Nghiên cứu tính toán phân bố liều bức xạ trong thể tích khối u não cho xạ trị bằng gamma knife quay sử dụng phương pháp mô phỏng monte carlo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu tính tốn phân bố liều bức xạ
trong thể tích khối u não cho xạ trị bằng
Gamma Knife quay sử dụng phương pháp
mô phỏng Monte Carlo
BÙI TIẾN HƯNG


Ngành Kỹ thuật Hạt nhân

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Kim Tuấn

Viện:

Vật lý kỹ thuật

HÀ NỘI, 07/2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu tính tốn phân bố liều bức xạ
trong thể tích khối u não cho xạ trị bằng
Gamma Knife quay sử dụng phương pháp
mô phỏng Monte Carlo
BÙI TIẾN HƯNG

Ngành Kỹ thuật Hạt nhân

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Kim Tuấn
Chữ ký của GVHD

Viện:

Vật lý kỹ thuật

HÀ NỘI, 07/2022


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Tiến Hưng
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu tính tốn phân bố liều bức xạ trong thể tích
khối u não cho xạ trị bằng Gamma Knife quay sử dụng phương pháp mô
phỏng Monte Carlo”
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hạt nhân
Mã số SV: 20202811M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 13/7/2022
với các nội dung sau:
• Chỉnh sửa bố cục các chương luận văn.

• Chỉnh sửa một số thuật ngữ chuyên ngành, các hình ảnh trình bày chưa
rõ ràng, sửa chữa các lỗi sai chính tả, và các lỗi trích dẫn tài liệu tham
khảo.
• Bổ sung các đánh giá kết quả bằng phương pháp Gamma Index.
Ngày 27 tháng 7 năm 2022
Người hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Trần Kim Tuấn

Bùi Tiến Hưng
Chủ tịch Hội đồng

TS. Nguyễn Văn Thái


ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Tên tiếng Việt:
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN PHÂN BỐ LIỀU BỨC XẠ TRONG THỂ TÍCH
KHỐI U NÃO CHO XẠ TRỊ BẰNG GAMMA KNIFE QUAY SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO
Tên tiếng Anh:
STUDY ON CALCULATING RADIATION DOSE DISTRIBUTION IN BRAIN
TUMOR VOLUME FOR RADIOSURGERY WITH ROTATING GAMMA
KNIFE BY USING MONTE CARLO SIMULATION

Người hướng dẫn

TS. Trần Kim Tuấn

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này trước hết tôi xin gửi đến quý thầy, cô bộ môn
Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường – Viện Vật lý kỹ thuật đã dạy dỗ, truyền
đạt những kiến thức vô cùng quý báu không chỉ là những kiến thức chun mơn
mà cịn cả kiến thức trong cuộc sống.
Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Kim Tuấn, thầy đã
tạo mọi điều kiện về thời gian để truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên cứu
khoa học cho tôi. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Trần Thùy Dương và
ThS. Bùi Ngọc Hà đã tận tình giúp đỡ hướng dẫn tơi phương pháp nghiên cứu và
cách thực hiện đề tài này.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới nhiệm vụ KHCN “Xây dựng phần mềm lập
kế hoạch xạ trị tự động cho thiết bị xạ phẫu Gamma Knife”; Mã số: B2020-BKA20-Bộ Giáo dục đào tạo, hệ thống tính tốn HPC - VINATOM và Trung tâm Y
học hạt nhân và Ung bướu - Bệnh viện Bạch Mai đã hỗ trợ tôi thực hiện nghiên
cứu này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình đã ln quan
tâm, tạo mọi điều kiện để tơi học tập. Cảm ơn những người bạn đã luôn bên cạnh
chia sẻ và có những lời động viên tinh thần trong những lúc khó khăn nhất.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Bùi Tiến Hưng


TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu mơ phỏng hệ thống xạ phẫu Gamma Knife quay
ART6000 sử dụng mã mơ phỏng Monte Carlo (PHITS, GEANT4) để tính tốn liều
bức xạ trong thể tích khối u. Hiện nay các tính tốn phần lớn phụ thuộc vào chương

trình lập kế hoạch được cung cấp bởi hãng thiết bị và chưa có một quy trình nào
xác minh được mức độ chính xác của liều điều trị thực tế so với kế hoạch được
lập. Các kĩ sử chỉ có thể kiểm tra được liều cung cấp tới các thiết bị đo liều được
đặt trong phantom nước thơng qua các quy trình đảm bảo chất lượng (Quality Assurance – QA). Vì vậy việc khảo sát tính chính xác của các đại lượng liều được
cung cấp bởi kế hoạch là công việc rất cần thiết. Do đó, cần thiết xây dựng một
chương trình mơ phỏng giúp có thể nghiên cứu, khảo sát, tính tốn các đặc trưng
về liều lượng từ hệ thống Gamma Knife quay.
Mục tiêu của luận văn là: mơ hình hóa cấu hình hệ thống Gamma ART6000;
xây dựng phantom bất đồng nhất gần với cấu trúc giải phẫu con người nhất có thể
và tính tốn các đặc trưng liều lượng trên những đối tượng phantom trên.
Luận văn mô phỏng hệ thống Gamma ART6000 một cách gần chính xác
nhưng vẫn đảm bảo được mức độ đơn giản một cách tối đa. Đặc điểm quan trọng
nhất là mô phỏng gần đúng được chuyển động quay – là đặc trưng của các hệ thống
Gamma Knife quay. Do đó, luận văn đã đề xuất phương pháp phân chia quỹ đạo
quay liên tục của cụm 30 nguồn thành những điểm rời rạc trên vĩ tuyến và thực
hiện mơ phỏng tại các vị trí này. Kết quả mơ phỏng ở những vị trí đó sẽ được tổng
hợp lại để tính tốn các đặc trưng về mặt liều lượng.
Luận văn thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường không đồng nhất
tới phân bố liều/liều dựa trên phantom mẫu chuẩn ICRP-145. Luận văn cũng đã
nghiên cứu tạo các khối u “giả” có dạng hình cầu đặt tại vị trí tâm của phần đầu
phantom để khảo sát ảnh hưởng liều hấp thụ phụ thuộc vào kích thước trường chiếu
và thể tích khối u sát với điều kiện giải phẫu thực tế. Khảo sát cũng được thực hiện
một cách tương tự đối với mơi trường đồng nhất (nước) để có thể đưa ra các kết
luận và đánh giá.
Bên cạnh đó, luận văn cịn đề xuất một quy trình mới giúp chuyển đổi các bộ
hình ảnh cắt lớp chẩn đốn (CT, MRI) sang dạng hình học lưới voxel có thể sử
dụng cho một số mã mô phỏng Monte Carlo (PHITS, MCNP và GEANT4). Luận
văn cũng thực hiện nghiên cứu tính tốn và xác định được giá trị liều hấp thụ, giá
trị đường đồng liều theo kế hoạch điều trị. Với chương trình tính tốn được xây
dựng có thể hỗ trợ bác sĩ, kỹ sư tham khảo để xây dựng kế hoạch điều trị.

Sự phù hợp của hình học mơ phỏng hệ thống Gamma ART6000 được xác
nhận bằng các kết quả của bài toán kiểm chuẩn với phantom nước. Kết quả nghiên
cứu giữa phantom bất đồng nhất và phantom đồng nhất cho thấy rằng, hình dạng
đường phân bố liều (khi được quy đổi sang liều tương đối) trong hai trường hợp
khơng có sự khác biệt. Tuy nhiên, giá trị phân bố liều/liều tuyệt đối (liều hấp thụ)
trong mơi trường khơng đồng nhất có giá trị thấp hơn trong mơi trường đồng nhất
vì các tia bức xạ bị hấp thụ phần lớn trên xương sọ (phantom) trước khi đi vào
vùng khảo sát. Do đó có thể kết luận rằng liều điều trị thực tế có thể thấp hơn so
với kế hoạch được tính tốn. Điều này được kiểm chứng thêm từ kết quả mô phỏng
cho một trường hợp bệnh nhân, kích thước và hình dạng của đường đồng liều 50%
không khác biệt so với kế hoạch và trong phantom nước tuy nhiên giá trị liều tuyệt
đối của đường đồng liều 50% thấp hơn so với kế hoạch đề ra.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN..................................................... 3
1.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 3
1.1.1 Tổng quan về xạ trị ................................................................................. 3
1.1.2 Kỹ thuật xạ phẫu lập thể ......................................................................... 3
1.2 Nghiên cứu tổng quan về hệ thống xạ phẫu Gamma Knife ............................ 4
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển ............................................................. 4
1.2.2 Hệ thống xạ phẫu Gamma quay ART6000 ............................................ 5
1.3 Các nghiên cứu về hệ thống xạ phẫu Gamma Knife ..................................... 12
1.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm ...................................................................... 13
1.3.2 Nghiên cứu mô phỏng Monte Carlo ..................................................... 15
1.4 Những đặc trưng về liều lượng khảo sát với hệ thống Gamma Knife .......... 21
1.4.1 Liều hấp thụ .......................................................................................... 22
1.4.2 Liều tương đối ...................................................................................... 22

1.4.3 Đường phân bố liều dọc trục (đường profile liều) ............................... 22
1.4.4 Đường đồng liều ................................................................................... 23
1.4.5 Hệ số đầu ra .......................................................................................... 23
1.4.6 Độ rộng trường chiếu và độ rộng vùng bán dạ ..................................... 23
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XẠ PHẪU
GAMMA ART6000 .................................................................. 25
2.1 Giới thiệu về chương trình mô phỏng GEANT4 và PHITS .......................... 25
2.1.1 Giới thiệu chương trình mơ phỏng GEANT4....................................... 26
2.1.2 Giới thiệu chương trình mơ phỏng PHITS ........................................... 28
2.2 Xây dựng tệp đầu vào cho chương trình mơ phỏng ...................................... 30
2.2.1 Xây dựng hình học mô phỏng hệ thống ART6000 .............................. 30
2.2.2 Xây dựng các phantom tính tốn liều lượng ........................................ 37
2.2.3 Thiết lập các tham số cho mô phỏng .................................................... 43
2.3 Xử lý kết quả đầu ra ...................................................................................... 45
2.3.1 Cấu trúc tệp đầu ra (kết quả) ................................................................ 45
2.3.2 Đánh giá sai số kết quả ......................................................................... 45


2.3.3 Phương pháp so sánh kết quả ............................................................... 46
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 48
3.1 Kiểm chuẩn mô phỏng với phantom nước (môi trường đồng nhất) .............. 48
3.1.1 Bài tốn đơn giản hóa (1 kênh nguồn) ................................................. 48
3.1.2 Bài toán kiểm chuẩn (30 kênh nguồn) .................................................. 52
3.2 Nghiên cứu đặc trưng liều lượng hệ thống xạ phẫu quay Gamma ART6000 với
phantom bất đồng nhất .................................................................................. 58
3.3 Tính tốn liều với phantom được chuyển đổi từ bộ ảnh MRI ....................... 61
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 68

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hình ảnh mơ tả ngun lý kỹ thuật xạ phẫu. Các tia gamma được phát
ra từ nhiều hướng khác nhau hội tụ trên khối u não cần tiêu diệt ..... 4
Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống xạ phẫu quay RGS ................................................. 6
Hình 1.3 Cấu trúc khối nguồn Cobalt-60 ........................................................... 8
Hình 1.4 Cấu trúc thân nguồn và thân chuẩn trực ............................................. 8
Hình 1.5 Hệ thống ống chuẩn trực ..................................................................... 9
Hình 1.6 Hình học tính tốn liều cho Gamma Knife ....................................... 12
Hình 1.7 Đường cong đặc trưng của phim MD-55 .......................................... 13
Hình 1.8 Hình ảnh đường đồng liều và phân bố liều đối với trường chiếu 18 mm
........................................................................................................... 14
Hình 1.9 Mơ hình hệ thống Elekta Leksell Gamma ....................................... 15
Hình 1.10 Mơ hình hệ thống Leksell Gamma 4C ............................................ 16
Hình 1.11 Phân bố góc vĩ độ của 201 nguồn hệ thống LGK B/C ...................... 17
Hình 1.12 Mơ hình hệ thống LGK4C và OUR XGD .......................................... 17
Hình 1.13 Mơ hình hệ thống LGKC và RGSA .................................................... 19
Hình 1.14 Phân bố 201 nguồn của hệ thống LGKC ............................................ 19
Hình 1.15 Đường phân bố liều theo khoảng cách trục trung tâm ...................... 23
Hình 2.1 Cấu trúc tệp đầu vào của PHITS ....................................................... 28
Hình 2.2 Kích thước chi tiết của khối nguồn Cobalt ....................................... 31
Hình 2.3

So sánh khối nguồn Cobalt của hệ thống ART6000 và LGKC ........ 31

Hình 2.4 Mặt cắt dọc trục của ống chuẩn trực sơ cấp và thứ cấp trong hệ thống
RGSA (trên) và LGKC (dưới) ............................................................ 32
Hình 2.5 Cấu hình một kênh nguồn với phantom nước hiển thị với GEANT4 33
Hình 2.6 Mơ tả góc kinh độ và vĩ độ ............................................................... 34
Hình 2.7 Phân bố 30 kênh nguồn tại vị trí ban đầu .......................................... 35
Hình 2.8 Sơ đồ thuật tốn mơ tả q trình quay góc cho mơ phỏng ................ 36

Hình 2.9 Ví dụ về ba thế hệ phantom tính tốn ............................................... 38
Hình 2.10 Phantom nước QA các hệ thống Gamma Knife ................................ 40
Hình 2.11 Phantom đầu người ICRP- 145 ......................................................... 40
Hình 2.12 Quy trình chuyển đổi hình ảnh MRI sang hình học mơ phỏng ......... 41
Hình 2.13 Hình học GEANT4 của phantom được chuyển đổi từ bộ ảnh MRI của
bệnh nhân nam N.V.K, 50 tuổi ......................................................... 42


Hình 2.14 Cấu trúc tệp kết quả mơ phỏng sử dụng lớp G4ScoringManager ..... 45
Hình 3.1 Bản đồ màu thể hiện phân bố liều hấp thụ đối với 4 kích thước trường
chiếu khác nhau ................................................................................ 49
Hình 3.2 Profile liều đối với 4 trường chiếu khác nhau theo hai trục OX và OY
............................................................................................................ 50
Hình 3.3 So sánh hình dạng phân bố liều lượng theo phương pháp đề xuất trong
luận văn và phương pháp phân bố nguồn trong nghiên cứu [7]. Kết quả
của luận văn cho thấy phương pháp mô phỏng gần đúng chuyển động
quay được đề xuất phù hợp so với kết quả thực nghiệm .................. 52
Hình 3.4 Đường biểu diễn phân bố liều tương đối dọc theo trục OX/OY của luận
văn – kí hiệu GEANT4 được so sánh với kết quả nghiên cứu của
Sengupta và cộng sự bao gồm kết quả đo thực nghiệm bằng phim bức
xạ EBT3 – kí hiệu Sengupta(E) và mơ phỏng bằng GEANT4 – kí hiệu
Sengupta(S) ....................................................................................... 55
Hình 3.5 So sánh đường phân bố liều giữa hai hệ thống xạ phẫu quay RGSA và
xạ phẫu tĩnh LGKC đối với trường chiếu 18 mm ............................. 57
Hình 3.6 So sánh đường phân bố liều trong hai phantom nước và phantom ICRP145 với trường chiếu đơn kênh 18 mm .......................................... 59
Hình 3.7 Sự phụ thuộc giữa liều hấp thụ theo thể tích khối u "giả" trong trường
hợp phantom nước đồng nhất và phantom đầu người ICRP 145. Giá trị
liều hấp thụ trên khối u phụ thuộc theo thể tích và kích thước của mỗi
trường chiếu khác nhau ..................................................................... 60
Hình 3.8 Hình ảnh 3D được tái tạo từ bộ ảnh MRI của bệnh nhân N.V.K ...... 62

Hình 3.9 Vị trí shot chiếu trên tọa độ mơ phỏng .............................................. 63
Hình 3.10 So sánh kích thước và vị trí đường đồng liều 50% giữa mô phỏng với
phần mềm lập kế hoạch điều trị ........................................................ 63
Hình 3.11 Liên hệ giữa độ rộng đường đồng liều 50% (FWHM) theo các lát cắt
khác nhau được tính tốn dựa trên phantom chuyển đổi từ hình ảnh MRI
của bệnh nhân trong điều trị thực tế ................................................. 64


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thơng tin kích thước nguồn và chuẩn trực trong mô phỏng LGK4C và
OUR .................................................................................................. 18
Bảng 1.2 Phân bố góc kinh độ và vĩ độ hệ thống LGK .................................... 20
Bảng 1.3 Giá trị góc Theta đối với mỗi nguồn của hệ thống Gamma quay theo 6
đường xoắn ốc .................................................................................. 20
Bảng 2.1 Kích thước ống chuẩn trực thứ cấp .................................................. 32
Bảng 2.2 Phân bố góc kinh độ và vĩ độ của 30 kênh nguồn RGSA .................. 34
Bảng 3.1 Kết quả đánh giá sự phù hợp giữa hai kết quả mô phỏng GEANT4 và
PHITS sử dụng phương pháp Chỉ số gamma. Tiêu chí đánh giá được
sử dụng: sai lệch về liều lượng 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 3% và vị trí 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 3 voxel . .. 50

Bảng 3.2 Giá trị độ rộng FWHM của trường chiếu với một kênh nguồn ........ 51
Bảng 3.3 Giá trị độ rộng Penumbra của trường chiếu với một kênh nguồn .... 51
Bảng 3.4 Phân tích Chỉ số gamma của 4 trường chiếu khác nhau theo tiêu chí
𝛥𝛥𝛥𝛥 = 3%, và 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 3 voxel ............................................................. 53

Bảng 3.5 Trình bày kết quả tính tốn độ rộng trường chiếu FWHM bằng mô phỏng
GEANT4 của luận văn và được so sánh với kết quả trong nghiên cứu
của Sengupta và cộng sự bao gồm kết quả thực nghiệm (E) và kết quả
mô phỏng (S) .................................................................................... 55
Bảng 3.6 So sánh kết quả xác định giá trị độ rộng vùng bán dạ (Penumbra) của

luận văn với kết quả thực nghiệm (E) và mô phỏng (S) trong nghiên cứu
của Sengupta và cộng sự ................................................................... 56
Bảng 3.7 Kết quả tính tốn hệ số đầu ra được so sánh với thông số của NSX và
kết quả tính tốn bằng mơ phỏng trong nghiên cứu của Mammoo .. 56
Bảng 3.8 So sánh giá trị FWHM và Penumbra giữa hai hệ thống xạ phẫu tĩnh điển
hình LGKC và RGSA bằng mô phỏng Monte Carlo ......................... 58
Bảng 3.9 So sánh kích thước các đường đồng liều trong hai phantom ............ 59


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

APS

Automatic Positioning System

Hệ thống định vị tự động

CGS

Constructive Solid Geometry

Hình học khơng gian kết
cấu

CT

Computed Tomography

Chụp cắt lớp vi tính

DICOM

Digital Imaging and Communi- Chuẩn định dạng hình
cations in Medicine
ảnh y tế

EGS

Electron Gamma Shower

Mã mô phỏng EGS

FLUKA

FLUktuierende KAskade

Mã mô phỏng FLUKA

FWHM

Full Width at Half Maximum

Độ rộng tại nửa chiều cao
của đỉnh

GEANT4

Geometry And Tracking 4

Mã mô phỏng GEANT4

ICRP

International Commission on Ủy ban quốc tế về an
toàn bức xạ
Radiological Protection

IMRT

Intensity Modulated Radiation Kỹ thuật xạ trị điều biến
cường độ liều
Therapy

LGK

Leksell Gamma Knife

LGKC/4C

Hệ thống xạ phẫu dao
gamma Leksell
Kí hiệu cho hệ thống xạ
phẫu dao gamma Leksell
Gamma Knife C/4C

LINAC

LINear ACcelerator

MCNP

Monte
Carlo
Transport

MIRD

Medical Internal Radiation Do- Phantom xác định liều
simetry phantom
chiếu trong

MPI

Message Passing Interface

Giao thức tính tốn song
song MPI

MRI

Magnetic Resonance Imaging

Hình ảnh cộng hưởng từ

NSX

Máy gia tốc tuyến tính
N-Practicle Mã mơ phỏng MCNP

Nhà sản xuất


Open MPI

Open Message Passing Inter- Giao thức tính tốn song
face
song Open MPI

OPF

OutPut Factor

PENELOPE

Penetration and ENErgy Loss of Mã mô phỏng PENELPositrons and Electrons
OPE

Penumbra

Penumbra

PRESTA

Parameter Reduced Electron- Mã mô phỏng PRESTA
Step Transport Algorithm

QA

Quality Assurance

RGS

Rotating Gamma Knife Radio- Hệ thống xạ phẫu dao
surgery
gamma quay

Hệ số đầu ra

Vùng bán dạ

Chương trình đảm bảo
chất lượng

RGSA

Kí hiệu cho hệ thống xạ
phẫu dao gamma quay
ART6000

RGSC

Kí hiệu cho hệ thống xạ
phẫu dao gamma quay
Trung Quốc

PHITS

Particle and Heavy Ion Transp- Mã mô phỏng PHITS
ort code System

PPS

Patient Positioning System

Hệ thống định vị bệnh
nhân


MỞ ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều thiết bị chẩn đoán và điều trị bằng các chùm
tia bức xạ. Gần đây, một hệ thống xạ phẫu hiện đại được ứng dụng trong điều trị
các khối u não có tên Gamma ART6000 đã được đưa vào điều trị tại Trung tâm Y
học hạt nhân và Ung bướu – Bệnh viện Bạch Mai. Đây là một thiết bị được sử
dụng chỉ điều trị cho các khối u nằm trong não, sử dụng nguyên lý xạ phẫu do nhà
thần kinh học người Thụy Điển Lar Leksell đề xuất, nhằm tối ưu hóa liều tới đối
tượng cần tiêu diệt và giảm thiểu được những ảnh hưởng tới các cơ quan lành xung
quanh.
Hiện nay, cơng việc tính tốn liều lượng cho hệ thống xạ phẫu (ví dụ như
Gamma ART6000) được dựa trên chương trình lập kế hoạch điều trị đi kèm từ nhà
sản xuất (NSX). Chương trình lập kế hoạch này sử dụng thuật tốn tính liều dựa
trên sự hiệu chỉnh với phantom nước hình cầu. Do đó có thể các tính tốn này cịn
khá đơn giản với mơi trường bất đồng nhất có cấu tạo phức tạp. Các quy trình đảm
bảo chất lượng trong thực nghiệm được thực hiện định kỳ là phương pháp hiện nay
có thể xác minh mức độ chính xác một cách “gián tiếp” thông qua các phantom
nước đồng nhất và các loại liều kế khác nhau như phim bức xạ Gafchromic hoặc

các buồng ion hóa đo liều lượng. Ngồi phương pháp thực nghiệm nêu trên, các
chương trình mơ phỏng Monte Carlo cũng có thể giúp thực hiện việc nghiên cứu
tính tốn liều lượng với các phantom nước. Các phương pháp nghiên cứu tính tốn
trước đây được thực hiện đều dựa trên đối tượng là phantom nước đồng nhất. Tuy
nhiên, thực tế điều trị đối tượng là các cơ quan cơ thể con người có hình dạng và
cấu tạo tương đối phức tạp. Do đó cần thiết phải thực hiện các nghiên cứu trên các
đối tượng này để giúp nâng cao hiệu quả của quá trình điều trị.
Việc xác định liều lượng bằng thực nghiệm trên đối tượng cơ thể sống là điều
hết sức phức tạp và khó khăn. Do đó, việc nghiên cứu áp dụng các loại phantom
vật lý được chế tạo gần giống với con người sẽ là các công cụ đắc lực để thực hiện
các nghiên cứu ở trên. Tuy nhiên việc chế tạo các phantom này và quy trình thực
hiện cũng cần phải được lên kế hoạch trước khi thực hiện bởi vì điều kiện thực
nghiệm hiện nay trong các bệnh viện cần phải tuân thủ các quy trình chặt chẽ và
chi phí thực hiện tương đối cao. Vì vậy việc sử dụng các cơng cụ mô phỏng sẽ là
một bước tiền đề để nghiên cứu giúp dự đốn kết quả và có thể xây dựng các quy
trình thực hiện trước khi làm thí nghiệm.
Luận văn này được thực hiện với mục đích: mơ hình hóa cấu hình hệ thống
Gamma ART6000; xây dựng phantom tính toán phức tạp gần với cấu trúc giải
phẫu con người nhất có thể và tính tốn các đặc trưng liều lượng với những đối
tượng phantom nêu trên, sử dụng các mã mô phỏng Monte Carlo (GEANT4 và
1


PHITS). Một điểm mới của nghiên cứu là có thể mơ phỏng gần chính xác chuyển
động quay – đây là một trong những đặc trưng của một thiết bị xạ phẫu quay so
với các thiết bị xạ phẫu thế hệ cũ.
Đầu tiên, cơng việc tính tốn liều được thực hiện trên phantom nước hình cầu
để kiểm tra tính chính xác của mơ hình mơ phỏng – đây được gọi là bài toán benchmark hay bài toán kiểm chuẩn. Kết quả tính tốn của bài tốn chuẩn này sẽ được
đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm/mô phỏng từ những nghiên cứu khác để xác
nhận mức độ phù hợp. Sau đó, nghiên cứu tiếp tục tính tốn đặc trưng liều trong

các phantom có hình dạng phức tạp hơn:
• Phantom ICRP – 145 là một phantom mẫu chuẩn, có hình dạng và cấu trúc
các cơ quan gần với con người.
• Phantom được chuyển đổi từ hình ảnh MRI của người bệnh trong điều trị.
Dựa theo kế hoạch để mơ phỏng tính tốn lại phân bố liều trên khối u.
Theo mục tiêu đề ra như trên, nội dung của luận văn được cấu trúc gồm những
nội dung sau:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan
Chương 1 của luận văn trình bày tổng quan về kỹ thuật xạ phẫu Gamma Knife
và giới thiệu đối tượng của nghiên cứu là hệ thống Gamma. Luận văn cũng
thực hiện phân tích các nghiên cứu trên những hệ thống Gamma Knife trước
đây để có thể đưa ra được những cơ sở thực hiện nghiên cứu tính tốn liều
lượng cho hệ thống xạ phẫu Gamma Knife quay ART6000.
Chương 2. Phương pháp mô phỏng hệ thống xạ phẫu Gamma ART6000
Chương 2 trình bày về công cụ được sử dụng trong luận văn cũng như phương
pháp mơ hình hóa, xây dựng đầu vào và cách phân tích kết quả đầu ra trong
nghiên cứu mơ phỏng hệ thống Gamma ART6000.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Chương cuối của luận văn trình bày các kết quả mô phỏng. Những kết quả
này được đối chiếu, so sánh với một số nghiên cứu khác và số liệu thực
nghiệm để xác nhận tính chính xác của mơ hình. Bên cạnh đó các nhận xét,
thảo luận cũng được đưa ra để bình luận về kết quả của nghiên cứu này.

2


CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Tổng quan về xạ trị
Xạ trị (tiếng anh là radiotherapy hoặc radiation oncology) là một phương

pháp điều trị trong y tế sử dụng bức xạ ion hóa để tiêu diệt các tế bào bệnh mà điển
hình nhất là các khối u ung thư.
Xạ trị có thể được sử dụng như một liệu pháp chính để điều trị các khối u ác
tính. Bên cạnh đó người ta cũng thường kết hợp xạ trị với phẫu thuật, hóa trị, …
Hiện nay hầu hết các loại bệnh ung thư phổ biến đều có thể được điều trị bởi các
kỹ thuật xạ trị khác nhau. Mục đích điều trị chính xác (chữa bệnh, điều trị hỗ trợ,
giảm nhẹ, …) sẽ phụ thuộc vào từng loại khối u, vị trí, giai đoạn bệnh lý cũng như
sức khỏe của bệnh nhân. Hiện nay, ngày càng có nhiều các bệnh nhân được điều
trị ung thư thành cơng với ít các tác dụng phụ hơn và có thể bảo đảm được chức
năng của các mơ bình thường thơng qua sử dụng kỹ thuật xạ trị.
Có ba loại hình xạ trị cơ bản bao gồm:
• Xạ trị ngồi (external beam therapy)
• Xạ trị áp sát (branchytherapy)
• Xạ trị trong
1.1.2 Kỹ thuật xạ phẫu lập thể
Năm 1951, nhà giải phẫu thần kinh người Thụy Điển Lars Leksell đề xuất
phương pháp xạ phẫu lập thể (Stereotactic Radiosurgery) để điều trị các khối u nhỏ
trong não mà phương pháp phẫu thuật thông thường không thể đáp ứng được. Kỹ
thuật này sử dụng các chùm photon cụ thể là các tia gamma được phát ra từ các
đồng vị phóng xạ (Co-60) có kích thước nhỏ, cường độ lớn từ nhiều hướng khác
nhau hội tụ trên khối u giúp phá hủy mơ đích như được minh họa trong Hình 1.1.
Mỗi một tia gamma từ nguồn đồng vị Co-60 (có năng lượng trung bình 1,25 MeV)
cung cấp một liều không đủ gây hại cho các mô não nằm trên đường đi của bức
xạ, nhưng khi tập trung nhiều tia bức xạ tại đúng vị trí khối u, tổng liều hấp thụ tại
đó rất lớn và đủ để tiêu diệt khối u trong khi vẫn đảm bảo được an tồn cho các
mơ lành xung quanh. Kỹ thuật xạ phẫu ngày nay càng được phát triển dần thay thế
cho các biện pháp phẫu thuật mổ mở, mổ nội soi hộp sọ, bởi vì các phương pháp
này có nguy cơ để lại các biến chứng với các tổn thương ở hệ thống não hoặc hệ
thống thần kinh trong khi kỹ thuật xạ phẫu đem lại ưu điểm không gây đau đớn, ít
để lại di chứng, bệnh nhân chỉ cần điều trị một lần, và có khả năng hồi phục nhanh

chóng.
3


Hình 1.1 Hình ảnh mơ tả ngun lý kỹ thuật xạ phẫu. Các tia gamma được phát ra từ
nhiều hướng khác nhau hội tụ trên khối u não cần tiêu diệt

Hiện nay có ba loại thiết bị xạ phẫu lập thể cơ bản, mỗi loại trong số đó sử
dụng các thiết bị và loại nguồn bức xạ khác nhau, bao gồm:[1]
• Gamma Knife
• Máy gia tốc tuyến tính (Linear accelerator – LINAC)
• Xạ phẫu bằng chùm proton hoặc hạt nặng mang điện tích
Đối tượng của luận văn này nghiên cứu về các hệ thống xạ phẫu Gamma
Knife, do đó trong nội dung sau đây sẽ trình bày các nghiên cứu tổng quan về các
thiết bị này.
1.2 Nghiên cứu tổng quan về hệ thống xạ phẫu Gamma Knife
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Vào năm 1968, Lars Leksell cùng với Borge Larson đã phát minh ra thiết bị
Gamma Knife đầu tiên được lắp tại bệnh viện Sophiahemmet, Stockholm, Thụy
Điển[2] và được coi là nguyên mẫu nguyên thủy của các thiết bị Gamma Knife
ngày nay. Bệnh nhân đầu tiên được thực hiện kỹ thuật này là một bệnh nhân bị u
não. Ngay sau đó kỹ thuật này cũng được sử dụng với bệnh nhân u tuyến yên,
tuyến tiền đình, dị tật mạch máu và rối loạn các chức năng, …
Với hơn 50 năm phát triển kể từ khi thiết kế nguyên mẫu được lắp đặt, đã có
rất nhiều thế hệ thiết bị Gamma Knife khác nhau được công bố, mặc dù vậy các
thiết bị này chủ yếu được phân thành hai loại theo đặc tính chuyển động của các
nguồn phóng xạ:
• Gamma Knife tĩnh (LGK): Thiết bị được phát triển dựa theo nguyên mẫu ban
đầu chứa 201 nguồn đồng vị Cobalt 60 được đặt cố định với hoạt độ khoảng
30 Ci cho mỗi nguồn[3]. Các thế hệ thuộc loại Gamma tĩnh bao gồm các

model U, model B, model C, model 4C và PERFEXION (riêng thiết bị
Gamma PERFEXION chỉ có 192 nguồn). Về cơ bản, model U có kích thước
và hình học nguồn tương ứng tương tự như các model B và C ngoại trừ có
4


góc vĩ độ lớn hơn[4]. Model C tương tự như model B nhưng được trang bị
thêm hệ thống định vị tự động (Automatic Positioning System – APS) đây
chính là đặc điểm của hai model C và 4C. Tuy nhiên cho tới hệ thống PERFEXION đã được loại bỏ và thay bằng hệ thống định vị bệnh nhân (PPS). Hệ
thống mới này có thể di chuyển tồn bộ cơ thể bệnh nhân dựa trên tọa độ xạ
phẫu đã lựa chọn trước đó thay vì chỉ di chuyển mỗi phần đầu của bệnh nhân
như đối với hệ thống APS.
• Gamma Knife quay (RGS): Bao gồm Gamma ART6000 (kí hiệu là RGSA)
và các thiết bị tương tự của Trung Quốc (RGSC) như OUR và MASEP. Ví
dụ, đối với hệ thống RGSA gồm 30 nguồn đồng vị Cobalt-60, hoạt độ mỗi
nguồn ban đầu là khoảng 200 Ci[3], các nguồn được đặt trên một cơ cấu đỡ
có dạng hình bán cầu. Trong q trình điều trị, các nguồn được quay xung
quanh đầu bệnh nhân, do đó thiết bị Gamma Knife quay chỉ cần số lượng
nguồn ít hơn so với hệ thống Leksell Gamma Knife nhưng vẫn đảm bảo được
cùng một liều chiếu khiến cho giảm thiểu chi phí vận hành và cơng việc thay
đổi nguồn. Ngồi ra do đặc điểm số lượng nguồn ít hơn và quay liên tục nên
thiết bị Gamma Knife quay làm giảm liều chiếu đáng kể tới các mô lành xung
quanh.
1.2.2 Hệ thống xạ phẫu Gamma quay ART6000
1.2.2.1. Cấu tạo hệ thống
Thiết bị xạ phẫu đã được áp dụng rộng rãi, đặc biệt sử dụng để tiêu diệt các
khối u não. Trải qua nhiều phiên bản cải tiến và nâng cấp các tính năng khác nhau,
tuy nhiên mẫu thiết bị này vẫn khơng thay đổi đặc tính cố định của các nguồn
Cobalt mãi cho tới 30 năm sau. Vào năm 1996, thiết bị gamma quay đầu tiên được
giới thiệu tại Trung Quốc có tên OUR được phát minh bởi tập đồn Shenzhen OUR

International Technology & Science Co. Ltd[5]. Năm 2000, một cơng ty ở Hoa Kỳ
có tên American Radiosurgery đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo hệ thống gamma
quay mới Gamma ART6000[6]. Đến năm 2003 đã thành công lắp đặt thiết bị này
tại trung tâm Radiation Oncology Center, Illinois, Hoa Kỳ[7]. Vào năm 2008, hệ
thống này được đổi tên thành RGS Vertex 360 để phù hợp hơn với đặc tính chuyển
động quay 360 độ[6]. Và cho tới nay thì đây là dòng máy gamma quay hiện đại
đang được sử dụng tại Việt Nam.
Hệ thống gamma quay được phân biệt với thiết kế dao Gamma tĩnh bởi sự
quay của 30 nguồn Cobalt-60 trong suốt quá trình điều trị. Đây là một cải tiến lớn,
mang lại nhiều lợi thế:[8]

5


• Các chùm bức xạ được chuẩn trực và hội tụ từ một góc khối lớn hơn tới mục
tiêu, trong khi các mô khỏe mạnh xung quanh mục tiêu nhận được ít bức xạ
hơn.
• Bộ chuẩn trực thứ cấp được tích hợp sẵn bên trong. Điều này giúp loại bỏ
nhu cầu thay đổi mũ chuẩn trực thứ cấp bên ngoài để sử dụng các ống chuẩn
trực có kích thước khác nhau.
• Việc sử dụng 30 nguồn Cobalt-60 giúp giảm chi phí, trao đổi nguồn và loại
bỏ thời gian chết.
• Với tính năng che chắn cơ học, các chùm tia sẽ bị tắt hoặc thay đổi thành
kích thước nhỏ hơn khi chùm tia nguồn tiếp cận khu vực cơ quan quan trọng.
Sau đó, chùm tia được tự động khơi phục về cài đặt cũ của nó. Thân nguồn
tự động sắp xếp với các khối che chắn trên ống chuẩn trực thứ cấp, giúp giảm
rò rỉ bức xạ và cũng giảm liều bức xạ tới các mơ khỏe mạnh của bệnh nhân.

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống xạ phẫu quay RGS[8]

Về mặt cấu tạo, các thành phần chính của hệ thống xạ phẫu RGSA bao gồm
3 khối chính: hệ thống định vị lập thể (Stereotactic localization system), khối điều
6


trị (Gamma-ray treatment unit). Tất cả các thành phần được thể hiện trong Hình
1.2. Hãng American Radiosurgery đã cải tiến một số tính năng mới so với các thế
hệ xạ phẫu cũ như sau:[8]
• Điểm hội tụ được dịch xuống dưới 3 cm từ tâm bán cầu giúp có thể điều trị
các khối u nằm sâu ở dưới não.
• 30 nguồn bức xạ gamma Cobalt-60 được nhóm lại khơng đối xứng và phân
bố trên bán cầu chính trong phạm vi 72 độ.
• Có khả năng thực hiện kỹ thuật điều biến cường độ (Intensity Modulated
Radiation Therapy – IMRT), thông qua một quy trình được điều khiển bằng
máy tính để có thể tắt bức xạ ở một số vị trí góc đã chọn trước bất kỳ lúc nào
trong quá trình điều trị
• Trong q trình điều trị, có thể chọn kích thước ống chuẩn trực khác bằng
cách điều chỉnh tốc độ quay của ống chuẩn trực thứ cấp.
a. Hệ thống định vị lập thể
Hệ thống này bao gồm các khung định vị gắn vào đầu bệnh nhân và các
khung giá đỡ được gắn chặt trên giường điều trị. Khung định vị có dạng hình khung
chữ nhật được chế tạo từ vật liệu nhơm, giúp xác định được một cách chính xác vị
trí khối u nằm bên trong não bệnh nhân. Khung định vị này được gắn trực tiếp vào
đầu bệnh nhân thơng qua bốn ốc vít và phải được mang theo trong suốt quá trình
chụp CT/MRI và quá trình xạ phẫu. Khung định vị cung cấp cơ sở cho toạ độ khối
u đích và được sử dụng để cố định và định vị đầu bệnh nhân vào giá đỡ khung đầu
gắn chặt trên giường điều trị.
b. Khối điều trị
Khối điều trị bao gồm nguồn bức xạ, hệ cơ khí chuẩn trực, cấu trúc che chắn
bức xạ, giường điều trị và khối điều khiển. Do khối nguồn bức xạ và hệ cơ khí

chuẩn trực đóng vai trị chủ yếu trong nghiên cứu mơ phỏng tính tốn liều nên chỉ
có chi tiết về đặc điểm cấu tạo và chức năng của chúng sẽ được trình bày lần lượt
sau đây.
Hệ thống xạ phẫu RGSA sử dụng nguồn Cobalt-60 được tạo thành trong phản
ứng kích hoạt neutron của Cobalt-59. Cobalt-60 là một đồng vị phóng xạ có chu
kỳ bán rã 5,26 năm, khi phân rã phát ra một electron có năng lượng cực đại là 0,31
MeV và hai lượng tử gamma có năng lượng 1,173 MeV và 1,332 MeV ngay sau
đó. Hệ thống RGSA sử dụng 30 đồng vị Cobalt-60, hoạt độ trung bình cho mỗi
nguồn là khoảng 200 Ci. Mỗi nguồn được tạo thành từ các viên được nén dạng
hình trụ cao 1 mm đặt trong một lớp vỏ thép không gỉ. Thiết kế của khối nguồn
Cobalt được cung cấp bởi NSX như trong Hình 1.3.
7


Hình 1.3 Cấu trúc khối nguồn Cobalt-60[9]

Các nguồn Cobalt-60 được nạp vào hệ thống đỡ có dạng hình bán cầu được
gọi là thân nguồn (source body). Cấu trúc thân nguồn này được chế tạo từ vật liệu
gang, có 30 kênh chứa nguồn và để làm chuẩn trực cho tia gamma (Hình 1.4).
Những lỗ này được hướng về tâm bán cầu, 30 nguồn Cobalt được sắp xếp và phân
bố không đối xứng trong một cung 72 độ và một góc 38 độ qua mặt phẳng đối
xứng dọc. Ngồi ra để có thể hướng các tia bức xạ tới tâm khối u não theo các kích
thước trường chiếu phù hợp, cần phải sử dụng thêm các chuẩn trực thứ cấp tại đầu
bệnh nhân. Các chuẩn trực thứ cấp này được lắp trên khung chuẩn trực thứ cấp
được gọi là thân chuẩn trực (collimator body) có hình bán cầu tương tự như thân
nguồn và lồng vào bên trong thân nguồn. Khi điều trị chúng sẽ quay đồng bộ với
nhau.

Hình 1.4 Cấu trúc thân nguồn và thân chuẩn trực[7]

Có 5 nhóm lỗ trên thân chuẩn trực (mỗi nhóm có 30 lỗ), các nhóm này được
sắp xếp và phân bố trong một cung 72 độ. Thân chuẩn trực có 4 nhóm chứa 30 lỗ
chuẩn trực được phân bố theo cùng một kiểu như thân nguồn, 30 lỗ chuẩn trực sử
dụng các kích thước collimator thứ cấp khác nhau từ 4 mm, 8 mm, 14 mm, 18 mm
và nhóm thứ 5 bị chặn hồn tồn bởi các thanh hợp kim vonfram, nhóm 5 này đóng
vai trị như một cửa chắn các tia gamma thốt ra ngồi khi thiết bị không được sử
dụng.

8


Nhìn chung hệ thống chuẩn trực của RGSA gồm các thành phần như được thể
hiện trong Hình 1.5 bao gồm hai phần như đã nói trên: chuẩn trực sơ cấp được lắp
trên thân nguồn và các chuẩn trực thứ cấp được lắp trên thân chuẩn trực. Cả hai
loại ống chuẩn trực này đều được làm bằng hợp kim vonfram theo dạng ống có lỗ
bên trong, kích thước của các lỗ được chế tạo để sao cho có thể tạo ra các kích
trường chiếu theo các giá trị 4 mm, 8 mm, 14 mm, 18 mm.

1-Thân nguồn

2-Viên nguồn

3-Chuẩn trực sơ cấp

4-Thân chuẩn trực

5-Chuẩn trực thứ cấp

6-Tâm hội tụ

Hình 1.5 Hệ thống ống chuẩn trực[9]

1.2.2.2. Hệ thống lập kế hoạch và phương pháp tính liều Gamma Knife
a. Phần mềm lập kế hoạch OSIRIX
Tại Trung tâm Ung bướu và Y học hạt nhân, bệnh viện Bạch Mai, các kỹ
thuật viên sử dụng phần mềm OSIRIX và plugin Explorer 4D do hãng American
Radiosurgery cung cấp để tiến hành lập kế hoạch xạ phẫu cho các trường hợp bệnh
nhân u não. Phần mềm này được chạy trên nền tảng hệ thống máy tính AppleG10
cho thời gian làm việc nhanh, giao diện người dùng tương tác trực quan và được
xem là phần mềm hiển thị hình ảnh y tế được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.
Phần mềm hỗ trợ đầy đủ các tiêu chuẩn DICOM, cung cấp các kỹ thuật hậu xử lý
tiên tiến trên ảnh 2D và 3D.
Sau quá trình chụp CT/MRI, các hình ảnh được chuyển tới bác sĩ, tại khâu
này bác sĩ sẽ mô tả các khối u phải điều trị và sau đó chuyển tới cho kỹ thuật viên
lập kế hoạch xạ phẫu. Dựa vào chỉ định của bác sĩ, các kỹ thuật viên sẽ lập kế
hoạch dựa trên phần mềm OSIRIX, toạ độ và phạm vi khối u sẽ được tính tốn.
Việc bố trí trường chiếu, phân bố liều lượng đến khu vực khối u và vùng mô lành
xung quanh cũng được thiết lập để tạo ra thông số điều trị trước khi chuyển tới
phòng máy để thực hiện q trình xạ phẫu. Tùy thuộc vào thể tích và kích thước
khối u mà các kỹ sư y vật lý sẽ quyết định dùng bao nhiêu shot chiếu khác nhau
sao cho các shot chiếu sẽ bao trùm được hết toàn bộ khối u và giảm thiểu được tối
đa ảnh hưởng tới các mô lành lân cận.
9


b. Phương pháp tính liều cho phần mềm lập kế hoạch Gamma Knife
Mục tiêu của q trình xạ trị nói chung là cung cấp đủ liều cần thiết để tiêu
diệt tế bào cũng như phải đảm bảo liều nhận được trên các cơ quan khác là tối
thiểu. Đó là lý do chính trả lời cho câu hỏi tại sao phải lập kế hoạch trước khi tiến
hành điều trị. Dựa trên các thông số đặc trưng của từng thiết bị mà các kế hoạch

điều trị được lập ra để đảm bảo cung cấp giá trị liều lượng phù hợp như chỉ định.
Ở trong xạ trị hiện đại, quá trình lập kế hoạch điều trị được thực hiện với phần
mềm trên máy tính bằng cách sử dụng hình ảnh để xác định và định vị các cấu trúc
giải phẫu và các thông số máy để mơ phỏng q trình điều trị thực tế. Kết quả tính
tốn sẽ cung cấp liều lượng cho mục tiêu (khối u) cũng như cho các khu vực quan
tâm khác. Độ chính xác của phép tính tốn liều lượng và chương trình đảm bảo
chất lượng nghiêm ngặt là cần thiết để đảm bảo rằng liều lượng phân phối đến khối
u là 100% hoặc gần như 100% của liều tính tốn.
Một thuật tốn tính tốn liều lượng tốt khơng chỉ có thể tính đến chính xác
tất cả các q trình vật lý liên quan trong mơi trường vận chuyển - hạt mà còn đủ
nhanh để áp dụng trong điều trị lâm sàng. Do đó, độ chính xác và tốc độ là hai yếu
tố chính cho một thuật tốn tính liều lượng[10].
Kể từ khi phát triểnthuật tốn tính liều được phát triển nhanh chóng từ những
năm 1950, trải qua lịch sử phát triển lâu dài đã cho ra nhiều thuật toán khác nhau.
Tuy nhiên, người ta phân loại chúng thành 3 nhóm chính:[10]
• Thuật tốn dựa trên sự hiệu chỉnh (Correction - based):
Thuật toán dựa trên hiệu chỉnh là một loại tính tốn liều theo kinh nghiệm để
nội suy hoặc ngoại suy liều từ một số các phép đo cơ bản trong phantom nước. Do
vậy đối với môi trường đồng nhất, chẳng hạn như nước, thuật tốn tính tốn này
cho kết quả khá chính xác. Đối với một hệ thống khơng đồng nhất như cơ thể người
có xương và phổi ... thì sẽ kém chính xác.
• Thuật tốn dựa trên sự mơ hình hóa (Model - based):
Thuật tốn dựa trên mơ hình trước tiên bắt đầu từ các ngun tắc vật lý và
sau đó đơn giản hóa để đẩy nhanh q trình tính tốn. Một số thuật tốn thuộc
nhóm này bao gồm: Pencil Beam Convolution (PCB), Analytical Anisotropic Algorithm (AAA) (Varian Medical System, Inc. Palo Alto, CA, USA), và thuật tốn
Colapse Cone Convolution (CCC) (Pinnacle, CMS XiO, etc).
• Thuật tốn dựa trên các nguyên lý (Principle - based):
Thuật toán Monte-Carlo không phải là một kỹ thuật mới nhưng đã được sử
dụng như một tiêu chuẩn để kiểm tra độ chính xác của các phép tính liều lượng
khác. Bằng phương pháp Monte Carlo có thể mơ phỏng tất cả các q trình vật lý

10


trong thực tế có liên quan đến từng loại hạt trong q trình vận chuyển, kết quả
tính tốn liều lượng của thuật tốn này rất chính xác. Tuy nhiên độ chính xác phụ
thuộc chủ yếu vào số lượng sự kiện mô phỏng được tạo ra và độ không đảm bảo
thống kê tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của số lượng sự kiện ghi nhận được. Vì lý do
này mà thuật tốn Monte Carlo chậm và q trình xử lý mất rất nhiều thời gian.
Vậy nên trong thực tế điều trị lâm sàng, các chương trình tính liều tại các cơ sở
đều trị rất ít sử dụng.
Để thử nghiệm và đánh giá độ chính xác của thuật tốn tính tốn liều lượng,
đã có nhiều cuộc thí nghiệm khác nhau và so sánh với kết quả tính tốn đã chỉ ra
rằng độ chính xác của các thuật tốn tính liều theo thứ tự sau: Thuật toán Monte
Carlo; Thuật toán dựa trên sự mơ hình hóa; Thuật tốn dựa trên sự hiệu chỉnh, đã
được kết luận trong nghiên cứu [10].
Q trình tính tốn vận chuyện bức xạ trong chương trình lập kế hoạch
Gamma Knife được thực hiện dựa trên liều đóng góp từ mỗi một nguồn bức xạ độc
lập. Điều này cho phép tính tốn liều dựa trên các phép đo đạc từ mỗi một nguồn
cho các loại chuẩn trực khác nhau. Các phép đo phân bố liều này được thực hiện
với các chùm tia phát ra từ nguồn phóng xạ bị suy giảm trong một phantom nước
có bán kính 8 cm. Lúc này liều tương đối 𝐷𝐷𝑖𝑖 từ một nguồn Cobalt-60 được xác

định bởi:[11]

2

𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓
𝑑𝑑𝑓𝑓−𝑠𝑠
�
� 𝑒𝑒 𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇𝜇 𝑃𝑃(𝑑𝑑)

𝐷𝐷𝑖𝑖 =
∑𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑑𝑑𝑓𝑓−𝑠𝑠 − 𝑑𝑑𝑑𝑑

(1.1)

trong đó 𝑑𝑑𝑑𝑑 là khoảng cách dọc theo trục của chùm tia từ điểm hội tụ tới giao điểm

với đường vuông góc của điểm đó, 𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓 là đóng góp tương đối từ nguồn 𝑖𝑖 tới tổng
liều tại điểm hội tụ, 𝑑𝑑𝑓𝑓−𝑠𝑠 là khoảng cách từ điểm hội tụ tới nguồn, 𝜇𝜇 là hệ số suy

giảm tuyến tính có giá trị 0,0063 mm-1 xác định dựa trên vật liệu tương đương mô

và năng lượng trung bình 1,25 MeV của đồng vị Cobalt-60, 𝑃𝑃(𝑑𝑑) là liều theo

phương ngang tại khoảng cách 𝑑𝑑 từ điểm hội tụ. Cơng thức 2.6 được phân tích

thành 4 thành phần chính gồm có �

𝑑𝑑𝑓𝑓−𝑠𝑠

𝑑𝑑𝑓𝑓−𝑠𝑠 −𝑑𝑑𝑧𝑧

2

� là hệ số bình phương nghịch đảo tính

tốn đến khoảng cách của điểm tính liều tới nguồn. 𝑒𝑒 𝜇𝜇𝑑𝑑𝑧𝑧 tính đến sự suy giảm của

chùm tia qua mô. 𝑃𝑃(𝑑𝑑) là hệ số hiệu chỉnh liều theo phương ngang hoặc độ lệch
liều so với trung tâm chùm tia. Hệ số 𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓 /∑𝐷𝐷𝑓𝑓𝑓𝑓 là đóng góp liều của một nguồn và

tất cả các nguồn. Hình 1.6 là mơ tả hình học tính tốn liều cho hệ thống Gamma
Knife.

11