Luận văn Tính toán che chắn an toàn bức xạ cho phòng máy PET và khu vực lân cận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lê Huỳnh Xuân Mai TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN BỨC XẠ CHO PHÒNG MÁY PET VÀ KHU VỰC LÂN CẬN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành phố Hồ Chí Minh - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lê Huỳnh Xuân Mai TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN BỨC XẠ CHO PHÒNG MÁY PET VÀ KHU VỰC LÂN CẬN Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Đông Sơn Thành phố Hồ Chí Minh - 2013 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các số liệu, nội dung trong luận văn là trung thực. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 09 năm 2013. Tác giả luận văn Lê Huỳnh Xuân Mai 2 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình và những lời động viên của gia đình, quý thầy cô và các bạn. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ môn Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao của Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tiến sĩ Nguyễn Đông Sơn, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Toàn bộ giảng viên bộ môn Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao của Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu, nền tảng vững chắc để thực hiện luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn Tấn Châu ở cơ sở PET/CT bệnh viện Chợ Rẫy và tập thể lớp cao học Vật lý hạt nhân khóa 22 đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2013 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 2 MỤC LỤC .................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. 5 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG TRONG AN TOÀN BỨC XẠ ĐỐI VỚI MÁY PET ............................................................................................................ 9 1.1. Sơ lược về máy PET ..................................................................................................... 9 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của máy PET ......................................................................... 9 1.1.2. Một số ứng dụng lâm sàng của PET, PET/CT ...................................................... 11 1.1.3. Các quy trình kỹ thuật [1] ...................................................................................... 13 1.2. Sự bố trí các phòng chức năng tại một cơ sở PET hay PET/CT [11, tr. 48-55] ... 15 1.2.1. Vị trí cơ sở PET trong bệnh viện ........................................................................... 15 1.2.2. Thiết kế một cơ sở PET ......................................................................................... 16 1.3. An toàn bức xạ trong cơ sở PET .............................................................................. 18 1.3.1. Những quy định về giới hạn liều phóng xạ [3, tr.174-176] ................................... 18 1.3.2. Bảo vệ bức xạ cho nhân viên trong cơ sở PET [10, tr.23-31] ............................... 20 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN BỨC XẠ CHO CƠ SỞ PET ...................................................................................................... 23 2.1. Mục đích và nguyên tắc của thiết kế che chắn ........................................................ 23 2.1.1. Mục đích ................................................................................................................ 23 2.1.2. Nguyên tắc của thiết kế che chắn .......................................................................... 23 2.2. Những yếu tố cần thiết trong che chắn [16, tr.16-22] ............................................. 26 2.2.1. Tường bên trong .................................................................................................... 26 2.2.2. Tường bên ngoài .................................................................................................... 27 2.2.3. Sàn nhà và trần nhà ................................................................................................ 28 2.2.4. Vùng không gian xen kẽ ........................................................................................ 29 2.3. Một số khái niệm và thuật ngữ liên quan đến tính toán che chắn ........................ 29 2.3.1. Mục tiêu của thiết kế che chắn P (shielding design goals) .................................... 29 2.3.2. Hằng số suất liều hiệu dụng 𝚪 (effective dose rate constant) ................................ 29 2.3.3. Hoạt độ hấp thu Ao (administered activity ) .......................................................... 32 2.3.4. Hệ số chiếm cứ T (occupancy factor) .................................................................... 32 4 2.3.5. Hệ số giảm liều Rt (dose reduction factor) ............................................................ 33 2.3.6. Hệ số truyền qua B (transmission factor) .............................................................. 33 ..................................................................................................................................... 36 2.3.7. Kerma (kinetic energy released per mass unit ) .................................................... 37 2.3.8. Liều hiệu dụng (effective dose) ............................................................................. 37 2.4. Phương pháp tính toán che chắn ATBX cho cơ sở PET [6] .................................. 38 2.4.1. Tính toán che chắn cho phòng tiêm (hấp thu) ....................................................... 40 2.4.2. Tính toán che chắn đối với phòng chụp ảnh .......................................................... 41 2.4.3. Tính toán che chắn đối với tầng trên và tầng dưới của cơ sở PET ........................ 43 2.4.4. Các phòng liền kề với khu vực kiểm soát ............................................................. 46 2.5. Những cân nhắc trong thiết kế che chắn ................................................................. 48 2.5.1. Một số hướng dẫn để thực hiện tốt hơn thiết kế che chắn cho cơ sở PET ............ 49 2.5.2. Sự thiết kế cơ sở PET một cách hợp lý ................................................................. 52 2.5.3. Che chắn máy CT .................................................................................................. 52 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHE CHẮN AN TOÀN BỨC XẠ CHO CƠ SỞ PET/CT Ở BỆNH VIỆN CHỢ RẪY. ...................................................................... 53 3.1. Dữ liệu để tính toán che chắn cho cơ sở PET/CT ở bệnh viện Chợ Rẫy .............. 53 3.1.1. Sơ đồ mô phỏng điểm tính liều của cơ sở PET/ CT .............................................. 53 3.1.2. Các tham số trong tính toán che chắn cho cơ sở PET/CT ..................................... 54 3.1.3. Số liệu tính liều hiệu dụng tại các phòng trong cơ sở PET/CT ............................. 55 3.2. Tính toán che chắn ATBX cho cơ sở PET/CT ở bệnh viện Chợ Rẫy ................... 57 3.2.1. Tính toán che chắn cho phòng tiêm 2 và 3 ............................................................ 57 3.2.2. Tính toán che chắn cho phòng vệ sinh bệnh nhân ................................................. 59 3.2.3. Tính toán che chắn cho phòng chụp PET/CT........................................................ 62 3.2.4. Kiểm tra ATBX sau khi che chắn chì ở các phòng phóng xạ ............................... 68 3.3. Đánh giá kết quả và thảo luận .................................................................................. 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 75 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 77 5 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAPM : American Association of Physicists in Medicine ALARA : As Low As Reasonably Achievable AP : Antero posterior ATBX : An toàn bức xạ CFR : Code of Federal Regulations CPM : Count per minute CT : Computed Tomography CTDI : Computed Tomography Dose Index DCPX : Dược chất phóng xạ DLP : Dose Length Product FDG : Fluorodeoxyglucose HVL : Half value layer IAEA : International Atomic Energy Agency ICRP : International Commission on Radiological Protection Kerma : Kinetic Energy Released in Material LOR : Line Of Response MRI : Magnetic resonance imaging NCRP : National Council on Radiation Protection PET : Positron Emission Tomography SI : The International System of Units SPECT : Single Photon Emission Computed Tomography TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TF : Table feed TVL : Tenth value layer 6 MỞ ĐẦU Con người luôn phải chống lại với những khắc nghiệt trong cuộc sống như lũ lụt, hạn hán, động đất, sống thần,... và cả bệnh tật nữa. Với bệnh tật thì ung thư được xem như là một bản án tử hình. Để hỗ trợ các bác sỹ trong việc khám và chữa bệnh nói chung, bệnh ung thư nói riêng thì cần phải có các thiết bị chẩn đoán hình ảnh hiện đại. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trên thế giới, các thiết bị này ngày càng hoàn thiện về tính năng cũng như sự tiện dụng. Trong đó, chụp ảnh cắt lớp phát xạ positron (PET) là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh hiệu quả và được đưa vào sử dụng ở nước ta trong những năm gần đây. Với ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT) chỉ có thể cho biết hình ảnh về cấu trúc giải phẩu học. Riêng với ảnh chụp PET cho biết chức năng trao đổi chất của các mô, cơ quan con người. Chính khả năng này giúp các bác sỹ phát hiện bệnh trước khi cơ thể có những thay đổi về cấu trúc giải phẫu học và đưa ra các phác đồ điều trị một cách có hiệu quả. Tuy nhiên với kỹ thuật chụp ảnh PET thì bệnh nhân trở thành nguồn phóng xạ sau khi được tiêm dược chất phóng xạ (DCPX) vào cơ thể. Các bức xạ này phát ra mang năng lượng 511 KeV. Đối với máy chụp ảnh cắt lớp đơn photon (SPECT) và máy CT thì các bức xạ phát ra mang năng lượng lần lượt khoảng 140 KeV và 100 KeV. Như vậy, các bức xạ từ chụp ảnh PET mang năng lượng cao hơn nhiều so với chụp SPECT và CT. Điều nguy hiểm là phóng xạ tích lũy trong cơ thể con người theo năm tháng. Nó có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người. Do đó, vấn đề đảm bảo an toàn bức xạ (ATBX) phải đặt lên hàng đầu. Với bệnh nhân, cùng với những lợi ích trong chẩn đoán thì luôn đi kèm với những tác hại tiềm tàng của bức xạ. Nên các y bác sỹ luôn cân nhắc cho từng trường hợp cụ thể. Còn đối với nhân viên bức xạ và công chúng thì việc phòng chống bức xạ được quy định rõ ràng trong những tiêu chuẩn quốc gia. Hiểu được tầm quan trọng của vấn đề này, một số tổ chức như ủy ban quốc tế về an toàn bức xạ (ICRP) và cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã có những đóng góp quan trọng trong việc khuyến cáo và ban hành các tiêu chuẩn ATBX. Từ những năm 30, ICRP đã khuyến cáo rằng mọi tiếp xúc với bức xạ vượt quá giới hạn phông bình thường nên giữ ở mức độ càng thấp càng tốt. Khuyến cáo đó được bổ sung bằng những khuyến cáo giới hạn liều được điều chỉnh hàng năm, để giúp đỡ nhân viên bức xạ và công chúng phòng tránh quá liều. Cụ thể là giới hạn liều đối với nhân viên bức xạ trong một năm riêng lẻ có thể lên tới 50 mSv/năm nhưng phải bảo đảm liều trung bình trong 5 năm làm việc liên tục không được vượt quá 20 7 mSv/năm. Đối với công chúng thì liều thấp hơn nhưng không nên vượt quá 1 mSv/năm [3, tr.174-176]. Để bảo đảm những quy định về ATBX vừa nêu, ngoài việc giảm thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ và tăng khoảng cách đến nguồn phóng xạ thì chủ yếu được thực hiện bằng cách che chắn. Tính toán che chắn an toàn bức xạ cho phòng máy PET và khu vực lân cận còn gọi là tính toán che chắn an toàn bức xạ cho cơ sở PET. Sự tính toán này có nhiều phức tạp do sự đóng góp của nhiều nguồn phóng xạ đặt ở nhiều nơi tiếp giáp với các khu vực có người lưu lại (gọi là khu vực chiếm cứ). Với chụp CT thì bức xạ phát ra trong một khoảng thời gian nhất định và chỉ cần che chắn cho phòng máy CT. Còn đối với chụp PET thì bức xạ phát ra trong khoảng thời gian khá dài: 60 phút hấp thu, 30 phút chụp ảnh. Bên cạnh đó, bệnh nhân có sự đi lại từ phòng tiêm thuốc (phòng hấp thu) đến phòng vệ sinh dành riêng cho bệnh nhân, rồi đến phòng chụp PET. Nên việc che chắn không chỉ cho phòng chụp PET mà còn che chắn cho phòng tiêm, phòng vệ sinh của bệnh nhân PET, các phòng bên cạnh, trên và dưới các phòng phóng xạ này. Theo số liệu hệ số suy giảm tuyến tính ở tài liệu [3, tr.50] với bức xạ mang năng lượng 511 KeV thì bề dày một nửa này là 4,2 mm chì hay 3,4 cm bê tông, còn với năng lượng bức xạ của máy CT khoảng 100 KeV thì bề dày một nửa này là 0,1 mm chì hay 1,7 cm bê tông. Do đó, bề dày của vật liệu che chắn cho PET lớn hơn đáng kể so với che chắn cho máy CT. Việc thiết kế che chắn an toàn bức xạ cho cơ sở PET là một bài toán vừa mang tính khoa học vừa mang tính kinh tế. Một mặt, nó phải đáp ứng được các quy định về liều giới hạn đối với từng đối tượng cụ thể. Mặt khác, nó cần hợp lí về chi phí che chắn. Tuy nhiên, tính toán che chắn không thể giải quyết được nếu chỉ dựa vào những công thức đơn giản về sự suy giảm của chùm tia photon khi đi qua vật chất, mà còn cần dựa trên sự hiểu biết về đặc trưng của nguồn phát bức xạ, thời lượng làm việc cũng như cách bố trí các phòng chức năng trong cơ sở PET. Trước những vấn đề quan tâm cần giải quyết như trên, tôi đã chọn đề tài “Tính toán che chắn an toàn bức xạ cho phòng máy PET và khu vực lân cận“ làm đề tài luận văn thạc sĩ. Hiện nay, hướng dẫn chung về phương pháp tính toán che chắn cho cơ sở PET đã được trình bày bởi nhóm 108 của hiệp hội y vật lí Bắc Mỹ (AAPM Task Group 108) [6]. Dựa trên 8 tài liệu này, luận văn sẽ tìm hiểu cơ sở khoa học, phương pháp tính toán che chắn cho cơ sở PET và áp dụng trong trường hợp cụ thể. Luận văn gồm những nội dung chính như sau: Phần I: Mở đầu Phần này trình bày những hiểu biết tổng quan của tác giả về ATBX liên quan đến chụp ảnh PET, kỹ thuật tính toán che chắn và từ đó đề ra mục tiêu nghiên cứu. Phần II: Nội dung Chương 1- Những vấn đề chung trong an toàn bức xạ đối với máy PET. Chương này trình bày những kiến thức cơ bản về nguyên lý hoạt động, ứng dụng lâm sàng, các quy trình kỹ thuật của chụp PET và sự bố trí các phòng chức năng trong cơ sở PET. Đồng thời cũng đề cập đến những quy định về giới hạn liều và vấn đề bảo vệ bức xạ cho nhân viên. Chương 2 - Phương pháp tính toán che chắn an toàn bức xạ cho cơ sở PET Chương này trình bày mục đích và những nguyên tắc của thiết kế che chắn, những yếu tố cần thiết trong che chắn, những khái niệm và đại lượng liên quan đến tính toán che chắn và phương pháp tính toán che chắn cho cơ sở PET. Chương 3 -Tính toán che chắn an toàn bức xạ cho cơ sở PET/CT ở bệnh viện Chợ Rẫy. Chương này trình bày quá trình tính toán bề dày chì che chắn cho các phòng phóng xạ ở bệnh viện Chợ Rẫy và đánh giá, thảo luận các kết quả. Phần III: Kết luận và kiến nghị Tổng kết các kết quả đã đạt được đồng thời đưa ra các kết luận và nhận định về đề tài này. Ngoài ra, nêu lên những kiến nghị về phương pháp tính toán, phương hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo cho đề tài. 9 CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG TRONG AN TOÀN BỨC XẠ ĐỐI VỚI MÁY PET PET được xem là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh hiện đại, mang lại hiệu quả cao. PET hoạt động dựa trên cơ sở vật lý là sự phát xạ positron và tương tác của tia gamma với vật chất. Bên cạnh đó, với đề tài “Tính toán che chắn an toàn bức xạ cho phòng máy PET và khu vực lân cận“ thì rất cần thiết phải tìm hiểu sự bố trí các phòng chức năng trong cơ sở PET để đảm bảo ATBX cũng như chi phí che chắn hợp lý. 1.1. Sơ lược về máy PET 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của máy PET PET là một kỹ thuật chẩn đoán hiệu quả trong việc xác định các mô có một tỷ lệ trao đổi chất cao. PET không giống với các kiểu chẩn đoán khác dựa trên bức xạ. Các kiểu chụp ảnh khác cho ra một hình ảnh giải phẫu của một mô hoặc cơ quan trong khi đó hình ảnh PET xác định được mức độ trao đổi chất. PET dựa trên nguyên lý sử dụng các DCPX (đồng vị phóng xạ phát bức xạ positron gắn với hợp chất đánh dấu) tập trung đặc hiệu vào các mô trong cơ thể cần khảo sát theo cơ chế chuyển hóa, hoạt động chức năng. Máy PET sẽ ghi nhận lại bức xạ phát ra từ các mô đó. Một positron phát ra từ hạt nhân nguyên tử của đồng vị phóng xạ kết hợp với một điện tử tự do (electron) trong mô cơ thể, tạo nên sự hủy cặp positron - electron. Hiện tượng hủy cặp này sẽ phát ra hai tia gamma có năng lượng 511 keV theo 2 hướng ngược nhau. Hình 1.1: Sự hủy cặp positron - electron [4, tr.26] Các đầu dò gamma được bố trí thành một vòng tròn, để dò tìm bức xạ hủy cặp gây ra bởi các positron tương tác với các electron. Nếu cả hai gamma này được ghi nhận đồng thời (ghi nhận trùng phùng) bởi hai đầu dò thì sẽ có một xung điện phát ra. Vị trí xuất hiện của hai gamma được xem là nằm trên một đường nối giữa hai đầu dò đó, kí hiệu là LOR Hủy cặp 10 Hình 1.2: Các đường nối sự kiện trùng phùng (LOR) [4, tr.26] Mỗi sự kiện trùng phùng tương ứng với một LOR xác định. Số LOR tối đa giữa các cặp đầu dò trên cùng vòng tròn là n2/2, với n là số đầu dò trên một vòng tròn. Có thể có đến hàng triệu LOR. Máy PET thường có nhiều vòng tròn của đầu dò được đặt sát nhau. Các đầu dò của các vòng tròn khác nhau cũng có thể ghi nhận trùng phùng. Các dữ liệu trùng phùng được lưu trữ trong các sinogram. Thông tin trong sinogram sẽ được chuyển đổi thành hình ảnh nhờ phần mềm tái tạo ảnh chuyên dụng. Máy PET tại cùng một thời điểm có thể ghi nhận hàng triệu dữ liệu như vậy, tạo nên hình ảnh phân bố phóng xạ trong không gian của tổ chức, cơ quan trong cơ thể. Hình 1.3: Sơ đồ hoạt động của máy PET [13, tr.6] Hiện nay để tăng hiệu quả chẩn đoán hình ảnh người ta kết hợp giữa máy PET và máy CT. Về hoạt động, chức năng chụp CT là chùm photon được tạo ra từ bên ngoài bằng ống phát tia X, xuyên qua cơ thể bệnh nhân và được ghi nhận bởi đầu dò phía đối diện nguồn tia X. Khi đó có sự kết hợp giữa hình ảnh chức năng, chuyển hóa ở mức độ tế bào, mức độ phân tử của ảnh PET với hình ảnh cấu trúc giải phẫu rõ nét của các cơ quan, định vị chính Thiết bị ghi nhận sự trùng phùng Sinogram Hủy cặp Tái tạo ảnh 11 xác của chụp CT. Do vậy, PET/CT có khả năng phát hiện tổn thương và các biến đổi bất thường trong cơ thể ở những giai đoạn rất sớm đặc biệt là sự hình thành, phát triển và di căn của các khối u. Các kết quả ghi bằng máy PET/CT góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán và điều trị ung thư, đặc biệt là đánh giá được đáp ứng của bệnh sau mỗi đợt điều trị, giúp bác sỹ lựa chọn phác đồ tối ưu đảm bảo hiệu quả điều trị cao nhất cho bệnh nhân. Hình 1.4: Sơ đồ hoạt động của máy PET/CT [10, tr.7] 1.1.2. Một số ứng dụng lâm sàng của PET, PET/CT 1.1.2.1. Ung thư Trong những năm qua, trê