Kết quả thực hiện đề tài cấp cơ sở: “Nghiên cứu mô phỏng phân bố liều lượng bức xạ đối với chùm tia photon của máy gia tốc xạ trị dùng Geant4”

Theo Tổ chức Ung thư toàn cầu (GLOBOCAN) ước tính năm 2018 Việt Nam có 164.000 ca mắc bệnh ung thư mới và hơn 114.000 người tử vong, xếp vị trí 99/185 quốc gia và vùng lãnh thổ với tỉ lệ mắc ung thư 151,4/100.000 dân, xếp 19 châu Á và thứ 5 tại khu vực Đông Nam. Bệnh ung thư đang thực sự là một gánh nặng đe dọa một lượng lớn dân số Việt Nam, để giảm thiểu sự ảnh hưởng của căn bệnh này cần có một chiến lược điều trị hiệu quả, bao gồm nâng cao trình độ chuyên môn của đội ngũ bác sĩ, kỹ sư, đầu tư trang thiết bị hiện đại và cơ sở vật chất đáp ứng nhu cầu chẩn đoán và điều trị.  Xạ trị sử dụng máy gia tốc đang là một trong những phương pháp chính hiện nay được sử dụng trong điều trị ung thư. Số lượng máy gia tốc xạ trị trong y tế ở Việt Nam hiện nay là khoảng gần 60 máy, số lượng này còn có thể tăng thêm trong những năm tới.

       Nhằm nâng cao hiệu quả xạ trị đồng thời hạn chế ảnh hưởng của bức xạ đến các mô lành và tính toán che chắn an toàn bức xạ, một số công trình nghiên cứu về máy gia tốc trong xạ trị đã được thực hiện như tính toán mô phỏng và đo đạc khảo sát phân bố suất liều electron, photon, xác định sự nhiễm bẩn của neutron trên máy gia tốc tuyến tính,... Các công trình nghiên cứu mô phỏng, tính toán trong xạ trị và y học hạt nhân sử dụng Geant4 ở Việt Nam hiện còn rất hạn chế. Do đó, hướng nghiên cứu sử dụng Geant4 giải quyết các bài toán về xạ trị, y học hạt nhân và an toàn bức xạ ở nước ta hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng.

       Đề tài khoa học và công nghệ cấp cơ sở: “Nghiên cứu mô phỏng phân bố liều lượng bức xạ đối với chùm tia photon của máy gia tốc xạ trị dùng Geant4” do ThS. Bùi Duy Linh làm chủ nhiệm được phê duyệt giao thực hiện trong thời gian 01 năm từ 1/2019 đến 12/2019 với tổng kinh phí 70 triệu đồng. Với mục tiêu chính là: nghiên cứu mô phỏng được phân bố liều lượng bức xạ theo chiều sâu, chiều dọc và chiều ngang của trường bức xạ photon lọc phẳng (FF) trên máy gia tốc tuyến tính Truebeam STx ở mức năng lượng 15 MV và trường chiếu 10×10 cm². Bên cạnh đó, quá trình thực hiện đề tài giúp 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 vật lý xạ trị và y học hạt nhân của Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân.

       Máy gia tốc TrueBeam STx là thế hệ máy gia tốc hiện đại nhất của Varian, được tích hợp nhiều công nghệ hiện đại, có thể thực hiện được hầu hết các kỹ thuật xạ trị và xạ phẫu, cho phép các nhà xạ trị có nhiều lựa chọn phù hợp để tối ưu hóa chiến lược xạ trị trong lâm sàng. Một trong những tính năng nổi bật của thiết bị gia tốc xạ trị TrueBeam STx là chế độ phát chùm photon không lọc phẳng (FFF), cho suất liều chiếu cao, và giảm thời gian xạ trị xuống còn 2-3 phút so với 10-15 phút đối  với các máy xạ trị thông thường. Hiện tại, ở nước ta đã có 04 thiết bị gia tốc xạ trị TrueBeam STx, 01 máy tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, 02 máy tại Bệnh viện Ung bướu TP. Hồ Chí Minh và 01 máy tại Bệnh viện Vinmec Central Park.

Hình 1. Kết quả hiển thị mô hình hóa không gian pha, hệ chuẩn trực (màu xám, màu tím và màu vàng) của TrueBeam STx và phatom nước (màu xanh) bằng Geant4/GATE chạy với 1000 sự kiện. Các đường màu xanh là đường đi của photon, màu đỏ là hạt mang điện.

        Nhóm tác giả đã thực hiện nghiên cứu tìm hiểu về máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị và ứng dụng Geant4/GATE trong mô phỏng một số đặc trưng của chùm photon trên máy gia tốc xạ trị. Dựa trên cơ sở này, nhóm xây dựng cấu hình đầu phát chùm tia của máy gia tốc xạ trị True Beam STx cho bài toán mô phỏng phân bố liều sâu phần trăm (PDD) và liều sâu cách tâm (profile) của chùm photon trong trường chuẩn 10×10 cm² tại mức năng lượng 15 MV sử dụng Geant4/GATE. Cấu hình đầu máy 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 (phase space) được sử dụng để thay thế phần bia, hệ chuẩn trực sơ cấp và hệ thống làm phẳng (hình 1). Các kết quả mô phỏng PDD và profile của chùm photon được so sánh với kết quả đo đạc thực nghiệm. Hình 2 là một kết quả tính toán mô phỏng điển hình về phân bố PDD của chùm photon 15 MV trên máy gia tốc Truebeam STx, với 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 %, các vị trí còn lại đều có độ lệch nhỏ hơn 5%.  Tại vùng liều cực đại ở vị trí 3 cm, 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%.

Hình 2. Kết quả mô phỏng (điểm hình tròn màu đỏ) và kết quả đo đạc (đường liền màu đen) của PDD. Trục tung bên phải biểu diễn độ lệch tương đối (điểm hình tam giác màu xanh dương) giữa 2 kết quả này với vị trí liều đo đạc lớn nhất.

       Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nuclear Science and Technology và báo cáo tại Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 13 tại Hạ Long 08/2019. Đề tài đã thực hiện nghiệm thu cấp cơ sở vào ngày 25/12/2019 với kết quả đánh giá loại tốt và đang trong quá trình hoàn tất các thủ tục để nghiệm thu chính thức.

Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân