áp dụng chương trình egsnrc để tính tham số liều cho nguồn xạ trị áp sát model 9011 thinseedtm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

VŨ THANH NGHỊ

ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc ĐỂ
TÍNH THAM SỐ LIỀU CHO NGUỒN XẠ
TRỊ ÁP SÁT MODEL 9011 THINSeedTM
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

VŨ THANH NGHỊ

ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc
ĐỂ TÍNH THAM SỐ LIỀU CHO
NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT MODEL
9011 THINSeedTM
Chuyên ngành:VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG
CAO

Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.NGUYỄN ĐÔNG SƠN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2011


MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ ................................................................................. 5
TỔNG QUAN ........................................................................................................................ 7
CHƯƠNG 1:

XẠ TRỊ ÁP SÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU QUANH NGUỒN

XẠ

11

1.1

Giới thiệu về xạ trị áp sát: ..................................................................................... 11

1.1.1

.Phân loại ....................................................................................................... 11

1.1.2

Về kỹ thuật xạ trị áp sát: ................................................................................ 12

1.2

Phương pháp tính suất liều của nguồn xạ dùng trong xạ trị áp sát: ...................... 17

1.2.1

Liều hấp thụ D ............................................................................................... 17

1.2.2

Suất liều hấp thụ D ........................................................................................ 18

•

CHƯƠNG 2:

PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH LIỀU

EGSnrc

24

2.1

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: .................................................................. 24

2.2

Mô phỏng Monte Carlo trong vận chuyển photon ................................................ 27

2.2.1

Quá trình tương tác photon[12]: .................................................................... 27

2.2.2

Vận chuyển photon: ....................................................................................... 31

2.3

Giới thiệu chương trình EGSnrc : ......................................................................... 32

2.3.1

Giới thiệu chung[3]: ....................................................................................... 32

2.3.2

Nhập dữ liệu cấu trúc hình học và vật liệu .................................................... 33

2.3.3

Điều khiển các thông số vận chuyển Monte Carlo ........................................ 35

2.3.4

Vùng ghi liều: ................................................................................................ 37

CHƯƠNG 3:

ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc ĐỂ KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ

LIỀU QUANH NGUỒN XẠ MODEL 9011 THINSEEDTM. ............................................. 38
3.1

Thiết lập các thông số và cấu trúc hình học cho nguồn dùng trong EGSnrc ........ 38

3.1.1

Giới thiệu về nguồn Model 9011 THINSeedTM:............................................ 38

3.1.2

Thành phần cấu tạo và cấu trúc của nguồn[16]: ............................................ 40

3.1.3

Khai báo các thông số cho chương trình EGSnrc: ......................................... 41

3.2

Tính các giá trị g ( r ) và F ( r, θ ) của nguồn : ..................................................... 46


3.2.1

Kết quả của hàm g (r) .................................................................................... 47

3.2.2

Kết quả hàm F(r, θ ) ...................................................................................... 50

KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................................... 63
HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................................... 64
NGUỒN TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 65
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 67


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số của nguồn I-125 Model 9011……………………………...40
Bảng 3.2 Thành phần mật độ vật liệu trong mô phỏng…………………………….41
Bảng 3.3 Giá trị AE, UE, AP, UP trong mô phỏng……………………...................43
Bảng 3.4 Phổ năng lượng của I-125………………………………………………..45
Bảng 3.5 Giá trị g ( r) của I-125 Model 9011...........................................................47
Bảng 3.6 Giá trị hệ số a của nguồn I-125 Model 9011............................................48


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các khái niệm trong tính liều AAPM…………………………….....…..20
Hình 2.1 Khái niệm trong mô phỏng………………………………………….......25
Hình 2.2 Cấu trúc hình học của EGSnrc………………………………………......33
Hình 2.3 Dùng chương trình PreviewRZ để xem trước cấu trúc của nguồn….......34
Hình 2.4 Vùng ghi liều…………………………………………………………....37
Hình 3.1 Cấu trúc nguồn I-125 Model 6711………………………………...........39
Hình 3.2 Mặt cắt nguồn I-125 Model 6711...........................................................39
Hình 3.3 Cấu trúc nguồn I-125 Model 9011..........................................................40
Hình 3.4 Vị trí nguồn trong phantom nước.............................................................41
Hình 3.5 Giao diện EGS_GUI khi bỏ chọn ICRU density correction...................42
Hình 3.6 Giao diện EGS_GUI khi chọn ICRU density correction……………….42
Hình 3.7 Giao diện của EGS_INPRZ……………………………………………..43

Hình 3.8 Ví dụ khai báo cho cấu trúc nguồn……………………………………...44
Hình 3.9 Ví dụ cho khai báo Source trong INPRZ………………………………..44
Hình 3.10 Ví dụ khai báo Transport Parameter trong INPRZ…………………….45
Hình 3.11 Ví dụ khai báo cho Transport Parameter by region trong INPRZ……..46
Hình 3.12 Đồ thị hàm g (r)……………………………………………………..…49
Hình 3.13 Đồ thị hàm F( r, θ ) của nguồn I-125 Model 9011 của luận văn……….51
Hình 3.14 Giá trị F( r, θ ) của I-125 Model 9011 của bài báo………………….....52
Hình 3.15 Giá trị F( r, θ ) của I-125 Model 9011 của đo đạc……………………..53
Hình 3.16 Giá trị F ( r , 00 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc….….54
Hình 3.17 Giá trị F ( r , 100 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …...54
Hình 3.18 Giá trị F ( r , 200 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …...55
Hình 3.19 Giá trị F ( r , 300 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc ..….56
Hình 3.20 Giá trị F ( r , 400 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …...57
Hình 3.21 Giá trị F ( r , 500 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc ……58
Hình 3.22 Giá trị F ( r , 600 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …....59


Hình 3.23 Giá trị F ( r , 700 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc ……60
Hình 3.24 Giá trị F ( r , 800 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …....61


TỔNG QUAN
Bệnh ung thư được coi là một trong những chứng bệnh nan y nguy hiểm được
phát hiện với số ca mắc bệnh ngày càng gia tăng trên thế giới. Với số lượng bệnh
nhân được phát hiện là mắc bệnh ung thư và số ca tử vong do ung thư tăng đột biến
trong một vài năm trở lại đây, ung thư đã được xem là căn bệnh của xã hội thời hiện
đại. Năm 2008, có 7,6 triệu người chết vì ung thư và 12,7 triệu trường hợp mới được
chẩn đoán mắc ung thư.Ung thư phổi là dạng phổ biến nhất , kế tiếp là ung thư vú và
ung thư trực tràng. Năm 2010 có 126300 ca ung thư mắc mới trong đó nam giới
chiếm 72000 ca [24].

Có 3 phương pháp điều trị ung thư truyền thống: phẫu thuật, hóa trị và xạ trị.
Trong xạ trị có 2 phương pháp là xạ trị từ xa và xạ trị áp sát. Với mỗi bệnh lí thì xạ trị
từ xa hay áp sát luôn được chỉ định phù hợp. Xạ trị ngoài có thể điều trị cho hầu hết
các bệnh ung thư giai đoạn muộn như: vòm họng, cổ, phổi, phụ khoa ( buồng trứng,
cổ tử cung ), gan, tụy… Đối với một số loại ung thư có thể đưa được nguồn phóng xạ
trực tiếp vào khối u thì chỉ định xạ trị áp sát. Tại Việt Nam, kỹ thuật xạ trị áp sát cũng
đã được áp dụng tại một số bệnh viện chuyên khoa ung thư lớn và đang ngày càng trở
nên phổ biến hơn.
Xạ trị áp sát ra đời vào đầu thế kỉ 20, được đánh dấu bởi sự phát hiện phóng xạ
bởi Becquerel (1896) và Marie Curie (1898) với cách tính suất liều đơn giản và điều
trị thành công cho hai bệnh nhân ung thư biểu mô mặt vào năm 1903 [2]. Sau hơn
một thế kỷ qua, xạ trị áp sát đã có những tiến bộ đáng kể và đang góp phần tích cực
vào việc phòng chống ung thư. Tuy nhiên việc nâng cao hiệu quả điều trị luôn luôn là
một mục tiêu không ngừng được hướng tới. Hiệu quả điều trị của phương pháp xạ trị
nói chung và xạ trị áp sát nói riêng, được quyết định bởi việc tăng liều hấp thụ lên
khối u và giảm liều cho các mô lành chung quanh. Để đánh giá định lượng được liều
hấp thụ cho các mô này, cần xác định chính xác sự phân bố liều hấp thụ trong cơ thể
bệnh nhân. Thường do việc đo liều hấp thụ trực tiếp trong cơ thể là không khả thi,


nên người ta phải tính liều. Như vậy, tính liều trong xạ trị áp sát là một nhiệm vụ
quan trọng của nhân viên y vật lý.
Việc tính liều trong cơ thể bệnh nhân là một công việc không dễ dàng. Độ
chính xác của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như vị trí của các nguồn trong cơ thể,
thời gian lưu của từng nguồn trong cơ thể, cấu trúc của các mô chung quanh, và độ
mạnh cũng như cấu trúc của các nguồn được sử dụng. Trong xạ trị áp sát hiện đại,
việc tính liều này có thể thông qua một phần mềm lập kế hoạch. Nhưng thông tin đầu
vào của phần mềm này là độ mạnh và sự phân bố liều đóng góp bởi từng nguồn. Do
đó thông tin chi tiết và chính xác về nguồn bức xạ đóng một vai trò quan trọng.
Thông tin về nguồn có thể có được qua những phép đo trong môi trường không khí

hay môi trường nước, hoặc từ những tính toán (thường bằng phương pháp Monte
Carlo) khi biết cấu trúc chi tiết của nguồn. Các nguồn trong xạ trị áp sát hiện đại có
cấu trúc đối xứng trụ, với lõi là nguồn phóng xạ và vỏ bọc kim loại để tránh bị biến
dạng và rò rỉ chất phóng xạ ra ngoài. Phân bố vị trí của lõi chất phóng xạ bên trong
nguồn cũng như cấu tạo và kích thước của vỏ có thể rất khác nhau, tùy theo nhà sản
xuất. Một khi đã biết các thông tin này, về nguyên tắc có thể tính được liều hấp thụ
(hay liều kerma) tại một điểm bất kỳ trong không gian bao quanh nguồn. Tuy nhiên
việc tính này luôn luôn phải dựa trên những mô hình đơn giản hóa để có thể có lời
giải thích hợp, dù bằng phương pháp giải tích hay Monte Carlo.
Phương pháp tính liều đã được phát triển theo thời gian, bắt đầu bằng những
tính toán đơn giản, xem nguồn là dạng điểm, rồi dạng nguồn thẳng không có vỏ bọc,
cho đến nguồn thẳng có vỏ bọc. Năm 1921 công thức tích phân Sievert được giới
thiệu bởi Rolf Sievert, công thức này sử dụng rộng rãi cho tính liều quanh một nguồn
bọc kín. Tích phân Sievert tính toán phân bố liều quanh nguồn dày với vỏ bọc. Năm
1922 Quimby phát triển kĩ thuật đại số cho nguồn kim được phân chia thành một
chuỗi nguồn điểm tuyến tính và đã đưa ra bảng suất liều. Năm 1930 Patenson và
Parker xuất bản bảng tính phân bố liều ( sai số ± 10% ) dựa trên cường độ nguồn.
Năm 1934 hệ Paris được đề nghị bởi Pierquin và Dutreix đã dự đoán mối quan hệ
giữa kích thước của thể tích nguồn được cắm vào cơ quan và đường đồng liều. Hệ


này cung cấp một vài qui luật tổng quát cho việc chọn và đặt nguồn để đạt hiệu quả
như mong muốn. Sau này Hiệp hội vật lí y học Mỹ (American Association of
Physicts in Medicine, AAPM) đã cải tiến phương pháp tính liều và công bố trong báo
cáo AAPM TG-43 [15]. Phương pháp này cho phép tính phân bố liều quanh một
nguồn riêng lẻ trong môi trường nước. Trong đó có các hệ số và hàm phụ thuộc cấu
trúc nguồn và dạng hình học, năng lượng của photon và môi trường. AAPM TG-43
hiện được xem là phương pháp chính thức trong đánh giá liều chung quanh nguồn
bức xạ trong xạ trị áp sát.
Việc tính phân bố liều chung quanh nguồn xạ trị áp sát theo AAPM TG-43 có

thể được thực hiện bằng việc mô phỏng Monte Carlo. Ưu điểm của phương pháp này
là phù hợp với cấu hình phức tạp của nguồn và cho độ chính xác cao, phụ thuộc vào
thời gian tính toán. Kĩ thuật mô phỏng Monte Carlo đang rất phổ biến trong nhiều
lĩnh vực của vật lí y học với ưu điểm về tốc độ ngày càng tăng của máy tính. Đặc biệt
chúng áp dụng tốt trong quá trình mô phỏng liên quan đến phóng xạ và tham số vật lí
mà khó hay thậm chí không tính được bằng thực nghiệm. Một trong các chương trình
Monte Carlo được sử dụng trong nghiên cứu xạ trị là EGSnrc. Chương trình này hiện
đang được ứng dụng rộng rãi trong các tính toán y vật lý và được xem là tiêu chuẩn
vàng để đánh giá các tính toán khác. Trên cơ sở EGSnrc, một chương trình con có tên
gọi DOSRZnrc cũng được áp dụng rất tốt cho những bài toán đối xứng trụ như phân
bố liều quanh nguồn xạ trị áp sát.
Để tìm hiểu khả năng áp dụng EGSnrc cho bài toán loại này, đồng thời để có
hiểu biết tốt hơn về tính chất của nguồn xạ trị áp sát, chúng tôi thử áp dụng EGSnrc,
cụ thể là DOSRZnrc cho một nguồn xạ trị áp sát cụ thể. Để có thể đánh giá độ chính
xác của kết quả tính toán của mình, cần phải so sánh với thực nghiệm hay tính toán
của tác giả khác. Sự phân bố liều quanh nguồn xạ trị I-125 Model 9011
THINSeedTM đã được khảo sát và kết quả đã được công bố trong tài liệu [16].
Trong đó cũng có những thông tin chi tiết về cấu trúc nguồn. Căn cứ trên những
thông tin này chúng tôi có thể tính toán phân bố liều quanh nguồn.


Với mục đích và nội dung công việc như trên, luận văn bao gồm các phần như sau:
Chương 1: Xạ trị áp sát và phương pháp tính liều quanh nguồn xạ: giới thiệu xạ trị
áp sát và cơ sở của phương pháp tính liều quanh nguồn xạ.
Chương 2: Phương pháp Monte Carlo và chương trình EGSnrc: giới thiệu chung về
phương pháp Monte Carlo và đặc biệt chương trình EGSnrc.
Chương 3: Áp dụng chương trình EGSnrc để khảo sát sự phân bố liều quanh nguồn
xạ: trình bày những cách thức thực hiện tính toán của chúng tôi và kết quả đạt được.
Kết luận và kiến nghị: tóm tắt những kết quả đạt được và kiến nghị về các nghiên
cứu tiếp theo.

CHƯƠNG 1:
XẠ TRỊ ÁP SÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU QUANH NGUỒN XẠ
Chương này giới thiệu xạ trị áp sát , tình hình phát triển ở Việt Nam, các đại
lượng, công thức liên quan đến tính liều, hiệu quả của việc xạ trị áp sát đòi hỏi những
yếu tố nào và liên quan đến những yếu tố về mặt vật lý cũng được trình bày

1.1

Giới thiệu về xạ trị áp sát:

1.1.1 .Phân loại
“Xạ trị áp sát” là phương pháp trong đó nguồn phóng xạ được đặt gần khối u
trong cơ thể. Phương pháp này có thể diệt nhanh, hiệu quả, chính xác, đặc biệt với
ung thư ở các hốc tự nhiên ( tử cung, thân tử cung, xoang, vòm họng, thực quản,
phế quản và một số vị trí ở khoang bụng )[23].
Có 4 loại xạ trị thường được phân biệt : Xạ trị bề mặt, xạ trị nội khoang ( đặt
chất phóng xạ bên trong một thể khoang gần khối u ), xạ trị trong khe, giải phẫu
tĩnh mạch (ống thông phát phóng xạ ngăn cản tái hẹp mạch vành sau giải phẫu tắt
động mạch) [22]
Về phương pháp điều trị:có 2 phương pháp :
- Cắm lâu dài hay tạm thời vào khối u
- Đặt máy áp chuẩn với các hình thức suất liều thấp LDR, suất liều cao HDR, suất
liều xung PDR[4]
Để có thể cấy ghép nguồn vào các cơ quan gần khối u hay trong khối u thì có
sự hỗ trợ các loại máy móc như máy tạo hình ảnh, máy áp chuẩn.
Ưu điểm: kiểm soát liều lượng bức xạ (tập trung hoàn toàn vào khối u và gây tổn
hại ít nhất cho các cơ quan lân cận)
Nhược điểm: chỉ áp dụng cho khối u nhỏ ,cần nhiều thời gian và công việc tỉ mỉ

trong quá trình điều trị[23]


1.1.2 Về kỹ thuật xạ trị áp sát:
Những năm gần đây xạ trị áp sát được áp dụng cho điều trị ung thư do những
cải tiến về thiết kế nguồn phóng xạ và một số nguồn năng lượng thấp (phát ra năng
lượng photon thấp và liều giảm nhanh theo khoảng cách) với hệ thống bổ trợ hình
ảnh giúp cho sự lựa chọn xạ trị áp sát ngày càng tăng
Về máy móc và thiết bị: kĩ thuật nạp nguồn với các thế hệ thiết bị công nghệ
cao và xây dựng các nguồn phóng xạ dưới dạng hạt và dạng sợi suất liều cao. Xạ trị
liều cao chỉ kéo dài khoảng vài giờ, các đầu áp nguồn có thể đưa sát vào bướu, thời
gian xạ trị là từ 5-15 phút và số lần xạ trị ít nên giảm được nguy cơ sai lệch phân bố
liều phóng xạ do bệnh nhân có thể khó nằm bất động. Các máy nạp nguồn tự động
đã ra đời và thay thế công việc trực tiếp bằng tay với nhiều loại nguồn, dạng nguồn
khác nhau. Ngoài ra việc tính toán phân bố liều lượng tối ưu được thực hiện bằng
máy tính. Đặc biệt các kĩ thuật đặt ống dẫn nguồn và xạ trị ngay sau mổ lấy bướu,
kĩ thuật xạ trị không phải cắt bỏ cho trường hợp ung thư vú, kĩ thuật điều trị sẹo lồi
với tổng thời gian điều trị mất khoảng 24 giờ hay điều trị ung thư tuyến tiền liệt
bằng HDR đang phát triển rộng trên thế giới và nhiều công trình nghiên cứu khả
quan.[23]
Điều trị xạ trị áp sát phải tuân thủ theo một qui trình an toàn bức xạ nghiêm
ngặt từ lúc bệnh được chẩn đoán rồi lập kế hoạch điều trị cho đến khi đưa nguồn
phóng xạ vào điều trị.Vì vậy, điều quan tâm ban đầu đó là các thông tin về thông số
của nguồn liên quan đến việc tính liều và phân bố liều.
Theo AAPM, công thức tính TG-43 chứa một vài chi tiết về thuật tính liều
phát ra từ nhiều loại nguồn.Việc tính chính xác liều đòi hỏi cần phải có các yêu cầu
chung cho nguồn bức xạ nên việc đầu tiên là thực hiện công việc chuẩn nguồn:
Chuẩn nguồn:
Chuẩn nguồn là đề cập độ mạnh của nguồn thể hiện qua suất Kerma không khí
chuẩn và cường độ Kerma không khí[1]

Việc chuẩn nguồn nhằm mục đích:
-

Đo liều của nguồn


-

Phát triển thiết lập quá trình đo Kerma không khí bằng dụng cụ thực nghiệm

để hiệu chỉnh cải tiến tiến trình và hệ thống điều trị
-

Bảo vệ cho con người tránh bức xạ

Để chuẩn nguồn: ngoài dùng thực nghiệm đo bằng buồng ion hay điện tích trong
detector người ta còn dùng mô phỏng để tính liều cho nguồn
Tiêu chuẩn dùng nguồn[2]:
-

Cần tối ưu hóa việc phát ra năng lượng γ đủ cao để tránh hấp thụ trong xương

do hiệu ứng quang điện
-

Năng lượng nguồn đủ cao để tránh tán xạ ít nhất và đủ thấp để dụng cụ bảo vệ

là ít tốn kém và hiệu suất cao
-

Chu kì bán rã đủ dài để lưu trữ

-

Vật liệu che không hòa tan và không độc( không ở dạng bột hay bị phân tán

nếu nguồn bị phá hủy )
-

Dễ chế tạo trong các hình dạng và kích cỡ

-

Khi khử trùng thì không được vỡ

-

Bề dày một nửa của các vật liệu chứa nguồn

Một vài đặc tính vật lí của phóng xạ mà xác định sự thích hợp cho xạ trị tạm thời hay
vĩnh viễn[2]:
-

Loại phân rã phóng xạ( γ , α , β )

-

Chu kì bán rã

-

Hoạt độ riêng (quan trọng trong nạp từ xa hay thủ công)

-

Năng lượng của bức xạ phát ra ( nó quyết định sự truyền qua mô hay vỏ bọc)

-

Mật độ số nguyên tử ( nó quyết định đặc tính hấp thụ, truyền qua trong lõi

nguồn và quyết định tính đẳng hướng hay bất đẳng hướng trong phân bố liều )
Nguồn được bao bọc bởi vì[1]:
-

Chứa chất phóng xạ

-

Cung cấp năng lượng mạnh

-

Hấp thụ α , β


Có 3 loại tia ảnh hưởng trong quá trình phóng xạ qua vỏ bọc là tia γ , tia X đặc trưng
và tia X bức xạ hãm
Photon bức xạ dùng cho điều trị xạ trị phụ thuộc vào yếu tố vật lí và đặc tính liều[2]
-

Năng lương photon và sự xâm nhập tia photon vào mô và vật liệu che chắn

-

Chu kì bán rã

-

Bề dày một nửa

-

Hoạt độ

-

Cường độ nguồn

-

Quan hệ cường độ với bình phương khoảng cách

Nguồn thường được bao bọc bởi các hình dạng: kim, ống, hạt, dây, viên…
Nguồn xạ trị được cho vào trong các nguồn có các hình dạng hình học và chùm năng
lượng photon phát ra từ lõi phóng xạ. Các đặc tính của nguồn phóng xạ được xác định
từ các dữ liệu sản xuất . Đo liều ta cần quan tâm tới[5]:
-

Kích thước thực của nguồn

-

Hình dạng hình học

-

Vật liệu của nguồn và cấu trúc vật liệu bao bọc

-

Chùm năng lượng sơ cấp phát ra

Đây cũng chính là các thông tin cần khai báo trong mô phỏng
Ngoài ra, việc tính chính xác liều đòi hỏi cần phải sự tương tác giữa mức độ
liều và tác động chuyên khoa (kiểm soát khối u, mức độ bệnh tật). Việc hiểu biết liều
và phân bố liều cho các nguồn vì vậy rất quan trọng và có sự kết hợp một phần lớn
phỏng thức bằng hình ảnh đã đóng vai trò chủ yếu trong các khoa xạ trị.
Phân bố liều:
Để tính toán phân bố liều chính xác chúng ta cần phải biết chính xác dạng hình
học của mô cần cấy và hình ảnh mô tả đường đồng mức của liều. Việc mô tả hình ảnh
thì sử dụng CT , tuy nhiên độ tương phản giữa mô cấy và môi trường xung quanh
kém, TRUS ( transcrectal ultrasound ) quan sát tốt nhưng cho hình ảnh nguồn cấy
kém. Cho nên cần kết hợp CT-TRUS: sự kết hợp này có đặc tính mô tả hình ảnh bằng
TRUS, trong khi nguồn cấy có thể tái tạo từ hình ảnh của CT[19].


Để thực hiện tốt giai đoạn này thì cần có một kế hoạch điều trị tốt.
Lập kế hoạch điều trị[2]:
Kế hoạch điều trị là một quá trình chuẩn bị những chiến lược định ra trong

việc lập phân liều tới những vùng điều trị và lập thứ tự điều trị. Kế hoạch điều trị gồm
việc tính quan hệ liều với vị trí nguồn xạ trị xuất phát từ tính trực giao của ảnh xạ trị.
Chìa khóa đóng vai trò quan trọng :
-

Có cái nhìn tốt về khối u và mô bình thường

-

Sự kiểm tra mô được cấy trong suốt quá trình điều trị

-

Máy tính kiểm soát quá trình điều trị

-

Giảm thể tích vùng điều trị thấp nhất có thể

Trong quá trình lập kế hoạch một ê kip làm việc gồm bác sĩ với kĩ sư vật lí và y sinh.
Ngoài sự hiểu biết về cấu tạo mô cơ thể con người thì các kĩ sư vật lí cần biết:
-

Hiểu về liều hấp thụ , mối quan hệ giữa liều và các đơn vị

-

Các kĩ thuật sử dụng dụng cụ đo bức xạ như buồng ion, phim đo liều, bán

dẫn…

-

Biết các qui định về an toàn bức xạ

-

Và điều quan trọng nữa là: biết về các bức xạ ion, các loại tia X, tia phóng xạ,

thống kê Poissonian, nguồn phóng xạ và các loại nguồn, va chạm photon với vật chất,
các loại tán xạ hay hấp thụ của một photon trong vật chất , va chạm electron , hạt
nặng hay neutron.Cụ thể là:
-

Photon tương tác với vật chất xung quanh thì chúng tán xạ hay bị hấp thụ mà

cụ thể có 4 quá trình: quá trình tạo cặp electron-positron trong trường điện từ hạt nhân
và electron nguyên tử xung quanh, tán xạ đàn hồi Compton với electron nguyên tử,
hấp thụ quang điện và tán xạ Rayleigh với nguyên tử hay phân tử của môi trường. Ba
loại tương tác đầu phụ thuộc vào năng lượng và môi trường mà chúng xảy ra tương
tác. Quá trình tạo cặp xảy ra ở năng lượng cao,còn ở năng lượng thấp thì quá trình
electron quang điện xảy ra là chủ yếu.
-

Electron khi chúng di chuyển qua vật chất :

Chúng có các tương tác sau:


-

Chúng tán xạ đàn hồi với electron trong lớp vỏ của nguyên tử. Va chạm này

làm chúng bị lệch hướng nhưng không mất năng lượng.
-

Tán xạ không đàn hồi với electron trong môi trường và truyền một năng lượng

nhỏ so với năng lượng ban đầu của chúng (va chạm mềm). Va chạm này làm mất
hướng và năng lượng
Electron với năng lượng trên 1 Mev thì sẽ bị mất dần năng lượng cho các electron
trong môi trường. Quá trình này được biết với tên là CSDA (continuous-slowing –
down-approximation)
-

Tán xạ đàn hồi có truyền năng lượng cho các electron trong môi trường và có

thể sinh ra electron thứ cấp (va chạm cứng)
-

Electron tạo ra bức xạ hãm khi bị lệch hướng bởi tác dụng của hạt nhân

nguyên tử làm sinh ra photon
-

Trong quá trình vận chuyển ,năng lượng electron làm ion lớp vỏ bên trong của

nguyên tử trong môi trường làm phát ra tia X ,và tạo ra electron Auger[9].
Electron bị mất năng lượng theo hai cách: va chạm không đàn hồi với electron
nguyên tử và bức xạ năng lượng. Năng lượng bức xạ mất khi xảy ra ở bức xạ hãm và
hủy cặp, đã truyền năng lượng ngược lại cho photon và dẫn tới sự hợp lại của electron

và photon bức xạ.Quá trình bức xạ hãm xảy ra chủ yếu khi electron có năng lượng
cao và các thông tin của các hạt được biết dựa trên tiết diện tán xạ và phân bố góc
tính theo động năng và sử dụng công thức Koch- Motz , còn va chạm đàn hồi thì ở
năng lượng thấp và sử dụng theo công thức tán xạ Moller và Bhabha. Thêm vào đó ,
những hạt electron trong va chạm đàn hồi với nguyên tử hạt nhân mà xảy ra ở tốc độ
cao thì dẫn tới sự thay đổi nhanh về hướng của electron.Va chạm không đàn hồi và
tương tác photon với electron nguyên tử dẫn tới sự kích thích và ion hóa những
nguyên tử dọc theo đường đi của hạt.Trạng thái kích thích nguyên tử cao với những
khoảng trống trong lớp vỏ của nguyên tử sẽ làm phát ra các photon và electron với
những đặc điểm năng lượng.


Một phương pháp để tính năng lượng mất đối với mỗi bức xạ hãm hay va chạm mềm
người ta còn sử dụng công thức Bethe-Bloch (2B) cũng như sự biểu thị bởi Berger –
Seltzer (BS)[10].
Về mặt lý thuyết việc điều trị thành công một ca xạ trị áp sát thì phải đảm bảo các yếu
tố kể trên, về mặt thực nghiệm thì để tính toán chính xác chúng ta thông qua các phần
mềm tiện ích mà một trong phần mềm chuyên dụng là Monte Carlo.
Trước tiên chúng ta cần tìm hiểu các đại lượng quan trọng liên quan đến tính liều và
ảnh hưởng tới sự phân bố liều
1.2

Phương pháp tính suất liều của nguồn xạ dùng trong xạ trị áp sát:

1.2.1

Liều hấp thụ D

Liều hấp thụ D và suất liều hấp thụ là các đại lượng đặc trưng cho lượng năng
lượng mà bức xạ bỏ ra trong vật chất. Khái niệm này được định nghĩa chung cho tất

cả môi trường và cho mọi loại bức xạ có khả năng ion hoá trực tiếp hay gián tiếp.
Liều hấp thụ D là lượng năng lượng được hấp thụ trong 1 đơn vị khối lượng
vật chất do bức xạ ion hoá gây nên, được tính theo công thức 1.1 .
D=

∆E
∆E
=
∆m ρ∆V

(1.1)

Khả năng hấp thụ năng lượng phụ thuộc loại vật chất được chiếu , nghĩa là
cùng một liều thuốc , chiếu vào các loại vật liệu khác nhau sẽ hấp thụ những năng
lượng khác nhau.
Do đó, khi đưa ra liều hấp thụ bao giờ người ta cũng cho biết loại vật chất đã hấp thụ
năng lượng đó. Trong xạ trị, liều hấp thụ trong nước là một trong những đặc trưng
quan trọng nhất của chùm bức xạ , vì nước là môi trường có khối lượng riêng xấp xỉ
mô cơ thể người.Trong nghiên cứu , tính liều thì xác định liều hấp thụ trong phantom
nước là bài toán điển hình.
Đơn vị liều hấp thụ trong (SI) : 1Gy = 1J/kg.
Trong thực tế , người ta còn sử dụng rad (radiation absorbed dose)
1 rad = 10-2 Gy = c Gy
1Gy = 100 rad


•

1.2.2 Suất liều hấp thụ D
Suất liều hấp thụ là liều lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị : Gy/s hay rad/s
Như đã giới thiệu phần mở đầu, trong lịch sử có nhiều công thức và cách tính
suất liều đưa ra. Mà mỗi đại lượng dùng để tính suất liều hấp thụ cần phải được đo
đạc hoặc tính đối với các nguồn riêng , vì độ lớn của chúng phụ thuộc vào cấu trúc,
hình dạng , phổ năng lượng sơ cấp của nguồn.
Việc xác định sự phân bố liều hai chiều trong môi trường tán xạ dựa trên sự
phân bố hai chiều của thông lượng photon chỉ dễ dàng được thiết lập đối với nguồn
điểm đẳng hướng . Một nguồn dùng trong xạ trị áp sát thật sự luôn luôn có tính dị
hướng và đối với các nguồn này thì không thể xác định chính xác sự phân bố liều
trong môi trường tán xạ từ sự phân bố thông lượng trong không khí. Mà các công
thức trước lại được tính dựa trên phổ năng lượng photon xung quanh nguồn trong
không khí trong khi đó việc tính liều ứng dụng trong y tế lại đòi hỏi sự phân bố liều
trong một môi trường tán xạ (như cơ thể bệnh nhân).
Do đó, hình thức luận AAPMTG – 43 đã đề xuất công thức mới.
Phương pháp mới này cho phép tính liều xung quanh các nguồn đối xứng hình
trụ trong trường hợp hai chiều, trong khi phương pháp cũ chỉ tính cho trường hợp
một chiều và chỉ với nguồn điểm.Trong phương pháp này, có hai hàm phụ thuộc
khoảng cách r và góc θ .
Đó là hệ số hình học G( r, θ ) dùng để tính sự phụ thuộc thông lượng photon xung
quanh nguồn trong không gian, hàm dị hướng F( r, θ ) để tính sự dị hướng trong sự
phân bố liều gây ra bởi môi trường tán xạ . Trong khi hàm liều xuyên tâm g ( r ) dùng
để tính sự phụ thuộc vào độ sâu liều trong môi trường tán xạ dọc theo trục vuông góc
của nguồn thì hàm dị hướng F( r, θ ) tính dị hướng của liều so với liều ở trục vuông
góc của nguồn.
Chúng tôi sẽ đưa ra công thức tính suất liều theo hình thức luận AAPM TG-43:
Chúng ta có công thức tính suất liều theo công thức 1.2 [2]:


•

•

D w (r=
, θ ) S K (1 − gα ) (

µen w
) f (r ,θ ) G (r ,θ )
ρ a as

(1.2)

Và tại một điểm ( r0 ,θ 0 ) theo công thức 1.3:
•

•

D w (r0 =
, θ 0 ) S K (1 − gα ) (

µen w
) f (r , θ ) G (r0 , θ 0 )
ρ a as 0 0

(1.3)

Chia (1.2) cho (1.3) ta được công thức 1.4:
•

D(r ,θ )
•

D(r0 , θ 0 )

=

G (r , θ ) f as (r , θ )
.
G (r0 , θ 0 ) f as (r0 , θ 0 )
•

D(r0 , θ 0 ) G (r , θ ) f as (r , θ )
.
⇒ D(r ,θ ) = S K
SK
G (r0 , θ 0 ) f as (r0 , θ 0 )
•

(1.4)

•

D(r ,θ )
Đặt Λ = 0 0
SK
•

⇒ có công thức 1.5: D(r , θ=
) SK Λ

G (r , θ ) f as (r , θ 0 ) f as (r , θ )

.
G (r0 , θ 0 ) f as (r0 , θ 0 ) f as (r , θ 0 )

(1.5)

•

f (r , θ 0 ) G (r0 , θ 0 ) D(r , θ 0 )
Với công thức 1.6 : g(r)= as
=
•
f as (r0 , θ 0 ) G (r , θ 0 ) D
(r0 , θ 0 )

(1.6)

•

Và công thức 1.7: =
F ( r ,θ )

f as (r , θ ) G (r , θ 0 ) D(r , θ )
=
•
f as (r , θ 0 ) G (r , θ ) D
(r ,θ 0 )

(1.7)

Công thức tổng quát :

•

Xét nguồn đối xứng trụ.Suất liều D(r ,θ ) ở vị trí (r, θ ) có thể tính bằng công
thức 1.8
•

D(r , θ=
)

S

k

 G (r ,θ ) 
Λ
 g (r ) F (r ,θ )
 G (r0 , θ 0 ) 

(1.8)


P(r,θ)
P(r0,θ0)
r

r0=1 cm

θ

θ1

θ2

L

t

Hình 1.1 Các khái niệm trong tính liều AAPM
Với hàm số dị hướng F ( r, θ ) , hằng số suất liều Λ , hệ số hình học G ( r, θ ) , hàm
số liều xuyên tâm g(r) , độ lớn Kerma không khí S k . Chúng ta sẽ tìm hiểu các khái
niệm trong tính liều AAPM được mô tả trong hình 1.1 [15][16]:
1. Điểm tham chiếu đối với việc tính liều :
Điểm tham chiếu ( r 0 , θ 0 ) được chọn là điểm nằm trên đường vuông góc với
nguồn ở khoảng cách 1cm tính từ tâm nguồn ( r 0 = 1cm, θ 0 = 900 )
2. Độ lớn Kerma không khí S K :
Được định nghĩa bằng tích của suất Kerma không khí ở khoảng cách d trong
•

không gian, K (d ) là suất Kerma không khí được đo dọc theo trục vuông góc của
nguồn, với bình phương khoảng cách d, được tính bằng công thức 1.9.
•

S K = K (d ) . d2

(1.9)

3.Hằng số suất liều Λ :
Được định nghĩa là suất liều đối với nước ở khoảng cách 1cm trên trục vuông
góc với nguồn có độ lớn Kerma không khí và được đặt trong phantom nước đươc
tính theo công thức 1.10. Cần chú ý rằng Λ là đại lượng tuyệt đối , chúng đã được

chuẩn hoá.


•

D(r ,θ )
Λ= 0 0
SK

(1.10)

4. Hệ số hình học G ( r, θ ):
Hệ số hình học xét đến sự thay đổi của liều chỉ dựa trên sự phân bố không gian
của hoạt độ bên trong nguồn , bỏ qua sự hấp thụ photon và tán xạ trong cấu trúc
nguồn,được tính theo công thức 1.11.

∫  ρ (r ′)dV ′ / r ′ − r

G(r, θ )= V

2




(1.11)

∫ ρ (r ′)dV ′

Với ρ (r’) là mật độ bức xạ ở điểm ρ (v’)= p (x’,y’,z’) bên trong nguồn và V là thể

tích tính tích phân trên toàn lõi của nguồn , dV’ là yếu tố vi phân thể tích ở vị trí r’
trong nguồn khi sự phân bố đồng vị có thể xấp xỉ xem như là nguồn điểm hay nguồn
thẳng có chiều dài L thì công thức 1.11 G( r, θ ) rút gọn lại :
Công thức 1.12 G P (r, θ ) = r -2
β
L r sin θ

đối với nguồn điểm
với θ ≠ 00 và

(1.12)

β= θ 2 − θ1

đối với nguồn thằng dài L

Và 1.13 G L (r, θ ) =
1
2

L
r2 −
4

(1.13)

với θ = 00

5. Hàm liều xuyên tâm g (r):
Hàm liều xuyên tâm g(r) xét đến hiệu ứng hấp thụ và tán xạ trong môi trường

dọc theo trục vuông góc với nguồn tính theo công thức 1.14
•

G (r0 , θ 0 ) D(r , θ 0 )
g x (r) =
•
G (r ,θ 0 ) D
(r0 , θ 0 )

(1.14)

Để tính các giá trị khác của g x (r) (với x là hình dạng nguồn) dựa trên các giá trị đã đo
được , người ta sẽ khai triển g x ( r ) thành đa thức và xác định các hệ số tương ứng.
Người ta thường khai triển đến đa thức bậc 5 theo công thức 1.15 :
g x (r) = a 0 + a 1 r + a 2 r2 + a 3 r3 + a 4 r4 + a 5 r5

(1.15)


Các hệ số từ a 0 đến a 5 cần phải được xác định theo phương pháp bình phương
tối thiểu với sai số <2%.
Hàm liều xuyên tâm chỉ áp dụng cho trục vuông góc θ 0 =

π
2

. Hàm này xác

định sự giảm của suất liều dọc theo trục L do sự hấp thụ và tán xạ trong môi trường.
Nó có thể bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ photon của lớp vỏ và vật liệu nguồn.

6.Hàm dị hướng F( r, θ ):
Hàm dị hướng tính đến sự dị hướng của sự phân bố liều xung quanh nguồn,
bao gồm hiệu ứng hấp thụ và tán xạ trong môi trường tính theo công thức 1.16
•

G (r ,θ 0 ) D(r ,θ )
F (r, θ ) =
•
G (r ,θ ) D
(r ,θ 0 )

(1.16)

Hàm này đưa ra sự thay đổi của suất liều theo các góc ở từng khoảng cách do
sự tự lọc , sự lọc xiên của photon sơ cấp khi xuyên qua lớp vỏ vật chất.
Sự tán xạ của photon trong môi trường .Vai trò của hệ số hình học là nhấn mạnh đến
sự ảnh hưởng của định luật bình phương nghịch đảo đối với phân bố liều xung quanh
nguồn.
Sự phân bố suất liều quanh nguồn được tính với giả thiết chỉ có sự tương tác của
photon , sự phân bố này chịu ảnh hưởng của bức xạ phát ra từ nguồn và ảnh hưởng
của môi trường.
Liều tại một điểm trong môi trường cách một nguồn có kích thước hữu hạn sẽ được
tính như tổng sự đóng góp của liều từ từng nguồn điểm.
Nếu nguồn đặt trong nước thì sự hấp thụ và tán xạ sẽ ảnh hưởng đến suất liều
ở các điểm quanh nguồn , còn trong không khí thì không có sự hấp thụ và tán xạ này.
Cần chú ý đến công thức tính g ( r ) và F (r, θ ), ở các phần sau chúng tôi sẽ tính các
giá trị này đối với nguồn I-125 Model 9011 THINSeedTM.
Công thức TG-43 là công thức thống nhất , đơn giản dễ sử dụng và dựa trên
một số tham số đại lượng có thể tính từ Monte Carlo để tính toán liều và phân bố liều
quanh nguồn trong môi trường bất kì. Như vậy việc tính liều bằng mô phỏng Monte

Carlo dựa trên nguyên lí nào và hoạt động ra sao thì chương tiếp theo chúng tôi sẽ
trình bày các vấn đề liên quan đến mô hỏng Monte Carlo.


CHƯƠNG 2:
PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH LIỀU EGSnrc
Chương này giới thiệu Monte Carlo và nguyên lý trong việc mô phỏng quá
trình bức xạ. Sau đó là giới thiệu về chương trình EGSnrc cũng như các tham số cần
khai báo trong quá trình dùng chương trình EGSnrc

2.1

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo:

Giới thiệu tổng quan về phương pháp Monte Carlo:
Monte Carlo (MC) là kĩ thuật mô phỏng thống kê quá trình phát bức xạ, vận
chuyển và truyền bức xạ dựa trên xác suất tự nhiên và hàm phân bố xác suất thích
hợp[8]. Phương pháp Monte Carlo là phương pháp thống kê nên là chương trình tự
động đòi hỏi và xuất ra kết quả mô phỏng để từ đó tính phân bố liều.
Trong mô phỏng, vấn đề vận chuyển phóng xạ thì nó mô phỏng đường đi của
từng hạt, khả năng phân bố của từng quá trình vật lí được tạo trên nguồn phát số ngẫu
nhiên, là thuật toán tính kết quả tương tác bức xạ với vật chất (thay đổi năng lượng,
hướng, tiết diện tán xạ…). Cho nên những giá trị trung bình của thông lượng hạt, dải
năng lượng và việc phân bố liều hấp thụ có thể được tính bằng mô phỏng bởi số
lượng lớn số hạt lịch sử[7].
Các khái niệm trong mô phỏng:
-

Lịch sử hạt “History” đề cập vận chuyển của một hạt sơ cấp hay thứ cấp.

-

Dấu vết của hạt “the track” là quãng đường hạt đi được trong vật chất cho đến

khi bị hấp thụ. Tập hợp các “track” của các hạt sơ cấp và thứ cấp tạo thành một
“History”. Mỗi “track” của hạt được bao gồm nhiều bước “ step”. Bức xạ phải được
vận chuyển qua nhiều bước nhờ sự đè nén của việc thực thi máy tính.Cuối cùng một
mô phỏng Monte Carlo là được lập bởi nhiều lịch sử cho mục đích xác định một số
kết quả như tính liều “dose” mà được xác định bởi năng lượng được truyền từ hạt bức
xạ tới một đơn vị khối lượng của vật chất. Mỗi lần hạt trải qua một “step” và mất