Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Mô phỏng quá trình tạo ảnh X-quang bằng phương pháp tính toán Monte-Carlo

Sinh ngày: 22 / 04 / 1990 Nơi sinh: Đông Nai Ngành: Vật lý kỹ thuật MN: 60 44 17 TEN DE TÀI: Ộ Mô phỏng quá trình tạo ảnh X-quang băng phương pháp tính toán Monte - CarloNHIỆM VỤ LUẬN VĂ

38 2 3k 3K 2K

NGUYEN TRAN MINH QUANG

MO PHONG QUA TRINH TAO ANH X-QUANGBANG PHUONG PHAP TINH TOAN MONTE - CARLO

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật

Mã số: 60 44 17

LUẬN VAN THAC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016

Công trình được hoàn thành tại: Trường Dai học Bách Khoa-ÐĐHQG- HCM

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký)Luận văn thạc si được bảo vệ tại Trường Đại hoc Bach Khoa, DHQGTp.HCM ngày thang nam

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gôm:

(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông châm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA KHOA HỌC UNG DỤNG

ĐẠI HOC QUOC GIA TPHCM CONG HOA XÃ HỘI CHU NGHĨA VIỆT NAMTRUONG DAI HOC BACH KHOA Độc lập — Tự do — Hanh phúc

Tp Hồ Chi Minh, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Nguyễn Trần Minh Quang MSHV: 12054906

Sinh ngày: 22 / 04 / 1990 Nơi sinh: Đông Nai

Ngành: Vật lý kỹ thuật MN: 60 44 17

TEN DE TÀI:

Ộ Mô phỏng quá trình tạo ảnh X-quang

băng phương pháp tính toán Monte - CarloNHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- _ Nghiên cứu lý thuyết về các tương tác của photon năng lượng cao với vật chat.- _ Nghiên cứu về chương trình Penelope mô phỏng sự lan truyền photon va electron

năng lượng cao trong vật chất.- Thuc hiện tính toán mô phỏng sự tạo ảnh X-quang băng phương pháp Monte —

Carlo với các vật liệu được tạo ra với các dạng cơ bản: khối cầu, khối lập phương,khối trụ

- _ Biện luận sự phụ thuộc của chất lượng hình ảnh thu được vào các yếu tô bức xạ và

hình học.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 30/01/2016NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/12/2016

HQ VÀ TÊN CAN BỘ HƯỚNG DAN: PGS.TS Huỳnh Quang Linh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Tôi xin chân thành cảm on quỷ thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TPHồ Chi Minh, đặc biệt là các thay cô khoa Khoa Học Ung Dụng của trường lànhững người đã truyền dat cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong

suốt qua trình học cao học tại trường

Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thay PGS TS Huỳnh Quang Linh.Thay đã tận tình hướng dan, giúp đỡ tôi trong quả trình học tập, nghiên cứu vàhoàn thành đê tài luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên và ủng hộ, giúptoi có thêm động lực dé hoàn thành dé tài

TP Ho Chi Minh, 19/12/2016

Hoc vién

Nguyễn Tran Minh Quang

công cụ tính toán quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng tương tác của X quang vớivật chất, trong đó có các ứng dụng chân đoán hình ảnh y học Phương pháp này giúp tahiểu được ảnh hưởng của các tương tác vật lý như sự hấp thụ, tán xạ, hay quang điện củacác photon trong các vật liệu khác nhau, dựa vào đó có thể đánh gia được chất lượng hình

ảnh và an toàn bức xạ đôi với người sử dụng.

Trong đề tài này, chương trình Penmain trong Penelope được sử dụng để mô phỏnghình ảnh X quang với ba mô hình cơ bản: khối cau, khối lập phương và khối trụ Hìnhảnh được tạo bởi sự ghi nhận phân bố năng lượng 2D trong một bản hấp thụ mô phỏngđầu dò bức xạ Trong mô hình này cường độ các điểm ảnh được xem là tỷ lệ với mật độliều hấp thụ trong màn thu được Từ đó, ta có thể thu được hình ảnh X — quang thông quamật độ phân bố liều thu được Cách tiếp cận cho phép sự khảo sát độ tương phản hìnhảnh và hiệu suất thu nhận theo các vật liệu dau dò khác nhau Kết quả dé tài cũng khảosát sự thay đôi chat lượng ảnh phụ thuộc vào năng lượng X quang

With the help of computational technology, Monte Carlo simulation method is animportant tool used in many fields of application of X-ray interaction with matter,including medical imaging applications This method helps us deeper understanding theeffect of basic physical phenomena such as absorption, scattering, or photoeffect indifferent materials, on which the image quality and radiation safety for users can beevaluated.

In this thesis, PENMAIN program of Penelope software was used to simulate the ray image with three basic models: sphere, cube and cylinder The image was created bythe recording of absorbed dose distribution in a sheet detector simulator In this model,pixel intensity is considered to be proportional to the local absorbed dose density, basedon which X-ray image could be derived from the whole dose density distribution ofdetector simulator Mentioned approach should allow the study of contrast pictureperformance of different detector materials Some results of image quality evaluationdepending on the X-ray energy were investigated as well.

X-LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của

PGS TS Huỳnh Quang Linh Các số liệu nghiên cứu và kết quả nêu trong luận văn nàylà trung thực, chính xác và chưa từng được công bố

Học viên

Nguyễn Trần Minh Quang

MUC LUC

LOT CAM ƠN 2022221 212211221221221212212111 121121211112 iiiTÓM TAT occ cceccsscsecssssssecessestesesessisittiiesstistiiiistiiiisstitiistiiissitiiissititssessitsessntetsseteiseneseeee VABSTRACTT Q11 1120 1111511111111 1 1101111111111 K11 11k n1 kkcn kg k kg k kg 1k1 1k1 11111111111 c Hà VILOT CAM ĐOAN 0 2022 2121122122122112211211211212211212121 ra vii1/1950 9 cece cece cece cece ncn e eee Eee ecb bb E GEES EE Scb bbc dG GGEEEE SESS Sie dsdGEGGGEEESSSeetaGaGEESS VillMỞ ĐẦU 120,221 212211211 11221121122122112 2121121121212 rau || Cơ sở khoa hoc và thực tiễn của đề tài ST TS nnnn HH HH Ha 12 Y nghĩa của đề tài -.- S211 1 51111111 1211111 1t 1 HH HH HH HH tre 13 Các mục tiêu của để tài - ST nh HH ng 2CHƯƠNG 1 - TƯƠNG TAC CUA BUC XA TIA X VỚI VAT CHẤT -.-©2¿22sc2sz25s 31.1 Ban chất của tia X 2 2S 211 1 12111 HE HH HH HH HH HH He 3[.1.] Ta X ch HH HH HH Hà HH Hà HH g 3

EU 3

1.2 Tương tác của tia X với vat chat [Ï ] - - c2 111121221211 11112211111111121 111111201111 xày 41.2.1 Các loại tương tác ¬ 41.2.2 Các đơn vị đo liêu bức XQ ÂĂẦĂẮ,.g11111111 61.3 Sự suy giảm của chum bức xạ tia X khi di qua vật chat [2] 552-222 ‡c++522<xss2 71.3.1 Hệ số Suy giảm tuyến 70 rrr rree 71.3.2 Hệ sô suy giảm khôi luong - — 10

1.3.3 Hệ sô suy giảm tuyên tính và tiệt diện toàn phân của tương tác 11

CHUONG 2 - MO PHONG QUA TRINH TAO ANH X-QUANG BANG PHUONG PHAP

TINH TOÁN MONTE — CARLO 2-1 1 22121121212112122221221 2121212121121 212121 122.1 Tổng quan phương pháp tạo ảnh X — quang - 5: sccs s2 E1111512111115515111511E1Ex 1tr 122.1.1 Nguyên ly hoạt động của máy phát X-quang .-ccccireeierriee 12

2.1.2 Cac yêu tô ảnh hưởng đên chat lượng liêu ra tia X - 5222722222222 132.1.3 Nguyên ly tạo ảnh X- quang -c: chinh 16"P.0 236 cece eceteeeesceeeeeecessseteesenntsetesennsineess 172.2 Đặc trưng kỹ thuật 2.00002122211111 112221 111111 111cc kg xxx nha 182.2.1 Độ tương phản ccc 2122211 111112211 1111512111111 1 201111111501 1 1 E10 1k1 ng x khe 18

2.2.2 BUC xạ tán Xạ 0000000 c TH nnn TT ng TT TT TT T TT TT TT kg cv ha 18

2.23 Khoảng CACH ooo cece c1 2211111112111 111 1k n nàn KT ng tk kk ng k kg kk ke 18

2.3 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo [4] - - - 1 2221112122211 1111152211111 15881 11111 19

2.3.1 Giới thiệu vệ phương pháp mô phỏng Monte Carlo - 52-22 2222222 c+sss2 192.3.2 Tính toán liêu với Monte Carlow cece ences eee nese neeeeneeeeeneeeeneeeenenen 20

2.3.3 Các yêu tô cơ ban trong tinh toán liêu Monte Carlo ecient 20

2.4 Tông quan vê chương trình PENELOPPE cece 152211 1111552211111 1 51011111 àu 22

2.4.1 Hệ thống code PENELOPE _ 24242 Cơ sở dt liệu và file dữ liệu của vật liệu đâu vào - 2.2222 112 che 26

2.4.3 Giới thiệu các chương trình chính (MAIN) G0 20222211111 11122 11111 xe 29

2.4.4 — Chương trình PENSLAB ccc cece 1112211 1111101111111 1 01111111 g1 k1 ng k khe 292.4.5 — Chương trình PENCYL C00 122211 1111112211 111112211111 15101 1111 n T11 k xnxx 30

2.5 Thực hành mô phỏng quá trình tạo ảnh X-quang băng phương pháp tính toán Monte —

Carlo 312.5.1 Thực hatth on c ccc ccccccceccccccecueecececccecueeecceceuseecececeeecuseveceeserseteeeeeeeeesanneeess 312.5.2 Mô hình Ï HH HH HH Hành Ho 322.5.3 Mô hình 2 2S HH HH HH Ho HH HH Hà Hà Ho 382.5.4 Mô hình 3 2S HH HH HH HH HH Hàn Ho 422.5.5 Nhận 89:2 472.5.6 Kê(luận ch HH HH HH HH HH HH HH Ho 499850208957.) 6842/ 195 50

Hình 1 1 Tan xạ Reylelgh - - c c1 222011222211 1112111 1112111111111 111111111111 1k KH kh 4Hình 1.2 Quá trình tân xạ Comp{OIi - c2 1222222011 111111232811 1111518211111 118111111 ru 5Hình 1.4 Quá trình sinh cặp và hủy Cap 0011112222211 1 111192 111111 1 vu 6

Hình 1 5 Quá trình suy giảm số lượng photon ra khỏi vật liệu :- <<s+- 7Hình 1 6 Đồ thị hệ số suy giảm của tán xạ Rayleigh, tán xa Compton, hap thu quang dién,

phan ứng tạo cặp và tông hệ sô suy giảm khôi lượng đôi với mô (Z = 7) la một ham cuaNANG LUO 222557 ằ ằWằW.W 8

Hình 1 7 Quá trình hình thành hệ số suy giảm tuyến tinh ccc ceeeesesseeeeeseeeeeee 9Hình 1 8 Hệ số suy giảm khối lượng đối với một số vật IU eects: 11

Hình 2 1 Cường độ phat xạ tia X thay đổi mạnh theo giá tri (kVp), khi giữ cùng một giátrị dong qua ông và thời gian chiêu không đổi - ¿2 s12 EE2EEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrek 14Hình 2 2 Ảnh hưởng của dòng qua ống (mA) lên hiệu suất phát tia X - 15Hình 2 3 Cường độ phố bức xạ ở cùng giá trị điện áp (KVp), cùng giá trị dòng qua ống

(mA), cùng thời gian chiêu với điện 1 pha và 3 pha 22222 *‡‡+2Ssevcceessss 16Hình 2 4 PENELOPE version 2006 -c L1 2211112111 1111111 1111211111190 111811 kh vn 23

Hình 2 5 Cây thư mục của hệ thống code PENELOPE - HS s vn reg 24Hình 2 6 Mô tả cau trúc hình học phang trong PENSLAB - - SE cxcrvrcrrxea 29Hình 2 7 Mô tả câu trúc mô hình l - 2: ©2+2©++22E+2EE22EE22EE22122112211221122112E tee 32Hình 2 8 Tập tin dau vao (file.in) của quá trình mô phỏng - - + ++x+xezvzzzzxz2 34

Hình 2 9 Hình anh vật liệu được tao ra trong file øvIiew2d.exe 522cc teens 35

Hình 2 10 File kết quả của quá trình mô phỏng - ¿2 92+ ‡E‡EE2E£EEEEEEvEEzkrrerees 35Hình 2 11 Hình anh vật liệu tại mặt phăng OXxyy 5+ 2 3 SE 1E EEEEEEEEeEErrrrrrrke 36Hình 2 12 Hình ảnh vật liệu tai mặt phang Oxy với các năng lượng chiếu khác nhau 37Hình 2 13 Hình anh thu được với thời gian mô phỏng lần lượt từ trái qua phải 2.0e2 s,

2.403 8n -.n nh nh ĂäĂ&š 38

Hình 2 14 Mô tả cấu trúc mô hình 2 -:-©2¿22+22+22E2212712211271122127121122122 E1 xe 38Hình 2 15 Tập tin dau vào (file.in) của quá trình mô phỏng mô hình 2 - 39

Hình 2 16 Hình ảnh vật liệu được tạo ra trong file øview2d.exe - cà cccS+ 40

Hình 2 17 File kết quả thu được sau quá trình mô phỏng - - +5++x+Ezzv£ezzzxz2 40Hình 2 18 Hình anh vật liệu tại mặt phăng OXxyy 5+ 2 3 SE 1E 1E EEEEEErrrrrrke 41Hình 2 19 Hình ảnh vật liệu tại mặt phăng Oxy với các năng lượng chiếu khác nhau 41

Ra 42

Hình 2 21 Mô tả cau trúc mô hình 3 ©2¿2222+22122122122112711221271211221 2212 re 43Hình 2 22 File đầu vào của quá trình mô phỏng + 2s svEEE+E+E£E£EEEEzEeEerrsrxea 44Hình 2 23 Ảnh vật liệu được tạo ra trong file øview2d.exe c co se shằ 44Hình 2 24 File kết qua sau quá trình mô phỏng esse 9s £E£EE2E£EvEEEEEEEzErrerees 45Hình 2 25 Ảnh vật liệu tại mặt phẳng Oxy + 5:1 t1 SE 11211111111 51E1 111111 te 45Hình 2 26 Hình ảnh vật liệu tại mặt phăng Oxy với các năng lượng chiếu khác nhau 46Hình 2 27 Ảnh thu được với thời gian mô phỏng 2.0e2 s, 2.4e3 s, l.8&e4 s 46Hình 2 28 Ảnh khối hộp cạnh 4 cm xoay góc 45-4'5-() 5+ + 1 t2 EEEEEEEEEErrrrrkea 47

Hình 2 29 Anh khôi trụ bang mô bên trong chứa khôi câu băng xương 47

Hình 2 30 Anh thu được khi thực hiện mô phỏng trên mô hình 1 với các mức năng

lượng 50 keV, 100 keV, 150 keV, 200 keV, 250 keV, 300 keV từ trái qua phải 48

Bang 1.1 Mat độ vật liệu, số electron trên một đơn vi khối lượng, mật độ electron, và hệ

SỐ suy giảm tuyên tinh (ở 50 keV) đôi với một sô vật liệu .- : ©2 -55: 10Bang 2.1 Độ tương phản hình ảnh thu được ứng với từng mức năng lượng bức xa 48

MỞ ĐẦU1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Chụp ảnh X - quang là phương pháp rất phô biến và đã xuất hiện rất sớm từ saukhi X - quang được phát minh năm 1895 ứng dụng để chân đoán trong y học Tia X cónăng lượng lớn nên khi đi vào cơ thé con người có thé gây ra những tác hại tiềm an chongười sử dụng Trên cơ sở đó, trong sự tạo ảnh bởi X — quang, ta quan tâm đến hai yếu tốquan trọng là chất lượng ảnh X — quang (khả năng cho thông tin nhiều nhất) và sự an toàn

cho người sử dụng (tác dụng tức thời hay lâu dài của bức xạ ion hóa).Chính vì vậy, cân có một quá trình mô phỏng sự tạo ảnh của tia X qua một vật thê,một môi trường, đê từ hình ảnh và mức độ an toàn mà thực tê có thê tính toán ra liêu

lượng cường độ tia X cần sử dụng

Khảo sát sự tương tác của tia X với các đối tượng môi trường vật chat cụ thé Dégiải quyết bài toán đó, người ta thường sử dụng phương pháp giải tích bán thực nghiệmdé mô hình bai toán sự truyền của photon trong môi trường vật chat; tuy nhiên cách tiếpcận đó chỉ giải quyết được những cấu hình đơn giản vì thường mô hình phức tạp sẽ dẫnđến những hệ phương trình toán lý không giải được Với sự phát triển của máy tính,người ta đã sử dụng ngày cảng hiệu quả và đa dụng phương pháp Monte - Carlo để môphỏng quá trình lan truyền của photon tia X trong vật chat thông qua các quá trình tươngtác của photon như tán xạ, hấp thụ dựa vào khả năng phát sinh số ngẫu nhiên của máy

tính Luận văn này sẽ vận dụng phương pháp Monte — Carlo mô phỏng qua trình tao anh

X - quang của một vật thé bat kì trong một hệ quy chiếu bat kì, trên cơ sở đó có thé kếthợp dé ứng dụng khảo sat anh X - quang cho một vat thé có dang hinh hoc va phan bố vậtchất phức hợp hơn

2 Y nghĩa của đề tàiỨng dụng chương trình mô phỏng như PENELOPE cho kết quả có độ tin cậy cao.Chính vì vậy, có thể áp dụng rộng rãi quá trình mô phỏng này vào thực tiễn, để kiểm

chứng trước khi tiến hành hoạt động chụp hình, giải phẫu, thực hiện các thí nghiệm vềbức xạ.

| | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

3 Cac mục tiêu của dé tài

Trên cơ sở tổng quan trên, với mục tiêu luận văn được dé ra là mô phỏng ảnh X-quangcủa các vật thé bằng phương pháp Monte - carlo, nhiệm vụ của luận văn bao gồm nhữngvan dé sau:

- Khao sát mặt học thuật việc mô phỏng quá trình tương tac cua photon năng lượng tia X

với vật chất băng phương pháp Monte — Carlo.- Xây dựng mô hình câu trúc, cầu tạo chất các vật thé có hình dạng đặc biệt, thực hiệnphép biến đổi tọa độ ứng với từng vật thể

- Xây dựng chương trình mô phỏng sự tạo ảnh của X - quang đối với vật chất sinh họctạo cơ sở dé xây dựng một chương trình phức hợp hơn dé khảo sát sự tạo ảnh X - quang

trong các trường hợp thực tiến

- Thực hiện mô phỏng quá trình tạo ảnh của X — quang bằng chương trình Penelope, đưa

ra kêt luận về sự phụ thuộc của hình ảnh X — quang vào các điêu kiện bức xạ.

2 | GVHD : PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

CHƯƠNG 1 - TƯƠNG TAC CUA BỨC XA TIA X VỚI VAT CHAT1.1 Ban chất của tia X

1.1.1 Tia XTia X (X - quang) hay tia Ronghen là bức xa phát ra khi chùm tia electron đập vào vật

rắn Tia X do nhà vật ly học người Đức Ron-ghen (Röntgen) tìm ra năm 1895

Tia X là một dạng của sóng điện từ, nó có bước sóng trong khoảng từ 0,01 nm + 10 nm

tương ứng với dãy tần số từ 30 Petahertz đến 30 Exahertz (3E16 + 3E19Hz) va nănglượng từ 120 eV đến 120 keV Bước sóng của nó ngăn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia

Gamma.Có hai loại tia X là:

+ Tia X cứng (tính đâm xuyên mạnh) có bước sóng từ 0,01 nm đến 0,1 nm.+ Tia X mêm (tính đâm yếu hơn) có bước sóng từ 0,1 nm đến 10 nm

1.1.2 Tính chất

Tia X có tính đâm xuyên mạnh.

Có tác dụng lên kính ảnh (làm đen kính ảnh dùng để chụp X quang)Làm phát quang một số chat

Làm 1on hóa không khí.

Có tác dụng sinh lý, hủy diệt tế bào

1.1.3 Ứng dụngDùng đề chụp điện, chiếu điện.Dùng dé dò tìm vết nứt bên trong các sản phẩm đúc.Dùng trong kiểm tra bên trong các vật chứa

Dùng để diệt khuẩn.Dùng trong điều trị ung thư nông, gan da

Dùng đê nghiên cứu câu trúc của mạng tĩnh thê.

3 | GVHD: PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

1.2 Tương tác của tia X với vật chat [1]

1.2.1 Các loại tương tác

Có bốn loại tương tác chính của photon năng lượng cao (từ vài chục keV đến vàiMeV — tương ứng với bức xạ X - quang hoặc tia gamma) với vật chất: tán xa Rayleigh,tán xạ Compton, hiệu ứng quang điện và hiệu ứng tạo cặp Trong đó ba loại đầu tiên đóngvai trò quan trọng trong tương tác tia X với vật chất trong ngành X - quang chân đoán và

y hoc hạt nhân.

+ Tan xa Rayleigh

Scatteredphoton

incidentphoton

Hình 1 1 Tan xạ Reyleigh

Trong tán xa Rayleigh, còn gọi là tán xa kết hop (coherent), các photon tới tương

tác và kích thích với toàn bộ nguyên tử, còn trong tán xạ Compton và hiệu ứng quangđiện, photon tương tác và kích thích với từng electron riêng lẻ Sự tương tác này xảy ra

chủ yếu ở những tia X dùng trong chân đoán có năng lượng thấp, như sử dụng trong lĩnh

vực Chụp X quang ngực (15-30 keV) (mammography) Trong qua trình tan xa Rayleigh,

năng lượng của photon tới truyền cho toàn bộ các electron trong nguyên tử bia dao độngđông bộ va bức xạ năng lượng, phát ra một photon có cùng năng lượng với photon tớinhưng theo một hướng khác O sự tương tác nay, electron không bi but ra ngoài, vì vậykhông xảy ra sự ion hoá Một cách đơn giản, có thể xem tán xạ Rayleigh là tán xạ chỉ làmthay đổi hướng của photon tới, mà không có sự thay đối năng lượng

4 GVHD: PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

+ Tan xa Compton:

Trong tan xa Compton, còn gọi là tan xa không kết hop (incoherent scattering),

một photon va cham với một electron liên két yếu với hạt nhân Khi đó photon truyền

một phan năng lượng cho electron va bị lệch khỏi phương chuyển động một góc ø, @

được gọi là góc tán xạ Kết quả cua quá trình tan xa Compton là electron nhận được mộtnăng lượng giật lùi và năng lượng cua photon tan xạ giảm so với năng lượng cua photontới Electron tham gia vào quá trình tan xạ gọi là electron Compton.

—_-3 Phôton tán xạPhôton đến +

+ Electron Compton

Hình 1.2 Quá trình tan xa Compton

+ Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được

thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ Hiệu ứng quang

điện đôi khi được người ta dùng với cái tên “Hiệu ứng Hertz’, do nhà khoa hoc HeinrichHertz tìm ra.

Quang electron

a

Tia X đặc trưng

® ` | | @

a Hiệu ứng quang điện b Sự phát tia X đặc trưng đi kèm

Hình 1.3 Hiện tượng quang điện

5 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

+ Sự tạo cap:

Trong sự tạo cặp, một photon biến mat trong trường Coulomb của hạt nhân va mộtcặp electron-positron xuất hiện Điều nay chỉ xảy ra néu năng lượng của photon vượt qua

hai lần năng lượng nghỉ của electron (2m,cˆ = 1,022 MeV) Photon năng lượng cao dap

ứng được điều kiện nay Động năng trung bình mà các hạt mang điện electron va positron

nhận được trong hiệu ứng tạo cặp là

Hình 1.4 Quá trình sinh cặp và huy cap

1.2.2 Các đơn vị đo liều bức xạ+ Liều chiếu: liều chiếu của tia X là phần năng lượng của nó mat đi dé biến đổi thành

động nang cua hạt mang điện trong một đơn vi khối lượng của không khí, khí quyền 0

điều kiện tiêu chuẩn Ký hiệu: Dey

p a? (1.2)

“Am

Dạy: liều chiếu của tia X Don vị: C/kgAO(C): điện tích xuất hiện do sự ion hóa không khí trong một khối thé tíchAm (kg): khối lượng không khí của thể tích này

Don vi ngoại hệ: Roentgen (R) với 1C/kg = 3876R

+ Liêu hap thụ:

+ |p, dm = (1.3)

1 My

m, : khôi lượng của mô hoặc cơ quan

D„: liều hap thụ trong yếu tố khối lượng dm

6 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

z„ : năng lượng toàn phan truyền cho khối lượng m,+ Liều tương đương: H,

H, = SW, Dr, (1.4)Don vi: rem, J/kg, Sievert (Sv)

1SV = 100 remIrem = | rad W,

AL, , =W,.Dr,+ Liêu hiệu dụng: là tông của các liều tương đương ở các mô hay co quan

E=) W,.H, (1.5)

Don vi: J/kg, Sievert (SV)

1.3 Sw suy giảm của chùm bức xạ tia X khi di qua vat chất [2]Sự suy giảm là sự mat đi các photon từ chùm tia X hoặc tia gamma khi nó truyềnqua vật chất, sự suy giảm này là do cả sự hấp thụ và tán xạ Đối với năng lượng củaphoton thập (<26 keV), hiệu ứng quang điện chiếm ưu thé trong quá trình suy giảm ở cácmô mém Tuy nhiên, như đã trình bay, hiệu ứng quang điện phụ thuộc vao năng lượngphoton và chat hap thụ Khi photon có năng lượng cao tương tác với vật liệu có Z thấp(mô mềm), tán xa Compton chiếm ưu thé Tan xa Rayleigh xảy ra trong chụp ảnh y khoaxảy ra với xác suất thấp, chiém 10% tương tác trong chụp tia X ngực va 5% trong kĩ thuậtchụp X quang ngực Chỉ có những photon có năng lượng rất cao (>1,02 MeV), vượt quákhoảng năng lượng của ngành X quang chan đoán và hạt nhân, phan ứng tạo cặp mới góp

phân vào sự suy giảm.

1.3.1 Hệ số suy giảm tuyến tính

Ng 7 ON

— ~~ ~——*

.—— —

Hình 1 5 Quá trình suy giảm số lượng photon ra khỏi vật liệu

7 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

Lượng photon mat đi từ chùm tia X hoặc tia gamma đơn sắc (cùng năng lượng)

trên một don vị độ dày của vật liệu gọi là hệ số suy giảm tuyến tính (u), đơn vị là cm”

Số photon bị hap thụ khi truyền qua một bé dày nhỏ Ax có thé được tinh:

F uction

= 0003 L— | dù tà 4

10 100 1,000 10.000

Energy (keV)

Hình 1 6 Đồ thị hệ số suy giảm cua tán xạ Rayleigh, tan xa Compton, hấp thu quang

điện, phan ung tạo cặp và tông hệ sô suy giảm khôi lượng đổi với mô (Z = 7) là một hamcủa năng luong.

8 | GVHD: PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

Hình 1 7 Quá trình hình thành hệ số suy giảm tuyến tính.

Ta chiếu chùm tia X qua một lớp vật liệu có bề day là x Gol:

n: số nguyên tử trong một đơn vi thé tích [m ”]ơ: tiết diện của một nguyên tử [m']

dN = —noNdx

u = nơ[m''] : Hệ số suy giảm tuyến tinh

Đối với chùm photon tới don sắc đi qua tâm vật liệu dày hoặc mỏng, mối liên hệtheo qui luật mũ giữa số photon tới (No) và số photon truyền qua (N) bề day x mà không

chịu sự tương tác nào

cm! Với một vật liệu có bè dày cố định, xác suất tương tác phụ thuộc vào số lượngnguyên tử mà tia X hoặc tia gamma tương tác trên một đơn vi khoảng cach Vi dụ nhưnếu mật độ (p, đơn vi là g/cm’) tăng gap đôi, các photon sẽ va chạm với gấp đôi số lượng

nguyên tử trên một đơn vị khoảng cách của vật liệu Vì vậy hệ số suy giảm tuyến tính tỷ

lệ với mật độ của vật liệu.

Vi dụ: H Nước > H Nước đá > HÍ Hơi nước

9 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

Bang 1.1 Mat độ vat liệu, số electron trên một don vị khối lượng, mật độ

electron, và hệ sô suy giảm tuyên tính (ở 50 keV) đôi với một sô vật liệu.

Vật liệu Mật độ | electron trên đơn Mật độ Hệ số suy

(g/cm`) vị khối lượng electron giảm tuyến

(e/g)*10”” (e/em’)*10” | tính ụ (em”)Hydro 0.000084 5.97 0.0005 0.000028

Hơi nước 000598 3.34 0.002 0.000128

Không khí 0.00129 3.006 0.0038 0.000290

Mỡ 0.91 3.34 3.34 0.193

Nước đá 0.917 3.34 3.06 0.196Nước | 3.34 3.34 0.214

1.3.2 Hệ số suy giảm khối lượngVới bề day cho trước, xác suất tương tác phụ thuộc vào số lượng nguyên tử trênmột đơn vị thể tích, sự phụ thuộc này được thé hiện qua hệ số Suy giảm tuyến tính chiacho mật độ vật liệu Hệ số suy giam tuyén tính trên một đơn vi mật độ gọi là hệ số suygiảm khối lượng:

Hệ số suy giảm Hệ số suy giảm tuyến tính (H)[cm'”]khói lượng (tp) [cm /g] Mật độ vật liệu (p)[g/cm `]

(1.6)Hệ số suy giảm tuyến tính thường được biểu diễn bang đơn vị là cm’, trong khi đóđơn vị của hệ số suy giảm khối lượng là cm’/g

Hệ số suy giam khối lượng không phụ thuộc vào mật độ Vì thé, với cùng mộtnăng lượng của photon thi:

H Nước /P Nước = H Nước đá /P Nước đá = LÍ Hơi nước /P Hơi nước (1.7)

Dé tính hệ số suy giảm tuyến tính đối với mật độ khác nhau (1g/cm’), ta lay mật

độ cân quan tâm nhân với hệ số suy giảm khối lượng sẽ được hệ số suy giảm tuyến tính

Vi dụ, hệ số suy giảm khối lượng của không khí đối với photon 60 keV là 0.186 cm’/g

10 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

Trong điều kiện chuẩn của phòng thí nghiệm, mật độ của không khí là 0.001293 g/cm’.

Do đó, hệ số suy giảm tuyến tính của không khí ở điều kiện này là:

u =(w/p)p = Bp = (0.186cm” /g)(0.001293g /em”) = 0.000241em ˆ

Đề sử dụng hệ số suy giảm khối lượng để tính sự suy giảm, ta có công thức:

— ~(H/p)pN=N,¢ (1.8)

Năng lượng photon tia X (keV)

Hình I Š Hệ số suy giảm khôi lượng doi với một số vat liệu

1.3.3 Hệ số suy giảm tuyến tính và tiết diện toàn phần của tương tácTừ tiết điện toàn phần của các loại tương tác ở trên ta tính được hệ số hấp thụtuyến tính (hệ số suy giảm tuyến tính của photon qua vật liệu) của vật liệu do các loại

tương tác đó theo công thức:

IEP.——~.G (1.9)

Với Na = 6,023.107 là số Avogadro;

A,: số khối của nguyên tử cầu thành vật liệu

0: khối lượng riêng của vật liệu;G: là tiêt diện tân xạ toàn phân.

| | | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

CHƯƠNG 2 - MO PHONG QUA TRÌNH TẠO ANH X-QUANG BẰNG PHƯƠNG

PHAP TÍNH TOÁN MONTE —- CARLO

2.1 Tống quan phương pháp tao ảnh X — quang

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của máy phát X-quang

Khi nung nóng một vật liệu thích hợp, một số electron trong vật liệu trở nên linh

động và bứt ra khỏi vật liệu như các electron tự do Những electron tự do này sẽ baoquanh vật liệu như một dam mây electron Đó là sự phat xạ nhiệt các electron, được su

dụng để tạo ra nguôn electron tự do trong ống tia X [3]Khi một dòng điện chạy qua cathode sẽ sinh ra một dòng điện đốt nóng nó đến dải nhiệtđộ phát xạ electron Sợi đốt được nung nóng với một dòng điện AC có cường độ nằmtrong khoảng từ 1 đến 5 A ở hiệu điện thé trong khoảng từ 4 -12 V

Dòng điện trong Ống phát bức xa tia X chạy qua giữa cathode va anode gan băng 0,1%dòng đốt nóng cathode

Chùm electron phát xạ nhiệt thoát ra khỏi cathode theo mọi hướng Do đó cần có

hệ thống hội tụ chùm electron theo hướng nhăm thăng vào vị trí vết tiêu trên anode, hệ

thống hội tụ thường được gọi là chén hội tụ được lắp xung quanh tim đèn và được nối với1 cực nguôn DC nhăm tạo ra một điện trường lái các electron Đề đạt được vết hội tụ nhỏ,chén hội tụ sẽ được cấp thêm một điện thế âm, điều này sẽ tạo nên một điện trường cócác đường sức cong hơn, mức độ hội tụ sẽ cao hơn Các bóng X-quang thường có vết hội

tụ khoảng 0,6-1,6 mm.

Khi đặt một hiệu điện thế vào giữa anode va cathode, trong đó anode mang điệnthế dương thì điện tử sẽ chuyên động về phía anode va tạo nên dòng điện chạy trongbóng X-quang có chiêu từ anode về cathode

Nếu chúng ta duy trì nhiệt độ cathode ở một giá trị nào đó (do dong sợi đốt quyếtđịnh) thì số lượng điện tử bức xạ ở cathode sẽ không đổi Khi tăng dan điện thé anode, sốlượng điện tử dịch chuyển về anode sẽ tăng làm dòng qua bóng tăng, đây là trạng thái

12 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

làm việc chưa bão hòa Ở trạng thái này dòng điện và điện áp của bóng X-quang còn phụ

thuộc vào nhau.

Khi điện áp anode tăng đến một giá trị mà tại đó toàn bộ số điện tử bức xạ đượchút hết về anode, lúc này bóng X-quang làm việc ở trạng thái bão hòa Ở trạng thái nàydòng điện và điện áp không phụ thuộc vào nhau Đây là trạng thái làm việc thực té củabóng X-quang Tuy vậy, trong thực tế không phải lúc nào cũng đạt được trạng thái này

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra tia XĐề đánh giá chat lượng liều ra của tia X người ta thường sử dụng các thuật ngữ: chấtlượng (quality) đặc trưng cho khả năng đâm xuyên của chùm tia, số lượng (quantity)photon phát ra, liều chiếu (exposure) Liều chiếu là tỉ số giữa giá trị tuyệt đối tổng điệntích dQ của tất cả các ion cùng dấu được tao ra trong một thé tích nguyên t6 không khí(khi tat cả các electron và positron thứ cấp do các gamma tạo ra bị hãm hoan toan trongthể tích không khí đó) và khối lượng dm của thể tích nguyên tố không khí

Liều chiếu chịu sự ảnh hưởng của chất lượng và số lượng chùm tia phát ra Hiệusuất phát tia, liều chiếu, chất lượng và số lượng chùm tia được quyết định bởi 6 yếu tổchính: vật liệu anode, điện áp, dòng, thời gian chiếu, bộ lọc, dạng sóng của điện áp đầu

vào.

Vật liệu bia anode ảnh hưởng đến hiệu suất phát bức xạ ham Chum electron tớitương tác nhiều hơn với vật liệu có nguyên tử số Z lớn hơn nên hiệu suất phat bức xạ tia

X cao hơn Mặt khác, năng lượng bức xạ đặc trưng phụ thuộc vào vật liệu bia Vậy vật

liệu bia ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng photon phát ra và chat lượng của bức xa đặc

trưng.

Điện áp đỉnh (kVp) quyết định giá trị năng lượng cực đại của bức xạ và ảnh hưởngđến chất lượng phố bức xạ hãm, với giá trị (kVp) càng lớn thi năng lượng bức xạ cànglớn Thêm vào đó hiệu suất phát xạ tia X liên hệ trực tiếp với giá tri (kVp) Trong ốngphat bức xạ tia X sử dụng điện thế thấp có 0,1% năng lượng của chùm electron đượcchuyển đổi thành bức xa tia X Các ống phát bức xạ tia X sử dụng điện thế 100 kV hiệusuất phát bức xạ tia X tăng lên được khoảng 1% Ở 2 MV thì nó có thé đạt đến 10% và ở15 MV có thể lớn hơn 50%

Liễu chiếu (exposure) gan như tỉ lệ với bình phương (kVp)

15 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

Ví dụ, theo công thức trên tỉ lệ liều chiếu ứng với điện áp 80 kVp so với chùm tiaứng với điện áp 60 kVp của cùng một ống tia X và cùng thời gian chiếu tính được

(80/60) ~1,78, có nghĩa liều chiếu tăng lên khoảng 78%

Ta cũng thay rang gia trị năng lượng tại đó có nhiều tia X nhất (điểm cao nhất trên phổ)có giá trị càng lớn khi (kVp) càng lớn Nghia là với (kVp) lớn, đa phần các tia X trongchùm là có năng lượng cao Điện áp đỉnh (kVp) là giá trị cơ bản quyết định giá trị năng

lượng hay khả nang đâm xuyên của tia X Gia tri (kVp) càng lớn thi gia trị năng lượng tiaX đạt được càng lớn, giá trị năng lượng cao cho phép tia X dễ dàng xuyên qua những bộ

phận cơ thể có mật độ mô dày nên chất lượng hình ảnh trên phim tốt Thêm vào đó, việcsử dụng giá trị điện áp cao sẽ tạo ra lượng tia X lớn do đó giảm được thời gian chiếu.Điều này có lợi khi chụp phim cho trẻ em hay những đối tượng không thể kiểm soát sự

vận động khi chụp X-quang [4].

Phô tia X

( Ung với cùng cương độ dòng qua ông)

100000rm

Š 80000

x

bp60000

Năng lượng (keV)

Hình 2 I Cường độ phat xạ tia X thay đổi mạnh theo giá trị (kVp), khi giữ cùng mot gia

tri dòng qua ông và thời gian chiêu không doi.

Dong qua ống (mA) băng số electron đi từ cathode đến anode trong một don vịthời gian Voi cùng giá trị (kVp) và bộ lọc không thay đổi thì liều chiếu của Ống tia X tỉ

lệ với gia tri (mA) Như đã biết, giá tri (mA) lựa chọn càng lớn thì nhiệt độ tim đèn càng

cao nên số electron phát xạ ra cảng nhiều Điều này sẽ làm tăng số lượng hoặc cường độbức xạ tia X Như vậy khi giá tri (mA) tăng, diện tích phô tăng lên như hình 2.1 Ta thaykhi đó đỉnh phổ không dịch chuyên nghĩa là năng lượng chùm tia không thay đổi khi thayđối giá tri (mA)

|4 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

Hình 2 2 Anh hưởng của dong qua ông (mA) lên hiệu suất phát tia X

Việc tăng thời gian chiếu sẽ dẫn tới việc tăng lượng tia X phát xạ ra, ví dụ nếu tăng thờigian chiếu lên hai lần thì lượng tia X phát ra cũng tăng lên hai lân

Trong một số máy hiện đại người vận hành có thể đặt lượng (mAs) Đại lượng này là tíchsố giữa cường độ dòng điện qua ống tia X (tính bằng mA) và thời gian đến (tính bằnggiây s) Rõ ràng khi (mAs) càng lớn, thì lượng tia X đi đến phim cảng nhiều, nói chunghình anh sẽ rõ hơn Tùy thuộc vào bề dày vùng cơ thé khảo sát mà người vận hành có théchọn (mAs) phù hợp Việc thay đổi thời gian chiếu không ảnh hưởng lên năng lượng của

chùm tia X.

Sự thay đổi (kVp) phải cân băng với sự thay đổi (mAs) để dat được cùng một giátrị liều chiếu Ở ví dụ trên, tỉ số liều chiếu ứng với giá trị điện áp 80 kVp và 60 kVp là1,78 Dé dat được cùng một giá trị liều chiếu như nhau khi di qua cơ thể bệnh nhân thìmAs phải thay đổi theo lũy thừa bậc 5 của tỉ số hai (kVp): [3]

IS | GVHD: PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

hưởng đến chất lượng (khả năng đâm xuyên) của bức xạ Với cùng giá trị kVp, điện ápmột pha cung cấp hiệu điện thế trung bình thấp hơn điện áp 3 pha Do đó cả chat lượngvà số lượng tia X phát ra đều bị ảnh hưởng.

——

L 100% don sôngL 5% don sông>

Cường độ tia X0 20 40

Nang lượng (keV)

100

Hình 2 3 Cường độ phố bức xa ở cùng gid trị điện ap (kVp), cùng gia trị dong qua ong

(mA), cùng thời gian chiếu với điện I pha va 3 pha

2.1.3 Nguyên lý tạo ảnh X- quang

Khi chiếu một chùm tia X qua cơ thé người, do khả năng xuyên thấu dé dàng củatia X, nên chỉ một số tia X chịu sự tương tác với các bộ phận của cơ thể và suy yếu di.Phan còn lại đi qua co thé Mức độ suy yếu của tia X phụ thuộc vào các cau trúc khácnhau (thịt, xương, không khí) mà tia X gặp phải trên đường đi Phần đi qua được gọi làtia X còn dư Nếu ở phía sau cơ thé người, ta đặt một phim anh, thì tia X còn dư có thélàm thay đổi tinh chat của phim ảnh này Sau khi xử lý phim dé có thé nhìn thay sự thayđổi đó băng mắt thường Nhìn phim, ta có thé thay câu trúc của co thể Kỹ thuật chanđoán hình anh băng tia X đã phát triển nhanh chóng trong thời gian gần đây, nhờ vaonhững tiễn bộ nhảy vọt của kỹ thuật máy tính Ngày nay người ta đã có thể tạo ra nhữngảnh có chất lượng rất cao Hiện nay kỹ thuật X quang đã được số hóa bằng kỹ thuật máytính Tuy nhiên kỹ thuật chụp hay rọi ảnh X quang bằng phim đơn giản vẫn đang được ápdụng rat rộng rãi, người ta gọi đó là X guang thường quy (conventional radiology)

16 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

2.1.4 Hệ thống ghi ảnh

Ghi ảnh bằng phim (radiographic film): Các phim chụp ảnh tia X cũng giống nhưphim thường dùng trong chụp ảnh ánh sáng thông thường (photographic film) Điều khácbiệt là là chúng được chế tạo với chất lượng cao hơn và có đáp ứng hơi khác với phimthông thường Trong ghi ảnh bang phim, một phim tia X được kẹp giữa hai màn tăng

sảng (radiographic intensifying screens), đặt trong một cátsét Toàn bộ hệ này (gọi là

image receptor) được đặt sau bệnh nhân Tia X sau khi đi qua bệnh nhân, đến chiếu vàoman, các màn sẽ phát ra ánh sáng nhìn thay vào phim, làm thay đổi tính chất của phim,tạo thành ảnh ẩn (latent image) Băng mắt thường, ta không thé thấy các ảnh ẩn này.Nhung sau khi rửa phim, ta có thé thay những ảnh rõ (manifest image)

Hiện ảnh trên màn hình băng ống tăng sáng: Hiện nay, trước khi chụp ảnh lênphim, kỹ thuật viên có thể quan sát ảnh trên một màn hình như màn hình tivi để lựa chọntư thế bệnh nhân và chế độ chụp ảnh tốt nhất Kỹ thuật này cũng cho phép quan sát hìnhảnh bên trong bệnh nhân ngay lúc đang chiếu tia (real-time), do đó cho phép thấy đượcnhững chuyển động bên trong cơ thể bệnh nhân Việc này được thực hiện bằng một dụngcụ gọi là ống tang sáng (image-intensifier tube), thay thé vai trò của màn tăng sáng ở trên.Ong này gồm một màn huỳnh quang ở dau vào (input phosphor) làm bang CsI, và mộtphotocathode Khi tia X chiếu vào màn huỳnh quang, chúng sé tạo ra các photon có nănglượng năm trong vùng ánh sáng nhìn thấy Các photon này đến đập vào photocathode sẽlàm bắn ra các electron do hiệu ứng quang điện (photoemission) Số lượng electron phátra tỉ lệ với số lượng photon bắn vào man, và số photon nay lại tỉ lệ với cường độ tia X điđến ống tăng sáng Các electron được phát ra ở photocathode được gia tốc thông qua mộthiệu điện thế khoảng 25 kV và đến anode Anode có một lỗ nhỏ để các electron lọt quavà đến đập vào một màn huỳnh quang khác (output phosphor) cũng làm băng sulfat kẽm.Tại đây các electron sẽ tạo ra ánh sáng nhìn thay Dé có thé quan sát ảnh trên màn hìnhmáy tính người ta biến đổi ánh sáng này thành các tín hiệu điện, băng một camera(television camera) Camera đạt áp sát vào màn huỳnh quang dau ra của Ống tăng sáng vàcó kích thước băng kích thước của màn huỳnh quang đầu ra

17 | GVHD: PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

2.2 Đặc trưng kỹ thuật

2.2.1 DO tương phan

Đề phân biệt các câu trúc khác nhau (xương, mô mềm), thì các cấu trúc gân kè

nhau nên có độ tương phản (độ đậm nhạt) khác nhau càng nhiều cảng tốt Muốn vậy phảichọn sao cho lượng tia X bị hấp thụ trong chúng khác nhau càng nhiều càng tốt Nghĩa làhệ số suy giảm khối (tp) của tia X đối với các mô nên khác nhau càng nhiều cảng tot.Nhưng hệ số suy giảm khối (u/p) của tia X phụ thuộc vào năng lượng của tia X Vậymuốn tăng độ tương phản ta phải chọn năng lượng của tia X thích hợp Nói cách khác,phải chon kVp thích hop Nói chung xác suất hap thụ tia X trong xương lớn hơn so vớitrong mô mềm Ta thấy khi kVp càng thấp thì độ tương phản càng cao Trong thực tế, dokhi kVp càng thấp thì liều hấp thụ trong bệnh nhân cũng cảng cao, nên người ta phải

chọn giá trị kVp thích hợp.

2.2.2 Bức xa tan xạ

Khi chiếu bệnh nhân, không chỉ những tia X không bị hấp thụ đi đến phim, mà có

cả những tia X tắn xạ Compton Các tia X này do bị lệnh hướng nên không mang thông

tin về vùng mà nó đi qua Thực tế, chúng thường làm ảnh bị nhòe, và làm giảm độ tương

phản di Vì vậy, người ta phải tim cách loại bỏ tia X tan xạ Compton Có một cach là

dùng tâm grid Đó là những tam có các khe dé chỉ cho những tia X có hướng bay nốithăng từ nguồn (anode) đến phim (hay ống tăng sáng) di qua Những tia tán xạ thường cóhướng bay không năm trên phương này và bị hap thụ trong grid Tâm grid được đặt giữabệnh nhân và phim Độ mở của collimator cũng có ảnh hưởng đến bức xạ tán xạ.Collimator mở cảng rộng, bức xa tán xạ càng nhiều, làm độ tương phản càng thấp Vì vậytrong chụp ảnh tia X, người ta chỉ mở collimator đủ dé có được vùng can quan sát

18 | GVHD: PGS.TS Huỳnh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang

2.3 Phương pháp mô phóng Monte Carlo |4|

2.3.1 Giới thiệu về phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Trong 2 thập kỉ qua, do những tiến bộ trong phân cứng của máy tính và thuật toán

Monte Carlo, phương pháp Monte Carlo ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong khoa

học Nhờ phương pháp này, ta có thé giải “thô” một cách nhanh chóng các bài toán nhiềuchiều của giải tích số, trong đó có những bai toán chưa giải được hoặc “coi là chưa giảiđược (bởi khối lượng tính toán quá lớn) bằng các phương pháp số thông thường Ngoàira, phương pháp Monte Carlo còn được sử dụng dé tiến hành trên máy tính điện tử theokiểu mô phỏng của việc xuất hiện các hiện tượng ngẫu nhiên trong nhiêu bài toán quantrọng của toán học (như: lý thuyết thông tin, phục vụ đám đông và đối sách, ), của vậtlý (như: vật lý hạt nhân, địa vat lý và quang học khí quyén, ) và của nhiều lĩnh vực khácnhư: sinh học, hóa học, kĩ thuật quân sự và kinh tế [5]

Phương pháp Monte Carlo được định nghĩa: là phương pháp giải băng số các bàitoán thông qua việc tạo ra và sử dụng các số ngẫu nhiên Các bài toán nói trên đều cóchung một đặc điểm:các hiện tượng ngẫu nhiên xuất hiện trong đó là “không có khả năngquan sát được”, nghĩa là ta không thể tiến hành các thí nghiệm để quan sát chúng trongthực tế Vì các thí nghiệm này thuộc loại: thí nghiệm diễn biến quá chậm (các thí nghiệmcó tính chất cơ học chậm chap, diễn biến của quá trình động đất trên một vùng lãnh thổtrong một tương lai khá xa, diễn biến các quá trình sinh học trong sự cân băng sinhthái ); hoặc thí nghiệm diễn biến quá nhanh (các quá trình khuếch tán, quá trình phânnhánh trong phản ứng dây chuyên của hạt nhân, các quá trình bức xạ, khuếch tán va dịchchuyên trong quang học khí quyền: hoặc thí nghiệm thuộc loại thí nghiệm giá dat

Chính vì các ưu điểm đó, trên thế giới, phương pháp Monte Carlo đã được áp dụngmô phỏng các hiện tượng vật lý trong y học hơn 50 năm Đặc biệt trong những năm ganđây, khi máy tính phát triển, phương pháp này ngày càng trở nên tỉnh vi hơn và được sửdụng rộng rãi hơn Các phiên bản dau tiên được viết theo mã máy, nhưng vào những năm1960, ngôn ngữ FORTRAN duoc sử dụng để thay thế (FORTRAN- FORmula

TRANSslation được phát hành bởi hãng IBM- International Bussiness Machines, được

tiêu chuẩn hóa vào năm 1966, 1977 và 1990)

Hiện nay, bốn chương trình phố biến của Monte Carlo được sử dụng để mô phỏngtính liều phân bố trong xa tri đó là: EGS (Nelson et al, 1985, Kawrakow va Rogers, 2000),

19 | GVHD: PGS.TS Huynh Quang LinhHVTH :Nguyên Tran Minh Quang