Luận án Tiến sĩ Vật lý: Tính liều trong Y học hạt nhân với Phantom voxel bằng phần mềm Gamos/geant4

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm tìm cách phát triển phương pháp MC trong việc tính liều cho phantom voxel, cụ thể là giảm thiểu sai số ở biên, giúp tính liều tối ưu hơn cho bất kỳ hình học nào của cơ quan khi tính liều cho bệnh nhân; phát triển phương pháp tính liều cho những người tiếp xúc với bệnh nhân bằng cách sử dụng trực tiếp phân bố nguồn thực tế trong cơ thể bệnh nhân, đồng thời cũng mô tả tình huống tiếp xúc thực tế hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Tính liều trong Y học hạt nhân với Phantom voxel bằng phần mềm Gamos/geant4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP HCM – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9 44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. NGUYỄN ĐÔNG SƠN 2. GS. TS. PEDRO ARCE DUBOIS TP HCM – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Đông Sơn và GS.TS Pedro Arce Dubois (trung tâm CIEMAT, Tây Ban Nha). Trong quá trình thực hiện luận án, tôi nhận được sự hỗ trợ về kỹ thuật lập trình của các chuyên gia lập trình và sự hỗ trợ liên quan đến việc phân đoạn cơ quan của các chuyên gia về giải phẫu. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là sự tổng hợp, phát triển từ các kết quả đã được chúng tôi công bố trên các tạp chí khoa học và không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào khác. Tác giả. i
LỜI CẢM ƠN Để thực hiện luận án, tôi đã may mắn nhận được sự giúp đỡ, chia sẻ của rất nhiều người. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn đã tận tình giảng dạy, để tôi có thể hoàn thành luận án. Xin cảm ơn PGS.TS Trần Quốc Dũng về những kiến thức thầy đã giảng dạy khi tôi còn học cao học cho đến khi học NCS, và những định hướng, tư vấn ban đầu từ thầy. Xin cảm ơn GS.TS Pedro Arce Dubois, người thầy mà tôi chưa có cơ hội gặp mặt, đã tận lực hướng dẫn, giúp đỡ, và vận động các nguồn hỗ trợ khác, giúp cho tôi hoàn thành công việc nhanh nhất có thể. Thầy còn là người truyền cho tôi niềm cảm hứng về lòng tốt, về tinh thần làm việc say mê, không mệt mỏi. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn chính, TS Nguyễn Đông Sơn, người thầy tôi đã theo học từ khi làm luận văn thạc sĩ. Xin cảm ơn thầy về những bài học chuyên môn lẫn bài học trong cuộc sống, cảm ơn thầy đã dạy tôi cách suy luận, đánh giá, cảm ơn cách uốn nắn nghiêm khắc của thầy để tôi có thể tập trung hơn vào học tập, cũng như rèn luyện ý chí để vượt qua khó khăn thử thách. Và quan trọng hơn hết, cảm ơn thầy, vì đã luôn bao dung và tử tế. Chân thành cảm ơn KS Nguyễn Thiện Trung đã hỗ trợ tôi về những công việc liên quan đến lập trình. Cảm ơn BS CKI Nguyễn Khánh Toàn, GS. TS Juan Diego Azcona, GS. TS Pedro-Borja Aguilar-Redondo đã giúp tôi các công việc về hình ảnh giải phẫu. Cảm ơn KS Nguyễn Tấn Châu, KS Lê Trần Tuấn Kiệt đã cung cấp cho tôi những kiến thức hữu ích cũng như tạo điều kiện để tôi có thể tiếp cận và nghiên cứu tại Bệnh viện Chợ Rẫy TP HCM. Chân thành cảm ơn các thầy cô Tổ Vật lý, Trường THPT Nguyễn Hữu Huân đã nhiệt tình chia sẻ công việc, luôn động viên giúp đỡ để tôi có nhiều thời gian nhất để tập trung vào việc học tập. Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đến rất nhiều thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và học trò, những người luôn động viên và chia sẻ với tôi khi tôi khó khăn. Cảm ơn cả khóa học đầy thử thách này đã cho tôi cơ hội rèn luyện mình về mọi mặt. Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tha thiết với gia đình, những người luôn chăm sóc, thương yêu, tin tưởng và tự hào về tôi. TP HCM, ngày 22 tháng 9 năm 2020 Nghiên cứu sinh ii
THE ABSTRACT OF DOCTORAL THESIS Author: Nguyen Thi Phuong Thao Supervisors: Dr. Nguyen Dong Son, Prof.Dr. Pedro Arce Dubois Title of the thesis: Dose calculations in Nuclear medicine using voxel phantom by GAMOS/Geant4. Major: Atomic and Nuclear Physics Code: 9 44.01.06 Institution: Vietnam Atomic Energy institute (VINATOM) THE CONTENT OF THE ABSTRACT 1. The aim of the dissertation: The purpose of the study is to optimize the dose calculation for voxel phantom, applied to patients undergoing nuclear medicine procedures and people in contact with them. 2. Objectives: The errors in the borders of body organs, which are caused by the voxel’s geometry, are kept as small as possible in the dose calculation for patients. The doses for the persons in contact are calculated using the source distribution inside the patient’s body. The correct relative position and distance between the two phantoms are also included. The GEANT4 / GAMOS software was used for the dose calculations. 3. Research methods: To calculate the doses in a voxel phantom, CT, NM images and RTSTRUCT DICOM files must be included. The organs and other treatment volumes contained in the RTSTRUCT file have been drawn by the medical personnel, but the algorithms used for voxel phantom dose calculations move these lines because dose is always calculated in full voxels. This may cause a sensible error when a proportion of voxels are cut by the structure lines, which usually happens for small, thin, or complex organs. To calculate the doses in organs with precision, we have defined a “parallel geometry” with the accurate organ geometry as painted by the medical personnel, so that dose is calculated in the accurate voxel fractions included in each organ geometry. To calculate the dose for persons in contact, we have developed an algorithm to convert both phantoms to the GAMOS file format, and used them together in the calculation. The vector rotation technique is used to describe the relative position and orientation of the two phantoms. iii
4. New contributions of the dissertation: 1) The new method of using “parallel geometry” helps to precisely calculate the dose for patients, in which the errors in body organ borders have been kept as small as possible. The increased precision in the dose calculation for patients helps to improve the effect of treatment as well as to reduce the risks to healthy tissue regions of the patients. 2) The use of phantoms merging method and vector rotation techniques helps to calculate the optimal dose for the persons in contact, with patients. This is also used to establish appropriate isolation measures; as a result, giving an improved care to patients. 5. Results of the dissertation We have tested the functionality of the new method with an I-131 thyroid cancer treatment, and obtained the expected energy deposition and dose differences given the particle source, geometry and structures defined. The phantom merging method and the vector rotation technique enable us to describe the contact circumstances flexibly. The results showed that there is a big difference between different circumstances. The results are also significantly different when compared with the results obtained when simple source models are used. 6. Conclusions: In summary, we have provided methods to calculate organ doses for patients and contacting people with high accuracy. In the calculation for patients, the exact organs and treatment volumes as painted by the medical personnel on a voxelised phantom are included. In the calculation for contacting people, the NM image of the patient and the contact circumstance are also included. iv
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... ii THE ABSTRACT OF DOCTORAL THESIS .......................................................... iii MỤC LỤC ......................................................................................................................v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .........................................................................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU HIỆN TẠI TRONG Y HỌC HẠT NHÂN ...................................................................7 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC TÍNH LIỀU.......................................................7 1.1.1. Giới thiệu về y học hạt nhân ..............................................................................7 1.1.2. Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất ........................................................8 1.1.2.1. Tương tác giữa electron và vật chất ............................................................. 8 1.2.2.2. Tương tác giữa photon và vật chất .............................................................. 8 1.1.3. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể ..............................................9 1.1.4. Các đại lượng và đơn vị đo liều bức xạ ........................................................... 11 1.2. Tình hình nghiên cứu về các kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân ................................................................................................................12 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................12 1.2.1.1. Kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc ..................................12 1.1.1.2. Công cụ tính liều ........................................................................................20 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .....................................................................24 1.2.3. Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật tính liều cho phantom voxel .......................26 1.2.3.1. Ưu điểm .....................................................................................................26 1.2.3.2. Hạn chế ......................................................................................................27 1.3. Nhiệm vụ của luận án ............................................................................................. 27 CHƯƠNG 2: TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 .......................................................................................................30 2.1. Phương pháp Monte Carlo .....................................................................................30 2.1.1. Nguyên tắc chung ............................................................................................. 30 2.1.2. Tính liều cho phantom voxel ...........................................................................34 2.1.2.1. Nguyên tắc chụp ảnh CT và ảnh YHHN ...................................................34 2.1.2.2. Ứng dụng ảnh CT và ảnh YHHN .............................................................. 36 2.1.3. Tính liều bằng code Geant4 và mô hình vật lý Livermore .............................. 38 v
2.2. Sử dụng phần mềm GAMOS/Geant4 để tính liều trong Y học hạt nhân ...............40 2.2.1. Khảo sát độ tin cậy của phần mềm GAMOS/Geant4 ......................................42 2.2.1.1. Mô hình vật lý ............................................................................................ 42 2.2.1.2. Các tính toán liều lượng.............................................................................44 CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 ĐỂ TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN LIỀU VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO .........................................................................................................................55 3.1. Các cải tiến trong việc tính liều cho phantom voxel ..............................................55 3.1.1. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song” ................55 3.1.1.1. Xác định khối lượng của một cấu trúc .......................................................55 3.1.1.2. Xác định năng lượng hấp thụ trong một cấu trúc ......................................62 3.1.2. Tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân bằng phương pháp “ghép phantom” ....................................................................................................................65 3.1.2.1. Phương pháp ghép phantom ......................................................................65 3.1.2.2. Một số hình thức ghép ...............................................................................68 3.2. Đánh giá độ tin cậy của các cải tiến ......................................................................70 3.2.1. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song” ................70 3.2.2. Tính liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp “ghép phantom” ..................78 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ ............................................................... 80 4.1. Ứng dụng ................................................................................................................80 4.2. Kết quả ....................................................................................................................82 4.2.1. Kết quả tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song” ....82 4.2.2. Kết quả tính liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp “ghép phantom”......91 4.2.2.1. Tính liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng bên cạnh một bệnh nhân đang nằm ...............................................................................91 4.2.2.2. Tính liều hiệu dụng cho người tiếp xúc ở các tình huống giao tiếp khác nhau .........................................................................................................................92 KẾT LUẬN ..................................................................................................................95 1. Kết quả nghiên cứu của luận án .............................................................................95 2. Những điểm mới của luận án .................................................................................96 3. Những đề nghị nghiên cứu tiếp theo ......................................................................96 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .......................................................... 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................100 PHỤ LỤC ...................................................................................................................112 PHỤ LỤC A. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM GAMOS..........................112 PHỤ LỤC B. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM CARIMAS ......................118 PHỤ LỤC C. GIÁ TRỊ HOẠT ĐỘ (Bq) VÀ HU TRÊN TỪNG VOXEL .............123 vi
PHỤ LỤC D. BẢNG CHUYỂN ĐỔI MẬT ĐỘ VÀ VẬT LIỆU THEO NGHIÊN CỨU CỦA SCHNEIDER [104] ..............................................................................125 PHỤ LỤC E. CÁC TỆP DỮ LIỆU “YÊU CẦU” KHI TÍNH LIỀU .......................128 PHỤ LỤC F. PHƯƠNG PHÁP THỦ CÔNG TÍNH TỈ LỆ THỂ TÍCH .................131 PHỤ LỤC G. THÔNG TIN PHANTOM ICRP 110 GIỚI TÍNH NAM [56] .........131 PHỤ LỤC H. TRỌNG SỐ BỨC XẠ .......................................................................137 PHỤ LỤC I. TRỌNG SỐ MÔ THEO ICRP 103. ...................................................137 vii
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ATBX Radiation Protection An toàn bức xạ ASCII American Standard Code for Code trao đổi thông tin chuẩn Information Interchange của Hoa Kỳ CARIMAS Cardiac Image Analysis Phần mềm xử lý ảnh cắt lớp System CARIMAS CT Computed Tomography Chụp cắt lớp vi tính D Absorbed dose Liều hấp thụ DICOM Digital Imaging and Tiêu chuẩn để xử lý hình ảnh Communications in Medicine trong Y tế ĐVPX Radioactive isotope Đồng vị phóng xạ E Effective dose Liều hiệu dụng EGS Electron Gamma Shower Code EGS ENSDF Evaluated Nuclear Structure File dữ liệu cấu trúc hạt nhân Data File GAMOS Geant4-based Architecture for Phần mềm tính liều GAMOS Medicine-Oriented Simulations GATE Geant4 Application for Phần mềm tính liều GATE Tomography Emission GEANT4 Geometry and tracking version Code GEANT4 4 H Equivalent dose Liều tương đương HU Hounsfield Unit Đơn vị Hounsfield l Flight distance Quãng đường bay IAEA International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng Nguyên Agency tử Quốc tế ICRP International Commission on Ủy ban Quốc tế về An toàn bức Radiological Protection xạ JTS Java Topology Suite Bộ liên kết cấu trúc Java viii
MC Monte Carlo Mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo MIRD Committee Medical Internal Ủy ban liều bức xạ chiếu trong Radiation Dose trong Y học NIST National Institute of Standards Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ and Technology quốc gia (Mỹ) NUKDOS Phần mềm tính liều NUKDOS OEDIPE Phần mềm tính liều OEDIPE OLINDA/EXM Organ Level INternal Dose Phần mềm tính liều Assessment/EXponential OLINDA/EXM (Đánh giá liều Modeling chiếu trong ở mức cơ quan/mô hình hàm mũ) Parallel geometry Hình học song song PET Positron emmision Chụp cắt lớp phát xạ positron Tomography SPECT Single-photon emission Chụp cắt lớp đơn photon computerized tomography VRML Virtual Reality Modeling Language voxel volume pixel Ô hình hộp kích thước cỡ mm3 WR Radiantion weighting factor Trọng số bức xạ WT Tissue weighting factor Trọng số mô YHHN Nuclear medicine Y học hạt nhân ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Phổ năng lượng Beta của đồng vị I-131 ................................................. 43 Bảng 2.2: Phổ năng lượng gamma của đồng vị I-131 .............................................. 43 Bảng 2.3: Liều cho phantom nước với nguồn gamma đơn năng. ............................ 45 Bảng 2.4: Liều cho phantom nước với nguồn đồng vị phân bố đồng nhất. ............. 45 Bảng 3.1: Khối lượng voxel thuộc cấu trúc (g) ........................................................ 73 Bảng 3.2: Liều hấp thụ trong phantom nước hình cầu. ............................................ 77 Bảng 4.1: Thông số phantom.................................................................................... 81 Bảng 4.2: Tổng năng lượng hấp thụ và liều hấp thụ trung bình trong 30 voxel và 300 voxel. ........................................................................................................................ 87 Bảng 4.3: Liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc. ............................ 91 x
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1: Sơ đồ các bước mô phỏng Monte Carlo [42]. .......................................... 32 Hình 2.2: Quãng chạy của electron trong mô mỡ. ................................................... 42 Hình 2.3: Phân bố nguồn trong cơ thể. ..................................................................... 48 Hình 2.4: Đồ thị Liều-thể tích của tuyến giáp. ......................................................... 50 Hình 2.5: Đồ thị khác biệt liều- thể tích của tuyến giáp ........................................... 51 Hình 2.6: Một cấu trúc của phantom voxel cùng với đường phân đoạn. ................. 52 Hình 2.7: Một số voxel ở biên. ................................................................................. 53 Hình 3.1: Hình học của một Extruded. ..................................................................... 57 Hình 3.2: Hai đường biên lồng trong nhau. .............................................................. 59 Hình 3.3: Các hình khối dính liền. ........................................................................... 62 Hình 3.4: Mặt cắt của quả cầu nằm trong một voxel. .............................................. 64 Hình 3.5: Hình ảnh một lá phổi tạo bởi file RTSTRUCT (a) và khối Extruded (b). 71 Hình 3.6: Cấu trúc với ba đường biên. ..................................................................... 72 Hình 3.7: Phần thể tích voxel nằm trong cấu trúc của tuyến giáp. ........................... 74 Hình 3.8: Năng lượng hấp thụ trong voxel tính bằng phương pháp truyền thống (a) và phương pháp dùng hình học song song (b). ............................................................. 75 Hình 3.9: Phantom ghép trong các tư thế giao tiếp phổ biến. .................................. 79 Hình 4.1: Năng lượng hấp thụ và tỉ lệ thể tích voxel nằm trong cấu trúc, xét cho 300 voxel. ........................................................................................................................ 83 Hình 4.2: Năng lượng hấp thụ và tỉ lệ thể tích voxel nằm trong cấu trúc, xét cho 30 voxel. ........................................................................................................................ 84 Hình 4.3: Liều hấp thụ và tỉ lệ thể tích voxel nằm trong cấu trúc, xét cho 300 voxel85 Hình 4.4: Liều hấp thụ và tỉ lệ thể tích voxel nằm trong cấu trúc, xét cho 30 voxel 86 Hình 4.5: Tỉ số giữa tổng độ lớn khác biệt năng lượng và tổng năng lượng hấp thụ trên từng lát. ..................................................................................................................... 88 Hình 4.6: Tỉ lệ số voxel trên biên của cấu trúc xét trên từng lát .............................. 89 Hình 4.7: Tổng số voxel trên cấu trúc xét trên từng lát............................................ 89 Hình 4.8: Kết quả tính liều hiệu dụng cho phantom ICRP nam. .............................. 93 xi
MỞ ĐẦU Y học hạt nhân (YHHN) là một chuyên ngành của Y học, trong đó năng lượng bức xạ ion hóa được sử dụng để chẩn đoán và điều trị. Tùy vào liều lượng, thuốc phóng xạ khi vào các cơ quan có thể gây ra các tác dụng ngẫu nhiên hay tất nhiên lên tế bào với mức độ nghiêm trọng khác nhau. Mức độ để xảy ra một tác dụng sinh học cụ thể là một hàm của liều hấp thụ [35]. Do đó, việc tính toán phân bố liều rất quan trọng đối với việc lập kế hoạch điều trị vì nó liên quan đến khả năng tiêu diệt các tế bào của khối u càng nhiều càng tốt, đồng thời hạn chế ảnh hưởng lên mô lành càng thấp càng tốt. Khi một bệnh nhân được chẩn đoán bằng phương pháp YHHN hoặc một người bình thường tiếp xúc với một bệnh nhân đã sử dụng thuốc phóng xạ, tuy liều chiếu nhận được là rất thấp hơn so với trường hợp điều trị, nhưng vẫn có một xác suất phát sinh ung thư hoặc các ảnh hưởng khác đến sức khỏe (sảy thai, đột biến). Để hạn chế các rủi ro này, phân bố liều cần phải được tính toán chính xác nhất có thể. Trước đây vài thập kỷ, việc tính liều cho bệnh nhân được thực hiện ở mức cơ quan (organ) dựa trên các mô hình người (phantom) tiêu chuẩn [107]. Trong các mô hình này, các cơ quan được mô tả bởi các khối hình học đơn giản. Trong các phương pháp tính liều ở mức cơ quan, sơ đồ MIRD được cộng đồng khoa học ủng hộ rộng rãi [90]. Trong các tính toán dựa theo phương pháp này, liều hấp thụ trung bình trong cơ quan bia (target organ) trên mỗi phân rã phóng xạ từ một cơ quan nguồn (source organ) thường được tính bằng phương pháp Monte Carlo (MC). Phương pháp tính liều ở mức cơ quan bằng mô hình người tiêu chuẩn và phương pháp MIRD gặp một số hạn chế vì hình học của mô hình người chuẩn không phản ánh đúng cấu trúc giải phẫu của từng bệnh nhân cụ thể; chúng bỏ qua sự không đồng nhất của mô cũng như sự không đồng nhất của phân bố nguồn phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân; thư viện hình học không đủ mạnh để mô phỏng tất cả các dạng hình học phức tạp của các cơ quan cũng như khối u không được mô tả đúng vị trí trong cơ thể. Những điều này có thể dẫn đến ước tính sai phân bố liều trong cơ thể bệnh nhân [20, 66, 107]. 1
Để khắc phục hạn chế của phương pháp MIRD trong việc tính liều cho cơ quan, việc tính liều được thực hiện ở mức chi tiết hơn [22], trong đó, một cơ quan được chia nhỏ thành tập hợp rất nhiều ô hình hộp thể tích cỡ mm3 gọi là những voxel. Hiện nay, có ba phương pháp tính liều ở mức voxel [20, 66]:  Phương pháp tính tổng nhân liều,  Phương pháp sử dụng giá trị S voxel kết hợp phương pháp MIRD,  Phương pháp mô phỏng trực tiếp bằng kỹ thuật Monte Carlo. Trong các phương pháp trên, phương pháp “tính tổng nhân liều” và phương pháp “sử dụng giá trị S voxel kết hợp phương pháp MIRD” có điểm hạn chế lớn đó là vẫn phải dựa trên giả sử sự đồng nhất của mô, không phù hợp khi áp dụng cho cơ thể người vốn rất phức tạp. Để khắc phục các hạn chế trên, các nhà nghiên cứu thiết lập các công cụ mô phỏng Monte Carlo (MC) cho phép sử dụng trực tiếp dữ liệu ảnh cắt lớp của bệnh nhân cụ thể. Thông tin về mật độ mô và sự phân bố thuốc phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân có thể được bao gồm trong tính toán [20]. Phân bố liều được tính ở mức voxel và có thể áp dụng cho môi trường không đồng nhất. Thông tin liều hấp thụ trong các voxel có thể dùng để suy ra liều cho từng cấu trúc (structure). Liều cho một cấu trúc được hiểu là tổng năng lượng hấp thụ trong các voxel thuộc cấu trúc chia cho khối lượng tổng của các voxel thuộc cấu trúc. Như vậy, muốn tính đúng liều cho một cấu trúc, ta cần tính đúng phần năng lượng hấp thụ trong thể tích của cấu trúc và tính đúng khối lượng của phần thể tích đó. Để tính liều cho cấu trúc, phương pháp MC sẽ đưa ra tiêu chí để xác định những voxel nào nằm trong cấu trúc. Nếu tiêu chí được thỏa mãn, cả thể tích voxel được xét là thuộc cấu trúc, ngược lại, voxel sẽ bị loại bỏ. Hạn chế của phương pháp này đó là dẫn đến ước tính sai phần năng lượng và khối lượng mà mỗi voxel ở biên đóng góp vào cấu trúc, đặc biệt là các cấu trúc rất mỏng như da, niêm mạc, tủy xương, thành ruột hoặc các cơ quan dạng xoắn [37]. Để giải quyết khó khăn này, một số nghiên cứu được thực hiện, bao gồm giảm kích thước voxel; phát triển các kỹ thuật tính liều riêng cho một số cơ quan 2
như da, xương; tạo thế hệ mesh phantom (phantom dạng mặt lưới) [108]…Tuy nhiên, các phương pháp này chưa thực sự có hiệu quả trong việc giảm tối đa sai số biên, chưa áp dụng được cho mọi vùng cơ quan, và mesh phantom cũng không được áp dụng phổ biến trong tính toán liều. Bên cạnh việc tính liều cho bệnh nhân, việc tính liều nhằm hạn chế rủi ro cho người tiếp xúc với bệnh nhân cũng là một công việc quan trọng. Để tính liều cho người tiếp xúc, các nghiên cứu hiện tại vẫn còn phân tán theo các hướng khác nhau, chủ yếu dựa trên các giả thiết nhằm đơn giản hóa tính toán. Các mô hình nguồn điểm, nguồn dạng đoạn thẳng, nguồn hình trụ, nguồn đồng nhất được dùng thay vì dùng đúng phân bố thuốc phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân. Các nghiên cứu cũng chỉ rõ việc dùng các mô hình này có thể ước lượng sai liều mà thực tế người tiếp xúc nhận được. Cụ thể, theo Zˇontar D., Palmer và cộng sự, việc sử dụng nguồn điểm hay nguồn hình trụ có thể đánh giá quá cao giá trị liều cho người tiếp xúc so với thực tế [111]. Bên cạnh đó, các tình huống tiếp xúc cũng chưa được phản ánh đúng. Một số nghiên cứu sử dụng phantom hình học và phantom voxel để mô tả người tiếp xúc. Tuy nhiên, hạn chế của các nghiên cứu này đó là chưa đưa được trực tiếp thông tin phân bố hoạt độ trong cơ thể bệnh nhân vào tính toán. Ứng với các mô hình nguồn và phantom được sử dụng, phương pháp MC vẫn là phương pháp được sử dụng phổ biến để tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc. Các code mô phỏng MC được đánh giá là linh hoạt và có độ tin cậy cao đang được sử dụng là PENELOPE, EGS [71], MCNP và GEANT4 [65]. Trong các code này, code GEANT4 có nhiều ưu điểm như phạm vi năng lượng rộng, thư viện hình học mạnh, hệ thống User code mở; ngoài ra, GEANT4 còn có một tiện ích đặc biệt mà các code khác không có đó là cho phép mô phỏng nhiều hình học chồng lên nhau trong cùng một lần mô phỏng, nhờ sử dụng tiện ích “hình học song song” [14]. Dựa vào các code trên, xuất hiện khá nhiều phần mềm có thể tính liều. Trong đó, phần mềm GAMOS dựa trên code GEANT4 có nhiều ưu điểm: được viết bằng ngôn ngữ C++ dễ tiếp cận cho đa số người dùng; người dùng có thể thêm vào các code mới dễ dàng nhờ các “Plugin”, nhờ đó có thể nhận được những kết quả mong 3
muốn; ngoài ra, người dùng có thể hiểu chi tiết hơn về các kết quả nhận được thông qua các tiện ích “Filter” và “Classifiers”, “Tracking verbose”, từ đó có thể kiểm tra kết quả hay chỉnh sửa code phù hợp với bài toán. Nhìn chung, trong những năm gần đây, các phần mềm tính liều ở mức voxel liên tục được cập nhật và phát triển, đây là xu hướng dịch chuyển của mục đích tính liều, từ việc tính cho cơ quan của mô hình tiêu chuẩn sang việc tính cho voxel trên cá thể. Các phần mềm có độ phức tạp, phạm vi ứng dụng và dựa trên các code khác nhau, nhưng vẫn dựa trên nguyên tắc chung của phương pháp MC. Về cơ bản, tình hình nghiên cứu cũng như các công cụ tính liều khá khả quan. Tuy nhiên, các phần mềm này vẫn còn một số hạn chế, đây cũng là hạn chế chung của việc tính liều bằng phương pháp MC, đó là: - Sai số ở biên của cấu trúc khi tính liều cho bệnh nhân; Nguyên nhân dẫn đến sai số là vì với những voxel ở biên chỉ có một phần thể tích nằm trong cấu trúc, phương pháp MC sẽ sử dụng một số tiêu chí để xét voxel có nằm trong cấu trúc hay không [30]. Để tối ưu hóa liều cho mọi trường hợp thực tế có thể gặp, sai số ở biên cần phải giảm đến mức thấp nhất có thể. - Sử dụng mô hình nguồn đơn giản để tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân. Cho đến nay, việc tính toán liều cho người tiếp xúc vẫn chỉ dựa trên các mô hình nguồn đơn giản như nguồn điểm [97], nguồn hình trụ [84], nguồn dạng đoạn thẳng [11, 27], nguồn là phantom voxel có phân bố hoạt độ đồng nhất [11] mà chưa có phương pháp tính liều cho người tiếp xúc dựa trên phân bố thực sự của lượng thuốc phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân. Bên cạnh đó, tình huống giao tiếp cũng không được mô tả đúng. Việc tối ưu hóa tính toán liều cho người tiếp xúc giúp thiết lập biện pháp cách ly phù hợp để bảo vệ người tiếp xúc hoặc tạo điều kiện sinh hoạt thoải mái, giảm bớt sự cách ly cho bệnh nhân nếu liều tiếp xúc là nhỏ ở mức cho phép. Từ những hạn chế trên, nhiệm vụ mà đề tài đặt ra là: 4
- Tìm cách phát triển phương pháp MC trong việc tính liều cho phantom voxel, cụ thể là giảm thiểu sai số ở biên, giúp tính liều tối ưu hơn cho bất kỳ hình học nào của cơ quan khi tính liều cho bệnh nhân. - Bên cạnh mục đích tính liều cho bệnh nhân, đề tài cũng phát triển phương pháp tính liều cho những người tiếp xúc với bệnh nhân bằng cách sử dụng trực tiếp phân bố nguồn thực tế trong cơ thể bệnh nhân, đồng thời cũng mô tả tình huống tiếp xúc thực tế hơn. Để giảm thiểu được sai số ở biên do việc voxel hóa các cấu trúc, phần mềm tính liều cần phải bao gồm được hình học chính xác của các cấu trúc vào bài toán tính liều cho phantom voxel và phải tính được phần năng lượng hấp thụ trong mỗi cấu trúc. Muốn vậy, chúng ta cần mô tả nhiều hình học chồng lên nhau, đó là hình học của phantom và hình học của các cấu trúc. Để tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân, phần mềm tính liều cần phải đọc được hai phantom voxel trong một lần mô phỏng, một phantom bệnh nhân, và một phantom người tiếp xúc, đồng thời đọc được ảnh YHHN của bệnh nhân. Để thực hiện được hai mục tiêu này, cần phải có một công cụ mạnh mẽ, linh hoạt và quan trọng nhất, phải cho phép mô phỏng nhiều thế giới hình học trong cùng một lần mô phỏng. Trong các công cụ tính liều, chúng tôi nhận thấy phần mềm GAMOS/Geant4 là công cụ thỏa mãn tất cả các yêu cầu trên. Mục tiêu mà các code mở như EGS hay GEANT4 hướng đến là để cộng đồng khoa học chung tay phát triển hệ thống code, phần mềm. Việc phát triển một kỹ thuật tính liều cần có sự tham gia của những người nghiên cứu về YHHN, kỹ thuật lập trình, chuyên gia giải phẫu. Với những hiểu biết cơ bản về YHHN, tác giả của luận án hi vọng có thể kết hợp với các chuyên gia về lập trình và giải phẫu học, cùng phát triển phương pháp tính liều cho phantom voxel thông qua phần mềm GAMOS/Geant4. Mặc dù phần mềm GAMOS không cung cấp sẵn các tính năng để thực hiện các nhiệm vụ mà luận án đặt ra, tuy nhiên, chúng tôi có thể thêm vào các tính năng mới và phối hợp linh động các tính năng sẵn có của GAMOS. Các kết quả tính toán cho thấy, việc giảm thiểu sai số ở biên khi tính liều cho bệnh nhân và khi tính liều cho người tiếp 5
xúc với bệnh nhân bằng chính phân bố hoạt độ trong cơ thể bệnh nhân, kết quả có sự chênh lệch rõ khi so sánh với phương pháp cũ. Điều đó cho thấy ý nghĩa của việc cải tiến các phương pháp tính liều trong những trường hợp trên. Cấu trúc luận án gồm hai phần chính: phần tổng quan và phần nghiên cứu. Phần tổng quan trình bày tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân, đồng thời chỉ ra các hạn chế của các phương pháp tính hiện tại. Phần nghiên cứu trình bày chi tiết việc cải tiến phương pháp tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc cũng như các bước khẳng định độ tin cậy của các cải tiến trên. Nội dung của luận án được trình bày trong bốn chương: Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến việc tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân, trình bày về ý tưởng cũng như công cụ sẽ sử dụng để giải quyết các hạn chế của các phương pháp tính liều hiện tại. Chương 2 trình bày chi tiết nguyên tắc tính liều bằng phương pháp Monte Carlo cùng các bước khẳng định độ tin cậy của phần mềm GAMOS/Geant4. Chương 3 trình bày việc sử dụng công cụ GAMOS/Geant4 để cải thiện các phương pháp tính toán, bao gồm sử dụng tiện ích “hình học song song” để giảm thiểu sai số ở biên khi tính liều cho cấu trúc, và thực hiện việc ghép hai phantom voxel để tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân. Chương 4 trình bày các kết quả tính toán khi sử dụng các cải tiến mới. Tính toán liều cho bệnh nhân được áp dụng cho trường hợp tuyến giáp và đồng vị I-131. Liều cho người tiếp xúc được áp dụng cho tình huống bệnh nhân sử dụng I-131, người tiếp xúc giao tiếp với bệnh nhân ở các tình huống: “đối diện, bên cạnh, trước sau và đứng-nằm”. Kết quả tính năng lượng và liều hấp thụ cho tuyến giáp của bệnh nhân được so sánh giữa phương pháp tính truyền thống và phương pháp mới sau khi giảm thiểu sai số ở biên. Kết quả tính liều cho người tiếp xúc được so sánh giữa các tình huống tiếp xúc với nhau và so sánh giữa kết quả tính bởi phân bố nguồn trong cơ thể bệnh nhân và khi sử dụng mô hình nguồn điểm đơn giản. Phần kết luận của luận án trình bày ý nghĩa của các đóng góp mới của luận án, tính khoa học và cấp thiết của đề tài cũng như đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. 6
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU HIỆN TẠI TRONG Y HỌC HẠT NHÂN Những lợi ích và rủi ro của phương pháp chẩn đoán và điều trị bằng YHHN đặt ra một nhiệm vụ quan trọng trong Y học, đó là tính phân bố liều trong cơ thể. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết cũng như tình hình nghiên cứu liên quan đến việc tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân, đặc biệt là các hạn chế liên quan đến việc tính liều ở mức voxel. 1.1. Cơ sở lý thuyết của việc tính liều 1.1.1. Giới thiệu về Y học hạt nhân Y học hạt nhân là một chuyên ngành có những đóng góp lớn cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh nói chung và đặc biệt cho việc điều trị ung thư nói riêng. Phương pháp này dựa trên kỹ thuật sử dụng bức xạ ion hóa phát ra từ các đồng vị phóng xạ (ĐVPX) để thu nhận thông tin về hoạt động sinh hóa của cơ quan cần quan tâm, hay tạo ra hiệu ứng sinh học mong muốn [1]. Theo nguyên lý Hevesy [83], cơ thể sống không có khả năng phân biệt các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. Do đó, khi đưa các đồng vị này vào cơ thể, chúng sẽ tham gia vào các quá trình sinh học và chuyển hóa như nhau. Dựa vào nguyên lý này, khi biết một nguyên tố nào đó tham gia vào quá trình chuyển hóa ở cơ quan quan tâm, ta có thể đưa ĐVPX của nguyên tố đó vào cơ thể. Trong chẩn đoán, để theo dõi quá trình chuyển hóa, người ta quan tâm đến hoạt độ phóng xạ tại các cơ quan cần thăm khám. Từ đó, có thể đánh giá được tình trạng, hoạt động chức năng của cơ quan và phát hiện sớm các bất thường. Hoạt độ của thuốc phóng xạ đưa vào cơ thể thường rất nhỏ, cỡ 50-100 µCi [1]. Trong điều trị, người ta cần dùng năng lượng của các tia bức xạ để làm thay đổi chức năng (ức chế quá trình phát triển của tế bào ung thư) hay tiêu diệt tổ chức bệnh. Liều trong điều trị cao hơn nhiều lần so với trong chẩn đoán (chẳng hạn, trong điều trị ung thư tuyến giáp hoạt độ có thể lên đến 250 mCi) [1]. Bên cạnh những lợi ích trong chẩn đoán và điều trị, khi bức xạ ion hóa đi vào cơ thể sống sẽ tạo ra hiệu ứng sinh học, gây ra những rủi ro cho sức khỏe. Hiệu ứng 7