Luận văn Mô phỏng thiết bị xạ phẫu leksell gamma knife bằng chương trình mcnp5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG TRƯƠNG KA MY MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN TP HỒ CHÍ MINH, 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG TRƯƠNG KA MY MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN TP HỒ CHÍ MINH, 2009 Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 1 MỤC LỤC Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt ............................................................... 1 Danh mục các bảng ................................................................................................... 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................................... 4 MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 7 CHƯƠNG 1 .............................................................................................................. 11 1.1 Giới thiệu về Leksell Gamma Knife..................................................................... 11 1.2 Lịch sử của LGK ................................................................................................ 11 1.3 Các thành phần chính trong thiết bị LGK ............................................................ 14 1.4 Nguyên tắc của LGK .......................................................................................... 15 1.5 Tiến trình điều trị bằng LGK .............................................................................. 17 1.6 Giới thiệu chương trình Gamma Plan................................................................... 18 1.7 Ưu điểm của LGK so với các thiết bị xạ phẫu khác ............................................. 19 CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 21 2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 21 2.2 Quá trình và nguyên tắc điều trị bằng tia xạ ......................................................... 22 2.3 Các phương pháp điều trị bằng tia xạ .................................................................. 23 2.4 Cơ sở và các khái niệm liên quan về liều trong xạ trị ........................................... 24 CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 32 3.1 Phương pháp Monte Carlo .................................................................................. 32 3.2 Chương trình MCNP .......................................................................................... 34 Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 2 3.3 Mô phỏng MCNP cho nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu LGK ..................... 42 3.4 Các kết quả tính toán với nguồn đơn kênh ........................................................... 45 CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 49 4.1 Mô phỏng MCNP5 cho 201 nguồn trong LGK .................................................... 49 4.2 Mô phỏng cách tính liều đối với đầu Zubal .......................................................... 52 4.3 Các kết quả tính toán với 201 nguồn .................................................................... 53 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 67 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 69 Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu Φ : là thông lượng hạt (1/cm2 T ) L V : là thể tích của một voxel (cm : là chiều dài đường đi của hạt (cm) 3 W : là trọng số quãng đường ) A: là diện tích của một voxel (cm2 δ ) : là bề rộng của voxel (cm) Các chữ viết tắt LGK: Leksell Gamma Knife CT: Computed Tomography MRI: Magnetic Resonance Imaging SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography PET: Positron Emission Computed Tomography IGRT: Image Guided Radiation Therapy IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy SSD: Source to Surface Distance SAD: Source Axis Distance GTV: Gross Tumor Volume CTV: Clinical Target Volume PTV: Planning Target Volume Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 4 MCNP: Monte Carlo N – Particle EGS: Electron Gamma Shower PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons FWHM: Full Width Half Maximum Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 So sánh thời gian chạy giữa tally F4 và tally Fmesh Bảng 4.1 So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Gamma Plan và kết quả tính toán Bảng 4.2 So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Gamma Plan và kết quả tính toán Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong LGK Hình 1.5 So sánh cường độ của một chùm tia gamma mà khối u hấp thụ Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân Hình 1.7 Chương trình tính liều bằng Gamma Plan Hình 1.8: So sánh kích thước và liều điều trị của một số phương pháp xạ trị Hình 2.1 biểu diễn cách tính liều phần trăm Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn các thể tích bia trong kỹ thuật xạ trị. Hình 2.3 biểu diễn đường đồng liều của CTV, PTV, và GTV trong ung thư trực tràng được chụp bởi CT trong việc lập kế hoạch điều trị 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 Hình 3.2 biểu diễn quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel Hình 3.3 So sánh liều tương đối tính bằng tally F4 và tally Fmesh dọc theo trục Ox đối với phantom nước Hình 3.4 Giao diện của chương trình MCNP5 Hình 3.5 Mô hình nguồn đơn kênh dùng trong mô phỏng MCNP Hình 3.6 Mô hình mô phỏng nguồn đơn kênh và phantom trong LGK Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 7 Hình 3.7 Phổ năng lượng photon phát ra của nguồn Co Hình 3.8 Liều phân bố dọc theo trục Ox 60 Hình 3.9 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy Hình 3.10 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz Hình 4.1a Biểu diễn sự sắp xếp của các vòng collimator trong helmet của LGK Hình 4.1b Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy Hình 4.2 biểu diễn phân bố góc của 201 nguồn trong LGK so với mặt phẳng Hình 4.3 Biểu diễn nguồn có dạng hình mặt và cách bố trí phantom trong mô phỏng 201 nguồn Hình 4.4 Mô hình đầu Zubal Hình 4.5 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator 4mm Hình 4.6 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator đường kính 8mm Hình 4.7 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator đường kính 14mm Hình 4.8 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator đường kính 18mm Hình 4.9 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy trong collimator đường kính 18mm Hình 4.10 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxz trong collimator đường kính 18mm Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 8 Hình 4.11 Biểu diễn phân bố liều tương đối trong phantom đầu Zubal và trong phantom nước đối với 201 nguồn Hình 4.12 So sánh liều phân bố đối với trục z trong collimator đường kính 4mm với 201 nguồn Hình 4.13 So sánh liều phân bố đối với trục x trong collimator đường kính 4mm với 201 nguồn Hình 4.14 So sánh liều phân bố đối với trục x trong collimator có đường kính 18mm với 201 nguồn Hình 4.15 So sánh liều phân bố đối với trục z trong collimator có đường kính 18mm với 201 nguồn Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 9 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 đư ợc một số hướng dự phòng chẩn đoán chính xác hơn và điều trị có hiệu quả hơn. Những cách điều trị bệnh bao gồm: 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 của chùm tia 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 và đặc biệt gần đây nhất năm 2006 Bệnh Viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh đã đưa vào máy xạ phẫu Leksell Gamma Knife, đây là thiết bị tiên tiến nhất hiện nay để chữa trị u não. Thiết bị này sử dụng nguồn chiếu xạ đa kênh để tiêu diệt khối u. Thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife được giới thiệu vào Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 10 năm 1951 bởi giáo sư Lar Leksell người Thụy Điển cho đến nay đã có 17189 b ệnh nhân được điều trị bằng Gamma Knife trên toàn thế giới. Ở Việt Nam từ tháng 11/2006 đến tháng 7/2007 Bệnh viện Chợ Rẫy đã điều trị được cho 100 bệnh nhân. Tất cả các bệnh nhân sau khi điều trị đều có kết quả tốt. Hiện nay trên thế giới, nhiều nhà khoa học cũng đã v ận dụng nhiều phương pháp tính liều khác nhau để khảo sát phân bố liều chiếu trong thiết bị LGK 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) [2], 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 [3]. Chương trình PENELOPE dùng đ ể khảo sát phân bố liều trong LGK 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 [4] (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 xác suất của góc phát ra từ nguồn LGK, kết quả tính toán cho thấy chỉ những tia gamma phát ra với góc cực nhỏ hơn 30 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. Moskvin V [5] đã dùng PENELOPE để mô phỏng thông lượng phát ra từ nguồn cùa LGK đi qua các collimator nhằm để xác định phân bố liều trong phantom cầu polystyrene, kết quả này được tính toán và so sánh với kết quả của các tác giả khác mô phỏng bằng code EGS4. Ngoài ra code MCNP4C cũng đư ợc sử dụng để tính toán liều tương đối phát ra từ 201 nguồn của thiết bị LGK (YiPeng Li, 2002) [6]. Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 11 Luận văn này nhằm mục đích tìm hi ểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đó là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động 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 chiếu trong thiết bị xạ phẫu, một chương trình mô phỏng được xây dựng để tính toán phân bố liều và kết quả này được so sánh với các chương trình mô phỏng của các tác giả khác nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của quá trình. Chương trình chúng tôi dùng đ ể mô phỏng trong luận văn này là MCNP5, đó là một trong những phương pháp Monte Carlo, được xem là khá chính xác và hiện đại trong việc tính toán liều. Đề tài “Mô phỏng thiết bị xạ phẫu Gamma Knife bằng phương pháp MCNP” đã mở ra một hướng nghiên cứu mới trong việc ứng dụng phương pháp MCNP5 trong kỹ thuật tính liều đối với thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife. Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc tìm hiểu tổng quan cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife. Giới thiệu về các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị trong đó có phương pháp MCNP, tìm hi ểu đặc điểm, cơ sở vật lý của các code, cấu trúc thành phần của một file input trong chương trình MCNP. Sau đó vận dụng phương pháp này để mô phỏng quá trình tính liều cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife. Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên chúng tôi chỉ mô phỏng quá trình tính liều và phân bố liều theo độ sâu cho phantom bằng vật liệu nước và plastic sau đó chúng tôi có mô phỏng đối với phantom đầu Zubal cho nguồn đơn kênh và 201 nguồn trong thiết bị Leksell Gamma Knife. Từ mục đích và nội dung công việc đó luận văn có bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và quy trình chữa trị của thiết bị xạ phẫu Gamma Knife. Chương này mô tả một cách chi tiết về cấu trúc của thiết bị xạ phẫu từ việc phân bố góc của 201 nguồn Cobalt 60 đến các tiến trình điều trị. Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 12 Chương 2: Các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị. Giới thiệu các kỹ thuật tính liều xạ trị ngoài. Các kiến thức này là nền tảng cơ sở để xây dựng các quá trình mô phỏng tương tác của bức xạ với môi trường vật chất, các định nghĩa về liều chiếu, kích thước trường chiếu, hướng chiếu và liều hấp thụ. Chương 3: Giới thiệu phương pháp Monte – Carlo. Mô phỏng MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đối với nguồn đơn kênh. Trong chương này, cấu hình nguồn đơn kênh được mô phỏng và xuất ra kết quả phân bố liều, làm cơ sở cho quá trình mô phỏng cho 201 nguồn. Chương 4: Mô phỏng MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đối với 201 nguồn và các kết quả tính toán đối với mô hình đầu Zubal. Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỂ THIẾT BỊ LEKSELL GAMMA KNIFE 1.1. Giới thiệu về Leksell Gamma Knife Leksell Gamma Knife (LGK) là thiết bị phẫu thuật bằng bức xạ gamma tập trung, định vị ba chiều. Nó cho phép xác định chính xác và điều trị các khối u nằm sâu trong não hoặc các khối dị dạng động tĩnh mạch có đường kính nhỏ hơn 5 cm. Trong điều trị bệnh lý não, khi tổn thương nằm sâu, nếu mổ hở như thông thường, phẫu thuật viên có thể làm tổn thương vùng não lành, gây biến chứng cho bệnh nhân sau đó như rối loạn thần kinh, tâm thần, liệt nửa người hoặc liệt các vùng thần kinh. Thậm chí nếu đụng chạm đến những trung khu thần kinh quan trọng, bệnh nhân còn có thể tử vong ngay trên bàn mổ. Trong khi đó, xạ phẫu bằng hệ thống LGK là một phương pháp tiên tiến, bằng cách hội tụ hơn 200 nguồn bức xạ nhỏ tạo thành một năng lượng cực cao để tiêu hủy dần dần các sang thương trong não mà không c ần phẫu thuật. Khối sang thương sẽ bị tiêu hủy dần và biến mất theo thời gian. Do hội tụ từ các nguồn năng lượng dưới dạng bức xạ cực mảnh nên bệnh nhân cảm thấy rất bình thường sau điều trị và có thể tham gia công việc ngay ngày hôm sau, tránh được tâm lý lo lắng quá mức do bệnh tật và do các áp lực khi phải nghĩ việc vì bệnh và phải sắp xếp thời gian để trị bệnh. Hiện nay, LGK là một trong những thiết bị xạ trị được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. 1.2. Lịch sử của LGK [7] Thiết bị này được thiết kế bởi Lar Leksell, nhà giải phẫu người Thụy Điển vào năm 1967 tại viện Karolinska, Thụy Điển. Năm 1968 dựa vào phát minh của Giáo sư Lars Leksell, Công ty ELEKTA Thụy Ðiển đã sản xuất thành công Gamma Knife và Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 14 đưa vào sử dụng chữa trị cho bệnh nhân đầu tiên ở nhà máy hạt nhân Studsvik. Trong cùng năm đó, Gamma Knife được triển khai điều trị tại Bệnh viện Karolinska, Thụy Ðiển. Bắt đầu từ những năm 1970 kỹ thuật xạ phẫu được chú ý trên thế giới bởi sự phát triển của các thiết bị mới như chụp ảnh CT (Computed Tomography). Đầu những năm 1980, Gamma Knife được lắp đặt ở Argentina và Anh. Vào năm 1987 thiết bị xạ phẫu này lần đầu tiên được lắp đặt tại Bắc Mỹ. Năm 1990, chương trình tính l iều Gamma Plan được đưa vào sử dụng phục vụ cho mục đích lập kế hoạch xạ trị. Tới năm 1993, Gamma Knife càng được sử dụng rộng rãi ở tất cả các châu lục. Do tính ưu điểm và vượt trội của Gamma Knife so với các phẫu thuật kinh điển trong điều trị các khối u, các dị dạng mạch máu và các bệnh chức năng của não, nên Gamma Knife ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Năm 1996, Chương trình Gamma Plan đư ợc hợp nhất với chương trình x ử lý ảnh MRI và CT. Năm 2000, Gamma Knife model C được giới thiệu có bổ sung hệ thống định vị APS. Ðến năm 2001 trên thế giới có 147 Trung tâm Gamma Knife và đến năm 2004 số Trung tâm Gamma Knife tăng lên là 232 (bao gồm: Trung Quốc 92, Nhật 36, các nước châu Á còn lại 17, Châu Âu 29, Bắc Mỹ 65, Nam Mỹ 02 và Châu Phi 01). Cho đến tháng 3 năm 2008 thì có 259 thiết bị được triển khai trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife được đưa vào sử dụng lần đầu tiên tại bệnh viện Chợ Rẫy vào tháng 11 năm 2006. Hình 1.1 biểu diễn các thành phần của thiết bị xạ phẫu LGK nhìn từ ngoài vào. Hình 1.2 là mô hình cắt ngang của thiết bị, qua đó ta có thể thấy một cách chi tiết các thành phần cũng như cấu tạo bên trong của thiết bị. Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 15 Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 16 1.3 Các thành phần chính trong thiết bị LGK Thiết bị xạ phẫu LGK gồm có 3 phần chính: 1. Nguồn trong thiết bị xạ phẫu LGK (Radiation Unit) gồm 201 nguồn Co – 60, mỗi nguồn có hoạt độ gần 30 Ci. Các nguồn này được sắp xếp thành dãy hình tròn nằm trong bộ phận che chắn làm bằng vật liệu có số khối lớn ( thường là chì). Nguồn này nhằm phóng những tia phóng xạ gamma đến những điểm bia trong bộ não bệnh nhân. 2. Mũ (Collimator helmet): Gamma Knife được cung cấp bốn loại mũ với các kích cỡ các collimator là 4mm, 8mm, 14mm, 18mm. Các mũ này đư ợc gắn cố định với giường bệnh nhân bằng các đinh vít. Các mũ này là các colimator để cho các tia phóng xạ từ nguồn phát ra chiếu vào khối u một cách chính xác. Và nhờ có loại mũ này mà liều chiếu tập trung một cách chính xác tại các khối u nên mức độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ tới các vùng xung quanh là không đáng kể. Tùy theo thể tích của khối u mà các kỹ sư vật lý có thể dùng các collimator có đường kính khác nhau. Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK Helmet với các kích cỡ khác nhau Collimators 4mm, 8mm, 14mm, 18mm Mũ đặt trong hệ thống gamma knife Luận văn thạc sĩ Đặng Trương Ka My 17 3. Giường chữa trị bệnh nhân (Patient Treatmen Couch): Là thiết bị có thể mang bệnh nhân dịch chuyển vào và ra trong suốt quá trình chiếu xạ, có thể tự điều chỉnh vị trí để khớp mũ với các kênh chiếu và các vị t