Mô phỏng tính liều lượng trong xạ trị bằng dao gamma leksell bằng chương trình penelope

Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN THỊ NGỌC THẮM MƠ PHỎNG TÍNH LIỀU LƯỢNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC THẮM Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 05/09/1982 Nơi sinh: Thái Bình Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật MSHV: 01207136 I- TÊN ĐỀ TÀI: MƠ PHỎNG TÍNH LIỀU LƯỢNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE II- 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  Mơ tính liều lượng xạ trị dao Gamma Leksell chương trình PENELOPE 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-02-2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15-1-2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lý Anh Tú Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập Trường Đại Học Bách Khoa, Ngành Vật Lý Kỹ Thuật, tơi giảng dạy tận tình thầy Chính nơi cung cấp cho tơi kiến thức giúp trưởng thành học tập nghiên cứu khoa học Cho gửi lời biết ơn đến với thầy cô giảng dạy suốt thời gian học trường Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Huỳnh Quang Linh tạo tiền đề cho thực luận văn Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lý Anh Tú, động viên, cung cấp kiến thức tận tâm hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Xin phép gửi lời cảm ơn đến thầy cô 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, hoàn thành quãng đời học viên gian khổ cao đẹp trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2011 Nguyễn Thị Ngọc Thắm HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, với phát triển nhanh chóng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, y học có tiến vượt bậc Một tiến phải kể đến cách mạng điều trị phẫu thuật xâm lấn nội soi, xạ trị xạ phẫu Các tiến giúp cải thiện nâng cao chất lượng sống bệnh nhân Trong điều trị bệnh lý não, xạ phẫu hệ thống Leksell Gamma Knife phương pháp tiên tiến Năm 1951, Giáo sư Lars Leksell, người Thụy Điển, lần giới thiệu khái niệm “tia hoạt động 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 động Dao Gamma Năm 1967, dựa vào phát minh Giáo sư Lars Leksell, Công ty Elekta Thụy Điển sản xuất Dao Gamma Năm 1968, sản phẩm thiết bị kỹ thuật đưa vào sử dụng thành công lần giới Dao gamma Leksell thiết bị phẫu thuật xạ cách sử dụng 201 chùm photon hẹp hội tụ để điều trị khối u não Những chùm photon hẹp đưa thách thức to lớn việc tính tốn đo lường xác định phân bố liều lượng hấp thụ chiếu tia xạ tập trung vào tế bào bệnh mà không ảnh hưởng đến tế bào lành xung quanh, vậy, mục tiêu luận văn sử dụng chương trình PENELOPE để “MƠ PHỎNG TÍNH LIỀU LƯỢNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE”, mở hướng nghiên cứu việc áp dụng chương trình PENELOPE nghiên cứu, kĩ thuật tính liều thiết bị y tế nói riêng lãnh vực khác vật lý, kỹ thuật y sinh nói chung HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 ABSTRACT Nowadays, together with the rapid development of sciences and technology, there are many progresses in medical field Among these progresses, the revolution is in internal surgery, radiotherapy and radiosurgery These progresses help us to improve our health and make our life better In the field of brain treatment, Gamma Knife radiosurgery is the best method In 1951, Professor Lars Leksell, Swedish, first introduced the concept of “ray Stereotactic operation” by high-energy photon beam used to destroy the tissues of the destination, ensuring the safety of healthy tissue in general around It can be said Professor Lars Leksell was the first inventor of the principle of operation of the Gamma Knife In 1967, based on the invention of Professor Lars Leksell, Elekta Company of Sweden has produced the Gamma Knife In 1968, products and technical equipment was successfully put into use first in the world Leksell Gamma Knife is a device using radiation surgery using narrow photon beam 201 converges to treat brain tumors The narrow beam of photons is given the huge challenges in the calculations, measurements determine the distribution of absorbed dose of radiation emitting focus on the disease cells without affecting healthy cells around therefore, the objective of this thesis to use the program PENELOPE "Simulation of radiation dose in treatment with Gamma Leksell Knife by computer code PENELOPE” opening a new research direction in the application of the research program PENELOPE, the dose calculation techniques for particular medical devices and other fields of physics, biomedical engineering in general HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG .12 CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 15 PHẦN 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL 16 1.1 Định nghĩa Gamma Knife [3] .18 1.2 Lịch sử Gamma Knife [3] 21 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NGUỒN CO-60 .22 2.1 Cấu trúc hạt nhân, nguyên tử 22 2.2 Các vấn đề phóng xạ .24 2.2.1 Đồng vị loại phóng xạ 24 2.2.2 Định luật phân rã phóng xạ, số phân rã phóng xạ 26 2.2.3 Nguồn phóng xạ, hoạt độ nguồn phóng xạ 27 2.3 Đơi nét Coban nguồn Coban 60 sử dụng thiết bị Gamma Knife 28 CHƯƠNG 3: SỰ TRUYỀN BỨC XẠ QUA VẬT CHẤT .31 3.1 Sự suy giảm xạ Gamma qua vật chất 31 3.2 Các loại tương tác photon với vật chất 33 3.2.1 Hiệu ứng quang điện 34 3.2.2 Tán xạ Compton .39 3.2.3 Hiệu ứng tạo cặp .42 3.2.4 Tổng hợp hiệu ứng gamma tương tác với vật chất 44 3.3 Tổng quan xạ trị .46 3.3.1 Quá trình điều trị tia xạ 46 HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 3.3.2 Nguyên tắc điều trị tia xạ 47 3.3.3 Cơ sở khái niệm liên quan liều xạ trị 48 CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM PHOTON KHI TRUYỀN QUA VẬT CHẤT 55 4.1 Sơ lược cấu tạo não .55 4.1.1 Sự phát triển não 55 4.1.2 Mô tả cấu tạo não .55 4.1.3 Các chức não 58 4.2 Các bệnh lý não 59 4.2.1 Phân loại .59 4.2.2 Nguyên nhân u não .60 4.2.3 Hình ảnh lâm sàng cận lâm sàng u não 60 4.2.4 Điều trị 64 4.3 Bệnh lý dị dạng mạch máu não 65 CHƯƠNG 5: CẤU TẠO VÀ QUY TRÌNH VẬN HÀNH THIẾT BỊ LEKSELL GAMMA KNIFE 66 5.1 Cấu tạo Leksell Gamma Knife 66 5.2 Quy trình tính liều xạ cho bệnh nhân 68 5.2.1 Các bước quy trình tính liều xạ .68 5.2.2 Cách tính liều cho tổn thương phần mềm Leksell Gamma Plan (LGP) 69 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CỦA DAO GAMMA LEKSELL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 72 6.1 Giới thiệu phương pháp Monte Carlo phần mềm mô PENELOPE .72 6.1.1 Phương pháp Monte Carlo 72 6.1.2 Mô dịch chuyển xạ 74 HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 6.1.2.1 Mơ hình tán xạ phân bố xác suất 74 6.1.2.2 Tạo vết ngẫu nhiên 77 6.1.2.3 Sự dịch chuyển hạt – trình Markov 80 6.1.3 MCNP 81 6.1.4 Chương trình PENELOPE 82 6.1.4.1 Tổng quan PENELOPE .82 6.1.4.2 Chương trình PENDOSES 84 6.1.4.3 Cài đặt 84 6.2 Mô hình dao gamma 88 6.2.1 Một kênh nguồn đơn dao gamma 88 6.2.2 Mẫu dao gamma đầy đủ 96 6.2.2.1 Mẫu bề mặt đĩa nguồn: 96 6.2.2.2 Cách lấy mẫu điểm nguồn .97 6.3 Mô dành cho nguồn điểm .98 6.3.1 Mơ tả cách tính .98 6.3.2 Đặt điểm tính 100 6.4 Các kết so sánh 101 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ CÔNG VIỆC TRONG TƯƠNG LAI .108 7.1 Kết luận 108 7.2 Hướng phát triển 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO .110 HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 DANH SÁCH HÌNH VẼ  Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động Gamma Knife  Hình 1.2: Dao gamma BV Chợ Rẫy (TP HCM)  Hình 2.1: Đồ thị chu kỳ bán rã  Hình 3.1 Phổ xạ lượng điện từ (nguồn NASA)  Hình 3.2: Hiệu ứng quang điện  Hình 3.3: Quá trình tán xạ Compton  Hình 3.4: Hiệu ứng tạo cặp  Hình 3.5: Sự phụ thuộc tiết diện tương tác toàn phần vào lượng photon gamma Eγ  Hình 3.6: Đường cong liều - độ sâu tính theo phần trăm phép chiếu nước  Hình 3.7: Đường cong liều- độ sâu tính theo phần trăm phép chiếu xạ electron  Hình 3.8 Phân bố liều nước dày 20 cm ( chiếu xạ từ hai phía)  Hình 4.1: Não cấu trúc kề cận: Não thất chứa đầy dịch não tủy, tủy sống, màng não, sọ  Hình 4.2: Các phần quan trọng não bộ: Não, tuyến tùng, tuyến yên, thân não, tiểu não, tuỷ sống  Hình 4.3: Hình ảnh u não  Hình 5.1: Leksell Gamma Knife – mẫu C  Hình 5.2: Mặt cắt ngang LGK  Hình 5.3: Chương trình tính liều Gamma Plan  Hình 6.1: Góc lệch tượng tán xạ đơn  Hình 6.2: Cây thư mục hệ code PENELOPE HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 97 định, phân bố Gauss cho biết hướng bay hạt photon sinh đối xứng với bề mặt nguồn Kết luận, xác định nguồn lấy mẫu LGK lựa chọn 201 chùm photo đơn sắc vng góc với bề mặt tới mũ chụp 6.2.2.2 Cách lấy mẫu điểm nguồn: Sơ đồ điểm nguồn điều trị nguồn Co-60 nguồn điểm đẳng hướng kích thước chùm xác định cách đơn giản hình nón định dạng ống chuẩn trục gốc mũ chụp (hình 6.10) Xem xét hướng nhỏ nguồn, điều lý đo đơn giản Hình 6.10: Mẫu điểm nguồn Trong mẫu này, vị trí điểm nguồn phải xác định Điều thực cách tính tốn đỉnh hình nón (xem hình 6.5) Sự tính tốn đơn giản cung cấp khoảng cách điểm nguồn đến đường trung tâm 41.83cm mũ chụp 18mm Đối với khả tính tốn, điểm nguồn bị bẻ cong có hạt theo hướng đường trung tâm sản sinh Góc nghiêng điều khiển hình nón, tính toán cách dễ dàng HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 98 6.3 Mô dành cho nguồn điểm: 6.3.1 Mơ tả cách tính: Ta cho lượng photon 1.25x106 eV Cách lấy nguồn điểm photon đặt điểm xuất phát mặt cuối collimator Ta xem photon truyền thẳng Dùng chương trình PENELOPE ta tính xác suất có mặt lượng hạt sau truyền qua môi trường không khí khoảng mũ chụp da đầu Với mũ chụp có kích thước collimator khác ta khảo sát, tính tốn, nhận xét Kích thước collimator khảo sát 4mm, 8mm, 14mm 18mm Trong tốn đối xứng trụ, cấu trúc hình học phải mô tả tọa độ z R Để xác định suất liều điểm cần phải bao điểm lại vùng dạng vành khun thẳng, bề dày z có bán kính nằm hai giá trị R1 R2 Từ xác định thể tích vùng cân quan tâm Giá trị tính suất liều vùng xem giá trị suất liều tâm hình học HINH DUOI Nếu xét mặt cắt ngang đơn giản xem điểm bao có kích thước axa R z R2 r P z  R1 Hình 6.11: Mơ tả cách tính liều phatom HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm GVHD : TS.Lý Anh Tú LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM 1/2011 99 R a P r a z  Hình 6.12: Cách lấy mẫu kích thước phantom Việc lựa chọn kích thước vùng ghi liều có ảnh hưởng đến kết thu suất liều, cần phải sử dụng cách thích hợp Việc lựa chọn có kích thước lớn làm cho kết thu không đáng tin cậy, ngược lại, việc lựa chọn ô kích thước nhỏ dẫn đến tăng thời gian tính tốn Cần phải sử dụng kích thước hợp lý phù hợp với thời gian tính tốn kết có độ tin cậy định Kích thước ô tốt nên chọn tăng dần tăng khoảng cách đến tâm nguồn Ví dụ, chọn kích thước 0,1x0,1mm2 0