Header Page 1 of 237.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ TUYẾT

QA (QUALITY ASSUARANCE) VÀ TÍNH TOÁN LIỀU
MÁY GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MÔ PHỎNG MONTE CARLO

Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Đình Khang

Hà Nội – 2016
Footer Page 1 of 237.


Header Page 2 of 237.

QA và tính toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Đình

Khang, thầy luôn tạo mọi điều kiện về thời gian để truyền đạt kiến thức, phương pháp
nghiên cứu khoa học, hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành được luận văn này. Trong quá

QA và tính toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ......................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG…….………………………………………………………..ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... iv
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE ............... 9
1.1 Giới thiệu.................................................................................................................. 10
1.2 Tương tác của bức xạ với cơ thể sống ................................................................... 13
1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống xạ phẫu Gamma knife ......................................... 15
1.4 Kế hoạch điều trị và tiến trình điều trị ................................................................. 23
1.5 Giới thiệu hương trình Osirix ................................................................................ 24
1.6 Ưu điểm của RGS so với các thiết bị xạ phẫu khác ............................................. 25
CHƯƠNG II: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG (QA) TRONG QUY TRÌNH XẠ PHẪU
GAMMA KNIFE .............................................................................................................. 26
2.1 Giới thiệu.................................................................................................................. 26
2.2 Các thiết bị trong phép đo liều tuyệt đối.............................................................. 28
2.3 Phương pháp chuyển đổi liều và hiệu chỉnh các thông số ................................... 30
2.4 Tiến trình QA .......................................................................................................... 33
2.4.1 Hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống với các hệ thống chuẩn trực khác
nhau ............................................................................................................................. 33
2.4.2 Hiệu chỉnh liều tại tâm vùng điều trị .............................................................. 34
2.4.3 Hiệu chỉnh ART ................................................................................................ 37
2.4.4 Hiệu chỉnh điểm đồng tâm và đường đồng liều ............................................. 38
2.4.5 Kiểm tra độ chính xác thời gian điều trị. ....................................................... 41
2.4.6 Kiểm tra rò rỉ bức xạ ........................................................................................ 41
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CHO THIẾT BỊ XẠ
PHẪU GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO .......... 42
3.1 Phương pháp Monte-Carlo .................................................................................... 42


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt

ACTL

The Activation Library

Thư viện hoạt độ của các
chất phóng xạ

ART

Auto Rotating Treatment

Hệ thống điều trị tự động

CT

Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp vi tính

CTV

Clinical Target Volume

Thể tích bia lâm sàng


Magnetic Resonance
Imaging

Chụp cộng hưởng từ

MCNP

Monte Carlo N – Particle

Phương pháp MC cho N hạt

OPF

OutPut Factors

OutPut Factors

PET

Positron Emission
Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp bằng
positron

PTV

Planning Target Volume

Thể tích bia lập kế hoạch


Hệ thống dao gamma quay

SPECT

Single Photon Emission
Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp vi tính
bằng đơn photon

SSD

Source to Surface Distance

Khoảng cách từ nguồn đến
bề mặt da

SAD

Source to Axis Distance

Khoảng cách từ nguồn đến
tâm điều trị

TLD

Thermoluminescent
Dosimetry


Header Page 8 of 237.

QA và tính toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Nguyên lý xạ phẫu gamma knife .................................................................... 11
Hình 1.2: Hệ thống GammaART - 𝟔𝟎𝟎𝟎𝑻𝑴 (RGS) ..................................................... 15
Hình 1.3: Hệ thống dao gamma quay ............................................................................ 17
Hình 1.4 : Viên nang nguồn Co-60 .................................................................................. 17
Hình1.7: Hệ thống ống chuẩn trực ................................................................................. 19
Hình1.8: Cửa che chắn ..................................................................................................... 20
Hình 1.10: Giá đỡ khung đầu và khung định vị lập thể (đai khung đầu) ................... 21
Hình 1.11: Bảng điều khiển dao gamma quay RGS ...................................................... 22
Hình 1.14: Lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân tại bệnh viện Bạch Mai.................. 24
Hình 2.1: Quy trình xạ phẫu gamma knife .................................................................... 26
Hình 2.2: a. Buồng ion hóa A1SL;

b. Electrometer................................................... 29

Hình 2.3: Phantom cầu..................................................................................................... 30
Hình 2.4: Phim Gafchromic®RTQA được dùng đo liều hấp thụ ................................ 30
Hình 2.5 Cố định phantom trên khung .......................................................................... 35
Hình 2.6: Mô phỏng CT cho phantom ............................................................................ 35
Hình 2.7: Kế hoạch điều trị cho phantom ...................................................................... 36
Hình 2.8: Giá đựng phim và cố định trong GK ............................................................. 38
Hình 2.10: Hình ảnh trên phim của các hệ chuẩn trực khác nhau.............................. 39
Hình 3.1: So sánh phương pháp Monte Carlo với các phương pháp giải tích về thời
gian tính toán và độ phức tạp của cấu hình ................................................................... 42
Hình 3.2: Quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel ........................................ 47
Hình 3.3: Giao diện của chương trình MCNP5 ............................................................. 48

10và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
MỞ ĐẦU

Theo thống kê của Tổ chức y tế thế giới, tỷ lệ tử vong trên thế giới do bệnh ung
thư rất cao. Hàng năm có khoảng gần 10 triệu trường hợp mắc ung thư và trên 8 triệu
người đã chết do bệnh này. Ở Việt Nam, mỗi năm ước tính có khoảng 150.000 ca ung thư
mới trong đó có trên 50.000 ca tử vong [1].
Những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học cũng
như các thiết bị chẩn đoán và điều trị hiện đại, việc nghiên cứu và chữa trị ung thư đã có
những tiến bộ vượt bậc. Vì thế mà tìm ra được một số hướng dự phòng chẩn đoán chính
xác hơn và điều trị có hiệu quả hơn.
Một số phương pháp điều trị bệnh như điều trị bằng phẫu thuật, điều trị bằng tia
xạ và điều trị bằng hóa chất. Điều trị bằng tia xạ là phương pháp dùng chùm tia điện tử
hoặc photon có năng lượng thích hợp thông qua cơ chế gây ion hóa nhằm gây ra những
tác động về mặt sinh học để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc hạn chế sự phát triển của nó.
Đây được xem là một trong những phương pháp điều trị bệnh hữu hiệu nhất nhưng
phương pháp này vẫn có một số hạn chế nhất định đó là bệnh nhân phải chấp nhận một
rủi ro do bức xạ ion hóa đi vào cơ thể. Điều này rất quan trọng và đó là nhiệm vụ của các
kỹ sư vật lý và bác sỹ để làm sao cho các ảnh hưởng do ion hóa của các bức xạ lên bệnh
nhân một cách thấp nhất để đảm bảo an toàn cho người bệnh.
Hiện nay ở Việt Nam những thiết bị chẩn đoán và điều trị bằng tia xạ được đưa
vào sử dụng khá phổ biến ở các bệnh viện như thiết bị chẩn đoán bằng các đồng vị phóng
xạ như PET, SPECT, CT, Gamma Camera và thiết bị điều trị bằng bức xạ ion hóa rất
hiện đại như máy gia tốc tuyến tính. Gần đây nhất, Bệnh viện Bạch Mai đã đưa vào máy
xạ phẫu Rotating Gamma Knife System (RGS), đây là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay để

cạnh đó, nhiều nhà khoa học cũng đã vận dụng nhiều phương pháp tính liều khác nhau để
khảo sát phân bố liều chiếu trong thiết bị GK và đã rút ra các kết quả phù hợp với chương
trình tính liều Gamma Plan. Các chương trình được sử dụng là EGS4 dùng cho việc tính
toán liều phân bố của nguồn đơn kênh (Joel Y.C Cheung -1998) [12], tác giả đã dùng
phantom hình cầu với chất liệu là nước có đường kính 160mm khảo sát phân bố liều trên
các trục tọa độ x, y, z. Đồng thời tác giả cũng dùng code EGS4 để tính toán sự khác nhau
trong phân bố liều đối với các phantom có chất liệu plastic, nhựa dẻo (Perspex), và nước
[13]. Chương trình PENELOPE dùng để khảo sát phân bố liều trong GK với phantom
không đồng nhất bằng chất liệu nước bao quanh bên ngoài là lớp vỏ hình cầu, lớp vỏ này
được làm bằng vật chất tương tự với xương sọ [7] (Al-Dweiri, 2005), tác giả đã rút ra kết
quả khác nhau trong phân bố liều của việc mô phỏng phantom đồng nhất và không đồng
nhất. Đồng thời ông cũng tính góc phát ra từ nguồn GK, kết quả tính toán cho thấy chỉ
những tia gamma phát ra với góc cực nhỏ dưới 3o mới đóng góp đáng kể vào phân bố liều
trong phantom, trong công trình này tác giả đã đưa ra mô hình nguồn đơn giản đáp ứng
được liều chiếu phù hợp nhưng giảm được thời gian tính toán.
7
Footer Page 11 of 237.


Header Page
12và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Luận văn này nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma
System (RGS) đó là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, tiến trình QA cũng như các kỹ thuật
tính liều cho xạ trị. Qua việc tìm hiểu cấu tạo và cách sắp xếp phân bố của các nguồn

13và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

 Chương 3 – Tính toán mô phỏng phân bố liều của thiết bị xạ phẫu gamma
knife quay bằng phương pháp Monte – Carlo
Trong chương này là một số nét về chương trình MCNP5 và phương pháp Monte
Carlo trong tính toán liều lượng của máy Gamma knife quay. Bên cạnh đó là đưa
ra cấu hình mô phỏng của nguồn đơn kênh, nguồn 30 kênh cho quá trình mô
phỏng MCNP và đưa ra kết quả để so sánh với thực tế để xem xét tính đúng đắn
của số liệu mô phỏng.

9
Footer Page 13 of 237.


Header Page
14và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE
1.1 Giới thiệu
Xạ phẫu sọ não là quá trình phẫu thuật mà trong đó một chùm bức xạ hẹp nhắm đến

Header Page
15và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

chiếu gamma cao tại vùng đích. Tính đơn giản và độ chính xác về vị trí rất cao làm cho
hệ thống xạ phẫu gamma là công cụ lí tưởng trong các ứng dụng xạ phẫu.
Hệ thống Dao gamma quay có thể điều trị các bệnh trong não. Kỹ thuật chẩn đoán
hình ảnh não đã có bước tiến phi thường với việc xuất hiện các thiết bị chẩn đoán hình
ảnh CT và MRI cùng các máy tính chuyên dùng có cấu hình mạnh đã cho phép xạ phẫu
tiến hành điều trị các khối u, dị dạng mạch máu và các bệnh lý khác mà hiện đang được
điều trị bằng phương pháp mổ mở. Kết quả xạ phẫu là tốt trong hầu hết các trường hợp.
Chùm tia gamma là chùm bức xạ điện từ với bước sóng ngắn, có năng lượng cao và
khả năng đâm xuyên lớn. Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó
tương tác chủ yếu thông qua các quá trình ion hóa. Kết quả của quá trình ion hóa trong tế
bào là tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bị
biến đổi hoặc bị tiêu diệt. Các chùm tia gamma được dùng chiếu xạ để phá hủy các tế bào
ung thư nằm sâu bên trong não mà không áp dụng được phẫu thuật mở.

Hình 1.1: Nguyên lý xạ phẫu gamma knife
Hình 1.1 mô tả bố trí nguồn phóng xạ Cobalt-60 với hệ thống ống chuẩn trực để
hướng các chùm tia vào vùng não cần chiếu xạ.
Chùm tia gamma từ nguồn đồng vị phóng xạ Cobalt-60 có năng lượng cao ( 1,17
MeV và 1,33 MeV) với thông lượng ổn định do chu kì bán rã dài.
Trên thế giới hiện nay, có hai loại thiết bị xạ phẫu Gamma knife dùng trong xạ
phẫu u não là:
11

Bằng cách quay ống chuẩn trực chính và ống chuẩn trực thứ cấp cùng nhau, 30
cung tròn không chồng lên nhau đã lấp đầy cung 360. Với cải tiến này, liều tới mô lành
bao quanh mô đích giảm đáng kể do liều đến mô lành giờ đây đã phải phân ra cho một
khối lượng thể tích lớn hơn (các chùm tia hội tụ từ một góc lớn hơn). So với việc xạ phẫu
dựa trên hệ thống máy gia tốc tuyến tính, thiết kế gamma quay RGS sử dụng số lượng
các cung lớn hơn để giảm thiểu liều đến các cơ quan và các mô lành bao quanh các vị trí
đồng tâm mà không làm tăng thời gian điều trị và sự không chính xác về vị trí. Các ống
chuẩn trực thứ cấp lắp sẵn đã loại bỏ sự cần thiết phải đội mũ bảo hiểm mà trên đó người
ta gắn các ống chuẩn trực thứ cấp và việc áp đặt và thay đổi vị trí tiêu điểm dễ dàng hơn
nhiều. Việc quay cũng cho phép giảm số lượng của nguồn Cobalt-60 từ 201 xuống đến
30 nguồn, tăng độ cứng kết cấu máy, thuận tiện chongười sử dụng và giảm chi phí thay
thế nguồn.
Thiết kế của hệ thống dao gamma quay đã duy trì tính đơn giản và chính xác về vị
trí của thiết kế Leksell ban đầu, cải thiện việc phân bố liều, thân thiện với người sử dụng
và giảm chi phí.
12
Footer Page 16 of 237.


Header Page
17và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Dựa vào khung định vị lập thể, các hình ảnh cắt lớp CT và/hoặc MRI, hình dạng
đích và vị trí bệnh nhân (theo tọa độ X, Y, Z ) sẽ được xác nhận. Trước khi điều trị, bệnh
nhân (có vị trí lập thể xác định và mang khung cố định) sẽ được định vị trên giường điều

18và
of 237.
QA
tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

vật. Nguyên nhân của quá trình này là khi đi vào cơ thể, nơtron chuyển động chậm lại và
sau đó bị các hạt nhân của vật chất trong cơ thể hấp thụ. Những hạt nhân ấy trở thành
những hạt nhân phóng xạ phát ra tia bêta và tia gamma. Chính những tia này lại có khả
năng gây ra hiện tượng ion hóa trong một thời gian nhất định.
Do nước là thành phần chủ yếu trong tế bào của cơ thể người, nên phần lớn năng
lượng thoạt đầu tích lũy trong phân tử nước và chỉ một phần nhỏ tích lũy trong các phần
tử sinh học khác. Các phân tử nước bị ion hoá và kích thích gây ra một loạt các phản ứng
khác, trong đó có các phản ứng như:
H2O + h-------> H2O+ + eElectron có thể bị các phân tử nước khác hấp thụ để tạo ra ion âm của nước.
H2O + e- --------> H2O
Các ion H2O+ và H2O- đều không bền và phân huỷ ngay sau đó:
H2O+ -------> H+ + OH
H2O- -------> OH- + H
Kết quả tạo ra hai gốc tự do Hvà OHvà hai ion bền H+ và OH-; chúng có thể kết hợp
với nhau thành phân tử nước. Các phản ứng khác cũng có thể xảy ra:
H+ OH---------> H2O
H+ H--------> H2
OH+ OH--------> H2O2
H+ O2 ---------> HO2
HO2là gốc tự do peroxy được tạo ra với sự có mặt của oxy.
Các gốc tự do có một electron lẻ và không có cấu hình đòi hỏi đối với một phân tử
bền. Chúng là những thực thể gây phản ứng rất mạnh, có thời gian sống khoảng
microgiây và tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học như protein, lipid, DNA gây ra


Chiều cao:

1705 mm.

Tổng trọng lượng:

Gần 21.000 Kg.

Tải trọng giường cực đại:

200 Kg.

Đặc tính phóng xạ:
Tổng hoạt độ toàn bộ nguồn lúc nạp:

6000 Ci10%.

Suất liều tại điểm hội tụ:

 3 Gy/phút

Số lượng nguồn Co60:

30

Suất liều cực đại trên bề mặt vỏ máy l:

20 Gy/h.


tính

toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Phòng đặt khối điều trị

Không đọng hơi nước

Nhiệt độ/Độ ẩm

22 đến 27C 45-50%

Phòng điều khiển

Không đọng hơi nước

Nhiệt độ/Độ ẩm

18 đến 24C 45-50%

Khi vận chuyển

Không lớn hơn 75%

Nhiệt độ/Độ ẩm

4 đến 40 C

Hệ thống xạ phẫu dao gamma quay gồm: hệ thống định vị stereotatic, khối điều trị
tia gamma và hệ thống lập kế hoạch điều trị. Hệ thống lập kế hoạch điều trị nối với các