ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ THANH XUÂN MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN
TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN
TP H
Ồ CHÍ MINH, 2010
ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


 Thầy PGS.TS MAI VĂN NHƠN, người ñã tận tình chỉ bảo và ñịnh hướng
cho tôi thực hiện luận văn này.
 Cô Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN, người ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều trong
quá trình thực hiện luận văn.
 Bạn ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG, người ñã nhiệt tình giúp ñỡ tôi khi tôi gặp
khó khăn.
 Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, người ñã ñồng ý cho tôi ñược chuyển bộ
môn ñể tôi ñược học và nguyên cứu lĩnh vực tôi ưa thích.
 Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý – Trường ðại học
Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã tận tình giảng dạy, hướng
dẫn tôi trong suốt thời gian học cao học.
 Các anh chị Phòng Lập kế hoạch – Khoa Ung Bướu – Bệnh viện Chợ Rẫy ñã
cung cấp cho tôi dữ liệu và tạo ñiều kiện tốt nhất giúp tôi có thể hoàn thành
luận văn này.
 Anh Th.S NGUYỄN CHÍ LINH Phòng Vật lý Tính toán – Trường ðại học
Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã nhiệt tình chỉ dẫn tôi, khi
chạy chương trình trên hệ thống WS.
 Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K17, gia ñình và bạn bè ñã ủng
hộ, ñộng viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua.

1

MỤC LỤC
Mục lục 1
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 3
Danh mục các bảng 5
Danh mục các hình vẽ, ñồ thị 6
MỞ ðẦU 9
CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ 12
1.1. GIỚI THIỆU 12
3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
t

:
thời gian hạt ñược gia tốc (s)
l
:
ñộ dài các ống dẫn (cm)
v
:
vận tốc chuyển ñộng của hạt trong ống (m/s)
m
:
khối lượng của electron (g)
e
:
ñiện tích của hạt (C)
U : hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực (V)
µ
H2O
: hệ số suy giảm tuyến tính của nước.
µ

OAR: Organ At Risk
DVHs: Dose-Volume Histograms
GEANT4: GEometry ANd Tracking 4
ICRU: International Commission on Radiation Units and Measurement

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Bảng liên hệ giữa số CT (ñơn vị Hounsfield) với mật ñộ vật chất 33
Bảng 3.2: Bảng liên hệ giữa mật ñộ vật chất với vật chất 34
Bảng 4.1: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon 6MV
46
Bảng 4.2: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon
15MV 47
Bảng 4.3. Tọa ñộ và phần trăm liều tương ñối ñược tính bởi MCNP5 62 6

t,
(d) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất 37
Hình 3.5: Giao diện chính của chương trình CODIM 38
Hình 3.6: Giao diện chức năng CONVERT_VIEW 39
Hình 3.7: Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL 41
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 45
Hình 4.2: Mô hình máy gia tốc 3D ñược vẽ bằng Visual Editor của MCNP5 46
Hình 4.3: (a)Phantom nước ñược chia thành các voxel 4×4×0.3cm
3
trong tính liều
theo ñộ sâu. (b) Mặt cắt theo trục oxy của phantom nước ñược chia
thành các voxel 4×0.05×0.27cm
3
trong tính liều theo phương ngang 48
Hình 4.4: Kích thước voxel của phantom thu ñược từ ảnh CT 48
Hình 4.5: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 6MV với 2 trườ
ng
chiếu 8×8cm
2
và 10×10cm
2
51
Hình 4.6: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ
sâu (a)
1.5cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm 52
Hình 4.7: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 6MV với
nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường
chiếu 8 × 8 cm


9

MỞ ðẦU

Trong những năm gần ñây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng. Theo
dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có
15 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong ñó 2/3
là ở các nước ñang phát triển [6]. Còn ở Việt Nam, theo thống kê chưa ñầy ñủ ở TP
Hồ Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nước ước tính mỗi năm có khoảng
150 nghìn người mới mắc bệnh ung thư và có khoảng 50 ñến 70 nghìn người chết vì
căn bệnh này, cao gấp bảy lần số người chết do tai nạn giao thông [7].
Do ñó, việc chẩn ñoán và ñiều trị bệnh ung thư luôn là vấn ñề cấp bách hàng
ñầu của toàn xã hội. Hiện nay phương pháp chẩn ñoán và ñiều trị bệnh ung thư chủ
yếu tập trung vào 3 phương pháp chính: phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Việc ứng dụng
phương pháp nào trong việc ñiều trị là tùy thuộc vào nhiều yếu tố: ñiều kiện ñiều trị,
tùy loại khối u, vị trí và kích thước khối u, giai ñoạn ủ bệnh và tình trạng của bệnh
nhân…[2]. Mục tiêu tập trung của luận văn này là phương pháp chữa trị bằng xạ trị.
ðây là một phương pháp ñiều trị hiệu quả ñược ứng dụng ngày càng rộng rãi ở Việt
Nam và trên thế giới, phương pháp này có thể ñược sử dụng một cách riêng rẽ hoặc
kết hợp với các phương pháp khác ñể việc ñiều trị ñạt hiệu quả cao hơn.

mục ñích xạ trị, giới thiệu khái quát về những nguyên tắc ñiều trị bằng tia xạ, các
phương pháp sử dụng tia xạ trong việc ñiều trị bệnh và các vấn ñề cần quan tâm
trong việc ñiều trị xạ trị.
Chương 2 – Tổng quan về máy gia tốc tuyến tính: trình bày khái quát về máy
gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc tuyến tính, nguyên lý của quá trình gia tốc
thẳng khi ứng dụng dòng ñiện xoay chiều ñể gia tốc hạt, các thành phần quan trọng
của ñầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện ñại.
Chương 3 – Hình ảnh DICOM và chương trình kết nối hình ảnh DICOM với
MCNP5: giới thiệu về khái niệm và cấu trúc file hình ảnh DICOM. Cơ sở của việc
chuyển ñổi bộ dữ liệu hình ảnh DICOM thành phantom CT. Từ ñó, xây dựng
chương trình nhằm kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5 và xử lý dữ liệu tính liều
ñược xuất ra từ mô phỏng MCNP5.
11

Chương 4 – Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5 và
CODIM: trình bày các bước mô phỏng và những kết quả thu ñược khi tiến hành mô
phỏng trên phantom nước và trên phantom CT. So sánh kết quả thu ñược với số liệu
thực tế từ bệnh viện Chợ Rẫy.
12
CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ

1.1. GIỚI THIỆU
Xạ trị là phương pháp ñiều trị bệnh bằng cách sử dụng các tia bức xạ ion hóa
nhằm hạn chế sự phát triển cũng như tiêu diệt khối u, xạ trị có vai trò ñặt biệt quan
trọng trong ñiều trị ung thư, có thể nói ñây là lĩnh vực không thể thiếu trong ngành
y học hiện ñại. Ngày nay, cùng với các phương thức ñiều trị phẫu thuật (cắt bỏ khối
u và tổ chức di căn), hóa học (dùng thuốc diệt tế bào ung thư), miễn dịch (dùng
thuốc kích thích hệ thống miễn dịch ñể chống lại sự phát triển của khối u ung thư),

khi ung thư ñã phát triển tương ñối lớn. Có khi tiến hành xạ trị trước nhằm giảm bớt
thể tích khối u ñể dễ mổ, hạn chế di căn trong lúc mổ hoặc có khi xạ trị sau khi mổ
nhằm diệt nốt những tế bào ung thư còn sót lại hoặc có khi xạ trị cả trước và sau khi
mổ, kết hợp với ñiều trị hóa chất ñể tăng khả năng diệt tế bào ung thư tại một khu
vực mà ñiều trị bằng hóa chất không thể diệt hết ñược.
Khi sử dụng phương pháp xạ trị cần phải xác ñịnh mục ñích của việc xạ trị.
Có hai loại mục ñích:
• ðiều trị tận gốc: là loại trừ tất cả các tế bào ung thư tại u nguyên phát, tại các
tổ chức xung quanh mà khối u lan tới và những hạch tại vùng có thể bị xâm
lấn. ðiều trị tận gốc thường là liều xạ cao, có thể gây ra một số biến chứng
phụ, thời gian kéo dài với sự chấp nhận của bệnh nhân.
• ðiều trị tạm thời: ñể nâng cao chất lượng ñời sống như chống ñau, chống tắc
do chèn ép, chống chảy máu. ðiều trị tạm thời thường là liều thấp và thời
gian chiếu xạ ngắn.
1.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ [3]
Phác ñồ xạ trị phải dựa trên những nguyên tắc sau:
• ðánh giá sự lan rộng của khối u bằng các biện pháp CT, Scanner, X-quang,
phóng xạ… ñể biết thể tích cần chiếu.
14
• Biết rõ những ñặc ñiểm bệnh lý của khối u.
• Chọn lựa những phương pháp thích hợp là chỉ dùng xạ trị hay phối hợp với
phẫu thuật, hóa chất… hay chọn phối hợp với cả hai phương pháp, chọn loại
tia thích hợp, chiếu từ ngoài hay ñặt tại khối u.
• Qui ñịnh liều tối ưu và thể tích chiếu dựa trên vị trí giải phẫu, loại bỏ tổ chức
học, ñộ lành dữ của khối u và những cấu trúc lành trong vùng chiếu. Bác sĩ
không bao giờ do dự trong việc thay ñổi những ñiều ñã quy ñịnh với những
ñiều kiện mới phát sinh.
• ðánh giá từng giai ñoạn về thực lực của bệnh nhân, sự ñáp ứng của khối u và
thể trạng của tổ chức lành trong khu vực ñiều trị.



nhân

Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ñại.
Bác sĩ ñiều trị phải kết hợp chặt chẽ với ñội ngũ kĩ sư vật lý y học trong việc
lên phương án và lập phác ñồ ñiều trị, không thể nhầm lẫn những ñánh giá lâm
sàng, hiểu sai về những quan niệm vật lý, không hoàn hảo về phác ñồ ñiều trị và
15
thực hiện phác ñồ. ðiều này sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến tính mạng cũng như là tiến ñộ
hồi phục của bệnh nhân.
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ
1.4.1. Xạ trị ngoài (teletherapy)
Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kĩ thuật xạ trị. Người ta
thường tiến hành với chùm photon, thông thường ñó là các tia X mang năng lượng
cao ñược tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính, nhưng người ta cũng dùng chùm tia
gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong khoảng 50-300
KV. Thêm vào ñó, việc sử dụng chùm electron ở năng lượng megavolt ñể ñiều trị
những khối u tương ñối nông sẽ cải thiện ñược ñộ chính xác hình học hơn các
photon. Do ñó phương pháp xạ trị bằng chùm electron cũng ñược sử dụng rộng rãi
ngày nay. Xạ trị ngoài với các loại bức xạ khác cũng ñược ñưa vào sử dụng, chẳng
hạn như chùm neutron, chùm hạt tích ñiện như proton có thể dùng trong ñiều trị lâm
sàng. Tuy nhiên các thiết bị ñể tạo ra chúng rất ñắt ñỏ, vì vậy các loại bức xạ này ít
ñược sử dụng.
Một số phát triển mới ñây trong kĩ thuật xạ trị ngoài ñã ñược ñẩy 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 ñiều khiển các thiết bị ñiều trị sao cho vùng nhận liều cao có thể biến
ñổi 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 ñiện toán (Computed Tomography –
CT), chụp ảnh cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging – MRI), … cho phép

Tia xạ chuyển hóa là phương pháp cho bệnh nhân uống hoặc tiêm các dược
chất phóng xạ (
131
I

,
32
P ,
198
Au) hoặc kháng thể ñặt hiệu có gắn các ñồng vị phóng
xạ ñể diệt tế bào ung thư trong tế bào chuyển hóa và kết hợp có chọn lọc. Dựa vào
các hoạt ñộng chuyển hóa bình thường (VD: tế bào tuyến giáp hấp thụ
131
I) hoặc
thay ñổi bệnh lý (khối ung thư hấp thụ những phân tử hữu cơ ñặc hiệu), người ta
cho các ñồng vị phóng xạ ñến các mô ñích (target tissue) bị bệnh ñể ñiều trị.

17
1.5. CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI
ðể tính liều trong cơ thể bệnh nhân gây ra bởi bức xạ ion hóa, ta phải giải
một phương trình phức tạp gọi là phương trình vận chuyển. Phương trình này là
khác nhau ñối với các bệnh nhân khác nhau và cũng phụ thuộc vào ñiều kiện ñiều
trị, chẳng hạn như kích thước và hình dạng trường chiếu, năng lượng bức xạ, hướng
chùm tia tới… Có hai phương pháp ñể tính liều là phương pháp trực tiếp và phương
pháp gián tiếp [1].
Phương pháp gián tiếp bắt ñầu với việc giải phương trình vận chuyển cho
những trường hợp ñơn giản, chẳng hạn như ño phân bố liều trong nước. Phân bố
này sẽ ñược hiệu chỉnh khi xét ñến hình dạng chùm tia và sự không ñồng nhất trong
cơ thể bệnh nhân.
Phương pháp trực tiếp ñược sử dụng rộng rãi hơn vì nó cho phép giải phương

• Thể tích ñích lâm sàng (Clinical Target Volume – CTV): là thể tích GTV
cộng thêm những vùng ñược xác ñịnh là có khả năng tổn thương. Thể tích
này là thể tích cần ñược xạ trị ñể nhận ñược mục tiêu tiêu diệt triệt ñể hơn.
CTV thường bao gồm vùng GTV, vùng bao quanh GTV và các hạch dương
19
tính xung quanh. CTV ñược xác ñịnh bởi bác sĩ ung bướu xạ trị. Kích thước
CTV thông thường là: CTV = GTV + 1cm mở rộng từ biên của GTV. Tuy
nhiên trong một số ít trường hợp CTV = GTV.
• Thể tích ñích hoạch ñịnh (Planning Target Volume – PTV): là một khái niệm
hình học. Nó ñược nêu ra ñể chọn các chùm tia phù hợp ñảm bảo liều ñược
chỉ ñịnh thật sự bị hấp thụ trong CTV. PTV ñược liên kết với một khung
chuẩn của máy gia tốc và thường ñược mô tả là CTV + một ñường biên cố
ñịnh hay thay ñổi (chẳng hạn, PTV = CTV + 1cm).
• Các tổ chức nguy cấp (Organ At Risk – OAR): khi xạ vào một vùng nào ñó
thì các cơ quan bên cạnh vùng ñó cũng bị chiếu xạ. Khi liều quá cao thì có
thể làm tổn thương những cơ quan này nếu nhẹ, hoặc có thể phá hủy chức
năng của cơ quan ñó nếu vượt qua liều giới hạn cho phép. Do vậy, việc xác
ñịnh các cơ quan nhạy bức xạ là rất quan trọng.
Ta cần ñặc biệt lưu ý ñến một số cơ quan trọng yếu chẳng hạn như: vùng ñầu
cổ (mắt và tủy sống), vùng ngực (tủy sống và phổi), vùng bụng (gan và thận), vùng
chậu (bàng quang, trực tràng, hai ñầu xương ñùi, buồng trứng và tinh hoàn).

Hình 1.3: GTV và CTV

20
1.6.2. Các giản ñồ liều khối (Dose-Volume Histograms – DVHs)
Việc lập kế hoạch xạ trị 3D bao gồm việc lấy thông tin về sự phân bố liều
trên một ma trận các ñiểm trên giải phẫu học của bệnh nhân. DVHs tóm tắt các
thông tin phân bố liều 3D và là một công cụ rất hữu ích cho việc ñánh giá ñịnh
lượng kế hoạch xạ trị.

triển và ñã ngày càng chiếm ưu thế so với thiết bị Cobalt. Các máy gia tốc tuyến
tính ñã ñược phát triển qua năm thế hệ với ñộ phức tạp ngày càng tăng và trở thành
nguồn bức xạ ñược sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật xạ trị hiện ñại. Với thiết kế
nhỏ gọn và hiệu quả, máy gia tốc tuyến tính rất linh hoạt trong sử dụng, cung cấp
các nguồn tia X hoặc electron cho ñiều trị với một dải năng lượng rộng. Ngày nay,
cùng với các thiết bị hiện ñại chúng ta có thể máy tính hóa và phân phối chùm tia
với các mức năng lượng có thể ñiều chỉnh ñược.
Ngoài việc sử dụng máy gia tốc tuyến tính, các tia X và electron còn ñược
tạo ra bằng cách sử dụng các loại máy gia tốc khác như betatron và microtron. Các
hạt hiếm gặp hơn cũng ñược tạo ra từ các máy gia tốc ñặc biệt như proton, neutron,
các ion nặng và các meson π âm ñôi khi cũng ñược sử dụng trong kỹ thuật xạ trị.
Tuy nhiên, cho ñến nay các máy gia tốc tuyến tính megavolt vẫn là máy ñược sử
dụng phổ biến nhất. Hình 2.1 trình bày hình dạng máy gia tốc tuyến tính PRIMUS
HPD hiện ñang ñược sử dụng tại Bệnh viện Chợ Rẫy.
22 Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS
2.2. NGUYÊN LÝ GIA TỐC THẲNG [3]
Máy gia tốc tuyến tính là loại máy mà ñiện tích ñược gia tốc nhờ ñiện trường
một chiều hoặc xoay chiều có ñiện thế cao và quỹ ñạo của hạt là ñường thẳng khi
chuyển ñộng trong ñiện trường.
Năm 1932, Walton và Cokraft ñã thành công trong việc biến ñổi hạt nhân
bền thành hạt nhân phóng xạ bằng phản ứng hạt nhân với photon. ðể gia tốc photon
ñạt ñến năng lượng cần thiết, hai ông ñã dùng phương pháp gia tốc ñiện trường
bằng một sơ ñồ nối tiếp các tụ ñiện ñể tạo ra ñiện thế cao từ 600.000 ÷ 800.000 Volt
và ñưa ñiện áp ñó vào ống chân không. Tuy nhiên, sử dụng ñiện trường một chiều
chỉ gia tốc ñến 2÷3MeV không thể giải quyết ñược vấn ñề liên quan ñến hạt nhân
nguyên tử và ñiều trị ñối với các khối u nằm sâu bên trong. Lawriton và Sloan ñã
giải quyết vấn ñề bằng cách thay ñổi việc sử dụng ñiện trường một chiều bằng ñiện