thiết kế và đánh giá che chắn cho các thiết bị xạ trị tia x và gamma năng lượng cao

Vì luận văn này tập trung vào việc tính toán che chắn an toàn cho một cơ sở xạ trị có máy gia tốc tuyến tính nên trong phần tiếp theo tác giả đề cập một số khái niệm cơ bản của hai loại

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ

VÀ AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ

Kể từ khi ra đời vào đầu thế kỷ 20, xạ trị và những tiến bộ của nó đã có một mối liên kết chặt chẽ với vật lý y học Ngày nay, xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính trở thành một phương pháp điều trị ung thư hữu hiệu ở Việt Nam và trên thế giới cùng với các phương pháp khác như phẫu thuật và hóa trị Tuy nhiên do liều xuất ra

từ máy gia tốc là rất lớn nên phải đặc biệt chú ý về an toàn bức xạ Chương này sẽ trình bày những vấn đề liên quan đến xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị

 Điều trị ung thư

Mục tiêu của việc điều trị ung thư là loại bỏ hoàn toàn hoặc một phần các khối

u từ cơ thể của bệnh nhân [2], có 3 phương thức chính được sử dụng điều trị:

proton, alpha, hạt nặng mang điện để tiêu diệt tế bào ung thư)

Mục đích của việc xạ trị là chiếu một liều bức xạ (đơn vị Gray) lên khối u sao cho đủ liều để tiêu diệt khối u và hạn chế ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh trong cơ thể bệnh nhân Việc cấp liều điều trị được thực hiện bởi các bác sĩ chuyên khoa Với mỗi bệnh nhân, giai đoạn bệnh lý khác nhau thì sẽ có một liều điều trị khác nhau Về loại tia xạ dùng trong xạ trị, thì hiện nay chủ yếu ở nước ta là dùng bức xạ tia X/photon/gamma phát ra từ máy Cobalt–60 hoặc máy gia tốc tuyến tuyến tính (LINAC) Với máy gia tốc tuyến tính thì ta có thể dùng hai loại tia bức xạ là photon và electron Vì luận văn này tập trung vào việc tính toán che chắn an toàn cho một cơ sở xạ trị có máy gia tốc tuyến tính nên trong phần tiếp theo tác giả đề cập một số khái niệm cơ bản của hai loại bức xạ cần quan tâm trong quá trình tính toán là photon/gamma và neutron (sản phẩm gián tiếp của phản ứng quang neutron

và tương tác của electron năng lượng cao với vật chất)

1.1.2 Tương tác của gamma và neutron với vật chất

1.1.2.1 Tương tác của gamma với vật chất

Nếu không tính đến phản ứng hạt nhân, tương tác của bức xạ gamma bao gồm: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron – positron [3]

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma và điện tử electron liên kết với hạt nhân Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của lượng tử

gamma được truyền cho điện tử electron

Trong đó:

- Eγ: năng lượng của lượng tử gamma tới

Năng lượng liên kết của điện tử với nguyên tử càng nhỏ so với năng lượng của lượng tử gamma thì xác suất hiệu ứng quang điện càng nhỏ

Tương tác xảy ra với xác suất lớn nhất khi năng lượng gamma vừa vượt quá năng lượng liên kết, đặc biệt đối với các lớp vỏ trong cùng Khi năng lượng tăng,

E

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện quang điện

Khi hiệu ứng quang điện xảy ra, một electron bị bứt ra khỏi một lớp nào đó của nguyên tử sẽ để lại một lỗ trống Lỗ trống này sẽ được một electron từ các lớp ngoài của nguyên tử chuyển xuống chiếm chỗ Quá trình này dẫn tới làm phát các tia X đặc trưng hay các electron Auger

Hình 1.1: Tán xạ Compton [3]

Trong hiệu ứng Compton, lượng tử gamma tán xạ đàn hồi lên một electron quỹ đạo ngoài của nguyên tử Lượng tử gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng, còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình tán xạ đàn hồi của gamma lên electron tự do Công thức tính năng lượng của lượng tử gamma bị tán xạ với góc θ như sau:

Tiết diện của quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên

tử và tỉ lệ nghịch với năng lượng của lượng tử gamma, như vậy :

σcompton =Z

Trong tán xạ Compton thì electron sau tán xạ tiêu tán động năng của nó theo

cơ chế kích thích, ion hoá môi trường một cách trực tiếp

 Sự tạo cặp electron - positron

và hiệu ứng Compton, trong quá trình tương tác của gamma với vật chất còn xảy ra hiện tượng tạo cặp electron – positron

Hình 1.2: Hiện tượng tạo cặp [3]

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc

xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của electron

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng

Tiết diện tạo cặp electron – positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn

nên có giá trị lớn đối với chất hấp thụ có số nguyên tử lớn

 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất

Như đã trình bày ở trên, khi gamma tương tác với vật chất có 3 hiệu ứng xảy

ra, đó là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp electron – positron Tiết diện vi phân tương tác tổng cộng của các quá trình này bằng:

Hình 1.3: Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng [3]

trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang điện, trong miền năng lượng

1.1.2.2 Tương tác của neutron với vật chất

Sự tương tác của neutron với vật chất chủ yếu là tương tác với hạt nhân nguyên tử Khi neutron va chạm với hạt nhân thường xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và phản ứng hạt nhân [4] [5]

Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron

tác của neutron với hạt nhân phụ thuộc rất mạnh vào năng lượng của nó

Khi chùm hẹp các hạt neutron đi qua môi trường, cũng giống như tia gamma, cường độ chùm tia cũng giảm đi theo hàm số mũ Ở đây thay cho việc sử dụng hệ

số hấp thụ tuyến tính hay hệ số hấp thụ khối người ta dùng tiết diện vĩ mô Σ = 𝜎𝑁, trong đó: σ là tiết diện hấp thụ vi mô của môi trường; N là số các hạt nhân hấp thụ

 Sự làm chậm neutron do tán xạ đàn hồi

Tán xạ đàn hồi là quá trình phổ biến nhất khi neutron tương tác với các hạt nhân môi trường có số nguyên tử bé Do tán xạ đàn hồi, năng lượng neutron giảm dần khi đi qua môi trường, ta gọi là neutron bị làm chậm và môi trường như vậy gọi

là chất làm chậm

Quá trình tán xạ đàn hồi giữa neutron nhanh với hạt nhân môi trường giống như sự va chạm đàn hồi giữa hai viên bi, trong đó hạt neutron có khối lượng bằng 1, động năng ban đầu E, còn hạt nhân đứng yên có khối lượng A Sau tán xạ neutron

có năng lượng 𝐸′ Do quy luật bảo toàn động năng và động lượng của quá trình tán

xạ đàn hồi, ta có:

- E’ = E khi neutron tán xạ về phía trước

- E’ = εE khi neutron tán xạ về phía sau, tức là va chạm trực diện

theo công thức (1.10) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hạt nhân

nên neutron không thể truyền toàn bộ động năng của mình trong một va chạm Như vậy, hạt nhân có khối lượng bé làm chậm neutron có hiệu quả hơn hạt nhân có khối lượng lớn

Trong quá trình neutron nhanh được làm chậm thành neutron trên nhiệt hay neutron nhiệt trong môi trường, xác suất hấp thụ cũng tăng dần Tiết diện hấp thụ của nhiều hạt nhân đối với neutron ở miền năng lượng nhiệt tuân theo quy luật [4]:

√E~1

Khi đó quy luật (1.12) có thể viết thành:

Các phản ứng 1H (n, γ) 2H và 14N (n, p) 14C được quan tâm trong an toàn bức

xạ do H và N là các nguyên tố chủ yếu trong mô sinh học, còn các phản ứng

thường, khi che chắn neutron nhanh, người ta dùng hai loại vật liệu kết hợp với nhau, vật liệu như nước, paraphin để làm chậm neutron và vật liệu hấp thụ mạnh

1.2 An toàn bức xạ trong xạ trị

1.2.1 Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong xạ trị

Với sự phát triển của tiến bộ khoa học kỹ thuật, các máy móc công nghệ cao được sử dụng trong lĩnh vực y tế nói chung và trong xạ trị nói riêng cũng không ngừng phát triển Từ sử dụng nguồn Co-60 chỉ có hai mức năng lượng là 1,17 MeV

và 1,33 MeV đến sử dụng máy gia tốc có các mức năng lượng photon từ thấp 4 MV,

6 MV, đến năng lượng cao là 10 MV, và rất cao là 15 MV, 18 MV

Vấn đề quan trọng nhất trong ATBX cho một cơ sở sử dụng máy gia tốc tuyến tính cho xạ trị là thiết kế phòng đặt máy, hay còn gọi là Boongke, sao cho vẫn đảm bảo hài hòa hai yếu tố là an toàn cho nhân viên bức xạ, cho môi trường chung quanh nhưng vẫn phải đảm bảo chi phí xây dựng tối ưu nhất Có nhiều tài liệu đề cập đến vấn đề này, tuy nhiên trong khóa luận này tác giả dựa trên tài liệu NCRP-151 [9]

1.2.1.1 Các đại lượng, liều áp dụng trong tính toán che chắn

Ngoài đơn vị SI là J/kg, liều hấp thụ còn có đơn vị Gy hoặc rad

1 Gy = 1 J/kg = 100 rad = 100 cGy

 Liều chiếu

Liều chiếu của tia X hoặc tia gamma là phần năng lượng của nó mất đi để biến đổi thành động năng của hạt mang điện trong một đơn vị khối lượng của không khí, khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn Từ định nghĩa trên, ta có:

Trong đó:

- ∆Q: điện tích xuất hiện do sự ion hoá không khí trong một đơn vị thể tích

- ∆m: khối lượng không khí của thể tích trên

Đơn vị của liểu chiếu là Coulomb trên kilogram (C/kg) hoặc Roentgen (R) 1C/kg = 3876 R

Trong thực nghiệm cho thấy hiệu ứng sinh học gây bởi bức xạ không chỉ phụ thuộc vào liều hấp thụ mà còn phụ thuộc vào loại bức xạ Do vậy, một đại lượng được dùng là liều tương đương: “tương đương” có nghĩa là giống nhau về mặt sinh học Để so sánh tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau [5]

Dựa vào tính chất trên, liều tương đương được định nghĩa là liều hấp thụ trung bình trong mô hoặc cơ quan T bất kỳ do bức xạ r nhân với hệ số trọng số phóng xạ tương ứng của bức xạ

Trong đó:

- r: loại bức xạ được hấp thụ trong mô hoặc cơ quan T

Đơn vị của liều tương đương là J/kg, rem hoặc Sievert (Sv), 1 Sv = 100 rem

Bảng 1.2: Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ [5]

thì tổn thương sinh học khác nhau

Liều hiệu dụng được định nghĩa là tổng của tất cả các liều tương đương ở các

mô hay cơ quan, mỗi một liều được nhân với trọng số mô tương ứng Liều hiệu dụng cho biết xác suất xảy ra những hiệu ứng ngẫu nhiên khi cơ thể bị chiếu tại nhiều vùng khác nhau

Bảng 1.3: Các trọng số mô WT theo khuyến cáo của ICRP qua các lần thay đổi [1]

(1979)

ICRP 60 (1990)

ICRP 103 (2007)

Dựa vào định nghĩa cũng như tính chất của từng đại lượng liều đã nêu ở trên, cũng như xuất phát từ mục đích của đề tài, trong khóa luận này đại lượng liều tương đương sẽ được dùng trong tính toán thiết kế và che chắn

1.2.1.2 Giới hạn liều đối với con người theo ICRP

Nhiệm vụ chủ yếu của việc phòng chống bức xạ ion hoá là không để sự chiếu

xạ trong và ngoài lên cơ thể vượt quá liều lượng cho phép

Từ những năm 30, ICRP (Uỷ ban quốc tế về an toàn bức xạ) đã khuyến cáo rằng mọi tiếp xúc với bức xạ vượt quá giới hạn phông bình thường nên giữ ở mức

độ càng thấp càng tốt Khuyến cáo này được bổ sung và điều chỉnh hàng năm để giúp nhân viên và công chúng nói chung phòng tránh quá liều Các khuyến cáo gần đây nhất được đưa ra năm 2007 Các khuyến cáo này không là giới hạn bắt buộc nhưng đã được thông qua như là quy tắc luật pháp ở nhiều nước [11] [13]

Đối với nhân viên bức xạ: Theo khuyến cáo của ICRP, mức liều đối với nhân

viên không vượt quá 50 mSv/năm và liều trung bình cho 5 năm không được vượt quá 20 mSv Nếu một phụ nữ mang thai làm việc trong điều kiện bức xạ thì giới hạn liều nghiêm ngặt hơn là 2 mSv Giới hạn liều được chọn để bảo đảm rằng, rủi ro nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ không cao hơn rủi ro nghề nghiệp trong các ngành công nghiệp khác được xem là an toàn nói chung

Đối với công chúng: Giới hạn liều đối với công chúng nói chung thấp hơn đối

với nhân viên ICRP khuyến cáo rằng giới hạn liều đối với công chúng không nên vượt quá 1 mSv/năm

Đối với bệnh nhân: ICRP không có khuyến cáo giới hạn liều đối với bệnh

nhân Ở nhiều trường hợp chụp X quang, bệnh nhân phải chiếu liều cao hơn nhiều lần so với giới hạn liều cho công chúng Trong xạ trị, liều chiếu có thể tăng gấp hàng trăm lần so với giới hạn liều đối với nhân viên Bởi vì liều xạ được dùng là để xác định bệnh và để chữa bệnh, nên hiệu quả của điều trị được xem là cần thiết hơn ngay cả khi phải dùng đến liều cao

Bảng 1.4: Giới hạn liều qua các thời kỳ theo ICRP [1]

Năm

Giới hạn liều (mSV/năm)

1.2.2 Các quy định về ATBX tại Việt Nam

Thông tư số 19 ngày 08 tháng 11 năm 2012 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ quy định liều giới hạn được phép đối với từng đối tượng [6] [7] như sau:

1.2.2.1 Giới hạn liều nghề nghiệp

một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv

trong 5 năm kế tiếp nhau là 20 mSv trong một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv

nghề có liên quan đến bức xạ và đối với học sinh, sinh viên tuổi từ 16 đến

18 sử dụng nguồn bức xạ trong quá trình học tập:

1.2.2.2 Giới hạn liều công chúng

hiệu dụng cao hơn 1 mSv, với điều kiện giá trị liều hiệu dụng lấy trung bình trong 5 năm kế tiếp nhau không vượt quá 1 mSv trong một năm

chẩn đoán, xét nghiệm và điều trị bằng bức xạ ion hoá hoặc dược chất phóng xạ có độ tuổi từ 16 tuổi trở lên không được vượt quá 5 mSv trong

cả thời kỳ bệnh nhân làm xét nghiệm hoặc điều trị Liều bức xạ đối với người chăm sóc, hỗ trợ và thăm bệnh nhân trong chẩn đoán, xét nghiệm

và điều trị bằng bức xạ ion hoá hoặc dược chất phóng xạ có độ tuổi nhỏ hơn 16 tuổi không được vượt quá 1 mSv trong cả thời kỳ bệnh nhân làm xét nghiệm hoặc điều trị

Tóm lại, theo Uỷ ban quốc tế cũng như tại Việt Nam về an toàn bức xạ, liều lượng giới hạn được phép tiếp nhiễm các loại bức xạ trong một năm đối với công chúng là 1 mSv và đối với nhân viên bức xạ là 20 mSv Chúng ta phải có những biện pháp hạn chế tiếp xúc để đảm bảo liều luôn ở mức giới hạn được phép

1.3 Những biện pháp nhằm hạn chế tiếp xúc với chùm tia bức xạ

Nhằm đảm bảo ATBX, nhân viên làm việc với nguồn xạ nói riêng và công chúng nói chung, để giảm liều chiếu xạ ngoài có thể áp dụng một hoặc kết hợp các biện pháp dưới đây:

 Giảm thời gian tiếp xúc với chùm tia bức xạ

 Tăng khoảng cách từ nguồn phát tia đến nơi làm việc

 Che chắn bức xạ với bề dày khác nhau Khi bức xạ gamma/tia X truyền qua

một lớp vật chất thì cường độ chùm bức xạ sẽ suy giảm theo hàm logarit

Trong đó:

Hình 1.4: Biểu diễn sự suy giảm của chùm tia khi qua lớp che chắn bề dày x [7]

Do suất liều bức xạ phát ra từ nguồn khác nhau tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên theo khuyến cáo của NCRP thì các nhân viên bức xạ nên đứng cách tường bảo vệ một khoảng cách an toàn là 0,3 m Và đây cũng là khoảng cách được áp dụng để tính toán và mô phỏng trong khóa luận này

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sau khi tìm hiểu về xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị, ở chương 2 sẽ trình bày cơ sở lý thuyết để thiết kế che chắn cho một cơ sở xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính với rất nhiều yếu tố ảnh hưởng như không gian hình học của phòng điều trị, vật liệu xây dựng và nguồn bức xạ,…

2.1 Dạng hình học của phòng điều trị và nguồn bức xạ

Cấu tạo cơ bản của một máy gia tốc tuyến tính (LINAC):

Mục đích của đề tài này là khảo sát chùm photon ở năng lượng cao (MV) sử dụng cho xạ trị Nguồn bức xạ được sử dụng ở đây là máy gia tốc tuyến tính, với vùng năng lượng photon thay đổi từ 6 MV dến 24 MV

Hình 2.1: Sơ đồ khối của một máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị [9]

Đầu máy gia tốc là một trong những thành phần quan trọng của máy gia tốc

Nó chứa đựng những thành phần có ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia điều trị,

có một thành phần đặc biệt, gọi là bia tia X (target) Theo lý thuyết, máy gia tốc chỉ gia tốc hạt electron, vậy thì để tạo ra tia X/photon phục vụ điều trì thì trên đường đi

của chùm hạt electron người ta chèn vào một vật liệu có bậc số nguyên tử cao (thường là Tungsten hoặc vàng) gọi là bia tia X “Target”, tương tác của electron với bia “Target” sẽ tạo ra bức xạ tia X/photon và khi rút “Target” ra khỏi đường đi của chùm electron thì ta sẽ có chùm electron cho điều trị

Về cơ bản một máy gia tốc tuyến tính sẽ có các thành phần chính sau (hình 2.1):

điện ban đầu, các bộ phận tạo sóng cao tần như Magnetron/Klystron, các

bo mạch điện tử, các thiết bị tải nhiệt,…

cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ

là nguồn electron

lọc chùm electron trước khi đến bệnh nhân

ra sóng cao tần RF Sau đó sóng cao tần được đưa vào ống dẫn sóng để gia tốc chùm electron

Collimator tiêu chuẩn với 04 ngàm (Jaw) tạo thành trường chiếu xạ hai chiều hình chữ nhật hoặc hình vuông, hoặc hiện đại hơn là Collimator nhiều lá (Multileaf Collimator, MLC), giúp tạo trường chiếu xạ bất kỳ theo hình thái của khối u

Trong thực tế, Gantry sẽ quay quanh một trục điều trị, gọi là trục đồng tâm (Isocenter) Isocenter được định nghĩa là một điểm trong không gian, được xác định bởi giao điểm của trục quay giường điều trị và Gantry Và khoảng cách mặc định từ nguồn phát tia bức xạ đến điểm đồng tâm (Isocenter) là 100 cm, cho tất cả các dòng máy LINAC trên thị trường Vị trí Isocenter thường nằm gần trung tâm phòng điều trị (hình 2.2)

Hình 2.2: Sơ đồ hình học của một phòng xạ trị có thiết kế tường zic-zac điển hình

(a) mặt trước của phòng điều trị (b) sơ đồ toàn phòng điều trị Vị trí của isocenter được thể hiện bằng chữ thập màu xanh và hướng chùm tia vuông góc với góc nhìn được đánh dấu bằng dấu chấm màu đỏ [9]

Một số điểm lưu ý trong thiết kế cơ sở xạ trị:

Khi thiết kế xây dựng một cơ sở xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính thì chi phí xây dựng rất quan trọng Đối với phòng điều trị nằm dưới mặt đất, ta có thể giảm được chi phí cho thiết kế che chắn cho sàn và tường bên ngoài nhưng tốn kém về chi phí cho khai quật, chống thấm nước và cho cửa ra vào Còn đối với phòng nằm trên mặt đất ta phải quan tâm đến chi phí xây dựng tường xung quanh, trên trần và cửa ra vào Về cửa ra vào, có hai cách thiết kế:

tính toán như một rào cản thứ cấp để xác định độ dày của cửa (thường chỉ sử dụng ở mức năng lượng photon thấp < 6 MV)

(hình 2.2) để giảm bức xạ thứ cấp lên cửa nhằm giảm khối lượng và bề dày của cửa, thuận lợi hơn cho việc ra vào Phần này sẽ được trình bày sâu hơn ở mục 2.3.4

Trong thiết kế che chắn cho chùm tia X năng lượng cao, ta thường quan tâm đến mật độ vật chất của vật liệu Các vật liệu thông thường được dùng trong thực tế

là bê tông mật độ cao, sắt thép, hoặc chì Bê tông thường là nguyên liệu với giá rẻ nhất cũng như dễ dàng di chuyển đến các vị trí và sử dụng cho xây dựng, che chắn

chắn

Với vùng không gian cho thiết kế là chật hẹp thì sử dụng bê tông mật độ cao hơn, ngoài ra chì hoặc thép có thể được thêm vào Các tấm thép có bề dày 10 mm thường được lồng trong tường bê tông để giảm bề dày tường che chắn

Bảng 2.1: Tính chất, đặc điểm của một số vật liệu che chắn

Vật liệu Mật độ

(g.cm -3 )

Hàm lượng hydro x10 22 (nguyên tử/cm)

Bề dày tường

sơ cấp (m)

X và neutron tốt

Độ dày rào cản lớn

Xử lý khó khăn

chắn nhỏ

Dễ uốn cong, trong suốt với neutron

Bề dày tường che chắn nhỏ, chắc khoẻ và rẻ hơn chì

Gần như trong

neutron Poly-

ethylen,

paraffin

chắn neutron

2.3 Tổng quan tính toán che chắn

2.3.1 Các thuật ngữ trong tính toán thiết kế che chắn

Một số thuật ngữ, khái niệm thường dùng trong thiết kế che chắn cho phòng máy gia tốc theo NCRP 151 [9], gồm:

2.3.1.1 Khu vực kiểm soát và khu vực không kiểm soát

 Khu vực kiểm soát: là vùng hạn chế các cá nhân tiếp xúc, chỉ những

nhân viên chuyên trách đã qua đào tạo chuyên môn và được hướng dẫn chi tiết về an toàn bức xạ mới được vào khu vực này Trong khóa luận này, khu vực kiểm soát được đề cập ở đây là phòng máy gia tốc và phòng điều khiển máy gia tốc Theo NCRP, mức liều giới hạn (liều tương đương) trong khu vực kiểm soát là 0,1 mSv/tuần hoặc 5 mSv/năm (1/4 liều 20 mSv) để đảm bảo an toàn tối ưu

 Khu vực không kiểm soát: là các vùng khác ngoại trừ khu vực được

kiểm soát Theo NCRP, mức liều giới hạn trong khu vực không được kiểm soát là 0,02 mSv/tuần hoặc 1 mSv/năm

2.3.1.2 Tải làm việc, W (Workload)

Theo tài liệu NCRP 151 [9], tải làm việc được định nghĩa là suất liều hấp thụ trung bình theo thời gian được xác định tại độ sâu liều hấp thụ cực đại, tương đương

100 cm tính từ nguồn phát bức xạ của máy gia tốc Thông thường tải làm việc được tính theo đơn vị thời gian là một tuần Như vậy, W có thứ nguyên là Gy/tuần

Tải làm việc có hai nguồn đóng góp đó là tải sơ cấp, do bức xạ chủ yếu từ

nguồn phát, và tải thứ cấp do bức xạ tán xạ

2.3.1.3 Hệ số sử dụng, U (Use Factor)

Hệ số sử dụng được hiểu chính là xác suất mà chùm tia sơ cấp chiếu trực tiếp vào một hướng nào đó của phòng điều trị Giả sử các phát tia chính của máy gia tốc

Như vậy, theo định nghĩa trên thì ta có bảng giá trị hệ số sử dụng, U cho các hướng trong phòng điều trị được trình bày trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Giá trị của hệ số sử dụng đối với chùm tia sơ cấp, nếu chia theo các góc

Ghi chú: Nếu chia theo gốc quay là 450, thì hệ số sử dụng cho mỗi vị trí thường gặp là 1/8 = 0,125

2.3.1.4 Hệ số chiếm cứ, T (Occupancy Factor)

Hệ số chiếm cứ là thời gian trung bình mà nhân viên bức xạ hay công chúng tiếp xúc với bức xạ khi đứng ở trong khu vực cần tính toán che chắn an toàn bức xạ (thông thường là vị trí bàn điều khiển máy gia tốc, tối thiểu cách tường 0,3 m) Hệ

số chiếm cứ cho từng vùng làm việc khác nhau là khác nhau Giá trị của hệ số chiếm cứ luôn nhỏ hơn hoặc bằng 1 (𝑇 ≤ 1)

Bảng 2.3: Giá trị của hệ số chiếm cứ tại các khu vực làm việc [9]

Khu vực lập kế hoạch, khu vực kiểm soát điều trị, phòng y

Các phòng làm việc, phòng khám bệnh nhân tiếp giáp

Khu vệ sinh công cộng, khu vực lưu trữ, khu vực ngoài

Khu vực dành cho người đi bộ, bãi giữ xe, thang máy, cầu

2.3.1.5 Bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp

 Bức xạ sơ cấp: là bức xạ phát ra từ đầu máy gia tốc và chiếu thẳng trực tiếp

đến bệnh nhân hoặc đến tường sơ cấp (trần, sàn nhà, tường xung quanh)

 Bức xạ thứ cấp: có hai dạng chính

 Bức xạ tán xạ (Scatter radiation): là bức xạ được tạo ra khi bức xạ

sơ cấp bị tán xạ từ bệnh nhân, từ các thiết bị máy điều trị như collimator, tường, sàn, trần của phòng điều trị

 Bức xạ rò rỉ (Leakage radiation): là bức xạ xuất hiện trong quá trình

điều trị Với các máy gia tốc, bức xạ rò rỉ chỉ xuất hiện khi máy đang hoạt động Còn đối với nguồn Cobalt, luôn luôn tồn tại bức xạ rò rỉ

2.3.1.6 Rào chắn bảo vệ

Có hai dạng rào chắn bảo vệ bao gồm:

 Rào chắn sơ cấp: được dùng để che chắn bức xạ sơ cấp được phát trực

tiếp từ nguồn đến bệnh nhân

 Rào chắn thứ cấp: được dùng để che chắn bức xạ thứ cấp là bức xạ tán

xạ với đầu máy gia tốc hay bức xạ được tạo ra khi tương tác với bệnh nhân hay các dụng cụ khác cũng như các tia bức xạ bị rò rỉ

2.3.1.7 Suất liều tức thời và suất liều trung bình theo thời gian

Khi thiết kế tường che chắn bức xạ, ta thường cho rằng các khối lượng công việc sẽ được phân bố đều trong suốt cả năm Do đó, thiết kế rào cản đáp ứng một giới hạn liều hàng tuần bằng 1/50 giới hạn liều hàng năm [8] Tuy nhiên, khi lấy giới hạn liều trong khoảng thời gian ngắn hơn năm (như tháng, tuần hoặc ngày) có thể dẫn đến một yêu cầu che chắn lớn hơn đáng kể Vì thế ta cần quan tâm đến khái niệm suất liều tức thời (instantaneous dose rate – IDR), đây là liều bức xạ tức thời cung cấp ở mỗi giờ (được đọc trực tiếp khi đo liều trong mỗi giờ trung bình trong một phút) (bảng 2.4) Khi tính toán che chắn cho các rào cản, ta cần tính IDR để so sánh với các phép đo liều trực tiếp sau khi cơ sở đã được xây dựng và đưa vào khai thác Suất liều trung bình theo thời gian (time averaged dose rate – TADR) là sự suy giảm suất liều trung bình trong một đơn vị thời gian khi đi qua tường che chắn TADR được ước tính trung bình trong vòng một ngày, với 8 giờ làm việc, ký hiệu

Trong đó:

- IDR: suất liều tức thời trên giờ ở điểm cách tường 0,3 m với máy hoạt động

- U: hệ số sử dụng (bảng 2.2)

- DR0: suất liều tối đa đầu ra cách nguồn 1 m (Gy/giờ hoặc Sv/giờ), hệ số này phụ thuộc vào cấu hình của máy gia tốc và hãng sản xuất

Bảng 2.4: Tóm tắt các đề xuất/quy định thiết kế giới hạn liều hiệu dụng [8]

Thiết kế giới hạn cho

liều nghề nghiệp

Nhỏ hơn 10 mSv mỗi năm 6 mSv trong một năm

IDR là 7,5 𝜇Sv/giờ Thiết kế giới hạn liều

công chúng

1 mSv mỗi năm

20 𝜇Sv ở bất cứ giờ nào

0,3 mSv trong một năm IDR < 7,5 𝜇Sv/giờ TADR < 0,5 𝜇Sv/giờ

Ngoài ra, suất liều trung bình theo tuần cũng được xác định:

TADR hàng tuần (RW): là TADR trung bình một tuần 40 giờ làm việc

Trong đó:

- IDR: (Sv/giờ) khi máy hoạt động có suất liều đầu ra DR0.

- W: tải làm việc hàng tuần được xác định cách nguồn 1 m (Gy/tuần)

- U: hệ số sử dụng

- DR0: suất liều đầu ra cách nguồn 1 m (Gy/giờ)

Liều giới hạn trong bất kỳ giờ nào TADR (Rh)

Ở một số nơi (ví dụ ở Mỹ), các quy định an toàn bức xạ chỉ định một TADR

hạt nhân Hoa Kỳ (United States Nuclear Regulatory Commission) xác định: “Liều trong bất kỳ khu vực không kiểm soát bên ngoài nguồn phải ≤ 0,02 mSv/giờ

Trong đó:

- IDR: có đơn vị Sv/giờ

- DR0: đơn vị Gy/giờ

2.3.2 Lý thuyết tính toán che chắn sơ cấp

Để áp dụng lý thuyết che chắn sơ cấp vào bài toán cụ thể, chúng ta cần tìm hiểu các khái niệm sau [9]:

2.3.2.1 Hệ số truyền qua rào sơ cấp

Hệ số truyền qua rào sơ cấp nhằm hạn chế vùng bức xạ của chùm tia sơ cấp khi truyền qua vật liệu che chắn

 Đối với suất liều hàng tuần

Hệ số truyền qua rào sơ cấp (B) được tính:

Trong đó:

- P: liều giới hạn được phép (Sv/tuần)

- d: khoảng cách từ isocenter đến điểm cần che chắn (m) (hình 2.5)

- SAD: khoảng cách từ nguồn đến isocenter (m), SAD = 1 m cho máy gia tốc

tuyến tính

- W: liều hấp thụ trung bình (Gy/tuần)

- U: hệ số sử dụng

- T: hệ số chiếm cứ

2.3.2.2 Bề dày rào cản sơ cấp

Độ dày cần thiết của vật liệu che chắn được tính bởi các lớp bề dày giảm 1/10 (tenth value layer – TVL), số lớp cần thiết (n) được tính từ:

Giá trị TVL được cho trong phụ lục 1

Từ các giá trị TVL và số lớp bề dày giảm 1/10 ta tính được bề dày tường che chắn thực tế (t):

Ngoài chùm tia sơ cấp, rào cản sơ cấp còn phải che chắn cho các bức xạ rò rỉ

và tán xạ từ bệnh nhân Để đơn giản và đảm bảo an toàn khi che chắn, theo IAEA [8] thì bề dày tường sơ cấp được tính phải tăng thêm 2 lớp giá trị một nửa (one-half value layer, HVL) mà không phải tính toán thêm (xem chứng minh ở phần 3.2.1)

 Đối với suất liều tức thời

BIDR =PIDR(d+SAD)2

Trong đó:

- d, SAD, DR0: như đã được định nghĩa trong công thức (2.4)

Độ dày rào cản cần thiết để giảm IDR đến một mức độ cho phép ở bên ngoài rào cản được xác định:

Hoặc sử dụng phương pháp của Raymond K.Wu [12] kiểm tra với suất liều

Nếu Rh < 20 μSv/giờ (theo qui định của Mỹ, bảng 2.4) thì bề dày che chắn là

đảm bảo an toàn bức xạ

Phạm vi của rào cản sơ cấp được xác định bởi sự phân kỳ của chùm sơ cấp (được xác định bởi hình nón sơ cấp) ra bên ngoài rào cản (hình 2.3 – phần màu xanh đậm trên hình), sau đó các rào cản sơ cấp được mở rộng thêm 300 mm ở mỗi bên để giúp cho góc tán xạ nhỏ (còn gọi là hiệu ứng chùm: sự mở rộng của chùm tia bức xạ vượt ra ngoài hình nón sơ cấp do tích tụ của tán xạ chung quanh và tán xạ sâu bên trong rào cản sơ cấp) (hình 2.4) Đường kính lớn nhất của một hình nón sơ

ra bên ngoài một rào cản cách isocenter 5 m được xác định: 500 × (1 + 5) = 3000

mm Thêm 300 mm ở mỗi bên, phạm vi yêu cầu của rào sơ cấp là 3600 mm [10]

Hình 2.4: Phạm vi của rào cản sơ cấp được mở rộng thêm 300 mm mỗi bên [10]

2.3.3 Lý thuyết tính toán che chắn thứ cấp

Đây là những rào cản không nằm trong dòng trực tiếp của bức xạ nhưng cần thiết phải thiết kế để che chắn bức xạ rò rỉ từ đầu máy gia tốc, tán xạ từ bệnh nhân hoặc từ các bức tường trong phòng điều trị

2.3.3.1 Bức xạ rò rỉ

Theo Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (International electrotechnical commission – IEC) quy định sự rò rỉ từ đầu máy gia tốc tuyến tính không được vượt quá mức trung bình 0,1% và tối đa là 0,2% của chùm sơ cấp trong bán kính 2 m đo

từ trục trung tâm chùm tia trong mặt phẳng của chùm tia Theo NCRP 151 [9], để đơn giản chọn việc rò rỉ bằng 0,1% của chùm sơ cấp

BL =1000PdL2

Trong đó:

- P: liều giới hạn được phép

- W: khối lượng công việc (tải làm việc)

và góc tán xạ, năng lượng càng cao, độ sâu trường chiếu trên bệnh nhân càng cao [13] (phụ lục 3)

Hình 2.5: Hình học, khoảng cách, vị trí các điểm tham gia vào tính toán che chắn

cho rào cản sơ cấp và thứ cấp [9]

Bức xạ tán xạ từ bệnh nhân hoặc phantom thường nhỏ hơn 0,1% so với bức xạ

tán xạ càng cao

Sau khi có hệ số truyền qua rào thứ cấp ta xác định bề dày che chắn thứ cấp

tự như khi che chắn chùm sơ cấp

2.3.4 Lý thuyết tính toán thiết kế tường ziczac

Lý thuyết tính toán che chắn cho máy gia tốc tuyến tính (LINAC) năng lượng dưới 10 MV, bao gồm tán xạ và truyền qua của bức xạ sơ cấp, rò rỉ và các bức xạ

tán xạ của chùm thứ cấp Đối với LINAC năng lượng trên 10 MV thì phải chú ý đến dòng neutron (xem phần 2.3.5)

Với thiết kế về hình học như hình 2.6, trục quay của gantry vuông góc với trục

- f: là hệ số bức xạ sơ cấp truyền qua bệnh nhân (phụ lục 5)

đường nét đứt màu đen trên hình 2.6

đỏ trên hình 2.6

màu xanh, trên hình 2.6

Hình 2.6: Bố trí hình học cho việc tính toán liều ở cửa cho một phòng điều trị

năng lượng photon thấp (< 10 MV) Vị trí isocenter đánh dấu bằng dấu thập màu