NGHIÊN cứu LIỀU hấp THỤ từ NGUỒN xạ TRỊ áp sát đối với PHAN TOM MIRD 5 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.11 NGHIÊN CỨU LIỀU HẤP THỤ TỪ NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT ĐỐI VỚI PHAN TOM MIRD-5 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Trương Thị Hồng Loan1,2, Ngô Văn Thương1, Trần Ái Khanh3, Nguyễn Thị Cẩm Thu1, Nguyễn Thị Trúc Linh2, Lưu Đặng Hoàng Oanh1, Lương Tiến Phát1, Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG- HCM Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG- HCM Đại học Tiền Giang TÓM TẮT Trong công trình này, phân bố liều hấp thụ phantom MIRD-5 từ nguồn gamma đặt phổi trái phantom đánh giá chương trình MCNP5 Nguồn xạ trị khảo sát bao gồm133Xe 99mTc Trong mô hình nguồn xạ dạng hình cầu bán kính 0,5cm hình trụ bán kính đáy 0,5cm, chiều cao 0,667cm có hoạt độ 0,1Ci khảo sát Chú ý tính toán thời gian cho đợt xạ trị Kết cho thấy nguồn dạng trụ phân bố tập trung dạng hình cầu ảnh hưởng lên mô lành Với hoạt độ, nguồn 133Xe gây liều trung bình lớn nguồn 99mTc Từ khóa: MCNP, MIRD-5, xạ trị trong, phân bố suất liều, an toàn xạ GIỚI THIỆU Hiện có phương pháp để điều trị ung thư là: phẫu thuật, hoá trị xạ trị Việc lựa chọn phương pháp điều trị phụ thuộc vào nhiều yếu tố loại bệnh, giai đoạn bệnh, điều kiện điều trị bệnh viện, vị trí khối u tình trạng bệnh nhân Trong năm gần đây, xạ trị áp sát phát triển mạnh mẽ phải kể đến đời máy điều trị xạ trị áp sát suất liều cao sử dụng nước phát triển giới Xạ trị áp sát phương thức điều trị nguồn phát xạ (nguồn đồng vị phóng xạ kín) đặt áp sát hay bên khối u Ưu điểm phân bố liều tập trung vào khối u ảnh hưởng đến mô lành, nhờ quy luật giảm theo bình phương khoảng cách Tuy nhiên, liều cung cấp cho bệnh nhân lớn, sai sót việc cấp liều cho bệnh nhân dẫn đến nguy hiểm cho mô lành, việc xác định xác liều xạ trị áp sát việc vô quan trọng Trong nửa đầu kỉ 20 đến năm 1960, việc tính phân bố liều xạ trị áp sát lâm sàng sử dụng cách tra bảng dựa việc đo buồng ion hóa tích phân Sievert Vào năm 1971, dựa mô hình phân bố liều nguồn xạ trị áp sát đối xứng trụ môi trường chất lỏng hay rắn, Krishnaswamy thiết lập móng cho việc mô tính liều xạ trị áp sát dùng phương pháp Monte Carlo Qua thập kỷ áp dụng kỹ thuật mô Monte Carlo, việc mô phân bố liều quanh nguồn xạ trị áp sát ngày đạt mức độ chi tiết hơn, chẳng hạn việc tính hệ số chồng chập (build-up) nguồn điểm đẳng hướng cho phân bố liều xạ trị áp sát Berger, Webb Fox, báo tiếng Meisberger [2] Nhiều cách tiếp cận 3D tinh vi nghiên cứu sau đó, đầu Williamson [3] Để góp phần đánh giá ảnh hưởng xạ lên quan thể trình điều trị, tác giả xây dựng toán đánh giá phân bố suất liều từ nguồn đồng vị phóng xạ xạ trị lên quan xung quanh, đánh giá khả ảnh hưởng đến quan lành, đến nhân viên điều trị, đến người nuôi bệnh, Điều nhằm để hạn chế tối đa rủi ro trình điều trị Giải pháp cho vấn đề nêu mục đích công trình VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Trong công trình dựa mô hình bệnh nhân bị ung thư phổi trái yêu cầu xạ trị nguồn 133Xe 99mTc Phantom người MIRD5 [4] sử dụng để mô tả bệnh nhân Để mô mô hình sử dụng chương trình MCNP5 [5] Đó chương trình mô vận chuyển xạ phương pháp Monte Carlo phòng thí nghiệm Los Alamos xây dựng Từ mô hình xây dựng được, tính toán phân bố suất liều khảo sát số ảnh hưởng quan lân cận số vấn đề liên quan khác Hình trình bày sơ đồ mức lượng phát beta gamma nguồn xạ trị 99mTc 133Xe ISBN: 978-604-82-1375-6 168 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Đồng vị 99mTc Đồng vị 133Xe Hình Sơ đồ mức lượng phát beta gamma nguồn xạ trị [6] Trong chương trình MCNP, để tính toán liều hấp thụ vị trí cell sử dụng tally *F8 Đơn vị đánh giá tally *F8 MeV Nhưng để xét liều hấp thụ cho mô quan ta sử dụng đơn vị rad Gy Trong MCNP tính đổi từ MeV sang rad Gy nên sau chạy chương trình xong (MeV) ta sử dụng công thức sau để đổi sang đơn vị liều hấp thụ phận mô: D(Gy)  *F8(MeV) 1, 602.1010 m với m (g) khối lượng cell Giá trị m xác định dựa vào thể tích mật độ cell cần quan tâm: m (g) = V (cm3).d (g/cm3) (1) (2) Để khảo sát phân bố suất liều mặt dùng tally FMESH FMESH công cụ giúp cho người dùng tạo mạng lưới ô ước lượng giá trị (liều, lượng, ) ô Ưu điểm việc sử dụng FMESH giúp giảm thời gian tính toán với cấu hình phức tạp bao gồm nhiều voxel Để tính liều hấp thụ quan thể chương trình MCNP, mô tả nguồn có hai dạng: hình cầu bán kính 0,5 cm phát đẳng hướng dạng trụ bán kính đáy 0,5 cm chiều cao 0,667 cm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mức liều giới hạn cho phép Trước đánh giá mức độ ảnh hưởng suất liều hấp thụ từ nguồn đồng vị xạ trong, tính toán mức liều giới hạn cho phép quan thể lần xạ trị Ta có Sv = Gy.QF với QF hệ số chất lượng tuỳ thuộc vào loại xạ Đối với tia gamma QF = Do trường hợp ta có Sv = Gy Giả sử ca xạ trị Bệnh nhân cần xạ trị tháng lần Tổng cộng lần năm Sử dụng giá trị suất liều giới hạn [1] cho số quan, ta tính toán giá trị liều giới hạn cho trường hợp Kết trình bày bảng Bảng Giá trị liều giới hạn quan Cơ quan Tủy xương Da, xương, tuyến giáp Tay, chân Các phận khác Người dân (loại C) Gy/h 0,00083 0,00500 0,01250 0,00250 Nguồn dạng hình cầu Trong mô hình tác giả sử dụng nguồn xạ dạng hình cầu bán kính 0,5 cm hình trụ bán kính đáy 0,5 cm có hoạt độ 0,1 Ci để mô suất liều hấp thụ số quan chương trình MCNP5 Kết trình bày bảng Số lịch sử hạt chọn cho sai số thống kê mô 1% ISBN: 978-604-82-1375-6 169 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng 2.Giá trị liều tích lũy 4h từ nguồn hình cầu quan (Gy) Khối lượng (g) Mô 133 Xe 99m Tc Tỷ số Phổi 1000 0,56008 0,01573 35,60 Thận 310 0,02140 0,00046 46,62 Tim 330 0,26608 0,00819 32,50 Lá lách 180 0,05353 0,00162 33,07 Tụy 100 0,03938 0,00122 32,16 Tuyến ức 20 0,24614 0,00749 32,86 Tuyến giáp 20 0,03737 0,00081 46,10 Tuyến thượng thận 14 0,06191 0,00175 35,39 Dạ dày 250 0,06211 0,00173 35,97 Ruột non 400 0,01731 0,00028 62,87 Ruột già 365 0,01119 0,00019 60,30 Gan 1800 0,02538 0,00062 40,97 Não 1400 0,00860 0,00012 71,26 Xương 10000 0,03390 0,00169 20,06 Da 2600 0,03005 0,00070 42,77 Các quan khác 70000 0,03666 0,00107 34,42 Kết cho thấy liều tích lũy ảnh hưởng lên quan từ 133Xe lớn 41 lần so với từ nguồn xạ Tc Điều giải thích lượng gamma trung bình phát từ đồng vị 133Xe cao so với 99m Tc Hình 2.a cho thấy nguồn hình cầu 99mTc, vùng bị ảnh hưởng (vùng có giá trị suất liều lớn giá trị cho phép cho bảng 1) từ -17 cmđến 28 cm theo trục x từ 35 đến 82 cm theo trục z Do cáccơ quan bị ảnh hưởng gồm có tim, phổi tuyến ức bị chiếu liên tục năm đợt đợt Kết thống kê cho bảng Tương tự hình 2.b., nguồn hình cầu 133Xe vùng ảnh hưởng từ -25 cm đến 45 cm theo trục x từ 25 đến 100 cm theo trục z Những mô thể bị ảnh hưởng gần hầu hết quan nội tạng thể bị chiếu liên tục năm đợt đợt Kết thống kê cho bảng để so sánh với nguồn 99mTc 99m a.99mTc b.133Xe Hình Phân bố liều tích lũy quan nguồnxạ dạng hình cầu ISBN: 978-604-82-1375-6 170 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng Giá trị liều tích lũy quan bị ảnh hưởng với nguồn xạ dạng cầu (Gy) Khối lượng (g) Mô 133 99m Xe Tc Phổi 1000 0,56008 0,01573 Thận 310 0,02140 Tim 330 0,26608 0,00819 Lá lách 180 0,05353 Tụy 100 0,03938 Tuyến ức 20 0,24614 0,00749 Tuyến giáp 20 0,03737 Tuyến thượng thận 14 0,06191 Dạ dày 250 0,06211 Ruột non 400 0,01731 Ruột già 365 0,01119 Gan 1800 0,02538 Não 1400 0,00860 Xương 10000 0,03390 Da 2600 0,03005 Các quan khác 70000 0,03666 Kết cho thấy tầm ảnh hưởng liều tích lũy lên quan thể sử dụng nguồn rộng nhiều so với dùng nguồn 99mTc -133 Xe cao Nguồn dạng hình trụ Tương tự, mô phân bố liều khắp phantom bệnh nhân đặt nguồn dạng trụ có bán kính đáy 0,5cm, chiều cao 0,667cm, hoạt độ 0,1 Ci phổi trái điều kiện khảo sát với nguồn hình cầu trình bày mục 3.2 Kết trình bày bảng Số lịch sử hạt chọn cho sai số thống kê mô % Bảng 4.Giá trị liều tích lũy 4h từnguồn hình trụ quan (Gy) Mô Khối lượng (g) 133 Xe 99m Tc Tỷ lệ Phổi 1000 0,37285 0,01717 21,72 Thận 310 0,01286 0,00047 27,11 Tim 330 0,16483 0,00831 19,83 Lá lách 180 0,03587 0,00165 21,80 Tuỵ 100 0,02389 0,00122 19,51 Bàng quan 45 0,00481 0,00008 64,00 Tuyến ức 20 0,16302 0,00780 20,90 Tuyến giáp 20 0,01856 0,00093 20,03 Tuyến thượng thận 14 0,04116 0,00182 22,64 Dạ dày 250 0,03841 0,00175 21,97 Ruột non 400 0,01114 0,00028 39,23 Ruột già 365 0,00632 0,00019 34,05 Gan 1800 0,01578 0,00062 25,32 Não 1400 0,00523 0,00012 43,02 Xương 10000 0,02308 0,00178 12,98 Da 2600 0,01900 0,00074 25,60 Các quan khác 70000 0,02306 0,00111 20,70 ISBN: 978-604-82-1375-6 171 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Bảng bên trình bày liều tích lũy (Gy) từ nguồn hình trụ lên quan khác Kết cho thấy nguồn 133Xe giá trị liều tích lũy lên quan lớn trung bình 27 lần so với sử dụng nguồn 99mTc Hình cho thấy nguồn hình trụ 99mTc vùng ảnh hưởng từ -17 cm đến 28 cm theo trục x từ 35 đến 82 cm theo trục z Những mô thể bị ảnh hưởng gồm phổi, tim, tuyến ức Giá trị liều tích lũy ảnh hưởng đến quan thống kê bảng Đối với nguồn hình trụ 133Xe vùng ảnh hưởng từ -20 cm đến 40 cm theo trục x từ 27 đến 95 cm theo trục z Những mô thể bị ảnh hầu hết quan vùng bụng thể Giá trị liều tích lũy ảnh hưởng đến quan thống kê bảng a.99mTc b.133Xe Hình Phân bố liều tích lũy quan nguồnxạ dạng hình trụ Bảng So sánh giá trị liều tích lũy quan bị ảnh hưởng với nguồn dạng trụ (Gy) Mô Phổi Thận Tim Lá lách Tuỵ Bàng quan Tuyến ức Tuyến giáp Tuyến thượng thận Dạ dày Ruột non Ruột già Gan Não Xương Da Các quan khác Khối lượng (g) 1000 310 330 180 100 45 20 20 14 250 400 365 1800 1400 10000 2600 70000 133 Xe 0,37285 0,01286 0,16483 0,03587 0,02389 0,00481 0,16302 0,01856 0,04116 0,03841 0,01114 0,00632 0,01578 0,00523 0,02308 0,01900 0,02306 99m Tc 0,01717 -0,00831 -0,00780 - Từ giá trị thu cho thấy: nguồn99mTc hình học dạng cầu dạng trụ giá trị liềutích lũy nhận ảnh hưởng lên quan thể gần giống Hình trình bày mô hình khoanh vùng liều ảnh hưởng lên mô vùng lân cận phantom MIRD-5, phantom vẽ từ MCNP phân bố liều tích lũy mặt (x, z) vẽ Matlab Kết cho thấy, vùng điều trị nguồn dạng trụ, suất liều ảnh hưởng cao so với nguồn hình khối cầu Nhưng ảnh hưởng đến mô xung quanh có khuynh hướng giảm so với nguồn có dạng cầu Đỉnh nguồn điều trị dùng xạ trị tập trung vùng khối u lan rộng xa chậm nên ảnh hưởng vào vùng bệnh nên có ưu hình học dạng cầu sử dụng nguồn 99mTc an toàn sử dụng nguồn 133Xe ISBN: 978-604-82-1375-6 172 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Khoanh vùng liều ảnh hưởng lên mô vùng lân cận Để dễ nhận diện dùng Matlab vẽ phân bố liều 3D hai dạng nguồn tích lũy quan lân cận, kết cho Hình a.Dạng trụ b Dạng cầu Hình Phân bố liều 3D nguồn Xedạng trụ (a) dạng cầu (b) Với nguồn Xe, liều tính mặt cầu bán kính 50cm với tâm tâm nguồn xạ 4h có giá trị 4,17.10-6Gy Trong quy chuẩn an toàn phóng xạ liều phép giới hạn cho nhân viên làm việc năm (50 tuần với tuần làm ngày, ngày làm tiếng) 20 mSv/năm.[3] Như liều giới hạn cho phép tính trung bình là: 133 133 20  8,3.10 3 mSv / h 50.6.8 (3) Trong liều giới hạn cho phép nhân viên điều trị là: 8,3.103.4  3,32.102 mSv  33,2Gy (4) Giả sử nhân viên (có chiều cao 180 cm chiều rộng khoảng 30 cm) đứng cách xa tâm nguồn xạ R = 50 cm, diện tích thể bị phơi chiếu tính gần theo dạng hình chữ nhật: Sp  180.30  5400 cm2.Nếu ta coi nguồn phát đẳng hướng, vùng liều khoảng cách R khối cầu có diện tích 4R , hệ số hình học phơi chiếu khoảng cách R tính gần sau: k ISBN: 978-604-82-1375-6 Sp 4R  5400  0,17 4.502 (5) 173 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Như người đứng cách tâm nguồn xạ 50 cm nhận liều là: 4,17.106.0,17  0,7089.106 Gy  0,7089Gy  33,2Gy (6) Kết cho thấy suất liều nhận mức an toàn cho phép Vậy điều trị cần tính toán lựa chọn khoảng cách tiếp xúc với người bệnh biện pháp che chắn an toàn xạ y tế cho phù hợp KẾT LUẬN Trong công trình với mục đích “Nghiên cứu phân bố liều hấp thụ từ nguồn xạ trị áp sát phantom MIRD-5 chương trình MCNP5” xây dựng mô hình mô phantom người nguồn đồng vị phóng xạ dùng để điều trị Ở nghiên cứu sử dụng hai loại nguồn đồng vị phóng xạ phát gamma thường sử dụng y học hạt nhân 133Xe 99mTc với hai dạng hình cầu hình trụ.Từ mô hình xây dựng được, tính toán phân bố liều hấp thụ xung quanh vị trí đặt nguồn xạ trị đánh giá mức độ ảnh hưởng lên quan xung quanh người nuôi bệnh, nhân viên bác sĩ tham gia điều trị STUDYON ABSORBED DOSE FROM THE BRACHYTHERAPY SOURCE FOR MIRD-5 PHANTOM BY USING MCNP5 CODE Truong Thi Hong Loan1,2, Ngo Van Thuong1,Tran Ai Khanh3, Nguyen Thi Cam Thu1, Nguyen Thi Truc Linh2, Luu Dang Hoang Oanh1, Luong Tien Phat1 Faculty of Physics and Engineering Physics, University of Science,VNU-HCM Nuclear Technique Laboratory, University of Science, VNU – HCM Tien Giang University ABSTRACT In this work, the distribution of absorbed dose in the phantom MIRD-5 from the gamma source placed in the left lung of phantom were estimated by using MCNP5 code Xe-133 and Tc-99m were studied as photon emitter used in radiotherapy In this model the spherical radiation sources with radius of 0.5cm and a cylindrical with bottom radius of 0.5cm were surveyed In this calculation, the phantom was exposed from one of these sources with its activity of 0.1Ci for a hour treatment The results show that dose distribution for cylindrical source is more focused than for spherical source Therefore healthy tissue will be less vulnerable With the same activity, Xe-133 caused a higher averaged dose than Tc-99m source Keywords: MCNP, MIRD-5, brachytherapy, dose distribution, radiation safety TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Châu Văn Tạo (2004), An toàn xạ ion hóa, Nhà xuất Đại học Quốc Gia TP.HCM [2] Meisberger LL, Keller RJ, Shalek RJ (1968), The effective attenuation in water of the gamma rays of gold 198, iridium 192, cesium 137, radium 226, and cobalt 60, Radiology 1968 May;90 (5):953-957 [3] Thomadsen BR1, Williamson JF, Rivard MJ, Meigooni AS, Anniversary paper: past and current issues, and trends in brachytherapy physics, Med Phys 2008 Oct;35 (10):4708-23 [4] Walter S Snyder (1978), nm/mird Pamphlet No Revised, Health Physics Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessce 37830 [5] X-5 Monte Carlo Team (2003), MCNP- A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5, Los Alamos National Laboratory [6] http://laraweb.free.fr ISBN: 978-604-82-1375-6 174