ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LƯU THỊ VÀNG

KHẢO SÁT AN TOÀN CHE CHẮN CỦA PHÒNG
MÁY X-QUANG CHẨN ĐOÁN THÔNG

THƯỜNG TẠI BỆNH VIỆN NHI ĐỒNG I SỬ
DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2012


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn tại Bộ môn Vật lý hạt nhân,

tôi đã nhận được sự giảng dạy, sự góp ý, giúp đỡ nhiệt tình, những lời động viên
chân thành từ các thầy cô và các bạn học viên.

Thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Cô TS. Trương Thị Hồng Loan, người đã tận tình hướng dẫn, định
hướng, giúp đỡ, chỉ bảo để tôi hoàn thành luận văn này.


MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 6

Chương 1 - ỨNG DỤNG TIA X TRONG CHẨN ĐOÁN X - QUANG ................ 8
1.1.Nguyên lý của ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang ............................. 8

1.2. Sự tạo thành và tính chất của tia X ............................................................. 10

1.2.1. Ống tia X ........................................................................................... 10
1.2.1.1. Ống tia X dùng cho chẩn đoán.................................................... 12

1.2.1.2. Collimator ................................................................................... 15

1.2.2. Phổ năng lượng – Chất lượng và cường độ chùm tia – kVp và mAs 16
1.2.2.1. Phổ năng lượng .......................................................................... 16
1.2.2.2. Lượng tia X ................................................................................ 17
1.2.2.3. Chất lượng tia X ........................................................................ 21
1.2.3. Phân bố góc của tia X........................................................................ 23

Chương 2 - CHE CHẮN LIỀU TRONG PHÒNG CHẨN ĐOÁN X-QUANG .... 26
2.1. Cơ sở của việc che chắn cho thiết bị hình ảnh X-quang y tế ...................... 26

2.2. Vật liệu che chắn......................................................................................... 26
2.2.1. Chì ..................................................................................................... 28
2.2.2. Bê tông .............................................................................................. 28
2.2.3. Thạch cao .......................................................................................... 28
2.2.4. Thép .................................................................................................. 28
2.3. Các yếu tố thiết kế che chắn ....................................................................... 28
2.3.1. Tường bên trong ................................................................................ 28
2.3.2. Tường bên ngoài ............................................................................... 29

3.4.1. Khảo sát phân bố suất liều xung quanh máy phát tia X .................... 41

3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng tán xạ khi thay đổi kích thước phòng lên
suất liều nhận được của người có mặt trong phòng .......................... 44

3.4.3. Khảo sát suất liều bên ngoài phòng khi thay đổi vật liệu ................. 49
3.4.3.1. Thạch cao ................................................................................... 49
3.4.3.2. Barit ........................................................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 53
DANH MỤC CÔNG TRÌNH................................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 56
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 57


3

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Kích thước tối thiểu cho các phòng máy X-quang chẩn đoán, điều trị . 33
Bảng 3.1. Các thông số của các phương trình bề mặt thông dụng ......................... 35

Bảng 3.2. Kết quả tính toán suất liều tại một số các điểm xung quanh đầu phát tia X

bên trong và ngoài phòng theo sơ đồ hình 3.6 (diện tích sử dụng là 17,73m2) .... 42

Bảng 3.3. Kết quả tính toán suất liều tại những điểm cách tường 30cm và so sánh

với kết quả tại vị trí đó khi thay đổi kích thước phòng - giảm chiều dài và chiều

rộng đi 20cm (diện tích phòng tương ứng 16,08m2) ............................................. 45


Hình 1.2. Ống tia X trong phòng máy X-quang..................................................... 10

Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo một ống tia X ................................................................... 11

Hình 1.4. a) Anode có line focus spot cố định ; b) Anode có line focus spot xoay13
Hình 1.5. Sự thay đổi kích cỡ focus spot theo vị trí trong trường tia X ................. 14

Hình 1.6. Sơ đồ anode xoay ................................................................................... 14
Hình 1.7. Kích thước focal spot ............................................................................. 15
Hình 1.8. Mô tả hệ Collimator ............................................................................... 16

Hình 1.9. Phổ năng lượng tia X ............................................................................. 17

Hình 1.10. Ảnh hưởng của mAs lên cường độ phổ ............................................... 18

Hình 1.11. Hiệu ứng của điện thế ống (kVp) lên phổ tia X ................................... 19

Hình 1.12. Sơ đồ chỉ ra hiệu ứng của vật liệu bia lên phổ tia X ............................ 19

Hình 1.13. Hiệu ứng của việc lọc lên phổ tia X ..................................................... 20
Hình 1.14. Hiệu ứng của tín hiệu điện thế lên phổ tia X ....................................... 21

Hình 1.15. Phân bố phổ của bức xạ được tạo bởi electron 200 keV bắn phá vào . 23

Hình 1.16. Phân bố cường độ tia X theo góc tạo bởi electron tới bắn vào các bia
khác nhau................................................................................................................ 24
Hình 1.17. Hiệu ứng chân ...................................................................................... 25

Hình 2.1. Minh họa cho bức xạ sơ cấp, tán xạ, rò rỉ và bức xạ truyền qua trong
phòng X-quang với bệnh nhân được chụp phổi ..................................................... 27

tình trạng bên trong cơ thể bệnh nhân, tạo điều kiện cho khâu chẩn đoán bệnh chính

xác hơn. Tuy nhiên, việc chụp X-quang ẩn chứa những nguy hiểm nếu không có
những biện pháp bảo vệ thích đáng. Liều thấp không gây ra các tổn thương và các

hiệu ứng có thể quan sát được. Liều cao sẽ gây ra các hiệu ứng cấp, ảnh hưởng đến

hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương, bao gồm các triệu chứng như:

buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác. Đối với

da, liều chiếu cao của tia X gây ra ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét. Tính nguy
hiểm của việc chụp X-quang tuy thấp hơn so với nguồn phóng xạ, nhưng mức độ

ảnh hưởng không phải nhỏ đối với cộng đồng. Tuy nhiên, việc kiểm soát chặt chẽ
thường xuyên các cơ sở sử dụng máy X-quang vẫn còn bị buông lỏng.
Trong các bệnh viện, việc sử dụng phòng X-quang hiện nay gặp nhiều khó

khăn về vấn đề kích thước phòng do hạn chế về diện tích, phòng quá nhỏ dẫn đến

liều chiếu lên bệnh nhân càng cao và che chắn không đủ an toàn sẽ ảnh hưởng đến
bệnh nhân, nhân viên bức xạ vận hành máy X-quang và của cả dân chúng trong khu
vực này.

Mục đích của che chắn và bảo đảm kích thước phòng hợp lý sẽ giảm thiểu tối

đa liều chiếu đến bệnh nhân, nhân viên bức xạ và dân chúng.

Luận văn này được thực hiện với mục đích ứng dụng chương trình Monte


trong phòng máy X-quang đang khảo sát.


8

Chương 1

ỨNG DỤNG TIA X TRONG CHẨN ĐOÁN X-QUANG
Bức xạ được ứng dụng trong y học nhằm hai mục đích chính: chẩn đoán và điều

trị. Việc chẩn đoán bằng bức xạ dựa trên khả năng đâm xuyên mạnh của bức xạ,
giúp người ta có thể nhìn thấy những bộ phận bên trong cơ thể. Ứng dụng trong
điều trị dựa trên tác dụng sinh học (giết chết tế bào) của bức xạ ion hóa.

Bức xạ là một con dao hai lưỡi, do đó người sử dụng phải hiểu biết các mặt lợi

và hại của nó để có thể ứng dụng bức xạ một cách tối ưu, nghĩa là vừa hiệu quả vừa
an toàn.

1.1. Nguyên lý của ứng dụng tia X trong chẩn đoán X-quang
Khi chiếu một chùm tia X qua cơ thể người, do khả năng xuyên thấu dễ dàng
của tia X, nên chỉ một số tia X chịu sự tương tác với các bộ phận của cơ thể và suy

yếu đi, phần còn lại đi qua cơ thể. Mức độ suy yếu của tia X phụ thuộc vào các cấu

trúc khác nhau (thịt, xương, không khí) mà tia X gặp phải trên đường đi. Phần đi

qua được gọi là tia X còn dư (remnant X ray). Nếu ở phía sau cơ thể người, ta đặt
một phim ảnh, thì tia X còn dư có thể làm thay đổi tính chất của phim ảnh này. Sau


(generator)

Ống tia
X ( Xray
tube)

Bệnh
nhân

Hệ
thống
ghi
ảnh

• Bàn điều khiển là nơi người vận hành có thể thay đổi các thông số của tia X
(điện thế, cường độ, thời gian phát tia).

• Máy tạo hiệu điện thế cao (generator): là nơi để tạo ra một hiệu điện thế cao.
Hiệu điện thế này sẽ được áp vào các điện cực của ống tia X, để gia tốc các
electron.

• Ống tia X (X ray tube): là nơi tạo ra tia X bằng hiện tượng bức xạ hãm.

• Hệ thống ghi ảnh (image receptor): có thể là một tấm phim tia X hay một hệ

thống biến hình ảnh tia X thành hình ảnh mà mắt thường có thể nhìn thấy
trên một màn hình.


10

bọc
thép

Dầu

Chùm
tia cơ
bản

Chì

Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo một ống tia X


12

Hiệu điện thế giữa cathode và anode có thể thay đổi được, thường nằm trong

khoảng từ 25 kV đến 150 kV. Hiệu điện thế này dùng để gia tốc cho các electron.

Tương ứng, khi electron đến cực dương, động năng của nó có thể có giá trị nằm

trong khoảng từ 25 keV đến 150 keV. Trong các máy phát tia X hiện đại, dòng điện

trong ống tia X thường được giữ ở một số giá trị cố định, thường là 100 mA, 200

mA, 300 mA. Trong chế độ chụp phim, thời gian phát tia X thường vào khoảng 100
ms.

Bản cực dương thường được làm bằng tungsten, là một kim loại nặng, để tăng


Để cải thiện vấn đề trên, người ta thiết kế ống tia X loại Line focus tube (hình

1.4a), trong đó electron được tạo ra để va đập vào diện tích trên bia nghiêng có
chiều dài ab và rộng cd. Kích thước tập trung thực sự là diện tích trên anode mà


13

electron đập lên ab × cd. Chiều dài cd sẽ bằng với absinθ, để khi nhìn từ trên xuống
diện tích này sẽ xuất hiện như là hình vuông kích thước cd × cd. Vì thế, tia X sẽ
xuất hiện như đến từ một diện tích nhỏ, trong khi electron bắn phá vào bia có diện

tích lớn. Ống tia X có góc nghiêng bia θ (được gọi là góc anode, được xác định như
là góc của bề mặt bia với tia chính giữa trong trường tia X) trong khoảng từ 6o đến

16o, thường dùng trong khoảng từ 12o đến 15o. Góc 6o được dùng cho kỹ thuật đặc
biệt như kỹ thuật chụp mạch tia X mà cần điểm tập trung (focus spot) nhỏ [3]. Góc

anode tối ưu phụ thuộc vào ứng dụng hình ảnh lâm sàng. Góc anode nhỏ phù hợp

cho hệ thống ghi ảnh nhỏ. Góc anode lớn cần thiết cho công việc chụp X-quang

tổng quát để đạt được độ phủ diện tích trường lớn ở khoảng cách ngắn giữa focus

spot và hình ảnh. Chiều dài focus spot hiệu dụng thay đổi theo vị trí trong mặt
phẳng hình ảnh theo hướng của anode – cathode (Hình 1.5). Theo chiều rộng, kích

cỡ focus spot không thay đổi đáng kể theo vị trí trong mặt phẳng hình ảnh. Kích cỡ
danh định được xác định ở tia trung tâm của chùm tia.


Để chuẩn trực tia X lối ra người ta thiết kế hệ collimator như hình 1.8. Hệ

collimator này dùng để điều chỉnh hình dạng và kích cỡ trường tia X phát ra từ ống
tia X. Nó bao gồm những tấm chắn (shutter) chì đặt song song và đối nhau có thể

điều chỉnh được. Collimator hạn chế chùm tia giới hạn kích cỡ trường đến vùng hữu

ích của detector.


16

Hình 1.8. Mô tả hệ Collimator

1.2.2. Phổ năng lượng – Chất lượng và cường độ chùm tia – kVp và mAs
1.2.2.1. Phổ năng lượng

Chùm tia X phát ra từ ống tia X có dạng phổ diễn tả bởi đường thẳng 1 trong

hình 1.9a. Đó là một phổ liên tục, trên đó có những đỉnh phổ đặc trưng. Tuy nhiên
khi đi qua vỏ ống tia X và các tấm lọc, thành phần tia X năng lượng thấp bị hấp thụ,

và phổ tia X đến bệnh nhân có dạng như đường cong 2. Năng lượng cực đại của tia
X đúng bằng động năng của electron, tức là bằng tích số giữa điện tích của electron

và hiệu thế giữa hai bản cực anode và cathode, do đó tỉ lệ với kVp. Trong các máy

phát tia X thông thường hiệu điện thế này nằm trong khoảng 25 kV đến 150 kV.


a) mAs

Trong chế độ chụp phim, người vận hành có thể đặt thời gian phát tia X, hoặc

như trong một số máy hiện đại, đặt lượng mAs. Đại lượng này thực chất là tích số

giữa cường độ dòng điện trong ống tia X (tính bằng mA) và thời gian chiếu, tính

bằng giây (s). Rõ ràng khi mAs càng lớn, thì lượng tia X đi đến phim càng nhiều.

Nói chung khi đó ảnh càng rõ hơn. Tùy thuộc vào bề dày của vùng cơ thể được
khảo sát mà người vận hành có thể chọn mAs thích hợp.

Electron được tạo ra bằng cách nung nóng sợi dây tóc trong ống tia X và được

gia tốc. Việc tăng tốc độ tỏa nhiệt của cathode sẽ làm tăng cường độ ống và làm
tăng lượng tia X phát ra. Điều này được diễn đạt bằng biểu thức toán học:


18

với I1 và I2 là cường độ tia X ở mAs1 và mAs2 tương ứng. Chất lượng tia X tỉ lệ trực
tiếp với mAs, vì thế khi mAs tăng lên 50% thì chất lượng tia X cũng tăng 50%, khi

đó phổ tia X sẽ thay đổi về biên độ nhưng hình dạng phổ và năng lượng cực đại
Emax thì không thay đổi (hình 1.10)[7].

Hình 1.10. Ảnh hưởng của mAs lên cường độ phổ.
b) kVp



20

Việc lọc xảy ra ở bất kỳ vật liệu nào mà tia X gặp phải trên đường đi. Vật liệu

giống như là kính của ống tia X hoặc dầu làm nguội trong ống tia X được gọi là
tấm lọc có sẵn (inherent filtration). Bất kỳ vật liệu nào được thêm vào được gọi là

tấm lọc bổ sung (added filtration). Các tấm lọc làm giảm lượng tia X nhưng nó cải
tiến chất lượng chùm tia do nó hấp thụ photon năng lượng thấp.

Hiệu ứng tổng cộng của sự lọc trên chùm tia có thể được tóm tắt như sau (xem

hình 1.13):

Hình 1.13. Hiệu ứng của việc lọc lên phổ tia X.

-

Một sự thay đổi của hình dạng phổ tia X với sự loại bỏ năng lượng thấp.

Đỉnh của phổ sẽ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn.

-

Năng lượng cực đại (Emax) vẫn không đổi.

-

Năng lượng cực tiểu (Emin) sẽ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn.[6]

bởi vì sự tăng của electron được phóng ra đã sẵn sàng cho tương tác electron ở lớp

K [7].
1.2.2.3. Chất lượng tia X
Chất lượng tia X là khả năng tia X xuyên sâu qua vật thể, vì thế gọi là năng suất

hãm. Một tia X với khả năng xuyên sâu cao được giới hạn trong tia X cứng và tia X

mềm với khả năng xuyên sâu thấp hơn. Chất lượng tia X được biểu diễn trong bề
dày hấp thụ một nửa (HVL). HVL là bề dày của vật liệu làm giảm cường độ tia X

đến một nửa giá trị ban đầu. Chất lượng chùm tia được điều khiển bởi kVp cung cấp

và sự lọc. Hiệu ứng của mỗi yếu tố này được đưa ra như sau:


22

a) kVp

Khi kVp tăng, năng lượng photon cực đại dịch chuyển về phía năng lượng cao

hơn. Sự dịch chuyển trong năng lượng photon cực đại, tăng chất lượng xuyên sâu

của tia X. Năng lượng tỏa ra cực đại (Emax) bằng với điện thế cung cấp [7].
b) Lọc tia

Như được đề cập ở phần lượng tia X, việc lọc cải tiến chất lượng chùm tia do nó

hấp thụ hết photon năng lượng thấp [7].


phụ thuộc vào kVp.


23

Hình 1.15. Phân bố phổ của bức xạ được tạo bởi electron 200 keV bắn phá vào

bia dày với sự thay đổi tấm lọc. Đường nét gạch A: tia không được lọc. Đường cong
B, C, D thu được từ A bằng cách tính toán sự hấp thụ được tạo bởi những lớp của
Al, Cu, và Sn.
1.2.3. Phân bố góc của tia X
Bia mỏng: Nếu một tia của electron năng lượng thấp tới trên bia rất mỏng, khi

đó tia X phân bố theo hướng vuông góc với hướng chuyển động của electron tới. Ví
dụ như đường cong A của Hình 1.16b, tia X được tạo ra khi bắn chùm electron 34

keV vào lá nhôm 200nm (thí nghiệm của Honerjager). Sự phân bố góc này cho bức

xạ ở giới hạn năng lượng cao. Độ dài của mũi tên chỉ từ bia chỉ ra cường độ tương

đối trong các hướng khác nhau. Sự phân bố trong không gian được tìm thấy bằng

cách xoay đường cong quanh trục của chùm electron. Hình1.16b cho thấy cường độ

về phía trước nhỏ. Khi năng lượng electron tới tăng, cường độ càng phân bố dần về

phía trước như đường cong B và C (đường cong lý thuyết được tính bởi Schiff) cho

phân bố góc của bức xạ được tạo bởi việc bắn bia tungsten mỏng với bề dày 0,05