Tính tốn được tiến hành trên các máy tính trong hệ máy Work Station (WS) tại Phịng Vật lý Tính tốn thuộc Trường ðại học Khoa học Tự nhiên TPHCM. Số hạt được thực hiện mơ phỏng là 110 triệu hạt và khoảng cách từ nguồn (cửa thốt) đến bề mặt phantom nước là SSD = 100cm. Tác giả thực hiện mơ phỏng cho chùm photon với 2 mức năng lượng 6MV và 15MV ứng với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2, số liệu mơ phỏng sẽ được so sánh với số liệu chuẩn liều bằng liều kế tại Bệnh viện Chợ Rẫy.
4.3.1.1 Máy gia tốc phát chùm photon 6MV
ðường cong phân bố liều theo độ sâu
Hình 4.5 trình bày các đường cong phân bố liều theo độ sâu thu được từ thực nghiệm và mơ phỏng MCNP5 với chùm photon 6MV. Dựa vào Hình 4.5, ta thấy liều hấp thụ theo độ sâu của 2 trường chiếu đều đạt giá trị cực đại tại độ sâu 101.5cm (tức độ sâu 1.5cm cách mặt nước) và giá trị mơ phỏng phù hợp tốt với giá trị thực nghiệm. Sai số tính tốn giữa các giá trị mơ phỏng và thực nghiệm đều dưới 7%.
Hình 4.5: So sánh phân bố liều theo độ sâu của chùm photon 6MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2
ðường cong phân bố liều theo phương ngang
Chúng ta tiến hành tính tốn bằng mơ phỏng và so sánh với giá trị thực nghiệm liều phân bố theo phương ngang ở các độ sâu 1.5cm, 5cm, 10cm, 15cm và 20cm. Hình 4.6 và Hình 4.7 trình bày phân bố liều theo phương ngang ứng với các độ sâu khác nhau.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 4.6: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng độ sâu (a) 1.5cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm
Dựa vào các đồ thị Hình 4.6 và Hình 4.7, ta thấy cĩ sự phù hợp khá tốt giữa giá trị mơ phỏng với giá trị thực nghiệm ở vùng bên trong trường chiếu. ðối với Hình 4.6 so sánh hai trường chiếu trên cùng một độ sâu ta thấy rằng tại khu vực bên trong trường chiếu mức độ trên lệch liều tương đối giữa hai mơ phỏng và thực nghiệm là khá nhỏ. Tuy nhiên tại vùng bên ngồi trường chiếu, sự chênh lệch càng lớn khi độ sâu càng tăng. Ngồi ra ở vùng biên của trường chiếu, đường cong mơ phỏng cĩ khuynh hướng dốc hơn đường thực nghiệm. Hình 4.7 cũng cho ta thấy ở độ sâu càng lớn thì đường phân bố liều hấp thụ càng cĩ xu hướng loe ra, điều này cĩ thể là do chùm photon càng đi vào sâu càng bị tương tác tán xạ ra ngồi khu vực trường chiếu nhiều hơn.
(a)
(b)
Hình 4.7: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 6MV với nhiều độ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8 × 8 cm2 và (b) cho trường chiếu 10 × 10 cm2
4.3.1.2 Máy gia tốc phát chùm photon 15MV
ðường cong phân bố liều theo độ sâu
Hình 4.8 trình bày các đường cong phân bố liều theo độ sâu thu được từ thực nghiệm và mơ phỏng MCNP5 với chùm photon 15MV. Dựa vào Hình 4.8, ta thấy liều hấp thụ theo độ sâu của 2 trường chiếu đều đạt giá trị cực đại tại độ sâu 102.8cm (tức độ sâu 2.8 cm cách mặt nước). Các giá trị mơ phỏng phù hợp tốt với giá trị thực nghiệm với sai số tính tốn đều nhỏ hơn 3%.
Hình 4.8: So sánh phân bố liều theo độ sâu của chùm photon 15MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2
ðường cong phân bố liều theo phương ngang
Với trường hợp máy gia tốc phát chùm photon 15MV, chúng ta cũng tiến hành mơ phỏng và so sánh với giá trị thực nghiệm tại các độ sâu 2.8cm, 5cm, 10cm, 15cm và 20cm với cùng cách thức như chùm photon 6MV. Hình 4.9 và Hình 4.10 trình bày phân bố liều theo phương ngang ứng với các độ sâu khác nhau.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 4.9: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng độ sâu (a) 2.8cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm
Dựa vào các đồ thị Hình 4.9 và Hình 4.10, ta thấy vẫn cĩ sự phù hợp khá tốt giữa giá trị mơ phỏng với giá trị thực nghiệm ở vùng bên trong trường chiếu. Các dạng phân bố liều của chùm photon 15MV khơng khác so với chùm photon 6MV. Tuy nhiên tại vùng biên của trường chiếu lại cĩ sự chênh lệch giữa mơ phỏng và thực nghiệm, sự chênh lệch này rõ ràng hơn so với trường hợp photon 6MV. Ngồi ra ở vùng bên ngồi của trường chiếu, sự khác biệt giữa mơ phỏng và thực nghiệm ít hơn so với trường hợp photon 6MV. Một điều cần lưu ý là trong lần mơ phỏng với chùm photon 15MV, chúng ta đã thay bộ lọc khác so với chùm photon 6MV.
(a)
(b)
Hình 4.10: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 15MV với nhiều độ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8×8cm2 và (b) cho trường chiếu 10×10 cm2
4.3.1.3 Nhận xét chung
Qua việc so sánh các đường phân bố liều tương đối trong phantom nước giữa mơ phỏng và thực nghiệm, ta cĩ thể rút ra được một số nhận xét sau:
Phân bố liều tương đối theo độ sâu là giữa mơ phỏng và thực nghiệm là rất phù hợp với nhau, khác biệt giữa hai phương pháp là nhỏ hơn 7% với năng lượng chùm photon 6MV và 3% với năng lượng chùm photon 15MV. Do tally sử dụng ở đây là tally F8 cĩ thời gian mơ phỏng hơi lâu nên thăng giáng thống kê trong mơ phỏng vẫn cịn tương đối lớn. Tuy nhiên trong cơng trình [10], với việc sử dụng hai chương trình MCNP và GEANT3, Mesbahi và cộng sự vẫn nhận thấy sự sai lệch cỡ dưới 7% trong trường hợp phân bố liều theo độ sâu, đặc biệt là ở vùng buildup cho dù đã giảm sai số thống kê của mơ phỏng xuống dưới 1%. Cùng với [23], các tác giả cho rằng sự sai lệch này cũng cĩ thể được gây ra bởi sự khơng chính xác của các liều kế đo đạc do các photon tán xạ từ nhiều hướng khác nhau vào vùng thể tích của liều kế. Ngồi ra, sự nhiễm bẩn electron trong chùm tia photon phát ra từ máy gia tốc cũng cĩ thể là một nguyên nhân gây ảnh hưởng, điều này cũng đã được nghiên cứu trong [11] [17] với các chùm photon 6MV và 18MV.
ðối với phân bố liều theo phương ngang, ta nhận thấy cĩ sự phù hợp rất tốt giữa mơ phỏng và thực nghiệm ở vùng bên trong trường chiếu, sai số trong tất cả các trường hợp đều dưới 2%. Ở ngồi biên của trường chiếu, sai lệch giữa mơ phỏng và thực nghiệm vào cỡ dưới 12% cịn đối với vùng bên ngồi trường chiếu, sự sai lệch thay đổi rất lớn theo từng cấu hình mơ phỏng và cĩ thể lên tới 50% ở vùng khơng quá xa trường chiếu. Một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng tới phân bố liều theo phương ngang là đặc trưng của chùm tia electron tới. Các tác giả trong [9] đã nghiên cứu thay đổi bán kính chùm electron từ 0.2 đến 4mm và cho thấy đối với kích thước trường chiếu càng lớn thì sự ảnh hưởng của bán kính chùm electron lên phân bố liều theo phương ngang càng rõ rệt. Sự ảnh hưởng này càng rõ rệt khi tăng độ sâu càng khảo sát, điều này dễ dàng được nhận ra trong Hình 4.6 và Hình 4.9, khi độ sâu càng tăng thì sự chênh lệch ở vùng ngồi trường chiếu càng lớn. Ngồi ra ảnh hưởng của năng lượng chùm tia electron cũng đã được nghiên cứu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong [22] bằng việc mơ phỏng EGS các chùm electron đơn năng. Kết quả cho thấy các electron năng lượng cao sẽ cĩ xu hướng làm phẳng phân bố liều hơn là các electron cĩ năng lượng thấp. Từ đây ta cĩ thể suy đốn rằng các phân bố năng lượng được sử dụng trong luận văn hơi lệch về phía vùng năng lượng thấp hơn so với phân bố năng lượng thực tế của chùm electron.
Một nguyên nhân khác cĩ thể gây nên sự sai lệch là do các liều kế, các tác giả trong [22] đã nghiên cứu sự ghi nhận liều của hai loại liều kế là CEA film và buồng ion hĩa IC-15, cho thấy cĩ sự thay đổi trong dạng đường phân bố liều ghi nhận bằng hai loại liều kế khác nhau, đặc biệt là ở vùng biên của trường chiếu. Ngồi ra, kích thước của liều kế cũng ảnh hưởng đến đường phân bố liều. Các tác giả cũng chỉ ra rằng đối với việc đo đạc liều thấp, độ chính xác của các liều kế cũng khơng được cao, đĩ cũng cĩ thể là nguyên nhân dẫn đến sự sai lệch lớn ở vùng ngồi trường chiếu.
Bên cạnh đĩ, một số nguyên nhân khác cĩ thể kể đến ở đây là sự đơn giản hĩa cấu hình của máy gia tốc trong mơ phỏng và sự khơng chính xác trong các thơng số mơ hình đầu máy gia tốc cũng gĩp phần ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Bộ hệ số chuyển đổi thơng lượng sang liều được sử dụng trong MCNP cũng đĩng gĩp một phần vào sai số tính tốn. Hai bộ hệ số được sử dụng trong MCNP là ANSI/ANS–6.1.1–1977 và ICRP-21 [24] cĩ sự chênh lệch giá trị so với nhau, do đĩ chắc chắn sẽ cĩ một sự sai lệch nào đĩ khi sử dụng một trong hai bộ hệ số kể trên.
4.3.2. Kết quả phân bố liều trên voxel phantom
Sau khi tiến hành mơ phỏng phân bố liều tương đối trong phantom nước, tác giả tiến hành mơ phỏng phân bố liều trong voxel phantom. Phantom này được xây dựng từ các số liệu hình chụp CT thu được từ bệnh nhân. ðể xây dựng phantom, tác giả đã sử dụng bộ số liệu CT từ bệnh viện Chợ Rẫy cho một ca u não. Cơng việc xây dựng phantom được tiến hành với việc sử dụng chương trình CODIM để đọc số liệu hình ảnh, chuyển đổi thành input file và tiến hành tính liều trên MCNP5. Hình 4.11 trình bày giao diện phần chuyển đổi của chương trình CODIM.
Hình 4.11: Giao diện chuyển đổi của chương trình CODIM (CONVERT_VIEW)
Kích thước của phantom CT
Mỗi voxel được xây dựng cĩ kích thước 0.5078×0.5078×0.5cm3. Kích thước của phantom được xây dựng trong MCNP5 như sau:
x: -12.99968 cm đến 12.99968 cm. y: -12.99968 cm đến 12.99968 cm. z: -94.25 cm đến -106.25 cm.
Các thơng sốđược thiết lập trên từng hướng chiếu
Tác giả xác lập các thơng số mơ phỏng trùng khớp với chương trình DSS để thuận tiện cho việc so sánh chính xác:
Mơ phỏng được thực hiện theo 3 hướng chiếu với chùm photon 6MV với tọa độ vị trí trung tâm X = 0.8cm, Y = -2.5cm và Z = 0cm với các hướng chiếu như sau:
- Hướng 1 cĩ gĩc 90o so với hướng thẳng đứng từ trên xuống, kích thước trường chiếu được xác lập là 9.6×6.6cm2 (tương ứng với độ mở rộng theo 2 hướng trên trục x và y) với chất lượng chùm tia được thiết lập là 30%.
- Hướng 2 cĩ gĩc 260o so với hướng thẳng đứng từ trên xuống, kích thước trường chiếu được xác lập là 10.0×6.6cm2(tương ứng với độ mở rộng theo 2 hướng trên trục x và y) với chất lượng chùm tia là 30%.
- Hướng 3 cĩ gĩc 180o so với hướng thẳng đứng từ trên xuống, kích thước trường chiếu được xác lập là 10.0×6.6cm2 (tương ứng với độ mở rộng theo 2 hướng trên trục x và y) với chất lượng chùm tia là 40%.
Tính liều và so sánh với chương trình DSS
Sau khi tạo input file và thiết lập đầy đủ các thơng số cho quá trình mơ phỏng, quá trình mơ phỏng bằng MCNP5 được thực hiện dưới sự hỗ trợ của chương trình CODIM, kết quả được đem so sánh với hình ảnh của chương trình lập kế hoạch điều trị DSS. Hình 4.12 trình bày kết quả tính liều bằng MCNP5. Kết quả trong hình tương ứng với lát cắt tại vị trí cách vị trí trung tâm 69mm, được chiếu bởi 3 trường chiếu như xác lập ở trên Giá trị màu sắc các đường đồng liều được chỉ ra trong mục ISODOSE INFORMATION trên giao diện chương trình.
Hình 4.13 so sánh các đường đồng liều thu được sau khi mơ phỏng bằng MCNP5 với các đường thu được từ DSS. Giá trị liều cao nhất là 6220cGy tại vị trí cĩ tọa độ (-2.54, -6.79, 0.00). Trong Hình 4.13, ta chọn 5 điểm O, A, B, C và D là phần ranh giới giữa các khu vực màu. ðể việc so sánh được chính xác, chúng tơi chọn vị trí liều cực đại trên DSS làm vị trí chuẩn và khảo sát liều theo trục đi qua điểm O từ trên xuống. O cũng là điểm nằm trên phần ranh giới giữa khu vực màu đỏ đậm (nhận liều cao nhất) và khu vực màu đỏ.
Hình 4.12: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 được vẽ bằng chương trình CODIM (ISODOSE_MESHTAL)
Hình 4.13: Sự phân bố các đường đồng liều của 2 chương trình mơ phỏng. Bên trái là phân bố các đường đồng liều được mơ phỏng bằng chương trình MCNP5 và bên phải là chương trình DSS
Bảng 4.3. Tọa độ và phần trăm liều tương đối được tính bởi MCNP5 ðiểm Tọa độ điểm ảnh
(điểm)
Tọa độ mơ phỏng (cm)
Liều tương đối (%) O 206,390 (-2.54,-6.79,0) 100 A 206, 336 (-2.54, -4.06, 0) 93.5 B 206, 290 (-2.54, -1.73, 0) 88.22 C 206, 225 (-2.54, 1.57, 0) 79.08 D 206, 207 (-2.54, 2.48, 0) 49.0
Hình 4.14 trình bày liều tương đối cách vị trí trung tâm 2.5cm (đường màu đỏ dọc từ trên xuống trong Hình 4.13) và cách vị trí trung tâm 5cm (đường màu vàng dọc từ trên xuống trong Hình 4.13).
Hình 4.14: Liều tương đối tại các vị trí cách tọa độ trung tâm 2.5cm và 5cm Hình 4.14 cho thấy độ chênh lệch liều cao giữa 2 khu vực, khu vực cách gốc tọa độ 2.5 cm giá trị vùng liều tương đối khu vực liều cao trên 75% trong khi khu vực cách gĩc tọa độ 5cm thì giá trị vùng liều cao chỉ khoảng 55%. ðộ rộng của vùng liều cao của đường màu đỏ là khoảng 9cm.
Như vậy nếu so sánh về hình ảnh, các đường đồng liều thu được từ cả DSS và MCNP5 kết hợp chương trình CODIM cho kết quả khá trùng khớp ở khu vực vùng liều cao. Chương trình CODIM cũng đã thiết lập được các khu vực cĩ liều tương đối khác nhau trong vùng liều cao. Tuy nhiên, vẫn cịn một số những hạn chế nhất định, chẳng hạn vẫn chưa tách biệt được dứt khốt các vùng liều, khu vực vùng liều cao 100% chỉ chiếm một thể tích khá nhỏ. Khu vực vùng liều 100%, 95%, 90% được thiết lập bằng chương trình DSS, trong khi mơ phỏng bằng MCNP5 khu vực đĩ chỉ chiếm liều thấp hơn là 95%, 90% và 85%. ðiều này cĩ thể do các nguyên nhân như:
Thăng giáng trong mơ phỏng tính liều bằng MCNP5 vẫn cịn cao đã dẫn đến sai số trong việc tách biệt các vùng liều. Thuật tốn sử dụng trong MCNP5 là thuật tốn Monte Carlo, địi hỏi thời gian tính tốn lâu và thống kê lớn; cịn chương trình DSS tính tốn dựa trên dữ liệu bán thực nghiệm nên cĩ thăng giáng thống kê tốt hơn. Ngồi ra, khả năng vẽ đường contour của chương trình CODIM vẫn chưa tốt, thiếu khả năng lọc nhiễu trong hiển thị kết quả cuối cùng. Trong quá trình tính tốn, chương trình DSS cũng đã tự động loại bỏ những vật mốc trên CT bệnh nhân như mặt nạ, dây chì, dường nằm và gối kê đầu bệnh nhân trong khi chương trình mơ phỏng bằng MCNP5 lại khơng thể loại bỏ được dẫn đến việc lệch liều trong khu vực liều cao [5]. Bên cạnh đĩ, những yếu tố về trường chiếu, năng lượng, kích thước và thành phần cấu tạo chính xác của các thành phần trong đầu máy gia tốc cĩ thể sẽ cĩ những sai khác nhất định nên dẫn đến sự sai lệch trong quá trình mơ phỏng.
KẾT LUẬN
Việc tính tốn liều trong xạ trị là một bài tốn hết sức phức tạp do sự phức tạp trong quá trình tương tác của bức xạ với vật chất cũng như sự phức tạp của cấu hình thiết bị xạ trị. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và sử dụng các chương trình mơ phỏng Monte Carlo nĩi chung và chương trình MCNP nĩi riêng trong việc mơ phỏng tính tốn liều trong kỹ thuật xạ trị đã trở nên phổ biến do những ưu điểm của các chương trình này mang lại. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mục đích chính của luận văn này là nhằm ứng dụng chương trình mơ phỏng Monte Carlo mà cụ thể là chương trình MCNP5 trong mơ phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị, đồng thời kiểm tra độ chính xác của mơ phỏng trên mơ hình