Luận văn Áp dụng chương trình penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao gamma leksell

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ PHƯƠNG AN ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO TP. HỒ CHÍ MINH – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ PHƯƠNG AN ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG LINH TP. HỒ CHÍ MINH – 2011 0BLỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo. Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô đã giảng dạy cho tôi bằng lòng nhiệt huyết, tình thương và trách nhiệm. Các thầy cô đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết để hoàn thành tốt luận văn cũng như những nghiên cứu về sau. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Quang Linh. Thầy đã giúp đỡ tôi chọn đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Bác sĩ và Kỹ sư vật lý công tác tại đơn vị Gamma Knife, Bệnh viện Chợ Rẫy Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tìm hiểu về dao Gamma Leksell, đã cung cấp những tài liệu quan trọng cho luận văn của tôi. Tôi xin gửi lời cám ơn đến các Thầy Cô trong Hội đồng đã đọc, nhận xét, giúp tôi nhận ra những thiếu sót để hoàn chỉnh luận văn. Xin cám ơn Ban Giám Hiệu, các đồng nghiệp của tôi tại Trường THPT Chuyên Trần Hưng Đạo, Bình Thuận đã tạo điều kiện, đã tương trợ cho tôi trong quá trình tôi hoàn thành khóa học này. Xin cám ơn tập thể hai lớp Cao học Vật lý Khóa 19 đã luôn đồng hành bên tôi. Cám ơn những bạn bè thân thiết và những học sinh thân yêu luôn động viên tôi. Lời cuối cùng, tôi muốn cám ơn gia đình tôi đã dành tất cả tình yêu thương, sự hy sinh cho tôi, giúp tôi có thể vượt qua mọi khó khăn trong học tập và cuộc sống. 1BMỤC LỤC 2TLỜI CÁM ƠN2T ....................................................................................................................................... i 2TMỤC LỤC2T ........................................................................................................................................... ii 2TDANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT2T ......................................................................... vii 2TPHẦN I: MỞ ĐẦU2T ............................................................................................................................. 1 2TCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL2T ........................................................... 4 2T1.1.Giới thiệu về dao Gamma Leksell và lịch sử của thiết bị2T ............................................................. 4 2T1.2.Các thành phần chính của dao Gamma Leksell2T ............................................................................ 6 2T1.2.1.Thân máy2T ............................................................................................................................. 6 2T1.2.1.1.Bộ phận tạo nguồn2T ........................................................................................................ 7 2T1.2.1.2.Hệ thống định vị APS (Automatic Positioning System)2T ................................................. 8 2T1.2.1.3.Giường điều trị (Patient treatment Couch)2T ..................................................................... 9 2T1.2.2.Nón (Collimator Helmet)2T ..................................................................................................... 9 2T1.3.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell2T ........................................................................... 11 2T1.3.1.Cơ sở vật lý2T ........................................................................................................................ 11 2T1.3.2.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell2T .................................................................... 12 2T1.4.Quy trình xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell2T ............................................................................. 13 2T1.5.Giới thiệu về Leksell Gamma Plan®2T ......................................................................................... 15 2T1.6.Giới thiệu về dao Gamma quay: Rotating Gamma System (RGS)2T ............................................. 17 2T1.7.Tình hình ứng dụng dao Gamma Leksell trong điều trị trên thế giới và tại Việt Nam2T ................ 19 2T1.8.Ưu điểm và hạn chế của dao Gamma Leksell2T ............................................................................ 21 2T1.8.1.Ưu điểm2T ............................................................................................................................. 21 2T1.8.2.Hạn chế2T .............................................................................................................................. 21 2TCHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ2T ........................................................................................ 23 2T .1.Cơ sở của phương pháp xạ trị bằng bức xạ2T ................................................................................ 23 2T .1.1.Tương tác của photon năng lượng cao với môi trường vật chất [6] 2T ..................................... 23 2T .1.1.1.Hiệu ứng quang điện2T ................................................................................................... 23 2T .1.1.2.Tán xạ Compton2T .......................................................................................................... 26 2T .1.1.3.Sự tạo cặp2T ................................................................................................................... 28 2T .1.1.4.So sánh các loại tương tác2T ........................................................................................... 29 2T .1.1.5.Sự hấp thụ năng lượng do các nguồn phát bức xạ khác nhau 2T ...................................... 29 2T .1.1.6.Cơ chế truyền năng lượng trong tương tác của photon và vật chất2T ............................... 30 2T .1.2.Các hiệu ứng sinh học của bức xạ2T ...................................................................................... 31 2T .1.2.1.Cấu tạo của tế bào cơ thể người2T................................................................................... 31 2T .1.2.2.Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào loại tế bào khác nhau và vào chu kỳ tế bào 2T ...... 31 2T .1.2.3.Tương tác của bức xạ ion hóa đối với cơ thể con người2T ............................................... 32 2T .1.2.4.Đường cong sống sót và ảnh hưởng của một số yếu tố đến đường cong sống sót 2T ........ 33 2T .2.Phương pháp xạ trị2T .................................................................................................................... 34 2T .2.1.Giới thiệu về các hình thức xạ trị và các cơ sở xạ trị ở Việt Nam [6] 2T .................................. 34 2T .2.2.Mục tiêu của xạ trị2T ............................................................................................................. 34 2T .2.3.Cơ sở khoa học và phương pháp của kỹ thuật xạ trị2T ............................................................ 35 2T .2.3.1.Cơ sở khoa học2T ........................................................................................................... 35 2T .2.3.2. Phương pháp2T .............................................................................................................. 35 2T .2.4.Quy trình điều trị bằng tia xạ2T .............................................................................................. 36 2T .2.5.Xạ trị ngoài và xạ phẫu2T ...................................................................................................... 36 2T .2.5.1.Các thiết bị dùng trong xạ trị ngoài2T ............................................................................. 36 2T .2.5.2.Ứng dụng của xạ trị ngoài2T ........................................................................................... 37 2T .2.5.3.Xạ phẫu (Stereotactic Radiosurgery)2T ........................................................................... 37 2T .3.Cơ sở của phép tính phân bố liều2T ............................................................................................... 38 2T .3.1.Hoạt độ phóng xạ2T ............................................................................................................... 38 2T .3.2. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ2T ....................................................................................... 38 2T .3.2.1.Liều hấp thụ D (Absorbed Dose)2T ................................................................................. 39 2T .3.2.2.Suất liều hấp thụ (Dose Rate)2T ...................................................................................... 39 2T .3.3.FWHM (Full Width Half Maximum)2T ................................................................................. 40 2T .3.4.Mô tả phân bố liều hấp thụ2T ................................................................................................. 40 2TCHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE2T ................................................. 41 2T3.1.Phương pháp mô phỏng Monte Carlo2T ........................................................................................ 41 2T3.1.1.Giới thiệu về phương pháp mô phỏng Monte Carlo2T ............................................................ 41 2T3.1.2.Tính toán liều với Monte Carlo2T .......................................................................................... 42 2T3.1.3.Các yếu tố cơ bản trong tính toán liều Monte Carlo [15]2T .................................................... 42 2T3.1.3.1.Mô hình vật lý2T ............................................................................................................. 42 2T3.1.3.2. Bảng dữ liệu tương tác2T ............................................................................................... 42 2T3.1.3.3. Bộ phát số ngẫu nhiên2T ................................................................................................ 43 2T3.1.3.4. Cấu trúc hình học2T ....................................................................................................... 43 2T3.1.3.5. Cấu tạo vật liệu2T .......................................................................................................... 44 2T3.1.3.6. Đặc điểm của nguồn2T ................................................................................................... 44 2T3.1.3.7. Scoring2T ....................................................................................................................... 44 2T3.1.3.8. Làm giảm sự thăng giáng và làm xấp xỉ2T ..................................................................... 44 2T3.2.Tổng quan về chương trình PENELOPE [10]2T ........................................................................... 44 2T3.2.1.Hệ thống code PENELOPE2T ................................................................................................ 46 2T3.2.2.Cơ sở dữ liệu và file dữ liệu của vật liệu đầu vào2T ............................................................... 48 2T3.2.3.Cấu trúc của chương trình chính (MAIN program) và sự lựa chọn thông số mô phỏng2T ...... 49 2T3.2.4.Giới thiệu các chương trình chính (MAIN)2T......................................................................... 50 2T3.2.4.1.Chương trình PENSLAB2T ............................................................................................. 51 2T3.2.4.2. Chương trình PENCYL2T .............................................................................................. 51 2T3.2.4.3. Chương trình PENDOSES2T ......................................................................................... 53 2T3.2.5.Tính toán phân bố liều với PENELOPE2T ............................................................................. 53 2TCHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL2T ...................................................................... 56 2T4.1.Mục đích2T ................................................................................................................................... 56 2T4.2.Mô phỏng PENELOPE tính toán phân bố liều với một nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu Gamma Leksell (sử dụng gói chương trình con PENCYL)[2],[10]. 2T ................................................ 56 2T4.3.Khởi tạo file vật liệu cho bài toán mô phỏng2T ............................................................................. 57 2T4.4.Vận hành chương trình PENCYL2T .............................................................................................. 59 2T4.5.Kết quả mô phỏng2T ..................................................................................................................... 62 2T4.6.Sử dụng MATLAB tính liều hấp thụ2T ......................................................................................... 66 2T4.6.1.Mô hình helmet model U2T .................................................................................................... 67 2T4.6.2.Mô hình helmet model B, C2T ............................................................................................... 68 2T4.6.3.Các hàm MATLAB và một số thao tác cần sử dụng trong quá trình tính toán [1],[21].2T ....... 68 2T4.7.Đánh giá các kết quả2T ................................................................................................................. 69 2T4.7.1.Kết quả tính toán với 37 nguồn bằng MATLAB2T ................................................................. 69 2T4.7.2.Kết quả tính toán với 10 nguồn bằng MATLAB2T ................................................................. 71 2T4.7.3.Tính toán thời gian điều trị cho dao Gamma Leksell2T .......................................................... 73 2T4.7.3.1.Trường hợp dùng số liệu của 37 nguồn2T ....................................................................... 73 2T4.7.3.2.Trường hợp dùng số liệu của 10 nguồn2T ....................................................................... 74 2T4.7.4.Chọn Collimator thích hợp cho tổn thương2T......................................................................... 75 2T4.7.5.Từ kết quả mô phỏng dự đoán kế hoạch điều trị2T ................................................................. 75 2T4.8.Dùng chương trình MATLAB biểu diễn các đường phân bố liều2T ............................................... 76 2T4.8.1.Trường hợp sử dụng 37 nguồn2T ........................................................................................... 77 2T4.8.1.1.Tổn thương nằm ngay tâm bộ não2T ............................................................................... 77 2T4.8.1.2. Khảo sát phân bố liều khi tổn thương nằm ở vị trí bất kỳ2T............................................ 81 2T4.8.2.Trường hợp sử dụng 10 nguồn2T ........................................................................................... 87 2T4.8.2.1.Tổn thương nằm ngay tâm bộ não2T ............................................................................... 87 2T4.8.2.2. Khảo sát phân bố liều khi tổn thương nằm ở vị trí bất kỳ2T............................................ 91 2TPHẦN III KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN2T ....................................................................... 99 2TKẾT LUẬN2T .................................................................................................................................... 99 2THƯỚNG PHÁT TRIỂN2T ................................................................................................................ 100 2T ÀI LIỆU THAM KHẢO2T .................................................................................................................... i 2TPHỤ LỤC2T.............................................................................................................................................. i 2BDANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT APS: Automatic Positioning System CT: Computer Tomography MRI: Magnetic Resonance Imaging DSA: Digital Subtraction Angiography LGP: Leksell Gamma Plan RGS: Rotating Gamma System 3D: Three – direction 2D: Two – direction MC: Monte Carlo RNGs: Random Number Generators FORTRAN: Formula Translation PENELOPE: PENetration and Energy Loss of Positron and Electron EGS: Electron Gamma Shower MCNP: Monte Carlo N - Particle GEANT: Geometry And Traking FWHM: Full Width Half Maximum MATLAB: Maxtrix Laboratory 3BPHẦN I: MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ở nước ta và các nước trên thế giới, số người mắc bệnh ung thư ngày càng gia tăng. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính hàng năm trên thế giới có khoảng 11 triệu trường hợp mới mắc ung thư, mỗi năm có khoảng trên 6 triệu người chết do ung thư. Tỷ lệ chết do ung thư chiếm tới 12% trong số các nguyên nhân gây tử vong ở người. Hiện tại, qua thống kê cho thấy trên toàn cầu khoảng 20 triệu người đang sống chung với bệnh ung thư. Nếu không có các biện pháp can thiệp kịp thời thì con số này sẽ lên tới 30 triệu vào năm 2020 [29]. Theo ghi nhận ung thư ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh, ước tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn người mới mắc và khoảng 50 – 70 nghìn người chết vì ung thư [23]. Các bệnh lý về não: u não, dị dạng động tĩnh mạch máu não,gây ra tỷ lệ tử vong rất cao. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật tiên tiến, ngành vật lý hạt nhân nói chung, kỹ thuật xạ trị nói riêng, đã có những đóng góp quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị những căn bệnh hiểm nghèo này. Ba phương pháp điều trị ung thư hiện nay là: phẫu thuật, xạ trị và hóa trị. Xạ trị là quá trình điều trị có sử dụng bức xạ ion hóa hoặc phóng xạ. Mục đích của xạ trị là đưa một liều phóng xạ đến thể tích tổn thương đã xác định, với mức độ ảnh hưởng nhỏ nhất đến các tổ chức xung quanh. Kết quả sẽ loại trừ được tổn thương, kéo dài sự sống hay cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong xạ trị. Xạ trị ngoài được tiến hành với chùm tia photon năng lượng cao, thông thường đó là các tia X mang năng lượng cao hoặc các chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60. Phương pháp xạ trị ngoài được sử dụng rộng rãi để điều trị những khối u nằm sâu trong cơ thể. Trong xạ trị ngoài, việc phân bố liều hợp lý là một yếu tố quan trọng, đóng góp vào thành công của quá trình điều trị. Phân bố liều hợp lý được thể hiện bằng sự tập trung liều cao tại thể tích tổn thương (bia) và liều thấp tại vùng biên (các tổ chức lành quanh tổn thương). Hiện nay tại các bệnh viện lớn Việt Nam, những thiết bị phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bằng phương pháp xạ trị đã được đưa vào sử dụng khá phổ biến .Đặc biệt, vào năm 2006, dao Gamma Leksell đã được đưa vào sử dụng tại bệnh viện Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh. Dao Gamma Leksell là phương tiện phẫu thuật bằng bức xạ Gamma tập trung. Với sự hỗ trợ của Gamma Plan, một chương trình điều trị bằng máy tính, dao Gamma Leksell cho phép các bác sĩ và kỹ sư vật lý xác định đúng và chiếu bức xạ vào thể tích tổn thương trong não với độ chính xác cao nhằm tiêu diệt tổn thương mà không ảnh hưởng đến các vùng lân cận. Dao Gamma Leksell được chỉ định điều trị u não, các bệnh lý khác về não như: các khối u nguyên phát di căn vào não, u màng não, u thần kinh, u tuyến yên, u sọ, các u lành ở nền sọ, u vùng tuyến tùng, tuyến yên, u thính giác, các dị dạng động tĩnh mạch. Hiện nay, dao Gamma Leksell còn được nghiên cứu để điề