Khảo sát các đặc trưng của liều kế quang phát quang nanodot ở vùng năng lượng chẩn đoán hình ảnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TÁT THÀNH NGẢNH Vật lý y khoa NGUYEN TAT THANH KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐÈ TÀI: KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA LIÈU KÉ QUANG PHÁT QUANG NANODOT Ở VÙNG NĂNG LƯỢNG CHẨN ĐỐN HÌNH ẢNH GVHD: ThS NGUYỀN QUANG ĐẠO ThS PHẠM NHU TUYỀN GVPB: TS ĐẶNG THANH LUONG SVTH: LÊ HÒNG NHẬT MSSV: 1900001862 LỚP: 19DVY1A Tp HCM, tháng 06 năm 2023 LỜI CẢM ƠN Trong suốt năm học tập hoạt động Trường Đại học Nguyền Tất Thành, em nhận giúp đỡ hồ trợ nhiệt tình từ tất Giảng Viên khoa anh chị bên phía Bệnh viện Chợ Rầy trình thực tập, em tiếp thu nhiều kiến thức chuyên ngành, giúp em nhận tầm quan trọng trách nhiệm trở thành nhà Vật Lý Y Khoa Em xin chân thành cảm ơn đến Thầy Nguyễn Quang Đạo Cô Phạm Như Tuyền hồ trợ hướng dần em suốt q trình hồn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin gửi gửi lời cảm ơn đến Thầy Đặng Thanh Lương, Thầy thiếu sót thân em cho em nhận xét đáng quý để hoàn thiện đề tài nghiên cứu Em xin cảm ơn Trung tâm hạt nhân Tp Hồ Chí Minh, hồ trợ em việc chiếu liều kế để thực khố luận Ngồi ra, em muốn gửi lời cảm ơn đến tất Thầy Cô giúp đờ tận tình trình em học tập trường Đại học Nguyễn Tất Thành tham gia thực tập Bệnh viện Chợ Rầy Trong suốt trình báo cáo bảo vệ, với kiến thức thân hạn chế thiếu kinh nghiệm thực khóa luận, em mong Thầy Cơ Giảng viên giúp đỡ đưa em góp ý đe hồn thiện khóa luận tốt nghiệp tốt Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô em xin chúc Qúy Thầy Cô thật nhiều sức khỏe đạt nhiều thành cơng sống Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Lê Hồng Nhật NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẢN) 1/ Trình độ lý luận: 2/ Kỷ nghề nghiệp: 3/ Nội dung báo cáo: 4/ Hình thức báo cáo: Điểm: TP.HCM, ngày thảng năm 2023 (Ký tên) 11 NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN) 1/Trình độ lý luận: 2/ Kỷ nghề nghiệp: 3/ Nội dung báo cáo: 4/ Hình thức báo cáo: Điểm: TP.HCM, ngày thảng năm 2023 (Ký tên) iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẦN) ii NHẬN XÉT (CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN) iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ix CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục đích chọn đề tài CHƯƠNG TỐNG QUAN 2.1 Hiện tượng phát quang 2.2 Hiện tượng quang phát quang 2.3 Nguyên tắc ghi nhận tín hiệu Quang phát quang 2.3.1 Mơ hình bầy tâm tái hợp 2.3.2 Mơ hình nhiều tâm nhiều bầy 2.3.3 Mơ hình động học tong qt 10 2.4 Khái niệm đại lượng liều 10 2.4.1 Đại lượng vật lý 10 2.4.2 Đại lượng bảo vệ chống xạ 12 2.4.3 Đại lượng liều thực hành 13 2.5 Các đặc trưng liều kế quang phát quang 14 2.5.1 Tính đồng đáp ứng 14 2.5.2 Độ lặp lại mẻ liều kế 14 IV 2.5.3 Tuyến tính liều 15 2.5.4 Ngường nhạy liều kế 15 2.5.5 Sự suy giảm tín hiệu 16 2.5.6 Sự phụ thuộc góc 17 2.5.7 Đáp ứng lượng 17 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LUẬN 20 3.1 Cấu tạo cùa liều kế nanodot 20 3.2 Nguyên lý hoạt động đầu đọc Microstar 21 3.3 Tính tốn liều ghi nhận liều kế 22 3.4 Kiểm tra độ ổn định đầu đọc 22 3.5 Phương pháp đo đặc trưng liều kếquang phát quang 23 3.5.1 Tính đồng đáp ứng liềukế mẻ 23 3.5.2 Độ lặp lại mẻ vàcủa liều kế 23 3.5.3 Tuyến tính liều 24 3.5.4 Ngưỡng nhạy 24 3.5.5 Đáp ứng lượng 24 CHƯƠNG KẾT QUẢ - BÀN LUẬN 26 4.1 Độ đồng liều kế cùngmột mẻ .26 4.2 Độ lặp lại mẻvà cùa liều kế 26 4.3 Tuyến tính liều 28 4.4 Ngường nhạy 30 4.5 Đáp ứng lượng 31 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 33 5.1 KẾT LUẬN 33 5.2 KIẾN NGHỊ 33 V PHỤ LỤC 35 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIẾU Bảng 2.1 Trọng số xạ cho loại xạ lượng 12 Bảng 2.2.Trọng sổ mô 13 Bảng 2.3 Giá trị nguyên tử số hiệu dụng số loại vật liệu 18 Bảng 4.1 Bảng thông tin liều kế mức liều mGy mẻ 26 Bảng 4.2 Kết đo liều mGy mẻ 27 Bảng 4.3 Thông so liều cùa liều kế quang phát quang 29 Bảng 4.4 Thông tin liều kế mức liều mGy 30 Bảng 4.5 Thông tin hệ số đáp ứng lượng theo Cs-137 với liều mGy 32 Bảng PL Thông tin liều mGy 35 Bảng PL Bảng thông tin liều kế sử dụng cho đáp ứng lượng 36 vii DANH MỤC • CÁC HÌNH Hình 1.1 Đo thị khảo sát phụ thuộc góc liều kế OSL với tia ISO N-80 Hình 2.1 Các vùng luợng trình đọc chiếu xạ Hình 2.2 Các mơ hình bầy khác Hình 2.3 Sự suy giảm tín hiệu theo phút (a) suy giảm tín hiệu theo ngày (b) 16 Hình 2.4 Đáp ứng lượng số loại vật liệu so với mơ thể người 18 Hình 3.1 Cấu tạo liều kế quang phát quang nanodot 20 Hình 3.2 Cấu tạo đầu đọc liều kế Microstar .20 Hình 3.3 Adaptor 21 Hình 3.4 Cấu hình đầu đọc Microstar 22 Hình 4.1 Đo thị thiết lập đường chuẩn cho liều cao liều thấp 28 Hình 4.2 Đo thị khảo sát tuyến tính liều từ đến1000 mGy 30 Hình 4.3 Đáp ứng lượng 31 Hình 4.4 Đáp ứng lượng tài liệu Scarboro 32 viii KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẤT ABS Acrylonitrin Butadien Styren (nhựa ABS) Cov Coefficient of variation (hệ số biến thiên) CW-OSL Continous Wave Optically Stimulated Luminescence (chế độ quang kích thích sử dụng nguồn ánh sáng có cuông độ không thay đổi theo thời gian) IAEA International Atomic Energy Agency (Cơ quan luợng nguyên từ quốc tế) ICRP International Commission on Radiological Protection keV Kiloelectronvolt kVp Kilovoltagepeak (điện áp đỉnh) LED Light Emitting Diode (Điốt phát quang) Cal Calibration mGy MiliGray OSL Optically Stimulated Luminescence (Hiện tượng quang kích thích phát quang, gọi tắt quang phát quang) OSLD Optically Stimulated Luminescence Dosimeter (lieu ke quang phát quang) PMT Photomultiplier (Ỏng nhân quang điện) SI The International System of Units (hệ đơn vị quốc tế) TLD Thermally Luminescence Dosimeter (liều kế nhiệt phát quang) IX kế nanodot với mức liều biết mGy Mồi liều kế nanodot tiến hành đọc số liệu 10 lần Độ lặp lại liều kế Đe khảo sát độ lặp lại liều kế, ta sè lấy liều kế nhóm liều kế mGy tiến hành đọc với số lần tương tự Với số liệu số đếm có được, ta sử dụng hệ số biến thiên CoV để đánh giá phân tán dừ liệu kết ghi nhận liều mGy Hệ số biến thiên xác định theo công thức (3.3) [20]: độ lệch chuẩn Cov = ——■—— trung bình số đếm (3.3) Hệ số biến thiên nhỏ cho thấy lặp lại liều kế tốt 3.5.3 Tuyến tính liều Đặc trưng đáp ứng liều thực cách chiếu xạ mồi nhóm nanodot với mức liều biết Các mức liều khảo sát là: mGy, 5mGy, 30mGy, 500 mGy, 1000 mGy Lưu ý, tất liều kế bảo đảm phải tay xạ trước chiếu [20] Các bố trí thí nghiệm thực hồ trợ Trung Tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí Minh Liều kế sau chiếu, sè đem phòng thực hành Lập kế hoạch xạ trị - Vật lý Y khoa - Đại học Nguyền Tất Thành đe đọc kết ghi nhận hệ đầu đọc Microstar Sau với liệu có ta sè vẽ lên đường chuẩn (đường tuyến tính), tính hệ so hiệu chuẩn (được định nghĩa tỷ số liều theo số đếm) so sánh hệ số hiệu chuẩn đo với hệ số hiệu chuan đầu đọc máy 3.5.4 Ngưỡng nhạy Bằng cách sử dụng liều kế mGy chuẩn mà nhà sản xuất cung cấp, ta tiến hành đọc số liệu phông mồi kế Sau đó, tính giá trị trung bình độ lệch chuẩn so Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN7174 năm 2002 để đánh giá 3.5.5 Đáp ứng lượng Đáp ứng lượng thực với mồi nhóm nanodot, nhận chung mức liều mGy mức lượng khác 33 keV, 48 keV, 65 keV, 83 keV, 100 keV, 120 keV với lượng chuẩn 662 keV (nguồn Cs-137) Lưu ý, tất liều kế phải tay xạ trước chiếu [2, 20] Các bo trí thí nghiệm thực ho trợ Trung Tâm Hạt nhân Tp Hồ Chí 24 Minh Sau chiếu, sè đem phòng thực hành Lập kế hoạch xạ trị - Vật lý Y khoa - Trường Đại học Nguyền Tất Thành đe tiến hành khảo sát độ nhạy tương đối (được định nghĩa so đếm đơn vị liều hấp thụ) với lượng nguồn Cs137 mức lượng khác 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ - BÀN LUẬN 4.1 Độ đồng ciia liều kế mẻ Độ đồng thực cách chiếu xạ liều kế nanodot mẻ mức liều chiếu mGy Việc đánh giá độ đồng liều ke mẻ thực theo tiêu chuân IEC 1066, trình bày theo công thức (4.1) Dmax - Dmln a (41) Dmin Bảng 4.1 Bảng thông tin liều kế mức liều mGy mẻ Mẵ liều kế Liều (mGy) DN08972653K 4.24 DC09106718F 4.34 DC09012858C 4.40 Dmax ~ Dmin Dmin 4.40 — 4.24 = 0.038 < 0.3 4.24 (4.2) Theo bảng 4.1, liều cao (Dmax) 4.40 mGy liều thấp đo (ữmin) 4.24 mGy Ket theo biểu thức 4.2 cho thấy mức liều mGy độ đồng liều kế mẻ đáp ứng theo tiêu chuẩn IEC đưa 0.3, qua cho thấy có đong tốt đáp ứng liều kế mẻ mức liều mGy [25] Vì vậy, liều kế mẻ đặc trưng cho tồn liều ke thuộc mẻ 4.2 Độ lặp lại mẻ ciia liều kế Độ lặp lại thực đề tài độ lặp lại liều kế độ lặp lại mẻ Độ lặp lại liều kế Mức liều chiếu vào liều kế khảo sát mGy Lieu kế nanodot sè ghi nhận số đếm xạ đọc đầu đọc Microstar với 10 lần đọc liên tiếp Thông tin số đếm đo liều kế trình bày bảng PL1 Việc đánh giá độ lặp lại sè thực dựa số đại diện cho phân tán liệu Cov, thể theo công thức (4.3) 26 độ lệch chuẩn Cov = -—7 , T 7- X 100% trung bình số đẽm (4.3) Theo nhà sản xuất đưa ra, số Cov cho thấy lặp lại liều kế tốt nhỏ hon 5% [23] Hệ số Cov nhỏ thay đối kết số đếm lần đo khơng nhiều Ket tính tốn độ lặp lại liều kế the qua biểu thức (4.4), thể dừ liệu 10 lần đo liều kế nanodot mức liều mGy Cov = độ lệch chuẩn 318.87 X 100% = nnnno L x 100% = 1-57% trung bình số đếm 20298.61 (4.4) Từ kết tính tốn, ta thấy mức độ phân tán số đếm (Cov) 1.57% Vậy thấy liều kế nanodot mức liều mGy đạt theo tiêu chuẩn mà nhà sản suất đưa (nhỏ 5%) [23] Một liều kế cho tốt khơng phụ thuộc vào độ lặp lại mà phụ thuộc vào sai số cùa kết đo với kết từ liều chuẩn để đánh giá Việc khảo sát hệ số hiệu chuẩn ứng với mồi liều kế nhằm làm giảm sai số tăng độ xác phép đo Độ lặp lại ciia mẻ Bảng 4.2 Kết đo liều mGy mẻ Mã liều kế DN08972653K DC09106718F DC09012858C Độ lệch chuân 318.87 385.24 573.32 Trung bình 20298.61 23136.60 22811.90 Hệ số biến thiên (Cov) 1.57% 1.67% 2.51% Độ lặp lại liêu kê mẻ thực băng cách chiêu xạ liều kế nanodot với mức liều mGy, sau đem đến phịng thí nghiệm sử dụng đầu đọc đọc 10 lần cho mồi liều kế Hệ số Cov theo công thức 4.3 để đánh giá độ chụm liều kế mẻ Ket trình bày theo bảng 4.2 Theo bảng 4.2, ta thấy liều kế nanodot nhóm liều mGy có mức độ phân tán số đếm (Cov) khoảng từ 1.57 % đến 2.51 %, đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam độ tái lập hệ số biến thiên phải 10% liều kế có mức liều nhỏ 10 mSv (10 mGy) [26] Qua cho thấy độ chụm liều 27 kế mẻ tốt, nhiên khơng đồng nghĩa xác liều kế theo mức liều định 4.3 Tuyến tính liều Ta so sánh hệ số hiệu chuan (calibration factor) liệu vừa đo với hệ số hiệu chuấn thiết lập đầu đọc vùng chẩn đốn hình ảnh Hệ số hiệu chuẩn sè lấy ta thiết lập đường hiệu chuẩn cho hai vùng liều vùng liều thấp (0 mGy, mGy 30 mGy) vùng liều cao (0 mGy, 500 mGy 1000 mGy) Lúc hàm the mối liên hệ số đếm liều xây dựng, hệ số góc chúng hệ số hiệu chuẩn cùa đường ứng với hai dãy liều thấp - cao Đồ thị đường hiệu chuẩn the hình 4.1 Thơng tin liều số đếm the bảng 4.3 Hình 4.1 Đồ thị thiết lập đường chuẩn cho liều cao liều thấp 28 Bảng 4.3 Thông số liều cùa liều kế quang phát quang Liều định (mGy) 30 500 1000 0.33 3.35 20.71 363.22 775.90 2001.80 22292.70 Liều đo (mGy) Số đếm 127040.90 98702.40 206773.20 Theo hình 4.1, ta thấy số đếm tăng theo liều hai vùng: liều thấp liều cao cách tuyến tính Hệ số hiệu chuẩn tính toán đuợc từ dừ liệu thực nghiệm cho vùng liều cao 0.0037 (mGy/số đếm) cho vùng liều thấp 0.0002 (mGy/số đếm) Hệ số hiệu chuẩn đầu đọc vùng chấn đoán vùng liều thấp 0.00016 (mGy/số đem) vùng liều cao 0.00368 (mGy/số đếm) Độ lệch hệ số hiệu chuẩn phương pháp tính tốn từ liệu thực nghiệm thuật toán phần mềm Microstar thấp, gần khác biệt không đáng kể Việc xác định nên chọn hệ số hiệu chuẩn cho vùng liều thấp hay vùng liều cao cho loại liều kế dựa vào hệ so crossed over value Khi ta đọc liều kế (không biết trước liều) Bên đầu đọc phát ánh sáng kích thích (với thời gian kích thích 0.1 giây) đế cho số đếm thử Lúc số đếm thử so với hệ so cross over value thiết lập trước đầu đọc 975 Neu số đếm thử lớn hệ số cross over value có nghĩa sử dụng chùm tia yếu để kích thích điện tử để đọc đầu đọc mặc định dùng hệ so hiệu chuẩn cho vùng liều cao đế tính tốn liều, số đếm thử thấp hệ số hiệu chuẩn sè dùng chùm tia ánh sáng mạnh đế kích thích điện tử tức sè áp dụng hệ số hiệu chuẩn vùng liều thấp [23] Đây cách đe đầu đọc xác định hệ số hiệu chuẩn thuộc vùng liều thấp hay cao cho liều kế Đe khảo sát tượng tuyến tính, ta xét khoảng liều rộng (từ đến 1000 mGy) ứng với hai vùng liều thấp cao (đã khảo sát) thông qua hệ số khuếch đại Từ hệ số khuếch đại ta sè hiệu chỉnh điểm vùng liều cao 29 theo vùng liều thấp thành đường tuyến tính, hệ số khuếch đại tính theo biểu thức (4.5) Từ dựa vào hệ số tương quan (R2) để đánh giá tương quan số đếm với liều hàm tuyến tính hay khơng, thể hình 4.2 V,, „ Hệ số hiệu chuẩn vùng liều cao Hệ số khuếch đại = Hệ sốA hiệu chuẩn vùng liều thãp 0.0037 0.0002 = 18‘5 = A AAAO í4-5) Số đếm Hình 4.2 Đồ thị khảo sát tuyến tính liều từ đến 1000 mGy Theo hình 4.2, hệ số tương quan tương quan liều với số đem hàm tuyến tính 4.4 Ngưỡng nhạy Bảng 4.4 Thông tin liều kế mức liều mGy Mã liều kế Liều (mGy) DB08743815C 0.38 DB08743781F 0.38 DB08743813G 0.39 DN089727497 0.42 Độ lệch chuân (ỔSG) 0.02 Mục đích việc xác định ngưỡng nhạy nhằm xem giá trị thấp số đếm phông nội mà liều kế nanodot chưa chiếu xạ, đảm bảo giá trị số đếm phông liều kế không chiếu xạ không đáng kể theo TCVN-7174 Ta tiến hành 30 đọc với liều kế nanodot chưa chiếu xạ Cách xác định ngưỡng nhạy thực theo biểu thức (4.6) Dl = * ÔBG = * 0.02 = 0.06 (mGy) (4.6) Theo biểu thức 4.6, ngưỡng nhạy Dl đạt theo tiêu chuẩn Việt Nam không vượt mGy [26] 4.5 Đáp ứng lượng Các liều kế chiếu với mức liều mGy mốc lượng khác khoảng từ 33 keV tới 100 keV Khi đó, hệ số đáp ứng lượng tính theo cơng thức (4.7) số đếm mức lượng đo Hệ số đáp ứng lượng = liều (4.7) số đếm nguồn Cs - 137 liều Đồ thị hình 4.3 thể mối tương quan hệ số đáp ứng lượng với Hình 4.3 Đáp ứng lượng Theo hình 4.3 bảng 4.5, mức lượng khoảng từ 33 keV tới 100 keV hệ số đáp ứng lượng lớn Điều cho vùng lượng 100 keV, vật liệu làm liều kế A12Ơ3:C (vật liệu khơng tương đương mơ) đáp ứng phụ thuộc nhiều vào lượng Hiệu ứng quang điện xảy tia X chiếu vào bên tinh thể AhO.ưC liều kế vùng lượng thấp nguyên nhân khiến đáp ứng liều kế nanodot vùng lượng phụ thuộc vào lượng 31 vùng lượng lớn 100 keV, đáp ứng khơng phụ thuộc vào lượng Vì vậy, người ta sử dụng Cs-137 (662 keV) làm chuẩn Tỉ số giừa số đem / liều mức lượng khác với lượng Cs-137 (662 keV) đáp ứng liều kế mức lượng xét Theo lý thuyết, vật liệu làm liều kế A12O3:C đáp ứng lượng cao đáp ứng mức lượng lấy làm chuẩn (Cs-137) nằm khoảng từ 3.0 tới 4.0 (Hình 4.4) [21] Ket đo đạc từ thực nghiệm lại cho thấy đáp ứng lượng nằm khoảng 1.30 tới 1.95 Nhận thấy có chênh lệch đáp ứng vật liệu làm liều kế kết thu lý thuyết Fig Relative response (l/kợ) vs beam quality for (a) TLD-100 (reproduced with permission from Scarboro el al5* and