Mô phỏng ảnh hưởng che chắn của sọ não khi xạ trị bằng dao gamma leksell

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ XUÂN THU MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL CHUÊN NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT MÃ NGÀNH: 60 44 17 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2010 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 07/2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS Lý Anh Tú Cán chấm nhận xét : TS Huỳnh Quang Linh Cán chấm nhận xét : TS Trần Thị Ngọc Dung Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày 11 tháng năm 2010 HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG 07/2010 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ XUÂN THU Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 24/4/1982 Nơi sinh: Đồng nai Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật MSHV: 01206274 1- TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • • Tìm hiểu tổng quan phương pháp xạ phẫu Gamma Knife Tìm hiểu sơ cấu tạo não bệnh lý não đáp ứng tốt với xạ phẫu Gamma Knife • Khảo sát sở vật lý tương tác chùm tia photon truyền qua vật chất • Khảo sát hiệu ứng sinh học xạ • Mô ảnh hưởng che chắn sọ não xạ trị dao gamma leksell chương trình PENELOPE 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-02-2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02-7-2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lý Anh Tú Nội dung ñề cương Luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 07/2010 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập Trường Đại Học Bách Khoa, Ngành Vật Lý Kĩ Thuật, tơi giảng dạy tận tình thầy Chính nơi cung cấp cho kiến thức giúp trưởng thành học tập nghiên cứu khoa học Cho tơi gửi lời biết ơn đến với thầy ñã giảng dạy suốt thời gian học trường Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Huỳnh Quang Linh tạo tiền đề cho tơi thực luận văn Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc ñến Thầy Lý Anh Tú, ñã ñộng viên, cung cấp kiến thức tận tâm hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Xin ñược phép gửi lời cảm ơn đến thầy hội đồng đọc, nhận xét giúp tơi hồn chỉnh luận văn Cuối xin cảm ơn bè bạn gia đình quan tâm, chia sẻ khó khăn, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp, hồn thành qng đời học viên gian khổ cao ñẹp trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 Nguyễn Thị Xuân Thu HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 07/2010 TÓM TẮT LUẬN VĂN Năm 1951, Giáo sư Lars Leksell, người Thụy Điển, lần ñầu tiên giới thiệu khái niệm “tia hoạt ñộng theo stereotactic” dùng chùm photon lượng cao để phá hủy mơ điểm đích, bảo đảm an tồn cho mơ lành chung quanh Có thể nói Giáo sư Lars Leksell người phát minh nguyên lý hoạt ñộng Dao Gamma Năm 1967, dựa vào phát minh Giáo sư Lars Leksell, Cơng ty Elekta Thụy Điển sản xuất Dao Gamma Năm 1968, sản phẩm thiết bị kỹ thuật thành cơng đưa vào sử dụng lần giới Dao gamma Leksell thiết bị phẫu thuật xạ cách sử dụng 201 chùm photon hẹp hội tụ ñể ñiều trị khối u não Những chùm photon hẹp ñưa thách thức to lớn việc tính tốn, đo lường xác ñịnh phân bố liều lượng hấp thụ chiếu tia xạ tập trung vào tế bào bệnh mà khơng ảnh hưởng đến tế bào lành xung quanh, vậy, mục tiêu luận văn sử dụng chương trình PENELOPE để “ MƠ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL” thông qua việc nghiên cứu liều, phân bố mật độ điện tích , mật độ hạt photon, electron, pozitron sinh ra… lớp da, lớp xương lớp não hộp sọ Ngoài dùng chương trình PENELOPE cịn mơ tương tác photon với hộp sọ với mức lượng photon thay đổi từ 100eV đến 0.99GeV để từ so sánh, nhận xét ñược mức lượng ñể biết ñược mức lượng gây nguy hiểm cho não khơng gây nguy hiểm cho não đồng thời mở hướng nghiên cứu việc áp dụng chương trình PENELOPE nghiên cứu, kĩ thuật tính liều, mật độ điện tích, mật độ hạt photon,electron, pozitron,… ñối với thiết bị y tế nói riêng lãnh vực khác vật lý, kỹ thuật y sinh nói chung HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 07/2010 ABSTRACT In 1951, Professor Lars Leksell, Swedish, first introduced the concept of “Stereotactic ray” using the high-energy photon beams to destroy the tissues at the destination, and keeping the surrounding healthy tissues safe It can be said that Professor Lars Leksell was the first inventor of the operation principle of the Gamma Knife In 1967, based on the invention of Professor Lars Leksell, Elekta Company of Sweden produced the Gamma Knife In 1968, successful products and technical equipment were firstly put into use all over the world Leksell Gamma Knife is a surgery radiation device using narrow converging photon beam 201 to treat brain tumors The narrow photon beams bring about the huge challenges in calculating, measuring determining the distribution of absorbed dose of radiation emission when focusing on the disease cells without affecting healthy cells around Therefore, the objective of this thesis is to use the PENELOPE program for " Simulating the Shield Impact of cerebral's headling when treating with gamma LEKSELL Knife " through the dose study, the distribution of electron density, the density of photons , electrons, Positronic which are born in the skin layers, bone layers, brain layers of the skull Moreover, using PENELOPE program can illustrate the interaction between photons and the skull with the photon energy changing from 100eV to 0.99GeV so that we can compare, review each energy level Therefore we can know which energy level is dangerous or which one is safe for the brain as well as we can open a new research direction in the application of the PENELOPE program in fields such as research, dose calculation techniques, electron density, photon density, electrons , Positronic, etc for medical devices in particular and other fields of physics, biomedical engineering in general HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 07/2010 MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 16 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 16 CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 17 PHẦN 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XẠ PHẪU DAO GAMMA LEKSELL 18 Tìm hiểu dao gamma Leksell [3] 18 Tính chất vật lý nguyên lý hoạt ñộng LGK[3] 18 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO SỌ NÃO 19 Da ñầu[1] 19 Xương sọ [1] .20 Màng não tủy [1] .21 Não [1] 27 Các loại u não[3] 21 5.1 U não lành tính khơng chứa tế bào ung thư .21 5.2 U ác tính não chứa tế bào ung thư 21 5.3 Các giai ñoạn khối u 22 5.3.1 U não nguyên phát 22 5.3.2 U não thứ phát 24 5.4 Nguyên nhân u não – người có nguy cao bị u não 24 5.5 Triệu chứng u não 26 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM PHOTON KHI TRUYỀN QUA VẬT CHẤT HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 07/2010 Các ñơn vị ño lường ñịnh liều lượng xạ[4] 26 1.1 Hoạt ñộ phóng xạ (Radioactivity) 26 1.2 Liều hấp thụ (Absorbed dose) 27 1.3 Kerma (Kinetic Energy Released in Material) 28 1.4 Liều tương ñương (Equivalent dose) 28 1.5 Liều hiệu dụng (Effective dose) 29 1.6 Liều chiếu (Exposure dose) 30 1.7 Liên hệ liều chiếu liều tương ñương .30 Sự truyền xạ qua vật chất [5] 31 2.1 Sự truyền hạt nặng tích điện qua vật chất 31 2.1.1 Độ lượng riêng 31 2.1.2 Qng chạy hạt tích điện vật chất .34 2.2 Sự truyền electron qua vật chất .35 2.2.1 Độ lượng riêng hạt electron 35 2.2.2 Độ ion hóa riêng 36 2.2.3 Bức xạ hãm 36 2.2.4 Quãng chạy hạt electron vật chất 39 2.3 Sự truyền xạ gamma qua vật chất 40 2.3.1 Sự suy giảm xạ gamma ñi qua vật chất 40 2.3.2 Các chế tương tác tia gamma với vật chất .42 2.3.2.1 Hiệu ứng quang ñiện .42 2.3.2.2 Hiệu ứng Compton 44 2.3.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-pozitron .46 2.3.2.4 Tổng hợp hiệu ứng tia gamma tương tác với vật chất 47 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ 48 Các hiệu ứng xạ mức phân tử[4] .48 1.1.Tia xạ kích thích ion hóa nguyên tử phân tử vật chất .48 1.2.Tác dụng trực tiếp xạ 49 HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 07/2010 1.3.Tác dụng gián tiếp xạ 50 2.Các hiệu ứng xạ mức tế bào[4] 52 2.1.Cấu trúc tế bào 52 2.2.Sự phân chia tế bào 53 2.3.Sự tổn thương tế bào việc sửa chữa 55 2.4.Chết tế bào (cell death) 55 3.Phân loại ñộ nhạy cảm xạ tế bào[4] 56 PHẦN 3: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL .58 CHƯƠNG 1: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG PENELOPE 58 1.Penelope [6] 58 2.Cơ sở liệu file liệu vật chất nhập vào [6] 59 3.Cấu trúc chương trình (MAIN program) [6] .60 4.Tổng quan chương trình PENCYL [6] 71 4.1 Giới thiệu chương trình PENCYL 71 4.2 Chạy chương trình PENCYL 72 4.3 Sự chọn lựa tham số mô 77 4.4 code SHOWER mơ hình monte Carlo cải thiện giá trị 78 4.5 cài ñặt 78 CHƯƠNG 2: CÁCH THỨC MÔ PHỎNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH PENCYL- KẾT QUẢ ĐẦU RA CỦA CHƯƠNG TRÌNH 80 1.Cách thức mơ chương trình pencyl 80 Kết ñầu chương trình 81 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG GAMMA LEKSELL BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 07/2010 1.Mô truyền qua chùm tia gamma qua lớp hộp sọ mức lượng ñầu vào 1.25MeV 89 1.1 Khi ñộ dày lớp da lớp xương sọ thay ñổi 89 1.1.1 Sự phụ thuộc phân bố liều theo ñộ dày hộp sọ .89 1.1.2 Đối với hạt positron sinh chùm photon lượng đầu vào 1.25 MeV qua lớp có lớp xương lớp não thay ñổi ñộ dày 93 1.1.2.1 Mật ñộ xác suất theo lượng hạt pozitron dịch chuyển 93 1.1.2.2 Sự phân bố lượng pozitron tán xạ ngược .96 1.2 Độ dày lớp da khơng thay đổi mà thay đổi ñộ dày lớp xương não 97 2.Khảo sát mức lượng từ 100eV ñến 1GeV qua ñộ dày lớp hộp sọ .102 2.1 Liều theo ñộ dày lớp 103 2.2 Mật độ điện tích theo ñô dày 108 3.Mô chi tiết mức lượng từ 1.1E3 (eV)ñến 9E8 (eV) 118 3.1 Xét mức lượng từ 1.1E3 (eV) ñến 9E5 (eV) 118 3.1.1 Sự phụ thuộc phân bố liều theo ñộ dày lớp 118 3.1.2 Sự phân bố mật độ điện tích theo ñộ dày mức lượng thay ñổi từ 1.1E3 (eV) ñến 9E5 (eV) .123 Xét mức lượng từ 1.0E6 (eV) ñến 9.0E8 (eV) 129 3.2.1 Sự phân bố liều theo ñộ dày lớp 129 3.2.2 Sự phân bố mật ñộ ñiện tích theo ñộ dày lượng thay ñổi từ 1E6 (eV) ñến 9E8 (eV) 134 PHẦN 4: KẾT LUẬN 140 Kết ñạt ñược .140 Hướng phát triển .140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 HVTH : Nguyễn Thị Xuân Thu GVHD : TS.Lý Anh Tú ... TÀI: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • • Tìm hiểu tổng quan phương pháp xạ phẫu Gamma Knife Tìm hiểu sơ cấu tạo não bệnh lý não ñáp... NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu nhiệm vụ ñề tài MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG GAMMA LEKSELL BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE cho ño lường liều lượng hấp thụ ñối với dao gamma Leksell. .. 3.Phân loại ñộ nhạy cảm xạ tế bào[4] 56 PHẦN 3: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CHE CHẮN CỦA SỌ NÃO KHI XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL .58 CHƯƠNG 1: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG PENELOPE 58 1.Penelope