KHẢO sát PHỔ PHÁT TIA x BẰNG PHƯƠNG PHÁP mô PHỎNG MONTE CARLO và TÍNH TOÁN bán THỰC NGHIỆM

8 432 0
KHẢO sát PHỔ PHÁT TIA x BẰNG PHƯƠNG PHÁP mô PHỎNG MONTE CARLO và TÍNH TOÁN bán THỰC NGHIỆM

Đang tải... (xem toàn văn)

Thông tin tài liệu

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-1.16 KHẢO SÁT PHỔ PHÁT TIA X BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ TÍNH TOÁN BÁN THỰC NGHIỆM Trần Ái Khanh1,2, Trương Thị Hồng Loan2, Đặng Nguyên Phương3, Nguyễn Thị Kim Xuyến2, Nguyễn Anh Tuấn2, Mai Văn Nhơn2 Khoa Khoa học Cơ bản, Đại học Tiền Giang Khoa Vật lý & Vật lý Kĩ thuật – Truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Viện Vật lý, Đại học Freiburg, CHLB Đức TÓM TẮT Tia X sử dụng rộng rãi chẩn đoán hình ảnh chụp X quang, chụp cắt lớp (computed tomography) Việc xác định phổ tia X từ ống phát cần thiết để tính toán liều truyền qua bệnh nhân cải thiện chất lượng hình ảnh Trong công trình này, nhóm tác giả khảo sát phổ tia X hai phương pháp khác nhau: phương pháp mô Monte Carlo (chương trình MCNP5) phương pháp tính toán thực nghiệm (chương trình SpekCalc) Kết so sánh cho thấy hai chương trình có phù hợp với việc mô phổ tia X liên tục, nhiên có sai lệch định mô tả đỉnh tia X đặc trưng Bên cạnh đó, việc xác định ảnh hưởng thông điện áp đỉnh, lọc, góc nghiêng anode lên chất lượng chùm tia X nhóm tác giả nghiên cứu công trình Từ khóa: X quang chẩn đoán, phổ tia X, MCNP5 MỞ ĐẦU Ngày nay, phương pháp chụp cắt lớp (computed tomography) công cụ mạnh giúp ta thấy cấu trúc thể người với độ phân giải vị trí độ tương phản cao Trong kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính, ảnh tái tạo từ hình chiếu thu cách đo suy giảm xạ qua thể bệnh nhân So với kỹ thuật chụp ảnh khác, kỹ thuật chụp cắt lớp cho liều hấp thụ bệnh nhân cao Liều hấp thụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, có phụ thuộc vào cường độ phân bố lượng chùm tia X phát từ thiết bị chụp cắt lớp Việc xác định phổ phát tia X cần thiết để đánh giá liều hấp thụ thể bệnh nhân lần chụp, chất lượng hình ảnh ghi nhận Phổ tia X phát đánh giá thông qua phương pháp đo đạc thực nghiệm [1, 2] Tuy nhiên, điều kiện thực tế Việt Nam, việc đo đạc phổ tia X khó thực Do đó, thay sử dụng phương pháp thực nghiệm, ta sử dụng phương pháp bán thực nghiệm [3 - 5] mô Monte Carlo [6 - 11] Ưu điểm phương pháp bán thực nghiệm có khả xây dựng phổ tia X cách nhanh chóng chúng có hạn chế mặt cấu hình thiết bị khiến cho áp dụng cách linh hoạt Ngược lại, phương pháp mô Monte Carlo cho khả tính toán với mô hình có cấu trúc phức tạp, nhược điểm lớn thời gian tính toán dài Trong công trình này, nhóm tác giả tiến hành so sánh kết tính toán thu từ hai phương pháp: bán thực nghiệm mô Monte Carlo Phổ tia X từ máy chụp cắt lát mô phương pháp Monte Carlo thông qua chương trình MCNP5 tính toán phương pháp bán thực nghiệm với chương trình SpekCalc [13] Phổ tia X thu từ hai phương pháp với thay đổi thông số đặc trưng điện áp đỉnh (kVp), bô lọc, góc nghiêng anode khảo sát PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương trình mô Monte Carlo MCNP5 [12] Phòng Thí nghiệm Los Alamos (LANL) sử dụng để mô cấu hình đầu bóng phát tia X Thành phần đầu bóng phát tia X bao gồm bia anode có thành phần 95% Tungsten (W) 5% Rhodium (Rh), mật độ tương đương 18,68 g/cm3, kích thước focal spot từ 0,6 – 1,2 mm Chùm photon xạ hãm phát từ electron đập vào anode mô Khoảng cách ghi nhận phổ photon từ tâm nguồn 75 cm Mô hình 3D máy trình bày Hình Chương trình MCNP5 bao gồm nhiều loại tally tính toán khác nhau, để ghi nhận phổ tia X nhóm tác giả sử dụng tally F2 (hạt/cm2 hay MeV/cm2) Kết tally F2 cho phương trình F2  W (1)  A Trong đó: A: diện tích mặt (cm2); ISBN: 978-604-82-1375-6 61 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM W: trọng số hạt; µ: cosin góc vectơ pháp tuyến quỹ đạo hạt Hình Mô hình máy chụp cắt lát dạng 3D vẽ từ chương trình Visual Editor MCNP5 Chương trình SpekCalc [13] chương trình tính toán phổ tia X từ bia Vonfram SpekCalc xây dựng cho mục đích vật lý y khoa lẫn nghiên cứu giáo dục Khoảng điện đỉnh (kVp) SpekCalc trải dài từ 40 – 300 kVp góc nghiêng anode từ – 300 Bộ lọc gồm vật liệu không khí, nước, beri, nhôm, đồng, thiếc Vonfram Chương trình download miễn phí với giao diện dễ sử dụng (Hình 2) kích thước liệu nhỏ (khoảng MB) Hình Giao diện chương trình SpekCalc KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong công trình này, nhóm tác giả nghiên cứu phổ tia X từ máy chụp cắt lớp với thông số điện áp đỉnh từ 80 – 140 kVp, lọc tương đương nhôm từ 2,5 mm – 15 mm góc nghiêng anode từ 70 – 200 Điện đỉnh Điện đỉnh thông số ảnh hưởng đến xác suất phát photon từ máy phát tia X Để kháo sát ảnh hưởng điện đỉnh lên phổ phát tia X, nhóm tác giả thiết lập cấu hình bia anode có góc nghiêng 160, lọc tương đương nhôm dày 2,5 mm, khoảng cách từ focus đến detector 75 cm Các điện đỉnh thay đổi khoảng 80 – 140 kVp (với bước nhảy 10 kVp) Hình trình bày so sánh phổ tia X thu chương trình MCNP5 chương trình SpekCalc ISBN: 978-604-82-1375-6 62 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM a 80 kVp c 120kVp b 100 kVp d 140 kVp Hình So sánh phổ tia X chương trình SpekCal MCNP5 điện (a) 80 kVp, (b) 100 kVp, (c) 120 kVp (d) 140 kVp Ta thấy sai lệch phổ tia X thay đổi điện 80 kVp (Hình 3a), 100 kVp (Hình 3b), 120 kVp (Hình 3b), 140 kVp (Hình 3d) MCNP5 SpekCalc Sự khác biệt phần phổ tia X liên tục xạ bremsstrahlung giảm dần theo tăng điện đỉnh (đồng nghĩa với việc tăng lượng chùm electron tới đập vào bia Bên cạnh đó, ta thấy tia đỉnh X đặc trưng thể rõ nét chương trình MCNP5 với đỉnh K1, K2, K1, K2 chương trình SpekCalc biểu diễn đỉnh K K Việc so sánh phổ tia X thu từ hai chương trình MCNP5 SpekCalc thể qua việc tính toán diện tích đỉnh thoát K tia X đặc trưng bia Vonfram Kết so sánh trình bày chi tiết Bảng 1, ta dễ dàng nhận thấy sai lệch hai chương trình 10% ISBN: 978-604-82-1375-6 63 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng So sánh tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng MCNP5 SpekCalc thay đổi điện đỉnh Tồng diện tích đỉnh tia X đặc trưng (K1 + K2 + K1 + K2) Điện (kVp) MCNP5 SpekCalc Sai lệch 80 5,73042.10-9 5,58782.10-9 2% 90 1,12431.10-8 1,09480.10-8 3% 100 1,46267.10-8 1,56092.10-8 6% 110 2,12717.10-8 2,18716.10-8 3% 120 2,30804.10-8 2,46585.10-8 6% 130 2,90691.10-8 3,01324.10-8 4% 140 3,38278.10-8 3,72831.10-8 9% Bộ lọc Trong kỹ thuật chụp cắt lớp liều hấp thụ lên bệnh nhân cao Do đó, việc hạn chế liều tán lên bệnh nhân trình phát tia X cần thiết Để thực việc này, người ta sử dụng lọc nhằm lọc tia X mang lượng thấp Vì vậy, máy chụp cắt lớp, bề dày lọc vai trò quan trọng Ảnh hưởng lọc tương đương nhôm với bề dày từ 2,5 mm – 15,0 mm lên phổ tia X từ máy chụp cắt lớp điện 120 kVp, góc nghiêng anode 160 nhóm tác giả nghiên cứu công trình Sự thay đổi phổ tia X theo bề dày lọc tương đương nhôm biểu diễn Hình 4, so sánh tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng cho Bảng Bảng So sánh tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng MCNP5 SpekCalc thay đổi bề dày lọc tương đương nhôm Bề dày lọc tương đương nhôm (mm) Tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng (K1 + K2 + K1 + K2) MCNP5 SpekCalc Sai lệch 2,5 2,30804.10-8 2,46585.10-8 6% 3,5 2,15427.10-8 2,26673.10-8 5% 4,5 2,01497.10-8 2,09430.10-8 4% 5,5 1,88379.10-8 1,94136.10-8 4% 6,5 1,75975.10-8 1,80181.10-8 2% 7,5 1,64540.10-8 1,67446.10-8 2% 9,5 1,43789.10-8 1,44890.10-8 1% 10,5 1,34383.10-8 1,34841.10-8 0,3% 15,0 1,02681.10-8 1,01988.10-8 0,7% ISBN: 978-604-82-1375-6 64 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM a 2,5 mm b 7,5 mm c 9,5 mm d 15,0 mm Hình So sánh phổ tia X chương trình SpekCal MCNP5 với lọc tương đương nhôm bề dày (a) 2,5mm, (b) 7,5mm, (c) 9,5mm, (d) 15,0mm Mặc dù đỉnh tia X đặc trưng không nằm vùng lượng thấp (Hình 4) để chịu ảnh hưởng lớn tăng bề dày lọc, từ Bảng ta dễ dàng nhận thấy sai lệch tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng hai chương trình MCNP5 SpekCalc giảm dần theo tăng dề dày lọc Điều tăng bề dày lọc, đồng thời làm giảm tia X tán xạ tía X phát từ bia nằm trường chiếu (góc phát lớn), làm cho kết thu từ hai chương trình gần Góc nghiêng anode Góc nghiêng anode ảnh hưởng lên diện tích bao phủ chùm xạ Khi giảm góc nghiêng diện tích bao phủ chùm tia giảm Diện tích bao phủ chùm tia thường không gây ảnh hưởng đến kết chụp với bia anode có góc nghiêng nhỏ gây số vấn đề bao phủ chùm tia cần thiết lên phim Để so sánh phổ tia X thu từ chương trình MCNP5 SpekCalc, tác giả thiết lập cấu hình với điện đỉnh 120 kVp, bộc lọc có bề dày 2.5mm tương đương nhôm Góc nghiêng bia anode thay đổi khoảng 70 – 200 với bước nhảy 10 Sự thay đổi phổ tia X theo góc nghiêng anode biểu diễn Hình so sánh tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng cho Bảng Các kết cho thấy với khoảng góc nghiêng anode nhỏ, sai biệt hai chuong trình 10% Đồng thời thay đổi lớn giá trị sai lệch thay đổi góc nghiêng ISBN: 978-604-82-1375-6 65 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM a 70 b 100 c 120 d 180 Hình So sánh phổ tia X chương trình SpekCalc MCNP5 theo góc nghiêng anode Bảng So sánh tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng MCNP5 SpekCalc thay đổi góc nghiêng anode Tổng diện tích đỉnh tia X đặc trưng (K1 + K2 + K1 + K2) Góc nghiêng anode MCNP5 ISBN: 978-604-82-1375-6 SpekCalc Sai lệch 70 2,03945.10-8 2,25223.10-8 9% 80 2,09640.10-8 2,30243.10-8 9% 100 2,17834.10-8 2,37055.10-8 8% 110 2,20719.10-8 2,39589.10-8 8% 120 2,23856.10-8 2,41672.10-8 7% 140 2,28146.10-8 2,44619.10-8 7% 150 2,29719.10-8 2,45767.10-8 7% 160 2,30804.10-8 2,46585.10-8 6% 180 2,32914.10-8 2,47630.10-8 6% 200 2,34223.10-8 2,47761.10-8 6% 66 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM KẾT LUẬN Trong công trình này, nhóm tác giả tiến hành đánh giá so sánh kết phổ tia phát tia X từ mô hình máy chụp cắt lớp từ hai phương pháp bán thực nghiệm (chương trình SpekCalc) mô Monte Carlo (chương trình MCNP5) Bằng cách thay đổi thông số đặc trưng đầu bóng phát tia X điện áp đỉnh, bô lọc góc nghiêng anode, tác giả nhận thấy sai lệch kết hai phương pháp 10% Cả hai chương trình cho dạng phổ tia X liên tục nhau, nhiên chương trình MCNP5 thể đỉnh tia X đặc trưng chi tiết so với chương trình SpekCalc Các kết thu từ công trình phục vụ cho nghiên cứu với mục đích kết hợp hai phương pháp bán thực nghiệm mô Monte Carlo để khảo sát phân bố liều chiếu phòng chụp cắt lớp liều hấp thụ lên bệnh nhân tương ứng với lần chụp Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn đến Bác sĩ Đinh Thanh Bình, Trưởng Khoa, Thạc sĩ Dương Thành Tài, đội ngũ Bác sĩ, Kỹ sư Khoa Y học Hạt nhân Bệnh viện Đa Khoa Đồng Nai tạo điều kiện cho thực việc khảo sát cấu hình máy chụp cắt lớp Bệnh viện để thu thập số liệu cho việc mô máy chụp cắt lớp MCNP5 EVALUATION OF X-RAY EMISSION SPECTRUM BY MONTE CARLO AND SEMIEMPIRICAL CALCULATIONS Tran Ai Khanh1,2, Truong Thi Hong Loan2, Dang Nguyen Phuong3, Nguyen Thi Kim Xuyen2, Nguyen Anh Tuan2, Mai Van Nhon2 Faculty of Basic Sciences, Tien Giang University, Faculty of Physics-Engineering Physics, University of Science, VNU-HCM, Institute of Physics, University of Freiburg, Federal Republic of Germany ABSTRACT The X-rays are widely used in diagnostic imaging such as radiography, computerd tomography The understanding of X-ray spectrum is essential for patient absorbed dose estimation and image quality improvement In this paper, the authors investigated X-ray emission spectra by using two different approaches: Monte Carlo method using MCNP5 code and semi-empirical calculation with SpekCalc software The results show that there is quite good agreement in two bremsstrahlung spectrum modelings but still some divergence in characteristic X-ray peaks Besides, the influence of X-ray tube parameters such as peak voltage, filter, anode angle on beam quality has also been investigated Key word: X-ray, bremsstrahlung, X-ray spectrum, MCNP5 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Matsumoto et al, Direct measurement of mammographic X-ray using a CdZnTe detector, Medical Physics, 27, 1490-1502 (2000) [2] L.E Antonuk et al, Empirical investigation of the signal performance of a high-resolution, indirect detection, active matrix flat-panel imager (AMFPI) for fluoroscopic and radiographic operation, Medical Physics, 27, 51-70 (1997) [3] J.M Boone, J.A Seibert, An accurate method for computer-generating tungsten anode X-ray spectra from 30 to 140 kV, Medical Physics, 24, 1661-1670 (1997) [4] R Birch, M Marshall, Computation of bremsstrahlung X-ray spectra and comparison with spectra measured with a Ge(Li) detector, Physics in Medicine and Biology, 24, 505-517 (1979) [5] M.M Blough et al, Calculated mammographic spectra confirmed with attenuation curves for molybdenum, rhodium, and tungsten targets, Medical Physics, 25, 1605-1012 (1998) [6] M.N Boone et al, Secondary radiation in transmission-type X-ray tubes: Simulation, practical issues and solution in the context of X-ray microtomography, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A661, 7-12 (2012) [7] I Jerez-Sainz, A Pérez-Rozos, A.M Lallena, Monte Carlo analysis of the degradation of the spectrum produced by an X-ray tube in conventional radiography, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A580, 518-521 (2007) [8] U Bottigli et al, Voxel-based Monte Carlo simulation of X-ray imaging and spectroscopy experiments, Spectrochimica Acta Part B, 59, 1747-1754 (2004) ISBN: 978-604-82-1375-6 67 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [9] R Taschereau et al, A microCT X-ray head model for spectra generation with Monte Carlo simulations, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A569, 373-377 (2006) [10] F Verhaegen, I.A Castellano, Microdosimetric characterisation of 28 kVp Mo/Mo, Rh/Rh, Rh/Al, W/Rh and Mo/Rh mammography X-ray spectra, Radiation Protection Dosimetry, 99, 393-396 (2002) [11] L.B Omrane, An investigation of entrance surface dose calculations for diagnostic radiology using Monte Carlo simulations and radiotherapy dosimetry formalisms, Physics in Medicine and Biology, 48, 18091824 (2003) [12] X-5 Monte Carlo Team, MCNP – A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, Los Alamos National Laboratory (2003) [13] G Poludniowski, G Landry, F DeBlois, P M Evans and F Verhaegen, SpekCalcc: a program to calculate photon spectra from tungsten anode X-ray tubes, Physics in Medicine and Biology, 54, N433-N438 (2009) ISBN: 978-604-82-1375-6 68

Ngày đăng: 23/09/2016, 14:02

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan