Nghiên cứu mô phỏng phân bố liều lượng bức xạ đối với chùm tia photon của máy gia tốc tuyến tính xạ trị dùng GEANT4

Trên thế giới, máy gia tốc ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học cũng như phục vụ các mục tiêu phát triển kinh tế, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế. Xạ trị sử dụng máy gia tốc đang trở thành công cụ hữu hiệu trong việc điều trị các căn bệnh nan y, đặc biệt là ung thư. Với sự đa dạng về năng lượng bức xạ, liều chiếu, trường chiếu, góc quay, đảm bảo liều chiếu ổn định … của máy gia tốc cùng sự hỗ trợ của các phần mềm tính toán lập kế hoạch điều trị, việc đảm bảo được liều chiếu phù hợp, ổn định, giảm thời gian chiếu và có thể điều trị các loại khối u với kích thước, tính chất và vị trí khác nhau trong cơ thể đã dần đạt được những thành công nhất định.

Quá trình xây dựng, vận hành và bảo đảm an toàn các máy xạ trị hầu hết theo cách chuyển giao công nghệ từ công ty cung cấp thiết bị hoặc cung cấp dịch vụ. Hiện nay trên thị trường có nhiều phần mềm khác nhau đi kèm trong hệ thống gia tốc xạ trị, được cung cấp bởi các công ty thương mại khác nhau. Mỗi phần mềm có thể được tích hợp một hoặc nhiều thuật toán tính liều. Thông thường, các thuật toán tính liều được cân nhắc lựa chọn giữa khả năng tính nhanh (hiệu quả về thời gian) và độ chính xác cao trong tính toán, hiệu chỉnh. Cho đến nay, phương pháp Monte Carlo được cho là thuật toán tính toán chính xác nhất cho tính liều xạ trị nhưng lại đòi hỏi thời gian tính toán lâu nhất. Ngoài phương pháp Monte Carlo, tất cả các phương pháp khác vận dụng phép tính xấp xỉ và sự đơn giản hóa phép tính, điều này cho phép tốc độ tính toán nhanh hơn nhiều nhưng cũng làm giảm độ chính xác của kết quả tính so với Monte Carlo. Trong khi đó, các ứng dụng bức xạ dùng để chuẩn đoán và điều trị trong y tế đang đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là điều trị ung thư. Chính vì vậy, việc thực hiện các nghiên cứu khảo sát đặc trưng chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc để dự đoán liều lượng bức xạ, thời gian chiếu nhằm nâng cao hiệu quả xạ trị, giảm tổn thương đến bệnh nhân là hướng nghiên cứu cần được phát triển, đẩy mạnh. Bên cạnh đó, đặc trưng chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc là một yếu tố quan trọng để tính toán che chắn an toàn bức xạ cho phòng chiếu và đưa ra các khuyến cáo về an toàn bức xạ cho nhân viên vận hành, các y bác sĩ, bệnh nhân và dân cư trong khu vực xạ trị.

Geant4 là chương trình mã nguồn mở, có cộng đồng sử dụng rộng lớn được nhiều tổ chức hỗ trợ. Ngoài ra, Geant4 còn giúp người sử dụng nắm được các tương tác vật lý, cấu trúc hình học của đối tượng mô phỏng. Do vậy, nhằm mô phỏng được phân bố liều lượng bức xạ theo chiều sâu, chiều dọc và chiều ngang của trường bức xạ photon trên máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị và nâng cao năng lực tính toán mô phỏng và tiếp cận các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực xạ trị sử dụng máy gia tốc, góp phần xây dựng nhóm y học hạt nhân, nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý hạt nhân, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân do ThS. Bùi Duy Linh - đã có kinh nghiệm trong việc tính toán mô phỏng về vật lý hạt nhân nên việc tham gia vào các mô phỏng tính toán trong vật lý y khoa - đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng phân bố liều lượng bức xạ đối với chùm tia photon của máy gia tốc tuyến tính xạ trị dùng GEANT4”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đã thực hiện các nội dung sau:

- Nghiên cứu và tìm hiểu về máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị và ứng dụng Geant4/GATE trong mô phỏng đặc trưng chùm photon trên máy gia tốc xạ trị.

- Xây dựng cấu hình đầu phát chùm tia của máy gia tốc xạ trị True Beam STx cho bài toán mô phỏng đặc trưng chùm photon sử dụng Geant4/GATE. Cấu hình đầu máy gia tốc xạ trị giả định cho bài toán nghiên cứu sự nhiễm bẩn neutron của chùm photon 15 MV bằng Geant4.

- Mô phỏng phân bố liều sâu phần trăm và profile của chùm photon trên máy gia tốc True Beam STx trong trường chuẩn 10 × 10 cm² tại mức năng lượng 15 MV dùng Geant4/GATE.

- Đánh giá sơ bộ sự nhiễm bẩn neutron trên máy gia tốc sử dụng Geant4.

- Đo đạc khảo sát phân bố liều sau phần trăm và profile của chùm photon trên máy gia tốc True Beam STx trong trường chuẩn 10 × 10 cm² tại mức năng lượng 15 MV. Các kết quả đo PDD và profile đo đạc được so sánh với số liệu chuẩn GBD. Các điểm đo nằm khớp với dữ liệu chuẩn. Kết quả phân tích bằng gamma cho thấy sự tương đồng cao giữa chúng với chỉ số Gamma Index thu được đều lớn hơn 95% với chứng chỉ 2%/2mm, 3%/3mm, 5%/5mm. Phân bố PDD cho thấy liều cực đại được xác định nằm ở độ sâu khoảng 3 cm trong phantom nước (phân bố liều đạt 100%). Mô phỏng được xây dựng dựa trên cấu hình đầu máy Truebeam STx đã được VARIAN công bố trong tài liệu chuyển giao. Các tệp tin không gian pha được sử dụng để thay thế phần bia, hệ chuẩn trực sơ cấp và hệ thống làm phẳng. Các kết quả mô phỏng PDD và profile được so sánh với kết quả đo đạc thực nghiệm. Đối với PDD, độ lệch tương đối trung bình là 1,7%. Trong đó, sai khác lớn nhất được phát hiện nằm ở vị trí vùng 0,3 cm đầu tiên từ bề mặt nước là 5,8%, tất cả các vị trí còn lại đều có độ lệch nhỏ hơn 5%. Tại vùng liều cực đại, sự chênh lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm là 0,2%. Bên cạnh đó, phần trăm chỉ số gamma đạt yêu cầu sai biệt về liều 3% và độ lệch về khoảng cách 3 mm là 99%. Đối với profile, độ lệch tương đối giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm so với vị trí liều lớn nhất của đo đạc đều nhỏ hơn 10%. Các điểm trong trường chiếu có sai lệnh nằm trong khoảng 0% đến 2%, trong khi vùng bán dạ lại có sai lệch lớn hơn nằm trong khoảng từ 4% đến 10%. Do bí mật về công nghệ, một phần đầu máy gia tốc TrueBeam STx bị giấu kín. Vì vậy, nhóm đã mô phỏng khảo sát một đầu máy gia tốc giả định để xác định sự nhiễm bẩn neutron trong chùm photon 15 MV.

Kết quả mô phỏng xác nhận sự suất hiện của neutron trong chùm photon này và kết quả này phù hợp nhiều nghiên cứu trước đó. Kết quả nghiên cứu đã được trình bày 1 báo cáo về “Kết quả xác định phân bố liều lượng bức xạ theo chiều sâu”, công bố trong 2 báo cáo ở Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hạt nhân toàn quốc, 2 bài báo được chấp nhận đăng trên tạp chí Nuclear Science and Technology. Các sản phẩm được trình bày trong phần phụ lục của báo cáo.

Hướng nghiên cứu của đề tài là một hướng mới về tính toán mô phỏng và tiếp cận các nghiên cứu thực nghiệm trong lĩnh vực xạ trị sử dụng máy gia tốc, góp phần xây dựng một nhóm y học hạt nhân của Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17487/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.