Tổng quan luận án

Việc ứng dụng bức xạ ion hóa phát ra từ các đồng vị phóng xạ trong Y học hạt nhân (YHHN) phục vụ hai mục đích chính: chẩn đoán chức năng cơ quan (hoạt độ sử dụng thông thường khoảng 50–100 $\mu\text{Ci}$) và điều trị bệnh lý, đặc biệt là ung thư (hoạt độ có thể lên đến 250 $\text{mCi}$ như trong điều trị ung thư tuyến giáp bằng I-131). Khi đi vào cơ thể, bức xạ gây ra các hiệu ứng sinh học tất nhiên và ngẫu nhiên tùy thuộc vào năng lượng hấp thụ trên mỗi đơn vị khối lượng mô. Do không thể trực tiếp đưa các thiết bị đo liều vào trong các cơ quan nội tạng của người sống, việc tính toán phân bố liều dựa trên mô hình mô phỏng đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa hiệu quả điều trị khối u, đồng thời hạn chế tối đa tổn thương lên mô lành xung quanh và giảm thiểu rủi ro bức xạ cho người tiếp xúc với bệnh nhân.

Trước đây, kỹ thuật tính liều chiếu trong chủ yếu dựa trên sơ đồ của Ủy ban Liều bức xạ Chiếu trong Y học (MIRD) áp dụng trên các mô hình người chuẩn (phantom toán học). Phương pháp này gặp hạn chế lớn do giả định các cơ quan có hình học giải tích đơn giản, mật độ mô đồng nhất và phân bố phóng xạ đồng nhất, dẫn đến sai số trong việc phản ánh giải phẫu cá thể của từng bệnh nhân. Sự phát triển của kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp cắt lớp YHHN (SPECT, PET) đã thúc đẩy xu hướng tính liều chuyển dịch sang mức voxel (thể tích cỡ $\text{mm}^3$). Tuy nhiên, phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp trên phantom voxel hiện hành vẫn tồn tại hai khoảng trống nghiên cứu lớn:

  1. Sai số tại vùng biên cấu trúc giải phẫu: Khi voxel hóa các cơ quan, tiêu chí nhị phân (chẳng hạn dựa vào tọa độ tâm voxel nằm trong hay ngoài đường phân đoạn) làm cho toàn bộ thể tích voxel được tính hoặc bị loại bỏ hoàn toàn. Điều này gây sai số lớn về khối lượng và năng lượng hấp thụ tại biên, đặc biệt nghiêm trọng đối với các cơ quan mỏng, nhỏ hoặc có hình học phức tạp (tuyến giáp, da, niêm mạc, thành ruột, tủy xương).
  2. Ước tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân chưa phản ánh thực tế: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu sử dụng các mô hình nguồn đơn giản hóa (nguồn điểm tuân theo quy luật nghịch đảo bình phương, nguồn đoạn thẳng, nguồn hình trụ hoặc phantom phân bố hoạt độ đồng nhất), chưa tích hợp được sự phân bố hoạt độ thực tế từ ảnh YHHN của bệnh nhân và chưa mô tả đồng thời hai phantom voxel trong cùng một mô phỏng với các tư thế, khoảng cách giao tiếp thực tế.

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Giảm thiểu sai số ở biên của các cơ quan khi tính liều cho bệnh nhân trên phantom voxel bằng cách tích hợp hình học chính xác của cấu trúc thông qua phương pháp "hình học song song" (parallel geometry) trên nền phần mềm GAMOS/Geant4.
  2. Tối ưu hóa việc tính toán liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân bằng phương pháp "ghép phantom" (phantom merging), sử dụng trực tiếp phân bố hoạt độ thực tế từ ảnh YHHN của bệnh nhân kết hợp kỹ thuật xoay vector để mô tả linh hoạt các tình huống tiếp xúc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình phantom voxel xây dựng từ dữ liệu ảnh CT, ảnh YHHN và tệp cấu trúc DICOM RTSTRUCT; quá trình vận chuyển và tương tác của hạt bức xạ (photon, electron) trong môi trường mô sinh học; phân bố liều hấp thụ, liều tương đương và liều hiệu dụng ở bệnh nhân điều trị ung thư tuyến giáp bằng I-131 và người tiếp xúc.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp luận và mô phỏng trên nền tảng GAMOS phiên bản 6.0 tích hợp mã nguồn Geant4 và mô hình vật lý Livermore; sử dụng dữ liệu hình ảnh giải phẫu từ Bệnh viện Chợ Rẫy TP. Hồ Chí Minh và phantom tiêu chuẩn ICRP 110 giới tính nam; luận án được thực hiện tại Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (VINATOM), hoàn thành vào tháng 9 năm 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử tính toán liều chiếu trong ghi nhận các mốc phát triển từ thập niên 1940:

  • Năm 1956, Loevinger và cộng sự tổng hợp các cơ sở lý thuyết ban đầu về liều bức xạ.
  • Giai đoạn 1964–1965, Ellett và cộng sự lần đầu tiên ứng dụng phương pháp Monte Carlo để tính toán "tỷ lệ hấp thụ" cho các nguồn photon đơn năng trong các bia có kích thước và hình học khác nhau, đặt nền móng cho sự ra đời của sơ đồ MIRD.
  • Snyder và cộng sự xây dựng các phantom toán học mô tả cơ thể người chuẩn (nam, nữ trưởng thành, trẻ em, phụ nữ mang thai) bằng các khối hình học cơ bản (hình cầu, hình trụ, hình nón). Các tính toán mức cơ quan bằng phần mềm chuyên dụng như OLINDA/EXM dựa trên sơ đồ MIRD được ứng dụng rộng rãi nhưng bộc lộ sai số do không phản ánh tính bất đồng nhất của mô bệnh nhân và phân bố thuốc phóng xạ.
  • Sự ra đời của máy chụp CT bởi Cormack và Godfrey N. Hounsfield (1974–1976) cùng các kỹ thuật PET, SPECT cho phép thu nhận dữ liệu giải phẫu và chuyển hóa ở mức độ chi tiết. Năm 1999, ấn phẩm MIRD Pamphlet 17 chính thức đề xuất tính liều ở mức voxel. Ba phương pháp tính liều mức voxel xuất hiện: (1) Phương pháp tính tổng nhân liều (dose point kernel); (2) Phương pháp sử dụng giá trị S voxel kết hợp sơ đồ MIRD; (3) Phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp.
  • Đối với việc khắc phục sai số biên trên phantom voxel: Nghiên cứu của Lee và cộng sự (2007) thiết lập phương pháp riêng cho da; Kramer và cộng sự (2007) đưa ra giả định bề dày da 1,5 mm; Zankl và cộng sự (2007) dùng thuật toán dựng hình 3D cho xương; Kim và cộng sự (2011) phát triển thế hệ mesh phantom (phantom mặt lưới). Tuy nhiên, các giải pháp này hoặc chỉ áp dụng cục bộ cho một vài cơ quan riêng lẻ, hoặc chưa thể tích hợp thuận lợi vào thực hành tính liều lâm sàng.
  • Đối với việc tính liều cho người tiếp xúc: Zˇontar và cộng sự (2009) chứng minh mô hình nguồn điểm ước tính liều quá cao so với thực tế; Palmer và cộng sự (2014) xây dựng mô hình nguồn hình trụ cho bệnh nhân tuyến giáp nhưng làm tăng liều ước tính lên đến 13,4%; Albe´rico và cộng sự (2015) dùng phantom voxel FAX nhưng giả định hoạt độ đồng nhất trong cơ thể; Dewji và cộng sự (2015) mô tả các tư thế tiếp xúc trên xe buýt và giường bệnh nhưng lại dùng phantom toán học.
  • Về công cụ mô phỏng Monte Carlo: Các mã mô phỏng phổ biến gồm PENELOPE (Fortran, dải năng lượng 100 eV – 1 GeV, 279 vật liệu), EGSnrc (Mortran/Fortran, chuyên sâu về xạ trị), MCNP (MCNP5, MCNP6), GEANT4 (C++, hướng đối tượng, hỗ trợ hình học song song) và GAMOS (CIEMAT phát triển trên nền Geant4).

Tại Việt Nam, việc tính liều YHHN chủ yếu áp dụng phương pháp chỉ định hoạt độ cố định kết hợp kinh nghiệm lâm sàng, hoặc tính liều mức cơ quan qua phần mềm OLINDA/EXM:

  • Nhóm tác giả Trần Xuân Hồi và cộng sự (2015) tính liều chiếu trong cho nhân viên sản xuất đồng vị I-131 tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt thông qua việc lấy mẫu không khí và đo mẫu nước tiểu.
  • Nguyễn Văn Hùng và cộng sự (2015) xác định hoạt độ I-131 trong nước tiểu bằng hệ đo nhấp nháy lỏng ALOKA-LSC-6100 và chương trình LUDEP 2 để tính liều cho nhân viên bức xạ.
  • Nguyễn Tấn Châu và cộng sự nghiên cứu xác định hoạt độ từ ảnh PET/CT để tính liều bằng MIRD và OLINDA/EXM. Các nghiên cứu mức voxel trong nước trước đây chủ yếu dừng lại ở việc giới thiệu phương pháp hoặc ứng dụng trong xạ trị chiếu ngoài.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Luận án khắc phục đồng thời hai điểm nghẽn của phương pháp Monte Carlo trên phantom voxel: loại bỏ triệt để sai số biên giải phẫu của cấu trúc bằng tiện ích hình học song song, và xây dựng quy trình ghép hai phantom voxel kết hợp trực tiếp ảnh phân bố hoạt độ YHHN để tính liều thực tế cho người tiếp xúc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết vật lý và sinh học bức xạ

Luận án vận dụng các nguyên lý vật lý hạt nhân và bảo vệ bức xạ:

  • Nguyên lý Hevesy: Các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố tham gia vào các quá trình sinh hóa và chuyển hóa trong cơ thể sống theo cơ chế tương tự nhau, cho phép sử dụng dược chất phóng xạ làm chất đánh dấu hoặc tiêu diệt tổ chức bệnh lý.
  • Tương tác của electron với vật chất: Gồm tương tác Coulomb gây kích thích, ion hóa nguyên tử môi trường và tán xạ không đàn hồi trên hạt nhân phát bức xạ hãm. Electron mất năng lượng gần như liên tục dọc theo quỹ đạo, được mô phỏng thông qua kỹ thuật lịch sử cô đọng (condensed history) kết hợp năng lượng ngưỡng hoặc quãng chạy ngưỡng.
  • Tương tác của photon với vật chất: Gồm hiệu ứng quang điện ($h\nu = A + K_e$), tán xạ Compton tuân theo phương trình: $$h\nu' = \frac{h\nu}{1 + \frac{h\nu}{E_0}(1-\cos\theta)}$$ và hiệu ứng tạo cặp tại vùng năng lượng cao.
  • Tác dụng sinh học: Bức xạ ion hóa phân tử nước và đại phân tử sinh học, tạo gốc tự do gây tổn thương ADN. Hiệu ứng ngẫu nhiên (ung thư, đột biến di truyền) không có ngưỡng liều; hiệu ứng tất nhiên xuất hiện khi vượt quá ngưỡng liều xác định (theo báo cáo BEIR của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ).
  • Các đại lượng liều lượng học bức xạ:
    • Liều hấp thụ: $D = \frac{E}{m}$ ($\text{Gy}$ hoặc $\text{J/kg}$).
    • Liều tương đương: $H_T = \sum_R D_{T,R} W_R$ ($\text{Sv}$), với $W_R$ là trọng số bức xạ.
    • Liều hiệu dụng: $E = \sum_T W_T H_T$ ($\text{Sv}$), với $W_T$ là trọng số mô theo khuyến cáo của ICRP 60 và ICRP 103.
    • Sơ đồ MIRD tính liều cho cơ quan bia từ các cơ quan nguồn: $$D_{bia} = \sum_{ngu\tilde{\hat{o}}n} \tilde{A}(ngu\tilde{\hat{o}}n) \cdot S(ngu\tilde{\hat{o}}n \rightarrow bia)$$ trong đó $\tilde{A}$ là hoạt độ tích lũy ($\text{Bq}\cdot\text{s}$) và $S$ là giá trị liều hấp thụ trên một phân rã ($\text{Gy/Bq}\cdot\text{s}$).

Phương pháp nghiên cứu định lượng

  1. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp: Sử dụng thuật toán sinh số giả ngẫu nhiên (mặc định HEP James) để mô phỏng lịch sử vận chuyển của từng hạt sơ cấp qua 8 bước: tạo hạt ban đầu, xác định quãng đường bay tự do ($l$), xác định vị trí tương tác mới, kiểm tra ranh giới hình học, kiểm tra điều kiện tồn tại trong hệ, chọn loại tương tác vật lý theo tiết diện vi phân, tính toán năng lượng/hướng tán xạ và ghi nhận năng lượng hấp thụ.

  2. Mô hình vật lý Livermore trong Geant4: Mô phỏng chi tiết tương tác của photon và electron trong dải năng lượng từ $1\text{ eV}$ đến $100\text{ GeV}$. Hệ thống sử dụng các thư viện dữ liệu thực nghiệm tiêu chuẩn: EADL (dữ liệu giải phóng nguyên tử), EEDL (dữ liệu tương tác electron) và EPDL (dữ liệu tương tác photon). Tiết diện tương tác toàn phần tại năng lượng $E$ được xác định qua phép nội suy logarit: $$\log(\sigma(E)) = \log(\sigma_1) \frac{\log(E_2) - \log(E)}{\log(E_2) - \log(E_1)} + \log(\sigma_2) \frac{\log(E) - \log(E_1)}{\log(E_2) - \log(E_1)}$$ Xác suất nguyên tố $i$ được lựa chọn trong tương tác quang điện tuân theo: $$P(Z_i, E_\gamma) = \frac{n_i \sigma(Z_i, E_\gamma)}{\sum_i [n_i \sigma_i(E_\gamma)]}$$ kết hợp lý thuyết phân bố góc Sauter-Gavrila cho electron quang điện.

  3. Xử lý dữ liệu hình ảnh y tế và cấu trúc DICOM:

  • Chuyển đổi số Hounsfield (HU) từ ảnh CT sang mật độ khối lượng mô $\rho_{m\hat{o}}$ và mật độ electron $\rho_e$: $$\rho_{m\hat{o}} = \frac{\text{HU} + 1000}{\text{HU}\rho + 1000}$$ $$\rho_e = \rho{m\hat{o}} \left[ \sum_i \left( w_i \frac{Z_i}{A_i} \right) \right] \left( \frac{Z}{A} \right)_{n\text{ư}\acute{\hat{o}}c}^{-1}$$ sau đó ánh xạ sang 27 nhóm vật liệu sinh học theo bảng chuyển đổi của Schneider.
  • Phân bố hoạt độ phóng xạ trên từng voxel từ ảnh YHHN (PET/SPECT) được dùng để lấy mẫu số phân rã sơ cấp theo tỷ lệ hoạt độ, vị trí phân rã bên trong voxel được lấy mẫu ngẫu nhiên đều.
  • Tệp RTSTRUCT chứa các đường viền giải phẫu 2D được nội suy thành các khối hình học Extruded 3D để xác định chính xác tỷ lệ thể tích giao cắt của từng voxel.
Loại dữ liệu đầu vào Định dạng y tế Thông tin trích xuất Ứng dụng trong GAMOS/Geant4
Ảnh CT DICOM CT Số Hounsfield (HU) Xác định mật độ khối lượng, mật độ electron, gán vật liệu mô cho từng voxel
Ảnh YHHN DICOM PET/SPECT Hoạt độ phóng xạ ($\text{Bq}$) Thiết lập số phân rã và phân bố nguồn bức xạ trong không gian phantom
Cấu trúc giải phẫu DICOM RTSTRUCT Đường phân đoạn 2D Xây dựng khối hình học song song 3D, tính tỷ lệ thể tích voxel thuộc cơ quan
Phantom chuẩn ICRP 110 Giải phẫu chuẩn hóa Mô hình hóa đối tượng người tiếp xúc trong các kịch bản tương tác

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 cơ sở vật lý và sinh học bức xạ, đồng thời phân tích toàn diện hiện trạng các kỹ thuật tính liều chiếu trong.

  • Tác giả phân tích các cơ chế tương tác vi mô của bức xạ mang điện (electron) và bức xạ không mang điện (photon) khi truyền qua mô sống, làm rõ mối liên hệ giữa năng lượng hấp thụ cục bộ và hiệu ứng tổn thương sinh học (ngẫu nhiên và tất nhiên).
  • Đánh giá sự tiến hóa của các mô hình phantom: từ mô hình hình học giải tích chuẩn của Snyder/MIRD đến các phantom voxel xây dựng từ ảnh cắt lớp CT/PET/SPECT.
  • Điểm luận ba phương pháp tính liều mức voxel: phương pháp tổng nhân liều, phương pháp giá trị S voxel và phương pháp Monte Carlo trực tiếp. Tác giả chỉ ra rằng hai phương pháp đầu vẫn phụ thuộc vào giả định đồng nhất mô cục bộ và giới hạn tầm xuyên sâu của photon gamma (thường chỉ tính trong phạm vi 5 voxel). Ngược lại, phương pháp Monte Carlo trực tiếp cho phép tính toán chính xác trên môi trường bất đồng nhất nhưng chịu ảnh hưởng nặng nề bởi sai số vùng biên do thuật toán voxel hóa nhị phân.
  • Phân tích các nghiên cứu tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân YHHN, làm rõ các điểm hạn chế của các mô hình nguồn điểm, nguồn đoạn thẳng, nguồn hình trụ (như nghiên cứu của Palmer và cộng sự làm tăng ước tính liều tới 13,4%, nghiên cứu của Albérico chỉ ra sai lệch liều lên tới 366% khi so sánh giữa nguồn điểm và phantom voxel FAX).
  • Khảo sát các mã mô phỏng hạt nhân: so sánh tính năng của PENELOPE, EGSnrc, MCNP, GATE, GEANT4 và GAMOS. Luận án khẳng định GAMOS/Geant4 là công cụ tối ưu nhờ hỗ trợ kiến trúc C++ hướng đối tượng, hệ thống User code mở, khả năng xử lý ảnh y tế và đặc biệt là tiện ích "hình học song song" cho phép lồng ghép nhiều cấu trúc hình học mà không làm biến dạng thuộc tính vật liệu của phantom nền.

CHƯƠNG 2: TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình vận hành và kiểm tra độ tin cậy của bộ công cụ GAMOS/Geant4 trong tính toán liều chiếu trong YHHN:

  • Thiết lập sơ đồ thuật toán Monte Carlo 8 bước mô tả quá trình truyền hạt, tương tác và phân tán năng lượng. Phân tích vai trò của kỹ thuật lịch sử cô đọng đối với electron và ảnh hưởng của việc chọn ngưỡng năng lượng/quãng chạy đến độ chính xác và thời gian tính toán.
  • Trình bày thuật toán chuyển đổi dữ liệu từ ảnh cắt lớp CT và YHHN sang tệp văn bản chuẩn g4dcm (ASCII) tương thích với GAMOS. Quy trình bao gồm: đọc ma trận điểm ảnh, chuyển đổi số HU sang mật độ khối lượng theo phương trình thực nghiệm, ánh xạ vật liệu sinh học theo bảng chuyển đổi Schneider, và tích hợp ma trận hoạt độ phóng xạ để phân bổ số sự kiện mô phỏng tỷ lệ với hoạt độ từng voxel.
  • Cấu hình danh sách vật lý (physics list) sử dụng mô hình vật lý điện từ năng lượng thấp Livermore, kiểm soát các tương tác quang điện, tán xạ Compton, tán xạ Rayleigh, ion hóa và phát bức xạ hãm cho dải năng lượng từ $1\text{ eV}$ đến $100\text{ GeV}$.
  • Thực hiện khảo sát độ tin cậy của GAMOS/Geant4 thông qua các bài toán chuẩn hóa: tính liều cho phantom nước hình cầu và phantom nước với nguồn gamma đơn năng, nguồn đồng vị I-131 phân bố đồng nhất; đối chiếu kết quả phổ năng lượng beta, gamma của I-131 từ thư viện ENSDF với các công bố chuẩn quốc tế.

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 phần nghiên cứu phát triển phương pháp luận và thuật toán cải tiến trong GAMOS/Geant4:

  • Phát triển phương pháp "hình học song song" (parallel geometry) xử lý sai số biên:
    • Tích hợp các đường biên phân đoạn giải phẫu từ tệp DICOM RTSTRUCT (do chuyên gia y tế vẽ) vào GAMOS dưới dạng các khối hình học đa giác mở rộng 3D (Extruded solids).
    • Thuật toán xác định chính xác phần thể tích thực của từng voxel nằm bên trong ranh giới cấu trúc giải phẫu (tỷ lệ thể tích $f_v \in [0, 1]$), thay vì gán nhị phân $f_v = 0$ hoặc $f_v = 1$ dựa trên tọa độ tâm voxel.
    • Xác định khối lượng thực của cấu trúc: $m_{c\acute{\hat{a}}u_tr\acute{u}c} = \sum_{voxel} (f_v \cdot V_{voxel} \cdot \rho_{voxel})$.
    • Năng lượng hấp thụ được ghi nhận chính xác trong không gian hình học song song chồng lấn, từ đó triệt tiêu sai số đánh giá quá cao hoặc quá thấp phần năng lượng và khối lượng tại vùng biên của các cơ quan phức tạp.
  • Phát triển phương pháp "ghép phantom" (phantom merging) và kỹ thuật xoay vector:
    • Xây dựng thuật toán đọc và ghép đồng thời hai phantom voxel độc lập (phantom bệnh nhân mang hoạt độ thực và phantom người tiếp xúc) vào cùng một hệ tọa độ mô phỏng GAMOS.
    • Sử dụng ma trận quay vector và tịnh tiến tọa độ 3D để mô tả chính xác khoảng cách và các tư thế không gian giữa bệnh nhân và người tiếp xúc trong đời sống thực tế.
  • Kiểm chứng độ tin cậy của các thuật toán cải tiến thông qua việc phân tích toán học các trường hợp hình học đặc biệt: hai đường biên lồng nhau, hình khối dính liền, mặt cắt quả cầu giao cắt voxel.

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ

Chương 4 công bố các kết quả tính toán mô phỏng cụ thể khi ứng dụng các cải tiến đã phát triển:

  • Ứng dụng phương pháp hình học song song trong điều trị ung thư tuyến giáp bằng I-131:
    • Phân tích năng lượng hấp thụ và liều hấp thụ trên các tập mẫu 30 voxel và 300 voxel tại vùng biên tuyến giáp.
    • Đồ thị đối chiếu giữa phương pháp truyền thống và phương pháp hình học song song cho thấy sự khác biệt rõ rệt về liều tại các voxel có tỷ lệ thể tích nằm trong cấu trúc nhỏ hơn 1.
    • Đánh giá trên từng lát cắt CT: tỷ số giữa độ lớn khác biệt năng lượng và tổng năng lượng hấp thụ phụ thuộc chặt chẽ vào tỷ lệ số voxel nằm trên đường biên của cấu trúc (đặc biệt ở các lát cắt đầu và cuối của tuyến giáp, nơi tỷ lệ voxel biên chiếm đa số).
Nhóm khảo sát Chỉ số đánh giá Phương pháp truyền thống Phương pháp hình học song song Khác biệt định lượng
Voxel vùng biên tuyến giáp Năng lượng hấp thụ ($E$) Gán theo toàn bộ thể tích voxel Tính theo tỷ lệ thể tích thực giao cắt Giảm thiểu sai số ước tính năng lượng cục bộ
Khối lượng cấu trúc ($m$) Tổng khối lượng tính toán $\sum V_{voxel} \cdot \rho$ (bước nhảy nhị phân) $\sum (f_v \cdot V_{voxel} \cdot \rho)$ (chính xác) Phản ánh đúng giải phẫu RTSTRUCT
Liều hấp thụ ($D = E/m$) Liều trung bình cơ quan Sai lệch cục bộ tại lát cắt mỏng Đường cong liều - thể tích mịn, chuẩn xác Nâng cao độ chính xác phân bố liều
  • Ứng dụng phương pháp ghép phantom tính liều cho người tiếp xúc:
    • Tính liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng bên cạnh bệnh nhân đang nằm điều trị I-131.
    • Tính liều hiệu dụng toàn thân cho phantom chuẩn ICRP 110 giới tính nam ở 4 tư thế giao tiếp phổ biến: đối diện, bên cạnh, trước - sau và đứng - nằm ở các khoảng cách khác nhau.
    • Kết quả chứng minh sự khác biệt mang tính bản chất giữa việc dùng phân bố hoạt độ thực tế từ ảnh SPECT/PET so với mô hình nguồn điểm: mô hình nguồn điểm đơn giản hóa đánh giá sai lệch đáng kể giá trị liều tiếp xúc thực tế, khẳng định sự cần thiết của phương pháp ghép phantom trong việc xây dựng các hướng dẫn an toàn bức xạ và cách ly y tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Phát triển phương pháp "hình học song song" tích hợp trong GAMOS/Geant4, giải quyết triệt để vấn đề sai số biên khi tính liều cho phantom voxel. Phương pháp cho phép tính toán chính xác phần năng lượng hấp thụ và khối lượng thực tế của các cấu trúc giải phẫu phức tạp dựa trên đường phân đoạn RTSTRUCT mà không bị giới hạn bởi độ phân giải của lưới voxel.
  2. Xây dựng phương pháp "ghép phantom" và thuật toán biến đổi không gian bằng kỹ thuật xoay vector trong GAMOS/Geant4, cho phép mô phỏng đồng thời hai phantom voxel với phân bố hoạt độ thực tế từ ảnh YHHN của bệnh nhân trong các điều kiện giao tiếp đa dạng.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Nâng cao độ chính xác trong lập kế hoạch liều cá thể hóa cho bệnh nhân điều trị bằng YHHN (minh chứng qua trường hợp đồng vị I-131), giúp tối ưu hóa hiệu quả phá hủy mô bệnh lý và giảm thiểu tác dụng phụ đối với mô lành xung quanh.
  2. Cung cấp công cụ định lượng chính xác liều bức xạ cho người tiếp xúc (nhân viên y tế, người nhà bệnh nhân, cộng đồng). Kết quả này là cơ sở khoa học để thiết lập các quy chuẩn cách ly y tế phù hợp, tránh tình trạng cách ly quá mức gây căng thẳng tâm lý cho người bệnh hoặc cách ly không đủ gây rủi ro bức xạ cho người xung quanh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Tính toán mô phỏng kiểm chứng trong luận án tập trung chủ yếu vào trường hợp điều trị bệnh lý tuyến giáp với đồng vị I-131 và đối tượng người tiếp xúc chuẩn hóa là phantom ICRP 110 nam trưởng thành.
  • Thời gian tính toán mô phỏng Monte Carlo trực tiếp trên các phantom voxel ghép đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn khi số lượng lịch sử hạt tăng cao để đạt độ bất định thống kê nhỏ.
  • Quy trình chuẩn bị dữ liệu đầu vào (chuyển đổi DICOM sang g4dcm, xử lý RTSTRUCT) đòi hỏi sự phối hợp liên ngành giữa chuyên gia y tế, giải phẫu và chuyên viên tính toán bức xạ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng ứng dụng phương pháp hình học song song và ghép phantom cho các đồng vị phóng xạ khác thường dùng trong chẩn đoán và điều trị (như Lu-177, Y-90, Tc-99m, F-18).
  • Khảo sát mở rộng trên nhiều nhóm đối tượng tiếp xúc đặc thù như trẻ em, phụ nữ mang thai (sử dụng các bộ phantom chuyên biệt) và trong các môi trường sinh hoạt công cộng phức tạp hơn.
  • Tự động hóa hoàn toàn module tiền xử lý dữ liệu hình ảnh DICOM thành tệp đầu vào GAMOS để thuận tiện áp dụng trực tiếp trong thực hành lâm sàng tại các bệnh viện.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn sâu cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Vật lý y khoa: Tham khảo phương pháp luận mô phỏng Monte Carlo, kỹ thuật xử lý hình học song song trong Geant4/GAMOS, cách thức chuyển đổi dữ liệu ảnh y tế (CT, SPECT, PET, RTSTRUCT) sang ma trận vật liệu và phân bố nguồn.
  • Kỹ sư vật lý bức xạ và bác sĩ tại các khoa Y học hạt nhân, Xạ trị: Sử dụng các phát hiện và thuật toán của luận án để hiệu chỉnh quy trình tính liều chiếu trong, nâng cao độ chính xác khi lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân ung thư tuyến giáp và các liệu pháp xạ trị chuyển hóa.
  • Cán bộ quản lý an toàn bức xạ và cơ quan hoạch định chính sách y tế: Sử dụng các số liệu đánh giá liều tiếp xúc theo tình huống thực tế để xây dựng các khuyến cáo, quy định về khoảng cách an toàn và thời gian cách ly bệnh nhân sau điều trị phóng xạ một cách khoa học.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân vật lý và hình học nào gây ra sai số vùng biên khi tính liều trên phantom voxel bằng phương pháp Monte Carlo truyền thống?
Trong phương pháp truyền thống, các cấu trúc giải phẫu được biểu diễn dưới dạng tập hợp các khối hộp chữ nhật (voxel). Khi một voxel nằm trên đường biên phân đoạn của cơ quan, chỉ một phần thể tích của nó thuộc về cơ quan đó. Tuy nhiên, thuật toán Monte Carlo thông thường sử dụng tiêu chuẩn nhị phân (chẳng hạn kiểm tra tọa độ tâm voxel): nếu tâm nằm trong thì tính toàn bộ thể tích voxel vào cơ quan, nếu tâm nằm ngoài thì loại bỏ hoàn toàn. Điều này dẫn đến việc ước tính sai lệch cả phần năng lượng hấp thụ lẫn khối lượng của cấu trúc, gây sai số liều nghiêm trọng ở các cơ quan nhỏ, mỏng hoặc có đường biên phức tạp.

2. Tiện ích "hình học song song" (parallel geometry) trong GAMOS/Geant4 khắc phục sai số biên như thế nào?
Phương pháp "hình học song song" cho phép mô tả một thế giới hình học thứ hai chồng lấn lên phantom voxel mà không làm thay đổi thuộc tính vật liệu của phantom nền. Hình học của cơ quan được tạo thành từ các khối Extruded 3D dựa trên đường phân đoạn chính xác trong tệp RTSTRUCT do chuyên gia y tế vẽ. Khi mô phỏng, phần mềm tính toán tỷ lệ thể tích thực ($f_v$) của từng voxel thuộc về cơ quan và ghi nhận năng lượng hấp thụ chính xác trong phần thể tích đó, loại bỏ sự phụ thuộc vào phép gán nhị phân của lưới voxel.

3. Vì sao các mô hình nguồn điểm truyền thống không phản ánh đúng liều chiếu cho người tiếp xúc với bệnh nhân YHHN?
Mô hình nguồn điểm giả định toàn bộ hoạt độ phóng xạ tập trung tại một điểm duy nhất và bức xạ suy giảm thuần túy theo quy luật nghịch đảo bình phương khoảng cách trong không khí. Mô hình này bỏ qua hiệu ứng tự che chắn, sự hấp thụ và tán xạ của các lớp mô bên trong cơ thể bệnh nhân, cũng như bỏ qua sự phân bố không gian thực tế của dược chất phóng xạ thu nhận từ ảnh YHHN (SPECT/PET). Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng đã chỉ ra rằng mô hình nguồn điểm thường ước tính liều cao hơn nhiều so với thực tế ở khoảng cách gần.

4. Quy trình ghép phantom và kỹ thuật quay vector trong luận án được thực hiện như thế nào?
Luận án phát triển thuật toán chuyển đổi để tích hợp dữ liệu của hai phantom voxel độc lập (phantom bệnh nhân chứa ma trận hoạt độ phóng xạ và phantom người tiếp xúc) vào cùng một tệp dữ liệu chuẩn của GAMOS (g4dcm/ASCII). Kỹ thuật xoay vector và tịnh tiến tọa độ không gian 3D được áp dụng để thay đổi vị trí tương đối và hướng của hai phantom, cho phép mô phỏng chính xác các kịch bản tiếp xúc thực tế như đối diện, bên cạnh, trước - sau hoặc đứng - nằm.

5. Cần những tệp dữ liệu y tế nào để thực hiện bài toán tính liều chính xác cho bệnh nhân theo phương pháp của luận án?
Quy trình tính toán yêu cầu ba nhóm tệp dữ liệu y tế chuẩn DICOM: ảnh CT (cung cấp số Hounsfield để suy ra mật độ khối lượng, mật độ electron và gán vật liệu mô sinh học), ảnh YHHN như SPECT hoặc PET (cung cấp phân bố hoạt độ phóng xạ để thiết lập nguồn phát hạt) và tệp DICOM RTSTRUCT (chứa tọa độ các đường viền phân đoạn giải phẫu do nhân viên y tế vẽ để xây dựng hình học song song).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Phương Thảo đã giải quyết hai hạn chế cốt lõi trong tính toán liều chiếu trong Y học hạt nhân ở mức voxel: triệt tiêu sai số biên giải phẫu của cấu trúc bệnh nhân và cá thể hóa việc tính liều cho người tiếp xúc dựa trên phân bố nguồn thực tế. Bằng việc ứng dụng phương pháp "hình học song song" và kỹ thuật "ghép phantom" trên nền tảng GAMOS/Geant4 phiên bản 6.0 với mô hình vật lý Livermore, công trình mang lại bước tiến quan trọng về mặt phương pháp luận tính toán mô phỏng hạt nhân. Kết quả thử nghiệm trên mô hình điều trị ung thư tuyến giáp bằng I-131 và phantom ICRP 110 cung cấp dữ liệu khoa học tin cậy phục vụ việc tối ưu hóa kế hoạch điều trị y khoa và thiết lập quy chuẩn an toàn bức xạ thực tế.