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

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

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ CHE CHẮN CHO

CÁC THIẾT BỊ XẠ TRỊ TIA X VÀ GAMMA

NĂNG LƯỢNG CAO

SVTH: TRẦN DUY THỊNH CBHD: ThS NGUYỄN TẤN CHÂU CBPB: ThS HUỲNH ĐÌNH CHƯƠNG

TP Hồ Chí Minh, 07 – 2014

chia tay với thầy cô, bạn bè và ngôi trường Đại học Khoa học Tự nhiên, xin cho em bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, quý thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ em trong những năm học vừa qua

Để hoàn thành khóa học và đề tài này em xin chân thành cảm ơn đến:

 Trước tiên là gia đình, ba, mẹ đã cực khổ nuôi em khôn lớn Công lao này em nguyện khắc ghi suốt đời

 Quý Thầy, Cô, các cán bộ trẻ đang công tác tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, TPHCM, những người luôn ủng hộ và giúp đỡ

em nhiệt tình trong thời gian học tập Em luôn cảm nhận được sự chia sẻ nồng ấm từ tất cả quý Thầy Cô trong bộ môn Đặc biệt cho em gởi lời cám ơn chân thành đến Thầy Châu Văn Tạo Thầy đã tạo cho em cảm hứng học tập từ khi vừa bước vào môi trường đại học, em là sinh viên theo nguyện vọng hai vào khoa Vật lý nên không mấy quyết tâm khi theo học ngành này Nhưng những lần đầu tiên lên giảng đường đại học em đã được sự dạy dỗ tận tụy cả về kiến thức và cách làm người, cách sống của Thầy, đã giúp em thêm động lực học tập và hoàn thành khóa học

 Thầy Nguyễn Tấn Châu, Thầy rất bận nhưng vẫn tận tình giúp đỡ, chỉ dẫn cho

em không chỉ về kiến thức mà còn về con người, Thầy đã cung cấp cho em những kinh nghiệm quý giá và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài này

 Các bạn học cùng lớp Vật lý Hạt nhân khóa 2010-2014, những người bạn thông minh, hòa đồng, luôn giúp đỡ nhau trong học tập và đoàn kết trong mọi hoạt động ngoại khóa, các bạn đã tạo trong em những hình ảnh, kỷ niệm đẹp của thời sinh viên qua đó kích thích tinh thần học tập của em rất nhiều

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 – 2014

Trần Duy Thịnh

BẢNG ĐỐI CHIẾU CÁC THUẬT NGỮ ANH – VIỆT iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ ix

LỜI MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ VÀ AN TOÀN BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ 1

1.1 Tổng quan về xạ trị 1

1.1.1 Các khái niệm cơ bản trong xạ trị 1

1.1.1.1 Ung thư 1

1.1.1.2 Xạ trị 2

1.1.2 Tương tác của gamma và neutron với vật chất 2

1.1.2.1 Tương tác của gamma với vật chất 2

1.1.2.2 Tương tác của neutron với vật chất 6

1.2 An toàn bức xạ trong xạ trị 8

1.2.1 Các khuyến cáo và tiêu chuẩn an toàn bức xạ trong xạ trị 8

1.2.1.1 Các đại lượng, liều áp dụng trong tính toán che chắn 8

1.2.2 Các quy định về ATBX tại Việt Nam 12

1.2.2.1 Giới hạn liều nghề nghiệp 13

1.2.2.2 Giới hạn liều công chúng 13

1.3 Những biện pháp nhằm hạn chế tiếp xúc với chùm tia bức xạ 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Dạng hình học của phòng điều trị và nguồn bức xạ 15

2.2 Vật liệu che chắn 18

2.3.1.1 Khu vực kiểm soát và khu vực không kiểm soát 20

2.3.1.2 Tải làm việc, W (Workload) 20

2.3.1.3 Hệ số sử dụng, U (Use Factor) 20

2.3.1.4 Hệ số chiếm cứ, T (Occupancy Factor) 21

2.3.1.5 Bức xạ sơ cấp và bức xạ thứ cấp 22

2.3.1.6 Rào chắn bảo vệ 23

2.3.1.7 Suất liều tức thời và suất liều trung bình theo thời gian 23

2.3.2 Lý thuyết tính toán che chắn sơ cấp 25

2.3.2.1 Hệ số truyền qua rào sơ cấp 25

2.3.2.2 Bề dày rào cản sơ cấp 25

2.3.3 Lý thuyết tính toán che chắn thứ cấp 27

2.3.3.1 Bức xạ rò rỉ 28

2.3.3.2 Bức xạ tán xạ 28

2.3.4 Lý thuyết tính toán thiết kế tường ziczac 29

2.3.5 Neutron trong phòng máy gia tốc năng lượng cao 32

2.3.6 Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma (capture gamma) và liều neutron tại lối vào tường ziczac 33

2.3.7 Thiết kế cửa ra vào cho phòng điều trị máy gia tốc năng lượng cao 36

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT VÀO THỰC TẾ 37

3.1 Điều kiện làm việc và dữ liệu tính toán 37

3.2 Tính toán, đánh giá che chắn bức tường sơ cấp 39

3.2.1 Khu vực C 39

3.2.2 Khu vực D 41

3.2.3 Bề rộng bức tường sơ cấp 41

3.3 Tính toán, đánh giá che chắn bức tường thứ cấp 42

3.4.1 Ảnh hưởng của bức xạ rò rỉ và bức xạ tán xạ đến cửa ra vào 45

3.4.2 Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma (capture gamma) tại cửa ra vào 47

3.4.3 Liều neutron ở cửa ra vào 48

3.5 Kết quả tính toán với một số dòng máy và mức năng lượng khác nhau 49

BÀN LUẬN VÀ KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 56

Bending magnet envelop Bộ từ trường uốn

Boongke Phòng đặt máy gia tốc

Electron Gun Súng electron

Instantaneous dose rate Suất liều tức thời

Isoceter Trục đồng tâm

Leakage radiation Bức xạ rò rỉ

Linear acclerator Máy gia tốc tuyến tính

Multileaf Collimator Collimator nhiều lá

Phantom Mô hình người giả chuẩn

Primary barrier Rào cản sơ cấp

Occupancy Factor Hệ số chiếm cứ

One – half value layer Lớp giá trị một nửa

RF source Nguồn cấp sóng cao tầng

Scatter radiation Bức xạ tán xạ

Secondary barrier Rào cản thứ cấp

Tenth value layer Lớp bề dày giảm 1/10

Time averaged dose rate Suất liều trung bình theo thời gian Tranmission Truyền qua

Use Factor Hệ số sử dụng

Waveguide Ống dẫn sóng

Workload Tải làm việc

DP Liều phát sinh từ tán xạ trên bệnh nhân

DT Liều do bức xạ rò rỉ truyền trực tiếp qua tường ziczac

DT,r Liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T

DW Liều phát sinh từ chùm sơ cấp tán xạ lên các bức tường

𝐷𝜑 Liều đóng góp từ phản ứng bắt neutron và phát gamma

DR0 Suất liều đầu ra cực đại cách nguồn 1 m

E Liều hiệu dụng

f Hệ số truyền qua bệnh nhân

F Diện tích trường chiếu trên bệnh nhân

H1 Liều neutron tương đương ở 1 m tính từ nguồn tia X

HT Liều tương đương

LO Tỉ lệ liều bức xạ rò rỉ tại vị trí cách nguồn 1 m

P Liều giới hạn được phép

Qn Cường độ dòng neutron

Rh Liều giới hạn trong bất kỳ giờ nào

U Hệ số sử dụng

W Tải làm việc

Wr Hệ số trọng số phóng xạ

WT Hệ số trọng số mô

𝛼 Hệ số phản xạ của tường che chắn

𝜑A Thông lượng neutron

Các chữ viết tắt:

ATBX An toàn bức xạ

BVCR Bệnh viện Chợ Rẫy

BPE Borated Polyethylene

Capture gamma Gamma từ phản ứng bắt neutron và phát tia gamma HVL Lớp giá trị một nửa

IAEA Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế

IDR Suất liều tức thời

IEC Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế

ICRP Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ bức xạ

NCRP Hội đồng Quốc gia về bảo vệ và đo bức xạ

TVL Lớp bề dày giảm 1/10

TADR Suất liều trung bình theo thời gian

bảng

1 1.1 Các phản ứng hấp thụ neutron 7

2 1.2 Hệ số trọng số phóng xạ của một vài loại bức xạ 10

3 1.3 Các trọng số mô WT theo khuyến cáo của ICRP qua các

lần thay đổi

11

4 1.4 Giới hạn liều qua các thời kỳ theo ICRP 12

5 2.1 Tính chất, đặc điểm của một số vật liệu che chắn 19

6 2.2 Giá trị của hệ số sử dụng đối với chùm tia sơ cấp, nếu

chia theo các góc quay Gantry thường gặp là 900

21

7 2.3 Giá trị của hệ số chiếm cứ tại các khu vực làm việc 21

8 2.4 Tóm tắt các đề xuất/quy định thiết kế giới hạn liều hiệu

dụng

24

9 3.1 Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm sơ cấp ở vị trí C 39

10 3.2 Dữ liệu nhập vào cho che chắn bức xạ rò rỉ đến tường

12 3.4 Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm sơ cấp ở vị trí D 41

13 3.5 Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm thứ cấp ở vị trí A 42

14 3.6 Dữ liệu nhập vào cho che chắn chùm thứ cấp ở vị trí B 44

15 3.7 Dữ liệu nhập vào cho thiết kế che chắn cửa ra vào và

tường ziczac

45

16 3.8 Giá trị các khoảng cách đã được đo đạc (m) 45

17 3.9 Giá trị diện tích các bức tường tán xạ (m2) 45

19 3.11 Bề dày các bức tường sơ cấp, thứ cấp ứng với các dòng

máy khác nhau

50

20 3.12 Bề dày cửa ra vào ứng với các dòng máy khác nhau 51

hình

2 1.2 Hiện tượng tạo cặp 4

3 1.3 Sự phụ thuộc của tiết diện vào năng lượng 5

4 1.4 Biểu diễn sự suy giảm của chùm tia khi qua lớp che

chắn bề dày x

14

5 2.1 Sơ đồ khối của một máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị 15

6 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

17

7 2.3 Chùm bức xạ sơ cấp (chùm xanh đậm) và chùm bức xạ

thứ cấp (các đường nét đứt) được tạo ra bên trong phòng điều trị và các rào cản được sử dụng để chống lại bức xa sơ cấp và thứ cấp Đối với bức xạ thứ cấp, đường nét đứt màu đen là bức xạ rò rỉ và tán xạ từ bệnh nhân, đường nét đứt màu đỏ là chùm quang neutron

Giả sử tất cả các bức xạ xuất phát từ isocenter, vị trí của isocenter được đánh dấu bằng dấu thập, hai chấm tròn màu đỏ là vị trí của nguồn (ví dụ ở 00 và 1800) khi gantry quay

22

8 2.4 Phạm vi của rào cản sơ cấp được mở rộng thêm 300

mm mỗi bên

27

10 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 xanh, hai chấm màu đỏ là hai vị trí nguồn khi gantry quay đến góc 900 và 2700

30

11 2.7 Một phòng điều trị điển hình với tường ziczac và

khoảng cách được sử dụng để xác định liều capture gamma và liều neutron

34

12 3.1 Sơ đồ bố trí cơ sở xạ trị sử dụng máy gia tốc tuyến tính

năng lượng photon 18 MV

38

13 3.2a Sơ đồ bố trí và kích thước bên trong phòng điều trị, ảnh

chụp từ phía trước cửa phòng điều trị vào trong

47

14 3.2b Sơ đồ bố trí và kích thước bên trong phòng điều trị, ảnh

chụp từ trần nhà xuống

47

lệ mắc bệnh ung thư trên toàn thế giới đang gia tăng Nhằm thực hiện chương trình phòng chống ung thư quốc gia, nhiều bệnh viện tại Việt Nam đang xúc tiến việc lắp đặt máy gia tốc xạ trị Do suất liều cung cấp ở các máy gia tốc là rất cao, phòng xạ trị phải được che chắn thích hợp để đảm bảo an toàn bức xạ cho nhân viên cũng như công chúng Việc thiết kế che chắn cho một cơ sở xạ trị luôn phải đảm bảo được hai vấn đề

an toàn và kinh tế Để giải quyết vấn đề này, trước tiên phải có đủ thông tin về máy gia tốc được dùng trong điều trị như suất liều, tần suất phát tia, vật liệu sử dụng cho che chắn, số lượng bệnh nhân, thời gian lưu trú của nhân viên hay công chúng tại cơ sở, bố trí hình học phòng xạ trị cũng như bố trí của các khu vực lân cận,…Cuối cùng là áp dụng lý thuyết tính toán che chắn để thiết kế xây dựng một phòng điều trị tối ưu

Đề tài này cung cấp các thông tin về xạ trị, an toàn bức xạ và hướng dẫn thiết kế đánh giá che chắn cho các thiết bị xạ trị tia X và gamma năng lượng cao Kết quả tính toán thực tế được kiểm nghiệm với độ an toàn cần thiết

Từ mục đích và nội dung công việc như trên, đề tài được bố cục gồm ba chương

Chương 1: Tổng quan về xạ trị và an toàn bức xạ trong xạ trị

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản trong xạ trị như ung thư là gì? Xạ trị

là như thế nào? Các tương tác của gamma và neutron với vật chất Trả lời những câu hỏi liên quan đến an toàn bức xạ bao gồm: mức liều chiếu xạ được phép giới hạn cho bệnh nhân, cho công chúng và cho nhân viên là bao nhiêu? Các biện pháp nào được sử dụng để che chắn bức xạ nhằm đảm bảo an toàn bức xạ? Các đại lượng, liều áp dụng được sử dụng trong tính toán che chắn

xạ trị như bố trí hình học phòng điều trị, vật liệu xây dựng, nguồn bức xạ,… Các thuật ngữ được sử dụng và trình bày cơ sở lý thuyết trong tính toán và đánh giá che chắn dựa trên tài liệu NCRP – 151

Chương 3: Áp dụng mô hình lý thuyết vào thực tế

Sau khi tìm hiểu về an toàn bức xạ và lý thuyết tính toán, đánh giá che chắn Ở chương này sẽ trình bày kết quả của toàn bộ quá trình tính toán, đánh giá che chắn thực

tế cho một phòng điều trị sử dụng máy gia tốc năng lượng cao với các mức năng lượng khác nhau và được đánh giá với mức độ an toàn cao

Phần phụ lục: Cung cấp các dữ liệu cần thiết cho tính toán và đánh giá che chắn

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:

 Phẫu thuật (là phương pháp cắt bỏ trực tiếp các khối u)

 Hoá trị (là phương pháp dùng thuốc để tiêu diệt tế bào ung thư)

 Xạ trị (là phương pháp sử dụng các tia bức xạ như gamma, neutron, 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

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

Te = Eγ− Ii (1.1) Trong đó:

- Te: động năng của electron phát ra (photo electron)

- Eγ: năng lượng của lượng tử gamma tới

- Ii: năng lượng liên kết của điện tử ở lớp thứ i của hạt nhân

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, xác suất tương tác giảm dần theo hàm 1

E 3 Xác suất tổng cộng của hiệu ứng quang điện đối với tất cả các electron quỹ đạo khi E ≥ EK, EK là năng lượng liên kết của electron trên lớp K, tuân theo quy luật 1

E72; khi E ≫ EK thì tuân theo quy luật 1

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

 Hiệu ứng Compton

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:

hv′ = hv/ [1 + hv

mc 2(1 − cosθ)] (1.3) 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 :

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

Khi tia gamma có năng lượng rất cao (Eγ > E0) cùng với hiệu ứng quang điện

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 proton, động năng giật lùi của hạt nhân là nhỏ Như vậy, năng lượng ngưỡng E0 để xảy ra hiện tượng tạo cặp của lượng tử gamma cần lớn hơn hai lần khối lượng nghỉ của electron

E0 ≈ 2mec2 = 1,022 MeV (1.5)

hv = Te− + Te+ + 2mec2 (1.6)

Khi hiện tượng tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của electron, năng lượng ngưỡng của lượng tử gamma là: E0 ≈ 4mec2 = 2,04 MeV

Tiết diện tạo cặp electron – positron trong trường Coulomb của điện tử bé hơn tiết diện tạo cặp trong trường của hạt nhân cỡ 103 lần Biểu thức cho tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân khá phức tạp Trong miền năng lượng 5 mec2 < E <

50 mec2, tiết diện tạo cặp có dạng:

σpair~Z2 lnE (1.7) Theo công thức trên, tiết diện tạo cặp electron – positron gần như tỉ lệ với Z2

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:

σ = σphoto+ σcompton+ σpair (1.8) trong đó tiết diện quá trình quang điện là σphoto~ Z5

E7⁄2, tiết diện quá trình tán xạ Compton là σcompton~Z

Evà tiết diện quá trình tạo cặp là σpair~Z2lnE

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

Từ sự phụ thuộc các tiết diện vào năng lượng E của tia gamma và điện tích Z của vật chất như trên, suy ra rằng trong miền năng lượng bé hơn E1, cơ chế chủ yếu

trong tương tác gamma với vật chất là quá trình quang điện, trong miền năng lượng trung gian E1 < E < E2 là quá trình tán xạ Compton và trong miền năng lượng cao

E > E2 là quá trình tạo cặp electron – positron Các giá trị năng lượng phân giới

E1, E2 phụ thuộc vào từng môi trường vật chất

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]

 Sự suy giảm chùm neutron

Để xem xét sự tương tác của neutron với vật chất, người ta chia các neutron theo năng lượng của chúng, thành các neutron nhiệt (năng lượng neutron En từ 0 đến 0,5 eV), các neutron trên nhiệt (En từ 0,5 eV đến 10 keV), các neutron nhanh (En từ 10 keV đến 10 MeV) và các neutron rất nhanh (En lớn hơn 10 MeV) Tương 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 của môi trường trong 1 cm3 Khi đó, cường độ chùm neutron I sau bản hấp thụ dày t liên tục với cường độ chùm neutron Io trước bản hấp thụ như sau:

I = I0e−Σt = I0e−σNt (1.9)

 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:

εE ≤ E′ ≤ E (1.10)

Trong đó: - ε = (A−1

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

- E’ = εE khi neutron tán xạ về phía sau, tức là va chạm trực diện Trong công thức (1.11) trong va chạm với hạt nhân hydro thì ε = 0, do đó theo công thức (1.10) neutron truyền toàn bộ động năng của mình cho hạt nhân hydro khi va chạm trực diện Tuy nhiên, đối với các hạt nhân nặng hơn, do ε ≠ 0 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

 Hấp thụ neutron

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]:

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

10B (n, α) 7Li và 113Cd (n, γ) 114Cd được quan tâm khi che chắn neutron Thông 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 neutron nhiệt như B10 hay Cd113 để hấp thụ neutron nhiệt

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:

Dch = ∆Q

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

- Dch: liều chiếu

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

 Liều tương đương

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

HT = Σ(Wr × DT,r) (1.16) Trong đó:

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

- Wr: là hệ số trọng số phóng xạ của bức xạ r, bảng 1.2

- DT,r: liều hấp thụ trung bình của bức xạ r trong mô hoặc cơ quan T

- HT: liều tương đương

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]

Loại bức xạ Khoảng năng lượng Trọng số phóng xạ W r

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

E = Σ(WT× HT) (1.17) Trong đó:

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

Cơ quan hoặc mô ICRP 30

(1979)

ICRP 60 (1990)

ICRP 103 (2007)

Cơ quan sinh dục 0,25 0,20 0,08 Tuỷ xương (tuỷ đỏ) 0,12 0,12 0,12

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]

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

 Giới hạn liều nghề nghiệp đối với nhân viên bức xạ trên 18 tuổi:

 Liều hiệu dụng được lấy trung bình 5 năm kế tiếp nhau là 20 mSv trong một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv

 Liều tương đương đối với thuỷ tinh thể của mắt được lấy trung bình trong 5 năm kế tiếp nhau là 20 mSv trong một năm và lấy trong một năm đơn lẻ bất kỳ là 50 mSv

 Liều tương đương đối với chân, tay hoặc da là 500 mSv trong một năm

 Giới hạn liều nghề nghiệp đối với người học việc trong quá trình đào tạo 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:

 Liều hiệu dụng 6 mSv trong một năm

 Liều tương đương đối với thuỷ tinh thể mắt 20 mSv trong một năm

 Liều tương đương đối với chân, tay hoặc da 150 mSv trong một năm

1.2.2.2 Giới hạn liều công chúng

 Liều hiệu dụng 1 mSv trong một năm

 Trong những trường hợp đặc biệt, có thể áp dụng giá trị giới hạn liều 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

 Liều tương đương đối với thuỷ tinh thể của mắt 15 mSv trong một năm

 Liều tương đương đối với da 50 mSv trong một năm

 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 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

I2 = I1e−μx (1.18) Trong đó:

- I2: là cường độ chùm tia sau khi đi qua lớp vật liệu có bề dày x (cm)

- I1: là cường độ chùm tia khi đến bề mặt của lớp vật liệu

- μ: là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu (1/cm)

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, kích thước trường điều trị, của photon và electron Trong đầu máy gia tốc tuyến tính

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):

 Thân máy cố định Nơi chứa các thiết bị điện tử chính như nguồn cấp điện ban đầu, các bộ phận tạo sóng cao tần như Magnetron/Klystron, các

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

 Giàn quay hay còn gọi là Gantry, có khả năng quay 1800 theo hai hướng cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ

 Ống dẫn sóng (Waveguide): nơi xảy ra quá trình gia tốc electron

 Súng electron (Electron Gun): tạo ra chùm electron ban đầu hay còn gọi

là nguồn electron

 Bộ từ trường uốn (Bending magnet envelop): nơi điều chỉnh hướng và lọc chùm electron trước khi đến bệnh nhân

 Nguồn cấp sóng cao tần (RF source): Một thiết bị gọi là “Magnetron” tạo

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

 Bộ phận xác định kích thước trường chiếu xạ (Collimator), gồm 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:

 Sử dụng trực tiếp cửa che chắn (được làm từ chì hoặc thép) và chỉ cần 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)

 Ở mức năng lượng cao hơn phải thiết kế thêm một bức tường ziczac (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 khá tốt neutron ở năng lượng ≥ 10 MV nên thường được sử dụng cho thiết kế che 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)

Ưu điểm Nhược điểm

X và neutron tốt

Độ dày rào cản lớn

Xử lý khó khăn

Chì 11,35 Không có 0,5 Bề dày tường che

chắn nhỏ

Dễ uốn cong, trong suốt với neutron

Thép 7,8 Không có 0,8

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

Gần như trong suốt với 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 gồm: hướng chiếu xuống trực tiếp (Gantry = 0o), hướng chiếu ngược lại lên trần nhà (Gantry = 180o), hướng chiếu về bên trái/phải (Gantry = 90o/270o)

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

quay Gantry thường gặp là 900 [9]

Sàn nhà (Gantry = 0o) 0,25

Sàn nhà (Gantry = 180o) 0,25

Tường ứng với góc Gantry = 90o 0,25

Tường ứng với góc Gantry = 270o 0,25

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 làm việc Hệ số chiếm cứ (T)

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

tế, khu vực tiếp tân, phòng điều khiển, phòng chờ,… 1

Các phòng làm việc, phòng khám bệnh nhân tiếp giáp

Hành lang, phòng nhân viên, phòng nhân viên nghỉ ngơi 1/5

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

trời, phòng chờ không giám sát 1/20

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

2700) khi gantry quay [9]

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

R8 (μSv/giờ) là như sau:

R8 = IDR × Wd U

Trong đó:

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

có suất liều đầu ra DR0, (𝜇Sv/giờ)

- Wd: tải làm việc hàng ngày được xác định cách nguồn 1m, (Gy/giờ)

- 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