Mô phỏng tính liều lượng trong xạ trị bằng dao gamma leksell bằng chương trình penelope

Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------

NGUYỄN THỊ NGỌC THẮM

MƠ PHỎNG TÍNH LIỀU LƯỢNG TRONG
XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2011


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

1

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Lý Anh Tú

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . ..

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
----------------

---oOo--Tp. HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ NGỌC THẮM

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 05/09/1982.

Nơi sinh: Thái Bình

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
MSHV: 01207136
I- TÊN ĐỀ TÀI:

MƠ PHỎNG TÍNH LIỀU LƯỢNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO
GAMMA LEKSELL BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE
II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:


Tìm hiểu tổng quan phương pháp xạ phẫu Gamma Knife.



Tìm hiểu sơ bộ cấu tạo não và các bệnh lý về não đáp ứng tốt với xạ phẫu Gamma
Knife.



Khảo sát cơ sở vật lý về sự tương tác của chùm tia photon khi truyền qua vật chất.



Mơ phỏng tính liều lượng trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell bằng chương trình
PENELOPE.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-02-2010
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15-1-2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Lý Anh Tú
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

3

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại Trường Đại Học Bách Khoa, Ngành Vật Lý Kỹ Thuật,
tôi đã được sự giảng dạy tận tình 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. Cho tôi gửi
lời biết ơn đến với các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Thầy Huỳnh Quang Linh đã tạo tiền đề cho tôi thực
hiện luận văn này.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lý Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiến
thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét và
giúp tơi hồn chỉnh luận văn.
Cuối cùng xin cảm ơn bè bạn và gia đình đã quan tâm, chia sẻ những khó khăn, tạo
mọi điều kiện tốt nhất để tơi hoàn thành luận văn tốt nghiệp, hoàn thành quãng đời học
viên gian khổ nhưng cao đẹp tại trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2011.

Nguyễn Thị Ngọc Thắm

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

4

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực khoa học kỹ
thuật, trong y học cũng có những tiến bộ vượt bậc. Một trong các tiến bộ đó phải kể
đến cuộc cách mạng trong điều trị phẫu thuật ít xâm lấn là nội soi, xạ trị và xạ phẫu.
Các tiến bộ này giúp cải thiện và nâng cao chất lượng cuộc sống bệnh nhân. Trong điều
trị bệnh lý não, xạ phẫu bằng hệ thống Leksell Gamma Knife là phương pháp tiên tiến
nhất.
Năm 1951, Giáo sư Lars Leksell, người Thụy Điển, lần đầu tiên giới thiệu khái
niệm “tia hoạt động theo stereotactic” dùng chùm photon năng lượng cao để phá hủy
các mơ của điểm đích, bảo đảm an tồn cho mơ lành ở chung quanh. Có thể nói Giáo
sư Lars Leksell là người đầu tiên phát minh ra nguyên lý hoạt động của Dao Gamma.
Năm 1967, dựa vào phát minh của Giáo sư Lars Leksell, Công ty Elekta của
Thụy Điển đã sản xuất ra Dao Gamma. Năm 1968, sản phẩm thiết bị kỹ thuật được đưa
vào sử dụng thành công lần đầu tiên trên thế giới.
Dao gamma Leksell là một thiết bị phẫu thuật bằng bức xạ bằng cách sử dụng
201 chùm photon hẹp hội tụ để điều trị khối u não.
Những chùm photon hẹp này đưa ra những thách thức to lớn trong việc tính toán
đo lường xác định sự phân bố liều lượng hấp thụ... khi chiếu tia bức xạ tập trung vào
các tế bào bệnh mà không ảnh hưởng đến các tế bào lành xung quanh, chính vì vậy,
mục tiêu của luận văn này sử dụng chương trình PENELOPE để “MƠ PHỎNG TÍNH
LIỀU LƯỢNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE”, mở ra một hướng nghiên cứu mới trong việc áp
dụng chương trình PENELOPE trong nghiên cứu, trong kĩ thuật tính liều đối với thiết

bị y tế nói riêng và các lãnh vực khác của vật lý, kỹ thuật y sinh nói chung.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

5

ABSTRACT
Nowadays, together with the rapid development of sciences and technology,
there are many progresses in medical field. Among these progresses, the revolution is
in internal surgery, radiotherapy and radiosurgery. These progresses help us to improve
our health and make our life better. In the field of brain treatment, Gamma Knife
radiosurgery is the best method.
In 1951, Professor Lars Leksell, Swedish, first introduced the concept of “ray
Stereotactic operation” by high-energy photon beam used to destroy the tissues of the
destination, ensuring the safety of healthy tissue in general around. It can be said
Professor Lars Leksell was the first inventor of the principle of operation of the
Gamma Knife.
In 1967, based on the invention of Professor Lars Leksell, Elekta Company of
Sweden has produced the Gamma Knife. In 1968, products and technical equipment
was successfully put into use first in the world.
Leksell Gamma Knife is a device using radiation surgery using narrow photon

beam 201 converges to treat brain tumors.
The narrow beam of photons is given the huge challenges in the calculations,
measurements determine the distribution of absorbed dose of radiation emitting...
focus on the disease cells without affecting healthy cells around therefore, the objective
of this thesis to use the program PENELOPE "Simulation of radiation dose in
treatment with Gamma Leksell Knife by computer code PENELOPE”

opening a new

research direction in the application of the research program PENELOPE, the dose
calculation techniques for particular medical devices and other fields of physics,
biomedical engineering in general.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

6

MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU................................................................................................12
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ...............................................................12
CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ..............................15

PHẦN 2: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL ........................16
1.1 Định nghĩa Gamma Knife [3] ...............................................................18
1.2 Lịch sử Gamma Knife [3].....................................................................21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NGUỒN
CO-60 .....................................................................................................................22
2.1 Cấu trúc của hạt nhân, nguyên tử..........................................................22
2.2 Các vấn đề về phóng xạ .......................................................................24
2.2.1 Đồng vị và các loại phóng xạ......................................................24
2.2.2 Định luật phân rã phóng xạ, hằng số phân rã phóng xạ ..............26
2.2.3 Nguồn phóng xạ, hoạt độ của nguồn phóng xạ ...........................27
2.3 Đơi nét về Coban và nguồn Coban 60 sử dụng trong thiết bị Gamma Knife
...................................................................................................................28
CHƯƠNG 3: SỰ TRUYỀN BỨC XẠ QUA VẬT CHẤT ...............................31
3.1 Sự suy giảm bức xạ Gamma khi đi qua vật chất ...................................31
3.2 Các loại tương tác của photon với vật chất ...........................................33
3.2.1 Hiệu ứng quang điện .................................................................34
3.2.2 Tán xạ Compton .......................................................................39
3.2.3 Hiệu ứng tạo cặp .......................................................................42
3.2.4 Tổng hợp các hiệu ứng khi gamma tương tác với vật chất .........44
3.3 Tổng quan về xạ trị...............................................................................46
3.3.1 Quá trình điều trị bằng tia xạ ......................................................46
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

7

3.3.2 Nguyên tắc điều trị bằng tia xạ....................................................47
3.3.3 Cơ sở và các khái niệm liên quan về liều trong xạ trị ..................48
CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN VỀ SỰ TƯƠNG TÁC CỦA CHÙM PHOTON
KHI TRUYỀN QUA VẬT CHẤT ...................................................................55
4.1. Sơ lược về cấu tạo não.................................................................................55
4.1.1 Sự phát triển của não............................................................................55
4.1.2 Mô tả cấu tạo não.................................................................................55
4.1.3 Các chức năng của bộ não....................................................................58
4.2 Các bệnh lý về não ......................................................................................59
4.2.1 Phân loại .............................................................................................59
4.2.2 Nguyên nhân của u não .......................................................................60
4.2.3 Hình ảnh lâm sàng và cận lâm sàng của u não......................................60
4.2.4 Điều trị .................................................................................................64
4.3 Bệnh lý dị dạng mạch máu não....................................................................65
CHƯƠNG 5: CẤU TẠO VÀ QUY TRÌNH VẬN HÀNH THIẾT BỊ LEKSELL
GAMMA KNIFE .................................................................................................66
5.1 Cấu tạo của Leksell Gamma Knife ......................................................66
5.2 Quy trình tính liều xạ cho bệnh nhân....................................................68
5.2.1 Các bước trong quy trình tính liều xạ.........................................68
5.2.2. Cách tính liều cho tổn thương bằng phần mềm Leksell Gamma
Plan (LGP)

..........................................................................................................69

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU CỦA DAO GAMMA

LEKSELL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO......................................72
6.1. Giới thiệu phương pháp Monte Carlo và phần mềm mô phỏng PENELOPE
.....................................................................................................................72
6.1.1 Phương pháp Monte Carlo ..............................................................72
6.1.2 Mô phỏng sự dịch chuyển bức xạ....................................................74
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

8

6.1.2.1 Mô hình tán xạ và phân bố xác suất........................................74
6.1.2.2 Tạo những vết ngẫu nhiên ......................................................77
6.1.2.3 Sự dịch chuyển hạt – quá trình Markov ..................................80
6.1.3 MCNP ............................................................................................81
6.1.4 Chương trình PENELOPE ..............................................................82
6.1.4.1 Tổng quan về PENELOPE .....................................................82
6.1.4.2 Chương trình PENDOSES......................................................84
6.1.4.3 Cài đặt....................................................................................84
6.2 Mơ hình dao gamma ..............................................................................88
6.2.1 Một kênh nguồn đơn trong dao gamma...........................................88
6.2.2 Mẫu dao gamma đầy đủ..................................................................96
6.2.2.1 Mẫu bề mặt đĩa nguồn: ...........................................................96

6.2.2.2 Cách lấy mẫu điểm nguồn .....................................................97
6.3 Mô phỏng dành cho nguồn điểm .............................................................98
6.3.1 Mơ tả cách tính ...............................................................................98
6.3.2 Đặt điểm tính..................................................................................100
6.4 Các kết quả và so sánh ............................................................................101
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ CÔNG VIỆC TRONG TƯƠNG LAI.........108
7.1 Kết luận.....................................................................................................108
7.2 Hướng phát triển........................................................................................109
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................110

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

9

DANH SÁCH HÌNH VẼ
 Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý hoạt động của Gamma Knife.
 Hình 1.2: Dao gamma tại BV Chợ Rẫy (TP HCM).
 Hình 2.1: Đồ thị chu kỳ bán rã.
 Hình 3.1 Phổ bức xạ năng lượng điện từ (nguồn NASA).
 Hình 3.2: Hiệu ứng quang điện.
 Hình 3.3: Quá trình tán xạ Compton.

 Hình 3.4: Hiệu ứng tạo cặp.
 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của tiết diện tương tác tồn phần vào năng lượng của
photon gamma Eγ.
 Hình 3.6: Đường cong liều - độ sâu tính theo phần trăm đối với phép chiếu
trong nước.
 Hình 3.7: Đường cong liều- độ sâu tính theo phần trăm đối với phép chiếu xạ
electron.
 Hình 3.8 Phân bố liều trong nước dày 20 cm ( chiếu xạ từ hai phía).
 Hình 4.1: Não và các cấu trúc kề cận: Não thất chứa đầy dịch não tủy, tủy sống,
màng não, sọ.
 Hình 4.2: Các phần quan trọng của não bộ: Não, tuyến tùng, tuyến yên, thân
não, tiểu não, tuỷ sống.
 Hình 4.3: Hình ảnh u não.
 Hình 5.1: Leksell Gamma Knife – mẫu C.
 Hình 5.2: Mặt cắt ngang của LGK.
 Hình 5.3: Chương trình tính liều bằng Gamma Plan.
 Hình 6.1: Góc lệch trong hiện tượng tán xạ đơn.
 Hình 6.2: Cây thư mục của hệ code PENELOPE.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

10

 Hình 6.3: Biểu đồ của chương trình chính (main program) để mơ phỏng chùm
electron-photon với Penelope.
 Hình 6.4: Zubal head phantom.
 Hình 6.5: Tiết diện ngang của một kênh đơn với mũ chụp 18mm.
 Hình 6.6: File cấu trúc hình học pendoses.geo.
 Hình 6.7: File đầu vào pendoses.in.
 Hình 6.8 File đầu ra pendoses.dat.
 Hình 6.9: Bề mặt đĩa nguồn trực giao tới.
 Hình 6.10: Mẫu điểm nguồn.
 Hình 6.11: Mơ tả cách tính liều trên phatom.
 Hình 6.12: Cách lấy mẫu kích thước phantom.
 Hình 6.13: Mặt đáy dưới của collimator có tính đối xứng trụ.
 Hình 6.14: So sánh liều lượng kênh đơn khi nguồn điểm đặt tại tâm.
 Hình 6.15: Liều lượng tương đối theo bán kính r (4mm, đĩa nguồn).
 Hình 6.16: Liều lượng tương đối theo bán kính r (8mm, đĩa nguồn).
 Hình 6.17: Liều lượng tương đối theo bán kính r (14mm, đĩa nguồn).
 Hình 6.18: Liều lượng tương đối theo bán kính r (18mm, đĩa nguồn).
 Hình 6.19: Phân bố liều theo độ sâu tại trục z của 4 lớp vật chất.
 Hình 6.20: Các đường đẳng liều trong lớp não.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

11

DANH SÁCH SƠ ĐỒ BẢNG BIỂU
Bảng 1: Thống kê các nguồn phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị.
Bảng 2: Hệ số chất lượng của các loại bức xạ.
Bảng 3: Các đường kính mũ chụp ngõ vào và ra.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

12

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI

THIỆU CHUNG

Khi có các dấu hiệu như đau đầu kéo dài, mắt mờ, tay chân yếu, liệt, hay nơn ói,
… người bệnh hãy nghĩ ngay đến các bệnh lý về não. Các bệnh lý về não như u não, dị

dạng động tĩnh mạch não là các bệnh thường gặp của thần kinh ngoại khoa và tỉ lệ tử
vong cũng rất cao.
Ở não hay có các u tuy rất nhỏ nhưng chèn ép các dây thần kinh, gây ra nhiều
bệnh như: bại liệt, tai biến mạch máu não, run chân tay. Mặt khác, hệ thống các mạch
máu (động mạch, tĩnh mạch) bình thường tạo thành một mạng đều đặn, chi chít chạy
khắp cơ thể để đưa máu đi về ni các tế bào. Vì một lý do nào đó các mạch máu bị
rối, lúc đó, chúng khơng thực hiện được nhiệm vụ lưu thông máu, mà ngược lại làm
thành một bướu có thể chèn ép, ảnh hưởng đến hoạt động của dây thần kinh. Trong y
học, những chỗ rối như vậy thường gọi tắt là dị tật (AVM - arterovenous
malformation) của động, tĩnh mạnh. Những u nhỏ, AVM… ở não là nguyên nhân gây
ra nhiều bệnh như chứng đau nửa đầu, bại tay, rỉ máu não dẫn đến tai biến, đột quỵ…
U não là khối u nằm trong sọ, chiếm tới 8% các u trong cơ thể và chiếm 10%
trong các bệnh lý thần kinh. Nước ta chưa có điều tra về dịch tễ học. Tại Mỹ, theo
Fetell (1995), tỷ lệ mắc 16/100.000 dân và theo Fred Hochberg (1994), số ca tử vong
hằng năm là 90.000 người.
Trong những năm gần đây, tỷ lệ bệnh nhân bị mắc bệnh u não và dị dạng động,
tĩnh mạch gia tăng khá nhiều, theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) thống kê năm 2008,
hằng năm, cứ 10.000 người thì có từ 3-5 người bị mắc u não và con số này ngày càng
tăng. Hiện nay, đại bộ phận nhân dân chưa có hiểu biết về bệnh u não, vì thế mà nhiều
bệnh nhân khơng được chẩn đốn và chữa trị kịp thời, đã dẫn tới những cái chết oan
uổng không đáng có. Năm 2003 Bệnh viện Đại Học Y Dược Tp.HCM đã ứng dụng
phương pháp mới trong điều trị dị dạng động, tĩnh mạch đó là phương pháp can thiệp

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

13

nội mạch và bơm keo để tắc mạch. Tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa chứng minh
được tỷ lệ thành công, một số bệnh nhân vẫn bị tái phát sau một thời gian điều trị.
Tại Bệnh viện Chợ Rẫy Tp.HCM tính đến trước cuối năm 2006, phương pháp
hữu hiệu nhất để chữa u não là phẫu thuật, nhưng rất khó cắt bỏ hoàn toàn khối u ở não
và rất dễ xảy ra tai biến. Nếu loại bỏ hết khối u, bác sĩ sẽ phải cắt bỏ các mô thần kinh
trên diện rộng, ảnh hưởng đến hoạt động thần kinh của nhiều cơ quan khác. Tỷ lệ thành
công chỉ khoảng 50%. Một số ca mổ thành cơng nhưng do khơng có biện pháp điều trị
hỗ trợ hậu phẫu nên không mang lại kết quả như mong muốn. Chính vì vậy, nếu một
bệnh nhân u não có thể chữa bằng một trong hai cách, xạ trị bằng máy dao tia X (XKnife) và phẫu thuật thì các chuyên gia khuyên nên chọn xạ trị vì phương pháp này an
tồn hơn, ít biến chứng, khơng xâm lấn mà hiệu quả cao hơn. Tuy nhiên đến tháng 10
năm 2006 khi hệ thống xạ phẫu dao tia gama (Gamma Knife) được đưa vào sử dụng tại
Bệnh viện Chợ Rẫy thì bệnh nhân mắc các bệnh lý u não, dị dạng động, tĩnh mạch có
thêm một phương pháp điều trị nữa ít xâm lấn và gần như khơng có tai biến là phương
pháp xạ phẫu Gamma Knife. So với xạ trị bằng máy X-Knife thì xạ phẫu Gamma
Knife là phương pháp hiện tiên tiến hơn rất nhiều, xạ phẫu Gamma Knife giúp bảo tồn
chức năng của các vùng lân cận tổn thương trong não, ít gây tai biến. Khi xạ trị bằng
máy X-Knife tia X sẽ quét qua tất cả các vùng lân cận trước khi đến vùng tổn thương
nên gây ra rất nhiều tác dụng phụ, một tác dụng phụ mà chúng ta thường thấy khi xạ trị
cho bệnh nhân u não là bệnh nhân sẽ rụng hết tóc. Với xạ phẫu Gamma Knife năng
lượng tia Gamma chỉ tập trung chính xác tại vùng tổn thương chứ khơng gây ảnh
hưởng đến các vùng xung quanh do đó ít gây tác dụng phụ. Như vậy so với phẫu thuật
và xạ trị X-Knife xạ phẫu Gamma Knife là phương pháp điều trị tốt nhất và hiệu quả
nhất cho các bệnh lý như u não, dị dạng động, tĩnh mạch não.
Năm 1968, giáo sư LarsLeksell và Borje Larson (Thụy Điển) mới thấy khi các

tia gamma hội tụ tại một điểm thì sẽ tăng liều phóng xạ tại nơi đó mà không gây chảy
máu, nhiễm khuẩn. Nhiệt lượng lớn tại nơi hội tụ có thể tiêu diệt được các khối u bệnh
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

14

lý. Hội tụ các tia gamma nhỏ vào các tổ chức bệnh lý trong não sẽ tiêu diệt được chúng
mà không làm hại mơ lành. Lúc này tia Gamma đóng vai trị như một dao mổ.
Như vậy trên thế giới, việc phẫu thuật bằng dao gamma đã có từ năm 1968. Vài
năm gần đây, kỹ thuật này mới được một số bệnh viện lớn ở nước ta thực hiện, như
Bệnh viện Chợ Rẫy (TP. Hồ Chí Minh), Bệnh viện Bạch Mai (Hà Nội)...
Trải qua gần 50 năm phát triển, Gamma Knife vẫn giữ được vị trí phương pháp
điều trị tốt nhất cho các bệnh lý u não.Với nguồn xạ Cobalt 60 mục đích chính của thiết
bị Leksell Gamma Knife là cung cấp liều hấp thụ tại vị trí tổn thương trong não tốt nhất
và liều hấp thụ tại các mô lành lân cận là nhỏ nhất nhằm hạn chế đến mức tối đa
những tai biến cho bệnh nhân. Để đạt được mục tiêu trên, việc nghiên cứu cấu tạo não,
bản chất của tia xạ và các tác dụng sinh học của bức xạ đối với cơ thể sống là hết sức
quan trọng.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

15

CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài này là MƠ PHỎNG TÍNH LIỀU LƯỢNG
ĐIỀU TRỊ TRONG XẠ TRỊ BẰNG GAMMA LEKSELL KNIFE (LGK) BẰNG
CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE. Luận văn này sẽ đặt ra nền móng cho việc ứng
dụng chương trình PENDOSE trong tương lai để tính liều lượng, mật độ hạt, khảo sát
với các mức năng lượng khác nhau,... bằng cách sử dụng chương trình ORIGIN để xử
lý, so sánh các số liệu kết quả có được từ chương trình PENDOSE để tính toán liều
lượng hấp thụ. Những mục tiêu đối với việc mơ phỏng liều lượng hấp thụ bao gồm 5
mục đích ở dưới:

 Tìm hiểu tổng quan phương pháp xạ phẫu Gamma Knife.
 Tìm hiểu sơ bộ cấu tạo não và các bệnh lý về não đáp ứng tốt với xạ phẫu
Gamma Knife.
 Khảo sát cơ sở vật lý về sự tương tác của photon khi truyền qua vật chất.
 Mô phỏng tính liều lượng khi xạ trị bằng dao gamma leksell bằng chương trình
PENELOPE.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

16

PHẦN 2: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ GAMMA KNIFE
1.1 Định nghĩa Gamma Knife:
Gamma Knife là một thiết bị y tế kỹ thuật cao, định vị 3 chiều, sử dụng năng
lượng bức xạ gamma để điều trị các sang thương (lesions) trong não. Việc điều trị được
thực hiện bằng cách hội tụ chính xác 201 chùm tia gamma năng lượng cực cao vào vị
trí sang thương để tiêu hủy dần dần sang thương và hồn tồn khơng cần dùng đến dao
mổ.
Đặc biệt ưu điểm của gamma knife là rất hiệu quả khi được chỉ định điều trị
trong u não, trong các bệnh lý khác về não như: các khối u nguyên phát di căn vào não;
u màng não, u thần kinh, u tuyến yên, u sọ, các u lành ở nền sọ, u vùng tuyến tùng và
tuyến yên, các dị dạng động tĩnh mạch... mà không làm tổn thương tới trung ương thần
kinh chung quanh như phương pháp mổ thông thường. Tỷ lệ dùng cho các bệnh: u lành
29%-32%, u ác trong sọ: 31-36%, rối loạn chức năng và đau 2%.
Nguyên lý hoạt động LGK: chùm photon gamma có năng lượng cao có khả
năng xuyên sâu qua hộp sọ và hội tụ tại một điểm ( tổ chức bệnh lý cần phá hủy). Tại
điểm đó chùm tia hội tụ có cường độ phóng xạ đủ lớn để tiêu diệt khối u đồng thời ảnh
hưởng đến các mô lành xung quanh rất nhỏ (Hình 1.1)

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

17

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Gamma Knife.
Các ưu điểm của Gamma knife:
Gamma Knife dùng để mổ các tổn thương, u não (u dây thần kinh thính giác, u
tuyến yên, u sao bào, màng não…) bằng cách hội tụ chính xác vị trí sang thương và
phá huỷ sang thương mà không làm tổn thương tới trung ương thần kinh xung quanh
như phương pháp mổ thông thường và xạ trị. Vì vậy, có thể điều trị các tổn thương gần
mạch máu hoặc các trung khu thần kinh quan trọng.
Không gây đau do khơng có vết mổ (khơng có vết mổ - thẹo, khơng cần cạo
tóc).
Chỉ 2 ngày sau phẫu thuật, bệnh nhân có thể sinh hoạt bình thường, ưu điểm này
giúp bệnh nhân không quá lo lắng và mất nhiều thời gian do bệnh tật.
Bệnh nhân sử dụng kỹ thuật này sẽ tránh được rủi ro và biến chứng nguy hiểm
như nhiễm khuẩn hay nguy cơ liên quan đến gây mê (đặc biệt đối với người bị bệnh
tim hoặc lớn tuổi).
Tỷ lệ thành công của kỹ thuật mổ này đối với những ca bệnh dị dạng mạch máu
não là 90%. Chưa có trường hợp nào nhiễm trùng hoặc tử vong qua điều trị.
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

18

Tuy nhiên, dao mổ gamma cũng có những hạn chế sau:
Khơng phải u não nào cũng phẫu thuật được bằng dao gamma. Tổng kết cho
thấy phẫu thuật bằng dao gamma chỉ hiệu quả ở những u có đường kính dưới 5cm.
Điều này cũng có nghĩa là chỉ có hiệu quả khi phát hiện điều trị sớm, chứ không phải
điều trị được bất cứ khối u não ở bất cứ giai đoạn nào.
Trong phẫu thuật bằng dao gamma, trường chiếu của tia gamma hẹp nên không
thể dùng phẫu thuật cho các khối u ngồi não. Ngày nay với những u ngồi não có các
phương pháp xạ trị mới như máy xạ trị ngoài bằng Cobalt 60, máy xạ trị gia tốc.
Những máy này có liều cao, trường chiếu rộng, có thể hiệu chỉnh liều theo ý muốn.
Để dùng được dao gamma cần phải có sự chẩn đốn và vận hành thiết bị đúng.
Do đó địi hỏi phải có các máy chẩn đốn CT, MRI, SPECT, khơng có các máy này thì
khơng thể có ảnh đưa vào lập trình. Phải có các chun gia giỏi như các thầy thuốc
chuyên khoa về xạ trị, ung bướu, thần kinh, chẩn đốn hình ảnh. Phải có đội ngũ vận
hành máy tốt bao gồm các thầy thuốc, kỹ sư, kỹ thuật viên giỏi. Nếu khơng có các điều
kiện này mà sắm dao mổ gamma sẽ lãng phí.
Cần coi dao mổ gamma như một trong những cách xạ trị, phải được chỉ định
đúng, khơng lạm dụng.
Trong đó, việc lập kế hoạch và điều trị với Gamma knife phải rất chính xác, cẩn

thận, địi hỏi người thao tác phải có trình độ kỹ thuật cao, làm việc kết hợp chặt chẽ với
các bác sĩ. Một sai sót nhỏ trong quá trình thao tác có thể gây tác hại rất lớn. Vì thế
việc tính liều chính xác là vơ cùng quan trọng. Đây chính là lý do hình thành luận văn
này.
1.2 Lịch sử Gamma Knife:
Năm 1951, Giáo sư Lars Leksell, người Thụy Điển, lần đầu tiên giới thiệu khái
niệm “tia hoạt động theo stereotatic” dùng nhiều photon năng lượng cao để phá hủy
các mơ của điểm đích, đảm bảo an tồn cho mô lành ở xung quanh. Giáo sư Lars
Leksell là người đầu tiên phát minh ra nguyên lý hoạt động của Gamma Knife.
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

19

Năm 1967, dựa vào phát minh của Giáo sư Lars Leksell, công ty ELEKTA
Thụy Điển đã sản xuất thành công Gamma Knife và đưa vào sử dụng chữa trị cho bệnh
nhân đầu tiên ở nhà máy hạt nhân Studsvik. Dao Gamma với nguồn Cobalt 201, phóng
xạ 60, độ chính xác 0,1mm, hệ thống kiểm tra, định vị và thao tác bằng phần mềm vi
tính chuyên dụng.
Năm 1968, dao Gamma được triển khai điều trị tại Đại học Uppsala và năm
1975 được sử dụng tại bệnh viện Karolinska, Thụy Điển. Năm 1980 được sử dụng ở
Argentina, vương quốc Anh. Và từ năm 1993, dao Gamma càng được sử dụng rộng rãi

ở tất cả các châu lục. Do tính ưu điểm và vượt trội của dao Gamma 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 dao Gamma ngày càng được sử dụng nhiều hơn. Đến năm 2001 trên thế
giới có 147 trung tâm dao Gamma và đến năm 2004 số trung tâm dao Gamma 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. Mỗi trung tâm dao Gamma hàng năm điều trị
khoảng 200 đến 600 bệnh nhân.
Tại Việt Nam năm 2006 là một năm rất đáng nhớ trong lĩnh vực xạ phẫu khi ở
cả 3 miền Bắc, Trung, Nam đều khánh thành các trung tâm xạ phẫu kỹ thuật cao.
Tháng 05 năm 2006 hệ thống Cyber Knife được đưa vào sử dụng tại bệnh viện TW
Quân Đội 108. Ngày 16 tháng 08 năm 2006, bệnh nhân đầu tiên được điều trị bằng
máy Gamma thân tại bệnh viên đại học Y Khoa Huế và đến tháng 10 năm 2006 Đơn vị
Gamma Knife trực thuộc khoa Ngoại Thần Kinh được thành lập tại bệnh viện Chợ
Rẫy. Ngoài chức năng điều trị các bệnh lý về não thiết bị Cyber Knife và Gamma thân
cịn có khả năng điều trị tổn thương ở các vị trí khác trên khắp cơ thể. Tuy không đa
năng về vùng điều trị nhưng hệ thống Leksell Gamma C tại bệnh viện Chợ Rẫy có ưu
thế hơn cả vì hệ thống này được cơng ty Elekta Thụy Điển sản xuất và phân phối trên
toàn thế giới và hiệp hội Gamma Knife thế giới công nhận đơn vị Gamma Knife của

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

20

bệnh viện Chợ Rẫy là trung tâm duy nhất tại Việt Nam trong hơn 4000 trung tâm trên
tồn thế giới.

Hình 1.2: Dao gamma tại BV Chợ Rẫy (TP HCM)
Như vậy, hiện nay tại Việt Nam có một số đơn vị đã trang bị dao gamma là
bệnh viện Trung Ương Huế, bệnh viện Chợ Rẫy, … bệnh viện Trung Ương Huế có cả
dao gamma đầu và dao gamma thân. Hệ thống gamma quay được trang bị tại bệnh viện
Bạch Mai (Hà Nội).
Các mốc lịch sử:
 1948 : máy gia tốc 3,5 MeV được phát triển.
 1949 : hệ thống xạ phẫu Leksell đầu tiên được giới thiệu.
 1951 : hệ thống xạ phẫu Leksell được sử dụng lần đầu tiên để chiếu tia X
vào não.
 1963 : bệnh nhân đầu tiên được điều trị với máy gia tốc .
 1968 : hệ thống Leksell Gamma Knife lần đầu tiên được giới thiệu cho công
tác nghiên cứu khám chữa bệnh.
 1972 : Giáo sư Leksell thành lập công ty thiết bị Elekta AB tại Thụy Điển .
 1983 : chi nhánh đầu tiên của Elekta được thành lập tại Mỹ.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

21

 1985 : máy gia tốc kỹ thuật số hoàn thiện đầu tiên được giới thiệu.
 1986 : hệ thống Leksell Gamma Knife được bán ra thị trường.
 1989 : tổ chức Gamma Knife thế giới được thành lập.
 1994 : công ty Elekta AB nhận giải thưởng của Nữ hoàng Thụy Điển cho các
thành tựu khoa học.
 1996 : hệ thống khung định vị trên đầu bệnh nhân và hệ thống định vị tự
động APS được phát minh và sử dụng cho đến ngày nay.

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VẬT LÝ VỀ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ
VÀ NGUỒN CO-60
2.1 Cấu trúc của hạt nhân, nguyên tử:
Nguyên tử là phần tử hóa học nhỏ nhất khơng thể phân chia cấu tạo nên vật chất.
Mỗi loại ngun tử có tính chất vật lý và hóa học đặc trưng và tạo nên một nguyên tố

hóa học. Mỗi nguyên tố có một nguyên tử số xác định. Do trong các phản ứng hóa học,
ngun tử là phần tử nhỏ nhất khơng phân chia được, ý nghĩa này mang lại tên gọi
nguyên tử, "phần tử luôn giữ nguyên". Tuy nhiên, trong một số tương tác vật lý,
nguyên tử có thể được tách ra thành các thành phần nhỏ bé hơn, gọi là các hạt hạ
nguyên tử. Có ba loại hạt cấu tạo nên các nguyên tử:
1. Electron mang điện âm
2. Proton mang điện dương
3. Neutron khơng mang điện
Mơ hình ngun tử được chấp nhận ngày nay như sau:


Nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm
nguyên tử và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh.



Hạt nhân được tạo thành từ các hạt proton mang điện tích dương và các hạt
neutron khơng mang điện. Mỗi nguyên tố chỉ có một số proton duy nhất nhưng
có thể có số neutron khác nhau (các nguyên tố này được gọi là các đồng vị). Hạt
nhân của điện tử chiếm một vùng không gian rất nhỏ bé so với nguyên tử. Nếu
coi hạt nhân là một quả cầu bán kính 1 m đặt tại Hà Nội thì điện tử to bằng hạt
cát ở gần nhất cũng cách đó 100 km, tức là ở Hải Phịng.



Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo. Sự sắp xếp của
các quỹ đạo trong nguyên tử được gọi là cấu hình điện tử. Mỗi quỹ đạo được
đặc trưng bởi ba số lượng tử là: số lượng tử chính, số lượng tử quỹ đạo và số

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

23

lượng tử từ. Trên mỗi quỹ đạo có thể có hai điện tử, nhưng hai điện tử này phải
có một số lượng tử thứ tư là spin khác nhau.


Các quỹ đạo của điện tử không phải là những đường cố định mà là sự phân bố
xác suất mà các điện tử có thể có mặt.



Các điện tử sẽ chiếm các quỹ đạo có năng lượng thấp nhất (các quỹ đạo gần hạt
nhân nhất). Chỉ có các điện tử ở lớp ngồi cùng mới có khả năng tham gia để
tạo các liên kết hóa học.

Hạt nhân ngun tử, cịn được gọi tắt là hạt nhân, là cấu trúc vật chất đậm đặc
(có mật độ cực lớn - đạt đến 100 triệu tấn trên một centimet khối), chiếm khối lượng
chủ yếu (gần như là toàn bộ) của nguyên tử. Về cơ bản, theo các hiểu biết hiện nay thì
hạt nhân ngun tử có kích thước nằm trong vùng giới hạn bởi bán kính cỡ 10-15 m,
được cấu tạo từ hai thành phần sau:



Proton: là loại hạt mang điện tích +1e=1.602 × 10−19 C, có khối lượng bằng
1.67262158 × 10−27 kg (938.278 MeV/c²) và spin +1/2. Trong tiếng Hy Lạp,
proton có nghĩa là "thứ nhất". Proton tự do có thời gian sống rất lớn, gần như là
bền vĩnh viễn. Tuy nhiên quan điểm này vẫn cịn một số hồi nghi trong vật lý
hiện đại.



Nơtron: là loại hạt khơng mang điện tích, có khối lượng bằng 1.67492716×10 -27
kg (939.571 MeV/c²) và spin +1/2, tức là lớn hơn khối lượng của proton chút ít.
Nơtron tự do có thời gian sống cỡ 10 đến 15 phút và sau đó nhanh chóng phân
rã thành một proton, một điện tử (electron) và một phản nơtrino.
Hạt nhân cấu tạo từ các proton và neutron. Proton và neutron được gọi chung là

nucleon. Các nucleon trong hạt nhân liên kết với nhau bằng lực hạt nhân. Các hạt nhân
có tỉ số giữa số proton và số neutron quá lớn hay quá bé thường không bền sẽ dần dần
biến đổi thành hạt nhân khác.
Tổng số proton trong một hạt nhân được gọi là số ngun tử (số chỉ vị trí của
một ngun tố hóa học trong bảng tuần hoàn, được xác định bằng số proton trong hạt
HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐH Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

1/2011

24

nhân của ngun tố đó), kí hiệu Z; tổng số proton và số neutron được gọi là số khối, kí
hiệu là A.
Một hạt nhân được đặc trưng bởi hai số Z và A. Ký hiệu hạt nhân: AX hay X-A.
Trong đó, X là kí hiệu của nguyên tố tương ứng với hạt nhân đó.
Ví dụ: 60Co, O-16…
2.2 Các vấn đề về phóng xạ:
2.2.1 Đồng vị và các loại phóng xạ:
Đồng vị là các dạng của cùng nguyên tố hóa học có cùng số nguyên tử (số
proton trong hạt nhân nguyên tử) nhưng có số khối khác nhau vì có chứa số neutron
khác nhau.
Tên gọi đồng vị có nguồn gốc từ việc các đồng vị đều nằm cùng một vị trí trong
bảng tuần hoàn.
Tên khoa học của các đồng vị được viết với tên của nguyên tố theo sau là dấu
trừ và số nucleon (proton và neutron). Ví dụ heli-3, cacbon-12, cacbon-14, iốt-131,
urani-238. Ở dạng ký hiệu, số nucleon được viết theo kiểu chỉ số trên ngay trước ký
hiệu hóa học của nguyên tố. Ví dụ 3He, 12C, 14C, 131I, 238U.
Một nguyên tố có thể có hàng chục đồng vị khác nhau.
Các đồng vị phóng xạ có thể có nguồn gốc tự nhiên hay được tạo ra trong các
máy gia tốc hoặc trong lị phản ứng hạt nhân.
Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và
phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). Các ngun tử có
tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, cịn các ngun tử khơng phóng xạ gọi là
các đồng vị bền. Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (khơng có đồng
vị bền) gọi là ngun tố phóng xạ.
Tia phóng xạ theo nghĩa gốc là các dịng hạt chuyển động nhanh phóng ra từ
các chất phóng xạ (các chất chứa các hạt nhân nguyên tử không ở trạng thái cân bằng

HVTH : Nguyễn Thị Ngọc Thắm

GVHD : TS.Lý Anh Tú