Tính toán liều đối với nguồn xạ trị áp sát bằng phương pháp monte carlo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI TÍNH TỐN LIỀU ĐỐI VỚI NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI TÍNH TỐN LIỀU ĐỐI VỚI NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS LÝ ANH TÚ Tp Hồ Chí Minh - 2013 Cơng trình 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 1: TS HUỲNH QUANG LINH Cán chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN ĐÔNG SƠN Luận văn bảo vệ Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh ngày 03 tháng 08 năm 2013 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS TRẦN MINH THÁI TS TRẦN THỊ NGỌC DUNG TS HUỲNH QUANG LINH TS LÝ ANH TÚ TS NGUYỄN ĐÔNG SƠN Xác nhận Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI MSHV: 11124631 Ngày, tháng, năm sinh: 07/04/1986 Nơi sinh: Tp HCM Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số: 604417 I TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN LIỀU ĐỐI VỚI NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: • Tìm hiểu tổng quan xạ trị áp sát • Khảo sát sở vật lý tương tác chùm tia photon truyền qua vật chất • Khảo sát hiệu ứng sinh học xạ • Mơ phân bố liều nguồn xạ trị áp sát chương trình GEANT4 Từ xác định hàm liều xuyên tâm g(r), hàm dị hướng F(r, θ) II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÝ ANH TÚ Tp HCM, ngày 02 tháng 08 năm 2013 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Lý Anh Tú Các số liệu, hình vẽ, đồ thị bảng biểu liên quan đến kết thu luận văn hoàn toàn trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khoa học mà không tham gia 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 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG —————- Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc —oOo— Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TRƯỜNG THANH HẢI Ngày, tháng, năm sinh: 7/4/1986 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật MSHV: 11124631 Phái: Nam 1- TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN LIỀU ĐỐI VỚI NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Tìm hiểu tổng quan xạ trị áp sát • Khảo sát sở vật lý tương tác chùm tia photon truyền qua vật chất • Khảo sát hiệu ứng sinh học xạ • Mô phân bố liều nguồn xạ trị áp sát chương trình GEANT4 Từ xác định hàm liều xuyên tâm g(r), hàm dị hướng F(r,θ) 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21-01-2013 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21-6-2013 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 KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ˙ a (dref ))a (K Suất kerma khơng khí đo khơng khí khoảng cách 1m tính từ nguồn Sk Cường độ kerma khơng khí để đặc trưng cho độ mạnh nguồn Γx Hằng số suất liều chiếu nguồn không bị lọc ˙ D Suất liều hấp thụ ˙ K(d) Suất kerma khơng khí ˙X(dref ) Suất liều chiếu fmed Hệ số chuyển đổi (Γδ )x Hằng số suất liều đồng vị nguồn ¯ ϕan Hằng số dị hướng Λ Hằng số suất liều µ Hệ số suy giảm tuyến tính A (activity) Hoạt độ Aapp Hoạt độ biểu kiến D Liều hấp thụ F(r,θ) Hàm dị hướng g(r) Hàm liều xuyên tâm G(r,θ) Hệ số hình học T(r) Hệ số hấp thụ mô CÁC CHỮ VIẾT TẮT CT GEANT4 HDR HVL IAEA LDR ICRU LDR MNCP MRI SD TG-AAPM WHO RNGs LCRNG LQ CLDR BED TD RE RF FHDR RBE Computed Tomography GEometry And Tracking High dose rate Half Value Layer International Atomic Energy Agency Low dose rate International Commission on Radiation Units and Measurement Low dose rate Monte Carlo Neutron-Photon Magnetic resonance imaging Standard deviation Task Group - The American Association of Physicists in Medicine World Health Organization Random number generators Linear congruential generators Linear–quadratic Continuous low dose rate Biologically effective dose Total dose Relative effectiveness Recovery factor Factor high dose rate Relative biological effectiveness Bảng hình vẽ Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 2.1 3.1 3.2 4.1 5.1 5.2 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 6.21 6.22 6.23 6.24 6.25 6.26 6.27 6.28 6.29 Cấu tạo nguồn Ir-192 bao Plantinum bao thép không gỉ Tác dụng việc phân liều Tác dụng việc thay đổi suất liều Hình thức luận AAPM Quá trình tương tác photon So sánh phương pháp Monte Carlo phương pháp giải tích Sơ đồ lớp Geant4 Thiết kế nguồn xạ áp sát theo liệu nhà sản xuất Nucletron Thiết kế nguồn 192 Ir hiển thị ROOT Phổ photon 192 Ir Hàm g(r) mô Geant4 với MC EGSnrc MicroSelectron HDR Tỉ lệ hàm g(r) mô Geant4 với MC EGSnrc MicroSelectron HDR Hàm dị hướng F (r, θ) Tỉ lệ hàm F (5, θ) Năng lượng hấp thụ mô Năng lượng hấp thụ nước Năng lượng hấp thụ xương Phân bố lượng hấp thụ theo trục x mô Phân bố lượng hấp thụ theo trục x nước Phân bố lượng hấp thụ theo trục x xương Phân bố lượng hấp thụ theo trục y mô Phân bố lượng hấp thụ theo trục y nước Phân bố lượng hấp thụ theo trục y xương Phân bố lượng hấp thụ theo trục z mô Phân bố lượng hấp thụ theo trục z nước Phân bố lượng hấp thụ theo trục z xương Phân bố lượng hấp thụ theo trục x y mô Phân bố lượng hấp thụ theo trục x y nước Phân bố lượng hấp thụ theo trục x y xương Năng lượng ban đầu mô Năng lượng ban đầu nước Năng lượng ban đầu xương Phân bố lượng hấp thụ mô Phân bố lượng hấp thụ nước Phân bố lượng hấp thụ xương PHỤ LỤC 82 Bảng 6.7 Kết hàm dị hướng F (2, θ) θ 10 20 30 36 48 58 73 90 107 122 132 144 150 160 170 175 180 G (2,90) ˙ D˙ (2,θ) GL(2, θ) GL (2,θ) D(2, θ) ˙ F (2, θ) L D(2,90) 0.2520 0.2520 0.252 0.2517 0.2514 0.2511 0.2505 0.2501 0.2496 0.2493 0.2495 0.2502 0.2504 0.2512 0.2515 0.2518 0.2521 0.2522 0.2523 0.9892 0.9893 0.9896 0.9905 0.9919 0.9930 0.9952 0.9970 0.9991 1.0000 0.9992 0.9971 0.9952 0.9931 0.9920 0.9906 0.9897 0.9892 0.9891 112.46 118.40 132.21 150.73 162.37 167.74 171.22 176.87 178.75 179.72 178.74 176.88 171.21 167.75 162.38 150.74 132.22 118.41 112.47 0.6258 0.6588 0.7356 0.8387 0.9034 0.9334 0.9527 0.9842 0.9946 1.0000 0.9945 0.9843 0.9528 0.9335 0.9033 0.8388 0.7357 0.6589 0.6259 0.6190 0.6517 0.7280 0.8307 0.8962 0.9268 0.9481 0.9812 0.9937 1.0000 0.9938 0.9813 0.9482 0.9267 0.8963 0.8308 0.7281 0.6516 0.6191 PHỤ LỤC 83 Bảng 6.8 Kết hàm dị hướng F (3, θ) θ 10 20 30 36 48 58 73 90 107 122 132 144 150 160 170 175 180 G (3,90) ˙ D˙ (3,θ) GL(3, θ) GL (3,θ) D(3, θ) ˙ F (3, θ) L D(3,90) 0.1115 0.1115 0.1115 0.1114 0.1114 0.1113 0.1112 0.1111 0.1110 0.1110 0.1110 0.1111 0.1112 0.1113 0.1114 0.1114 0.1115 0.1115 0.1116 0.9952 0.9952 0.9954 0.9958 0.9964 0.9969 0.9979 0.9987 0.9996 1.0000 0.9997 0.9988 0.9978 0.9968 0.9965 0.9959 0.9955 0.9953 0.9954 51.826 54.846 59.041 67.411 72.543 74.792 76.991 78.302 80.223 80.171 80.224 78.301 76.992 74.793 72.544 67.412 59.040 54.847 51.827 0.6465 0.6841 0.7364 0.8408 0.9049 0.9329 0.9603 0.9767 1.0007 1.0000 1.0008 0.9768 0.9604 0.9328 0.9048 0.8409 0.7365 0.6842 0.6466 0.6434 0.6809 0.7330 0.8373 0.9016 0.9300 0.9583 0.9754 1.0002 1.0000 1.0003 0.9755 0.9582 0.9301 0.9015 0.8374 0.7332 0.6808 0.6435 PHỤ LỤC 84 Bảng 6.9 Kết hàm dị hướng F (5, θ) θ 10 20 30 36 48 58 73 90 107 122 132 144 150 160 170 175 180 G (5,90) ˙ D˙ (5,θ) GL(5, θ) GL (5,θ) D(5, θ) ˙ F (5, θ) L D(5,90) 0.0401 0.0401 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0400 0.0401 0.0401 0.9983 0.9983 0.9983 0.9985 0.9987 0.9989 0.9992 0.9995 0.9999 1.0000 0.9999 0.9995 0.9992 0.9989 0.9987 0.9985 0.9983 0.9983 0.9983 19.701 20.471 21.966 24.468 25.848 26.684 27.362 28.011 28.412 28.578 28.413 28.012 27.364 26.685 25.849 24.467 21.965 20.472 19.702 0.6894 0.7163 0.7686 0.8562 0.9045 0.9338 0.9575 0.9802 0.9942 1.0000 0.9943 0.9801 0.9576 0.9339 0.9046 0.8563 0.7687 0.7164 0.6895 0.6882 0.7151 0.7673 0.8549 0.9033 0.9327 0.9567 0.9797 0.9941 1.0000 0.9942 0.9798 0.9568 0.9328 0.9034 0.8548 0.7674 0.7152 0.6883 0.2 0.5 1.5 2.5 10 11 12 13 14 20.356 3.839 0.989 0.442 0.249 0.159 0.111 0.062 0.039 0.028 0.021 0.016 0.012 0.099 0.008 0.007 0.006 0.005 0.049 0.258 1.000 2.237 3.968 6.194 8.915 15.841 24.746 35.629 48.492 63.333 80.152 98.951 119.729 142.485 167.220 193.934 14524.2 20.461 2731.57 3.848 709.842 1.000 317.979 0.448 179.721 0.253 115.199 0.162 80.170 0.113 44.920 0.063 28.578 0.040 19.521 0.027 14.053 0.019 10.689 0.015 8.287 0.012 6.391 0.009 5.017 0.007 4.056 0.006 3.208 0.005 2.559 0.004 0.995 0.992 1.000 1.002 1.005 1.005 1.007 1.002 0.996 0.981 0.961 0.954 0.936 0.891 0.846 0.814 0.756 0.699 0.990 0.997 1.000 1.002 1.003 1.002 1.002 0.997 0.987 0.973 0.956 0.933 0.904 0.871 0.836 0.795 0.749 0.682 0.993 0.995 1.000 1.005 1.008 1.009 1.007 1.002 0.991 0.976 0.949 0.925 0.894 0.862 0.826 0.775 0.738 0.673 1.002 0.997 1.000 0.997 0.997 0.996 1.000 1.000 1.005 1.005 1.013 1.031 1.047 1.034 1.024 1.050 1.024 1.038 1.005 0.995 1.000 1.000 1.002 1.003 1.005 1.005 1.009 1.008 1.005 1.023 1.035 1.023 1.012 1.024 1.009 1.025 Bảng 6.10 Kết tính hàm liều xuyên tâm g(r) Geant4 MC EGSnrc [14], MicroSelectron HDR [13] ˙ GL (l,90) ˙ (r, 90) D(r,90) r GL (r, 90) G D g(r) Geant4 g(r) HDR g(r) EGSnrc Geant4/EGSrnc Geant4/HDR ˙ (r,90) L D(l,90) PHỤ LỤC 85 PHỤ LỤC 86 energy ´ 106 htemp Entries 8.049234e+07 Mean 0.01535 RMS 0.02825 16 14 12 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 energy Hình 6.9 Năng lượng hấp thụ mô energy ´ 10 htemp Entries Mean RMS 16 4.31853e+07 0.01876 0.02706 14 12 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 energy Hình 6.10 Năng lượng hấp thụ nước PHỤ LỤC 87 energy ´ 106 htemp Entries 8.049234e+07 Mean 0.01535 RMS 0.02825 16 14 12 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 energy Hình 6.11 Năng lượng hấp thụ xương x ´ 10 htemp Entries 8.049234e+07 Mean 0.02864 RMS 55.22 5000 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 x Hình 6.12 Phân bố lượng hấp thụ theo trục x mô PHỤ LỤC 88 x ´ 103 htemp Entries Mean RMS 3500 4.31853e+07 -0.02504 58.14 3000 2500 2000 1500 1000 500 -150 -100 -50 50 100 150 x Hình 6.13 Phân bố lượng hấp thụ theo trục x nước x ´ 10 htemp Entries 8.049234e+07 Mean 0.02864 RMS 55.22 5000 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 x Hình 6.14 Phân bố lượng hấp thụ theo trục x xương PHỤ LỤC 89 y ´ 103 htemp Entries 8.049234e+07 Mean -0.02647 RMS 55.23 5000 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 y Hình 6.15 Phân bố lượng hấp thụ theo trục y mô y ´ 10 htemp Entries Mean RMS 3500 4.31853e+07 -0.002863 58.16 3000 2500 2000 1500 1000 500 -150 -100 -50 50 100 150 y Hình 6.16 Phân bố lượng hấp thụ theo trục y nước PHỤ LỤC 90 y ´ 103 htemp Entries 8.049234e+07 Mean -0.02647 RMS 55.23 5000 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 y Hình 6.17 Phân bố lượng hấp thụ theo trục y xương z ´ 10 8000 htemp Entries 8.049234e+07 Mean -1.511 RMS 54.67 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 z Hình 6.18 Phân bố lượng hấp thụ theo trục z mô PHỤ LỤC 91 z ´ 103 htemp Entries Mean RMS 5000 4.31853e+07 -1.32 57.31 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 z Hình 6.19 Phân bố lượng hấp thụ theo trục z nước z ´ 10 8000 htemp Entries 8.049234e+07 Mean -1.511 RMS 54.67 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 -150 -100 -50 50 100 150 z Hình 6.20 Phân bố lượng hấp thụ theo trục z xương PHỤ LỤC 92 Energy, pos 10 100 Entries Mean x Mean y RMS x RMS y 80 60 6167950 0.007611 -1.794 29.04 23.83 40 20 -20 -40 -60 -80 -100 -150 -100 -50 50 100 150 Hình 6.21 Phân bố lượng hấp thụ theo trục x y mô Energy, pos 10 100 Entries Mean x Mean y RMS x RMS y 80 60 4856653 -0.0944 -1.784 32.46 25.18 40 20 -20 -40 -60 -80 -100 -150 -100 -50 50 100 150 Hình 6.22 Phân bố lượng hấp thụ theo trục x y nước PHỤ LỤC 93 Energy, pos 10 100 Entries Mean x Mean y RMS x RMS y 80 60 6167950 0.007611 -1.794 29.04 23.83 40 20 -20 -40 -60 -80 -100 -150 -100 -50 50 100 150 Hình 6.23 Phân bố lượng hấp thụ theo trục x y xương Initial Energy ´ 10 20 Entries Mean RMS 5000 5000000 0.356 3.38e-06 4000 3000 2000 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Hình 6.24 Năng lượng ban đầu mô 0.9 PHỤ LỤC 94 Initial Energy ´ 10 20 Entries Mean RMS 5000 5000000 0.356 3.38e-06 4000 3000 2000 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 6.25 Năng lượng ban đầu mơ nước Initial Energy ´ 10 20 Entries Mean RMS 5000 5000000 0.356 3.38e-06 4000 3000 2000 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 6.26 Năng lượng ban đầu mô xương PHỤ LỤC 95 Energy deposit Distribution 30 1000 Entries Mean RMS 1181650 -0.05231 12.14 800 600 400 200 -150 -100 -50 50 100 150 Hình 6.27 Phân bố lượng hấp thụ mô Energy deposit Distribution 30 Entries Mean RMS 500 1006816 0.01657 12.46 400 300 200 100 -150 -100 -50 50 100 Hình 6.28 Phân bố lượng hấp thụ nước 150 PHỤ LỤC 96 Energy deposit Distribution 30 1000 Entries Mean RMS 1181650 -0.05231 12.14 800 600 400 200 -150 -100 -50 50 100 Hình 6.29 Phân bố lượng hấp thụ xương 150 ... phát triển xạ trị áp sát 17 tuyến ngày phổ biến [8] Có loại kỹ thuật xạ trị sử dụng lâm sàng - xạ trị áp sát xạ trị Trong phương pháp xạ trị áp sát thiết bị xạ đặt gần với khối u Xạ trị sử dụng... 5.3.1 Phương pháp Monte Carlo phương pháp giải tích 5.3.2 Phương pháp Monte Carlo phương pháp thực nghiệm 49 49 49 51 52 53 53 55 Chương TÍNH PHÂN BỐ LIỀU NGUỒN XẠ TRỊ ÁP CHƯƠNG... điều trị, sau giá trị trung bình sử dụng RF 3.3.2 Xạ trị áp sát suất liều cao phân liều (Factor high dose rate FHDR) Đối với phương pháp điều trị phân liều (xạ trị xạ trị áp sát) mà phân liều