Calculation of the shielding safety of computed tomography scanner room by using mcnp5 code

Untitled TAÏP CHÍ PHAÙT TRIEÅN KH&CN, TAÄP 20, SOÁ T4 2017 Trang 63 Tính toán che chắn an toàn cho phòng chụp ảnh cắt lớp bằng chương trình MCNP5 • Trần Ái Khanh • Cao Minh Thông • Đặng Nguyên Phương[.]

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 Tính tốn che chắn an tồn cho phịng chụp ảnh cắt lớp chương trình MCNP5 • • • • • Trần Ái Khanh Cao Minh Thông Đặng Nguyên Phương Trương Thị Hồng Loan Mai Văn Nhơn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 22 tháng 12 năm 2016, nhận đăng ngày 30 tháng 10 năm 2017) TĨM TẮT Thiết kế che chắn cho phịng chụp ảnh cắt lớp (Computed Tomography - CT) công việc cần thiết nhằm đảm bảo an toàn xạ cho kỹ thuật viên công chúng Trong báo này, tiến hành xác định giá trị CTDI (CT Dose Index) thực nghiệm sử dụng chương trình MCNP5 để xác định hệ số chuẩn hóa mơ thực nghiệm, từ thực khảo sát phân bố liều bên bên ngồi phịng chụp CT kích thước phịng thay đổi Ngồi ra, ảnh hưởng photon tán xạ từ vật liệu che chắn đến bệnh nhân thu hẹp kích thước phịng khảo sát cơng trình Từ khóa: phòng chụp CT, CTDI, che chắn, MCNP5 MỞ ĐẦU Ngày nay, phương pháp chụp CT công cụ mạnh giúp thấy cấu trúc thể người với độ phân giải vị trí độ tương phản cao Mặc dù liều xạ q trình chụp CT khơng cao so với q trình xạ trị bệnh nhân việc sử dụng CT chẩn đốn hình ảnh sở y tế ngày tăng góp phần tăng liều xạ cho bệnh nhân, nhân viên y tế cộng đồng Vấn đề an toàn xạ đặt thiết lập phòng máy chụp CT Theo TCVN 6561:1999 quy định an tồn xạ ion hóa y tế, phòng chụp CT phải đảm bảo kích thước tối thiểu bề dày lớp che chắn đáp ứng tiêu chuẩn an toàn xạ Để thiết kế đánh giá mức độ an toàn xạ phòng chụp CT, cần phải khảo sát liều xạ máy chụp CT ca chụp phân bố liều xạ bên phòng Các liều xạ bao gồm liều chùm tia gây ra, liều tán xạ từ vật liệu xung quanh hay liều xạ rò (leakage radiation) [1-3] Hiện nay, với hỗ trợ máy tính phương pháp Monte Carlo [4-7] đánh giá liều xạ xác định đóng góp thành phần vào liều tổng cộng gây cho bệnh nhân cách dễ dàng Đồng thời mức độ phân bố liều bên phòng chụp liều xạ qua lớp che chắn xác định Trong báo này, chúng tơi tiến hành mơ hình hóa đầu bóng phát tia X máy CT hãng Philips Bệnh viện Quân Y 175 chương trình MCNP5 Ngồi ra, chúng tơi sử dụng người giả PMMA đường kính 16 cm buồng ion hóa bút chì Piranha hãng RTI để xác định liều xạ khơng khí vị trí chùm tia trung tâm liều hấp thụ người giả PMMA Từ đó, hệ số chuẩn hóa chương trình MCNP5 thực nghiệm tương ứng với điện đỉnh 90 kVp, 120 kVp 140 kVp xác định Tiếp theo, tiến hành đánh giá mức liều hấp thụ qua lớp che chắn phòng chụp CT; phân bố liều xung quanh phòng chụp Trang 63 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 CT thay đổi kích thước phịng để từ khảo sát mức độ đảm bảo an tồn xạ lớp che chắn kích thước phòng thay đổi VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Thực nghiệm Các thiết bị sử thực nghiệm bao gồm: Máy CT Brilliance BigBore Oncology Đầu dò đo liều CT Thiết bị điện tử Piranha hãng RTI, Thụy Điển Người giả PMMA đầu Đầu dò đo liều CT (CT Dose Profiler – CTDP) đầu dò dạng điểm thiết kế vừa vặn để đưa vào người giả chuẩn để đánh giá thiết bị chụp cắt lớp Khi bề dày lát cắt khơng bị giới hạn người dùng chọn đo liều CT CTDP Trong việc xác định giá trị CTDI đặt tâm người giả PMMA đầu (Hình 1) CTDP thiết kế dùng chung với thiết bị Piranha CTDP (thiết bị RTI, Thụy Điển) đầu dị có kích thước × × 0,3 mm sử dụng để đo liều hấp thụ Đầu dò nối với thiết bị đo tia X (Piranha, RTI) thông tin liều hiển thị thiết bị cầm tay Người giả PMMA (PolyMethyl MethAcrylate) đầu loại người giả đại diện cho phần đầu của bệnh nhân với vật liệu nhựa acrylic, đường kính 16 cm, chiều dài 15 cm Người giả PMMA đặt vị trí trung tâm chùm tia CTDP chèn vào vị trí trung tâm, 12 h, h, h h Chế độ chụp bao gồm điện đỉnh 90, 120, 140 kVp với ống chuẩn trực chùm tia lọc hình nơ, dịng qua ống phát tia X 350 mA, thời gian quét 10 s Vị trí 12 h ngoại biên khoảng cách 1,0 cm tính từ bề mặt người giả Hình biểu diễn đo đạc thực nghiệm giá trị CTDI Trang 64 Hình Xác định CTDI thực nghiệm người giả PMMA đường kính 16 cm Chương trình MCNP5 Chương trình mơ Monte Carlo MCNP5 [10] Phịng Thí nghiệm Los Alamos (LANL) sử dụng để mô cấu hình đầu bóng phát tia X Thành phần đầu bóng phát tia X bao gồm bia anode Vonfram (W) mật độ tương đương 19,4 g/cm3, góc nghiêng anode 70, lượng 90 keV, 120 keV 140 keV Bộ lọc tổng cộng tương đương nhôm đầu bóng 7,95 mm điện 80 kV Người giả PMMA cho chế độ chụp đầu với đường kính 16 cm vật liệu nhựa acrylic, mật độ 1,205 g/cm3 sử dụng để xác định liều xạ từ máy CT Phòng chụp CT chiều dài 6,2 m, chiều rộng 4,5 m; chiều cao 3,5 m Phòng kỹ thuật viên dài 2,5 m rộng 4,5 m Các lớp che chắn bê tông chì, bê tơng dày 20 cm ốp chì dày mm Cửa vào kỹ thuật viên bệnh nhân làm thép ốp chì dày mm (Hình 2) Thẻ F4 sử dụng để xác định thông lượng qua ô Khi xác định phân bố liều bên bên ngồi phịng chụp CT, thẻ Fmesh4 sử dụng Việc sử dụng thẻ cho phép đánh giá liều xạ mạng lưới điểm ảnh ba chiều chia nhỏ vùng không gian cần khảo sát Để đánh giá lượng để lại ơ, thẻ TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 F6 sử dụng Thẻ giúp xác định liều hấp thụ vật liệu có đơn vị MeV/g hay đơn vị mGy Hình trình bày hình ảnh 3D mơ phòng chụp CT (A) người giả PMMA đường kính 16 cm chương trình MCNP5 2,3 m 4.5 m Khoang máy CT Cửa bệnh nhân: 6,2 m 2,25 m Phịng chụp CT Cửa KTV Kính chì Phịng KTV Hình Sơ đồ phịng chụp CT 16 lát cắt hãng Philips Bệnh viện Quân Y 175 (A) (B) Hình Ảnh 3D mơ phịng chụp CT (A) người giả PMMA chương trình MCNP5 (B) Trang 65 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN  NFNBW  Hệ số chuẩn hóa (NF)NBW Chương trình MCNP cho kết liều xạ hạt nguồn (mGy/hạt) ảnh hưởng đại lượng dòng qua ống tia X (mA) thời gian phát tia X (ms) Các kết cần biểu diễn dạng liều xạ mAs (mGy/mAs) Do đó, cần phải chuyển đổi từ liều xạ hạt sang liều xạ mAs Sự chuyển đổi thơng qua hệ số chuẩn hóa (NF)NBW [8], tính biểu thức (1)  CTDITN NBW  CTDIMP NBW (1) Trong đó, (CTDITN)NBW (CTDIMP)NBW số liều CTDI đo đạc thực nghiệm tính tốn mơ Hệ số chuẩn hóa thực mAs giá trị liều tuyệt đối mô nhân với hệ số chuẩn hóa mAs Liều tuyệt đối thực biểu thức (2):  DNBW   NFNBW   DMP NBW   mAs  (2) Bảng Hệ số chuẩn hóa mơ thực nghiệm kVp 90 120 140 CTDI thực nghiệm (mGy/mAs) 0,097 0,259 0,390 CTDI mô (mGy/hạt) 1,590E-12 1,674E-12 1,756E-12 Nghiên cứu phân bố xạ phát từ máy chụp CT chẩn đốn thay đổi kích thước phịng Khi giảm kích thước phịng, phân bố xạ ngồi phịng thay đổi Vật liệu che chắn gần nguồn phát nên tăng khả tán xạ lên bệnh nhân, đồng thời tăng khả tia sơ cấp, thứ cấp dịng rị xun thấu qua tường che chắn Để có kích thước phịng nhỏ đảm bảo an tồn xạ, tiêu chí lựa chọn: 1- Liều chiếu lên bệnh nhân phòng chụp đảm bảo mức ngưỡng cho phép, 2- Đảm bảo an toàn xạ cho cán phụ trách cơng chúng bên ngồi phịng chụp theo quy định Trong thực tế chiều dài phòng CT phải đảm bảo cho di chuyển giường bệnh nhân, chiều dài tối thiểu phải chứa đủ giường bệnh nhân hệ thống khoang máy, chiều rộng phòng phải đảm bảo cho khoang máy quay Khi chụp CT, nguồn phát vừa di chuyển tịnh tiến theo chiều dài, vừa quay quanh bệnh nhân Hai tường Trang 66 Sai số mô 0,0227 0,0219 0,0215 Hệ số chuẩn hóa 6,070E+10 1,547E+11 2,222E+11 che chắn đối diện dọc theo chiều dài phòng trần nhà sàn nhà nơi nhận chủ yếu trường chiếu tia sơ cấp Do việc nghiên cứu an tồn che chắn phòng chụp CT liên quan chủ yếu đến bề rộng phòng, đặc biệt khoảng cách nguồn phát (di động) tường che chắn Phòng chụp CT nghiên cứu có diện tích thực tế 28 m2, vị trí nguồn phát cách tường che chắn 275 cm Để nghiên cứu thay đổi phân bố liều xạ giảm kích thước phịng chúng tơi sử dụng mơ hình phịng chụp CT xây dựng tính tốn hệ số chuẩn hóa tiến hành điều chỉnh giảm khoảng cách từ 275 cm xuống 185 cm với mục đích khảo sát thay đổi xạ tán xạ lên người giả ghi nhận phân bố liều xạ bên tường Kết đánh giá phân bố xạ tán xạ lên người giả phòng chụp thay đổi khoảng cách từ nguồn đến tường che chắn biểu diễn Hình TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 Hình Bức xạ tán xạ lên người giả với khoảng cách từ nguồn đến tường che chắn thay đổi từ 185 cm đến 275 cm Kết cho thấy giảm khoảng cách nguồn phát tường che chắn từ 275 cm đến 235 cm xạ tán xạ lên người giả không tăng Điều giải thích tia tán xạ từ vật liệu che chắn không đến người giả Tuy nhiên, khoảng cách tiếp tục giảm xạ tán xạ lên người giả bắt đầu tăng Theo nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) liều xạ bệnh nhân phải thấp Vì khoảng cách nguồn phát tường che chắn từ 235 cm trở lên đảm bảo an tồn xạ cho bệnh nhân kích thước phòng giảm Tương tự trên, việc nghiên cứu phân bố xạ bên tường che chắn chủ yếu vị trí phịng kỹ thuật viên công chúng ghi nhận thẻ F6 chương trình MCNP5 Kết trình bày Hình Liều hấp thụ tuyệt đối (µSv/h) 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 215 225 235 245 Khoảng cách (cm) 255 265 275 Hình Bức xạ qua lớp vật liệu bê tơng-chì-bê tơng thay đổi khoảng cách Trang 67 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 Chú ý ngưỡng cho phép an tồn xạ bên ngồi phịng chụp khu vực cơng chúng 0,5 µSv/h Hình cho thấy an toàn xạ đảm bảo (liều xạ < 0,5 µSv/h) khoảng cách nguồn – tường che chắn lớn 245 cm Kết hợp yêu cầu hai tiêu chí đưa kết luận rằng, để đảm bảo cho bệnh nhân khơng nhận thêm xạ tán xạ phịng cơng chúng khu vực bên ngồi phịng an tồn xạ khoảng cách nguồn phát tường che chắn tối thiểu từ 245 cm trở lên, tương ứng với bề rộng phòng tối thiểu 3,9 m Khi đó, với chiều dài phịng cố định tối thiểu 5,6 m diện tích phịng chụp CT tối thiểu tính tốn 22 m2 Sử dụng mơ hình mô để nghiên cứu trường hợp đặc biệt khảo sát Tại bệnh viện có phịng CT có kích thước phịng 20 cm2, bề rộng phòng chụp 3,8 m Với bề rộng này, khoảng cách từ nguồn đến vật liệu che chắn 240 cm, phân bố liều tán xạ lên bệnh nhân không tăng (Hình 3) liều xạ bên ngồi tường che chắn vượt ngưỡng 0,5 µSv/h Vì vậy, trường hợp tường che chắn cần lót thêm chì Sử dụng chì mật độ  = 11,35 g/cm3, hệ số suy giảm tuyến tính µ = 0,579 1/cm bề dày cần lót thêm 1,64 mm để đảm bảo an tồn cho kỹ thuật viên công chúng Phân bố liều bên bên ngồi phịng chụp CT Từ kết nghiên cứu kích thước phịng trên, chúng tơi tiếp tục đánh giá chi tiết biểu diễn phân bố liều bên bên ngồi phịng chụp CT cách sử dụng thẻ Fmesh4 Phân bố liều theo mặt cắt ngang phịng bên bên ngồi với độ cao Z = 3,5 m đánh giá với diện tích phịng khác Đầu tiên phịng chụp CT chuẩn, diện tích 28 m2, tương ứng với bề rộng 4,5 m, phân bố liều xạ sau qua lớp che chắn đến khu vực công chúng biểu diễn Hình Vùng trường chiếu Hình Phân bố liều xạ khu vực cơng chúng phịng chụp CT diện tích 28 m2 Kết cho thấy, liều xạ khu vực công chúng đảm bảo an toàn xạ qua lớp che chắn Tuy nhiên ý khu vực cửa vào bệnh nhân phòng chụp CT, với vật liệu che chắn thép có ốp chì dày mm, hấp thụ Trang 68 xạ so với lớp che chắn bê tơng chì Tương tự phân bố liều bên bên ngồi phịng khu vực cơng chúng diện tích phịng chụp giảm xuống 23 m2 20 m2 trình bày Hình Hình TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 20, SỐ T4- 2017 Hình Phân bố liều xạ khu vực cơng chúng phịng chụp CT diện tích 23 m2 Vùng trường chiếu Cửa thép Hình Phân bố liều xạ khu vực công chúng phịng chụp CT diện tích 20 m2 Kết cho thấy giảm diện tích phịng chụp CT, phân bố liều phòng phân bố phức tạp, phân bố xạ tăng sau qua lớp che chắn, có rị rỉ phóng xạ cửa làm thép ốp chì giảm kích thước phịng cịn 20 m2 Trong trường hợp cần gia cố thêm chì lớp cửa thép để đảm bảo an tồn xạ cho công chúng (người bệnh hay thân nhân) ngồi ngồi phịng chờ KẾT LUẬN Trong cơng trình này, nhóm tác giả tiến hành tính tốn giá trị CTDI để xác định hệ số chuẩn hóa mơ chương trình MCNP5 thực nghiệm tiến hành người giả PMMA đường kính 16 cm sử dụng buồng ion hóa bút chì dài 100 mm Từ nghiên cứu phân bố xạ tán xạ lên phantom thay đổi khoảng cách từ nguồn đến vật liệu che chắn Qua đó, xác định khoảng cách từ nguồn đến lớp che chắn tối thiểu đảm bảo an toàn xạ 3,9 m, tương ứng với diện tích phịng chụp CT 22 m2 Đối với phịng chụp CT có diện tích nhỏ 20 m2 cần phải lót chì thêm vào lớp che chắn nhằm đảm bảo an toàn xạ cho kỹ thuật viên công chúng Trang 69 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 Calculation of the shielding safety of Computed Tomography scanner room by using MCNP5 code • • • • • Tran Ai Khanh Cao Minh Thong Dang Nguyen Phuong Truong Thi Hong Loan Mai Van Nhon University of Science, VNU-HCM ABSTRACT Shielding design of Computed Tomography scanner room is a vital work to ensure radiation safety for medical physicists and public In this paper, we measured CTDI (CT Dose Index) and determined the normalization factor between Monte Carlo simulation and experiment values of absorbed dose Then, the absorbed dose Keyword: CT room, CTDI, Shielding, MCNP5 code distribution inside and outside the CT scanner room were surveyed for the variation of the room size In addition, the influence of photons scattered from the shielding material to patients while shrinking the sizes of the room is also studied in this work TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Assiamah, T.L Nam, R.J Keddy, Comparison of mammography radiation dose values160 obtained from direct incident air kerma measurements with values from X-ray spectral data, Applied Radiation and Isotopes, 62, 551–560 (2005) [2] J.H Chang, P.C Hsu, J.H Chao, P.S Weng, J.L Su, Study of radiation dose and device quality for diagnostic X-ray units, Japanese Journal of Health Physics, 40, 170–176 (2005) [3] K Kisielewicz, A Truszkiewicz, S Wach, M Wasilewskae, Evaluation of dose area product vs.165 patient dose in diagnostic Xray units, Physica Medica, 27, 117–120 (2004) [4] G McVey, H Weatherbum, A study of scatter in diagnostic X-ray room, The British Journal of Radiology, 77, 28–38 (2004) [5] H Delisa, G Spyroua, G Tzanakosc, G Panayiotakis, The influence of mammographic X-ray spectra on absorbed Trang 70 energy distribution in breast: Monte Carlo simulation studies, Radiation Measurements, 39, 149–155 (2005) [6] J Gierscha, J Durst, Monte Carlo simulations in X-ray imaging, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 591, 300–305 (2008) [7] M.T Yoshizumi, H Yoriyaz, L.V.E Caldas, Backscattered radiation inot a transmission ionization chamber: Measurement and Monte Carlo simulation, Applied Radiation and Isotopes, 68, 586–588 (2010) [8] G Jarry, J.J DeMarco, M.F McNitt-Gray, Monte Carlo dose verification of a commercial CT scanner with apllications for patient specific dosimetry, Medical Physics, 29, 1344 (2002) [9] RTI Electronics AB (2012) [10] X-5 Monte Carlo Team, MCNP−A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, Los Alamos National Laboratory (2003)  ... the CT scanner room were surveyed for the variation of the room size In addition, the influence of photons scattered from the shielding material to patients while shrinking the sizes of the room. .. 69 Science & Technology Development, Vol 20, No.T4-2017 Calculation of the shielding safety of Computed Tomography scanner room by using MCNP5 code • • • • • Tran Ai Khanh Cao Minh Thong Dang... Thi Hong Loan Mai Van Nhon University of Science, VNU-HCM ABSTRACT Shielding design of Computed Tomography scanner room is a vital work to ensure radiation safety for medical physicists and public