Luận án tiến sĩ tính liều trong y học hạt nhân với phantom voxel bằng phần mềm gamosgeant4

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính liều trong y học hạt nhân sử dụng phantom voxel và phần mềm GAMOS/Geant4, ứng dụng hiệu quả trong lâm sàng.

• Tác giả: Nguyễn Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đông Sơn
• Trường học: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Tính liều trong y học hạt nhân với phantom voxel bằng phần mềm GAMOS/Geant4
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• THE ABSTRACT OF DOCTORAL THESIS
• DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU HIỆN TẠI TRONG Y HỌC HẠT NHÂN
• 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC TÍNH LIỀU
• 1.1.1. Giới thiệu về y học hạt nhân
• 1.1.2. Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất
• 1.1.2.1. Tương tác giữa electron và vật chất
• 1.1.2.2. Tương tác giữa photon và vật chất
• 1.1.3. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể
• 1.1.4. Các đại lượng và đơn vị đo liều bức xạ
• 1.2. Tình hình nghiên cứu về các kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.1.1. Kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc
• 1.2.1.2. Công cụ tính liều
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật tính liều cho phantom voxel
• 1.4. Nhiệm vụ của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4
• 2.1. Phương pháp Monte Carlo
• 2.1.1. Nguyên tắc chung
• 2.1.2. Tính liều cho phantom voxel
• 2.2. Nguyên tắc chụp ảnh CT và ảnh YHHN
• 2.3. Ứng dụng ảnh CT và ảnh YHHN
• 2.4. Tính liều bằng code Geant4 và mô hình vật lý Livermore
• 2.5. Sử dụng phần mềm GAMOS/Geant4 để tính liều trong Y học hạt nhân
• 2.6. Khảo sát độ tin cậy của phần mềm GAMOS/Geant4
• 2.6.1. Mô hình vật lý
• 2.6.2. Các tính toán liều lượng
• 3. CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 ĐỂ TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN LIỀU VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO
• 3.1. Các cải tiến trong việc tính liều cho phantom voxel
• 3.1.1. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”
• 3.1.1.1. Xác định khối lượng của một cấu trúc
• 3.1.1.2. Xác định năng lượng hấp thụ trong một cấu trúc
• 3.1.2. Tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân bằng phương pháp “ghép phantom”
• 3.1.2.1. Phương pháp ghép phantom
• 3.1.2.2. Một số hình thức ghép
• 3.2. Đánh giá độ tin cậy của các cải tiến
• 3.2.1. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”
• 3.2.2. Tính liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp “ghép phantom”
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ
• 4.1. Kết quả tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”
• 4.2. Kết quả tính liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp “ghép phantom”
• 4.2.1. Tính liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng bên cạnh một bệnh nhân đang nằm
• 4.2.2. Tính liều hiệu dụng cho người tiếp xúc ở các tình huống giao tiếp khác nhau
• 4.3. Kết quả nghiên cứu của luận án
• 4.4. Những điểm mới của luận án
• 4.5. Những đề nghị nghiên cứu tiếp theo
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM GAMOS
• HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM CARIMAS
• GIÁ TRỊ HOẠT ĐỘ (Bq) VÀ HU TRÊN TỪNG VOXEL
• PHỤ LỤC D. BẢNG CHUYỂN ĐỔI MẬT ĐỘ VÀ VẬT LIỆU THEO NGHIÊN CỨU CỦA SCHNEIDER [104]
• CÁC TỆP DỮ LIỆU “YÊU CẦU” KHI TÍNH LIỀU
• PHƯƠNG PHÁP THỦ CÔNG TÍNH TỈ LỆ THỂ TÍCH
• THÔNG TIN PHANTOM ICRP 110 GIỚI TÍNH NAM [56]
• TRỌNG SỐ BỨC XẠ
• TRỌNG SỐ MÔ THEO ICRP 103

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Luận án tiến sĩ tập trung vào việc tính toán liều lượng trong y học hạt nhân sử dụng phantom voxel thông qua phần mềm GAMOS/Geant4. Mục tiêu chính là tối ưu hóa tính toán liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân trong quá trình điều trị. Phantom voxel được sử dụng để mô phỏng cấu trúc giải phẫu chi tiết, giúp giảm thiểu sai số ở biên các cơ quan. Phương pháp Monte Carlo được áp dụng để đảm bảo độ chính xác cao trong tính toán liều.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Y học hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Tuy nhiên, việc sử dụng bức xạ ion hóa đòi hỏi tính toán liều chính xác để đảm bảo hiệu quả điều trị và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân và người tiếp xúc. Phantom voxel là công cụ mô phỏng giải phẫu chi tiết, giúp tính toán liều ở mức độ voxel, đặc biệt hữu ích cho các cơ quan phức tạp.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu nhằm phát triển phương pháp tính liều sử dụng hình học song song để giảm thiểu sai số ở biên cơ quan. Đồng thời, phương pháp ghép phantom được đề xuất để tính toán liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân, dựa trên phân bố nguồn phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm GAMOS/Geant4 để thực hiện các tính toán liều lượng. Phương pháp Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng quá trình tương tác của bức xạ với vật chất. Hình học song song được sử dụng để tính toán liều chính xác cho các cơ quan, trong khi phương pháp ghép phantom giúp mô phỏng các tình huống tiếp xúc giữa bệnh nhân và người xung quanh.

2.1. Phương pháp Monte Carlo

Phương pháp Monte Carlo là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp. Trong nghiên cứu này, phương pháp được sử dụng để tính toán liều lượng dựa trên dữ liệu ảnh CT và NM, đảm bảo độ chính xác cao trong môi trường không đồng nhất.

2.2. Hình học song song

Hình học song song là kỹ thuật mới được phát triển để tính toán liều chính xác cho các cơ quan. Phương pháp này giúp giảm thiểu sai số ở biên cơ quan bằng cách xác định chính xác phần thể tích voxel thuộc cấu trúc.

2.3. Ghép phantom

Phương pháp ghép phantom được sử dụng để tính toán liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân. Kỹ thuật này cho phép mô phỏng các tình huống tiếp xúc khác nhau, dựa trên phân bố nguồn phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân.

III. Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả quan trọng trong việc tính toán liều lượng cho bệnh nhân và người tiếp xúc. Hình học song song giúp giảm thiểu sai số ở biên cơ quan, trong khi phương pháp ghép phantom cho phép tính toán liều chính xác trong các tình huống tiếp xúc khác nhau. Những đóng góp này có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện hiệu quả điều trị và đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc.

3.1. Kết quả tính liều cho bệnh nhân

Phương pháp hình học song song đã được kiểm chứng qua thử nghiệm điều trị ung thư tuyến giáp bằng I-131. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể trong tính toán liều, đặc biệt là ở các cơ quan nhỏ và phức tạp.

3.2. Kết quả tính liều cho người tiếp xúc

Phương pháp ghép phantom cho phép tính toán liều chính xác trong các tình huống tiếp xúc khác nhau. Kết quả cho thấy sự khác biệt đáng kể so với các mô hình nguồn đơn giản, giúp đưa ra các biện pháp cách ly phù hợp.

IV. Ứng dụng và hướng phát triển

Nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong lĩnh vực y học hạt nhân, đặc biệt là trong việc lập kế hoạch điều trị và đảm bảo an toàn cho người tiếp xúc. Những phương pháp mới được đề xuất có thể được tích hợp vào các phần mềm tính liều hiện có, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa các thuật toán và mở rộng ứng dụng cho các loại bệnh lý khác.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu có thể được áp dụng trong các bệnh viện và trung tâm y học hạt nhân để cải thiện hiệu quả điều trị và đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và nhân viên y tế. Phương pháp hình học song song và ghép phantom có thể được tích hợp vào các phần mềm tính liều hiện có.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tối ưu hóa các thuật toán tính liều, mở rộng ứng dụng cho các loại bệnh lý khác, và phát triển các công cụ hỗ trợ tính toán liều tự động. Nghiên cứu cũng có thể được mở rộng để tính toán liều cho các tình huống tiếp xúc phức tạp hơn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lý của tác giả Nguyễn Thị Phương Thảo, chuyên ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân (mã số 9 44.06), thực hiện tại Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (VINATOM) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Đông Sơn và GS. TS. Pedro Arce Dubois, tập trung giải quyết bài toán tính toán liều lượng bức xạ chiếu trong y học hạt nhân bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp trên nền tảng GAMOS/Geant4.

Trong y học hạt nhân, năng lượng bức xạ ion hóa phát ra từ các đồng vị phóng xạ được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị. Việc xác định chính xác phân bố liều hấp thụ là yêu cầu trọng tâm nhằm tối đa hóa khả năng tiêu diệt tế bào bệnh lý và giảm thiểu tác hại lên các mô lành, đồng thời kiểm soát rủi ro bức xạ cho người tiếp xúc với bệnh nhân. Trước đây, việc tính liều chủ yếu thực hiện ở mức cơ quan thông qua các mô hình người tiêu chuẩn (phantom toán học) và sơ đồ MIRD. Cách tiếp cận này gặp hạn chế lớn do giả định tính đồng nhất của mô và phân bố nguồn, bỏ qua cấu trúc giải phẫu riêng biệt của từng cá thể và không định vị chính xác khối u. Sự ra đời của ảnh cắt lớp vi tính (CT) và ảnh y học hạt nhân (SPECT, PET) đã thúc đẩy việc chuyển dịch sang tính liều ở mức voxel. Tuy nhiên, các kỹ thuật tính liều trên phantom voxel hiện hành bằng phương pháp Monte Carlo vẫn tồn tại hai khoảng trống kỹ thuật cơ bản:

1. Sai số tại biên cấu trúc giải phẫu khi tính liều cho bệnh nhân: Khi chuyển đổi cấu trúc giải phẫu từ ảnh y tế thành các voxel hình hộp, các phương pháp Monte Carlo thông thường sử dụng tiêu chí nhị phân (như xét tâm voxel nằm trong hay ngoài cấu trúc) để chấp nhận hoặc loại bỏ toàn bộ thể tích voxel. Cơ chế này dẫn đến việc ước tính sai lệch thể tích, khối lượng và năng lượng hấp thụ tại các voxel nằm ở vùng biên, đặc biệt nghiêm trọng đối với các cơ quan mỏng, nhỏ hoặc có dạng hình học phức tạp như da, niêm mạc, thành ruột, tủy xương và tuyến giáp.
2. Sự đơn giản hóa mô hình nguồn khi tính liều cho người tiếp xúc: Việc đánh giá liều cho nhân viên y tế, người chăm sóc hoặc dân chúng tiếp xúc với bệnh nhân sau khi dùng thuốc phóng xạ thường chỉ dựa trên các mô hình nguồn đơn giản (nguồn điểm, nguồn đoạn thẳng, nguồn hình trụ hoặc phantom có hoạt độ đồng nhất). Các mô hình này không phản ánh phân bố thuốc phóng xạ thực tế trong cơ thể bệnh nhân và không mô tả đúng các tư thế giao tiếp không gian thực, dẫn đến việc ước tính sai lệch liều bức xạ thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

1. Tối ưu hóa tính toán liều cho bệnh nhân bằng cách giảm thiểu sai số tại biên của các cơ quan giải phẫu do cấu trúc hình học voxel gây ra.
2. Xây dựng phương pháp tính toán liều cho người tiếp xúc dựa trên phân bố nguồn thực tế trích xuất từ ảnh y học hạt nhân của bệnh nhân, kết hợp mô tả chính xác vị trí tương quan, khoảng cách và tư thế giao tiếp giữa hai phantom.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là phương pháp tính liều Monte Carlo cho phantom voxel dựa trên ảnh cắt lớp (CT, SPECT/PET) và tệp cấu trúc giải phẫu RTSTRUCT DICOM; phần mềm mô phỏng GAMOS phát triển trên nền Geant4; mô hình giải phẫu phantom chuẩn ICRP 110; cùng trường hợp lâm sàng điều trị ung thư tuyến giáp bằng đồng vị phóng xạ I-131. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc phân tích tương tác bức xạ trong không gian 3 chiều của cơ thể bệnh nhân và mô hình hóa không gian giao tiếp hai cơ thể ở các khoảng cách và tư thế xác định (đối diện, bên cạnh, trước sau, đứng - nằm).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử tính liều trong y học hạt nhân ghi nhận các mốc phát triển từ mức cơ quan đến mức voxel:

• Tính liều ở mức cơ quan: Khởi đầu từ các nghiên cứu tóm tắt về liều bức xạ của Loevinger và cộng sự (1956), Ellett và cộng sự (1964-1965) đã đưa ra khái niệm tỷ lệ hấp thụ và lần đầu ứng dụng phương pháp Monte Carlo vào tính toán liều bức xạ. Mô hình này làm nền tảng hình thành sơ đồ MIRD do Ủy ban Liều bức xạ chiếu trong Y học (MIRD Committee) chuẩn hóa. Sơ đồ MIRD tính liều hấp thụ trung bình dựa trên đại lượng $S(nguồn \to bia)$ cho các phantom toán học chuẩn của Snyder, Cristy, Eckerman hay ICRP. Hạn chế cốt lõi của hướng tiếp cận này là giả định mật độ mô và hoạt độ phóng xạ phân bố đồng nhất trong từng cơ quan.
• Tính liều ở mức voxel: Nhằm cá thể hóa tính toán liều theo dữ liệu ảnh CT và SPECT/PET, ấn phẩm MIRD 17 (1999) đề xuất khái niệm giá trị S mức voxel. Hiện hữu ba phương pháp tính liều voxel chính: phương pháp tính tổng nhân liều, phương pháp sử dụng giá trị S kết hợp MIRD, và phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp. Trong đó, phương pháp tổng nhân liều và voxel S-value vẫn phụ thuộc vào giả thiết môi trường đồng nhất. Mặc dù Dieudonné và cộng sự đã đề xuất hiệu chỉnh cho voxel S-value, giải pháp này chỉ áp dụng giới hạn cho một số mô mềm vùng bụng, không thích ứng cho vùng ngực, đầu cổ hay mô xương.
• Xử lý sai số biên voxel: Khi áp dụng Monte Carlo trực tiếp, tiêu chí xác định voxel thuộc cấu trúc dựa vào vị trí tâm voxel (Chauvie và cộng sự) tạo ra sai số biên rõ rệt. Các giải pháp từng được đề xuất bao gồm: chỉ định bề dày cố định 1,5 mm cho da (Kramer và cộng sự), thuật toán phân đoạn và dựng hình tam giác 3D riêng cho xương (Caracappa và cộng sự), kỹ thuật tính toán bề dày da chuyên biệt (Petoussi-Henss và cộng sự), hoặc phát triển mesh phantom dạng mặt lưới (Xu và cộng sự). Tuy vậy, các giải pháp này mang tính đơn lẻ, chưa giải quyết triệt để cho mọi hình học cơ quan và chưa được ứng dụng phổ biến trong lâm sàng.
• Tính liều cho người tiếp xúc: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dựa vào mô hình nguồn điểm kết hợp quy luật nghịch đảo bình phương (Siegel và cộng sự). Zˇontar và cộng sự chứng minh rằng nguồn điểm đánh giá quá cao liều thực tế. Palmer và cộng sự xây dựng mô hình nguồn hình trụ cho bệnh nhân I-131, ghi nhận khả năng tăng ước tính liều lên đến 13,4% khi mô phỏng trẻ em được bế bởi bệnh nhân. Albe´rico và cộng sự dùng phantom voxel FAX để tính liều tiếp xúc và chỉ ra sự chênh lệch liều lên tới 366% so với nguồn điểm ở cự ly 0,3 m, nhưng nghiên cứu này vẫn phải giả định hoạt độ phân bố đồng nhất trong tuyến giáp và phần còn lại của cơ thể. Dewji và cộng sự nghiên cứu các tình huống giao tiếp trên xe buýt hoặc giường bệnh nhưng sử dụng phantom toán học.
• Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam: Ứng dụng y học hạt nhân trong nước chủ yếu áp dụng phương pháp cấp liều cố định có điều chỉnh theo kinh nghiệm lâm sàng, hoặc tính liều mức cơ quan bằng phần mềm OLINDA/EXM. Các nghiên cứu định lượng liều chiếu trong bao gồm: Trần Xuân Hồi và cộng sự đánh giá liều I-131 cho nhân viên sản xuất đồng vị qua lấy mẫu khí và mẫu nước tiểu; Nguyễn Văn Hùng và cộng sự xác định I-131 trong nước tiểu bằng đo nhấp nháy lỏng ALOKA-LSC-6100 kết hợp chương trình LUDEP 2; Nguyễn Tấn Châu và cộng sự tính liều từ ảnh PET/CT qua MIRD và OLINDA/EXM. Việc tính toán liều chiếu trong ở mức voxel cho phantom giải phẫu cá thể hóa vẫn là hướng nghiên cứu hoàn toàn mới.

Vị trí của luận án được xác lập thông qua việc giải quyết hai hạn chế căn bản của các công cụ hiện nay: tích hợp hình học giải phẫu thực tế từ RTSTRUCT vào mô phỏng Monte Carlo để khử sai số biên cơ quan khi tính liều cho bệnh nhân, và phát triển thuật toán cho phép đọc đồng thời hai phantom voxel cùng phân bố hoạt độ thực từ ảnh y học hạt nhân để tính liều tiếp xúc đa kịch bản.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các đại lượng liều lượng học

Quá trình tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất được phân loại theo hai nhóm hạt:

• Tương tác của electron: Là bức xạ ion hóa trực tiếp qua tương tác Coulomb với electron nguyên tử môi trường (gây kích thích và ion hóa) và tán xạ không đàn hồi trên hạt nhân (phát bức xạ hãm). Năng lượng mất mát trung bình chia đều cho ion hóa và kích thích. Trong mô phỏng Monte Carlo, electron mất năng lượng gần như liên tục và được xử lý thông qua kỹ thuật lịch sử cô đọng (condensed history) kết hợp thiết lập ngưỡng năng lượng/quãng chạy.
• Tương tác của photon: Là bức xạ ion hóa gián tiếp, giải phóng hạt mang điện thứ cấp qua hai hiệu ứng chủ đạo trong dải năng lượng y học hạt nhân:
  1. Hiệu ứng quang điện: $h\nu = A + K_e$
  2. Hiệu ứng tán xạ Compton: $$\frac{h\nu'}{h\nu} = \frac{1}{1 + \frac{h\nu}{E_0}(1 - \cos\theta)}$$ Trong đó $E_0$ là năng lượng nghỉ của electron ($511\text{ keV}$).

Các đại lượng liều bức xạ theo chuẩn ICRP được áp dụng trong tính toán:

Đại lượng	Ký hiệu và công thức	Đơn vị	Ý nghĩa ứng dụng
Liều hấp thụ	$D = \frac{E}{m}$	Gray (Gy) hoặc $\text{J/kg}$	Đánh giá năng lượng hấp thụ trung bình, dùng cho hiệu ứng tất nhiên
Liều tương đương	$H_T = \sum_R D_{T,R} W_R$	Sievert (Sv)	Đánh giá hiệu ứng sinh học theo loại bức xạ $R$ với trọng số $W_R$
Liều hiệu dụng	$E = \sum_T W_T H_T$	Sievert (Sv)	Đánh giá rủi ro ngẫu nhiên toàn thân với trọng số mô $W_T$ ($\sum W_T = 1$)

Xử lý dữ liệu ảnh cắt lớp và chuyển đổi vật liệu

Từ dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT), hệ số suy giảm tuyến tính của tia X được chuẩn hóa thành số Hounsfield ($HU$): $$HU = 1000 \times \frac{\mu_{mô} - \mu_{nước}}{\mu_{nước}}$$

Mật độ khối lượng của mô ($\rho_{mô}$) được xác định qua công thức: $$\rho_{mô} = \frac{HU + 1000}{HU_\rho + 1000}$$

Mật độ electron ($\rho_e$) được tính toán từ thành phần nguyên tố: $$\rho_e = \rho_{mô} \left[\sum_i \left(w_i \frac{Z_i}{A_i}\right)\right] \left(\frac{Z}{A}\right)_{nước}^{-1}$$

Dữ liệu $HU$ và mật độ sau đó được chuyển đổi thành các loại vật liệu mô tương ứng dựa trên nghiên cứu thực nghiệm của Schneider. Đối với ảnh y học hạt nhân (PET/SPECT), hoạt độ phóng xạ trong từng voxel được chuyển đổi trực tiếp thành số phân rã phóng xạ ban đầu, quy định số hạt sơ cấp được phát ngẫu nhiên trong thể tích của từng voxel nguồn tương ứng.

Phương pháp mô phỏng và công cụ tính toán

Luận án lựa chọn bộ công cụ GAMOS (phiên bản 6.0) xây dựng trên nền tảng Geant4 (sử dụng mô hình vật lý Livermore xử lý bức xạ năng lượng thấp đến $250\text{ eV}$). GAMOS sử dụng ngôn ngữ C++, bộ sinh số giả ngẫu nhiên mặc định HEP James, tích hợp các bộ lọc (Filters), bộ phân loại (Classifiers), cùng kỹ thuật hình học song song (Parallel geometry). Các công cụ bổ trợ bao gồm phần mềm CARIMAS để xử lý ảnh cắt lớp và hệ thống ROOT để xử lý phổ và hiển thị bảng màu.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính liều hiện tại trong Y học hạt nhân

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở vật lý bức xạ, tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể người và các phương pháp tính liều chiếu trong. Tác giả phân tích các báo cáo sinh học phóng xạ, nhấn mạnh dữ liệu của Ủy ban BEIR: khi 100.000 cá thể nhận liều chiếu gamma $0,1\text{ Gy}$ trong một lần duy nhất, ước tính có thêm 800 ca tử vong do ung thư, khẳng định tính cấp thiết của việc tối ưu hóa liều lượng.

Chương này đi sâu so sánh các công cụ mô phỏng Monte Carlo phổ biến: PENELOPE (viết bằng Fortran, mạnh về electron năng lượng thấp), EGSnrc (viết bằng Mortran, chuẩn vàng trong xạ trị ngoài nhưng thiếu công cụ xử lý ảnh y học hạt nhân), MCNP (MCNP5, MCNPX, MCNP6, ứng dụng rộng rãi trong an toàn bức xạ và lò phản ứng), GEANT4 và GAMOS. GAMOS/Geant4 được chọn lựa nhờ khả năng xử lý hình học phức tạp, hỗ trợ tiện ích hình học song song độc lập với cấu trúc vật liệu, kiến trúc mở cho phép bổ sung plugin C++ và hỗ trợ định dạng dữ liệu g4dcm/ASCII. Trên cơ sở phân tích hạn chế của các phương pháp hiện hành, chương này xác lập hai nhiệm vụ kỹ thuật cốt lõi cho toàn bộ luận án.

Chương 2: Tính liều chiếu trong bằng phần mềm GAMOS/Geant4

Chương 2 trình bày chi tiết thuật toán mô phỏng Monte Carlo theo quy trình 8 bước theo dõi lịch sử hạt:

Hạt sơ cấp (tọa độ, hướng, năng lượng) -> Xác định quãng đường bay l
  -> Xác định vị trí tương tác mới -> Kiểm tra ranh giới hình học/vật liệu
  -> Xác định trạng thái trong hệ -> Chọn loại tương tác theo tiết diện
  -> Tạo hạt thứ cấp và tính góc tán xạ -> Ghi nhận năng lượng hấp thụ

Tác giả thiết lập quy trình chuyển đổi dữ liệu từ ảnh CT (qua giá trị HU và bảng chuyển đổi Schneider) và trích xuất phân bố hoạt độ từ ảnh PET/SPECT để định nghĩa nguồn phát hạt.

Độ tin cậy của GAMOS/Geant4 được kiểm chứng thực nghiệm qua các bài toán chuẩn:

• Khảo sát phổ năng lượng của đồng vị I-131: Bảng 2.1 (Phổ hạt beta) và Bảng 2.2 (Phổ bức xạ gamma) trích xuất từ cơ sở dữ liệu cấu trúc hạt nhân ENSDF.
• Mô phỏng phantom nước: Tính toán liều cho phantom nước với nguồn gamma đơn năng (Bảng 2.3) và nguồn đồng vị phân bố đồng nhất (Bảng 2.4), xác nhận sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng của GAMOS và các nghiệm giải tích/thực nghiệm chuẩn.

Chương 3: Phát triển phần mềm GAMOS/Geant4 để tối ưu hóa tính toán liều với phantom voxel bằng phương pháp Monte Carlo

Chương 3 là trọng tâm nghiên cứu phương pháp của luận án, tập trung vào hai cải tiến kỹ thuật:

1. Phương pháp "hình học song song" tính liều cho bệnh nhân

Nhằm khắc phục hiện tượng voxel hóa làm sai lệch ranh giới cơ quan, cấu trúc giải phẫu do bác sĩ vẽ trong tệp RTSTRUCT DICOM được trích xuất và dựng thành các khối hình học Extruded liên tục thông qua bộ liên kết cấu trúc Java (JTS). Hình học chính xác này được đặt vào một lớp "hình học song song" lồng lên phantom CT. Trong quá trình mô phỏng, phần mềm tính toán chính xác phần thể tích thực của từng voxel nằm bên trong cấu trúc biên ($V_{trong}$):

• Khối lượng thực của cấu trúc: $$m = \sum_i \rho_i \cdot V_{i, trong}$$ Trong đó $\rho_i$ là mật độ của voxel $i$.
• Năng lượng hấp thụ thực: Chỉ phần năng lượng bức xạ tương tác và truyền trong phần thể tích $V_{trong}$ mới được tích lũy vào liều của cơ quan, loại bỏ hoàn toàn sai số gán nhị phân cả voxel.

Độ chính xác của phương pháp được kiểm chứng trên mô hình phantom nước hình cầu: Bảng 3.1 (Khối lượng voxel thuộc cấu trúc) và Bảng 3.2 (Liều hấp thụ trong phantom nước hình cầu).

2. Phương pháp "ghép phantom" tính liều cho người tiếp xúc

Để mô phỏng tương tác giữa hai cá thể, tác giả phát triển thuật toán hợp nhất hai phantom voxel (phantom bệnh nhân chứa dữ liệu hoạt độ thực từ ảnh y học hạt nhân và phantom người tiếp xúc) thành một tệp dữ liệu văn bản chung định dạng g4dcm/ASCII. Kỹ thuật xoay vector (Vector rotation) được xây dựng nhằm tịnh tiến và xoay hệ tọa độ, cho phép mô phỏng linh hoạt mọi tình huống giao tiếp trong không gian: đối diện, bên cạnh, trước - sau, và tư thế đứng - nằm.

Chương 4: Ứng dụng và kết quả

Chương 4 công bố các kết quả định lượng thu được từ việc triển khai các phương pháp cải tiến vào bài toán lâm sàng cụ thể:

1. Đánh giá sai số biên khi tính liều tuyến giáp điều trị bằng I-131

Phương pháp hình học song song được áp dụng tính liều hấp thụ cho tuyến giáp bệnh nhân. Kết quả so sánh giữa phương pháp truyền thống và phương pháp cải tiến được tổng hợp:

Nhóm mẫu khảo sát	Phương pháp tính	Tỷ lệ thể tích voxel trong cấu trúc	Năng lượng hấp thụ ghi nhận	Liều hấp thụ tính toán
Nhóm 30 voxel biên	Truyền thống	Giả định $100%$ ($1,0$)	Đánh giá dư thừa phần ngoài cấu trúc	Sai lệch lớn so với liều thực
(Hình 4.2, 4.4)	Hình học song song	Xác định đúng tỷ lệ thực ($< 1,0$)	Phản ánh chính xác năng lượng rơi vào cấu trúc	Hiệu chỉnh chính xác liều hấp thụ
Nhóm 300 voxel biên	Truyền thống	Giả định $100%$ ($1,0$)	Đánh giá sai lệch tích lũy	Chênh lệch đáng kể so với liều giải tích
(Hình 4.1, 4.3)	Hình học song song	Xác định đúng tỷ lệ thực ($< 1,0$)	Khớp với phân bố hình học thực	Tối ưu hóa phân bố liều trên từng lát cắt

Phân tích trên từng lát cắt CT (Hình 4.5, 4.6, 4.7) chỉ ra rằng tỷ số giữa độ sai biệt năng lượng và tổng năng lượng hấp thụ tỷ lệ thuận trực tiếp với số lượng voxel nằm trên đường biên của lát cắt đó.

2. Đánh giá liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp ghép phantom

• Liều tương đương tuyến giáp: Bảng 4.3 ghi nhận liều tương đương nhận được tại tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng cạnh bệnh nhân đang nằm điều trị I-131.
• Liều hiệu dụng toàn thân: Tính toán cho phantom ICRP 110 nam ở các kịch bản giao tiếp khác nhau (Hình 4.8). Kết quả cho thấy phân bố liều thay đổi rất lớn phụ thuộc vào góc quay, khoảng cách và tư thế tiếp xúc.
• So sánh với mô hình nguồn đơn giản: Việc so sánh kết quả tính từ phân bố hoạt độ thực tế (ảnh SPECT/PET) với mô hình nguồn điểm truyền thống cho thấy sự sai khác nghiêm trọng. Mô hình nguồn điểm đánh giá quá cao liều ở một số vị trí cục bộ và đánh giá thấp liều ở các hướng phân rã ưu tiên trong cơ thể bệnh nhân.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

1. Về mặt lý luận và phương pháp:
   • Phát triển thành công phương pháp "hình học song song" tích hợp tệp RTSTRUCT DICOM trên phần mềm GAMOS/Geant4. Phương pháp này giải quyết triệt để bài toán sai số biên voxel khi tính liều cho bệnh nhân, cho phép xác định đúng thể tích, khối lượng và năng lượng hấp thụ thực tế trong các cơ quan có hình học phức tạp.
   • Xây dựng thành công phương pháp "ghép phantom" kết hợp kỹ thuật xoay vector trong GAMOS/Geant4, cho phép đọc đồng thời hai phantom voxel trong cùng một lần mô phỏng. Đây là giải pháp đầu tiên cho phép đưa trực tiếp phân bố hoạt độ 3D thực tế từ ảnh y học hạt nhân của bệnh nhân vào việc đánh giá liều cho người tiếp xúc ở các tư thế không gian thực.
2. Về mặt thực tiễn và ứng dụng:
   • Nâng cao độ chính xác trong lập kế hoạch xạ trị chiếu trong, giúp tối ưu hóa liều tiêu diệt mô bệnh lý và giảm thiểu tác dụng phụ đối với mô lành xung quanh.
   • Cung cấp công cụ tính toán định lượng tin cậy phục vụ công tác an toàn bức xạ, giúp các cơ sở y tế thiết lập quy trình cách ly hợp lý, bảo vệ nhân viên y tế và thân nhân bệnh nhân, đồng thời tránh việc cách ly quá mức gây ảnh hưởng tâm lý cho người bệnh. Các thuật toán và đoạn mã phát triển trong luận án đã được tích hợp đóng góp vào phiên bản GAMOS 6.0.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung văn bản luận án, các hạn chế và đề xuất nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Hạn chế: Thời gian mô phỏng Monte Carlo trực tiếp trên phantom voxel đòi hỏi năng lực tính toán lớn và thời gian xử lý kéo dài khi số lượng lịch sử hạt tăng cao. Thử nghiệm lâm sàng của phương pháp mới trong luận án mới chỉ tập trung trên bệnh nhân điều trị ung thư tuyến giáp bằng đồng vị I-131 và sử dụng phantom chuẩn ICRP 110 nam; các chuyển động sinh học động (như nhịp thở, nhu động ruột) chưa được tích hợp trong mô phỏng tĩnh.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  1. Mở rộng ứng dụng phương pháp "hình học song song" và "ghép phantom" cho các loại đồng vị phóng xạ khác thường dùng trong chẩn đoán và điều trị (như Lu-177, Y-90, F-18, Tc-99m) và các cơ quan giải phẫu khác.
  2. Ứng dụng các kỹ thuật giảm thăng giáng (variance reduction techniques) nhằm tăng tốc độ tính toán Monte Carlo, hướng tới khả năng ứng dụng trực tiếp trong quy trình lâm sàng thời gian thực.
  3. Nghiên cứu tích hợp mô hình giải phẫu 4D có tính đến chuyển động hô hấp của bệnh nhân trong quá trình tính liều.

---

Giá trị tham khảo

Công trình luận án mang lại giá trị tham khảo khoa học và ứng dụng cụ thể:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Vật lý y khoa, Vật lý hạt nhân: Luận án cung cấp hướng dẫn phương pháp luận chuẩn xác về mô phỏng Monte Carlo trên GAMOS/Geant4, quy trình xử lý dữ liệu ảnh DICOM/RTSTRUCT và kỹ thuật can thiệp hình học song song. Các hướng dẫn chi tiết trong Phụ lục A (sử dụng GAMOS), Phụ lục B (sử dụng CARIMAS) và Phụ lục D (bảng chuyển đổi Schneider) là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực hành cao.
• Đối với kỹ sư vật lý y học và bác sĩ lâm sàng tại các bệnh viện ung bướu, y học hạt nhân: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá lại sai số trong các hệ thống lập kế hoạch điều trị hiện hành, đồng thời hỗ trợ xây dựng kịch bản an toàn bức xạ cá thể hóa cho từng bệnh nhân điều trị phóng xạ liều cao.
• Đối với các cơ quan quản lý an toàn bức xạ: Cung cấp dữ liệu mô phỏng chính xác về liều tiếp xúc thực tế, làm cơ sở khoa học để xây dựng và điều chỉnh các tiêu chuẩn, quy chuẩn về tiêu chí cho phép bệnh nhân xuất viện và hướng dẫn cách ly y tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp tính liều Monte Carlo truyền thống trên phantom voxel lại gây ra sai số ở vùng biên cơ quan?

Khi voxel hóa cấu trúc giải phẫu, các cơ quan được chia thành các ô hình hộp thể tích. Ở vùng biên, một voxel thường chỉ có một phần thể tích nằm trong cơ quan. Phương pháp truyền thống sử dụng tiêu chí nhị phân (chẳng hạn xét tâm voxel nằm trong hay ngoài đường phân đoạn) để nhận hoặc loại bỏ toàn bộ voxel. Nếu nhận, toàn bộ thể tích và năng lượng trong voxel được tính cho cơ quan; nếu loại, toàn bộ phần thể tích thực tế nằm trong cơ quan bị bỏ qua. Điều này dẫn đến sai số lớn về thể tích, khối lượng và năng lượng hấp thụ, đặc biệt ở các cơ quan nhỏ, mỏng hoặc có đường viền phức tạp.

2. Phương pháp "hình học song song" (Parallel geometry) giải quyết sai số biên voxel như thế nào?

Phương pháp trích xuất dữ liệu đường biên chính xác từ tệp RTSTRUCT DICOM do bác sĩ phân đoạn để dựng thành các khối hình học Extruded liên tục trong một lớp hình học song song đè lên phantom CT. Trong quá trình mô phỏng hạt, GAMOS/Geant4 tính toán chính xác tỷ lệ thể tích thực tế của từng voxel biên nằm trong cấu trúc ($V_{trong}$) và chỉ ghi nhận phần năng lượng hấp thụ xảy ra bên trong thể tích đó. Khối lượng cấu trúc cũng được tính theo tổng thể tích thực nhân với mật độ tương ứng, khử bỏ hoàn toàn sai số gán nhị phân.

3. Phương pháp "ghép phantom" và kỹ thuật xoay vector hoạt động ra sao?

Phương pháp ghép phantom chuyển đổi dữ liệu của hai phantom voxel riêng biệt (phantom bệnh nhân chứa phân bố hoạt độ từ ảnh PET/SPECT và phantom người tiếp xúc) sang định dạng văn bản g4dcm/ASCII để đưa vào cùng một không gian tính toán của GAMOS. Kỹ thuật xoay vector áp dụng các phép biến đổi ma trận tọa độ để tịnh tiến và xoay phantom người tiếp xúc quanh bệnh nhân, giúp mô tả chính xác mọi khoảng cách và tư thế giao tiếp thực tế như đối diện, bên cạnh, trước sau hoặc đứng - nằm.

4. Vì sao mô hình nguồn điểm truyền thống đánh giá sai lệch liều nhận được của người tiếp xúc?

Mô hình nguồn điểm giả định toàn bộ hoạt độ phóng xạ tập trung tại một điểm duy nhất và bức xạ phát ra đẳng hướng trong không gian theo quy luật nghịch đảo bình phương, bỏ qua sự suy giảm bức xạ do tự hấp thụ trong các lớp mô của cơ thể bệnh nhân và bỏ qua sự phân bố không đồng đều của thuốc phóng xạ tại các cơ quan đích. Điều này dẫn đến việc ước tính quá cao liều ở một số vị trí và đánh giá không đúng liều ở các góc tiếp xúc thực tế.

5. Dữ liệu hạt nhân và bảng chuyển đổi mật độ nào được sử dụng trong tính toán của luận án?

Luận án sử dụng phổ phân rã hạt beta và bức xạ gamma của đồng vị I-131 trích xuất từ tệp dữ liệu cấu trúc hạt nhân ENSDF. Việc chuyển đổi từ số Hounsfield ($HU$) trên ảnh CT sang mật độ khối lượng, mật độ electron và thành phần vật liệu mô sinh học được thực hiện theo bảng chuyển đổi thực nghiệm chuẩn của Schneider. Mô hình giải phẫu người tiếp xúc sử dụng bộ thông số phantom chuẩn ICRP 110 giới tính nam.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Phương Thảo đã hoàn thành xuất sắc hai nhiệm vụ khoa học trọng tâm: phát triển phương pháp "hình học song song" nhằm triệt tiêu sai số biên voxel khi tính liều cho bệnh nhân, và xây dựng phương pháp "ghép phantom" kết hợp kỹ thuật xoay vector để tính liều cho người tiếp xúc dựa trên phân bố hoạt độ thực từ ảnh y học hạt nhân. Công trình được xây dựng trên nền tảng mô phỏng Monte Carlo vững chắc của bộ mã GAMOS/Geant4 kết hợp mô hình vật lý Livermore, có sự kiểm chứng chặt chẽ qua các bài toán chuẩn và số liệu giải tích. Kết quả nghiên cứu đóng góp trực tiếp vào phiên bản phần mềm GAMOS 6.0, mang lại ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn cao trong việc nâng cao độ chính xác lập kế hoạch điều trị y học hạt nhân và tối ưu hóa các quy chuẩn an toàn bức xạ y tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. Cơ sở lý thuyết của việc tính liều 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 sinh học mà bức xạ gây ra phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng của bức xạ và bộ phận bị chiếu [36]. Phần tiếp theo trình bày về cơ chế tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất và các tác động của chúng lên tế bào.

Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất Như đã trình bày ở mục trên, khi bức xạ ion hóa đi vào cơ thể, chúng sẽ tương tác với các vùng mô, gây ra sự hấp thụ năng lượng, từ đó gây ra các hiệu ứng sinh học. Phần này sẽ trình bày về các tương tác (có bỏ lại năng lượng) của electron và photon khi tương tác với vật chất và tác dụng của chúng lên cơ thể. Tương tác giữa electron và vật chất Electron là bức xạ ion hóa trực tiếp, ion hóa nhiều nguyên tử do tương tác Coulomb trực tiếp. Sự kích thích và ion hóa xảy ra cho những nguyên tử nằm dọc theo quỹ đạo của hạt.

Các electron có thể tham gia các loại tương tác khác nhau với nguyên tử của môi trường. Các tương tác có bỏ lại năng lượng: - Kích thích hay ion hóa vỏ nguyên tử. Hạt tương tác Coulomb với electron trong nguyên tử, sự tương tác đó làm hạt mất năng lượng. - Tán xạ không đàn hồi trên nhân: hạt chuyển động chậm dần và phát bức xạ hãm.

Trung bình khoảng một nửa năng lượng mất mát của các bức xạ mang điện là dành cho việc ion hóa, nửa còn lại dành cho sự kích thích. Trong mỗi va chạm gây kích thích hay ion hóa nguyên tử, các electron sơ cấp thường chỉ mất một năng lượng rất bé. Có thể xem rằng electron mất dần năng lượng một cách liên tục dọc theo quãng đường đi [7]. Tương tác giữa photon và vật chất Photon là bức xạ không mang điện, là bức xạ ion hóa gián tiếp.

Trước hết, chúng sẽ tương tác và giải phóng hạt mang điện thứ cấp (thường là electron), sau đó hạt mang điện tương tác Coulomb với electron của nguyên tử của môi trường và kích thích hay ion hóa chúng. Các tương tác của photon là: 8 - Hiệu ứng quang điện: Là sự tương tác của photon và nguyên tử. Toàn bộ năng lượng của photon (h𝜗) được chuyển thành năng lượng dùng để bứt electron (A) và động năng electron (K): h𝜗=A+Ke (1.1) Hiệu ứng này thường xảy ra với electron ở những lớp trong cùng của nguyên tử. - Hiệu ứng Compton: Photon tán xạ trên electron liên kết yếu của nguyên tử, truyền bớt năng lượng cho electron và bay lệch so với hướng cũ.

Tán xạ Compton phụ thuộc vào mật độ electron. Mật độ càng lớn, cường độ tán xạ càng mạnh. Mối quan hệ giữa năng lượng ban đầu (h𝜗), năng lượng tán xạ (h𝜗′) và góc tán xạ (θ) như sau: hϑ hϑ′ = hϑ (1.2) 1+ (1−cosθ) E0 trong đó E0 là năng lượng nghỉ của electron. Trên đây vừa trình bày các quá trình tương tác có bỏ lại năng lượng giữa electron và photon khi tương tác với vật chất.

Khi mô phỏng chúng bằng phương pháp MC, người ta sử dụng các hàm mật độ xác suất. Đối với electron, số tương tác trong vật chất là rất lớn, do đó để tiết kiệm thời gian mô phỏng, người ta dùng kỹ thuật “lịch sử cô đọng” (condense history), nhóm nhiều tương tác nhỏ thành một tương tác lớn. Chi tiết sẽ được trình bày trong Chương 2. Mục tiếp theo trình bày về tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên tế bào.

Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể Khi đi vào vật chất, mức độ ion hóa tùy thuộc vào loại bức xạ, năng lượng bức xạ và bản chất vật chất. Photon có tính đâm xuyên mạnh hơn electron, nên chúng không những tác dụng lên các tế bào ở ngoài, mà còn tác dụng lên các tế bào các lớp sâu bên trong cơ quan [93]. Do thành phần chủ yếu của tế bào là nước, nên bức xạ chủ yếu ion hóa các phân tử nước, một phần nhỏ ion hóa các phân tử sinh học. Hiện tượng ion hóa tạo ra các biến đổi phân tử, làm biến đổi cấu trúc và chức năng của tế bào, gây ra các bệnh liên quan bức xạ (ung thư, đục thủy tinh thể…).

9 Một sự tiếp xúc nhất định đối với bức xạ có thể có hoặc có thể không gây tổn hại gen để dẫn đến nguy cơ gây bệnh ung thư. Nhờ có cơ chế tự sửa chữa ADN của tế bào, nên không nhất thiết mọi ảnh hưởng của bức xạ lên gen sẽ gây ung thư. Tác động của bức xạ lên tế bào thường được diễn tả bằng tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi bị chiếu bằng một liều bức xạ xác định. Khi xét một số lớn cá thể cùng chịu chiếu xạ như nhau, thì sẽ có một tỉ lệ cá thể chịu tác dụng.

Do tác động ngẫu nhiên của bức xạ gây ung thư nên không có liều ngưỡng, nghĩa là không thể khẳng định rằng liều dưới một mức độ nào đó là an toàn. Đây gọi là hiệu ứng ngẫu nhiên [55]. Với trường hợp liều cao, hiệu ứng chắc chắn sẽ xảy ra khi liều vượt quá một ngưỡng nào đó. Mức độ trầm trọng càng tăng khi liều càng lớn.

Đây gọi là hiệu ứng tất nhiên [55]. Như vậy, ngoài tác dụng tích cực của bức xạ là chẩn đoán và trị bệnh, khi bức xạ đi qua vùng mô lành của bệnh nhân thì vẫn gây ảnh hưởng lên vùng mô này tương tự như vùng mô bệnh lý [60]. Ngoài ra, khi bệnh nhân tiếp xúc với người bên cạnh như nhân viên y tế, gia đình hay người ở nơi công cộng, lượng thuốc phóng xạ còn lại trong cơ thể của bệnh nhân khiến họ trở thành một nguồn phóng xạ, có thể gây rủi ro cho những người mà họ tiếp xúc. Trong nghiên cứu của Ủy ban Nghiên cứu Quốc gia (Mỹ) về tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa (Beir) [81] trên 100.000 người nhận liều chiếu gamma là 0,1 Gy trong duy nhất một lần chiếu xạ, sẽ có thêm 800 ca tử vong do ung thư.

Do những rủi ro mà bức xạ có thể gây ra cũng như những nguy cơ tiềm ẩn từ việc chưa hiểu rõ chính xác cơ chế gây ung thư của bức xạ, nhiệm vụ quan trọng được đặt ra là phải hạn chế đến mức thấp nhất liều cho vùng mô lành của bệnh nhân và người tiếp xúc với những bệnh nhân đã sử dụng dược phẩm phóng xạ. Đồng thời, liều cấp cho bệnh nhân cũng phải đủ lớn để tiêu diệt vùng mô bệnh lý. Do không thể đặt các dụng cụ đo liều trong các cơ quan nội tạng cũng như xương, mạch máu, mắt. do đó việc đo liều được thay thế bằng phương pháp tính liều dựa trên những mô hình [34, 41, 99].

Để đánh giá rủi ro cho người tiếp xúc phóng xạ một cách toàn diện hơn, bao gồm tác động của loại bức xạ đến các loại mô khác nhau, 10 người ta sử dụng đồng thời các khái niệm “liều hấp thụ”, “liều tương đương” và “liều hiệu dụng”. Phần tiếp theo trình bày về các đại lượng liều lượng học bức xạ cũng như cách tính phân bố liều. Các đại lượng và đơn vị đo liều bức xạ Liều hấp thụ Khi bất kỳ một vật nào bị chiếu xạ, liều hấp thụ mà vật nhận được được định nghĩa là năng lượng hấp thụ trong vật chia cho khối lượng của vật [55]: E D= (1.3) m Trong đó: D: liều hấp thụ trong vật được chiếu (Gy hay J/kg), E: năng lượng hấp thụ trong vật (J), m: khối lượng của vật (kg). Liều hấp thụ được sử dụng để đánh giá các hiệu ứng tất nhiên.

Liều tương đương Cùng một giá trị liều, các loại bức xạ khác nhau gây ra các hiệu ứng sinh học khác nhau. Ủy ban Quốc tế về An toàn Bức xạ (ICRP) đã đưa ra khái niệm về trọng số bức xạ (WR), như một thước đo tác dụng sinh học của từng loại bức xạ. Liều tương đương được định nghĩa là tích số liều hấp thụ và trọng số tương ứng của từng loại bức xạ [55]: HT = ∑R DT,R WR (1.4) Trong đó: HT: liều tương đương cho một cơ quan T (Sv), DT, R: liều hấp thụ cho một cơ quan T (Gy) đối với bức xạ R, WR: trọng số của bức xạ R.