ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
……… o0o…………
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TÍNH
LIỀU HẤP THỤ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ PHỔI
BẰNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH SVTH: TRẦN VĂN NGHĨA
CBHD: ThS. NGUYỄN THỊ CẨM
THU
ThS. LÊ THANH XUÂN
GVPB: ThS. NGUYỄN TẤN CHÂU TP. HỒ CHÍ MINH - 2014
3.2.1 Yêu cầu 19
3.2.2 Quy trình lập kế hoạch 19
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH MCNP5 27
4.1 Mục đích 27
4.2 Cấu hình đầu máy gia tốc PRIMUS và mô phỏng MCNP5 27
4.2.1 Cấu hình đầu máy gia tốc PRIMUS HPD 27
4.2.2 Mô hình đầu máy gia tốc trong MCNP5 29
4.2.3. Khai báo nguồn 29
4.2.4. Cấu hình Phantom 30
4.2.5 Các thông số mô phỏng cho MCNP5 31
4.3 Đánh giá kết quả tính toán phân bố liều trên phantom CT 33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
a

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
FOM: chỉ số chất lượng tính toán trong mô phỏng
N: số lần tính
R: tỉ số giữa thăng giáng chuẩn và giá trị trung bình.
T: thời gian tính (s)


: thăng giáng chuẩn
: giá trị trung bình của phép đo
Danh mục chữ viết tắt
2D: Two – Dimensional
3D: Three – Dimensional
ADN: Acid Deoxyribo Nucleic

Hình 1.3: Xạ trị ung thư vú giai đoạn sớm bằng xạ trị áp xát ………………………8
Hình 1.4: Xạ trị áp sát trị ung thư vòm họng… 8
Hình 1.5: Xạ trị ngoài bằng máy Colbalt 60 ……………………………………… 10
Hình 2.1: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị ……………………………… 12
Hình 3.1: Biểu tượng nút chọn cài dặt tâm chì được thiết kế trong phần mềm Prowess
Panther …………………………………… 22
Hình 3.2: Hình ảnh được Prowess Panther hiển thị sau khi chọn Cross section of
marker ……………………………22
Hình 3.3: Đường contour bao quanh khối u và cơ quan lành: đường màu đỏ bao quanh
khối u, đường màu vàng bao quanh tủy sống, đường màu cam bao quanh phổi phải,
d

đường màu xanh dương bao quanh tim, đường màu hồng nhạt bao quanh phổi
trái …………………… 23
Hình 3.4: Hướng các trường chiếu ứng với góc quay: 20
0
là hướng từ trên suống hơi
chếch sang phải, 195
0
là hướng từ dưới lên hơi chếch sang trái, 270
0
là hướng từ trái
qua ……………… 24
Hình 3.5: Hình dạng các trường chiếu và nêm tương ứng ………………… … 24
Hình 3.6: Khối che (block) ứng với hai trường chiếu, (a) hình dạng khối che chắn ứng
với trường chiếu 20
0
, (b) hình dạng khối che chắn ứng với trường chiếu
195
0

Nghiên cứu phòng chống ung thư Việt Nam đăng trên báo Lao Động số 27, đăng ngày
7 tháng 2 năm 2014 thì cả nước có từ 240 nghìn đến 250 nghìn người mắc bệnh ung
thư. Mỗi năm, có 150 nghìn ca mắc bệnh mới và có từ 75 nghìn tới 85 nghìn người tử
vong vì căn bệnh này. Một con số đáng báo động và có xu hướng tăng lên theo mỗi
năm.
Ung thư có thể chữa trị bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng tập trung chủ
yếu vào ba phương pháp chính là: xạ trị, hóa trị và phẫu thuật. Trong đó, xạ trị là
phương pháp đem lại hiệu quả cao và đang được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay.
Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng để tính toán liều hấp thụ của khối u và các cơ
quan lành là không thể thiếu ở các bệnh viện xạ trị. Vì thời gian lập kế hoạch là có giới
hạn nên phương pháp Monte Carlo thường không được áp dụng ở các bệnh viện. Tuy
nhiên, phương pháp Monte Carlo cho kết quả có độ tin cậy rất cao…. Với ý nghĩa quan
trọng đó, khóa luận thực hiện việc tính liều hấp thụ lên khối u ở phổi khi xạ trị bằng
máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP5 và so sánh
kết quả mô phỏng với kết quả có được từ chương trình lập kế hoạch tại bệnh viện. Với
nội dung như trên, khóa luận được trình bày gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về ung thư và các phương pháp xạ trị.
2

Chương 2: Giới thiệu máy gia tốc tuyến tính và chương trình MCNP5.
Chương 3: Lập kế hoạch xạ trị ung thư phổi dựa trên phần mềm Prowess Panther.
Chương 4: Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5.
3

CHƯƠNG 1
TỒNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ
1.1 Tổng quan về ung thư và xạ trị
1.1.1 Ung thư
Ung thư là một nhóm các bệnh liên quan đến sự thay đổi về sinh sản, tăng trưởng
và chức năng của tế bào [10]. Các tế bào bình thường trở nên đột biến và tăng sinh một

 Phẫu thuật: mục đích của nó là có thể cắt bỏ chỉ khối u đơn thuần hoặc toàn bộ
cơ quan. Ví dụ như phẫu thuật cắt bỏ tuyến vú ở ung thư vú, cắt bỏ tuyến tiền
liệt ở ung thư tuyến tiền liệt Bên cạnh đó, phẫu thuật cũng cần thiết cho phân
loại giai đoạn như xác định độ lan tràn của bệnh, xem thử đã có di căn đến các
vùng khác hay không, đồng thời cho biết tiên lượng và nhu cầu điều trị bổ sung.
 Hóa trị: là điều trị ung thư bằng thuốc (thuốc chống ung thư) có khả năng tiêu
diệt tế bào ung thư. Chúng can thiệp vào phân bào theo các cách khác nhau như
sự sao chép DNA hay quá trình phân chia các nhiễm sắc thể mới được tạo
thành. Hóa trị có tác động đến cả các tế bào ung thư cũng như tế bào lành nên
nó gây ra các tác dụng phụ không mong muốn tới tế bào tiêu hóa trong ruột,
lông, tóc, các tế bào máu dẫn tới rụng tóc, tiêu chảy, nhiễm khuẩn do giảm
bạch cầu, chảy máu do hạ tiểu cầu Thường thì những tác dụng phụ này sẽ hết
sau khi kết thúc hóa trị.
 Ức chế nội tiết tố: là dùng thuốc ngăn cản hay tiêu diệt các hốc môn tham gia
vào sự phát triển của tế bào ung thư như là estrogen đối với ung thư vú hay
testosterone đối với ung thư tiền liệt tuyến.
6

 Điều trị kết hợp: là sử dụng kết hợp một hay hai biện pháp lại với nhau để đạt
kết quả tốt hơn như kết hợp giữa biện pháp phẫu thuật và biện pháp xạ trị hay
kết hợp giữa hóa trị và xạ trị với nhau.
Việc sử dụng các phương pháp nào để điều trị có hiệu quả còn tùy thuộc vào giai
đoạn, sức chịu đựng của cơ thể, khả năng của cơ sở điều trị và một phần kinh nghiệm
của thầy thuốc chuyên khoa. Ngày nay, cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của
nền y học hiện đại, xạ trị được xem là một trong các phương pháp cơ bản để điều trị
ung thư.
1.2 Phương pháp xạ trị
Xạ trị được chia làm hai phương pháp chính: xạ trị trong và xạ trị ngoài.
1.2.1 Xạ trị trong (Brachytherapy)
Xạ trị trong hay còn gọi là xạ trị áp sát là kỹ thuật điều trị sử dụng các nguồn đồng

điều trị những khối u tương đối nông sẽ cải thiện được độ chính xác hình học hơn các
chùm photon. Chính vì vậy, phương pháp xạ trị bằng chùm electron cũng được ứng
dụng rộng rãi vào ngày nay. Ngoài ra, xạ trị ngoài với các loại bức xạ khác như chùm
neutron, chùm hạt tích điện như proton có thể dùng trong điều trị lâm sàng cũng được
đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, các thiết bị tạo ra chúng rất đắt, vì vậy các bức xạ này ít
được sử dụng.
Một số phát triển mới đây trong kĩ thuật xạ trị ngoài đã được đẩy mạnh do khả năng
tính toán của các hệ thống máy tính hiện nay tăng lên. Hệ thống máy tính không chỉ có
khả năng giúp lập kế hoạch tính toán trong không gian 3 chiều mà còn có khả năng
điều khiển các thiết bị điều trị sao cho vùng nhận liều cao có thể biến đổi cho phù hợp
với thể tích bia trong không gian 3 chiều. Sự phát triển này song song với kĩ thuật tạo
ảnh như chụp cắt lớp điện toán (CT), chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), … cho phép các
nhà điều trị có thể xác định thể tích bia một cách chính xác hơn. Các kĩ thuật này đóng
một vai trò quan trọng trong việc phác họa thể tích khối u. Ngoài ra máy tính còn có
vai trò giúp tính toán liều và mô phỏng liều chiếu khi chiếu với các trường chiếu khác
nhau hoặc có thể giúp tính được các khu vực nhận liều chiếu cao nhất để có thể vạch
ra phương án và thời gian điều trị hiệu quả nhất cho bệnh nhân.
Xạ trị ngoài là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất để điều trị khối u, hạch nằm sâu
trong cơ thể. Bên cạnh những máy phát chùm tia gamma, máy phát neutron, máy X-
quang thì hiện nay máy gia tốc điện tử được lựa chọn hầu hết cho các khoa xạ trị. Các
máy gia tốc có thể tạo ra được những chùm tia X, chùm điện tử với hệ thống collimator
9

để tạo các dạng trường chiếu bức xạ không đối xứng, có thể điều khiển được bằng máy
tính, có các hệ thống kiểm tra và lưu trữ, các hệ thống collimator động [6].

Hình 1.5
: Xạ trị ngoài trên máy gia tốc tuyến tính [16]

10

Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn
giản bằng hình 2.1.

Hình 2.1: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị [3]

Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị thường được chia thành 5 hệ thống sau [3]:
 Hệ thống phun: là một nguồn electron hay còn gọi là súng điện tử.
 Hệ thống tần số vô tuyến: bao gồm nguồn tần số vô tuyến sử dụng magnetron
hoặc klystron, bộ điều chế, ống dẫn sóng cao tần có chân không thấp trong đó
electron được gia tốc,…
 Hệ thống vận chuyển chùm tia: có vai trò vận chuyển electron trong chân không
từ ống dẫn sóng gia tốc tới bia hoặc lá tán xạ.
12

 Hệ thống phụ trợ: gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước,
hệ thống chất điện môi bằng ga để truyền vi sóng từ bộ phận phát sóng vô tuyến
tới ống dẫn sóng.
 Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia.
Bên cạnh đó còn chứa các thành phần khác đi kèm là [3]:
 Hệ thống collimator chuẩn thông dụng.
 Hệ thống laser xác định trục quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ
hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy.
 Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và
bệnh nhân.
 Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị, màn hình thông báo các số liệu liên
quan tới việc điều trị.
 Hệ thống che chắn phóng xạ.
 Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố.
 Giường máy.
 Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị.

để đập vào bia. Chùm electron này có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với
các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao. Phổ năng lượng của
tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, số nguyên
tử, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về
liều lượng, được định dạng phù hợp. Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai
chế độ phát chùm photon và chế độ phát electron. Do đó, về cơ khí được chế tạo phù
hợp để thay đổi cơ chế từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt [3].
14

Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế cơ khí chuyển động linh hoạt như
cần máy và giường điều trị. Các hệ hống này đều được kiểm soát an toàn bằng một chuỗi
khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau.
2.2 Chương trình MCNP5
2.2.1 Khái quát
MCNP (Monte Carlo N-Particle) là phần mềm ứng dụng phương pháp Monte
Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon, electron
mang tính thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các hạt với vật chất,
thông lượng neutron ) [5]. Tiền thân của nó là một chương trình Monte Carlo vận
chuyển hạt mang tên MCS được viết năm 1963 tại Los Almos. Năm 1973, MCNG
(chương trình ghép cặp neutron-gamma) được hợp nhất với MCP (chương trình Monte
Carlo photon với xử lý vật lý chi tiết đến năng lượng 1keV) để mô phỏng chính xác các
tương tác neutron-photon và có tên MCNP kể từ đó. Mặc dù khi ra đời, MCNP mang ý
nghĩa là Monte Carlo neutron-photon, nhưng tới ngày nay nó lại mang một ý nghĩa
khác là Monte Carlo N hạt với N có thể là netron, photon và electron. Từ khi ra đời cho
tới nay, MNCP trải qua nhiều lần chỉnh sửa và nâng cấp với nhiều phiên bản khác
nhau. Trong đó, MCNP5 là một trong các phiên bản của MCNP được công bố vào năm
2003 cùng với việc cập nhật thêm các quá trình tương tác mới chẳng hạn như các hiện
tượng quang hạt nhân, hiệu ứng dãn nở Doppler,
MCNP là một công cụ tính toán rất mạnh, có thể mô phỏng vận chuyển neutron,
photon, electron và giải các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian,

16

nhiều phần cho phép xây dựng hoặc phân tích chi tiết các miền hình học mà không cần
phải chạy lại chương trình từ đầu [5].
2.2.2.3 Đánh giá sai số
Kết quả đưa ra ngoài giá trị cần tính còn có sai số tương đối R. R được định nghĩa
là tỉ số giữa thăng giáng chuẩn và giá trị trung bình.
 =


X

Với một kết quả tốt thì R tỉ lệ với

√

với N là số lần tính. Như vậy, muốn giảm R thì
phải tăng N. Sai số tương đối R được dùng để xác định khoảng tin cậy của trị trung
bình. Theo định lý giới hạn trung tâm khi N → ∞ thì có 68 % cơ hội giá trị thật nằm
trong khoảng (1 ± ) và 95 % cơ hội giá trị thật nằm trong khoảng (1 ±2). Tuy
nhiên, đây là độ chính xác của bản thân phương pháp Monte Carlo chứ không phải là
độ chính xác của kết quả mô phỏng so với kết quả thực nghiệm. Để dễ dàng cho việc
hiểu ý nghĩa của R, người ta đưa ra bảng giá trị của R trong bảng 2.1
B
ả
ng 2.1
: Ý nghĩa của giá trị R [5]
Giá trị R Đặc trưng của giá trị R
0,5 – 1,0 Không có ý nghĩa
0,2 – 0,5 Có chút ý nghĩa


√


với C là hằng số dương. Như vậy có hai cách để giảm sai số: một là tăng T, hai là giảm
C. Trong thực tế thời gian T là hạn chế và phụ thuộc vào khả năng của máy tính. Do đó
MCNP lựa chọn cách thứ hai là áp dụng những kỹ thuật đặc biệt để giảm C. Hằng số C
phụ thuộc vào cách lấy mẫu và lựa chọn kết quả truy xuất. Có 4 công cụ giảm sai số
[5]:
 Phương pháp cắt cụt.
 Phương pháp kiểm soát mật độ.
 Phương pháp lấy mẫu có sửa đổi.
 Phương pháp tất định từng phần.

2.2.2.5 Kết quả bài toán
Ngoài các thông tin về kết quả, trong kết quả đưa ra MCNP còn có các bảng
thông tin giúp cho người sử dụng biết về sự hoạt động của chương trình, làm sáng tỏ
các vấn đề vật lý của bài toán và sự thích ứng của phương pháp Monte Carlo. Nếu có
sai trong khi chạy chương trình thì sẽ in ra chi tiết để người sử dụng biết khắc phục.

Trích đoạn Các thông số mô phỏng cho MCNP5 Đánh giá kết quả tính toán phân bố liều trên phantom CT

---