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: Viện: TS Trần Kim Tuấn Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI, 07/2022 Chữ ký GVHD 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 TS Trần Kim Tuấn Tác giả luận văn 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: B2020BKA-20-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 As-surance – 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 .4 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 .8 Hình 1.5 Hệ thống ống chuẩn trực Hình 1.6 Hình học tính toán 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