Đồ án kỹ thuật hạt nhân

Đồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhânĐồ án kỹ thuật hạt nhân

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy

KS Trần Văn Thống cùng các anh chị kỹ sư vật lý hiện đang công tác tại Trung tâm

y học hạt nhân và ung bướu Bệnh viện Bạch Mai đã quan tâm giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án tốt nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Mai Đình Thủy và thầy Bùi Ngọc

Hà đã luôn giúp em giải đáp các thắc mắc kịp thời, luôn động viên em trong suốt quá trình làm đồ án

Em cũng gửi lời cảm ơn tới cô Trần Thùy Dương đã hướng dẫn chi tiết cho

em về phương pháp Monte Carlo để em có thể ứng dụng mô phỏng phân bố liều trong thiết bị gamma ART-6000

Do lượng kiến thức của em còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu từ phía thầy cô và các bạn để em có thể hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè- những người luôn kịp thời động viên và giúp đỡ em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả của đồ án đều do tôi tự mô phỏng trên chương trình MCNP5 dưới sự hướng dẫn của các thầy cô trong viện Kỹ thuật hat nhân và Vật

Ngô Đắc Lê

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4

MỞ ĐẦU……… 7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XẠ PHẪU 9

1.1 Phương pháp xạ trị 9

1.2 Phương pháp xạ phẫu 16

1.3 Các khái niệm liên quan về liều trong xạ phẫu 18

1.4 Cơ sở phép tính phân bố liều 21

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ XẠ PHẪU GAMMA ART-6000 24

2.1 Giới thiệu về dao gamma 24

2.2 Cấu tạo của thiết bị dao gamma ART-6000 [2] 25

2.3 Nguyên lý hoạt động của dao gamma ART-6000 31

2.4 Đặc điểm của xạ phẫu gamma ART so với xạ trị thông thường 33

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MONTE CARLO TRONG THIẾT BỊ XẠ PHẪU GAMMA ART-6000 SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 34

3.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo [8] 34

3.2 Chương trình MCNP[10] 35

3.3 Mô phỏng nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000 44

3.4 Mô phỏng MCNP5 cho 30 nguồn trong thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000 46

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 49

4.1 Kết quả phân bố liều đối với nguồn đơn kênh 49

4.2 Kết quả phân bố liều đối với 30 nguồn 53

KẾT LUẬN……… .72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC……… .74

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

ACTL The Activation Library Thư viện hoạt độ các chất

phóng xạ ART Auto Rotating Treatment Hệ thống điều trị bằng cách

GTV Gross Tumor Volume Thể tích khối u

IV Irradiated Volume Thể tích chiếu xạ

LINAC Linear Particle Accelerator Máy gia tốc thẳng

MCNP Monte Carlo-N Particle Phương pháp Monte Carlo

mô phỏng hạt

PTV Planning Target Volume Thể tích lập kế hoạch

RGS Rotating Gamma Knife System Hệ thống dao gamma quay SAD Source to Axis Distance Khoảng cách từ nguồn đến

tâm điều trị SSD Source to Surface Distance Khoảng cách từ nguồn đến

bề mặt da

TV Treatment Volume Thể tích điều trị

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống thiết bị Gamma ART-6000 25

Bảng 2 2 So sánh đặc điểm của xạ phẫu với xạ trị thông thường 33

Bảng 3 1 Các loại tally 39

Bảng 3 2 Một số vật liệu dùng trong mô phỏng 48

Bảng 4 1 So sánh kết quả FWHM[12] 64

Bảng 4 2 So sánh đường đồng liều 80% 65

Bảng 4 3 So sánh đường đồng liều 90% 66

Bảng 4 4 So sánh khoảng cách giữa đường đồng liều 90% và FWHM 67

Bảng 4 5 So sánh FWHM dọc theo trục Ox của các shot chiếu 68

Bảng 4 6 So sánh FWHM dọc theo trục Oy đối với các shot chiếu 69

Bảng 4 7 So sánh FWHM dọc theo trục Oz đối với các shot chiếu 70

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Hiệu ứng quang điện 9

Hình 1 2 Hiệu ứng Compton 10

Hình 1 3 Quá trình sinh cặp và hủy cặp .12

Hình 1 4 Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú theo liều hấp thụ 14

Hình 1 5 Nguyên lý của phương pháp xạ phẫu .16

Hình 1 6 Sơ đồ biểu diễn các thể tích bia trong kỹ thuật xạ trị 19

Hình 1 7 Cách tính liều sâu phần trăm .22

Hình 1 8 Liều sâu phần trăm trong môi trường nước đối với các kích cỡ khác nhau của ống chuẩn trực [9] 23

Hình 2 1 Dao Gamma ART-6000 TM 25

Hình 2 2 Hệ thống dao gamma quay 27

Hình 2 3 Viên nang nguồn Co-60 27

Hình 2 4 Khối nguồn 28

Hình 2 5 Khối ống chuẩn trực 29

Hình 2 6 Hệ thống ống chuẩn trực 29

Hình 2 7 Cửa che chắn 30

Hình 2 8 Giường điều trị 30

Hình 2 9 Khung định vị lập thể 31

Hình 2 10 Giá đỡ khung đầu 31

Hình 2 12 Nguyên lý hoạt động của dao gamma ART-6000 32

Hình 2 13 Chùm tia hội tụ 32

Hình 3 1 Giao diện sử dụng chương trình MCNP5 36

Hình 3 2 Minh họa tally FMESH 40

Hình 3 3 Hình học 3D 43

Hình 3 4 Hình học đơn giản của nguồn đơn kênh trong mô phỏng MCNP 44

Hình 3 5 Mô hình chi tiết nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000

44

Hình 3 6 Mặt cắt của nguồn đơn kênh dọc theo mặt phẳng Oxy 45

Hình 3 7 Phantom plastic cầu 45

Hình 3 8 Phân bố nguồn Co-60 trong thiết bị gamma ART-6000 46

Hình 3 9 Biểu diễn góc phương vị của nguồn so với mặt phẳng Oxy 47

Hình 3 10 Hình ảnh mặt cắt 10 nguồn trong chương trình MCNP5 47

Hình 4 1 Phân bố liều dọc theo trục x đối với collimator 4mm 49

Hình 4 2 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz đối với collimator 4 mm 49

Hình 4 3 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz đối với collimator 4 mm 50

Hình 4 4 Phân bố liều dọc theo trục x đối với collimator 8mm 50

Hình 4 5 Phân bố liều dọc theo trục x đối với collimator 8mm 51

Hình 4 6 Phân bố liều trong mặt phẳng Oxz đối với collimator 8mm 51

Hình 4 7 Phân bố liều dọc theo trục Ox đối với collimator 14mm 52

Hình 4 8 Phân bố liều dọc theo trục y đối với collimator 18mm 52

Hình 4 9 Phân bố liều dọc theo trục Ox đối với collimator 4mm 53

Hình 4 10 Phân bố liều dọc theo trục Oy đối với collimator 4mm 54

Hình 4 11 Phân bố liều dọc theo trục Oz đối với collimator 4mm 54

Hình 4 12 Phân bố liều trong mặt phẳng Oxy đối với collimator 4mm 55

Hình 4 13 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxz đối với collimator 4mm 55

Hình 4 14 Phân bố liều dọc theo trục Ox đối với collimator 8mm 56

Hình 4 15 Phân bố liều dọc theo trục Oy đối với collimator 8mm 56

Hình 4 16 Phân bố liều dọc theo trục Oz đối với collimator 8mm 57

Hình 4 24 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxy đối với collimator 8mm 57

Hình 4 18 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxz đối với collimator 8mm 58

Hình 4 19 Phân bố liều dọc theo trục Ox đối với collimator 14mm 58

Hình 4 20 Phân bố liều dọc theo trục Oy đối với collimator 14mm 59

Hình 4 21 Phân bố liều dọc theo trục Oz đối với collimator 14mm 59

Hình 4 22 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxy đối với collimator 14mm 60

Hình 4 23 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxz đối với collimator 14mm 60

Hình 4 24 Phân bố liều dọc theo trục Ox đối với collimator 18mm 61

Hình 4 25 Phân bố liều dọc theo trục Oy đối với collimator 18mm 61

Hình 4 26 Phân bố liều dọc theo trục Oz đối với collimator 18mm 62

Hình 4 27 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxy đối với collimator 18mm 62

Hình 4 28 Phân bố liều theo mặt phẳng Oxz đối với collimator 18mm 63

Hình 4 29 So sánh liều tương đối trên trục Ox 68

Hình 4 30 So sánh liều tương đối trên trục Oy 69

Hình 4 31 So sánh liều tương đối trên trục Oz 70

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 150000 ca ung thư mới trong đó có trên 50000 ca tử vong.[1]

Với sự phát triển của khoa học kĩ thuật trong những thập kỷ gần đây, các thiết

bị chuẩn đoán và điều trị ung thư có những tiến bộ vượt bậc Vì thế mà chúng ta có thể chuẩn đoán và điều trị chính xác hơn các khối u

Hiện nay ở Việt Nam những thiết bị chuẩn đoán và điều trị bằng tia xạ được đưa vào sử dụng khá phổ biến tại các bệnh viện như thiết bị chuẩn đoán bằng các đồng vị phóng xạ: PET, SPECT, CT, Gamma Camera và thiết bị điều trị bằng bức xạ ion hóa rất hiện đại như máy gia tốc tuyến tính Đặc biệt gần đây nhất bệnh viện Bạch Mai đã đưa vào máy xạ phẫu gamma ART-6000, đây được coi là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay để chữa trị u não Cho đến nay đã có hơn 500000 bệnh nhân đã lựa chọn điều trị bằng Gamma Knife trên toàn thế giới.[2]

Đồ án này nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu gamma

ART-6000 đó là cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu điểm của xạ phẫu gamma knife so với các phương pháp xạ trị thông thường Qua việc tìm hiểu cấu tạo và cách sắp xếp phân

bố của các nguồn Co-60 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 kết quả nghiệm thu của thiết bị nhằm kiểm tra tính đúng đắn của quá trình mô phỏng Chương trình tôi dùng để mô phỏng trong đồ án 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 phân bố

liều Đề tài "Mô phỏng phân bố liều trong thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000

sử dụng phương pháp Monte Carlo" 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 Gamma ART-6000

Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc tìm hiểu tổng quan cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000, tìm hiểu đặc điểm, cơ sở vật lý

của các code, cấu trúc thành phần của một file input trong chương trình MCNP5 Sau

đó vận dụng phương pháp này để mô phỏng quá trình tính liều cho thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000 Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên tôi chỉ mô phỏng quá trình tính liều và phân bố liều theo độ sâu phantom bằng vật liệu plastic-A150 cho nguồn đơn kênh và 30 nguồn, 2 shot chiếu khác nhau nhưng cùng tâm điều trị

Từ mục đích và nội dụng công việc đó đồ án có bố cục như sau :

Chương 1: Các kiến thức liên quan tới xạ trị và xạ phẫu Giới thiệu kĩ thuật

tính liều xạ trị ngoài Các kiến thức này là nền tảng cơ sở để xây dựng 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 2: Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu điểm của xạ

phẫu gamma ART so với xạ trị thông thường

Chương 3: Giới thiệu phương pháp Monte Carlo Nội dung của chương bao

gồm: điều kiện để mô phỏng một chương trình MCNP, chương trình MCNP5, các thư viện dữ liệu được sử dụng, cấu trúc của một chương trình MCNP5, tally trong MCNP5, đánh giá sai số của chương trình, ưu điểm của MCNP5 Mô phỏng MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Gamma ART-6000 đối với nguồn đơn kênh và 30 nguồn của thiết bị xạ phẫu gamma ART-6000

Chương 4: Đưa ra kết quả phân bố liều đối với nguồn đơn kênh và thiết bị xạ

phẫu gamma ART-6000 Biện luận kết quả thu được và so sánh kết quả thu được đối với kết quả nghiệm thu thiết bị năm 2003 Bên cạnh đó là bài toán mô phỏng phân bố liều khi sử dụng 2 shot chiếu kích thước khác nhau nhưng cùng vị trí điều trị

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ XẠ PHẪU

1.1 Phương pháp xạ trị

Tương tác của chùm tia gamma với môi trường vật chất [3]

a Hiệu ứng quang điện [3]

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng trong đó một photon tương tác với electron quỹ đạo của nguyên tử và bứt electron bay ra khỏi nguyên tử, thường xảy ra đối với những electron lớp K, L, M hoặc N Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng của photon tới được truyền cho electron nguyên tử Khi đó, động năng của electron bị bật

ra (quang electron) được cho bởi công thức:

Trong đó: εlk là năng lượng liên kết của electron trên lớp vỏ trước khi bi bứt

ra εlk=εK đối với electron lớp K, εlk=εL đối với electron lớp M

E là năng lượng của lượng tử gamma

Hình 1 1 Hiệu ứng quang điện

Sau khi electron bị bứt ra khỏi nguyên tử sẽ tạo ra lỗ trống tại lớp vỏ và nguyên

tử sẽ nằm ở trạng thái kích thích Lỗ trống này có thể được lấp đầy bởi một electron quỹ đạo ngoài và kèm theo sự phát ra tia X đặc trưng hoặc electron Auger

e- quang điện tử

Eγ

Hiệu ứng quang điện xảy ra chủ yếu đối với electron lớp K và tiết diện rất lớn đối với các nguyên tử nặng ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên

tử nhẹ hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng lượng thấp

b Hiệu ứng Compton [3]

Khi năng lượng của lượng tử gamma tới lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của các electron lớp K trong nguyên tử thì vai trò của hiệu ứng quang điện không còn đáng kể và bắt đầu xảy ra hiệu ứng Compton Khi đó có thể bỏ qua năng lượng liên kết của electron so với năng lượng gamma và có thể coi như tán xạ với electron

tự do Tán xạ Compton là tán xạ đàn hồi của gamma tới với các electron chủ yếu ở quỹ đạo ngoài cùng của nguyên tử Sau tán xạ lượng tử gamma thay đổi phương bay

và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải phóng ra khỏi nguyên tử

Hình 1 2 Hiệu ứng Compton

Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma E’ và electron Ec sau tán xạ phụ thuộc vào góc bay φ của gamma sau tán xạ:

Xác suất xảy ra tán xạ Compton được mô tả bởi hệ số tán xạ Compton σc Đối với photon có năng lượng từ 0.2 MeV đến 10 MeV, ta thường sử dụng công thức bán thực nghiệm:

c Sự tạo cặp [3]

Nếu năng lượng của lượng tử gamma tới lớn hơn 1,02 MeV thì photon có thể tương tác với vật chất qua cơ chế tạo cặp Trong sự tạo cặp, photon tương tác mạnh với trường điện từ của hạt nhân nguyên tử, biến mất và tạo ra một cặp electron-positron Động năng trung bình mà các hạt mang điện electron và positron nhận được là:

k

E   h 1, 022 MeV (1.6)

Hình 1 3 Quá trình sinh cặp và hủy cặp

Các electron và positron sinh ra trong tạo cặp sẽ mất dần động năng của chúng thông qua sự ion hóa và kích thích, cho tới khi chúng dừng lại Đối với positron, khi

đó sẽ xảy ra sự hủy cặp: positron kết hợp với một electron tự do cả hai biến mất, thay vào đó là sự phát ra 2 photon, mỗi photon có năng lượng khoảng 0,511 MeV, bay ra hai hướng ngược nhau Các photon này có quãng chạy lớn và thường chỉ bị hấp thụ trở lại trong môi trường có kích thước lớn Nói cách khác, chúng không đóng góp vào phần năng lượng hấp thụ trong lân cận vị trí tương tác của photon

Ảnh hưởng sinh học của bức xạ ion hóa[4]

Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa đối với cơ thể sống rất phức tạp, nhưng tất cả đều bắt đầu bằng một quá trình vật lý thuần túy Đó là quá trình hấp thụ năng lượng bức xạ

Quá trình hấp thụ năng lượng bức xạ phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học của cơ thể Mỗi cơ quan trong cơ thể sống đều có thành phần hóa học phức tạp và khác nhau Các tổ chức mềm trong cơ thể có vai trò đặc biệt quan trọng đối với ảnh hưởng của bức xạ ion hóa Trong các tổ chức mềm, bốn nguyên tố H, C, N, O chiếm

lượng và mật độ nguyên tử rất lớn vì H2O chiếm tới 2/3 khối lượng cơ thể sống Do vậy, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ trong cơ thể là bởi các phân tử nước

Sau khi cơ thể hấp thụ năng lượng của bức xạ ion hóa, phân tử nước bị kích thích hoặc ion hóa rồi sinh ra các gốc tự do H*, OH* và các nhóm HO2, H2O2… thông qua nhiều phản ứng hóa học

Tác động của bức xạ (dù trực tiếp hay gián tiếp) đều dẫn tới kết quả là làm thay đổi hoạt tính sinh học của các phân tử hữu cơ quan trọng Hậu quả là có thể làm rối loạn hoạt động của tế bào Sự rối loạn hoạt động của tế bào có thể xuất hiện dưới

2 dạng là: rối loạn hoạt động sống của bản thân tế bào đó hoặc thay đổi đặc tính di truyền của tế bào

Khi bức xạ gây tác động nhẹ lên tế bào, chỉ có hoạt động chức năng của tế bào

có thể bị rối loạn Nếu tế bào bị tác động mạnh, sự rối loạn hoạt động chức năng của

nó có thể tăng dần rồi dẫn tới tử vong tế bào Nếu các cấu trúc đảm bảo cho hoạt động

di truyền của tế bào bị thương tổn thì có thể xảy ra những đột biến di truyền Nếu đây

là tế bào xô ma thì những đột biến này sẽ di truyền từ thế hệ tế bào bị tổn thương ban đầu sang các thế hệ tế bào tiếp theo, có thể sẽ gây nguy hại cho bản thân cá thể chủ của những tế bào đó Còn đối với các tế bào sinh dục thì những đột biến này có thể

sẽ được di truyền cho các thế hệ con cháu của cá thể

Trong trường hợp nhiều tế bào trong cùng một tổ chức cơ thể bị rối loạn đồng thời thì hoạt động của cả tổ chức đó sẽ bị rối loạn Sự rối loạn hoạt động này được

gọi là tổn thương do bức xạ Phản ứng của cơ thể đối với những tổn thương do bức

xạ gọi là bệnh do bức xạ Bệnh do bức xạ thể hiện ở hai dạng : cấp tính hoặc mãn tính

Bệnh cấp tính do bức xạ: xảy ra trong trường hợp bị chiếu xạ liều cao trong một khoảng thời gian ngắn

Bệnh mãn tính do bức xạ: xảy ra trong trường hợp bị chiếu xạ thường xuyên với những liều thấp hơn mức liều tối đa cho phép

Mức độ tác động của bức xạ đối với cơ thể phụ thuộc rất nhiều vào liều lượng bức xạ được hấp thụ, loại bức xạ, điều kiện chiếu xạ, đặc điểm của cơ thể bị chiếu xạ

và điều kiện môi trường mà cơ thể tồn tại sau khi bị chiếu xạ

Quá trình làm chết tế bào được biểu diễn bằng tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu xạ Ở liều thấp, tế bào bị tổn thương có khả năng tự phục hồi Ở liều cao hơn,

tế bào không còn đủ khả năng tự phục hồi nữa, tỷ lệ sống sót giảm rất nhanh theo quy luật hàm mũ

Hình 1 4 Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú theo liều hấp thụ

Tốc độ sống sót của tế bào được cho bởi công thức:

o

NS(D)

N

Trong đó N là số tế bào sống sót N0 là số tế bào ban đầu

D50 là liều hấp thụ mà tại đó tỉ lệ tế bào sống sót là một nửa

DQ là vị trí mà tại đó tế bào vẫn còn khả năng tự phục hồi

Điều trị giảm đau: là phương pháp điều trị mà ta không thể điều trị tận gốc khối u Mục đích của phương pháp này chủ yếu giúp bệnh nhân giảm đau, chống chảy máu…Khi điều trị giảm đau chúng ta thường sử dụng liều thấp và thời gian chiếu xạ ngắn

Các phương pháp xạ trị thông thường ứng dụng tại Việt Nam [5]

Xạ trị được chia ra làm 2 loại chủ yếu: xạ trị chiếu ngoài (xạ trị ngoài) và xạ trị áp sát

Xạ trị áp sát là kỹ thuật điều trị ung thư trong đó nguồn bức xạ được đặt áp sát hay bên trong khối u

Xạ trị ngoài là phương pháp phổ biến nhất trong kỹ thuật xạ trị Đây là phương pháp sử dụng máy tia X, máy xạ trị Co-60, máy gia tốc tuyến tính LINAC, để hướng chùm bức xạ năng lượng cao vào vị trí của tế bào ung thư theo các trường điều trị đã được xác định trước Xạ phẫu là dùng tia xạ để phẫu thuật Vì vậy nó là một hình thức của xạ trị ngoài

1.2 Phương pháp xạ phẫu

Đối với các bệnh dị tật động mạch, tĩnh mạch nhỏ, hay các khối u não, nơi mà các phương pháp phẫu thuật thông thường hay điều trị hóa chất là không khả thi hoặc việc điều trị thông thường không tập trung được một liều bức xạ lớn vào vùng thể tích điều trị mong muốn thì người ta sử dụng kỹ thuật xạ phẫu

Khác với xạ trị thông thường, xạ phẫu dùng rất nhiều chùm bức xạ mảnh hội

tụ tại một vị trí Do đó, xạ phẫu có thể tập trung một liều bức xạ lớn hơn nhiều vào vị trí tổn thương, tiêu diệt khối u mà vẫn bảo toàn cấu trúc, chức năng của các tế bào lân cận Đặc biệt là xạ phẫu không cần mổ hở, xạ phẫu được chỉ định cho những khối

u có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 5 cm, thường là những tổn thương ở não Với những khối u có kích thước nhỏ hơn 3 cm có thể tiến hành điều trị trong một ngày Đối với những khối u có kích thước lớn hơn 3 cm và nhỏ hơn 5 cm thì ta cần tiến hành xạ phẫu nhiều lần Đây là phương pháp phẫu thuật không xâm lấn cực kỳ quan trọng đối với khối u hay dị dạng mạch máu não ở sâu trong đầu, những vị trí khó tiếp cận, những cơ quan quan trọng hay là những khối u di căn…

Điều kiện của xạ phẫu là cần xác định các vùng tổn thương thông qua các phương tiện chuẩn đoán hình ảnh, giải phẫu và các kỹ thuật cần thiết để phân phối liều bức xạ chính xác đến tổn thương Do đó cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa bác sĩ,

kỹ sư vật lý và kỹ thuật viên vận hành thiết bị

Hình 1 5 Nguyên lý của phương pháp xạ phẫu

Kỹ thuật đặt shot chiếu: là kỹ thuật quan trọng trong bước lập kế hoạch xạ phẫu Để tiêu diệt hoàn toàn khối u với hình dạng phức tạp ta cần đặt nhiều shot chiếu

và mỗi shot chiếu ta sử dụng collimator tương ứng để bao trùm hoàn toàn khối u Ta tiến đặt các shot chiếu giáp đường biên hoặc các shot chồng lên nhau theo lát cắt sao cho khối u nhận được liều hấp thụ đúng theo kế hoạch

Các thiết bị xạ phẫu

Hiện nay, ở trên thế giới và Việt Nam, các thiết bị xạ phẫu dùng chùm photon được sử dụng rộng rãi ở nhiều trung tâm hạt nhân và các bệnh viện lớn Các thiết bị

xạ phẫu hiện nay sử dụng chùm photon là Cyber Knife và Gamma Knife Những thiết

bị này đều có những ưu điểm riêng như điều trị những khối u ở vị trí không thể mổ được mà vẫn đạt hiệu quả như phẫu thuật thông thường, thời gian bình phục nhanh, không cần gây mê, không đau, không chảy máu

Hệ thống Cyber Knife sử dụng tia X với năng lượng cao phát ra từ các góc khác nhau hội tụ tại tổn thương Thiết bị Cyber Knife sử dụng cánh tay robot di chuyển khắp cơ thể bệnh nhân với nhiều góc độ khác nhau để bắn hàng trăm tia X đến hội tụ tại khối u

Hệ thống Gamma Knife sử dụng chùm tia gamma năng lượng cao và mảnh được phát ra từ nhiều nguồn Co-60 riêng rẽ hội tụ vào khối u, đầu bệnh nhân được

cố định bằng khung định vị lập thể Gamma Knife được coi là thiết bị xạ trị liều cao

có độ chính xác cao nhất hiện nay Hệ thống Gamma Knife có độ chính xác cao về

cơ khí, sai số của toàn bộ hệ thống luôn nhỏ hơn 0.5 mm Thiết bị đang được sử dụng điều trị tại nhiều bệnh viện lớn như bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy…

So với Cyber Knife thì Gamma Knife có độ chính xác chùm tia hội tụ cao hơn, giá mua thiết bị và chi phí mỗi ca điều trị dao gamma rẻ hơn nên thiết bị dao gamma được ưa chuộng sử dụng hơn trong điều trị ung thư tại Việt Nam

1.3 Các khái niệm liên quan về liều trong xạ phẫu

Liều lượng và phân bố liều lượng là một trong những yếu tố quan trọng đóng góp vào sự thành công của điều trị ung thư bằng tia xạ Phân bố liều hợp lý được thể hiện bằng sự tập trung liều cao tại thể tích khối u (còn được gọi là bia) và liều hấp thụ tại vùng biên (là các tổ chức mô 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 định Người làm công tác tính toán liều chiếu cũng cần phải hiểu được một số loại thể tích để có thể đưa ra phác đồ điều trị tối ưu Vì vậy hiểu được các loại thể tích đó cũng là một điều rất quan trọng

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

Thể tích khối u thô (Gross Tumor Volume – GTV)

Thể tích bia lâm sàng (Clinical Target Volume – CTV)

Ngoài ra, trong quá trình lập kế hoạch điều trị ung thư, một số loại thể tích khác cũng cẫn phải xác định đó là :

Thể tích bia lập kế hoạch (Planning Target Volume – PTV)

Các tổ chức nguy cấp (Organ at Risk – OR)

Thể tích điều trị (Treatment Volume –TV)

Thể tích chiếu xạ (Irradiated Volume - IV)

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

là 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 hoặc bằng các kỹ thuật hình ảnh khác Thể tích bia lâm sàng (CTV) [1]

Là 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 cần điều trị khối u một cách triệt để

Kinh nghiệm lâm sàng cho thấy rằng quanh thể tích khối u thường có những

tổ chức liên quan, nghĩa là nó gồm bản thân các tế bào ác tính, các đám tế bào nhỏ hay những lan rộng nhỏ, rất khó phát hiện Thể tích bao quanh khối u 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 Những thể tích phụ khác được xem như sự lan tỏa cận lâm sàng cũng cần phải được điều trị Chúng được gọi

là các thể tích bia cận lâm sàng bậc 1, bậc 2…

Vì vậy trong thực tế không chỉ có một thể tích bia cận lâm sàng mà còn có thể

có nhiều hơn thế Trong một số trường hợp ta có thể điều trị một trong hai thể tích

lâm sàng với liều lượng khác nhau Trường hợp thường gặp là điều trị tăng cường, nghĩa là một thể tích liều cao nằm bên trong thể tích liều thấp

Thể tích bia lập kế hoạch (PTV) [1]

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, trong đó cần tính đến hiệu quả cao nhất của tất cả các thay đổi có thể có, sao cho đảm bảo liều lượng đã chỉ định được hấp thụ thực bên trong thể tích bia lâm sàng

PTV được xác định để lựa chọn kích thước chùm tia phù hợp Trong đó cần tính đến hiệu quả cao nhất của tất cả những thay đổi hình học có thể xảy ra, đảm bảo cho liều lượng đã chỉ định được phân bố tối ưu bên trong thể tích bia lâm sàng Những thay đổi này gồm:

- Sự chuyển động của các thể tích bia như: hít thở, cử động của bệnh nhân

- Những khác nhau về hình dạng của các tổ chức bia lâm sàng, chẳng hạn khi bàng quang chứa đầy nước hay ít nước tiểu

- Những khác nhau về tính chất hình học của chùm tia chẳng hạn kích thước, hướng của các chùm tia

Các tổ chức nguy cấp (OR) [1]

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

Thể tích điều trị (TV) [1]

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

bề mặt, đã được các bác sĩ lựa chọn và định rõ sao cho đạt được mục đích điều trị

Một cách lý tưởng liều lượng chỉ phân bố trên thể tích bia lập kế hoạch Tuy nhiên trên thực tế mục đích nay rất khó thực hiện được Điều nay dẫn tới việc phải xác định một thể tích điều trị

Thể tích chiếu xạ [1]

Thể tích chiếu xạ là một 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

1.4 Cơ sở phép tính phân bố liều

Khi tính toán liều và thời gian điều trị trong thiết bị Gamma Knife ta cần chú

ý tới các thông số sau:

Hoạt độ (còn gọi là độ phóng xạ) của nguồn phóng xạ là số hạt nhân phân rã

từ nguồn trong một đơn vị thời gian

t 0

Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ [7]

Liều hấp thụ là lượng năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng vật chất

do bức xạ ion hóa gây nên

EDm





Trong đó: ΔE là lượng năng lượng được hấp thụ trong thể tích ΔV của vật chất

và Δm là khối lượng của thể tích ΔV đó

Đơn vị của liều hấp thụ J/kg 1 Gy=1 J/kg

Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ trên một đơn vị thời gian Suất liều hấp thụ được xác định theo công thức:

DD't

Trong đó: D’ là suất liều hấp thụ

D là liều hấp thụ

t là thời gian

Đơn vị của suất liều hấp thụ là Gy/s hoặc rad/s

Liều sâu phần trăm [8]

Liều sâu phần trăm là tỷ số của liều hấp thụ (Dd) 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 (Dd0)

Hình 1 7 Cách tính liều sâu phần trăm

Liều sâu phần trăm:

d d0

D

D

Hằng số SSD: Khoảng cách từ nguồn phát tới bề mặt da bệnh nhân

Hằng số SAD: Khoảng cách từ nguồn phát tới tâm của khối u, cắt dọc chùm tia

Hình 1 8 Liều sâu phần trăm trong môi trường nước đối với các kích cỡ

khác nhau của ống chuẩn trực [9]

Bề rộng nửa đỉnh (FWHM) [8]

Các đỉnh năng lượng toàn phần của phổ gamma thường có dạng Gauss với một độ rộng vạch được đặc trưng bởi đại lượng FWHM (bề rộng toàn phần ở một nửa chiều cao cực đại) Trong mô phỏng, FWHM thường được tính toán dựa trên các kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ XẠ PHẪU GAMMA ART-6000 2.1 Giới thiệu về dao gamma

Dao gamma là thiết bị y tế kỹ thuật cao sử dụng năng lượng bức xạ gamma để điều trị các tổn thương nhỏ sâu, ở nhiều vị trí khác nhau trong não, gần các cấu trúc thần kinh, mạch máu quan trọng mà không cần mổ nhằm bảo toàn cấu trúc và chức năng thần kinh, nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân

Những mốc lịch sử phát triển của thiết bị:

- Vào năm 1951 giáo sư giải phẫu thần kinh Lars Leksell người Thụy Điển đầu tiên phát minh ra nguyên lí hoạt động của dao gamma

- Năm 1968, dựa vào nguyên lí thiết kế của giáo sư Lars Leksell, công ty ELEKTA Thụy Điển đã sản xuất thành công dao Gamma 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 Điển

- 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 liều 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 được hợp nhất với chương trình xử lý ảnh MRI và CT

- Đến 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: Từ năm 2007 đến nay đã có 03 Bệnh viện triển khai kỹ thuật

xạ phẫu bằng dao Gamma để điều trị các khối u sọ não và một số bệnh lý thần kinh

sọ não là Bệnh viện Trường Đại học Y khoa Huế, Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viện Hy Vọng và từ năm 2011 có thêm bệnh viện C Thái Nguyên

2.2 Cấu tạo của thiết bị dao gamma ART-6000 [2]

Hình 2 1 Dao Gamma ART-6000 TM Bảng 2 1 Chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống thiết bị Gamma ART-6000

Suất liều tại điểm hội tụ:  3 Gy/m

Suất liều cực đại trên bề mặt vỏ máy: 20 Gy/h

Bằng cách sử dụng các vị trí đánh dấu cố định trên hình ảnh, mô tả đích và các cấu trúc mô lành trên hình ảnh, người ta đã đặt được khuôn hình giải phẫu đầu nằm trong một hệ thống tọa độ Khi khung đầu được gắn trên giá đỡ khung đầu, toàn bộ

hệ thống cố định đó có thể quay và dịch chuyển để đưa đích đến tiêu điểm của chùm tia gamma

Hình 2 2 Hệ thống dao gamma quay

Khối điều trị RGS bao gồm: khối nguồn, hệ thống cơ khí chuẩn trực, cơ cấu che chắn, giường điều trị và hệ thống điều khiển

a Khối nguồn

Nguồn phóng xạ: người ta nạp 30 nguồn C0-60 vào trong RGS Hoạt độ trung bình mỗi nguồn khoảng 200 Ci Mỗi nguồn là một viên C0-60 có kích thước 1mm được bọc trong 3 lớp vỏ thép không gỉ Để tiện cho việc tháo dỡ và nạp nguồn, viên nang nguồn Co-60 có dạng thuôn dài, đầu có đường kính nhỏ hơn nằm đối diện với tâm bán cầu

Hình 2 3 Viên nang nguồn Co-60

Khối nguồn bao gồm thân máy có dạng bán cầu Người ta nạp 30 nguồn vào

hệ thống chứa nguồn này Giá đỡ nguồn có dạng bán cầu làm bằng gang với 30 kênh chứa nguồn Co-60 có tác dụng làm ống chuẩn trực cho tia gamma 30 nguồn cobalt được bố trí theo hình nan quạt, cách nhau 300 dọc theo trục người bệnh

Hình 2 4 Khối nguồn

b Hệ thống ống chuẩn trực

Hệ thống ống chuẩn trực của RGS gồm 2 phần: các ống chuẩn trực sơ cấp và các ống chuẩn trực thứ cấp Các hệ thống này đều được làm từ hợp kim vonfram theo dạng hình ống đặc có lỗ trong Các ống chuẩn trực sơ cấp có lỗ trong lõi thẳng Các ống chuẩn trực thứ cấp được chia làm 5 nhóm có lỗ loe dạng loa ứng với các trường chiếu 4mm, 8mm, 14mm và 18mm tại mặt phẳng trục tâm Nhóm thứ 5 bị che bằng các thanh hợp kim vonfram Trong thời gian không điều trị, toàn bộ ống chuẩn trực

sơ cấp thẳng hàng với vị trí nhóm thứ 5, ngăn không cho tia gamma đi vào trong khu vực cần chiếu xạ Trong thời gian nghỉ, nguồn bức xạ bị các thanh vonfram của cấu trúc ống chuẩn trực sơ cấp chặn lại và bị chặn lại do cửa thép của buồng điều trị đóng

Do đó, nguồn được che chắn kép để đảm bảo lượng phóng xạ rò ra xung quanh vẫn đáp ứng được các tiêu chuẩn cho phép

Khung cửa che chắn có tác dụng đỡ cửa chắn phóng xạ và được lắp trên đế hệ thống

Cửa che chắn được làm bằng gang, bao gồm cửa phía trên và cửa phía dưới,

có 2 truc quay ngang Cả 2 cửa có dạng hình vành khuyên nửa trụ đóng theo dạng hàm để giảm bức xạ lọt ra ngoài Hai cửa ăn khít với nhau bằng bánh răng cưa và mở bằng cách quay mỗi cánh đi một góc 90 độ

Hình 2 6 Hệ thống ống chuẩn trực

1 Tấm cửa

2 Răng cửa

3 Bánh quay

Hình 2 7 Cửa che chắn d.Giường điều trị

Giường điều trị gồm có phần thân giường cố định và các bộ phận định vị Giường điều trị có thể di chuyển ra, vào bằng bánh quay tay nằm ở cuối và gần giữa giường Khi hệ thống điều khiển có hiện tượng khác thường thì nhân viên điều khiển

có thể đưa bệnh nhân ra ngoài bằng tay

Hình 2 8 Giường điều trị

e Giá đỡ khung đầu lập thể

Giá đỡ khung đầu lập thể là một cơ cấu bố trí ở đầu giường và dùng để định

vị chính xác đầu bệnh nhân trên giường điều trị Nó gồm một vòng đỡ khung đầu và các thanh trượt chính xác để hiệu chỉnh vị trí và góc nghiêng đầu theo ý muốn

Hình 2 10 Giá đỡ khung đầu

2.3 Nguyên lý hoạt động của dao gamma ART-6000

Khi bắt đầu điều trị, các nguồn và ống chuẩn trực sơ cấp sẽ được đưa vào vị trí thẳng hàng với ống chuẩn trực thứ cấp có đường kính tuỳ theo người lập kế hoạch điều trị lựa chọn Sau đó sẽ đóng, mở nhờ chuyển động quay tương đối giữa ống chuẩn trực sơ cấp và thứ cấp Bằng cách quay đồng thời cả hai hệ thống ống chuẩn trực này khi nó ở trạng thái thẳng hàng thì 30 cung tròn chứa nguồn không chồng lên nhau và đầy cung 360 độ Sự phát ra chùm tia gamma từ nguồn Co-60 trong thời gian điều trị nhờ chuyển động quay là sự khác biệt chủ yếu giữa thiết kế cũ của dao gamma

cổ điển (Leksell) và dao gamma quay

Hình 2 11 Nguyên lý hoạt động của dao gamma ART-6000

Trong dao gamma quay, nhiều chùm tia phát ra đồng thời từ nhiều nguồn bức

xạ khác nhau, với một liều lượng cao trong một lần chiếu xạ sẽ hội tụ, tập trung chính xác vào đích điều trị là u di căn não đã được cố định và định vị để tiêu diệt tế bào ung thư, phá huỷ tổn thương

Hình 2 12 Chùm tia hội tụ

2.4 Đặc điểm của xạ phẫu gamma ART so với xạ trị thông thường

Bảng 2 2 So sánh đặc điểm của xạ phẫu với xạ trị thông thường

Xạ phẫu Xạ trị thông thường

Thời gian bệnh nhân cần

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MONTE CARLO TRONG THIẾT BỊ XẠ PHẪU

GAMMA ART-6000 SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

3.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo [8]

Phương pháp Monte Carlo là một phương pháp số giải các bài toán bằng mô phỏng các đại lượng ngẫu nhiên Phương pháp mô phỏng Monte Carlo không giải phương trình vận chuyển hạt một các tường minh mà nhận các kết quả bằng mô phỏng từng hạt riêng rẽ và ghi lại tương tác của hạt Trạng thái trung bình của hạt trong hệ vật lý khi đó được rút ra từ trạng thái trung bình của các hạt mô phỏng

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 và vị trí mới lại được lấy mẫu kết hợp với năng lượng còn lại và một hướng mới Quá trình này được lặp lại cho đến khi nguồn hạt và tất cả các hạt thứ cấp đã mất đi 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 tất 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 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

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[10]

Điều kiện để mô phỏng một chương trình MCNP

Để có thể mô phỏng một chương trình MCNP thì ta cần chú ý tới 2 yếu tố chính đó là:

- 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 trúc hình học phải được xác định đầy đủ và chính xác kể cả việc khai báo độ tinh khiết

Chương trình MCNP5 [10]

Chương trình MCNP (Monte Carlo N- Particle) là chương trình do phòng thí nghiệm Los Alamos của Mỹ xây dựng và phát triển từ năm 1963 đến nay Đây là chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với nơtron, photon, electron mang tính thống kê

từ 1 keV đến 100 GeV và đối với electron thì năng lượng từ 1 keV tới 1 GeV

- MCNP cho phép tính dòng qua bề mặt (surface current), mật độ dòng qua bề mặt (surface flux), tính quãng đường mật độ dòng trong cell (track length estimate of cell flux), mật độ dòng tại một điểm, tính quãng đường theo năng lượng phân hạch,

và phân bố năng lượng của các xung trong điểm đo

- Ngoài ra chương trình còn có khả năng tính toán giá trị hệ số nhân nơtron hiệu dụng đối với môi trường phân hạch

Hình 3 1 Giao diện sử dụng chương trình MCNP5

Các thư viện dữ liệu được sử dụng

Các nguồn số liệu hạt nhân chủ yếu là thư viện các số liệu hạt nhân và các thư viện kích hoạt thu thập từ Livemore, và các đánh giá từ nhóm khoa học hạt nhân ứng dụng ở Los Alamos Dữ liệu hạt nhân này được xử lý để đưa về dạng phù hợp với chương trình MCNP bằng một số mã như là mã NJOY Các thư viện dữ liệu hạt nhân

đã được xử lý sẽ vẫn giữ đủ chi tiết so với đánh giá ban đầu và khả thi để mô phỏng chính xác mục đích của người đánh giá Các nguồn cung cấp dữ liệu hạt nhân chủ yếu cho MCNP gồm:

- The Evaluated Nuclear Data File (ENDF)

- The Evaluated Nuclear Data Library (ENDL)

- The Activation Library (ACTL)

- Applied Nuclear Science (T_2) Group tại phòng thí nghiệm Los Alamos Các bảng số liệu hạt nhân hiện có đối với các tương tác nơtron, các tương tác photon và các photon được tạo ra do nơtron, phép đo liều hay kích hoạt nơtron và tán

xạ của nơtron trong môi trường có tính đến chuyển động nhiệt của các phần tử Mỗi

bảng số liệu sẵn có trong MCNP được lập danh sách trên tệp thư mục XSDIR Người

sử dụng có thể lựa chọn các bảng số liệu hạt nhân qua các ký hiệu nhận dạng duy nhất ZAID đối với mỗi bảng Nhìn chung, các ký hiệu nhận dạng này chứa số nguyên

tử Z, số khối A và thư viện riêng ID

Trên 836 bảng tương tác hạt nhân được sử dụng cho xấp xỉ 100 đồng vị và nguyên tố khác nhau Có nhiều bảng dùng cho một đồng vị đơn lẻ vì dữ liệu được lấy

từ những giá trị khác nhau, vì khoảng nhiệt độ khác nhau và dung sai khi xử lý khác nhau Dữ liệu các phản ứng photon tạo nơtron được đưa vào là một phần của các bảng tương tác nơtron khi các dữ liệu này được bao gồm trong đánh giá

Bảng tương tác photon hiện có cho tất cả các nguyên tố có Z = 1 tới Z = 100

Dữ liệu trong bảng tương tác photon cho phép MCNP đếm số tán xạ đàn hồi, không đàn hồi, hấp thụ quang điện với xác suất phát huỳnh quang và tạo cặp

Tiết diện phản ứng cho gần 2000 phản ứng liên quan tới hơn 400 hạt nhân bia

ở trạng thái bền và kích thích là một phần của bộ số liệu hạt nhân trong MCNP Cấu trúc của một chương trình MCNP

Phần quan trọng để có một chương trình MCNP chính là tệp đầu vào (Input File) Trong tệp đầu vào, các thông số như hạt cần gieo, các thông số chính xác của nguồn, các thông số về phantom như kích thước và chất liệu được khai báo 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 theo quy luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử phát ra từ nguồn chp tới khi hết thời gian sống của nó Khả năng mô tả hình học 3 chiều của MCNP rất tốt trong tệp số liệu đầu vào chuẩn được chia làm 3 phần là định nghĩa mặt (surface card) định nghĩa ô mạng (cell card) và định nghĩa dữ liệu (data card)

Định nghĩa mặt: dùng để khai báo tất cả các mặt sử dụng để tạo nên cell Một

số loại mặt và cách thức khai báo trong chương trình:

Mặt phẳng:

PX 1.0 là mặt phẳng vuông góc với trục x tại điểm x=1,0 cm

PY -10.0 là mặt phẳng vuông góc với trục y tại điểm y=-10,0 cm

PZ 1.0 là mặt phẳng vuông góc với trục z tại điểm z= 1,0 cm

Mặt cầu:

SO 100 là mặt cầu tâm tại gốc tọa đọ và có bán kính là 100 cm

SY 10.0 3.0 là mặt cầu có tâm nằm trên trục y tại điểm y= 10 cm và có bán kính là 3 cm

S 1.0 2.0 4.5 2.0 là mặt cầu có tâm tại điểm có tọa độ (1.0 cm, 2.0 cm, 4.5 cm)

BOX -1 -1 -1 2 0 0 0 2 0 0 0 2 khối hộp có tâm tại gốc tọa độ kích thước mỗi cạnh là 2 cm

Định nghĩa ô mạng: là vùng không gian hình thành bởi các mặt biên, cell được hình thành bằng cách thực hiện các toán tử giao, hợp, bù các vùng không gian mặt Khi mô tả một cell cần phải chắc chắn cell đó được bao kín bởi các mặt nếu không chương trình sẽ báo lỗi về mặt hình học Trong mỗi cell ta cần khai báo vật liệu, mật độ chất…