Luận Văn Mô phỏng máy gia tốc cyclotron của bệnh viện chợ rẫy bằng chương trình mcnpx

MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON
CỦA BỆNH VIỆN CHỢ RẪY BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH MCNPX


CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƯỢNG CAO​

1
MỞ ĐẦU
Bệnh ung thư là một trong những căn bệnh nguy hiểm nhất đối với con người. Nó
nguy hiểm ở chỗ ai cũng có thể có nguy cơ mắc bệnh, và căn bệnh này lại cực kỳ khó
chữa ngay cả đối với nền y học phát triển như hiện nay. Tỉ lệ điều trị ung thư thành
thành công chiếm khoảng 45% trường hợp. Trong đó 22% riêng phẫu thuật; 12% riêng
xạ trị; 6% (phẫu + xạ); và 5% (phẫu + xạ + hóa trị) [3]. Đặc biệt trong những năm gần
đây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng, nhất là ở các nước đang phát triển. Theo
dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có 15
triệu người mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong đó 2/3 là ở các
nước đang phát triển [7]. Tính riêng ở Việt Nam, theo thống kê chưa đầy đủ ở TP Hồ
Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nước ước tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn
người người mới mắc bệnh ung thư và có khoảng 50 đến 70 nghìn người chết vì căn
bệnh hiểm nghèo này, cao gấp 7 lần số người chết do tai nạn giao thông [8].
Do đó, việc điều trị căn bệnh ung thư đã được loài người quan tâm từ lâu, đặc biệt
là vào những thập niên gần đây khi mà y học hạt nhân phát triển mạnh và có những
cống hiến to lớn trong lĩnh vực y học nói chung và chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư
nói riêng. Ứng dụng to lớn của y học hạt nhân trong lĩnh vực điều trị ung thư phải kể
đến là phương pháp điều trị bằng xạ trị. Xạ trị bao gồm ba hình thức: Xạ trị ngoài, Xạ
trị áp sát và Xạ trị bằng dược chất phóng xạ.
Đối với chẩn đoán và các phương pháp điều trị bằng xạ trị áp sát và xạ trị bằng
dược chất phóng xạ, yếu tố then chốt là phải có các nguồn đồng vị phóng xạ phù hợp.
Các nguồn đồng vị phóng xạ này phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của xạ trị,
đặc biệt trong kỹ thuật ghi nhận ảnh của từng ca bệnh riêng biệt. Chất lượng của ảnh
chẩn đoán và sự an toàn của bệnh nhân lẫn môi trường xung quanh phụ thuộc vào đồng
vị phóng xạ, dược chất phóng xạ cũng như kỹ thuật nghi nhận ảnh. Yêu cầu khắt khe
2
nhất đối với nguồn lý tưởng dùng trong chẩn đoán ghi nhận ảnh là nguồn phải có chu
kỳ bán rã xấp xỉ bằng thời gian chẩn đoán [3]. Do đặc điểm có chu kỳ bán rã ngắn, nên
để thuận tiện thì các đồng vị phóng xạ phải được tạo ngay ở trong bệnh viện. Điều này
lại kéo theo những vấn đề về an toàn bức xạ đối với những nhân viên vận hành thiết bị
cũng như mức độ an toàn đối với môi trường xung quanh thiết bị tạo đồng vị phóng xạ.
Mục tiêu tập trung của luận văn này là tính toán mức độ an toàn ở môi trường xung
quanh thiết bị tạo đồng vị phóng xạ trong bệnh viện Chợ Rẫy dựa trên mô hình mô
phỏng Monte Carlo.
Loại thiết bị tạo đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến hiện nay là máy gia tốc
vòng. Máy gia tốc vòng đầu tiên được Ernest O. Lawrence và M.S. Livingston phát
minh vào năm 1930. Để tạo nguồn đồng vị phóng xạ, trước tiên, thiết bị tạo đồng vị
phóng xạ (trong trường hợp cụ thể này là thiết bị cyclotron) tạo ra các hạt ion H-. Sau
đó gia tốc hạt này nhờ một điện áp cao giữa các cực hình chữ D, cỡ vài chục kV. Chùm
hạt ở cuối đoạn đường được gia tốc có năng lượng cao đến đập vào một lớp carbon
(stripper foil) có độ dày cỡ 5 àm để tách ra 2 electron của H- tạo thành chùm H+ (chùm
proton). Chùm proton sau đó được định hướng nhờ một ống collimator bay tới bia là
các hạt nhân tương ứng (18O, 16O, 14N, ) để tạo ra các đồng vị phóng xạ yêu cầu.
Trong quá trình phản ứng hạt nhân khi proton bắn phá các hạt nhân bia để tạo đồng vị
phóng xạ, một lượng lớn các neutron năng lượng cao được sinh ra. Chùm neutron
không mang điện tích nên dễ dàng xuyên qua các vật liệu, gây nguy hiểm cho các kỹ
sư điều hành thiết bị cũng như đội ngũ y bác sỹ và bệnh nhân làm việc ở phạm vi gần
thiết bị và gây ô nhiễm môi trường. Do đó, đo liều neutron để đánh giá mức độ an toàn,
từ đó đánh giá bề dày phù hợp của các khối lớp che chắn là hết sức quan trọng.
Phương pháp Monte Carlo là phương pháp nghiên cứu thông dụng được ứng
dụng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng khảo sát các đặc trưng của chùm tia, năng
lượng để lại cũng như liều hấp thụ chùm tia xạ của môi trường. Trong lĩnh vực mô
3
phỏng máy gia tốc, một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chương trình mô phỏng
Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát chất lượng chùm tia, vùng
thể tích chịu ảnh hưởng khi thay đổi kích thước collimator lên phan tom và lên kế
hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron [2]. Các chương trình mô phỏng thường hay
được sử dụng có thể kể đến bao gồm MCNP [11][10], GEANT [17], PENELOPE [16],
EGS [18][19][14], . Các chương trình này đều có những ưu điểm và khuyết điểm nhất
định trong mô phỏng chẳng hạn như thời gian tính toán, độ chính xác của từng chương
trình,
Luận văn này được thực hiện nhằm mục đích ứng dụng chương trình Monte Carlo
MCNPX phiên bản 2.5.0 để mô phỏng máy gia tốc cyclotron tại Bệnh viện Chợ Rẫy,
kiểm tra mức độ an toàn bức xạ trong phòng tạo đồng vị phóng xạ trong bệnh viện.
Điều này sẽ giúp cho công tác bảo hộ an toàn trong phòng máy được tốt hơn.
Với mục đích nêu trên, luận văn đã được hoàn thành với bố cục bao gồm 4
chương:
Chương 1 – Tổng quan về máy gia tốc cyclotron và an toàn phóng xạ trong y tế:
Trình bày khái quát về máy gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc cyclotron,
nguyên lý của quá trình gia tốc vòng tròn khi ứng dụng dòng điện xoay chiều để gia tốc
hạt, các thành phần quan trọng của đầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện
đại. Trình bày sơ lược về các tác hại sinh học của bức xạ lên cơ thể sống và một số
biện pháp an toàn phóng xạ trong y tế.
Chương 2 – Tổng quan về chương trình mô phỏng MCNPX: Trình bày tổng quan
về chương trình MCNPX, lịch sử phát triển, kỹ thuật Monte Carlo và cách xây dựng
một input file cho MCNPX.
Chương 3 – Mô tả hệ máy cyclotron tại bệnh viện Chợ Rẫy: Trình bày chi tiết cấu
trúc, các thông số hoạt động và các thành phần chính của máy cyclotron.
4
Chương 4 – Mô phỏng hệ cyclotron và đánh giá phân bố suất liều chiếu gamma
xung quanh hệ cyclotron tại bệnh viện Chợ Rẫy dùng MCNPX: Mô phỏng cấu trúc
máy cyclotron bằng chương trình MCNPX. Khảo sát phân bố liều gamma bên trong
phòng máy cyclotron, so sánh với kết quả thực nghiệm và mô phỏng của nhà sản xuất
để kiểm tra độ chính xác của việc mô phỏng. Khảo sát phân bố liều gamma bên ngoài
phòng cyclotron để kiểm tra đánh giá mức độ an toàn bức xạ đối với môi trường xung
quanh bên ngoài phòng cyclotron.


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC ĐƠN VỊ . i
DANH MỤC CÁC BẢNG iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON VÀ AN TOÀN
PHÓNG XẠ TRONG Y TẾ . 5
1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC CYCLOTRON . 5
1.1.1 Lịch sử phát triển [9] 5
1.1.2 Tổng quan về máy gia tốc cyclotron 6
1.1.3 Nguyên lý gia tốc cyclotron . 7
1.1.4 Mối liên hệ giữa tần số và vận tốc của hạt được gia tốc 12
1.2 AN TOÀN BỨC XẠ TRONG Y TẾ 14
1.2.1 Tác hại sinh học của bức xạ ion hóa [1] [4] 14
1.2.2 Các biện pháp an toàn [6] . 21
CHƯƠNG 2-TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNPX 24
2.1. TỔNG QUAN 24
2.2. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO [15] 26
2.3. MÔ PHỎNG TRONG MCNP [15] [20] [12] . 27
2.3.1. Mô tả hình học . 28
2.3.2. Mô tả dữ liệu . 30
CHƯƠNG 3-MÔ TẢ HỆ MÁY CYCLOTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY 34
3.1. KHỐI SHIELD BẢO VỆ 35
3.2. HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT 39
3.3. THÂN MÁY CYCLOTRON 39
3.3.1. Nguồn ion H- . 39
3.3.2. Buồng chân không . 42
CHƯƠNG 4-MÔ PHỎNG HỆ CYCLOTRON VÀ ĐÁNH GIÁ PHÂN BÔ SUẤT
LIỀU CHIẾU GAMMA XUNG QUANH HỆ CYCLTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ
RẪY DÙNG MCNPX 45
4.1. MÔ PHỎNG HỆ CYCLOTRON TẠI BỆNH VIỆN CHỢ RẪY BẰNG MCNPX
. 45
4.1.1. Mô phỏng tường phòng, khối Shiel . 45
4.1.2. Nghiên cứu thành phần vật liệu trong Shield 47
4.1.3. Mô phỏng nguồn ion H- , collimator và bia 50
4.2. TÍNH TOÁN PHÂN BỐ SUẤT LIỀU GAMMA XUNG QUANH HỆ
CYCLOTRON BẰNG MCNPX . 52
4.2.1. Khảo sát phân bố liều chiếu gamma bên trong phòng cyclotron . 52
4.2.2. Khảo sát phân bố liều chiếu gamma bên ngoài phòng cyclotron 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66
Kết luận . 66
Kiến nghị . 66
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH . 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68
Tiếng Việt. 68
Tiếng Anh. 68
PHỤ LỤC 1 71
PHỤ LỤC 2 76
PHỤ LỤC 3 80
PHỤ LỤC 4 82
PHỤ LỤC 5 83
PHỤ LỤC 6 85