(Luận văn thạc sĩ) QA (quality assuarance) và tính toán liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng monte carlo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ TUYẾT

QA (QUALITY ASSUARANCE) VÀ TÍNH TỐN LIỀU
MÁY GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MƠ PHỎNG MONTE CARLO

Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Đình Khang

Hà Nội – 2016


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo
LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận văn này lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Đình
Khang, thầy ln tạo mọi điều kiện về thời gian để truyền đạt kiến thức, phương pháp
nghiên cứu khoa học, hướng dẫn và giúp đỡ tơi hồn thành được luận văn này. Trong q
trình thực hiện luận văn, tôi đã cải thiện và nâng cao những kỹ năng nghiên cứu, kỹ năng
viết một báo cáo khoa học đồng thời tiếp thu những kinh nghiệm quý báu mà thầy truyền
đạt và rút ra những bài học cho bản thân trong nghiên cứu khoa học.
Trong quá trình học tập tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tơi đã được sự giảng dạy tận tình và chu đáo của các
thầy cơ. Chính nơi đây đã cung cấp cho tôi kiến thức và giúp tôi trưởng thành trong học

tập và nghiên cứu khoa học. Xin chân thành cảm ơn tất cả Thầy Cô trong Bộ môn đã
giảng dạy những kiến thức cơ bản của chuyên ngành cao học, tạo mọi điều kiện thuận lợi
để hoàn thành khóa học trong suốt thời gian học tại trường.
Ngồi ra, tôi cũng xin cảm ơn tập thể bác sĩ và kỹ sư vật lý đang công tác tại Trung
tâm Y học hạt nhân và Ung bướu , Bệnh viện Bạch Mai, Hà Nội đã tạo điều kiện thời gian
cho tôi học tập, đóng góp kiến thức chuyên ngành về ung thư học rất có ích cho luận văn.
Xin cám ơn kỹ sư Trần Văn Thống đang công tác tại Trung tâm Y học hạt nhân và Ung
bướu Bệnh viện Bạch Mai đã giúp đỡ và hỗ trợ về thiết bị đo liều và hướng dẫn tôi đo liều
lượng trong xạ phẫu GK bằng buồng ion hóa để tơi có thể hồn thành luận văn này
Tơi cũng gửi lời cảm ơn đến NCS. Nguyễn Ngọc Anh đang công tác tại Viện Nghiên
cứu hạt nhân Đà Lạt đã hướng dẫn chi tiết cho tơi về phương pháp Monte Carlo để tơi có
thể ứng dụng trong tính tốn liều máy Gamma knife quay.
Xin được phép gửi lời cản ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc và nhận xét giúp
tơi hồn chỉnh luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ln ủng hộ, động viên và tạo
mọi điều kiện tốt nhất trong công việc, cuộc sống để tơi có được sức khỏe và thời gian
trong giai đoạn thực hiện luận văn này.

Phạm Thị Tuyết


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ......................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG…….………………………………………………………..ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... iv
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE ............... 9
1.1 Giới thiệu.................................................................................................................. 10
1.2 Tương tác của bức xạ với cơ thể sống ................................................................... 13

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống xạ phẫu Gamma knife ......................................... 15
1.4 Kế hoạch điều trị và tiến trình điều trị ................................................................. 23
1.5 Giới thiệu hương trình Osirix ................................................................................ 24
1.6 Ưu điểm của RGS so với các thiết bị xạ phẫu khác ............................................. 25
CHƯƠNG II: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG (QA) TRONG QUY TRÌNH XẠ PHẪU
GAMMA KNIFE .............................................................................................................. 26
2.1 Giới thiệu.................................................................................................................. 26
2.2 Các thiết bị trong phép đo liều tuyệt đối.............................................................. 28
2.3 Phương pháp chuyển đổi liều và hiệu chỉnh các thông số ................................... 30
2.4 Tiến trình QA .......................................................................................................... 33
2.4.1 Hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống với các hệ thống chuẩn trực khác
nhau ............................................................................................................................. 33
2.4.2 Hiệu chỉnh liều tại tâm vùng điều trị .............................................................. 34
2.4.3 Hiệu chỉnh ART ................................................................................................ 37
2.4.4 Hiệu chỉnh điểm đồng tâm và đường đồng liều ............................................. 38
2.4.5 Kiểm tra độ chính xác thời gian điều trị. ....................................................... 41
2.4.6 Kiểm tra rị rỉ bức xạ ........................................................................................ 41
CHƯƠNG III: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CHO THIẾT BỊ XẠ
PHẪU GAMMA KNIFE QUAY BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO .......... 42
3.1 Phương pháp Monte-Carlo .................................................................................... 42
3.2 Chương trình MCNP5 ............................................................................................ 43
Phạm Thị Tuyết


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
3.3 Mô phỏng MCNP cho nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu RGS ................. 49
3.4 Các kết quả tính tốn với nguồn đơn kênh ........................................................... 51
3.5 Mô phỏng MCNP cho 30 nguồn trong thiết bị xạ phẫu RGS ............................. 53
3.6 Kết quả tính tốn đối với 30 nguồn ...................................................................... 55
3.6.1 Phân bố liều theo các trục tọa độ .................................................................... 55

3.6.2. Phân bố liều theo mặt phẳng .......................................................................... 56
3.6.3 So sánh với các profile ...................................................................................... 58
3.6.4. So sánh FWHM với kết quả xuất ra của Osirix............................................ 60
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 63
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 66

Phạm Thị Tuyết


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo

Kí hiệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt

ACTL

The Activation Library

Thư viện hoạt độ của các
chất phóng xạ

ART

Auto Rotating Treatment

Hệ thống điều trị tự động

CT

Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp vi tính

CTV

Clinical Target Volume

Thể tích bia lâm sàng

ENDF

The Evaluated Nuclear Data Dữ liệu đánh giá hạt nhân
File

ENDL

The Evaluated Nuclear Data Thư viện dữ liệu hạt nhân
Library

FWHM

Full Width Half Maximum

Độ rộng nửa đỉnh

GK

Gamma Knife

Dao gamma

GTV

Gross Tumor Volume

Thể tích khối u

MRI

Magnetic Resonance
Imaging

Chụp cộng hưởng từ

MCNP

Monte Carlo N – Particle

Phương pháp MC cho N hạt

OPF

OutPut Factors

OutPut Factors

PET

Positron Emission
Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp bằng
positron

PTV

Planning Target Volume

Thể tích bia lập kế hoạch

PENELOPE

Penetration and Energy
Loss of Positrons and
Electrons

Thư viện dữ liệu về sự đâm
xuyên và mất mát măng
lượng của positron và
electron

QA

Quality Assurance

Đảm bảo chất lượng

i


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
RGS

Rotating Gamma Knife
System

Hệ thống dao gamma quay

SPECT

Single Photon Emission
Computed Tomography

Ghi hình cắt lớp vi tính
bằng đơn photon

SSD

Source to Surface Distance

Khoảng cách từ nguồn đến
bề mặt da

SAD

Source to Axis Distance

Khoảng cách từ nguồn đến
tâm điều trị

TLD

Thermoluminescent
Dosimetry

Phép đo liều bằng nhiệt kế
quang phát quang

ii


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Chỉ tiêu kĩ thuật hệ thống RGS ...................................................................... 15
Bảng 2.1: Thơng số buồng ion hóa A1SL ....................................................................... 29
Bảng 2.2: Hệ số a0, a1, a2, dùng để tính tốn hệ số ks [28] .......................................... 32
Bảng 2.3: Hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống ............................................................. 33
Bảng 2.4: So sánh OF giữa giá trị hiệu chỉnh và giá trị chuẩn .................................... 34
Bảng 2.5: Hiệu chỉnh liều tại tâm vùng điều trị ............................................................. 36
Bảng 2.6: Kiểm tra kết quả ART .................................................................................... 37
Bảng 2.7: Độ rộng của đường đồng liều và vùng tối trên phim. .................................. 40
Bảng 2.8: Kết quả kiểm tra độ chính xác thời gian điều trị ......................................... 41
Bảng 3.1: So sánh FWHM đối với trục Ox giữa chương trình Osirix với kết quả tính
tốn ..................................................................................................................................... 61
Bảng 3.2: So sánh FWHM đối với trục Oz giữa chương trình Osirix với kết quả tính
tốn ..................................................................................................................................... 61

iii


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Nguyên lý xạ phẫu gamma knife .................................................................... 11
Hình 1.2: Hệ thống GammaART - 𝟔𝟎𝟎𝟎𝑻𝑴 (RGS) ..................................................... 15
Hình 1.3: Hệ thống dao gamma quay ............................................................................ 17
Hình 1.4 : Viên nang nguồn Co-60 .................................................................................. 17
Hình1.7: Hệ thống ống chuẩn trực ................................................................................. 19
Hình1.8: Cửa che chắn ..................................................................................................... 20
Hình 1.10: Giá đỡ khung đầu và khung định vị lập thể (đai khung đầu) ................... 21
Hình 1.11: Bảng điều khiển dao gamma quay RGS ...................................................... 22
Hình 1.14: Lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân tại bệnh viện Bạch Mai.................. 24
Hình 2.1: Quy trình xạ phẫu gamma knife .................................................................... 26
Hình 2.2: a. Buồng ion hóa A1SL;

b. Electrometer................................................... 29

Hình 2.3: Phantom cầu..................................................................................................... 30
Hình 2.4: Phim Gafchromic®RTQA được dùng đo liều hấp thụ ................................ 30
Hình 2.5 Cố định phantom trên khung .......................................................................... 35
Hình 2.6: Mơ phỏng CT cho phantom ............................................................................ 35
Hình 2.7: Kế hoạch điều trị cho phantom ...................................................................... 36
Hình 2.8: Giá đựng phim và cố định trong GK ............................................................. 38
Hình 2.10: Hình ảnh trên phim của các hệ chuẩn trực khác nhau.............................. 39
Hình 3.1: So sánh phương pháp Monte Carlo với các phương pháp giải tích về thời
gian tính tốn và độ phức tạp của cấu hình ................................................................... 42

Hình 3.2: Quá trình vận chuyển của các hạt qua một voxel ........................................ 47
Hình 3.3: Giao diện của chương trình MCNP5 ............................................................. 48
Hình 3.5: Mơ hình mơ phỏng nguồn đơn kênh và phantom ........................................ 50
Hình 3.6: Phổ mô phỏng năng lượng photon phát ra của nguồn 60Co ........................ 50
Hình 3.7: Liều phân bố dọc theo trục Ox ....................................................................... 51
Hình 3.8: Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxy................................................. 52
iv


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo
Hình 3.9: Phân bố liều tương đối trên mặt phẳng Oxz ................................................. 52
Hình 3.10: Biểu diễn sự sắp xếp các vòng collimator trong ống chuẩn trực thứ cấp
của RGS ............................................................................................................................. 53
Hình 3.11: Biểu diễn góc phương vị của các vòng so với mặt phẳng xOy .................. 54
Hình 3.12: Biểu diễn phân bố góc của 30 nguồn trong RGS so với mặt phẳng .......... 54
Hình 3.14: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 4mm ........ 55
Hình 3.16: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 14m ......... 56
Hình 3.17: Phân bố liều tương đối trên hai trục Ox và Oz với collimator 18mm ...... 56
Hình 3.18: Liều phân bố trên mặt phẳng Oxy với collimator 18mm .......................... 57
Hình 3.20: So sánh liều trục x với collimator 4mm ....................................................... 58
Hình 3.21 : So sánh liều trục z với collimator 4mm ...................................................... 59
Hình 3.23 : So sánh liều trục z với collimator 18mm .................................................... 60

v


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
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 được một số hướng dự phịng chẩn đốn chính
xác hơn và điều trị có hiệu quả hơn.
Một số phương pháp điều trị bệnh như 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 thơng qua cơ chế gây ion hóa nhằm gây ra những
tác động về mặt sinh học 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 đốn 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. Gần đây nhất, Bệnh viện Bạch Mai đã đưa vào máy
xạ phẫu Rotating Gamma Knife System (RGS), 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 Rotating Gamma Knife System (RGS) lần đầu tiên được lắp đặt và đưa vào sử
dụng từ năm 1968, cho đến nay đã có hơn 500.000 bệnh nhân đã lựa chọn điều trị bằng
Gamma Knife trên toàn thế giới.
6


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Hiện tại trên thế giới, chưa có một thủ tục tiêu chuẩn chung được sử dụng để đo
liều lượng trong xạ phẫu Gamma knife. Các nhà Vật lý y khoa của các trung tâm Gamma

knife trên thế giới đang xây dựng và phát triển những chương trình riêng một cách chi
tiết, ln cập nhật nhằm đảm bảo việc phân bố chính xác liều lượng phóng xạ cho thương
tổn trong não bệnh nhân. Hiện nay, một số tác giả đã xuất bản những tài liệu về lĩnh vực
này như: “Chương trình đảm bảo chất lượng cho kỹ thuật xạ phẫu” (1995) của nhóm đảm
bảo chất lượng trong xạ trị do Gunther H. Hartmann biên tập [9]; “Chương trình đảm bảo
chất lượng cho các thiết bị Gamma knife” (1995) của Phịng thí nghiệm quốc gia
Lawrence Livermore, Mỹ [3]; TG – 42 (Task Group) về “Kỹ thuật xạ phẫu Stereotactic”
được xuất bản vào 1995 bởi Hiệp hội Vật Lý Y học Mỹ (AAPM Report No. 54) [20].
Ngoài ra, những bài báo có nội dung liên quan đến việc đảm bảo chất lượng liều lượng
trong kỹ thuật xạ phẫu Gamma knife, dựa trên các tài liệu của cơ quan nguyên tử năng
quốc tế IAEA TRS - 227, TRS - 398 (sử dụng phổ biến ở Châu Âu và Châu Á) [10,11] và
Hiệp hội Vật lý Y học Mỹ AAPM TG - 21, TG – 51 (sử dụng phổ biến ở Mỹ) [23]. Bên
cạnh đó, nhiều nhà khoa học cũng đã vận dụng nhiều phương pháp tính liều khác nhau để
khảo sát phân bố liều chiếu trong thiết bị GK 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
tốn liều phân bố của nguồn đơn kênh (Joel Y.C Cheung -1998) [12], 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 tốn sự khác nhau
trong phân bố liều đối với các phantom có chất liệu plastic, nhựa dẻo (Perspex), và nước
[13]. Chương trình PENELOPE dùng để khảo sát phân bố liều trong GK 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 [7] (Al-Dweiri, 2005), tác giả đã rút ra kết
quả khác nhau trong phân bố liều của việc mô phỏng phantom đồng nhất và khơng đồng
nhất. Đồng thời ơng cũng tính góc phát ra từ nguồn GK, kết quả tính tốn cho thấy chỉ
những tia gamma phát ra với góc cực nhỏ dưới 3o mới đóng góp đáng kể vào phân bố liều
trong phantom, trong cơng trình này tác giả đã đưa ra mơ hình nguồn đơn giản đáp ứng
được liều chiếu phù hợp nhưng giảm được thời gian tính tốn.
7

QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Luận văn này nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma
System (RGS) đó là cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, tiến trình QA 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 mơ phỏng được xây dựng để tính tốn
phân bố liều và kết quả này được so sánh với các chương trình mơ phỏng của các tác giả
khác nhằm kiểm nghiệm tính đúng đắn của quá trình nhằm nâng cao hiệu quả điều trị cho
bệnh nhân. Chương trình chúng tơi dùng để mơ phỏng trong luận văn này là MCNP5, đó
là một trong những chương trình mơ phỏng sử dụng phương pháp Monte Carlo, được
xem là khá chính xác và hiện đại trong việc tính tốn liều. Đề tài “QA và tính tốn liều
máy Gamma knife quay bằng phương pháp Monte Carlo” đã mở ra một hướng
nghiên cứu mới trong việc ứng dụng phương pháp Monte Carlovới chương trình MCNP5
trong kỹ thuật tính liều đối với thiết bị xạ phẫu Rotating Gamma System (RGS). Theo ý
nghĩa đó, nội dung của luận văn được trình bày tập trung vào những vấn đề thiết yếu của
kỹ thuật xạ phẫu Gamma Knife, được cấu trúc gồm ba chương sau:
 Chương 1 – Tổng quan về kĩ thuật xạ phẫu Gamma knife
Trong chương này, những đặc điểm cơ bản nhất của xạ phẫu Gamma knife, cùng
với cấu tạo của máy Gamma knife quay được trình bày. Những thơng tin trên là cơ
sở để hiểu vai trò quan trọng của việc đảm bảo chất lượng trong quy trình xạ phẫu
Gamma knife (được trình bày trong chương 2) cùng với mơ phỏng thiết bị bằng
chương trình Monte Carlo (được trình bày trong chương 3) để tính tốn liều lượng
sao cho thu được kết quả tốt nhất.
 Chương 2 – Đảm bảo chất lượng (QA) trong quy trình xạ phẫu Gamma knife
Trong chương này, việc đảm bảo chất lượng cho hệ thống Gamma knife quay tại
Bệnh viện Bạch Mai gồm 2 quá trình là đảm bảo về mặt hình học và đảm bảo về
liều lượng. Sau đó là q trình hiệu chỉnh các thông số trước khi đưa bệnh nhân
vào điều trị như hiệu chỉnh suất liều ra của hệ thống, hiệu chỉnh liều tại tâm vùng
điều trị, hiệu chỉnh đường đồng tâm và đường đồng liều, xét độ chính xác về thời
gian điều trị.
8

QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo
 Chương 3 – Tính tốn mơ phỏng phân bố liều của thiết bị xạ phẫu gamma
knife quay bằng phương pháp Monte – Carlo
Trong chương này là một số nét về chương trình MCNP5 và phương pháp Monte
Carlo trong tính tốn liều lượng của máy Gamma knife quay. Bên cạnh đó là đưa
ra cấu hình mô phỏng của nguồn đơn kênh, nguồn 30 kênh cho q trình mơ
phỏng MCNP và đưa ra kết quả để so sánh với thực tế để xem xét tính đúng đắn
của số liệu mô phỏng.

9


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT XẠ PHẪU GAMMA KNIFE
1.1 Giới thiệu
Xạ phẫu sọ não là q trình phẫu thuật mà trong đó một chùm bức xạ hẹp nhắm đến
một thể tích mơ trong não. Liều bức xạ có độ tập trung cao và sức công phá mạnh này chỉ
dùng cho một lần điều trị duy nhất và xạ phẫu hồn tồn có thể tránh gây khối udo bức xạ
gây ra cho các cấu trúc não lành bao quanh thể tích đích. Kỹ thuật định vị lập thể là một
trong số các kỹ thuật tiên tiến nhằm ngắm chính xác mục tiêu của các cấu trúc nội sọ
(như u não) bằng cách sử dụng một khung chuẩn bên ngoài cố định vào đầu. Các cơng
nghệ chẩn đốn hình ảnh hiện đại như CT, MRI và các tiến bộ của cơng nghệ máy tính
hiện đại đã làm cho kỹ thuật định vị lập thể đang trở thành cơng cụ trong chẩn đốn và
điều trị khối u não. Từ năm 1968, người ta sử dụng hệ thống xạ phẫu Gamma quay để
điều trị các khối u não, các dị tật mạch máu não và đã có những thành cơng đáng kinh
ngạc.
Xạ phẫu định vị lập thể là một trong số các kỹ thuật xạ phẫu để điều trị các khối u bên
trong não hoặc khu vực thị giác bằng cách sử dụng một liều bức xạ cao để tiêu diệt khối

u và dùng thiết bị định vị xạ phẫu lập thể để định vị chính xác vùng đích. Trong xạ phẫu
lập thể, bức xạ phân bố theo không gian 3 chiều. Xạ phẫu lập thể luôn bao gồm các thiết
bị định vị như khung xạ trị đầu và các chùm tia có năng lượng cao chiếu vào vùng đích
chỉ bằng một lần điều trị duy nhất. Với các hệ thống lập kế hoạch xạ trị hiện đại, người
ta có thể xác định được chính xác hình dạng và vị trí khối u hoặc khối u nằm trong khu
vực khung định vị bằng các phương tiện chẩn đốn hình ảnh như CT hoặc MRI. Hệ thống
lập kế hoạch cũng thường kiêm ln nhiệm vụ tính tốn liều bức xạ. Sau khi hồn thành
q trình định vị khối u và tính tốn liều, việc điều trị bắt đầu. Kỹ thuật xạ phẫu lập thể
đạt được liều có cường độ cao, tập trung hồn tồn vào vùng đích, khối u trong khi đó
bảo vệ rất tốt các mơ lành bao quanh khu vực đích. Xạ phẫu đặc biệt ích lợi đối với các
khu vực đích nhỏ mà trong thực tế không thể mổ mở được.
Trong xạ phẫu người ta sử dụng nguồn Cobalt-60. Tia gamma đi đến vùng đích - khối
u từ nhiều nguồn bức xạ Cobalt-60 khác nhau và giao nhau tại điểm hội tụ, tạo ra liều

10


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
chiếu gamma cao tại vùng đích. Tính đơn giản và độ chính xác về vị trí rất cao làm cho
hệ thống xạ phẫu gamma là cơng cụ lí tưởng trong các ứng dụng xạ phẫu.
Hệ thống Dao gamma quay có thể điều trị các bệnh trong não. Kỹ thuật chẩn đốn
hình ảnh não đã có bước tiến phi thường với việc xuất hiện các thiết bị chẩn đốn hình
ảnh CT và MRI cùng các máy tính chun dùng có cấu hình mạnh đã cho phép xạ phẫu
tiến hành điều trị các khối u, dị dạng mạch máu và các bệnh lý khác mà hiện đang được
điều trị bằng phương pháp mổ mở. Kết quả xạ phẫu là tốt trong hầu hết các trường hợp.
Chùm tia gamma là chùm bức xạ điện từ với bước sóng ngắn, có năng lượng cao và
khả năng đâm xuyên lớn. Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó
tương tác chủ yếu thơng qua các q trình ion hóa. Kết quả của q trình ion hóa trong tế
bào là tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bị
biến đổi hoặc bị tiêu diệt. Các chùm tia gamma được dùng chiếu xạ để phá hủy các tế bào

ung thư nằm sâu bên trong não mà khơng áp dụng được phẫu thuật mở.

Hình 1.1: Ngun lý xạ phẫu gamma knife
Hình 1.1 mơ tả bố trí nguồn phóng xạ Cobalt-60 với hệ thống ống chuẩn trực để
hướng các chùm tia vào vùng não cần chiếu xạ.
Chùm tia gamma từ nguồn đồng vị phóng xạ Cobalt-60 có năng lượng cao ( 1,17
MeV và 1,33 MeV) với thơng lượng ổn định do chu kì bán rã dài.
Trên thế giới hiện nay, có hai loại thiết bị xạ phẫu Gamma knife dùng trong xạ
phẫu u não là:
11


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
-

Leksell Gamma Knife (LGK): Thiết bị chứa 201 nguồn phóng xạ Cobalt-60 có
hoạt độ phóng xạ lớn (6000 Ci ± 10%). Chúng phát ra 201chùm tia gamma tập
trung vào thương tổn nhỏ trong não.

-

Rotating Gamma Knife System (RGS): Hệ thống RGS chứa ba mươi nguồn
Cobalt-60 với tổng độ hoạt tính ban đầu khoảng 6000Ci. Các nguồn được đặt
trên một cơ cấu mang nguồn có dạng hình bán cầu được thiết kế như các ống
chuẩn trực chính. Trong q trình điều trị, ống chuẩn trực chính sẽ liên kết với
ống chuẩn trực thứ cấp có kích thước tùy theo người sử dụng lựa chọn. Nguồn
và các ống chuẩn trực quay đồng thời trong quá trình điều trị để hình thành ba
mươi vịng cung bức xạ gamma, hội tụ, không chồng lên nhau. Do tất cả ba
mươi chùm tia đều cùng hướng về đích nên đích sẽ nhận được một liều bức xạ
cao tỷ lệ thuận với tổng thời gian chiếu xạ. Trong khi đó, các mơ lành xung

quanh đích chỉ nhận được rất ít liều chiếu xạ.

Bằng cách quay ống chuẩn trực chính và ống chuẩn trực thứ cấp cùng nhau, 30
cung trịn khơng chồng lên nhau đã lấp đầy cung 360. Với cải tiến này, liều tới mơ lành
bao quanh mơ đích giảm đáng kể do liều đến mô lành giờ đây đã phải phân ra cho một
khối lượng thể tích lớn hơn (các chùm tia hội tụ từ một góc lớn hơn). So với việc xạ phẫu
dựa trên hệ thống máy gia tốc tuyến tính, thiết kế gamma quay RGS sử dụng số lượng
các cung lớn hơn để giảm thiểu liều đến các cơ quan và các mơ lành bao quanh các vị trí
đồng tâm mà không làm tăng thời gian điều trị và sự khơng chính xác về vị trí. Các ống
chuẩn trực thứ cấp lắp sẵn đã loại bỏ sự cần thiết phải đội mũ bảo hiểm mà trên đó người
ta gắn các ống chuẩn trực thứ cấp và việc áp đặt và thay đổi vị trí tiêu điểm dễ dàng hơn
nhiều. Việc quay cũng cho phép giảm số lượng của nguồn Cobalt-60 từ 201 xuống đến
30 nguồn, tăng độ cứng kết cấu máy, thuận tiện chongười sử dụng và giảm chi phí thay
thế nguồn.
Thiết kế của hệ thống dao gamma quay đã duy trì tính đơn giản và chính xác về vị
trí của thiết kế Leksell ban đầu, cải thiện việc phân bố liều, thân thiện với người sử dụng
và giảm chi phí.
12


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
Dựa vào khung định vị lập thể, các hình ảnh cắt lớp CT và/hoặc MRI, hình dạng
đích và vị trí bệnh nhân (theo tọa độ X, Y, Z ) sẽ được xác nhận. Trước khi điều trị, bệnh
nhân (có vị trí lập thể xác định và mang khung cố định) sẽ được định vị trên giường điều
trị và bị cố định vào giá đỡ khung đầu. Sau khi các thông số điều trị được chấp nhận, hệ
thống điều khiển điều trị theo kế hoạch đã lập.
Với những ưu điểm của hệ thống gamma knife nói trên, hệ thống Gamma Knife quay
GammaART- 6000𝑇𝑀 (RGS) đã được lắp đặt tại Trung tâm y học hạt nhân và ung bướu,
Bệnh viện Bạch Mai.
1.2 Tương tác của bức xạ với cơ thể sống

Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng ion hóa, tạo ra các cặp ion
hóa có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào làm cho các tế bào bị biến đổi
hay hủy diệt. Trên cơ thể con người chủ yếu (>85%) là nước. Khi bị chiếu xạ H2O trong
cơ thể phân chia thành H+ và OH -. Bản thân các cặp H+, OH- này tạo thành các bức xạ
thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, sự phân chia tế bào sẽ chậm đi hoặc dừng lại. Tác dụng
trực tiếp của tia xạ lên sự phá hủy diệt tế bào chỉ vào khoảng 20%. Còn lại chủ yếu là do
tác dụng gián tiếp.
Năng lượng và cường độ bức xạ khi đi qua cơ thể con người nói riêng hay đi qua cơ
thể sinh vật nói chung giảm đi do sự hấp thụ năng lượng của các tế bào. Sự hấp thụ năng
lượng của tế bào thường dẫn tới hiện tượng ion hóa các nguyên tử của vật chất sống và
hậu quả là tế bào bị phá hủy. Nói chung năng lượng của bức xạ càng lớn, số cặp ion hóa
do chúng tạo ra càng nhiều. Thơng thường các hạt mang điện có năng lượng như nhau.
Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốc của hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa có thể khác
nhau. Tia anpha thường có vận tốc nhỏ hơn tia bêta nhưng lại có khả năng ion hóa nhanh
hơn. Mật độ ion hoá do tia gamma và Rơngen gây ra tương đối nhỏ, nhưng độ thâm nhập
lại lớn. Do đó chúng khơng phải chỉ tác dụng lên các tế bào ở lớp ngồi cùng như tia
alpha và bêta mà có thể tác dụng lên các tế bào ở sâu trong cơ thể. Đối với nơtron, ngồi
hiện tượng ion hóa gián tiếp do các hạt nhân va vào chúng thu được một động năng lớn
gây ra, bức xạ nơtron cịn có khả năng tạo ra các chất phóng xạ ngay trong cơ thể sinh
13


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
vật. Nguyên nhân của quá trình này là khi đi vào cơ thể, nơtron chuyển động chậm lại và
sau đó bị các hạt nhân của vật chất trong cơ thể hấp thụ. Những hạt nhân ấy trở thành
những hạt nhân phóng xạ phát ra tia bêta và tia gamma. Chính những tia này lại có khả
năng gây ra hiện tượng ion hóa trong một thời gian nhất định.
Do nước là thành phần chủ yếu trong tế bào của cơ thể người, nên phần lớn năng
lượng thoạt đầu tích lũy trong phân tử nước và chỉ một phần nhỏ tích lũy trong các phần
tử sinh học khác. Các phân tử nước bị ion hố và kích thích gây ra một loạt các phản ứng

khác, trong đó có các phản ứng như:
H2O + h-------> H2O+ + eElectron có thể bị các phân tử nước khác hấp thụ để tạo ra ion âm của nước.
H2O + e- --------> H2O
Các ion H2O+ và H2O- đều không bền và phân huỷ ngay sau đó:
H2O+ -------> H+ + OH
H2O- -------> OH- + H
Kết quả tạo ra hai gốc tự do Hvà OHvà hai ion bền H+ và OH-; chúng có thể kết hợp
với nhau thành phân tử nước. Các phản ứng khác cũng có thể xảy ra:
H+ OH---------> H2O
H+ H--------> H2
OH+ OH--------> H2O2
H+ O2 ---------> HO2
HO2là gốc tự do peroxy được tạo ra với sự có mặt của oxy.
Các gốc tự do có một electron lẻ và khơng có cấu hình đòi hỏi đối với một phân tử
bền. Chúng là những thực thể gây phản ứng rất mạnh, có thời gian sống khoảng
microgiây và tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học như protein, lipid, DNA gây ra
các hỏng hóc về cấu trúc và hố học đối với các phần tử này. Những hỏng hóc như vậy sẽ
dẫn tới: (a) sự ngăn cản phân chia tế bào, (b) sự sai sót của những nhiễm sắc thể, (c) đột
biến gen, (d) làm chết tế bào. Trong khi quá trình hấp thụ năng lượng xảy ra trong khoảnh
khắc (10-10s), thì sự suất hiện của các hiệu ứng sinh học có thể diễn ra trong vài giây thậm
chí hàng nhiều năm.
14


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống xạ phẫu Gamma knife [8]

Hình 1.2: Hệ thống GammaART - 6000𝑇𝑀 (RGS)

Bảng 1.1: Chỉ tiêu kĩ thuật hệ thống RGS

Đặc tính kích cỡ
Chiều dài:

4404 mm.

Chiều rộng:

1758 mm.

Chiều cao:

1705 mm.

Tổng trọng lượng:

Gần 21.000 Kg.

Tải trọng giường cực đại:

200 Kg.

Đặc tính phóng xạ:
Tổng hoạt độ tồn bộ nguồn lúc nạp:

6000 Ci10%.

Suất liều tại điểm hội tụ:

 3 Gy/phút

Số lượng nguồn Co60:

30

Suất liều cực đại trên bề mặt vỏ máy l:

20 Gy/h.

Kích thước ống chuẩn trực thứ cấp:

4 mm, 8 mm, 14 mm, 18 mm.

Độ chính xác điểm hội tụ:

0,5 mm.

Độ đồng tâm:

0,3 mm.

Độ sai lệch vị trí:

0,1 mm.

Tốc độ quay khi điều trị:

2 - 4 vịng/phút

Mơi trường:

15


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo
Phịng đặt khối điều trị

Khơng đọng hơi nước

Nhiệt độ/Độ ẩm

22 đến 27C 45-50%

Phịng điều khiển

Khơng đọng hơi nước

Nhiệt độ/Độ ẩm

18 đến 24C 45-50%

Khi vận chuyển

Không lớn hơn 75%

Nhiệt độ/Độ ẩm

4 đến 40 C

Hệ thống xạ phẫu dao gamma quay gồm: hệ thống định vị stereotatic, khối điều trị
tia gamma và hệ thống lập kế hoạch điều trị. Hệ thống lập kế hoạch điều trị nối với các

thiết bị chẩn đốn hình ảnh và cho phép chuyển các tham số điều trị đến khối điều trị dao
gamma quay.
1.3.1 Hệ thống định vị stereotatic
Việc mơ tả đích và định vị chính xác dựa vào hệ thống định vị lập thể. Nó bao
gồm các khung định vị khác nhau cho các phương thức chẩn đốn hình ảnh khác nhau và
khung đầu được đỡ bởi giá đỡ khung đầu gắn chặt trên giường điều trị. Khung đầu gắn cố
định trên đầu của bệnh nhân trong suốt quá trình chụp CT/MRI và quá trình xạ phẫu.
Khung định vị CT và MRI có các dấu hiệu đánh dấu tọa độ, mà có thể nhìn thấy rõ ràng
trên hình ảnh CT và MRI.
Bằng cách sử dụng các vị trí đánh dấu cố định trên hình ảnh và bằng cách mơ tả
đích và các cấu trúc lành trên các hình ảnh, người ta đã đặt được khn hình giải phẫu
đầu nằm trong một hệ thống tọa độ. Khi khung đầu được gắn trên giá đỡ khung đầu, tồn
bộ hệ thống cố định đó có thể được quay và dịch chuyển để đưa đích đến tiêu điểm của
chùm tia gamma.
1.3.2 Khối điều trị RGS

16


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Nguồn bức xạ

Cửa che chắn
Khung định vị

Hệ thống định Giường điều trị
vị lập thể

Hình 1.3: Hệ thống dao gamma quay

Khối điều trị bao gồm khối nguồn, hệ thống cơ khí chuẩn trực, cơ cấu che chắn,
giường điều trị và hệ thống điều khiển.
1.3.2.1 Khối nguồn
Nguồn phóng xạ
Người ta nạp 30 nguồn Cobalt-60 vào trong RGS. Hoạt độ trung bình mỗi nguồn
khoảng 200Ci. Mỗi nguồn là một viên Cobalt có kích thước 1mm chứa trong 3 lớp vỏ
thép không gỉ. Để dễ dàng tháo dỡ và nạp nguồn, viên nang có dạng thn dài mà đầu có
đường kính nhỏ hơn, nằm đối diện với tâm bán cầu.
Hình 1.4 : Viên nang nguồn Co-60

Khối nguồn và ống chuẩn trực chính
Khối nguồn bức xạ bao gồm thân máy dạng bán cầu (chứa nguồn). Người ta nạp
ba mươi nguồn Cobalt-60 vào hệ thống chứa nguồn này. Hệ thống chứa nguồn này cũng
đóng vai trị là ống chuẩn trực chính. Giá đỡ nguồn có dạng bán cầu làm bằng gang với
17


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
30 kênh chứa nguồn Cobalt-60 và để làm ống chuẩn trực cho tia gamma. 30 nguồn được
bố trí theo hình nan quạt, cách đều nhau, dọc theo trục người bệnh. Một cặp động cơ chủ
- tớ kéo cả hai khối, khối mang nguồn và cấu trúc ống chuẩn trực thứ cấp. Người ta lựa
chọn kích thước ống chuẩn trực bằng cách định vị lại vị trí tương đối giữa ống chuẩn trực
chính và ơng chuẩn trực thứ cấp. Trong khi điều trị, ống chuẩn trực chính và ống chuẩn
trực thứ cấp quay đồng bộ.

Hình 1.5 :Khối nguồn
Có 5 nhóm lỗ trên ống chuẩn trực thứ cấp (mỗi nhóm gồm 30 lỗ). Mỗi nhóm được
sắp xếp giống như các kênh ống chuẩn trực sơ cấp của khối nguồn. Tất cả 150 lỗ đều
hướng về tâm bán cầu. Trong số 5 nhóm, người ta chèn vào bốn nhóm một tập hợp các
ống chuẩn trực có bốn đường kính trong khác nhau. Các ống chuẩn trực trong cùng nhóm

có cùng kích thước. Nhóm thứ 5 bị che bằng các thanh hợp kim vonfram. Trong thời gian
không điều trị, toàn bộ ống chuẩn trực sơ cấp sắp thẳng hàng với vị trí che, ngăn khơng
cho tia gamma đi ra. Trong thời gian nghỉ, chùm tia bị các thanh vonfram của cấu trúc
ống chuẩn trực sơ cấp chặn lại và cửa thép của buồng điều trị là lớp bảo vệ thứ hai ở
trạng thái đóng. Như vậy là nguồn được che chắn kép để đảm bảo lượng tia phóng xạ đi
ra khỏi RGS đáp ứng các tiêu chuẩn cho phép.

18


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo

Hình1.6: Khối ống chuẩn trực
1.3.2.2 Hệ thống cơ khí ống chuẩn trực
Hệ thống ống chuẩn trực của RGS gồm 2 phần: các ống chuẩn trực sơ cấp trên
khối nguồn và các ống chuẩn trực thứ cấp. Các hệ thống này đều được làm từ hợp kim
vonfram theo dạng hình ống đặc có lỗ trong. Các ống chuẩn trực sơ cấp có lỗ trong thẳng.
Các ống chuẩn trực thứ cấp được chia làm 4 nhóm có lỗ dạng loa ứng với các trường
chiếu 4 mm, 8 mm, 14 mm và 18 mm tại mặt phẳng trục trung tâm.

1. Thân nguồn

Hình1.7: Hệ thống ống chuẩn trực
2. Viên nang nguồn Cobalt-60
3. Ống chuẩn trực sơ cấp

4. Thân ống chuẩn trực 5. Ống chuẩn trực thứ cấp

6. Trường bức xạ

1.3.2.3 Cấu trúc che chắn bức xạ
Hệ thống che chắn RGS bao gồm: đế hệ thống, khối che chắn, khuôn cửa và cửa
che chắn.
Khối che chắn
Khối che chắn phóng xạ hình bán cầu làm bằng gang phủ khít lên bên ngồi khối nguồn.
Người ta cũng dùng nó để đỡ các vòng đệm quay khối nguồn và ống chuẩn trực. Người ta
19


QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo
cũng gắn khung cửa che chắn phóng xạ vào khối này. Đế của khối che chắn phóng xạ
nằm trên đế hệ thống. Có một lỗ khóa đặc biệt ở cạnh khối che chắn để tháo dỡ và nạp
nguồn bức xạ.
Khung cửa che chắn
Khung cửa làm bằng gang gắn lên trên khối che chắn. Khung này dùng để đỡ cửa chắn
phóng xạ và được lắp trên đế hệ thống.
Cửa che chắn
Cửa che chắn làm bằng gang, gồm cửa phía trên và phía dưới, có hai trục quay ngang.
Cả 2 cửa có dạng hình vành khun nửa trụ đóng theo dạng hàm cá sấu để giảm bức xạ
lọt ra ngồi. Hai nửa cửa ăn khít với nhau bằng bánh răng cưa và mở bằng cách quay
mỗi cánh đi một góc 90 độ.

Hình1.8: Cửa che chắn
1. Tấm cửa. 2. Răng cửa. 3. Bánh quay
1.3.2.4 Giường điều trị

Hình1.9: Giường điều trị
Giường điều trị gồm có phần thân giường cố định và các bộ phận định vị. Giường
điều trị có thể di chuyển ra, vào bằng bánh quay tay nằm ở cuối và gần giữa giường. Khi
20

QA và tính tốn liều máy gamma knife quay bằng phương pháp mơ phỏng Monte Carlo
hệ thống điều khiển có hiện tượng khác thường thì nhân viên điều khiển có thể đưa bệnh
nhân ra ngoài bằng tay.
1.3.2.5 Giá đỡ khung đầu lập thể
Giá đỡ khung đầu lập thể là một cơ cấu bố trí ở đầu giường và dùng để định vị
chính xác đầu bệnh nhân trên giường điều trị. Nó gồm một vịng đỡ khung đầu và các
thanh trượt chính xác để hiệu chỉnh vị trí và góc nghiêng đầu theo ý muốn (gọi là góc
gamma).

Hình 1.10: Giá đỡ khung đầu và khung định vị lập thể (đai khung đầu)
1. Cấu trúc định vị;
2. Vỏ bảo vệ;
3. Thước hiệu chỉnh phương X.
4. Khung định vị lập thể;

5. Khóa chặn

1.3.2.6 Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển dao gamma quay RGS là một hệ thống tích hợp, giao diện
thân thiện với người dùng, gồm có phần cứng và phần mềm điều khiển. Chức năng của
nó là nhằm để điều chỉnh chùm tia chính xác vào vùng đích và hoạt động nhất quán dựa
trên các thông số điều trị được xác định trước theo kế hoạch điều trị đã lập, trong khi đảm
bảo sự an toàn của bệnh nhân và các nhân viên vận hành.
Bảng thể hiện trạng thái điều khiển bao gồm 6 diode phát quang (LED) và các nút
nhấn.

21