Luận án tiến sĩ vật lý: Tính liều trong y học hạt nhân với phantom voxel bằng GAMOS/Geant4 - Nguyễn Thị Phương Thảo (VINATOM, 2021)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP HCM – 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ----------------------------- NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THẢO TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9 44.06 Người hướng dẫn khoa học: 1. PEDRO ARCE DUBOIS TP HCM – 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi với sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Đông Sơn và GS.TS Pedro Arce Dubois (trung tâm CIEMAT, Tây Ban Nha). Trong quá trình thực hiện luận án, tôi nhận được sự hỗ trợ về kỹ thuật lập trình của các chuyên gia lập trình và sự hỗ trợ liên quan đến việc phân đoạn cơ quan của các chuyên gia về giải phẫu. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là sự tổng hợp, phát triển từ các kết quả đã được chúng tôi công bố trên các tạp chí khoa học và không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào khác.

i luan an LỜI CẢM ƠN Để thực hiện luận án, tôi đã may mắn nhận được sự giúp đỡ, chia sẻ của rất nhiều người. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn đã tận tình giảng dạy, để tôi có thể hoàn thành luận án. Xin cảm ơn PGS.TS Trần Quốc Dũng về những kiến thức thầy đã giảng dạy khi tôi còn học cao học cho đến khi học NCS, và những định hướng, tư vấn ban đầu từ thầy. Xin cảm ơn GS.TS Pedro Arce Dubois, người thầy mà tôi chưa có cơ hội gặp mặt, đã tận lực hướng dẫn, giúp đỡ, và vận động các nguồn hỗ trợ khác, giúp cho tôi hoàn thành công việc nhanh nhất có thể.

Thầy còn là người truyền cho tôi niềm cảm hứng về lòng tốt, về tinh thần làm việc say mê, không mệt mỏi. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn chính, TS Nguyễn Đông Sơn, người thầy tôi đã theo học từ khi làm luận văn thạc sĩ. Xin cảm ơn thầy về những bài học chuyên môn lẫn bài học trong cuộc sống, cảm ơn thầy đã dạy tôi cách suy luận, đánh giá, cảm ơn cách uốn nắn nghiêm khắc của thầy để tôi có thể tập trung hơn vào học tập, cũng như rèn luyện ý chí để vượt qua khó khăn thử thách. Và quan trọng hơn hết, cảm ơn thầy, vì đã luôn bao dung và tử tế.

Chân thành cảm ơn KS Nguyễn Thiện Trung đã hỗ trợ tôi về những công việc liên quan đến lập trình. Cảm ơn BS CKI Nguyễn Khánh Toàn, GS. TS Juan Diego Azcona, GS. TS Pedro-Borja Aguilar-Redondo đã giúp tôi các công việc về hình ảnh giải phẫu.

Cảm ơn KS Nguyễn Tấn Châu, KS Lê Trần Tuấn Kiệt đã cung cấp cho tôi những kiến thức hữu ích cũng như tạo điều kiện để tôi có thể tiếp cận và nghiên cứu tại Bệnh viện Chợ Rẫy TP HCM. Chân thành cảm ơn các thầy cô Tổ Vật lý, Trường THPT Nguyễn Hữu Huân đã nhiệt tình chia sẻ công việc, luôn động viên giúp đỡ để tôi có nhiều thời gian nhất để tập trung vào việc học tập. Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đến rất nhiều thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và học trò, những người luôn động viên và chia sẻ với tôi khi tôi khó khăn. Cảm ơn cả khóa học đầy thử thách này đã cho tôi cơ hội rèn luyện mình về mọi mặt.

Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn tha thiết với gia đình, những người luôn chăm sóc, thương yêu, tin tưởng và tự hào về tôi. TP HCM, ngày 22 tháng 9 năm 2020 Nghiên cứu sinh ii luan an THE ABSTRACT OF DOCTORAL THESIS Author: Nguyen Thi Phuong Thao Supervisors: Dr. Nguyen Dong Son, Prof. Pedro Arce Dubois Title of the thesis: Dose calculations in Nuclear medicine using voxel phantom by GAMOS/Geant4.

Major: Atomic and Nuclear Physics Code: 9 44.06 Institution: Vietnam Atomic Energy institute (VINATOM) THE CONTENT OF THE ABSTRACT 1. The aim of the dissertation: The purpose of the study is to optimize the dose calculation for voxel phantom, applied to patients undergoing nuclear medicine procedures and people in contact with them. Objectives: The errors in the borders of body organs, which are caused by the voxel’s geometry, are kept as small as possible in the dose calculation for patients. The doses for the persons in contact are calculated using the source distribution inside the patient’s body.

The correct relative position and distance between the two phantoms are also included. The GEANT4 / GAMOS software was used for the dose calculations. Research methods: To calculate the doses in a voxel phantom, CT, NM images and RTSTRUCT DICOM files must be included. The organs and other treatment volumes contained in the RTSTRUCT file have been drawn by the medical personnel, but the algorithms used for voxel phantom dose calculations move these lines because dose is always calculated in full voxels.

This may cause a sensible error when a proportion of voxels are cut by the structure lines, which usually happens for small, thin, or complex organs. To calculate the doses in organs with precision, we have defined a “parallel geometry” with the accurate organ geometry as painted by the medical personnel, so that dose is calculated in the accurate voxel fractions included in each organ geometry. To calculate the dose for persons in contact, we have developed an algorithm to convert both phantoms to the GAMOS file format, and used them together in the calculation. The vector rotation technique is used to describe the relative position and orientation of the two phantoms.

iii luan an 4. New contributions of the dissertation: 1) The new method of using “parallel geometry” helps to precisely calculate the dose for patients, in which the errors in body organ borders have been kept as small as possible. The increased precision in the dose calculation for patients helps to improve the effect of treatment as well as to reduce the risks to healthy tissue regions of the patients. 2) The use of phantoms merging method and vector rotation techniques helps to calculate the optimal dose for the persons in contact, with patients.

This is also used to establish appropriate isolation measures; as a result, giving an improved care to patients. Results of the dissertation We have tested the functionality of the new method with an I-131 thyroid cancer treatment, and obtained the expected energy deposition and dose differences given the particle source, geometry and structures defined. The phantom merging method and the vector rotation technique enable us to describe the contact circumstances flexibly. The results showed that there is a big difference between different circumstances.

The results are also significantly different when compared with the results obtained when simple source models are used. Conclusions: In summary, we have provided methods to calculate organ doses for patients and contacting people with high accuracy. In the calculation for patients, the exact organs and treatment volumes as painted by the medical personnel on a voxelised phantom are included. In the calculation for contacting people, the NM image of the patient and the contact circumstance are also included.

iv luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii THE ABSTRACT OF DOCTORAL THESIS. iii MỤC LỤC .v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .xi MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU HIỆN TẠI TRONG Y HỌC HẠT NHÂN.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC TÍNH LIỀU. Giới thiệu về y học hạt nhân. Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất. Tương tác giữa electron và vật chất.

Tương tác giữa photon và vật chất. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể. Các đại lượng và đơn vị đo liều bức xạ. Tình hình nghiên cứu về các kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Kỹ thuật tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc. Công cụ tính liều. Tình hình nghiên cứu trong nước.

Ưu điểm và hạn chế của kỹ thuật tính liều cho phantom voxel. Nhiệm vụ của luận án. 27 CHƯƠNG 2: TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG BẰNG PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4. Phương pháp Monte Carlo.

Nguyên tắc chung. Tính liều cho phantom voxel. Nguyên tắc chụp ảnh CT và ảnh YHHN. Ứng dụng ảnh CT và ảnh YHHN.

Tính liều bằng code Geant4 và mô hình vật lý Livermore. Sử dụng phần mềm GAMOS/Geant4 để tính liều trong Y học hạt nhân. Khảo sát độ tin cậy của phần mềm GAMOS/Geant4. Mô hình vật lý.

Các tính toán liều lượng.44 CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM GAMOS/GEANT4 ĐỂ TỐI ƯU HÓA TÍNH TOÁN LIỀU VỚI PHANTOM VOXEL BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO. Các cải tiến trong việc tính liều cho phantom voxel. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”. Xác định khối lượng của một cấu trúc.

Xác định năng lượng hấp thụ trong một cấu trúc. Tính liều cho người tiếp xúc với bệnh nhân bằng phương pháp “ghép phantom”. Phương pháp ghép phantom. Một số hình thức ghép.

Đánh giá độ tin cậy của các cải tiến. Tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”. Tính liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp “ghép phantom” .78 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ. Kết quả tính liều cho bệnh nhân bằng phương pháp “hình học song song”.

Kết quả tính liều cho người tiếp xúc bằng phương pháp “ghép phantom”. Tính liều tương đương cho tuyến giáp của người tiếp xúc khi đứng bên cạnh một bệnh nhân đang nằm. Tính liều hiệu dụng cho người tiếp xúc ở các tình huống giao tiếp khác nhau. Kết quả nghiên cứu của luận án.

Những điểm mới của luận án. Những đề nghị nghiên cứu tiếp theo .96 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 98 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 .123 vi luan an 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.