Mô phỏng quá trình tạo ảnh x quang bằng phương pháp tính toán monte carlo

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ***** NGUYỄN TRẦN MINH QUANG MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO ẢNH X-QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN MONTE - CARLO Chun ngành: Vật Lý Kỹ Thuật 60 44 17 Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2016 ii Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa–ĐHQG– HCM Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày …tháng …năm … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên: Nguyễn Trần Minh Quang Sinh ngày: 22 / 04 / 1990 Ngành: Vật lý kỹ thuật MSHV: 12054906 Nơi sinh: Đồng Nai MN: 60 44 17 TÊN ĐỀ TÀI: Mơ q trình tạo ảnh X-quang phương pháp tính tốn Monte - Carlo NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - - Nghiên cứu lý thuyết tương tác photon lượng cao với vật chất Nghiên cứu chương trình Penelope mơ lan truyền photon electron lượng cao vật chất Thực tính tốn mơ tạo ảnh X-quang phương pháp Monte – Carlo với vật liệu tạo với dạng bản: khối cầu, khối lập phương, khối trụ Biện luận phụ thuộc chất lượng hình ảnh thu vào yếu tố xạ hình học NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 30/01/2016 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/12/2016 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Quang Linh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG iv LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy cô khoa Khoa Học Ứng Dụng trường người truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học cao học trường Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Huỳnh Quang Linh Thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu hồn thành đề tài luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè ln động viên ủng hộ, giúp tơi có thêm động lực để hồn thành đề tài TP Hồ Chí Minh, 19/12/2016 Học viên Nguyễn Trần Minh Quang v TÓM TẮT Với hỗ trợ cơng nghệ máy tính, phương pháp mơ Monte Carlo cơng cụ tính tốn quan trọng nhiều lĩnh vực ứng dụng tương tác X quang với vật chất, có ứng dụng chẩn đốn hình ảnh y học Phương pháp giúp ta hiểu ảnh hưởng tương tác vật lý hấp thụ, tán xạ, hay quang điện photon vật liệu khác nhau, dựa vào đánh giá chất lượng hình ảnh an toàn xạ người sử dụng Trong đề tài này, chương trình Penmain Penelope sử dụng để mơ hình ảnh X quang với ba mơ hình bản: khối cầu, khối lập phương khối trụ Hình ảnh tạo ghi nhận phân bố lượng 2D hấp thụ mơ đầu dị xạ Trong mơ hình cường độ điểm ảnh xem tỷ lệ với mật độ liều hấp thụ thu Từ đó, ta thu hình ảnh X – quang thông qua mật độ phân bố liều thu Cách tiếp cận cho phép khảo sát độ tương phản hình ảnh hiệu suất thu nhận theo vật liệu đầu dò khác Kết đề tài khảo sát thay đổi chất lượng ảnh phụ thuộc vào lượng X quang vi ABSTRACT With the help of computational technology, Monte Carlo simulation method is an important tool used in many fields of application of X-ray interaction with matter, including medical imaging applications This method helps us deeper understanding the effect of basic physical phenomena such as absorption, scattering, or photoeffect in different materials, on which the image quality and radiation safety for users can be evaluated In this thesis, PENMAIN program of Penelope software was used to simulate the Xray image with three basic models: sphere, cube and cylinder The image was created by the recording of absorbed dose distribution in a sheet detector simulator In this model, pixel intensity is considered to be proportional to the local absorbed dose density, based on which X-ray image could be derived from the whole dose density distribution of detector simulator Mentioned approach should allow the study of contrast picture performance of different detector materials Some results of image quality evaluation depending on the X-ray energy were investigated as well vii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, hướng dẫn PGS TS Huỳnh Quang Linh Các số liệu nghiên cứu kết nêu luận văn trung thực, xác chưa công bố Học viên Nguyễn Trần Minh Quang viii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii  TÓM TẮT v  ABSTRACT vi  LỜI CAM ĐOAN vii  MỤC LỤC viii  MỞ ĐẦU 1  1.  Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài 1  2.  Ý nghĩa đề tài 1  3.  Các mục tiêu đề tài 2  CHƯƠNG - TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ TIA X VỚI VẬT CHẤT 3  1.1.  Bản chất tia X 3  1.1.1 Tia X 3  1.1.2 Tính chất 3  1.1.3 Ứng dụng 3  1.2.  Tương tác tia X với vật chất [1] 4  1.2.1 Các loại tương tác 4  1.2.2 Các đơn vị đo liều xạ 6  1.3.  Sự suy giảm chùm xạ tia X qua vật chất [2] 7  1.3.1 Hệ số suy giảm tuyến tính 7  1.3.2 Hệ số suy giảm khối lượng 10  1.3.3 Hệ số suy giảm tuyến tính tiết diện toàn phần tương tác 11  CHƯƠNG - MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO ẢNH X-QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN MONTE – CARLO 12  2.1  Tổng quan phương pháp tạo ảnh X – quang 12  2.1.1  Nguyên lý hoạt động máy phát X-quang 12  2.1.2  Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều tia X 13  2.1.3  Nguyên lý tạo ảnh X- quang 16  2.1.4  Hệ thống ghi ảnh 17  2.2  Đặc trưng kỹ thuật 18  2.2.1  Độ tương phản 18  2.2.2  Bức xạ tán xạ 18  2.2.3  Khoảng cách 18  2.3  Phương pháp mô Monte Carlo [4] 19  2.3.1  Giới thiệu phương pháp mô Monte Carlo 19  2.3.2  Tính tốn liều với Monte Carlo 20  2.3.3  Các yếu tố tính tốn liều Monte Carlo 20  2.4  Tổng quan chương trình PENELOPE 22  2.4.1  2.4.2  2.4.3  2.4.4  2.4.5  Hệ thống code PENELOPE 24  Cơ sở liệu file liệu vật liệu đầu vào 26  Giới thiệu chương trình (MAIN) 29  Chương trình PENSLAB 29  Chương trình PENCYL 30  ix 2.4.6  Chương trình PENMAIN 30  2.5  Thực hành mơ q trình tạo ảnh X-quang phương pháp tính tốn Monte – Carlo 31  2.5.1  Thực hành 31  2.5.2  Mô hình 32  2.5.3  Mơ hình 38  2.5.4  Mơ hình 42  2.5.5  Nhận xét chung 47  2.5.6  Kết luận 49  TÀI LIỆU THAM KHẢO 50  x DANH MỤC CÁC HÌNH – ĐỒ THỊ Hình 1 Tán xạ Reyleigh 4  Hình 1.2 Quá trình tán xạ Compton 5  Hình 1.4 Quá trình sinh cặp hủy cặp 6  Hình Quá trình suy giảm số lượng photon khỏi vật liệu 7  Hình Đồ thị hệ số suy giảm tán xạ Rayleigh, tán xạ Compton, hấp thụ quang điện, phản ứng tạo cặp tổng hệ số suy giảm khối lượng mô (Z = 7) hàm lượng 8  Hình Quá trình hình thành hệ số suy giảm tuyến tính 9  Hình Hệ số suy giảm khối lượng số vật liệu 11  Hình Cường độ phát xạ tia X thay đổi mạnh theo giá trị (kVp), giữ giá trị dòng qua ống thời gian chiếu không đổi 14  Hình 2 Ảnh hưởng dịng qua ống (mA) lên hiệu suất phát tia X 15  Hình Cường độ phổ xạ giá trị điện áp (kVp), giá trị dòng qua ống (mA), thời gian chiếu với điện pha pha 16  Hình PENELOPE version 2006 23  Hình Cây thư mục hệ thống code PENELOPE 24  Hình Mơ tả cấu trúc hình học phẳng PENSLAB 29  Hình Mơ tả cấu trúc mơ hình 32  Hình Tập tin đầu vào (file.in) q trình mơ 34  Hình Hình ảnh vật liệu tạo file gview2d.exe 35  Hình 10 File kết trình mô 35  Hình 11 Hình ảnh vật liệu mặt phẳng Oxy 36  Hình 12 Hình ảnh vật liệu mặt phẳng Oxy với lượng chiếu khác 37  Hình 13 Hình ảnh thu với thời gian mô từ trái qua phải 2.0e2 s, 2.4e3 s, 1.8e4 s 38  Hình 14 Mơ tả cấu trúc mơ hình 38  Hình 15 Tập tin đầu vào (file.in) q trình mơ mơ hình 39  Hình 16 Hình ảnh vật liệu tạo file gview2d.exe 40  Hình 17 File kết thu sau q trình mơ 40  Hình 18 Hình ảnh vật liệu mặt phẳng Oxy 41  Hình 19 Hình ảnh vật liệu mặt phẳng Oxy với lượng chiếu khác 41  ... tuyến tính tiết diện toàn phần tương tác 11  CHƯƠNG - MƠ PHỎNG Q TRÌNH TẠO ẢNH X- QUANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN MONTE – CARLO 12  2.1  Tổng quan phương pháp tạo ảnh X – quang. .. thể - X? ?y dựng chương trình mô tạo ảnh X - quang vật chất sinh học tạo sở để x? ?y dựng chương trình phức hợp để khảo sát tạo ảnh X - quang trường hợp thực tiễn - Thực mơ q trình tạo ảnh X – quang. .. Quang Linh HVTH :Nguyễn Trần Minh Quang Mô hình ảnh X- quang phương pháp Monte - Carlo Các mục tiêu đề tài Trên sở tổng quan trên, với mục tiêu luận văn đề mô ảnh X- quang vật thể phương pháp Monte