Áp dụng chương trình penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị proton

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

NGUYỄN THỊ THÙY DUNG

ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MƠ PHỎNG
PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ PROTON
Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
Mã số: 60 52 04 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 28 tháng 07 năm 2018
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Trang 1


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------

---oOo--Tp. HCM, ngày 14 tháng 7 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ THÙY DUNG

MSHV: 7140319
Nơi sinh: Sóc Trăng

Ngày, tháng, năm sinh: 07/07/1989
Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
MN: 60 52 04 01
1- TÊN ĐỀ TÀI:

ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MƠ PHỎNG
PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ PROTON
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Trình bày lý thuyết về: đặc điểm của chùm tia proton, đặc điểm của chùm tia
proton dùng trong xạ trị, cơ sở lý thuyết phương pháp Monte Carlo trong mô
phỏng proton, so sánh phương pháp xạ trị proton với các phương pháp khác.

• Sử dụng Penelope để mơ phỏng tính tốn phân bố liều của chùm proton trong
các phantom. Sử dụng Origin để xử lý tín hiệu đầu ra của chương trình
Penelope.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18-01-2018
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14-7-2018
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)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Trang 2

Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại khoa Khoa học Ứng dụng chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật,
trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, tơi đã được sự giảng dạy tận tình của
các thầy cô. Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt
thời gian học tập tại trường.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Lý Anh Tú, người đã định hình cho tơi hướng
đi để tơi lựa chọn đề tài này và đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét, góp ý giúp tơi
có thể hồn chỉnh luận văn.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Anh Duy đã có những ý kiến đóng góp quý báu
và nhiệt tình trong quá trình thực hiện luận văn.
Lời cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình bạn bè của tơi, những người đã ln
ủng hộ, động viên tơi trong suốt thời gian qua.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018
Nguyễn Thị Thùy Dung

Trang 3


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của cơng nghệ, y học
cũng có có nhiều bước tiến quan trọng trong điều trị. Rất rõ để nhìn thấy rằng, ngày càng
nhiều liệu pháp được sử dụng để giúp bệnh nhân thoát khỏi một số bệnh nguy hiểm đặc
biệt là các bệnh về ung thư, và một trong những liệu pháp nổi bật là xạ trị bằng proton.

Với sự trình bày lý thuyết về đặc điểm vật lý và sinh học của chùm proton cũng như đặc
điểm của chúng được sử dụng trong xạ trị, luận án này cũng sẽ trình bày phương pháp
Monte Carlo trong mô phỏng proton và so sánh liệu pháp xạ trị proton với các phương
khác. Bằng cách này, chương trình PENH của Penelope được sử dụng để mô phỏng sự
phân bố liều chùm proton trong các loại phantom với các mức năng lượng khác nhau. Kết
quả của nghiên cứu này cho thấy chương trình PENH rất phù hợp để mơ phỏng chùm
proton.
Từ khóa: proton, Penelope, PENH, Bragg, mô phỏng.

ABSTRACT

In recent years, with rapidly increasing technology there are numerous significant
advances in medical treatments. It’s obvious to see that more and more kinds of nuclear
therapy are used to treat many dangerous diseases especially many types of cancer, and
one of outstanding method is proton radiation therapy. Based a brief summary of physical
and biological principles of proton beams as well as their characteristics used in radiation
therapy, this thesis present the proton simulation using Monte Carlo method and
comparison of proton radiation therapy with others. In this content, Penelope's PENH
program is used to simulate the distribution of proton beams doses in phantom types with
different energies. The results of this study show that the PENH program is well suited to
simulate a proton beam.

Key words: proton, Penelope, PENH, Bragg, simulation.

Trang 4


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ khoa học “ Áp dụng chương trình Penelope
để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton”là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Những số liệu được sử dụng trong luận văn là trung thực được chỉ rõ nguồn
trích dẫn. Kết quả nghiên cứu này chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu
nào từ trước đến nay.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 7

năm 2018

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Thị Thùy Dung

Trang 5


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ...................................................................................2
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................................3
TÓM TẮT ............................................................................................................................4
MỤC LỤC............................................................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...............................................................................................11
DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................12
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................................14
MỞ ĐẦU............................................................................................................................15
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................................17
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU TRỊ: ....18

1.1. Tổng quan về ung thư: ..........................................................................................18
1.1.1.

Ung thư: ......................................................................................................18

1.1.2.

Các nguyên nhân gây ra bệnh ung thư: ......................................................19

1.1.3.

Thực trạng bệnh ung thư [4].......................................................................19

1.2. Các phương pháp điều trị bệnh ung thư [2] .........................................................20
1.2.1.

Phẫu thuật: ..................................................................................................20

1.2.2.

Hóa trị:........................................................................................................21

1.2.3.

Xạ trị:..........................................................................................................21

1.2.4.

Phương pháp phối hợp: ..............................................................................22

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ PROTON VÀ PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ PROTON: .23
2.1. Tổng quan về proton: ..............................................................................................23
2.1.1. Proton: ..............................................................................................................23
2.1.2. Tương tác proton với vật chất: .........................................................................23
2.1.2.1. Tiêu hao năng lượng do kích thích và ion hóa [7] ....................................24
2.1.2.2. Tiêu hao năng lượng do tương tác hạt nhân: ............................................25
2.1.2.3. Tương tác tán xạ: ......................................................................................26
2.1.2.4. Quan hệ giữa độ dài đường đi và năng lượng của proton:........................27
2.1.2.5. Độ mất năng lượng riêng: .........................................................................28
2.1.2.6. Proton thâm nhập vào mô: ........................................................................30
2.1.2.7. Liều proton và phép đo liều proton: ..........................................................31
2.1.3. Tác dụng sinh học của proton: .........................................................................33
2.1.3.1. Cơ chế tác động của proton: .....................................................................33
Trang 6


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
2.1.3.2. Các mối quan hệ liều lượng – đáp ứng: ....................................................34
2.1.3.3. Hệ số truyền tải năng lượng tuyến tính:....................................................35
2.1.3.4. Hiệu suất sinh học tương đối: ...................................................................35
2.1.3.5. Cơ sở lý luận cho việc sử dụng proton với RBE 1.1 trong lâm sàng: ......36
2.1.3.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến RBE: ...............................................................37
2.1.3.7. Giá trị liều sinh học đồng nhất tương đương: ..........................................38
2.2. Phương pháp xạ trị proton: .....................................................................................39
2.2.1. Tình hình nghiên cứu: ......................................................................................39
2.2.2. Phương pháp tạo ra chùm tia proton [5]: .........................................................40
2.2.2.1. Nguồn proton: ...........................................................................................40
2.2.2.2. Máy gia tốc proton: ...................................................................................40
2.2.3. Đặc điểm của chùm tia proton: ........................................................................46
2.2.3.1. Hệ thống vận chuyển chùm tia [6]: ...........................................................46

2.2.3.2. Hệ thông che chắn vận chuyển chùm tia: .................................................47
2.2.3.3. Phân phối liều proton: ...............................................................................48
2.2.3.4. Thông số kỹ thuật của chùm tia: ...............................................................48
2.2.3.5. Năng lượng chùm tia và xử lý chùm tia:[6] ..............................................49
2.2.3.6. Kích thước trường: ....................................................................................50
2.2.3.7. Suất liều: ...................................................................................................50
2.2.4. So sánh xạ trị proton và các phương pháp xạ trị khác: ....................................52
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE:
............................................................................................................................................56
3.1. Phương pháp Monte Carlo [6]: ...............................................................................56
3.1.1. Thuật toán và mã Monte Carlo cho vận chuyển proton:..................................56
3.1.1.1. Phương pháp Monte Carlo: ......................................................................56
3.1.1.2. Theo dõi hạt sử dụng Monte Carlo ..........................................................56
3.1.1.3. Xử lý các hạt thứ cấp: ..............................................................................57
3.1.1.4. Định nghĩa vật lý proton: .........................................................................58
31.1.5. Dữ liệu đầu vào, đầu ra trong mô phỏng Monte Carlo: .............................59
3.1.1.6. Mã Monte Carlo: .......................................................................................60
3.1.2. Độ chính xác của mã Monte Carlo: .................................................................60
3.1.2.1. Sai số do mơ hình vật lý:...........................................................................60
3.1.2.2. Độ không chắc chắn do các hằng số vật liệu: ...........................................61
Trang 7


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
3.1.2.3. Phép đo xác nhận tính toán liều proton: ...................................................61
3.1.2.4. Phép đo xác nhận cho tương tác hạt nhân của proton: .............................61
3.1.3. Sử dụng phương pháp Monte Carlo để nghiên cứu các hiệu ứng tán xạ của
proton: ........................................................................................................................62
3.1.4. Việc sử dụng Monte Carlo cho thiết kế đường chùm tia: ................................62
3.1.5. Việc sử dụng Monte Carlo để đảm bảo chất lượng: ........................................62

3.1.6. Các ứng dụng khác của phương pháp Monte Carlo: .......................................63
CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG VÀ TÍNH PHÂN BỐ LIỀU THEO ĐỘ SÂU CỦA CHÙM
TIA PROTON: ...................................................................................................................63
4.1. Cơ sở lý thuyết [36]: ...............................................................................................63
4.1.1. Các khái niệm cơ bản: ......................................................................................64
4.1.2. Va chạm đàn hồi: .............................................................................................65
4.1.2.1. Mặt cắt vi phân trong CM: ............................................................................65
4.1.2.2. Mặt cắt ngang trong khung L: .......................................................................71
4.1.3. Mô phỏng va chạm đàn hồi cứng:....................................................................75
4.1.3. Va chạm khơng đàn hồi: ..................................................................................77
4.1.3.1. Mơ hình GOS Sternheimer – Liljequist: ...................................................79
4.1.3.2. Năng lượng dừng của proton năng lượng cao: .........................................83
4.1.3.3. Mô phỏng các va chạm không đàn hồi cứng ............................................83
4.1.3.4. Tán xạ bởi các electron nguyên tử: ...........................................................84
4.1.3.5. Sắp xếp lại thành giá trị tham chiếu ..........................................................86
4.1.4. Cơ chế mô phỏng và vận chuyển hỗn hợp .......................................................88
4.1.5. Mô phỏng các sự kiện mềm .............................................................................88
4.1.6. Hấp thụ hạt nhân: .............................................................................................89
4.2. Tổng quan chương trình PENELOPE [44]: ............................................................90
4.2.1 Giới thiệu chương trình .....................................................................................90
4.2.2. Cấu trúc chương trình PENELOPE .................................................................91
4.2.2.1 Cơ sở dữ liệu và file vật chất nhập vào:.....................................................91
4.2.2.2 Cấu trúc của chương trình chính (MAIN program) ...................................93
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ........................................................................98
5.1. Đặt vấn đề: ..............................................................................................................98
5.2. Mô tả đặc tính của chùm proton và phantom:.........................................................99
5.2.1. Đặc tính chùm proton: .....................................................................................99
Trang 8

Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
5.2.2. Đặc tính của phantom: .....................................................................................99
5.3. Các bước thực hiện mơ phỏng: .............................................................................100
5.4. Mục đích mơ phỏng: .............................................................................................100
5.5. Kết quả mô phỏng và nhận xét: ............................................................................100
5.5.1. So sánh kết quả của luận văn với kết quả của E. Sterpin và các đồng sự ......100
5.5.2. Sự phụ thuộc của phân bố liều theo năng lượng proton: ...............................102
5.5.2.1. Đối với chùm proton 100MeV: ...............................................................102
5.5.2.2. Đối với chùm proton 150MeV: ...............................................................103
5.5.2.3. Đối với chùm proton 250MeV: ...............................................................104
5.5.2.4. Nhận xét: .................................................................................................105
5.5.3. Sự phụ thuộc phân bố liều theo vật liệu:........................................................106
5.5.3.1. Đối với phantom nước: ...........................................................................106
5.5.3.2. Đối với phantom mô: ..............................................................................107
5.5.3.3. Đối với phantom xương: .........................................................................107
5.5.3.4. Đối với phantom cơ vân:.........................................................................108
5.5.3.5. Nhận xét: .................................................................................................109
5.5.3. Sự phụ thuộc của phân bố liều vào khoảng cách từ nguồn đến phantom: .....112
5.5.3.1. Đối với khoảng cách 0cm: ......................................................................112
5.3.3.4. Đối với khoảng cách 10cm: ....................................................................112
5.5.3.2. Đối với khoảng cách 20cm: ....................................................................113
5.5.3.3. Đối với khoảng cách 40cm: ....................................................................113
5.5.3.4. Nhận xét: .................................................................................................114
5.6. Kết luận: ................................................................................................................114
5.7. Hướng phát triển đề tài: ........................................................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................116
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .............................................................................................120
PHỤ LỤC .........................................................................................................................121
1.Phân bố liều đối với chùm proton 100MeV, phantom nước: ...................................121
2.Phân bố liều đối với chùm proton 100MeV, phantom cơ:........................................124

3.Phân bố liều đối với chùm proton 100MeV, phantom mô: ......................................127
4.Phân bố liều đối với chùm proton 150MeV, phantom mô: ......................................131
5.Phân bố liều đối với chùm proton 250MeV, phantom mô: ......................................134
6.Phân bố liều đối với chùm proton 100MeV, phantom xương: .................................137
Trang 9


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

Trang 10


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Tỷ lệ mắc mới và tỷ lệ tử vong do ung thu trên toàn thế giới.
Bảng 2. So sánh giữa xạ trị ngoài và xạ trị áp sát.
Bảng 3. Các giá trị mật độ được lựa chọn cho các mô hữu cơ so với nước. Giá trị của k =
ρ/ρe cho biết mối quan hệ giữa mật độ khối lượng lớn và mật độ điện tử tương đối ứng
với số CT được đưa ra.
Bảng 4. So sánh các đặc điểm của các loại máy gia tốc.
Bảng 5. So sánh các thuộc tính liên quan đến các loại bức xạ trong xạ trị.

Trang 11


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Khi các tế bào bình thường bị tổn thương hoặc lão hóa thì chúng thường bị chết

hoặc kiếm chế tế bào; tuy nhiên, những tế bào ung thư bằng cách nào đó đã tránh những
con đường trên và tăng sinh khơng thể kiểm sốt.
Hình 2: Mơ hình Synchrotron
Hình 3: Ngun lý hoạt động của Cyclotron
Hình 4. Cơ chế gia tốc proton bằng laser
Hình 5. Sơ đồ bố trí hệ thống vận chuyển chùm tia proton
Hình 6. Phân bố liều lượng sâu cho các hạt khác nhau trong nước
Hình 7. Phân bố liều lượng của các loại bức xạ dùng trong xạ trị.
Hình 8. Kết quả mơ phỏng của E. Sterpin và các đồng sự về phân bố liều sâu của proton
đối với phantom nước với mức năng lượng 100MeV và 250MeV.
Hình 9. Kết quả mô phỏng của luận văn về phân bố liều sâu của proton đối với phantom
nước với mức năng lượng 100MeV và 250MeV.
Hình 10. Kết quả mơ phỏng của luận văn về phân bố liều sâu của proton đối với phantom
mơ với mức năng lượng 100MeV.
Hình 11. Kết quả mô phỏng của luận văn về phân bố liều sâu của proton đối với phantom
mô với mức năng lượng 150MeV.
Hình 12. Kết quả mơ phỏng của luận văn về phân bố liều sâu của proton đối với phantom
mô với mức năng lượng 250MeV.
Hình 13. So sánh phân bố liều sâu của proton đối với phantom mô với mức năng lượng
100MeV, 150MeV, 250MeV.
Hình 14. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom nước với mức năng lượng
100MeV
Hình 15. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom mô với mức năng lượng 100MeV
Hình 16. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom xương với mức năng lượng
100MeV
Hình 17. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom cơ vân với mức năng lượng
100MeV
Trang 12

Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
Hình 18. So sánh phân bố liều sâu của proton đối với phantom nước, mô, xương, cơ vân
với mức năng lượng 100MeV
Hình 19. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom nước với mức năng lượng
250MeV với khoảng cách 0cm
Hình 20. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom nước với mức năng lượng
250MeV với khoảng cách 20cm
Hình 21. Phân bố liều sâu của proton đối với phantom nước với mức năng lượng
250MeV với khoảng cách 40cm
Hình 22. So sánh phân bố liều sâu của proton đối với phantom nước với mức năng lượng
250MeV với khoảng cách 0cm, 20cm, 40cm

Trang 13


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
FWHM (full width at half maximum): Chiều rộng tối đa ở vị trí giá trị cực đại trung bình
RBE (Relative Biological Effectiveness): hiệu ứng sinh học tương đối.
SPOB (spread out Bragg peak): sự trải rộng của đỉnh Bragg
CT (Computed Tomography): chụp cắt lớp vi tính
DVH (Dose-Volume Histogram): biểu đồ liều khối
LET (linear energy transfer): năng lượng vận chuyển tuyến tính
EUD (Equivalent Uniform Dose): giá trị liều chuẩn hóa tương đương
gEUD (general Equivalent Uniform Dose) giá trị tổng quát liều sinh học chuẩn hóa tương
đương

Trang 14

Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

MỞ ĐẦU
Ứng dụng y học đầu tiên của bức xạ ion hóa sử dụng tia X từ năm 1895. Trong những
thập kỉ tiếp theo xạ trị trở thành một trong những lựa chọn chính trong điều trị ung thư.
Nhiều cải tiến đã được thực hiện liên quan đến cách quản lí các bức xạ bằng cách xem
xét các tác động sinh học ví dụ việc giới thiệu phương pháp xạ trị phân đoạn vào những
năm 1920 và 1930. Các tiến bộ kĩ thuật nhằm mục đích chủ yếu là giảm liều cho mô khỏe
mạnh trong khi vẫn duy trì hoặc tăng liều cho mơ bệnh. Lập kế hoạch điều trị bằng máy
tính, cải tiến hình ảnh, thiết lập mơ hình bệnh nhân là các kĩ thuật mới có ảnh hưởng tới
độ chính xác của việc phân phối chùm tia bức xạ trong quá trình xạ trị.
Một cách khác để giảm liều đối với các cấu trúc quan trọng là tận dụng các đặc tính
tích tụ của các loại phân tử khác nhau. Những lợi ích của phương pháp xạ trị bằng proton
so với xạ trị thông thường lần đầu tiên đã được vạch ra bởi Wilson năm 1946. Từ đó,
phương pháp điều trị sử dụng bức xạ proton đã tăng lên đáng kể. Lợi ích của phương
pháp xạ trị proton so với các phương pháp xạ trị khác được quan tâm như: phạm vi chiếu
xạ xác định, đặc tính liều phân bố theo chiều sâu thích hợp, proton có thể cung cấp liều
cao hơn cho khối u trong khi ảnh hưởng ít tới mơ lành xung quanh.
Tại Việt Nam hiện nay cũng đang quan tâm đến phương pháp xạ trị proton. Ngày
18/12/2017 Hội thảo khoa học “Ứng dụng xạ trị proton và hạt nặng trong điều trị ung
thư” được Bệnh viện K tổ chức, PGS.TS Trần Văn Thuấn – Giám đốc Bệnh viện K, cho
biết, hiện các phương pháp điều trị ung thư phổ biến bao gồm: Phẫu thuật, hố trị, xạ trị
và chăm sóc giảm nhẹ. Trong các phương pháp chữa trị xạ trị, phương pháp chữa trị xạ trị
proton và hạt nặng trong điều trị ung thư là phương pháp tiến tiến và hiện đại đã phổ biến
ở nhiều nước trên thế giới. Ở khu vực Đơng Nam Á, hiện chưa có nước nào được trang bị
và áp dụng phương pháp chữa trị xạ trị tiên tiến này.
Về ưu điểm của xạ trị proton và hạt nặng trong điều trị ung thư, PGS.TS Trần Văn Thuấn
phân tích: Phương pháp chữa trị xạ trị bằng ion nặng cho phép xạ trị những khối u kháng
với xạ trị khác như xạ trị Cobalt, xạ trị gia tốc… Bên cạnh đó, thời gian xạ trị ngắn hơn.

Nếu trước đây, một khối u ở phổi xạ trị gia tốc thơng thường phải mất 4-5 tuần thì với
phương pháp mới, chỉ một lần (khoảng 10 phút) là tan. Vì thời gian nhanh hơn, nên
phương pháp này vừa tăng tỷ lệ chữa khỏi ung thư cho bệnh nhân, vừa giảm tải được
lượng bệnh nhân xạ trị.
Qua nhiều nghiên cứu, ứng dụng lâm sàng, tỷ lệ bệnh nhân điều trị bằng ion nặng có kích
thước khối u giảm hoặc khơng tăng lên sau 3 năm rất khả quan. Đơn cử, với ung thư phổi
không tế bào nhỏ, tỷ lệ là trên 90%; con số này với ung thư gan là 80-90%; gần 100%
ung thư tiền liệt tuyến. Điều này sẽ giúp kéo dài thời gian sống thêm của bệnh nhân ung
thư.
Trang 15


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
Về chỉ định áp dụng phương pháp này, theo PGS.TS Thuấn, phương pháp áp dụng rất
hiệu quả cho điều trị ung thư đầu cổ, tiền liệt tuyến, nhi khoa có ít tác dụng phụ. “Do ưu
điểm tác dụng phụ hầu như khơng có, khác với các phương pháp xạ trị thông thường, nên
đây là phương pháp xạ trị đầu tiên áp dụng cho nhi khoa”, PGS.TS Trần Văn Thuấn nói.
Hiện Bệnh viện K đang làm đề án trình Bộ Y tế, trình Chính phủ về việc thành lập Trung
tâm Xạ trị proton và hạt nặng tại Bệnh viện K. Cho thấy khả năng áp dụng phương pháp
xạ trị proton ở Việt Nam trong một tương lai không xa.
Ngày nay, xạ trị truyền thống dùng photon vẫn còn được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên,
nhược điểm của phương pháp xạ trị bằng photon đó là liều lượng của photon suy giảm
theo hàm mũ, do đó chùm photon tác dụng trong phạm vi rộng nên các mơ bình thường
cũng chịu những tác động khơng nhỏ trong q trình điều trị dù sử dụng những kỹ thuật
và thiết bị tiên tiến nhất. Ưu điểm của proton là phạm vi tương tác xác định, vùng tán xạ
tương đối nhỏ. Tuy đã được đề xuất từ rất lâu nhưng phương pháp xạ trị proton vẫn chưa
được sử dụng phổ biến. Ở Việt Nam hiện nay cũng chỉ dừng lại ở các nghiên cứu khảo
sát tổng quát về nguyên lý và hệ thống xạ trị proton. Vì thế đề tài này được thực hiện
nhằm đóng góp thêm phương pháp tính tốn phân bố liều khi xạ trị proton và so sánh với
xạ trị photon nhằm ứng dụng trong tương lai.

Trang 16


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, điều trị ung thư bằng phương pháp xạ trị ngày càng phát triển. Việc xác định
liều trong xạ trị là một nhiệm vụ hết sức quan trọng. Mục tiêu tăng hiệu quả tối đa cho
việc tiêu diệt các tế bào ung thư, cũng như hạn chế đến mức thấp nhất ảnh hưởng đến các
mô lành là nhiệm vụ hàng đầu.
Xạ trị proton là phương pháp mới và đang được phát triển trên phạm vi rộng bởi các ưu
điểm của nó so với các phương pháp xạ trị khác. Hiện nay Việt Nam cũng bắt đầu quan
tâm đến xạ trị proton. Nhưng có nhiều trở ngại nên Việt Nam vẫn chưa tiếp cận được với
phương pháp này.
Trong điều kiện đó, mục đích chủ yếu luận văn này là tìm hiểu cơ sở lý thuyết của
phương pháp xạ trị proton cũng như tìm hiểu những ưu điểm của phương pháp này. Qua
đó xây dựng phương án mô phỏng sự thâm nhập của chùm proton trong các loại phantom
nhằm làm cơ sở cho việc tính tốn phân bố liều trong xạ trị proton.
Luận văn gồm năm chương, chương một giới thiệu sơ lược về ung thư và các phương
pháp điều trị ung thư; chương hai nêu lên cơ sở vật lý, sinh học của phương pháp xạ trị
proton, chương ba nói về phương pháp Monte Carlo dùng trong mô phỏng chùm proton
cũng như tổng qt về chương trình Penelope, chương 4 nói về cơ sở lý thuyết của việc
xây dựng gói chương trình mô phỏng Penh dành riêng cho mô phỏng proton, chương 5
trình bày kết quả và nhận xét.

Trang 17


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
TRỊ:
1.1.

Tổng quan về ung thư:

1.1.1. Ung thư:
Ung thư là một nhóm các bệnh liên quan đến việc phân chia tế bào một cách vô tổ chức
và những tế bào đó có khả năng xâm lấn những mô khác bằng cách phát triển trực tiếp
vào mô lân cận hoặc di chuyển đến nơi xa (di căn). Hiện có khoảng 200 loại ung thư.
Khơng phải tất cả các khối u là ung thư ngồi ra cịn có khối u lành tính khơng lan sang
các bộ phận khác của cơ thể. Có thể dấu hiệu và triệu chứng bao gồm một khối u, chảy
máu bất thường, ho kéo dài, khơng giải thích được giảm cân, và một sự thay đổi trong đại
tiểu tiện. [1]
Ung thư là bệnh lý ác tính của tế bào. Khi bị kích thích bởi các tác nhân sinh ung thư, tế
bào tăng sinh một cách vô hạn độ, vô tổ chức, không tuân theo các cơ chế kiểm soát về
phát triển của cơ thể [2]

Hình 1. Khi các tế bào bình thường bị tổn thương hoặc lão hóa thì chúng thường bị chết
hoặc kiếm chế tế bào; tuy nhiên, những tế bào ung thư bằng cách nào đó đã tránh những
con đường trên và tăng sinh khơng thể kiểm sốt [3]
Đa số người bị ung thư hình thành các khối u. Khác với khối u lành tính (chỉ phát triển tại
chỗ thường rất chậm, có vỏ bọc xung quanh), các khối u ác tính (ung thư) xâm lấn vào
các tổ chức lành xung quanh giống như hình “con cua” với các càng cua bám vào các tổ
chức lành trong cơ thể hay giống như rễ cây lan trong đất. Các tế bào của khối u ác tính
có khả năng di căn tới các hạch bạch huyết hoặc các tạng ở xa hình thành khối u mới và
cuối cùng dẫn đến tử vong.
Đa số ung thư có biểu hiện mạn tính, có q trình phát triển lâu dài qua từng giai đoạn.
Trừ một số nhỏ ung thư ở trẻ em có thể do đột biến gen từ lúc bào thai, còn phần lớn các

ung thư đều có giai đoạn tiềm tàng lâu dài, có khi hàng chục năm khơng có dấu hiệu gì
trước khi phát hiện thấy dưới dạng các khối u. Khi các khối u phát triển nhanh mới có các
Trang 18


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
triệu chứng của ung thư. Triệu chứng đau thường chỉ xuất hiện khi ung thư ở giai đoạn
cuối.
1.1.2. Các nguyên nhân gây ra bệnh ung thư:
Qua nghiên cứu dịch tể học của R. Doll và Petro trên 80% tác nhân sinh ung thư là bắt
nguồn từ mơi trường sống, trong đó hai tác nhân lớn nhất là: 35% do chế độ ăn uống gây
nhiều loại ung thư đường tiêu hóa và khoảng 30% ung thư do thuốc lá (gây ung thư phổi,
ung thư đường hô hấp trên…)
Các tác nhân khác bao gồm:
- Tia phóng xạ: có thể gây ung thư máu, ung thư tuyến giáp…
- Bức xạ tử ngoại: có thể gây ung thư da
- Virut Epsein – Barr: gây ung thư vòm họng, u lympho ác tính
- Virut viêm gan B (HBV), viêm gan C (HCV) dẫn đến ung thư gan…
- Các loại hóa chất: được sử dụng trong công nghiệp, trong thực phẩm, trong chiến tranh,
các chất thải ra môi trường nước và không khí là tác nhân của nhiều loại ung thư khác
nhau…
Bệnh ung thư có nhiều nguyên nhân, nhiều ung thư chưa biết rõ nguyên nhân. Nghiên
cứu về nguyên nhân ung thư là một lĩnh vực rộng và đã được lưu ý từ lâu. Việc phát hiện
ra vai trò của thuốc lá, các phụ gia thực phẩm, các virut sinh ung thư là rất quan trọng
trong việc đề ra các biện pháp phịng bệnh tích cực. Khuynh hướng săn sóc sức khỏe
cộng đồng nhằm hạ thấp tỉ lệ mắc bệnh, phòng bệnh ung thư đặc biệt là ung thư ít có khả
năng điều trị khỏi như ung thư phổi, ung thư gan nguyên phát và kể cả ung thư dạ dày
đang được quan tâm.
1.1.3. Thực trạng bệnh ung thư [4]
Ung thư hiện là bệnh phổ biến nhất trong mơ hình bệnh tật và gây ra nhiều hậu quả nặng

nề, làm tăng gánh nặng kinh tế- xã hội cho cộng đồng và ảnh hưởng không nhỏ tới sự
phát triển của từng quốc gia. Theo các thống kê về tỷ lệ mắc và tỷ lệ tử vong do ung thư
từ dữ liệu của GLOBOCAN thuộc Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (International
Agency for Research on Cancer, IARC) cũng như của Đài quan sát y tế toàn cầu (Global
Health Observatory) thuộc Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organisation, WHO) và
báo cáo Triển vọng dân số thế giới của Liên hợp quốc (United Nations World Population
Prospects) thì tỷ lệ mắc bệnh ung thư có xu hướng ngày các gia tăng ở cả các nước phát
triển và đang phát triển. Các loại ung thư được chẩn đoán phát hiện nhiều nhất năm 2012
là ung thư phổi, ung thư vú, và ung thư đại tràng, trong khi nguyên nhân tử vong phổ biến
nhất là do ung thư phổi, ung thư gan và ung thư dạ dày.

Trang 19


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
Bảng 1: Tỷ lệ mắc mới và tỷ lệ tử vong do ung thu trên toàn thế giới [4]
Ung thư trên toàn thế giới

Nam

Nữ

Tổng

Số lượng ca mới mắc mỗi năm
Tỉ lệ mắc mới trên 100.000 dân
Số lượng ca tử vong mỗi năm
Tỉ lệ tử vong trên 100.000 dân

7.427.148

205,5
4.653.132
126,3

6.663.001
165,3
3.547.898
82,9

14.090.149
182,3
8.201.030
102,4

Năm
ghi
nhận
2012
2012
2012
2012

Tại Việt Nam, tỷ lệ được chẩn đoán ung thư mới và tỷ lệ tử vong do ung thư ước tính
năm 2012 lần lượt là 140,4 (số người ước tính là 125000) và 108.65 trên 100.000 dân, và
tổng số tử vong do bệnh là 94.743. Nguy cơ mắc ung thư trước tuổi 75 là 14,5%. Tỷ lệ tử
vong do ung thư phổi vẫn cao nhất và Việt Nam trở thành một trong những nước có tỷ lệ
tử vong rất cao do ung thư.
1.2. Các phương pháp điều trị bệnh ung thư [2]
Mỗi loại ung thư khác nhau về nguyên nhân, sự phát triển và tiên lượng nên có các
phương pháp điều trị khác nhau, đặc biệt là phải được chỉ định cụ thể trên từng trường

hợp và phải tuân thủ các yêu cầu sau:
- Do đặc tính của tổ chức và tế bào ung là phát triển mạnh tại chỗ, xâm lấn ra các vùng
xung quanh, di căn xa vào hệ thống bạch huyết và các cơ quan. Vì thế để điều trị bệnh có
hiệu quả thường phải phối hợp nhiều biện pháp điều trị.
- Trên cơ sở chẩn đốn đúng, chính xác từ đó xác định rõ mục đích điều trị.
- Tiếp theo việc chẩn đốn và xác định mục đích điều trị, việc lập kế hoạch điều trị và
chăm sóc bệnh nhân tồn diện, chi tiết trong từng giai đoạn có một vai trị quyết định,
đảm bảo hiệu quả điều trị.
- Trong quá trình thực hiện kế hoạch điều trị, nếu thấy trong kế hoạch có những điểm,
những biện pháp khơng phù hợp hoặc bệnh có diễn biến bất thường thì phải bổ xung vịa
kế hoạch điều trị nhằm đưa lại hiệu quả cao nhất, tốt nhất cho người bệnh.
- Ung thư là bệnh dễ tái phát và di căn sau điều trị. Khám và theo dõi sau điều trị là việc
làm bắt buộc sau khi điều trị bệnh ung thư.
Các phương pháp điều trị ung thư cơ bản: phẫu thuật, xạ trị, hóa trị.
1.2.1. Phẫu thuật:
Phẫu thuật là phương pháp chủ yếu và cơ bản nhất trong điều trị ung thư. Căn cứ vào
mục đích điều trị, các nguyên tắc phẫu thuật bệnh ung thư có thể tóm tắt theo trật tự sau:
- Phẫu thuật dự phòng: là cắt bỏ những thương tổn bẩm sinh hoặc tiền ung thư để góp
phần làm hạ thấp tỉ lệ mắc bệnh.
Trang 20


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
- Phẫu thuật chẩn đoán: là phương tiện duy nhất để lấy mẫu bệnh phẩm từ đó có kết quả
chẩn đốn chính xác nhất.
- Phẫu thuật điều trị: có hai loại chỉ định là phẫu thuật triệt để và tạm thời. Việc áp dụng
chỉ định nào vào người bệnh phụ thuộc hoàn toàn vào giai đoạn bệnh.
1.2.2. Hóa trị:
Hóa trị là phương pháp sử dụng hóa chất (các loại thuốc) để điều trị ung thư. Nó được
dùng khi ung thư lan ra ngồi vị trí ban đầu hoặc có di căn ở nhiều địa điểm.

Điều trị bằng thuốc phải kết hợp toàn thân: điều trị khối u, điều trị nội tiết, điều trị miễn
dịch. Mỗi liều thuốc chống ung thư nhất định chỉ tiêu diệt được một số lượng tế bào ung
thư cố định. Do đó thể tích khối u càng nhỏ thì kết quả điều tị càng cao. Bên cạnh đó,
cũng như các loại kháng sinh, tế bào ung thư có khả năng kháng thuốc trong q trình
điều trị do đó phải phối hợp nhiều loại thuốc.
Hầu hết các thuốc ung thư đều có tác dụng độc hại đối với cơ thể nhất là các cơ quan
quan trọng như: tủy xương, tim, gan, thận, … Vì vậy việc đánh giá, thăm khám tỉ mỉ các
chức năng của cơ thể là rất quan trọng. Phải xem xét khả năng dung nạp, đào thải, biến
chứng và xử lý biến chứng của thuốc trong suốt qua trình điều trị.
1.2.3. Xạ trị:
Xạ trị là phương pháp xử dụng các tia bức xạ ion hóa có năng lượng cao để chữa bệnh
ung thư. Các loại tia xạ được sử dụng là: sóng điện từ (tia X, tia gamma, …), hoặc các
loại hạt (electron, nơtron, proton…).
Cơ chế tác dụng của tia xạ đối với tế bào có thể tác động trực tiếp làm tổn thương đến các
chuỗi DNA gây đảo đoạn, đứt đoạn…Từ đó gây ra các tế bào bị đột biến và dễ bị chết.
Tác dụng gián tiếp của tia xạ với tế bào là gây ra hiện tượng ion hóa tạo ra các gốc tự do
trong tế bào. Từ đó các gốc tự do sẽ tác động vào các chuỗi AND, làm thay đổi tính thấm
của màng tế bào, làm tế bào dễ tổn thương. Từ đó làm teo nhỏ tổ chức tế bào ung thư.
Có hai phương pháp trong xạ trị: xạ trị ngoài và xạ trị áp sát. Sau đây là bảng so sánh
giữa hai phương pháp xạ trị.

Trang 21


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
Bảng 2. So sánh phương pháp xạ trị ngoài và xạ trị áp sát
Xạ trị ngoài
Đặt ngồi cơ thể bệnh nhân
Vị trí nguồn chiếu

Ưu điểm

Hạn chế

Xạ trị áp sát
Đặt áp sát, cắm trực tiếp
hay bơm trực tiếp vào cơ
thể bệnh nhân
-Kỹ thuật thực hiện nhanh -Giúp nâng liều tại chỗ lên
gọn, ít gây khó chịu cho cao trong khi các tổ chức
người bệnh.
lành xung quanh ít bị ảnh
-Có thể điều trị ở diện rộng hưởng.
và ở nhiều vùng tổn thương
khác nhau.
Gây ảnh hưởng đến các mô -Phải có sự chuẩn bị cụ thể
lành xung quanh vùng chiếu ở cả thầy thuốc và bệnh
xạ.
nhân nhiều lúc gây khó chịu
cho người bệnh.
-Chỉ áp dụng được với một
số vị trí khối u nhất định, và
ở giai đoạn bệnh sớm.

Các chỉ định khi xạ trị: điều trị triệt để nếu ung thư được phát hiện sớm, chưa có di căn,
hoặc điều trị tạm thời áp dụng với những trường hợp bệnh phát hiện ở giai đoạn muộn
không thể điều trị triệt để được.
Xạ trị gây ra nhiều tác dụng phụ đối với người bệnh. Các phản ứng sớm thường xảy ra
vài ngày sau điều trị như: gây ra các phản ứng viêm ở vùng điều trị, làm giảm bạch cầu,
tiểu cầu, hồng cầu. Các biến chứng muộn về lâu dài sẽ làm xơ hóa, teo nhỏ, hoặc gây ảnh

hưởng tới chức năng đối với các vùng chiếu xạ.
1.2.4. Phương pháp phối hợp:
Ngoài các phương pháp điều trị độc lập, để điều trị ung thư một cách có hiệu quả cịn có
thể phối hợp các phương pháp với nhau.

Trang 22


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.

CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ PROTON VÀ PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ
PROTON:
2.1. Tổng quan về proton:
2.1.1. Proton:
Proton là hạt cơ bản mang điện tích dương, hạt nhân của nguyên tử hydro. Proton có ký
hiệu là p hoặc H+. Proton thuộc nhóm hạt baryon, được phát hiện năm 1920 bởi Ernest
Rutherford. Proton có khối lượng nghỉ là 1.67x10-27 kg (= 938 MeV/c2), nặng hơn eletron
1836 lần. Phần lớn proton là hạt ổn định với thời gian sống trên 1032 năm. Proton tự do
được tạo ra khi nguyên tử hydro bị mất electron, để xảy ra điều này chúng cần năng
lượng tối thiểu là 13.5 eV. Proton sẽ nhanh chóng trở thành hydro bằng cách bắt một
electron xung quanh nó [5].
Proton năng lượng cao xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng bức xạ vũ trụ. Proton được tạo
ra từ phản ứng hạt nhân trong quá trình phân rã của neutron và bằng cách tách electron ra
khỏi nguyên tử hydro. Proton có thể được gia tốc bằng máy gia tốc Van de Graff, các loại
cyclotron, máy gia tốc tuyến tính, …
2.1.2. Tương tác proton với vật chất:
Chương này xem xét sự tương tác của các proton với vật chất. Sự hiểu biết đầy đủ về
những tương tác này cho phép chúng ta giải quyết hai vấn đề vật lý chính phát sinh trong
xạ trị proton: thiết kế các đường chùm tia, và dự đoán sự phân bố liều trong bệnh nhân.
Proton tương tác với vật chất theo 3 cách: làm chậm lại bằng vô số lần va chạm với

electron nguyên tử, làm lệch hướng bằng vô số va chạm đàn hồi với hạt nhân và va chạm
không đàn hồi với hạt nhân sinh ra các hạt thứ cấp. Ba quá trình tương tác đó được gọi là
tương tác dừng, tương tác tán xạ và tương tác hạt nhân [6]
Proton có động năng E sẽ tương tác với các nguyên tử và phân tử vật chất mà chúng thâm
nhập vào. Mỗi tương tác dẫn đến thay đổi hướng bay (tán xạ) và làm cho proton mất một
phần hoặc toàn bộ năng lượng. Mất năng lượng trên một đơn vị khoảng cách được gọi là
cơng suất dừng tuyến tính, viết tắt là dE / dx. Theo định nghĩa, proton được cho là đã mất
tất cả động năng của nó nếu E ≤ 10 eV. Mất năng lượng cũng có nghĩa là giảm tốc độ của
hạt thâm nhập, làm chậm tốc độ. Ví dụ: Một proton 200 MeV di chuyển với vận tốc
khoảng 2.106 m / s (khoảng 65% tốc độ ánh sáng). Sau khi mất năng lượng rất lớn 99%,
tức là xuống đến Ep = 2 MeV, tốc độ của nó là giảm xuống còn khoảng 2.105 cm / s. Đối
với phạm vi năng lượng quan tâm, tức là E ≤ 300 MeV, quá trình mất năng lượng bị chi
phối bởi sự tương tác của proton với các electron vỏ ngoài của các nguyên tử hoặc các
phân tử trong vật chất bị xuyên thủng. Điều này dẫn đến sự kích thích của nguyên tử nói
chung, hoặc để ion hóa nó bằng cách loại bỏ một electron. Kể từ khi năng lượng mất mỗi
tương tác là rất nhỏ hơn E, quá trình làm chậm có thể được coi là liên tục và thống nhất.
Nó có thể được coi là hiện tượng vận chuyển. Tương tác với hạt nhân nguyên tử góp
phần đáng kể vào sự mất năng lượng, chỉ cho một năng lượng hạt tương đối cao, tức là
Trang 23


Áp dụng chương trình Penelope để mơ phỏng phân bố liều trong xạ trị proton.
đối với khoảng E ≥ 100 MeV. Quy trình proton sản sinh bức xạ hãm bắt đầu đóng góp
đáng kể chỉ trong vùng năng lượng GeV. Nói chung, tổn thất năng lượng chỉ được tính
cho các tương tác với các nguyên tử. Để mở rộng nó đến các hợp chất (tức là các phân
tử), các tổn thất do các thành phần riêng lẻ của một phân tử được thêm vào một cách đơn
giản. Điều này là hợp lý, bởi vì năng lượng liên kết phân tử là rất nhỏ so với năng lượng
ion hóa của các nguyên tử riêng lẻ, và giá trị của những tiềm năng ion hóa này chiếm ưu
thế về khả năng của tổn thất năng lượng. Sai số do đơn giản hóa này là không đáng kể đối
với E ≥ 1 MeV. Chênh lệch năng lượng vi sai đối với E ≥ 0.1 MeV giảm mạnh với mức

tăng E. Tuy nhiên, sau khi đạt được giá trị tối thiểu ở một vài GeV, tổn thất năng lượng vi
phân từ từ bắt đầu tăng lên [7].
2.1.2.1. Tiêu hao năng lượng do kích thích và ion hóa [7]
Giả sử tổn thất năng lượng vi sai chỉ do kích thích và ion hóa và E ≥ 0,5 MeV, mối quan
hệ Bethe-Bloch sau đây (Bethe 1930, Bloch 1933) mô tả tổng công suất dừng khối lượng
cho proton.
𝑑𝐸
𝜌.𝑑𝑥

=

2𝜋.𝑁𝐴 .𝑧𝑝2 .𝑒 4 .𝑍
𝑚𝑒 .𝑐02 .𝛽2 .𝐴𝑟

. [𝑙𝑛

2.𝑚𝑒. 𝑐02 .𝛽2 .𝑊
2 .(1−𝛽2 )
𝐼𝑎𝑑𝑗

2

2𝑧𝑝 .𝑍.𝛼3 .𝐹(𝛽,𝑍)

𝑍

𝛽3

− 2𝛽2 − ∑𝑖 𝐶𝑖 − ∆ + 𝜋. 𝛼. 𝑍𝑝 . 𝛽 +

]

(1)

dE/dx: công suất dừng tuyến tính (MeV / cm)
ρ: mật độ vật liệu dừng, tính bằng g / cm3
dE / (ρdx): tổng công suất dừng khối lượng ( MeV / (g / cm2 ))
NA: số Avogadro
Zp: số nguyên tử của proton (= 1)
Ar: khối lượng nguyên tử tương đối
e: điện tích sơ cấp
Z: số nguyên tử của vật liệu thâm nhập
me: khối lượng còn lại của electron
c0: tốc độ ánh sáng trong chân không
β: tỉ số tốc độ của proton / tốc độ của ánh sáng
W: chuyển năng lượng tối đa từ proton sang electron tự do
Iadj: điều chỉnh tiềm năng ion hóa
∑Ci: tổng hiệu chỉnh các hiệu ứng của vỏ
∆: hiệu ứng phân cực
α: hằng số cấu trúc tinh tế = 1/137
Trang 24