QA(Quality Assurance) và tính toán liều máy Gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Header Page of 237 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ TUYẾT QA (QUALITY ASSUARANCE) VÀ TÍNH TỐN LIỀU MÁY GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ Cán hướng dẫn: PGS.TS Phạm Đình Khang Hà Nội – 2016 Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn lời tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Đình Khang, thầy tạo điều kiện thời gian để truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học, hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Trong q trình thực luận văn, tơi cải thiện nâng cao kỹ nghiên cứu, kỹ viết báo cáo khoa học đồng thời tiếp thu kinh nghiệm quý báu mà thầy truyền đạt rút học cho thân nghiên cứu khoa học Trong trình học tập Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tơi giảng dạy tận tình chu đáo thầy Chính nơi cung cấp cho kiến thức giúp trưởng thành học tập nghiên cứu khoa học Xin chân thành cảm ơn tất Thầy Cô Bộ môn giảng dạy kiến thức chuyên ngành cao học, tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành khóa học suốt thời gian học trường Ngồi ra, tơi xin cảm ơn tập thể bác sĩ kỹ sư vật lý công tác Trung tâm Y học hạt nhân Ung bướu , Bệnh viện Bạch Mai, Hà Nội tạo điều kiện thời gian cho tơi học tập, đóng góp kiến thức chuyên ngành ung thư học có ích cho luận văn Xin cám ơn kỹ sư Trần Văn Thống công tác Trung tâm Y học hạt nhân Ung bướu Bệnh viện Bạch Mai giúp đỡ hỗ trợ thiết bị đo liều hướng dẫn đo liều lượng xạ phẫu GK buồng ion hóa để tơi hồn thành luận văn Tơi gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Ngọc Anh công tác Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt hướng dẫn chi tiết cho phương pháp Monte Carlo để tơi ứng dụng tính tốn liều máy Gamma knife quay Xin phép gửi lời cản ơn đến thầy cô hội đồng đọc nhận xét giúp tơi hồn chỉnh luận văn Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ủng hộ, động viên tạo điều kiện tốt cơng việc, sống để tơi có sức khỏe thời gian giai đoạn thực luận văn Phạm Thị Tuyết Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mơ Monte Carlo MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG…….……………………………………………………… ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 1.1 Giới thiệu 10 1.2 Tương tác xạ với thể sống 13 1.3 Cấu trúc hệ thống xạ phẫu Gamma knife 15 1.4 Kế hoạch điều trị tiến trình điều trị 23 1.5 Giới thiệu hương trình Osirix 24 1.6 Ưu điểm RGS so với thiết bị xạ phẫu khác 25 CHƯƠNG II: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG (QA) TRONG QUY TRÌNH XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 26 2.1 Giới thiệu 26 2.2 Các thiết bị phép đo liều tuyệt đối 28 2.3 Phương pháp chuyển đổi liều hiệu chỉnh thông số 30 2.4 Tiến trình QA 33 2.4.1 Hiệu chỉnh suất liều hệ thống với hệ thống chuẩn trực khác 33 2.4.2 Hiệu chỉnh liều tâm vùng điều trị 34 2.4.3 Hiệu chỉnh ART 37 2.4.4 Hiệu chỉnh điểm đồng tâm đường đồng liều 38 2.4.5 Kiểm tra độ xác thời gian điều trị 41 2.4.6 Kiểm tra rò rỉ xạ 41 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CHO THIẾT BỊ XẠ PHẪU GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 42 3.1 Phương pháp Monte-Carlo 42 3.2 Chương trình MCNP5 43 Phạm Thị Tuyết Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo 3.3 Mô MCNP cho nguồn đơn kênh thiết bị xạ phẫu RGS 49 3.4 Các kết tính tốn với nguồn đơn kênh 51 3.5 Mô MCNP cho 30 nguồn thiết bị xạ phẫu RGS 53 3.6 Kết tính tốn 30 nguồn 55 3.6.1 Phân bố liều theo trục tọa độ 55 3.6.2 Phân bố liều theo mặt phẳng 56 3.6.3 So sánh với profile 58 3.6.4 So sánh FWHM với kết xuất Osirix 60 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 66 Phạm Thị Tuyết Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mơ Monte Carlo Kí hiệu DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Tên tiếng anh Tên tiếng việt ACTL The Activation Library Thư viện hoạt độ chất phóng xạ ART Auto Rotating Treatment Hệ thống điều trị tự động CT Computed Tomography Ghi hình cắt lớp vi tính CTV Clinical Target Volume Thể tích bia lâm sàng ENDF The Evaluated Nuclear Data Dữ liệu đánh giá hạt nhân File ENDL The Evaluated Nuclear Data Thư viện liệu hạt nhân Library FWHM Full Width Half Maximum Độ rộng nửa đỉnh GK Gamma Knife Dao gamma GTV Gross Tumor Volume Thể tích khối u MRI Magnetic Resonance Imaging Chụp cộng hưởng từ MCNP Monte Carlo N – Particle Phương pháp MC cho N hạt OPF OutPut Factors OutPut Factors PET Positron Emission Computed Tomography Ghi hình cắt lớp positron PTV Planning Target Volume Thể tích bia lập kế hoạch PENELOPE Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons Thư viện liệu đâm xuyên mát măng lượng positron electron QA Quality Assurance Đảm bảo chất lượng i Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo RGS Rotating Gamma Knife System Hệ thống dao gamma quay SPECT Single Photon Emission Computed Tomography Ghi hình cắt lớp vi tính đơn photon SSD Source to Surface Distance Khoảng cách từ nguồn đến bề mặt da SAD Source to Axis Distance Khoảng cách từ nguồn đến tâm điều trị TLD Thermoluminescent Dosimetry Phép đo liều nhiệt kế quang phát quang ii Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Chỉ tiêu kĩ thuật hệ thống RGS 15 Bảng 2.1: Thơng số buồng ion hóa A1SL 29 Bảng 2.2: Hệ số a0, a1, a2, dùng để tính tốn hệ số ks [28] 32 Bảng 2.3: Hiệu chỉnh suất liều hệ thống 33 Bảng 2.4: So sánh OF giá trị hiệu chỉnh giá trị chuẩn 34 Bảng 2.5: Hiệu chỉnh liều tâm vùng điều trị 36 Bảng 2.6: Kiểm tra kết ART 37 Bảng 2.7: Độ rộng đường đồng liều vùng tối phim 40 Bảng 2.8: Kết kiểm tra độ xác thời gian điều trị 41 Bảng 3.1: So sánh FWHM trục Ox chương trình Osirix với kết tính tốn 61 Bảng 3.2: So sánh FWHM trục Oz chương trình Osirix với kết tính tốn 61 iii Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Nguyên lý xạ phẫu gamma knife 11 Hình 1.2: Hệ thống GammaART - 𝟔𝟎𝟎𝟎𝑻𝑴 (RGS) 15 Hình 1.3: Hệ thống dao gamma quay 17 Hình 1.4 : Viên nang nguồn Co-60 17 Hình1.7: Hệ thống ống chuẩn trực 19 Hình1.8: Cửa che chắn 20 Hình 1.10: Giá đỡ khung đầu khung định vị lập thể (đai khung đầu) 21 Hình 1.11: Bảng điều khiển dao gamma quay RGS 22 Hình 1.14: Lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân bệnh viện Bạch Mai 24 Hình 2.1: Quy trình xạ phẫu gamma knife 26 Hình 2.2: a Buồng ion hóa A1SL; b Electrometer 29 Hình 2.3: Phantom cầu 30 Hình 2.4: Phim Gafchromic®RTQA dùng đo liều hấp thụ 30 Hình 2.5 Cố định phantom khung 35 Hình 2.6: Mơ CT cho phantom 35 Hình 2.7: Kế hoạch điều trị cho phantom 36 Hình 2.8: Giá đựng phim cố định GK 38 Hình 2.10: Hình ảnh phim hệ chuẩn trực khác 39 Hình 3.1: So sánh phương pháp Monte Carlo với phương pháp giải tích thời gian tính tốn độ phức tạp cấu hình 42 Hình 3.2: Quá trình vận chuyển hạt qua voxel 47 Hình 3.3: Giao diện chương trình MCNP5 48 Hình 3.5: Mơ hình mơ nguồn đơn kênh phantom 50 Hình 3.6: Phổ mô lượng photon phát nguồn 60Co 50 Hình 3.7: Liều phân bố dọc theo trục Ox 51 Hình 3.8: Phân bố liều tương đối mặt phẳng Oxy 52 iv Footer Page of 237 Header Page of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo Hình 3.9: Phân bố liều tương đối mặt phẳng Oxz 52 Hình 3.10: Biểu diễn xếp vòng collimator ống chuẩn trực thứ cấp RGS 53 Hình 3.11: Biểu diễn góc phương vị vòng so với mặt phẳng xOy 54 Hình 3.12: Biểu diễn phân bố góc 30 nguồn RGS so với mặt phẳng 54 Hình 3.14: Phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz với collimator 4mm 55 Hình 3.16: Phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz với collimator 14m 56 Hình 3.17: Phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz với collimator 18mm 56 Hình 3.18: Liều phân bố mặt phẳng Oxy với collimator 18mm 57 Hình 3.20: So sánh liều trục x với collimator 4mm 58 Hình 3.21 : So sánh liều trục z với collimator 4mm 59 Hình 3.23 : So sánh liều trục z với collimator 18mm 60 v Footer Page of 237 Header Page 10và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo MỞ ĐẦU Theo thống kê Tổ chức y tế giới, tỷ lệ tử vong giới bệnh ung thư cao Hàng năm có khoảng gần 10 triệu trường hợp mắc ung thư triệu người chết bệnh Ở Việt Nam, năm ước tính có khoảng 150.000 ca ung thư có 50.000 ca tử vong [1] Những thập kỷ gần đây, với phát triển mạnh mẽ công nghệ sinh học thiết bị chẩn đoán điều trị đại, việc nghiên cứu chữa trị ung thư có tiến vượt bậc Vì mà tìm số hướng dự phòng chẩn đốn xác điều trị có hiệu Một số phương pháp điều trị bệnh điều trị phẫu thuật, điều trị tia xạ điều trị hóa chất Điều trị tia xạ phương pháp dùng chùm tia điện tử photon có lượng thích hợp thơng qua chế gây ion hóa nhằm gây tác động mặt sinh học để tiêu diệt tế bào ung thư hạn chế phát triển Đây xem phương pháp điều trị bệnh hữu hiệu phương pháp có số hạn chế định bệnh nhân phải chấp nhận rủi ro xạ ion hóa vào thể Điều quan trọng nhiệm vụ kỹ sư vật lý bác sỹ để cho ảnh hưởng ion hóa xạ lên bệnh nhân cách thấp để đảm bảo an toàn cho người bệnh Hiện Việt Nam thiết bị chẩn đoán điều trị tia xạ đưa vào sử dụng phổ biến bệnh viện thiết bị chẩn đốn đồng vị phóng xạ PET, SPECT, CT, Gamma Camera thiết bị điều trị xạ ion hóa đại máy gia tốc tuyến tính Gần nhất, Bệnh viện Bạch Mai đưa vào máy xạ phẫu Rotating Gamma Knife System (RGS), thiết bị tiên tiến để chữa trị u não Thiết bị sử dụng nguồn chiếu xạ đa kênh để tiêu diệt khối u Thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma Knife System (RGS) lần lắp đặt đưa vào sử dụng từ năm 1968, có 500.000 bệnh nhân lựa chọn điều trị Gamma Knife toàn giới Footer Page 10 of 237 Header Page 11và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo Hiện giới, chưa có thủ tục tiêu chuẩn chung sử dụng để đo liều lượng xạ phẫu Gamma knife Các nhà Vật lý y khoa trung tâm Gamma knife giới xây dựng phát triển chương trình riêng cách chi tiết, cập nhật nhằm đảm bảo việc phân bố xác liều lượng phóng xạ cho thương tổn não bệnh nhân Hiện nay, số tác giả xuất tài liệu lĩnh vực như: “Chương trình đảm bảo chất lượng cho kỹ thuật xạ phẫu” (1995) nhóm đảm bảo chất lượng xạ trị Gunther H Hartmann biên tập [9]; “Chương trình đảm bảo chất lượng cho thiết bị Gamma knife” (1995) Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, Mỹ [3]; TG – 42 (Task Group) “Kỹ thuật xạ phẫu Stereotactic” xuất vào 1995 Hiệp hội Vật Lý Y học Mỹ (AAPM Report No 54) [20] Ngồi ra, báo có nội dung liên quan đến việc đảm bảo chất lượng liều lượng kỹ thuật xạ phẫu Gamma knife, dựa tài liệu quan nguyên tử quốc tế IAEA TRS - 227, TRS - 398 (sử dụng phổ biến Châu Âu Châu Á) [10,11] Hiệp hội Vật lý Y học Mỹ AAPM TG - 21, TG – 51 (sử dụng phổ biến Mỹ) [23] Bên cạnh đó, nhiều nhà khoa học vận dụng nhiều phương pháp tính liều khác để khảo sát phân bố liều chiếu thiết bị GK rút kết phù hợp với chương trình tính liều Gamma Plan Các chương trình sử dụng EGS4 dùng cho việc tính tốn liều phân bố nguồn đơn kênh (Joel Y.C Cheung -1998) [12], tác giả dùng phantom hình cầu với chất liệu nước có đường kính 160mm khảo sát phân bố liều trục tọa độ x, y, z Đồng thời tác giả dùng code EGS4 để tính tốn khác phân bố liều phantom có chất liệu plastic, nhựa dẻo (Perspex), nước [13] Chương trình PENELOPE dùng để khảo sát phân bố liều GK với phantom không đồng chất liệu nước bao quanh bên ngồi lớp vỏ hình cầu, lớp vỏ làm vật chất tương tự với xương sọ [7] (Al-Dweiri, 2005), tác giả rút kết khác phân bố liều việc mô phantom đồng không đồng Đồng thời ơng tính góc phát từ nguồn GK, kết tính tốn cho thấy tia gamma phát với góc cực nhỏ 3o đóng góp đáng kể vào phân bố liều phantom, cơng trình tác giả đưa mơ hình nguồn đơn giản đáp ứng liều chiếu phù hợp giảm thời gian tính tốn Footer Page 11 of 237 Header Page 12và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo Luận văn nhằm mục đích tìm hiểu sâu thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma System (RGS) cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, tiến trình QA kỹ thuật tính liều cho xạ trị Qua việc tìm hiểu cấu tạo cách xếp phân bố nguồn chiếu thiết bị xạ phẫu, chương trình mơ xây dựng để tính tốn phân bố liều kết so sánh với chương trình mơ tác giả khác nhằm kiểm nghiệm tính đắn q trình nhằm nâng cao hiệu điều trị cho bệnh nhân Chương trình dùng để mô luận văn MCNP5, chương trình mơ sử dụng phương pháp Monte Carlo, xem xác đại việc tính tốn liều Đề tài “QA tính tốn liều máy Gamma knife quay phương pháp Monte Carlo” mở hướng nghiên cứu việc ứng dụng phương pháp Monte Carlovới chương trình MCNP5 kỹ thuật tính liều thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma System (RGS) Theo ý nghĩa đó, nội dung luận văn trình bày tập trung vào vấn đề thiết yếu kỹ thuật xạ phẫu Gamma Knife, cấu trúc gồm ba chương sau:  Chương – Tổng quan kĩ thuật xạ phẫu Gamma knife Trong chương này, đặc điểm xạ phẫu Gamma knife, với cấu tạo máy Gamma knife quay trình bày Những thơng tin sở để hiểu vai trò quan trọng việc đảm bảo chất lượng quy trình xạ phẫu Gamma knife (được trình bày chương 2) với mơ thiết bị chương trình Monte Carlo (được trình bày chương 3) để tính tốn liều lượng cho thu kết tốt  Chương – Đảm bảo chất lượng (QA) quy trình xạ phẫu Gamma knife Trong chương này, việc đảm bảo chất lượng cho hệ thống Gamma knife quay Bệnh viện Bạch Mai gồm trình đảm bảo mặt hình học đảm bảo liều lượng Sau q trình hiệu chỉnh thơng số trước đưa bệnh nhân vào điều trị hiệu chỉnh suất liều hệ thống, hiệu chỉnh liều tâm vùng điều trị, hiệu chỉnh đường đồng tâm đường đồng liều, xét độ xác thời gian điều trị Footer Page 12 of 237 Header Page 13và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo  Chương – Tính tốn mơ phân bố liều thiết bị xạ phẫu gamma knife quay phương pháp Monte – Carlo Trong chương số nét chương trình MCNP5 phương pháp Monte Carlo tính tốn liều lượng máy Gamma knife quay Bên cạnh đưa cấu hình mơ nguồn đơn kênh, nguồn 30 kênh cho q trình mơ MCNP đưa kết để so sánh với thực tế để xem xét tính đắn số liệu mô Footer Page 13 of 237 Header Page 14và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 1.1 Giới thiệu Xạ phẫu sọ não trình phẫu thuật mà chùm xạ hẹp nhắm đến thể tích mơ não Liều xạ có độ tập trung cao sức cơng phá mạnh dùng cho lần điều trị xạ phẫu hồn tồn tránh gây khối udo xạ gây cho cấu trúc não lành bao quanh thể tích đích Kỹ thuật định vị lập thể số kỹ thuật tiên tiến nhằm ngắm xác mục tiêu cấu trúc nội sọ (như u não) cách sử dụng khung chuẩn bên cố định vào đầu Các cơng nghệ chẩn đốn hình ảnh đại CT, MRI tiến công nghệ máy tính đại làm cho kỹ thuật định vị lập thể trở thành cơng cụ chẩn đốn điều trị khối u não Từ năm 1968, người ta sử dụng hệ thống xạ phẫu Gamma quay để điều trị khối u não, dị tật mạch máu não có thành cơng đáng kinh ngạc Xạ phẫu định vị lập thể số kỹ thuật xạ phẫu để điều trị khối u bên não khu vực thị giác cách sử dụng liều xạ cao để tiêu diệt khối u dùng thiết bị định vị xạ phẫu lập thể để định vị xác vùng đích Trong xạ phẫu lập thể, xạ phân bố theo không gian chiều Xạ phẫu lập thể bao gồm thiết bị định vị khung xạ trị đầu chùm tia có lượng cao chiếu vào vùng đích lần điều trị Với hệ thống lập kế hoạch xạ trị đại, người ta xác định xác hình dạng vị trí khối u khối u nằm khu vực khung định vị phương tiện chẩn đốn hình ảnh CT MRI Hệ thống lập kế hoạch thường kiêm nhiệm vụ tính tốn liều xạ Sau hồn thành q trình định vị khối u tính tốn liều, việc điều trị bắt đầu Kỹ thuật xạ phẫu lập thể đạt liều có cường độ cao, tập trung hồn tồn vào vùng đích, khối u bảo vệ tốt mơ lành bao quanh khu vực đích Xạ phẫu đặc biệt ích lợi khu vực đích nhỏ mà thực tế mổ mở Trong xạ phẫu người ta sử dụng nguồn Cobalt-60 Tia gamma đến vùng đích - khối u từ nhiều nguồn xạ Cobalt-60 khác giao điểm hội tụ, tạo liều 10 Footer Page 14 of 237 Header Page 15và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo chiếu gamma cao vùng đích Tính đơn giản độ xác vị trí cao làm cho hệ thống xạ phẫu gamma cơng cụ lí tưởng ứng dụng xạ phẫu Hệ thống Dao gamma quay điều trị bệnh não Kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh não có bước tiến phi thường với việc xuất thiết bị chẩn đốn hình ảnh CT MRI máy tính chun dùng có cấu hình mạnh cho phép xạ phẫu tiến hành điều trị khối u, dị dạng mạch máu bệnh lý khác mà điều trị phương pháp mổ mở Kết xạ phẫu tốt hầu hết trường hợp Chùm tia gamma chùm xạ điện từ với bước sóng ngắn, có lượng cao khả đâm xuyên lớn Khi xạ xuyên vào mô tế bào thể sống, tương tác chủ yếu thơng qua q trình ion hóa Kết q trình ion hóa tế bào tạo cặp ion có khả phá hoại cấu trúc phân tử tế bào, làm tế bào bị biến đổi bị tiêu diệt Các chùm tia gamma dùng chiếu xạ để phá hủy tế bào ung thư nằm sâu bên não mà không áp dụng phẫu thuật mở Hình 1.1: Nguyên lý xạ phẫu gamma knife Hình 1.1 mơ tả bố trí nguồn phóng xạ Cobalt-60 với hệ thống ống chuẩn trực để hướng chùm tia vào vùng não cần chiếu xạ Chùm tia gamma từ nguồn đồng vị phóng xạ Cobalt-60 có lượng cao ( 1,17 MeV 1,33 MeV) với thông lượng ổn định chu kì bán rã dài Trên giới nay, có hai loại thiết bị xạ phẫu Gamma knife dùng xạ phẫu u não là: 11 Footer Page 15 of 237 Header Page 16và of 237 QA tính - tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo Leksell Gamma Knife (LGK): Thiết bị chứa 201 nguồn phóng xạ Cobalt-60 có hoạt độ phóng xạ lớn (6000 Ci ± 10%) Chúng phát 201chùm tia gamma tập trung vào thương tổn nhỏ não - Rotating Gamma Knife System (RGS): Hệ thống RGS chứa ba mươi nguồn Cobalt-60 với tổng độ hoạt tính ban đầu khoảng 6000Ci Các nguồn đặt cấu mang nguồn có dạng hình bán cầu thiết kế ống chuẩn trực Trong q trình điều trị, ống chuẩn trực liên kết với ống chuẩn trực thứ cấp có kích thước tùy theo người sử dụng lựa chọn Nguồn ống chuẩn trực quay đồng thời trình điều trị để hình thành ba mươi vòng cung xạ gamma, hội tụ, không chồng lên Do tất ba mươi chùm tia hướng đích nên đích nhận liều xạ cao tỷ lệ thuận với tổng thời gian chiếu xạ Trong đó, mơ lành xung quanh đích nhận liều chiếu xạ Bằng cách quay ống chuẩn trực ống chuẩn trực thứ cấp nhau, 30 cung tròn khơng chồng lên lấp đầy cung 360 Với cải tiến này, liều tới mô lành bao quanh mơ đích giảm đáng kể liều đến mô lành phải phân cho khối lượng thể tích lớn (các chùm tia hội tụ từ góc lớn hơn) So với việc xạ phẫu dựa hệ thống máy gia tốc tuyến tính, thiết kế gamma quay RGS sử dụng số lượng cung lớn để giảm thiểu liều đến quan mô lành bao quanh vị trí đồng tâm mà khơng làm tăng thời gian điều trị khơng xác vị trí Các ống chuẩn trực thứ cấp lắp sẵn loại bỏ cần thiết phải đội mũ bảo hiểm mà người ta gắn ống chuẩn trực thứ cấp việc áp đặt thay đổi vị trí tiêu điểm dễ dàng nhiều Việc quay cho phép giảm số lượng nguồn Cobalt-60 từ 201 xuống đến 30 nguồn, tăng độ cứng kết cấu máy, thuận tiện chongười sử dụng giảm chi phí thay nguồn Thiết kế hệ thống dao gamma quay trì tính đơn giản xác vị trí thiết kế Leksell ban đầu, cải thiện việc phân bố liều, thân thiện với người sử dụng giảm chi phí 12 Footer Page 16 of 237 Header Page 17và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo Dựa vào khung định vị lập thể, hình ảnh cắt lớp CT và/hoặc MRI, hình dạng đích vị trí bệnh nhân (theo tọa độ X, Y, Z ) xác nhận Trước điều trị, bệnh nhân (có vị trí lập thể xác định mang khung cố định) định vị giường điều trị bị cố định vào giá đỡ khung đầu Sau thông số điều trị chấp nhận, hệ thống điều khiển điều trị theo kế hoạch lập Với ưu điểm hệ thống gamma knife nói trên, hệ thống Gamma Knife quay GammaART- 6000𝑇𝑀 (RGS) lắp đặt Trung tâm y học hạt nhân ung bướu, Bệnh viện Bạch Mai 1.2 Tương tác xạ với thể sống Khi xạ tác dụng lên thể, chủ yếu gây tác dụng ion hóa, tạo cặp ion hóa có khả phá hoại cấu trúc phân tử tế bào làm cho tế bào bị biến đổi hay hủy diệt Trên thể người chủ yếu (>85%) nước Khi bị chiếu xạ H2O thể phân chia thành H+ OH - Bản thân cặp H+, OH- tạo thành xạ thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, phân chia tế bào chậm dừng lại Tác dụng trực tiếp tia xạ lên phá hủy diệt tế bào vào khoảng 20% Còn lại chủ yếu tác dụng gián tiếp Năng lượng cường độ xạ qua thể người nói riêng hay qua thể sinh vật nói chung giảm hấp thụ lượng tế bào Sự hấp thụ lượng tế bào thường dẫn tới tượng ion hóa nguyên tử vật chất sống hậu tế bào bị phá hủy Nói chung lượng xạ lớn, số cặp ion hóa chúng tạo nhiều Thơng thường hạt mang điện có lượng Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốc hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa khác Tia anpha thường có vận tốc nhỏ tia bêta lại có khả ion hóa nhanh Mật độ ion hố tia gamma Rơngen gây tương đối nhỏ, độ thâm nhập lại lớn Do chúng khơng phải tác dụng lên tế bào lớp tia alpha bêta mà tác dụng lên tế bào sâu thể Đối với nơtron, ngồi tượng ion hóa gián tiếp hạt nhân va vào chúng thu động lớn gây ra, xạ nơtron có khả tạo chất phóng xạ thể sinh 13 Footer Page 17 of 237 Header Page 18và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo vật Nguyên nhân trình vào thể, nơtron chuyển động chậm lại sau bị hạt nhân vật chất thể hấp thụ Những hạt nhân trở thành hạt nhân phóng xạ phát tia bêta tia gamma Chính tia lại có khả gây tượng ion hóa thời gian định Do nước thành phần chủ yếu tế bào thể người, nên phần lớn lượng đầu tích lũy phân tử nước phần nhỏ tích lũy phần tử sinh học khác Các phân tử nước bị ion hố kích thích gây loạt phản ứng khác, có phản ứng như: H2O + h -> H2O+ + eElectron bị phân tử nước khác hấp thụ để tạo ion âm nước H2O + e- > H2O Các ion H2O+ H2O- không bền phân huỷ sau đó: H2O+ -> H+ + OH H2O- -> OH- + H Kết tạo hai gốc tự Hvà OHvà hai ion bền H+ OH-; chúng kết hợp với thành phân tử nước Các phản ứng khác xảy ra: H+ OH -> H2O H+ H > H2 OH+ OH > H2O2 H+ O2 -> HO2 HO2là gốc tự peroxy tạo với có mặt oxy Các gốc tự có electron lẻ khơng có cấu hình đòi hỏi phân tử bền Chúng thực thể gây phản ứng mạnh, có thời gian sống khoảng microgiây tác động trực tiếp tới phân tử sinh học protein, lipid, DNA gây hỏng hóc cấu trúc hố học phần tử Những hỏng hóc dẫn tới: (a) ngăn cản phân chia tế bào, (b) sai sót nhiễm sắc thể, (c) đột biến gen, (d) làm chết tế bào Trong trình hấp thụ lượng xảy khoảnh khắc (10-10s), suất hiệu ứng sinh học diễn vài giây chí hàng nhiều năm 14 Footer Page 18 of 237 Header Page 19và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mơ Monte Carlo 1.3 Cấu trúc hệ thống xạ phẫu Gamma knife [8] Hình 1.2: Hệ thống GammaART - 6000𝑇𝑀 (RGS) Bảng 1.1: Chỉ tiêu kĩ thuật hệ thống RGS Đặc tính kích cỡ Chiều dài: 4404 mm Chiều rộng: 1758 mm Chiều cao: 1705 mm Tổng trọng lượng: Gần 21.000 Kg Tải trọng giường cực đại: 200 Kg Đặc tính phóng xạ: Tổng hoạt độ tồn nguồn lúc nạp: 6000 Ci10% Suất liều điểm hội tụ:  Gy/phút Số lượng nguồn Co60: 30 Suất liều cực đại bề mặt vỏ máy l: 20 Gy/h Kích thước ống chuẩn trực thứ cấp: mm, mm, 14 mm, 18 mm Độ xác điểm hội tụ: 0,5 mm Độ đồng tâm: 0,3 mm Độ sai lệch vị trí: 0,1 mm Tốc độ quay điều trị: - vòng/phút Mơi trường: 15 Footer Page 19 of 237 Header Page 20và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mơ Monte Carlo Phòng đặt khối điều trị Không đọng nước Nhiệt độ/Độ ẩm 22 đến 27C 45-50% Phòng điều khiển Khơng đọng nước Nhiệt độ/Độ ẩm 18 đến 24C 45-50% Khi vận chuyển Không lớn 75% Nhiệt độ/Độ ẩm đến 40 C Hệ thống xạ phẫu dao gamma quay gồm: hệ thống định vị stereotatic, khối điều trị tia gamma hệ thống lập kế hoạch điều trị Hệ thống lập kế hoạch điều trị nối với thiết bị chẩn đốn hình ảnh cho phép chuyển tham số điều trị đến khối điều trị dao gamma quay 1.3.1 Hệ thống định vị stereotatic Việc mơ tả đích định vị xác dựa vào hệ thống định vị lập thể Nó bao gồm khung định vị khác cho phương thức chẩn đốn hình ảnh khác khung đầu đỡ giá đỡ khung đầu gắn chặt giường điều trị Khung đầu gắn cố định đầu bệnh nhân suốt trình chụp CT/MRI trình xạ phẫu Khung định vị CT MRI có dấu hiệu đánh dấu tọa độ, mà nhìn thấy rõ ràng hình ảnh CT MRI Bằng cách sử dụng vị trí đánh dấu cố định hình ảnh cách mơ tả đích cấu trúc lành hình ảnh, người ta đặt khn hình giải phẫu đầu nằm hệ thống tọa độ Khi khung đầu gắn giá đỡ khung đầu, toàn hệ thống cố định quay dịch chuyển để đưa đích đến tiêu điểm chùm tia gamma 1.3.2 Khối điều trị RGS 16 Footer Page 20 of 237  ... Header Page 1 3và of 237 QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo  Chương – Tính tốn mơ phân bố liều thiết bị xạ phẫu gamma knife quay phương pháp Monte – Carlo Trong chương... “QA tính tốn liều máy Gamma knife quay phương pháp Monte Carlo mở hướng nghiên cứu việc ứng dụng phương pháp Monte Carlovới chương trình MCNP5 kỹ thuật tính liều thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma. .. QA tính tốn liều máy gamma knife quay phương pháp mô Monte Carlo RGS Rotating Gamma Knife System Hệ thống dao gamma quay SPECT Single Photon Emission Computed Tomography Ghi hình cắt lớp vi tính