Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị bằng phương pháp monte carlo

Trong lĩnh vực mô phỏng máy gia tốc, một số nhóm nguyên cứu ñã sử dụng các chương trình mô phỏng Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát chất lượng chùm tia, vùng thể t

LÊ THANH XUÂN

MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN

TP HỒ CHÍ MINH, 2010

LÊ THANH XUÂN

MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN

Mã số : 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN

TP HỒ CHÍ MINH, 2010

của các thầy cô, bạn bè trong quá trình học tập vừa qua, thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc ñến:

Thầy PGS.TS MAI VĂN NHƠN, người ñã tận tình chỉ bảo và ñịnh hướng cho tôi thực hiện luận văn này

Cô Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN, người ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn

Bạn ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG, người ñã nhiệt tình giúp ñỡ tôi khi tôi gặp khó khăn

Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, người ñã ñồng ý cho tôi ñược chuyển bộ môn ñể tôi ñược học và nguyên cứu lĩnh vực tôi ưa thích

Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý – Trường ðại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã tận tình giảng dạy, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học cao học

Các anh chị Phòng Lập kế hoạch – Khoa Ung Bướu – Bệnh viện Chợ Rẫy ñã cung cấp cho tôi dữ liệu và tạo ñiều kiện tốt nhất giúp tôi có thể hoàn thành luận văn này

Anh Th.S NGUYỄN CHÍ LINH Phòng Vật lý Tính toán – Trường ðại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã nhiệt tình chỉ dẫn tôi, khi chạy chương trình trên hệ thống WS

Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K17, gia ñình và bạn bè ñã ủng

hộ, ñộng viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua

MỤC LỤC

Mục lục 1

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 3

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình vẽ, ñồ thị 6

MỞ ðẦU 9

CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ 12

1.1 GIỚI THIỆU 12

1.2 MỤC ðÍCH ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 12

1.3 NHỮNG NGUYÊN TẮC ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 13

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 15

1.5 CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI 17

1.6 XÁC ðỊNH THỂ TÍCH VÀ CÁC GIẢN ðỒ LIỀU KHỐI 18

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH 21

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY GIA TỐC 21

2.2 NGUYẾN LÝ GIA TỐC THẲNG 22

2.3 ðẦU ðIỀU TRỊ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH 25

2.4 CẤU HÌNH MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH HIỆN ðẠI 28

CHƯƠNG 3 – HÌNH ẢNH DICOM VÀ CHƯƠNG TRÌNH KẾT NỐI HÌNH ẢNH DICOM VỚI MCNP5 31

3.1 GIỚI THIỆU VỀ ẢNH DICOM 31

3.2 GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH CODIM 32

CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 VÀ CODIM 45

4.1 MỤC ðÍCH 45

4.2 CẤU HÌNH ðẦU MÁY GIA TỐC PRIMUS VÀ MÔ PHỎNG MCNP5 45

4.3 ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 52

KẾT LUẬN 66

DANH MỤC CÔNG TRÌNH 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu

t : thời gian hạt ñược gia tốc (s)

l : ñộ dài các ống dẫn (cm)

v : vận tốc chuyển ñộng của hạt trong ống (m/s)

m : khối lượng của electron (g)

e : ñiện tích của hạt (C)

U : hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực (V)

µH2O: hệ số suy giảm tuyến tính của nước

µX : hệ số suy giảm tuyến tính của X

DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine

DSS Decision support system

MRI: Magnetic Resonance Imaging

SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography

PET: Positron Emission Computed Tomography

NEMA: National Electrical Manufaturer’s Association

MCNP: Monte Carlo N – Particle

EGS: Electron Gamma Shower

PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons

SSD: Source to Surface Distance

SAD: Source Axis Distance

MLC: Multi – Leaf Collimator

RGB: Red-Green-Blue

CODIM: COnvert DIcom to MCNP5

HU: Hounsfield Unit (H)

RBE: Relative Biological Effectiveness

QF: Quality Factor

GTV: Gross Tumor Volume

CTV: Clinical Target Volume

PTV: Planning Target Volume

OAR: Organ At Risk

DVHs: Dose-Volume Histograms

GEANT4: GEometry ANd Tracking 4

ICRU: International Commission on Radiation Units and Measurement

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ñại 12

Hình 1.2: So sánh kỹ thuật Monte Carlo và phương pháp giải tích về ñộ khó khăn

của bài toán theo sự phức tạp của cấu hình 16

Hình 1.3: GTV và CTV 17

Hình 1.4: a) Biểu diễn cho DVH vi phân và b) biểu diễn cho DVH tích lũy 18

Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS 20

Hình 2.2: Mô hình sắp xếp các ống tạo gia tốc hạt 21

Hình 2.3: Mặt cắt của ống dẫn gia tốc sóng dừng của máy gia tốc tuyến tính

6MV 23

Hình 2.4: ðầu ñiều trị máy gia tốc tuyến tính 24

Hình 2.5: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có súng phát electron, ống dẫn sóng và

bia tia X thẳng hàng 26

Hình 2.6: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong dàn quay 27 Hình 2.7: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong bệ máy 28

Hình 3.1: Sơ ñồ mô tả hoạt ñộng của chương trình CODIM 32

Hình 3.2: Giản ñồ thể hiện mối liên hệ giữa số CT (H) và mật ñộ vật chất 33

Hình 3.3: Hình phantom mẫu 10 vật chất: (a) hình ảnh phantom mẫu, (b) hình CT của phantom mẫu ñược vẽ bằng MATLAB, (c) hình phantom mẫu sau khi chuyển ñổi từ số CT về mật ñộ vật chất, (d) hình phantom mẫu sau khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất 35

Hình 3.4: Hình CT não người ñược lấy từ bệnh viện Chợ Rẫy (a) hình CT ñược vẽ

bằng phần mềm chuyên dụng MRIcro, (b) hình ảnh CT ñược vẽ bằng

MATLAB, (c) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi CT về mật ñộ vật chất,

(d) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất 37

Hình 3.5: Giao diện chính của chương trình CODIM 38

Hình 3.6: Giao diện chức năng CONVERT_VIEW 39

Hình 3.7: Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL 41

Hình 4.1: Mô hình máy gia tốc 2D, bên trái là mô hình máy gia tốc phát chùm

photon 6MV và bên phải là mô hình máy gia tốc phát chùm photon

15MV 45

Hình 4.2: Mô hình máy gia tốc 3D ñược vẽ bằng Visual Editor của MCNP5 46

Hình 4.3: (a)Phantom nước ñược chia thành các voxel 4×4×0.3cm3 trong tính liều theo ñộ sâu (b) Mặt cắt theo trục oxy của phantom nước ñược chia thành các voxel 4×0.05×0.27cm3 trong tính liều theo phương ngang 48

Hình 4.4: Kích thước voxel của phantom thu ñược từ ảnh CT 48

Hình 4.5: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 6MV với 2 trường

chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2 51

Hình 4.6: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ sâu (a)

1.5cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm 52

Hình 4.7: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 6MV với nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8 × 8 cm2 và (b) cho trường chiếu 10 × 10 cm2 53

Hình 4.8: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 15MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2 54

Hình 4.9: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ sâu (a)

2.8cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm 55

Hình 4.10: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 15MV với

nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường

chiếu 8×8cm2 và (b) cho trường chiếu 10×10 cm2 56

Hình 4.11: Giao diện chuyển ñổi của chương trình CODIM (CONVERT_VIEW)

59

Hình 4.12: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 ñược vẽ bằng chương

trình CODIM (ISODOSE_MESHTAL) 61

Hình 4.13: Sự phân bố các ñường ñồng liều của 2 chương trình mô phỏng Bên trái

là phân bố các ñường ñồng liều ñược mô phỏng bằng chương trình

MCNP5 và bên phải là chương trình DSS 61

Hình 4.14: Liều tương ñối tại các vị trí cách tọa ñộ trung tâm 2.5cm và 5cm 62

MỞ ðẦU

Trong những năm gần đây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng Theo

dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ cĩ

15 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong đĩ 2/3

là ở các nước đang phát triển [6] Cịn ở Việt Nam, theo thống kê chưa đầy đủ ở TP

Hồ Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nước ước tính mỗi năm cĩ khoảng

150 nghìn người mới mắc bệnh ung thư và cĩ khoảng 50 đến 70 nghìn người chết vì căn bệnh này, cao gấp bảy lần số người chết do tai nạn giao thơng [7]

Do đĩ, việc chẩn đốn và điều trị bệnh ung thư luơn là vấn đề cấp bách hàng đầu của tồn xã hội Hiện nay phương pháp chẩn đốn và điều trị bệnh ung thư chủ yếu tập trung vào 3 phương pháp chính: phẫu thuật, hĩa trị và xạ trị Việc ứng dụng phương pháp nào trong việc điều trị là tùy thuộc vào nhiều yếu tố: điều kiện điều trị, tùy loại khối u, vị trí và kích thước khối u, giai đoạn ủ bệnh và tình trạng của bệnh nhân…[2] Mục tiêu tập trung của luận văn này là phương pháp chữa trị bằng xạ trị ðây là một phương pháp điều trị hiệu quả được ứng dụng ngày càng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới, phương pháp này cĩ thể được sử dụng một cách riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương pháp khác để việc điều trị đạt hiệu quả cao hơn

Xạ trị là phương pháp ứng dụng chùm tia bức xạ trong việc điều trị ung thư

Cĩ nhiều phương pháp ứng dụng tia xạ khác nhau, một trong những phương pháp thơng dụng nhất chính là ứng dụng các chùm tia photon phát ra từ máy gia tốc Các chùm tia này cung cấp một liều bức xạ cao tại các mơ được chiếu xạ Vấn đề là phải làm sao tập trung được lượng bức xạ cao nhất tại vùng mơ bị ung thư trong khi vẫn bảo đảm khơng quá liều cho các mơ lành bên cạnh Do đĩ việc khảo sát đặc trưng của chùm tia cũng như phân bố liều hấp thụ trong mơ là những khâu hết sức quan trọng trong quá trình xạ trị

Phương pháp Monte Carlo là phương pháp thơng dụng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực trong đĩ cĩ lĩnh vực xạ trị Trong lĩnh vực xạ trị, phương pháp đã đạt được một số thành cơng trong việc khảo sát các đặc trưng của

chùm tia, năng lượng ñể lại cũng như liều hấp thụ chùm tia xạ của môi trường Trong lĩnh vực mô phỏng máy gia tốc, một số nhóm nguyên cứu ñã sử dụng các chương trình mô phỏng Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát chất lượng chùm tia, vùng thể tích chịu ảnh hưởng khi thay ñổi kích thước collimator lên phantom và lên kế hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron Các chương trình mô phỏng thường hay ñược sử dụng có thể kể ñến bao gồm MCNP [12][8], GEANT [18], PENELOPE [16], EGS [21][22][14],… Các chương trình này ñều có những ưu ñiểm và khuyết ñiểm nhất ñịnh trong mô phỏng chẳng hạn như thời gian tính toán, ñộ chính xác của từng chương trình,…

Luận văn này ñược thực hiện nhằm mục ñích ứng dụng chương trình Monte Carlo MCNP5 trong mô phỏng máy gia tốc tuyến tính xạ trị, kiểm tra ñộ chính xác của mô phỏng trên phantom nước ñể từ ñó tiến tới mô phỏng trực tiếp trên mô hình phantom người ñược tạo từ ảnh CT ðiều này sẽ giúp cho việc mô phỏng tính liều trong lập kế hoạch ñiều trị ñược thuận lợi và thực tế hơn

Với mục ñính nêu trên, luận văn ñã ñược hoàn thành với bố cục bao gồm 4 chương:

Chương 1 – Lý thuyết về xạ trị: trình bày các vấn ñề cơ bản của xạ trị, nêu rõ mục ñích xạ trị, giới thiệu khái quát về những nguyên tắc ñiều trị bằng tia xạ, các phương pháp sử dụng tia xạ trong việc ñiều trị bệnh và các vấn ñề cần quan tâm trong việc ñiều trị xạ trị

Chương 2 – Tổng quan về máy gia tốc tuyến tính: trình bày khái quát về máy gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc tuyến tính, nguyên lý của quá trình gia tốc thẳng khi ứng dụng dòng ñiện xoay chiều ñể gia tốc hạt, các thành phần quan trọng của ñầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện ñại

Chương 3 – Hình ảnh DICOM và chương trình kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5: giới thiệu về khái niệm và cấu trúc file hình ảnh DICOM Cơ sở của việc chuyển ñổi bộ dữ liệu hình ảnh DICOM thành phantom CT Từ ñó, xây dựng chương trình nhằm kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5 và xử lý dữ liệu tính liều ñược xuất ra từ mô phỏng MCNP5

Chương 4 – Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5 và CODIM: trình bày các bước mô phỏng và những kết quả thu ñược khi tiến hành mô phỏng trên phantom nước và trên phantom CT So sánh kết quả thu ñược với số liệu thực tế từ bệnh viện Chợ Rẫy

y học hiện ñại Ngày nay, cùng với các phương thức ñiều trị phẫu thuật (cắt bỏ khối

u và tổ chức di căn), hóa học (dùng thuốc diệt tế bào ung thư), miễn dịch (dùng thuốc kích thích hệ thống miễn dịch ñể chống lại sự phát triển của khối u ung thư), việc ñiều trị bằng phóng xạ ñã góp phần to lớn trong việc chữa trị và cứu sống bệnh nhân ung thư

Xạ trị là một lĩnh vực chuyên sâu của y học, cơ sở của phóng xạ ñiều trị là hiệu ứng sinh học của các bức xạ ion hóa lên cơ thể sống Hiệu ứng sinh học của bức xạ gây ra tại cơ quan bị chiếu xạ tùy thuộc vào liều hấp thụ tại cơ quan ñó, hiệu ứng sinh học tương ñối (Relative Biological Effectiveness – RBE) còn gọi là hệ số chất lượng (Quality Factor – QF) của chùm tia Khi tiến hành chiếu xạ lên các tổ chức tế bào khác nhau thì hiệu quả sinh học thu ñược cũng khác nhau do tính nhạy cảm phóng xạ khác nhau của chúng Nhìn chung, ñộ nhạy cảm phóng xạ của tế bào

tuân theo ñịnh luật Bergonie và Tribondeau, ñịnh luật phát biểu như sau: “ðộ nhạy

cảm của tế bào trước bức xạ ion hóa tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ nghịch với mức ñộ biệt hóa của chúng”[1] Các tế bào ung thư có khả năng sinh sản

mạnh và mức ñộ biệt hóa chức năng kém so với tổ chức lành tương ñương Vì vậy,

ñộ nhạy phóng xạ cao của tế bào ung thư là một thuận lợi cơ bản của phóng xạ ñiều trị

ðiều trị bằng tia xạ có liên quan ñến việc phá hủy các tế bào ung thư và ngăn chặn sự phát triển hơn nữa của nó Tế bào ung thư phát triển nhanh ngoài sự kiểm

soát bình thường của cơ thể con người và do ựó dẫn ựến một số bệnh ung thư, các bệnh ung thư ác tắnh chứa các tế bào có khả năng di căn nghĩa là có thể phát triển lan tràn từ vị trắ ban ựầu sang các vị trắ khác Có nhiều loại tế bào ung thư và nhiều cách ựiều trị khác nhau phụ thuộc vào tốc ựộ phát triển và xu hướng chúng tạo thành u cứng hay vẫn tiếp tục phát tán

Phương pháp xạ trị và phương pháp phẫu thuật là hai phương pháp ựiều trị ung thư phổ biến nhất và có hiệu quả nhất cho bệnh nhân ung thư Xạ trị ựơn thuần

có thể chữa khỏi nhiều loại ung thư khi còn ở giai ựoạn khu trú, nhất là trong các bệnh ung thư hạch bạch huyết, ung thư da, ung thư vòm họng và một số ung thư vùng ựầu cổ

Xạ trị kết hợp với phẫu thuật thường ựược áp dụng trong nhiều trường hợp khi ung thư ựã phát triển tương ựối lớn Có khi tiến hành xạ trị trước nhằm giảm bớt thể tắch khối u ựể dễ mổ, hạn chế di căn trong lúc mổ hoặc có khi xạ trị sau khi mổ nhằm diệt nốt những tế bào ung thư còn sót lại hoặc có khi xạ trị cả trước và sau khi

mổ, kết hợp với ựiều trị hóa chất ựể tăng khả năng diệt tế bào ung thư tại một khu vực mà ựiều trị bằng hóa chất không thể diệt hết ựược

Khi sử dụng phương pháp xạ trị cần phải xác ựịnh mục ựắch của việc xạ trị

Có hai loại mục ựắch:

Ớ điều trị tận gốc: là loại trừ tất cả các tế bào ung thư tại u nguyên phát, tại các

tổ chức xung quanh mà khối u lan tới và những hạch tại vùng có thể bị xâm lấn điều trị tận gốc thường là liều xạ cao, có thể gây ra một số biến chứng phụ, thời gian kéo dài với sự chấp nhận của bệnh nhân

Ớ điều trị tạm thời: ựể nâng cao chất lượng ựời sống như chống ựau, chống tắc

do chèn ép, chống chảy máu điều trị tạm thời thường là liều thấp và thời gian chiếu xạ ngắn

Phác ựồ xạ trị phải dựa trên những nguyên tắc sau:

Ớ đánh giá sự lan rộng của khối u bằng các biện pháp CT, Scanner, X-quang, phóng xạẦ ựể biết thể tắch cần chiếu

Ớ Biết rõ những ựặc ựiểm bệnh lý của khối u

Ớ Chọn lựa những phương pháp thắch hợp là chỉ dùng xạ trị hay phối hợp với phẫu thuật, hóa chấtẦ hay chọn phối hợp với cả hai phương pháp, chọn loại tia thắch hợp, chiếu từ ngoài hay ựặt tại khối u

Ớ Qui ựịnh liều tối ưu và thể tắch chiếu dựa trên vị trắ giải phẫu, loại bỏ tổ chức học, ựộ lành dữ của khối u và những cấu trúc lành trong vùng chiếu Bác sĩ không bao giờ do dự trong việc thay ựổi những ựiều ựã quy ựịnh với những ựiều kiện mới phát sinh

Ớ đánh giá từng giai ựoạn về thực lực của bệnh nhân, sự ựáp ứng của khối u và thể trạng của tổ chức lành trong khu vực ựiều trị

Máy gia tốc Accelerator

Máy mô phỏng Simulator

Hệ thống phần mềm lập kế hoạch ựiều trị TPS

CT - Scanner

Máy gia tốc Accelerator

Máy mô phỏng Simulator

Hệ thống phần mềm lập kế hoạch ựiều trị TPS

Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ựại

Bác sĩ ựiều trị phải kết hợp chặt chẽ với ựội ngũ kĩ sư vật lý y học trong việc lên phương án và lập phác ựồ ựiều trị, không thể nhầm lẫn những ựánh giá lâm sàng, hiểu sai về những quan niệm vật lý, không hoàn hảo về phác ựồ ựiều trị và

thực hiện phác ñồ ðiều này sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến tính mạng cũng như là tiến ñộ hồi phục của bệnh nhân

Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kĩ thuật xạ trị Người ta thường tiến hành với chùm photon, thông thường ñó là các tia X mang năng lượng cao ñược tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính, nhưng người ta cũng dùng chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong khoảng 50-300

KV Thêm vào ñó, việc sử dụng chùm electron ở năng lượng megavolt ñể ñiều trị những khối u tương ñối nông sẽ cải thiện ñược ñộ chính xác hình học hơn các photon Do ñó phương pháp xạ trị bằng chùm electron cũng ñược sử dụng rộng rãi ngày nay Xạ trị ngoài với các loại bức xạ khác cũng ñược ñưa vào sử dụng, chẳng hạn như chùm neutron, chùm hạt tích ñiện như proton có thể dùng trong ñiều trị lâm sàng Tuy nhiên các thiết bị ñể tạo ra chúng rất ñắt ñỏ, vì vậy các loại bức xạ này ít ñược sử dụng

Một số phát triển mới ñây trong kĩ thuật xạ trị ngoài ñã ñược ñẩy mạnh do khả năng tính toán của các hệ thống máy tính hiện nay tăng lên Hệ thống máy tính không chỉ có khả năng giúp lập kế hoạch tính toán trong không gian 3 chiều mà còn

có khả năng ñiều khiển các thiết bị ñiều trị sao cho vùng nhận liều cao có thể biến ñổi cho phù hợp với thể tích bia trong không gian 3 chiều Sự phát triển này song song với kĩ thuật tạo ảnh như chụp cắt lớp ñiện toán (Computed Tomography – CT), chụp ảnh cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging – MRI), … cho phép các nhà ñiều trị có thể xác ñịnh thể tích bia một cách chính xác hơn Các kĩ thuật này ñóng một vai trò quan trọng trong việc phác họa thể tích khối u Ngoài ra máy tính còn có vai trò giúp tính toán liều và mô phỏng liều chiếu khi chiếu với các trường chiếu khác nhau hoặc có thể giúp tính ñược các khu vực nhận liều chiếu cao nhất ñể có thể vạch ra phương án và thời gian ñiều trị hiệu quả nhất cho bệnh nhân

Các thiết bị ñược sử dụng cho xạ trị ngoài bao gồm các máy phát tia X, máy phát chùm tia gamma, máy gia tốc ñiện tử và máy phát neutron Tất cả những thiết

bị xạ trị này ñều ñòi hỏi phải có các thiết bị bảo vệ bức xạ khác nhau và cần phải xử

lý theo các nguyên tắc riêng của nó ñể ñảm bảo mức an toàn liều lượng bức xạ cho phép

Xạ trị ngoài là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất ñể ñiều trị khối u, hạch nằm sâu trong cơ thể Bên cạnh những máy phát chùm tia gamma, máy phát neutron, máy X-quang thì hiện nay máy gia tốc ñiện tử ñược lựa chọn hầu hết cho các khoa xạ trị Các máy gia tốc có thể tạo ra ñược những chùm tia X, chùm ñiện tử với hệ thống collimator ñể tạo các dạng trường chiếu bức xạ không ñối xứng, có thể ñiều khiển ñược bằng máy tính, có các hệ thống kiểm tra và lưu trữ, các hệ thống collimator ñộng

Xạ trị trong hay còn gọi là xạ trị áp sát là kĩ thuật ñiều trị sử dụng các nguồn ñồng vị phóng xạ ñặt trong thể tích khối u ñể ñưa ra một liều rất cục bộ nhằm tối thiểu hóa liều xạ tới các mô lành bao quanh Có thể sử dụng một trong 3 cách sau:

áp vào, ñặt vào khe hở hoặc gài vào bên trong cơ thể tùy từng loại khối u mà người

ta có thể có cách cụ thể như: ñặt ở bề mặt khối u trong các khuôn sáp nhựa ñối với ung thư da, dặt vào các hốc tự nhiên của cơ thể như tử cung, xoang hoặc cắm vào

mô, tổ chức phần mềm mang ung thư

Xạ trị áp sát bị hạn chế khi thể tích khối u nhỏ, sự phát triển trong lĩnh vực này bao gồm việc sử dụng các nguồn phóng xạ có suất liều cao, các nguồn này có thể ñược ñưa qua các ống thông ñể ñặt vào các vị trí khối u

Tia xạ chuyển hóa là phương pháp cho bệnh nhân uống hoặc tiêm các dược chất phóng xạ (131I, 32P , 198Au) hoặc kháng thể ñặt hiệu có gắn các ñồng vị phóng

xạ ñể diệt tế bào ung thư trong tế bào chuyển hóa và kết hợp có chọn lọc Dựa vào các hoạt ñộng chuyển hóa bình thường (VD: tế bào tuyến giáp hấp thụ 131I) hoặc thay ñổi bệnh lý (khối ung thư hấp thụ những phân tử hữu cơ ñặc hiệu), người ta cho các ñồng vị phóng xạ ñến các mô ñích (target tissue) bị bệnh ñể ñiều trị

1.5 CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI

ðể tính liều trong cơ thể bệnh nhân gây ra bởi bức xạ ion hóa, ta phải giải một phương trình phức tạp gọi là phương trình vận chuyển Phương trình này là khác nhau ñối với các bệnh nhân khác nhau và cũng phụ thuộc vào ñiều kiện ñiều trị, chẳng hạn như kích thước và hình dạng trường chiếu, năng lượng bức xạ, hướng chùm tia tới… Có hai phương pháp ñể tính liều là phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp [1]

Phương pháp gián tiếp bắt ñầu với việc giải phương trình vận chuyển cho những trường hợp ñơn giản, chẳng hạn như ño phân bố liều trong nước Phân bố này sẽ ñược hiệu chỉnh khi xét ñến hình dạng chùm tia và sự không ñồng nhất trong

cơ thể bệnh nhân

Phương pháp trực tiếp ñược sử dụng rộng rãi hơn vì nó cho phép giải phương trình vận chuyển chính xác hơn, nó bao gồm các phương pháp giải tích và kỹ thuật Monte Carlo Các phương pháp giải tích như pencil beam và superposition dựa trên các phép tính gần ñúng và mô hình hóa, chẳng hạn mô phỏng thiết bị ñiều trị bằng nguồn ñơn giản như nguồn ñiểm hoặc nguồn song song, mô phỏng sự vận chuyển của electron theo ñường thẳng… Vì thế kỹ thuật này có thuận lợi là xử lý nhanh, cho kết quả chỉ trong vài giây và chính xác cao ñối với cấu hình ñơn giản, ñồng nhất Nhưng những kỹ thuật tính toán liều thông thường này có thể cho sai số ñáng

kể khi kích thước trường chiếu nhỏ, ñối với vùng có sự biến ñổi lớn về liều hay vùng có môi trường không ñồng nhất [1]

Các kỹ thuật ñiều trị hiện nay ngày càng phức tạp, ñòi hỏi sự thành công cao, phương pháp truyền thống không ñủ tốt ñể cung cấp sự phân bố liều chính xác trong

cơ thể bệnh nhân Hình 1.2 cho thấy khi cấu trúc hình học càng phức tạp, càng gần với thực tế thì mức ñộ khó khăn của việc giải quyết bài toán theo phương pháp giải tích càng tăng nhanh hơn nhiều so với phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Hình 1.2: So sánh kỹ thuật Monte Carlo và phương pháp giải tích về độ khĩ khăn của bài tốn theo sự phức tạp của cấu hình [4]

Là điều kiện tiên quyết cho quá trình lập kế hoạch điều trị 3D và báo cáo liều chính xác Theo báo cáo của ICRU-50 và 62 thì việc xác định và diễn tả thể tích là xác định bia và thể tích cấu trúc lâm sàng mà ảnh hưởng đến quá trình lập kế hoạch điều trị và nĩ cịn cung cấp một giá trị nền tảng cho việc so sánh hiệu quả của việc điều trị

Khi xác định thể tích chúng ta cần phân biệt các loại thể tích sau:

• Thể tích tồn bộ khối bướu (Gross Target Volume – GTV): là tồn bộ khối bướu cĩ thể sờ, cĩ thể thấy, cĩ thể chứng minh được GTV được xác định qua chẩn đốn hình ảnh (X-quang, CT, MRI,…) và kết quả phân tích giải phẫu bệnh

• Thể tích đích lâm sàng (Clinical Target Volume – CTV): là thể tích GTV cộng thêm những vùng được xác định là cĩ khả năng tổn thương Thể tích này là thể tích cần được xạ trị để nhận được mục tiêu tiêu diệt triệt để hơn CTV thường bao gồm vùng GTV, vùng bao quanh GTV và các hạch dương

tính xung quanh CTV ñược xác ñịnh bởi bác sĩ ung bướu xạ trị Kích thước CTV thông thường là: CTV = GTV + 1cm mở rộng từ biên của GTV Tuy nhiên trong một số ít trường hợp CTV = GTV

• Thể tích ñích hoạch ñịnh (Planning Target Volume – PTV): là một khái niệm hình học Nó ñược nêu ra ñể chọn các chùm tia phù hợp ñảm bảo liều ñược chỉ ñịnh thật sự bị hấp thụ trong CTV PTV ñược liên kết với một khung chuẩn của máy gia tốc và thường ñược mô tả là CTV + một ñường biên cố ñịnh hay thay ñổi (chẳng hạn, PTV = CTV + 1cm)

• Các tổ chức nguy cấp (Organ At Risk – OAR): khi xạ vào một vùng nào ñó thì các cơ quan bên cạnh vùng ñó cũng bị chiếu xạ Khi liều quá cao thì có thể làm tổn thương những cơ quan này nếu nhẹ, hoặc có thể phá hủy chức năng của cơ quan ñó nếu vượt qua liều giới hạn cho phép Do vậy, việc xác ñịnh các cơ quan nhạy bức xạ là rất quan trọng

Ta cần ñặc biệt lưu ý ñến một số cơ quan trọng yếu chẳng hạn như: vùng ñầu

cổ (mắt và tủy sống), vùng ngực (tủy sống và phổi), vùng bụng (gan và thận), vùng chậu (bàng quang, trực tràng, hai ñầu xương ñùi, buồng trứng và tinh hoàn)

Hình 1.3: GTV và CTV

1.6.2 Các giản ñồ liều khối (Dose-Volume Histograms – DVHs)

Việc lập kế hoạch xạ trị 3D bao gồm việc lấy thông tin về sự phân bố liều trên một ma trận các ñiểm trên giải phẫu học của bệnh nhân DVHs tóm tắt các thông tin phân bố liều 3D và là một công cụ rất hữu ích cho việc ñánh giá ñịnh lượng kế hoạch xạ trị

DVHs biểu diễn sự phân bố theo tần suất các giá trị liều trong một khối thể tích quan tâm, có thể là PTV, có thể là cơ quan nhạy xạ lân cận PTV DVHs cũng ñược hiển thị ở dạng phần trăm thể tích của toàn bộ khối thể tích quan tâm nhận ñược một liều xác ñịnh nào ñó Có hai loại DVH:

• DVH vi phân: ñể tạo một DVH vi phân, máy tính tính tổng số lượng voxel với một liều trung bình trong một khoảng cho trước và vẽ khối thể tích cuối cùng (hay phần trăm thể tích của toàn bộ khối thể tích) như là một hàm của liều lượng Một DVH lí tưởng cho một thể tích vùng xạ phải có dạng hình cột thẳng ñứng, ñiều này có nghĩa là 100% thể tích vùng xạ nhận ñược liều theo chỉ ñịnh của bác sĩ

• DVH tích lũy: là biểu diễn phần trăm thể tích của cấu trúc mà nhận ñược ít liều xác ñịnh D và bằng với 100% trừ cho toàn bộ vùng DVH vi phân giữa 0

và D Vẽ DVH bắt ñầu tại 100% của thể tích nhận liều 0 Gy

Hình 1.4: a) Biểu diễn cho DVH vi phân và b) biểu diễn cho DVH tích lũy

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH

Ngay sau sự khám phá ra tia X của Roentgen năm 1895, trong quá trình khởi ñầu của kỹ thuật xạ trị, công nghệ phát tia xạ ngày càng chú trọng vào việc tạo ra cường ñộ và năng lượng chùm electron và photon cao hơn và linh hoạt hơn Trong suốt 50 năm ñầu phát triển kỹ thuật xạ trị, công nghệ xạ trị phát triển khá chậm chạp

và chủ yếu dựa trên ống tia X, máy phát Van De Graaff và betatron Phát minh về thiết bị từ Cobalt-60 của H.E Johns ñầu những năm 50 của thế kỷ XX ñã tạo nên một bước phát triển lớn trong việc tìm kiếm những nguồn photon năng lượng lớn hơn, do ñó thiết bị Cobalt ñã ñược ñặt lên vị trí hàng ñầu trong suốt một thời gian ñầu Trong cùng thời gian ñó máy gia tốc tuyến tính cũng ñược nghiên cứu phát triển và ñã ngày càng chiếm ưu thế so với thiết bị Cobalt Các máy gia tốc tuyến tính ñã ñược phát triển qua năm thế hệ với ñộ phức tạp ngày càng tăng và trở thành nguồn bức xạ ñược sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật xạ trị hiện ñại Với thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả, máy gia tốc tuyến tính rất linh hoạt trong sử dụng, cung cấp các nguồn tia X hoặc electron cho ñiều trị với một dải năng lượng rộng Ngày nay, cùng với các thiết bị hiện ñại chúng ta có thể máy tính hóa và phân phối chùm tia với các mức năng lượng có thể ñiều chỉnh ñược

Ngoài việc sử dụng máy gia tốc tuyến tính, các tia X và electron còn ñược tạo ra bằng cách sử dụng các loại máy gia tốc khác như betatron và microtron Các hạt hiếm gặp hơn cũng ñược tạo ra từ các máy gia tốc ñặc biệt như proton, neutron, các ion nặng và các meson π âm ñôi khi cũng ñược sử dụng trong kỹ thuật xạ trị Tuy nhiên, cho ñến nay các máy gia tốc tuyến tính megavolt vẫn là máy ñược sử dụng phổ biến nhất Hình 2.1 trình bày hình dạng máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD hiện ñang ñược sử dụng tại Bệnh viện Chợ Rẫy

Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS

Máy gia tốc tuyến tính là loại máy mà ñiện tích ñược gia tốc nhờ ñiện trường một chiều hoặc xoay chiều có ñiện thế cao và quỹ ñạo của hạt là ñường thẳng khi chuyển ñộng trong ñiện trường

Năm 1932, Walton và Cokraft ñã thành công trong việc biến ñổi hạt nhân bền thành hạt nhân phóng xạ bằng phản ứng hạt nhân với photon ðể gia tốc photon ñạt ñến năng lượng cần thiết, hai ông ñã dùng phương pháp gia tốc ñiện trường bằng một sơ ñồ nối tiếp các tụ ñiện ñể tạo ra ñiện thế cao từ 600.000 ÷ 800.000 Volt

và ñưa ñiện áp ñó vào ống chân không Tuy nhiên, sử dụng ñiện trường một chiều chỉ gia tốc ñến 2÷3MeV không thể giải quyết ñược vấn ñề liên quan ñến hạt nhân nguyên tử và ñiều trị ñối với các khối u nằm sâu bên trong Lawriton và Sloan ñã giải quyết vấn ñề bằng cách thay ñổi việc sử dụng ñiện trường một chiều bằng ñiện trường xoay chiều, biện pháp gia tốc hạt trong ñiện trường xoay chiều như sau:

Giả thiết rằng giữa các cực A và B là một ñiện trường xoay chiều Ta ñặt vào giữa các cực này một loạt ống hình trụ ñược ký hiệu là C1, C2, C3, C4 và C5 ðể có ñiện trường xen kẽ giữa các ống, ta nối ñiện cực B với các ống C1 , C3, C5 và ñiện cực A nối với các ống C2, C4 (xem Hình 2.2)

Hình 2.2: Mô hình sắp xếp các ống tạo gia tốc hạt Như vậy, giữa A và C1, C2 và C3, C4 và C5 có cùng một hiệu ñiện thế, ñồng thời giữa C1 và C2, C3 và C4 có cùng giá trị hiệu ñiện thế nhưng ngược chiều ðiều

ñó có nghĩa là nếu một hạt ñược gia tốc trong không gian giữa A và C1 thì trong không gian giữa C1 và C2 hạt này sẽ bị ñiện trường hãm lại Tuy nhiên, ñể ñi qua ñược ống C1 hạt phải mất một thời gian nhất ñịnh nào ñó và trong thời gian này hạt không ñược gia tốc Nhưng vì các ñiện cực nối với ñiện trường xoay chiều nên trong thời gian hạt ñi trong ống C1, ñiện trường giữa C1 và C2 ñổi chiều Do ñó có thể chế tạo ñộ dài ống C1 sao cho thời gian hạt ñi hết ñộ dài ống C1 ñủ cho thời gian ñiện trường giữa C1 và C2 không hãm mà gia tốc hạt

Ta giả thiết tiếp là trong thời ñiểm khi ñiện trường hướng từ A ñến B (tức là ñiện thế ở cực A cao hơn ở cực B) và có giá trị cực ñại thì từ ñiện cực A sẽ bay ra những ñiện tích dương Dưới tác dụng của ñiện trường hạt sẽ chuyển ñộng từ A sang B và ñược gia tốc Khi hạt ñến ống C1 nó thu ñược năng lượng bằng eU, trong

ñó e là ñiện tích của hạt, còn U là hiệu ñiện thế giữa A và C1 Khi hạt ñi vào bên trong ống, ñiện trường sẽ không còn tác ñộng lên hạt nữa và nó sẽ chuyển ñộng với tốc ñộ ổn ñịnh Trong thời gian ñó ñiện trường ñổi chiều, hiệu ñiện thế giữa A và C1giảm ñến 0 sau ñó ñổi dấu nghĩa là thế ở ñiện cực C1 trở thành lớn hơn thế ở A Chúng ta sẽ chọn ñộ dài của ống C1 sao cho tại thời ñiểm khi mà hiệu ñiện thế giữa

A và C1 ñạt ñến giá trị âm lớn nhất thì các hạt chuyển ñộng ñến ñiểm cuối cùng của

ống C1 Sau ống C1, lắp ống C2 gắn với cực A sao cho ñiện thế ở cực A và ống C2 là như nhau ở mọi thời ñiểm Trong thời gian hạt chuyển ñộng vào không gian các ống, thế năng của cực B sẽ lớn hơn thế năng của ñiện cực A vì vậy hạt trên ñường

từ C1 ñến C2 lại ñược gia tốc và thu thêm ñược một năng lượng eU, như vậy khi ñi vào ống C2 (nơi không có ñiện trường ) nó có năng lượng bổ sung là 2eU

Tiếp theo quá trình chuyển ñộng của hạt trong ống C2 ñiện trường giữa các ống và ñiện cực sẽ tiếp tục thay ñổi Chúng ta chọn ñộ dài của ống sao cho vào thời ñiểm khi hiệu ñiện thế giữa A và B ñạt tới giá trị cực ñại, hạt có thể ñi ñược ñến cuối ống C2 Nếu sau ống C3 có cùng hiệu ñiện thế với ñiện cực B tại mọi thời ñiểm thì trên ñường ñi giữa C2 và C3 hạt lại ñược gia tốc(tức là thời ñiểm ñó thế của ống

C2 lớn hơn thế của ống C3) Nó nhận thêm ñược một năng lượng eU trước khi ñi vào ống C3 … Như vậy khi ñi vào ống C5 năng lượng của nó sẽ là 5eU Nếu ta không chỉ sử dụng 5 ống mà nhiều hơn và ñộ dài các ống ñược lựa chọn sao cho mỗi lần ñiện trường thay ñổi dấu trong khi hạt chuyển ñộng trong ống thì hạt sẽ ñược gia tốc mỗi lần ñi từ ống này sang ống kia

ðể thực hiện việc gia tốc hạt là ñồng bộ khi chuyển ñộng trong các ống thì thời gian chúng chuyển ñộng trong mỗi ống phải bằng nhau ðiều ñó ñòi hỏi ñộ dài các ống tăng dần vì năng lượng và tốc ñộ tăng dần Thời gian hạt ñược gia tốc ñi trong các ống ñược tính theo công thức sau:

Hình 2.3: Mặt cắt của ống dẫn gia tốc sóng dừng của máy gia tốc tuyến tính 6MV

ðầu máy gia tốc là một trong những thành phần quan trọng nhất của máy gia tốc Nó chứa ñựng những thành phần mà có ảnh hưởng ñến chất lượng, hình dáng, cùng với khả năng ñịnh vị và theo dõi chùm photon và electron trong quá trình ñiều trị

Hình 2.4: ðầu ñiều trị máy gia tốc tuyến tính

Chùm electron ñược phát ra từ súng electron ñược gia tốc trong ống dẫn sóng ñạt ñến một mức năng lượng và hình thành dạng chùm tia hình nón hẹp qua hệ thống vận chuyển chùm electron ñến ñầu ñiều trị máy gia tốc, ở ñây chùm electron

và photon ñiều trị ñược tạo ra Các thành phần quan trọng trong ñầu máy gia tốc hiện ñại bao gồm:

1 Các bia X-ray có thể ra vào;

2 Bộ lọc phẳng và phôi phân tán electron (cũng ñược xem như tấm lọc phân tán);

3 Các collimator thứ cấp và sơ cấp;

4 Cặp buồng ion hóa;

5 Dụng cụ ño xạ và ñèn xác ñịnh trường chiếu;

6 Thành phần không bắt buộc (nêm);

7 Collimator ña lá (MLC) (tùy chọn)

Chùm photon ñiều trị ñược tạo ra với sự kết hợp bia và bộ lọc phẳng

Chùm electron phát ra từ súng electron ñược gia tốc ñến một mức năng lượng xác ñịnh trong ống dẫn sóng gia tốc chuyền qua hệ thống vận chuyển ñập vào bia tạo tia

X, ở ñây một phần nhỏ (khoảng 10%) năng lượng chùm tia chuyển thành chùm tia

X thông qua hiện tượng bức xạ hãm Cường ñộ chùm tia X tạo ra trong bia chủ yếu

có hình dạng hình nón hẹp và ñược làm phẳng thông qua bộ lọc phẳng

Chùm electron ñiều trị ñược tạo ra bằng cách rút lại bia Chùm tia electron

hình nón hẹp ñược cho qua bộ lọc phẳng, phôi tán xạ hoặc bộ lệch và máy quét từ tính ñể bao phủ toàn bộ kích thước trường chiếu cần thiết cho ñiều trị bằng chùm electron Các collimator cũng ñược sử dụng ñể ñịnh dạng chùm electron

Chuẩn chùm photon trong máy gia tốc y khoa hiện ñại bao gồm 3 bộ phận

collimator: collimator sơ cấp, collimator di ñộng xác ñịnh chùm thứ cấp và collimator ña lá

+ Collimator sơ cấp hạn chế kích thước trường cực ñại ñối với xạ trị chùm tia X

+ Collimator thứ cấp có tác dụng xác ñịnh kích thước trường ñiều trị Collimator này bao gồm 2 bộ ngàm ñộc lập: bộ ngàm dưới và bộ ngàm trên, chúng có tác dụng giới hạn chùm tia ñể tạo thành trường chiếu hình chữ nhật hoặc hình vuông với kích thước cực ñại 40 × 40 cm2 tại ñiểm ñồng tâm máy gia tốc (100 cm cách bia X-ray)

+ Bộ collimator ña lá (multileaf collimator - MLC) là thành phần mới ñược thêm vào kĩ thuật phân bố liều máy gia tốc MLC cho phép tạo ra những trường bức xạ có hình dạng không ñều một cách chính xác từ những cặp

lá collimator ñược kết hợp chặc chẽ, mỗi lá ñược ñiều khiển bằng 1 motor nhỏ Việc xây dựng hệ thống MLC chính xác ñòi hỏi các kĩ thuật quan trọng Hiện nay là mô hình MLC kết hợp 120 lá (60 cặp) bao phủ chùm bức xạ 40 × 40 cm2 và ñược máy tính ñiều khiển motor và chu vi của collimator

Hệ thống theo dõi liều trong máy gia tốc y khoa ñược thực hiện dựa vào các

buồng ion hóa bao lấy chùm electron và photon trong quá trình ñiều trị bằng máy gia tốc tuyến tính Các buồng ño ñược sử dụng ñể theo dõi công suất chùm tia (liều bệnh nhân) một cách liên tục trong suốt quá trình ñiều trị Thêm vào ñó buồng ño

cũng còn ñược sử dụng cho việc quan sát bán kính và ñộ bằng phẳng cũng như tính ñối xứng và năng lượng của chùm tia Với sự an toàn của bệnh nhân, hệ thống ño lường bức xạ gia tốc thường bao gồm 2 buồng ion hóa ñược bịt kín tách biệt hoàn toàn không phụ thuộc vào công suất của nhà cung cấp và dữ liệu thiết bị ño ñiện áp cực thấp Nếu buồng sơ cấp hỏng trong quá trình ñiều trị bệnh nhân thì buồng thứ cấp sẽ xác ñịnh bức xạ, thông thường thì liều ñược cộng thêm chỉ vài phần trăm so với liều quy ñịnh ñã ñược công bố

Tại các mức năng lượng electron cỡ megavolt, các photon ñược tạo ra theo hiệu ứng bremsstrahlung trong bia tia X ñạt ñến giá trị xác ñịnh và phát ra theo hướng của chùm electron ñập vào bia Tất nhiên có sự liên quan giữa các ống dẫn sóng gia tốc với bệnh nhân trong các cấu hình ñiều trị ñồng tâm

Trong cấu hình ñơn giản và thông thường nhất, như minh họa ở Hình 2.5, súng electron và bia tia X ñược xếp thẳng hàng trực tiếp với ñường ñồng tâm của máy gia tốc ñể tránh phải dùng hệ thống vận chuyển chùm tia Chùm photon thẳng suốt từ ñầu ñến cuối ñược tạo ra và nguồn tần số vô tuyến cùng ñược gắn trong dàn quay

Hình 2.5: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có súng phát electron, ống dẫn sóng và bia tia X thẳng hàng

Tuy nhiên, vì lý do thực tế ñường ñồng tâm của máy gia tốc tuyến tính không vượt quá 130cm phía trên sàn phòng ñiều trị và khoảng cách từ nguồn tới tâm khối

u trên trục thường là 100cm Như vậy rõ ràng là trong cấu hình này chiều dài của ống dẫn sóng gia tốc bị giới hạn ở 30cm, tương ứng ñộng năng electron là 4 ñến 6 MeV Thực vậy, các máy gia tốc tuyến tính ñơn giản nhất có mức năng lượng 4 ñến

6 MeV với súng ñiện từ và bia cố ñịnh ñược gắn vào ống dẫn sóng gia tốc, do ñó không ñòi hỏi sự vận chuyển và ñưa ra sự ñiều trị bằng electron

Ống dẫn sóng gia tốc ñối với các mức năng lượng electron trung bình (8 ñến

15 MeV) và cao (15 ñến 30 MeV) hiển nhiên sẽ rất dài nếu gần ñường ñồng tâm trực tiếp, bởi vậy chúng ñược ñặt hoặc trong dàn quay song song với trục quay của dàng quay (Hình 2.6), hoặc trong khung ñỡ dàn quay (Hình 2.7) Sau ñó, một hệ thống vận chuyển chùm tia ñược sử dụng ñể dẫn chùm electron từ ống dẫn sóng gia tốc tới bia tia S Nguồn tần số vô tuyến trong hai cấu hình này ñược gắn trong khung ñỡ dàn quay

Hình 2.6: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong dàn quay

Hình 2.7: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong bệ máy

CHƯƠNG 3

HÌNH ẢNH DICOM VÀ CHƯƠNG TRÌNH KẾT

NỐI HÌNH ẢNH DICOM VỚI MCNP5

DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) là tiêu chuẩn về cách thức hiển thị hình ảnh số và giao tiếp trong y khoa, được sáng lập bởi Hiệp hội các nhà sản xuất điện tử quốc gia (National Electrical Manufaturer’s Association – NEMA) kết hợp với Hiệp hội ngành Chẩn đốn hình ảnh Hoa Kì (American College of Radiology – ACR) nhằm hỗ trợ cho việc phân phối và đánh giá các hình ảnh y khoa như các lớp cắt CT, MRI và siêu âm

Một tập tin hình ảnh DICOM khơng chỉ chứa đựng thơng tin về các thơng số

cơ bản của một hình ảnh thơng thường (phần dữ liệu hình ảnh) như thang màu, kích thước, dữ liệu pixel, … mà cịn mang nhiều thơng tin chi tiết về nguồn gốc của ảnh (nằm trong phần header hình ảnh) chẳng hạn như thơng tin về đơn vị chụp ảnh CT, tên tuổi bệnh nhân, hình thức chụp cặt lớp, bộ phận chụp … Các thơng tin về hình ảnh được tích hợp vào trong file DICOM sẽ giúp cho hình ảnh khơng bao giờ bị thất lạc thơng tin khi truyền tải ðây là ưu thế này của ảnh DICOM so với các định dạng ảnh phân tích thơng thường khác (bao gồm một tập tin chứa các dữ liệu của ảnh và chứa các thơng tin của ảnh ở một tập tin khác) Với cấu trúc như thế sẽ giúp cho ảnh DICOM cĩ nhiều thuận lợi hơn trong giao tiếp giữa nơi này với nơi khác (giao tiếp giữa các bệnh viện với nhau trên tồn thế giới…)

Chỉ với một ảnh DICOM đơn giản, chúng ta cĩ thể thu được rất nhiều thơng tin cần thiết để phục vụ cho mục tiêu nghiên cứu của nhiều lĩnh vực riêng Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, ta chỉ tập trung nghiên cứu một số các thơng tin ảnh sau:

3.1.2.1 Phần kích thước ảnh (Width, Height, Rows, Columns,PixelSpacing,…)

ðây là thơng tin quan trọng trong việc chuyển đổi ma trận dữ liệu ảnh sang input file MCNP5 Tùy theo bộ phận chụp hay chế độ chụp, người kỹ thuật viên sẽ lựa chọn kích thước hình ảnh phù hợp để thu được những hình ảnh thể hiện rõ nét nhất Kích thước hình ảnh của một ảnh DICOM hiện nay là 512 × 512 pixel, nhưng tùy thuộc vào một số điều kiện khách quan mà hình ảnh cĩ thể cĩ kích thước khác hơn: 256 × 256 pixel hoặc 128 × 128 pixel chẳng hạn

3.1.2.2 Thang màu (Colortype)

• Grayscale (Thang xám):

ðây là thang màu tiêu biểu cho tất cả các hình ảnh y khoa Hầu hết các hình ảnh y khoa chẩn đốn từ X-quang thường, siêu âm cho tới CT, MRI, X-quang số đều dựa trên thang xám làm nền tảng để thể hiện các hơ hấp chụp với cường độ sáng tối tương ứng

Khi cần khảo sát một cách tổng quát (X-quang tổng quát, siêu âm tổng quát,

CT tổng quát…), hình ảnh với thang độ xám đã trở nên rất phổ biến và trở thành một chuẩn qui ước quốc tế về hình ảnh chẩn đốn

• Truecolor RGB (Thang màu đỏ- lục- lam)

ðây là thang màu được áp dụng khi cần đánh giá quá trình trao đổi chất hoặc khảo sát hoạt động của các cơ quan một cách tỉ mỉ hơn Nĩi chung, hình ảnh thang màu cĩ khuynh hướng phục vụ chẩn đốn chức năng nhiều hơn trong khi hình ảnh với thang xám thơng thường hướng về chẩn đốn cấu trúc

3.1.2.3 Thang độ sáng/ tương phản (Window Center/Window Width)

Bất cứ ai khi nghiên cứu về ảnh y khoa đều quan tâm đến vấn đề độ sáng và

độ tương phản của ảnh được quyết định bởi hai thơng số ‘window center’ và

‘window width’ Giá trị của cặp thơng số này mang ý nghĩa rất quan trọng đối với các đầu quét trong các máy X-quang, CT, PET và cũng tương tự đối với MRI

CODIM (COnvert DIcom to MCNP5) là chương trình được thiết kế trên nền MATLAB7.8.0 (R2009a) nhằm liên kết tập tin dữ liệu hình ảnh DICOM với

chương trình MCNP5 Chương trình có chức năng chuyển ñổi các tập tin dữ liệu hình ảnh DICOM thành input file MCNP5, xử lí output file MCNP5 và thiết lập các ñường phân bố liều lên dữ liệu hình ảnh DICOM sau khi tiến hành mô phỏng MCNP5 thu ñược kết quả

Nhiệm vụ của chương trình CODIM là nhằm hỗ trợ cho việc tính liều hấp thụ trong voxel phantom ñược tạo thành từ các ảnh DICOM (trong trường hợp này

cụ thể là các file CT) Các voxel phantom ñược hình thành trong không gian 3 chiều nhờ vào việc xử lý một tập hợp các hình ảnh CT 2 chiều ñược chụp từ bệnh nhân Hình 3.1 trình bày nguyên lý hoạt ñộng của chương trình CODIM Các bước tiến hành bao gồm:

• ðọc các thông tin từ tập hợp các file DICOM (bao gồm thông tin header

và pixel)

• Kết hợp các file CT 2 chiều rời rạc thành khối 3 chiều

• Chuyển ñổi các số CT của từng pixel sang thành dạng vật chất và mật ñộ tương ứng

• Xây dựng input file cho chương trình MCNP5 sử dụng voxel phantom với số liệu vật chất và mật ñộ thu ñược

• Chạy chương trình MCNP5 và thu ñược kết quả dưới dạng output file MESHTAL là các ma trận hai chiều ứng với vị trí từng lát cắt của các file

CT

• Chuyển ñổi các ma trận MESHTAL trở lại dạng file DICOM Trong trường hợp chiếu cùng lúc với nhiều hướng chiếu khác nhau thì mỗi trường chiếu ñược mô phỏng riêng lẻ sau ñó sẽ ñược kết hợp lại và chuyển thành file dạng DICOM

• Hiển thị kết hợp cả ảnh CT (dưới dạng grayscale) và các ñường ñẳng liều (dưới dạng RGB) thu ñược ở trên

Hình 3.1: Sơ ñồ mô tả hoạt ñộng của chương trình CODIM

3.2.2.1 Giai ñoạn 1: Chuyển ñổi ảnh CT về vật chất và mật ñộ vật chất tương ứng

Khi tính toán mô phỏng, chương trình MCNP5 quan tâm ñến các thông số như hình học, vị trí và thành phần cấu tạo hóa học của các khối vật thể ñược ñưa vào Trong khi ñó hình ảnh CT ñược cấu tạo từ các dữ liệu hình ảnh, dữ liệu này là các số CT ñược xây dựng dựa trên các ñơn vị Hounsfield (Hounsfield Unit – HU) Các số CT có mối liên hệ gần như tuyến tính với mật ñộ vật chất thông qua giản ñồ Hounsfield Do ñó, ñể xây dựng input file cho chương trình MCNP, ñiều trước tiên

là phải ñọc hình ảnh CT và chuyển ñổi dữ liệu hình ảnh CT về dạng mật ñộ vật chất

Bảng 3.1 trình bày mối liên hệ giữa số CT và mật ñộ vật chất Trong ñó quy ước lấy giá trị -1000 tương ứng với mật ñộ 0g/cm3 (không khí) và giá trị 0 tương ứng với mật ñộ 1g/cm3 (nước) Công thức tính giá trị HU ñối với vật chất X có hệ

số suy giảm tuyến tính µX là

HU = (µX – µH2O) / µH2O × 1000 (3.1) trong ñó µH2O là hệ số suy giảm tuyến tính của nước

Bộ dữ liệu DICOM

CODIM

Output file Input file

MCNP5

Thông tin header Thông tin isodose Thông tin pixel