KHẢO SÁT AN TOÀN CHE CHẮN CỦA PHÒNG MÁY X-QUANG CHẨN ĐOÁN THÔNG THƯỜNG TẠI BỆNH VIỆN NHI ĐỒNG I SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5
Trang 1ƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
L ƯU THỊ VÀNG
Trang 2Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tại Bộ môn Vật lý hạt nhân, tôi đã nhận được sự giảng dạy, sự góp ý, giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên chân thành từ các thầy cô và các bạn học viên
Thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:
Cô TS Trương Thị Hồng Loan, người đã tận tình hướng dẫn, định
hướng, giúp đỡ, chỉ bảo để tôi hoàn thành luận văn này
Thầy ThS Thái Mỹ Phê, người đã cung cấp tài liệu và tạo điều kiện để tôi đi đo đạc ở Bệnh viện Nhi Đồng I TPHCM
Anh ThS Đặng Nguyên Phương, người đã nhiệt tình giúp đỡ khi tôi gặp khó khăn
Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, Đại học Khoa
học tự nhiên TPHCM đã tận tình giảng dạy tôi trong suốt thời gian học Cao học
Tập thể Bác sĩ và kỹ sư tại Phòng X quang bệnh viện Nhi đồng 1 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đo đạc tại Phòng máy
Các bạn học viên Cao học khóa 18, cùng các anh chị em trong nhóm NMTP và gia đình đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua
Trang 3M ỤC LỤC
Trang
Danh mục các bảng 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4
MỞ ĐẦU 6
Chương 1 - ỨNG DỤNG TIA X TRONG CHẨN ĐOÁN X - QUANG 8
1.1.Nguyên lý của ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang 8
1.2 Sự tạo thành và tính chất của tia X 10
1.2.1 Ống tia X 10
1.2.1.1 Ống tia X dùng cho chẩn đoán 12
1.2.1.2 Collimator 15
1.2.2 Phổ năng lượng – Chất lượng và cường độ chùm tia – kVp và mAs 16 1.2.2.1 Phổ năng lượng 16
1.2.2.2 Lượng tia X 17
1.2.2.3 Chất lượng tia X 21
1.2.3 Phân bố góc của tia X 23
Chương 2 - CHE CHẮN LIỀU TRONG PHÒNG CHẨN ĐOÁN X-QUANG 26
2.1 Cơ sở của việc che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế 26
2.2 Vật liệu che chắn 26
2.2.1 Chì 28
2.2.2 Bê tông 28
2.2.3 Thạch cao 28
2.2.4 Thép 28
2.3 Các yếu tố thiết kế che chắn 28
2.3.1 Tường bên trong 28
2.3.2 Tường bên ngoài 29
2.3.3 Cửa 30
2.3.4 Cửa sổ 30
2.3.5 Sàn nhà và trần nhà 30
Trang 42.4 Thiết lập hệ X-quang 31
2.5 Mục đích thiết kế che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế và liều hiệu dụng 32
2.6 An toàn bức xạ 32
Chương III - MÔ PHỎNG LIỀU TRONG PHÒNG MÁY X-QUANG SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP 34
3.1 Phương pháp Monte Carlo 34
3.2 Chương trình MCNP (Monte Carlo N-Particle code) 34
3.2.1 Cấu trúc một file input của chương trình MCNP 34
3.2.1.1 Thẻ bề mặt 35
3.2.1.2 Thẻ ô 36
3.2.1.3 Thẻ dữ liệu 37
3.3 Mô phỏng MCNP phòng X-quang thông thường 37
3.3.1 Cấu trúc hình học phòng X-quang thông thường được mô phỏng bằng MCNP 37
3.3.2 Các thông số của phòng X-quang 39
3.3.3 Nguồn phát tia X 39
3.3.4 Mô tả đánh giá suất liều tại một vị trí trong MCNP5 40
3.4 Kết quả và thảo luận 41
3.4.1 Khảo sát phân bố suất liều xung quanh máy phát tia X 41
3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng tán xạ khi thay đổi kích thước phòng lên suất liều nhận được của người có mặt trong phòng 44
3.4.3 Khảo sát suất liều bên ngoài phòng khi thay đổi vật liệu 49
3.4.3.1 Thạch cao 49
3.4.3.2 Barit 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53
DANH MỤC CÔNG TRÌNH 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
PHỤ LỤC 57
Trang 5DANH M ỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Kích thước tối thiểu cho các phòng máy X-quang chẩn đoán, điều trị 33
Bảng 3.1 Các thông số của các phương trình bề mặt thông dụng 35
Bảng 3.2 Kết quả tính toán suất liều tại một số các điểm xung quanh đầu phát tia X bên trong và ngoài phòng theo sơ đồ hình 3.6 (diện tích sử dụng là 17,73m2) 42
Bảng 3.3 Kết quả tính toán suất liều tại những điểm cách tường 30cm và so sánh
với kết quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều
rộng đi 20cm (diện tích phòng tương ứng 16,08m2
) 45
Bảng 3.4 Kết quả tính toán suất liều tại những điểm cách tường 40cm và so sánh
với kết quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều
rộng 30cm (diện tích phòng 15,29m2
) 46
Bảng 3.5 Tính toán suất liều tại những điểm cách tường 60cm và so sánh với kết
quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều rộng 50cm (diện tích phòng 13,76m2
) 47
Bảng 3.6 Kết quả tính toán suất liều tại vị trí bệnh nhân nằm 49
Bảng 3.7 Kết quả tính toán suất liều (µSv/h) khi thay bê tông bằng thạch cao dày 10cm, giữ nguyên chì 2mm 49
Bảng 3.8 Tỉ số kết quả giữa hai suất liều đo được theo bảng 3.7 50
Bảng 3.9 Trình bày kết quả tính toán suất liều (µSv/h) tại những điểm khi thay chì
bằng barit 2mm, 3,5mm, 3,3mm và giữ nguyên bề dày bê tông 51
Bảng 3.10 Trình bày tỉ số kết quả giữa các suất liều đo được theo bảng 3.9 và bảng 3.7 51
Trang 6DANH M ỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ảnh chụp X-quang: Xương hấp thụ tia X năng lượng cao, ít tia X xuyên
qua; còn mô mềm hấp thụ năng lượng thấp, tia X xuyên qua nhiều hơn 9
Hình 1.2 Ống tia X trong phòng máy X-quang 10
Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo một ống tia X 11
Hình 1.4 a) Anode có line focus spot cố định ; b) Anode có line focus spot xoay13 Hình 1.5 Sự thay đổi kích cỡ focus spot theo vị trí trong trường tia X 14
Hình 1.6 Sơ đồ anode xoay 14
Hình 1.7 Kích thước focal spot 15
Hình 1.8 Mô tả hệ Collimator 16
Hình 1.9 Phổ năng lượng tia X 17
Hình 1.10 Ảnh hưởng của mAs lên cường độ phổ 18
Hình 1.11 Hiệu ứng của điện thế ống (kVp) lên phổ tia X 19
Hình 1.12 Sơ đồ chỉ ra hiệu ứng của vật liệu bia lên phổ tia X 19
Hình 1.13 Hiệu ứng của việc lọc lên phổ tia X 20
Hình 1.14 Hiệu ứng của tín hiệu điện thế lên phổ tia X 21
Hình 1.15 Phân bố phổ của bức xạ được tạo bởi electron 200 keV bắn phá vào 23 Hình 1.16 Phân bố cường độ tia X theo góc tạo bởi electron tới bắn vào các bia khác nhau 24
Hình 1.17 Hiệu ứng chân 25
Hình 2.1 Minh họa cho bức xạ sơ cấp, tán xạ, rò rỉ và bức xạ truyền qua trong phòng X-quang với bệnh nhân được chụp phổi 27
Hình 2.2 Cấu trúc ván lót 31
Hình 3.1 Mặt cắt ngang của phòng X-quang thông thường Những số trong vòng tròn biểu diễn các ô, những số trong hình vuông biểu diễn các mặt 38
Hình 3.2 Mặt cắt dọc của phòng X-quang thông thường 38
Hình 3.3 Mô tả mặt cắt dọc và ngang của bia vonfram 39
Trang 7Hình 3.4 Mặt cắt dọc và ngang của tấm lọc nhôm (Gốc O nằm ở mặt dưới của tấm
lọc) 39 Hình 3.5 Mô tả vị trí của hệ trục tọa độ, kích thước hình học của hệ cathode – bia anode và tấm lọc nhôm 40 Hình 3.6 Sơ đồ các điểm khảo sát phân bố suất liều quanh ống tia X bên trong và ngoài phòng X-quang 41
Trang 8M Ở ĐẦU
Hiện nay, X-quang là một thủ thuật cận lâm sàng không đắt tiền và được thực
hiện một cách nhanh chóng, thích hợp để chẩn đoán viêm phổi, viêm khớp, gãy
X-quang là những phương pháp tốt trong chẩn đoán hình ảnh, giúp bác sĩ thấy được tình trạng bên trong cơ thể bệnh nhân, tạo điều kiện cho khâu chẩn đoán bệnh chính xác hơn Tuy nhiên, việc chụp X-quang ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có
những biện pháp bảo vệ thích đáng Liều thấp không gây ra các tổn thương và các
hiệu ứng có thể quan sát được Liều cao sẽ gây ra các hiệu ứng cấp, ảnh hưởng đến
hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương, bao gồm các triệu chứng như:
buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác Đối với
da, liều chiếu cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét Tính nguy
ảnh hưởng không phải nhỏ đối với cộng đồng Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ
thường xuyên các cơ sở sử dụng máy X-quang vẫn còn bị buông lỏng
Trong các bệnh viện, việc sử dụng phòng X-quang hiện nay gặp nhiều khó
khăn về vấn đề kích thước phòng do hạn chế về diện tích, phòng quá nhỏ dẫn đến
liều chiếu lên bệnh nhân càng cao và che chắn không đủ an toàn sẽ ảnh hưởng đến
bệnh nhân, nhân viên bức xạ vận hành máy X-quang và của cả dân chúng trong khu
vực này
Mục đích của che chắn và bảo đảm kích thước phòng hợp lý sẽ giảm thiểu tối
đa liều chiếu đến bệnh nhân, nhân viên bức xạ và dân chúng
Luận văn này được thực hiện với mục đích ứng dụng chương trình Monte Carlo MCNP trong mô phòng phòng X-quang nhằm khảo sát sự phân bố liều trong phòng X-quang, khảo sát liều tăng khi giảm kích thước phòng, và khảo sát che chắn
của tường với một vài vật liệu: bêtông, chì, barit, thạch cao
Với mục đích nêu trên, luận văn được hoàn thành với 3 chương như sau:
Trang 9Chương 1 – Ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang: trình bày những vấn đề
về nguyên lý của việc ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang, sự tạo thành và tính chất của tia X
Chương 2 – Che chắn liều trong phòng chẩn đoán X-quang: trình bày cơ sở
của việc che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế, một vài vật liệu được sử dụng trong che chắn, các yếu tố thiết kế che chắn, thiết lập hệ X-quang, mục đích thiết kế che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế, liều hiệu dụng và an toàn bức xạ
trình MCNP: trình bày phương pháp Monte Carlo, chương trình MCNP và ứng
dụng chương trình vào việc mô phỏng phòng X-quang; khảo sát phân bố suất liều trong và ngoài phòng, khảo sát phân bố suất liều khi thay đổi kích thước phòng, thay đổi vật liệu; đánh giá hiệu ứng tán xạ khi thay đổi kích thước phòng; đánh giá
hiệu ứng che chắn khi thay đổi vật liệu Từ đó rút ra kết luận về an toàn phóng xạ trong phòng máy X-quang đang khảo sát
Trang 10Ch ương 1 ỨNG DỤNG TIA X TRONG CHẨN ĐOÁN X-QUANG
Bức xạ được ứng dụng trong y học nhằm hai mục đích chính: chẩn đoán và điều
trị Việc chẩn đoán bằng bức xạ dựa trên khả năng đâm xuyên mạnh của bức xạ, giúp người ta có thể nhìn thấy những bộ phận bên trong cơ thể Ứng dụng trong điều trị dựa trên tác dụng sinh học (giết chết tế bào) của bức xạ ion hóa
Bức xạ là một con dao hai lưỡi, do đó người sử dụng phải hiểu biết các mặt lợi
và hại của nó để có thể ứng dụng bức xạ một cách tối ưu, nghĩa là vừa hiệu quả vừa
an toàn
Khi chiếu một chùm tia X qua cơ thể người, do khả năng xuyên thấu dễ dàng
của tia X, nên chỉ một số tia X chịu sự tương tác với các bộ phận của cơ thể và suy
yếu đi, phần còn lại đi qua cơ thể Mức độ suy yếu của tia X phụ thuộc vào các cấu trúc khác nhau (thịt, xương, không khí) mà tia X gặp phải trên đường đi Phần đi qua được gọi là tia X còn dư (remnant X ray) Nếu ở phía sau cơ thể người, ta đặt
một phim ảnh, thì tia X còn dư có thể làm thay đổi tính chất của phim ảnh này Sau khi xử lý phim ta có thể nhìn thấy sự thay đổi đó bằng mắt thường Nhìn phim, ta có
thể thấy cấu trúc của cơ thể Kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh bằng tia X đã phát triển nhanh chóng trong thời gian gần đây, nhờ vào những tiến bộ nhảy vọt của kỹ thuật máy tính Ngày nay người ta đã có thể tạo ra những ảnh có chất lượng rất cao
Phương pháp chẩn đoán CT cho phép tái tạo hình ảnh 3 chiều đã rất phổ biến hiện nay Hiện nay kỹ thuật X-quang đã được chuyên môn hóa Kỹ thuật chụp hay rọi ảnh X-quang đơn giản vẫn đang được áp dụng rất rộng rãi, người ta gọi đó là X-quang thông thường (conventional radiology) Với việc sử dụng kỹ thuật máy tính,
người ta đã có thể xử lý ảnh bằng kỹ thuật số Đó là X-quang kỹ thuật số (digital X ray image)
Trang 11Hình 1.1 Ảnh chụp X-quang: Xương hấp thụ tia X năng lượng cao, ít tia X xuyên qua; còn mô mềm hấp thụ năng lượng thấp, tia X xuyên qua nhiều hơn
Một hệ thống chụp ảnh tia X thông dụng bao gồm các khối chức năng sau:
• Bàn điều khiển là nơi người vận hành có thể thay đổi các thông số của tia X (điện thế, cường độ, thời gian phát tia)
• Máy tạo hiệu điện thế cao (generator): là nơi để tạo ra một hiệu điện thế cao
Hiệu điện thế này sẽ được áp vào các điện cực của ống tia X, để gia tốc các electron
• Ống tia X (X ray tube): là nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng bức xạ hãm
• Hệ thống ghi ảnh (image receptor): có thể là một tấm phim tia X hay một hệ
thống biến hình ảnh tia X thành hình ảnh mà mắt thường có thể nhìn thấy trên một màn hình
Ống tia
X ( ray tube)
X-Hệ
thống ghi ảnh
Bệnh nhân
Trang 12Hình 1.2 Ống tia X trong phòng máy X-quang
1.2 S ự tạo thành và tính chất của tia X
1.2.1 Ống tia X
Ống tia X là nơi các electron được gia tốc để tạo ra tia X, dựa trên hiện tượng
bức xạ hãm Về nguyên tắc, mọi ống tia X đều được cấu tạo từ hai bản cực: một bản
cực âm (cathode) thường làm bằng tungsten, là một dây tóc được nung nóng bằng điện để sản sinh ra các electron và một bản cực dương (anode), là nơi các electron đập vào để phát sinh ra bức xạ hãm và hai cực này được bọc bên ngoài bằng thủy tinh (hình 1.3) Phần của anode nơi mà các electron tập trung vào thường được làm
bằng tungsten hoặc hợp kim tungsten với Reni (90% tungsten, 10% Reni)[3]
Ống tia X được nâng đỡ, cách ly và bảo vệ bởi vỏ hộp của ống, trong đó được hút chân không để electron không bị mất năng lượng do va chạm với các phân tử
Trang 13khí khi đi từ cathode đến anode Dầu chứa trong vỏ hộp để dẫn nhiệt và cách điện Chì được sử dụng trong vỏ hộp để làm suy giảm tia X tỏa ra theo tất cả các hướng
Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo một ống tia X
Trang 14Hiệu điện thế giữa cathode và anode có thể thay đổi được, thường nằm trong khoảng từ 25 kV đến 150 kV Hiệu điện thế này dùng để gia tốc cho các electron
Tương ứng, khi electron đến cực dương, động năng của nó có thể có giá trị nằm trong khoảng từ 25 keV đến 150 keV Trong các máy phát tia X hiện đại, dòng điện trong ống tia X thường được giữ ở một số giá trị cố định, thường là 100 mA, 200
mA, 300 mA Trong chế độ chụp phim, thời gian phát tia X thường vào khoảng 100
ms
Bản cực dương thường được làm bằng tungsten, là một kim loại nặng, để tăng
hiệu suất phát tia X, dẫn nhiệt tốt và chịu được nhiệt độ cao (nhiệt độ nóng chảy của tungsten là 3410oC) Khi các electron bị hãm trong cực dương, chỉ 1% động năng
của chúng biến thành tia X, còn 99% biến thành nhiệt làm nóng anode Do đó cần
phải làm nguội anode Các ống tia X công suất bé, chẳng hạn dùng trong chụp ảnh
răng, có anode là một bia cố định Các ống tia X công suất cao thường có anode hình đĩa, có thể quay quanh một trục Do chùm electron chỉ bắn vào một điểm nhỏ trên anode, nên khi anode quay, vị trí bị bắn thay đổi liên tục Điều này làm nhiệt phân bố đều trên một diện tích rộng của anode, tránh cho việc anode bị quá nóng Ngoài ra còn phải chú ý khi vận hành để tránh quá tải làm mau hỏng anode Ống tia
X có nhiều loại khác nhau tùy theo mục đích mà ống được thiết kế
1.2.1.1 Ống tia X dùng cho chẩn đoán
Ống tia X dùng cho chẩn đoán được thiết kế để tạo ra hình ảnh sắc nét của một
bộ phận cơ thể bệnh nhân Thậm chí nếu bệnh nhân được giữ cố định hoàn toàn thì
sự chuyển động sinh học vẫn tồn tại do sự hô hấp và chuyển động của tim Để ảnh được rõ nét thì tia X phải đến từ một nguồn điểm và liều chiếu phải ngắn đủ để ổn định sự chuyển động Tuy nhiên, yêu cầu nguồn tập trung dạng điểm và liều chiếu
đủ ngắn sẽ dẫn đến có một lượng electron lớn tập trung vào một diện tích nhỏ của bia và dẫn tới dễ phá hủy bia [3]
Để cải thiện vấn đề trên, người ta thiết kế ống tia X loại Line focus tube (hình
1.4a), trong đó electron được tạo ra để va đập vào diện tích trên bia nghiêng có chiều dài ab và rộng cd Kích thước tập trung thực sự là diện tích trên anode mà
Trang 15electron đập lên ab × cd Chiều dài cd sẽ bằng với absinθ, để khi nhìn từ trên xuống
diện tích này sẽ xuất hiện như là hình vuông kích thước cd × cd Vì thế, tia X sẽ
xuất hiện như đến từ một diện tích nhỏ, trong khi electron bắn phá vào bia có diện tích lớn Ống tia X có góc nghiêng bia θ (được gọi là góc anode, được xác định như
là góc của bề mặt bia với tia chính giữa trong trường tia X) trong khoảng từ 6o đến
16o, thường dùng trong khoảng từ 12o đến 15o Góc 6o được dùng cho kỹ thuật đặc
biệt như kỹ thuật chụp mạch tia X mà cần điểm tập trung (focus spot) nhỏ [3] Góc anode tối ưu phụ thuộc vào ứng dụng hình ảnh lâm sàng Góc anode nhỏ phù hợp cho hệ thống ghi ảnh nhỏ Góc anode lớn cần thiết cho công việc chụp X-quang
tổng quát để đạt được độ phủ diện tích trường lớn ở khoảng cách ngắn giữa focus
spot và hình ảnh Chiều dài focus spot hiệu dụng thay đổi theo vị trí trong mặt
phẳng hình ảnh theo hướng của anode – cathode (Hình 1.5) Theo chiều rộng, kích
cỡ focus spot không thay đổi đáng kể theo vị trí trong mặt phẳng hình ảnh Kích cỡ
danh định được xác định ở tia trung tâm của chùm tia
a) b)
Hình 1.4 a) Anode có line focus spot c ố định ; b) Anode có line focus spot xoay
Anode xoay (rotating anode) được cải tiến để tăng công suất bằng cách xoay bia khi chiếu Electron bắn phá vùng có độ cao ab và chiều dài giới hạn từ L’ đến L =
Trang 162πR phụ thuộc vào thời gian chiếu nhưng tia X luôn xuất hiện từ điểm tập trung
diện tích cd × cd (hình 1.4b)[3] Hình 1.6 là sơ đồ một anode xoay
Hình 1.5 Sự thay đổi kích cỡ focus spot theo vị trí trong trường tia X
Hình 1.6 Sơ đồ anode xoay
Trang 17Hình 1.7 dưới đây mô tả ảnh hưởng của góc anode, kích thước cathode, công
suất ống tia X vào trường chiếu
Hình 1.7 Kích thước focal spot
1.2.1.2 Collimator
Để chuẩn trực tia X lối ra người ta thiết kế hệ collimator như hình 1.8 Hệ collimator này dùng để điều chỉnh hình dạng và kích cỡ trường tia X phát ra từ ống tia X Nó bao gồm những tấm chắn (shutter) chì đặt song song và đối nhau có thể điều chỉnh được Collimator hạn chế chùm tia giới hạn kích cỡ trường đến vùng hữu ích của detector
Trang 18và phổ tia X đến bệnh nhân có dạng như đường cong 2 Năng lượng cực đại của tia
X đúng bằng động năng của electron, tức là bằng tích số giữa điện tích của electron
và hiệu thế giữa hai bản cực anode và cathode, do đó tỉ lệ với kVp Trong các máy phát tia X thông thường hiệu điện thế này nằm trong khoảng 25 kV đến 150 kV
Tương ứng, năng lượng cực đại của tia X phát ra nằm trong khoảng từ 25 keV đến
150 keV Tùy theo bộ phận của cơ thể cần chụp ảnh, người vận hành có thể thay đổi giá trị này Trên hình 1.9b ta thấy dạng phổ tia X tương ứng với hai giá trị kVp1 và kVp2 khác nhau Diện tích dưới phổ cho biết cường độ tia X Diện tích càng lớn thì
cường độ tia X (tức là số photon trong chùm) càng lớn
Trang 19Hình 1.9 Phổ năng lượng tia X
1.2.2.2 L ượng tia X
Lượng tia X (X-ray quantity) hay cường độ chùm tia là số photon có ích trong chùm
Lượng tia X được điều khiển bởi cường độ ống tia X được sử dụng (mA)
Lượng tia X còn chịu ảnh hưởng bởi điện thế ống tia X, vật liệu bia mà chùm electron đập vào để phát ra tia X, sự lọc, khoảng cách từ nguồn và tín hiệu của điện
thế [7]
Sự ảnh hưởng của những yếu tố trên đối với lượng tia X phát ra được trình bày sau đây [7]
Trong chế độ chụp phim, người vận hành có thể đặt thời gian phát tia X, hoặc
như trong một số máy hiện đại, đặt lượng mAs Đại lượng này thực chất là tích số
giữa cường độ dòng điện trong ống tia X (tính bằng mA) và thời gian chiếu, tính
bằng giây (s) Rõ ràng khi mAs càng lớn, thì lượng tia X đi đến phim càng nhiều Nói chung khi đó ảnh càng rõ hơn Tùy thuộc vào bề dày của vùng cơ thể được
khảo sát mà người vận hành có thể chọn mAs thích hợp
Electron được tạo ra bằng cách nung nóng sợi dây tóc trong ống tia X và được gia tốc Việc tăng tốc độ tỏa nhiệt của cathode sẽ làm tăng cường độ ống và làm
tăng lượng tia X phát ra Điều này được diễn đạt bằng biểu thức toán học:
Trang 20với I1 và I2 là cường độ tia X ở mAs1 và mAs2 tương ứng Chất lượng tia X tỉ lệ trực
tiếp với mAs, vì thế khi mAs tăng lên 50% thì chất lượng tia X cũng tăng 50%, khi
đó phổ tia X sẽ thay đổi về biên độ nhưng hình dạng phổ và năng lượng cực đại
Emax thì không thay đổi (hình 1.10)[7]
Đại lượng kVp xác định động năng của electron được gia tốc trong ống tia X và
năng lượng đỉnh của phổ tia X Khi điện thế ống (kVp) tăng, lượng tia X tăng tỉ lệ bình phương với điện thế cung cấp Hiệu ứng này được biểu diễn bằng hệ thức toán
học:
với I1 và I2 là cường độ tia X tương ứng với kVp1 và kVp2 Nếu kVp tăng gấp đôi,
lượng tia X sẽ tăng gấp bốn lần Thêm vào đó, khi kVp tăng, đỉnh của phổ liên tục
sẽ di chuyển về phía năng lượng cao hơn như hình 1.11 [7]
Trang 21Hình 1.11 Hiệu ứng của điện thế ống (kVp) lên phổ tia X
c) V ật liệu bia
Vật liệu bia ở phía anode của ống tia X có hiệu ứng quan trọng lên lượng tia X Khi số nguyên tử (Z) của bia cao thì hiệu ứng tạo bức xạ hãm tăng và số photon
năng lượng cao được tạo ra tăng như hình 1.12
Hình 1.12 Sơ đồ chỉ ra hiệu ứng của vật liệu bia lên phổ tia X
Hơn nữa, với việc tăng số nguyên tử (Z) của vật liệu bia, tính chất tia X di chuyển về phía năng lượng photon cao hơn, do đó nhiều năng lượng được cần để làm bật electron từ lớp K và L của nguyên tử Z cao hơn[7]
d) L ọc tia
Trang 22Việc lọc xảy ra ở bất kỳ vật liệu nào mà tia X gặp phải trên đường đi Vật liệu
giống như là kính của ống tia X hoặc dầu làm nguội trong ống tia X được gọi là
tấm lọc có sẵn (inherent filtration) Bất kỳ vật liệu nào được thêm vào được gọi là
tấm lọc bổ sung (added filtration) Các tấm lọc làm giảm lượng tia X nhưng nó cải
tiến chất lượng chùm tia do nó hấp thụ photon năng lượng thấp
Hiệu ứng tổng cộng của sự lọc trên chùm tia có thể được tóm tắt như sau (xem hình 1.13):
Hình 1.13 Hiệu ứng của việc lọc lên phổ tia X
- Một sự thay đổi của hình dạng phổ tia X với sự loại bỏ năng lượng thấp
- Đỉnh của phổ sẽ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn
- Năng lượng cực đại (Emax) vẫn không đổi
- Năng lượng cực tiểu (Emin) sẽ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn.[6]
Lượng tia X thoát ra từ bất kỳ một nguồn nào thay đổi tỉ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách từ nguồn Điều này được biểu diễn bằng biểu thức:
với I1 là cường độ của tia ở khoảng cách d1 và I2 là cường độ của tia ở khoảng cách
d2 Lượng tia X của chùm vì thế sẽ giảm nhanh theo khoảng cách Hiệu ứng giảm
Trang 23lượng tia X là do sự phân kỳ của chùm tia hơn là bất kỳ sự tương tác nào giữa chùm tia và nguyên tử của khí quyển[7]
f) Tín hi ệu điện thế
Với cùng một điện thế ống được cung cấp, hiệu ứng của những loại khác nhau
của tín hiệu điện thế đối với sự phát ra của tia X được tóm tắt trong hình 1.14
Hình 1.14 Hiệu ứng của tín hiệu điện thế lên phổ tia X
Lượng tia X lớn khi dùng tín hiệu tần số cao và ba pha lớn hơn khi dùng một pha Đầu ra tia X cho ba pha tương ứng tăng 12% so với máy phát một pha Phổ tia
X dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn với năng lượng cực đại (Emax) không đổi Đường năng lượng đặc trưng của tia X vẫn cố định nhưng tăng nhẹ về biên độ
bởi vì sự tăng của electron được phóng ra đã sẵn sàng cho tương tác electron ở lớp
và sự lọc Hiệu ứng của mỗi yếu tố này được đưa ra như sau:
Trang 24a) kVp
Khi kVp tăng, năng lượng photon cực đại dịch chuyển về phía năng lượng cao
hơn Sự dịch chuyển trong năng lượng photon cực đại, tăng chất lượng xuyên sâu
của tia X Năng lượng tỏa ra cực đại (Emax) bằng với điện thế cung cấp [7]
b) L ọc tia
Như được đề cập ở phần lượng tia X, việc lọc cải tiến chất lượng chùm tia do nó
hấp thụ hết photon năng lượng thấp [7]
Hi ệu ứng lọc tia X [3]
Khi chùm electron đơn năng đến bia dày, sự phân bố phổ của chùm tia không được lọc là đường thẳng nét gạch A trong hình 1.15 Sự phân bố phổ sẽ không có ích cho chuẩn đoán X-quang vì không có photon năng lượng thấp xuyên qua bệnh nhân để đến dụng cụ hình ảnh nhưng sẽ đóng góp vào liều Bức xạ năng lượng thấp không mong muốn có thể được loại bỏ từ chùm tia bằng cách sử dụng tấm lọc thích
hợp
Đường cong B trên hình là kết quả của chùm tia A khi được lọc với nhôm dày 1mm Đường cong C là kết quả khi chùm tia B được thêm vào tấm lọc thiếc dày 0,25mm
HVL và hi ệu ứng lọc trong chẩn đoán X-quang [3]
Nếu không cẩn thận, việc chẩn đoán bằng tia X có thể gây nguy hại thật sự đến
bệnh nhân Thông thường việc sử dụng tấm lọc thận trọng có thể giảm liều đến
bệnh nhân nếu không có bất kỳ hiệu ứng có hại nào lên việc chẩn đoán của phim
chụp X-quang Nhìn chung, cần lọc đủ để loại bỏ photon năng lượng thấp không đến được dụng cụ hình ảnh mà chỉ làm tăng thêm liều của mô khi bức xạ đến bệnh nhân Tất cả máy X-quang chẩn đoán trong việc kiểm tra định kỳ phải được trang bị
phụ thuộc vào kVp
Trang 25Hình 1.15 Phân bố phổ của bức xạ được tạo bởi electron 200 keV bắn phá vào bia dày với sự thay đổi tấm lọc Đường nét gạch A: tia không được lọc Đường cong
B, C, D thu được từ A bằng cách tính toán sự hấp thụ được tạo bởi những lớp của
Al, Cu, và Sn
1.2.3 Phân b ố góc của tia X
Bia m ỏng: Nếu một tia của electron năng lượng thấp tới trên bia rất mỏng, khi
đó tia X phân bố theo hướng vuông góc với hướng chuyển động của electron tới Ví
dụ như đường cong A của Hình 1.16b, tia X được tạo ra khi bắn chùm electron 34 keV vào lá nhôm 200nm (thí nghiệm của Honerjager) Sự phân bố góc này cho bức
xạ ở giới hạn năng lượng cao Độ dài của mũi tên chỉ từ bia chỉ ra cường độ tương đối trong các hướng khác nhau Sự phân bố trong không gian được tìm thấy bằng cách xoay đường cong quanh trục của chùm electron Hình1.16b cho thấy cường độ
về phía trước nhỏ Khi năng lượng electron tới tăng, cường độ càng phân bố dần về phía trước như đường cong B và C (đường cong lý thuyết được tính bởi Schiff) cho phân bố góc của bức xạ được tạo bởi việc bắn bia tungsten mỏng với bề dày 0,05
cm với electron 10 và 20 MeV Sự phân bố này phù hợp với một số kết quả thí nghiệm sử dụng betatron.[3]
Trang 26Hình 1.16 Phân bố cường độ tia X theo góc tạo bởi electron tới bắn vào các bia khác nhau Đường cong A, electron 34 keV bắn phá vào lá nhôm mỏng do Honerjager thực hiện Đường cong B và C, electron 10 và 20 MeV bắn phá vào tungsten mỏng 0,05 cm là tính toán của Schiff Đường cong D chỉ ra sự phân bố điển hình cho ống tia X chuẩn đoán với bia tungsten dày 16o, tia được lấy theo
hướng vuông góc với chùm electron và được sử dụng ở 90 kVp [3]
Bia dày: Sự phân bố của hình 1.16b cho bia quá mỏng mà hầu hết electron tốc
độ cao xuyên qua bia mà không tán xạ Trong ống tia X thực tế (minh họa trong hình 1.16a), bia đủ dày để hãm tia electron Trong quá trình hãm, electron bị lệch
rộng so với hướng ban đầu của nó để tia X được tạo ra theo tất cả các hướng về 0 Tuy nhiên, những tia được tạo ra theo hướng thẳng góc OT sẽ bị hấp thụ trong bia
và có sự phân bố cực Hình 1.16a chỉ ra sự phân bố đối với ống tia X dùng trong
chẩn đoán với góc bia 16o Việc giảm góc bia cho phép sử dụng công suất lớn hơn cho cùng điểm tập trung (focus spot) nhưng sẽ làm giảm vùng có ích của tia Trong ống tia X thực tế, ống chứa bia 16o
sẽ chứa một collimator để giới hạn chùm tia ở
Trang 27khoảng 12o đối với mỗi bên của 00’ Với sự giới hạn góc này, cường độ sẽ thay đổi theo góc, khoảng 30% đối với tia có ích, cường độ thấp nhất về phía anode Cường
độ giảm về phía anode được gọi là hiệu ứng chân (hình 1.17) Tia gần chân, mặc dù
cường độ giảm, nhưng xuyên sâu hơn vì sự lọc trong bia [3] Với cùng một kích cỡ
của trường đưa ra, hiệu ứng chân ít thể hiện rõ ở những khoảng cách giữa nguồn – hình ảnh dài hơn Ống tia X tốt nhất với cathode được đặt trên bộ phận dày hơn của
bệnh nhân để cân bằng với photon tia X được truyền tới bộ phận ghi nhận hình ảnh
Cấu hình tốt nhất của chùm tia electron, bia, và chùm tia X hữu ích phụ thuộc vào năng lượng Đối với năng lượng electron lên tới 400 keV, tia X thẳng góc với electron như trong hình 1.16a và trường hợp này được sử dụng trong chẩn đoán X quang Trong máy gia tốc tuyến tính 4 đến 30 MeV, chùm tia X được truyền xuyên qua bia theo hướng của các electron đến thì hữu ích hơn Tia này cường độ lớn hơn tia được tạo ra theo hướng thẳng góc (hình 1.16b) Bia được làm bằng tungsten được gắn với đồng và được làm nguội bằng nước Đối với năng lượng từ 10 đến 30 MeV, chùm tia có đỉnh hướng về phía trước và cần sử dụng tấm lọc để giảm cường
độ dọc theo trục của chùm tia và đạt được trường bức xạ đồng nhất [3]
Hình 1.17 Hiệu ứng chân
Trang 28Ch ương 2
2.1 C ơ sở của việc che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế
Trong các ứng dụng hình ảnh X-quang y tế, bức xạ gồm bức xạ sơ cấp và thứ
cấp Bức xạ sơ cấp, hay tia có ích, là bức xạ được phát ra trực tiếp từ ống tia X, mà được sử dụng tạo ảnh cho bệnh nhân Rào chắn sơ cấp là sàn, tường, trần nhà hoặc
những cấu trúc khác mà nó chắn bức xạ phát ra trực tiếp từ ống tia X Chức năng
của chúng là làm yếu đi những tia hữu ích cho những mục đích thiết kế che chắn thích hợp [5]
Bức xạ thứ cấp bao gồm những tia X tán xạ từ bệnh nhân và những vật thể khác
như dụng cụ hình ảnh và bức xạ rò rỉ từ hộp bảo vệ của ống tia X Rào chắn thứ cấp
là tường, trần, sàn hoặc những cấu trúc khác mà nó chắn và làm yếu đi bức xạ rò rỉ
và tán xạ cho những mục đích thiết kế che chắn thích hợp Hình 2.1 minh họa cho
bức xạ sơ cấp, tán xạ, rò rỉ và bức xạ truyền qua trong phòng X-quang
Liều chiếu bức xạ sơ cấp và thứ cấp đối với bệnh nhân phụ thuộc chủ yếu vào
những yếu tố sau:
• Lượng bức xạ tạo ra từ nguồn
• Khoảng cách giữa người được chiếu và nguồn bức xạ
• Thời gian cá nhân ở trong vùng bức xạ
• Việc che chắn bảo vệ giữa cá nhân và nguồn bức xạ
Việc che chắn bức xạ được đưa ra trong chương này [5]
2.2 V ật liệu che chắn
Hầu hết các loại vật liệu có thể được sử dụng cho việc che chắn bức xạ nếu được sử dụng với một bề dày đủ để làm suy yếu bức xạ ở mức độ quy định Mặc dù hai loại vật liệu được sử dụng hầu hết cho che chắn là chì và bê tông, nhưng những
vật liệu khác cũng có ưu điểm cho những trường hợp xác định Trong việc lựa chọn
vật liệu che chắn, những yếu tố cần được quan tâm là:
a) Bề dày yêu cầu và trọng lượng vật liệu
Trang 29b) Có thể sử dụng cho nhiều mục đích (ví dụ vừa cho mục đích che chắn, vừa cho mục đích cấu trúc)
c) Tính đồng nhất của việc che chắn
d) Tính bền vững của việc che chắn
e) Độ trong suốt quang học (khi được yêu cầu)
f) Yêu cầu cho sự quản lý chất lượng
g) Giá cả vật liệu, bao gồm cả việc thiết lập và bảo dưỡng
h) Hình dạng bên ngoài
Hình 2.1 Minh họa cho bức xạ sơ cấp, tán xạ, rò rỉ và bức xạ truyền qua trong
phòng X-quang với bệnh nhân được chụp phổi
Sự lựa chọn cho chì và bê tông luôn được thực hiện vì lí do kinh tế và phụ thuộc vào năng lượng bức xạ được hấp thụ Ví dụ như tường che chắn bức xạ sơ cấp
bằng bê tông cho việc thiết lập tia X 100 kV sẽ bằng khoảng 80 lần cho bề dày và khoảng 70 lần cho trọng lượng khi sử dụng chì để che chắn Mặt khác, cho việc thiết lập tia X 1MV, bề dày bê tông chỉ lớn hơn khoảng 6 lần và nặng hơn khoảng 25% so với khi dùng chì để che chắn và ít tốn kém chi phí hơn nhiều Khi quan tâm
Trang 30đến không gian phòng chiếu, người ta sử dụng chì hoặc thép như là vật che chắn
một phần hoặc toàn bộ trong việc che chắn bức xạ năng lượng cao [4]
thường và bê tông nhẹ Mật độ của bê tông thường là 2,35 g/cm3
và của bê tông nhẹ
là 1,8 g/cm3 Việc sử dụng bê tông nhẹ cho che chắn bức xạ, cần phải bổ sung thêm che chắn khác cần thiết
thạch cao cung cấp sự suy giảm tương đối ít với bức xạ năng lượng cao, nhưng đối
với bức xạ năng lượng thấp thì giảm đáng kể Tuy nhiên, tường thạch cao thường có
lỗ rỗng và những chỗ không đều nên khi sử dụng trong che chắn cần đảm bảo tính
an toàn của nó
2.2.4 Thép
Việc sử dụng thép cho che chắn thuận lợi ở những nơi kích thước bị giới hạn hay độ bền của cấu trúc là yếu tố quan trọng
2.3 Các y ếu tố thiết kế che chắn [4]
2.3.1 T ường bên trong
Vài loại của vật liệu che chắn được sử dụng cho tường
a) Chì lá
Chì lá là vật liệu truyền thống được sử dụng cho việc che chắn tường trong phòng chụp X-quang Đối với ứng dụng che chắn điển hình, một tấm chì được dán
Trang 31với một tấm dát tường thạch cao và lắp chì hướng vào trong bằng đinh ốc gỗ hay kim loại Đinh ốc được sử dụng không gây ra bức xạ rò rỉ đáng kể Thật ra, đinh thép hoặc đinh ốc làm suy giảm bức xạ bằng hoặc nhiều hơn chì không được lắp bởi đinh Vì thế, đinh thép hoặc đinh ốc được sử dụng cho rào chắn chì không cần bọc thêm chì Tuy nhiên nơi mà hai mép chì gặp nhau thì cần lưu ý để bảo đảm ở chỗ
nối được che chắn liên tục
Được sử dụng trong việc xây dựng tường trong thiết bị y tế Theo As Glaze (1979) chỉ dẫn, thạch cao trong mỗi tấm được xen vào giữa một 1 mm giấy Mặc dù ván tường thạch cao làm suy yếu ít ở tia X năng lượng cao, nhưng nó lại làm suy
yếu đáng kể tia X năng lượng thấp trong chụp nhũ Ván dát tường chứa lỗ rỗng và vùng không đồng nhất, vì thế nên thận trọng khi chọn vật liệu này cho che chắn
Mật độ thạch cao được sử dụng trong che chắn thường có giá trị trung bình 0.75 g/cm3
c) V ật liệu khác
Bê tông, gạch, đá lát có thể được xây dựng cấu trúc bên trong Nói chung,
những đặc điểm kỹ thuật về việc sản xuất thì có sẵn và những tiêu chuẩn kỹ thuật được thiết lập cho việc sử dụng cho phép những chuyên gia tham vấn với các kiến trúc sư để xác định vật liệu che chắn nào thích hợp Những vật liệu này có thể chứa
lỗ rỗng mà đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt trong khi thiết kế che chắn Nếu có lỗ rỗng trong vật liệu có thể làm hại đến khả năng che chắn của tường, thì những lỗ rỗng đó
sẽ được trám đầy lại
2.3.2 T ường bên ngoài
Tường bên ngoài của phòng X-quang hình ảnh có thể được tạo nên từ đá, vữa,
gạch, bê tông, gỗ, nhựa vinyl, vữa nhân tạo và những vật liệu khác Phạm vi của tính chất làm suy yếu của các vật liệu này rất rộng và những chuyên gia nên yêu cầu
những kiến trúc sư cho những chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế tường bên ngoài trước khi xác định yêu cầu che chắn
Trang 322.3.3 C ửa
- Cửa chì: Cánh cửa và khung phải tạo được sự suy giảm cần thiết để làm giảm kerma không khí cho mục đích thiết kế che chắn Nếu chì được yêu cầu cho việc che chắn, bên trong cánh cửa nên được lót lá chì đơn và làm thành đường viền quanh khung cửa để tạo nên sự che đậy hiệu quả cho những rào chắn liền kề nhau
- Cửa gỗ: Biểu hiện hiệu quả hấp thụ hạn chế và không phải tất cả loại gỗ đều được xây dựng như nhau
2.3.4 C ửa sổ
Có những loại khác nhau của vật liệu thích hợp cho cửa sổ trong thiết bị hình ảnh X-quang y tế Vật liệu cửa sổ được mong muốn là bền và duy trì tính trong suốt theo thời gian
- Kính chì: Kính với hàm lượng chì cao với nhiều loại độ dày khác nhau Kính chì thường được quy định cụ thể về số millimet chì tương ứng với kVp
- Kính tấm: Kính tấm thông thường có thể được sử dụng chỉ ở những nơi đòi
hỏi bảo vệ thấp
- Chì Acrylic: Sản phẩm này là một tấm acrylic nhúng tẩm chì, trong suốt với 0,5, 0,8, 1 và 1,5 mm chì là phổ biến
2.3.5 Sàn nhà và tr ần nhà
Bê tông là vật liệu xây dựng cơ bản được sử dụng trong ván lót sàn nhà Nó
cũng có thể được sử dụng cho ván tường và mái nhà Bê tông được thiết kế và quy định như trọng lượng chuẩn và trọng lượng nhẹ Hiệu quả hấp thụ bức xạ của rào
chắn bê tông phụ thuộc vào độ dày, mật độ và thành phần của nó
- Bê tông trọng lượng chuẩn thường được sử dụng cho hầu hết các móng và
những yếu tố cấu trúc chính như là cột chống đỡ hay ván nhà Mật độ trung bình của bê tông trọng lượng chuẩn là 2,4 g cm-3
- Bê tông trọng lượng nhẹ được sử dụng trong ván lót sàn nhà để tránh bớt
trọng lượng và phòng cháy chữa cháy Các khe rỗng làm giảm sự dẫn nhiệt nên nó được xem như phòng cháy Bê tông loại nhẹ có mật độ 1,8 g cm-3
hoặc khoảng bằng ¾ so với mật độ của bê tông chuẩn