Đồ án môn học quá trình và thiết bị

Đồ án môn học quá trình và thiết bị

THÔNG TIN VỀ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1. Họ và tên học viên: ĐÀO ĐÌNH BÌNH 2. Giới tính: Nam 3. Ngày sinh: 28 tháng 08 năm 1978 4. Nơi sinh: Hải Phòng 5. Quyết định công nhận học viên cao học số:………… , ngày …. Tháng … năm… . 6. Các thay đổi trong quá trình đào tạo: 7. Tên đề tài luận văn: Phân bố liều hấp thụ trong phantom theo bề dày và theo khoảng cách đến trục chùm photon năng lượng 6 và 15 MeV dùng trong xạ trị 8. Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao 9. Mã số: 60.44.05 10. Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Văn Loát. 11. Tóm tắt các kết quả của luận văn: a) Tìm hiểu cơ sở vật lý và cơ sở sinh học của phương pháp xạ trị dùng chùm photon b) Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Primus- Siemens c) Đánh giá đặc trưng năng lượng chùm photon Kết quả: - Phân bố liều hấp thụ của chùm tia khá đồng đều trên mặt phẳng dẫn đến liều hấp thụ tương đối trong mô cùng được phân bố đồng đều. - Phân bố liều tương đối ra ngoài biên giảm rất nhanh điều này rất quan trọng trong xạ trị 12. Khả năng ứng dụng trong thực tiễn: Sử dụng chùm photon điều trị các khối u sâu. 13. Những hướng nghiên cứu tiếp theo: 14: Các công trình đã công bố có liên quan tới luận văn: Không. Ngày tháng 12 năm 2010 Học viên Lương Minh Quân LỜI MỞ ĐẦU Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó. Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II. Và gần đây nhất là thảm họa nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng tư năm 1986 và nhà máy Mayak, ngày 29 tháng 9 năm 1957[11]. Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao chất lượng cuộc sống đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính. Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đính phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát thì nó có tác hại vô cùng to lớn. Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng. Bức xạ được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu xạ, trong việc tạo giống mới và trong điều trị ung thư Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị là: - Tương tác của chùm photon Gamma với vật chất. - Các hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể sống khi chiếu chùm photon. Trong cuộc sống có rất nhiều nguyên nhân và rất nhiều căn bệnh làm giảm tuổi thọ con người hoặc làm cuộc sống trở nên vô nghĩa vì luôn bị hành hạ bởi những cơn đau kéo dài. Một trong những nguyên nhân rất lớn gây hại cho cuộc sống là bệnh ung thư. Ung thư là một tập hợp các bệnh được biểu thị bởi sự phát triển lan rộng khối u. “Vấn đề ung thư” là một vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa nhất ở Châu Âu, vượt qua cả bệnh tim và là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao. Ở Canada và Mỹ có tới 130000 và 1200000 người mỗi năm được chuẩn đoán là mắc bệnh ung thư [2]. Đặc biệt là ở những nước đang phát triển như Việt Nam các yếu tố môi trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực sự hợp vệ sinh …. là những nguyên nhân làm gia tăng số người bị bệnh ung thư. Việc điều trị ung thư bằng tia xạ đã có một quá trình lịch sử rất lâu dài có thể nói từ năm 1895, khi Roentgen phát hiện ra tia X và tới ngày 27 tháng 10 năm 1951 bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng tia gamma Coban-60. Việc ra đời sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị ung thư gặp khá nhiều vấn đề bất cập. Chính vì vậy có thể nói ảnh hưởng lớn nhất lên kỹ thuật xạ trị hiện đại là sự phát minh ra máy gia tốc tuyến tính vào những năm 1960. Từ đó tới nay, với việc ứng dụng công nghệ thông tin, và các kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào trong xạ trị bằng máy gia tốc kết hợp với việc cải tiến về phần cơ khí đã làm cho phương pháp xạ trị đang dần thay thế hoàn toàn các phương pháp xạ trị từ xa khác, đem lại hiệu quả ngày càng cao trong điều trị ung thư. Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh viện K Hà Nội) đã dùng máy Coban, các nguồn radium vào trong xạ trị. Bên cạnh đó, một số cơ sở y tế khác như bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 đã sử dụng các đồng vị phóng xạ trong điều trị ung thư. Máy gia tốc được đưa vào Việt Nam từ tháng 1 năm 2001 tại Bệnh Viện K – Hà Nội. Hiện nay ngoài bệnh viện K – Hà Nội, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị như Bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương, … Phương pháp xạ trị từ xa dùng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển ở nước ta. Tuy nhiên số lượng máy còn quá ít so với yêu cầu thực tế. Và đây cũng là thiết bị mới đòi hỏi người sử dụng phải có kỹ thuật chuyên môn cao.Chính vì vậy việc tìm hiểu và quảng bá những kiến thức về xạ trị, nguyên lý hoạt động của máy và tìm hiểu chính xác những thông số mà tia xạ của máy phát ra để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân là vấn đề rất cần thiết. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài: “ Phân bố liều hấp thụ trong Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6 MV và 15 MV dùng trong xạ trị ”. Mục đích của đề tài đặt ra: Tìm hiểu cơ chế tương tác của chùm bức xạ với vật chất Tìm hiểu phương pháp dùng chùm Photon trong xạ trị và những ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác. Tìm hiểu cơ chế phát chùm photon của máy PRIMUS – Siemens và khảo sát bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của chùm Photon phát ra từ máy PRIMUS – Siemens Xác định phân bố liều hấp thụ trong phantom của chùm photon với mức năng lượng 6MV và 15MV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đó xác định vị trí điều trị. Đồng thời xác định phân bố liều hấp thụ khoảng cách tới trục với bề dày khác nhau, từ đó đánh giá độ đồng đều và độ bằng phẳng của liều hấp thụ. Ngoài phần mở đầu kết luận bản luận văn này được chia thành ba chương. Chương 1: Cơ sở của phương pháp xạ trị dùng chùm Photon đề cập đến cơ sở vật lý và cơ sở sinh học của việc sử dụng chùm Photon trong xạ trị, quá trình tương tác của photon với vật chất và với cơ thể sống, tác dụng sinh học của bức xạ và các đơn vị đo liều lượng bức xạ. Chương 2. Phương pháp thực nghiệm trình bày vắn tắt nguyên lý cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Primus- Siemens, phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm photon từ lối ra máy gia tốc. Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận tiến hành thực nghiệm đo liều hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới trục. Xây dựng đường cong liều hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới trục, từ đó tiến hành đánh giá chất lượng chùm photon năng lượng 6 MV và 15MV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS trong điều trị ung thư tại Bệnh Viện K CHƯƠNG 1: CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG CHÙM PHOTON 1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất [7] Bức xạ gamma là chùm hạt photon có năng lượng lớn. Khi đi trong môi trường vật chất, chúng tương tác với môi trường thông qua các hiệu ứng: hiệu ứng tán xạ, hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tạo cặp và quang hạt nhân. Các hiện tượng này có xảy ra hay không hoặc xảy ra với mức độ nào phụ thuộc vào năng lượng của photon gamma và nguyên tử số của môi trường mà nó đi qua. Phương pháp xạ trị sử dụng chùm gamma với mức năng lượng lớn nhất là 15 MeV nên ta chỉ quan tâm tới các hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiện tượng tạo cặp. 1.1.1. Hiện tượng hấp thụ quang điện Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng lên, lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, hiện tượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng. Photon đến bị hấp thụ toàn bộ bởi một nguyên tử. Năng lượng này được truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử. Electron nhận được năng lượng lớn hơn thế năng ion hóa của nó nên bứt ra khỏi nguyên tử, gọi là quang electron. Một phần năng lượng để thắng thế năng ion hóa, phần còn lại biến thành động năng chuyển dộng của nó. Để xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện đối với một electron nằm ở lớp nào đó của nguyên tử thì năng lượng của photon bị hấp thụ phải lớn hơn thế năng ion hóa của lớp đó. Xác suất xảy ra hấp thụ quang điện được đặc trưng bằng tiết diện hấp thụ quang điện trên một nguyên tử )( 2 cm a τ . Người ta gọi xác suất xảy ra hiện tượng quang điện trên một đơn vị thể tích môi trường chất hấp thụ là hệ số suy giảm tuyến tính của môi trường đối với hiệu ứng quang điện, ký hiệu k q , được tính bằng công thức: [ ] 7 a A A q M N k τρ = trong đó: ρ là mật độ môi trường M A : nguyên tử gam của chất hấp thụ N A : Số Avogadro Mặt khác để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ hạt nhân của một môi trường, người ta thường dùng hệ số suy giảm khối. Hệ số suy giảm khối của một môi trường đối với hiệu ứng quang điện được tính như sau: (1.1) ρ µ q q k = Từ hai công thức trên ta rút ra được công thức tính hệ số suy giảm khối do hấp thụ quang điện của một môi trường theo hệ số suy giảm tuyến tính là: a A A q M N τµ . = Người ta còn tính được hệ số hấp thụ quang điện trên một nguyên tử phụ thuộc vào năng lượng photon tới và nguyên tử số của môi trường theo công thức: 3 94,3 23 10.01,5 ε τ Z a − = 3 3,4 24 10.62,1 ε τ Z a − = trong đó Z là nguyên tử số của môi trường I K và I L là thế năng ion hóa của lớp K và lớp L của nguyên tử môi trường. Từ hai công thức trên ta thấy khi Z càng lớn thì hệ số hấp thụ quang điện càng lớn. Nghĩa là hiện tượng quang điện xảy ra mạnh với với các chất có nguyên tử số lớn hay các nguyên tố nặng. Mặt khác, khi năng lượng của bức xạ gamma tăng thì tiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm ɛ -3 . 1.1.2. Tán xạ Compton ( 1.2 ) Khi K I > ε Khi LK II >> ε ( 1.3 ) ( 1.4 ) ( 1.5 ) Theo sự tăng năng lượng của bức xạ gamma, khi tiết diện xảy ra hấp thụ quang điện giảm thì tiết diện tán xạ Compton tăng lên, đây là quá trình chủ yếu làm suy giảm năng lượng của bức xạ gamma đi trong môi trường vật chất. Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon gamma với các electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trường. Trong quá trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lượng của mình cho electron và bị tán xạ theo hường tạo với phương tới một góc nào đó gọi là góc tán xạ. Kết quả là electron tán xạ nhận được một năng lượng giật lùi và năng lượng của chùm gamma thì bị giảm đi. Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron. Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng, các electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạ nhỏ). Năng lượng của bức xạ gamma tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và năng lượng của bức xạ gamma tới theo công thức: )cos1.(1 θ ε ε −+ = k t tx trong đó ɛ tx là năng lượng của bức xạ gamma tán xạ ɛ t là năng lượng của bức xạ gamma tới θ là góc tán xạ của gamma ( 1.6 ) Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron tự do nên năng lượng của bức xạ gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới và góc tán xạ. Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có thể bay theo góc tán xạ bất kỳ, nhưng xác suất tán xạ theo một góc nào đó lại phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới và bản thân góc đó. Đối với năng lượng của bức xạ gamma nhỏ, phân bố góc của bức xạ có tính đối xứng qua góc tán xạ 90 o . Năng lượng của bức xạ gamma càng tăng thì các bức xạ gamma tán xạ càng có xu hướng ưu tiên về phía trước. Khi lượng tử gamma bị tán xạ với một góc nhỏ thì năng lượng của nó thay đổi không đáng kể, lúc đó electron bay theo phương gần vuông góc với nó. Khi lượng tử gamma bị tán xạ với góc 180 o thì electron bay ra theo hướng phía trước với động năng cực đại. Xác suất tán xạ Compton theo mọi hướng trên một electron gọi là xác suất tán xạ Compton toàn phần trên một electron được tính theo công thức: 22 23 3 2 2 )21( 28 )21ln( 2 22 .2 kk kkk k k kk r oe + +++ ++ −− = πσ trong đó: r o là bán kính cổ điển, bằng 2,82.10 -13 cm k là năng lượng tương đối của bức xạ gamma ( 1.7) Trong nguyên tử có Z electron, tiết diện tán xạ Compton trên một nguyên tử là: ea Z σσ . = Hệ số suy giảm khối của quá trình tán xạ Compton được tính bằng công thức: CAaAAC A Z NMN σσµ       == )/( trong đó, Z và M A là nguyên tử số và nguyên tử lượng của chất tán xạ N A là số Avôgađrô 1.1.3. Hiện tượng tạo cặp Khi năng lượng của bức xạ gamma tiếp tục tăng lên, có thể xảy ra hiện tượng tạo cặp. Đây là hiện tượng chỉ xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc một electron, trong đó năng lượng của một photon gamma được biến đổi hoàn toàn thành các hạt vật chất. Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một hạt nhân. Khi một photon năng lượng cao bay vào trong trường Coulomb của hạt nhân nó bị hấp thụ hoàn toàn, tạo ra một cặp electron và positron ( e + , e - ). Hạt nhân trung gian tạo ra trường Coulomb cần thiết cũng tham gia vào quá trình tạo cặp, khối lượng nghỉ của nó cũng bị biến đổi trong quá trình này và nó cũng thu được một động năng giật lùi rất nhỏ. Theo định luật bảo toàn năng lượng: ( ) ( ) 22 222 )( 2 . cMMKTcm KcMTTcmmcM oe eeee o e −+++=⇒ +++++=+ ++− ε ε ( 1.8 ) ( 1.9) ( 1.10) trong đó m e là khối lượng nghỉ của electron, T là động năng của cặp e + ,e - ; M o và M là khối lượng của hạt nhân trước và sau khi tạo cặp; K là động năng giật lùi của hạt nhân. Do M ≥ M o nên; MeVcm e 022,1 2 2 =≥ ε Từ đó có thể thấy năng lượng nhỏ nhất của lượng tử gamma để có thể xảy ra hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân là 1,022 MeV. Năng lượng này gọi là ngưỡng tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân. Người ta xác định tiết diện tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân bằng phương pháp thực nghiệm, thu được công thức tính gần đúng: εσ ln. 2 Z tc ≈ trong đó, Z là nguyên tử số của môi trường Từ công thức trên có thể thấy hiện tượng tạo cặp xảy ra mạnh trong trường Coulomb của hạt nhân khi môi trường có nguyên tử số càng lớn và khi năng lượng của lượng tử gamma càng tăng. Người ta thấy rằng, khi năng lượng lớn hơn ngưỡng tạo cặp, tiết hiện tạo cặp sẽ tăng nhanh khi năng lượng của bức xạ gamma tăng. ε là năng lượng của lượng tử gamma ( 1.11 ) ( 1.12 ) [...]... xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủ yếu thông qua các quá trình ion hóa Kết quả của quá trình ion hóa trong tế bào là tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bị biến đổi hoặc bị tiêu diệt Đối với con người, cấu tạo mô cơ thể chủ yếu là nước Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành các cặp H+ và OH-, các ion này bị kích... thuộc vào vận tốc của hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa có thể khác nhau Tia anpha thường có vận tốc nhỏ hơn tia bêta nhưng lại có khả năng ion hóa nhanh hơn Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình này 1 Sự ngăn cản phân chia tế bào: tế bào có thể sinh ra và nhân lên về số lượng trong quá trình phân chia tế bào Đây là một chức năng cơ bản của một cơ thể sống bất kỳ Ngay ở cơ thể người lớn, quá trình. .. định đối với liều lượng và do đó người ta có thể sử dụng chúng như là những liều lượng kế sinh học 3 Đột biến gen: Sự thay đổi lượng thông tin trong gen được biết với thuật ngữ biến đổi gen Sự hỏng hóc của nhiễm sắc thể có thể dẫn đến đột biến gen 4 Sự chết của tế bào: Quá trình chiếu xạ có thể làm chết tế bào hoặc có thể dẫn tới tất cả hiệu ứng trên Quá trình chết tế bào là quá trình quan trong nhất... chùm electron đã được gia tốc lại được uốn theo một đường cong thiết kế để đập vào bia Chùm electron có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, số nguyên tử, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát... và 14 MeV 15 MeV 2.2.2 Thiết bị đo liều Trong phương pháp xạ trị, việc kiểm tra liều chiếu từ máy gia tốc phải được tiến hành thường xuyên bằng thiết bị đo liều chính xác do IAEA cung cấp Phần thực nghiệm của luận văn tiến hành đo phân bố liều trên máy gia tốc xạ trị PRIMUS tại bệnh viện K Hà Nội, Sử dụng thiết bị đang được dùng để kiểm tra liều chiếu hàng ngày tại đây Thiết bị đo là Dosimeter kết... đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy - Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thày thuốc và bệnh nhân - Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị; màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị - Hệ thống che chắn phóng xạ - Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc: - Giường máy... Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ a Liều hấp thụ Thực tế cho thấy những sự thay đổi trong môi trường chiếu xạ phụ thuộc chủ yếu vào liều hấp thụ và liều tương đương Với khái niệm liều hấp thụ và liều tương đương, cho phép mở rộng đối tượng bức xạ nghiên cứu và môi trường chiếu xạ Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trường chiếu xạ là không khí Còn liều hấp thụ và liều tương... photon và chế độ phát electron Do đó, về cơ khí được chế tạo phù hợp để thay đổi cơ chế từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm electron Trong quá trình hoạt động, khi hãm chùm electron, bia tia X bị nóng lên, do đó cần có hệ thống làm nguội bằng nước Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết. .. làm việc chặt chẽ với đội ngũ vật lý, kế hoạch điều trị và bộ phận đo lường, không thể nhầm lẫn được đánh giá lâm sàng, hiểu sai về những quan niệm vật lý, không hoàn hảo về phác đồ điều trị và thực hiện phác đồ 1.4.3 Các phương pháp xạ trị Có hai phương pháp xạ trị phổ biến đã và đang được sử dụng là xạ trị ngoài hay còn gọi là xạ trị từ xa và xạ trị trong (còn gọi là xạ trị áp sát) Xạ trị trong hay... tuyến tính lái cho đập vào bia, cũng có thể dùng trực tiếp chùm electron đã được gia tốc phát ra từ máy gia tốc Nội dung của luận văn này đề cập đến xạ trị dùng chùm photon được tạo ra từ máy gia tốc PRIMUS – SYMAN 1.4.4 Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc a Các thiết bị xạ trị từ xa Các thiết bị cung cấp chùm bức xạ trong phương pháp xạ trị từ xa gồm có: máy Cobal 60, máy phát tia X và máy gia tốc [1,4,5] . gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới và góc tán xạ. Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có. vật lý và cơ sở sinh học của việc sử dụng chùm Photon trong xạ trị, quá trình tương tác của photon với vật chất và với cơ thể sống, tác dụng sinh học