QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
3.3 Mô phỏng MCNP cho nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu RGS
Mô phỏng một nguồn Cobalt-60 phát ra tia gamma thông qua collimator làm bằng chất liệu tungsten, chì, sắt và thép. Thành phần của các vật liệu và khoảng cách giữa chúng được biểu diễn trên. Hình 3.4. Trong đó, nguồn Cobalt-60 đặt ở giữa, bao quanh là một lớp sắt dày 2cm. Tiếp theo là lớp tungsten dày 6.5cm. Kế tiếp là lớp chì dày 9.2cm và cuối cùng là lớp tungsten dày 6cm. Mơ hình nguồn này phù hợp cho việc sử dụng chương trình MCNP để mơ phỏng. Dựa vào mơ hình này ta có thể tính tốn phân bố liều trong phantom. Mơ hình phantom chúng tơi sử dụng ở đây là phantom nước hình cầu, có bán kính 8cm. Vùng khơng gian giữa nguồn là phantom là khơng khí và phantom đươc lấp đầy bởi khơng khí. Số hạt photon được gieo là 10 triệu hạt. Hình 3.5 biểu diễn mơ hình mơ phỏng nguồn và phantom trong thiết bị xạ phẫu RGS.
Hình 3.5: Mơ hình mơ phỏng nguồn đơn kênh và phantom
Dựa vào sự mơ phỏng này, ta có thể tính được xác suất phát tia gamma ra khỏi kênh chiếu của RGS ứng với các tia gamma có các năng lượng khác nhau phát ra từ nguồn 60Co. Nhưng trong trường hợp này, ta mơ phỏng năng lượng tia gamma trung bình bằng 1.25 MeV thay vì năng lượng 1.17 MeV và 1.33 MeV như trong thực tế. Hình 3.6 biểu diễn xác suất phát ra của tia gamma theo năng lượng.
Hình 3.6: Phổ mơ phỏng năng lượng photon phát ra của nguồn 60Co
Sau đó phổ năng lượng này được sử dụng để mơ phỏng tính tốn liều hấp thụ trong các phantom làm bằng vật liệu nước và plastic. Mục đích của việc tính tốn này là
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo so sánh sự khác nhau của liều phân bố trên hai vật liệu nước và plastic từ đó rút ra nhận xét xem chất liệu làm phantom có ảnh hưởng đến liều phân bố trong phantom hay không.
3.4 Các kết quả tính tốn với nguồn đơn kênh
Chương trình MCNP5 được sử dụng để tính liều hấp thụ trong phantom cầu bán kính 8cm được làm bằng nước và plastic với cấu hình nguồn đơn kênh như trong Hình 3.4. Phân bố liều được khảo sát theo trục Ox với gốc tọa độ được chọn tại tâm hình cầu.
3.4.1 Liều phân bố theo trục Ox
Đồ thị so sánh phân bố liều trong phantom làm bằng nước và plastic theo trục Ox
Hình 3.7: Liều phân bố dọc theo trục Ox
Từ hình 3.7 ta thấy có sự tập trung cao liều chiếu vào trung tâm. Phân bố liều tập trung quanh vùng khơng gian có bán kính 1cm quanh trục chiếu và giảm dần ở khoảng cách xa nguồn chiếu. Hình 3.7 cũng cho thấy đường phân bố liều đối với phantom làm bằng nước và plastic gần như trung khớp nhau. Vì thế ta có thể đưa đến kết luận chứng tỏ vật liệu làm phantom khơng ảnh hưởng đến sự tính tốn phân bố liều.
3.4.2 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy và Oxz
Để thấy được liều tập trung tại tâm một cách rõ ràng hơn, sử dụng kết quả quá trình mơ phỏng, chúng tơi dùng chương trình Matlab để vẽ phân bố liều trên mặt phẳng Oxy.
Hình 3.8: Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy.
Hình 3.9: Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz
Dựa vào hình 3.7 và 3.8, chúng ta thấy phân bố liều trên mặt phẳng có dạng phù hợp với các kết quả thực tế đólà phân bố liều tập trung quanh vùng không gian có bán kính 1cm quanh trục chiếu và giảm dần ở khoảng cách xa nguồn chiếu.
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
3.5 Mô phỏng MCNP cho 30 nguồn trong thiết bị xạ phẫu RGS
Trong luận văn này, phantom bằng nước được chọn để khảo sát phân bố liều khi chiếu 30 nguồn Cobalt-60. Bài toán đặt ra là tính tốn liều phân bố trong phantom khi chiếu cùng lúc 30 nguồn Cobalt-60 phát tia gamma thông qua các collimator với các đường kính 4mm, 8mm, 14mm, 18mm qua ống chuẩn trực thứ cấp của RGS. Hình 3.7 biểu diễn cấu hình của ống chuẩn trực thứ cấp trong RGS. Có 5 nhóm lỗ trên ơng chuẩn trực thứ cấp (mỗi nhóm gồm 30 lỗ). Mỗi nhóm được sắp xếp giống như các kênh ống chuẩn trực sơ cấp của khối nguồn. Tất cả 150 lỗ đều hướng về tâm bán cầu. Trong số 5 nhóm, người ta chèn vào bốn nhóm một tập hợp các collimator có bốn đường kính trong khác nhau. Các ống chuẩn trực trong cùng nhóm có cùng kích thước. Nhóm thứ 5 bị che bằng các thanh hợp kim vonfram. Trong thời gian khơng điều trị, tồn bộ ống chuẩn trực sơ cấp sắp thẳng hàng với vị trí che, ngăn khơng cho tia gamma đi vào trong khu vực cần chiếu xạ. Trong thời gian nghỉ, nguồn xạ bị các thanh vonfram của cấu trúc ống chuẩn trực sơ cấp chặn lại và thêm nữa bức xạ còn bị chặn lại do cửa thép của buồng điều trị đóng.
Hình 3.10: Biểu diễn sự sắp xếp các vòng collimator trong ống chuẩn trực thứ cấp của
Hình 3.11: Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy
Để mơ phỏng cấu hình của 30 nguồn bằng chương trình MCNP, ta phải xác định các góc từ nguồn tới mặt phẳng để có các phân bố góc. Hình 3.9 biểu diễn mơ hình tính tốn phân bố góc giữa các vịng với mặt phẳng
Hình 3.12: Biểu diễn phân bố góc của 30
nguồn trong RGS so với mặt phẳng
Từ mơ hình phân bố 30 nguồn đã tính tốn ta dùng MCNP5 để mơ phỏng. Để tính tốn phân bố liều trong phantom, ta sử dụng mơ hình phantom nước hình cầu với bán kính 8cm. Hình 3.13 biểu diễn mơ hình phân bố nguồn và phantom đối với 30 nguồn bằng MNCP. Để tính liều hấp thụ tại từng điểm trong vùng quan tâm, chúng tôi sử dụng Tally FMESH. Vùng không gian giữa nguồn và phantom là khơng khí, số hạt được gieo là 10 triệu hạt.
Hình 3.13: Biểu diễn nguồn và cách bố trí
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
3.6 Kết quả tính tốn đối với 30 nguồn
Phân bố liều hấp thụ theo 2 trục Ox và Oz được tính tốn với 30 nguồn Cobalt-60 được thực hiện với phantom cầu bán kính 8cm. Kích thước các collimator được thay đổi lần lượt các giá trị 4, 8, 14, 18mm.
3.6.1 Phân bố liều theo các trục tọa độ
Hình 3.14: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 4mm
Hình 3.16: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 14m
Hình 3.17: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 18mm
Từ các hình 3.14, 3.15, 3.16 và 3.17 ta thấy liều phân bố theo các trục Ox và Oz là đối xứng và tập trung quanh vùng trung tâm.
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo Để xác định phân bố liều tập trung một cách rõ ràng hơn, chúng tôi đã vẽ phân bố liều trên mặt phẳng Oxy và Oxz trong tính tốn đối với 30 nguồn 60Co.
Hình 3.18: Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy với collimator 18mm
Từ hai hình 3.17 và 3.18 ta thấy phân bố liều trên mặt phẳng có dạng phù hợp với phân bố liều theo trục, liều tập trung quanh vùng khơng gian có bán kính bằng 1cm quanh trục chiếu và giảm dần ở khoảng cách xa nguồn chiếu.
3.6.3 So sánh với các profile
Dùng các kết quả tính tốn được, chúng tơi so sánh các kết quả với profile thu được từ chương trình tính tốn lập kế hoạch xạ trị Osirix tại Trung tâm Y học hạt nhân và ung bướu- Bệnh viện Bạch Mai thì thấy phân bố liều có dạng như hình vẽ và điều đó chứng tỏ kết quả thu được là đúng.
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo
Hình 3.21 : So sánh liều trục z với collimator 4mm
Hình 3.23 : So sánh liều trục z với collimator 18mm
3.6.4. So sánh FWHM với kết quả xuất ra của Osirix
Để đảm bảo tính chính xác của việc tính tốn, và xem xét độ mở của các collimator trong quá trình điều trị, chúng tôi đã so sánh độ rộng tại nửa chiều cao (FWHM) của các đường phân bố liều trong các profile với kết quả tính được trong phần mềm lập kế hoạch Osirix. Từ bảng 3.1 và bảng 3.1, kết quả so sánh được đánh giá là khá phù hợp.
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Bảng 3.1: So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Osirix với kết quả tính tốn
Đường kính collimator (mm) FWHM (mm) Sai khác (%) Osirix Kết quả tính tốn 4 5.9 4.8 18.64 8 11.2 10.6 5.3 14 19.0 18.7 1.57 18 23.2 22.7 2.2
Bảng 3.2: So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Osirix với kết quả tính tốn
Đường kính collimator (mm) FWHM (mm) Sai khác (%) Osirix Kết quả tính tốn 4 4.7 4.1 12.8 8 9.2 8.4 8.6 14 15.5 14.8 4.5 18 20.0 19.2 3.5
KẾT LUẬN
Sự đảm bảo chất lượng trong kỹ thuật xạ phẫu Gamma knife nhằm nâng cao hiệu quả điều trị cho bệnh nhân đòi hỏi nhân viên y Vật lý phải có kiến thức vật lý về kỹ thuật xạ phẫu. Luận văn cung cấp những lý thuyết cơ bản về kỹ thuật xạ phẫu Gamma knife, phương pháp đảm bảo chất lượng trong quy trình xạ phẫu Gamma knife. Trong luận văn, chúng tơi đã trình bày quá trình QA hệ thống RGS để đảm bảo cho quá trình đưa bệnh nhân vào điều trị hiệu quả và an tồn với buồng ion hóa khí A1SL –BEF 92722. Kết quả hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống với các collimator khác nhau khơng có sự sai khác nhiều với giá trị của nhà sản xuất, liều tại tâm vùng điều trị với collimator 8,14,18mm có sai số nằm trong giới hạn cho phép 5%, hiệu chỉnh điểm đồng tâm, đường đồng liều, thời gian điều trị, sự rị rỉ phóng xạ đều đáp ứng u cầu của nhà sản xuất.
Qua việc mơ phỏng cấu hình nguồn đơn kênh và cấu hình của 30 nguồn và từ các kết quả phân bố liều chiếu thu được trong phantom, chúng tôi nhận thấy rằng phân bố liều trên mặt phẳng có dạng phù hợp với phân bố liều theo trục, liều tập trung quanh vùng khơng gian có bán kính bằng 1cm quanh trục chiếu và giảm dần ở khoảng cách xa nguồn chiếu. Giá trị FWHM của kết quả tính tốn được với kết quả xuất ra trong phần mềm Osirix có sự sai khác dưới 18% và có sự phù hợp về kết quả Như vậy việc tính tốn phân bố liều đối với thiết bị xạ phẫu RGS bằng chương trình MCNP5 là khá phù hợp với các kết quả thực tế. Điều này mở ra một hướng nghiên cứu mới là có thể ứng dụng chương trình MCNP5 trong việc lập kế hoạch xạ trị cho Rotating Gamma System.
Do hạn chế về thời gian cũng như tính chất phức tạp của bài tốn tính liều, chúng tơi chỉ mới áp dụng tính liều cho phantom nước có hình cầu. Để phát huy vai trò của chương trình MCNP5 trong tính tốn phân bố liều cho kỹ thuật xạ trị bằng hệ thống RGS, chúng tôi hy vọng rằng trong tương lai có thể xây dựng tính liều cụ thể cho từng vị trí khối u thực tế và có thể mơ phỏng tính liều cho một khối u có hình dạng bất kì.
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Nguyễn Thái Hà, TS Nguyễn Đức Thuận, (2006), “Y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị”, NXB Bách Khoa, Hà Nội.
Tiếng anh
[2] E.B.Podgorsak, (2005), “Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students”, International Atomic Energy Agency, Vienna.
[3] E. D. Jones, W. W. Banks, L. E. Fischer (1995), Assurance Quality for Gamma Knives, U.S. Nuclear Regulatory Commission, USA.
[4] Elekta (2005), Leksell Gamma Knife: Accuracy Report, Sweden
[5] Elekta Instrument AB (2003), Leksell Gamma knife C: System Description with Technical Overview, Sweden.
[6] Elimpex, Max 4000 Electrometer, A - 2340 Moedling, Austria
[7] Feras M.O, Al Dweri and Antonio M. Lallena, (2004), “A simplified model of the source channel of the Leksell Gamma Knife: testing multisource configurations with PENELOPE”, http://arxiv.org/abs/physics/0406142v1.
[8] GammaART-6000TM – Rotating Gamma System, User Manual, Copyright 2006, American Radiosurgery, INC, 2006.
[9] Gunther H. Hartmann (1995), Quality Assurance Program on Stereotactic Radiosurgery, Springer, Germany.
[10] Hyun Tai Chung (2009), Measurement of Absorbed Dose to Water of a Gamma Knife Type C, WC 2009, IFMBE Proceedings 25.
[11] Hyun Tai Chung (2011), Determination of the Absorbed Dose Rate to Water for the 18 – mm Helmet of a Gamma Knife, Elsevier Inc, USA.
[12] Joel YC Cheung, (1998), “Monte Carlo calculation of single beam dose profiles used in a gamma knife treatment planning system”, American Association of
Physicists in Medicine.
[13] Joel YC Cheung, (2002), “Choice of phantom materials for dosimetry of Leksell Gamma Knife unit: A Monte Carlo study”, American Association of Physicists in
Medicine.
[14] J. Kenneth Shultis and Richard E.Faw, An Introduction to the MCNP code, 2005.
[15] J. Kenneth Shultis and Richard E. Faw, An MCNP Primer, September 4, 2007. [16] J. Kenneth Shultis and Richard E. Faw, Radiation shielding technology,
Health Physics, April 2005, Volume 88, Number 4.
[17] Josef Novotny (1996), Leksell Gamma Knife Quality Assurance, Department of Radiation Oncology, University of Pittsburgh Medical Center, Pittsburgh PA, USA. [18] Josef Novotny (2002), Application of Polymer Gel Dosimetry in Gamma Knife Radiosurgery, J Neurosurg (Suppl 5) 97: 556 – 562.
[19] MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5-Volume I: Overview and Theory-April 24, 2003 (Revised 10/3/05).
[20] Michael C. Schell (1995), TG - 54: Stereotactic radiosurgery, AAPM, USA. [21] Ryan J. Underwood (2013), Ryan J. Underwood (2013), Small Field Dose with GafChromic Film, Master of Science in the School of Medical Physics, Georgia Institute of Technology, Florida, USA.
[22] R.D Hugtenbug, (2004), “Practical Monte Carlo Using MCNP4C”,
[23] R. E. Drzymalaa and R. C. Wood J. Levy (2008), Calibration of the Gamma Knife using a Phantom Following the APPM TG 21 and TG 51. Med. Phys. 35, 2.
[24] Stefano Gianolini (2006), Comparative Treatment Planning and Dosimetry for Stereotactic Radiosurgery: Gamma Knife versus Adapted LINAC, Swiss Federal Institute of Technology, Zurich, Switzerland.
[25] Shih Ming Hsu1 (2011), Dose Measurements for Gamma Knife with
Radiophotoluminescent Glass Dosemeter and Radiochromic Film, Radiation Protection Dosimetry, Vol. 146, No. 1 – 3, pp. 256 – 259.
[26] Specialty Products (2010), GAFCHROMIC MD – V2 – 55 Radiochromic Dosimetry Film for High – Energy Photons, New Jersey, USA.
[27] X-5 Monte Carlo Team, (2003), “MCNP – A General Monte Carlo N-Particle Transport Code”, Version 5, Los Alamos National Laboratory.
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo [28] Tim Goorley, Forrest Brown, Lawerence J. Cox, (2003), “MCNP5 Improvement for Windows PCS”, Los Alamos National Laboratory.
PHỤ LỤC Phụ lục A: Gamma knife model with single source
c gamma knife model with single source c *********** Cell card************* 1 10 -0.0012 -6 1 -2 imp:p=1 $ air 2 40 -19.250 6 -9 1 -2 imp:p=1 $ tungsten 3 10 -0.0012 -6 2 -3 imp:p=1 $ air 4 30 -11.340 6 -9 2 -3 imp:p=1 $ lead 5 10 -0.0012 -6 3 -4 imp:p=1 $ air 6 40 -19.250 6 -9 3 -4 imp:p=1 $ tungsten 7 10 -0.0012 -8 4 -5 imp:p=1 $ Co-60 source 8 50 -7.8600 7 -9 4 -5 imp:p=1 $ cast iron: pure Fe 9 10 -0.0012 -7 8 4 -5 imp:p=1 $ air gap
10 20 -1.0512 -10 imp:p=1 20 0 -20 #10 #(-9 1 -5) imp:p=1 30 0 20 imp:p=0 125 20 -1.05 -125 40 -50 imp:p=1 126 20 -1.05 -126 12540 -50 imp:p=1 127 20 -1.05 -127 12640 -50 imp:p=1 128 20 -1.05 -128 127 40 -50 imp:p=1 129 20 -1.05 -129 128 40 -50 imp:p=1 130 20 -1.05 -130 129 40 -50 imp:p=1 131 20 -1.05 -131 130 40 -50 imp:p=1 132 20 -1.05 -132 131 40 -50 imp:p=1 133 20 -1.05 -133 132 40 -50 imp:p=1 134 20 -1.05 -134 133 40 -50 imp:p=1 135 20 -1.05 -135 134 40 -50 imp:p=1 136 20 -1.05 -136 135 40 -50 imp:p=1 137 20 -1.05 -137 136 40 -50 imp:p=1
QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo