Sử dụng MCNP để xác định phổ tia x dùng trong chuẩn đoán bệnh bằng bức xạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN  -KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG MCNP ĐỂ XÁC ĐỊNH PHỔ TIA X DÙNG TRONG CHUẨN ĐOÁN BỆNH BẰNG BỨC XẠ GVHD: TS.Trần Văn Hùng GVPB: Trần Duy Tập SVTH: Nguyễn Hoàng Phúc MSSV: 0213184 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH-2006 Lời cảm ơn Khóa luận tốt nghiệp kết trình học tập nghiên cứu năm Khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, dạy bảo tận tình thầy cô khoa, trường Sinh viên xin chân thành cảm thầy Trần Văn Hùng bảo tận tình, giúp em trình em làm luận văn tạo điều kiện cho em chạy máy tính để hoàn thành kòp luận văn thời hạn Sinh viên xin chân thành cảm ơn Giám đốc trung tâm Vina Gamma thầy Trần Khắc Ân, người viện tạo điều kiện tốt trình em hoàn thành luận văn Sinh viên xin chân thành cảm ơn giáo viên phản biện Trần Duy Tập tận tình bảo sai sót mắc phải luận văn Cảm ơn bạn sinh viên khoa vật lý hạt nhân hai bạn sinh viên làm luận văn trung tâm Vina Gama đóng góp ý kiến quý báu động viên hoàn thành luận văn Do thời gian tài liệu hạn chế nên khóa luận chắn tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè để khóa luận hoàn chỉnh Thành phố Hồ Chí Minh ngày 14/7/2006 Sinh viên Nguyễn Hoàng Phúc MỤC LỤC Lời cảm ơn Trang Lời nói đầu Chương MÔ PHỎNG HỆ TẠO RA TIA X 1.1 Tổng quan MCNP 1.1.1 Giới thiệu phương pháp xác đònh phổ tia X 1.1.2 Tổng quan MCNP 1.2 Mô hệ tạo tia X -7 Chương CÁC KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 2.1 Kết phổ kết hợp bia phin lọc 11 2.2 Kết phổ thay đổi góc bia góc tính -28 KẾT LUẬN 46 Tài liệu tham khảo 48 Phụ lục 49 Lời nói đầu Hiện máy gia tốc ứng dụng rộng rãi đời sống Trong y học máy gia tốc sử dụng để chiếu liều bệnh nhân, chuẩn đoán bệnh tia X, công nghiệp dùng để chiếu xạ thực phẩm, dụng cụ y tế vv Nên việc tìm hiểu ứng dụng máy gia tốc đời sống mang ý nghóa thực tiễn Về nguyên tắc máy gia tốc gia tốc electron đến lượng xác đònh cho đập vào bia xác đònh Từ sinh photon qua trình phát xạ hãm electron, trính tán xạ electron máy gia tốc electron nguyên tử bia, tiếp tục photon này lại sinh photon thứ cấp qua trình quang điện, compton Từ photon (tia X) ứng dụng tùy vào mục đích sử dụng riêng Trong khuôn khổ luận văn đề cập đến việc dùng máy gia tốc ứng dụng y học Trước hết muốn ứng dụng máy gia tốc phải biết phổ photon sinh có dạng nào? Muốn có kết xác ta phải đo thực nghiệm đo thực nghiệm đòi hỏi thiết bò đặc biệt mà sẵn có số phòng thí nghiệm (Fewell and Sup, Laitano, Antonuk, Dance), việc đo thực nghiệm tốn thời gian phức tạp Vì việc sử dụng phương pháp để xác đònh phổ mà cần đo thực nghiệm cần thiết Đó nội dung đề tài sử dụng chương trình MCNP4C để xác đònh phổ tia X dùng chuẩn đoán bệnh xạ Trang1 Chương MÔ PHỎNG HỆ TẠO RA TIA X 1.1 Tổng quan MCNP 1.1.1 Giới thiệu phương pháp xác đònh phổ tia X Việc mô máy tính cho phổ tia X công cụ quan trọng cho việc nghiên cứu liều bệnh nhân chất lượng hình ảnh hệ chuẩn đoán bệnh xạ Kramers người bắt đầu mô máy tính để xác đònh phổ tia X, công việc tiên phong trì liên tục số nhà khoa học nhóm nghiên cứu để tìm phương pháp xác cho việc mô máy tính cho phổ tia X Từ phương pháp khác cho việc xác đònh phổ đời, phương pháp phân chia làm ba loại: Phương pháp kinh nghiệm, phương pháp bán kinh nghiệm, phương pháp Monte Carlo Mặc dù phương pháp kinh nghiệm bán kinh nghiệm nhìn chung có ưu điểm nhanh thiếu xác, phương pháp sử dụng Trong phương pháp Monte Carlo khắc phục nhược điểm trên, nhiên phương pháp Monte Carlo có nhược điểm đòi hỏi thời gian Đối với mục đích mô phổ tia X phương pháp Monte Carlo, số tác giả sử dụng code tự viết code có phạm vi nhỏ phổ biến Trong số người khác sử dụng code sử dụng phổ biến EGS4, MCNP, ITS Trong khuôn khổ luận văn sử dụng code MCNP để xác đònh phổ tia X Vậy ta tìm hiểu sơ lược MCNP Trang2 1.1.2 Tổng quan MCNP MCNP ( Monte Carlo N-Particle ) phần mềm ứng dụng phương pháp Monte Carlo mô trình vật lý mang tính thống kê ( trình phân rã hạt nhân, tương tác hạt nhân vật chất, thông lượng neutron ) MCNP sử dụng thư viện số liệu hạt nhân trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, ghi lại kiện lòch sử hạt phát từ nguồn đến hết thời gian sống Chương trình có nhiều ứng dụng như: Thiết kế lò phản ứng, an toàn tới hạn, che chắn bảo vệ xạ, phân tích thiết kế đầu dò, vật lý trò liệu, nghiên cứu khí quyển, nhiệt phát quang phóng xạ, chụp ảnh phóng xạ Muốn có kết tính toán ta phải viết input file máy tính chạy Cấu trúc input file gồm : Khối thông tin (tùy chọn) Dòng trống (tùy chọn) Tiêu đề toán Đònh nghóa cell card Giới hạn dòng trống Đònh nghóa mặt ( surface card) Giới hạn dòng trống Data card Dòng trống giới hạn Đònh nghóa cell card MCNP có khả mô tả hình học ba chiều, hệ trục tọa độ Decart, MCNP lấy mặt biên khối vật chất để mô tả khối vật chất gọi cell Việc lấy mặt biên để mô tả khối vật chất ta cần xác Trang3 đònh chiều mặt biên sử dụng toán tử ( toán tử giao (kí hiệu khoảng trống), toán tử hợp (kí hiệu dấu :), toán tử bù (kí hiệu #)) Đònh nghóa mặt (Surface card) Mặt mô tả phương trình cho bảng Bất mặt chia không gian thành hai miền Đặt phương trình mặt f(x,y,x)=S Ứng với miền không gian cho S[...]... kết quả phổ chúng ta thu được và phổ bài báo [1], phổ chúng ta thu được không đều , khoảng cách giữa mỗi phổ ứng với các giá trò RH khác nhau nhỏ hơn so với phổ của bài báo [1] Ở phần trên là phổ dùng trong phép chuẩn đoán bệnh bằng bức x tia X ở các bộ phận thông thường của cơ thể với mức năng lượng từ 50 Kev đến 140Kev cho chùm electron tới , nhưng khi x t đến các bộ phận nhạy cảm với các bức x ta... 2.5E+01 3.0E+01 Năng lượng Hình 4a Phổ tia X dùng các bộ phận cơ thể nhạy cảm với bức x Trang23 số đếm /kev Be và Rh 4.50E-01 4.00E-01 3.50E-01 3.00E-01 2.50E-01 2.00E-01 1.50E-01 1.00E-01 5.00E-02 0.00E+00 0 5 10 15 20 25 30 Hình 4b Phổ tia X dùng các bộ phận cơ thể nhạy cảm với bức x So sánh với phổ đã tính toán của bài báo [1] Số đếm /Kev Be và Mo Hình 4c Phổ dùng so sánh với hình 4a Trang24 35... thích sự khác nhau do sử dụng hai phin lọc khác nhau Mo và Rh, Rh cho phé p sự truyền qua các bức x hãm ở bia truyền xuống tốt hơn Mo, đặc biệt là các bức x có năng lượng từ 20 Kev trở lên Chúng ta đã xem x t phổ ở khía cạnh các sự kết hợp khác nhau của bia và phin lọc, hiệu ứng gợn sóng Tiếp đến ta xem x t khi cho độ dày của phin lọc thay đổi(ở đây phin lọc là Al) thì liều tại một điểm dưới phin... sau đó tính x c suất electron phát ra có năng lượng nằm trong khoảng năng lượng đó , ứng với mỗi khoảng năng lượng từ Ei đến E i+1 ta x c đònh khoảng thời gian tương ứng từ ti đến ti+1 và tính x c suất electron nằm trong mỗi khảng năng lượng đó bằng công thức ti (T là chu kì của hàm sin(t ) ), (ta T /2 có thể tính bằng công thức này vì thời gian đo thực nghiệm hoặc khoảng thời gian ứng dụng là lớn,... trong đa số trường hợp được xem là đơn năng, nhưng cũng có trường hợp ta x t đến hiệu ứngï gợn sóng, tức là năng lượng các electron phát ra thay đổi theo thời gian Để mô phỏng hiệu ứng này trong MCNP, chúng ta sử dụng công thức cho hệ số gợn sóng kVmax kVmin kVmax Hệ số gợn sóng ( kí hiệu là RF ), RF= 100  (1) Trong đó kVmax , kVmin lần lượt là năng lượng lớn nhất, nhỏ nhất của điện tử phát ra từ... ) kV max [1  (1 sin(t ) )] (2) 100 Với t là thời gian,  2f , f là tần số dòng điện, f=50Hz Trang8 RF ) khi sin(t ) 0 Theo công thức kV min ( t ) kV max (1  100 Khi không x t đến hiệu ứng gợn sóng, RF 0 , tức là kV ( t ) kV max Trong MCNP để mô tả năng lượng electron phát ra từ cathod, chúng ta có thể chia nhỏ khoảng năng lượng từ kV max đến kV min thành những khoảng năng lượng bằng nhau,... trò x c suất theo các khoảng năng lượng Trang10 Chương 2 CÁC KẾT QUẢ VÀ NHẬN X T 2.1 Kết quả phổ dưới sự thay đổi của bia và phin lọc Các kết quả thu được khi chạy chương trình phải được đem so sánh với thực nghiệm hoặc các kết quả tính toán đã được công nhận, ở đây chúng ta sử dụng kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm Bhat, Fewell, các kết quả tính toán của IPEM và kết quả cũng chạy bằng MCNP. .. ứng dụng là lớn, phải tính đến phút , trong khi chu kì T của hàm Sin chỉ =0.01s) Ở đây ta có thể tính đến t=T/2 vì hàm sin(t ) là hàm tuần hoàn Cho RF =30, năng lượng tới lớn nhất của chùm điện tử 80 Kev, E 1 ,với T/2=0.005s, ta có bảng 2, x c đònh x c suất ứng với các khoảng năng lượng điện tử phát ra khi thời gian thay đổi từ 0 đến T/2 E (Kev) t(s) ∆t(s) X c suất 56 0 57 0.000132735 0.000132735... nhận phổ photon tại các điểm B Từ điểm electron đập vào bia kẻ thẳng xuống được trục Z, ta tính phổ hoặc là bên trái trục Z (tạo góc âm so với trục Z, ở đây ta mặc đònh bên trái trục Z lấy dấu âm), hoặc bên phải trục Z (tạo góc dương so với trục Z), hoặc nằm trên trục Z Dùng f5 tính thông lượng tại một điểm, sau đó dùng e5 để tính ứng với mỗi khoảng năng lượng tính toán có bao nhiêu photon nằm trong. .. Hình 4d Phổ dùng so sánh với hình 4 b Cường độ hai đỉnh do chúng ta tính toán được thấp hơn hơn kết quả bài báo [1] cũng được tính toán bằng MCNP( đường có màu đen) và cao hơn kết quả tính toán của IPEM, như vậy kết quả chúng ta nằm giữa hai kết quả trên và như thế có thể xem là phù hợp hơn đây ta thấy hình 4b phần năng lượng lớn hơn 20 Kev có cường độ cao hơn 4a Giải thích sự khác nhau do sử dụng hai ... phức tạp Vì việc sử dụng phương pháp để x c đònh phổ mà cần đo thực nghiệm cần thiết Đó nội dung đề tài sử dụng chương trình MCNP4 C để x c đònh phổ tia X dùng chuẩn đoán bệnh x Trang1 Chương... tác giả sử dụng code tự viết code có phạm vi nhỏ phổ biến Trong số người khác sử dụng code sử dụng phổ biến EGS4, MCNP, ITS Trong khuôn khổ luận văn sử dụng code MCNP để x c đònh phổ tia X Vậy... tốc ứng dụng rộng rãi đời sống Trong y học máy gia tốc sử dụng để chiếu liều bệnh nhân, chuẩn đoán bệnh tia X, công nghiệp dùng để chiếu x thực phẩm, dụng cụ y tế vv Nên việc tìm hiểu ứng dụng