Nghiên cứu tính toán phân bố liều bức xạ trong thể tích khối u não cho xạ trị bằng gamma knife quay sử dụng phương pháp mô phỏng monte carlo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tính tốn phân bố liều xạ thể tích khối u não cho xạ trị Gamma Knife quay sử dụng phương pháp mô Monte Carlo BÙI TIẾN HƯNG hungbuitien19081997@gmail.com Ngành Kỹ thuật Hạt nhân Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Kim Tuấn Viện: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI, 07/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tính tốn phân bố liều xạ thể tích khối u não cho xạ trị Gamma Knife quay sử dụng phương pháp mô Monte Carlo BÙI TIẾN HƯNG hungbuitien19081997@gmail.com Ngành Kỹ thuật Hạt nhân Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Kim Tuấn Chữ ký GVHD Viện: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI, 07/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Bùi Tiến Hưng Đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính tốn phân bố liều xạ thể tích khối u não cho xạ trị Gamma Knife quay sử dụng phương pháp mô Monte Carlo” Chuyên ngành: Kỹ thuật Hạt nhân Mã số SV: 20202811M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 13/7/2022 với nội dung sau: • Chỉnh sửa bố cục chương luận văn • Chỉnh sửa số thuật ngữ chuyên ngành, hình ảnh trình bày chưa rõ ràng, sửa chữa lỗi sai tả, lỗi trích dẫn tài liệu tham khảo • Bổ sung đánh giá kết phương pháp Gamma Index Ngày 27 tháng năm 2022 Người hướng dẫn Tác giả luận văn TS Trần Kim Tuấn Bùi Tiến Hưng Chủ tịch Hội đồng TS Nguyễn Văn Thái ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên tiếng Việt: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN PHÂN BỐ LIỀU BỨC XẠ TRONG THỂ TÍCH KHỐI U NÃO CHO XẠ TRỊ BẰNG GAMMA KNIFE QUAY SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO Tên tiếng Anh: STUDY ON CALCULATING RADIATION DOSE DISTRIBUTION IN BRAIN TUMOR VOLUME FOR RADIOSURGERY WITH ROTATING GAMMA KNIFE BY USING MONTE CARLO SIMULATION Người hướng dẫn TS Trần Kim Tuấn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn trước hết xin gửi đến quý thầy, cô môn Kỹ thuật hạt nhân Vật lý môi trường – Viện Vật lý kỹ thuật dạy dỗ, truyền đạt kiến thức vô quý báu khơng kiến thức chun mơn mà cịn kiến thức sống Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trần Kim Tuấn, thầy tạo điều kiện thời gian để truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học cho Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Trần Thùy Dương ThS Bùi Ngọc Hà tận tình giúp đỡ hướng dẫn tơi phương pháp nghiên cứu cách thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn tới nhiệm vụ KHCN “Xây dựng phần mềm lập kế hoạch xạ trị tự động cho thiết bị xạ phẫu Gamma Knife”; Mã số: B2020-BKA20-Bộ Giáo dục đào tạo, hệ thống tính tốn HPC - VINATOM Trung tâm Y học hạt nhân Ung bướu - Bệnh viện Bạch Mai hỗ trợ thực nghiên cứu Cuối xin cảm ơn người thân gia đình ln quan tâm, tạo điều kiện để học tập Cảm ơn người bạn bên cạnh chia sẻ có lời động viên tinh thần lúc khó khăn Tơi xin chân thành cảm ơn! Học viên Bùi Tiến Hưng TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu mô hệ thống xạ phẫu Gamma Knife quay ART6000 sử dụng mã mô Monte Carlo (PHITS, GEANT4) để tính tốn liều xạ thể tích khối u Hiện tính tốn phần lớn phụ thuộc vào chương trình lập kế hoạch cung cấp hãng thiết bị chưa có quy trình xác minh mức độ xác liều điều trị thực tế so với kế hoạch lập Các kĩ sử kiểm tra liều cung cấp tới thiết bị đo liều đặt phantom nước thông qua quy trình đảm bảo chất lượng (Quality Assurance – QA) Vì việc khảo sát tính xác đại lượng liều cung cấp kế hoạch cơng việc cần thiết Do đó, cần thiết xây dựng chương trình mơ giúp nghiên cứu, khảo sát, tính tốn đặc trưng liều lượng từ hệ thống Gamma Knife quay Mục tiêu luận văn là: mơ hình hóa cấu hình hệ thống Gamma ART6000; xây dựng phantom bất đồng gần với cấu trúc giải phẫu người tính tốn đặc trưng liều lượng đối tượng phantom Luận văn mô hệ thống Gamma ART6000 cách gần xác đảm bảo mức độ đơn giản cách tối đa Đặc điểm quan trọng mô gần chuyển động quay – đặc trưng hệ thống Gamma Knife quay Do đó, luận văn đề xuất phương pháp phân chia quỹ đạo quay liên tục cụm 30 nguồn thành điểm rời rạc vĩ tuyến thực mô vị trí Kết mơ vị trí tổng hợp lại để tính tốn đặc trưng mặt liều lượng Luận văn thực nghiên cứu ảnh hưởng môi trường không đồng tới phân bố liều/liều dựa phantom mẫu chuẩn ICRP-145 Luận văn nghiên cứu tạo khối u “giả” có dạng hình cầu đặt vị trí tâm phần đầu phantom để khảo sát ảnh hưởng liều hấp thụ phụ thuộc vào kích thước trường chiếu thể tích khối u sát với điều kiện giải phẫu thực tế Khảo sát thực cách tương tự môi trường đồng (nước) để đưa kết luận đánh giá Bên cạnh đó, luận văn cịn đề xuất quy trình giúp chuyển đổi hình ảnh cắt lớp chẩn đốn (CT, MRI) sang dạng hình học lưới voxel sử dụng cho số mã mơ Monte Carlo (PHITS, MCNP GEANT4) Luận văn thực nghiên cứu tính tốn xác định giá trị liều hấp thụ, giá trị đường đồng liều theo kế hoạch điều trị Với chương trình tính tốn xây dựng hỗ trợ bác sĩ, kỹ sư tham khảo để xây dựng kế hoạch điều trị Sự phù hợp hình học mơ hệ thống Gamma ART6000 xác nhận kết toán kiểm chuẩn với phantom nước Kết nghiên cứu phantom bất đồng phantom đồng cho thấy rằng, hình dạng đường phân bố liều (khi quy đổi sang liều tương đối) hai trường hợp khơng có khác biệt Tuy nhiên, giá trị phân bố liều/liều tuyệt đối (liều hấp thụ) mơi trường khơng đồng có giá trị thấp mơi trường đồng tia xạ bị hấp thụ phần lớn xương sọ (phantom) trước vào vùng khảo sát Do kết luận liều điều trị thực tế thấp so với kế hoạch tính tốn Điều kiểm chứng thêm từ kết mô cho trường hợp bệnh nhân, kích thước hình dạng đường đồng liều 50% không khác biệt so với kế hoạch phantom nước nhiên giá trị liều tuyệt đối đường đồng liều 50% thấp so với kế hoạch đề MỤC LỤC CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Tổng quan xạ trị 1.1.2 Kỹ thuật xạ phẫu lập thể 1.2 Nghiên cứu tổng quan hệ thống xạ phẫu Gamma Knife 1.2.1 Lịch sử hình thành phát triển 1.2.2 Hệ thống xạ phẫu Gamma quay ART6000 1.3 Các nghiên cứu hệ thống xạ phẫu Gamma Knife 12 1.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm 13 1.3.2 Nghiên cứu mô Monte Carlo 15 1.4 Những đặc trưng liều lượng khảo sát với hệ thống Gamma Knife 21 1.4.1 Liều hấp thụ 22 1.4.2 Liều tương đối 22 1.4.3 Đường phân bố liều dọc trục (đường profile liều) 22 1.4.4 Đường đồng liều 23 1.4.5 Hệ số đầu 23 1.4.6 Độ rộng trường chiếu độ rộng vùng bán 23 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XẠ PHẪU GAMMA ART6000 25 2.1 Giới thiệu chương trình mơ GEANT4 PHITS 25 2.1.1 Giới thiệu chương trình mơ GEANT4 26 2.1.2 Giới thiệu chương trình mô PHITS 28 2.2 Xây dựng tệp đầu vào cho chương trình mơ 30 2.2.1 Xây dựng hình học mơ hệ thống ART6000 30 2.2.2 Xây dựng phantom tính tốn liều lượng 37 2.2.3 Thiết lập tham số cho mô 43 2.3 Xử lý kết đầu 45 2.3.1 Cấu trúc tệp đầu (kết quả) 45 2.3.2 Đánh giá sai số kết 45 2.3.3 Phương pháp so sánh kết 46 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 Kiểm chuẩn mô với phantom nước (môi trường đồng nhất) 48 3.1.1 Bài tốn đơn giản hóa (1 kênh nguồn) 48 3.1.2 Bài toán kiểm chuẩn (30 kênh nguồn) 52 3.2 Nghiên cứu đặc trưng liều lượng hệ thống xạ phẫu quay Gamma ART6000 với phantom bất đồng 58 3.3 Tính tốn liều với phantom chuyển đổi từ ảnh MRI 61 KẾT LUẬN 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh mơ tả ngun lý kỹ thuật xạ phẫu Các tia gamma phát từ nhiều hướng khác hội tụ khối u não cần tiêu diệt Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống xạ phẫu quay RGS Hình 1.3 Cấu trúc khối nguồn Cobalt-60 Hình 1.4 Cấu trúc thân nguồn thân chuẩn trực Hình 1.5 Hệ thống ống chuẩn trực Hình 1.6 Hình học tính tốn liều cho Gamma Knife 12 Hình 1.7 Đường cong đặc trưng phim MD-55 13 Hình 1.8 Hình ảnh đường đồng liều phân bố liều trường chiếu 18 mm 14 Hình 1.9 Mơ hình hệ thống Elekta Leksell Gamma 15 Hình 1.10 Mơ hình hệ thống Leksell Gamma 4C 16 Hình 1.11 Phân bố góc vĩ độ 201 nguồn hệ thống LGK B/C 17 Hình 1.12 Mơ hình hệ thống LGK4C OUR XGD 17 Hình 1.13 Mơ hình hệ thống LGKC RGSA 19 Hình 1.14 Phân bố 201 nguồn hệ thống LGKC 19 Hình 1.15 Đường phân bố liều theo khoảng cách trục trung tâm 23 Hình 2.1 Cấu trúc tệp đầu vào PHITS 28 Hình 2.2 Kích thước chi tiết khối nguồn Cobalt 31 Hình 2.3 So sánh khối nguồn Cobalt hệ thống ART6000 LGKC 31 Hình 2.4 Mặt cắt dọc trục ống chuẩn trực sơ cấp thứ cấp hệ thống RGSA (trên) LGKC (dưới) 32 Hình 2.5 Cấu hình kênh nguồn với phantom nước hiển thị với GEANT4 33 Hình 2.6 Mơ tả góc kinh độ vĩ độ 34 Hình 2.7 Phân bố 30 kênh nguồn vị trí ban đầu 35 Hình 2.8 Sơ đồ thuật tốn mơ tả q trình quay góc cho mơ 36 Hình 2.9 Ví dụ ba hệ phantom tính tốn 38 Hình 2.10 Phantom nước QA hệ thống Gamma Knife 40 Hình 2.11 Phantom đầu người ICRP- 145 40 Hình 2.12 Quy trình chuyển đổi hình ảnh MRI sang hình học mơ 41 Hình 2.13 Hình học GEANT4 phantom chuyển đổi từ ảnh MRI bệnh nhân nam N.V.K, 50 tuổi 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Bertolino, “Experimental validation of Monte Carlo simulation of Leksell Gamma Knife Perfexion stereotactic radiosurgery system,” Universita Degli Studi DiMilano, Italy, 2009 [2] D Leksell, “The origins and development of radiosurgery and the Leksell gamma knife,” Prog Neurol Surg., vol 34, pp 1–8, 2019, doi: 10.1159/000493044 [3] S Asgari, N Banaee, and H A Nedaie, “Comparison of full width at half maximum and penumbra of different Gamma Knife models,” J Cancer Res Ther., vol 14, no 2, pp 260–266, 2018, doi: 10.4103/09731482.189248 [4] J Y C Cheung and K N Yu, “Rotating and static sources for gamma knife radiosurgery systems: Monte Carlo studies,” Medical Physics, vol 33, no pp 2500–2505, 2006 doi: 10.1118/1.2207313 [5] G T Szeifert, “Geometrical Accuracy Test Obtained on the OUR Rotating gamm-System,” J Radiosurgery, vol 2, no 3, pp 181–188, 1999 [6] K.-M Yang, S J Madsen, W.-L Chen, W.-P Kuan, R F Young, and C Chen, “Dosimetry of a novel rotating gamma system for stereotactic radiosurgery.,” Journal of radiosurgery and SBRT, vol 1, no pp 183– 196, 2011 [7] N Banaee, S Asgari, and H A Nedaie, “Comparison of penumbra regions produced by ancient Gamma knife model C and Gamma ART 6000 using Monte Carlo MCNP6 simulation,” Appl Radiat Isot., vol 137, pp 154–160, 2018, doi: 10.1016/j.apradiso.2017.10.035 [8] D Mammoo, “Monte Carlo simulation and film dosimetry of Rotating Gamma System gamma ART-6000TM output factors,” Rosalind Franklin University of Medicine and Science, 2008 [9] I American Radiosurgery, GammaART-6000TM Rotating Gamma System User Manual, vol 3304, no January 2012, pp 1–148 [10] L Lu, “Dose calculation algorithms in externam beam photon radiation therpy,” Int J Cancer Ther Oncol., vol 1, no 2, pp 1–4, 2013 [11] J M Bowling, “Leksell Gamma Knife Treatment Planning via Kernel Regression Data Mining Initialization and Genetic Algorithm Optimization,” 2012 [12] J Beck and A Berndt, “An algorithm for independent verification of Gamma KnifeTM treatment plans,” Med Phys., vol 31, no 10, pp 2780– 2784, 2004, doi: 10.1118/1.1786532 [13] S M Marcu, Q J Wu, K Pillai, and M S Weinhous, “GammaPlan® Leksell Gamma Knife® radiosurgery treatment planning verification method,” Med Phys., vol 27, no 9, pp 2146–2149, 2000, doi: 10.1118/1.1287051 [14] J Y C Cheung, K N Yu, R T K Ho, and C P Yu, “Monte Carlo calculations and GafChromic film measurements for plugged collimator helmets of Leksell Gamma Knife unit,” Med Phys., vol 26, no 7, pp 1252–1256, 1999, doi: 10.1118/1.598639 68 [15] Y C Cheung, K N Yu, R T K Ho, and C P Yu, “Stereotactic dose planning system used in Leksell Gamma Knife model-B: EGS4 Monte Carlo versus GafChromic films MD-55,” Appl Radiat Isot., vol 53, no 3, pp 427–430, 2000, doi: 10.1016/S0969-8043(99)00285-7 [16] S Goetsch et al., “Physics of rotating gamma systems for stereotactic radiosurgery,” Int J Radiat Oncol Biol Phys., vol 43, no 3, pp 689– 696, 1999 [17] H D Kubo and F Araki, “Dosimetry and mechanical accuracy of the first rotating gamma system installed in North America,” Med Phys., vol 29, no 11, pp 2497–2505, 2002, doi: 10.1118/1.1514039 [18] B Sengupta et al., “Intensity modulated operating mode of the rotating gamma system,” Med Phys., vol 45, no 5, pp 2289–2298, 2018, doi: 10.1002/mp.12887 [19] J Y C Cheung, K N Yu, C P Yu, and R T K Ho, “Monte Carlo calculation of single-beam dose profiles used in a gamma knife treatment planning system,” Med Phys., vol 25, no 9, pp 1673–1675, 1998, doi: 10.1118/1.598347 [20] V Moskvin, C DesRosiers, L Papiez, R Timmerman, M Randall, and P DesRosiers, “Monte Carlo simulation of the Leksell Gamma Knife®: I Source modelling and calculations in homogeneous media,” Phys Med Biol., vol 47, no 12, pp 1995–2011, 2002, doi: 10.1088/00319155/47/12/301 [21] M V Feras MO Al-Dweri, Antonio M Lallena, “A simplified model of the source channel of the Leksell GammaKnife tested with PENELOPE,” Phys Med Biol., vol 49, no 12, p 2687, 2004 [22] Y Tian et al., “Comparison of dosimetric characteristics between stationary and rotational gamma ray stereotactic radiosurgery systems based on Monte Carlo simulation,” Biomed Phys Eng Express, vol 2, no 4, 2016, doi: 10.1088/2057-1976/2/4/045014 [23] S H Benedict, “Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students,” J Appl Clin Med Phys., vol 5, no 3, pp 91– 92, 2004, doi: 10.1120/jacmp.2021.25315 [24] D C Thielker and J T Jensen, Introduction to Medical Physics, vol 62, no 1962 doi: 10.2307/3418757 [25] J P Gibbons, “Technical note: The effect of the 4-mm-collimator output factor on gamma knife dose distributions,” J Appl Clin Med Phys., vol 4, no 4, p 386, 2003, doi: 10.1120/1.1621375 [26] O N Vassiliev, Monte Carlo Methods for Radiation Transport Springer, 2017 [Online] Available: http://link.springer.com/10.1007/978-3-31944141-2 [27] L Aichambault et al., “Overview of Geant4 applications in medical physics,” IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec., vol 3, no June 2014, pp 1743–1745, 2003, doi: 10.1109/nssmic.2003.1352215 [28] T Sato et al., “Overview of the PHITS code and its application to medical physics,” Progress in Nuclear Science and Technology, vol pp 879– 69 [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] 882, 2014 doi: 10.15669/pnst.4.879 X G Xu, “An exponential growth of computational phantom research in radiation protection, imaging, and radiotherapy: A review of the fifty-year history,” Phys Med Biol., vol 59, no 18, 2014, doi: 10.1088/00319155/59/18/R233 J C Borbinha, “Organ Dose Estimates in Thorax CT : Voxel Phantom Organ Matching With Individual Patient Anatomy Jorge Cebola Borbinha Bachelor of Science Organ Dose Estimates in Thorax CT : Voxel Phantom Organ Matching With Individual Patient Anatomy Dissertation submit,” no December 2017, 2018 L S Boia, A X Silva, A Facure, S C Cardoso, L A R Da Rosa, and R C Castro, “Methodology for Converting Ct Medical Images To Mcnp Input Using the Scan2Mcnp System,” Int Nucl Atl Conf., 2009 R Possani, F Massicano, T Coelho, and H Yoriyaz, “Software for medical image based phantom modelling,” in International Conference on Mathematics and Computational Methods Applied to Nuclear Science and Engineering, 2011, pp 1–10 M Speiser and J DeMarco, “Improved CT-based voxel phantom generation for MCNP Monte Carlo,” Prog Nucl Sci Technol., vol 4, pp 901–903, 2014, doi: 10.15669/pnst.4.901 A Mehranian, M R Ay, and H Zaidi, “CT2MCNP: An integrated package for constructing patient-specific voxel-based phantoms dedicated for MCNP(X) monte carlo code,” IFMBE Proc., vol 29, no January 2014, pp 319–322, 2010, doi: 10.1007/978-3-642-13039-7_80 Geant4 Collaboration, “Physics Reference Manual Release 11.0,” 2016 J K Shultis and R E Faw, “An MCNP Primer,” Structure, vol 66506, no c, pp 0–45, 2006 D A Low, W B Harms, S Mutic, and J A Purdy, “A technique for the quantitative evaluation of dose distributions,” Med Phys., vol 25, no 5, pp 656–661, 1998, doi: 10.1118/1.598248 B T Hung, T T Duong, B N Ha, H Q Tuan, and T K Tuan, “A Simulation of The Leksell Gamma Knife System to Calculate the Dose Distribution in Several Types of Phantoms by Using The PHITS Code,” Hội nghị Quốc tế Vật lý Kỹ thuật Ứng dụng lần thứ 7(CAEP-7),1417/11/2021, Hà Nội, Việt Nam D Linzer et al., “Gamma knife radiosurgery for large volume brain tumors: An analysis of acute and chronic toxicity,” Stereotact Funct Neurosurg., vol 70, no SUPPL 1, pp 11–18, 1998, doi: 10.1159/000056402 70 PHỤ LỤC 71 PHỤ LỤC 1: Lý lịch khoa học LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho học viên cao học) I Sơ lược lý lịch: Họ tên: Bùi Tiến Hưng Giới tính: Nam Sinh ngày: 19 tháng năm 1997 Nơi sinh: xã Đông Hợp, huyện Đông Hưng, tỉnh Thái Bình Q qn: xã Đơng Hợp, huyện Đơng Hưng, tỉnh Thái Bình Chức vụ: Nghiên cứu viên Đơn vị công tác: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Chỗ riêng địa liên lạc: số nhà 4, ngách 151/75/4, đường Nguyễn Đức Cảnh, phường Tương Mai, quận Hoàng Mai, Tp Hà Nội Điện thoại di động: 0352348985 E-mail: hungbuitien19081997@gmail.com II Quá trình đào tạo: Đại học: - Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 8/2015 đến 8/2020 - Trường đào tạo: Đại học Bách khoa Hà Nội - Ngành học: Kỹ thuật Hạt nhân Bằng tốt nghiệp đạt loại: Giỏi Thạc sĩ: - Hệ đào tạo: Thạc sĩ Khoa học Thời gian đào tạo: từ 10/2020 đến 4/2022 - Chuyên ngành học: Kỹ thuật Hạt nhân - Tên luận văn: Nghiên cứu tính tốn phân bố liều xạ thể tích khối u não cho xạ trị Gamma knife quay sử dụng phương pháp mô Monte Carlo - Người hướng dẫn Khoa học: TS Trần Kim Tuấn Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiếng anh (TOEIC 615) III Q trình cơng tác chun môn kể từ tốt nghiệp đại học: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhận 8/2020-02/2021 Viện Vật lý kỹ thuật Hỗ trợ nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 02/2022 – Ban Kế hoạch Quản lý Nghiên cứu viên khoa học - Viện Năng lượng ngun tử Việt Nam IV Các cơng trình khoa học cơng bố: Tạp chí khoa học: Bui, T.H., Tran, T.D., Bui, N.H, Nguyen, T.T, Research on The Construction of A Phantom in Dose Calculation By PHITS Simulation Program HNUE Journal of Science, 67(2), pp 55-64 Bui, N.H., Tran, K.T., T.D., Tran, Tran, N.T., Truong, M.A., Bui, T.H., and Mai D.T Research and Manufacture of Cone Beam Computed Tomography (CBCT) System for Industrial Use Journal of Nuclear Science and Technology (đã chấp nhận đăng) 72 Thuy, D.T., Tien, H.B., Ngoc, H.B., Kim, T.T and Ngoc, T.T., 2022 Detection of Spoilage in Canned Pasteurized Milk Using the Radiographic Imaging Technique Atom Indonesia, 48(1), pp.45-50 (Thuộc hệ ISI Q3) Bui, N.H., Bui, T.H., Tran, T.D., Tran, K.T and Tran, N.T., 2021 Evaluation of the effect of filters on reconstructed image quality from cone beam CT system Journal of Nuclear Science and Technology, 11(1), pp.35-47 Báo cáo hội nghị: Bui, T.H., Tran, T.T., Bui, N.H., Tran, K.T and Tran, N.T., Detection of Spoilage in Canned Pasteurized Milk using the Radiographic Imaging Technique, Vietnam Conference on Nuclear Science and Technology (VINANST-14), Da Lat, Lam Dong, Vietnam, 9-10 December 2021 Bui, T.H., Tran, T.T., Bui, N.H., Tuan, A Simulation of Leksell Gamma Knife System to Calculate the Dose Distribution in Water Phantom by Using the PHITS Monte Carlo Simulation Program, Vietnam Conference on Nuclear Science and Technology (VINANST-14), Da Lat, Lam Dong, Vietnam, 9-10 December 2021 (Được giải báo cáo viên trẻ xuất sắc) Bui, T.H., Tran, T.T., Bui, N.H., Tuan, H.Q., and Tran, K.T., A Simulation of the Leksell Gamma Knife System to Calculate the Dose Distribution in Several Types of Phantoms by Using the PHITS Code, the 7th International Conference on Applied & Engineering Physics (CAEP7), Hanoi, Vietnam, 14-17 November 2021 Tôi cam đoan nội dung viết thật Ngày 27 tháng năm 2022 NGƯỜI KHAI KÝ TÊN 73 PHỤ LỤC 2: Mơ tả chương trình mơ A Chương trình GEANT4 // // // // // // This is the program to simulate Gamma ART-6000TM Version: 2.0 Date: 02/09/2022 Author: Hung Bui Tien Email: hungbuitien19081997@gmail.com Organization: Hanoi University of Science and Technology #include #include "G4Types.hh" #include "G4RunManagerFactory.hh" #include "G4Types.hh" #include "Randomize.hh" #include "G4SteppingVerbose.hh" #include #include #include #include "G4UImanager.hh" "G4UIcommand.hh" "G4VisExecutive.hh" "G4UIExecutive.hh" #include #include #include #include "MyDetectorConstruction.hh" "MyPhysicsList.hh" "MyActionInitialization.hh" "MyController.hh" #include "G4ScoringManager.hh" #include int main(int argc, char** argv) { // Choose the Random engine and reset the seed (before the RunManager) // // CLHEP::MixMaxRng* randomEngine = new CLHEP::MixMaxRng(); // G4Random::setTheEngine(randomEngine); // CLHEP::HepRandom::setTheSeed(time(NULL)); G4int seconds = time(NULL); G4Random::setTheSeed(seconds); // Construct the default run manager auto* runManager = G4RunManagerFactory::CreateRunManager(); G4int nThreads = 40; runManager->SetNumberOfThreads(nThreads); // Activate UI-command base scorer G4ScoringManager::GetScoringManager(); // This enables scoring // Set mandatory initialization classes // auto detConstruction = new MyDetectorConstruction(); runManager->SetUserInitialization(detConstruction); auto phys = new MyPhysicsList(); runManager->SetUserInitialization(phys); 74 auto actionInitialization = new MyActionInitialization(); runManager->SetUserInitialization(actionInitialization); auto controller = new MyController(detConstruction); // Initialize G4 kernel // runManager->Initialize(); // Detect interactive mode (if no macro provided) and define UI session // G4UIExecutive* ui = 0; // Process macro or start UI session // if (argc == 1) { ui = new G4UIExecutive(argc, argv); } // Initialize visualization // G4VisManager* visManager = new G4VisExecutive(); visManager->Initialize(); // Get the pointer to the User Interface manager G4UImanager* UImanager = G4UImanager::GetUIpointer(); // // if (ui) { // interactive mode : define UI session UImanager->ApplyCommand("/control/execute init_vis.mac"); ui->SessionStart(); delete ui; } else { // batch mode G4String command = "/control/execute "; G4String fileName = argv[1]; UImanager->ApplyCommand(command + fileName); } delete controller; delete visManager; delete runManager; return 0; } B Chương trình PHITS [ T i t l e ] Rotating Gamma Knife [ P a r a m e t e r s ] icntl = 12:DUMP # (D=0) 3:ECH 5:NOR 6:SRC 7,8:GSH 11:DSH 75 maxcas = batch maxbch = emin(14) = (MeV) itall = 2:different imout = 2: MCNP jmout = 2:weight kmout = part icput = 100 10 0.01 [ S o u r c e ] = s-type = proj = photon wgt = r0 = 0.1350 r1 = 0.0000 x0 = 0.0000 y0 = 0.0000 z0 = 36.9700 z1 = 39.8700 dir = -1.0000 phi = 0.0000 dom = 3.0000 e-type = ne = 1.1732 1.3325 # (D=10) number of particles per one # (D=10) number of batches # (D=1.0e-3) cut-off energy of photon # (D=0) 0:no tally at batch, 1:same, # (D=0) MAT format, 0: 208Pb, 1: Pb-208, # (D=0) Den.echo, 0:input, 1:number, # (D=0) 1: MAT and DATA echo from MCNP # (D=0) 0: no cpu time for each process # cylindrical source # kind of incident particle # # # # # # # # # # # radius [cm] minimum radius [cm] (D=0.0) center position of x-axis [cm] (D=0.0) center position of y-axis [cm] minimum position of z-axis [cm] maximum position of z-axis [cm] z-direction of beam [cosine] azimuthal angle of beam [degree] spread of beam direction [degree] descrete energy distribution number of energy points [ M a t e r i a l ] mat[1000] 6000 -0.00026 $ SS 14000 -0.0042 15000 -0.00019 16000 3e-005 24000 -0.168 25000 -0.014 26000 0.68212 28000 -0.1101 42000 -0.0211 mat[2000] 27000 -1 $ Cobalt mat[3000] 6000 -0.000124 $ Air 7000 -0.755267 8000 -0.231781 18000 0.012827 mat[4000] 74000 -1 $ Tungsten mat[5000] H O - - [ Mat Name Color ] [ Transform ] set: c71[0] $ angle of around Z (degree) set: c72[0] $ angle of around Y (degree) set: c73[0] $ angle of around X (degree) set: c74[-75.16919] $ displacement of Z (cm) set: c75[1.77381] $ displacement of Y (cm) set: c76[-0.17133] $ displacement of X (cm) tr500 c76 c75 c74 cos(c71/180*pi)*cos(c72/180*pi) sin(c71/180*pi)*cos(c73/180*pi)+cos(c71/180*pi)*sin(c72/180*pi)*sin(c 73/180*pi) sin(c71/180*pi)*sin(c73/180*pi)cos(c71/180*pi)*sin(c72/180*pi)*cos(c73/180*pi) 76 -sin(c71/180*pi)*cos(c72/180*pi) cos(c71/180*pi)*cos(c73/180*pi)sin(c71/180*pi)*sin(c72/180*pi)*sin(c73/180*pi) cos(c71/180*pi)*sin(c73/180*pi)+sin(c71/180*pi)*sin(c72/180*pi)*cos(c 73/180*pi) sin(c72/180*pi) -cos(c72/180*pi)*sin(c73/180*pi) cos(c72/180*pi)*cos(c73/180*pi) [ S u r f a c e ] 10 trc 0 36.6 0 0.69 1.24 1.35 11 cz 1.35 12 trc 0 39.5 0 0.19 1.35 1.16 13 trc 0 39.69 0 0.19 1.16 1.35 14 pz 40.26 15 cz 0.875 16 trc 0 40.83 0 0.58 1.16 0.96 17 pz 39.87 18 cz 0.135 19 trc 0 36.88 0 0.08999 1e-010 0.13 20 pz 39.97 21 cz 0.1 22 pz 40.07 23 cz 0.2 24 trc 0 36.85 0 0.18 0.15 0.35 25 cz 0.32 26 pz 40.02 27 pz 39.81 28 cz 0.28 29 cz 0.43 30 pz 36.82 31 pz 36.75 32 pz 40.28 33 cz 0.58 34 cz 0.53 35 pz 40.17 36 cz 0.33 37 trc 0 36.75 0 0.16 0.44 0.58 38 pz 41.23 39 pz 41.32 40 pz 41.40999 41 cz 0.69 42 pz 36.60001 43 cz 0.38 44 py -1 45 py 46 px -0.87 47 px -0.78 48 px 0.78 49 px 0.87 50 rcc 0 24.45 0 12.15 1.24 51 rcc 0 24.45 0 12.15 0.5 52 rcc 0 23.55 0 0.9 1.1 53 rcc 0 17 0 6.55 0.8 54 trc 0 17 0 7.45 0.5018 0.3273 $ Collimator size 18mm c 54 trc 0 17.00 0 7.45 0.3903 0.2545 $ Collimator size 14mm c 54 trc 0 17.00 0 7.45 0.223 0.1454 $ Collimator size 8mm c 54 trc 0 17.00 0 7.45 0.1115 0.0727 $ Collimator size 4mm 55 so 77 56 pz 41.31 57 pz 16.9 58 cz 1.4 set: c1[1.0E-4] 88 pz 89 so 16 90 so 42 91 500 rpp -25.3688 26.2312 -13.67159 84.4924 92 rpp -25.5688 26.4312 -13.87159 84.6924 99 rpp -200 200 -200 200 -200 200 5000 so 500 [ C e l l ] 101 1000 ): 15.92841 -81.1076 16.12841 -81.3076 -7.8 (-10 :(10.2 -11 12.3 ):-12 :-13 :(13.2 -11 -14 (14 -15 16.3 ):-16 ) fill=1001 102 1000 -7.8 #103 #104 #105 #106 #107 #108 #109 #110 #111 #112 #113 #114 #115 #116 #117 #118 #119 #120 #121 u=1001 103 2000 -8.9 (19.2 -17 -18 ) u=1001 104 3000 -0.001205 (-19 ) u=1001 105 3000 -0.001205 (20 -21 -22 ) u=1001 106 1000 -7.8 (17 -22 -23 )#105 u=1001 107 3000 -0.001205 (-24.3 -24.2 -25 24 ) u=1001 108 3000 -0.001205 (-26 27 28 -25 ):(-22 26 28 -29 ) u=1001 109 1000 -7.8 ((30 -26 -25 ):(26 -22 -29 ))#103 #104 #105 #106 #107 #108 u=1001 110 3000 -0.001205 (-25 -30 31 ) u=1001 111 3000 -0.001205 (26 -32 -33 34 ) u=1001 112 3000 -0.001205 (35 -32 -36 ) u=1001 113 1000 -7.8 (22 -29 -32 )#112 u=1001 114 1000 -7.8 ((-37 ):(-32 37.2 -33 ))#103 #104 #105 #106 #107 #108 #109 #110 #111 #112 #113 u=1001 115 3000 -0.001205 (31 -37.2 37 -33 ) u=1001 116 1000 -7.8 (32 -33 -38 ) u=1001 117 3000 -0.001205 (-33 39 -40 ) u=1001 118 1000 -7.8 (38 -40 -41 )#117 u=1001 119 3000 -0.001205 (-31 42 -43 ) u=1001 120 3000 -0.001205 (39 -40 44 -45 46 -47 ) u=1001 121 3000 -0.001205 (39 -40 44 -45 48 -49 ) u=1001 201 4000 -19.3 -50 #(-51 ) 301 4000 -19.3 (-52 :-53 ) #(-54) c Phantom 126 5000 -1.00 -55 c Environment 900 3000 -0.001205 -99 #101 #201 #301 #126 901 -1 99 [ T - T r title mesh x-type and nx nx xmin xmax z-type and ny nz zmin a c k ] off = Plot ICRP-145 phantom = xyz # mesh type is xyz scoring mesh = # x-mesh is linear given by xmin, xmax = = = = 60 -30.+c76 30.+c76 # # # # number of x-mesh minimum value of maximum value of y-mesh is linear points x-mesh points x-mesh points given by ymin, ymax = = 240 -85+c74 # number of y-mesh points # minimum value of y-mesh points 78 zmax y-type and ny ny ymin ymax e-type ne = = 85+c74 # maximum value of y-mesh points # y-mesh is linear given by ymin, ymax = = = = = # -15.+c75 # 15.+c75 # # # 0.0 5000.0 unit = # axis = xz # file = phantom_track.out number of y-mesh points minimum value of y-mesh points maximum value of y-mesh points e-mesh is given by the below data number of e-mesh points unit is [1/cm^2/source] axis of output # file name of output for the above axis part = gshow = 4:bnd+lat epsout = [ T - T r title mesh x-type and nx nx xmin xmax z-type and ny nz zmin zmax y-type and ny ny ymin ymax e-type ne all 1 # 0: no 1:bnd, 2:bnd+mat, 3:bnd+reg # (D=0) generate eps file by ANGEL a c k ] off = Plot source = xyz = # mesh type is xyz scoring mesh # x-mesh is linear given by xmin, xmax = = = = 600 -30 30 # # # # number of x-mesh minimum value of maximum value of y-mesh is linear points x-mesh points x-mesh points given by ymin, ymax = = = = 400 10 50 # # # # number of y-mesh minimum value of maximum value of y-mesh is linear points y-mesh points y-mesh points given by ymin, ymax = = = = = # -15 # 15 # # # 0.0 5000.0 unit = # axis = xz # file = source_track.out number of y-mesh points minimum value of y-mesh points maximum value of y-mesh points e-mesh is given by the below data number of e-mesh points unit is [1/cm^2/source] axis of output # file name of output for the above axis part = gshow = 4:bnd+lat epsout = all 1 # 0: no 1:bnd, 2:bnd+mat, 3:bnd+reg # (D=0) generate eps file by ANGEL [ T-Deposit ] title = Energy deposition mesh = xyz # x-type = # and nx xmin = -2.025000 # xmax = 2.025000 # nx = 81 # y-type = # and ny ymin = -2.025000 # ymax = 2.025000 # ny = 81 # z-type = # and nz zmin = -0.025000 # in xyz mesh mesh type is xyz scoring mesh x-mesh is linear given by xmin, xmax minimum value of maximum value of number of x-mesh y-mesh is linear x-mesh points x-mesh points points given by ymin, ymax minimum value of maximum value of number of y-mesh z-mesh is linear y-mesh points y-mesh points points given by zmin, zmax minimum value of z-mesh points 79 zmax = 0.025000 nz = unit = letmat = electron for H2O dedxfnc = 1, material = all output = dose deposit = process 2D-type = 6:Clust+Cont, 7:Col+Cont axis = xy file = doseXY.out part = all gshow = 4:bnd+lat 5:bmp style resol = width = 0.5000000 rshow epsout = vtkout = vtkfmt = # # # # maximum value of z-mesh points number of z-mesh points unit is [MeV/source] (D=0) mat ID for LET, 0:real mat, total deposit dist, 1-> each # 1:Cont, 2:Clust, 3:Color, 4:xyz, 5:mat, # axis of output # file name of output for the above axis # 0: no 1:bnd, 2:bnd+mat, 3:bnd+reg # (D=1) resolution of gshow or rshow # (D=0.5) width of lines for gshow or # (D=0) generate eps file by ANGEL # (D=0) generate vtk file # (D=0) generate vtk ascii file [ E n d ] 80 PHỤ LỤC 3: Chương trình xử lý liệu # -*- coding: utf-8 -*""" Created on Wed Jan 26 21:15:26 2022 @author: hungb """ import numpy as np from scipy import ndimage, misc from matplotlib.pyplot import figure import matplotlib.pyplot as plt import os from os.path import join import glob import math import gamma_index def read_dose(data_path): """ Hàm đọc tệp kết riêng """ with open(data_path) as f: lines = f.readlines() f.close() dose = np.zeros((81, 81, 81), dtype=float) error = np.zeros((81, 81, 81), dtype=float) entry = np.zeros((81, 81, 81), dtype=float) for i in range(3,len(lines)): temp = lines[i].split(",") x = int(temp[0]) y = int(temp[1]) z = int(temp[2]) data = float(temp[3]) err = float(temp[4]) ent = int(temp[5]) dose[x, y, z] = data error[x, y, z] = err entry[x, y, z] = ent return dose, error, entry def read_allFiles(path,option='*.txt'): """ Hàm sử dụng để đọc tổng hợp nhiều tệp kết """ data_path = os.path.join(path,option) files = glob.glob(data_path) data_mulFiles = [] error_mulFiles = [] entry_mulFiles = [] for f in files: d, e, en = read_dose(f) data_mulFiles.append(d) error_mulFiles.append(e) entry_mulFiles.append(en) data_mulFiles = np.array(data_mulFiles) error_mulFiles = np.array(error_mulFiles) entry_mulFiles = np.array(entry_mulFiles) dose = data_mulFiles[0] 81 error = error_mulFiles[0] entry = entry_mulFiles[0] if(len(data_mulFiles) > 1): for i in range(1, len(data_mulFiles)): dose = data_mulFiles[i] + dose error = error_mulFiles[i] + error entry = entry_mulFiles[i] + entry return dose, error, entry def reErr(dose, error, entry): """ Hàm tính tốn sai số tương đối """ mean = dose/entry mean2 = error/entry s = (mean2 - mean**2)/entry r = 100*np.sqrt(s)/mean return r def gamma(rm, tm): """ Hàm tính gamma index """ results = gamma_index.gamma_matrix(rm, tm, 3, 3) return results 82