MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5. LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG TRƯƠNG KA MY MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN TP HỒ CHÍ MINH, 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG TRƯƠNG KA MY MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN TP HỒ CHÍ MINH, 2009 Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG 11 1.1 Giới thiệu Leksell Gamma Knife 11 1.2 Lịch sử LGK 11 1.3 Các thành phần thiết bị LGK 14 1.4 Nguyên tắc LGK 15 1.5 Tiến trình điều trị LGK 17 1.6 Giới thiệu chương trình Gamma Plan 18 1.7 Ưu điểm LGK so với thiết bị xạ phẫu khác 19 CHƯƠNG 21 2.1 Giới thiệu chung 21 2.2 Quá trình nguyên tắc điều trị tia xạ 22 2.3 Các phương pháp điều trị tia xạ 23 2.4 Cơ sở khái niệm liên quan liều xạ trị 24 CHƯƠNG 32 3.1 Phương pháp Monte Carlo 32 3.2 Chương trình MCNP 34 Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ 3.3 Mô MCNP cho nguồn đơn kênh thiết bị xạ phẫu LGK 42 3.4 Các kết tính tốn với nguồn đơn kênh 45 CHƯƠNG 49 4.1 Mô MCNP5 cho 201 nguồn LGK 49 4.2 Mô cách tính liều đầu Zubal 52 4.3 Các kết tính tốn với 201 nguồn 53 KẾT LUẬN 67 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu Φ : thông lượng hạt (1/cm2) T L : chiều dài đường hạt (cm) V : thể tích voxel (cm3) W : trọng số quãng đường A: diện tích voxel (cm2) δ : bề rộng voxel (cm) Các chữ viết tắt LGK: Leksell Gamma Knife CT: Computed Tomography MRI: Magnetic Resonance Imaging SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography PET: Positron Emission Computed Tomography IGRT: Image Guided Radiation Therapy IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy SSD: Source to Surface Distance SAD: Source Axis Distance GTV: Gross Tumor Volume CTV: Clinical Target Volume PTV: Planning Target Volume Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ MCNP: Monte Carlo N – Particle EGS: Electron Gamma Shower PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons FWHM: Full Width Half Maximum Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 So sánh thời gian chạy tally F4 tally Fmesh Bảng 4.1 So sánh FWHM trục Ox chương trình Gamma Plan kết tính tốn Bảng 4.2 So sánh FWHM trục Oz chương trình Gamma Plan kết tính tốn Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C Hình 1.2 Hình cắt ngang Leksell Gamma Knife model C Hình 1.3 Kích cỡ khác mũ LGK Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia LGK Hình 1.5 So sánh cường độ chùm tia gamma mà khối u hấp thụ Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân Hình 1.7 Chương trình tính liều Gamma Plan Hình 1.8: So sánh kích thước liều điều trị số phương pháp xạ trị Hình 2.1 biểu diễn cách tính liều phần trăm Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn thể tích bia kỹ thuật xạ trị Hình 2.3 biểu diễn đường đồng liều CTV, PTV, GTV ung thư trực tràng chụp CT việc lập kế hoạch điều trị Hình 3.1 So sánh phương pháp Monte Carlo với phương pháp giải tích thời gian tính tốn độ phức tạp cấu hình Hình 3.2 biểu diễn trình vận chuyển hạt qua voxel Hình 3.3 So sánh liều tương đối tính tally F4 tally Fmesh dọc theo trục Ox phantom nước Hình 3.4 Giao diện chương trình MCNP5 Hình 3.5 Mơ hình nguồn đơn kênh dùng mơ MCNP Hình 3.6 Mơ hình mô nguồn đơn kênh phantom LGK Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ Hình 3.7 Phổ lượng photon phát nguồn Co60 Hình 3.8 Liều phân bố dọc theo trục Ox Hình 3.9 Phân bố liều tương đối mặt phẳng Oxy Hình 3.10 Phân bố liều tương đối mặt phẳng Oxz Hình 4.1a Biểu diễn xếp vịng collimator helmet LGK Hình 4.1b Biểu diễn góc phương vị vòng so với mặt phẳng xOy Hình 4.2 biểu diễn phân bố góc 201 nguồn LGK so với mặt phẳng Hình 4.3 Biểu diễn nguồn có dạng hình mặt cách bố trí phantom mơ 201 nguồn Hình 4.4 Mơ hình đầu Zubal Hình 4.5 So sánh phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz collimator 4mm Hình 4.6 So sánh phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz collimator đường kính 8mm Hình 4.7 So sánh phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz collimator đường kính 14mm Hình 4.8 So sánh phân bố liều tương đối hai trục Ox Oz collimator đường kính 18mm Hình 4.9 Liều phân bố mặt phẳng Oxy collimator đường kính 18mm Hình 4.10 Liều phân bố mặt phẳng Oxz collimator đường kính 18mm Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ Hình 4.11 Biểu diễn phân bố liều tương đối phantom đầu Zubal phantom nước 201 nguồn Hình 4.12 So sánh liều phân bố trục z collimator đường kính 4mm với 201 nguồn Hình 4.13 So sánh liều phân bố trục x collimator đường kính 4mm với 201 nguồn Hình 4.14 So sánh liều phân bố trục x collimator có đường kính 18mm với 201 nguồn Hình 4.15 So sánh liều phân bố trục z collimator có đường kính 18mm với 201 nguồn Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ 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 đư ợc số hướng dự phịng chẩn đốn xác điều trị có hiệu Những cách điều trị bệnh bao gồm: 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 chùm tia 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 đoán đồng vị phóng xạ PET, SPECT, CT, Gamma Camera thiết bị điều trị xạ ion hóa đại máy gia tốc tuyến tính đặc biệt gần năm 2006 Bệnh Viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh đưa vào máy xạ phẫu Leksell Gamma Knife, 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 Leksell Gamma Knife giới thiệu vào Đặng Trương Ka My Luận văn thạc sĩ năm 1951 giáo sư Lar Leksell người Thụy Điển có 17189 b ệnh nhân điều trị Gamma Knife toàn giới Ở Việt Nam từ tháng 11/2006 đến tháng 7/2007 Bệnh viện Chợ Rẫy ều trị cho 100 bệnh nhân Tất bệnh nhân sau điều trị có kết tốt Hiện giới, nhiều nhà khoa học v ận dụng nhiều phương pháp tính liều khác để khảo sát phân bố liều chiếu thiết bị LGK 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) [2], 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 [3] Chương trình PENELOPE dùng đ ể khảo sát phân bố liều LGK 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 [4] (Al-Dweiri, 2005), tác giả rút kết khác phân bố liều việc mô phantom đồng không đồng Đồng thời ơng tính xác suất góc phát từ nguồn LGK, kết tính tốn cho thấy tia gamma phát với góc cực nhỏ 30 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 Moskvin V [5] ãđ dùng PENELOPE để mơ thông lượng phát từ nguồn cùa LGK qua collimator nhằm để xác định phân bố liều phantom cầu polystyrene, kết tính tốn so sánh với kết tác giả khác mơ code EGS4 Ngồi code MCNP4C đư ợc sử dụng để tính tốn liều tương đối phát từ 201 nguồn thiết bị LGK (YiPeng Li, 2002) [6] Đặng Trương Ka My 10 Luận văn thạc sĩ Luận văn nhằm mục đích ìtm hi ểu sâu thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife cấu tạo, nguyên tắc hoạt động 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 Chương trình chúng tơi dùngđ ể mơ luận văn MCNP5, phương pháp Monte Carlo, xem xác đại việc tính tốn liều Đề tài “Mô thiết bị xạ phẫu Gamma Knife phương pháp MCNP” mở hướng nghiên cứu việc ứng dụng phương pháp MCNP5 kỹ thuật tính liều thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife Quá trình nghiên cứu việc tìm hiểu tổng quan cấu tạo nguyên tắc hoạt động thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife Giới thiệu kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị có phương pháp MCNP, tìm hi ểu đặc điểm, sở vật lý code, cấu trúc thành phần file input chương trình MCNP Sau vận dụng phương pháp để mơ q trình tính liều cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife Vì thời gian thực đề tài có hạn nên chúng tơi mơ q trình tính liều phân bố liều theo độ sâu cho phantom vật liệu nước plastic sau chúng tơi có mơ phantom đầu Zubal cho nguồn đơn kênh 201 nguồn thiết bị Leksell Gamma Knife Từ mục đích nội dung cơng việc luận văn có bố cục sau: Chương 1: Tổng quan cấu tạo, nguyên tắc hoạt động quy trình chữa trị thiết bị xạ phẫu Gamma Knife Chương mô tả cách chi tiết cấu trúc thiết bị xạ phẫu từ việc phân bố góc 201 nguồn Cobalt 60 đến tiến trình điều trị Đặng Trương Ka My 11 Luận văn thạc sĩ Chương 2: Các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị Giới thiệu kỹ thuật tính liều xạ trị ngồi Các kiến thức tảng sở để xây dựng trình mô tương tác xạ với môi trường vật chất, định nghĩa liều chiếu, kích thước trường chiếu, hướng chiếu liều hấp thụ Chương 3: Giới thiệu phương pháp Monte – Carlo Mô MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife nguồn đơn kênh Trong chương này, cấu hình nguồn đơn kênh mô xuất kết phân bố liều, làm sở cho q trình mơ cho 201 nguồn Chương 4: Mô MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife 201 nguồn kết tính tốn mơ hình đầu Zubal Đặng Trương Ka My 12 Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỂ THIẾT BỊ LEKSELL GAMMA KNIFE 1.1 Giới thiệu Leksell Gamma Knife Leksell Gamma Knife (LGK) thiết bị phẫu thuật xạ gamma tập trung, định vị ba chiều Nó cho phép xác định xác điều trị khối u nằm sâu não khối dị dạng động tĩnh mạch có đường kính nhỏ cm Trong điều trị bệnh lý não, tổn thương nằm sâu, mổ hở thơng thường, phẫu thuật viên làm tổn thương vùng não lành, gây biến chứng cho bệnh nhân sau rối loạn thần kinh, tâm thần, liệt nửa người liệt vùng thần kinh Thậm chí đụng chạm đến trung khu thần kinh quan trọng, bệnh nhân cịn tử vong bàn mổ Trong đó, xạ phẫu hệ thống LGK phương pháp tiên tiến, cách hội tụ 200 nguồn xạ nhỏ tạo thành lượng cực cao để tiêu hủy sang thương não mà không c ần phẫu thuật Khối sang thương bị tiêu hủy dần biến theo thời gian Do hội tụ từ nguồn lượng dạng xạ cực mảnh nên bệnh nhân cảm thấy bình thư ờng sau điều trị tham gia cơng việc ngày hôm sau, tránh tâm lý lo lắng mức bệnh tật áp lực phải nghĩ việc bệnh phải xếp thời gian để trị bệnh Hiện nay, LGK thiết bị xạ trị sử dụng rộng rãi giới 1.2 Lịch sử LGK [7] Thiết bị thiết kế Lar Leksell, nhà giải phẫu người Thụy Điển vào năm 1967 viện Karolinska, Thụy Điển Năm 1968 dựa vào phát minh Giáo sư Lars Leksell, Công ty ELEKTA Thụy Ðiển sản xuất thành công Gamma Knife Đặng Trương Ka My 13 Luận văn thạc sĩ đưa vào sử dụng chữa trị cho bệnh nhân nhà máy hạt nhân Studsvik Trong năm đó, Gamma Knife triển khai điều trị Bệnh viện Karolinska, Thụy Ðiển Bắt đầu từ năm 1970 kỹ thuật xạ phẫu ý giới phát triển thiết bị chụp ảnh CT (Computed Tomography) Đầu năm 1980, Gamma Knife lắp đặt Argentina Anh Vào năm 1987 thiết bị xạ phẫu lần lắp đặt Bắc Mỹ Năm 1990, chương trình tính l iều Gamma Plan đưa vào sử dụng phục vụ cho mục đích lập kế hoạch xạ trị Tới năm 1993, Gamma Knife sử dụng rộng rãi tất châu lục Do tính ưu điểm vượt trội Gamma Knife so với phẫu thuật kinh điển điều trị khối u, dị dạng mạch máu bệnh chức não, nên Gamma Knife ngày sử dụng nhiều Năm 1996, Chương trình Gamma Planđư ợc hợp với chương trình x lý ảnh MRI CT Năm 2000, Gamma Knife model C giới thiệu có bổ sung hệ thống định vị APS Ðến năm 2001 giới có 147 Trung tâm Gamma Knife đến năm 2004 số Trung tâm Gamma Knife tăng lên 232 (bao gồm: Trung Quốc 92, Nhật 36, nước châu Á lại 17, Châu Âu 29, Bắc Mỹ 65, Nam Mỹ 02 Châu Phi 01) Cho đến tháng năm 2008 có 259 thiết bị triển khai toàn giới Tại Việt Nam, thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đưa vào sử dụng lần bệnh viện Chợ Rẫy vào tháng 11 năm 2006 Hình 1.1 biểu diễn thành phần thiết bị xạ phẫu LGK nhìn từ ngồi vào Hình 1.2 mơ hình cắt ngang thiết bị, qua ta thấy cách chi tiết thành phần cấu tạo bên thiết bị Đặng Trương Ka My 14 Luận văn thạc sĩ Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C Hình 1.2 Hình cắt ngang Leksell Gamma Knife model C Đặng Trương Ka My 15 Luận văn thạc sĩ 1.3 Các thành phần thiết bị LGK Thiết bị xạ phẫu LGK gồm có phần chính: Nguồn thiết bị xạ phẫu LGK (Radiation Unit) gồm 201 nguồn Co – 60, nguồn có hoạt độ gần 30 Ci Các nguồn xếp thành dãy hình trịn nằm phận che chắn làm vật liệu có số khối lớn ( thường chì) Nguồn nhằm phóng tia phóng xạ gamma đến điểm bia não bệnh nhân Mũ (Collimator helmet): Gamma Knife cung cấp bốn loại mũ với kích cỡ collimator 4mm, 8mm, 14mm, 18mm Các mũ đư ợc gắn cố định với giường bệnh nhân đinh vít Các mũ colimator tia phóng xạ từ nguồn phát chiếu vào khối u cách xác Và nhờ có loại mũ mà liều chiếu tập trung cách xác khối u nên mức độ ảnh hưởng tia phóng xạ tới vùng xung quanh không đáng kể Tùy theo thể tích khối u mà kỹ sư vật lý dùng collimator có đường kính khác Helmet với Collimators Mũ đặt hệ kích cỡ khác 4mm, 8mm, 14mm, thống gamma 18mm knife Hình 1.3 Kích cỡ khác mũ LGK Đặng Trương Ka My 16 Luận văn thạc sĩ Giường chữa trị bệnh nhân (Patient Treatmen Couch): Là thiết bị mang bệnh nhân dịch chuyển vào suốt q trình chiếu xạ, tự điều chỉnh vị trí để khớp mũ với kênh chiếu vị trí chiếu 1.4 Nguyên tắc LGK 1.4.1 Vật lý nguyên lý LGK Nguyên tắc vật lý b ản LGK dựa phân rã phát tia gamma nguồn phóng xạ Cobalt 60 Nguồn Cobalt 60 phân rã beta tạo thành đồng vị Niken 60 với nửa thời gian sống 5.26 năm − β 60  → 28 Ni 60 + e − + ν 27 Co Một phần tiến trình phân rã tạo electron có lượng 315 keV hai tia gamma có lượng 1.17 MeV 1.33 MeV phát Electron bị hấp thụ trở lại nguồn Cobalt 60 vỏ chứa nguồn lư ợng thấp nên bỏ qua tượng Bremstrahlung 1.4.2 Nguyên tắc hoạt động LGK Nguyên tắc hoạt động LGK dựa việc hội tụ chùm tia gamma lượng cao phát từ 201 nguồn Cobalt 60 tập trung lên thể tích điều tri có liều phóng xạ cao Hình 1.4 biểu diễn hội tụ lượng từ 201 nguồn Việc chiếu phân bố 201 nguồn xạ nhằm làm cho phân bố liều xung quanh thể tích vùng điều trị không đủ lớn để gây tác động đáng kể mặt sinh học, tối thiểu hóa việc tiêu diệt tế bào lành lân cận Việc tính tốn cách rõ ràng biểu thị hình 1.5 cho thấy phân bố liều xạ chùm tia so với 201 chùm tia Dựa hình 1.5 ta thấy chiếu vào thể tích khối u chùm tia cư ờng độ chùm 17%, chiếu 201 chùm tia ưc ờng độ chùm Đặng Trương Ka My 17 Luận văn thạc sĩ giảm 0.5% Đi ều cho thấy giảm đáng kể ảnh hưởng lên mô lành xung quanh tăng số lượng chùm tia Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia LGK Hình 1.5 So sánh cường độ chùm tia gamma mà khối u hấp thụ Đặng Trương Ka My 18