Thạc Sĩ Tính liều gây bởi chùm tia photon từ máy gia tốc dùng monte carlo code EGSnrc

MỞ ĐẦU

Trong xạ trị, để đảm bảo phân bố liều tối ưu nhất thì một trong những bước quan trọng là tính liều trước khi xạ. Tuy nhiên, việc tính liều có chính xác hay không lại phụ thuộc vào phương pháp tính liều được sử dụng trong quá trính tính. Có một số phương pháp tính liều được đưa ra như phương pháp pencil beam, tích chập (convolution), phương pháp Monte Carlo [12]. Những phương pháp như pencil beam, phương pháp tích chập nói chung cho kết quả tốt đối với việc tính liều cho chùm tia photon. Tuy nhiên, khi tính liều cho chùm tia electron, với quá trình vận chuyển phức tạp, các thuật toán này chưa cho kết quả phù hợp nhất là khi tính trong những dạng hình học phức tạp, và cấu tạo không đồng nhất [12]. Trong khi đó phương pháp Monte Carlo với cách thức theo dõi chi tiết cho từng quá trình, cho kết quả chính xác cao. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian để mô phỏng vì vậy hiện nay việc sử dụng hoàn toàn phương pháp Monte Carlo trong tính liều bệnh nhân chưa là khả thi vì quá trình tính liều trong xạ trị chỉ nên tốn ít thời gian, khoảng vài phút. Trong khi đó tính liều cho xạ trị bởi quá trình Monte Carlo hiện nay cần tốn hàng giờ. Do đó, hiện nay chương trình Monte Carlo được áp dụng một phần cùng với phương pháp giải tích ví dụ như dùng để tính như lõi chùm tia bút chì (pencil-beam kernels), hay tính lõi điểm bỏ năng lượng (energy deposition point kernel) [12] .
Những code áp dụng Monte Carlo có thể kể đến như PENELOPE, MCNP, GEANT4, EGSnrc mỗi code có những thế mạnh riêng của nó và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong đó, được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực y khoa phải kể đến là code EGSnrc. Code EGSnrc đã được phát triển với các user code linh hoạt như BEAMnrc, DOSXYZnrc.
Code EGSnrc vẫn còn là một code đang trong quá trình nghiên cứu và cần được kiểm tra về độ tin cậy.
Ở Việt Nam, code này đang còn là một code mới, chính vì thế mục đích chính của luận văn vẫn là đi tìm hiểu và khai thác các chức năng của code. Luận văn thực hiện quá trình tính liều trong phantom nước và so sánh, khảo sát với kết quả thực nghiệm đo được tại bệnh viện Chợ Rẫy. Trong phantom người, mục đích chính trong luận văn là tìm hiểu các chức năng tính liều với phantom được tạo từ dữ liệu ảnh CT, tìm hiểu các công cụ dosxyz_show, ctcreate, kết quả từ quá trình này được so sánh với kết quả tính liều từ chương trình DSS.
Bố cục của luận văn như sau:
Chương 1. TỔNG QUAN
Chương này giới thiệu chung về các phương pháp tính liều và các code tính liều dùng Monte Carlo. Trong chương trình bày lí do chọn chương trình EGSnrc cho tính liều và nêu phạm vi, hướng nghiên cứu.
Chương 2. QUY TRÌNH XẠ TRỊ, MÁY GIA TỐC, THUẬT TOÁN MONTE CARLO VÀ MỘT SỐ KHÍA CẠNH VẬT LÝ CỦA CHÙM PHOTON.
Chương này trình bày về một số kiến thức cơ bản cần tìm hiểu cho quá trình làm luận văn. Gồm những kiến thức như: Quy trình xạ trị, máy gia tốc, thuật toán Monte Carlo và những khía cạnh vật lý của chùm photon.
Chương 3: CODE EGSnrc
Chương này giới thiệu code EGSnrc và một số user code. Với Code EGSnrc, trong chương này trình bày về hệ thống thư mục và cách hoạt động của nó. Với User code, chương này trình bày một số điểm chính được lưu ý trong quá trình làm luận văn.
Chương 4: ÁP DỤNG CODE EGSnrc TRONG TÍNH VÀ BIỂU DIỄN LIỀU
Chương này trình bày kết quả khảo sát của chúng tôi trong quá trình chiếu với các phantom khác nhau là phantom nước và phantom người. Kết quả của chúng tôi được so sánh với kết quả đo tại Chợ Rẫy và chương trình tính liều DSS.
Cuối chương, chúng tôi đưa ra kết luận và hướng nghiên cứu tiếp.

MỤC LỤC
Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt .3
Danh mục các bảng 4
Danh mục các hình .5
Chương 1. TỔNG QUAN .10
1.1. Giới thiệu về các phương pháp tính liều cho chùm photon trong xạ trị 10
1.2. Giới thiệu về các code Monte Carlo dùng trong xạ trị .11
1.3. Lý do chọn code EGS 14
1.4. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài .14
1.4.1. Mục tiêu 14
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu .14
1.5. Giới thiệu nội dung luận văn 15
Chương 2. QUY TRÌNH XẠ TRỊ, MÁY GIA TỐC, THUẬT TOÁN MONTE CARLO VÀ MỘT SỐ KHÍA CẠNH VẬT LÝ CỦA CHÙM PHOTON.16
2.1. Qui trình điều trị .16
2.2. Cấu trúc chung của máy gia tốc tuyến tính 18
2.3. Mô phỏng Monte Carlo cho dịch chuyển bức xạ .20
2.3.1. Quá trình vận chuyển photon 22
2.3.2. Quá trình vận chuyển electron 24
2.4. Một số khía cạnh vật lý của chùm photon .27
2.4.1. Sự truyền qua của chùm tia photon vào phantom hoặc bệnh nhân .27
2.4.2. Beam profile và độ phẳng của trường .28
2.4.3. Phần trăm liều độ sâu (%DD) .30
2.4.4. Sự phân bố đồng liều .31
Chương 3. CODE EGSnrc 32
3.1. Code EGSnrc 32
3.1.1. Khả năng và đặc trưng của code 32
3.1.2. Cấu trúc và hoạt động của code EGSnrc .33
3.1.3. Hệ thống thư mục của code EGSnrc .35
3.1.4. Các user code 36
3.2. BEAMnrc 37
3.2.1. Hoạt động của BEAMnrc .37
3.2.2. File không gian pha *.egsphant .39
3.3. DOSXYZnrc .40
3.3.1. Khai báo phantom 41
3.3.2. File *.3ddose .42
3.4. Chương trình đọc dữ liệu ảnh CT, ctcreate 43
3.4.1. Quá trình hoạt động của ctcreate .43
3.4.2. Những thông số cần vào cho ctcreate để tạo file .egsphant .44
3.5. Chương trình biểu diễn liều, dosxyz_show .45
Chương 4. ÁP DỤNG CÁC CODE EGSnrc TRONG TÍNH VÀ BIỂU DIỄN LIỀU 47
4.1. Tính phân bố liều trong phantom nước 47
4.1.1. Tạo file không gian pha với BEAMnrc 48
4.1.2. Quá trình tính liều với DOSXYZnrc .53
4.1.3. Kết quả thu được, so sánh và đưa ra nhận xét 54
4.2. Quá trình tính liều trong phantom người .62
4.2.1. Đọc ảnh CT .63
4.2.2. Chạy BEAMnrc .64
4.2.3. Tính liều bởi DOSXYZnrc 65
Kết luận 78
Hướng phát triển 80
Tài liệu tham khảo 81
Phụ lục 84