Trong đó thể tắch điều trị là trường chiếu xạ trong thực tế và bao gồm cả thể tắch khối u (GTV), thể tắch bia lâm sàng (CTV), và cả thể tắch bia lập kế hoạch (PTV).
2.4.2.1. Thể tắch khối u (gross tumor volume Ờ GTV)
Là thể tắch có thể sờ, nắn hay nhìn thấy ựược, biểu hiện sự lan rộng hay khu trú của các phát triển ác tắnh. Thể tắch khối u bao gồm cả khối u nguyên chất, các hạch di căn hay các di căn khác. Thể tắch khối u thường ựúng với các phần của sự phát triển ác tắnh mà ở đó mật ựộ tế bào u là lớn nhất.
Hình dạng kắch thước và sự khu trú của thể tắch khối u có thể ựược xác ựịnh
bằng nhiều cách khác nhau: kiểm tra lâm sàng (khám, sờ, nắn, nội soi ...), hoặc bằng
A B
C D
các kỹ thuật hình ảnh khác nhau (chụp X-quang, chụp cắt lớp CT, cộng hưởng từ MRI và phương pháp chụp ựồng vị phóng xạ).
2.4.2.2. Thể tắch bia lâm sàng (clinical target volume Ờ CTV)
Là một thể tắch tế bào và mô bao gồm cả thể tắch khối u (GTV) và các tổ chức rất nhỏ cận lâm sàng phải xét ựến khi ựiều trị cụ thể một cách triệt ựể. Kinh nghiệm
lâm sàng cho thấy rằng quanh thể tắch khối u thường có liên quan ựến cận lâm sàng, nghĩa là nó gồm bản thân các tế bào ác tắnh, các ựám tế bào nhỏ hay những lan rộng rất nhỏ, rất khó phát hiện. Thể tắch bao quanh một khối u lớn thường có mật ựộ tế bào u
lớn, gần kề với mép của thể tắch khối u, và mật ựộ ựó giảm ựi về phắa ngoại vi của thể tắch này. Thể tắch khối u cùng với thể tắch bao quanh này của các tổ chức liên quan tại chỗ ựược gọi là thể tắch bia lâm sàng (CTV) và thường ựược biểu diễn như một thể tắch bia lâm sàng bậc 1 (CTV-1).
Những thể tắch phụ khác ựược xem như là sự lan tỏa cận lâm sàng cũng cần
phải ựược ựiều trị. Chúng cũng ựược ựịnh nghĩa là các thể tắch cận lâm sàng và gọi là
các thể tắch bia lâm sàng bậc 1, bậc 2.
Vì vậy, trong thực tế, thơng thường khơng chỉ có một thể tắch cận lâm sàng mà cịn có thể có nhiều hơn thế nữa. Trong một số trường hợp, ta có thể ựiều trị một trong hai thể tắch bia lâm sàng với các liều lượng khác nhau. Trường hợp thường gặp là ựiều trị tăng cường, nghĩa là một thể tắch liều cao nằm bên trong một thể tắch liều thấp.
Các ựịnh nghĩa về thể tắch khối u và thể tắch bia lâm sàng này về nguyên tắc ựược dựa trên các nguyên tắc chung về ung thư học và không chỉ giới hạn cho việc áp
dụng ựiều trị bằng chùm tia ngồi. Vì vây, về mặt phẫu thuật, một ựường biên an toàn quanh thể tắch khối u ựược tắnh một cách phù hợp với các qui tắc lâm sàng và ựiều này
ngoài. Các thể tắch này là cơ sở của việc chỉ ựịnh ựiều trị và phải ựược xác ựịnh trước khi chỉ ựịnh liều lượng.
2.4.2.3. Thể tắch bia lập kế hoạch (planning target volume Ờ PTV)
Thể tắch bia lập kế hoạch là một khái niệm hình học, ựược xác ựịnh ựể lựa chọn kắch thước của chùm tia và phân bố chùm tia một cách thắch hợp, có tắnh ựến hiệu quả cao nhất của tất cả các thay ựổi hình học có thể có, sao cho ựảm bảo liều lượng ựã chỉ ựịnh ựược hấp thụ thực bên trong thể tắch bia lâm sàng.
để ựảm bảo rằng tất cả các mô bên trong thể tắch bia lâm sàng nhận ựược một
liều lượng ựã chỉ ựịnh, về nguyên tắc chiếu xạ người ta phải lập kế hoạch ựể chiếu xạ
một thể tắch hình học lớn hơn thể tắch bia lâm sàng. Một cách lý tưởng thì vị trắ, kắch thước, hình dạng của thể tắch bia lâm sàng và các chùm tia có quan hệ ựến một hệ tọa
ựộ cố ựịnh chung trong một phương cố ựịnh và có thể sao chép lại ựược. Tuy nhiên
trong thực tế ựiều này không thể thực hiện được. Có thể thấy sự khác nhau trong và
giữa các ựợt phân chia liều lượng, thời gian từ những yếu tố sau:
Ớ Sự chuyển ựộng của các tổ chức chứa thể tắch bia (chẳng hạn sự hắt thở, cử ựộng của bệnh nhân).
Ớ Những sự khác nhau về kắch thước, hình dạng của các tổ chức chứa bia lâm sàng (chẳng hạn như sự chứa ựầy của bàng quang).
Ớ Sự khác nhau về tắnh chất hình học của chùm tia (chẳng hạn như kắch thước chùm tia, các hướng của chùm tia).
Tùy theo hoàn cảnh lâm sàng (như ựiều kiện của bệnh nhân, vị trắ thể tắch bia
lâm sàngẦ) và kỹ thuật ựã chọn, thể tắch bia lập kế hoạch cũng có thể trùng với thể
tắch bia lâm sàng (chẳng hạn những khối u nhỏ trên da, các khối u tuyến yênẦ) hay ngược lại, các thể tắch bia lập kế hoạch có thể lớn hơn nhiều.
Thể tắch bia lập kế hoạch có thể lớn hơn biên giới giải phẩu bình thường (chẳng hạn bao gồm cả phần cấu trúc xương không ảnh hưởng về mặt lâm sàng).
Vì vậy, thể tắch bia lập kế hoạch là một khái niệm hình học và cố ựịnh, ựược
dùng cho việc lập kế hoạch ựiều trị. Thực tế, thể tắch bia lập kế hoạch không ựại diện cho các tổ chức mô ựã xác ựịnh hay các biên giới của các mô. Thể tắch bia lập kế hoạch là một thể tắch được sử dụng để tắnh tốn liều lượng và sự phân bố liều lượng bên trong thể tắch bia lập kế hoạch phải ựược cân nhắc sao cho thể hiện ựược sự phân bố liều
lượng ựối với thể tắch bia lâm sàng và các tổ chức nguy cấp.
Khi xác ựịnh thể tắch bia lập kế hoạch ựối với thể tắch bia lâm sàng ựã cho,
người ta phải ựánh giá hết tầm quan trọng của những sự khác nhau có thể liên quan ựến sự phân bố chùm tia ựã chọn, cân nhắc thêm về sự phân bố giải phẫu, sự áp dụng các dụng cụ cố ựịnh bệnh nhân.
2.4.2.4. Các tổ chức nguy cấp
Các tổ chức nguy cấp là các mô lành nơi mà ựộ nhạy cảm của tia xạ có thể ảnh hưởng một cách có ý nghĩa ựến việc lập kế hoạch ựiều trị và liều lượng ựược chỉ ựịnh (tổ chức nguy cấp chẳng hạn như tủy sống).
2.4.2.5. Thể tắch ựiều trị
Thể tắch ựiều trị là thể tắch ựược bao quanh bởi một ựường ựẳng liều trên bề
mặt, ựã ựược các nhà ựiều trị tia xạ lựa chọn và ựịnh rõ sao cho ựạt ựược mục đắch ựiều trị.
Hình 2.3 Biểu diễn ựường ựẳng liều của CTV, PTV, và GTV trong ung thư trực tràng
ựược chụp bởi CT trong việc lập kế hoạch ựiều trị
Một cách lý tưởng, liều lượng chỉ phân bố trên thể tắch bia lập kế hoạch. Tuy nhiên, do những hạn chế của kỹ thuật ựiều trị tia xạ, mục ựắch này khơng thể thực hiện
ựược, và ựiều này dẫn ựến việc phải xác ựịnh một thể tắch ựiều trị. Khi một liều lượng
tối thiểu ựối với một thể tắch bia lập kế hoạch ựã ựược chọn một cách thắch hợp, trong một số trường hợp, thể tắch ựiều trị thường lớn hơn nhiều so với thể tắch bia lập kế
hoạch.
2.4.2.6. Thể tắch chiếu xạ
Thể tắch chiếu xạ là thể tắch mà các mơ nhận ựược một lượng liều ựược coi là có ý nghĩa trong việc liên quan ựến tổng liều chịu ựược của các mô lành.
Việc so sánh giữa các thể tắch ựiều trị và thể tắch chiếu xạ ựối với những sự
phân bố chùm tia khác nhau có thể ựược sử dụng như là một phần của q trình lựa
CHƯƠNG 3
MƠ PHỎNG MCNP CHO NGUỒN đƠN KÊNH TRONG THIẾT BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE
Chương này trình bày cách thức mô phỏng nguồn ựơn kênh trong thiết bị LGK bằng chương trình MCNP5. đầu tiên chúng tôi giới thiệu về phương pháp Monte
Carlo, chương trình mơ phỏng MCNP5 và tắnh ưu việt của chương trình, trong đó
chúng tơi cũng giải thắch vì sao chọn chương trình MCNP5 cho bài tốn mơ phỏng này. Sau ựó chúng tơi sẽ giới thiệu q trình mơ phỏng nguồn ựơn kênh bao gồm việc mô phỏng cấu trúc hình học của một nguồn ựơn kênh, cách bố trắ các vật liệu trong
nguồn, qua ựó rút ra ựược kết quả phân bố liều hấp thụ trên các trục Ox, Oy và Oz ựối với nguồn ựơn kênh.
3.1 Phương pháp Monte Carlo
đây là phương pháp dùng ựể mô phỏng sự tương tác của các photon, neutron
với nhau hay là với môi trường. Các mơ hình tự nhiên được mơ phỏng dựa trên các lý thuyết ựộng lực học cần thiết theo yêu cầu của hệ.
Trong q trình mơ phỏng một photon hoặc electron ựược xem như ỘhạtỢ ựược sinh ra từ một nguồn bao gồm năng lượng ban ựầu, vị trắ tương tác, góc tán xạẦ trên cơ sở của các tương tác vật lý, bảng tiết diện mở rộng và số giả ngẫu nhiên. Một hạt
ựược tạo ra bằng cách lấy mẫu một nguồn có năng lượng E từ danh sách của các năng
lượng có sẵn kết hợp với vị trắ đầu tiên r và hướng tới Ω. Trong khơng gian pha cho mỗi q trình tương tác và vị trắ mới lại ựược lấy mẫu kết hợp với năng lượng còn lại
và một hướng mới. Quá trình này ựược lặp lại cho ựến khi nguồn hạt và tất cả các hạt thứ cấp ựã ựể lại tồn bộ năng lượng của nó.
Phương pháp Monte Carlo rất thắch hợp khi giải các bài tốn phức tạp khơng thể mơ hình bằng các chương trình máy tắnh theo các phương pháp tất ựịnh (deterministic methods). Thật vậy, trong lĩnh vực y học, với sự phát triển của các thiết bị kỹ thuật cao dùng trong việc ựiều trị bệnh nhân thì yêu cầu chắnh xác trong việc tắnh tốn liều chiếu ngày càng ựược quan tâm, trong khi đó việc giải bài tốn với các cấu hình phức tạp
dường như không thể thực hiện ựược bằng các phương pháp giải tắch thơng thường. Vì vậy, sử dụng phương pháp Monte Carlo trong việc mô phỏng sự vận chuyển bức xạ ựã trở nên rất phổ biến trong việc tắnh tốn phân bố liều trong kỹ thuật xạ trị ựể ựiều trị
cho bệnh nhân. Hình 3.1 cho thấy khi cấu trúc hình học càng phức tạp, càng gần với thực tế thì mức ựộ khó khăn của việc giải quyết bài toán theo phương pháp giải tắch càng tăng nhanh hơn nhiều so với phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
Hình 3.1 So sánh phương pháp Monte Carlo với các phương pháp giải tắch về thời
Ngày nay, chương trình mơ phỏng Monte Carlo ựược sử dụng cho nhiều mục đắch khác nhau. Một trong những ứng dụng đó là chương trình MCNP.
3.2 Chương trình MCNP (Monte Carlo N Ờ Particle) 3.2.1. Giới thiệu chương trình MCNP [10] 3.2.1. Giới thiệu chương trình MCNP [10]
Chương trình MCNP ựược phát triển ban ựầu bởi phịng thắ nghiệm quốc gia
Los Alamos của Mỹ. Các nhà bác học Fermi, Von Neumanm, Ulam, Metropolis và Richtmyer là những người ựóng góp chắnh trong việc xây dựng chương trình tắnh này.
Dưới sự chỉ ựạo của những nhà bác học này chương trình tắnh MCNP đã ựược ra ựời
với cơng sức của hơn 400 nhà khoa học.
MCNP là chương trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo để mơ phỏng các
quá trình vật lý hạt nhân ựối với neutron, photon, electron mang tắnh thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các tia bức xạ với vật chất, thông lượng neutronẦ). MCNP sử dụng các thư viện dữ liệu của các quá trình hạt nhân, các quy luật thống kê, số ngẫu nhiên ghi lại các sự kiện của một hạt trong suốt quá trình kể từ khi phát ra từ nguồn ựến hết thời gian sống của nó.
Chương trình có một số ựặc ựiểm sau:
Ớ Chương trình có thể tắnh tốn ựối với riêng neutron, riêng photon, riêng
electron, nó có thể tắnh tốn đối với cặp neutron và photon cũng như cặp
neutron và electron.
Ớ Giải năng lượng tắnh với neutron: 10-11 MeV ựến 20 MeV; dải năng
lượng tắnh với photon và electron là 1 keV ựến 1000 MeV.
Ớ MCNP cho phép mô tả hình học của bài tốn, mơ tả vật liệu, chọn các giá trị tiết diện.
Ớ MCNP cho phép tắnh dịng qua bề mặt (surface current), mật ựộ dòng qua bề mặt (surface flux), tắnh quãng ựường mật ựộ dòng trong cell (track length
estimate of cell flux), mật độ dịng tại một ựiểm, tắnh qng đường theo năng
lượng phân hạch, và phân bố năng lượng của các xung trong ựiểm ựo.
3.2.2. Mơ hình hóa tương tác của photon lên vật chất trong chương trình MCNP
Chương trình MCNP tạo ra số hạt theo yêu cầu người sử dụng, sau ựó giải quyết vấn ựề va chạm của các hạt đó qua hai mơ hình: mơ hình vật lý ựơn giản và mơ hình
chi tiết dựa trên lý thuyết của bốn loại tương tác là tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh, hiệu ứng quang ựiện và hiệu ứng tạo cặp. Trong mơ hình vật lý ựơn giản người ta
khơng tắnh ựến tán xạ Thomson và photon huỳnh quang trong hiệu ứng quang ựiện. Mơ hình này dùng cho các bài tốn mà photon có năng lượng cao hoặc các bài tốn mà ở ựó điện tử là tự do. Trong mơ hình chi tiết người ta có tắnh ựến tán xạ Thomson và các
photon huỳnh quang. Mơ hình chi tiết ựược áp dụng cho các bài tốn có năng lượng
thấp hơn (<100 MeV) và mơi trường có liên kết ựiện tử. Các bài toán tắnh tốn cho
liều, hiệu suất che chắn (dùng vật liệu che chắn có Z cao) ựối với các nguồn phát
photon tự nhiên cũng thuộc phạm vi áp dụng mơ hình chi tiết.
Ngồi ra trong MCNP, các quá trình tương tác của hạt lên vật chất ựược tắnh
tốn rất chi tiết. đó là các hiệu ứng quang ựiện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp. Bởi vì việc tắnh tốn các hiệu ứng này tương ựối phổ biến trong các tài liệu nên trong phạm vi của luận văn này sẽ khơng trình bày lại.
3.2.3. điều kiện ựể mơ phỏng một chương trình MCNP
Ớ Nguồn mơ phỏng phải là nguồn thực bao gồm các thông số: năng lượng, góc tán xạ, khoảng khơng gian phân bố và thời gian phụ thuộc
Ớ Vật liệu phải ựược xác ựịnh ựầy ựủ và chắnh xác kể cả việc khai báo ựộ tinh
khiết bao nhiêu phần trăm.
3.2.4. Cấu trúc của chương trình MCNP [8]
Phần quan trọng ựể có một chương trình MCNP chắnh là tệp ựầu vào. Trong tệp
đầu vào các thơng số như số hạt cần gieo, các thông số chắnh xác của nguồn ựược khai
báo, các thông số về phantom như kắch thước và chất liệu. Qua các thông số nhận ựược MCNP sử dụng thư viện số liệu hạt nhân và các q trình tắnh tốn, gieo số ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố, ghi lại sự kiện lịch sử phát ra từ nguồn cho ựến hết thời
gian sống của nó. Khả năng mơ tả hình học ba chiều của MCNP là rất tốt trong tệp số liệu vào chuẩn ựược chia ra làm 3 phần là ựịnh nghĩa mặt, ựịnh nghĩa ô mạng (cell) và
ựịnh nghĩa vật liệu. Chúng ựược ngăn cách nhau bằng các dòng trống.
định nghĩa mặt là các dạng tồn phương liên kết tạo thành các ơ mạng. Gồm
các loại mặt và ký hiệu như sau:
Mặt phẳng:
PX 1.0 là mặt phẳng vng góc với trục x tại ựiểm x = 1.0 cm PY -10.0 là mặt phẳng vng góc với trục y tại ựiểm y = -10.0 cm PZ 1.0 là mặt phẳng vng góc với trục z tại ựiểm z = 1.0 cm
Mặt cầu:
SO 100.1 là mặt cầu có tâm tại gốc tọa ựộ và có bán kắnh là 100.1 cm
SY 10.0 3.0 là mặt cầu có tâm nằm trên trục y tại ựiểm y = 10.0 cm và có bán
S 1.0 2.0 4.5 2.0 là mặt cầu có tâm tại ựiểm có tọa ựộ (1.0, 2.0, 4.5) và có bán
kắnh 2.0 cm.
Mặt trụ:
CY 1.0 là mặt trụ nằm trên trục y có bán kắnh là 1.0 cm
C/Z 3.0 5.0 2.4 là mặt trụ song song với trục z có tâm nằm tại tọa ựộ (x, y) =
(3,5)cm và có bán kắnh là 2.4 cm.
Ngồi ra MCNP cịn ựược sử dụng ựể viết các mặt khác như mặt nón, mặt elip, mặt parabol hay mặt hyperbol.
định nghĩa ô mạng (Cell)
Cell ựược ựịnh nghĩa là sự giao nhau của một hay nhiều mặt, mỗi cell ựược xác ựịnh bởi một số nhất ựịnh. Trong mỗi cell ta cần phải khai báo vật liệu, mật ựộ vật chất.