Thạc Sĩ Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị bằng phương pháp Monte Carlo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN
TP HỒ CHÍ MINH, 2010​
Luận văn dài 75 trang có File WORD

MỤC LỤC

Mục lục . 1
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 3
Danh mục các bảng 5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị . 6
MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ 12
1.1. GIỚI THIỆU 12
1.2. MỤC ĐÍCH ĐIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 12
1.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC ĐIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ . 13
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ . 15
1.5. CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI 17
1.6. XÁC ĐỊNH THỂ TÍCH VÀ CÁC GIẢN ĐỒ LIỀU KHỐI 18


CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH . 21

2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY GIA TỐC 21
2.2. NGUYẾN LÝ GIA TỐC THẲNG 22
2.3. ĐẦU ĐIỀU TRỊ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH 25
2.4. CẤU HÌNH MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH HIỆN ĐẠI 28

CHƯƠNG 3 – HÌNH ẢNH DICOM VÀ CHƯƠNG TRÌNH KẾT NỐI HÌNH ẢNH DICOM VỚI MCNP5 31

3.1. GIỚI THIỆU VỀ ẢNH DICOM . 31
3.2. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH CODIM . 32


CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 VÀ CODIM 45

4.1. MỤC ĐÍCH . 45
4.2. CẤU HÌNH ĐẦU MÁY GIA TỐC PRIMUS VÀ MÔ PHỎNG MCNP5 45
4.3. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 52

KẾT LUẬN 66
DANH MỤC CÔNG TRÌNH 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Bảng liên hệ giữa số CT (đơn vị Hounsfield) với mật độ vật chất . 33
Bảng 3.2: Bảng liên hệ giữa mật độ vật chất với vật chất . 34
Bảng 4.1: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron để tạo photon 6MV
Bảng 4.2: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron để tạo photon
Bảng 4.3. Tọa độ và phần trăm liều tương đối được tính bởi MCNP5 62



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện đại . 12
Hình 1.2: So sánh kỹ thuật Monte Carlo và phương pháp giải tích về độ khó khăn của bài toán theo sự phức tạp của cấu hình 16
Hình 1.3: GTV và CTV 17
Hình 1.4: a) Biểu diễn cho DVH vi phân và b) biểu diễn cho DVH tích lũy 18
Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS 20
Hình 2.2: Mô hình sắp xếp các ống tạo gia tốc hạt . 21
Hình 2.3: Mặt cắt của ống dẫn gia tốc sóng dừng của máy gia tốc tuyến tính
6MV 23

Hình 2.4: Đầu điều trị máy gia tốc tuyến tính . 24
Hình 2.5: Cấu hình máy gia tốc đồng tâm có súng phát electron, ống dẫn sóng và bia tia X thẳng hàng
Hình 2.6: Cấu hình máy gia tốc đồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong dàn quay . 27
Hình 2.7: Cấu hình máy gia tốc đồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong bệ máy 28
Hình 3.1: Sơ đồ mô tả hoạt động của chương trình CODIM 32
Hình 3.2: Giản đồ thể hiện mối liên hệ giữa số CT (H) và mật độ vật chất . 33
Hình 3.3: Hình phantom mẫu 10 vật chất: (a) hình ảnh phantom mẫu, (b) hình CT của phantom mẫu được vẽ bằng MATLAB, (c) hình phantom mẫu sau khi chuyển đổi từ số CT về mật độ vật chất, (d) hình phantom mẫu sau khi chuyển đổi từ mật độ vật chất về vật chất 35
Hình 3.4: Hình CT não người được lấy từ bệnh viện Chợ Rẫy (a) hình CT được vẽ bằng phần mềm chuyên dụng MRIcro, (b) hình ảnh CT được vẽ bằng MATLAB, (c) hình ảnh CT sau khi chuyển đổi CT về mật độ vật chất, (d) hình ảnh CT sau khi chuyển đổi từ mật độ vật chất về vật chất 37
Hình 3.5: Giao diện chính của chương trình CODIM 38
Hình 3.6: Giao diện chức năng CONVERT_VIEW . 39
Hình 3.7: Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL 41
Hình 4.1: Mô hình máy gia tốc 2D, bên trái là mô hình máy gia tốc phát chùm photon 6MV và bên phải là mô hình máy gia tốc phát chùm photon
15MV . 45

Hình 4.2: Mô hình máy gia tốc 3D được vẽ bằng Visual Editor của MCNP5 46
Hình 4.3: (a)Phantom nước được chia thành các voxel 4×4×0.3cm3 trong tính liều theo độ sâu. (b) Mặt cắt theo trục oxy của phantom nước được chia thành các voxel 4×0.05×0.27cm3 trong tính liều theo phương ngang .48
Hình 4.4: Kích thước voxel của phantom thu được từ ảnh CT 48
Hình 4.5: So sánh phân bố liều theo độ sâu của chùm photon 6MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và Hình 4.6: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng độ sâu (a)
1.5cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm . 52
Hình 4.7: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 6MV với nhiều độ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8 × 8 cm2 và (b) cho trường chiếu 10 × 10 cm2
Hình 4.8: So sánh phân bố liều theo độ sâu của chùm photon 15MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2 . 54
Hình 4.9: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng độ sâu (a)
2.8cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm . 55
Hình 4.10: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 15MV với nhiều độ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8×8cm2 và (b) cho trường chiếu 10×10 cm2
Hình 4.11: Giao diện chuyển đổi của chương trình CODIM (CONVERT_VIEW)

Hình 4.12: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 được vẽ bằng chương trình CODIM (ISODOSE_MESHTAL) . 61
Hình 4.13: Sự phân bố các đường đồng liều của 2 chương trình mô phỏng. Bên trái là phân bố các đường đồng liều được mô phỏng bằng chương trình MCNP5 và bên phải là chương trình DSS
Hình 4.14: Liều tương đối tại các vị trí cách tọa độ trung tâm 2.5cm và 5cm . 62


MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng. Theo dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có15 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong đó 2/3 là ở các nước đang phát triển [6]. Còn 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 khoảng150 nghìn người mới mắc bệnh ung thư và có khoảng 50 đến 70 nghìn người chết vì căn bệnh này, cao gấp bảy lần số người chết do tai nạn giao thông [7].
Do đó, việc chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư luôn là vấn đề cấp bách hàng đầu của toàn xã hội. Hiện nay phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư chủ yếu tập trung vào 3 phương pháp chính: phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Việc ứng dụng phương pháp nào trong việc điều trị là tùy thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện điều trị, tùy loại khối u, vị trí và kích thước khối u, giai đoạn ủ bệnh và tình trạng của bệnh nhân [2]. Mục tiêu tập trung của luận văn này là phương pháp chữa trị bằng xạ trị. Đây là một phương pháp điều trị hiệu quả được ứng dụng ngày càng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới, phương pháp này có thể được sử dụng một cách riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương pháp khác để việc điều trị đạt hiệu quả cao hơn.
Xạ trị là phương pháp ứng dụng chùm tia bức xạ trong việc điều trị ung thư. Có nhiều phương pháp ứng dụng tia xạ khác nhau, một trong những phương pháp thông dụng nhất chính là ứng dụng các chùm tia photon phát ra từ máy gia tốc. Các chùm tia này cung cấp một liều bức xạ cao tại các mô được chiếu xạ. Vấn đề là phải làm sao tập trung được lượng bức xạ cao nhất tại vùng mô bị ung thư trong khi vẫn bảo đảm không quá liều cho các mô lành bên cạnh. Do đó việc khảo sát đặc trưng của chùm tia cũng như phân bố liều hấp thụ trong mô là những khâu hết sức quan trọng trong quá trình xạ trị.
Phương pháp Monte Carlo là phương pháp thông dụng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực xạ trị. Trong lĩnh vực xạ trị, phương pháp đã đạt được một số thành công trong việc 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 phỏng máy gia tốc, một số nhóm nguyên 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 phantom và lên kế hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron. Các chương trình mô phỏng thường hay được sử dụng có thể kể đến bao gồm MCNP [12][8], GEANT [18], PENELOPE [16], EGS [21][22][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 MCNP5 trong mô phỏng máy gia tốc tuyến tính xạ trị, kiểm tra độ chính xác của mô phỏng trên phantom nước để từ đó tiến tới mô phỏng trực tiếp trên mô hình phantom người được tạo từ ảnh CT. Điều này sẽ giúp cho việc mô phỏng tính liều trong lập kế hoạch điều trị được thuận lợi và thực tế hơn.
Với mục đính nêu trên, luận văn đã được hoàn thành với bố cục bao gồm 4 chương:
Chương 1 – Lý thuyết về xạ trị: trình bày các vấn đề cơ bản của xạ trị, nêu rõ mục đích xạ trị, giới thiệu khái quát về những nguyên tắc điều trị bằng tia xạ, các phương pháp sử dụng tia xạ trong việc điều trị bệnh và các vấn đề cần quan tâm trong việc điều trị xạ trị.
Chương 2 – Tổng quan về máy gia tốc tuyến tính: trình bày khái quát về máy gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc tuyến tính, nguyên lý của quá trình gia tốc thẳng 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.
Chương 3 – Hình ảnh DICOM và chương trình kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5: giới thiệu về khái niệm và cấu trúc file hình ảnh DICOM. Cơ sở của việc chuyển đổi bộ dữ liệu hình ảnh DICOM thành phantom CT. Từ đó, xây dựng chương trình nhằm kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5 và xử lý dữ liệu tính liều được xuất ra từ mô phỏng MCNP5.

Chương 4 – Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5 và CODIM: trình bày các bước mô phỏng và những kết quả thu được khi tiến hành mô phỏng trên phantom nước và trên phantom CT. So sánh kết quả thu được với số liệu thực tế từ bệnh viện Chợ Rẫy.