càng
hoàn thiện về tính năng cũng như sự tiện dụng. Trong đó, chụp cắt lớp vi tính (CTComputed Tomography) là biện pháp chẩn đoán hình ảnh hiệu quả và được sử
dụng khá phổ biến. Những thiết bị CT dùng cho chẩn đoán đầu tiên được chế tạo
trong khoảng thời gian từ năm 1974 đến năm 1976. Các máy CT đầu tiên được
thiết kế để chuyên chụp ảnh đầu, tuy nhiên từ năm 1976 đã có các máy lớn hơn
cho phép chụp toàn bộ cơ thể. CT bắt đầu được sử dụng rộng rãi từ thập kỉ 80 của
thế kỷ 20. Theo thống kê năm 2010, chỉ hơn một phần tư thế kỉ, CT được sử dụng
tăng gấp 12 lần tại Anh và hơn 20 lần tại Mỹ với số liệu cụ thể mỗi năm có hơn 3
triệu lượt sử dụng CT tại Anh và hơn 70 triệu lượt đối với Mỹ [9, tr. 809].
CT là công cụ mạnh mẽ giúp chúng ta có thể thấy được cấu trúc của cơ thể
người với độ phân giải vị trí và độ tương phản rất cao. Kỹ thuật chụp ảnh CT
không chỉ cho hình ảnh định tính, mà còn cho phép ta có được những thông tin
mang tính định lượng về giải phẫu học cơ thể. Tuy nhiên cùng với những tính
năng không thể phủ nhận đó, CT lại gây ra mức phóng xạ cao gấp nhiều lần so với
chụp X quang thông thường. Theo tính toán gần đây, trung bình máy CT tạo ra
mức phóng xạ gấp 200 lần so với chụp X-quang thông thường [27]. Một khảo sát

được tiến hành vào những năm 1990 tại Đức cho thấy, trong khi số lượng ca chẩn
đoán dùng CT chỉ chiếm 4% trong các chẩn đoán X-quang, thì phần đóng góp của
nó vào liều hiệu dụng chung (collective effective dose) chiếm đến 35%, tức là gần
10 lần lớn hơn [11, tr.2-3]. Điều nguy hiểm là phóng xạ tích lũy trong cơ thể bệnh
nhân theo năm tháng qua các lần chụp CT. Điều này đã gây ra những hậu quả hết


11

sức tai hại, gây ảnh hưởng không nhỏ đối với cộng đồng, thậm chí cho chính bác
sĩ và cả nhân viên vận hành máy. Hiểu được tầm quan trọng của vấn đề này, một
số tổ chức quốc tế như Ủy ban Quốc tế về An toàn bức xạ (ICRP- International
Commission on Radiological Protection) và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc
tế (IAEA- International Atomic Energy Agency) đã có những đóng góp quan trọng
trong việc khuyến cáo và ban hành các tiêu chuẩn an toàn bức xạ (ATBX) quốc tế.
Từ những năm 30, ICRP 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 đó
được bổ sung bằng những khuyến cáo giới hạn liều được điều chỉnh hàng năm, để
giúp đỡ nhân viên bức xạ và công chúng phòng tránh quá liều. Cụ thể là giới hạn
liều đối với nhân viên bức xạ trong một năm riêng lẻ có thể lên tới 50 mSv/năm
nhưng phải bảo đảm liều trung bình trong 5 năm làm việc liên tục không được
vượt quá 20 mSv/năm, đối với công chúng thấp hơn nhưng không nên vượt quá 1
mSv/ năm [2, tr. 152-160]. Để bảo đảm những quy định về ATBX vừa nêu, ngoài
việc rút ngắn thời gian chụp và tăng khoảng cách từ nguồn phát bức xạ tới nhân
viên và quần chúng thì công việc tiến hành che chắn là chủ yếu.
Hiện nay, trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng, việc sử
dụng các thiết bị X-quang, mà cụ thể ở đây là máy CT không chỉ giới hạn trong
các bệnh viện như trước kia mà ngay cả các đơn vị y tế tư nhân cũng có khả năng
trang bị thiết bị này. Chính việc sử dụng rộng rãi đó đã đặt ra một vấn đề không
nhỏ là đảm bảo an toàn khi xây dựng phòng thiết bị sử dụng máy CT. Thế nhưng

những nghiên cứu đánh giá và phổ biến về các phương pháp tính toán che chắn
cho phòng máy CT hầu như không có tại Việt Nam, đặc biệt tài liệu bằng tiếng
Việt rất hiếm. Hiện nay, tài liệu mới nhất và đáng tin cậy nhất cho việc tính toán
che chắn cho các máy X-quang là NCRP Report No. 147, Structural Shielding
Design for Medical X-Ray Imaging Facilities [19]. Tuy nhiên trong đó phần trình
bày tính toán cho CT còn chưa cụ thể, phương pháp tính còn chưa thống nhất.
NCRP Report No. 147 là sự thay thế cho NCRP Report No.49, Structural
Shielding Design for Medical use of X Rays and Gamma Rays of Energies up to 10


12

MeV [18]. So với NCRP Report No. 49, NCRP Report No. 147 có rất nhiều sự
thay đổi về đơn vị, các thuật ngữ, khái niệm, mục tiêu che chắn và những giả định
trong các phương pháp thiết kế che chắn. Ngoài ra, NCRP Report No. 147 cũng có
những bước tiếp cận tới các thiết bị hiện đại hơn phù hợp với xu hướng ngày càng
phát triển của khoa học kỹ thuật. Hiện nay, tại Anh, việc tính toán che chắn cho
phòng máy CT chủ yếu dựa vào tài liệu được đưa ra bởi một nhóm các nhà khoa
học liên kết giữa Viện y học phóng xạ và Viện vật lý kỹ thuật y học Anh
(BIR/IPEM- Bristish Institute of Radiology and Institute of Physics in Engineering
in Medicine) [21]. Phương pháp BIR-IPEM sử dụng sơ đồ đồng liều được cung
cấp bởi chính các nhà sản xuất, trong khi hai phương pháp được đề cập tới trong
tài liệu NCRP Report No. 147 lần lượt dựa vào CTDI (Computed Tomography
Dose Index) và DLP (Dose Length Product) để tính toán che chắn. Tuy nhiên, các
đường cong đồng liều được cung cấp bởi nhà sản xuất lại cho mức độ tán xạ của
bức xạ sai khác đáng kể so với giá trị đo trực tiếp. Điều này được giải thích là do
việc sử dụng phantom PMMA trong quá trình nhà sản xuất xây dựng sơ đồ đồng
liều [10, tr.512]. Các giá trị CTDI và

κ

đóng vai trò chính trong phương pháp

NCRP CTDI và NCRP DLP. Giá trị CTDI ứng với nhiều loại máy CT khác nhau
được cung cấp tại trang web ImPACT (Imaging Performance Assessment of
Computed Tomography Scanners) [26] và giá trị của hệ số

κ cũng được lấy trực

tiếp từ NCRP Report No. 147 [19, tr. 96]. Tuy nhiên, theo một đánh giá gần đây,
giá trị của hệ số

κ

đo được khác biệt tới 84% so với giá trị đưa ra trong tài liệu

NCRP Report No. 147 [10, tr.512-513]. Hai phương pháp sử dụng CTDI và DLP
đã giả sử rằng các bức xạ tán xạ có tính đẳng hướng, tức là sự phân bố bức xạ tán
xạ theo mọi hướng là như nhau, tuy nhiên trong thực tế các bức xạ bị suy giảm bởi
khoang máy. Khoang máy của máy quét CT chỉ cho phép truyền qua 10% bức xạ
tán xạ và điều này nên được xem xét khi thiết kế che chắn bảo vệ. Do bức xạ tán
xạ phân bố khác nhau theo các hướng khác nhau nên hệ số

κ

cũng nhận các giá

trị khác nhau. Điều này được phân tích và nghiên cứu chi tiết trong tài liệu,
Establishment of scatter factors for use in shielding calculations and risk

13

assessment for computed tomography facilities [22]. Vì vậy, việc đánh giá mức độ
bức xạ tán xạ sử dụng phương pháp mới này đã được xem xét như giải pháp vững
chắc, nhất quán nhất trong bốn phương pháp tính toán che chắn an toàn bức xạ cho
phòng máy CT.
Với nhu cầu thực tiễn, có tính khoa học và trước những vấn đề cần quan
tâm, cần giải quyết như trên, tôi đã chọn đề tài “Tính toán che chắn an toàn bức xạ
cho phòng máy CT“ làm đề tài luận văn thạc sỹ.
Với mục đích nhằm tìm hiểu cơ sở khoa học, khảo sát các phương pháp
tính toán che chắn cho máy CT, và áp dụng cho những bài toán che chắn máy CT
cụ thể, luận văn bao gồm những nội dung chính như sau:
Phần I: Mở đầu
Phần này trình bày những hiểu biết tổng quan của tác giả về ATBX liên
quan đến CT, những kỹ thuật tính toán che chắn khác nhau và từ đó đề ra mục tiêu
nghiên cứu.
Phần II: Nội dung
Chương I: Những vấn đề về ATBX liên quan đến thiết bị X quang trong y tế
Chương này trình bày những kiến thức cơ bản về tia X, sự suy giảm của
chùm photon khi đi qua vật chất, các giới hạn liều đối với các đối tượng cụ thể và
một số đại lượng được sử dụng để mô tả chùm tia bức xạ. Đồng thời, cũng đề cập
tới một số vấn đề về che chắn cho các dụng cụ X quang nói chung.
Chương II: CT và các phương pháp che chắn cho phòng máy CT
Nội dung chính trong chương này nhằm cung cấp những kiến thức chung
về máy CT và các phương pháp che chắn cho phòng máy CT.
Chương III: Các tính toán che chắn cho phòng máy CT
Chương này trình bày quá trình tính toán lý thuyết có sử dụng những số
liệu thực nghiệm và tiến hành đánh giá, thảo luận các kết quả.
Phần III: Kết luận và kiến nghị

14

Tổng kết các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các kết luận và nhận
định về đề tài này. Ngoài ra, nêu lên những kiến nghị về phương pháp tính toán
và phương hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo cho đề tài.


15

NỘI DUNG
CHƯƠNG I: NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ ATBX LIÊN QUAN ĐẾN
THIẾT BỊ X QUANG TRONG Y TẾ

CT được xem như là một chủng loại thiết bị chẩn đoán hình ảnh chuyên sâu
trong chuyên ngành chụp X quang, hoạt động dựa trên cơ sở vật lý chính là tia X
và đặc trưng tương tác của tia X với vật chất. Đây cũng chính là hai nội dung được
đề cập tới trong chương này. Ngoài ra, với đề tài “ Tính toán che chắn an toàn bức
xạ cho phòng máy CT“ thì rất cần thiết phải trình bày những kiến thức về ATBX
liên quan đến thiết bị X quang y tế như những khái niệm và đại lượng ATBX căn
bản, những giới hạn liều đối với một số đối tượng cụ thể, cũng như những vấn đề
về che chắn cho các dụng cụ X quang mà những nội dung này đóng vai trò nền
tảng và có liên quan trực tiếp tới nội dung tính toán thiết kế che chắn được trình
bày trong chương 2 và chương 3.

1.1

Tia X
Được biết đến là một trong những phát hiện quan trọng trong lịch sử y học

hiện đại, việc phát minh ra tia X và phương pháp chụp X quang đã mang lại những
ứng dụng tuyệt vời giúp phát hiện và hỗ trợ chẩn đoán, điều trị bệnh đạt hiệu quả
và độ chính xác cao.
Năm 1895, khi cho một ống tia cathode hoạt động, nhà vật lí học người
Đức Wihelm Roentgen nhận thấy từ vỏ thủy tinh đối diện với cathode có một bức
xạ không thấy được phóng ra. Bức xạ này tác dụng lên các tấm kính ảnh vốn được
gói kín và được đặt trong hộp kín. Roentgen gọi loại bức xạ này là tia X. Tia X có
những đặc tính quan trọng trong tạo hình X quang như:


16

-

Tính truyền thẳng và đâm xuyên: Tia X truyền thẳng theo mọi hướng và có
khả năng xuyên qua vật chất, qua cơ thể người. Sự đâm xuyên này càng dễ
dàng khi cường độ tia X càng tăng.

-

Tính bị hấp thụ: Sau khi xuyên qua vật chất thì cường độ chùm tia X bị
giảm xuống do một phần năng lượng bị hấp thụ. Đây là cơ sở của phương
pháp chẩn đoán X quang và liệu pháp X quang. Sự hấp thụ này tỷ lệ thuận
với:
+ Thể tích của vật bị chiếu xạ: Vật càng lớn thì tia X bị hấp thụ càng
nhiều.
+ Bước sóng của chùm tia X: Bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm
thì sẽ bị hấp thụ càng nhiều.
+ Trọng lượng nguyên tử của vật: Sự hấp thụ tăng theo trọng lượng

nguyên tử của chất bị chiếu xạ.
+ Mật độ của vật: Số nguyên tử trong một thể tích nhất định của vật
càng nhiều thì sự hấp thụ tia X càng tăng.

-

Tính chất quang học: Giống như ánh sáng, tia X cũng có những hiện tượng
như khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Những tính chất này tạo nên
những chùm tia thứ cấp bao gồm chùm tia tán xạ và chùm tia rò khi tiến
hành chụp X quang.

-

Tác dụng sinh học: Tuy việc sử dụng phương pháp chụp X quang có thể
mang lại nhiều lợi ích trong chẩn đoán, phát hiện tình trạng bệnh, song
những nghiên cứu khoa học cũng chỉ ra rằng việc tiếp xúc nhiều với
phương pháp chụp X quang có thể gây ra những tổn thương cho các tế bào
trong cơ thể. Do bản thân tia X là một loại sóng điện từ bước sóng ngắn,
mang năng lượng, nên khi hấp thụ vào cơ thể con người, chúng có khả năng
gây ion hóa làm thay đổi cấu tạo các phân tử trong các tế bào sống của cơ


17

thể, cụ thể là làm thay đổi DNA trong các tế bào sống, kết quả là làm gia
tăng nguy cơ tế bào đột biến dẫn tới bệnh ung thư.

1.2

Sự suy giảm của chùm photon khi đi qua vật chất

Như phần 1.1 đã trình bày, tính chất quan trọng nhất của tia X và là cơ sở

của phương pháp chẩn đoán X quang chính là sự suy giảm. Khi tia X đi qua môi
trường vật chất, cường độ chùm tia X bị suy giảm. Sự suy giảm này là kết quả của
sự tương tác giữa photon tia X với các nguyên tử của môi trường, tức là với
electron và hạt nhân. Có ba kiểu tương tác chính là hiệu ứng quang điện, tán xạ
Compton và hiệu ứng tạo cặp. Tuy nhiên, đối với tia X chẩn đoán, tương tác phổ
biến nhất là hiệu ứng quang điện (Hiệu ứng tạo cặp chỉ xảy ra đối với tia X có
năng lượng trên 1,022 MeV). Các tương tác này làm photon bị hấp thụ hoặc bị mất
một phần năng lượng. Điều đó làm chùm photon bị suy giảm đi.
Chiếu một chùm photon song song đi qua một lớp vật chất, do sự tương tác
với các nguyên tử của môi trường, một số photon sẽ bị hấp thụ hay tán xạ ra khỏi
chùm. Do đó số hạt trong chùm sẽ giảm dần. Gọi N(0) và N(x) là số hạt trong
chùm trước và sau khi đi qua lớp vật chất có độ dày x. Thực nghiệm cho thấy đối
với chùm đơn năng (có cùng năng lượng E) giữa N(0) và N(x) có mối quan hệ:

N ( x) = N (0)e − µ x
Hoặc I ( x) = I 0 e− µ x

(1.1)
(1.2)

Trong đó, I 0 và I(x) là cường độ bức xạ tia X trước và sau lớp vật chất có
bề dày x.
µ được gọi là hệ số suy giảm tuyến tính của lớp vật chất đối với

chùm photon đó.


18

Hình 1.1 Sự suy giảm của chùm photon khi đi qua lớp vật chất có bề dày x
Độ lớn của µ phụ thuộc năng lượng E của chùm photon, mật độ ρ của
môi trường và nguyên tử số Z của các nguyên tố cấu tạo nên môi trường. Đơn vị
thường dùng của µ là cm-1. Về ý nghĩa vật lý, µ cho biết xác suất để photon
tham gia một tương tác khi đi một quãng đường 1 cm trong vật chất.
Trong thực tế khi tính toán che chắn, công thức suy giảm theo hàm mũ cho
chùm tia song song là không đủ do chùm tia X phát ra là chùm tia đa năng và loe
rộng. Trong trường hợp chùm loe rộng đơn năng, người ta tính đến sự đóng góp
của các photon tán xạ đến vị trí khảo sát. Khi đó sử dụng công thức gần đúng sau:

N ( x) = BN (0)e − µ x

(1.3)

Với B = 1 + ε với ε ≅ µ .x
B là hệ số tích lũy có tính tới đóng góp của bức xạ tán xạ.
Đối với chùm tia hẹp song song B = 1; Đối với chùm bức xạ rộng B > 1 và
phụ thuộc vào năng lượng tia X, nguyên tử số Z và bề dày x của vật liệu.
Khi đó, số lượng các photon bị hấp thụ và tán xạ khỏi chùm khi đi qua lớp
vật chất có bề dày x:

∆N= N (0) − N ( x=
) N (0) [1-Be − µ x ]

(1.4)

Trong X quang chẩn đoán, người ta thường mô tả khả năng làm suy giảm
chùm photon của vật chất theo bề dày giảm nửa. Đó là bề dày của lớp vật chất mà
khi đi qua, thông lượng của chùm giảm còn một nửa. Bề dày giảm nửa thường

được kí hiệu x1/2 hay HLV. Đơn vị thường dùng là cm.


19

= x=
HVL
ln 2 / µ ≈ 0, 693 / µ
1/ 2

(1.5)

Trong che chắn bức xạ gamma hay tia X năng lượng cao, người ta thường
mô tả khả năng làm suy giảm chùm bức xạ theo bề dày giảm mười. Đó là bề dày
của lớp vật chất mà khi đi qua, thông lượng hạt của chùm giảm còn một phần
mười. Bề dày giảm mười thương được kí hiệu x1/10 hay TLV. Đơn vị thường dùng
là cm.
TVL
ln10 / µ ≈ 2,3 / µ
= x=
1/10

1.3

(1.6)

Một số đại lượng mô tả chùm tia bức xạ

1.3.1 Liều hấp thụ (D)
Một trong những phương pháp tính toán che chắn cho phòng máy CT là

phương pháp sử dụng CTDI. Trong phương pháp này, như sẽ trình bày trong phần
sau, gắn liền với đại lượng liều hấp thụ.
Liều hấp thụ là đại lượng đặc trưng cho lượng năng lượng mà vật hấp thụ từ
bức xạ. Khái niệm này được định nghĩa chung cho mọi môi trường và cho mọi
loại bức xạ có khả năng ion hóa trực tiếp (hạt mang điện) hay gián tiếp (photon,
neutron).
Liều hấp thụ là lượng năng lượng được hấp thụ trong một đơn vị khối lượng
vật chất:
D=
∆E / ∆m =
∆E / ( ρ .∆V )

(1.7)

Trong đó, ∆E là lượng năng lượng được hấp thụ trong thể tích ∆V của vật
chất và ∆m là khối lượng của thể tích ∆V đó.
Khả năng hấp thụ năng lượng phụ thuộc vào loại vật chất được chiếu. Do
đó khi đưa ra liều hấp thụ bao giờ người ta cũng phải cho biết loại vật chất đã hấp
thụ lượng năng lượng đó.
Đơn vị của liều lượng hấp thụ trong hệ SI là Gray (Gy)
1 Gy = 1J/kg
Trong thực tế, người ta còn sử dụng đơn vị Rad
1 Rad = 0,01Gy


20

1Gy = 100 Rad
1.3.2

Kerma (K)

Để xác định được bề dày cần thiết cho lớp che chắn, đối với các bức xạ ion
hóa gián tiếp, ở đây là tia X, ta cần biết giá trị air kerma tán xạ tại vị trí lưu trú do
đó trước tiên cần hiểu được khái niệm kerma.
Kerma là chữ viết tắt của từ tiếng Anh “Kinetic Energy Released in
Material“ (Động năng được giải phóng trong vật chất), ký hiệu là K. Kerma là tỉ
số giữa dE k và dm, trong đó dE k là tổng giá trị động năng ban đầu của tất cả các
hạt mang điện được sinh ra do các bức xạ ion hóa gián tiếp trong thể tích nguyên
tố vật chất và dm là khối lượng vật chất của thể tích đó:
K=

dEk
dm

(1.8)

Kerma cũng phản ánh sự hấp thụ năng lượng bức xạ trong vật chất với đơn
vị đo trong hệ SI là J/kg hay Gray (Gy). Đại lượng này thường được sử dụng đối
với các bức xạ ion hóa gián tiếp như tia X, tia gamma, neutron nhanh.
Nếu ta xét kerma đối với một khối không khí thay vì khối vật chất thì khi
đó kerma được gọi là air kerma (Kerma không khí). Vậy air kerma được đo bằng
tỉ số giữa tổng động năng ban đầu của những hạt mang điện bị ion hóa trong thể
tích nguyên tố không khí và khối lượng thể tích khối không khí đó.
1.3.3

Liều tương đương (H)

Mục đích của việc thiết kế che chắn là bảo đảm an toàn cho nhân viên bức
xạ và dân chúng nên rất cần thiết phải xem xét mức độ ảnh hưởng của các loại bức

xạ lên cơ thể con người trước khi tiến hành tính toán che chắn cụ thể. Tuy nhiên
mức độ ảnh hưởng lại phụ thuộc vào từng loại bức xạ cụ thể. Để đánh giá mức độ
nguy hiểm của các loại bức xạ, người ta đưa ra khái niệm liều tương đương.
Liều hấp thụ tương đương hay liều tương đương H là đại lượng bằng tích số
giữa liều hấp thụ D và một hệ số đặc trưng cho loại bức xạ, hệ số này không có
đơn vị và được gọi là trọng số bức xạ, ký hiệu là WR


21

=
H WR × D

(1.9)

Đơn vị của liều tương đương trong hệ SI là Sievert (Sv)
Ngoài ra người ta cũng thường dùng đơn vị là Rem.
1 Sv = 100 Rem
1Rem = 0,01 Sv
Bảng 1.1 Trọng số bức xạ WR của một số bức xạ [2, tr. 32]
Loại bức xạ

Năng lượng

WR

Tia X, gamma, beta

Bất kỳ

1

Nhiệt (0,025 eV)

5

0,01 MeV

10

0,1 MeV

10

0,5 MeV

20

Neutron

Proton
Hạt α , mảnh vỡ phân
hạch, hạt nhân nặng
1.3.4

> 0,1 MeV- 2 MeV

20

> 2 MeV- 20 MeV

5

Năng lượng cao

5
20

Liều hiệu dụng (E)

Ảnh hưởng của các loại bức xạ lên cơ thể con người không chỉ phụ thuộc
vào bản thân của từng loại bức xạ mà còn phụ thuộc vào các cơ quan và mô trong
cơ thể. Khi chịu cùng một liều tương đương, các cơ quan và mô khác nhau trong
cơ thể có thể chịu những mức độ tổn thương khác nhau. Tức là chúng có độ nhạy
bức xạ khác nhau. Độ nhạy được đặc trưng bởi một hệ số gọi là hệ số trọng số mô.
Trong trường hợp nhiều vùng trong cơ thể bị chiếu, người ta dùng liều hiệu
dụng. Đó là tổng số:


22

E = ∑ WT H T

(1.10)

T

Trong đó, H T là liều tương đương nhận được ở mô T và W T là hệ số trọng
số mô đặc trưng cho cơ quan (mô) đó. Liều hiệu dụng cũng như liều tương đương
có cùng thứ nguyên như liều hấp thụ (năng lượng/khối lượng), nhưng người ta

cũng dùng đơn vị Sievert để tránh nhầm lẫn.
Bảng 1.2 Trọng số mô của một số mô hoặc cơ quan [1, tr.47]
Mô hoặc cơ quan

1.4

WT

Tuyến sinh dục

0,20

Tủy xương, ruột, phổi, dạ dày

0,12

Bàng quang, vú, gan, thực quản, tuyến giáp

0,05

Da, bề mặt xương

0,01

Các vùng khác

0,05

Các giới hạn liều đối với chiếu xạ nghề nghiệp và chiếu xạ

dân chúng
Chiếu xạ là hành động hay điều kiện bị bức xạ rọi vào. Về đối tượng, có 3
đối tượng chiếu xạ là chiếu xạ nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ, chiếu xạ dân
chúng đối với các thành viên dân chúng và chiếu xạ y tế đối với bệnh nhân trong
chẩn đoán hoặc điều trị bệnh bằng bức xạ.
1.4.1

Chiếu xạ nghề nghiệp

Các giới hạn liều đối với nhân viên bức xạ được qui định trong Tiêu chuẩn
Việt Nam (TCVN) 6866:2001[2, tr.174-175] như sau:
a. Chiếu xạ nghề nghiệp đối với mọi nhân viên bức xạ phải được giám sát sao
cho các giới hạn liều sau đây không được vượt quá:
-

20 mSv trong một năm liều hiệu dụng được lấy trung bình trong thời
gian 5 năm liên tục;

-

50 mSv liều hiệu dụng cho một năm riêng lẻ bất kì;