MỞ ĐẦU Năm 1895 Roentgen đã phát hiện ra bức xạ tia X trong lúc ông đang nghiên cứu hiện tƣợng phóng điện trong không khí. Trong thời gian làm thí nghiệm trên loại tia mới bí ẩn này thì ông đã chụp đƣợc một bức ảnh bóng của các vật thể khác nhau. Những bức ảnh này đánh dấu sự ra đời của phƣơng pháp chụp ảnh bức xạ. Phƣơng pháp chụp ảnh bức xạ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành nhƣ y tế, công nghiệp, hàng không và các lĩnh vực khác nhƣ kiểm tra các mối hàn trong nhà máy điện, nhà máy luyện kim, cấu trúc của thiết bị vận chuyển.
Tạo ảnh bằng X quang là một trong những kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh sử dụng phổ biến trong y học và kỹ thuật. Nguyên lý tạo ảnh dựa trên sự lan truyền và hấp thụ của tia X trong quá trình đi qua môi trƣờng vật chất không đồng nhất. Để hiểu rõ bản chất vật lý sự tƣơng tác của tia X với vật chất, ngƣời ta có thể sử dụng mô phỏng quá trình lan truyền của photon tia X thông qua các dạng tƣơng tác đặc trƣng cơ bản nhƣ hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và Rayleigh cũng nhƣ hiệu ứng tạo cặp. Cơ sở thuật toán mô phỏng sự lan truyền này cũng là một công cụ đắc lực giúp giải quyết bài toán tƣơng tác hạt cơ bản với vật chất trong vật lý hạt nhân.
Trong những ngày đầu mới phát hiện ra tia X, tính chất vật lý của tia X và hình ảnh X-quang chƣa đƣợc hiểu một cách rõ ràng nhất. Ngày nay, chúng ta đã hiểu rõ về đặc điểm tƣơng tác của bức xạ tia X với vật chất, thậm chí có thể dự đoán hình ảnh X- quang của vật thể thông qua phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo. Mô phỏng Monte Carlo đã trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực của hình ảnh X-quang. Chúng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các hiệu ứng vật lý của photon trên các vật liệu khác nhau thông qua các thông số của chất lƣợng ảnh.
Phƣơng pháp số Monte Carlo đƣợc sử dụng rộng rãi để giải các bài toán Vật lý và Toán học phức tạp (James, 1980; Rubinstein, 1981; Kalos và Whitlock, 1986) bao gồm ứng dụng cơ bản trong vận chuyển bức xạ, lí thuyết thống kê và lí thuyết lƣợng tử hệ nhiều hạt. xiii Do vậy, việc khảo sát hình ảnh X- quang bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo sẽ phát triển thêm nhiều ứng dụng to lớn của ảnh x-quang không chỉ bằng các phƣơng pháp thực nghiệm. Ảnh X-quang trong y học có nhiều ứng dụng to lớn. Việc chụp x-quang định kì trở thành cần thiết cho việc theo dõi sức khoẻ.
Trƣớc kia, ảnh X-quang đƣợc lƣu trên phim, ngày nay chúng là những tập tin kĩ thuật số rất thuận tiện cho việc xem và lƣu trữ. Ngoài ra, chúng còn đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhƣ kiểm tra nồi hơi, khuyết tật vật liệu, khuyết tật các mối hàn… Những thành quả ấy tạo cơ sở cho việc phát triển mạnh mẽ phƣơng pháp này cho đến ngày nay.[8] Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là an toàn bức xạ tia X khi sử dụng phƣơng pháp này. Với liều lƣợng khá lớn, bức xạ ion hoá có thể gây ra các tác động có hại cấp tính tới sức khoẻ và có thể dẫn tới tử vong đối với con ngƣời. Bên cạnh đó còn có những tác dụng phụ ảnh hƣởng tới hệ thống thần kinh trung ƣơng, hệ thống tiêu hoá, hệ thống hô hấp.
Với liều lƣợng nhỏ, bức xạ ion hoá có thể gây ra những tác động lâu dài mang tính ngẫu nhiên ảnh hƣởng đến việc tạo đột biến trên bản thân ngƣời bị chiếu nhƣ gây ung thƣ, bất hoạt cơ quan hoặc ảnh hƣởng di truyền về sau. Trong trƣờng hợp y học hạt nhân, phƣơng pháp này khi mô phỏng năng lƣợng cao cho phép tính toán liều chiếu xạ đối với bệnh nhân ung thƣ. Đặc biệt trong những năm gần đây, khi máy tính phát triển, phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo ngày càng trở nên tinh vi hơn và đƣợc sử dụng rộng rãi hơn. Các phiên bản đầu tiên đƣợc viết theo mã máy, nhƣng vào những năm 1960, ngôn ngữ FORTRAN đƣợc sử dụng để thay thế (Fortran- Formula Translation đƣợc phát hành bởi hãng IBM- International Bussiness Machines, đƣợc tiêu chuẩn hoá vào năm 1966, 1977 và 1990).
Hiện nay, bốn chƣơng trình phổ biến của Monte Carlo đƣợc sử dụng để mô phỏng tính liều phân bố trong xạ trị đó là: EGS (Nelson et al, 1985; Kawrakow và Rogers, 2000), MCNP (Briesmeister, 2000; Waters, 2002), PENELOPE (Salvat et al, 2003), và GEANT (Agostinelli et al, 2003). xiv Trong mô phỏng Monte-carlo của vận chuyển bức xạ, vết của một hạt đƣợc xem là một chuỗi ngẫu nhiên của các lần bay tự nhiên kết thúc với sự kiện tƣơng tác mà ở đó các hạt thay đổi hƣớng chuyển động của nó, mất năng lƣợng, hay tạo ra hạt thứ cấp. Nếu số vết đƣợc tạo ra đủ lớn thì thông tin định lƣợng quá trình vận chuyển có thể thu đƣợc bằng cách lấy trung bình trên lịch sử mô phỏng. Mô phỏng Monte Carlo – chƣơng trình PENELOPE đƣợc vận hành trên giao diện DOS, sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran 77.
Vì thế nó có thể chạy trên bất kỳ nền tảng nào có ngôn ngữ Fortran 77 hoặc 90. Quan trọng và thuận lợi là PENELOPE cho phép ngƣời sử dụng thực hiện mô phỏng dạng hình học và giới hạn tuỳ ý mà không cần lý thuyết phức tạp của sự tán xạ và truyền qua. PENELOPE 2006 là kết quả tiến hoá liên tục từ phiên bản đầu tiên năm 1996, kết hợp những thay đổi đáng kể và bổ sung các phiên bản trƣớc (1996, 2000, 2001, 2003, 2006) nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy và tổng quát của hệ thống mã. Chính vì vậy, việc khảo sát hình ảnh x-quang bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo có thể giúp tìm thấy các hình ảnh tối ƣu, hạn chế tối đa những ảnh hƣởng của bức xạ tia X đối với một đối tƣợng X-quang, có thể so sánh với kết quả thực nghiệm thu đƣợc.
Với tổng quan trên , đề tài ― Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phƣơng pháp Monte Carlo‖ đƣợc thực hiện với mục tiêu và nhiệm vụ đề ra nhƣ sau: - Mục tiêu để tài: Thực hiện mô phỏng hình ảnh X – quang một số vật thể đơn giản bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo qua chƣơng trình PENELOPE. - Các nhiệm vụ của đề tài: * Tổng quan về các quá trình tƣơng tác chủ yếu của gamma với vật chất. * Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phát tia X và nguyên lý tạo ảnh X-quang. * Giới thiệu về chƣơng trình mô phỏng sự lan truyền photon và electron năng lƣợng cao trong vật chất PENELOPE.
* Sử dụng chƣơng trình PENELOPE để mô phỏng một số hình ảnh X-quang. Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phƣơng pháp Monte Carlo CHƢƠNG I TƢƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1 Bản chất của tia gamma [1] 1.1 Tia Gamma Bức xạ gamma là hiện tƣợng hạt nhân chuyển từ trạng thái kích thích cao về trạng thái kích thích thấp hơn hay trạng thái cơ bản bằng cách phân rã bức xạ gamma. Hạt nhân sau khi phân rã gamma không thay đổi số khối A và điện tích Z. Công thức của quá trình là: ( Z X A ) Z X A (1.1) Nhƣ vậy phân rã Gamma chỉ xảy ra trong hạt nhân kích thích.
Hạt nhân kích thích có thể thu đƣợc bằng nhiều cách. Trong phản ứng hạt nhân do kết quả bắn phá bởi các hạt tích điện, hạt nơtron và các photon khác mà hạt nhân bia sẽ đƣợc nâng lên trạng thái kích thích. Sau phân rã anpha và bêta hạt nhân mới tạo thành có thể nằm ở trạng thái kích thích. Đây là cách đơn giản và phổ biến nhất để thu đƣợc những hạt nhân bức xạ gamma.
Tia gamma là các sóng điện từ có bƣớc sóng cực ngắn phát ra trong sự phân rã của hạt nhân nguyên tử. Cần chú ý là tia gamma và tia Rơnghen đều là các sóng điện từ nhƣng gamma có bƣớc sóng ngắn hơn, độ đâm xuyên lớn hơn (có thể xuyên qua lớp vật liệu dày nhƣ xuyên qua 10cm Pb). Điểm khác biệt cơ bản, bản chất của 2 loại tia ở chỗ: Gamma phát ra từ hạt nhân nguyên tử còn tia rơnghen phát ra bởi sự dịch chuyển trạng thái từ trạng thái năng lƣợng cao về trạng thái năng lƣợng thấp hơn của các electron trong lớp vỏ nguyên tử. Tia rơnghen đƣợc tạo ra khi các điển tử bị hãm, những điện tử có tốc độ cao đến gần (bay ngang qua) hạt nhân mang điện dƣơng chúng chịu một sức hút và chuyển động chậm lại.
Trong quá trình bị làm chậm hoặc bị hãm chúng bị mất đi một phần động năng ban đầu dƣới dạng tia Rơnghen (theo điện động lực học cổ điển). Đôi khi điện tử bị dừng lại tức thì, khi đó toàn bộ năng lƣợng 1 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh HVTH :Bùi Thiện Chánh Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phƣơng pháp Monte Carlo của chúng đƣợc chuyển thành năng lƣợng cực đại của bức xạ Rơnghen (có bƣớc sóng cực tiểu). Trong ống phóng tia Rơnghen, khi các electron đập vào bia thì tốc độ của chúng thay đổi liên tục trong trƣờng Culông của các nguyên tử bia hay nói cách khác năng lƣợng của các electron bị mất dần, do đó các tia rơnghen phát ra có bƣớc sóng thay đổi liên tục trong một dải rộng vì vậy phổ của nó là một phổ liên tục. Các đồng vị phóng xạ phát ra một hoặc nhiều loại sóng.
Do vậy trong phổ của nó có cách vạch khác nhau tƣơng ứng với các sóng đó. Ví dụ : 60 Co (T=5,2714 năm) phát ra 2 loại sóng trội ở 1173,228 KeV và 1332,490 KeV. 137 Cs (T=30,07 năm) phát ra 1 loại sóng trội ở 661,657 KeV. 57 Co (T= 271,79 ngày) phát ra 3 loại sóng trội 14,6 KeV, 122,06 KeV, 136,47 KeV.
241 Am (T=432,2 năm) phát ra 2 loại sóng trội 26,3446 KeV và 54,5409 KeV Tất cả các nguồn gamma đều có dạng phổ vạch (Tức là có năng lƣợng xác định và có các đỉnh đặc trƣng cho năng lƣợng của chúng là rời rạc) khác với phổ của tia rơnghen. Thƣờng ngƣời ta mô tả một tia gamma nhất định bằng năng lƣợng của nó hơn là biểu diễn nó theo chiều dài bƣớc sóng. Ví dụ nhƣ phổ của một nguồn gamma có dạng nhƣ sau : 2 GVHD : PGS.TS Huỳnh Quang Linh HVTH :Bùi Thiện Chánh Mô phỏng hình ảnh X-quang bằng phƣơng pháp Monte Carlo Hình 1.1 : Phổ của một nguồn gamma 1.2 Tính chất của tia gamma - Không nhìn thấy đƣợc bằng mắt thƣờng. - Không cảm nhận đƣợc bằng các giác quan của con ngƣời.
