Luận văn Thạc sĩ Vật lý hạt nhân Mô phỏng thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife bằng chương trình MCNP5

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK Hình 1.4 Nguyên tắc

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN

TP HỒ CHÍ MINH, 2009

M ỤC 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 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 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 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 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 69

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ch ữ viết tắt

LGK: Leksell Gamma Knife

CT: Computed Tomography

MRI: Magnetic Resonance Imaging

SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography

PET: Positron Emission Computed Tomography

IGRT: Image Guided Radiation Therapy

IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy

SSD: Source to Surface Distance

SAD: Source Axis Distance

GTV: Gross Tumor Volume

CTV: Clinical Target Volume

PTV: Planning Target Volume

MCNP: Monte Carlo N – Particle

EGS: Electron Gamma Shower

PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons

FWHM: Full Width Half Maximum

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 So sánh thời gian chạy giữa tally F4 và tally Fmesh

Bảng 4.1 So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Gamma Plan và kết quả tính toán

Bảng 4.2 So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Gamma Plan và kết quả tính toán

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C

Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C

Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK

Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong LGK

Hình 1.5 So sánh cường độ của một chùm tia gamma mà khối u hấp thụ

Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân

Hình 1.7 Chương trình tính liều bằng Gamma Plan

Hình 1.8: So sánh kích thước và liều điều trị của một số phương pháp xạ trị

Hình 2.1 biểu diễn cách tính liều phần trăm

Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn các thể tích bia trong kỹ thuật xạ trị

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

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 Hình 3.2 biểu diễn quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel

Hình 3.3 So sánh liều tương đối tính bằng tally F4 và tally Fmesh dọc theo trục

Ox đối với phantom nước

Hình 3.4 Giao diện của chương trình MCNP5

Hình 3.5 Mô hình nguồn đơn kênh dùng trong mô phỏng MCNP

Hình 3.6 Mô hình mô phỏng nguồn đơn kênh và phantom trong LGK

Hình 3.7 Phổ năng lượng photon phát ra của nguồn Co

Hình 3.8 Liều phân bố dọc theo trục Ox

Hình 3.9 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy

Hình 3.10 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz

Hình 4.1a Biểu diễn sự sắp xếp của các vòng collimator trong helmet của LGK

Hình 4.1b Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy

Hình 4.2 biểu diễn phân bố góc của 201 nguồn trong LGK so với mặt phẳng Hình 4.3 Biểu diễn nguồn có dạng hình mặt và cách bố trí phantom trong mô

phỏng 201 nguồn

Hình 4.4 Mô hình đầu Zubal

Hình 4.5 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator

Hình 4.11 Biểu diễn phân bố liều tương đối trong phantom đầu Zubal và trong phantom nước đối với 201 nguồn

Hình 4.12 So sánh liều phân bố đối với trục z trong collimator đường kính 4mm

M Ở 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 đư ợc 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, 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 b ệnh 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) [2], 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 [3] Chương trình PENELOPE dùng đ ể

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 [4] (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 hơn 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 [5] đã dùng PENELOPE để mô phỏng thông lượng phát ra từ nguồn cùa 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 đư ợc sử dụng để tính toán liều tương đối phát ra từ 201 nguồn

của thiết bị LGK (YiPeng Li, 2002) [6]

Luận văn này nhằm mục đích tìm hi ểu 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 đ ể mô phỏng trong luận văn này là MCNP5, đó là một trong những phương pháp Monte Carlo, được xem là khá chính xác và hiện đại trong việc tính toán liều Đề tài “Mô phỏng thiết bị

x ạ phẫu Gamma Knife bằng phương pháp MCNP” đã mở ra một hướng nghiên cứu

mới trong việc ứng dụng phương pháp MCNP5 trong kỹ thuật tính liều đối với thiết bị

xạ phẫu Leksell Gamma Knife

Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc tìm hiểu tổng quan cấu tạo và nguyên tắc

hoạt động của thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife Giới thiệu về các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị trong đó có phương pháp MCNP, tìm hi ểu đặc điểm, cơ sở vật

lý của các code, cấu trúc thành phần của một file input trong chương trình MCNP Sau

đó vận dụng phương pháp này để mô phỏng quá trình tính liều cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên chúng tôi chỉ mô phỏng quá trình tính liều và phân bố liều theo độ sâu cho phantom bằng vật liệu nước và plastic sau đó chúng tôi có mô phỏng đối với phantom đầu Zubal cho nguồn đơn kênh

và 201 nguồn trong thiết bị Leksell Gamma Knife

Từ mục đích và nội dung công việc đó luận văn có bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và quy trình chữa trị

của thiết bị xạ phẫu Gamma Knife Chương này mô tả một cách chi tiết về cấu trúc của thiết bị xạ phẫu từ việc phân bố góc của 201 nguồn Cobalt 60 đến các tiến trình điều

trị

Chương 2: Các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị Giới thiệu các kỹ thuật

tính liều xạ trị ngoài Các kiến thức này là nền tảng cơ sở để xây dựng các quá trình mô

phỏng tương tác của bức xạ với môi trường vật chất, các định nghĩa về liều chiếu, kích thước trường chiếu, hướng chiếu và liều hấp thụ

Chương 3: Giới thiệu phương pháp Monte – Carlo Mô phỏng MCNP5 cho

thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đối với nguồn đơn kênh Trong chương này, cấu hình nguồn đơn kênh được mô phỏng và xuất ra kết quả phân bố liều, làm cơ sở cho quá trình mô phỏng cho 201 nguồn

Chương 4: Mô phỏng MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đối

với 201 nguồn và các kết quả tính toán đối với mô hình đầu Zubal

CHƯƠNG 1

1.1 Gi ới thiệu về Leksell Gamma Knife

Leksell Gamma Knife (LGK) là thiết bị phẫu thuật bằng bức xạ gamma tập trung, định vị ba chiều Nó cho phép xác định chính xác và điều trị các khối u nằm sâu trong não hoặc các khối dị dạng động tĩnh mạch có đường kính nhỏ hơn 5 cm

Trong điều trị bệnh lý não, khi tổn thương nằm sâu, nếu mổ hở như thông thường, phẫu thuật viên có thể làm tổn thương vùng não lành, gây biến chứng cho bệnh nhân sau đó như rối loạn thần kinh, tâm thần, liệt nửa người hoặc liệt các vùng thần kinh Thậm chí nếu đụng chạm đến những trung khu thần kinh quan trọng, bệnh nhân còn có thể tử vong ngay trên bàn mổ

Trong khi đó, xạ phẫu bằng hệ thống LGK là một phương pháp tiên tiến, bằng cách hội tụ hơn 200 nguồn bức xạ nhỏ tạo thành một năng lượng cực cao để tiêu hủy

dần dần các sang thương trong não mà không c ần phẫu thuật Khối sang thương sẽ bị tiêu hủy dần và biến mất theo thời gian Do hội tụ từ các nguồn năng lượng dưới dạng

bức xạ cực mảnh nên bệnh nhân cảm thấy rất bình thường sau điều trị và có thể tham gia công việc ngay ngày hôm sau, tránh được tâm lý lo lắng quá mức do bệnh tật và do các áp lực khi phải nghĩ việc vì bệnh và phải sắp xếp thời gian để trị bệnh

Hiện nay, LGK là một trong những thiết bị xạ trị được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới

1.2 L ịch sử của LGK [7]

Thiết bị này được thiết kế bởi Lar Leksell, nhà giải phẫu người Thụy Điển vào năm 1967 tại viện Karolinska, Thụy Điển Năm 1968 dựa vào phát minh của Giáo sư Lars Leksell, Công ty ELEKTA Thụy Ðiển đã sản xuất thành công Gamma Knife và

đưa vào sử dụng chữa trị cho bệnh nhân đầu tiên ở nhà máy hạt nhân Studsvik Trong cùng năm đó, Gamma Knife được triển khai điều trị tại Bệnh viện Karolinska, Thụy

Ðiển

Bắt đầu từ những năm 1970 kỹ thuật xạ phẫu được chú ý trên thế giới bởi sự phát triển của các thiết bị mới như chụp ảnh CT (Computed Tomography) Đầu những năm 1980, Gamma Knife được lắp đặt ở Argentina và Anh Vào năm 1987 thiết bị xạ

phẫu này lần đầu tiên được lắp đặt tại Bắc Mỹ

Năm 1990, chương trình tính l iều Gamma Plan được đưa vào sử dụng phục vụ cho mục đích lập kế hoạch xạ trị Tới năm 1993, Gamma Knife càng được sử dụng

rộng rãi ở tất cả các châu lục Do tính ưu điểm và vượt trội của Gamma Knife so với các phẫu thuật kinh điển trong điều trị các khối u, các dị dạng mạch máu và các bệnh

chức năng của não, nên Gamma Knife ngày càng được sử dụng nhiều hơn

Năm 1996, Chương trình Gamma Plan đư ợc hợp nhất với chương trình x ử lý ảnh MRI và CT Năm 2000, Gamma Knife model C được giới thiệu có bổ sung hệ

thống định vị APS

Ðến năm 2001 trên thế giới có 147 Trung tâm Gamma Knife và đến năm 2004

số Trung tâm Gamma Knife tăng lên là 232 (bao gồm: Trung Quốc 92, Nhật 36, các nước châu Á còn lại 17, Châu Âu 29, Bắc Mỹ 65, Nam Mỹ 02 và Châu Phi 01) Cho đến tháng 3 năm 2008 thì có 259 thiết bị được triển khai trên toàn thế giới

Tại Việt Nam, thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife được đưa vào sử dụng lần đầu tiên tại bệnh viện Chợ Rẫy vào tháng 11 năm 2006

Hình 1.1 biểu diễn các thành phần của thiết bị xạ phẫu LGK nhìn từ ngoài vào Hình 1.2 là mô hình cắt ngang của thiết bị, qua đó ta có thể thấy một cách chi tiết các thành phần cũng như cấu tạo bên trong của thiết bị

Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C

Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C

1.3 Các thành ph ần chính trong thiết bị LGK

Thiết bị xạ phẫu LGK gồm có 3 phần chính:

1 Nguồn trong thiết bị xạ phẫu LGK (Radiation Unit) gồm 201 nguồn Co – 60,

mỗi nguồn có hoạt độ gần 30 Ci Các nguồn này được sắp xếp thành dãy hình tròn nằm trong bộ phận che chắn làm bằng vật liệu có số khối lớn ( thường là chì) Nguồn này nhằm phóng những tia phóng xạ gamma đến những điểm bia trong bộ não bệnh nhân

2 Mũ (Collimator helmet): Gamma Knife được cung cấp bốn loại mũ với các kích

cỡ các collimator là 4mm, 8mm, 14mm, 18mm Các mũ này đư ợc gắn cố định

với giường bệnh nhân bằng các đinh vít Các mũ này là các colimator để cho các tia phóng xạ từ nguồn phát ra chiếu vào khối u một cách chính xác Và nhờ có

loại mũ này mà liều chiếu tập trung một cách chính xác tại các khối u nên mức

độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ tới các vùng xung quanh là không đáng kể Tùy theo thể tích của khối u mà các kỹ sư vật lý có thể dùng các collimator có đường kính khác nhau

Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK

Helmet với các

kích cỡ khác nhau

Collimators 4mm, 8mm, 14mm, 18mm

Mũ đặt trong hệ

thống gamma knife

3 Giường chữa trị bệnh nhân (Patient Treatmen Couch):

Là thiết bị có thể mang bệnh nhân dịch chuyển vào và ra trong suốt quá trình chiếu xạ, có thể tự điều chỉnh vị trí để khớp mũ với các kênh chiếu và các vị trí chiếu

1.4 Nguyên t ắc của LGK

1.4.1 V ật lý và nguyên lý cơ bản của LGK

Nguyên tắc vật lý cơ bản của LGK là dựa trên sự phân rã phát ra tia gamma của nguồn phóng xạ Cobalt 60 Nguồn Cobalt 60 này sẽ phân rã beta và tạo thành đồng vị Niken 60 với nửa thời gian sống là 5.26 năm

1.4.2 Nguyên t ắc hoạt động của LGK

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của LGK là dựa trên việc hội tụ các chùm tia gamma năng lượng cao phát ra từ 201 nguồn Cobalt 60 tập trung lên một thể tích điều tri có liều phóng xạ rất cao Hình 1.4 biểu diễn sự hội tụ năng lượng từ 201 nguồn

Việc chiếu phân bố 201 nguồn xạ nhằm làm cho phân bố liều xung quanh thể tích vùng điều trị không đủ lớn để gây ra những tác động đáng kể nào về mặt sinh học, tối thiểu hóa việc tiêu diệt các tế bào lành lân cận Việc tính toán một cách rõ ràng được biểu thị trong hình 1.5 cho thấy phân bố liều xạ đối với 6 chùm tia so với 201 chùm tia Dựa trên hình 1.5 ta thấy nếu chiếu vào thể tích khối u bằng 6 chùm tia thì cư ờng độ của

giảm chỉ còn 0.5% Đi ều này cho thấy sự giảm đáng kể ảnh hưởng lên các mô lành xung quanh nếu tăng số lượng chùm tia

Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong LGK

Hình 1.5 So sánh cường độ của một chùm tia gamma mà khối u hấp thụ

Ngoài ra LGK cho phép người sử dụng có thể điều khiển số nguồn chiếu sao cho phù hợp với thể tích cần chiếu bằng cách dùng các nút bằng tungsten bịt kín những lỗ (collimator) không cần thiết Trong một số trường hợp người ta chỉ cần chiếu với khoảng 150 hoặc 102 nguồn

1.5 Ti ến trình điều trị bằng Leksell Gamma Knife

1 Đặt khung: Dùng một khung để cố định đầu bệnh nhân và định vị vùng chữa

trị Quy trình đặt khung này do các bác sĩ phối hợp với các kỹ sư vật lý thực hiện

Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân

2 Ch ẩn đoán hình ảnh: Dùng phương pháp chụp ảnh MRI để chụp vị trí và hình

dạng của khối u Các ảnh này được chụp nhiều lần theo các hướng khác nhau và lần lượt thay đổi các vị trí chụp theo độ sâu để xác định chính xác vị trí khối u

3 L ập kế hoạch điều trị: phần mềm Gamma Plan được sử dụng để khôi phục lại

hình dạng của đầu bệnh nhân cũng như thể tích của khối u từ ảnh chụp Dựa trên các

kết quả phân tích được các kỹ sư vật lý và bác sỹ điều trị sẽ quyết định cấp liều và các hướng chiếu nhằm tối ưu hóa hiệu quả của việc điều trị Chương trình này bao g ồm

việc tính toán liều chiếu, vị trí chiếu, các kích cỡ collimator khác nhau cho mỗi lần chiếu và thời gian chiếu cho một khối u cụ thể

4 Ch ữa trị: Sau khi đã l ập kế hoạch chữa trị xong và đã đư ợc kiểm tra để đảm

bảo tính an toàn và chính xác Bệnh nhân được đưa vào phòng ch ữa trị, được đặt trên

một chiếc giường được điều khiển tự động, đầu bệnh nhân được cố định tại tâm của helmet Sau khi các bác sĩ r ời khỏi phòng một chương trình bên ngoài đư ợc lập trình

sẵn sẽ điều khiển cho cửa tự động của thiết bị mở ra và bệnh nhân được đưa tự động vào trong nguồn xạ Chuyển động của chiếc giường được lập trình sẵn bằng Gamma Plan về thời gian cho mỗi lần chiếu và định vị trí của giường cho mỗi lần chiếu bằng hệ

thống tự động đưa vào và đưa ra

1.6 Gi ới thiệu chương trình Gamma Plan ®

Gamma Plan® là chương trình lập kế hoạch chữa trị chỉ dùng riêng cho thiết bị LGK Chương trình này được dùng để tính liều hấp thụ phân bố bởi 201 nguồn phát ra

những chùm photon tập trung vào mỗi vùng thể tích cần điều trị Liều được tính toán cho mỗi kích cỡ của collimator cụ thể Trong chương trình Gamma Plan thì tùy theo

thể tích và hình dạng khối u khác nhau mà các kỹ sư vật lý sẽ quyết định dùng bao nhiêu shot chiếu khác nhau, cứ mỗi shot chiếu là một vùng (khoanh tròn) đã đư ợc định

vị trước Chiếu sao cho tất cả các shot sẽ bao trùm được hết toàn bộ khối u và giảm thiểu tối đa ảnh hưởng tới các vùng xung quanh Chương trình Gamma Plan cũng cho

ta biết được các đường đẳng liều quanh khối u Hình 1.7 minh họa chương trình tính

liều bằng Gamma Plan Phía bên trái của hình là những lát cắt biểu diễn vị trí của khối

u, các đường đẳng liều bao quanh giúp cho các kỹ sư vật lý xác định chính xác liều cần cung cấp Phía dưới bên phải là mô hình trong không gian biểu diễn chính xác vị trí

của khối u trong não

Hình 1.7 Chương trình tính liều bằng Gamma Plan

1.7 Ưu điểm của LGK so với các thiết bị xạ phẫu khác

Với 201 nguồn Cobalt-60 đặt cố định và đầu bệnh nhân được định vị bằng khung Stereotactic, LGK được coi là thiết bị có độ chính xác cao nhất hiện nay trong

xạ trị liều cao LGK có độ chính xác cao về cơ khí, sai số của toàn bộ hệ thống luôn

nhỏ hơn 0.5 mm, cho phép sử dụng liều bức xạ cao để điều trị các tổn thương ở những

vùng “nhạy cảm” như thân não, giao thoa thị…

So với các phương pháp khác, phẫu thuật các khối u bằng LGK an toàn, hiệu

quả hơn, rất ít biến chứng và không có tử vong Chỉ định điều trị rộng rãi, ngay cả các

bệnh nhân có khối u ở vị trí phức tạp

Phẫu thuật bằng Gamma Knife không cần phải gây mê, bệnh nhân vẫn tỉnh táo hoàn toàn trong quá trình phẫu thuật Không có nguy cơ nhiễm trùng, không chảy máu, không đau đớn…

Hình 1.8 mô tả ưu điểm của Gamma Knife so với các kĩ thuật xạ trị khác, đó là

có thể tập trung một liều rất cao vào trong một vùng thể tích rất nhỏ do đó hiệu quả tiêu

diệt tế bào ung thư là tốt hơn so với các kĩ thuật xạ trị còn lại

Hình 1.8: So sánh kích thước và liều điều trị của một số phương pháp xạ trị

CHƯƠNG 2

Chương này nhằm mục đích cung cấp các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị

mà bất cứ một kỹ sư vật lý nào cũng cần phải nắm rõ Đó là những kiến thức nền tảng

về tương tác của bức xạ với vật chất, về liều hấp thụ của mô khi một bức xạ truyền qua

để làm cơ sở xây dựng các quá trình mô phỏng

2.1 Gi ới thiệu chung

Điều trị bằng tia xạ là quá trình điều trị có sử dụng bức xạ ion hóa hoặc phóng

xạ cho nhiều bệnh khác nhau Mục đích là nhằm đưa một liều phóng xạ rất chính xác

tới một thể tích bia đã xác đ ịnh với một mức độ tổn thương nhỏ nhất cho các mô lành bao quanh, kết quả là sẽ loại trừ bệnh tật, kéo dài sự sống hay cải thiện chất lượng cuộc

sống Do đó, kỹ thuật xạ trị được xây dựng để chữa bệnh hoặc làm nhẹ bớt bệnh tật

một cách hiệu quả

Khi sử dụng phương pháp điều trị bằng tia xạ cần phải xác định mục đích của

việc điều trị

• Điều trị tận gốc: là loại trừ tất cả các tế bào ung thư tại u nguyên phát, tại các tổ

chức xung quanh mà khối u lan tới và những hạch tại vùng có thể đã bị xâm lấn Điều trị tận gốc thường là liều xạ cao, có thể gây ra một số biến chứng phụ, thời gian kéo dài với sự chấp nhận của bệnh nhân

• Điều trị tạm thời: để nâng cao chất lượng đời sống như chống đau, chống tắc do chèn ép, chống chảy máu Điều trị tạm thời thường là liều thấp và thời gian chiếu xạ ngắn

Tùy theo mục đích điều trị khác nhau mà bác sĩ và các k ỹ sư vật lý quyết định liều

ếu cũng như các kỹ thuật chiếu xạ thích hợp

2.2 Quá trình và nguyên t ắc điều trị bằng tia xạ

2.2.1 Quá trình điều trị bằng tia xạ

Một quá trình điều trị bằng tia xạ rất phức tạp Đầu tiên bác sĩ phải chẩn đoán và đánh giá lâm sàng để xác định mầm bệnh của khối u (ác tính hay lành tính) sau đó sẽ quyết định phương thức điều trị thích hợp nhằm làm giảm nhẹ bệnh hay điều trị tận

gốc Một quy trình tạo ảnh và lập phát đồ điều trị được thực hiện bằng các kỹ thuật

chụp ảnh cắt lớp (CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), X-quang hay chụp ảnh bằng phát xạ photon (SPECT), positron (PET) Dựa vào các ảnh này ta có thể xác định được thể tích bia cần chiếu xạ, khoanh vùng thể tích vào tạo dạng trường chiếu Sau đó sẽ xây dựng chương trình để mô phỏng thực tế điều trị, tính toán sự phân bố liều và tối ưu hóa liều

cần chiếu

2.2.2 Nguyên t ắc điều trị bằng tia xạ [1]

Quy trình điều trị bằng tia xạ phải dựa trên những nguyên tắc sau:

- Đánh giá sự lan rộng của khối u bằng các biện pháp CT scanner, X-quang, MRI… để biết thể tích cần chiếu

- Biết rõ những đặc điểm bệnh lý của khối u

- Chọn lựa những phương pháp thích hợp: chỉ dùng xạ trị hay phối hợp phẫu thuật, hóa chất… hay chọn phối hợp cả hai phương pháp, chọn loại tia thích

hợp, chiếu từ ngoài vào hay đặt tại khối u

- Quy định liều tối ưu và thể tích chiếu dựa trên vị trí giải phẫu, độ ác tính… và

cấu trúc lành trong vùng chiếu

- Đánh giá từng giai đoạn về thể lực bệnh nhân, sự đáp ứng của khối u và thể

trạng của tổ chức lành trong khu vực điều trị

Bác sĩ điều trị phải cùng làm việc chặt chẽ với đội ngũ vật lý, kế hoạch điều trị

và bộ phận đo lường, không thể nhầm lẫn được những đánh giá lâm sàng hay không hoàn hảo trong việc lập phát đồ điều trị

2.3 Các phương pháp điều trị bằng tia xạ [8]

2.3.1 Phương pháp xạ trị bằng chùm tia ngoài

Xạ trị bằng chùm tia ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kỹ thuật xạ

trị Người ta thường tiến hành với chùm photon, thông thường đó là các tia X mang năng lượng cao được tạo ra bởi máy gia tốc tuyến tính, nhưng người ta cũng t hường dùng chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong khoảng 50-300kV Thêm vào đó, chùm electron ở năng lượng megavolt cũng đư ợc sử

dụng để điều trị các khối u tương đối nông sẽ cải thiện được độ chính xác hình học hơn các photon, do đó nó cũng được sử dụng rộng rãi ngày nay Xạ trị ngoài với các bức xạ

hạt khác cũng đã được đưa ra, trong trường hợp hạt neutron, và kiểm tra rộng rãi

Một số phát triển mới đây trong kỹ thuật xạ trị ngoài đã tăng lên do việc sử dụng máy tính tăng Chúng không chỉ có khả năng lập kế hoạch tính toán trong không gian

ba chiều mà còn có khả năng điều khiển thiết bị điều trị sao cho vùng liều cao có thể

biến đổi cho phù hợp với thể tích bia trong không gian ba chiều Sự phát triển này song song với các kỹ thuật tạo ảnh như chụp cắt lớp hay tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI), nó sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc phác họa thể tích khối u

Các máy móc được sử dụng cho xạ trị từ xa bao gồm các máy phát tia X, máy phát chùm tia gamma, máy gia tốc điện tử và máy phát neutron Tất cả những thiết bị

xạ trị từ xa đòi hỏi đều phải có bảo vệ bức xạ khác nhau và cần phải xử lý theo các nguyên tắc riêng của nó Xạ trị từ xa là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất để điều trị

những khối u, hạch nằm sâu trong cơ thể

2.3.2 X ạ trị bằng nguồn phóng xạ kín

Là kỹ thuật điều trị sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ đặt trong thể tích khối

u để đưa ra một liều rất cục bộ nhằm tối thiểu hóa liều xạ tới các mô lành bao quanh Tuy nhiên kỹ thuật này hạn chế khi thể tích khối u nhỏ

Sự phát triển trong lĩnh vực này bao gồm việc sử dụng các nguồn phóng xạ có

suất liều cao, các nguồn này được đưa qua các ống thông để đặt vào các vị trí khối u

2.4 Cơ sở và các khái niệm liên quan về liều trong xạ trị

Để cho việc điều trị bằng tia xạ đạt hiệu quả tối ưu thì việc nắm vững các khái

niệm về liều lượng, sự phân bố liều tại các thể tích bia, tìm hiểu cơ sở vật lý cũng như các kỹ thuật tính toán liều chiếu là thật sự cần thiết

2.4.1 Li ều lượng học lâm sàng

• Liều lượng (dose)

Đơn vị tính là Roentgen (R), tính cho bức xạ tia X hoặc tia gamma Một Roentgen là năng lượng bức xạ (R0) đi qua một cm3

không khí, ở điều kiện tiêu chuẩn (00

• Suất liều (dose rate)

C, 760mmHg) tạo ra một đơn vị tĩnh điện, cùng dấu dương hoặc dấu âm

Là liều lượng trong một đơn vị thời gian Đơn vị của suất liều là đơn vị của liều chia cho thời gian (R/h hoặc R/min)

hấp thụ Sự hấp thụ năng lượng đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất Đơn vị là J/kg

J/kg là liều lượng hấp thụ bức xạ được đo bởi năng lượng một Jun của bức xạ ion hóa bất kỳ hấp thụ bởi khối lượng một kilogram của chất bị chiếu xạ

• Li ều sâu phần trăm (percentage deep dose)

Là tỷ số của liều hấp thụ (Dd

0

d

D

) tại điểm khảo sát ở một độ sâu x nào đó so với

liều hấp thụ cực đại tại điểm khảo sát trên trục chùm tia ( )

Hình 2.1 biểu diễn cách tính liều phần trăm

Liều sâu phần trăm:

0

(%) d 100

d

D D

D

• Tỷ số mô – không khí (target air ratio)

Là tỉ số liều hấp thụ tại điểm cho trước trong mô so với liều lượng được đo ngoài không khí trong một thể tích cho trước đủ lớn để tạo ra liều cực đại tại điểm đó

• Hằng số SSD (source to surface distance)

Là khoảng cách từ nguồn phát tia tới bề mặt da bệnh nhân

• Hằng số SAD (source axis distance)

Là khoảng cách từ nguồn phát tới tâm của khối u, cắt trục chùm tia

Trong điều trị bằng tia xạ thì ngoài việc nắm vững các lý thuyết về liều lượng ta

phải tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến liều chiếu, đó là năng lượng bức xạ, khoảng cách từ nguồn đến da và kích thước trường chiếu Liều lượng trong một khối u ở một

độ sâu nào đó so với liều trên bề mặt da có ý nghĩa r ất quan trọng Liều sâu tính bằng

phần trăm càng lớn thì hiệu quả điều trị càng cao Liều sâu phụ thuộc nhiều nhất vào năng lượng bức xạ Khi tăng năng lượng lên thì tăng đư ợc độ sâu và do đó tăng được

hiệu quả điều trị Ngoài ra, liều sâu tăng theo kích thước trường chiếu

2.4.2 M ột số định nghĩa liên quan đến thể tích bia và sự phân phối liều

Liều lượng và phân bố liều lượng là một trong những yếu tố quan trọng đóng góp vào sự thành công của điều trị bằng tia xạ Phân bố liều lượng hợp lý được thể hiện

bằng sự tập trung liều cao tại thể tích khối u (còn được gọi là bia) và liều thấp tại vùng biên (là các tổ chức lành bao quanh khối u)

Trong quá trình lập kế hoạch xạ trị cho một bệnh nhân ung thư, một số loại thể tích cần được các bác sĩ lâm sàng xác đ ịnh Người làm công tác tính toán liều chiếu

cũng cần phải hiểu được một số loại thể tích để đưa ra được phác đồ điều trị tối ưu Vì

vậy hiểu được các loại thể tích đó cũng là một điều quan trọng

Để điều trị cho một bệnh nhân ung thư phải qua quá trình xác đ ịnh các thể tích Hai loại thể tích cần được xác định trước khi lập kế hoạch điều trị là:

• Thể tích khối u (gross tumor volume – GTV)

• Thể tích bia lâm sàng (clinical taget volume – CTV)

Trong quá trình lập kế hoạch điều trị một số loại thể tích sau cần phải được xác định:

Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn các thể tích bia trong kỹ thuật xạ trị

Trong đó thể tích điều trị là trường chiếu xạ trong thực tế và bao gồm cả thể tích khối u (GTV), thể tích bia lâm sàng (CTV), và cả thể tích bia lập kế hoạch (PTV)

2.4.2.1 Th ể tích khối u (gross tumor volume – GTV)

Là thể tích có thể sờ, nắn hay nhìn thấy được, biểu hiện sự lan rộng hay khu trú

của các phát triển ác tính Thể tích khối u bao gồm cả khối u nguyên chất, các hạch di căn hay các di căn khác Thể tích khối u thường đúng với các phần của sự phát triển ác tính mà ở đó mật độ tế bào u là lớn nhất

Hình dạng kích thước và sự khu trú của thể tích khối u có thể được xác định

bằng nhiều cách khác nhau: kiểm tra lâm sàng (khám, sờ, nắn, nội soi ), hoặc bằng

A

B

C

D

các kỹ thuật hình ảnh khác nhau (chụp X-quang, chụp cắt lớp CT, cộng hưởng từ MRI

và phương pháp chụp đồng vị phóng xạ)

2.4.2.2 Th ể tích bia lâm sàng (clinical target volume – CTV)

Là một thể tích tế bào và mô bao gồm cả thể tích khối u (GTV) và các tổ chức

rất nhỏ cận lâm sàng phải xét đến khi điều trị cụ thể một cách triệt để Kinh nghiệm lâm sàng cho thấy rằng quanh thể tích khối u thường có liên quan đến cận lâm sàng, nghĩa là nó gồm bản thân các tế bào ác tính, các đám tế bào nhỏ hay những lan rộng rất

nhỏ, rất khó phát hiện Thể tích bao quanh một khối u lớn thường có mật độ tế bào u

lớn, gần kề với mép của thể tích khối u, và mật độ đó giảm đi về phía ngoại vi của thể tích này Thể tích khối u cùng với thể tích bao quanh này của các tổ chức liên quan tại

chỗ được gọi là thể tích bia lâm sàng (CTV) và thường được biểu diễn như một thể tích bia lâm sàng bậc 1 (CTV-1)

Những thể tích phụ khác được xem như là sự lan tỏa cận lâm sàng cũng c ần

phải được điều trị Chúng cũng được định nghĩa là các thể tích cận lâm sàng và gọi là các thể tích bia lâm sàng bậc 1, bậc 2

Vì vậy, trong thực tế, thông thường không chỉ có một thể tích cận lâm sàng mà còn có thể có nhiều hơn thế nữa Trong một số trường hợp, ta có thể điều trị một trong hai thể tích bia lâm sàng với các liều lượng khác nhau Trường hợp thường gặp là điều

trị tăng cường, nghĩa là một thể tích liều cao nằm bên trong một thể tích liều thấp

Các định nghĩa về thể tích khối u và thể tích bia lâm sàng này về nguyên tắc được dựa trên các nguyên tắc chung về ung thư học và không chỉ giới hạn cho việc áp

dụng điều trị bằng chùm tia ngoài Vì vây, về mặt phẫu thuật, một đường biên an toàn quanh thể tích khối u được tính một cách phù hợp với các qui tắc lâm sàng và điều này được hiểu đúng như các khái niệm thể tích bia lâm sàng khi điều trị bằng chùm tia

ngoài Các thể tích này là cơ sở của việc chỉ định điều trị và phải được xác định trước khi chỉ định liều lượng

2.4.2.3 Th ể tích bia lập kế hoạch (planning target volume – PTV)

Thể tích bia lập kế hoạch là một khái niệm hình học, được xác định để lựa chọn kích thước của chùm tia và phân bố chùm tia một cách thích hợp, có tính đến hiệu quả cao nhất của tất cả các thay đổi hình học có thể có, sao cho đảm bảo liều lượng đã chỉ định được hấp thụ thực bên trong thể tích bia lâm sàng

Để đảm bảo rằng tất cả các mô bên trong thể tích bia lâm sàng nhận được một

liều lượng đã chỉ định, về nguyên tắc chiếu xạ người ta phải lập kế hoạch để chiếu xạ

một thể tích hình học lớn hơn thể tích bia lâm sàng Một cách lý tư ởng thì vị trí, kích thước, hình dạng của thể tích bia lâm sàng và các chùm tia có quan hệ đến một hệ tọa

độ cố định chung trong một phương cố định và có thể sao chép lại được Tuy nhiên trong thực tế điều này không thể thực hiện được Có thể thấy sự khác nhau trong và

giữa các đợt phân chia liều lượng, thời gian từ những yếu tố sau:

• Sự chuyển động của các tổ chức chứa thể tích bia (chẳng hạn sự hít thở, cử động

Thể tích bia lập kế hoạch có thể lớn hơn biên giới giải phẩu bình thường (chẳng

hạn bao gồm cả phần cấu trúc xương không ảnh hưởng về mặt lâm sàng)

Vì vậy, thể tích bia lập kế hoạch là một khái niệm hình học và cố định, được dùng cho việc lập kế hoạch điều trị Thực tế, thể tích bia lập kế hoạch không đại diện cho các tổ chức mô đã xác định hay các biên giới của các mô Thể tích bia lập kế hoạch

là một thể tích được sử dụng để tính toán liều lượng và sự phân bố liều lượng bên trong

thể tích bia lập kế hoạch phải được cân nhắc sao cho thể hiện được sự phân bố liều lượng đối với thể tích bia lâm sàng và các tổ chức nguy cấp

Khi xác định thể tích bia lập kế hoạch đối với thể tích bia lâm sàng đã cho, người ta phải đánh giá hết tầm quan trọng của những sự khác nhau có thể liên quan đến

sự phân bố chùm tia đã chọn, cân nhắc thêm về sự phân bố giải phẫu, sự áp dụng các

dụng cụ cố định bệnh nhân

2.4.2.4 Các t ổ chức nguy cấp

Các tổ chức nguy cấp là các mô lành nơi mà độ nhạy cảm của tia xạ có thể ảnh hưởng một cách có ý nghĩa đ ến việc lập kế hoạch điều trị và liều lượng được chỉ định (tổ chức nguy cấp chẳng hạn như tủy sống)

2.4.2.5 Th ể tích điều trị

Thể tích điều trị là thể tích được bao quanh bởi một đường đẳng liều trên bề

mặt, đã được các nhà điều trị tia xạ lựa chọn và định rõ sao cho đạt được mục đích điều

trị

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

Một cách lý tư ởng, liều lượng chỉ phân bố trên thể tích bia lập kế hoạch Tuy nhiên, do những hạn chế của kỹ thuật điều trị tia xạ, mục đích này không thể thực hiện được, và điều này dẫn đến việc phải xác định một thể tích điều trị Khi một liều lượng

tối thiểu đối với một thể tích bia lập kế hoạch đã được chọn một cách thích hợp, trong

một số trường hợp, thể tích điều trị thường lớn hơn nhiều so với thể tích bia lập kế

hoạch

2.4.2.6 Th ể tích chiếu xạ

Thể tích chiếu xạ là thể tích mà các mô nhận được một lượng liều được coi là có

ý nghĩa trong việc liên quan đến tổng liều chịu được của các mô lành

Việc so sánh giữa các thể tích điều trị và thể tích chiếu xạ đối với những sự phân bố chùm tia khác nhau có thể được sử dụng như là một phần của quá trình lựa

chọn

CHƯƠNG 3

BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE

Chương này trình bày cách th ức mô phỏng nguồn đơn kênh trong thiết bị LGK

bằng chương trình MCNP5 Đ ầu tiên chúng tôi giới thiệu về phương pháp Monte – Carlo, chương trình mô ph ỏng MCNP5 và tính ưu việt của chương trình, trong đó chúng tôi cũng gi ải thích vì sao chọn chương trình MCNP5 cho bài toán mô ph ỏng này Sau đó chúng tôi sẽ giới thiệu quá trình mô phỏng nguồn đơn kênh bao gồm việc

mô phỏng cấu trúc hình học của một nguồn đơn kênh, cách bố trí các vật liệu trong nguồn, qua đó rút ra được kết quả phân bố liều hấp thụ trên các trục Ox, Oy và Oz đối

với nguồn đơn kênh

3.1 Phương pháp Monte – Carlo

Gi ới thiệu

Đây là phương pháp dùng để mô phỏng sự tương tác của các photon, neutron với nhau hay là với môi trường Các mô hình tự nhiên được mô phỏng dựa trên các lý thuyết động lực học cần thiết theo yêu cầu của hệ

Trong quá trình mô phỏng một photon hoặc electron được xem như “hạt” được sinh ra từ một nguồn bao gồm năng lượng ban đầu, vị trí tương tác, góc tán xạ… trên

cơ sở của các tương tác vật lý, bảng tiết diện mở rộng và số giả ngẫu nhiên Một hạt được tạo ra bằng cách lấy mẫu một nguồn có năng lượng E từ danh sách của các năng lượng có sẵn kết hợp với vị trí đầu tiên r và hướng tới Ω Trong không gian pha cho

mỗi quá trình tương tác và vị trí mới lại được lấy mẫu kết hợp với năng lượng còn lại

và một hướng mới Quá trình này đư ợc lặp lại cho đến khi nguồn hạt và tất cả các hạt

thứ cấp đã để lại toàn bộ năng lượng của nó

Phương pháp Monte – Carlo rất thích hợp khi giải các bài toán phức tạp không thể

mô hình bằng các chương trình máy tính theo các phương pháp t ất định (Deterministic methods) Thật vậy, trong lĩnh vực y học, với sự phát triển của các thiết bị kỹ thuật cao dùng trong việc điều trị bệnh nhân thì yêu cầu chính xác trong việc tính toán liều chiếu ngày càng được quan tâm, trong khi đó việc giải bài toán với các cấu hình phức tạp dường như không thể thực hiện được bằng các phương pháp giải tích thông thường Vì

vậy, sử dụng phương pháp Monte Carlo trong việc mô phỏng sự vận chuyển bức xạ đã

trở nên rất phổ biến trong việc tính toán phân bố liều trong kỹ thuật xạ trị để điều trị cho bệnh nhân Hình 3.1 cho thấy khi cấu trúc hình học càng phức tạp, càng gần với

thực tế thì mức độ khó khăn của việc giải quyết bài toán theo phương pháp giải tích càng tăng nhanh hơn nhiều so với phương pháp mô phỏng Monte Carlo

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 Ngày nay, chương trình mô phỏng Monte Carlo được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Một trong những ứng dụng đó là chương trình MCNP

3.2 Chương trình MCNP (Monte Carlo N – Particle)

3.2.1 Gi ới thiệu chương trình MCNP [9]

Chương trình MCNP được phát triển ban đầu bởi phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos của Mỹ Các nhà bác học Fermi, Von Neumanm, Ulam, Metropolis và Richtmyer là những người đóng góp chính trong việc xây dựng chương trình tính này

Dưới sự chỉ đạo của những nhà bác học này chương trình tính MCNP đã đư ợc ra đời

với công sức của hơn 400 nhà khoa học

MCNP là chương trình ứng dụng phương pháp Monte – Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon, electron mang tính thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượng neutron…) MCNP sử dụng các thư viện dữ liệu của các quá trình hạt nhân, các quy

luật thống kê, số ngẫu nhiên ghi lại các sự kiện của một hạt trong suốt quá trình kể từ khi phát ra từ nguồn đến hết thời gian sống của nó

Chương trình có một số đặc điểm sau:

• Chương trình có thể tính toán đối với riêng neutron, riêng photon, riêng electron, nó có thể tính toán đối với cặp neutron và photon cũng như c ặp

neutron và electron

• Giải năng lượng tính với neutron: 10

• MCNP cho phép mô tả hình học của bài toán, mô tả vật liệu, chọn các giá

năng lượng phân hạch, và phân bố năng lượng của các xung trong điểm đo

3.2.2 Mô hình hóa t ương tác của photon lên vật chất trong chương trình MCNP

Chương trình MCNP tạo ra số hạt phù hợp nhất, sau đó giải quyết vấn đề va chạm

của các hạt đó qua hai mô hình: mô hình vật lý đơn giản và mô hình chi tiết dựa trên lý thuyết của bốn loại tương tác là tán xạ Compton, tán xạ Thomson, hiệu ứng quang điện

và hiệu ứng tạo cặp Trong mô hình vật lý đơn gi ản người ta không tính đến tán xạ

Thomson và photon huỳnh quang trong hiệu ứng quang điện Mô hình này dùng cho các bài toán mà photon có năng lượng cao hoặc các bài toán mà ở đó điện tử là tự do Trong mô hình chi tiết người ta có tính đến tán xạ Thomson và các photon huỳnh quang Mô hình chi tiết được áp dụng cho các bài toán có năng lượng thấp hơn (<100MeV) và môi trường có liên kết điện tử Các bài toán tính toán cho liều, hiệu suất che chắn (dùng vật liệu che chắn có Z cao) đối với các nguồn phát photon tự nhiên

cũng thuộc phạm vi áp dụng mô hình chi tiết

Ngoài ra trong MCNP, các quá trình tương tác c ủa hạt lên vật chất được tính toán

rất chi tiết Đó là các hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp Bởi

vì việc tính toán các hiệu ứng này tương đối phổ biến trong các tài liệu nên trong phạm

vi của luận văn này sẽ không trình bày lại

3.2.3 Điều kiện để mô phỏng một chương trình MCNP

• Nguồn mô phỏng phải là nguồn thực bao gồm các thông số: năng lượng, góc tán xạ, khoảng không gian phân bố và thời gian phụ thuộc

• Cấu hình phải được xác định đầy đủ kích thước và vị trí

• Vật liệu phải được xác định đầy đủ và chính xác kể cả việc khai báo độ tinh khiết bao nhiêu phần trăm

3.2.4 C ấu trúc của chương trình MCNP [10]

Phần quan trọng để có một chương trình MCNP chính là t ệp đầu vào Trong tệp đầu vào các thông số như số hạt cần gieo, các thông số chính xác của nguồn được khai báo, các thông số về phantom như kích thước và chất liệu Qua các thông số nhận được MCNP sử dụng thư viện số liệu hạt nhân và các quá trình tính toán, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử phát ra từ nguồn cho đến hết thời gian sống của nó Khả năng mô tả hình học ba chiều của MCNP là rất tốt trong tệp số