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
2T2.1.Cơ sở của phương pháp xạ trị bằng bức xạ2T 23
2T2.1.1.Tương tác của photon năng lượng cao với môi trường vật chất [6]2T 23
2T2.1.1.1.Hiệu ứng quang điện2T 23
2T2.1.1.2.Tán xạ Compton2T 26
2T2.1.1.3.Sự tạo cặp2T 28
2T2.1.1.4.So sánh các loại tương tác2T 29
2T2.1.1.5.Sự hấp thụ năng lượng do các nguồn phát bức xạ khác nhau2T 29
2T2.1.1.6.Cơ chế truyền năng lượng trong tương tác của photon và vật chất2T 30
2T2.1.2.Các hiệu ứng sinh học của bức xạ2T 31
2T2.1.2.1.Cấu tạo của tế bào cơ thể người2T 31
2T2.1.2.2.Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào loại tế bào khác nhau và vào chu kỳ tế bào2T 31
2T2.1.2.3.Tương tác của bức xạ ion hóa đối với cơ thể con người2T 32
2T2.1.2.4.Đường cong sống sót và ảnh hưởng của một số yếu tố đến đường cong sống sót2T 33
2T2.2.Phương pháp xạ trị2T 34
2T2.2.1.Giới thiệu về các hình thức xạ trị và các cơ sở xạ trị ở Việt Nam [6]2T 34
2T2.2.2.Mục tiêu của xạ trị2T 34
2T2.2.3.Cơ sở khoa học và phương pháp của kỹ thuật xạ trị2T 35

2T2.2.3.1.Cơ sở khoa học2T 35
2T2.2.3.2. Phương pháp2T 35
2T2.2.4.Quy trình điều trị bằng tia xạ2T 36
2T2.2.5.Xạ trị ngoài và xạ phẫu2T 36
2T2.2.5.1.Các thiết bị dùng trong xạ trị ngoài2T 36
2T2.2.5.2.Ứng dụng của xạ trị ngoài2T 37
2T2.2.5.3.Xạ phẫu (Stereotactic Radiosurgery)2T 37
2T2.3.Cơ sở của phép tính phân bố liều2T 38
2T2.3.1.Hoạt độ phóng xạ2T 38
2T2.3.2. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ2T 38
2T2.3.2.1.Liều hấp thụ D (Absorbed Dose)2T 39
2T2.3.2.2.Suất liều hấp thụ (Dose Rate)2T 39
2T2.3.3.FWHM (Full Width Half Maximum)2T 40
2T2.3.4.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 LEKSELL
2T 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
2TTÀI 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 điều trị các bệnh liên quan đến thần kinh như Parkinson,
các rối loạn vận động [22].
Trên thế giới, việc điều trị bằng dao Gamma Leksell đã được thực hiện từ năm 1968 và đến nay,
số lượng bệnh nhân được xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell đã hơn 500 nghìn người. Riêng bệnh viện
Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh đã điều trị hơn 1300 bệnh nhân với kết quả tốt sau điều trị.
Cũng như đối với các hệ thống xạ trị khác, việc nghiên cứu phân bố liều hợp lý cho hệ thống

dao Gamma Leksell là rất quan trọng, góp phần quyết định sự thành công trong quá trình điều trị. Hệ
thống dao Gamma Leksell đã có chương trình Leksell Gamma Plan do hãng cung cấp nhằm giúp người
điều trị tính toán được liều tại vùng chiếu, tuy nhiên thông tin về phân bố liều ở những vùng xung
quanh thường là không đầy đủ, có thể gây khó khăn cho bác sĩ quyết định phương án tối ưu. Mặt khác
những tính toán phân bố liều độc lập với chương trình của hãng sẽ giúp người vận hành và điều trị một
mặt thực hiện kiểm tra thông số máy, có những thông tin bổ sung về phân bố liều để lập được những
phác đồ điều trị tối ưu giảm thiểu mạo hiểm về phóng xạ cho bệnh nhân, một mặt có thể nâng cao kiến
thức về quá trình vật lý tương tác của bức xạ lên mô sống. Vì vậy, việc áp dụng chương trình mô
phỏng tương tác bức xạ gamma và electron với vật chất PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong
xạ trị bằng dao Gamma Leksell là vấn đề học thuật thật sự cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Luận văn hướng đến mục tiêu:
- Tìm hiểu tổng quan về thiết bị xạ phẫu dao Gamma Leksell, cơ sở phương pháp xạ trị và về
chương trình PENELOPE 2003.
- Ứng dụng chương trình PENELOPE mô phỏng tính toán phân bố liều hấp thụ cho một số trường
hợp đơn giản trong xạ trị bằng Leksell Gamma Knife.
Từ đó, đặt ra những nhiệm vụ chính của luận văn:
- Tìm hiểu tổng quan thiết bị xạ phẫu dao Gamma Leksell bao gồm: lịch sử, các thành phần chính,
nguyên lý hoạt động, quy trình xạ phẫu, Leksell Gamma Plan, tình hình ứng dụng, ưu điểm và
hạn chế của thiết bị, giới thiệu về dao Gamma quay.
- Tìm hiểu tổng quan về phương pháp xạ trị bao gồm: cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng
chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị, các hình thức xạ
trị, đặc biệt quan tâm đến xạ trị ngoài và xạ phẫu, mục tiêu của xạ trị, cơ sở khoa học và phương
pháp của kỹ thuật xạ trị, cơ sở của phép tính phân bố liều.
- Tìm hiểu cơ sở vật lý, cơ sở dữ liệu và cách vận hành của chương trình PENELOPE, một trong
những chương trình mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng cao và electron trong vật
chất. sử dụng phương pháp Monte Carlo .
- Ứng dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng tính toán phân bố liều hấp thụ cho trường hợp
đơn giản trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell. Quá trình mô phỏng được thực hiện đầu tiên
bằng cách sử dụng chương trình PENELOPE mô phỏng quá trình tương tác của photon năng
lượng cao trong mô hình não đối với nguồn đơn kênh của dao Gamma Leksell. Sau đó dựa trên

kết quả thu được, thực hiện tính toán bằng phương pháp chồng chất của chương trình MATLAB
để thu được phân bố liều hấp thụ cho toàn bộ các nguồn theo bố trí không gian collimator
helmet của dao Gamma Leksell.
- Trong quá trình tiến hành mô phỏng, sử dụng chương trình GNUPLOT và MATLAB để hiển thị
các kết quả thu được thông qua các hình ảnh, đồ thị, những số liệu tính toán cụ thể.
- Xem xét sự thay đổi của các phân bố liều khi thay đổi vị trí tổn thương; qua đó, đưa ra các nhận
xét, so sánh và đề ra những ứng dụng phù hợp với thực tiễn.
Từ mục tiêu và những nhiệm vụ đặt ra, luận văn “Áp dụng chương trình PENELOPE để mô
phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell” được trình bày như sau:
- Phần mở đầu
- Phần nội dung
Chương 1. Tổng quan về dao Gamma Leksell.
Chương 2. Tổng quan về xạ trị.
Chương 3. Tổng quan về chương trình PENELOPE.
Chương 4. Áp dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao
Gamma Leksell.
- Phần kết luận và hướng phát triển









PHẦN II: NỘI DUNG
4BCHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL
11B1.1.Giới thiệu về dao Gamma Leksell và lịch sử của thiết bị
Dao Gamma Leksell là một thiết bị y tế kỹ thuật cao sử dụng năng lượng bức xạ Gamma để điều

trị các thương tổn nhỏ sâu, ở nhiều vị trí khác nhau trong não, gần các cấu trúc thần kinh, mạch máu
quan trọng mà không cần mổ nhằm bảo tồn cấu trúc và chức năng thần kinh, nâng cao chất lượng sống
cho bệnh nhân.
Khi sử dụng dao Gamma, chúng ta không cần phải mổ hộp sọ của bệnh nhân như những kỹ
thuật trước. Nhưng chúng ta vẫn gọi bằng thuật ngữ “dao Gamma” vì đó là phương tiện phẫu thuật
bằng bức xạ Gamma có khả năng xuyên hộp sọ tập trung. Việc điều trị được tiến hành bằng cách hội tụ
chính xác các chùm tia Gamma năng lượng cao vào một điểm đích để tiêu hủy dần dần tổn thương
trong não mà không làm hại các mô lành xung quanh. Như vậy, tia Gamma đóng vai trò như một con
dao mổ, chỉ có khác là chúng ta không phải mổ hộp sọ ra như những phẫu thuật trước đây. Vì thế, thiết
bị này được gọi là dao Gamma và phương pháp này là phương pháp phẫu thuật không xâm lấn (non-
invasive).

Hình 1.1. Mô hình thiết bị dao Gamma Leksell, Giáo sư Lars Leksell và hệ thống định vị đầu
tiên
(

Chúng ta sẽ điểm qua những mốc lịch sử quan trọng của dao Gamma Leksell [26]:
Lars Leksell, một giáo sư giải phẫu thần kinh người Thụy Điển là người đầu tiên giới thiệu khái
niệm “tia hoạt động theo stereotactic” trong giải phẫu các bệnh lý về não.
- Năm 1949, giáo sư Lars Leksell đã giới thiệu hệ thống định vị Leksell, một trong những công cụ
của phương pháp giải phẫu thần kinh, có thể định vị não với độ chính xác rất cao.
- Năm 1951, hệ thống định vị Leksell đã được sử dụng lần đầu tiên, hướng các tia X vào trong
não để điều trị những khối u và các rối loạn khác.
- Năm 1967, giáo sư Lars Leksell và các cộng sự của ông đã hoàn thành việc chế tạo và lắp đặt
nguyên mẫu đầu tiên của dao Gamma với các nguồn Cobalt-60. Bệnh nhân đầu tiên đã được điều trị tại
nhà máy hạt nhân Studsvik.
- Năm 1968, dao Gamma Leksell lần đầu tiên được triển khai điều trị tại bệnh viện Karolinska,
Stockholm, Thụy Điển, áp dụng cho những tổn thương có kích thước nhỏ. Liều lượng cần thiết để điều
trị cho một thương tổn thường được xác định dựa trên các dữ liệu của các thí nghiệm động vật và các
nghiên cứu khám nghiệm tử thi.

- Năm 1972, công ty thiết bị Elekta AB tại Thụy Điển ra đời.
- Năm 1974, công ty đã giới thiệu các phần mềm đầu tiên hỗ trợ cho việc lập kế hoạch tính liều
cho dao Gamma Leksell.
- Năm 1985, mẫu dao Gamma mới - dao Gamma Leksell U đầu tiên đã được đưa đến Sheffied,
Anh và Buenos, Argentina.
- Năm 1987, dao Gamma lần đầu tiên được cho sản xuất hàng loạt và lắp đặt tại Pittsburgh, Mỹ.
Đây là thế hệ dao gamma U với sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực đặt bệnh nhân ở tư thế nằm ngồi.

Hình 1.2. Dao Gamma Leksell model U
- Năm 1988, thế hệ dao Gamma B với tư thế bệnh nhân nằm được lắp đặt tại bệnh viện
Karolinska, Thụy Điển.

Hình 1.3. Dao Gamma Leksell model B

- Năm 1990, Leksell Gamma Plan đã được giới thiệu trong việc lên kế hoạch tính liều điều trị cho
bệnh nhân và đến năm 1996, những hình ảnh CT, MRI được đưa vào trong Gamma Plan.
- Năm 1999, công ty giới thiệu thế hệ dao Gamma C sử dụng hệ thống định vị tự động (APS) và
bắt đầu tung ra thị trường năm 2000.
- Năm 2004, thế hệ dao gamma 4C ra đời.
- Năm 2006, dao Gamma Perfexion, phiên bản mới nhất và tiên tiến nhất của dao Gamma Leksell,
đã được giới thiệu trên toàn thế giới.
Thế hệ dao Gamma Leksell B và C có cấu trúc hình học và bộ phận tạo nguồn hoàn toàn tương
tự nhau. Thế hệ dao Gamma Perfexion cho phép chúng ta có thể điều trị cho những khối u có kích cỡ
lớn hơn những thế hệ dao Gamma trước [19].
Dao Gamma Leksell B và C được sử dụng nhiều nhất trong các loại dao Gamma. Hiện nay, rất
nhiều nơi trên thế giới sử dụng dao Leksell Gamma C, trong đó có Việt Nam.
12B1.2.Các thành phần chính của dao Gamma Leksell
Trong luận văn này, các thành phần chính của dao Gamma Leksell, cụ thể là dao Gamma
Leksell C (model C) do công ty Elekta, Thụy Điển sản xuất sẽ được trình bày, đồng thời cũng sẽ có
phép so sánh dao Gamma Leksell C với các thế hệ dao Gamma khác. Đây là thiết bị xạ phẫu đang được

sử dụng tại đơn vị Gamma Knife, bệnh viện Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh.
Dao Gamma Leksell có 2 thành phần chính: thân máy và nón (collimator helmet)
34B1.2.1.Thân máy
Thân máy của dao Gamma Leksell gồm 3 phần: bộ phận tạo nguồn, hệ thống định vị và giường
điều trị.

Hình 1.4. Thân máy và hình cắt ngang của dao Gamma Leksell model C
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)
66B1.2.1.1.Bộ phận tạo nguồn
Có dạng hình cầu, được đặt trong bộ phận che chắn làm bằng chì. Phía trước bộ phận tạo nguồn
có 2 cửa che chắn, được mở ra khi bắt đầu một ca điều trị và đóng lại khi kết thúc quá trình điều trị,
hoặc khi ca điều trị được ngừng lại để xử lý các sự cố xảy ra tại phòng xạ phẫu.

Hình 1.5. Bộ phận tạo nguồn
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)
Nguồn trong dao Gamma Leksell B và C gồm 201 nguồn Cobalt-60 có hoạt độ tổng cộng
khoảng 6000 Ci.
Mỗi nguồn gồm 20 viên Cobalt-60 được bọc trong hai lớp thép không gỉ, xếp liên tục với nhau
và hàn dính vào nhau [25]. Mỗi viên có đường kính 1mm, chiều dài 1mm. Vì vậy, kích thước cuối cùng
của một nguồn Cobalt-60 là đường kính 1mm, chiều dài 20mm [19].
Mỗi nguồn có hoạt độ gần 30 Ci, năng lượng trung bình là 1,25MeV, sắp xếp thành dãy hình
tròn, nằm trong bộ phận tạo nguồn và phát ra những tia phóng xạ Gamma đến những điểm đích trong
não bệnh nhân cùng một lúc.[25]
Mỗi chùm tia Gamma phát ra từ nguồn được chuẩn trực ban đầu bằng một collimator cố định
gắn trong bộ phận tạo nguồn gồm một hình trụ dài 67cm, có bán kính 2mm và một collimator kế tiếp
dạng hình nón dài 92.5cm, cuối cùng bằng một collimator nằm trong helmet dài 60cm có đường kính
khác nhau được chọn tùy theo kế hoạch điều trị. Các loại collimator của Helmet sẽ được đề cập kĩ hơn
ở phần 1.2.2. Ta có thể hình dung được dựa trên hình vẽ dưới đây .

Hình 1.6. Mô tả hình học một kênh đơn của dao Gamma [19]

Chúng ta nhận thấy khoảng cách từ nguồn đến điểm hội tụ của các chùm tia, cũng là vị trí của
tổn thương cần điều trị là khoảng 40cm. Khoảng cách từ đầu ra của collimator helmet đến vị trí của tổn
thương cần điều trị là khoảng 16.5cm. Đây là những điểm cần chú ý khi định vị cho tổn thương trong
điều trị cũng như trong nội dung mô phỏng của luận văn.
67B1.2.1.2.Hệ thống định vị APS (Automatic Positioning System)
Điểm hội tụ của các chùm tia Gamma trong dao Gamma Leksell là cố định. Vấn đề đặt ra là làm
sao chúng ta có thể điều trị cho một tổn thương có vị trí không nằm tại điểm hội tụ đó? Điều đó có thể
giải quyết dễ dàng hơn khi có hệ thống định vị APS.
APS có tác dụng dịch chuyển khung định vị trên đầu bệnh nhân để vị trí tổn thương đến điểm
hội tụ cố định. Hệ thống này bao gồm 3 bộ phận: Hai bộ phận APS trái (APS left) và APS phải (APS
right) được gắn vào hai bên của helmet và có lắp đặt những motor nhỏ nhằm điều khiển các thanh
APS-x, APS-y và APS-z trượt đồng thời trên các trục của chúng. Bộ phận còn lại của hệ thống APS
chính là khung định vị gắn vào đầu bệnh nhân. Khoảng điều trị cho phép của APS-x là: 59-141(mm),
APS-y: 40-60 (mm), APS-z: 58-142(mm).
Sự ra đời của APS có thể coi như một bước tiến đáng kể của dao Gamma Leksell. Nhờ có APS,
chúng ta có thể đặt liều lớn nhất như mong muốn tại vị trí tổn thương, điều trị được tổn thương mà
tránh tác động không mong muốn đến các mô lành lân cận [25].

Hình 1.7. Hệ thống APS và vị trí của APS trong dao Gamma Leksell [25]

Hình 1.8. Hệ thống APS và minh họa tác dụng của APS
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy ) và (2T
68B1.2.1.3.Giường điều trị (Patient treatment Couch)
Là nơi bệnh nhân nằm trong suốt quá trình điều trị.Thiết bị này giúp dịch chuyển bệnh nhân đến
những vị trí khớp với các kênh chiếu trong suốt quá trình xạ trị.
35B1.2.2.Nón (Collimator Helmet)
Dao Gamma Leksell được trang bị bốn loại helmet có dạng bán cầu, gắn cố định với giường
điều trị bằng các đinh vít và được phân biệt dựa vào kích cỡ của các collimator gắn trong helmet.
Helmet có bốn loại tương ứng với các loại collimator có đường kính: 4mm, 8mm, 14mm, 18mm. Vị trí
hội tụ của các tia xạ là cố định, nằm trên trục đi qua tâm của helmet, cách nguồn khoảng 40 cm.

Thành phần quan trọng nhất của helmet đó là các collimator.
Như chúng ta đã đề cập ở trên, một kênh đơn chứa một collimator cố định gắn trong bộ phận tạo
nguồn và một collimator có thể thay thế gắn trong helmet. Khi helmet được gắn vào vị trí để tiến hành
xạ trị, toàn bộ hệ thống collimator tạo thành một kênh hình nón với mặt cắt ngang là hình tròn.Chính hệ
thống collimator định hướng các tia phóng xạ phát ra từ nguồn tập trung chính xác tại vị trí khối u 3D,
giảm tối thiểu ảnh hưởng của các tia đến các vùng lân cận.
Kích cỡ của các chùm tia được xác định khi đi qua helmet, tạo ra các shot xạ lấp đầy tổn thương
trong não được mô tả trong Leksell Gamma Plan và sử dụng trong quá trình xạ phẫu. Bằng cách sử
dụng các helmet một cách linh hoạt, các kỹ sư vật lý thiết lập được kế hoạch điều trị với liều chiếu
thích hợp với hình dạng và thể tích của tổn thương [25]. Ví dụ như đối với các khối u hay dị dạng nằm
ở vị trí gần thân não, chúng ta không thể chọn loại helmet với collimator kích cỡ lớn.
Đối với dao Gamma Leksell model B và C, chúng ta thường gặp các loại helmet sau:

Hình 1.9. Các loại collimator helmet
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)

Hình 1.10. Vị trí của helmet trong dao Gamma Leksell
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)

Hình 1.11. Sự sắp xếp của các collimator trong helmet [36]
Mỗi Helmet có 201 collimator. Các collimator được sắp xếp trong helmet thành 5 vòng, được ký
hiệu lần lượt là A, B, C, D, E: vòng A có 44 collimator, vòng B có 44 collimator, vòng C có 39
collimator, vòng D có 39 collimator và vòng E có 35 collimator. Các vòng tròn này đồng tâm [9].
Đối với dao Gamma Leksell model U, helmet có 197 collimator được phân bố gần như đồng
nhất phủ trên nửa bán cầu [36].

Hình 1.12. Helmet của dao Gamma Leksell U
(
13B1.3.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell
36B1.3.1.Cơ sở vật lý

Nguyên tắc vật lý của dao Gamma Leksell là dựa trên quá trình phân rã phát ra tia Gamma của
nguồn Cobalt-60. Đồng vị Cobalt-60 là kim loại phóng xạ dùng trong xạ trị, không thể tìm thấy trong
tự nhiên. Đồng vị Cobalt-60 được tạo ra đơn giản bằng cách đặt Coban tự nhiên dưới các neutron trong
lò phản ứng với một khoảng thời gian nhất định.

59 60
27 27
Co n Co+→

Nguồn Cobalt-60 phân rã
β
−
tạo ra Niken-60 ở trạng thái kích thích. Khi Niken-60 chuyển từ
trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản phát ra hai photon Gamma với năng lượng lần lượt là: 1.1732
MeV ; 1.3325MeV và một electron có năng lượng cực đại là 0.31MeV [28]. Quá trình này được biểu
diễn như sau:
60 60 *
27 28
60 * 60
28 28
1,1732
1,3325
Co Ni e MeV
Ni Ni MeV
νγ
γ
−
→ + +++
→ ++

Hình 1.13. Sơ đồ phân rã của Cobalt-60[28]
Ta có thể xem photon Gamma có năng lượng trung bình là 1.25 MeV. Electron phát ra trong
mỗi phân rã này được chặn lại bằng cách cho nó hấp thụ trở lại nguồn Cobalt-60 hay vỏ chứa nguồn,
năng lượng thấp nên ta có thể bỏ qua hiện tượng bức xạ hãm (Bremsstrahlung).
Cobalt-60 có chu kỳ bán rã 5,2714 năm. Do đó, về nguyên tắc, chúng ta phải thay nguồn sau 5
năm, còn trong thời gian hoạt động phải thường xuyên hiệu chỉnh liều chiếu trong phần mềm lập kế
hoạch sau từng tháng [6].
37B1.3.2.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell
Thiết bị xạ phẫu Gamma Leksell sử dụng 201 chùm tia gamma năng lượng cao, rất mảnh, phát
ra từ 201 nguồn Cobalt-60, hội tụ tại vị trí tổn thương nhằm mục đích cung cấp một liều xạ lớn nhất tại
tổn thương, phá hủy tổn thương, trong khi ảnh hưởng chiếu xạ là tối thiểu lên các vùng lân cận.
Như chúng ta đã biết, tia Gamma là các bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn
11
10
−
m, năng
lượng và khả năng đâm xuyên lớn (có bước sóng nhỏ hơn và năng lượng lớn hơn tia X). Khi chiếu tia
Gamma lên tế bào với một liều lượng nhất định, bức xạ sẽ cung cấp năng lượng tới các tế bào khối u
làm thay đổi ADN của các tế bào. Các tế bào sẽ mất khả năng phân chia và hấp thụ và chết. Như vậy,
một tia xạ đi xuyên qua đầu bệnh nhân để đến được tổn thương đã gây ra những tác động đáng kể về
mặt sinh học và ngay cả tiêu diệt các tế bào ở các vùng cấu trúc mà nó đã đi qua. Vì vậy, với cùng một
liều hấp thụ tổng cộng, nếu chiếu bằng nhiều nguồn, mỗi nguồn cung cấp một liều nhỏ, sẽ cho tỉ số tế
bào sống sót nhiều hơn [6].

Hình 1.14. Minh họa nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong dao Gamma Leksell
(
Đối với dao Gamma Leksell, các kỹ sư vật lý có thể sử dụng số lượng nguồn chiếu phù hợp với
thể tích cần chiếu bằng cách dùng các nút bằng tungsten bịt kín những collimator không cần thiết.
Liều điều trị được tính bằng tổng liều từ 201 tia xạ theo phần mềm Leksell Gamma Plan. Liều

hấp thụ này phụ thuộc vào độ sâu, cấu trúc hình học, tính chất của tổn thương trong đầu người và kích
cỡ của collimator mà chúng ta sử dụng [16].
14B1.4.Quy trình xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell
Bước 1: Đặt khung định vị - đo đạc các khoảng cách
Bệnh nhân sẽ được gắn khung định vị bằng kim loại lên đầu bằng cách bắt các đinh vít trực tiếp
vào sọ. Khung định vị có tác dụng cố định đầu bệnh nhân trong quá trình chụp ảnh (MRI/ DSA/ CT) để
có chất lượng hình ảnh tốt nhất. Khung định vị cũng cố định đầu bệnh nhân trong suốt quá trình xạ
phẫu để đưa vị trí tổn thương vào giữa khung định vị trong khoảng điều trị cho phép của APS.
Tiếp theo, bác sĩ sẽ đặt mô hình collimator helmet bằng nhựa lên đầu bệnh nhân để xác định
khoảng cách từ collimator đến da đầu bệnh nhân tại một số vị trí định sẵn nhằm mục đích mô phỏng sọ
người.

Hình 1.15. Đặt khung định vị, đo khoảng cách cho bệnh nhân
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)
Bước 2: Chụp hình (MRI/ DSA /CT)
Bước chụp hình mô phỏng não giúp chúng ta có thể xác định chính xác vị trí và hình dạng 3D
của khối u hay các dị dạng động tĩnh mạch máu não. Trong đó, chụp MRI được áp dụng lên đến 95%
bệnh nhân. Chụp DSA được tiến hành sau khi chụp MRI để xác định các hình ảnh dị dạng động tĩnh
mạch trong các bệnh lý về mạch máu. Ngoài ra, chụp CT được sử dụng khoảng 1,2% trong những
trường hợp bệnh nhân có mảnh kim loại trong đầu.
Bước 3: Lập kế hoạch điều trị
- Các hình MRI và DSA sẽ được đưa vào máy tính. Bác sĩ điều trị vẽ đường biên tổn thương,
phân biệt vùng tổn thương với các vùng mô lành xung quanh, đồng thời chỉ định liều hấp thụ phù hợp
cho tổn thương. Tùy theo loại, số tổn thương, tùy theo vị trí tổn thương và các vùng lân cận, căn cứ vào
các thông số: thể tích, đường kính tổn thương, bác sĩ quyết định độ lớn liều xạ cần cấp cho bệnh nhân.
Để đảm bảo phá hủy hết tổn thương mà không ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh, liều cấp cho
bệnh nhân bị dị dạng mạch máu não khoảng 17- 25Gy, cho các bệnh nhân bị u não khoảng 7- 20Gy tùy
theo loại u. Chúng ta có thể tham khảo bảng phân bố liều điều trị trung bình của đơn vị Gamma Knife,
bệnh viện Chợ Rẫy.
Bảng 1.1. Liều điều trị trung bình của các loại bệnh lý

(Đơn vị Gamma Knife- Bệnh viện Chợ Rẫy)

- Kỹ sư vật lý lập kế hoạch phân bố liều cho khối u bằng cách sử dụng Gamma Plan, xác định:
phần trăm thể tích khối u nhận liều chỉ định, liều trung bình mà khối u nhận được, liều cực đại, liều cực
tiểu, thời gian chiếu xạ.
- Sau khi được bác sĩ thông qua, kế hoạch điều trị chuyển sang màn hình của máy điều khiển và
bệnh nhân sẽ được xạ phẫu.
Bước 4: Vận hành thiết bị để điều trị
- Khi phân bố liều cho khối u hay dị dạng mạch máu, kỹ sư sẽ chọn các shot xạ có kích thước 4mm,
8mm,14mm hoặc 18mm. Thông thường, để lấp đầy một khối u hay dị dạng có thể tích trung bình, kỹ
sư vật lý sẽ cần dùng từ 10 đến 15 shot xạ. Ứng với mỗi shot xạ, khung định vị có một vị trí, vị trí này
được định sẵn khi kỹ sư lập kế hoạch.Vị trí hiện tại của khung định vị thể hiện qua các thông số X,Y, Z
trên màn hình điều khiển.
Khi bệnh nhân đã được nằm trên giường điều trị, khung định vị đầu bệnh nhân đã được gắn vào
APS của thiết bị xạ phẫu.
Trong suốt quá trình tiến hành điều trị, trạng thái của bệnh nhân luôn được theo dõi và bệnh nhân có
thể giao tiếp được với bác sĩ thông qua một số thiết bị hỗ trợ như màn hình, micro…Các thông số: vị trí
khung định vị, tổng thời gian còn lại của quá trình điều trị, sự phát các tia xạ… được theo dõi trên màn
hình điều khiển.
Bước 5: Tháo khung định vị, hoàn tất điều trị.
Sau khi kết thúc quy trình điều trị, bệnh nhân được đưa ra ngoài để tháo khung định vị. Quá
trình tháo khung sẽ diễn ra ngược lại quá trình đặt khung.
Toàn bộ quy trình xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell diễn ra trong vòng 1 ngày [4].
15B1.5.Giới thiệu về Leksell Gamma Plan®
Leksell Gamma Plan® (LGP) là chương trình lập kế hoạch chữa trị dùng riêng cho dao Gamma
Leksell do công ty Elekta cung cấp. Chương trình này dùng để tính liều hấp thụ được phân bố bởi 201
nguồn phát những chùm photon tập trung vào vùng thể tích tổn thương cần xạ trị. Liều hấp thụ sẽ được
tính toán cho từng kích cỡ collimator cụ thể.
Dựa vào hình ảnh MRI, kèm theo hình ảnh DSA đối với các bệnh lý dị dạng mạch máu não, bác
sĩ sẽ xác định vị trí và hình dạng khối u. LGP sẽ định vị tổn thương trên phim MRI, giúp bác sĩ sẽ quy

hoạch vùng tổn thương cho kỹ sư vật lý lập kế hoạch cấp liều xạ trị. Đó chính là đường biên màu xanh
dương có thể quan sát trong ảnh chụp thực tế dưới đây. Các kỹ sư sẽ đặt các shot xạ sao cho bao kín
vùng tổn thương đó.


Hình 1.16. Thuật toán chồng chập các quả cầu và hình ảnh các shot xạ (hình cầu) được xếp vào
tổn thương
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)
Kỹ sư vật lý sử dụng thuật toán chồng chập các quả cầu. Các shot xạ có dạng hình cầu có đường
kính 4mm, 8mm, 14mm, 18mm. Nhiệm vụ của kỹ sư vật lý là xếp đầy các shot xạ vào mô hình 3D của
khối u (thể tích và hình dạng đúng như thực tế) sao cho đạt các yêu cầu sau đây:
- Số quả cầu xếp được là ít nhất, tương ứng với thời gian điều trị là ngắn nhất.
- Các quả cầu khi liên kết lại với nhau sẽ chiếm nhiều diện tích của khối 3D nhất, đồng nghĩa với
việc khối u sẽ nhận được nhiều tia xạ nhất, tức là liều hấp thụ lớn nhất.
- Thể tích các quả cầu vượt ra ngoai thể tích khối 3D là nhỏ nhất, tức là ta đã hạn chế đến mức tối
thiểu ảnh hưởng của tia xạ đến các mô lành chung quanh.
- Đối với những tổn thương có thể tích nhỏ và hình dạng đơn giản, kỹ sư chỉ cần dùng vài shot xạ,
nhưng đối với những tổn thương có thể tích lớn và hình dạng phức tạp thì kỹ sư phải dùng trên 20 shot
xạ. Bình thường, kỹ sư cần dùng từ 10 - 15 shot xạ là có thể bao kín vùng bị tổn thương. Đường quy
hoạch liều chính là đường liên kết các shot xạ, có màu vàng trên hình. Chúng ta có thể nhận thấy
đường quy hoạch vùng tổn thương và đường quy hoạch liều chỉ tương đối trùng nhau. LGP còn có thể
tái tạo mô hình sọ não bệnh nhân như hình dưới đây.

Hình 1.17. Lập kế hoạch điều trị
(Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)