Luận văn Thạc sĩ: Áp dụng chương trình Penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ: Áp dụng chương trình Penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell nêu lên tổng quan về dao Gamma Leksell, xạ trị, chương trình Penelope; áp dụng chương trình Penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ: Áp dụng chương trình Penelope để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ PHƯƠNG AN ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO TP. HỒ CHÍ MINH – 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ PHƯƠNG AN ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH QUANG LINH TP. HỒ CHÍ MINH – 2011
LỜI CÁM ƠN B 0 Trong quá trình học tập chuyên ngành Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao tại trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo. Tôi xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô đã giảng dạy cho tôi bằng lòng nhiệt huyết, tình thương và trách nhiệm. Các thầy cô đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết để hoàn thành tốt luận văn cũng như những nghiên cứu về sau. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Quang Linh. Thầy đã giúp đỡ tôi chọn đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Bác sĩ và Kỹ sư vật lý công tác tại đơn vị Gamma Knife, Bệnh viện Chợ Rẫy Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tìm hiểu về dao Gamma Leksell, đã cung cấp những tài liệu quan trọng cho luận văn của tôi. Tôi xin gửi lời cám ơn đến các Thầy Cô trong Hội đồng đã đọc, nhận xét, giúp tôi nhận ra những thiếu sót để hoàn chỉnh luận văn. Xin cám ơn Ban Giám Hiệu, các đồng nghiệp của tôi tại Trường THPT Chuyên Trần Hưng Đạo, Bình Thuận đã tạo điều kiện, đã tương trợ cho tôi trong quá trình tôi hoàn thành khóa học này. Xin cám ơn tập thể hai lớp Cao học Vật lý Khóa 19 đã luôn đồng hành bên tôi. Cám ơn những bạn bè thân thiết và những học sinh thân yêu luôn động viên tôi. Lời cuối cùng, tôi muốn cám ơn gia đình tôi đã dành tất cả tình yêu thương, sự hy sinh cho tôi, giúp tôi có thể vượt qua mọi khó khăn trong học tập và cuộc sống.
MỤC LỤC B 1 LỜI CÁM ƠN ....................................................................................................................................... i 2T T 2 MỤC LỤC ........................................................................................................................................... ii 2T T 2 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... vii 2T T 2 PHẦN I: MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 2T 2T CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL ........................................................... 4 2T T 2 1.1.Giới thiệu về dao Gamma Leksell và lịch sử của thiết bị ............................................................. 4 2T T 2 1.2.Các thành phần chính của dao Gamma Leksell ............................................................................ 6 2T T 2 1.2.1.Thân máy ............................................................................................................................. 6 T 2 2T 1.2.1.1.Bộ phận tạo nguồn ........................................................................................................ 7 T 2 2T 1.2.1.2.Hệ thống định vị APS (Automatic Positioning System) ................................................. 8 T 2 T 2 1.2.1.3.Giường điều trị (Patient treatment Couch) ..................................................................... 9 T 2 T 2 1.2.2.Nón (Collimator Helmet) ..................................................................................................... 9 T 2 2T 1.3.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell ........................................................................... 11 2T T 2 1.3.1.Cơ sở vật lý ........................................................................................................................ 11 T 2 2T 1.3.2.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell .................................................................... 12 T 2 T 2 1.4.Quy trình xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell ............................................................................. 13 2T T 2 1.5.Giới thiệu về Leksell Gamma Plan® ......................................................................................... 15 2T T 2 1.6.Giới thiệu về dao Gamma quay: Rotating Gamma System (RGS) ............................................. 17 2T T 2 1.7.Tình hình ứng dụng dao Gamma Leksell trong điều trị trên thế giới và tại Việt Nam ................ 19 2T T 2 1.8.Ưu điểm và hạn chế của dao Gamma Leksell ............................................................................ 21 2T T 2 1.8.1.Ưu điểm ............................................................................................................................. 21 T 2 2T 1.8.2.Hạn chế .............................................................................................................................. 21 T 2 2T CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ ........................................................................................ 23 2T T 2 2.1.Cơ sở của phương pháp xạ trị bằng bức xạ ................................................................................ 23 2T T 2
2.1.1.Tương tác của photon năng lượng cao với môi trường vật chất [6] ..................................... 23 T 2 T 2 2.1.1.1.Hiệu ứng quang điện ................................................................................................... 23 T 2 2T 2.1.1.2.Tán xạ Compton.......................................................................................................... 26 T 2 2T 2.1.1.3.Sự tạo cặp ................................................................................................................... 28 T 2 2T 2.1.1.4.So sánh các loại tương tác ........................................................................................... 29 T 2 2T 2.1.1.5.Sự hấp thụ năng lượng do các nguồn phát bức xạ khác nhau ...................................... 29 T 2 T 2 2.1.1.6.Cơ chế truyền năng lượng trong tương tác của photon và vật chất ............................... 30 T 2 T 2 2.1.2.Các hiệu ứng sinh học của bức xạ ...................................................................................... 31 T 2 T 2 2.1.2.1.Cấu tạo của tế bào cơ thể người................................................................................... 31 T 2 T 2 2.1.2.2.Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào loại tế bào khác nhau và vào chu kỳ tế bào ...... 31 T 2 T 2 2.1.2.3.Tương tác của bức xạ ion hóa đối với cơ thể con người............................................... 32 T 2 T 2 2.1.2.4.Đường cong sống sót và ảnh hưởng của một số yếu tố đến đường cong sống sót ........ 33 T 2 T 2 2.2.Phương pháp xạ trị .................................................................................................................... 34 2T 2T 2.2.1.Giới thiệu về các hình thức xạ trị và các cơ sở xạ trị ở Việt Nam [6] .................................. 34 T 2 T 2 2.2.2.Mục tiêu của xạ trị ............................................................................................................. 34 T 2 2T 2.2.3.Cơ sở khoa học và phương pháp của kỹ thuật xạ trị............................................................ 35 T 2 T 2 2.2.3.1.Cơ sở khoa học ........................................................................................................... 35 T 2 2T 2.2.3.2. Phương pháp .............................................................................................................. 35 T 2 2T 2.2.4.Quy trình điều trị bằng tia xạ .............................................................................................. 36 T 2 2T 2.2.5.Xạ trị ngoài và xạ phẫu ...................................................................................................... 36 T 2 2T 2.2.5.1.Các thiết bị dùng trong xạ trị ngoài ............................................................................. 36 T 2 T 2 2.2.5.2.Ứng dụng của xạ trị ngoài ........................................................................................... 37 T 2 2T 2.2.5.3.Xạ phẫu (Stereotactic Radiosurgery) ........................................................................... 37 T 2 T 2 2.3.Cơ sở của phép tính phân bố liều ............................................................................................... 38 2T 2T 2.3.1.Hoạt độ phóng xạ ............................................................................................................... 38 T 2 2T
2.3.2. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ ....................................................................................... 38 T 2 T 2 2.3.2.1.Liều hấp thụ D (Absorbed Dose) ................................................................................. 39 T 2 T 2 2.3.2.2.Suất liều hấp thụ (Dose Rate) ...................................................................................... 39 T 2 T 2 2.3.3.FWHM (Full Width Half Maximum) ................................................................................. 40 T 2 T 2 2.3.4.Mô tả phân bố liều hấp thụ ................................................................................................. 40 T 2 2T CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ................................................. 41 2T T 2 3.1.Phương pháp mô phỏng Monte Carlo ........................................................................................ 41 2T T 2 3.1.1.Giới thiệu về phương pháp mô phỏng Monte Carlo ............................................................ 41 T 2 T 2 3.1.2.Tính toán liều với Monte Carlo .......................................................................................... 42 T 2 T 2 3.1.3.Các yếu tố cơ bản trong tính toán liều Monte Carlo [15] .................................................... 42 T 2 T 2 3.1.3.1.Mô hình vật lý ............................................................................................................. 42 T 2 2T 3.1.3.2. Bảng dữ liệu tương tác ............................................................................................... 42 T 2 2T 3.1.3.3. Bộ phát số ngẫu nhiên ................................................................................................ 43 T 2 2T 3.1.3.4. Cấu trúc hình học ....................................................................................................... 43 T 2 2T 3.1.3.5. Cấu tạo vật liệu .......................................................................................................... 44 T 2 2T 3.1.3.6. Đặc điểm của nguồn ................................................................................................... 44 T 2 2T 3.1.3.7. Scoring....................................................................................................................... 44 T 2 2T 3.1.3.8. Làm giảm sự thăng giáng và làm xấp xỉ ..................................................................... 44 T 2 T 2 3.2.Tổng quan về chương trình PENELOPE [10] ........................................................................... 44 2T T 2 3.2.1.Hệ thống code PENELOPE ................................................................................................ 46 T 2 2T 3.2.2.Cơ sở dữ liệu và file dữ liệu của vật liệu đầu vào ............................................................... 48 T 2 T 2 3.2.3.Cấu trúc của chương trình chính (MAIN program) và sự lựa chọn thông số mô phỏng ...... 49 T 2 T 2 3.2.4.Giới thiệu các chương trình chính (MAIN)......................................................................... 50 T 2 T 2 3.2.4.1.Chương trình PENSLAB ............................................................................................. 51 T 2 2T 3.2.4.2. Chương trình PENCYL .............................................................................................. 51 T 2 2T
3.2.4.3. Chương trình PENDOSES ......................................................................................... 53 T 2 T 2 3.2.5.Tính toán phân bố liều với PENELOPE ............................................................................. 53 T 2 T 2 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PENELOPE ĐỂ MÔ PHỎNG PHÂN BỐ LIỀU 2T TRONG XẠ TRỊ BẰNG DAO GAMMA LEKSELL ...................................................................... 56 T 2 4.1.Mục đích ................................................................................................................................... 56 2T T 2 4.2.Mô phỏng PENELOPE tính toán phân bố liều với một nguồn đơn kênh trong thiết bị xạ phẫu 2T Gamma Leksell (sử dụng gói chương trình con PENCYL)[2],[10]. ................................................ 56 T 2 4.3.Khởi tạo file vật liệu cho bài toán mô phỏng ............................................................................. 57 2T T 2 4.4.Vận hành chương trình PENCYL .............................................................................................. 59 2T 2T 4.5.Kết quả mô phỏng ..................................................................................................................... 62 2T 2T 4.6.Sử dụng MATLAB tính liều hấp thụ ......................................................................................... 66 2T T 2 4.6.1.Mô hình helmet model U.................................................................................................... 67 T 2 2T 4.6.2.Mô hình helmet model B, C ............................................................................................... 68 T 2 2T 4.6.3.Các hàm MATLAB và một số thao tác cần sử dụng trong quá trình tính toán [1],[21]........ 68 T 2 T 2 4.7.Đánh giá các kết quả ................................................................................................................. 69 2T 2T 4.7.1.Kết quả tính toán với 37 nguồn bằng MATLAB ................................................................. 69 T 2 T 2 4.7.2.Kết quả tính toán với 10 nguồn bằng MATLAB ................................................................. 71 T 2 T 2 4.7.3.Tính toán thời gian điều trị cho dao Gamma Leksell .......................................................... 73 T 2 T 2 4.7.3.1.Trường hợp dùng số liệu của 37 nguồn ....................................................................... 73 T 2 T 2 4.7.3.2.Trường hợp dùng số liệu của 10 nguồn ....................................................................... 74 T 2 T 2 4.7.4.Chọn Collimator thích hợp cho tổn thương......................................................................... 75 T 2 T 2 4.7.5.Từ kết quả mô phỏng dự đoán kế hoạch điều trị ................................................................. 75 T 2 T 2 4.8.Dùng chương trình MATLAB biểu diễn các đường phân bố liều............................................... 76 2T T 2 4.8.1.Trường hợp sử dụng 37 nguồn ........................................................................................... 77 T 2 2T 4.8.1.1.Tổn thương nằm ngay tâm bộ não ............................................................................... 77 T 2 T 2 4.8.1.2. Khảo sát phân bố liều khi tổn thương nằm ở vị trí bất kỳ............................................ 81 T 2 T 2
4.8.2.Trường hợp sử dụng 10 nguồn ........................................................................................... 87 T 2 2T 4.8.2.1.Tổn thương nằm ngay tâm bộ não ............................................................................... 87 T 2 T 2 4.8.2.2. Khảo sát phân bố liều khi tổn thương nằm ở vị trí bất kỳ............................................ 91 T 2 T 2 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................... 99 2T T 2 KẾT LUẬN .................................................................................................................................... 99 2T T 2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................................................ 100 2T 2T TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................... i 2T 2T PHỤ LỤC.............................................................................................................................................. i 2T T 2
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2B APS: Automatic Positioning System CT: Computer Tomography MRI: Magnetic Resonance Imaging DSA: Digital Subtraction Angiography LGP: Leksell Gamma Plan RGS: Rotating Gamma System 3D: Three – direction 2D: Two – direction MC: Monte Carlo RNGs: Random Number Generators FORTRAN: Formula Translation PENELOPE: PENetration and Energy Loss of Positron and Electron EGS: Electron Gamma Shower MCNP: Monte Carlo N - Particle GEANT: Geometry And Traking FWHM: Full Width Half Maximum MATLAB: Maxtrix Laboratory
PHẦN I: MỞ ĐẦU 3B Trong những năm gần đây, ở nước ta và các nước trên thế giới, số người mắc bệnh ung thư ngày càng gia tăng. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính hàng năm trên thế giới có khoảng 11 triệu trường hợp mới mắc ung thư, mỗi năm có khoảng trên 6 triệu người chết do ung thư. Tỷ lệ chết do ung thư chiếm tới 12% trong số các nguyên nhân gây tử vong ở người. Hiện tại, qua thống kê cho thấy trên toàn cầu khoảng 20 triệu người đang sống chung với bệnh ung thư. Nếu không có các biện pháp can thiệp kịp thời thì con số này sẽ lên tới 30 triệu vào năm 2020 [29]. Theo ghi nhận ung thư ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh, ước tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn người mới mắc và khoảng 50 – 70 nghìn người chết vì ung thư [23]. Các bệnh lý về não: u não, dị dạng động tĩnh mạch máu não,…gây ra tỷ lệ tử vong rất cao. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật tiên tiến, ngành vật lý hạt nhân nói chung, kỹ thuật xạ trị nói riêng, đã có những đóng góp quan trọng trong việc chẩn đoán và điều trị những căn bệnh hiểm nghèo này. Ba phương pháp điều trị ung thư hiện nay là: phẫu thuật, xạ trị và hóa trị. Xạ trị là quá trình điều trị có sử dụng bức xạ ion hóa hoặc phóng xạ. Mục đích của xạ trị là đưa một liều phóng xạ đến thể tích tổn thương đã xác định, với mức độ ảnh hưởng nhỏ nhất đến các tổ chức xung quanh. Kết quả sẽ loại trừ được tổn thương, kéo dài sự sống hay cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong xạ trị. Xạ trị ngoài được tiến hành với chùm tia photon năng lượng cao, thông thường đó là các tia X mang năng lượng cao hoặc các chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60. Phương pháp xạ trị ngoài được sử dụng rộng rãi để điều trị những khối u nằm sâu trong cơ thể. Trong xạ trị ngoài, việc phân bố liều hợp lý là một yếu tố quan trọng, đóng góp vào thành công của quá trình điều trị. Phân bố liều hợp lý được thể hiện bằng sự tập trung liều cao tại thể tích tổn thương (bia) và liều thấp tại vùng biên (các tổ chức lành quanh tổn thương). Hiện nay tại các bệnh viện lớn Việt Nam, những thiết bị phục vụ cho việc chẩn đoán và điều trị bằng phương pháp xạ trị đã được đưa vào sử dụng khá phổ biến .Đặc biệt, vào năm 2006, dao Gamma Leksell đã được đưa vào sử dụng tại bệnh viện Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh. Dao Gamma Leksell là phương tiện phẫu thuật bằng bức xạ Gamma tập trung. Với sự hỗ trợ của Gamma Plan, một chương trình điều trị bằng máy tính, dao Gamma Leksell cho phép các bác sĩ và kỹ sư vật lý xác định đúng và chiếu bức xạ vào thể tích tổn thương trong não với độ chính xác cao nhằm tiêu diệt tổn thương mà không ảnh hưởng đến các vùng lân cận. Dao Gamma Leksell được chỉ định điều trị u não, 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, tuyến yên, u thính giác, các dị dạng động tĩnh mạch. Hiện nay, dao Gamma Leksell còn được nghiên cứu để điều trị các bệnh liên quan đến thần kinh như Parkinson, các rối loạn vận động [22]. Trên thế giới, việc điều trị bằng dao Gamma Leksell đã được thực hiện từ năm 1968 và đến nay, số lượng bệnh nhân được xạ phẫu bằng dao Gamma Leksell đã hơn 500 nghìn người. Riêng bệnh viện Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh đã điều trị hơn 1300 bệnh nhân với kết quả tốt sau điều trị. Cũng như đối với các hệ thống xạ trị khác, việc nghiên cứu phân bố liều hợp lý cho hệ thống dao Gamma Leksell là rất quan trọng, góp phần quyết định sự thành công trong quá trình điều trị. Hệ thống dao Gamma Leksell đã có chương trình Leksell Gamma Plan do hãng cung cấp nhằm giúp người điều trị tính toán được liều tại vùng chiếu, tuy nhiên thông tin về phân bố liều ở những vùng xung quanh thường là không đầy đủ, có thể gây khó khăn cho bác sĩ quyết định phương án tối ưu. Mặt khác những tính toán phân bố liều độc lập với chương trình của hãng sẽ giúp người vận hành và điều trị một mặt thực hiện kiểm tra thông số máy, có những thông tin bổ sung về phân bố liều để lập được những phác đồ điều trị tối ưu giảm thiểu mạo hiểm về phóng xạ cho bệnh nhân, một mặt có thể nâng cao kiến thức về quá trình vật lý tương tác của bức xạ lên mô sống. Vì vậy, việc áp dụng chương trình mô phỏng tương tác bức xạ gamma và electron với vật chất PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell là vấn đề học thuật thật sự cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Luận văn hướng đến mục tiêu: - Tìm hiểu tổng quan về thiết bị xạ phẫu dao Gamma Leksell, cơ sở phương pháp xạ trị và về chương trình PENELOPE 2003. - Ứng dụng chương trình PENELOPE mô phỏng tính toán phân bố liều hấp thụ cho một số trường hợp đơn giản trong xạ trị bằng Leksell Gamma Knife. Từ đó, đặt ra những nhiệm vụ chính của luận văn: - Tìm hiểu tổng quan thiết bị xạ phẫu dao Gamma Leksell bao gồm: lịch sử, các thành phần chính, nguyên lý hoạt động, quy trình xạ phẫu, Leksell Gamma Plan, tình hình ứng dụng, ưu điểm và hạn chế của thiết bị, giới thiệu về dao Gamma quay. - Tìm hiểu tổng quan về phương pháp xạ trị bao gồm: cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị, các hình thức xạ trị, đặc biệt quan tâm đến xạ trị ngoài và xạ phẫu, mục tiêu của xạ trị, cơ sở khoa học và phương pháp của kỹ thuật xạ trị, cơ sở của phép tính phân bố liều.
- Tìm hiểu cơ sở vật lý, cơ sở dữ liệu và cách vận hành của chương trình PENELOPE, một trong những chương trình mô phỏng sự lan truyền của photon năng lượng cao và electron trong vật chất. sử dụng phương pháp Monte Carlo . - Ứng dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng tính toán phân bố liều hấp thụ cho trường hợp đơn giản trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell. Quá trình mô phỏng được thực hiện đầu tiên bằng cách sử dụng chương trình PENELOPE mô phỏng quá trình tương tác của photon năng lượng cao trong mô hình não đối với nguồn đơn kênh của dao Gamma Leksell. Sau đó dựa trên kết quả thu được, thực hiện tính toán bằng phương pháp chồng chất của chương trình MATLAB để thu được phân bố liều hấp thụ cho toàn bộ các nguồn theo bố trí không gian collimator helmet của dao Gamma Leksell. - Trong quá trình tiến hành mô phỏng, sử dụng chương trình GNUPLOT và MATLAB để hiển thị các kết quả thu được thông qua các hình ảnh, đồ thị, những số liệu tính toán cụ thể. - Xem xét sự thay đổi của các phân bố liều khi thay đổi vị trí tổn thương; qua đó, đưa ra các nhận xét, so sánh và đề ra những ứng dụng phù hợp với thực tiễn. Từ mục tiêu và những nhiệm vụ đặt ra, luận văn “Áp dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell” được trình bày như sau: - Phần mở đầu - Phần nội dung Chương 1. Tổng quan về dao Gamma Leksell. Chương 2. Tổng quan về xạ trị. Chương 3. Tổng quan về chương trình PENELOPE. Chương 4. Áp dụng chương trình PENELOPE để mô phỏng phân bố liều trong xạ trị bằng dao Gamma Leksell. - Phần kết luận và hướng phát triển
PHẦN II: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO GAMMA LEKSELL B 4 1.1.Giới thiệu về dao Gamma Leksell và lịch sử của thiết bị 1B Dao Gamma Leksell là một thiết bị y tế kỹ thuật cao sử dụng năng lượng bức xạ Gamma để điều trị các thương tổn nhỏ sâu, ở nhiều vị trí khác nhau trong não, gần các cấu trúc thần kinh, mạch máu quan trọng mà không cần mổ nhằm bảo tồn cấu trúc và chức năng thần kinh, nâng cao chất lượng sống cho bệnh nhân. Khi sử dụng dao Gamma, chúng ta không cần phải mổ hộp sọ của bệnh nhân như những kỹ thuật trước. Nhưng chúng ta vẫn gọi bằng thuật ngữ “dao Gamma” vì đó là phương tiện phẫu thuật bằng bức xạ Gamma có khả năng xuyên hộp sọ tập trung. Việc điều trị được tiến hành bằng cách hội tụ chính xác các chùm tia Gamma năng lượng cao vào một điểm đích để tiêu hủy dần dần tổn thương trong não mà không làm hại các mô lành xung quanh. Như vậy, tia Gamma đóng vai trò như một con dao mổ, chỉ có khác là chúng ta không phải mổ hộp sọ ra như những phẫu thuật trước đây. Vì thế, thiết bị này được gọi là dao Gamma và phương pháp này là phương pháp phẫu thuật không xâm lấn (non- invasive). Hình 1.1. Mô hình thiết bị dao Gamma Leksell, Giáo sư Lars Leksell và hệ thống định vị đầu tiên ( http://www.elekta.com/) Chúng ta sẽ điểm qua những mốc lịch sử quan trọng của dao Gamma Leksell [26]: Lars Leksell, một giáo sư giải phẫu thần kinh người Thụy Điển là người đầu tiên giới thiệu khái niệm “tia hoạt động theo stereotactic” trong giải phẫu các bệnh lý về não.
- Năm 1949, giáo sư Lars Leksell đã giới thiệu hệ thống định vị Leksell, một trong những công cụ của phương pháp giải phẫu thần kinh, có thể định vị não với độ chính xác rất cao. - Năm 1951, hệ thống định vị Leksell đã được sử dụng lần đầu tiên, hướng các tia X vào trong não để điều trị những khối u và các rối loạn khác. - Năm 1967, giáo sư Lars Leksell và các cộng sự của ông đã hoàn thành việc chế tạo và lắp đặt nguyên mẫu đầu tiên của dao Gamma với các nguồn Cobalt-60. Bệnh nhân đầu tiên đã được điều trị tại nhà máy hạt nhân Studsvik. - Năm 1968, dao Gamma Leksell lần đầu tiên được triển khai điều trị tại bệnh viện Karolinska, Stockholm, Thụy Điển, áp dụng cho những tổn thương có kích thước nhỏ. Liều lượng cần thiết để điều trị cho một thương tổn thường được xác định dựa trên các dữ liệu của các thí nghiệm động vật và các nghiên cứu khám nghiệm tử thi. - Năm 1972, công ty thiết bị Elekta AB tại Thụy Điển ra đời. - Năm 1974, công ty đã giới thiệu các phần mềm đầu tiên hỗ trợ cho việc lập kế hoạch tính liều cho dao Gamma Leksell. - Năm 1985, mẫu dao Gamma mới - dao Gamma Leksell U đầu tiên đã được đưa đến Sheffied, Anh và Buenos, Argentina. - Năm 1987, dao Gamma lần đầu tiên được cho sản xuất hàng loạt và lắp đặt tại Pittsburgh, Mỹ. Đây là thế hệ dao gamma U với sự hỗ trợ của hệ thống thủy lực đặt bệnh nhân ở tư thế nằm ngồi. Hình 1.2. Dao Gamma Leksell model U - Năm 1988, thế hệ dao Gamma B với tư thế bệnh nhân nằm được lắp đặt tại bệnh viện Karolinska, Thụy Điển.
Hình 1.3. Dao Gamma Leksell model B - Năm 1990, Leksell Gamma Plan đã được giới thiệu trong việc lên kế hoạch tính liều điều trị cho bệnh nhân và đến năm 1996, những hình ảnh CT, MRI được đưa vào trong Gamma Plan. - Năm 1999, công ty giới thiệu thế hệ dao Gamma C sử dụng hệ thống định vị tự động (APS) và bắt đầu tung ra thị trường năm 2000. - Năm 2004, thế hệ dao gamma 4C ra đời. - Năm 2006, dao Gamma Perfexion, phiên bản mới nhất và tiên tiến nhất của dao Gamma Leksell, đã được giới thiệu trên toàn thế giới. Thế hệ dao Gamma Leksell B và C có cấu trúc hình học và bộ phận tạo nguồn hoàn toàn tương tự nhau. Thế hệ dao Gamma Perfexion cho phép chúng ta có thể điều trị cho những khối u có kích cỡ lớn hơn những thế hệ dao Gamma trước [19]. Dao Gamma Leksell B và C được sử dụng nhiều nhất trong các loại dao Gamma. Hiện nay, rất nhiều nơi trên thế giới sử dụng dao Leksell Gamma C, trong đó có Việt Nam. 1.2.Các thành phần chính của dao Gamma Leksell 12B Trong luận văn này, các thành phần chính của dao Gamma Leksell, cụ thể là dao Gamma Leksell C (model C) do công ty Elekta, Thụy Điển sản xuất sẽ được trình bày, đồng thời cũng sẽ có phép so sánh dao Gamma Leksell C với các thế hệ dao Gamma khác. Đây là thiết bị xạ phẫu đang được sử dụng tại đơn vị Gamma Knife, bệnh viện Chợ Rẫy, Thành phố Hồ Chí Minh. Dao Gamma Leksell có 2 thành phần chính: thân máy và nón (collimator helmet) 1.2.1.Thân máy 34B
Thân máy của dao Gamma Leksell gồm 3 phần: bộ phận tạo nguồn, hệ thống định vị và giường điều trị. Hình 1.4. Thân máy và hình cắt ngang của dao Gamma Leksell model C (Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy) 1.2.1.1.Bộ phận tạo nguồn B 6 Có dạng hình cầu, được đặt trong bộ phận che chắn làm bằng chì. Phía trước bộ phận tạo nguồn có 2 cửa che chắn, được mở ra khi bắt đầu một ca điều trị và đóng lại khi kết thúc quá trình điều trị, hoặc khi ca điều trị được ngừng lại để xử lý các sự cố xảy ra tại phòng xạ phẫu. Hình 1.5. Bộ phận tạo nguồn (Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy) Nguồn trong dao Gamma Leksell B và C gồm 201 nguồn Cobalt-60 có hoạt độ tổng cộng khoảng 6000 Ci. Mỗi nguồn gồm 20 viên Cobalt-60 được bọc trong hai lớp thép không gỉ, xếp liên tục với nhau và hàn dính vào nhau [25]. Mỗi viên có đường kính 1mm, chiều dài 1mm. Vì vậy, kích thước cuối cùng của một nguồn Cobalt-60 là đường kính 1mm, chiều dài 20mm [19].
Mỗi nguồn có hoạt độ gần 30 Ci, năng lượng trung bình là 1,25MeV, sắp xếp thành dãy hình tròn, nằm trong bộ phận tạo nguồn và phát ra những tia phóng xạ Gamma đến những điểm đích trong não bệnh nhân cùng một lúc.[25] Mỗi chùm tia Gamma phát ra từ nguồn được chuẩn trực ban đầu bằng một collimator cố định gắn trong bộ phận tạo nguồn gồm một hình trụ dài 67cm, có bán kính 2mm và một collimator kế tiếp dạng hình nón dài 92.5cm, cuối cùng bằng một collimator nằm trong helmet dài 60cm có đường kính khác nhau được chọn tùy theo kế hoạch điều trị. Các loại collimator của Helmet sẽ được đề cập kĩ hơn ở phần 1.2.2. Ta có thể hình dung được dựa trên hình vẽ dưới đây . Hình 1.6. Mô tả hình học một kênh đơn của dao Gamma [19] Chúng ta nhận thấy khoảng cách từ nguồn đến điểm hội tụ của các chùm tia, cũng là vị trí của tổn thương cần điều trị là khoảng 40cm. Khoảng cách từ đầu ra của collimator helmet đến vị trí của tổn thương cần điều trị là khoảng 16.5cm. Đây là những điểm cần chú ý khi định vị cho tổn thương trong điều trị cũng như trong nội dung mô phỏng của luận văn. 1.2.1.2.Hệ thống định vị APS (Automatic Positioning System) B 7 6 Điểm hội tụ của các chùm tia Gamma trong dao Gamma Leksell là cố định. Vấn đề đặt ra là làm sao chúng ta có thể điều trị cho một tổn thương có vị trí không nằm tại điểm hội tụ đó? Điều đó có thể giải quyết dễ dàng hơn khi có hệ thống định vị APS. APS có tác dụng dịch chuyển khung định vị trên đầu bệnh nhân để vị trí tổn thương đến điểm hội tụ cố định. Hệ thống này bao gồm 3 bộ phận: Hai bộ phận APS trái (APS left) và APS phải (APS right) được gắn vào hai bên của helmet và có lắp đặt những motor nhỏ nhằm điều khiển các thanh APS-x, APS-y và APS-z trượt đồng thời trên các trục của chúng. Bộ phận còn lại của hệ thống APS
chính là khung định vị gắn vào đầu bệnh nhân. Khoảng điều trị cho phép của APS-x là: 59-141(mm), APS-y: 40-60 (mm), APS-z: 58-142(mm). Sự ra đời của APS có thể coi như một bước tiến đáng kể của dao Gamma Leksell. Nhờ có APS, chúng ta có thể đặt liều lớn nhất như mong muốn tại vị trí tổn thương, điều trị được tổn thương mà tránh tác động không mong muốn đến các mô lành lân cận [25]. Hình 1.7. Hệ thống APS và vị trí của APS trong dao Gamma Leksell [25] Hình 1.8. Hệ thống APS và minh họa tác dụng của APS (Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy ) và (http://www.elekta.com/) T 2 T 2 1.2.1.3.Giường điều trị (Patient treatment Couch) B 8 6 Là nơi bệnh nhân nằm trong suốt quá trình điều trị.Thiết bị này giúp dịch chuyển bệnh nhân đến những vị trí khớp với các kênh chiếu trong suốt quá trình xạ trị. 1.2.2.Nón (Collimator Helmet) 35B Dao Gamma Leksell được trang bị bốn loại helmet có dạng bán cầu, gắn cố định với giường điều trị bằng các đinh vít và được phân biệt dựa vào kích cỡ của các collimator gắn trong helmet.
Helmet có bốn loại tương ứng với các loại collimator có đường kính: 4mm, 8mm, 14mm, 18mm. Vị trí hội tụ của các tia xạ là cố định, nằm trên trục đi qua tâm của helmet, cách nguồn khoảng 40 cm. Thành phần quan trọng nhất của helmet đó là các collimator. Như chúng ta đã đề cập ở trên, một kênh đơn chứa một collimator cố định gắn trong bộ phận tạo nguồn và một collimator có thể thay thế gắn trong helmet. Khi helmet được gắn vào vị trí để tiến hành xạ trị, toàn bộ hệ thống collimator tạo thành một kênh hình nón với mặt cắt ngang là hình tròn.Chính hệ thống collimator định hướng các tia phóng xạ phát ra từ nguồn tập trung chính xác tại vị trí khối u 3D, giảm tối thiểu ảnh hưởng của các tia đến các vùng lân cận. Kích cỡ của các chùm tia được xác định khi đi qua helmet, tạo ra các shot xạ lấp đầy tổn thương trong não được mô tả trong Leksell Gamma Plan và sử dụng trong quá trình xạ phẫu. Bằng cách sử dụng các helmet một cách linh hoạt, các kỹ sư vật lý thiết lập được kế hoạch điều trị với liều chiếu thích hợp với hình dạng và thể tích của tổn thương [25]. Ví dụ như đối với các khối u hay dị dạng nằm ở vị trí gần thân não, chúng ta không thể chọn loại helmet với collimator kích cỡ lớn. Đối với dao Gamma Leksell model B và C, chúng ta thường gặp các loại helmet sau: Hình 1.9. Các loại collimator helmet (Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy) Hình 1.10. Vị trí của helmet trong dao Gamma Leksell (Hình chụp thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy)
Hình 1.11. Sự sắp xếp của các collimator trong helmet [36] Mỗi Helmet có 201 collimator. Các collimator được sắp xếp trong helmet thành 5 vòng, được ký hiệu lần lượt là A, B, C, D, E: vòng A có 44 collimator, vòng B có 44 collimator, vòng C có 39 collimator, vòng D có 39 collimator và vòng E có 35 collimator. Các vòng tròn này đồng tâm [9]. Đối với dao Gamma Leksell model U, helmet có 197 collimator được phân bố gần như đồng nhất phủ trên nửa bán cầu [36]. Hình 1.12. Helmet của dao Gamma Leksell U (http://qwikstep.eu/search/gamma-knife-in.html) 1.3.Nguyên lý hoạt động của dao Gamma Leksell 13B 1.3.1.Cơ sở vật lý 36B Nguyên tắc vật lý của dao Gamma Leksell là dựa trên quá trình phân rã phát ra tia Gamma của nguồn Cobalt-60. Đồng vị Cobalt-60 là kim loại phóng xạ dùng trong xạ trị, không thể tìm thấy trong tự nhiên. Đồng vị Cobalt-60 được tạo ra đơn giản bằng cách đặt Coban tự nhiên dưới các neutron trong lò phản ứng với một khoảng thời gian nhất định. 59 27Co + n → 2760Co