Máy gia tốc tuyến tính lắp ñặt tại bệnh viện Chợ Rẫy là máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của hãng SIEMENS. Máy có thể phát 2 chùm photon có mức năng lượng là 6MV và 15MV.
4.2.1. Cấu hình ñầu máy gia tốc PRIMUS HPD
Như ñã trình bày trong Chương 2, những bộ phận quan trọng nhất trong việc tạo chùm photon ñiều trị là các thành phần của ñầu máy gia tốc. Mỗi thế hệ, mỗi
nhà sản xuất máy gia tốc sẽ có những nét ñặc trưng riêng cho từng cấu hình ñầu máy gia tốc.
Cấu hình ñầu máy gia tốc PRIMUS HPD bao gồm 9 thành phần chính:
1. Cửa thoát (Exit window): ðược cấu tạo bằng 3 lớp, trong ñó bao gồm 2 lớp Titan có ñộ dày 0.005cm và một lớp nước có ñộ dày 0.066cm. 2. Bia (Target): ðược cấu tạo bằng 8 lớp có ñộ dày khác nhau.Thứ tự cấu
tạo và ñộ dày các lớp lần lượt là Air (0.112cm), Tungsten (0.064cm), Nicoro (0.015cm), Copper (0.165cm), Nicoro (0.005), Stainless Steel (0.102cm), Graphite (1.016 cm) và Stainless Steel (0.004 cm).
3. Bộ lọc phẳng (Flattening filter): ðây là thành phần có cấu tạo phức tạp và dành riêng cho từng mức năng lượng.
4. Buồng ño (Chamber): ðược cấu tạo từ 3 lớp trong ñó có 1 lớp Ceramic (0.152 cm) và 2 lớp Nitrogen (0.184 cm).
5. Gương (Mirror): ðược cấu tạo bởi SiO2 (0.209 cm).
6. Jaw Y: Bao gồm 2 tấm Tungsten (7.620 cm) có ñộ mở theo trục y và có thể di chuyển ñể tạo kích thước trường trên bề mặt phantom.
7. Jaw X: Bao gồm 2 tấm Tungsten (7.620 cm) có ñộ mở theo trục x và có thể di chuyển ñể tạo kích thước trường trên bề mặt phantom.
8. Tấm MICA: Là tấm MICA (0.663cm). 9. Không khí (AIR): Có ñộ dày 56.805 cm.
Năng lượng của electron ñập vào bia ñược chọn lọc bằng cách cho qua một từ trường bẻ cong hướng, các electron này ñược cho qua cửa thoát và ñập vào bia. Bia ñược tạo thành chủ yếu bởi graphite nhằm tạo ra bức xạ bremsstrahlung năng lượng cao khi tương tác với chùm electron. Chùm bremsstrahlung ñược phát ra từ bia có dạng phân bố Gauss và có thể ñược làm phẳng bằng cách sử dụng bộ lọc. Cường ñộ của các photon bremsstrahlung phát ra ñược ño bởi buồng ion hóa ñặt phía dưới và có thể ñược chuẩn trực ñể tạo thành dạng trường chiếu xác ñịnh thông qua việc sử dụng các cặp ngàm. Bộ phận gương làm bằng mica có nhiệm vụ tạo ra ánh sáng, ñể ñiều chỉnh trường chiếu phù hợp với vị trí của bệnh nhân. Trên gương
có các ñường chữ thập ñể xác ñịnh tâm của trường chiếu và cũng ñược sử dụng ñể xác ñịnh vị trí của bệnh nhân.
4.2.2. Mô hình ñầu máy gia tốc trong MCNP5
Vì kích thước và chất lượng chùm photon ñiều trị ñiều trị phụ thuộc rất lớn vào ñầu máy gia tốc, nơi mà chùm electron bắt ñầu rời khỏi ống gia tốc qua cửa thoát, ñập vào các thành phần của ñầu máy gia tốc và tạo thành chùm photon ñiều trị. Do ñó mô phỏng MCNP5 sẽ ñược thực hiện bắt ñầu ngay từ khi chùm electron thoát khỏi cửa thoát máy gia tốc.
Cũng giống như các chương trình mô phỏng Monte Carlo khác, MCNP5 ñòi hỏi phải khai báo ñầy ñủ thông tin kích thước và thuộc tính vật chất của các thành phần ñưa vào mô phỏng. Do ñó, sau khi nhận ñược ñầy ñủ cấu hình ñầu máy gia tốc, tác giả tiến hành thiết lập cấu hình trên input file của MCNP5. Sau ñây là cấu hình ñược thiết lập trên MCNP5 ñược vẽ từ chương trình Visual Editor của MCNP5.
Hình 4.1: Mô hình máy gia tốc 2D, bên trái là mô hình máy gia tốc phát chùm photon 6MV và bên phải là mô hình máy gia tốc phát chùm photon 15MV
Hình 4.2: Mô hình máy gia tốc 3D ñược vẽ bằng Visual Editor của MCNP5
4.2.3. Khai báo nguồn
Nguồn ñược lựa chọn mô phỏng có dạng nguồn ñĩa, bán kính sẽ nguồn ñược thay ñổi từ 0.01 ñến 2.0mm, ñể từ ñó nhận thấy rằng với bán kính nguồn là 1.5mm thì mô phỏng có kết quả phù hợp nhất. ðồng thời, ñể phù hợp với ñiều kiện thực nghiệm, chúng ta lựa chọn nguồn phát mô phỏng trong MCNP5 là nguồn phát electron.
Nguồn phát chùm photon 6MV:
Nguồn ñược lựa chọn mô phỏng ñể phát chùm photon có mức năng lượng 6MV là nguồn electron có phổ năng lượng từ 0.7MeV ñến 7MeV và tương ứng với xác suất phát hạt như trong Bảng 4.1.
Bảng 4.1: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon 6MV Khoảng năng lượng
(MeV)
Xác suất Khoảng năng lượng (MeV) Xác suất 0.7 – 4.0 1.31E-11 5.75 – 6 2.98E-01 4.0 – 5 4.29E-04 6 – 6.25 2.98E-01 5 – 5.25 5.80E-03 6.25 – 6.5 1.55E-01 5.25 – 5.5 4.16E-02 6.5 – 6.75 4.16E-02 5.5 – 5.75 1.5E-01 6.75 - 7 5.08E-03
Nguồn phát chùm photon 15MV:
Nguồn ñược lựa chọn mô phỏng ñể phát chùm photon có mức năng lượng 15MV là nguồn electron có phổ năng lượng từ 0.7 MeV ñến 15.5 MeV tương ứng với xác suất phát hạt như trong Bảng 4.2.
Bảng 4.2: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon 15MV Khoảng năng lượng
(MeV)
Xác suất Khoảng năng lượng (MeV) Xác suất 0.7 – 9.0 7.620E-24 12.5 – 13.0 4.736E-02 9.0 – 10.0 1.308E-11 13.0 – 13.5 4.288E-04 10.0 – 11.0 4.290E-04 13.5 – 14.0 2.866E-07 11.0 – 11.5 7.360E-03 14.0 – 14.5 1.308E-11 11.5 – 12.0 4.522E-01 14.5 – 15.0 3.930E-17 12.0 – 12.5 4.522E-01 15.0 – 15.5 7.620E-24 4.2.4. Cấu hình Phantom
Công việc mô phỏng tính liều xạ trị ñược tiến hành trên hai loại phantom: phantom nước và voxel phantom thu ñược từ dữ liệu CT.
Phantom nước
Tác giả lựa chọn phantom nước có dạng hình hộp có kích thước 50×50×50cm3. ðây cũng là phantom ñược các kỹ sư vật lý y học hạt nhân tại bệnh viện Chợ Rẫy sử dụng ñể chuẩn liều ñiều trị cho máy gia tốc. Mặt nước phantom ñược ñặt cách nguồn ñiều trị 100cm (tính liều theo phương pháp SSD = 100cm).
• ðể tính phân bố liều theo ñộ sâu, tác giả ñã sử dụng tally F8 và chia phantom nước thành các voxel dọc theo trục trung tâm có kích thước 4×4×0.3cm3, như Hình 4.3a.
• ðể tính phân bố liều theo phương ngang, tác giả sử dụng tally FMESH ñể chia ñều phantom nước thành những voxel nhỏ có kích thước 4×0.05×0.27cm3, tương ứng với mỗi thể tích voxel là 0.054cm3, như Hình 4.3b.
(a) (b)
Hình 4.3: (a) Phantom nước ñược chia thành các voxel 4×4×0.3cm3 trong tính liều theo ñộ sâu.
(b) Mặt cắt theo trục oxy của phantom nước ñược chia thành các voxel 4×0.05×0.27cm3 trong tính liều theo phương ngang.
Voxel phantom
Tác giả xây dựng voxel phantom từ sự hỗ trợ của chương trình CODIM. Mỗi số CT trên hình CT sẽ ñược chuyển thành một số vật chất trong phantom và có cùng kích thước bề mặt với 1 pixel. Mỗi thành phần vật chất trong phantom ñược cấu thành từ những voxel, mỗi voxel trong phantom CT có kích thước bằng kích thước 1 pixel nhân với ñộ dày lát cắt CT (thông tin thu ñược từ phần header của file hình ảnh CT).
Hình ảnh CT ñược ñem mô phỏng là hình ảnh thu nhận ñược từ bệnh viện Chợ Rẫy ñược thực hiện trên máy chụp cắt lớp CT của SIEMENS. Hình ảnh ñược cấu thành từ 512 × 512 pixel ñiểm ảnh. Kích thước mỗi pixel là 0.5078 × 0.5078 mm2 và ñộ dày mỗi lát cắt CT là 5mm (xem Hình 4.4).
4.2.5. Các thông số mô phỏng Monte Carlo cho MCNP5
Tally
Tally là phương thức tính toán ñược MCNP cung cấp ñể thu ñược các kết quả ghi nhận của các hạt truyền trong môi trường vật chất. Tùy vào mục ñích tính toán khác nhau mà ta có thể lựa chọn sử dụng loại tally nào tương ứng. Các phiên bản MCNP cũ cung cấp tất cả là 7 loại tally gồm có F1, F2, F4, F5, F6, F7, F8. Bên cạnh ñó phiên bản MCNP5 còn cung cấp thêm một loại tally mới là tally FMESH. Trong phạm vi luận văn này, chúng ta chỉ cần sử dụng 2 loại tally là F8 và FMESH ñể xác ñịnh liều hấp thụ trong phantom.
• Tally F8: là tally cung cấp phân bố của năng lượng của bức xạ phát ra ñược
thu nhận trong cell và ñược gọi là tally ñộ cao xung. Trong luận văn, tally F8 ñược dùng ñể tính liều hấp thụ của các voxel trên trục trung tâm (phân bố liều hấp thụ theo ñộ sâu) của phantom nước thông qua việc tính toán năng lượng ñể lại trong từng voxel.
• Tally FMESH: là tally tính toán ước lượng chiều dài vết của thông lượng hạt
tạo ra trong từng cell, giá trị ñược tính trung bình trên một mạng lưới cell, ñơn vị của tally FMESH là hạt/cm2. Trong luận văn, tally FMESH ñược dùng ñể chia nhỏ phantom nước và voxel phantom thành một mạng lưới các voxel nhỏ và tính phân bố liều lên các voxel bằng cách chuyển ñổi từ thông lượng sang liều thông qua bộ hệ số chuyển ñổi (flux-to-dose rate conversion factors) theo chuẩn ANSI/ANS–6.1.1–1977 [24].
Số hạt (NPS)
Quy ñịnh số hạt phát ra tại cửa thoát của máy gia tốc hay nói cách khác là số biến cố ñược sử dụng trong mô phỏng Monte Carlo. Thông số này ñược ñưa vào bởi người dùng.
Thời gian (CTME)
Quy ñịnh thời gian tính toán mô phỏng, thời gian càng nhiều số lịch sử hạt phát ra càng lớn. Trong quá trình mô phỏng MCNP, nếu một trong hai thông số NPS và CTME ñạt tới ngưỡng quy ñịnh trước thì chương trình sẽ kết thúc.
Kĩ thuật giảm phương sai
Các kĩ thuật giảm phương sai nhằm mục ñích giảm thời gian tính toán của chương trình mà không ảnh hưởng ñến ñộ chính xác của bài toán. Trong luận văn này tác giả ñã áp dụng hai kĩ thuật là năng lượng cắt (energy cut-off) và phân chia bremsstrahlung (bremsstrahlung splitting).
Do việc mô phỏng vận chuyển electron trong vật chất tốn rất nhiều thời gian chạy chương trình nên ñể rút ngắn thời gian, tác giả ñã chọn mức năng lượng cắt của electron là vào khoảng 0.7MeV và mức năng lượng cắt của photon là vào khoảng 0.01MeV. Nếu trong quá trình mô phỏng, năng lượng của các electron và photon rơi xuống dưới các ngưỡng cắt này thì chương trình MCNP sẽ ngưng khảo sát tiếp các hạt ñó.
ðồng thời, tác giả cũng áp dụng phương pháp phân chia bremsstrahlung có trong chương trình MCNP. Trong phương pháp này, ở mỗi tương tác phát bức xạ bremsstrahlung, electron sẽ phát ra N photon thay vì chỉ 1 photon như phương pháp mô phỏng thông thường, mỗi photon phát ra sẽ có trọng số 1/N. Theo công trình [9], chúng ta chọn số photon phát ra ở ñây là N = 80.
4.3. ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 4.3.1. Kết quả phân bố liều trên phantom nước