Luận văn Thạc sĩ Vật lý hạt nhân Mô phỏng thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife bằng chương trình MCNP5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẶNG TRƯƠNG KA MY

MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU
LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN

TP HỒ CHÍ MINH, 2009


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẶNG TRƯƠNG KA MY

MÔ PHỎNG THIẾT BỊ XẠ PHẪU
LEKSELL GAMMA KNIFE BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH MCNP5
Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN
Mã số : 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN

TP HỒ CHÍ MINH, 2009

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt ............................................................... 1
Danh mục các bảng ................................................................................................... 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................................... 4
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 7
CHƯƠNG 1 .............................................................................................................. 11
1.1 Giới thiệu về Leksell Gamma Knife..................................................................... 11
1.2 Lịch sử của LGK ................................................................................................ 11
1.3 Các thành phần chính trong thiết bị LGK ............................................................ 14
1.4 Nguyên tắc của LGK .......................................................................................... 15
1.5 Tiến trình điều trị bằng LGK .............................................................................. 17
1.6 Giới thiệu chương trình Gamma Plan................................................................... 18
1.7 Ưu điểm của LGK so với các thiết bị xạ phẫu khác ............................................. 19
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 21
2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 21
2.2 Quá trình và nguyên tắc điều trị bằng tia xạ ......................................................... 22
2.3 Các phương pháp điều trị bằng tia xạ .................................................................. 23
2.4 Cơ sở và các khái niệm liên quan về liều trong xạ trị ........................................... 24
CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 32
3.1 Phương pháp Monte Carlo .................................................................................. 32
3.2 Chương trình MCNP .......................................................................................... 34

Đặng Trương Ka My

1

Luận văn thạc sĩ

3.3 Mô phỏng MCNP cho nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu LGK ..................... 42
3.4 Các kết quả tính toán với nguồn đơn kênh ........................................................... 45
CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 49
4.1 Mô phỏng MCNP5 cho 201 nguồn trong LGK .................................................... 49
4.2 Mô phỏng cách tính liều đối với đầu Zubal .......................................................... 52
4.3 Các kết quả tính toán với 201 nguồn .................................................................... 53
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 67
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 69

Đặng Trương Ka My

2


Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
Φ : là thông lượng hạt (1/cm2)

T L : là chiều dài đường đi của hạt (cm)
V : là thể tích của một voxel (cm3)
W : là trọng số quãng đường
A: là diện tích của một voxel (cm2)
δ : là bề rộng của voxel (cm)

Các chữ viết tắt

LGK:

Leksell Gamma Knife

CT:

Computed Tomography

MRI:

Magnetic Resonance Imaging

SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography
PET:

Positron Emission Computed Tomography

IGRT:

Image Guided Radiation Therapy

IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy
SSD:

Source to Surface Distance

SAD:

Source Axis Distance

GTV: Gross Tumor Volume
CTV: Clinical Target Volume
PTV:

Planning Target Volume

Đặng Trương Ka My

3


Luận văn thạc sĩ

MCNP:

Monte Carlo N – Particle

EGS:

Electron Gamma Shower

PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons
FWHM:

Full Width Half Maximum

Đặng Trương Ka My

4

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 So sánh thời gian chạy giữa tally F4 và tally Fmesh
Bảng 4.1 So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Gamma Plan và kết quả
tính toán
Bảng 4.2 So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Gamma Plan và kết quả
tính toán

Đặng Trương Ka My

5


Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C
Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C
Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK
Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong LGK
Hình 1.5 So sánh cường độ của một chùm tia gamma mà khối u hấp thụ
Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân
Hình 1.7 Chương trình tính liều bằng Gamma Plan
Hình 1.8: So sánh kích thước và liều điều trị của một số phương pháp xạ trị
Hình 2.1 biểu diễn cách tính liều phần trăm
Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn các thể tích bia trong kỹ thuật xạ trị.
Hình 2.3 biểu diễn đường đồng liều của CTV, PTV, và GTV trong ung thư trực
tràng được chụp bởi CT trong việc lập kế hoạch điều trị

Hình 3.1 So sánh phương pháp Monte Carlo với các phương pháp giải tích về
thời gian tính toán và độ phức tạp của cấu hình
Hình 3.2 biểu diễn quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel
Hình 3.3 So sánh liều tương đối tính bằng tally F4 và tally Fmesh dọc theo trục
Ox đối với phantom nước
Hình 3.4 Giao diện của chương trình MCNP5
Hình 3.5 Mô hình nguồn đơn kênh dùng trong mô phỏng MCNP
Hình 3.6 Mô hình mô phỏng nguồn đơn kênh và phantom trong LGK
Đặng Trương Ka My

6


Luận văn thạc sĩ

Hình 3.7 Phổ năng lượng photon phát ra của nguồn Co60
Hình 3.8 Liều phân bố dọc theo trục Ox
Hình 3.9 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy
Hình 3.10 Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz
Hình 4.1a Biểu diễn sự sắp xếp của các vòng collimator trong helmet của LGK
Hình 4.1b Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy
Hình 4.2 biểu diễn phân bố góc của 201 nguồn trong LGK so với mặt phẳng
Hình 4.3 Biểu diễn nguồn có dạng hình mặt và cách bố trí phantom trong mô
phỏng 201 nguồn
Hình 4.4 Mô hình đầu Zubal
Hình 4.5 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator
4mm
Hình 4.6 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator
đường kính 8mm
Hình 4.7 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator

đường kính 14mm
Hình 4.8 So sánh phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz trong collimator
đường kính 18mm
Hình 4.9 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy trong collimator đường kính 18mm
Hình 4.10 Liều phân bố trên mặt phẳng Oxz trong collimator đường kính 18mm

Đặng Trương Ka My

7


Luận văn thạc sĩ

Hình 4.11 Biểu diễn phân bố liều tương đối trong phantom đầu Zubal và trong
phantom nước đối với 201 nguồn
Hình 4.12 So sánh liều phân bố đối với trục z trong collimator đường kính 4mm
với 201 nguồn
Hình 4.13 So sánh liều phân bố đối với trục x trong collimator đường kính 4mm
với 201 nguồn
Hình 4.14 So sánh liều phân bố đối với trục x trong collimator có đường kính
18mm với 201 nguồn
Hình 4.15 So sánh liều phân bố đối với trục z trong collimator có đường kính
18mm với 201 nguồn

Đặng Trương Ka My

8


Luận văn thạc sĩ

MỞ ĐẦU
Theo thống kê của Tổ chức y tế thế giới, tỷ lệ tử vong trên thế giới do bệnh ung
thư rất cao. Hàng năm có khoảng gần 10 triệu trường hợp mắc ung thư và trên 8 triệu
người đã chết do bệnh này. Ở Việt Nam, mỗi năm ước tính có khoảng 150.000 ca ung
thư mới trong đó có trên 50.000 ca tử vong [1].
Những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học cũng
như các thiết bị chẩn đoán và điều trị hiện đại, việc nghiên cứu và chữa trị ung thư đã
có những tiến bộ vượt bậc. Vì thế mà tìm ra đư ợc một số hướng dự phòng chẩn đoán
chính xác hơn và điều trị có hiệu quả hơn.
Những cách điều trị bệnh bao gồm: Điều trị bằng phẫu thuật, điều trị bằng tia xạ
và điều trị bằng hóa chất. Điều trị bằng tia xạ là phương pháp dùng chùm tia điện tử
hoặc photon có năng lượng thích hợp thông qua cơ chế gây ion hóa nhằm gây ra những
tác động về mặt sinh học của chùm tia để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc hạn chế sự phát
triển của nó. Đây được xem là một trong những phương pháp điều trị bệnh hữu hiệu
nhất nhưng phương pháp này vẫn có một số hạn chế nhất định đó là bệnh nhân phải
chấp nhận một rủi ro do bức xạ ion hóa đi vào cơ thể. Điều này rất quan trọng và đó là
nhiệm vụ của các kỹ sư vật lý và bác sỹ để làm sao cho các ảnh hưởng do ion hóa của
các bức xạ lên bệnh nhân một cách thấp nhất để đảm bảo an toàn cho người bệnh
Hiện nay ở Việt Nam những thiết bị chẩn đoán và điều trị bằng tia xạ được đưa
vào sử dụng khá phổ biến ở các bệnh viện như thiết bị chẩn đoán bằng các đồng vị
phóng xạ như PET, SPECT, CT, Gamma Camera và thiết bị điều trị bằng bức xạ ion
hóa rất hiện đại như máy gia tốc tuyến tính và đặc biệt gần đây nhất năm 2006 Bệnh
Viện Chợ Rẫy TP Hồ Chí Minh đã đưa vào máy xạ phẫu Leksell Gamma Knife, đây là
thiết bị tiên tiến nhất hiện nay để chữa trị u não. Thiết bị này sử dụng nguồn chiếu xạ
đa kênh để tiêu diệt khối u. Thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife được giới thiệu vào
Đặng Trương Ka My

9

Luận văn thạc sĩ

năm 1951 bởi giáo sư Lar Leksell người Thụy Điển cho đến nay đã có 17189 b ệnh
nhân được điều trị bằng Gamma Knife trên toàn thế giới. Ở Việt Nam từ tháng 11/2006
đến tháng 7/2007 Bệnh viện Chợ Rẫy đã đi ều trị được cho 100 bệnh nhân. Tất cả các
bệnh nhân sau khi điều trị đều có kết quả tốt.
Hiện nay trên thế giới, nhiều nhà khoa học cũng đã v ận dụng nhiều phương
pháp tính liều khác nhau để khảo sát phân bố liều chiếu trong thiết bị LGK và đã rút ra
các kết quả phù hợp với chương trình tính liều Gamma Plan. Các chương trình được sử
dụng là EGS4 dùng cho việc tính toán liều phân bố của nguồn đơn kênh (Joel Y.C
Cheung -1998) [2], tác giả đã dùng phantom hình cầu với chất liệu là nước có đường
kính 160mm khảo sát phân bố liều trên các trục tọa độ x, y, z. Đồng thời tác giả cũng
dùng code EGS4 để tính toán sự khác nhau trong phân bố liều đối với các phantom có
chất liệu plastic, nhựa dẻo (Perspex), và nước [3]. Chương trình PENELOPE dùng đ ể
khảo sát phân bố liều trong LGK với phantom không đồng nhất bằng chất liệu nước
bao quanh bên ngoài là lớp vỏ hình cầu, lớp vỏ này được làm bằng vật chất tương tự
với xương sọ [4] (Al-Dweiri, 2005), tác giả đã rút ra kết quả khác nhau trong phân bố
liều của việc mô phỏng phantom đồng nhất và không đồng nhất. Đồng thời ông cũng
tính xác suất của góc phát ra từ nguồn LGK, kết quả tính toán cho thấy chỉ những tia
gamma phát ra với góc cực nhỏ hơn 30 mới đóng góp đáng kể vào phân bố liều trong
phantom, trong công trình này tác giả đã đưa ra mô hình nguồn đơn giản đáp ứng được
liều chiếu phù hợp nhưng giảm được thời gian tính toán. Moskvin V [5] ãđ dùng
PENELOPE để mô phỏng thông lượng phát ra từ nguồn cùa LGK đi qua các collimator
nhằm để xác định phân bố liều trong phantom cầu polystyrene, kết quả này được tính
toán và so sánh với kết quả của các tác giả khác mô phỏng bằng code EGS4. Ngoài ra
code MCNP4C cũng đư ợc sử dụng để tính toán liều tương đối phát ra từ 201 nguồn
của thiết bị LGK (YiPeng Li, 2002) [6].

Đặng Trương Ka My

10


Luận văn thạc sĩ

Luận văn này nhằm mục đích ìtm hi ểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu Leksell
Gamma Knife đó là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động cũng như các kỹ thuật tính liều cho
xạ trị. Qua việc tìm hiểu cấu tạo và cách sắp xếp phân bố của các nguồn chiếu trong
thiết bị xạ phẫu, một chương trình mô phỏng được xây dựng để tính toán phân bố liều
và kết quả này được so sánh với các chương trình mô phỏng của các tác giả khác nhằm
kiểm nghiệm tính đúng đắn của quá trình. Chương trình chúng tôi dùngđ ể mô phỏng
trong luận văn này là MCNP5, đó là một trong những phương pháp Monte Carlo, được
xem là khá chính xác và hiện đại trong việc tính toán liều. Đề tài “Mô phỏng thiết bị
xạ phẫu Gamma Knife bằng phương pháp MCNP” đã mở ra một hướng nghiên cứu
mới trong việc ứng dụng phương pháp MCNP5 trong kỹ thuật tính liều đối với thiết bị
xạ phẫu Leksell Gamma Knife.
Quá trình nghiên cứu bắt đầu từ việc tìm hiểu tổng quan cấu tạo và nguyên tắc
hoạt động của thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife. Giới thiệu về các kiến thức liên
quan đến kỹ thuật xạ trị trong đó có phương pháp MCNP, tìm hi ểu đặc điểm, cơ sở vật
lý của các code, cấu trúc thành phần của một file input trong chương trình MCNP. Sau
đó vận dụng phương pháp này để mô phỏng quá trình tính liều cho thiết bị xạ phẫu
Leksell Gamma Knife. Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên chúng tôi chỉ mô phỏng
quá trình tính liều và phân bố liều theo độ sâu cho phantom bằng vật liệu nước và
plastic sau đó chúng tôi có mô phỏng đối với phantom đầu Zubal cho nguồn đơn kênh
và 201 nguồn trong thiết bị Leksell Gamma Knife.
Từ mục đích và nội dung công việc đó luận văn có bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và quy trình chữa trị
của thiết bị xạ phẫu Gamma Knife. Chương này mô tả một cách chi tiết về cấu trúc của
thiết bị xạ phẫu từ việc phân bố góc của 201 nguồn Cobalt 60 đến các tiến trình điều

trị.

Đặng Trương Ka My

11


Luận văn thạc sĩ

Chương 2: Các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị. Giới thiệu các kỹ thuật
tính liều xạ trị ngoài. Các kiến thức này là nền tảng cơ sở để xây dựng các quá trình mô
phỏng tương tác của bức xạ với môi trường vật chất, các định nghĩa về liều chiếu, kích
thước trường chiếu, hướng chiếu và liều hấp thụ.
Chương 3: Giới thiệu phương pháp Monte – Carlo. Mô phỏng MCNP5 cho
thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đối với nguồn đơn kênh. Trong chương này, cấu
hình nguồn đơn kênh được mô phỏng và xuất ra kết quả phân bố liều, làm cơ sở cho
quá trình mô phỏng cho 201 nguồn.
Chương 4: Mô phỏng MCNP5 cho thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife đối
với 201 nguồn và các kết quả tính toán đối với mô hình đầu Zubal.

Đặng Trương Ka My

12


Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỂ THIẾT BỊ LEKSELL GAMMA KNIFE
1.1. Giới thiệu về Leksell Gamma Knife

Leksell Gamma Knife (LGK) là thiết bị phẫu thuật bằng bức xạ gamma tập
trung, định vị ba chiều. Nó cho phép xác định chính xác và điều trị các khối u nằm sâu
trong não hoặc các khối dị dạng động tĩnh mạch có đường kính nhỏ hơn 5 cm.
Trong điều trị bệnh lý não, khi tổn thương nằm sâu, nếu mổ hở như thông
thường, phẫu thuật viên có thể làm tổn thương vùng não lành, gây biến chứng cho bệnh
nhân sau đó như rối loạn thần kinh, tâm thần, liệt nửa người hoặc liệt các vùng thần
kinh. Thậm chí nếu đụng chạm đến những trung khu thần kinh quan trọng, bệnh nhân
còn có thể tử vong ngay trên bàn mổ.
Trong khi đó, xạ phẫu bằng hệ thống LGK là một phương pháp tiên tiến, bằng
cách hội tụ hơn 200 nguồn bức xạ nhỏ tạo thành một năng lượng cực cao để tiêu hủy
dần dần các sang thương trong não mà không c ần phẫu thuật. Khối sang thương sẽ bị
tiêu hủy dần và biến mất theo thời gian. Do hội tụ từ các nguồn năng lượng dưới dạng
bức xạ cực mảnh nên bệnh nhân cảm thấy rất bình thư ờng sau điều trị và có thể tham
gia công việc ngay ngày hôm sau, tránh được tâm lý lo lắng quá mức do bệnh tật và do
các áp lực khi phải nghĩ việc vì bệnh và phải sắp xếp thời gian để trị bệnh.
Hiện nay, LGK là một trong những thiết bị xạ trị được sử dụng rộng rãi nhất
trên thế giới.
1.2. Lịch sử của LGK [7]
Thiết bị này được thiết kế bởi Lar Leksell, nhà giải phẫu người Thụy Điển vào
năm 1967 tại viện Karolinska, Thụy Điển. Năm 1968 dựa vào phát minh của Giáo sư
Lars Leksell, Công ty ELEKTA Thụy Ðiển đã sản xuất thành công Gamma Knife và
Đặng Trương Ka My

13


Luận văn thạc sĩ

đưa vào sử dụng chữa trị cho bệnh nhân đầu tiên ở nhà máy hạt nhân Studsvik. Trong
cùng năm đó, Gamma Knife được triển khai điều trị tại Bệnh viện Karolinska, Thụy

Ðiển.
Bắt đầu từ những năm 1970 kỹ thuật xạ phẫu được chú ý trên thế giới bởi sự
phát triển của các thiết bị mới như chụp ảnh CT (Computed Tomography). Đầu những
năm 1980, Gamma Knife được lắp đặt ở Argentina và Anh. Vào năm 1987 thiết bị xạ
phẫu này lần đầu tiên được lắp đặt tại Bắc Mỹ.
Năm 1990, chương trình tính l iều Gamma Plan được đưa vào sử dụng phục vụ
cho mục đích lập kế hoạch xạ trị. Tới năm 1993, Gamma Knife càng được sử dụng
rộng rãi ở tất cả các châu lục. Do tính ưu điểm và vượt trội của Gamma Knife so với
các phẫu thuật kinh điển trong điều trị các khối u, các dị dạng mạch máu và các bệnh
chức năng của não, nên Gamma Knife ngày càng được sử dụng nhiều hơn.
Năm 1996, Chương trình Gamma Planđư ợc hợp nhất với chương trình x ử lý
ảnh MRI và CT. Năm 2000, Gamma Knife model C được giới thiệu có bổ sung hệ
thống định vị APS.
Ðến năm 2001 trên thế giới có 147 Trung tâm Gamma Knife và đến năm 2004
số Trung tâm Gamma Knife tăng lên là 232 (bao gồm: Trung Quốc 92, Nhật 36, các
nước châu Á còn lại 17, Châu Âu 29, Bắc Mỹ 65, Nam Mỹ 02 và Châu Phi 01). Cho
đến tháng 3 năm 2008 thì có 259 thiết bị được triển khai trên toàn thế giới.
Tại Việt Nam, thiết bị xạ phẫu Leksell Gamma Knife được đưa vào sử dụng lần
đầu tiên tại bệnh viện Chợ Rẫy vào tháng 11 năm 2006.
Hình 1.1 biểu diễn các thành phần của thiết bị xạ phẫu LGK nhìn từ ngoài vào.
Hình 1.2 là mô hình cắt ngang của thiết bị, qua đó ta có thể thấy một cách chi tiết các
thành phần cũng như cấu tạo bên trong của thiết bị.

Đặng Trương Ka My

14


Luận văn thạc sĩ

Hình 1.1 Leksell Gamma Knife model C

Hình 1.2 Hình cắt ngang của Leksell Gamma Knife model C

Đặng Trương Ka My

15


Luận văn thạc sĩ

1.3 Các thành phần chính trong thiết bị LGK
Thiết bị xạ phẫu LGK gồm có 3 phần chính:
1. Nguồn trong thiết bị xạ phẫu LGK (Radiation Unit) gồm 201 nguồn Co – 60,
mỗi nguồn có hoạt độ gần 30 Ci. Các nguồn này được sắp xếp thành dãy hình
tròn nằm trong bộ phận che chắn làm bằng vật liệu có số khối lớn ( thường là
chì). Nguồn này nhằm phóng những tia phóng xạ gamma đến những điểm bia
trong bộ não bệnh nhân.
2. Mũ (Collimator helmet): Gamma Knife được cung cấp bốn loại mũ với các kích
cỡ các collimator là 4mm, 8mm, 14mm, 18mm. Các mũ này đư ợc gắn cố định
với giường bệnh nhân bằng các đinh vít. Các mũ này là các colimator để cho các
tia phóng xạ từ nguồn phát ra chiếu vào khối u một cách chính xác. Và nhờ có
loại mũ này mà liều chiếu tập trung một cách chính xác tại các khối u nên mức
độ ảnh hưởng của các tia phóng xạ tới các vùng xung quanh là không đáng kể.
Tùy theo thể tích của khối u mà các kỹ sư vật lý có thể dùng các collimator có
đường kính khác nhau.

Helmet với các

Collimators

Mũ đặt trong hệ

kích cỡ khác nhau

4mm, 8mm, 14mm,

thống gamma

18mm

knife

Hình 1.3 Kích cỡ khác nhau của mũ trong LGK
Đặng Trương Ka My

16


Luận văn thạc sĩ

3. Giường chữa trị bệnh nhân (Patient Treatmen Couch):
Là thiết bị có thể mang bệnh nhân dịch chuyển vào và ra trong suốt quá trình
chiếu xạ, có thể tự điều chỉnh vị trí để khớp mũ với các kênh chiếu và các vị trí
chiếu.
1.4 Nguyên tắc của LGK
1.4.1 Vật lý và nguyên lý cơ bản của LGK
Nguyên tắc vật lý cơ b ản của LGK là dựa trên sự phân rã phát ra tia gamma của
nguồn phóng xạ Cobalt 60. Nguồn Cobalt 60 này sẽ phân rã beta và tạo thành đồng vị
Niken 60 với nửa thời gian sống là 5.26 năm.

−

β
60

→ 28 Ni 60 + e − + ν
27 Co

Một phần của tiến trình phân rã là tạo ra electron có năng lượng 315 keV và hai
tia gamma có năng lượng 1.17 MeV và 1.33 MeV được phát ra. Electron bị hấp thụ trở
lại bởi nguồn Cobalt 60 hoặc vỏ chứa nguồn và vì năng lư ợng thấp nên có thể bỏ qua
hiện tượng Bremstrahlung.
1.4.2 Nguyên tắc hoạt động của LGK
Nguyên tắc hoạt động cơ bản của LGK là dựa trên việc hội tụ các chùm tia
gamma năng lượng cao phát ra từ 201 nguồn Cobalt 60 tập trung lên một thể tích điều
tri có liều phóng xạ rất cao. Hình 1.4 biểu diễn sự hội tụ năng lượng từ 201 nguồn.
Việc chiếu phân bố 201 nguồn xạ nhằm làm cho phân bố liều xung quanh thể tích vùng
điều trị không đủ lớn để gây ra những tác động đáng kể nào về mặt sinh học, tối thiểu
hóa việc tiêu diệt các tế bào lành lân cận. Việc tính toán một cách rõ ràng được biểu thị
trong hình 1.5 cho thấy phân bố liều xạ đối với 6 chùm tia so với 201 chùm tia. Dựa
trên hình 1.5 ta thấy nếu chiếu vào thể tích khối u bằng 6 chùm tia thì cư ờng độ của
một chùm là 17%, nhưng nếu chiếu bằng 201 chùm tia thì ưc ờng độ của một chùm
Đặng Trương Ka My

17


Luận văn thạc sĩ

giảm chỉ còn 0.5%. Đi ều này cho thấy sự giảm đáng kể ảnh hưởng lên các mô lành

xung quanh nếu tăng số lượng chùm tia.

Hình 1.4 Nguyên tắc hội tụ 201 chùm tia trong LGK

Hình 1.5 So sánh cường độ của một chùm tia gamma mà khối u hấp thụ
Đặng Trương Ka My

18


Luận văn thạc sĩ

Ngoài ra LGK cho phép người sử dụng có thể điều khiển số nguồn chiếu sao cho
phù hợp với thể tích cần chiếu bằng cách dùng các nút bằng tungsten bịt kín những lỗ
(collimator) không cần thiết. Trong một số trường hợp người ta chỉ cần chiếu với
khoảng 150 hoặc 102 nguồn.
1.5 Tiến trình điều trị bằng Leksell Gamma Knife
1. Đặt khung: Dùng một khung để cố định đầu bệnh nhân và định vị vùng chữa
trị. Quy trình đặt khung này do các bác sĩ phối hợp với các kỹ sư vật lý thực hiện.

Hình 1.6 Đặt khung vào đầu bệnh nhân
2. Chẩn đoán hình ảnh: Dùng phương pháp chụp ảnh MRI để chụp vị trí và hình
dạng của khối u. Các ảnh này được chụp nhiều lần theo các hướng khác nhau và lần
lượt thay đổi các vị trí chụp theo độ sâu để xác định chính xác vị trí khối u.
3. Lập kế hoạch điều trị: phần mềm Gamma Plan được sử dụng để khôi phục lại
hình dạng của đầu bệnh nhân cũng như thể tích của khối u từ ảnh chụp. Dựa trên các
kết quả phân tích được các kỹ sư vật lý và bác sỹ điều trị sẽ quyết định cấp liều và các
hướng chiếu nhằm tối ưu hóa hiệu quả của việc điều trị. Chương trình này bao g ồm
việc tính toán liều chiếu, vị trí chiếu, các kích cỡ collimator khác nhau cho mỗi lần
chiếu và thời gian chiếu cho một khối u cụ thể.

Đặng Trương Ka My

19


Luận văn thạc sĩ

4. Chữa trị: Sau khi đã l ập kế hoạch chữa trị xong và đã đư ợc kiểm tra để đảm
bảo tính an toàn và chính xác. Bệnh nhân được đưa vào phòng ch ữa trị, được đặt trên
một chiếc giường được điều khiển tự động, đầu bệnh nhân được cố định tại tâm của
helmet. Sau khi các bác ĩs r ời khỏi phòng một chương trình bên ngoài đư ợc lập trình
sẵn sẽ điều khiển cho cửa tự động của thiết bị mở ra và bệnh nhân được đưa tự động
vào trong nguồn xạ. Chuyển động của chiếc giường được lập trình sẵn bằng Gamma
Plan về thời gian cho mỗi lần chiếu và định vị trí của giường cho mỗi lần chiếu bằng hệ
thống tự động đưa vào và đưa ra.
1.6 Giới thiệu chương trình Gamma Plan ®
Gamma Plan® là chương trình lập kế hoạch chữa trị chỉ dùng riêng cho thiết bị
LGK. Chương trình này đư ợc dùng để tính liều hấp thụ phân bố bởi 201 nguồn phát ra
những chùm photon tập trung vào mỗi vùng thể tích cần điều trị. Liều được tính toán
cho mỗi kích cỡ của collimator cụ thể. Trong chương trình Gamma Plan thì tùy theo
thể tích và hình dạng khối u khác nhau mà các kỹ sư vật lý sẽ quyết định dùng bao
nhiêu shot chiếu khác nhau, cứ mỗi shot chiếu là một vùng (khoanh tròn) đã đư ợc định
vị trước. Chiếu sao cho tất cả các shot sẽ bao trùm được hết toàn bộ khối u và giảm
thiểu tối đa ảnh hưởng tới các vùng xung quanh. Chương trình Gamma Plan cũng cho
ta biết được các đường đẳng liều quanh khối u. Hình 1.7 minh họa chương trình tính
liều bằng Gamma Plan. Phía bên trái của hình là những lát cắt biểu diễn vị trí của khối
u, các đường đẳng liều bao quanh giúp cho các kỹ sư vật lý xác định chính xác liều cần
cung cấp. Phía dưới bên phải là mô hình trong không gian biểu diễn chính xác vị trí
của khối u trong não.

Đặng Trương Ka My

20


Luận văn thạc sĩ

Hình 1.7 Chương trình tính liều bằng Gamma Plan

1.7 Ưu điểm của LGK so với các thiết bị xạ phẫu khác
Với 201 nguồn Cobalt-60 đặt cố định và đầu bệnh nhân được định vị bằng
khung Stereotactic, LGK được coi là thiết bị có độ chính xác cao nhất hiện nay trong
xạ trị liều cao. LGK có độ chính xác cao về cơ khí, sai số của toàn bộ hệ thống luôn
nhỏ hơn 0.5 mm, cho phép sử dụng liều bức xạ cao để điều trị các tổn thương ở những
vùng “nhạy cảm” như thân não, giao thoa thị…

Đặng Trương Ka My

21


Luận văn thạc sĩ

So với các phương pháp khác, phẫu thuật các khối u bằng LGK an toàn, hiệu
quả hơn, rất ít biến chứng và không có tử vong. Chỉ định điều trị rộng rãi, ngay cả các
bệnh nhân có khối u ở vị trí phức tạp.
Phẫu thuật bằng Gamma Knife không cần phải gây mê, bệnh nhân vẫn tỉnh táo
hoàn toàn trong quá trình phẫu thuật. Không có nguy cơ nhiễm trùng, không chảy máu,
không đau đớn…

Hình 1.8 mô tả ưu điểm của Gamma Knife so với các kĩ thuật xạ trị khác, đó là
có thể tập trung một liều rất cao vào trong một vùng thể tích rất nhỏ do đó hiệu quả tiêu
diệt tế bào ung thư là tốt hơn so với các kĩ thuật xạ trị còn lại.

Hình 1.8: So sánh kích thước và liều điều trị của một số phương pháp xạ trị

Đặng Trương Ka My

22


Luận văn thạc sĩ

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT XẠ TRỊ
Chương này nhằm mục đích cung cấp các kiến thức liên quan đến kỹ thuật xạ trị
mà bất cứ một kỹ sư vật lý nào cũng c ần phải nắm rõ. Đó là những kiến thức nền tảng
về tương tác của bức xạ với vật chất, về liều hấp thụ của mô khi một bức xạ truyền qua
để làm cơ sở xây dựng các quá trình mô phỏng.
2.1 Giới thiệu chung
Điều trị bằng tia xạ là quá trình điều trị có sử dụng bức xạ ion hóa hoặc phóng
xạ cho nhiều bệnh khác nhau. Mục đích là nhằm đưa một liều phóng xạ rất chính xác
tới một thể tích bia đã xác đ ịnh với một mức độ tổn thương nhỏ nhất cho các mô lành
bao quanh, kết quả là sẽ loại trừ bệnh tật, kéo dài sự sống hay cải thiện chất lượng cuộc
sống. Do đó, kỹ thuật xạ trị được xây dựng để chữa bệnh hoặc làm nhẹ bớt bệnh tật
một cách hiệu quả.
Khi sử dụng phương pháp điều trị bằng tia xạ cần phải xác định mục đích của
việc điều trị
• Điều trị tận gốc: là loại trừ tất cả các tế bào ung thư tại u nguyên phát, tại các tổ
chức xung quanh mà khối u lan tới và những hạch tại vùng có thể đã bị xâm lấn.

Điều trị tận gốc thường là liều xạ cao, có thể gây ra một số biến chứng phụ, thời
gian kéo dài với sự chấp nhận của bệnh nhân.
• Điều trị tạm thời: để nâng cao chất lượng đời sống như chống đau, chống tắc do
chèn ép, chống chảy máu. Điều trị tạm thời thường là liều thấp và thời gian
chiếu xạ ngắn.
Tùy theo mục đích điều trị khác nhau mà bác sĩ và các k ỹ sư vật lý quyết định liều
chiếu cũng như các kỹ thuật chiếu xạ thích hợp.
Đặng Trương Ka My

23