MỞ ĐẦU Ngày nay vật lý hạt nhân được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống xã hội như: công nghiêp, y học và nông sinh. Cùng với sự phát triển của công nghệ tiên tiến, các thiết bị ghi hình ảnh trong y khoa cũng được biết đến nhiều hơn như: máy X quang, máy CT Scanner, MRI, PET,. Kỹ thuật chụp cắt lớp điện toán được sử dụng rất phổ biến trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Việc ứng dụng chụp ảnh cắt lớp vào trong y học để xác định ảnh các mô hay các cơ quan bên trong cơ thể là một bước tiến rất quan trọng trong ngành y tế.
Ứng dụng trong thực tế khi sử dụng máy CT Scanner tạo ảnh với độ phân giải, độ tương phản cao, giúp chúng ta thấy được cấu trúc cơ thể người, những tổn thương bên trong cơ thể. Tuy nhiên, với những tính năng không thể phủ nhận đó, máy CT Scanner lại gây ra tia bức xạ cao gấp nhiều lần so với máy chụp Xquang thông thường. Việc tích lũy bức xạ trong cơ thể con người qua các lần chụp CT gây ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe của những người tiếp xúc. Để đảm bảo an toàn bức xạ cho bệnh nhân, kỹ thuật viên vận hành, việc kiểm soát liều là tất yếu.
Do đó, việc kiểm soát liều bệnh nhân trong chụp cắt lớp CT có ý nghĩ quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe người bệnh nói riêng và môi trường nói chung. 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 bức xạ cho phòng máy CT Scanner” làm đề tài luận văn thạc sỹ. Với mục đích tìm hiểu cơ sở khoa học, khảo sát phương pháp tính toán che chắn cho máy CT Scanner, và áp dụng cho những bài toán che chắn máy CT cụ thể, luận văn bao gồm những nội dung chính như sau: - Tìm hiểu tổng quát về tia X trong ứng dụng thiết bị bức xạ trong y tế bao gồm: khái niệm, các đại lượng ATBX căn bản, những quy định pháp lý về ATBX, mục đích và nguyên tắc của việc thiết kế che chắn và những thuật ngữ liên quan, máy CT Scanner như nguyên tắc hoạt động, các kỹ thuật có liên quan đến tính liều bức xạ. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Tìm hiểu về các phương pháp tính toán che chắn cho phòng máy CT Scanner phổ biến, đưa ra phương pháp tính toán DLP được sử dụng trong tính toán của luận văn.
- Đưa ra phương pháp nghiên cứu thực nghiệm của phương pháp tích liều chiều dài DLP. Thu thập số liệu từ các máy CT Scanner của các bệnh viện điểm trên cả nước, xử lý số liệu để tìm ra các chỉ số từ đó lựa chọn vật liệu che chắn chính xác; nhận xét và thảo luận các kết quả thu được. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Những vấn đề về an toàn bức xạ trong thiết bị X quang y tế 1.
Tia X [12] Tia X là bức xạ phát ra khi chùm tia electron đập vào vật rắn. Tia X do nhà vật lý học người Đức Rơn-ghen (Röntgen) tìm ra năm 1895. Tia X hay X quang hay tia Röntgen là một dạng của sóng điện từ. Nó có bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz và năng lượng từ 120 eV đến 120 keV (giới hạn sử dụng tia X trong chẩn đoán bệnh của máy X Quang, máy CT Scanner).
Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma. Tia X có khả năng xuyên qua nhiều vật chất nên thường được dùng trong chụp ảnh y tế, nghiên cứu tinh thể, kiểm tra hành lý hành khách trong an ninh hàng không hoặc cửa khẩu. Tia X cũng được phát ra bởi các thiên thể trong vũ trụ, do đó nhiều kính viễn vọng thiên văn học cũng hoạt động trong vùng phổ tia X. Tuy nhiên tia X có khả năng gây ion hóa hoặc các phản ứng có thể nguy hiểm cho sức khỏe con người, do đó bước sóng, cường độ và thời gian chụp ảnh y tế luôn được điều chỉnh cẩn thận để tránh tác hại cho sức khỏe.
Các đặc tính quan trọng của tia X như: 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 lả cơ sở của phương pháp chẩn đoán X quang.
Sự hấp thụ này phụ thuộc: + Thể tích của vật bị chiếu xạ: Vật càng lớn thì tia X bị hấp thụ càng nhiều. + Bước sóng của chùm X: Bước sóng càng dài tức là tia X càng mềm thì sẽ bị hấp thụ càng nhiều. + Số khối: Sự hấp thụ tăng theo trọng lượng nguyên tử của chất bị chiếu xạ. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 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.
Sự suy giảm của chùm photon qua vật chất [6] Một trong những 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, tia X (các hạt photon) sẽ tương tác với vật chất theo nhiều cơ chế khác nhau, các tương tác này không gây ra hiện tượng ion hóa trực tiếp như các hạt tích điện, nó làm bứt các hạt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron – positron là các hạt mang điện tích. Các hạt này sẽ là tác nhân gây ion hóa trực tiếp môi trường. Có ba kiểu tương tác chính là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
Khi có tương tác xảy ra thì 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. 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 1,022MeV). Các tương tác này làm photon bị hấp thụ hoặc bị mất một phần năng lượng.
Quá trình đó làm chùm photon bị suy giảm đi. Trong thực nghiệm, để xác định hệ số suy giảm tuyến tính ta chiếu một chùm tia X hẹp đi qua một lớp vật chất có độ dày d. Do sự tương tác với các nguyên tử của môi trường, một số photon sẽ bị hấp thụ hay tán xạ ra khỏi chùm tia. Do đó cường độ chùm tia sẽ giảm dần, theo công thức: I(x) = I0e-µd (1.1) Trong đó: I0 và I(d) là cường độ bức xạ tia X trước và sau lớp vật chất có bề dày d.
µ được gọi là hệ số suy giảm tuyến tính của lớp vật chất đối với chùm tia X đó. Một số đại lƣợng liều [2,3] 1. Liều hấp thụ (ký hiệu là D): Là đại lượng vật lý cơ bản sử dụng cho đánh giá liều bức xạ và được xác định theo công thức sau: 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2) dm Trong đó, dE là năng lượng trung bình do bức xạ iôn hoá truyền cho khối vật chất có khối lượng dm; dm là khối lượng của khối vật chất đó. Đơn vị của liều hấp thụ là jun/ kilôgam (J/kg) và được gọi là gray (Gy).
Liều tƣơng đƣơng (ký hiệu là HT,R): Là đại lượng dùng để đánh giá liều bức xạ trong một tổ chức mô hoặc cơ quan của cơ thể người và được xác định theo công thức sau: HT,R = DT,R x WR (1.3) Trong đó, DT,R là liều hấp thụ do loại bức xạ R gây ra, lấy trung bình trên cơ quan hoặc tổ chức mô T; WR là trọng số bức xạ của bức xạ loại R Khi trường bức xạ gồm nhiều loại bức xạ với các trọng số bức xạ WR khác nhau thì liều tương đương được xác định theo công thức sau: (1.4) H T WR xDT , R R Đơn vị của liều tương đương là jun trên kilôgam (J/kg) và được gọi là sivert (Sv). Liều hiệu dụng (ký hiệu là E): Liều hiệu dụng là tổng của những liều tương đương ở các mô hay cơ quan, mỗi một liều được nhân với trọng số đặc trưng của mô hay cơ quan tương ứng (tissue weighting factor): E WT .5) Với HT là liều tương đương trong mô hoặc cơ quan T và WT là trọng số mô được cho trong bảng (1. Từ định nghĩa của liều tương đương ta có: E WT ( Wr .DT,r ) Wr ( WT .6) Với DT,rlà liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T, đối với bức xạ r. Đơn vị của liều hiệu dụng là J/kg hoặc Sievert (Sv).
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Các trọng số mô đặc trưng cho các mô trong cơ thể WT (1990) Cơ quan hoặc mô WT Cơ quan sinh dục (gonads) 0,20 Tủy xương (bone marrow) 0,12 Ruột (colon) 0,12 Phổi (lung) 0,12 Dạ dày (stomach) 0,12 Bàng quang (bladder) 0,05 Vú (breast) 0,05 Gan (liver) 0,05 Thực quản (oesophagus) 0,05 Tuyến giáp (thyroid) 0,05 Da (skin) 0,01 Mặt xương (bone surface) 0,01 Các cơ quan khác 0,05 1. Kerma (K) [5] Kerma là 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 tương tác với vật chất trong thể tích nguyên tố vật chất và dm là khối lượng vật chất của thể tích đó: dEk K (1.7) dm 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 được sử dụng đối với các bức xạ ion hóa gián tiếp như tia X, tia gamma, neutron nhanh.
Nếu môi trường là không khí thì khi đó kerma được gọi là airkerma (Kerma không khí). Vậy airkerma được đo bằng tỉ số giữa tổng động năng ban đầu của 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com những hạt mang điện bị ion hóa trong thể tích nguyên tố không khí và khối lượng thể tích khối không khí đó. Các quy định đảm bảo an toàn bức xạ trong y tế theo quy định của pháp luật 1.