QA(Quality Assurance) và tính toán liều máy Gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

41 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CHO THIẾT BỊ XẠ PHẪU GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO ..... Các nhà Vật lý y khoa của các trung tâm Gamma knife trên thế giới

KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ TUYẾT

QA (QUALITY ASSUARANCE) VÀ TÍNH TOÁN LIỀU MÁY GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP

MÔ PHỎNG MONTE CARLO

Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ

Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Đình Khang

Hà Nội – 2016

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Đình Khang, thầy luôn tạo mọi điều kiện về thời gian để truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học, hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành được luận văn này Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã cải thiện và nâng cao những kỹ năng nghiên cứu, kỹ năng viết một báo cáo khoa học đồng thời tiếp thu những kinh nghiệm quý báu mà thầy truyền đạt và rút ra những bài học cho bản thân trong nghiên cứu khoa học

Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã được sự giảng dạy tận tình và chu đáo của các thầy cô Chính nơi đây đã cung cấp cho tôi kiến thức và giúp tôi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học Xin chân thành cảm ơn tất cả Thầy Cô trong Bộ môn đã giảng dạy những kiến thức cơ bản của chuyên ngành cao học, tạo mọi điều kiện thuận lợi

để hoàn thành khóa học trong suốt thời gian học tại trường

Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn tập thể bác sĩ và kỹ sư vật lý đang công tác tại Trung tâm Y học hạt nhân và Ung bướu , Bệnh viện Bạch Mai, Hà Nội đã tạo điều kiện thời gian cho tôi học tập, đóng góp kiến thức chuyên ngành về ung thư học rất có ích cho luận văn Xin cám ơn kỹ sư Trần Văn Thống đang công tác tại Trung tâm Y học hạt nhân và Ung bướu Bệnh viện Bạch Mai đã giúp đỡ và hỗ trợ về thiết bị đo liều và hướng dẫn tôi đo liều lượng trong xạ phẫu GK bằng buồng ion hóa để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Ngọc Anh đang công tác tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã hướng dẫn chi tiết cho tôi về phương pháp Monte Carlo để tôi có thể ứng dụng trong tính toán liều máy Gamma knife quay

Xin được phép gửi lời cản ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc và nhận xét giúp tôi hoàn chỉnh luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong công việc, cuộc sống để tôi có được sức khỏe và thời gian trong giai đoạn thực hiện luận văn này

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG…….……… ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 9

1.1 Giới thiệu 10

1.2 Tương tác của bức xạ với cơ thể sống 13

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống xạ phẫu Gamma knife 15

1.4 Kế hoạch điều trị và tiến trình điều trị 23

1.5 Giới thiệu hương trình Osirix 24

1.6 Ưu điểm của RGS so với các thiết bị xạ phẫu khác 25

CHƯƠNG II: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG (QA) TRONG QUY TRÌNH XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 26

2.1 Giới thiệu 26

2.2 Các thiết bị trong phép đo liều tuyệt đối 28

2.3 Phương pháp chuyển đổi liều và hiệu chỉnh các thông số 30

2.4 Tiến trình QA 33

2.4.1 Hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống với các hệ thống chuẩn trực khác nhau 33

2.4.2 Hiệu chỉnh liều tại tâm vùng điều trị 34

2.4.3 Hiệu chỉnh ART 37

2.4.4 Hiệu chỉnh điểm đồng tâm và đường đồng liều 38

2.4.5 Kiểm tra độ chính xác thời gian điều trị 41

2.4.6 Kiểm tra rò rỉ bức xạ 41

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CHO THIẾT BỊ XẠ PHẪU GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 42

3.1 Phương pháp Monte-Carlo 42

3.2 Chương trình MCNP5 43

3.3 Mô phỏng MCNP cho nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu RGS 49

3.4 Các kết quả tính toán với nguồn đơn kênh 51

3.5 Mô phỏng MCNP cho 30 nguồn trong thiết bị xạ phẫu RGS 53

3.6 Kết quả tính toán đối với 30 nguồn 55

3.6.1 Phân bố liều theo các trục tọa độ 55

3.6.2 Phân bố liều theo mặt phẳng 56

3.6.3 So sánh với các profile 58

3.6.4 So sánh FWHM với kết quả xuất ra của Osirix 60

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 66

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

chất phóng xạ

File

Dữ liệu đánh giá hạt nhân

Library

Thư viện dữ liệu hạt nhân

Imaging

Chụp cộng hưởng từ

Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp bằng positron

Loss of Positrons and Electrons

Thư viện dữ liệu về sự đâm xuyên và mất mát măng lượng của positron và electron

RGS Rotating Gamma Knife

System

Hệ thống dao gamma quay

Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp vi tính bằng đơn photon

bề mặt da

tâm điều trị

Dosimetry

Phép đo liều bằng nhiệt kế quang phát quang

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Chỉ tiêu kĩ thuật hệ thống RGS 15

Bảng 2.1: Thông số buồng ion hóa A1SL 29

Bảng 2.2: Hệ số a0, a1, a2, dùng để tính toán hệ số ks [28] 32

Bảng 2.3: Hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống 33

Bảng 2.4: So sánh OF giữa giá trị hiệu chỉnh và giá trị chuẩn 34

Bảng 2.5: Hiệu chỉnh liều tại tâm vùng điều trị 36

Bảng 2.6: Kiểm tra kết quả ART 37

Bảng 2.7: Độ rộng của đường đồng liều và vùng tối trên phim 40

Bảng 2.8: Kết quả kiểm tra độ chính xác thời gian điều trị 41

Bảng 3.1: So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Osirix với kết quả tính toán 61

Bảng 3.2: So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Osirix với kết quả tính toán 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Nguyên lý xạ phẫu gamma knife 11

Hình 1.2: Hệ thống GammaART - 𝟔𝟎𝟎𝟎𝑻𝑴 (RGS) 15

Hình 1.3: Hệ thống dao gamma quay 17

Hình 1.4 : Viên nang nguồn Co-60 17

Hình1.7: Hệ thống ống chuẩn trực 19

Hình1.8: Cửa che chắn 20

Hình 1.10: Giá đỡ khung đầu và khung định vị lập thể (đai khung đầu) 21

Hình 1.11: Bảng điều khiển dao gamma quay RGS 22

Hình 1.14: Lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân tại bệnh viện Bạch Mai 24

Hình 2.1: Quy trình xạ phẫu gamma knife 26

Hình 2.2: a Buồng ion hóa A1SL; b Electrometer 29

Hình 2.3: Phantom cầu 30

Hình 2.4: Phim Gafchromic®RTQA được dùng đo liều hấp thụ 30

Hình 2.5 Cố định phantom trên khung 35

Hình 2.6: Mô phỏng CT cho phantom 35

Hình 2.7: Kế hoạch điều trị cho phantom 36

Hình 2.8: Giá đựng phim và cố định trong GK 38

Hình 2.10: Hình ảnh trên phim của các hệ chuẩn trực khác nhau 39

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 42

Hình 3.2: Quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel 47

Hình 3.3: Giao diện của chương trình MCNP5 48

Hình 3.5: Mô hình mô phỏng nguồn đơn kênh và phantom 50

Hình 3.6: Phổ mô phỏng năng lượng photon phát ra của nguồn 60 Co 50

Hình 3.7: Liều phân bố dọc theo trục Ox 51

Hình 3.8: Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy 52

Hình 3.9: Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz 52

Hình 3.10: Biểu diễn sự sắp xếp các vòng collimator trong ống chuẩn trực thứ cấp của RGS 53

Hình 3.11: Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy 54

Hình 3.12: Biểu diễn phân bố góc của 30 nguồn trong RGS so với mặt phẳng 54

Hình 3.14: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 4mm 55

Hình 3.16: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 14m 56

Hình 3.17: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 18mm 56

Hình 3.18: Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy với collimator 18mm 57

Hình 3.20: So sánh liều trục x với collimator 4mm 58

Hình 3.21 : So sánh liều trục z với collimator 4mm 59

Hình 3.23 : So sánh liều trục z với collimator 18mm 60

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

Một số phương pháp điều trị bệnh như 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 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 Gần đây nhất, Bệnh viện Bạch Mai đã đưa vào máy

xạ phẫu Rotating Gamma Knife System (RGS), 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 Rotating Gamma Knife System (RGS) lần đầu tiên được lắp đặt và đưa vào sử dụng từ năm 1968, cho đến nay đã có hơn 500.000 bệnh nhân đã lựa chọn điều trị bằng Gamma Knife trên toàn thế giới

Hiện tại trên thế giới, chưa có một thủ tục tiêu chuẩn chung được sử dụng để đo liều lượng trong xạ phẫu Gamma knife Các nhà Vật lý y khoa của các trung tâm Gamma knife trên thế giới đang xây dựng và phát triển những chương trình riêng một cách chi tiết, luôn cập nhật nhằm đảm bảo việc phân bố chính xác liều lượng phóng xạ cho thương tổn trong não bệnh nhân Hiện nay, một số tác giả đã xuất bản những tài liệu về lĩnh vực này như: “Chương trình đảm bảo chất lượng cho kỹ thuật xạ phẫu” (1995) của nhóm đảm bảo chất lượng trong xạ trị do Gunther H Hartmann biên tập [9]; “Chương trình đảm bảo chất lượng cho các thiết bị Gamma knife” (1995) của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Mỹ [3]; TG – 42 (Task Group) về “Kỹ thuật xạ phẫu Stereotactic” được xuất bản vào 1995 bởi Hiệp hội Vật Lý Y học Mỹ (AAPM Report No 54) [20] Ngoài ra, những bài báo có nội dung liên quan đến việc đảm bảo chất lượng liều lượng trong kỹ thuật xạ phẫu Gamma knife, dựa trên các tài liệu của cơ quan nguyên tử năng quốc tế IAEA TRS - 227, TRS - 398 (sử dụng phổ biến ở Châu Âu và Châu Á) [10,11] và Hiệp hội Vật lý Y học Mỹ AAPM TG - 21, TG – 51 (sử dụng phổ biến ở Mỹ) [23] Bên cạnh đó, 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 GK 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) [12], 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 [13] Chương trình PENELOPE dùng để khảo sát phân bố liều trong GK 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 [7] (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 góc phát ra từ nguồn GK, kết quả tính toán cho thấy chỉ những tia gamma phát ra với góc cực nhỏ dưới 3o 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

Luận văn này nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma System (RGS) đó là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, tiến trình QA 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 nhằm nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân 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 “QA và tính toán liều

nghiên cứu mới trong việc ứng dụng phương pháp Monte Carlovới chương trình MCNP5 trong kỹ thuật tính liều đối với thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma System (RGS) Theo ý nghĩa đó, nội dung của luận văn được trình bày tập trung vào những vấn đề thiết yếu của

kỹ thuật xạ phẫu Gamma Knife, được cấu trúc gồm ba chương sau:

 Chương 1 – Tổng quan về kĩ thuật xạ phẫu Gamma knife

Trong chương này, những đặc điểm cơ bản nhất của xạ phẫu Gamma knife, cùng với cấu tạo của máy Gamma knife quay được trình bày Những thông tin trên là cơ

sở để hiểu vai trò quan trọng của việc đảm bảo chất lượng trong quy trình xạ phẫu Gamma knife (được trình bày trong chương 2) cùng với mô phỏng thiết bị bằng chương trình Monte Carlo (được trình bày trong chương 3) để tính toán liều lượng sao cho thu được kết quả tốt nhất

 Chương 2 – Đảm bảo chất lượng (QA) trong quy trình xạ phẫu Gamma knife

Trong chương này, việc đảm bảo chất lượng cho hệ thống Gamma knife quay tại Bệnh viện Bạch Mai gồm 2 quá trình là đảm bảo về mặt hình học và đảm bảo về liều lượng Sau đó là quá trình hiệu chỉnh các thông số trước khi đưa bệnh nhân vào điều trị như hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống, hiệu chỉnh liều tại tâm vùng điều trị, hiệu chỉnh đường đồng tâm và đường đồng liều, xét độ chính xác về thời gian điều trị

 Chương 3 – Tính toán mô phỏng phân bố liều của thiết bị xạ phẫu gamma

knife quay bằng phương pháp Monte – Carlo

Trong chương này là một số nét về chương trình MCNP5 và phương pháp Monte Carlo trong tính toán liều lượng của máy Gamma knife quay Bên cạnh đó là đưa

ra cấu hình mô phỏng của nguồn đơn kênh, nguồn 30 kênh cho quá trình mô phỏng MCNP và đưa ra kết quả để so sánh với thực tế để xem xét tính đúng đắn của số liệu mô phỏng

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 1.1 Giới thiệu

Xạ phẫu sọ não là quá trình phẫu thuật mà trong đó một chùm bức xạ hẹp nhắm đến một thể tích mô trong não Liều bức xạ có độ tập trung cao và sức công phá mạnh này chỉ dùng cho một lần điều trị duy nhất và xạ phẫu hoàn toàn có thể tránh gây khối udo bức xạ gây ra cho các cấu trúc não lành bao quanh thể tích đích Kỹ thuật định vị lập thể là một trong số các kỹ thuật tiên tiến nhằm ngắm chính xác mục tiêu của các cấu trúc nội sọ (như u não) bằng cách sử dụng một khung chuẩn bên ngoài cố định vào đầu Các công nghệ chẩn đoán hình ảnh hiện đại như CT, MRI và các tiến bộ của công nghệ máy tính hiện đại đã làm cho kỹ thuật định vị lập thể đang trở thành công cụ trong chẩn đoán và điều trị khối u não Từ năm 1968, người ta sử dụng hệ thống xạ phẫu Gamma quay để điều trị các khối u não, các dị tật mạch máu não và đã có những thành công đáng kinh ngạc

Xạ phẫu định vị lập thể là một trong số các kỹ thuật xạ phẫu để điều trị các khối u bên trong não hoặc khu vực thị giác bằng cách sử dụng một liều bức xạ cao để tiêu diệt khối

u và dùng thiết bị định vị xạ phẫu lập thể để định vị chính xác vùng đích Trong xạ phẫu lập thể, bức xạ phân bố theo không gian 3 chiều Xạ phẫu lập thể luôn bao gồm các thiết

bị định vị như khung xạ trị đầu và các chùm tia có năng lượng cao chiếu vào vùng đích chỉ bằng một lần điều trị duy nhất Với các hệ thống lập kế hoạch xạ trị hiện đại, người

ta có thể xác định được chính xác hình dạng và vị trí khối u hoặc khối u nằm trong khu vực khung định vị bằng các phương tiện chẩn đoán hình ảnh như CT hoặc MRI Hệ thống lập kế hoạch cũng thường kiêm luôn nhiệm vụ tính toán liều bức xạ Sau khi hoàn thành quá trình định vị khối u và tính toán liều, việc điều trị bắt đầu Kỹ thuật xạ phẫu lập thể đạt được liều có cường độ cao, tập trung hoàn toàn vào vùng đích, khối u trong khi đó bảo vệ rất tốt các mô lành bao quanh khu vực đích Xạ phẫu đặc biệt ích lợi đối với các

khu vực đích nhỏ mà trong thực tế không thể mổ mở được

Trong xạ phẫu người ta sử dụng nguồn Cobalt-60 Tia gamma đi đến vùng đích - khối

u từ nhiều nguồn bức xạ Cobalt-60 khác nhau và giao nhau tại điểm hội tụ, tạo ra liều