Luận án tính liều trong y học hạt nhân với phantom voxel bằng GAMOS/GEANT4 của Nguyễn Thị Phương Thảo

Tổng hợp kiến thức Tính Liều Trong Y Học Hạt Nhân Sử Dụng Phantom Voxel và Phần Mềm GAMOS Geant4, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu

• 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 Sử Dụng Phantom Voxel Và 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
• 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
• 1.2. Giới thiệu về y học hạt nhân
• 1.3. Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất
• 1.4. Tương tác giữa electron và vật chất
• 1.5. Tương tác giữa photon và vật chất
• 1.6. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể
• 1.7. Các đại lượng và đơn vị đo liều bức xạ
• 1.8. Tình hình nghiên cứu về các kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân
• 1.9. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.10. Kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc
• 1.11. Công cụ tính liều
• 1.12. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.13. Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật tính liều cho phantom voxel
• 1.14. Nhiệm vụ của luận án
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4
• 2.1. Phương pháp Monte Carlo
• 2.2. Nguyên tắc chung
• 2.3. Tính liều cho phantom voxel
• 2.4. Nguyên tắc chụp ảnh CT và ảnh YHHN
• 2.5. Ứng dụng ảnh CT và ảnh YHHN
• 2.6. Tính liều bằng code Geant4 và mô hình vật lý Livermore
• 2.7. Sử dụng phần mềm GAMOS/Geant4 để tính liều trong Y học hạt nhân
• 2.8. Khảo sát độ tin cậy của phần mềm GAMOS/Geant4
• 2.9. Mô hình vật lý
• 2.10. 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
• 3.2. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”
• 3.3. Xác định khối lượng của một cấu trúc
• 3.4. Xác định năng lượng hấp thụ trong một cấu trúc
• 3.5. Tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân bằng phương pháp “ghép phantom”
• 3.6. Phương pháp ghép phantom
• 3.7. Một số hình thức ghép
• 3.8. Đánh giá độ tin cậy của các cải tiến
• 3.9. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”
• 3.10. 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”
• 4.3. Tính liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng bên cạnh một bệnh nhân đang nằm
• 4.4. Tính liều hiệu dụng cho người tiếp xúc ở các tình huống giao tiếp khác nhau
• 4.5. Kết quả nghiên cứu của luận án
• 4.6. Những điểm mới của luận án
• 4.7. 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 103.137

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Tính Liều Trong Y Học Hạt Nhân

Tính liều trong y học hạt nhân là một lĩnh vực quan trọng, nơi mà tính liều được xác định để tối ưu hóa hiệu quả điều trị và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân. Việc sử dụng phantom voxel trong tính toán liều giúp mô phỏng chính xác hơn về cấu trúc cơ thể con người. Phần mềm GAMOS và Geant4 là những công cụ mạnh mẽ hỗ trợ trong việc tính toán này. Chúng cho phép mô phỏng các tương tác phức tạp giữa bức xạ ion hóa và vật chất, từ đó cung cấp thông tin chi tiết về liều lượng mà bệnh nhân và người tiếp xúc nhận được. Việc tính toán chính xác liều lượng là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân và những người xung quanh, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả điều trị.

II. Phương Pháp Tính Liều Bằng Phantom Voxel

Phương pháp tính liều bằng phantom voxel cho phép chia nhỏ cơ thể thành nhiều ô hình hộp nhỏ, từ đó tính toán chính xác hơn về liều lượng hấp thụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hình học song song trong tính toán giúp giảm thiểu sai số ở các biên của cơ quan. Điều này rất quan trọng trong việc xác định chính xác liều hấp thụ cho từng cấu trúc trong cơ thể. Phần mềm GAMOS kết hợp với Geant4 cho phép thực hiện các mô phỏng Monte Carlo, giúp tính toán liều lượng một cách linh hoạt và chính xác. Kết quả từ các mô phỏng này có thể được sử dụng để cải thiện quy trình điều trị và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

III. Ứng Dụng và Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã áp dụng phương pháp tính liều cho bệnh nhân bằng hình học song song và cho người tiếp xúc bằng phương pháp ghép phantom. Kết quả cho thấy có sự khác biệt rõ rệt trong liều hấp thụ giữa các tình huống khác nhau. Việc sử dụng phantom voxel giúp mô phỏng chính xác hơn về sự phân bố thuốc phóng xạ trong cơ thể bệnh nhân, từ đó cải thiện độ chính xác trong tính toán liều cho người tiếp xúc. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong việc tối ưu hóa điều trị mà còn trong việc thiết lập các biện pháp cách ly hợp lý, đảm bảo an toàn cho cả bệnh nhân và những người xung quanh.

IV. Đánh Giá và Kết Luận

Luận án đã cung cấp những phương pháp mới trong việc tính toán liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc, với độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc áp dụng phantom voxel và phần mềm GAMOS/Geant4 đã chứng minh được hiệu quả trong việc tối ưu hóa liều lượng và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực y học hạt nhân, đồng thời khẳng định tầm quan trọng của việc tính toán chính xác liều lượng trong điều trị và chăm sóc sức khỏe.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lý với đề tài "Tính liều trong Y học hạt nhân với phantom voxel bằng phần mềm GAMOS/Geant4" (tên tiếng Anh: Dose calculations in Nuclear medicine using voxel phantom by GAMOS/Geant4) được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Phương Thảo, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Đông Sơn và GS. TS. Pedro Arce Dubois (Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng, Môi trường và Công nghệ - CIEMAT, Tây Ban Nha), bảo vệ tại Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (VINATOM) vào năm 2021. Luận án thuộc chuyên ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân, mã số đào tạo 9 44.06.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong Y học hạt nhân (YHHN), các đồng vị phóng xạ được đưa vào cơ thể người bệnh nhằm mục đích chẩn đoán hoặc điều trị. Mức độ xuất hiện các hiệu ứng sinh học (bao gồm hiệu ứng ngẫu nhiên như ung thư thứ phát, đột biến di truyền và hiệu ứng tất nhiên) là một hàm phụ thuộc trực tiếp vào liều hấp thụ. Việc xác định chính xác phân bố liều lượng có ý nghĩa then chốt để đảm bảo phá hủy tối đa tổ chức bệnh lý, đồng thời bảo vệ tối đa các vùng mô lành xung quanh. Bên cạnh đó, bệnh nhân sau khi sử dụng thuốc phóng xạ sẽ trở thành một nguồn phát bức xạ ra môi trường xung quanh, có khả năng gây chiếu xạ cho nhân viên y tế, người thân trong gia đình và công chúng.

Trước đây, kỹ thuật tính liều theo sơ đồ MIRD truyền thống chủ yếu dựa trên các phantom toán học mô tả cơ quan bằng các khối hình học đơn giản. Phương pháp này gặp hạn chế lớn do bỏ qua tính không đồng nhất về mật độ mô giải phẫu và sự phân bố hoạt độ phóng xạ thực tế của từng bệnh nhân cụ thể. Nhằm khắc phục nhược điểm này, phương pháp tính liều ở mức thể tích nguyên tố (voxel) bằng mô phỏng Monte Carlo trực tiếp từ ảnh cắt lớp (CT, PET, SPECT) đã ra đời. Tuy nhiên, kỹ thuật tính liều trên phantom voxel hiện tại tồn tại hai khoảng trống kỹ thuật chính:

1. Sai số ở biên cấu trúc cơ quan khi tính liều cho bệnh nhân: Khi chuyển đổi các đường phân đoạn giải phẫu (từ tệp RTSTRUCT) sang phantom voxel, các thuật toán hiện nay thực hiện "voxel hóa" theo tiêu chí tâm hình học, dẫn đến việc xem toàn bộ voxel thuộc về cấu trúc hoặc loại bỏ hoàn toàn. Điều này gây sai số nghiêm trọng về khối lượng và năng lượng hấp thụ tại biên của các cơ quan mỏng, nhỏ hoặc có hình dạng phức tạp (như da, niêm mạc, thành ruột, tuyến giáp).
2. Ước tính liều cho người tiếp xúc dựa trên các giả định đơn giản hóa: Việc tính liều cho người tiếp xúc hiện nay chủ yếu sử dụng các mô hình nguồn điểm, nguồn đoạn thẳng, nguồn hình trụ hoặc phantom phân bố hoạt độ đồng nhất, chưa đưa được dữ liệu phân bố hoạt độ thực tế từ ảnh YHHN của bệnh nhân vào mô phỏng và chưa mô tả chính xác tương quan vị trí không gian ba chiều giữa hai cá thể.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án xác định mục đích tổng quát là tối ưu hóa việc tính toán liều lượng trên phantom voxel cho bệnh nhân YHHN và người tiếp xúc với bệnh nhân. Các nhiệm vụ cụ thể được đánh số và xác định rõ ràng gồm:

1. Nhiệm vụ thứ nhất: Phát triển phương pháp Monte Carlo trong việc tính liều cho phantom voxel của bệnh nhân, cụ thể là ứng dụng kỹ thuật "hình học song song" (parallel geometry) nhằm giảm thiểu sai số ở biên, tính toán chính xác phần thể tích, khối lượng và năng lượng hấp thụ thực tế trong từng voxel thuộc cấu trúc cơ quan.
2. Nhiệm vụ thứ hai: Phát triển phương pháp tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân bằng phương pháp "ghép phantom" (phantom merging) kết hợp kỹ thuật quay vector (vector rotation), đọc trực tiếp phân bố hoạt độ thực tế từ ảnh YHHN của bệnh nhân và mô tả linh hoạt các tư thế, khoảng cách giao tiếp thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình mô phỏng vận chuyển bức xạ và tính liều bức xạ chiếu trong; phantom voxel xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp vi tính (CT) và ảnh y học hạt nhân (SPECT/PET); tệp cấu trúc giải phẫu DICOM RTSTRUCT; phantom chuẩn ICRP 110 giới tính nam; đồng vị phóng xạ I-131 phát bức xạ beta và gamma.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Về không gian: Mô phỏng tương tác hạt và phân bố liều bên trong cơ thể bệnh nhân (trọng tâm là điều trị ung thư tuyến giáp) và không gian xung quanh người tiếp xúc ở các cự ly và tư thế giao tiếp khác nhau (đối diện, bên cạnh, trước sau, đứng - nằm).
  • Về công cụ và dữ liệu: Dữ liệu hình ảnh lâm sàng được tiếp cận tại Bệnh viện Chợ Rẫy TP.HCM; hệ thống mã nguồn GAMOS/Geant4 phiên bản 6.0; các mô hình chuyển đổi mật độ Schneider và hệ số trọng số mô theo ICRP 103/ICRP 60.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây được điểm lại

Luận án hệ thống hóa tiến trình phát triển của các kỹ thuật tính liều bức xạ ion hóa chiếu trong qua các mốc nghiên cứu chính:

• Khởi đầu và sơ đồ MIRD mức cơ quan: Nghiên cứu tổng quan về liều bức xạ của Loevinger và cộng sự (1956); nghiên cứu của Ellett và cộng sự (1964, 1965) đưa ra khái niệm "tỷ lệ hấp thụ" và lần đầu tiên áp dụng mô phỏng Monte Carlo cho nguồn photon đơn năng; công trình của Snyder và cộng sự phát triển sơ đồ MIRD (Medical Internal Radiation Dose) dựa trên các phantom toán học chuẩn đại diện cho người trưởng thành, phụ nữ mang thai và trẻ em.
• Sự ra đời của ảnh cắt lớp và tính liều mức voxel: Phát minh máy chụp cắt lớp CT của Cormack và Godfrey N. Hounsfield (1974–1976), cùng với sự xuất hiện của ảnh SPECT, PET. Ấn phẩm MIRD 17 (1999) chính thức đề xuất tính liều ở mức voxel. Ba hướng tiếp cận mức voxel gồm: phương pháp tính tổng nhân liều (dose point kernel convolution), phương pháp sử dụng giá trị S voxel kết hợp sơ đồ MIRD, và phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp.
• Các giải pháp xử lý sai số biên cấu trúc: Nghiên cứu của Dieudonné và cộng sự (2010) hiệu chỉnh giá trị S (chỉ giới hạn ở vùng bụng); nghiên cứu của Petoussi-Henss và cộng sự chỉ định bề dày cố định 1,5 mm cho da; nghiên cứu phân đoạn xương 3D tam giác; các công trình phát triển mesh phantom (phantom mặt lưới) của Lee và cộng sự (2007, 2008), tuy nhiên mesh phantom chưa được ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng.
• Kỹ thuật tính liều cho người tiếp xúc: Zˇontar D. và cộng sự chỉ ra mô hình nguồn điểm đánh giá quá cao liều thực tế; Palmer G. và cộng sự (2014) dùng mô hình nguồn hình trụ cho tuyến giáp và nhận thấy liều có thể bị ước tính tăng lên 13,4%; Albérico B. và cộng sự dùng phantom voxel FAX chỉ ra mức chênh lệch liều lên tới 366% so với nguồn điểm nhưng vẫn giả định nguồn phân bố đồng nhất; Dewji và cộng sự mô phỏng tình huống tiếp xúc trên xe buýt và cạnh giường nhưng sử dụng phantom toán học; F von Mülle và cộng sự (2016) khảo sát thấy 30% bệnh nhân gặp vấn đề tâm lý nghiêm trọng do bị cách ly quá mức.
• Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam: Nghiên cứu của Trần Xuân Hồi và cộng sự lấy mẫu khí hơi I-131 tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt; Nguyễn Văn Hùng và cộng sự đo I-131 trong nước tiểu bằng hệ nhấp nháy lỏng ALOKA-LSC-6100 và phần mềm LUDEP 2; Nguyễn Tấn Châu và cộng sự xác định hoạt độ từ ảnh PET/CT và tính liều bằng phần mềm OLINDA/EXM. Các nghiên cứu trong nước chủ yếu dừng lại ở mức cơ quan hoặc đánh giá mẫu sinh học, chưa phát triển tính liều voxel trực tiếp bằng Monte Carlo cho cá thể.

Nhóm tác giả / Năm	Phương pháp / Mô hình sử dụng	Hạn chế chính được luận án chỉ ra
Ellett và CS (1964, 1965)	Monte Carlo mức cơ quan, phantom toán học	Bỏ qua sự không đồng nhất của mô và phân bố hoạt độ
Dieudonné và CS (2010)	Hiệu chỉnh giá trị S voxel	Chỉ áp dụng cho vùng bụng, không áp dụng được cho ngực, đầu cổ
Palmer G. và CS (2014)	Nguồn hình trụ mô phỏng tuyến giáp	Ước tính liều cho người tiếp xúc tăng sai lệch đến 13,4%
Albérico B. và CS	Phantom voxel FAX	Giả định hoạt độ phân bố đồng nhất trong tuyến giáp
Dewji và CS	Mô phỏng tình huống tiếp xúc 3D	Dùng phantom toán học, không phản ánh giải phẫu thực
Trần Xuân Hồi, Nguyễn Văn Hùng	Đo mẫu khí, nước tiểu, phần mềm LUDEP 2	Chỉ áp dụng cho nhân viên bức xạ, không tính cho bệnh nhân

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết đồng thời hai vấn đề: (1) Xóa bỏ sai số biên khi tính liều trên phantom voxel bằng cách tích hợp trực tiếp đường bao giải phẫu thực từ tệp RTSTRUCT vào Geant4/GAMOS thông qua tiện ích "hình học song song"; (2) Xây dựng phương pháp ghép hai phantom voxel và quay vector để mô phỏng tương tác liều giữa bệnh nhân mang nguồn phân bố thực tế (từ ảnh SPECT/PET) và người tiếp xúc ở bất kỳ tư thế nào.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

• Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất:
  • Electron: Là bức xạ ion hóa trực tiếp qua tương tác Coulomb với electron nguyên tử (gây kích thích, ion hóa) và tán xạ không đàn hồi trên hạt nhân (phát bức xạ hãm). Do mật độ tương tác rất lớn, mô phỏng sử dụng kỹ thuật "lịch sử cô đọng" (condensed history) kết hợp ngưỡng cắt năng lượng/quãng chạy.
  • Photon: Là bức xạ ion hóa gián tiếp, tương tác truyền năng lượng cho hạt mang điện thứ cấp qua hiệu ứng quang điện ($h\nu = A + K_e$), tán xạ Compton ($h\nu' = \frac{h\nu}{1 + \frac{h\nu}{E_0}(1-\cos\theta)}$) và tạo cặp.
• Các đại lượng liều lượng học bức xạ:
  • Liều hấp thụ ($D$): Năng lượng hấp thụ $E$ chia cho khối lượng $m$ của vật thể ($D = \frac{E}{m}$, đơn vị Gy hoặc J/kg).
  • Liều tương đương ($H_T$): $H_T = \sum_R D_{T,R} W_R$ (đơn vị Sv), trong đó $W_R$ là trọng số bức xạ.
  • Liều hiệu dụng ($E$): $E = \sum_T W_T H_T$ (đơn vị Sv), trong đó $W_T$ là trọng số mô theo ICRP 103 và ICRP 60 nhằm đánh giá hiệu ứng ngẫu nhiên cho toàn cơ thể.

Phương pháp nghiên cứu thực tế và công cụ mô phỏng

Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp, theo dõi từng lịch sử hạt thông qua quy trình 8 bước:

1. Tạo hạt sơ cấp (tọa độ, hướng bay, năng lượng theo phổ phân rã).
2. Xác định quãng đường bay ngẫu nhiên ($l$).
3. Xác định vị trí tương tác mới.
4. So sánh quãng đường bay $l$ với khoảng cách đến biên hình học $d$.
5. Kiểm tra trạng thái tồn tại của hạt trong hệ.
6. Xác định loại tương tác theo hàm mật độ xác suất và tiết diện vi phân.
7. Mô phỏng động học tương tác, tạo hạt thứ cấp và tính năng lượng truyền.
8. Ghi nhận năng lượng hấp thụ trong các vùng thể tích quan tâm.

Công cụ chính là hệ mã nguồn mở GAMOS/Geant4 (sử dụng mô hình vật lý Livermore cho tương tác photon và electron năng lượng thấp). Để chuyển đổi ảnh chụp CT sang phantom voxel vật liệu, luận án áp dụng công thức chuyển đổi số Hounsfield (HU) sang mật độ khối lượng $\rho_{\text{mô}}$ và mật độ electron $\rho_e$: $$\text{HU} = 1000 \times \frac{\mu_{\text{mô}} - \mu_{\text{nước}}}{\mu_{\text{nước}}}$$ $$\rho_{\text{mô}} = \frac{\text{HU} + 1000}{\text{HU}_\rho + 1000}$$ Dữ liệu mật độ sau đó được phân loại thành các loại mô và vật liệu sinh học dựa trên nghiên cứu của Schneider (104 loại vật liệu chuẩn).

Mã mô phỏng / Phần mềm	Ngôn ngữ lập trình	Dải năng lượng hạt	Đặc điểm cấu trúc và tính năng
PENELOPE	Fortran	Vài trăm eV đến $\sim 1\text{ GeV}$	Mô phỏng chi tiết electron/photon/positron, 279 vật liệu, chạy giao diện DOS
EGSnrc	Mortran	$10\text{ keV}$ đến $50\text{ MeV}$	Có hệ thống "User code", chuyên dụng cho xạ trị, không có sẵn bộ đọc ảnh YHHN
MCNP (MCNP6)	Fortran	Rộng, đa năng lượng	Xử lý 34 loại hạt và 2000 ion nặng; chuyên về lò phản ứng, che chắn và đo liều
GEANT4 / GAMOS	C++	Từ $250\text{ eV}$ trở lên	Hỗ trợ Plugin, Filter, Classifier, Tracking verbose, và tiện ích "hình học song song"

---

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 tổng hợp toàn diện cơ sở vật lý tương tác bức xạ, tác dụng sinh học trên tế bào và hệ thống đại lượng đo liều (D, H, E). Tác giả phân tích chi tiết ba phương pháp tính liều ở mức voxel hiện nay:

• Phương pháp nhân liều: Tính toán nhanh nhưng giả định môi trường đồng nhất vô hạn.
• Phương pháp giá trị S voxel: Đòi hỏi tính sẵn bảng ma trận S-value giữa các cặp voxel nguồn - bia, bị giới hạn phạm vi xuyên sâu của tia gamma trong 5 voxel lân cận và không thích ứng tốt với mô không đồng nhất vùng đầu cổ, tủy xương.
• Phương pháp Monte Carlo trực tiếp: Mô phỏng trực tiếp toàn bộ quá trình vận chuyển hạt từ từng voxel nguồn theo tỷ lệ hoạt độ thực tế, cho phép mô tả chính xác môi trường không đồng nhất.

Chương này cũng phân tích sâu sắc các hạn chế của việc voxel hóa gây sai số biên cơ quan và sự thiếu hụt của các mô hình tính liều tiếp xúc hiện hành, từ đó xác lập cơ sở khoa học và nhiệm vụ thực hiện của luận án.

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

Chương 2 trình bày nguyên lý mô phỏng Monte Carlo trực tiếp và cấu trúc vận hành của phần mềm GAMOS/Geant4:

• Trình bày thuật toán sinh số giả ngẫu nhiên mặc định HEP James và cơ chế lấy mẫu xác suất.
• Mô tả phương pháp cô đọng lịch sử (condensed history) để nhóm các va chạm Coulomb liên tiếp của electron, phân tích ảnh hưởng của việc thiết lập ngưỡng năng lượng cắt (energy cut-off) đối với độ chính xác liều lượng và thời gian tính toán.
• Thiết lập quy trình đọc và xử lý ảnh DICOM: chuyển đổi dữ liệu ảnh CT sang phân bố mật độ và vật liệu mô học thông qua số HU và bảng chuyển đổi Schneider; chuyển đổi ảnh YHHN (SPECT/PET) sang phân bố xác suất phát hạt sơ cấp trong từng voxel nguồn.
• Đánh giá và xác nhận độ tin cậy của GAMOS bằng việc mô phỏng kiểm chứng với các bài toán chuẩn: nguồn I-131 đơn năng, nguồn phân bố đồng nhất trong phantom nước hình cầu và kiểm tra phổ phát xạ beta/gamma của I-131 từ tệp dữ liệu ENSDF.

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 đóng góp kỹ thuật trọng tâm của luận án, bao gồm hai nội dung cải tiến lớn:

1. Phương pháp "hình học song song" (Parallel geometry) tính liều cho bệnh nhân:
   • Sử dụng các đường đa giác bao quanh cấu trúc từ tệp RTSTRUCT DICOM do bác sĩ vẽ để tạo nên các khối đa diện kéo dài (Extruded geometry) với sự hỗ trợ của bộ công cụ liên kết cấu trúc Java (JTS) và định dạng VRML.
   • Thiết lập một "thế giới hình học song song" chứa cấu trúc giải phẫu chính xác chồng khít lên thế giới hình học thực (phantom voxel). Trong quá trình mô phỏng hạt, các tương tác vật lý vẫn diễn ra trên vật liệu của phantom voxel, nhưng năng lượng bỏ lại được ghi nhận chính xác theo ranh giới hình học của cấu trúc song song.
   • Xây dựng thuật toán tính toán phần trăm thể tích thực ($f_V$) và khối lượng thực ($m_{\text{thực}} = f_V \times m_{\text{voxel}}$) của từng voxel nằm trên biên cấu trúc, loại bỏ hoàn toàn sai số làm tròn của phương pháp voxel hóa truyền thống.
2. Phương pháp "ghép phantom" (Phantom merging) và kỹ thuật quay vector:
   • Xây dựng thuật toán hợp nhất hai phantom voxel riêng biệt (phantom bệnh nhân mang nguồn hoạt độ thực tế và phantom người tiếp xúc) vào cùng một tệp dữ liệu duy nhất theo định dạng g4dcm/ASCII của GAMOS.
   • Ứng dụng kỹ thuật quay vector (vector rotation) trong không gian 3 chiều để điều chỉnh linh hoạt vị trí tọa độ $(x, y, z)$, khoảng cách tiếp xúc và góc xoay tương đối giữa hai phantom mà không làm biến dạng dữ liệu giải phẫu nội tại của từng cá thể.

Chương 4: Ứng dụng và kết quả

Chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm mô phỏng áp dụng các cải tiến đã phát triển:

• Kết quả tính liều cho bệnh nhân điều trị ung thư tuyến giáp bằng I-131:
  • Thực hiện tính toán so sánh giữa phương pháp truyền thống (xét tâm voxel) và phương pháp hình học song song trên các nhóm 30 voxel và 300 voxel tại vùng biên tuyến giáp.
  • Kết quả chỉ ra sự chênh lệch rõ rệt về tổng năng lượng hấp thụ và liều hấp thụ trung bình giữa hai phương pháp. Tỷ số sai biệt năng lượng trên từng lát cắt CT có mối tương quan thuận trực tiếp với tỷ lệ số voxel nằm trên đường biên cấu trúc.
• Kết quả tính liều cho người tiếp xúc:
  • Tính toán liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng cạnh bệnh nhân đang nằm điều trị I-131.
  • Tính toán liều hiệu dụng toàn thân cho người tiếp xúc (sử dụng mô hình phantom chuẩn ICRP 110 nam) ở 4 tình huống tiếp xúc thực tế: đối diện, bên cạnh, trước sau, và đứng - nằm.
  • Kết quả so sánh chứng minh rằng việc sử dụng phân bố nguồn thực tế từ ảnh YHHN cho kết quả liều sai biệt đáng kể so với việc ước tính bằng mô hình nguồn điểm hay nguồn trụ đơn giản, đặc biệt là ở khoảng cách gần (dưới 1 mét).

Nhóm dữ liệu khảo sát	Phương pháp truyền thống	Phương pháp hình học song song	Bản chất sự khác biệt
Năng lượng hấp thụ tại voxel biên	Tính trọn vẹn $100%$ hoặc loại bỏ $0%$ voxel	Tính chính xác theo phân đoạn thể tích thực tế	Giảm thiểu sai số làm tròn thể tích hình học
Khối lượng cấu trúc cơ quan	Tổng khối lượng các voxel thỏa mãn điều kiện tâm	Tổng khối lượng các phần voxel thực tế nằm trong biên	Phản ánh đúng khối lượng giải phẫu thực
Nguồn phát trong cơ thể bệnh nhân	Nguồn điểm, nguồn hình trụ, nguồn phân bố đều	Nguồn phân bố theo hoạt độ từng voxel (SPECT/PET)	Mô tả chính xác trường bức xạ thứ cấp phát ra ngoài
Mô phỏng người tiếp xúc	Đơn lẻ một phantom, dùng định luật nghịch đảo bình phương	Ghép 2 phantom voxel 3D, quay vector theo tư thế	Đánh giá đúng liều tương đương và liều hiệu dụng

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp

1. Phát triển thành công phương pháp "hình học song song" trong phần mềm GAMOS/Geant4: Luận án đã tích hợp thành công thông tin giải phẫu từ tệp RTSTRUCT vào bài toán mô phỏng Monte Carlo trên phantom voxel, cho phép tính toán chính xác năng lượng hấp thụ và khối lượng tại từng phần voxel ở vùng biên cấu trúc. Phương pháp này giải quyết triệt để vấn đề sai số biên do voxel hóa mà không làm ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển hạt qua các môi trường vật liệu khác nhau.
2. Xây dựng phương pháp ghép phantom và kỹ thuật quay vector để tính liều tiếp xúc: Lần đầu tiên phát triển một công cụ mô phỏng cho phép đọc đồng thời hai phantom voxel trong cùng một lần chạy Monte Carlo, tích hợp trực tiếp dữ liệu phân bố hoạt độ từ ảnh cắt lớp YHHN của bệnh nhân và mô tả chính xác tương quan vị trí không gian ba chiều giữa bệnh nhân và người tiếp xúc.
3. Đóng góp mã nguồn vào hệ thống GAMOS quốc tế: Các thuật toán và mô-đun cải tiến do tác giả cùng nhóm nghiên cứu phát triển đã được đóng góp và tích hợp vào phiên bản chính thức GAMOS 6.0 của Trung tâm CIEMAT (Tây Ban Nha).

Ý nghĩa thực tiễn và kiến nghị giải pháp

• Tối ưu hóa điều trị cho bệnh nhân: Việc tính đúng liều hấp thụ tại biên cấu trúc giúp bác sĩ lâm sàng lập kế hoạch điều trị phóng xạ chính xác hơn, nâng cao hiệu quả phá hủy mô bệnh lý và giảm thiểu nguy cơ biến chứng trên các mô lành lân cận.
• Nâng cao an toàn bức xạ và chất lượng sống: Cung cấp công cụ tính liều chính xác cho người tiếp xúc, tạo cơ sở khoa học tin cậy để các cơ sở y tế thiết lập quy trình cách ly hợp lý, tránh việc cách ly quá mức gây ảnh hưởng tiêu cực đến tâm lý và sinh hoạt của người bệnh, đồng thời bảo đảm an toàn cho nhân viên y tế và thân nhân.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp trên phantom voxel kết hợp hình học song song đòi hỏi thời gian tính toán lớn và tài nguyên máy tính cao khi xử lý các tập dữ liệu có số lượng voxel lớn.
• Các khảo sát thực nghiệm lâm sàng của luận án chủ yếu tập trung vào ca bệnh ung thư tuyến giáp sử dụng đồng vị phóng xạ I-131; chưa mở rộng kiểm chứng thực nghiệm trên nhiều loại đồng vị phát hạt khác.
• Quá trình tái tạo hình học cấu trúc phụ thuộc vào chất lượng phân đoạn giải phẫu ban đầu trong tệp RTSTRUCT do nhân viên y tế thực hiện.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Ứng dụng các kỹ thuật giảm thăng giáng (variance reduction techniques) để tối ưu hóa tốc độ mô phỏng mà vẫn đảm bảo độ hội tụ của kết quả liều.
• Mở rộng thuật toán tính toán cho các loại dược chất phóng xạ mới phát hạt alpha hoặc beta năng lượng cao (như Lu-177, Y-90) trong điều trị đích.
• Tự động hóa hoàn toàn quy trình xử lý dữ liệu từ ảnh DICOM lâm sàng sang tệp đầu vào của GAMOS, hướng tới việc ứng dụng trực tiếp trong lập kế hoạch điều trị hàng ngày tại các bệnh viện.

---

Giá trị tham khảo

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

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân, Vật lý y khoa (Medical Physics), Kỹ thuật hạt nhân có thể tham khảo chi tiết về cơ sở lý thuyết vận chuyển bức xạ, nguyên lý mô phỏng Monte Carlo trong môi trường sinh học, và kỹ thuật lập trình mở rộng trên nền tảng Geant4/GAMOS (trình bày tại Chương 2, Chương 3 và các Phụ lục hướng dẫn).
• Kỹ sư vật lý y khoa và bác sĩ YHHN tại các bệnh viện: Có thể tham khảo phương pháp xử lý dữ liệu ảnh cắt lớp (CT, PET, SPECT), tệp cấu trúc RTSTRUCT, và phương pháp tính liều cá thể hóa để tối ưu hóa phác đồ điều trị bằng dược chất phóng xạ.
• Cán bộ quản lý an toàn bức xạ: Tham khảo dữ liệu mô phỏng liều tiếp xúc ở các tư thế không gian khác nhau nhằm xây dựng các hướng dẫn và tiêu chuẩn cách ly an toàn bức xạ phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân cốt lõi gây ra sai số ở biên cơ quan khi tính liều trên phantom voxel bằng phương pháp Monte Carlo truyền thống là gì?
Trả lời: Nguyên nhân là do quá trình "voxel hóa" các cấu trúc giải phẫu. Phương pháp truyền thống sử dụng tiêu chí hình học (như xét tâm voxel): nếu tâm voxel nằm trong đường bao thì toàn bộ thể tích voxel được tính vào cấu trúc; nếu tâm nằm ngoài thì toàn bộ voxel bị loại bỏ. Điều này làm sai lệch tỷ lệ thể tích, khối lượng thực và năng lượng hấp thụ thực tế tại các voxel nằm trên ranh giới phân đoạn của cơ quan.

2. Tiện ích "hình học song song" (Parallel geometry) trong Geant4/GAMOS hoạt động như thế nào để khắc phục sai số biên?
Trả lời: Hình học song song cho phép định nghĩa một thế giới hình học chứa các khối cấu trúc giải phẫu chính xác (Extruded geometry dựng từ tệp RTSTRUCT) chồng khít lên phantom voxel mà không làm thay đổi đặc tính vật liệu mô phỏng. Quá trình vận chuyển hạt và tương tác vẫn diễn ra trên vật liệu của phantom voxel, nhưng năng lượng hấp thụ và thể tích được ghi nhận chính xác theo phân đoạn hình học thực tế nằm bên trong cấu trúc song song.

3. Phương pháp "ghép phantom" và "quay vector" giải quyết hạn chế nào của các nghiên cứu tính liều tiếp xúc trước đây?
Trả lời: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dùng mô hình nguồn đơn giản (nguồn điểm, nguồn trụ) hoặc chỉ dùng một phantom đơn lẻ và giả định hoạt độ đồng nhất. Phương pháp ghép phantom cho phép đọc đồng thời cả phantom bệnh nhân (mang nguồn phân bố thực tế từ ảnh SPECT/PET) và phantom người tiếp xúc trong một lần chạy Monte Carlo, trong khi kỹ thuật quay vector giúp mô tả chính xác khoảng cách và các tư thế giao tiếp 3D đa dạng (đối diện, bên cạnh, trước sau, đứng - nằm).

4. Tại sao việc sử dụng mô hình nguồn điểm để ước tính liều cho người tiếp xúc lại không chính xác?
Trả lời: Mô hình nguồn điểm bỏ qua sự tự hấp thụ và tán xạ của bức xạ bên trong các lớp mô của cơ thể bệnh nhân, đồng thời không phản ánh đúng hình dạng hình học và sự phân bố hoạt độ không đồng nhất của cơ quan tích tụ phóng xạ. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy mô hình nguồn điểm có thể đánh giá quá cao giá trị liều thực tế (chênh lệch có thể lên tới 366% ở cự ly gần 0,3 m).

5. Vì sao phần mềm GAMOS được lựa chọn để phát triển thay vì các phần mềm mô phỏng khác như GATE hay EGSnrc?
Trả lời: GAMOS được xây dựng trên nền tảng Geant4 bằng ngôn ngữ C++, kế thừa khả năng xử lý hình học phức tạp và tiện ích "hình học song song" độc quyền của Geant4. So với GATE (chỉ cung cấp các đầu ra cố định), GAMOS có cấu trúc mở linh hoạt với hệ thống Plugin, Filter, Classifier, cho phép người dùng can thiệp sâu vào mã nguồn, đọc dữ liệu ảnh cắt lớp dạng văn bản và thêm các thuật toán ghép phantom một cách thuận tiện.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Phương Thảo đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật quan trọng trong tính toán liều lượng bức xạ chiếu trong của Y học hạt nhân: tối ưu hóa độ chính xác liều lượng tại biên cấu trúc cho bệnh nhân bằng phương pháp hình học song song và xây dựng mô hình tính liều cho người tiếp xúc dựa trên ảnh YHHN thực tế bằng phương pháp ghép phantom. Các giải pháp cải tiến được phát triển trên nền tảng GAMOS/Geant4 đã được kiểm chứng độ tin cậy, ứng dụng thành công trên trường hợp điều trị tuyến giáp bằng I-131 và được tích hợp vào hệ mã nguồn quốc tế GAMOS 6.0. Công trình cung cấp cơ sở phương pháp luận khoa học và công cụ tính toán có giá trị thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho sự phát triển của chuyên ngành Vật lý y khoa và công tác an toàn bức xạ tại Việt Nam.

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 luan an 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 luan an - 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 luan an 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 luan an 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.