ứng dụng phương pháp monte carlo trong xạ trị ung thư phổi bằng máy gia tốc tuyến tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
……… o0o…………



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TÍNH
LIỀU HẤP THỤ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ PHỔI
BẰNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH


SVTH: TRẦN VĂN NGHĨA
CBHD: ThS. NGUYỄN THỊ CẨM
THU
ThS. LÊ THANH XUÂN
GVPB: ThS. NGUYỄN TẤN CHÂU





TP. HỒ CHÍ MINH - 2014

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT a
DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH c
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ 3
1.1 Tổng quan về ung thư và xạ trị 3
1.1.1 Ung thư 3
1.1.2 Các phương pháp chẩn đoán và điều trị ung thư 5
1.2 Phương pháp xạ trị 6
1.2.1 Xạ trị trong (Brachytherapy) 6
1.2.2 Xạ trị ngoài (Teletherapy) 8
CHƯƠNG 2: MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 10
2.1 Máy gia tốc 10
2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của máy gia tốc 10
2.1.2 Cấu hình máy gia tốc dùng trong xạ trị 11
2.1.3 Nguyên lý hoạt động 12
2.2 Chương trình MCNP5 14
2.2.1 Khái quát 14
2.2.2 Các đặc trưng cơ bản của MCNP 15
2.2.2.1 Số liệu hạt nhân 15
2.2.2.2 Các đặc trưng về nguồn 15
2.2.2.3 Đánh giá sai số 16
2.2.2.4 Giảm sai số 17
2.2.2.5 Kết quả bài toán 17
CHƯƠNG 3: LẬP KẾ HOẠCH XẠ TRỊ UNG THƯ PHỔI DỰA TRÊN PHẦN
MỀM PROWESS PANTHER 18
3.1 Quy trình xạ trị 18
3.2 Lập kế hoạch điều trị ca ung thư phổi 19

3.2.1 Yêu cầu 19
3.2.2 Quy trình lập kế hoạch 19
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH MCNP5 27
4.1 Mục đích 27
4.2 Cấu hình đầu máy gia tốc PRIMUS và mô phỏng MCNP5 27
4.2.1 Cấu hình đầu máy gia tốc PRIMUS HPD 27
4.2.2 Mô hình đầu máy gia tốc trong MCNP5 29
4.2.3. Khai báo nguồn 29
4.2.4. Cấu hình Phantom 30
4.2.5 Các thông số mô phỏng cho MCNP5 31
4.3 Đánh giá kết quả tính toán phân bố liều trên phantom CT 33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
a

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
FOM: chỉ số chất lượng tính toán trong mô phỏng
N: số lần tính
R: tỉ số giữa thăng giáng chuẩn và giá trị trung bình.
T: thời gian tính (s)


: thăng giáng chuẩn
: giá trị trung bình của phép đo
Danh mục chữ viết tắt
2D: Two – Dimensional
3D: Three – Dimensional
ADN: Acid Deoxyribo Nucleic

BEV: Beam Eye View
CTV: Clinical Target Volume
CT: Computed Tomography
DVH: Dose Volume Histogram
DICOM: Digital Imaging Communications Medicine
GTV: Gross Tumor Volume
MRI: Magentic Resonance System
MCNP: Monte Carlo N – Particle
b

MCNG: Monte Carlo Neutron - Gamma
MCP: Monte Carlo Photon
PET: Positron Emission Tomography
PP: Prowess Panther
PTV: Planning Target Volume
SIM: Simulator
SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography
c

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH

Danh mục bảng
Bảng 2.1: Ý nghĩa của giá trị R ………………………………………………… 18
Bảng 3.1: Thống kê liều hấp thụ của các cơ quan theo bảng DVH ……………… 28
Bảng 4.1: Khoảng năng lượng và xác suất phát của chùm electron để tạo photon năng
lượng 15 MV ……………………………………………………………………… 32
Bảng 4.2: Tọa độ và liều tương đối được tính bởi MCNP ………………………… 41
Danh mục hình
Hình 1.1: Phổi bị ung thư …………………………………………………………….4
Hình 1.2: Ung thư dạ dày…… …………………………………………………… 4

Hình 1.3: Xạ trị ung thư vú giai đoạn sớm bằng xạ trị áp xát ………………………8
Hình 1.4: Xạ trị áp sát trị ung thư vòm họng… 8
Hình 1.5: Xạ trị ngoài bằng máy Colbalt 60 ……………………………………… 10
Hình 2.1: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị ……………………………… 12
Hình 3.1: Biểu tượng nút chọn cài dặt tâm chì được thiết kế trong phần mềm Prowess
Panther …………………………………… 22
Hình 3.2: Hình ảnh được Prowess Panther hiển thị sau khi chọn Cross section of
marker ……………………………22
Hình 3.3: Đường contour bao quanh khối u và cơ quan lành: đường màu đỏ bao quanh
khối u, đường màu vàng bao quanh tủy sống, đường màu cam bao quanh phổi phải,
d

đường màu xanh dương bao quanh tim, đường màu hồng nhạt bao quanh phổi
trái …………………… 23
Hình 3.4: Hướng các trường chiếu ứng với góc quay: 20
0
là hướng từ trên suống hơi
chếch sang phải, 195
0
là hướng từ dưới lên hơi chếch sang trái, 270
0
là hướng từ trái
qua ……………… 24
Hình 3.5: Hình dạng các trường chiếu và nêm tương ứng ………………… … 24
Hình 3.6: Khối che (block) ứng với hai trường chiếu, (a) hình dạng khối che chắn ứng
với trường chiếu 20
0
, (b) hình dạng khối che chắn ứng với trường chiếu
195
0

……………… ……………23
Hình 3.7: Khối che chắn ứng với trường chiếu 270
0
24
Hình 3.8: Dạng hình học 3D của khối u và cơ quan lành ………………………… 26
Hình 3.9: Bảng DVH ……………………………………………………………….27
Hình 4.1: Mô hình máy gia tốc 2D được vẽ bằng Visual Editor của MCNP5 phát chùm
photon 15 MV …………………………………………………………………… 31
Hình 4.2: Kích thước voxel của phantom thu được từ ảnh CT ……………… ….33
Hình 4.3: Giao diện chuyển đổi của chương trình CODIM (CONVERT VIEW) 36
Hình 4.4: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 được vẽ bằng chương trình
CODIM (ISODOSE MESHTAL) cho mặt CT trung tâm 38
Hình 4.5: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 được vẽ bằng chương trình
CODIM (ISODOSE MESHTAL) cho mặt CT trung tâm +1 (cách slice trung tâm 6
mm) 39
Hình 4.6: Phân bố các đường đồng liều được mô phỏng bằng MCNP5 40
e

Hình 4.7: Phân bố các đường đồng liều được mô phỏng bằng Prowess Panther 40
1

LỜI MỞ ĐẦU
Bệnh ung thư và sức khỏe cộng đồng là vấn đề ngày càng được quan tâm ở hầu
hết các quốc gia trên thế giới. Theo các con số thống kê của Cơ quan quốc tế về ung
thư của tổ chức Y tế Thế giới (WHO) dự báo, số bệnh nhân mắc bệnh ung thư mới phát
hiện trên toàn thế giới vào năm 2035 sẽ lên tới xấp xỉ 24 triệu người, tăng lên 70% so
với năm 2012 là 14,1 triệu người. Trong đó, số ca tử vong do ung thư sẽ tăng gần gấp
đôi từ 8,2 triệu người năm 2012 lên tới 14,6 triệu người vào năm 2035. Riêng với các
nước nghèo, chậm phát triển, số ca mắc bệnh ung thư tăng 40% một năm, các nước
giàu có sẽ là 20% một năm [12]. Ở Việt Nam, dẫn theo nguồn nghiên cứu của Viện

Nghiên cứu phòng chống ung thư Việt Nam đăng trên báo Lao Động số 27, đăng ngày
7 tháng 2 năm 2014 thì cả nước có từ 240 nghìn đến 250 nghìn người mắc bệnh ung
thư. Mỗi năm, có 150 nghìn ca mắc bệnh mới và có từ 75 nghìn tới 85 nghìn người tử
vong vì căn bệnh này. Một con số đáng báo động và có xu hướng tăng lên theo mỗi
năm.
Ung thư có thể chữa trị bằng nhiều phương pháp khác nhau nhưng tập trung chủ
yếu vào ba phương pháp chính là: xạ trị, hóa trị và phẫu thuật. Trong đó, xạ trị là
phương pháp đem lại hiệu quả cao và đang được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay.
Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng để tính toán liều hấp thụ của khối u và các cơ
quan lành là không thể thiếu ở các bệnh viện xạ trị. Vì thời gian lập kế hoạch là có giới
hạn nên phương pháp Monte Carlo thường không được áp dụng ở các bệnh viện. Tuy
nhiên, phương pháp Monte Carlo cho kết quả có độ tin cậy rất cao…. Với ý nghĩa quan
trọng đó, khóa luận thực hiện việc tính liều hấp thụ lên khối u ở phổi khi xạ trị bằng
máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình mô phỏng Monte Carlo MCNP5 và so sánh
kết quả mô phỏng với kết quả có được từ chương trình lập kế hoạch tại bệnh viện. Với
nội dung như trên, khóa luận được trình bày gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về ung thư và các phương pháp xạ trị.
2

Chương 2: Giới thiệu máy gia tốc tuyến tính và chương trình MCNP5.
Chương 3: Lập kế hoạch xạ trị ung thư phổi dựa trên phần mềm Prowess Panther.
Chương 4: Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5.
3

CHƯƠNG 1
TỒNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ
1.1 Tổng quan về ung thư và xạ trị
1.1.1 Ung thư
Ung thư là một nhóm các bệnh liên quan đến sự thay đổi về sinh sản, tăng trưởng
và chức năng của tế bào [10]. Các tế bào bình thường trở nên đột biến và tăng sinh một

cách không kiểm soát, xâm lấn các mô ở gần hay di căn qua hệ thống bạch huyết hay
mạch máu. Các khối u này có thể là khối u ác tính hay khối u lành tính tùy thuộc vào
tác động của nó đối với bệnh nhân và các khối u ác tính là nguồn gốc của ung thư. Có
nhiều nguyên nhân dẫn đến ung thư như: các hóa chất trong môi trường, virus,
hormone, rối loạn miễn dịch hay do di truyền
Ung thư phổi là một dạng của ung thư, các nguyên nhân chính gây nên nó là do
khói thuốc lá, bức xạ ion hóa và do virus. Sự phơi nhiễm lâu dài với các yếu tố này gây
tích tụ các thay đổi trong AND [10] của mô lát bên trong phế quản của phổi (tức biểu
mô phế quản). Khi càng nhiều mô bị tổn thương, cuối cùng sẽ dẫn tới ung thư.
4


Hình 1.1
: Phổi bị ung thư [13]


Hình 1.2
: Ung thư dạ dày [14]

5


1.1.2 Các phương pháp chẩn đoán và điều trị ung thư
Ung thư có thể được điều trị bằng nhiều phương pháp khác nhau như phẫu thuật,
hóa trị, xạ trị, ức chế nội tiết tố, điều trị kết hợp
 Xạ trị: là phương pháp điều trị bệnh bằng cách sử dụng các tia bức xạ ion hóa
nhằm hạn chế sự phát triển cũng như tiêu diệt khối u và giảm tổn thương cho
các tế bào mô lành xung quanh khối u. Có thể nói đây là lĩnh vực không thể
thiếu trong ngành y học hiện đại và đây cũng là một trong hai phương pháp
thường được sử dụng phổ biến nhất trong điều trị ung thư ngày nay.

 Phẫu thuật: mục đích của nó là có thể cắt bỏ chỉ khối u đơn thuần hoặc toàn bộ
cơ quan. Ví dụ như phẫu thuật cắt bỏ tuyến vú ở ung thư vú, cắt bỏ tuyến tiền
liệt ở ung thư tuyến tiền liệt Bên cạnh đó, phẫu thuật cũng cần thiết cho phân
loại giai đoạn như xác định độ lan tràn của bệnh, xem thử đã có di căn đến các
vùng khác hay không, đồng thời cho biết tiên lượng và nhu cầu điều trị bổ sung.
 Hóa trị: là điều trị ung thư bằng thuốc (thuốc chống ung thư) có khả năng tiêu
diệt tế bào ung thư. Chúng can thiệp vào phân bào theo các cách khác nhau như
sự sao chép DNA hay quá trình phân chia các nhiễm sắc thể mới được tạo
thành. Hóa trị có tác động đến cả các tế bào ung thư cũng như tế bào lành nên
nó gây ra các tác dụng phụ không mong muốn tới tế bào tiêu hóa trong ruột,
lông, tóc, các tế bào máu dẫn tới rụng tóc, tiêu chảy, nhiễm khuẩn do giảm
bạch cầu, chảy máu do hạ tiểu cầu Thường thì những tác dụng phụ này sẽ hết
sau khi kết thúc hóa trị.
 Ức chế nội tiết tố: là dùng thuốc ngăn cản hay tiêu diệt các hốc môn tham gia
vào sự phát triển của tế bào ung thư như là estrogen đối với ung thư vú hay
testosterone đối với ung thư tiền liệt tuyến.
6

 Điều trị kết hợp: là sử dụng kết hợp một hay hai biện pháp lại với nhau để đạt
kết quả tốt hơn như kết hợp giữa biện pháp phẫu thuật và biện pháp xạ trị hay
kết hợp giữa hóa trị và xạ trị với nhau.
Việc sử dụng các phương pháp nào để điều trị có hiệu quả còn tùy thuộc vào giai
đoạn, sức chịu đựng của cơ thể, khả năng của cơ sở điều trị và một phần kinh nghiệm
của thầy thuốc chuyên khoa. Ngày nay, cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của
nền y học hiện đại, xạ trị được xem là một trong các phương pháp cơ bản để điều trị
ung thư.
1.2 Phương pháp xạ trị
Xạ trị được chia làm hai phương pháp chính: xạ trị trong và xạ trị ngoài.
1.2.1 Xạ trị trong (Brachytherapy)
Xạ trị trong hay còn gọi là xạ trị áp sát là kỹ thuật điều trị sử dụng các nguồn đồng

vị phóng xạ đặt trong thể tích khối u để đưa ra một liều rất cục bộ nhằm tối thiểu hóa
liều xạ tới các mô lành bao quanh. Có thể sử dụng một trong 3 cách sau: áp vào, đặt
vào khe hở hoặc gài vào bên trong cơ thể [17]. Tùy từng loại khối u mà người ta có thể
có cách đặt cụ thể như: đặt ở bề mặt khối u trong các khuôn sáp nhựa đối với ung thư
da, đặt vào các hốc tự nhiên của cơ thể như tử cung, xoang hoặc cắm vào mô, tổ chức
phần mềm mang ung thư. Nguồn phóng xạ có thể được đặt lâu dài hoặc tạm thời bên
trong khối u của bệnh nhân.
Xạ trị áp sát có ưu điểm là liều xạ giảm rất nhanh từ gần nguồn ra ngoài nên liều
tập trung rất cao vào trung tâm bướu, vùng thiếu oxy và ít nhạy tia nhất. Ngược lại liều
giảm nhanh lên các mô lành xung quanh giúp bảo vệ mô lành. Nhưng nó cũng bị hạn
chế khi thể tích khối u nhỏ, sự phát triển trong lĩnh vực này bao gồm việc sử dụng các
nguồn phóng xạ có suất liều cao, các nguồn này có thể được đưa qua các ống thông để
đặt vào các vị trí khối u [6].
7


Hình 1.3
: Xạ trị ung thư vú giai đoạn sớm bằng xạ trị áp sát [15]


Hình 1.4
: Xạ trị áp sát trị ung thư vòm họng [16]
8

1.2.2 Xạ trị ngoài (Teletherapy)
Xạ trị ngoài là phương pháp phổ biến nhất trong kỹ thật xạ trị [17]. Người ta
thường tiến hành với chùm photon, thông thường đó là các tia X năng lượng cao được
tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính, máy gia tốc Betatron , nhưng người ta cũng dùng
chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong khoảng
50-300 kV. Thêm vào đó, việc sử dụng chùm electron có năng lượng từ 4-22 MeV để

điều trị những khối u tương đối nông sẽ cải thiện được độ chính xác hình học hơn các
chùm photon. Chính vì vậy, phương pháp xạ trị bằng chùm electron cũng được ứng
dụng rộng rãi vào ngày nay. Ngoài ra, xạ trị ngoài với các loại bức xạ khác như chùm
neutron, chùm hạt tích điện như proton có thể dùng trong điều trị lâm sàng cũng được
đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, các thiết bị tạo ra chúng rất đắt, vì vậy các bức xạ này ít
được sử dụng.
Một số phát triển mới đây trong kĩ thuật xạ trị ngoài đã được đẩy mạnh do khả năng
tính toán của các hệ thống máy tính hiện nay tăng lên. Hệ thống máy tính không chỉ có
khả năng giúp lập kế hoạch tính toán trong không gian 3 chiều mà còn có khả năng
điều khiển các thiết bị điều trị sao cho vùng nhận liều cao có thể biến đổi cho phù hợp
với thể tích bia trong không gian 3 chiều. Sự phát triển này song song với kĩ thuật tạo
ảnh như chụp cắt lớp điện toán (CT), chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), … cho phép các
nhà điều trị có thể xác định thể tích bia một cách chính xác hơn. Các kĩ thuật này đóng
một vai trò quan trọng trong việc phác họa thể tích khối u. Ngoài ra máy tính còn có
vai trò giúp tính toán liều và mô phỏng liều chiếu khi chiếu với các trường chiếu khác
nhau hoặc có thể giúp tính được các khu vực nhận liều chiếu cao nhất để có thể vạch
ra phương án và thời gian điều trị hiệu quả nhất cho bệnh nhân.
Xạ trị ngoài là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất để điều trị khối u, hạch nằm sâu
trong cơ thể. Bên cạnh những máy phát chùm tia gamma, máy phát neutron, máy X-
quang thì hiện nay máy gia tốc điện tử được lựa chọn hầu hết cho các khoa xạ trị. Các
máy gia tốc có thể tạo ra được những chùm tia X, chùm điện tử với hệ thống collimator
9

để tạo các dạng trường chiếu bức xạ không đối xứng, có thể điều khiển được bằng máy
tính, có các hệ thống kiểm tra và lưu trữ, các hệ thống collimator động [6].

Hình 1.5
: Xạ trị ngoài trên máy gia tốc tuyến tính [16]

10

CHƯƠNG 2
MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP5
2.1 Máy gia tốc
2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của máy gia tốc
Ngay sau khi có sự phát hiện ra bức xạ ion hóa vào cuối thế kỷ thứ 19, giá trị ứng
dụng to lớn của tác nhân mới này trong lâm sàng đã được khẳng định [2]. Trong quá
trình khởi đầu của kỹ thuật xạ trị, công nghệ phát tia xạ ngày càng chú trọng vào việc
tạo ra cường độ và năng lượng chùm electron và photon cao hơn và linh hoạt hơn.
Trong những năm đầu của thế kỷ thứ 20, ngành xạ trị chủ yếu sử dụng các tấm áp bề
mặt với những nguồn radium hoặc những ống phát tia X cathode lạnh. Vào cuối những
năm 30, máy gia tốc Betatron được phát minh đã tạo ra được nguồn electron có năng
lượng lên tới hàng triệu volt dùng cho nghiên cứu hạt nhân. Tới những năm 1960-
1970, loại Betatron dùng cho xạ trị lâm sàn với mức năng lượng chùm tia đạt tới 45
triệu volt đã được tạo ra. Chúng được sản xuất rộng rãi trên thị trường và trở thành loại
máy xạ trị với năng lượng rất cao đầu tiên được chế tạo. Tuy nhiên trước đó, việc phát
minh ra thiết bị từ Cobalt-60 của H.E. Johns năm 1951 đã tạo nên một bước phát triển
lớn trong việc tìm kiếm những nguồn photon năng lượng lớn hơn.Vì vậy, thiết bị
Cobalt đã được đặt lên vị trí hàng đầu trong suốt một thời gian dài. Và cũng trong thập
niên 50 của thế kỷ thứ 20, do sự hạn chế của của máy gia tốc Betatron, ống phát tia X,
cũng như máy Cobalt-60 mà máy gia tốc tuyến tính bắt đầu được nghiên cứu phát triển
và ngày càng chiếm ưu thế hơn so với các thiết bị trước đó. Về lâu dài, các máy gia tốc
tuyến tính đã được phát triển và hoàn thiện hơn qua nhiều thế hệ với độ phức tạp ngày
càng tăng và trở thành nguồn bức xạ sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật xạ trị hiện đại.
Cùng với thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả, máy gia tốc tuyến tính rất linh hoạt trong sử
11

dụng, cung cấp các nguồn tia X hoặc electron cho điều trị với một dải năng lượng rộng.
Ngày nay, trên thế giới có khoảng trên 7000 máy gia tốc xạ trị đang hoạt động [2].
2.1.2 Cấu hình máy gia tốc dùng trong xạ trị

Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn
giản bằng hình 2.1.

Hình 2.1: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị [3]

Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị thường được chia thành 5 hệ thống sau [3]:
 Hệ thống phun: là một nguồn electron hay còn gọi là súng điện tử.
 Hệ thống tần số vô tuyến: bao gồm nguồn tần số vô tuyến sử dụng magnetron
hoặc klystron, bộ điều chế, ống dẫn sóng cao tần có chân không thấp trong đó
electron được gia tốc,…
 Hệ thống vận chuyển chùm tia: có vai trò vận chuyển electron trong chân không
từ ống dẫn sóng gia tốc tới bia hoặc lá tán xạ.
12

 Hệ thống phụ trợ: gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước,
hệ thống chất điện môi bằng ga để truyền vi sóng từ bộ phận phát sóng vô tuyến
tới ống dẫn sóng.
 Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia.
Bên cạnh đó còn chứa các thành phần khác đi kèm là [3]:
 Hệ thống collimator chuẩn thông dụng.
 Hệ thống laser xác định trục quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ
hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy.
 Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và
bệnh nhân.
 Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị, màn hình thông báo các số liệu liên
quan tới việc điều trị.
 Hệ thống che chắn phóng xạ.
 Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố.
 Giường máy.
 Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị.

 Hệ thống đo liều phóng xạ.
 Hệ thống làm khuôn và đúc chì.
2.1.3 Nguyên lý hoạt động
Ban đầu, các electron sinh ra do bức xa nhiệt từ cathode của súng điện tử bị nung
nóng. Sau đó các electron được tăng tốc để đi vào ống dẫn sóng gia tốc. Ở đây, các
electron được gia tốc bằng trường tĩnh điện và được phun vào ống dẫn sóng dưới dạng
xung. Trong ống dẫn sóng, các electron được gia tốc bằng sóng cao tần. Năng lượng
của các electron được cung cấp từ các bức xạ dưới dạng các sung ngắn. Các bức xạ này
được tạo ra từ các bộ phát tần số vi sóng, đó là các “van“ magnetron hay klystron. Các
electron được đưa vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của các bức xạ vi sóng
13

để electron có thể được gia tốc. Hệ thống dẫn sóng và súng điện tử được duy trì trong
môi trường chân không cao, để các electron di chuyển trong đó mà không bị va chạm
với các nguyên tử khí.
Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và
không chuyển động chính xác dọc theo trục được. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện
tượng này. Đó là do lực đẩy Coulomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu, do sự
lắp ghép không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm,
do tác động của điện từ trường ngoài,… Do đó, chùm electron gia tốc phải được lái
một cách chủ động. Trước hết là sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ
chùm tia theo quỹ đạo thẳng. Sau đó các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên
các electron để dẫn chùm tia đi đúng theo hướng ống dẫn sóng, từ đó hướng ra ngoài
theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng đến bia tạo tia X. Khi máy gia tốc ở
chế độ phát chùm electron thì chùm electron được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua
một cửa sổ nhỏ. Sau đó được tán xạ trên các lá tán xạ hoặc được một từ trường quét ra
trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường
hợp điều trị cụ thể. Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phẳng, nêm,
collimator sơ cấp, thứ cấp. Liều lượng được kiểm soát bằng các detector. Nếu chế độ
phát tia X thì chùm electron đã được gia tốc lại được uốn theo một đường cong thiết kế

để đập vào bia. Chùm electron này có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với
các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao. Phổ năng lượng của
tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, số nguyên
tử, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về
liều lượng, được định dạng phù hợp. Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai
chế độ phát chùm photon và chế độ phát electron. Do đó, về cơ khí được chế tạo phù
hợp để thay đổi cơ chế từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt [3].
14

Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế cơ khí chuyển động linh hoạt như
cần máy và giường điều trị. Các hệ hống này đều được kiểm soát an toàn bằng một chuỗi
khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau.
2.2 Chương trình MCNP5
2.2.1 Khái quát
MCNP (Monte Carlo N-Particle) là phần mềm ứng dụng phương pháp Monte
Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý hạt nhân đối với neutron, photon, electron
mang tính thống kê (các quá trình phân rã hạt nhân, tương tác giữa các hạt với vật chất,
thông lượng neutron ) [5]. Tiền thân của nó là một chương trình Monte Carlo vận
chuyển hạt mang tên MCS được viết năm 1963 tại Los Almos. Năm 1973, MCNG
(chương trình ghép cặp neutron-gamma) được hợp nhất với MCP (chương trình Monte
Carlo photon với xử lý vật lý chi tiết đến năng lượng 1keV) để mô phỏng chính xác các
tương tác neutron-photon và có tên MCNP kể từ đó. Mặc dù khi ra đời, MCNP mang ý
nghĩa là Monte Carlo neutron-photon, nhưng tới ngày nay nó lại mang một ý nghĩa
khác là Monte Carlo N hạt với N có thể là netron, photon và electron. Từ khi ra đời cho
tới nay, MNCP trải qua nhiều lần chỉnh sửa và nâng cấp với nhiều phiên bản khác
nhau. Trong đó, MCNP5 là một trong các phiên bản của MCNP được công bố vào năm
2003 cùng với việc cập nhật thêm các quá trình tương tác mới chẳng hạn như các hiện
tượng quang hạt nhân, hiệu ứng dãn nở Doppler,
MCNP là một công cụ tính toán rất mạnh, có thể mô phỏng vận chuyển neutron,
photon, electron và giải các bài toán vận chuyển bức xạ 3 chiều, phụ thuộc thời gian,

năng lượng liên tục trong các lĩnh vực từ thiết kế lò phản ứng đến bảo vệ bức xạ và vật
lý y học với miền năng lượng netron từ 10-11 MeV đến 20 MeV, photon và electron từ
1 keV tới 1000 MeV.
15

Ngày nay, tại Los Alamos có khoảng 250 người dùng và trên thế giới có hơn
3000 người dùng nó trong hơn 200 cơ sở ứng dụng [5]. Ở Việt Nam, trong những năm
gần đây các tính toán bằng MCNP đã được triển khai ở Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà
Lạt, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ TP. Hồ Chí Minh, Viện
Năng lượng Nguyên tử Việt Nam,. . .
2.2.2 Các đặc trưng cơ bản của MCNP
2.2.2.1 Số liệu hạt nhân
MCNP sử dụng các thư viện số liệu nguyên tử và hạt nhân có năng lượng liên tục.
Các số liệu hạt nhân được lấy từ hồ sơ số liệu hạt nhân ENDF–Evaluated Nuclear Data
File, thư viện ENDL–Evaluated Nuclear Data Library từ các phòng thí nghiệm hạt
nhân ở Mỹ (Livermore và Los Alamos). Các bảng số liệu hạt nhân bao gồm: tương tác
hạt nhân, photon tạo do neutron, đo liều hoặc kích hoạt neutron, tán xạ nhiệt S(α,β).
Ngoài ra còn có bảng về photon và electron. Các bảng số liệu dùng cho chương trình
MCNP được liệt kê trong file XSDIR. Người sử dụng có thể chọn các bảng cụ thể nhờ
vào số nhận dạng chúng ZAIDs. Các số nhận dạng bao gồm điện tích Z, số khối A và
chỉ số của thư viện ID [5].
2.2.2.2 Các đặc trưng về nguồn
Chương trình MCNP cho phép người dùng đưa vào các thông tin của nguồn với
những quy định chuẩn hoá. Các phân bố xác suất độc lập có thể được xác định cho các
biến nguồn như: năng lượng, thời gian, vị trí, hướng và các thông số khác như ô hoặc
bề mặt. Các biến nguồn cũng có thể phụ thuộc vào các biến khác (ví dụ như năng
lượng là hàm của góc) và chúng được xác định bởi các hàm trong MCNP. Các hàm
giải tích có sẵn cho phân hạch và phổ phân hạch là các phổ Watt, Maxwell và Gauss,
hàm Gauss theo thời gian. Nguồn bề mặt cho phép các hạt đi qua bề mặt trong một bài
toán và nó được sử dụng như là một nguồn cho bài toán sau. Việc tách tính toán ra làm

16

nhiều phần cho phép xây dựng hoặc phân tích chi tiết các miền hình học mà không cần
phải chạy lại chương trình từ đầu [5].
2.2.2.3 Đánh giá sai số
Kết quả đưa ra ngoài giá trị cần tính còn có sai số tương đối R. R được định nghĩa
là tỉ số giữa thăng giáng chuẩn và giá trị trung bình.
 =


X

Với một kết quả tốt thì R tỉ lệ với

√

với N là số lần tính. Như vậy, muốn giảm R thì
phải tăng N. Sai số tương đối R được dùng để xác định khoảng tin cậy của trị trung
bình. Theo định lý giới hạn trung tâm khi N → ∞ thì có 68 % cơ hội giá trị thật nằm
trong khoảng (1 ± ) và 95 % cơ hội giá trị thật nằm trong khoảng (1 ±2). Tuy
nhiên, đây là độ chính xác của bản thân phương pháp Monte Carlo chứ không phải là
độ chính xác của kết quả mô phỏng so với kết quả thực nghiệm. Để dễ dàng cho việc
hiểu ý nghĩa của R, người ta đưa ra bảng giá trị của R trong bảng 2.1
B
ả
ng 2.1
: Ý nghĩa của giá trị R [5]
Giá trị R Đặc trưng của giá trị R
0,5 – 1,0 Không có ý nghĩa
0,2 – 0,5 Có chút ý nghĩa

0,1 – 0,2 Còn nghi ngờ
< 0,1 Có thể tin cậy
< 0,05 Có thể tin cậy đối với đầu dò điểm

Để thông báo cho người sử dụng biết chất lượng tính toán, chương trình MCNP
đưa ra chỉ số chất lượng FOM (Figure of Merit). FOM được định nghĩa [5]:
17

 =



=


với T là thời gian tính
Hiệu suất tính toán càng lớn nếu FOM càng lớn, 

tỉ lệ với


, mà N tỉ lệ với T.
Từ đó, ta thấy FOM gần như không đổi và là hằng số. Khi đó, một kết quả tốt là khi
FOM gần như là hằng số.
2.2.2.4 Giảm sai số
Sai số R tỉ lệ với

√

, mà N tỉ lệ với thời gian tính T. Do vậy có thể viết  =


√


với C là hằng số dương. Như vậy có hai cách để giảm sai số: một là tăng T, hai là giảm
C. Trong thực tế thời gian T là hạn chế và phụ thuộc vào khả năng của máy tính. Do đó
MCNP lựa chọn cách thứ hai là áp dụng những kỹ thuật đặc biệt để giảm C. Hằng số C
phụ thuộc vào cách lấy mẫu và lựa chọn kết quả truy xuất. Có 4 công cụ giảm sai số
[5]:
 Phương pháp cắt cụt.
 Phương pháp kiểm soát mật độ.
 Phương pháp lấy mẫu có sửa đổi.
 Phương pháp tất định từng phần.

2.2.2.5 Kết quả bài toán
Ngoài các thông tin về kết quả, trong kết quả đưa ra MCNP còn có các bảng
thông tin giúp cho người sử dụng biết về sự hoạt động của chương trình, làm sáng tỏ
các vấn đề vật lý của bài toán và sự thích ứng của phương pháp Monte Carlo. Nếu có
sai trong khi chạy chương trình thì sẽ in ra chi tiết để người sử dụng biết khắc phục.