2.3.1 Giới thiệu chung[3]:
Bên cạnh những code Monte Carlo như: ETRAN, EGS4, MCNP , ITS, GEANT thì những code mới gần đây như EGSnrc, PENELOPE . Chúng tôi chỉ sẽ giới thiệu về EGSnrc nhằm mục đích phục vụ cho luận văn này.
EGS (electron gamma shower) là một gói dùng cho mô phỏng Monte Carlo cho vận chuyển photon và electron trong nguồn hình học bất kì cho các hạt với năng lượng trên vài trăm Kev đến vài trăm GeV.
DOSXYZnrc là một code trong EGSnrc cho việc tính toán phân bố liều. Mã này mô phỏng vận chuyển của một electron hoặc một chùm tia photon trong môi trường có kích thước hữu hạn. Nó cũng ghi các phân bố sung trong thể tích bất kì được tạo bởi số vùng bất kì. Năng lượng bỏ lại trong các vùng khác nhau được ghi nhận và phân tích thống kê.Trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi chỉ đề cập cách nhập dữ liệu khai báo trong chương trình EGSnrc và cách tính suất liều tại một điểm bất kì trong chương trình.
2.3.2 Nhập dữ liệu cấu trúc hình học và vật liệu 2.3.2.1 Nhập dữ liệu đối với cấu trúc hình học: 2.3.2.1 Nhập dữ liệu đối với cấu trúc hình học:
Hình 2.2 Cấu trúc hình học của EGSnrc NR : (radial regions) biểu thị số vùng bán kính
NZ : (depth slabs) biểu thị số lớp mà được tạo bởi NZ+1 mặt phẳng
Có hai cách nhập dữ liệu cấu trúc hình học, có thể chọn Groups hoặc Individal.
- Nếu chọn Groups: có thể nhập dữ liệu cho một bộ các lớp có bề dày bằng nhau Z OF FRONT FACE(R) bắt đầu lớp thứ 1
NSLAB(M) các lớp trong một nhóm cùng bề dày SLAB THICKNESS bề dày của nhóm đó
- Nếu chọn Individal: nhập dữ liệu để xác định bề dày cùa mỗi lớp Z OF FRONT FACE ( R ) bắt đầu mặt phẳng thứ 1
DEPTH BOUDARIES(M) xác định tọa độ Z của măt phẳng RADII (M) xác định tọa độ R của mặt phẳng
2.3.2.2 Nhập dữ liệu cho vật chất:
Mỗi vùng hình học cần một vật liệu đi kèm với nó. Tên của những vật liệu phải được nhập vào ô “MEDIA”. Tên của vật liệu phải chính xác như tên trong bộ dữ liệu của PEGS4. Ngoài ra cũng có thể khai báo các môi trường vật chất vào trong bộ dữ liệu PEGS4 bằng cách sử dụng chương trình EGSnrc MP GUI. Lưu ý, mỗi môi trường tối đa 24 ký tự.
Việc xác định môi trường cho các vùng hình học có thể thực hiện theo hai cách dựa trên việc lựa chọn DESCRIPTION BY = Regions hoặc Planes.Nếu chọn DESCRIPTION BY = Regions thì người sử dụng xác định số vùng bị lấp đầy bởi môi trường tương ứng. Nếu chon DESCRIPTION BY = Planes thì ngưởi sử dụng xác định số mặt phẳng ( IZ ) và hình trụ ( IX ) được lấp đầy bởi môi trường tương ứng
2.3.3 Điều khiển các thông số vận chuyển Monte Carlo
Mọi user code EGSnrc đều yêu cầu các thông số vận chuyển Monte Calo:
Global ECUT : năng lượng cắt của electron trong mọi vùng. Đây là năng lượng ngưỡng dưới của electron có nghĩa là năng lượng của electron dưới giá tri này thì bị bỏ lại trong vùng này và lịch sử hạt kết thúc. Nếu để trống giá trị AE được sử dụng
Global PCUT : năng lượng cắt của photon trong mọi vùng. Đây là năng lượng ngưỡng dưới của photon có nghĩa là năng lượng của photon dưới giá tri này thì bị bỏ lại trong vùng này và lịch sử hạt kết thúc. Nếu để trống giá trị AP được sử dụng
Global SMAX : hạn chế kích thước hình học tối đa ở mỗi bước trong sự vận chuyển electron ở mỗi vùng. Nếu để trống, không có hạn chế kích thước hình học nào. Nếu sử dụng thuật toán mặc định bước electron của EGSnrc, không cần chọn SMAX. Lựa chọn này chỉ hữu dụng đối với sự vận chuyển trong vật chất có mật độ thấp (không khí ) khi PRESTA được chọn
Electron-step algorithm : Thuật toán bước electron. PRESTA-II ( mặc định ) hay PRESTA-I
Boundary crossing algorithm: có hai lựa chọn:EXACT, đi qua biên dưới chế độ tán xạ đơn, khoảng cách từ biên tới chỗ vận chuyển được xác định bởi “Skin depth for BCA”. Lựa chọn thứ 2 là PRESTA-I, nếu số biên được lựa chọn đi qua , nghĩa là bỏ qua sự tương quan với các vật bên khác
Skin depth BCA: xác định khoảng cách từ biên sử dụng chế độ tán xạ đơn ( nếu chọn EXACT boundary crossing ) hoặc bỏ qua sự tương quan giữa các vật bên ( nếu chọn PRESTA-I boundary crossing) . Giá trị mặc định là 3 cho EXACT
ESTEPE :phần năng lượng mất đi lớn nhất trong mỗi bước. Mặc định là 0,25.
XImax : tán xạ đàn hồi lớn nhất trên mỗi bước. Mặc định là 0,5.
Spin effect:: bật/tắt cho hiệu ứng Spin cho tán xạ đàn hồi electron. Mặc định là On: cần thiết tuyệt đối cho tính toán tán xạ ngược.
Nếu là Simple chỉ sử dụng số hạng đầu của phân bố Koch-Motz để xác định góc phát xạ từ bức xạ hãm photon. Nếu chọn On thì sử dụng phân bố Koch-Motz 2BS.
Brems cross settions:: BH, NIST, mặc định là BH
Nếu chọn BH tiết diện bức xạ hãm Bethe-Heitler được sử dụng .Nếu NIST được chọn sử dụng tiết diện NIST.Sự khác biệt rõ ràng chỉ trong vùng năng lượng thấp ( KeV)
Bound Compton scattering:On hoặc off
Nếu chọn Off, tán xạ Compton sẽ được xử lí bằng Klein-Nishina, nếu chọn On tán xạ Compton được xử lí bằng phương pháp xấp xỉ xung. Mặc định là On để áp dụng với các năng lượng thấp, khoảng 1MeV (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Pair angular sampling: Off, Simple hoặc KM Nếu chọn Off, các cặp sẽ chuyển động một góc m
E đối với hướng của photon (m là khối lượng nghỉ, E là năng lượng của photon. Chọn Simple để sử dụng số hạng đầu của phân bố góc, chọn KM (Koch-Motz) sử dụng 2BS từ bài báo cáo của Koch và Motz. Mặc định là Simple
Photonelectron angular sampling: Off hoặc On
Nếu chọn Off ,các quang electron có hướng của photon mẹ. Nếu chọn On sử dụng công thức Sauterd ( chỉ đúng cho hấp thụ quang ở lớp K )
Rayleigh scattering:Off, On
Nếu chọn On sử dụng tán xạ Rayleigh. Mặc định là Off. Nên chọn On đối với năng lượng thấp
Atomic relaxation:Off, On.Mặc định là On
- Trong hấp thụ quang điện, photon sẽ tương tác với các thành phần ( nếu là hợp chất ) và lớp vỏ sẽ được lấy mẫu với tiết diện thích hợp.
- Các chỗ khuyết của lớp vỏ được tạo ra trong quá trình hấp thụ quang sẽ được hồi phục do sự phát xạ huỳnh quang tia X, phát xạ Auger và phát xạ electron Koster-Cronig. Chọn On đối với ứng dụng năng lượng thấp
2.3.4 Vùng ghi liều:
Để xác định suất liều tại một điểm thì cần phải bao điểm đó lại. Giá trị tính được trong vùng này được xem là giá trị suất liều ở tâm hình học của nó. Xét về mặt cắt ngang thì đơn giản có thể xem như điểm đó được bao bởi một ô có kích thước a x a Việc lựa chọn kích thước cho vùng bao quanh vị trí cần tính có ảnh hưởng đến kết quả thu được do đó cần phải sử dụng một cách thích hợp .Vì việc chọn ô có kích thước quá lớn sẽ làm cho kết quả thu được không đáng tin cậy nhưng thời gian chạy máy lại nhanh, còn ngược lại thời gian chạy máy lâu nhưng kết quả thu được càng gần chính xác.
Cần phải sử dụng kích thước ô hợp lí phù hơp với thời gian tính toán cũng như độ tin cậy của kết quả thu được.
Kích thước của ô tốt nhất nên chọn tăng dần đối với sự tăng khoảng cách đến tâm nguồn
Hình 2.4 Vùng ghi liều
Qua cách trình bày về nguyên lý làm việc của mô phỏng Monte Carlo trong xạ trị áp sát và cách nhập dữ liệu trong chương trình EGSnrc, sau đây chúng tôi sẽ tiến hành tính toán. Để cụ thể bài toán thì ta cần sử dụng chương trình EGSnrc để khai báo nguồn I-125 Model 9011 THINSeedTM và tính các hàm rồi so sánh với kết quả bài báo khoa học.
CHƯƠNG 3:
ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc ĐỂ KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ
LIỀU QUANH NGUỒN XẠ MODEL 9011 THINSEEDTM.
Trong chương này chúng tôi sử dụng chương trình EGSnrc mà cụ thể là code DOSZRnrc để khảo sát sự phân bố liều để đánh giá sự hấp thụ tán xạ trong môi trường phantom nước cũng như sự ảnh hưởng của cấu tạo cấu trúc hình học của nguồn được thể hiện qua hàm xuyên tâm g(r) và hàm dị hướng F(r, θ)
Các bước tiến hành:
- Thiết lập các thông số và cấu trúc hình học cho nguồn dùng trong EGSnrc - Ghi nhận sự phân bố liều và tính toán các hàm g(r) và F(r,θ).So sánh với kết
quả mô phỏng Monte Carlo và đo đạc được trình bày trong bài báo khoa học[16] - Rút ra kết luận
3.1 Thiết lập các thông số và cấu trúc hình học cho nguồn dùng trong EGSnrc trong EGSnrc
3.1.1 Giới thiệu về nguồn Model 9011 THINSeedTM:
Bên cạnh sử dụng những nguồn năng lượng phát photon cao, người ta còn sử dụng nguồn phát photon thấp, việc sử dụng nay kể từ sau năm 1960 bởi vì người ta đã chuẩn được nguồn I125 ( 1985 ) bởi NIST, nó đo được liều ở khoảng cách 1 cm và trong việc đo suất liều thì có thể dùng các phantom với vật liệu khác nhau như chất lỏng nước, nước cứng, Lucite (tên của polymethyl methacrylate)[15]. So với kiểu thiết kế nguồn cũ ( Model 6711 ) thì kiểu thiết kế nguồn mới (Model 9011) cũng có cùng cấu tạo như nguồn mẫu 6711 nhưng với kích thước nhỏ hơn : từ đường kính ngoài là 0,80 mm giảm xuống còn 0,51 mm nên có những ưu điểm sau:
- Mỗi lần cắm nguồn vào bệnh nhân thì sử dụng được nhiều nguồn hơn nên hiệu quả tốt hơn
Hình 3.1 Cấu trúc nguồn I-125 Model 6711
Hình 3.2 Mặt cắt nguồn I-125 Model 6711
Chính vì những ưu điểm đó mà nguồn Model 9011 THINSeedTM được phát triển bởi công ty Oncura và sản xuất bởi công ty GE Healthcare, Mỹ, chủ yếu để áp dụng cho các bệnh ung thư tuyến tiền liệt [11], [17]. Những đặc điểm về phân bố liều của nguồn này được khảo sát trong tài liệu [16], bằng thực nghiệm lẫn lý thuyết. Công cụ tính toán lý thuyết của tài liệu [16] là mô phỏng Monte Carlo dùng chương trình MCNP. Trong tính toán của chúng tôi, chương trình EGSnrc được sử dụng.
Để tính toán, đầu tiên cấu trúc của nguồn cần được biết chi tiết. Thông tin này chúng tôi cũng lấy từ tài liệu [16]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.2 Thành phần cấu tạo và cấu trúc của nguồn[16]:
Nguồn xạ trị Model 9011 THINSeedTM được cấu tạo: một que Ag được bao phủ bởi một lớp AgBr + AgI theo tỉ lệ phân tử là 2:1 với bề dày là 1,75µm.Hai đầu que Ag bị dát nghiêng một góc 450,vỏ Titanium bọc que bạc và chứa đầy khí Ar.
Bảng 3.1 Các thông số của nguồn I-125 Model 9011
Tham số của nguồn Đơn vị mm
Chiều dài của Ag
Chiều dài que Ag nghiêng 450
Chiều dài ngoài Chiều dài trong Đường kính ngoài Đường kính trong Đường kính que Ag Độ dày của 2 đầu
2,80 0,05 4,55 4,00 0,510 0,396 0,305 0,260
Hình 3.3 Cấu trúc nguồn I-125 Model 9011
Do hai đầu que Ag bị dát nghiêng, nên để tạo ra độ nghiêng này chúng tôi buộc phải chia nguồn thành 3 nguồn nhỏ gồm : nguồn giữa, nguồn trái và nguồn phải.Vì vậy khi khai báo và chạy chương trình chúng tôi làm riêng cho từng nguồn rồi sau đó tổng hợp 3 nguồn lại rồi mới tính toán cho ra kết quả cuối cùng. Cả 3 nguồn này được đặt trong phantom nước hình trụ có bán kính 15 cm và chiều dài 30 cm như hình bên dưới
Hình 3.4 Vị trí nguồn trong phantom nước 3.1.3 Khai báo các thông số cho chương trình EGSnrc:
Trước hết chúng tôi cần thiết lập một file pegs4dat có tên là medium.pegs4dat, đây là file chứa các thông số về mật độ và thành phần mật độ của các môi trường và các giá trị AE, AP, ECUT, PCUT. Cần phải sử dụng EGS_GUI để tạo ra file này.Vào chương trình EGS_GUI chọn PEGS Data để tạo các file pegs4dat như hình sau:
Bảng 3.2 Thành phần mật độ vật liệu trong mô phỏng[16]
Vật liệu Mật độ (g.cm-3 ) Ag AgBr + AgI Ti Ar 10,5 6,20 4,54 0,001784
Nếu bỏ chọn ICRU density correction thì khai báo như sau:
Hình 3.5 Giao diện EGS_GUI khi bỏ chọn ICRU density correction
Khi khai báo mội trường mà không có trong thư mục HEN_HOUSE của chương trình thì ta tự động nhập thành phần mật độ khối lượng và các giá trị AE, AP, UE, UP cho môi trường đó.
Khi sử dụng số liệu có sẵn trong thư mục HEN_HOUSE của chương trình thì chương trình sẽ tự động gán giá trị mật độ khối lượng .
Ở đây các giá trị AE, AP là giá trị ngưỡng năng lượng đối với các electron thứ cấp hay bức xạ hãm muốn thoát ra khỏi nguyên tử, UE là giới hạn năng lượng trên đối với sự vận chuyển electron, UP là giới hạn năng lượng trên đối với sự vận chuyển photon. Nếu dưới giá trị UE,UP thì lịch sử hạt sẽ dừng. Lưu ý: năng lượng của các hạt tới phải lớn hơn giá trị AE,AP.
Giá trị AE, UE, AP, UP trong mô phỏng là chúng tôi tự tạo để chạy chương trình: Bảng 3.3 Giá trị AE, UE, AP, UP trong mô phỏng
H2O AgBr +AgI Ti Ag Ar
AE (MeV) 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515
UE (MeV) 1,411 1,411 1,411 1,411 1,411
AP (MeV) 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005
UP(MeV) 0,900 0,900 0,900 0,900 0,900
Sau khi đã khai báo xong các môi trường trong mô phỏng ta tổng hợp lại thành một file mang tên medium.pegs4dat
Tiếp theo chúng tôi bắt đầu sử dụng giao diện của INPRZ để khai báo tên, cấu trúc hình học, các tham số vận chuyển, số lịch sử, mô phỏng nguồn phóng xạ,…
Tiếp thep là I/O control ta chọn output option :dose summary Tiếp theo thẻ Monte Carlo ta chọn number of histories:2.109
Trong thẻ Geometry ta chọn và khai báo như hình dưới
Thẻ Source: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chúng tôi sử dụng phổ năng lượng I-125.spectrum có giá trị như sau: Bảng 3.4 Phổ năng lượng của I-125[13] Phổ năng lượng I-125 (Kev) Xác suất phân rã ( % ) 3,77 27,202 27,472 30,944 30,995 31,704 35,4922 14,9 40,1 74 6,83 13,2 3,8 6,68 Thẻ Transport Parameter:
Giá trị ECUT, PCUT áp dụng cho toàn bộ các vùng cụ thể Global PCUT 0.001(MeV) và Global ECUT 0.521( MeV )
Nếu bỏ chọn Global PCUT và Global ECUTthì phải chọn set PCUT by regions và
set ECUT by regions
Sau đó mục khai báo Transport Parameters by Region hiện trên thanh công cụ
Hình 3.11 Ví dụ khai báo cho Transport Parameter by region trong INPRZ 3.2 Tính các giá trị g ( r ) và F ( r, θ) của nguồn :
Sau khi đã khai báo và chạy chương trình, thì ta sẽ thu được file dưới dạng tên “.egslst”. Ta vào file này và chọn những vùng ghi liều mà cần khảo sát ghi nhận kết quả để xử lí số liệu. Vì mục đích của luận văn là kiểm chứng kết quả của chương
trình so với thực nghiệm và bài báo nên chúng tôi chọn phương pháp tính hai hàm g(r) và F(r, θ) để thuận tiện cho việc so sánh
3.2.1 Kết quả của hàm g (r)
Theo công thức 1.6 đã trình bày thì
gx (r) = 0 0 0 0 0 0 ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) G r D r G r D r θ θ θ θ • •
Để tính giá trị của hàm g(r) trước hết ta phải tính giá trị suất liều D r• ( ,θ0) ở các điểm cách nguồn 0,3 cm, 0,5 cm, 0,7 cm, 1 cm,…12 cm dọc theo trục vuông góc của nguồn và giá trị suất liều D r• ( ,θ0) ở khoảng cách 1 cm dọc theo trục vuông góc của nguồn. Đối với tỉ số hệ số hình học 0 0 0 ( , ) ( , ) G r G r θ
θ ta sử dụng công thức cho nguồn thẳng dài có chiều dài L .Các giá trị này sẽ được trình bày ở phần phụ lục.
Bảng 3.5 Giá trị g ( r) của I-125 Model 9011 r ( cm ) Luận văn Đo đạc MCNP
0,2 1,116 1,079 0,3 1,126 1,084 0,5 1,101 1,067 1,072 0,7 1,067 1,037 1,047 2 0,790 0,828 0,811 2,5 0,693 0,741 0,717 3 0,613 0,647 0,629 3,5 0,529 0,565 0,549 4 0,462 0,496 0,477 4,5 0,400 0,432 0,413 5 0,341 0,376 0,357
5,5 0,300 0,326 0,308 6 0,260 0,283 0,265 6,5 0,221 0,241 0,228 7 0,176 0,209 0,196 7,5 0,167 0,177 0,168 8 0,136 0,157 0,144