Trong công trình này, nhóm tác giả khảo sát phổ tia X bằng hai phương pháp khác nhau: phương pháp mô phỏng Monte Carlo chương trình MCNP5 và phương pháp tính toán thực nghiệm chương trìn
Trang 1II-O-1.16
KHẢO SÁT PHỔ PHÁT TIA X BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO VÀ
TÍNH TOÁN BÁN THỰC NGHIỆM Trần Ái Khanh 1,2 , Trương Thị Hồng Loan 2 , Đặng Nguyên Phương 3 , Nguyễn Thị Kim Xuyến 2 ,
Nguyễn Anh Tuấn 2 , Mai Văn Nhơn 2
1Khoa Khoa học Cơ bản, Đại học Tiền Giang
2Khoa Vật lý & Vật lý Kĩ thuật – Truờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
3Viện Vật lý, Đại học Freiburg, CHLB Đức
TÓM TẮT
Tia X được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán hình ảnh như chụp X quang, chụp cắt lớp (computed tomography) Việc xác định phổ tia X từ ống phát là cần thiết để tính toán liều truyền qua bệnh nhân và cải thiện chất lượng hình ảnh Trong công trình này, nhóm tác giả khảo sát phổ tia X bằng hai phương pháp khác nhau: phương pháp mô phỏng Monte Carlo (chương trình MCNP5) và phương pháp tính toán thực nghiệm (chương trình SpekCalc) Kết quả so sánh cho thấy hai chương trình này có sự phù hợp với nhau trong việc mô phỏng phổ tia X liên tục, tuy nhiên vẫn có sai lệch nhất định trong mô tả các đỉnh tia X đặc trưng Bên cạnh đó, việc xác định ảnh hưởng của các thông như điện áp đỉnh, bộ lọc, góc nghiêng anode lên chất lượng chùm tia X cũng được nhóm tác giả nghiên cứu trong công trình này
Từ khóa: X quang chẩn đoán, phổ tia X, MCNP5
MỞ ĐẦU
Ngày nay, phương pháp chụp cắt lớp (computed tomography) là một trong những công cụ mạnh giúp ta có
thể thấy được cấu trúc của cơ thể người với độ phân giải vị trí và độ tương phản cao Trong kỹ thuật chụp cắt lớp
vi tính, ảnh được tái tạo từ các hình chiếu thu được bằng cách đo sự suy giảm của bức xạ qua cơ thể bệnh nhân
So với các kỹ thuật chụp ảnh khác, kỹ thuật chụp cắt lớp cho liều hấp thụ trên bệnh nhân là khá cao Liều hấp thụ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có sự phụ thuộc vào cường độ cũng như phân bố năng lượng của chùm tia X phát ra từ thiết bị chụp cắt lớp Việc xác định được phổ phát tia X là cần thiết để có thể đánh giá được liều hấp thụ trên cơ thể bệnh nhân trong mỗi lần chụp, cũng như chất lượng hình ảnh ghi nhận Phổ tia X phát ra có thể đánh giá thông qua các phương pháp đo đạc thực nghiệm [1, 2] Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế hiện nay tại Việt Nam, việc đo đạc phổ tia X là khó có thể thực hiện được Do đó, thay vì sử dụng phương pháp thực nghiệm, ta có thể sử dụng các phương pháp bán thực nghiệm [3 - 5] hoặc mô phỏng Monte Carlo [6 - 11]
Ưu điểm của phương pháp bán thực nghiệm là có khả năng xây dựng phổ tia X một cách nhanh chóng nhưng chúng có những hạn chế về mặt cấu hình thiết bị khiến cho không thể nào áp dụng một cách linh hoạt Ngược lại, phương pháp mô phỏng Monte Carlo cho chúng ta khả năng tính toán với các mô hình có cấu trúc phức tạp, nhưng một trong những nhược điểm lớn của nó chính là thời gian tính toán khá dài
Trong công trình này, nhóm tác giả tiến hành so sánh kết quả tính toán thu được từ hai phương pháp: bán thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo Phổ tia X từ máy chụp cắt lát được mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo thông qua chương trình MCNP5 và tính toán bằng phương pháp bán thực nghiệm với chương trình SpekCalc [13] Phổ tia X thu được từ hai phương pháp với sự thay đổi các thông số đặc trưng như điện áp đỉnh (kVp), bô lọc, góc nghiêng anode cũng được khảo sát
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP5 [12] của Phòng Thí nghiệm Los Alamos (LANL) được sử dụng để mô phỏng cấu hình đầu bóng phát tia X Thành phần chính của đầu bóng phát tia X bao gồm bia anode
có thành phần 95% Tungsten (W) và 5% Rhodium (Rh), mật độ tương đương 18,68 g/cm3, kích thước focal spot
từ 0,6 – 1,2 mm Chùm photon bức xạ hãm phát ra từ các electron đập vào anode được mô phỏng Khoảng cách ghi nhận phổ photon từ tâm nguồn là 75 cm Mô hình 3D của máy được trình bày trong Hình 1 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 quả của tally F2 được cho trong phương trình
W F2
A
Trong đó: A: diện tích mặt (cm2);
Trang 2Hình 1 Mô hình máy chụp cắt lát dưới dạng 3D được vẽ từ chương trình Visual Editor của MCNP5
Chương trình SpekCalc [13] là chương trình tính toán phổ tia X từ bia Vonfram SpekCalc được xây dựng cho cả mục đích vật lý y khoa lẫn nghiên cứu và giáo dục Khoảng điện thế đỉnh (kVp) trong SpekCalc trải dài từ
40 – 300 kVp và góc nghiêng anode từ 6 – 300 Bộ lọc gồm các vật liệu như không khí, nước, beri, nhôm, đồng, thiếc và Vonfram Chương trình có thể download miễn phí với giao diện dễ sử dụng (Hình 2) và kích thước dữ liệu nhỏ (khoảng 6 MB)
Hình 2 Giao diện của 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 các thông số điện áp đỉnh
từ 80 – 140 kVp, bộ lọc tương đương nhôm từ 2,5 mm – 15 mm và góc nghiêng anode từ 70 – 200
Điện thế đỉnh
Trang 3a 80 kVp b 100 kVp
Hình 3 So sánh phổ tia X giữa chương trình SpekCal và MCNP5 tại điện thế (a) 80 kVp, (b) 100 kVp, (c) 120
kVp và (d) 140 kVp
Ta có thể thấy sự sai lệch phổ tia X thay đổi lần lượt tại các điện thế 80 kVp (Hình 3a), 100 kVp (Hình 3b),
120 kVp (Hình 3b), 140 kVp (Hình 3d) giữa MCNP5 và SpekCalc Sự khác biệt của phần phổ tia X liên tục do bức xạ bremsstrahlung giảm dần theo sự tăng của điện thế đỉnh (đồng nghĩa với việc tăng năng lượng của chùm electron tới đập vào bia Bên cạnh đó, ta cũng thấy rằng các tia đỉnh X đặc trưng được thể hiện rõ nét hơn trong chương trình MCNP5 với các đỉnh K 1, K 2, K 1, K 2 trong khi đó chương trình SpekCalc chỉ biểu diễn 2 đỉnh
K và K
Việc so sánh phổ tia X thu được từ hai chương trình MCNP5 và SpekCalc được thể hiện qua việc tính toán diện tích đỉnh thoát K của tia X đặc trưng của bia Vonfram Kết quả so sánh được trình bày chi tiết trong Bảng 1,
ta có thể dễ dàng nhận thấy sự sai lệch giữa hai chương trình là dưới 10%
Trang 4120 2,30804.10-8 2,46585.10-8 6%
Bộ lọc
Trong kỹ thuật chụp cắt lớp liều hấp thụ lên bệnh nhân là khá cao Do đó, việc hạn chế liều tán ạ lên bệnh nhân trong quá trình phát tia X là rất cần thiết Để thực hiện việc này, người ta sử dụng các bộ lọc nhằm lọc các tia X mang năng lượng thấp Vì vậy, đối với máy chụp cắt lớp, bề dày bộ lọc giữa vai trò rất quan trọng Ảnh hưởng của bộ lọc tương đương nhôm với bề dày từ 2,5 mm – 15,0 mm lên phổ tia X từ máy chụp cắt lớp tại điện thế 120 kVp, góc nghiêng anode 160 được nhóm tác giả nghiên cứu trong công trình này Sự thay đổi của phổ tia
X theo bề dày bộ lọc tương đương nhôm được biểu diễn trên Hình 4, và sự so sánh tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng được cho trong Bảng 2
Bảng 2 So sánh tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng giữa MCNP5 và SpekCalc khi thay đổi bề dày bộ lọc
tương đương nhôm
Bề dày bộ lọc tương
đương nhôm (mm)
Tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng (K1 + K2 + K1 + K2)
Trang 5a 2,5 mm b 7,5 mm
Hình 4 So sánh phổ tia X giữa chương trình SpekCal và MCNP5 với bộ lọc tương đương nhôm
bề dày (a) 2,5mm, (b) 7,5mm, (c) 9,5mm, (d) 15,0mm
Mặc dù các đỉnh tia X đặc trưng không nằm trong vùng năng lượng thấp (Hình 4) để có thể chịu sự ảnh hưởng lớn khi tăng bề dày bộ lọc, nhưng từ Bảng 2 ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng sự sai lệch tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng giữa hai chương trình MCNP5 và SpekCalc giảm dần theo sự tăng dề dày bộ lọc Điều này có thể là do khi tăng bề dày bộ lọc, chúng ta cũng đồng thời làm giảm các tia X tán xạ và các tía X phát ra từ bia nằm ngoài trường chiếu (góc phát lớn), do đó làm cho kết quả thu được từ hai chương trình gần nhau hơn
Góc nghiêng anode
Góc nghiêng anode cũng ảnh hưởng lên diện tích bao phủ của chùm bức xạ Khi giảm góc nghiêng thì diện tích bao phủ chùm tia cũng giảm Diện tích bao phủ chùm tia thường không gây ảnh hưởng đến kết quả chụp nhưng với bia anode có góc nghiêng nhỏ thì có thể gây một số vấn đề về sự bao phủ chùm tia cần thiết lên phim
Để so sánh phổ tia X thu được từ chương trình MCNP5 và SpekCalc, các tác giả thiết lập cấu hình với điện thế đỉnh 120 kVp, bộc lọc có bề dày 2.5mm tương đương nhôm Góc nghiêng của bia anode được thay đổi trong khoảng 70 – 200 với bước nhảy là 10 Sự thay đổi của phổ tia X theo góc nghiêng của anode được biểu diễn trên Hình 5 và sự so sánh tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng được cho trong Bảng 3
Các kết quả cho thấy với khoảng góc nghiêng anode nhỏ, sự sai biệt giữa hai chuong trình là dưới 10% Đồng thời cũng không có sự thay đổi lớn về giá trị sai lệch khi thay đổi góc nghiêng
Trang 6a 70 b 100
Hình 5 So sánh phổ tia X giữa chương trình SpekCalc và MCNP5 theo góc nghiêng anode
Bảng 3 So sánh tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng giữa MCNP5 và SpekCalc khi thay đổi góc nghiêng
anode
Góc nghiêng anode
Tổng diện tích các đỉnh tia X đặc trưng (K1 + K2 + K1 + K2)
Trang 7KẾT LUẬN
Trong công trình này, nhóm tác giả đã tiến hành đánh giá và so sánh các kết quả phổ tia phát tia X từ một
mô hình máy chụp cắt lớp từ hai phương pháp bán thực nghiệm (chương trình SpekCalc) và mô phỏng Monte Carlo (chương trình MCNP5) Bằng cách thay đổi các thông số đặc trưng của đầu bóng phát tia X như điện áp đỉnh, bô lọc và góc nghiêng anode, các tác giả nhận thấy sự sai lệch giữa kết quả của hai phương pháp là dưới 10% Cả hai chương trình đều cho dạng phổ tia X liên tục là như nhau, tuy nhiên chương trình MCNP5 thể hiện các đỉnh tia X đặc trưng chi tiết hơn so với chương trình SpekCalc
Các kết quả thu được từ công trình này sẽ phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo với mục đích kết hợp cả hai phương pháp bán thực nghiệm và mô phỏng Monte Carlo để khảo sát phân bố liều chiếu trong phòng chụp cắt lớp cũng như liều hấp thụ lên bệnh nhân tương ứng với một 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 các Bác sĩ, Kỹ sư Khoa Y học Hạt nhân Bệnh viện Đa Khoa Đồng Nai đã tạo điều kiện cho chúng tôi thực hiện việc khảo sát cấu hình máy chụp cắt lớp tại Bệnh viện để thu thập số liệu cho việc
mô phỏng máy chụp cắt lớp bằng MCNP5
EVALUATION OF X-RAY EMISSION SPECTRUM BY MONTE CARLO AND
SEMI-EMPIRICAL CALCULATIONS Tran Ai Khanh 1,2 , Truong Thi Hong Loan 2 , Dang Nguyen Phuong 3 , Nguyen Thi Kim Xuyen 2 ,
Nguyen Anh Tuan 2 , Mai Van Nhon 2
1Faculty of Basic Sciences, Tien Giang University,
2 Faculty of Physics-Engineering Physics, University of Science, VNU-HCM,
3Institute 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)
