Thạc Sĩ Mô phỏng thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife bằng chương trình MCNP5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN
TP HỒ CHÍ MINH, 2009

​Luận văn dài 76 trang có File WORD

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 1
Danh mục các bảng . 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị . 4
MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LEKSELL GAMMA KNIFE . 11
1.1 Giới thiệu về Leksell Gamma Knife . 11
1.2 Lịch sử của LGK 11
1.3 Các thành phần chính trong thiết bị LGK 14
1.4 Nguyên tắc của LGK 15
1.5 Tiến trình điều trị bằng LGK . 17
1.6 Giới thiệu chương trình Gamma Plan . 18
1.7 Ưu điểm của LGK so với các thiết bị xạ phẫu khác 19

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ TRỊ . 21

2.1 Giới thiệu chung . 21
2.2 Quá trình và nguyên tắc điều trị bằng tia xạ . 22
2.3 Các phương pháp điều trị bằng tia xạ 23
2.4 Cơ sở và các khái niệm liên quan về liều trong xạ trị . 24


CHƯƠNG 3 – MÔ PHỎNG MCNP CHO NGUỒN ĐƠN KÊNH TRONG THIẾT BỊ
XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE 32

3.1 Phương pháp Monte Carlo . 32
3.2 Chương trình MCNP 34
3.3 Mô phỏng MCNP cho nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu LGK 42
3.4 Các kết quả tính toán với nguồn đơn kênh 45


CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG MCNP CHO 201 NGUỒN TRONG THIẾT BỊ XẠ
PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE . 49

4.1 Mô phỏng MCNP5 cho 201 nguồn trong LGK 49
4.2 Mô phỏng cách tính liều đối với đầu Zubal 52
4.3 Các kết quả tính toán với 201 nguồn 53
KẾT LUẬN 67
HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .

DANH MỤC CÁC BẢNG


Bảng 3.1 So sánh thời gian chạy giữa tally F4 và tally FMESH 44
Bảng 4.1 So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Gamma Plan và kết quả
tính toán . 63
Bảng 4.2 So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Gamma Plan và kết quả
tính toán . 64


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C . 16
Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C . 16
Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK 17
Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong LGK 19
Hình 1.5 So sánh cường độ của một chùm tia gamma mà khối u hấp thụ . 19
Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân . 20
Hình 1.7 Chương trình tính liều bằng Gamma Plan . 22
Hình 1.8 So sánh kích thước và liều điều trị của một số phương pháp xạ trị . 23
Hình 2.1 Biểu diễn cách tính liều phần trăm 28
Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn các thể tích bia trong kỹ thuật xạ trị 30
Hình 2.3 Biểu diễn đường đồng liều của CTV, PTV, và GTV trong ung thư trực tràng được chụp bởi CT trong việc lập kế hoạch điều trị 34
Hình 3.1 So sánh phương pháp Monte Carlo với các phương pháp giải tích về thời gian tính toán và độ phức tạp của cấu hình . 36
Hình 3.2 Biểu diễn quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel 42
Hình 3.3 So sánh liều tương đối tính bằng tally F4 và tally FMESH dọc theo trục Ox
đối với phantom nước 43
Hình 3.4 Giao diện của chương trình MCNP5 . 45
Hình 3.5 Mô hình nguồn đơn kênh dùng trong mô phỏng MCNP . 46
Hình 3.6 Mô hình mô phỏng nguồn đơn kênh và phantom trong LGK . 47
Hình 3.7 Phổ năng lượng photon phát ra của nguồn Co60 47
Hình 3.8 Liều phân bố dọc theo trục Ox 48
Hình 3.9 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy 49
Hình 3.10 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz 50
Hình 4.1a Biểu diễn sự sắp xếp của các vòng collimator trong helmet của LGK . 52
Hình 4.1b Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy . 52
Hình 4.2 Biểu diễn phân bố góc của 201 nguồn trong LGK so với mặt phẳng . 53
Hình 4.3 Biểu diễn nguồn có dạng hình mặt và cách bố trí phantom trong mô phỏng
201 nguồn 54
Hình 4.4 Mô hình đầu Zubal . 55
Hình 4.5 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 4mm
56
Hình 4.6 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 8mm
56
Hình 4.7 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator
14mm . 57
Hình 4.8 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator
18mm . 57
Hình 4.9 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy với collimator đường kính 18mm . 58
Hình 4.10 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxz với collimator đường kính 18mm . 59
Hình 4.11 Biểu diễn phân bố liều tương đối trong phantom đầu Zubal và trong phantom nước đối với 201 nguồn 60
Hình 4.12 So sánh liều theo trục z với collimator đường kính 4 mm 61
Hình 4.13 So sánh liều theo trục x với collimator đường kính 4 mm 61
Hình 4.14 So sánh liều theo trục x với collimator đường kính 18 mm 62
Hình 4.15 So sánh liều theo trục z với collimator đường kính 18 mm 62


MỞ ĐẦU
Theo thống kê của Tổ chức y tế thế giới, tỷ lệ tử vong trên thế giới do bệnh ung thư rất cao. Hàng năm có khoảng gần 10 triệu trường hợp mắc ung thư và trên 8 triệu người đã chết do bệnh này. Ở Việt Nam, mỗi năm ước tính có khoảng 150.000 ca ung thư mới trong đó có trên 50.000 ca tử vong [1].
Những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học cũng như các thiết bị chẩn đoán và điều trị hiện đại, việc nghiên cứu và chữa trị ung thư đã có những tiến bộ vượt bậc. Vì thế mà tìm ra được một số hướng dự phòng chẩn đoán chính xác hơn và điều trị có hiệu quả hơn.
Những cách điều trị bệnh bao gồm: điều trị bằng phẫu thuật, điều trị bằng tia xạ và điều trị bằng hóa chất. Điều trị bằng tia xạ là phương pháp dùng chùm tia điện tử hoặc photon có năng lượng thích hợp thông qua cơ chế gây ion hóa nhằm gây ra những tác động về mặt sinh học của chùm tia để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc hạn chế sự phát triển của nó. Đây được xem là một trong những phương pháp điều trị bệnh hữu hiệu nhất nhưng phương pháp này vẫn có một số hạn chế nhất định đó là bệnh nhân phải chấp nhận một rủi ro do bức xạ ion hóa đi vào cơ thể. Điều này rất quan trọng và đó là nhiệm vụ của các kỹ sư vật lý và bác sỹ để làm sao cho các ảnh hưởng do ion hóa của các bức xạ lên bệnh nhân một cách thấp nhất để đảm bảo an toàn cho người bệnh
Hiện nay ở Việt Nam những thiết bị chẩn đoán và điều trị bằng tia xạ được đưa vào sử dụng khá phổ biến ở các bệnh viện như thiết bị chẩn đoán bằng các đồng vị phóng xạ như PET, SPECT, CT, Gamma Camera và thiết bị điều trị bằng bức xạ ion hóa rất hiện đại như máy gia tốc tuyến tính và đặc biệt gần đây nhất năm 2006 Bệnh viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh đã đưa vào máy xạ phẫu Leksell Gamma Knife (LGK), đây là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay để chữa trị u não. Thiết bị này sử dụng nguồn chiếu xạ đa kênh để tiêu diệt khối u. Thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife được giới thiệu vào năm 1951 bởi giáo sư Lar Leksell người Thụy Điển cho đến nay đã có 17189 bệnh nhân được điều trị bằng Gamma Knife trên toàn thế giới. Ở Việt Nam từ tháng 11/2006 đến tháng 7/2007 Bệnh viện Chợ Rẫy đã điều trị được cho 100 bệnh nhân. Tất cả các bệnh nhân sau khi điều trị đều có kết quả tốt.
Hiện nay trên thế giới, nhiều nhà khoa học cũng đã vận dụng nhiều phương pháp tính liều khác nhau để khảo sát phân bố liều chiếu trong thiết bị LGK và đã rút ra các kết quả phù hợp với chương trình tính liều Gamma Plan. Các chương trình được sử dụng là EGS4 dùng cho việc tính toán liều phân bố của nguồn đơn kênh (Joel Y.C Cheung -1998) [5], tác giả đã dùng phantom hình cầu với chất liệu là nước có đường kính 160mm khảo sát phân bố liều trên các trục tọa độ x, y, z. Đồng thời tác giả cũng dùng code EGS4 để tính toán sự khác nhau trong phân bố liều đối với các phantom có chất liệu plastic, nhựa dẻo (Perspex), và nước [6]. Chương trình PENELOPE dùng để khảo sát phân bố liều trong LGK với phantom không đồng nhất bằng chất liệu nước bao quanh bên ngoài là lớp vỏ hình cầu, lớp vỏ này được làm bằng vật chất tương tự với xương sọ [3] (Al-Dweiri, 2005), tác giả đã rút ra kết quả khác nhau trong phân bố liều của việc mô phỏng phantom đồng nhất và không đồng nhất. Đồng thời ông cũng tính xác suất của góc phát ra từ nguồn LGK, kết quả tính toán cho thấy chỉ những tia gamma phát ra với góc cực nhỏ dưới 30 mới đóng góp đáng kể vào phân bố liều trong phantom, trong công trình này tác giả đã đưa ra mô hình nguồn đơn giản đáp ứng được liều chiếu phù hợp nhưng giảm được thời gian tính toán. Moskvin V [7] đã dùng PENELOPE để mô phỏng thông lượng phát ra từ nguồn của LGK đi qua các collimator nhằm để xác định phân bố liều trong phantom cầu polystyrene, kết quả này được tính toán và so sánh với kết quả của các tác giả khác mô phỏng bằng code EGS4. Ngoài ra code MCNP4C cũng được sử dụng để tính toán liều tương đối phát ra từ 201 nguồn của thiết bị LGK (YiPeng Li, 2002) [11].
Luận văn này nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đó là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động cũng như các kỹ thuật tính liều cho xạ trị. Qua việc tìm hiểu cấu tạo và cách sắp xếp phân bố của các nguồn chiếu trong thiết bị xạ phẫu, một chương trình mô phỏng được xây dựng để tính toán phân bố liều và kết quả này được so sánh với các chương trình mô phỏng của các tác giả khác nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của quá trình. Chương trình chúng tôi dùng để mô phỏng trong luận văn này là MCNP5, đó là một trong những chương trình mô phỏng sử dụng phương pháp Monte Carlo, được xem là khá chính xác và hiện đại trong việc tính toán liều. Đề tài “Mô phỏng thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife bằng chương trình MCNP5” đã mở ra một hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng chương trình MCNP5 trong kỹ thuật tính liều đối với thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife.