áp dụng chương trình penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao gamma leksell

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ PHƯƠNG AN ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO TP. HỒ CHÍ MINH – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ PHƯƠNG AN ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG LINH TP. HỒ CHÍ MINH – 2011 0BLỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo. Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô đã giảng dạy cho tôi bằng lòng nhiệt huyết, tình thương và trách nhiệm. Các thầy cô đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết để hoàn thành tốt luận văn cũng như những nghiên cứu về sau. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Quang Linh. Thầy đã giúp đỡ tôi chọn đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Bác sĩ và Kỹ sư vật lý công tác tại đơn vị Gamma Knife, Bệnh viện Chợ Rẫy Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tìm hiểu về dao Gamma Leksell, đã cung cấp những tài liệu quan trọng cho luận văn của tôi. Tôi xin gửi lời cám ơn đến các Thầy Cô trong Hội đồng đã đọc, nhận xét, giúp tôi nhận ra những thiếu sót để hoàn chỉnh luận văn. Xin cám ơn Ban Giám Hiệu, các đồng nghiệp của tôi tại Trường THPT Chuyên Trần Hưng Đạo, Bình Thuận đã tạo điều kiện, đã tương trợ cho tôi trong quá trình tôi hoàn thành khóa học này. Xin cám ơn tập thể hai lớp Cao học Vật lý Khóa 19 đã luôn đồng hành bên tôi. Cám ơn những bạn bè thân thiết và những học sinh thân yêu luôn động viên tôi. Lời cuối cùng, tôi muốn cám ơn gia đình tôi đã dành tất cả tình yêu thương, sự hy sinh cho tôi, giúp tôi có thể vượt qua mọi khó khăn trong học tập và cuộc sống. 1BMỤC LỤC 2TLỜI CÁM ƠN2T i 2TMỤC LỤC2T ii 2TDANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT2T vii 2TPHẦN I: MỞ ĐẦU2T 1 2TCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL2T 4 2T1.1.Giới thiệu về dao Gamma Leksell và lịch sử của thiết bị2T 4 2T1.2.Các thành phần chính của dao Gamma Leksell2T 6 2T1.2.1.Thân máy2T 6 2T1.2.1.1.Bộ phận tạo nguồn2T 7 2T1.2.1.2.Hệ thống định vị APS (Automatic Positioning System)2T 8 2T1.2.1.3.Giường điều trị (Patient treatment Couch)2T 9 2T1.2.2.Nón (Collimator Helmet)2T 9 2T1.3.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell2T 11 2T1.3.1.Cơ sở vật lý2T 11 2T1.3.2.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell2T 12 2T1.4.Quy trình xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell2T 13 2T1.5.Giới thiệu về Leksell Gamma Plan®2T 15 2T1.6.Giới thiệu về dao Gamma quay: Rotating Gamma System (RGS)2T 17 2T1.7.Tình hình ứng dụng dao Gamma Leksell trong điều trị trên thế giới và tại Việt Nam2T 19 2T1.8.Ưu điểm và hạn chế của dao Gamma Leksell2T 21 2T1.8.1.Ưu điểm2T 21 2T1.8.2.Hạn chế2T 21 2TCHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ2T 23 2T2.1.Cơ sở của phương pháp xạ trị bằng bức xạ2T 23 2T2.1.1.Tương tác của photon năng lượng cao với môi trường vật chất [6]2T 23 2T2.1.1.1.Hiệu ứng quang điện2T 23 2T2.1.1.2.Tán xạ Compton2T 26 2T2.1.1.3.Sự tạo cặp2T 28 2T2.1.1.4.So sánh các loại tương tác2T 29 2T2.1.1.5.Sự hấp thụ năng lượng do các nguồn phát bức xạ khác nhau2T 29 2T2.1.1.6.Cơ chế truyền năng lượng trong tương tác của photon và vật chất2T 30 2T2.1.2.Các hiệu ứng sinh học của bức xạ2T 31 2T2.1.2.1.Cấu tạo của tế bào cơ thể người2T 31 2T2.1.2.2.Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào loại tế bào khác nhau và vào chu kỳ tế bào2T 31 2T2.1.2.3.Tương tác của bức xạ ion hóa đối với cơ thể con người2T 32 2T2.1.2.4.Đường cong sống sót và ảnh hưởng của một số yếu tố đến đường cong sống sót2T 33 2T2.2.Phương pháp xạ trị2T 34 2T2.2.1.Giới thiệu về các hình thức xạ trị và các cơ sở xạ trị ở Việt Nam [6]2T 34 2T2.2.2.Mục tiêu của xạ trị2T 34 2T2.2.3.Cơ sở khoa học và phương pháp của kỹ thuật xạ trị2T 35 2T2.2.3.1.Cơ sở khoa học2T 35 2T2.2.3.2. Phương pháp2T 35 2T2.2.4.Quy trình điều trị bằng tia xạ2T 36 2T2.2.5.Xạ trị ngoài và xạ phẫu2T 36 2T2.2.5.1.Các thiết bị dùng trong xạ trị ngoài2T 36 2T2.2.5.2.Ứng dụng của xạ trị ngoài2T 37 2T2.2.5.3.Xạ phẫu (Stereotactic Radiosurgery)2T 37 2T2.3.Cơ sở của phép tính phân bố liều2T 38 2T2.3.1.Hoạt độ phóng xạ2T 38 2T2.3.2. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ2T 38 2T2.3.2.1.Liều hấp thụ D (Absorbed Dose)2T 39 2T2.3.2.2.Suất liều hấp thụ (Dose Rate)2T 39 2T2.3.3.FWHM (Full Width Half Maximum)2T 40 2T2.3.4.Mô tả phân bố liều hấp thụ2T 40 2TCHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE2T 41 2T3.1.Phương pháp mô phỏng Monte Carlo2T 41 2T3.1.1.Giới thiệu về phương pháp mô phỏng Monte Carlo2T 41 2T3.1.2.Tính toán liều với Monte Carlo2T 42 2T3.1.3.Các yếu tố cơ bản trong tính toán liều Monte Carlo [15]2T 42 2T3.1.3.1.Mô hình vật lý2T 42 2T3.1.3.2. Bảng dữ liệu tương tác2T 42 2T3.1.3.3. Bộ phát số ngẫu nhiên2T 43 2T3.1.3.4. Cấu trúc hình học2T 43 2T3.1.3.5. Cấu tạo vật liệu2T 44 2T3.1.3.6. Đặc điểm của nguồn2T 44 2T3.1.3.7. Scoring2T 44 2T3.1.3.8. Làm giảm sự thăng giáng và làm xấp xỉ2T 44 2T3.2.Tổng quan về chương trình PENELOPE [10]2T 44 2T3.2.1.Hệ thống code PENELOPE2T 46 2T3.2.2.Cơ sở dữ liệu và file dữ liệu của vật liệu đầu vào2T 48 2T3.2.3.Cấu trúc của chương trình chính (MAIN program) và sự lựa chọn thông số mô phỏng2T 49 2T3.2.4.Giới thiệu các chương trình chính (MAIN)2T 50 2T3.2.4.1.Chương trình PENSLAB2T 51 2T3.2.4.2. Chương trình PENCYL2T 51 2T3.2.4.3. Chương trình PENDOSES2T 53 2T3.2.5.Tính toán phân bố liều với PENELOPE2T 53 2TCHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL 2T 56 2T4.1.Mục đích2T 56 2T4.2.Mô phỏng PENELOPE tính toán phân bố liều với một nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu Gamma Leksell (sử dụng gói chương trình con PENCYL)[2],[10]. 2T 56 2T4.3.Khởi tạo file vật liệu cho bài toán mô phỏng2T 57 2T4.4.Vận hành chương trình PENCYL2T 59 2T4.5.Kết quả mô phỏng2T 62 2T4.6.Sử dụng MATLAB tính liều hấp thụ2T 66 2T4.6.1.Mô hình helmet model U2T 67 2T4.6.2.Mô hình helmet model B, C2T 68 2T4.6.3.Các hàm MATLAB và một số thao tác cần sử dụng trong quá trình tính toán [1],[21].2T 68 2T4.7.Đánh giá các kết quả2T 69 2T4.7.1.Kết quả tính toán với 37 nguồn bằng MATLAB2T 69 2T4.7.2.Kết quả tính toán với 10 nguồn bằng MATLAB2T 71 2T4.7.3.Tính toán thời gian điều trị cho dao Gamma Leksell2T 73 2T4.7.3.1.Trường hợp dùng số liệu của 37 nguồn2T 73 2T4.7.3.2.Trường hợp dùng số liệu của 10 nguồn2T 74 2T4.7.4.Chọn Collimator thích hợp cho tổn thương2T 75 2T4.7.5.Từ kết quả mô phỏng dự đoán kế hoạch điều trị2T 75 2T4.8.Dùng chương trình MATLAB biểu diễn các đường phân bố liều2T 76 2T4.8.1.Trường hợp sử dụng 37 nguồn2T 77 2T4.8.1.1.Tổn thương nằm ngay tâm bộ não2T 77 2T4.8.1.2. Khảo sát phân bố liều khi tổn thương nằm ở vị trí bất kỳ2T 81 2T4.8.2.Trường hợp sử dụng 10 nguồn2T 87 2T4.8.2.1.Tổn thương nằm ngay tâm bộ não2T 87 2T4.8.2.2. Khảo sát phân bố liều khi tổn thương nằm ở vị trí bất kỳ2T 91 2TPHẦN III KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN2T 99 2TKẾT LUẬN2T 99 2THƯỚNG PHÁT TRIỂN2T 100 2TTÀI LIỆU THAM KHẢO2T i 2TPHỤ LỤC2T i 2BDANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT APS: Automatic Positioning System CT: Computer Tomography MRI: Magnetic Resonance Imaging DSA: Digital Subtraction Angiography LGP: Leksell Gamma Plan RGS: Rotating Gamma System 3D: Three – direction 2D: Two – direction MC: Monte Carlo RNGs: Random Number Generators FORTRAN: Formula Translation PENELOPE: PENetration and Energy Loss of Positron and Electron EGS: Electron Gamma Shower MCNP: Monte Carlo N - Particle GEANT: Geometry And Traking FWHM: Full Width Half Maximum MATLAB: Maxtrix Laboratory 3BPHẦN I: MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ở nước ta và các nước trên thế giới, số người mắc bệnh ung thư ngày càng gia tăng. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính hàng năm trên thế giới có khoảng 11 triệu trường hợp mới mắc ung thư, mỗi năm có khoảng trên 6 triệu người chết do ung thư. Tỷ lệ chết do ung thư chiếm tới 12% trong số các nguyên nhân gây tử vong ở người. Hiện tại, qua thống kê cho thấy trên toàn cầu khoảng 20 triệu người đang sống chung với bệnh ung thư. Nếu không có các biện pháp can thiệp kịp thời thì con số này sẽ lên tới 30 triệu vào năm 2020 [29]. Theo ghi nhận ung thư ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh, ước tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn người mới mắc và khoảng 50 – 70 nghìn người chết vì ung thư [23]. Các bệnh lý về não: u não, dị dạng động tĩnh mạch máu não,…gây ra tỷ lệ tử vong rất cao. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật tiên tiến, ngành vật lý hạt nhân nói chung, kỹ thuật xạ trị nói riêng, đã có những đóng góp quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị những căn bệnh hiểm nghèo này. Ba phương pháp điều trị ung thư hiện nay là: phẫu thuật, xạ trị và hóa trị. Xạ trị là quá trình điều trị có sử dụng bức xạ ion hóa hoặc phóng xạ. Mục đích của xạ trị là đưa một liều phóng xạ đến thể tích tổn thương đã xác định, với mức độ ảnh hưởng nhỏ nhất đến các tổ chức xung quanh. Kết quả sẽ loại trừ được tổn thương, kéo dài sự sống hay cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong xạ trị. Xạ trị ngoài được tiến hành với chùm tia photon năng lượng cao, thông thường đó là các tia X mang năng lượng cao hoặc các chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60. Phương pháp xạ trị ngoài được sử dụng rộng rãi để điều trị những khối u nằm sâu trong cơ thể. Trong xạ trị ngoài, việc phân bố liều hợp lý là một yếu tố quan trọng, đóng góp vào thành công của quá trình điều trị. Phân bố liều hợp lý được thể hiện bằng sự tập trung liều cao tại thể tích tổn thương (bia) và liều thấp tại vùng biên (các tổ chức lành quanh tổn thương). Hiện nay tại các bệnh viện lớn Việt Nam, những thiết bị phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bằng phương pháp xạ trị đã được đưa vào sử dụng khá phổ biến .Đặc biệt, vào năm 2006, dao Gamma Leksell đã được đưa vào sử dụng tại bệnh viện Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh. Dao Gamma Leksell là phương tiện phẫu thuật bằng bức xạ Gamma tập trung. Với sự hỗ trợ của Gamma Plan, một chương trình điều trị bằng máy tính, dao Gamma Leksell cho phép các bác sĩ và kỹ sư vật lý xác định đúng và chiếu bức xạ vào thể tích tổn thương trong não với độ chính xác cao nhằm tiêu diệt tổn thương mà không ảnh hưởng đến các vùng lân cận. Dao Gamma Leksell được chỉ định điều trị u não, các bệnh [...]... ứng dụng phù hợp với thực tiễn Từ mục tiêu và những nhiệm vụ đặt ra, luận văn Áp dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell được trình bày như sau: - Phần mở đầu - Phần nội dung Chương 1 Tổng quan về dao Gamma Leksell Chương 2 Tổng quan về xạ trị Chương 3 Tổng quan về chương trình PENELOPE Chương 4 Áp dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong. .. và electron trong vật chất sử dụng phương pháp Monte Carlo - Ứng dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng tính toán phân bố liều hấp thụ cho trường hợp đơn giản trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell Quá trình mô phỏng được thực hiện đầu tiên bằng cách sử dụng chương trình PENELOPE mô phỏng quá trình tương tác của photon năng lượng cao trong mô hình não đối với nguồn đơn kênh của dao Gamma Leksell Sau... tác bức xạ gamma và electron với vật chất PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell là vấn đề học thuật thật sự cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận văn hướng đến mục tiêu: - Tìm hiểu tổng quan về thiết bị xạ phẫu dao Gamma Leksell, cơ sở phương pháp xạ trị và về chương trình PENELOPE 2003 - Ứng dụng chương trình PENELOPE mô phỏng tính toán phân bố liều hấp thụ... học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị, các hình thức xạ trị, đặc biệt quan tâm đến xạ trị ngoài và xạ phẫu, mục tiêu của xạ trị, cơ sở khoa học và phương pháp của kỹ thuật xạ trị, cơ sở của phép tính phân bố liều - Tìm hiểu cơ sở vật lý, cơ sở dữ liệu và cách vận hành của chương trình PENELOPE, một trong những chương trình mô phỏng sự lan truyền... điều trị là tương đối cao: khoảng 30 triệu/ca CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ B 5 Nội dung chương nhằm giới thiệu sơ lược về phương pháp xạ trị bằng bức xạ, các cơ sở xạ trị ở Việt Nam và các hình thức xạ trị Xạ trị ngoài sẽ được trình bày chi tiết hơn vì đó chính là phương pháp xạ trị của dao Gamma Leksell Một số đại lượng và công thức quan trọng có liên quan đến việc tính toán phân bố liều cũng được trình. .. quy trình điều trị, bệnh nhân được đưa ra ngoài để tháo khung định vị Quá trình tháo khung sẽ diễn ra ngược lại quá trình đặt khung Toàn bộ quy trình xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell diễn ra trong vòng 1 ngày [4] 1.5.Giới thiệu về Leksell Gamma Plan® B 5 1 Leksell Gamma Plan® (LGP) là chương trình lập kế hoạch chữa trị dùng riêng cho dao Gamma Leksell do công ty Elekta cung cấp Chương trình này dùng để. .. sử dụng dao Leksell Gamma C, trong đó có Việt Nam 1.2.Các thành phần chính của dao Gamma Leksell B 2 1 Trong luận văn này, các thành phần chính của dao Gamma Leksell, cụ thể là dao Gamma Leksell C (model C) do công ty Elekta, Thụy Điển sản xuất sẽ được trình bày, đồng thời cũng sẽ có phép so sánh dao Gamma Leksell C với các thế hệ dao Gamma khác Đây là thiết bị xạ phẫu đang được sử dụng tại đơn vị Gamma. .. trị Cũng như đối với các hệ thống xạ trị khác, việc nghiên cứu phân bố liều hợp lý cho hệ thống dao Gamma Leksell là rất quan trọng, góp phần quyết định sự thành công trong quá trình điều trị Hệ thống dao Gamma Leksell đã có chương trình Leksell Gamma Plan do hãng cung cấp nhằm giúp người điều trị tính toán được liều tại vùng chiếu, tuy nhiên thông tin về phân bố liều ở những vùng xung quanh thường... tính toán bằng phương pháp chồng chất của chương trình MATLAB để thu được phân bố liều hấp thụ cho toàn bộ các nguồn theo bố trí không gian collimator helmet của dao Gamma Leksell - Trong quá trình tiến hành mô phỏng, sử dụng chương trình GNUPLOT và MATLAB để hiển thị các kết quả thu được thông qua các hình ảnh, đồ thị, những số liệu tính toán cụ thể - Xem xét sự thay đổi của các phân bố liều khi thay... để mô phỏng phân bố liều trong xạ Gamma Leksell - Phần kết luận và hướng phát triển trị bằng dao PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL B 4 1.1.Giới thiệu về dao Gamma Leksell và lịch sử của thiết bị B 1 Dao Gamma Leksell là một thiết bị y tế kỹ thuật cao sử dụng năng lượng bức xạ Gamma để điều trị các thương tổn nhỏ sâu, ở nhiều vị trí khác nhau trong não, gần các cấu trúc thần . 2T3.2.5.Tính toán phân bố liều với PENELOPE2 T 53 2TCHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL 2T 56 2T4.1.Mục đích2T 56 2T4.2 .Mô phỏng PENELOPE. Chương 2. Tổng quan về xạ trị. Chương 3. Tổng quan về chương trình PENELOPE. Chương 4. Áp dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell. - Phần kết. chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell được trình bày như sau: - Phần mở đầu - Phần nội dung Chương 1. Tổng quan về dao Gamma Leksell. Chương