ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



PHAN THỊ THÀNH LÝ


TÍNH LIỀU GÂY BỞI CHÙM TIA PHOTON TỪ
MÁY GIA TỐC DÙNG MONTE CARLO CODE
EGSnrc



LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ









THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
WX


PHAN THỊ THÀNH LÝ

TÍNH LIỀU GÂY BỞI CHÙM TIA PHOTON TỪ
MÁY GIA TỐC DÙNG MONTE CARLO CODE
EGSnrc

Chuyên ngành:
VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN
VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐÔNG SƠN






THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2009
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ
Chí Minh tôi đã học hỏi được nhiều kinh nghiệm thiết thực và nguồn tri thức quý
giá bồi dưỡng cho nguồn kiến thức còn hạn chế của mình. Xin cho tôi gửi lời cảm
ơn chân thành tới tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi trong thời gian qua.
Cho tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Đông Sơn, thầy đã cung cấp
cho tôi những kiến thức bổ ích, thầy luôn dành thời gian để góp ý, giảng giải, đọc và
nhận xét cho luận văn của tôi ngày càng hoàn thiện. Thầy cũng đã giúp tôi trưởng
thành hơn trong nghiên cứu khoa học.

Xin gửi lời cảm ơn tới TS. Châu Văn Tạo, thầy đã cho tôi những góp ý chân
thành để luận văn của tôi hoàn chỉnh hơn.
Xin được phép gửi lời cảm ơn tới TS. Trần Quốc Dũng, TS. Võ Hồng Hải và các
thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét, góp ý giúp tôi hoàn thành luận văn.
Qua đây tôi cũng gửi lời cảm ơn tới kỹ sư Trần Cương tại bệnh viện Chợ Rẫy
đã cung cấp những dữ liệu so sánh chính trong luận văn này và giải thích cho tôi
những kiến thức về chương trình DSS và về quy trình xạ trị, gợi ý cho tôi những
kiến thức thiết thực.
Cảm ơn ThS. Trần Thiện Thanh đã có những góp ý thiết thực cho tôi trong quá
trình hoàn thiện luận văn.
Cảm ơn người bạn, người đồng nghiệp Nguyễn Thị Bích Loan đã giúp tôi cùng
xử lý những khó khăn ban đầu trong quá trình chạy chương trình và giải thích cho
tôi một số vấn đề liên quan đến luận văn của bạn.
Xin gởi lời cảm ơn tới các anh chị tại phòng Lập kế hoạch, bệnh viện Chợ Rẫy
đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình lấy dữ liệu và tìm hiểu về xạ trị.
Cảm ơn các bạn trong lớp cao học VLHN khóa 16 đã luôn động viên, trao đổi
thông tin và giúp đỡ nhau trong học tâp.
Đặc biệt cho tôi gởi lời biết ơn tới ban giám hiệu trường cấp III Việt Đức, tỉnh
ĐăkLăk, nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời
gian đi học vừa qua.
Cuối cùng tôi xin gởi lòng biết ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ và động
viên để tôi hoàn thành khóa học này.
TÍNH LIỀU GÂY BỞI CHÙM TIA PHOTON TỪ MÁY GIA TỐC
DÙNG MONTE CARLO CODE EGSnrc
Phan Thị Thành Lý
TS. Nguyễn Đông Sơn
Bộ môn Vật lí hạt nhân, Khoa Vật lí
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Tóm tắt: Monte Carlo (MC) được xem là phương pháp chính xác nhất để tính liều trong
bệnh nhân. EGSnrc dùng phương pháp MC là chương trình có nhiều triển vọng dùng tính

liều trong thực tế với độ chính xác cao. Hiện nay, EGSnrc vẫn còn trong giai đoạn nghiên
cứu. Trong đề tài này, chúng tôi tìm hiểu cách sử dụng và khảo sát khả năng tính liều của
chương trình trong một số trường hợp. Đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Quy trình xạ trị, máy gia tốc, thuật toán Monte Carlo và một số khía
cạnh vật lý của chùm photon.
Chương 3: Code EGSnrc.
Chương 4: Áp dụng code EGSnrc trong tính và biểu diễn liều.
Từ khóa: EGSnrc, BEAMnrc, DOSXYZnrc, Monte Carlo
ACCELERATOR PHOTON BEAM DOSE CALCULATION USING
MONTE CARLO CODE EGSnrc
Phan Thi Thanh Ly
Dr. Nguyen Dong Son
Nuclear Physics Department
Faculty of Physics, University of Science, VNU – HCMC
Abstract: The Monte Carlo (MC) technique is recognized as the most method to predict
patient dose. EGSnrc code using MC method has many prospects for dose calculation in
fact exactly. Now, EGSnrc code still in research stage. In this thesis, we learn to use
code and survey dose calculation ability of code in some cases. The thesis includes 4
chapters:
Chapter 1: Overview.
Chapter 2: Process of radiotherapy, Accelerator, Monte Carlo algorithm and some
respects of photon beams.
Chapter 3: Code EGSnrc.
Chapter 4: Apply code EGSnrc to caculate and perform dose.
Keywords: EGSnrc, BEAMnrc, DOSXYZnrc, Monte Carlo


1
MỤC LỤC

Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt 3
Danh mục các bảng 4
Danh mục các hình 5
Chương 1. TỔNG QUAN 10
1.1. Giới thiệu về các phương pháp tính liều cho chùm photon trong xạ trị 10
1.2. Giới thiệu về các code Monte Carlo dùng trong xạ trị 11
1.3. Lý do chọn code EGS. 14
1.4. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài. 14
1.4.1. Mục tiêu 14
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu 14
1.5. Giới thiệu nội dung luận văn 15
Chương 2. QUY TRÌNH XẠ TRỊ, MÁY GIA TỐC, THUẬT TOÁN
MONTE CARLO VÀ MỘT SỐ KHÍA CẠNH VẬT LÝ CỦA CHÙM PHOTON.16

2.1. Qui trình điều trị 16
2.2. Cấu trúc chung của máy gia tốc tuyến tính 18
2.3. Mô phỏng Monte Carlo cho dịch chuyển bức xạ 20
2.3.1. Quá trình vận chuyển photon 22
2.3.2. Quá trình vận chuyển electron. 24
2.4. Một số khía cạnh vật lý của chùm photon 27
2.4.1. Sự truyền qua của chùm tia photon vào phantom hoặc bệnh nhân 27
2.4.2. Beam profile và độ phẳng của trường 28
2.4.3. Phần trăm liều độ sâu (%DD) 30
2.4.4. Sự phân bố đồng liều 31
Chương 3. CODE EGSnrc 32
3.1. Code EGSnrc 32
3.1.1. Khả năng và đặc trưng của code 32
3.1.2. Cấu trúc và hoạt động của code EGSnrc 33
3.1.3. Hệ thống thư mục của code EGSnrc 35
3.1.4. Các user code 36

3.2. BEAMnrc 37
3.2.1. Hoạt động của BEAMnrc 37
3.2.2. File không gian pha *.egsphant 39
3.3. DOSXYZnrc . 40
3.3.1. Khai báo phantom . 41
3.3.2. File *.3ddose 42
3.4. Chương trình đọc dữ liệu ảnh CT, ctcreate 43
3.4.1. Quá trình hoạt động của ctcreate 43
3.4.2. Những thông số cần vào cho ctcreate để tạo file .egsphant 44
3.5. Chương trình biểu diễn liều, dosxyz_show 45
Chương 4. ÁP DỤNG CÁC CODE EGSnrc TRONG TÍNH VÀ
BIỂU DIỄN LIỀU 47
U

2
4.1. Tính phân bố liều trong phantom nước 47
4.1.1. Tạo file không gian pha với BEAMnrc. 48
4.1.2. Quá trình tính liều với DOSXYZnrc 53
4.1.3. Kết quả thu được, so sánh và đưa ra nhận xét 54
4.2. Quá trình tính liều trong phantom người 62
4.2.1. Đọc ảnh CT 63
4.2.2. Chạy BEAMnrc 64
4.2.3. Tính liều bởi DOSXYZnrc 65
Kết luận 78
Hướng phát triển 80
Tài liệu tham khảo 81
Phụ lục 84

3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

2D: Two-Dimensional
3D: Three-Dimensional
CM: Component Module
CT: Computed Tomography
D: Dose
DD: Depth dose
DSS: Decision support system
ECUT: Electron cut-off energy
EGS: Electron Gamma Shower
ETRAN: Electron TRANsport
FS: Field Size
GEANT4: Geometry Add Tracking 4
MCNP: Monte Carlo N Particle
NRC: National Research Council of Canada
OMEGA: Ottawa Madision Electron Gamma Algorithm
PCUT: Photon Cut-Off Energy
PDD: Percentage depth dose
PENELOPE: PENetration and Energy LOss of Positrons and Electron
SAD: Source to Axis Distance
SSD: Source to Surface Distance
TPR: Tissue Phantom Ratio
VMC: Voxel Monte Carlo



4
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Khoảng năng lượng và giá trị số đếm trong phổ 53
Bảng 4.2. Giá trị liều theo phương ngang tại độ sâu 2,8 cm (chuẩn hóa tại 0 cm)
của chương trình mô phỏng và thực nghiệm 57


Bảng 4.3. Giá trị liều theo phương ngang tại độ sâu 5 cm (chuẩn hóa tại 0 cm)
của chương trình mô phỏng và thực nghiệm 59

Bảng 4.4. Giá trị liều theo phương ngang tại độ sâu 10 cm (chuẩn hóa tại 0 cm)
của chương trình mô phỏng và thực nghiệm 61

Bảng 4.5. Tọa độ và phần trăm liều được tính bởi 2 chương trình 70
Bảng 4.6. Tọa độ và phần trăm liều được tính bởi 2 chương trình 74

5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hệ thống OMEGA-BEAM 13
Hình 2.1. Qui trình điều trị 17
Hình 2.2. Các bộ phận chính trong đầu máy gia tốc 19
Hình 2.3. Sơ đồ vận chuyển photon trong một code Monte Carlo . 22
Hình 2.4. Phân bố xác suất năng lượng của photon phát ra từ bia của máy gia tốc
khi chùm electron 8 MeV đập vào và phân bố xác suất tích lũy 23

Hình 2.5. Biểu diễn sự mất năng lượng của electron qua thuật toán loại I, và II . 25
Hình 2.6. Sơ đồ vận chuyển electron trong một code Monte Carlo. 26
Hình 2.7. Beam profile của nguồn không điểm 28
Hình 2.8. Mô tả cách tính %DD 30
Hình 2.9. Beam profile và sự phân bố đồng liều . 31
Hình 3.1. Cấu trúc của hệ thống code EGSnrc khi được sử dụng với 1 user code 34
Hình 3.2. Cấu trúc đường dẫn của HEN_HOUSE 35
Hình 3.3. Cấu trúc đường dẫn của EGS_HOME 36
Hình 3.4. Cửa sổ cho khai báo các CM máy gia tốc 38
Hình 3.5. Cửa sổ cho khai báo các thông số vận chuyển, thông số vào chính. 38
Hình 3.6. Cửa sổ cho khai báo phantom được tạo bởi dữ liệu ảnh CT 41

Hình 3.7. Hình mô tả cách tạo file *.egsphant bằng ctcreate 44
Hình 3.8. Ramp mặc định cho chuyển số CT thành vật chất và mật độ tương ứng .45
Hình 3.9. Cửa sổ quan sát của dosxyz_show và những công cụ của nó 46
Hình 4.1. Mô hình flatterning filter tạo chùm photon 15 MV và 6 MV 48
Hình 4.2. Mô hình máy gia tốc 2D với flattening filter tạo chùm photon 15MV 49

6
Hình 4.3. Mô hình máy gia tốc 3D tạo chùm photon 15 MV dùng EGS_windows.50
Hình 4.4. Cửa sổ mô tả các thông số vào chính cho BEAMnrc. 51
Hình 4.5. Cửa sổ mô tả vào các thông số EGSnrc cho BEAMnrc. 51
Hình 4.6. Các thông số mô tả nguồn 0 trong BEAMnrc 52
Hình 4.7. Khai báo các thông số cho nguồn 2 trong DOSXYZnrc 53
Hình 4.8. So sánh phân bố liều theo độ sâu thu được giữa kết quả mô phỏng và
thực nghiệm. 55

Hình 4.9. So sánh phân bố liều theo phương ngang tại độ sâu 2,8 cm giữa kết quả
mô phỏng và kết quả thực nghiệm. 56

Hình 4.10. So sánh phân bố liều theo phương ngang tại độ sâu 5 cm giữa kết quả
mô phỏng và kết quả thực nghiệm. 58

Hình 4.11. So sánh phân bố liều theo phương ngang tại độ sâu 10 cm giữa kết
quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 60

Hình 4.12. Xác định gốc tọa độ cho trục x và y (hình trái), và x,y của isocenter
(hình phải). Vị trị Isocenter là x = 3 cm và y = -22,75 cm 64

Hình 4.13. Cửa sổ mô tả thông số vào nguồn 8, chiều từ 2 hướng 65
Hình 4.14. Kết quả tính liều chiếu theo 2 hướng bằng chương trình DSS 66
Hình 4.15. Kết quả tính liều chiếu theo 3 trường từ code EGSnrc 67

Hình 4.16. Sự phân bố và hình dạng của các đường đồng liều giữa chương
trình DSS và DOSXYZnrc trong trường hợp chiếu theo hai trường 68

Hình 4.17. Vị trí các điểm giao đường nối isocenter và gốc tọa độ với các đường
đồng liều 95%, 85%, 75%, 50% , trường hợp chiếu theo hai trường 69

Hình 4.18. Vị trí cực đại thu được từ EGSnrc, được xác định trên dosxyz_show
trong trường hợp chiếu theo 2 hướng 71

Hình 4.19. Cửa sổ khai báo các giá trị cho nguồn 8 chiếu từ 3 hướng 71

7
Hình 4.20. Kết quả tính liều chiếu theo 3 hướng bằng chương trình DSS 72
Hình 4.21. Kết quả chiếu theo 3 hướng từ code EGSnrc 73
Hình 4.22. Sự phân bố và hình dạng của các đường đồng liều giữa chương trình
DSS và DOSXYZnrc trong trường hợp chiếu theo 3 trường 74

Hình 4.23. Vị trí các điểm giao đường nối isocenter và gốc tọa độ với các đường
đồng liều 95%, 85%, 75%, 50%. Trường hợp chiếu theo 3 trường. 75

Hình 4.24. Vị trí cực đại thu được từ EGSnrc, được xác định trên dosxyz_show
trong trường hợp chiếu theo 3 trường.
76

8
MỞ ĐẦU
Trong xạ trị, để đảm bảo phân bố liều tối ưu nhất thì một trong những bước
quan trọng là tính liều trước khi xạ. Tuy nhiên, việc tính liều có chính xác hay
không lại phụ thuộc vào phương pháp tính liều được sử dụng trong quá trính tính.
Có một số phương pháp tính liều được đưa ra như phương pháp pencil beam, tích

chập (convolution), phương pháp Monte Carlo [12]. Những phương pháp như
pencil beam, phương pháp tích chập nói chung cho kết quả tốt đối với việc tính liều
cho chùm tia photon. Tuy nhiên, khi tính liều cho chùm tia electron, với quá trình
vận chuyển phức tạp, các thuật toán này chưa cho kết quả phù hợp nhất là khi tính
trong những dạng hình học phức tạp, và cấu tạo không đồng nhất [12]. Trong khi đó
phương pháp Monte Carlo với cách thức theo dõi chi tiết cho từng quá trình, cho kết
quả chính xác cao. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian để mô
phỏng vì vậy hiện nay việc sử dụng hoàn toàn phương pháp Monte Carlo trong tính
liều bệnh nhân chưa là khả thi vì quá trình tính liều trong xạ trị chỉ nên tốn ít thời
gian, khoảng vài phút. Trong khi đó tính liều cho xạ trị bởi quá trình Monte Carlo
hiện nay cần tốn hàng giờ. Do đó, hiện nay chương trình Monte Carlo được áp dụng
một phần cùng với phương pháp giải tích ví dụ như dùng để tính như lõi chùm tia
bút chì (pencil-beam kernels), hay tính lõi điểm bỏ năng lượng (energy deposition
point kernel) [12] .
Những code áp dụng Monte Carlo có thể kể đến như PENELOPE, MCNP,
GEANT4, EGSnrc mỗi code có những thế mạnh riêng của nó và có thể ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong đó, được áp dụng nhiều nhất trong lĩnh vực y
khoa phải kể đến là code EGSnrc. Code EGSnrc đã được phát triển với các user
code linh hoạt như BEAMnrc, DOSXYZnrc.
Code EGSnrc vẫn còn là một code đang trong quá trình nghiên cứu và cần
được kiểm tra về độ tin cậy.
Ở Việt Nam, code này đang còn là một code mới, chính vì thế mục đích chính
của luận văn vẫn là đi tìm hiểu và khai thác các chức năng của code. Luận văn thực

9
hiện quá trình tính liều trong phantom nước và so sánh, khảo sát với kết quả thực
nghiệm đo được tại bệnh viện Chợ Rẫy. Trong phantom người, mục đích chính
trong luận văn là tìm hiểu các chức năng tính liều với phantom được tạo từ dữ liệu
ảnh CT, tìm hiểu các công cụ dosxyz_show, ctcreate, kết quả từ quá trình này được
so sánh với kết quả tính liều từ chương trình DSS.

Bố cục của luận văn như sau:
Chương 1. TỔNG QUAN
Chương này giới thiệu chung về các phương pháp tính liều và các code tính
liều dùng Monte Carlo. Trong chương trình bày lí do chọn chương trình EGSnrc
cho tính liều và nêu phạm vi, hướng nghiên cứu.
Chương 2. QUY TRÌNH XẠ TRỊ, MÁY GIA TỐC, THUẬT TOÁN MONTE
CARLO VÀ MỘT SỐ KHÍA CẠNH VẬT LÝ CỦA CHÙM PHOTON.
Chương này trình bày về một số kiến thức cơ bản cần tìm hiểu cho quá trình
làm luận văn. Gồm những kiến thức như: Quy trình xạ trị, máy gia tốc, thuật toán
Monte Carlo và những khía cạnh vật lý của chùm photon.
Ch
ương 3: CODE EGSnrc
Chương này giới thiệu code EGSnrc và một số user code. Với Code EGSnrc,
trong chương này trình bày về hệ thống thư mục và cách hoạt động của nó. Với
User code, chương này trình bày một số điểm chính được lưu ý trong quá trình làm
luận văn.
Ch
ương 4: ÁP DỤNG CODE EGSnrc TRONG TÍNH VÀ BIỂU DIỄN LIỀU
Chương này trình bày kết quả khảo sát của chúng tôi trong quá trình chiếu với
các phantom khác nhau là phantom nước và phantom người. Kết quả của chúng tôi
được so sánh với kết quả đo tại Chợ Rẫy và chương trình tính liều DSS.
Cuối chương, chúng tôi đưa ra kết luận và hướng nghiên cứu tiếp.


10
Chương 1. TỔNG QUAN
Xạ trị là một trong những phương pháp ngày càng đóng vai trò quan trọng
trong điều trị ung thư. Quá trình xạ trị là một quá trình gồm nhiều bước, trong đó
tính liều trước khi xạ là một bước rất quan trọng. Nội dung chương trình bày những
tìm hiểu của chúng tôi về các phương pháp tính liều hiện nay, ưu điểm, khuyết điểm

của các phương pháp tính liều này, từ đó xác định một phương pháp tính liều hiệu
quả nhất là phương pháp Monte Carlo, đồng thời chúng tôi tìm hiểu về các code áp
dụng thuật toán tính liều Monte Carlo và chọn ra cho mình một code phù hợp nhất
là code EGS. Tiếp theo, chúng tôi tìm hiểu về tình hình sử dụng code trên thế giới,
từ đó xác định phạm vi nghiên cứu, hướng nghiên cứu.
1.1. Giới thiệu về các phương pháp tính liều cho chùm photon trong
xạ trị
Trong quá trình xạ trị, việc tính phân bố liều cần phải rất chính xác. Có một số
phương pháp tính liều đã được đề xuất và áp dụng.
Đối với tính liều chùm tia photon, bốn thành phần liều chính được xác định là:
liều sơ cấp chiếm hơn 70% tổng liều; liều tán xạ trong phantom là thành phần liều
lớn thứ 2, chiếm khoảng 30% tổng liều; liều do tán xạ từ đầu máy gia tốc chiếm
khoảng 5 đến 10% tổng liều; liều do sự nhiễm bẩn bởi hạt tích điện đặc biệt với
chùm photon năng lượng cao, chỉ với độ sâu nhỏ (ít hơn 4cm, chỉ trong vùng liều
tăng dần (buildup)) [12].
Thuật toán tính liều là thành phần chịu trách nhiệm về việc biểu diễn chính
xác liều trong bệnh nhân. Tính liều đã tiến triển từ tính 2D đơn giản đến tính lõi
điểm (point kernel) 3D một phần, đến mô hình tính liều 3D đầy đủ, trong đó lịch sử
của bức xạ tán xạ và sơ cấp được xem xét. Theo sự tăng nhanh của tốc độ máy tính,
các kỹ thuật tính liều cũng ngày càng hoàn thiện [13].
Giải pháp của các thuật toán tính liều hiện nay là tính phân biệt riêng thành
phần liều sơ cấp và thành phần liều do tán xạ hay thành phần thứ cấp, với cách thức

11
này những sự thay đổi thành phần liều do tán xạ bởi sự thay đổi hình dạng chùm tia,
mật độ chùm tia, hình học bệnh nhân và sự không đồng nhất của mô được xét đến
trong thành phần liều. Những phương pháp như vậy có thể kể đến như phương pháp
tích chập, phương pháp pencil beam [13].
Phương pháp tích chập dựa trên nguyên tắc chồng chập (superposition) để tính
sự thay đổi thông lượng hạt sơ cấp, phân bố năng lượng trong thành phần tán xạ

bởi hình học chùm tia và hình học bệnh nhân.
Kỹ thuật pencil beam thường được dùng tính liều chùm tia electron. Pencil
beam được chứng minh là đạt đến độ chính xác cao trong môi trường phantom đồng
nhất với bề mặt phẳng. Với môi trường không đồng nhất phương pháp tích chập cho
kết quả chính xác cao hơn.
Cả hai phương pháp pencil beam và phương pháp tích chập nói trên cho độ
chính xác cao khi tính liều cho chùm photon còn đối với chùm electron hai thuật
toán trên chỉ cho độ chính xác trong trường hợp môi trường đồng nhất, cấu hình đơn
giản [16]. Chúng được dùng nhiều trong các kế hoạch tính liều vì thời gian tính
ngắn và độ chính xác là chấp nhận được [13].
Phương pháp Monte Carlo tính phân bố liều bằng cách theo dõi lịch sử của
một số lớn hạt khi chúng phát ra từ nguồn bức xạ và trải qua tương tác tán xạ nhiều
lần trong môi trường bên trong và bên ngoài bệnh nhân. Phương pháp này mô tả
chính xác bản chất vật lý của từng tương tác bởi xem xét riêng cho hình học của
từng máy gia tốc, bộ phận tạo chùm tia, bề mặt bệnh nhân và sự không đồng đều về
mật độ, cho phép xử lý nhiều trường hợp tính liều phức tạp. Hiện tại phương pháp
này tốn nhiều thời gian và chỉ có thể trở nên được sử dụng phổ biến trong kế hoạch
điều trị khi nó chỉ mất vài phút.
1.2. Giới thiệu về các code Monte Carlo dùng trong xạ trị
Phương pháp Monte Carlo với những ưu điểm về độ chính xác với sự phát
triển vượt bậc của tốc độ máy tính và giá cả ngày càng phù hợp. Phương pháp này

12
nay đang là lựa chọn trước tiên trong việc phát triển các gói phần mềm và các code
mô phỏng dịch chuyển của bức xạ hiện nay.
Trong Xạ trị có 4 code Monte Carlo được dùng đó là: EGS, MCNP, GEANT,
PENELOPE [14].
EGS và PENELOPE mô phỏng sự vận chuyển của cặp electron, photon (và
positron), những hạt khác như neutron và proton không tham gia trong quá trình
tính. Trong quá trình phát triển của code nhiều nỗ lực tập trung với hạt liên quan

đến xạ trị. Mặt khác, với chùm tia photon năng lượng cao (18 MeV hoặc hơn) việc
tạo neutron và proton trong đầu máy gia tốc có thể gây ảnh hưởng đến phân bố liều
vật lý trong bệnh nhân, đặc biệt trong xương, nơi mà ngay cả hạt anpha cũng có
những đóng góp không đáng kể. Những hạt này được tham gia tính trong MCNP và
GEANT. Những code sau không được phát triển đặc biệt cho tính liều năng lượng
thấp, nhưng những cố gắng gần đây đã mở rộng khả năng tính với năng lượng thấp
và cho kết quả đáng tin cậy .
Nhìn chung, việc mô tả photon hoàn toàn tương tự trong bốn hệ thống trong
phạm vi năng lượng dùng trong xạ trị, dù chúng dùng dữ liệu về tiết diện tương tác
khác nhau. Khác nhau chính là trong việc mô phỏng sự vận chuyển của electron, có
ảnh hưởng lớn đến tốc độ và độ chính xác của hệ thống.
1. EGSnrc: (bản mới của code EGS (electron gamma show), có nguồn gốc từ
EGS4) là code được dùng rộng rãi nhất trong vật lý y khoa, được nói đến hàng ngàn
lần trong tạp chí vật lý y khoa; EGSnrc là code duy nhất chứng tỏ có thể mô phỏng
đáp ứng buồng ion hóa chứa khí trong cách thức tốt nhất [12]. Từ nhiều kiểm chứng
đươc thực hiện với EGSnrc, nó được kết luận là một code rất chính xác thậm chí
trong vùng lân cận vùng giao nhau giữa vật chất có số nguyên tử thấp và vật chất có
số nguyên tử cao [14].
2. MCNP: Gồm dịch chuyển neutron/photon/electron, dùng rộng rãi trong kỹ
thuật năng lượng hạt nhân và ngày càng được dùng nhiều trong vật lý y khoa. Code

13
này có gói hình học mạnh và được kết hợp chặt với code ETRAN trong xét sự vận
chuyển electron, vì nhiều chức năng nên code này chạy chậm hơn EGSnrc [15].
3. GEANT4: Được phát triển cho vật lý hạt, có thể mô phỏng vận chuyển của
nhiều loại hạt (neutrons, protons,pions, ) đã được dùng trong nhiều áp dụng trong
vật lý y khoa [15].
4. PENELOPE: Xử lý chi tiết về tiết diện tương tác ứng với vùng năng lượng
thấp và có gói hình học linh hoạt cho mô phỏng chùm tia máy gia tốc.
Từ khi ra đời đến nay code EGS đã được xây dựng và bổ sung thêm, lần lượt

với sự ra đời của EGS3, EGS4, EGS4/PRESTA và hiện nay là EGSnrc [4]. Dự án
OMEGA với mục đích phát triển một thuật toán tính liều Monte Carlo đầy đủ, đã
cho ra đời code BEAM, user code cho mô phỏng máy gia tốc, tất cả các thành phần
của máy gia tốc được lập trình lại trong những module thành phần. Người dùng có
thể xây dựng máy gia tốc bởi các module thành phần cần thiết. DOSXYZnrc dùng
để tính liều trong phantom, trong code này dữ liệu CT có thể được đưa vào và được
chuyển tới mỗi ô (voxel) với một vật chất và mật độ nào đó [14].

Hình 1.1.
Hệ thống OMEGA-BEAM [4]

14
1.3. Lý do chọn code EGS.
Các code được đề cập tới ở trên mỗi code có một thế mạnh riêng, và hạn chế
riêng của nó. Trong luận văn này chúng tôi chọn để khảo sát là code EGSnrc bởi
những lý do sau:
- Vì nó là một code miễn phí và mở, rất thuận tiện cho người sử dụng nếu
muốn cải tiến hay bổ sung thêm.
- Có nhiều bài viết về code, dễ cho người dùng code lần đầu tìm hiểu.
- Code chưa được phổ biến tại Việt Nam, việc tìm hiểu chúng là cần thiết.
- Code EGSnrc với BEAMnrc, DOSXYZnrc phù hợp với việc mô phỏng vận
chuyển năng lượng của electron và photon trong phạm vi năng lượng thích hợp.
Đáp ứng đủ để thực hiện hoàn chỉnh một quá trình mô phỏng, tính liều.
1.4. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài.
1.4.1. Mục tiêu
Tìm hiểu, khai thác các tính năng của các code BEAMnrc, DOSXYZnrc. Tìm
hiểu các chức năng khác như ctcreate, dosxyz_show. Kiểm tra tính phù hợp của
code đối với phantom nước và tìm hiểu về code với phantom người
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Như đã đề cập, quá trình tính liều là một quá trình phức tạp đòi hỏi độ chính

xác cao, việc dùng code nào để áp dụng trong thực tế cũng đòi hỏi một quá trình
tìm hiểu lâu dài, cần xem xét khả năng áp dụng với nhiều tình huống khác nhau. Ví
dụ như khảo sát với nhiều mức năng lượng khác nhau, với các loại máy gia tốc
khác nhau, với nhiều môi trường khác nhau như nước, bệnh nhân. Phạm vi nghiên
cứu của chúng tôi là sử dụng các code nói trên để khảo sát sự phân bố liều trong
phantom nước với chùm photon 15 MV và sau đó tìm hiểu code tính liều trong
phantom người, cụ thể là dùng file dữ liệu CT đầu người bị u não được chiếu với
chùm photon 6 MV. Máy gia tốc là máy HPD được sử dụng ở bệnh viện Chợ Rẫy.

15
1.5. Giới thiệu nội dung luận văn.
Nội dung luận văn được chia làm các phần sau: phần tổng quan, phần về kiến
thức cơ sở và chuyên sâu và phần về khảo sát của chúng tôi.
Phần tổng quan: giới thiệu về các phương pháp tính liều hiện nay và nêu lý do
chọn code EGS, xác định phạm vi, hướng nghiên cứu của luận văn.
Kiến thức cơ sở và chuyên sâu đề cập đến kiến thức cho quá trình tìm hiểu của
chúng tôi về xạ trị và về thuật toán Monte Carlo, cách dùng, khai báo thông số và
chạy các code.
Phần khảo sát, chúng tôi nói đến cách tiến hành khảo sát , kết quả thu được, so
sánh với thực nghiệm và một chương trình tính liều khác (chương trình DSS tại
bệnh viện Chợ Rẫy).













16
Chương 2. QUY TRÌNH XẠ TRỊ, MÁY GIA TỐC,
THUẬT TOÁN MONTE CARLO VÀ MỘT SỐ KHÍA
CẠNH VẬT LÍ CỦA CHÙM PHOTON.
Để sử dụng code EGSnrc cho tính liều trong quá trình tính liều cho xạ trị, việc
tìm hiểu chung về qui trình điều trị trong thực tế là cần thiết. Máy gia tốc phát ra
chùm tia với các mức năng lượng khác nhau, phổ năng lượng khác nhau tùy vào cấu
tạo của máy gia tốc. Cấu trúc của máy gia tốc cần được biết rõ trong quá trình mô
phỏng của BEAMnrc. Để hiểu về cách hoạt động của code, cũng cần biết về nguyên
tắc mô phỏng sự vận chuyển bức xạ của Monte Carlo. Trong quá trình khảo sát kết
quả, việc tìm hiểu về biểu diễn liều là quan trọng.
2.1. Qui trình điều trị.
Khi bệnh nhân được phát hiện là bị ung thư, quy trình điều trị sẽ được đưa ra,
có thể là quy trình 3D hoặc 2D, dưới đây mô tả một quy trình lên kế hoạch 3D.
Quy trình 3D được tiến hành theo các bước sau [10].
1. Chụp ảnh cắt lớp
Lần đầu tới bệnh viện, bệnh nhân được chụp ảnh CT để xác định vị trí của
khối u, trong quá trình chụp ảnh cắt lớp này có dùng các dây chì định vị để đánh
dấu làm mốc trên ảnh chụp CT (ví dụ dùng 3 sợi dây: 1 dọc theo mũi, 1 ngang mũi,
1 từ tai này vòng qua tai kia trong điều trị u não), tùy từng tình huống có thể có mặt
nạ (ví dụ như với điều trị u não). Vị trí của dây chì được vẽ trên da hoặc trên mặt
nạ.
2. Xác định vị trí khối u (target)
Xác định kích thước khối u, vẽ đường bao khối u và các cơ quan trọng yếu.
Quá trình này được thực hiện bởi các bác sĩ chuyên khoa với các chương trình đọc
ảnh CT, cho phép vẽ đường bao khối u.


17
Hình CT được đưa vào máy tính, dựa vào hình CT trên máy, bác sĩ sẽ xác định
khối u nằm trên những slice nào từ đó vẽ đường bao khối u và các cơ quan trọng
yếu. Bác sĩ cũng sẽ xác định tổng liều cần chiếu đối với khối u.

Hình 2.1. Qui trình điều trị [3].
3. Bước lên kế hoạch:
Xác định trường chiếu, hướng chiếu và liều chiếu. Công việc này được thực
hiện bởi Kỹ sư vật lý. Ảnh CT được đọc bởi chương trình tính liều, với đường bao
khối u đã được vẽ bởi bác sĩ. Các kỹ sư vật lý tiến hành xác định isocenter, dựa vào
các mốc được đánh dấu, bố trí các hướng chiếu, xác định kích thước và hình dạng
trường chiếu, che chắn block, xác định phân bố liều theo các hướng khác nhau để
đưa ra cách bố trí các hướng chiếu, kích thước trường chiếu, phân bố liều tốt nhất.
4. Quá trình mô phỏng.
Quá trình này được tiến hành với sự theo dõi của bác sĩ, kỹ sư vật lý và kỹ
thuật viên.
Công việc nói trên chỉ là thực hiện trên máy tính. Quá trình lên kế hoạch cần
được tiến hành mô phỏng lại trong thực tế. Quá trình được bố trí giống như quá

18
trình lập kế hoạch trên máy. Máy mô phỏng thực chất là một máy phát tia X. Quá
trình mô phỏng được thực hiện với sự kết hợp đồng thời của máy phát tia X và hệ
thống máy tính. Căn cứ vào ảnh rọi hiện trên máy tính, bác sĩ sẽ xét xem có sự phù
hợp chưa. Vị trí chùm tia cần chiếu được đánh dấu lại trên da hoặc trên mặt nạ qua
hệ thống laser định vị.
5. Nếu quá trình mô phỏng cho thấy là khả thi, bệnh nhân được đưa vào máy
xạ (thường gặp là máy gia tốc), vị trí chiếu được định vị bởi hệ thống laser có kèm
với máy xạ trị.
Trong qui trình điều trị, ở tất cả các bước đòi hỏi độ chính xác cao. Yêu cầu
bác sĩ, kỹ sư vật lý và các kỹ thuật viên làm việc rất chính xác, cận thận mới đảm

bảo tốt việc điều trị và an toàn cho bệnh nhân.
2.2. Cấu trúc chung của máy gia tốc tuyến tính.
Việc điều trị những khối u sâu bên trong không thể được tiến hành với mức
năng lượng thấp, vì vậy cần tạo chùm tia có mức năng lượng cao. Một phương pháp
được sử dụng là dùng máy gia tốc để tạo chùm tia bức xạ năng lượng cao cần thiết
cho quá trình xạ trị các khối u sâu bên trong.
Máy gia tốc có thể được chia làm các phần như là: Đầu máy gia tốc; bộ phận
phát electron; giá (gantry); hệ thống điều khiển và các thiết bị phụ trợ [6].
Máy gia tốc dùng bức xạ điện từ để gia tốc electron. Những electron được tăng
tốc trong ống gia tốc (accelerating waveguide) và được uốn cong trước khi đến đập
vào bia để tạo ra chùm photon có năng lượng cần thiết cho xạ trị hoặc sử dụng trực
tiếp những electron này trong xạ trị.
Đầu máy gia tốc bao gồm những phần chính như sau:
Bia tia x (Target): Thường được làm bằng vật chất có nguyên tử số cao, được
dùng để tạo ra chùm photon, nếu tạo ra electron thì không cần dùng bia.
Bộ lọc (Flattening filter): Nhằm làm loe và làm phẳng cường độ chùm tia.

19

Hình 2.2.
Các bộ phận chính trong đầu máy gia tốc [18].
Gương: Có tác dụng xác định vị trí chùm tia, quan sát trường chiếu.
Bộ phận chuẩn trực chùm tia (collimator): Gồm bộ phận chuẩn trực chính
(Primary collimator) và phụ như cặp hàm (Jaws), Khối chặn (blocks).
Buồng đo (chamber): Nhằm để đo và điều chỉnh liều từ chùm tia x hoặc chùm
electron, điều khiển tốc độ liều, đo độ phẳng, tính đối xứng của chùm tia, tự động
kết thúc quá trình xử lý khi có sự vượt ngưỡng.
Bộ chuẩn trực nhiều lá: Giúp tạo ra trường chiếu với hình dạng bất kỳ.
Giá giúp quay đầu máy để có thể chiếu được khối u theo nhiều hướng khác
nhau, có các thiết bị phụ trợ như nêm, các khay chắn. Hệ thống điều khiển máy gia

tốc về tần số sóng phát ra, về năng lượng, về nhiệt độ, về liều lượng vv

20
Vì luận văn tập trung chính vào việc mô phỏng đầu máy gia tốc, nên ở đây
chúng tôi chỉ mô tả đầu máy gia tốc và không giới thiệu các bộ phận còn lại.
2.3. Mô phỏng Monte Carlo cho vận chuyển bức xạ
Phương pháp Monte Carlo có thể được định nghĩa: Quĩ đạo ngẫu nhiên của
các hạt được mô phỏng bằng cách dùng những số ngẫu nhiên để mô phỏng những
quá trình vật lý theo những phân bố xác suất chi phối những quá trình đó [16].
Kỹ thuật tính liều bằng phương pháp Monte Carlo đã được chứng minh là cho
kết quả chính xác. Dưới đây mô tả cấu trúc chung của một code Monte Carlo.
Một code Monte Carlo cho tính liều bao gồm những yếu tố cơ bản sau [14].
1. Mô hình vật lý
Mô hình vật lý là cách mô tả sự vận chuyển của các hạt. Quá trình vận chuyển
photon được mô tả gần giống với thực tế còn với electron, việc mô tả từng tương tác
rất tốn thời gian và không thực tế trong tính liều, nên trong mô phỏng sự vận
chuyển electron, kỹ thuật lịch sử cô đọng (condensed history technique) được áp
dụng. Kỹ thuật lịch sử cô đọng là một xấp xỉ đối với thực tế, được thực thi khác
nhau trong những code khác nhau, điều này dẫn tới kết quả khác nhau và là lý do
chính để các code vẫn cần được kiểm tra, đánh giá. Tuy nhiên, thậm chí với kỹ
thuật lịch sử cô đọng thì phương pháp Monte Carlo vẫn còn tốn nhiều thời gian.
Có thể tác động lên mô hình vật lý bởi những thông số vận chuyển, ví dụ
dùng năng lượng kết thúc electron ECUT, năng lượng kết thúc photon PCUT hoặc
chiều dài bước electron. Những thông số này có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá
trình mô phỏng. Khi những thông số này có giá trị càng lớn tốc độ tính toán tăng lên
nhưng độ chính xác sẽ kém hơn.
2. Bộ phận tạo số ngẫu nhiên
Bởi bản chất của phương pháp Monte Carlo, nên cần có những bộ phận tạo số
ngẫu nhiên cho mô phỏng theo phân bố xác xuất. Trong những code tính toán, vấn
đề này được giải quyết chung bằng cách thực hiện những phép tích lặp. Tính chất