Mô phỏng hình ảnh x quang bằng phương pháp monte carlo

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI THIỆN CHÁNH MƠ PHỎNG HÌNH ẢNH X-QUANG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 60520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2015 ii Cơng trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa–ĐHQG– HCM Cán hƣớng 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 đƣợc bảo vệ Trƣờng 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 Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG iii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: BÙI THIỆN CHÁNH MSHV: 12054879 Ngày, tháng, năm sinh: 20/02/1989 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 60520401 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HÌNH ẢNH X-QUANG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu lý thuyết tƣơng tác photon lƣợng cao với vật chất  Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động máy phát nguyên lý tạo ảnh X-quang  Nghiên cứu chƣơng trình Penelope mơ lan truyền photon electron lƣợng cao vật chất  Tiến hành mơ xác định hình ảnh vật liệu đƣợc tạo với dạng bản: khối lập phƣơng, khối trụ , khối cầu III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 7/7/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 8/5/2015 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Quang Linh Tp HCM, ngày tháng năm 2015 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG 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, người truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt q trình học cao học trường Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Huỳnh Quang Linh Thầy hướng dẫn tận tình, tạo cho cách tư làm việc khoa học, hướng cho thực 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, 08/5/2015 Học viên Bùi Thiện Chánh v TÓM TẮT Kể từ Wilhelm Conrad Roentgen phát tia X nhiều ứng dụng hữu ích chúng đƣợc khám phá Đặc biệt, tia X đƣợc dùng chụp ảnh X quang đƣợc sử dụng để chẩn đoán y tế Trong thời gian đầu, tính chất vật lý tia X khơng đƣợc tìm hiểu kĩ Ngày nay, ngƣời nắm rõ trình tƣơng tác tia X cách xác Vì thế, ta dự đốn đƣợc hình ảnh X quang phƣơng pháp mô Monte Carlo Phƣơng pháp mô Monte Carlo trở thành công cụ quan trọng nhiều lĩnh vực chụp ảnh X quang Chúng giúp ta hiểu đƣợc ảnh hƣởng tƣơng tác vật lý nhƣ hấp thụ, tán xạ, hay quang điện phonton vật liệu khác dựa thơng số chất lƣợng hình ảnh Trong đề tài , sử dụng chƣơng trình Penmain Penelope để mơ với ba mơ hình riêng biệt Các mơ hình đƣợc tạo thành bên ngồi khối mô, bên khối xƣơng với cấu trúc khác : khối cầu, khối lập phƣơng khối trụ Hình ảnh đƣợc tạo ghi nhận phân bố lƣợng 2D lớp đầu dò đặt sau vật thể Nếu đầu dị đƣợc xem hấp thụ hồn toàn xạ sau khỏi vật thể, cƣờng độ điểm ảnh đƣợc xem tƣơng đƣơng với mật độ liều hấp thụ lớp đầu dò Ảnh đƣợc tạo mơ hình hóa q trình lan truyền photon quang tạo sau tƣơng tác tia X với lớp chất nhấp nháy vi ABSTRACT Since the discovery of X-rays by Wilhelm Conrad Roentgen many useful applications of ‗his‘ rays have been found Especially physicians have started to use Xrays for medical diagnostics In the early days of X-ray imaging the physical nature of X-rays was not well understood In contrast, nowadays we know the physical processes and laws of generation and interaction of X-rays very precisely It is even possible to predict the behavior of an X-ray imaging system with the Monte Carlo approach and current standard computers using a reasonable calculation time Monte Carlo simulations have become crucial tools in many fields of X-ray imaging They help to understand the influence of physical effects such as absorption, scattering and fluorescence of photons in different detector materials on image quality parameters They allow studying new imaging concepts like photon counting, energy weighting or material reconstruction Additionally, they can be applied to the fields of nuclear medicine to define virtual setups studying new geometries or image reconstruction algorithms In this project, program Penmain in Penelope was used to simulate the three separate models The models is formed by external tissue mass, bone mass inside with different structures: sphere, cube and cylinder Images are created by the 2D energy distribution recorded in detector placed behind objects If radiation is absorbed completely after it comes out of the object, the intensity of the pixels are considered equivalent to the density of the absorbed dose in detector Image generated by the modeling of the process spread of optical photons generated when X-rays interact with scintillator vii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC HÌNH – ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU xii CHƢƠNG - TƢƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1 Bản chất tian gamma 1.1.1 Tia gamma 1.1.2 Tính chất tia gamma 1.2 Tƣơng tác tia gamma với vật chất 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 1.2.2 Hiệu ứng Compton 1.2.3 Hiệu ứng tạo cặp 1.2.4 Tán xạ Rayleigh 11 1.3 Sự suy giảm cảu chùm xạ gamma qua vật chất 13 1.3.1 Sự suy giảm chùm gamma hẹp 14 1.3.2 Sự suy giảm chùm gamma rộng Hệ số tích lũy 15 1.3.2.1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 16 1.3.2.2 Hệ số suy giảm khối lƣợng 17 CHƢƠNG - CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X 19 2.1 Cấu tạo máy phát X – quang thông thƣờng 19 2.1.1.Cấu tạo ống phát tia X 19 2.1.1.1 Âm cực (cathode) 20 2.1.1.2 Dƣơng cực (anode) 22 2.1.2 Vỏ ống chân không, dầu tản nhiệt, vỏ kim loại, cửa sổ ống phát tia X 25 2.1.2.1 Vỏ ống chân không 25 viii 2.1.2.2 Dầu tản nhiệt (dầu biến áp) 26 2.1.2.3 Vỏ kim loại 26 2.1.2.4 Cửa sổ ống 26 2.1.3 Bộ lọc tia 27 2.1.4 Hệ chuẩn trực đầu đèn (collimator) 29 2.2 Tƣơng tác tạo tia X 31 2.2.1 Bức xạ hãm 31 2.2.2 Bức xạ đặc trƣng 33 2.3 Nguyên lý hoạt động máy phát X- quang 35 2.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng liều tia X 36 2.5 Nguyên lý tạo ảnh X- quang 40 2.5.1 Hệ thống ghi ảnh 40 2.5.2 Đặc trƣng kỹ thuật 41 2.5.2.1 Độ tƣơng phản 41 2.5.2.2 Bức xạ tán xạ 42 2.5.2.3 Khoảng cách 42 CHƢƠNG – THỰC HÀNH KHẢO SÁT HÌNH ẢNH X – QUANG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG MONTE CARLO 43 3.1 Chƣơng trình mơ PENELOPE 43 3.1.1 Giới thiệu phƣơng pháp mô Monte Carlo 43 3.1.2 Tính tốn liều với Monte Carlo 44 3.1.3 Các yếu tố tính tốn liều Monte Carlo 45 3.1.3.1 Mơ hình vật lý 45 3.1.3.2 Bảng liệu tƣơng tác 45 3.1.3.3 Bộ phát số ngẫu nhiên 45 3.1.3.4 Cấu trúc hình học 46 3.1.3.5 Cấu tạo vật liệu 46 3.1.3.6 Đặc điểm nguồn 46 ix 3.1.3.7 Scoring 46 3.1.3.8 Làm giảm thăng giáng làm xấp xỉ 47 3.2 Tổng quan chƣơng trình PENELOPE 47 3.2.1 Hệ thống code PENELOPE 49 3.2.2 Cơ sở liệu file đầu vào 51 3.2.3 Giới thiệu chƣơng trình (MAIN) 54 3.2.3.1 Chƣơng trình PENSLAB 54 3.2.3.2 Chƣơng trình PENCYL 55 3.2.3.3 Chƣơng trình PENMAIN 56 3.3.Thực hành 57 3.3.1 Mơ hình 59 3.3.2 Mơ hình 63 3.3.3 Mơ hình 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC x DANH MỤC CÁC HÌNH – ĐỒ THỊ Hình 1.1 Phổ nguồn gamma Hình 1.2 Quá trình xảy tƣợng quang điện Hình 1.3 Sự phụ thuộc tiết diện hiệu ứng quang điện vào lƣợng photon Hình 1.4 Quá trình tƣơng tác Compton Hình 1.5 Sự phụ thuộc tiết diện tán xạ Compton vào lƣợng Hình 1.6 Quá trình tạo cặp 10 Hình 1.7 Sự phụ thuộc tiết diện tạo cặp vào lƣợng gamma 10 Hình 1.8 Tán xạ Reyleigh 11 Hình 1.9 Sự phụ thuộc tiết diện tƣơng tác lƣợng tử gamma vào lƣợng 14 Hình 1.10 Sự suy giảm chùm tia gamma qua vật chất 15 Hình 2.1 Những phận ống phát tia X thông thƣờng 19 Hình 2.2 Cấu trúc cathode ống tia X gồm sợi đốt Vonfram nằm chén hội tụ 20 Hình 2.3 Tác dụng làm thay đổi hình dạng phân bố chùm electron chén hội tụ 21 Hình 2.4 Các thành phần ống tia X có anode cố định 22 Hình 2.5 Cấu tạo anode quay 24 Hình 2.6 Mặt cắt anode RTM 24 Hình 2.7 Sự phân bố chùm tia X theo phƣơng pháp song song với trục cathode-anode 25 Hình 2.8 Bộ lọc hấp thụ photon lƣợng thấp 27 Hình 2.9 Phổ tia X điện áp đỉnh 150 kVp anode làm Volfram 28 Hình 2.10 Collmator có tác dụng điều chỉnh kích thƣớc hình học chùm tia X 29 Hình 2.11 Cấu trúc bên hệ chuẩn trực đầu đèn 30 Hình 2.12 Mặt cắt ngang phận chuẩn trực loại R20-J hãng Shimadzu 31 Hình 2.13 Bức xạ hãm phát electron tƣơng tác với hạt nhân bia 32 ... trình tƣơng tác tia X cách x? ?c Vì thế, ta dự đốn đƣợc hình ảnh X quang phƣơng pháp mô Monte Carlo Phƣơng pháp mô Monte Carlo trở thành công cụ quan trọng nhiều lĩnh vực chụp ảnh X quang Chúng giúp... SÁT HÌNH ẢNH X – QUANG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO 43 3.1 Chƣơng trình mơ PENELOPE 43 3.1.1 Giới thiệu phƣơng pháp mô Monte Carlo 43 3.1.2 Tính tốn liều với Monte Carlo. .. tài ― Mô hình ảnh X- quang phƣơng pháp Monte Carlo? ?? đƣợc thực với mục tiêu nhiệm vụ đề nhƣ sau: - Mục tiêu để tài: Thực mô hình ảnh X – quang số vật thể đơn giản phƣơng pháp mô Monte Carlo qua