Giới thiệu kỹ thuật xạ phẫu gamma knife trong y học

CHƯƠNG 1-CƠ SỞ VẬT LÝ 1.1-TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 1.1.1-Hiệu ứng quang điện: Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma với electron liên kết trong n

KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ VẬT LÝ 1.1- TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT 2

1.1.1-Hiệu ứng quang điện: 2

1.1.2-Tán xạ Compton: 2

1.1.3-Hiệu ứng tạo cặp 3

1.1.4-Tương tác của electron với vật chất 5

1.2- LIỀU HẤP THỤ 8

CHƯƠNG 2 : KHÁI QUÁT XẠ TRỊ 2.1-NGUYÊN TẮC XẠ TRỊ 9

2.2-XẠ TRỊ TRONG 9

2.3-XẠ TRỊ NGOÀI 9

2.4-XẠ PHẨU ĐỊNH VỊ 3 CHIỀU ( SRS- STEREOTACTIC RADIOSURGERY) 10

CHƯƠNG 3 : XẠ PHẪU GAMMA KNIFE 3.1-NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 11

3.2-LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY GAMMA KNIFE LEKSELL 12

3.3-SƠ ĐỒ KHỐI 15

3.3.1- Nguồn xạ của máy Gamma Knife 16

3.3.2-Kênh xạ 18

3.3.3-Khung định vị 21

3.3.4-Hệ thống định vị tự động (APS) 22

3.4-HOẠT ĐỘNG 22

3.5-QUI TRÌNH ĐIỀU TRỊ 24

3.5.3- Chiếu xạ 31

CHƯƠNG 4-ỨNG DỤNG CỦA GAMMA KNIFE TRONG XẠ TRỊ 4.1-ỨNG DỤNG GAMMA KNIFE 32

4.2-VÍ DỤ 32

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

MỞ ĐẦU

Ngay sau khi Henri Becquerel lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng phóng xạ, người ta đã biết đến tác dụng sinh học của bức xạ, trong đó có tác dụng tiêu diệt tế bào có thể được ứng dụng điều trị u bướu Có thể sử dụng chùm tia X, gamma, các chùm hạt electron, proton, neutron, các ion nặng…với năng lượng và kỹ thuật chiếu

xạ khác nhau để xạ trị, trong số đó có kỹ thuật xạ phẫu

Sự phát triển của kỹ thuật xạ phẫu gắn liền với thành tựu và tiến bộ khoa học trong nhiều lĩnh vực mà đặc biệt nhất là của vật lý hạt nhân, hình ảnh học, điện tử học, công nghệ thông tin… Ngày nay, kỹ thuật xạ trị đã đạt tới những tầm cao mới

về chất lượng, phương pháp, công nghệ, thiết bị…, trong đó có kỹ thuật xạ phẫu Gamma Knife

Khóa luận này bước đầu nghiên cứu và giới thiệu về kỹ thuật xạ phẫu Gamma Knife trong y học

CHƯƠNG 1-CƠ SỞ VẬT LÝ

1.1-TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ GAMMA VỚI VẬT CHẤT

1.1.1-Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện là quá trình tương tác của lượng tử gamma với electron liên kết trong nguyên tử, gamma biến mất và nămg lượng của gamma được truyền toàn bộ cho electron quỹ đạo Năng lượng này một phần làm công ion hóa (Eb) bứt electron ra khỏi quỹ đạo, electron này gọi là quang electron (photoelectron) và phần còn lại (Ee) dùng làm động năng cho quang electron

hν = Eb + Ee (1.1)

Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện

Cần chú ý rằng công ion hóa Eb chỉ chiếm một phần nhỏ của hν, đại bộ phận của hν được biến thành động năng của electron sau khi bức ra khỏi quỹ đạo Chính

vì vậy nó tương tác với vật chất và gây ra hiện tượng ion hóa thứ cấp trong vật chất

1.1.2-Tán xạ Compton:

Compton là người đầu tiên phát hiện ra rằng lượng tử gamma có năng lượng trong khoảng 0.1 – 2 Mev khi đi qua vật chất sẽ tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo ngoài của nguyên tử Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng, đồng thời electron bị bứt ra khỏi nguyên tử kèm với một động năng làm thành một góc với hướng truyền của gamma tới Nếu năng lượng của lượng tử

gamma lớn đáng kể hơn năng lượng liên kết của electron, thì các electron ở lớp ngoài có thể xem là electron tự do Quá trình tán xạ Compton có thể được coi như quá trình gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do

1.1.3-Hiệu ứng tạo cặp

Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần năng lượng tĩnh electron 2mec2=1,02 Mev thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh ra một cặp electron-positron (positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +1e) Đó là hiệu ứng sinh cặp electron-positron

Do hai hạt electron và positron có khối lượng giống nhau nên xác suất để hai hạt này có năng lượng bằng nhau Ee- = Ee+ là rất lớn Positron mang điện tích dương

nên khi gặp electron của nguyên tử điện tích của chúng bị trung hòa, chúng hủy lẫn nhau, gọi là hiện tượng hủy electron-positron Khi hủy electron-positron hai lựong

tử gamma được sinh ra bay ngược chiều nhau, mỗi lượng tử có năng lượng 0,511Mev

Hình 1.3: Hiệu ứng tạo cặp

Như vậy các electron và positron được tạo ra trong hiệu ứng này có động năng, và chính chúng sẽ tương tác với vật chất gây quá trình ion hóa tiếp tục

Do các lọai tương tác kể trên, một chùm gamma song song khi truyền qua vật chất có bề dày d sẽ bị suy giảm theo quy luật hàm mũ :

I = I0 exp(-μd) (1.3)

Ở đây I0 là số lượng tử gamma đếm tấm bề dày d

I là số lượng tử gamma có cùng năng lượng sau lớp vật chất

μ là hệ số suy giảm tuyến tính (cm-1)

Tương tác của gamma với vật chất không gây hiện tương ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Khi xuyên qua vật chất nó tạo ra các electron thứ cấp Đến lượt mình, các electron thứ cấp sẽ ion hóa vật chất để gây nên hiệu ứng sinh học phóng

1.1.4-Tương tác của electron với vật chất

Khi đi qua vật chất, các electron có thể kích thích, ion hóa các nguyên tử hoặc tạo ra bức xạ hãm Tất cả các quá trình trên làm electron mất năng lượng trong vật chất Mức độ tiêu hao năng lượng do kích thích và ion hóa nguyên tử gọi là (dE/dx)exc và do bức xạ hãm gọi là (dE/dx)rad

Với (dE/dx)tot là mức độ tiêu hao năng lượng tổng cộng ta có:

(1.4)

Do tương tác mạnh với vật chất nên năng lượng của electron mất rất nhanh,

và độ suy giảm rất dốc Quãng chạy của electron trong vật chất được tính:

(1.8)

Hình 1.5 -Sự phụ thuộc quãng chạy của electron vào năng lượng

Mô cơ thể là vật chất có Z nhỏ, nên quãng chạy của electron trong mô được tính xấp xỉ như sau:

Đơn vị của liều hấp thụ là J/kg, hoặc erg/g

Ngoài ra có đơn vị ngoại hệ là rad, 1rad = 100erg/g

Ngày nay người ta thường dùng đơn vị Gray (Gy), 1Gy = 1 J/kg = 100 rad

CHƯƠNG 2-KHÁI QUÁT XẠ TRỊ

2.1-NGUYÊN TẮC XẠ TRỊ

Xạ trị là phương pháp điều trị bằng cách sử dụng bức xạ ion hóa để tiêu diệt các mầm bệnh, tế bào bệnh mà điển hình nhất là các khối u ung thư Nguyên tắc xạ trị là phải đảm bảo liều xạ (liều hấp thụ) tập trung lớn nhất tại khối u và giảm thiểu đến mức thấp nhất tại các mô lành xung quanh

xử dụng như Co60

, Cs137 Thiết bị điển hình cho loại này là Gamma Knife

100

% 0%

2.4-XẠ PHẨU ĐỊNH VỊ 3 CHIỀU ( SRS- STEREOTACTIC

RADIOSURGERY)

Xạ phẫu stereotactic là phương pháp xạ trị kết hợp kỹ thuật định vị 3 chiều (stereotactic) với nhiều chùm xạ năng lượng cao chiếu từ nhiều hướng khác nhau tập trung chính xác vào một tâm điểm trong khối u để xạ trị

CHƯƠNG 3- XẠ PHẪU GAMMA KNIFE

3.1-NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Mỗi một tia gamma từ nguồn Co60 cung cấp năng lượng không đủ gây hại cho khối u hay cho mô não bình thường, nhưng khi tập trung nhiều tia xạ lại với nhau tại khối u, tổng liều hấp thụ tại đó sẽ rất lớn, đủ để hủy diệt khối u, trong khi

đó vùng mô não khỏe mạnh xung quanh chỉ nhận một liều rất nhỏ từ một số ít tia xạ nên ít bị nguy hại

Nguyên lý hoạt động của Gamma Knife xuất phát từ nguyên tắc “center of arc”, trong đó sử dụng một dụng cụ gắn đặc biệt gắn vào đầu bệnh nhân để chiếu một nguồn xạ theo hình cung tròn tập trung vào một tâm điểm khối u đặt tại tâm của cung Về sau, cung tròn được thay bằng một khung định vị và một mũ (helmet) để chuẩn trực hàng trăm chùm xạ kích thước tròn nhỏ kết hợp với kỹ thuật định vị stereotactic chiếu đồng thời và tập trung vào tâm khối u từ nhiều nhiều hướng khác nhau trong không gian 3 chiều ngoài cơ thể mà không phải mở hộp sọ

Hình 3.1: a) Khung định vị xạ trị lúc đầu, chỉ dùng một nguồn xạ

b) Về sau, khi cải tiến dùng nhiều nguồn xạ chiếu từ nhiều hướng

3.2-LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN MÁY GAMMA KNIFE LEKSELL

Kể từ khi thế hệ máy đầu tiên ra đời, cho đến nay gần nửa thế kỷ, có rất nhiều phiên bản Gamma Knife được nghiên cứu và xây dựng Hiệu quả ngày càng nâng cao, đặc biệt là với sự trợ giúp của công nghệ thông tin mà dần hệ thống Gamma Knife đi vào tự động hóa, nhanh chóng, chính xác

Các điểm mốc quan trọng có thể tóm tắt như sau:

- 1967, thế hệ Gamma Knife đầu tiên được xây dựng tại nhà máy hạt nhân Studsvik, thế hệ máy này chỉ dùng 179 nguồn Cobalt

Hình 3.2: Giáo sư Leksell với hệ máy Gamma Knife đầu tiên

- 1969, ca bệnh đau dây thần kinh thính giác lần đầu tiên được điều trị bằng Gamma Knife

- 1969, ca bệnh u tuyến yên được điều trị bằng Gamma Knife

- 1970, ca bệnh dị dạng mạch máu não (AVM) được điều trị bằng Gamma Knife

- 1974, thế hệ Gamma Knife thứ hai ra đời, được xây dựng ở bệnh viện Karolinska, Stockholm Với sự sửa đổi thích hợp hơn cho các bệnh về rối loạn chức năng, đường kính của chiếc mũ chuẩn trực cũng lớn hơn Và cũng trong năm này lần đầu tiên, việc tính toán liều được sự giúp đỡ của máy vi tính

- 1976, ca bệnh u màng não lần đầu tiên được điều trị

- 1985, phiên bản mới Gamma Knife được xây dựng ở Sheffield, Anh, và Buenos Aires, Argentina Lần này đáng kể là việc cải tiến và đưa vào khung định vị stereotactic giúp xác định tiêu điểm (bằng hình ảnh học)

và định vị đầu của bệnh nhân trong quá trình điều trị Mũ chuẩn trực được mở rộng hơn nữa, giúp dễ dàng tiếp cận các vùng ngoại biên của bộ não hơn

- 1987, mẫu Gamma Knife Serial đầu tiên được xây dựng ở Đại học Pittsburgh, với tên gọi là Model U Chiếc mũ chuẩn trực được thiết kế rộng rãi hơn Ống chuẩn trực gồm bốn kích cở 4, 8, 14, 18 mm

Hình 3.3: Hệ máy Gamma Knife Model U

- 1988, thế hệ Serial thứ hai, Model B xây dựng ở bệnh viện Karolinska Mặc dù được thiết kế dựa trên thế hệ trước nó, nhưng Model B có cấu hình thuận tiện cho việc lắp đặt nguồn xạ dễ dàng hơn Ở hệ máy này đặc biệt sử dụng đến 201 nguồn Cobalt

Hình 3.4: Hệ máy Gamma Knife Model B

- 1989, lần đầu tiên công bố u di căn tiểu não có thể phẫu thuật bằng

- 1990, đưa vào sử dụng chương trình lập kế hoạch xạ trị Gamma Plan

- 1996, hình ảnh từ CT và MRI được đưa vào dùng trong Gamma Plan

- 1998, Gamma Plan đưa vào kỹ thuật vẽ phác họa vùng tiêu điểm bán tự động

- 1999, Gamma Knife Model C ra đời Cải tiến nổi bật nhất trong model này là việc thêm vào hệ thống định vị tự động (APS-Automatic Positioning System)

Hình 3.5: Hệ máy Gamma Knife Model C

3.3-SƠ ĐỒ KHỐI

Thiết bị được gọi là Gamma Knife là một hệ thống bao gồm: Buồng chiếu

xạ, bốn chiếc mũ chuẩn trực, giường điều trị, hệ thống thủy động lực, bàn điều khiển, và một hệ thống máy tính lập kế hoạch điều trị

Hình 3.6 : Tiết diện ngang của Gamma Knife

Máy Gamma Knife chủ yếu là một quả cầu che chắn phóng xạ rất lớn hình máy vòm, làm bằng chì hay uran nghèo, bên trong chứa nguồn phóng xạ Cobalt-60

ở dạng viên tròn, cung cấp tia phóng xạ Mỗi nguồn được đặt ở phần đầu của các ống chuẩn trực, hướng tia xạ từ nguồn đến tiêu điểm Phía trước là hai cửa chắn bảo

vệ phóng xạ, một cái phía trên và một ở phía dưới, lúc bình thường hai cửa này được đóng kín, chỉ mở ra ngay trước khi đầu bệnh nhân được đưa vào định vị Trọng lượng tổng cộng của toàn bộ hệ thống xấp xỉ 44000 pound (gần 20 tấn)

3.3.1- Nguồn xạ của máy Gamma Knife

Hình 3.7: Sự phân rã của Co60

Máy Gamma Knife dùng 201 nguồn phóng xạ Co60 lắp vào chiếc mũ chuẩn trực Mỗi nguồn bao gồm từ 12 đến 20 viên Co60 Những viên này có hình trụ, đường kính 1 mm, dài 1 mm, được xếp vào trong vỏ thép tinh sạch và hàn kín lại Bên ngoài lại được bọc một lớp vỏ thép nữa, cuối cùng là lớp vỏ bằng nhôm Khi đặt nguồn vào máy, trục của những viên Co60 sẽ trùng với trục của kênh xạ Trọng lượng tổng cộng của những viên Co60 dùng trong Gamma Knife chỉ có khoảng 5 ounce (xấp xỉ 140 g)

Hình 3.8: Nguồn phóng xạ Co60 được chế thành những viên tròn

Hoạt độ phóng xạ xấp xỉ 30 Ci cho mỗi nguồn Tổng hoạt độ phóng xạ của Gamma Knife vào khoảng 6000 Ci ± 10% (2,22 x 1014

Bq ± 10%), các nguồn xạ được sắp xếp sao cho hoạt độ phân bố đều bên trong Gamma Knife

Trong Gamma Knife các electron phát từ nguồn Co60 được chặn bởi tấm hấp thụ hoặc bị hấp thụ ngay dưới mặt da trước khi vào sâu trong cơ thể bệnh nhân Các bức xạ gamma có khả năng đâm xuyên sâu vào cơ thể, cung cấp năng lượng xạ trị tại khối u dưới dạng liều hấp thụ

3.3.2-Kênh xạ

Phóng xạ phát ra từ mỗi nguồn đi qua một kênh xạ được chuẩn trực bằng 2 ống chuẩn trực (collimator) đặt nối tiếp nhau, hướng vào một tâm điểm chung Hai collimator, một tiếp cận với đầu bệnh nhân (gọi là mũ helmet) và một đặt cố định gần nguồn xạ bên trong buồng chiếu tia

Hình 3.9: Một kênh xạ

Chiếc mũ chuẩn trực có hình bán cầu, được gắn vào đầu bệnh nhân, trên đó

có 201 vị trí để gắn 201 collimator riêng lẻ dành riêng cho mỗi kênh xạ Lúc chiếu

xạ, chiếc mũ được chốt chặt vào giá đỡ gắn liền với giường bệnh nhân Và các collimator trên chiếc mũ sẽ ghép lại với các collimator trên thân máy ở vị trí tương ứng, và bộ collimator vừa kết hợp này hướng 201 xạ hội tụ tại tâm của máy

Hình 3.10: Mũ chuẩn trực

Các collimator trên mỗi chiếc mũ đều giống nhau, kích cở kênh xạ sẽ khác nhau ứng với từng chiếc mũ khác nhau Kích cở của các collimator được hiểu là đường kính của bề mặt đặt vuông góc với trục tia xạ hướng vào tâm máy, có bốn kích cở là 4, 8, 14, 18 mm Chiều dài mỗi collimator là 60mm Trong một số trường hợp đặt biệt, để tránh cho tia xạ đi qua nơi nguy hiểm cho bệnh nhân, như mắt chẳng hạn, một vài collimator này được thay thế bằng các nút kín, có tác dụng cản phóng xạ

Hình 3.11: Các ống chuẩn trực

3.3 3-Khung định vị

Khung định vị cho phép xác định chính xác vị trí tiêu điểm trong não bệnh nhân Khung định vị là một khung hình chữ nhật, bằng nhôm, bề rộng khoảng 190mm Khung được gắn chặt vào đầu bệnh nhân bằng bốn cái ốc vít, để đảm bảo tia xạ hướng đúng vào tiêu điểm khi chiếu xạ Khung định vị này được mang theo bệnh nhân trong suốt quá trình điều trị

Hình 3.12 : Khung định vị được bắt chặt vào đầu bệnh nhân

Bằng cách bắt khung định vị vào đầu bệnh nhân, bất kỳ một điểm nào bên trong hộp sọ đều được biểu diễn theo tọa độ hình học bởi một hệ trục tọa độ không gian ba chiều Vì thế nó đáp ứng được đòi hỏi chính xác về vị trí không gian trong quá trình chiếu xạ, chẳng hạn như vị trí tiêu điểm, vị trí của bệnh nhân, cố định bệnh nhân

Ba trục X, Y, Z của khung định vị được vẽ theo tỉ lệ, nhờ đó tọa độ của một điểm sẽ cho biết khoảng cách từ gốc tọa độ theo ba trục, tính theo milimet Khi khung được định hướng và cố định vào hộp sọ, trong tình trạng bình thường, thì chiều dương của ba trục X, Y, Z được tính từ phải qua trái, từ sau ra trước, và từ trên xuống dưới Lúc này gốc tọa độ nằm về phía sau, bên trên, và bên trái đầu bệnh nhân

3.3.4-Hệ thống định vị tự động (APS)

Đây là hệ thống tự động di chuyển đầu bệnh nhân vào đúng tiêu điểm khi đưa vào chiếu xạ, hoặc lúc thay đổi tiêu điểm (shot) Tọa độ đã được lập trình sẳn trong chương trình lập kế hoạch xạ trị

Hình 3.13: Bệnh nhân được định vị khi đưa vào chiếu xạ

3.4-HOẠT ĐỘNG

Lúc máy không hoạt động, hai cửa bảo vệ đóng lại và giường bệnh nhân được kéo ra Khung định vị được lắp cố định vào bên trong chiếc mũ bằng hai trục quay, vị trí của khung sẽ được điều chỉnh lại để tâm khối u trùng khớp với tâm của máy khi giường vào vị trí điều trị