Khảo sát phân bố liều lượng trong phòng máy x quang chuẩn đoán sử dụng chương trình MCNP

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của tia X và tia gamma là trong lĩnh vực Y tế chẩn đoán như: Y học hạt nhân, xạ trị ung thư, đo xương, chụp CT, chụp xương gãy, chụp nha, chụp ph

ThS THÁI MỸ PHÊ CBPB : ThS TRẦN THIỆN THANH

TP HỒ CHÍ MINH - 2011

tình của quý thầy cô, bạn bè trong suốt quá trình học tập vừa qua Thông qua quyển khóa luận này tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:

 Cô TS TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN, người đã hướng dẫn tận tụy, chỉ bảo

hết lòng và đã định hướng cho tác giả thực hiện bản luận văn này

 Thầy ThS THÁI MỸ PHÊ, người đã chỉ bảo và đã tạo điều kiện cho tác giả thực tập ở Bệnh viện Nhi đồng I, đồng hướng dẫn với cô LOAN

 Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, hiện là trưởng khoa và trưởng bộ môn, người đã đồng ý và giới thiệu tác giả cho cô LOAN hướng dẫn thực hiện khóa

luận này

 Thầy ThS TRẦN THIỆN THANH, người đã giành thời gian đọc và góp ý cho

khóa luận của tác giả được hoàn thiện hơn

 Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý-Vật lý Kỹ thuật – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập

 Gia đình và bạn bè của tác giả, đặc biệt là bạn HUỲNH THANH PHƯƠNG,

bạn chí thân từ thuở thiếu thời, hiện đang công tác tại Đại học Mở TPHCM, người đã giúp đỡ tác giả về mọi mặt trong suốt quá trình học tập

TPHCM, tháng 7 năm 2011

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X 4

1.1 Cấu tạo máy phát X-quang thông thường 4

I.1.1 Phần chính 4

I.1.2.Phần phụ máy X-Quang 4

1.2 Hoạt động máy phát X-quang 6

1.3 Nguyên lý của quá trình phát tia X 7

1.3.1 Quang phổ tia X liên tục 8

1.3.2 Quang phổ tia X đặc trưng 8

1.3.3 Hiệu ứng Auger 9

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra của tia X 10

1.4.1 Điện cao áp đỉnh (kVp) 10

1.4.2 Dòng phát tia của bóng X-quang (mA) 10

1.4.3 Dạng sóng điện nguồn 11

1.4.4 Vật liệu làm bia của bóng X-quang 11

1.4.5 Góc nghiêng anode 11

1.4.7 Chiều dày hấp thụ một nửa 13

1.4.8 Thời gian phát tia 14

1.5 Ứng dụng của tia X trong y học 14

Chương 2 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X-QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ 15

2.1 Các giới hạn liều chiếu xạ 15

2.1.1 Hệ thống giới hạn liều do ICRP khuyến cáo 15

2.1.2 Các giới hạn liều tương đương 15

2.1.2.1 Đối với các nhân viên bức xạ 17

2.1.2.2 Đối với nhân dân 17

2.2 An toàn bức xạ tại các cơ quan y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 17

2.2.1 Phạm vi áp dụng 17

2.2.2 Liều giới hạn 18

2.2.2.1 Liều giới hạn cho các đối tượng khác nhau 18

2.2.2.2 Liều giới hạn đối với người trợ giúp bệnh nhân 19

22.2.3 Liều khuyến cáo để chiếu, chụp 1 phim X-quang một lần đối với bệnh nhân 19

2.2.3 Địa điểm của một cơ sở X-quang 21

2.2.4 Bố trí một cơ sở X-quang 21

2.2.4.2 Phòng đặt máy X-quang 21

2.2.4.3 Phòng xử lý phim 23

2.2.4.4 Phòng ( hoặc nơi) làm việc của nhân viên bức xạ 24

2.2.5 Máy chụp X-quang chẩn đoán 24

2.2.5.1 Mức rò phát xạ qua vỏ bọc bóng phát tia X 24

2.2.5.2 Các chụp nón chuẩn trực hoặc bộ khu trú chùm tia 24

2.2.5.3 Bộ lọc chùm tia 24

2.2.5.4 Bộ vít khóa 25

2.2.5.5 Cáp nối 25

2.2.5.6 Bàn điều khiển 25

2.2.6 Máy chiếu X-quang chẩn đoán 26

2.2.6.1 Máy chiếu X-quang chẩn đoán 26

2.2.6.2 Đối với máy chiếu X-quang có màn huỳnh quang 26

2.2.6.3 Bộ khu trú chùm tia (diaphragm) của máy chiếu X-quang 26

2.2.6.4 Điều khiển độ sáng tự động ( nếu có ) 27

2.2.6.5 Công tắc điều khiển bằng chân và đèn báo 27

2.2.6.6 Kính chì bảo vệ 27

2.2.6.7 Ghế của máy chiếu X-quang 27

2.2.6.8 Tấm chắn cao su chì 27

2.2.7 Máy chiếu X-quang chẩn đoán có thiết bị tăng sáng

truyền hình 28

2.2.8 Máy chiếu X-quang điều trị 28

2.2.8.1 Vỏ bọc phát tia X 28

2.2.8.2 Chụp hình nón 28

2.2.8.3 Đặt thời gian tự động 29

2.2.8.4 Khóa an toàn 29

2.2.8.5 Thiết bị quan sát, liên lạc với bệnh nhân 29

2.2.8.6 Trang bị phòng hộ cá nhân 29

2.2.8.7 Tạp dề cao su chì 29

2.2.8.8 Găng tay cao su chì 29

2.2.9 Theo dõi liều bức xạ cá nhân 29

2.2.10 Kiểm định và hiệu chuẩn máy 30

2.2.11 Bảo dưỡng, duy tu các máy X-quang chẩn đoán, điều trị 30

2.3 Một số yêu cầu An toàn Bức xạ đối với X-quang chẩn đoán 30

2.3.1 Những rủi ro trong X-quang chẩn đoán 30

2.3.1.1 Các nguồn bức xạ 30

2.3.1.2 Các ảnh hưởng của thông số kỹ thuật và liều bệnh nhân 31

2.3.2 Các nguyên tắc bảo vệ an toàn bức xạ cơ bản trong Y tế 33

2.3.3 Các yêu cầu đối với máy X-quang 34

2.3.4 Các biện pháp giảm liều 34

2.3.4.1 Che chắn để giảm liều cho nhân viên 34

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP 38

3.1 Phương pháp Monte Carlo 38

3.2 Giới thiệu chương trình MCNP 39

3.3 Đặc điểm của chương trình MCNP 39

3.3.1 Cấu trúc của một Input file của MCNP 39

3.3.2 Hình học của MCNP 40

3.3.2.1 Thẻ ô 40

3.3.2.2 Thẻ mặt 41

3.3.3 Dữ liệu hạt nhân 41

3.3.4 Các đặc trưng về nguồn 42

3.3.5 Các Tally (các đánh giá) 43

3.3.6 Tập tin xuất 43

3.3.7 Sai số tương đối 44

Chương 4 KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU TRONG PHÒNG MÁY X-QUANG CHẨN ĐOÁN CHỤP NHA SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP5 46

4.1 Mô phỏng MCNP phòng máy X-quang chụp nha 46

4.1.1 Hình học phòng X-quang chụp nha 46

4.1.2 Thông số tường che chắn 46

4.1.3 Các thông số máy X quang chụp nha 47

4.1.5 Tally sử dụng 48

4.2 Kết quả và thảo luận 48

4.2.1 Kết quả đo suất liều trung bình tại vị trí 48

4.2.2 Khảo sát phân bố suất liều xung quanh máy phát tia X, cao độ bằng tâm nguồn phát tia X (Z = -39 cm) 48

4.2.3 Khảo sát phân bố suất liều theo khoảng cách từ tâm nguồn phát tia X (cao độ bằng tâm nguồn Z = -39) 51

4.2.4 Khảo sát phân bố suất liều theo độ cao từ tâm nguồn phát tia X 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 58

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 1.1 Giá trị HVL của nhôm tương ứng với các năng lượng khác nhau 13

2 2.1 Các giới hạn liều tương đương đối với nhân viên bức xạ và nhân

dân theo khuyến cáo của ICRP

16

3 2.2 Số liệu thừa số rủi ro và trọng số của các loại mô khác nhau theo

ICRP 26

16

4 2.3 Liều giới hạn trong một năm ( Đơn vị tinh bằng mSv) 18

5 2.4 Liều khuyến cáo cho 1 phim chụp X-quang quy ước đối với bệnh

7 2.6 Kích thước tối thiểu tại các buồng làm việc đối với các máy

X-quang chẩn đoán, điều trị

22

8 2.7 Hiệu quả che chắn cho bệnh nhân tuyến giáp 35

9 3.1 Các loại tally trong MCNP 43

10 3.2 Các đánh giá sai số tương đối R trong MCNP 45

11 4.1 Phân bố suất liều tại các điểm theo sơ đồ hình 4.3 49

12 4.2 Phân bố suất liều theo khoảng cách từ tâm nguồn 51

13 4.3 Phân bố suất liều theo độ cao z’Oz từ tâm nguồn 54

STT Hình Diễn giải Trang

3 1.3 Cơ chế tạo quang phổ liên tục 8

4 1.4 Cơ chế tạo quang phổ tia X đặc trưng 9

5 1.5 Sự biến đổi phổ của bức xạ được phát bởi các điện tử có năng

lượng 200 keV bắn phá vào bia Wolfram có các tấm lọc khác nhau

12

6 1.6 Hình chụp bàn tay đeo nhẫn bằng tia X 14

7 2.1 Phân bố liều tán xạ từ máy chiếu X-quang 32

8 2.2 Ảnh hưởng bức xạ khi bóng trên bàn và bóng dưới bàn 33

9 2.3 Hiệu ứng giảm liều cho bệnh nhân bằng cách giảm kích thước

11 4.1 Mặt cắt dọc của phòng đặt máy X-quang 47

12 4.2 Mặt cắt ngang của phòng đặt máy X-quang 47

13 4.3 Sơ đồ các điểm khảo sát phân bố liều quanh ống tia X bên trong

và ngoài phòng X-quang

49

14 4.4a Suất liều theo khoảng cách bên phải nguồn phát (hướng vào trong) 52

15 4.4b Suất liều theo khoảng cách bên trái nguồn phát (hướng ra ngoài

cửa)

53

16 4.5a Phân bố suất liều theo độ cao (hướng lên trần) 55

17 4.5b Phân bố suất liều theo độ cao (hướng xuống đất) 55

MỞ ĐẦU

Năm 1895, nhà bác học người Đức Wilhelm Roentgen đã phát hiện tia X và từ

đó đến nay tia X (và cả tia gamma) đã được ứng dụng và phát triển Nó đã trở thành một phần rất quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và văn minh của loài người tiến bộ

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của tia X và tia gamma là trong lĩnh vực Y tế chẩn đoán như: Y học hạt nhân, xạ trị ung thư, đo xương, chụp CT, chụp xương gãy, chụp nha, chụp phát hiện ung bướu, chụp xoang,…

Phương pháp sử dụng các máy phát tia-X để chiếu, chụp ảnh X-quang chẩn đoán bệnh trong Y tế ở nước ta suốt nhiều thập kỷ qua mới chỉ đơn thuần nhìn nhận ở khía cạnh lợi ích và hiệu quả có tính chất hiển thị của phương pháp Còn thì cách thức

sử dụng, giới hạn sử dụng kỹ thuật này, tức là những đòi hỏi nghiêm ngặt về mặt chuyên môn và kỹ thuật của phương pháp, bao gồm nhiều yếu tố, đã không được đề cập, không được xem xét đến Qua công tác điều tra, thống kê, đánh giá thực trạng an toàn bức xạ tại nhiều địa phương trong cả nước đã cho thấy: chỉ xét riêng vấn đề bảo đảm an toàn bức xạ trong ngành Y tế, cụ thể là trong lĩnh vực chiếu, chụp X-quang chẩn đoán bệnh, đã thấy tồn tại những vấn đề mà về phương diện xã hội cũng như cuộc sống sẽ cần phải được đánh giá, xem xét một cách đúng mực và nghiêm túc Thực

tế cho thấy, việc chiếu, chụp ảnh X-quang chẩn đoán bệnh trong ngành Y tế ở nước ta

từ trước đến nay thực sự là chưa bảo đảm yêu cầu về an toàn bức xạ; chưa có sự giám sát, kiểm soát và quản lý mang tính pháp quy của Nhà nước đối với loại hình hoạt động này

Chúng ta không phủ nhận những lợi thế và những hiệu quả thiết thực trong việc chẩn đoán bệnh cho con người do phương pháp này mang lại Tuy nhiên, nếu thực hiện việc chiếu, chụp ảnh X-quang mới dừng lại, mới chỉ biết đến khả năng chẩn đoán bệnh

qua hình ảnh của phương pháp mà không biết đến, không nhìn nhận và xem xét một cách thận trọng đặc thù tác hại luôn đi kèm theo khi thực hiện kỹ thuật này thì sẽ dẫn đến những hậu quả hết sức tai hại, gây ảnh hưởng xấu cho sức khỏe, cho cuộc sống, thậm chí gây ra những rủi ro, nguy hiểm cho chính bản thân các bác sỹ, các kỹ thuật viên sử dụng máy móc chiếu, chụp X-quang; cho các bệnh nhân phải chiếu chụp để được chẩn đoán bệnh; cho cả các nhân viên không liên quan đến việc thực thi kỹ thuật này và cả với dân chúng nói chung trong khu vực tác dụng của chùm tia X phát ra từ máy phát Điều này có nghĩa là việc chiếu, chụp X-quang chẩn đoán bệnh trong Y tế phải được kiểm soát, được quản lý nghiêm chỉnh Khi thực hành chiếu, chụp phải bảo đảm đã thực sự tuân thủ những quy định nghiêm ngặt các giới hạn, các đặc trưng kỹ thuật trong phương pháp, bảo đảm thực hiện tốt các yêu cầu về che chắn an toàn bức

xạ

Về mặt xã hội, để thực hiện quản lý Nhà nước trong lĩnh vực này, tại nhiều nước trên thế giới, nhất là các nước công nghiệp phát triển, Nhà nước thực hiện ban hành các văn bản pháp quy, các tài liệu khuyến cáo, hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật quy định

cụ thể các điều kiện hoạt động, quy định bảo đảm các yêu cầu của luật pháp, các yêu cầu chuyên môn và kỹ thuật, nhằm thực hiện và thực thi quản lý an toàn bức xạ đối với một cơ sở X-quang chẩn đoán bệnh

Ở nước ta, trên thực tế hệ thống các văn bản pháp quy, các tài liệu hướng dẫn chuyên môn, hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật đáp ứng cho công tác quản lý Nhà nước

về mặt này đang còn chưa đầy đủ và hoàn thiện đáp ứng cho công tác quản lý đạt được hiệu quả hơn, bảo đảm được lợi ích thiết thực đối với người bệnh, đối với môi trường sống tự nhiên cho con người nói chung, đặc biệt là bảo đảm các quyền lợi, bảo đảm sự

an toàn cho các bác sỹ, các kỹ thuật viên X-quang trong ngành Y tế

Đối với việc thực hiện chiếu xạ cần bảo đảm sự an toàn con người và lợi ích của việc chiếu xạ phải thuần dương Việc che chắn phải bảo đảm an toàn và lợi ích kinh tế,

nghĩa là vị trí, kích thước không gian phòng, vật liệu che chắn phù hợp điều kiện cho phép của cơ quan X-quang sao cho tối ưu nhất, nghĩa là thiết kế phòng X-quang đủ tiêu chuẩn an toàn hợp lý mà chiếm không gian tối thiểu

Trong khóa luận này, chúng tôi sử dụng chương trình MCNP5 để mô phỏng máy X-quang chụp nha và tường che chắn xung quanh phòng máy, bước đầu tính toán phân bố suất liều xung quanh máy X-quang trong cũng như ngoài phòng Từ đó đưa ra những đánh giá về mặt an toàn bức xạ cho nhân viên điều khiển máy cũng như những người làm việc xung quanh phòng đặt máy X-quang khảo sát

Với mục đích trên, khóa luận được chia làm 4 chương:

- Chương 1: Nguyên lý máy phát tia X

- Chương 2: Bức xạ ion hóa và an toàn bức xạ

- Chương 3: Phương pháp Monte Carlo và chương trình mô phỏng MCNP

- Chương 4: Khảo sát phân bố suất liều trong phòng máy X-quang chẩn đoán chụp nha sử dụng chương trình MCNP5

CHƯƠNG 1

NGUYÊN LÝ MÁY PHÁT TIA X

1.1 Cấu tạo máy phát X-quang thông thường

Cấu tạo máy phát X-quang thông thường bao gồm phần chính và phần phụ:

1.1.1 Phần chính

Máy X-quang gồm các bộ phận không thể thiếu được: bộ cấp nguồn đốt tim đèn

X quang, bộ cấp điện cao thế vào anode và cathode, bộ điều khiển thời gian phát tia và

bộ phận quan trọng nhất đó là ống phóng tia X Những phần chính của ống tia X bao gồm: cathode, anode, rotor, stator, vỏ bọc kim loại, vỏ bọc tia X

Hình 1.1 Cấu tạo của bóng phát tia X

1.1.2.Phần phụ máy X-Quang

Phần phụ máy X-quang thường có những bộ phận chính sau:

- Tủ điều khiển: đây là bộ phận điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ máy Trên

tủ điều khiển cho phép đặt các thông số chụp (kVp, mA, ms, mAs) và các chương trình hoạt động của máy cho phù hợp với các ca bệnh dùng chẩn đoán X-quang Tủ điều khiển là một bộ phận điện tử phức tạp Trên tủ là các công tắc điều khiển kvp, mA, ms, công tắc phát tia và các đồng hồ chỉ thị chế độ hoạt động của máy Hoạt động chính xác của hệ điện tử đóng vai trò quyết định chất lượng hình ảnh chẩn đoán X-quang

-Máy phát cao thế: đây là nguồn cung cấp cao thế cho bóng X-quang Cấu tạo

cơ bản của máy là mạch biến thế nâng áp và chỉnh lưu điện xoay chiều Tùy theo các loại chỉnh lưu được sử dụng mà phổ tia X có các phần năng lượng khác nhau Đối với máy nửa sóng thì điện áp giữa anode và cathode có giá trị từ 0 đến giá trị cực đại nên tia X phát ra có cả các thành năng lượng thấp Phần năng lượng thấp của tia X không

có ý nghĩa gì trong việc tạo ảnh mà chỉ làm tăng liều bệnh nhân Để giải quyết điều này các máy X-quang hiện đại đã được chế tạo là các máy đa xung, chỉnh lưu nhiều pha và cao tần Thông thường các máy phát cao áp có thể là dạng 2 xung, 6 xung, 12 xung; trong đó loại 12 xung là loại có hiệu suất bức xạ (mGy/mAs) lớn nhất

-Bàn chụp: được cấu tạo bằng cao su lưu hoá (gỗ phíp) có tác dụng cho tia Quang đi qua một cách dễ dàng Khung sườn bằng nhôm định hình rất vững chãi để bệnh nhân có thể nằm, ngồi lên bàn chụp Phía dưới bàn chụp người ta thiết kế một ngăn kéo để đựng hộp phim X-Q (hoặc bộ đầu dò detector đối với máy X-Q tăng sáng truyền hình) Giữa ngăn kéo với mặt bàn có hệ thống lưới để chống tia thứ cấp, khi chụp, lưới này được một mô tơ di chuyển tịnh tiến cho phù hợp theo yêu cầu

X-Hình 1.2 Phần phụ máy X-quang

-Bộ khu trú chùm tia: đây là bộ phận có tác dụng định vị trường chụp chiếu quang và hạn chế liều bức xạ tới bệnh nhân và người vận hành máy -Hệ thống ghi nhận hình ảnh: bao gồm khay cassette, hộp đựng phim có kích thước 30x40; 24x30; 18x24 và 13x18 cm Hoạt động của bộ phận này cũng đóng vai trò nâng cao chất lượng hình ảnh

X-1.2 Hoạt động máy phát X-quang

- Cathode của ống tia X thường là 1 dây tóc Tungsten có hình lò xo xoắn thẳng đứng là nguồn phát ra các electron Chén hội tụ xoay quanh tim đèn để làm hội tụ chùm âm điện tử, chén hội tụ thông thường được làm từ Nikel

- Anode chia làm 2 loại: loại quay và loại không quay Loại không quay gồm 1 bia Tungsten gắn chặt vào 1 khối đồng, nó đóng 2 vai trò là vật mang cực dương và vật tải nhiệt Nhưng khuyết điểm của loại anode không quay là nó dễ bị ăn mòn và giới

hạn cường độ dòng tia X Loại không quay được dùng để chụp X-quang ở các cơ quan như hàm, răng, X quang xách tay

- Loại quay thì được dùng cho hầu hết các chẩn đoán Bộ phận làm cho anode quay chính là Rotor Rotor bao gồm cuộn dây đồng bao quanh lõi sắt hình trụ, nhiều nam châm điện quấn quanh bên ngoài rotor bên ngoài ống tia X làm thành stator, tốc

độ quay từ 3000-3600 vòng/phút (chậm) và nhanh nhất là 9000-10000 vòng/phút Giá

đỡ rotor phải chịu được nhiệt, đây là nguyên nhân thường làm hỏng ống tia X Để dẫn nhiệt tốt người ta thường dùng dầu làm chất giải nhiệt

Toàn bộ cathode và anode của bóng X-quang được bọc trong bóng thủy tinh Silicarbon có chân không cỡ 10-6 mmHg Do tia X phát ra theo mọi hướng, nên phải khu trú tia X hữu ích về tới nơi mà chúng ta cần chụp Bóng X-quang thường bọc bằng thép hoặc chì xung quanh để tia X đi qua một cửa sổ nhỏ, để hạn chế sự rò tỉ tia xạ

Ngày nay, do để tăng tuổi thọ của bóng X-quang bia Tungsten được phủ trên bề mặt các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, hệ số dẫn nhiệt tốt và hiệu suất phát tia X cao và nguyên tử số lớn như Wolfram –W ( Z=74), Molybden – Mo (Z=42) hay Rodi –

Rh (Z=45)

1.3 Nguyên lý của quá trình phát X-quang

Tia X được sinh ra từ sự đốt nóng tim đèn X-quang (được thiết kế bằng chất liệu tungsten) của cathode làm bật một lượng lớn electron, các electron được gia tốc với một cao thế rất lớn (khoảng 20-300 kV), chính cao thế này tạo điện trường cũng rất lớn giữa anode và cathode, và điện trường này đã cung cấp cho electron một động năng rất lớn di chuyển đến, tác dụng vào chất liệu của anode, khi đó có 3 hiệu ứng xảy ra:

1.3.1 Quang phổ tia X liên tục [1]

Electron “dùng” động năng của mình xuyên sâu qua lớp vỏ nguyên tử và tác dụng vào hạt nhân của nguyên tử nguyên tố của chất liệu cấu tạo anode và mất dần năng lượng (động năng) và một phần năng lượng này electron đốt nóng anode cho đến khi dừng lại thì phát ra photon, đó chính là tia X, và quá trình này gọi là quá trình phát bức xạ hãm Quang phổ của tia X này là quang phổ tia X liên tục, nó không phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm anode mà chỉ phụ thuộc vào cao thế U giữa anode và cathode Quang phổ có cực đại phổ dịch chuyển về phía sóng ngắn λmin được xác định bởi công thức:

eU=h

Hình 1.3 Cơ chế tạo quang phổ liên tục

eE : electron mang năng lượng E; hγ : năng lượng photon phát ra

1.3.2 Quang phổ tia X đặc trưng (quang phổ vạch) [1]

Trường hợp này chỉ xảy ra khi hiệu điện thế U có giá trị rất cao (phụ thuộc vào nguyên tử nguyên tố của anode) và phổ này chồng chập lên quang phổ liên tục Quang

hγ

phổ vạch đặc trưng cho chất liệu nguyên tử nguyên tố anode gồm nhiều dãy ký hiệu là dãy K, dãy L, dãy M, … Lúc này electron mang một động năng rất lớn (T= mv2=eU),

có khả năng xuyên sâu vào lớp vỏ nguyên tử , kích thích các electron thuộc các lớp sâu bên trong làm cho các electron này bị đánh bật ra khỏi lớp đó và tạo ra những trạng thái lượng tử bị bỏ trống; các electron khác ở các lớp bên ngoài sẽ nhảy vào chiếm chỗ

và phát ra các photon theo tiên đề 2 của Bohr

Đối với trường hợp electron thuộc lớp K bị kích thích và bị đẩy ra ngoài thì các electron ở các lớp L hoặc M hoặc N, … nhảy vào chiếm chỗ, từ đó phát ra các photon (tia X) tạo thành dãy K (gồm Kα , Kβ, …).Tương tự nếu electron thuộc lớp L bị kích thích, các electron thuộc các lớp M hoặc N hoặc O, … nhảy vào chiếm chỗ, thì phát ra photon tạo thành dãy L (gồm các vạch Lα, Lβ, …)

Hình 1.4 Cơ chế tạo quang phổ tia X đặc trưng

1.3.3 Hiệu ứng Auger [2]

Hiệu ứng này còn gọi là sự biến hoán trong (hấp thụ quang điện nội tại), đây là hiệu ứng phụ của 2 hiệu ứng trên Trong trường hợp này tia X vừa phát ra ở 2 hiệu ứng trên bị hấp thụ ngay bởi một electron ở tầng phía ngoài hơn trong cùng một nguyên tử,

hγ

khi đó tia X sẽ truyền năng lượng cho electron, nếu năng lượng này đủ lớn thì electron này sẽ bức ra và phóng thích ra ngoài, và electron này gọi là electron Auger

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng liều ra của tia X [3]

Các đặc trưng kỹ thuật và đo lường cơ bản của máy X-quang ảnh hưởng đến chất lượng liều lối ra gồm:

1.4.1 Điện cao áp đỉnh (kVp)

Đây là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến bức xạ của bóng X-quang, điện

áp này đặt trên hai cực của bóng X-quang và nó quyết định năng lượng của phổ tia X Với cùng một bề dày của tấm lọc, kVp sẽ xác định phẩm chất và khả năng đâm xuyên của chùm tia X Khả năng đâm xuyên tỷ lệ thuận với giá trị cao thế, do đó nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ảnh X-quang

Về nguyên tắc cường độ trung bình của tia X truyền qua cơ thể sẽ tỷ lệ bậc 4 với kVp và tỷ lệ nghịch với chiều dày d của cơ thể:

Cường độ ~ (kVp)4

Thực tế cho thấy nếu tăng 10 kV thì độ đen của phim sẽ tăng gấp đôi và độ tương phản của phim X-quang sẽ giảm nếu ta chụp với giá trị kVp thấp

1.4.2 Dòng phát tia của bóng X-quang (mA)

Dòng phát tia của bóng X-quang là dòng điện chạy từ anode đến cathode của bóng X-quang trong thời gian phát tia Khi tăng dòng mA sẽ làm tăng số photon lối ra nhưng không làm thay đổi dạng phổ Ví dụ nếu tăng dòng mA từ 200- 400 mA thì liều chiếu cũng tăng gấp đôi, nhưng các đỉnh kVp không thay đổi

1.4.3 Dạng sóng điện nguồn

Dạng sóng điện nguồn có ảnh hưởng đáng kể đối với phổ tia X, khi bóng tia X được cấp điện áp 1 pha thì kVp sẽ thay đổi ở tất cả các thời điểm, điều đó có nghĩa là cường độ và năng lượng phổ tia X thay đổi liên tục trong chu kỳ Nếu bóng tia X được cấp điện áp 3 pha hay nguồn không đổi thì hiệu suất phát tia sẽ được nâng cao vì giá trị kVp hiệu dụng (kVp eff) được nâng cao:

kVp eff = 0,7 kVp (1.3) 1.4.4 Vật liệu làm bia của bóng X-quang

Đây cũng là một tham số có ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia X Các nhà chế tạo thường chọn các vật liệu làm bia có nguyên tử số và nhiệt độ nóng chảy cao

1.4.5 Góc nghiêng anode

Bởi vì các điện tử đâm xuyên vào bia của bóng X-quang nên các tia X được tạo

ra ở các chiều sâu khác nhau sẽ có sự suy giảm khác nhau Nếu góc của bia giảm thì quãng đường mà các tia X đi qua sẽ tăng, hiệu ứng này tương tự như ta tăng tấm lọc cố định, một số photon có năng lượng thấp sẽ bị hấp thụ

1.4.6 Sự ảnh hưởng của tấm lọc và cao thế đến liều bệnh nhân

Liều bệnh nhân ký hiệu PD (patient dose), là liều bức xạ (bao gồm cả tán xạ ngược) mà bệnh nhân phải chịu trong quá trình chiếu chụp X-quang có đơn vị đo là gray, ký hiệu Gy (1 Gy = 1 J/kg) Đại lượng này tùy thuộc vào số photon tia X phát ra

từ chùm và năng lượng của chúng Tấm lọc tổng cộng làm suy giảm chùm tia X Các photon năng lượng thấp suy giảm mạnh hơn các photon có năng lượng cao

Thực nghiệm đã cho thấy:

- Với năng lượng 20 keV độ đâm xuyên của photon qua 1cm là 0,45; nghĩa là 45% số photon của chùm tia X có thể đi qua mô cơ dày 1cm

-Nếu độ dày cơ thể là 15 cm thì độ đâm xuyên là:

ta cần phải dùng vật liệu có khả năng lọc các photon có năng lương thấp trước khi chúng đến cơ thể bệnh nhân

Hình 1.5 Trình bày sự biến đổi phổ của bức xạ được phát bởi các điện tử có

năng lượng 200 keV bắn phá vào bia Wolfram với các tấm lọc khác nhau

Đường A – Biểu diễn phổ tia X khi không có tấm lọc;

Đường B – Biểu diễn phổ tia X với tấm lọc 1mm Al;

Đường C – Biểu diễn phổ tia X với tấm lọc 2,5 mm Al;

Đường D – Biểu diễn phổ tia X với các tấm lọc (1mm Al + 0,25mm Cu + 0,25mm Zn)

1.4.7 Chiều dày hấp thụ một nửa

Tia X có khả năng xuyên thấu vật chất, độ có suy giảm của tia X tùy thuộc vào

độ dày vật chất và số nguyên tử tạo nên vật chất Chiều dày hấp thụ một nửa (HVL) là chiều dày của tấm lọc hấp thụ mà liều chiếu của tia X sau nó bằng một nửa so với giá trị liều khi không có tấm lọc hấp thụ

Bảng 1.1 Giá trị HVL của nhôm tương ứng với các năng lượng khác nhau

kVp Giá trị HVL đối với nhôm (Al)

1.4.8 Thời gian phát tia

Đây là thời gian thực tế mà máy X-quang phát tia Thời gian phát tia của máy X-quang quyết định thông lượng photon và là yếu tố rất quan trọng trong việc tạo ảnh điện quang

1.5 Ứng dụng của tia X trong y học

Trong chẩn đoán y học để thu nhận được tia X người ta sử dụng phim âm bản chứa trong cassette Cassette được đặt sau vật cần chiếu, tia X sau khi xuyên qua được vật sẽ đến đập vào phim Khi rửa phim người ta dùng AgCl, những nơi nào tác dụng với tia X khi rửa sẽ không bị mất (có màu đen) còn nơi nào không tác dụng với tia X (đối với xương, tia X bị cản lại), khi rửa sẽ bị trôi (có màu trắng) Chính vì độ xuyên sâu của tia X cao nên người ta dùng để chụp những vật cứng như : xương, răng, không dùng để chụp mô Hiện nay phim âm bản không được dùng vì bất tiện, người ta đã tiến đến sử dụng X-quang kỹ thuật số Ảnh thu được dưới dạng số, lưu vào máy tính và được chỉnh sửa rất dễ dàng

Hình 1.6 Hình chụp bàn tay đeo nhẫn bằng tia X [3]

CHƯƠNG 2

AN TOÀN BỨC XẠ TRONG X-QUANG CHẨN ĐOÁN Y TẾ

2.1 Các giới hạn liều chiếu xạ [4]

2.1.1 Hệ thống giới hạn liều do ICRP khuyến cáo

Theo khuyến cáo của ICRP (International Commission on Radiological Protection) thì mục đích của bảo vệ bức xạ là ngăn ngừa các hiệu ứng tất nhiên có hại

và hạn chế xác suất các hiệu ứng ngẫu nhiên đến các mức cho phép, bao gồm:

- Không thừa nhận công việc nào nếu nó không mang lại lợi nhuận thuần dương tính

- Liều chiếu xạ phải giữ càng thấp càng tốt một cách hợp lý, các nhân tố kinh tế và xã hội cần phải được tính đến

- Liều tương đương đối với mỗi cá nhân không được vượt quá các giới hạn do ủy ban khuyến cáo

2.1.2 Các giới hạn liều tương đương

Các giới hạn liều tương đương đối với nhân viên bức xạ và nhân dân theo khuyến cáo của ICRP được trình bày trên bảng 2.1

Bảng 2.1 Các giới hạn liều tương đương theo khuyến cáo của ICRP [4]

Nhân viên bức xạ Nhân dân Liều tương đương hiệu

dụng

20 mSv/năm 1 mSv/năm

Tế bào

Liều tương đương

Thủy tinh thể 150 mSv/năm

Da 500 mSv/năm Các tế bào khác 500 mSv/năm

Da và thủy tinh thể

50 mSv/năm

-“Liều tương đương hiệu dụng” là đại lượng để đo các hiệu ứng ngẫu nhiên,

dựa trên nguyên tắc là các rủi ro phải được xem như bằng nhau giữa sự chiếu toàn thân đẳng hướng và không đẳng hướng và không đẳng hướng theo công thức sau:

Bảng 2.2 Số liệu thừa số rủi ro, trọng số của các loại mô khác nhau theo ICRP 26 [4]

Cơ quan mô Thừa số rủi ro

0,25

0,12 0,03 0,12 0,03 0,15 0,30

Các hiệu ứng di truyền xuất hiện trong

2 thế hệ đầu (các con và cháu) Bệnh bạch cầu gây chết người Bệnh ung thư xương gây chết người Bệnh ung thư phổi gây chết người Bệnh ung thư tuyến giáp gây chết người

Bệnh ung thư vú gây chết người Các khối u ác tính (malignant tumor)

Các giới hạn liều tương đương hiệu dụng được chọn sao cho xác suất sinh các hiệu ứng ngẫu nhiên gần bằng với các rủi ro xã hội chấp nhận theo các nguyên tắc sau đây:

2.1.2.1 Đối với các nhân viên bức xạ

- Rủi ro của các nhân viên bức xạ phải bằng hoặc nhỏ hơn rủi ro (tử vong) của các nhân viên công việc khác mà mức an toàn của họ được xem là cao

- Rủi ro của các công việc với mức an toàn cao được coi là cao so với rủi ro có

tỷ lệ tử vong bằng 10-4 , tức là 1 trong số 10.000 người bị chết hàng năm

Từ nguyên tắc trên người ta sử dụng liều giới hạn tương đương hiệu dụng là 20 mSv/năm Do đó:

20 mSv/năm = 0,02 Sv/năm*0,1*1,65*10-2

Sv-1 = 0,33*10-4/năm < 10-4/năm 2.1.2.2 Đối với nhân dân

- Đối với các hiệu ứng ngẫu nhiên, tất cả các rủi ro mà nhân dân nhận trong cuộc sống hàng ngày của họ được lấy làm chuẩn (chẳng hạn các rủi ro do giao thông xe buýt cộng cộng) Trong cuộc sống hàng ngày nhân dân chấp nhận rủi ro bằng 10-5/năm

Từ các nguyên tắc trên người ta sử dụng liều giới hạn tương đương hiệu dụng cho nhân dân là 1mSv/năm Do đó:

1 mSv/năm = 0,001 Sv/năm*1,65*10-2 Sv-1 ≈10-5/năm

2.2 An toàn bức xạ tại các cơ quan y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN 6561:1999 (tóm tắt) [4]

2.2.1 Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu về đảm bảo an toàn bức xạ Ion hóa đối với các cơ sở X-quang Y tế (khoa, phòng, đơn vị…) có sử dụng máy X-quang để chẩn đoán, điều trị

2.2.2 Liều giới hạn

2.2.2.1 Liều giới hạn cho các đối tượng khác nhau

Liều giới hạn cho các đối tượng khác nhau:được quy định trong bảng 2.3 Bảng 2.3 Liều giới hạn trong một năm ( Đơn vị tính bằng mSv)

Loại liều và đối tượng áp

dụng

Nhân viên bức xạ Thực tập, học nghề

(từ 16 – 18 tuổi)

Nhân dân

Liều tương đương đối với

thủy tinh thể của mắt

Trong tình huống đặc biệt, liều hiệu dụng cho nhân viên bức xạ là 20 mSv/năm được lấy trung bình trong 10 năm làm việc liên tục và trong 1 năm riêng lẻ trong thời gian đó không có năm nào được vượt quá 50 mSv

Khi liều hiệu dụng được tích lũy của nhân viên bức xạ kể từ khi bắt đầu của thời

kỳ lấy trung bình cho tới khi đạt tới 100 mSv thì phải xem xét lại Nếu sức khỏe vẫn

bình thường, không có biểu hiện ảnh hưởng của phóng xạ, không có sự thay đổi của công thức máu… thì được tiếp tục công việc đã làm

Trong tình huống đặc biệt, liều hiệu dụng đối với nhân dân có thể là 5 mSv trong một năm riêng rẻ nhưng liều trung bình trong 5 năm liên tục không vượt quá 1 mSv/năm

2.2.2.2 Liều giới hạn đối với người trợ giúp bệnh nhân

Liều giới hạn đối với người trợ giúp bệnh nhân không được vượt quá 5 mSv trong suốt thời gian chẩn đoán hoặc điều trị của bệnh nhân

2.2.2.3 Liều khuyến cáo để chiếu, chụp 1 phim X-quang một lần đối với bệnh nhân:

Liều khuyến cáo để chiếu, chụp 1 phim X-quang một lần đối với bệnh nhân được cho ở Bảng 2.4 và Bảng 2.5

Bảng 2.4 Liều khuyến cáo cho 1 phim chụp X-quang quy ước đối với bệnh nhân

Kiểu chụp Liều hiệu dụng

(mSv)

Liều xâm nhập bề mặt (mGy)

5

5

3

PA/AP

Cột sống vùng ngực

PA/AP Lat

0,8 0,1

7

20 Bụng

Cột sống thắt lưng

AP Lat Đốt sống cùng

LSJ

1,0 0,7 0,5

10,0 30,0 40,0

Khung chậu

Bảng 2.5 Liều khuyến cáo chụp, chiếu X-quang quy ước cho 1 lần chụp phim

Trường hợp chụp, chiếu Liều hiệu dụng (mSv) Tích liều hấp thụ diện tích

2.2.3 Địa điểm của một cơ sở X-quang

Cơ sở X-quang phải đặt ở nơi cách biệt, đảm bảo không gần các khoa như: khoa nhi, khoa phụ sản, khoa vực đông dân cư, đông người qua lại…

2.2.4 Bố trí một cơ sở X-quang: gồm

2.2.4.1 Phòng chờ ( hoặc nơi chờ ) của bệnh nhân

- Phải là nơi tách biệt với phòng máy X-quang

- Liều giới hạn ở mọi điểm trong phòng này không được vượt quá liều giới hạn cho phép là 1 mSv/năm

2.2.4.2 Phòng đặt máy X-quang

Phòng đặt máy X-quang cần đáp ứng các yêu cầu sau:

a/ Thuận tiện cho việc lắp đặt, vận hành thao tác máy, di chuyển an toàn bệnh nhân Diện tích tối thiểu là 25 m2, trong đó chiều rộng tối thiểu là 4.5 m, chiều cao phải trên 3 m cho một máy X-quang bình thường

Đối với các phòng đặt máy X-quang dùng chụp ảnh vú, chụp ảnh răng và chụp cắt lớp điện toán (CT scanner) phải tuân thủ kích thước tiêu chuẩn quy định trong Bảng 2.6

Đối với những loại máy mới có thiết kế phòng đặt máy kèm theo của hãng sản xuất, nếu kích thước phòng nhỏ hơn quy định ở trên thì phải được phép của Cơ quan nhà nước có thẩm quyền

b/ Khi tính toán, thiết kế độ dày của tường, trần, sàn và các cửa của phòng quang phải chú ý đến đặc trưng của thiết bị (điện thế, cường độ dòng điện), thời gian

X-sử dụng máy, thời gian chiếm cứ bên ngoài phòng X-quang mà tính toán chiều dày thích hợp cho từng tường cửa, trần, sàn nhà

Chú ý : Các chỗ giáp nối giữa tường và các cửa hoặc giữa các tường của phòng

máy X-quang hay lối đi lại phải được thiết kế, xây dựng bảo đảm mức bức xạ rò thoát

ra ngoài không vượt quá 1mSv/năm (không kể phông bức xạ tự nhiên)

Bảng 2.6 Kích thước tối thiểu tại các buồng làm việc đối với các máy X-quang chẩn

đoán, điều trị

Các loại phòng X-quang Diện tích phòng (m2) Kích thước tối thiểu một

chiều (m) Phòng chụp cắt lớp (CT

Phòng tối rửa phim tự động 7 2,5

Phòng tối rửa phim không tự

c/ Mép dưới của các cửa thông gió, các cửa sổ không có che chắn bức xạ của phòng X-quang phía ngoài có người qua lại phải có độ cao tối thiểu là 2m so với sàn nhà phía ngoài phòng X-quang

d/ Phải có đèn hiệu và biển cảnh báo bức xạ ở ngang tầm mắt gắn phía bên ngoài cửa ra vào phòng X-quang Đèn hiệu phải phát sáng trong suốt thời gian máy ở chế độ phát bức xạ

e/ Việc lắp đặt máy X-quang phải bảo đảm: khi máy hoạt động, chùm tia X không phát ra hướng có cửa ra vào hoặc hướng có nhiều người qua lại và phải được che chắn bảo vệ tầm nhìn của mắt khỏi nguồn bức xạ

f/ Chiều cao tấm chắn phải trên 2m kể từ sàn nhà, chiều rộng tấm chắn tối thiểu

là 90 cm và độ dày tương đương là 1mm chì

g/ Các phòng có bố trí 2 máy X-quang thì mỗi khi chiếu, chụp chỉ cho phép vận hành một máy

h/ Tùy theo mỗi loại máy mà bàn điều khiển được đặt trong hoặc ngoài phòng X-quang Phải có kính chì để quan sát bệnh nhân và phải bảo đảm liều giới hạn tại bàn điều khiển không được vượt quá mức 20 mSv/năm tức 10 µSv/giờ (không kể phông bức xạ tự nhiên)

2.2.4.3 Phòng xử lý phim ( phòng tối )

- Phòng xử lý phim phải biệt lập với phòng X-quang

- Phòng xử lý phim phải bảo đảm liều không ảnh hưởng đến quá trình xử lý phim và bảo đảm cho các phim chưa xử lý không bị chiếu quá liều 10µGy/tuần (1,13mR/tuần), không kể phông bức xạ tự nhiên

- Cửa ra vào phòng xử lý phim không bị chiếu bởi các tia trực tiếp

- Hộp chuyển cassette đặt trong phòng X-quang phải có vỏ bọc độ dày tương đương là 2 mm chì

2.2.4.4 Phòng ( hoặc nơi) làm việc của nhân viên bức xạ

Phòng ( hoặc nơi) làm việc của nhân viên bức xạ phải biệt lập với phòng quang Liều giới hạn cho phép tại bất kỳ điểm nào trong phòng không được vượt quá 1 mSv/năm (không kể phông bức xạ tự nhiên)

X-2.2.5 Máy chụp X-quang chẩn đoán: bảo đảm các yêu cầu đặt ra:

- Có cùng mức rò thoát bức xạ như vỏ bọc bóng phát tia X

- Trên mỗi bộ phận phải ghi rõ kích thước của chùm tia hiệu dụng

2.2.5.3 Bộ lọc chùm tia bảo đảm các yêu cầu sau

- Đối với các máy X-quang có mức điện thế hoạt động cực đại trên 100 kV thì

bộ lọc tia X tổng cộng trên cửa chính của vỏ bọc bóng phát tia X phải có độ dày tối thiểu tương đương 2,5 mm nhôm, trong đó có 1,5 mm gắn cố định trong hộp