Kỹ thuật Bo bắt neutron nhiệt dùng trong xạ trị

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BNCT Boron Neutron Capture Therapy Phương pháp điều trị dùng phản ứng Bo bắt neutron RBE Relative Biological Effectiveness Hiệu ứng sinh học tương đối TECPs Tis

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời tri ơn sâu sắc đối với ba mẹ em Chính họ đã cho

em cuộc sống, nuôi nấng dưỡng dục đến ngày em trưởng thành Để em có ngày hôm nay ba mẹ đã phải dành hết những gì tốt đẹp nhất của cuộc đời mình, tần tảo sớm hôm lo cho em từng miếng ăn giấc ngủ và tạo mọi điều kiện cho em được học hành mở rộng tri thức Em cũng xin cảm ơn tất cả những thầy cô, những người đã dành trọn cuộc đời mình để truyền đạt tri thức cho chúng em, giúp chúng em mở rộng kiến thức về mọi lĩnh vực Để hoàn thành được khóa luận này em vô cùng cảm

ơn nhà trường mà gần gũi nhất là các thầy cô Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất cũng như giúp em giải đáp về những vướng mắc mà em gặp phải trong khóa luận của mình Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thạc sĩ Nguyễn Văn Hòa, thầy đã bỏ thời gian quý báu của mình để hướng dẫn em trong suốt khoảng thời gian thực hiện khóa luận này, thầy đã giúp em hoàn thiện vốn kiến thức của mình kịp thời sửa chữa những sai lầm trong quá trình thực hiện khóa luận từ việc định hướng, tìm tài liệu đến việc trình bày khóa luận Và em cũng xin cảm ơn thầy Nguyễn Đình Gẫm thầy Lê Công Hảo và thầy Trần Thiện Thanh đã cho em những lời góp ý và giúp đỡ

em hoàn thành khóa luận của mình Cuối cùng em xin cảm ơn tất cả những bạn bè ở lớp 04VLHN cũng như các bạn ở các ngành khác đã giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận

MỤC LỤC

TRANG

LỜI CẢM ƠN - 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1: Tổng Quan Về Kĩ Thuật BNCT 10

1.1 Lịch sử phát triển BNCT 10

1.2 Nguyên tắc xạ trị BNCT 10

1.3 Cơ sở vật lý của kĩ thuật xạ trị bằng BNCT 11

1.3.1 Phản ứng B10 (n,a) Li7 11

1.3.2 Tương tác giữa neutron, hạt nhân nặng 12

1.3.3 Tương tác giữa alpha, ion Liti và cơ chế diệt tế bào 15

1.3.4 Các tương tác khác xảy ra trong quá trình xạ trị 15

1.4 Thiết bị phát neutron dùng trong xạ trị BNCT 16

1.4.1 Nguồn neutron 16

1.4.1.1 Những nguồn neutron phù hợp với BNCT 16

1.4.1.2 Sự triển đổi những lò phản ứng nhiệt 17

1.4.1.3 Lò phản ứng nhanh 17

1.4.1.4 Thiết kế cho lò phản ứng dùng trong BNCT tương lai 18

1.4.1.5 Máy gia tốc dùng trong BNCT 19

1.4.1.6 Nguồn Califonium 20

1.4.2 Sơ lược về một bộ lọc đơn giản dùng trong BNCT 21

1.4.3 Hệ thống tụ tiêu chùm neutron 21

1.5 Phương pháp gắn Bo vào khối u 22

1.5.1 Hợp chất thuốc dùng trong BNCT 22

1.5.2 Cách đưa hợp chất gắn Bo vào trong nhân tế bào 23

1.6 Điều kiện xạ trị BNCT 24

Chương 2: Đo Liều Trong Kỹ Thuật BNCT 26

2.1 Một số khái niệm liên quan đến đo liều 26

2.1.1 Quan hệ giữa RBE và liều tương đương 26

2.1.2 Quan hệ giữa LET và hệ số hiệu ứng sinh học tương đối 26

2.1.3 Khái niệm KERMA 27

2.1.4 Hệ số hiệu ứng sinh học hợp chất (CBE) 28

2.1.5 Hệ số rút gọn liều hấp thụ của thành phần gamma 28

2.2 Thành phần liều hấp thụ 28

2.3.Thiết bị đo liều trong BNCT 29

2.4 Đo liều vật lý 31

2.4.1 Đo trong không khí 31

2.4.2 Đo dòng neutron nhiệt 31

2.4.3 Đo liều hấp thụ neutron và gamma 31

2.4.4 Định cỡ hệ thống chùm tia trực tuyến của máy 32

2.4.5 Đo phân bố liều vật lý 32

2.4.6 Sai số trong BNCT 32

2.5 Các phương pháp đo liều 32

2.5.1 Phương pháp đo liều truyền thống 32

2.5.2 Phương pháp sử dụng các ống đếm tỷ lệ 33

2.5.3 Phương pháp đo liều cực nhỏ 34

2.6 Đo liều trong phantom 38

Chương 3: Lập Kế Hoạch Điều Trị Cho BNCT 42

3.1 Định vị khối u 42

3.2 Thiết lập những thông số, trường chiếu và thời gian tia 44

Chương 4: Ưu Điểm, Khuyết Điểm, Ứng Dụng 46

4.1 Ưu điểm 46

4.2 Nhược điểm 46

4.3 Ứng dụng 46

4.4 Khuynh hướng phát triển trong tương lai 47

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BNCT Boron Neutron Capture Therapy Phương pháp điều trị dùng phản

ứng Bo bắt neutron RBE Relative Biological Effectiveness Hiệu ứng sinh học tương đối TECPs Tisue Equivalent Proportional Counters Máy đếm tỉ lệ tương đương mô DME 1,2 DiMethoxyEthane Chất khí 1,2 DiMethoxyEthane MRI Magnetic Resonance Imaging Máy cộng hưởng từ

CT Computer Tomography Máy chụp ảnh cắt lớp điện toán SRT Stereotactic Radio Therapy Phương pháp xạ trị phân đoạn dùng

kĩ thuật địnhvị Stereotactic

SRS Stereotactic Radio Surgery Phương pháp xạ trị dùng kỹ thuật

định vị Stereotactic LET Linear Energy Transfer Hệ số truyền năng lượng tuyến tính

KERMA Kinetic Energy Released per unit Mass in

Air

Động năng được giải phóng trong một đơn vị khối lượng của chất trong không khí

LINAC Linear accelerator Máy gia tốc thẳng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TRANG

BẢNG 2.1: Hệ số hiệu ứng sinh học tương đối - 26

BẢNG 2.2: Quan hệ giữa LET và RBE - 27

BẢNG 2.3: Sai số của liều gamma và neutron nhanh - 39

BẢNG 2.4: Thông số các tia tự do - 41

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

TRANG

HÌNH 1.1: Sơ đồ máy phát neutron sử dụng Cyclotron U.120M - 20

HÌNH 1.2: Sơ đồ buồng lọc - 21

HÌNH 1.3: Cơ chế hoạt động của hợp chất tải Bo - 24

HÌNH 2.1: Cấu tạo máy đếm - 30

HÌNH 2.2: Phổ năng lƣợng trực tiếp tại vị trí 1m - 35

HÌNH 2.3: Phần còn lại của phổ photon tại vị trí 1 m - 36

HÌNH 2.4: Phổ đo liều cực nhỏ tại vị trí 50 nm - 37

HÌNH 2.5: Biểu diễn thành phần gamma - 37

HÌNH 2.6: Biểu diễn liều hấp thụ trong phantom - 38

HÌNH 2.7: Liều RBE trong phantom - 40

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay khi công nghệ hạt nhân đang phát triển, nhiều ứng dụng mới của các nghiên cứu về lĩnh vực hạt nhân được đưa vào phục vụ đời sống của nhân loại Khác với thời chiến tranh năng lượng hạt nhân không còn là

vũ khí để các phe tham chiến sử dụng để hủy diệt hàng loạt mà ngày nay chính năng lượng ấy đã góp phần không nhỏ vào sự phát triển nổi bật của loài người trong tất cả các lĩnh vực kinh tế xã hội như sản xuất điện, nghiên cứu vật liệu mới, phân tích vật chất, ứng dụng trong công nghiệp và nông nghiệp Khác biệt hơn cả là ngày nay loài người đã sử dụng hạt nhân vào lĩnh vực chữa bệnh cứu người Trong y học người ta sử dụng các hạt nhân phóng

xạ vào chẩn đoán ghi hình bức xạ và xạ trị dùng chữa một số bệnh ung bướu Riêng trong lĩnh vực xạ trị năng lượng hạt nhân được sử dụng như một vũ khí dùng diệt tế bào bệnh thông qua phần năng lượng mà các loại bức xạ để lại trong tế bào do các tương tác của chúng với thành phần vật chất trong cơ thể người Đây là lĩnh vực phát triển nhất trong y học hạt nhân Từng loại phóng xạ như electron, gamma, neutron, proton và các đồng vị phóng xạ được nghiên cứu và đưa vào xạ trị Đầu tiên là xạ trị bằng tia X, tiếp đến do nhu cấu cần năng lượng cao người ta dùng đến tia gamma, rồi đến electron, proton, các ion nặng và neutron Trên thế giới hiện nay phương pháp dùng neutron được xem là một phương pháp đầy tiềm năng nhất Phương pháp này thu hút nhiều nhà khoa học lao vào nghiên cứu và phát triển nó Trong đó, kĩ thuật Bo bắt neutron nhiệt, viết tắt là BNCT, là một trong những kĩ thuật sử dụng neutron để xạ trị đang được phát triển một cách vượt bậc trên thế giới Chính vì những ưu điểm vượt trội và sự kết hợp với phương pháp gắn bia

vào trúng đích khối u nên kĩ thuật này rất hay để chúng ta tìm hiểu về nhiều mặt nhƣ: cơ sở vật lí của kĩ thuật này, cách tính liều, lập kế hoạch điều trị, các qui trình xạ trị cũng nhƣ bảo đảm an toàn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KĨ THUẬT BNCT

1.1 Lịch sử phát triển kĩ thuật BNCT:[13]

 1932 James chadwick tìm ra hạt neutron đầu tiên

 1935 HJ Taylor phát hiện ra khả năng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10

Sau đó hạt nhân này phân hạch thành hạt Alpha (2He4) và hạt nhân Litium (3Li7)

 1936 Locher đề xuất ý tưởng dùng phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân

Bo10 để điều trị một số bệnh ung bướu

 Đến nay phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10

được sử dụng trong kĩ thuật BNCT trở thành một bước tiến mới trong lĩnh vực điều trị các bệnh ung bướu

 Tại những nước phát triển họ tiếp tục thử nghiệm và phát triển kĩ thuật này trong những trung tâm, bệnh viện lớn nhằm đưa kĩ thuật này vào điều trị tốt hơn cho bệnh nhân ung bướu

Thành công nhất tại một số nước như Mỹ, Nhật, Phần Lan, Mexico…

1.2 Nguyên tắc xạ trị BNCT:[13]

Kĩ thuật xạ trị bắt neutron (BNCT) là một kĩ thuật sử dụng chùm neutron trên nhiệt để chiếu vào các khối u đã được nạp sẵn các đồng vị bền B10

, các nhân B10hấp thụ neutron nhiệt sẽ phân hạch tạo ra hạt Alpha (2He4) và hạt nhân Litium (3Li7)

có khoảng chạy trung bình trong mô lần lượt 9 m và 5 m bằng với đường kính của một nhân tế bào và có hệ số truyền năng lượng tuyến tính (LET) rất cao Vì khoảng chạy rất ngắn nên tất cả năng lượng đều được giải phóng bên trong tế bào khối u và nhờ đó tế bào khối u bị tiêu diệt với xác suất cao trong khi đó các tế bào lành xung quanh không bị nguy hại

Kĩ thuật này thông thường dùng neutron trên nhiệt nhưng đối với những khối

u nông như ngoài da thì phải dùng neutron nhiệt nhằm thực hiện mục đích của kĩ thuật xạ trị này là tăng số neutron nhiệt đến bắn vào bia Bo10

đã được định vị sẵn trong khối u

1.3 Cơ sở vật lí của kĩ thuật xạ trị bằng BNCT:

1.3.1 Phản ứng B10

(n,)Li7 :[13]

 Năng lƣợng Neutron nhiệt : 0,025 eV

 Tiết diện bắt Neutron nhiệt của Bo10

Một photon gamma (0,44 MeV)

 Quãng chạy trong tế bào :

Alpha (R = 8 m)

Li7 (R = 4,2 m)

(1.1)

Số phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10

sinh ra phụ thuộc vào dòng neutron nhiệt và nồng độ hạt nhân Bo10

trong tế bào Dòng neutron càng lớn hay nồng độ Bo càng cao thì xác suất phản ứng sinh ra càng nhiều dẫn đến khả năng diệt tế bào càng cao

Ngoài hạt alpha và Litium ra phản ứng còn sinh ra một lượng tử gamma có năng lượng khá cao có thể góp phần diệt tế bào bệnh nhưng khó kiểm soát tác hại của nó đối với tế bào lành

1.3.2 Tương tác giữa neutron, hạt nhân nặng mang điện với vật chất:[4]

 Tương tác giữa neutron với vật chất:

Tương tác của neutron với vật chất được xác định qua lực tương tác giữa neutron với các hạt vật chất: nguyên tử; trong đó quan trọng nhất là lực tương tác của neutron với nhân nguyên tử Độ lớn của tương tác này được hình thành bởi hai thành phần: tương tác giữa neutron với điện tử của lớp vỏ nguyên tử và tương tác giữa neutron với nhân nguyên tử

 Tương tác giữa neutron với điện tử lớp ngoài vỏ nguyên tử:

Vì neutron không mang điện nên giữa neutron và điện tử không có tương tác Coulomb Tuy nhiên, cả hai đều có moment từ nên giữa chúng có tương tác điện từ Năng lượng tương tác điện từ giữa chúng là:

Cm thì U 10 eV, cỡ thế ion hóa đối với nguyên

tử tức là tương tác từ dẫn đến sự ion hóa Tiết diện ion hóa do tương tác từ xấp xỉ 10-23

Cm2, trong khi đó tiết diện ion hóa nguyên tử do các hạt tích điện là 10-16

Cm2 Do vậy, trong tương tác của neutron với vật chất thì va chạm ion hóa với nguyên tử là không quan trọng (trừ các chất sắt từ)

 Tương tác neutron với hạt nhân nguyên tử:

Khi neutron xuyên qua vật chất thì tương tác quyết định nhất là tương tác của neutron với hạt nhân nguyên tử qui định bởi lực hạt nhân Lực tác dụng giữa neutron và nhân nguyên tử có hai loại : n-p và n-n

Khi tương tác với nhân có hai khả năng xảy ra :

1 Neutron bị tán xạ bởi trường lực hạt nhân

2 Neutron bị nhân bắt

Nói chung có các tương tác cụ thể sau:

1 Tương tác thế, trong đó neutron bị trường hạt nhân lái

đi

2 Trong sự bắt neutron: năng lượng liên kết được giải phóng và một phần động năng của nó chuyển thành năng lượng kích thích của hạt nhân trung gian Khi nhân trung gian chuyển về trạng thái cơ bản và sẽ:

o Bắt neutron và phát lượng tử gamma, ta gọi là tương tác bắt tia

o Bắt neutron và phát hạt thì có tương tác biến đổi nhân và tách nhân

o Bắt neutron và sau đó phát neutron

-Nếu sau khi phát neutron mà nhân ở trạng thái

cơ bản, ta có tán xạ đàn hồi qua nhân trung gian -Nếu sau khi phát tia mà nhân ở trạng thái kích thích thì ta có tán xạ không đàn hồi

Về quá trình có sáu quá trình:

1 Tán xạ đàn hồi: tán xạ thế và tán xạ cộng hưởng (n, n)

2 Tán xạ không đàn hồi (n, n’)

3 Bắt tia (n, )

4 Gây phản ứng sinh một số lớn hạt neutron: (n,2n), (n,3n)

5 Biến đổi hạt nhân với sự phát hạt tích điện: (n,p), (n,)

Do khối lượng rất lớn so với electron, nên trong khi va chạm với electron phương chuyển động của hạt bị thay đổi ít và có thể xem quĩ đạo của nó là thẳng Dọc theo quĩ đạo của hạt sẽ xuất hiện rất nhiều electron do

bị ion hóa từ nguyên tử

Nếu electron bị đứt ra từ lớp trong của nguyên tử, thì chỗ trống do

nó để lại sẽ nhanh chóng bị lấp đầy bởi một electron lớp ngoài Khi đó như ta

đã biết ở trên, nguyên tử sẽ phát ra bức xạ đặc trưng

Các electron xuất hiện do sự ion hóa (được gọi là các electron thứ cấp) có thể có năng lượng lớn đủ để có thể tiếp tục ion hóa các nguyên tử khác, làm xuất hiện những electron mới Sau khi mất dần năng lượng chúng

có thể kết hợp lại với các ion dương; năng lượng phát ra khi đó có thể gây nên những dao động trong mạng vật chất, và làm cho nhiệt độ của vật bị chiếu xạ tăng lên

Đặc trưng cho tốc độ truyền năng lượng của hạt do ion hóa các nhà

y học hạt nhân dùng hệ số truyền năng lượng tuyến tính (Linear Energy Tranfer-LET), theo định nghĩa:

LET = năng lượng hạt mất do ion hóa trên một đơn vị chiều dài =

chạy trung bình của hạt trong vật chất là độ dài mà tại đó cường độ của chùm hạt giảm còn 50 % giá trị ban đầu Quãng chạy trung bình này phụ thuộc vào loại hạt, năng lượng ban đầu và môi trường vật chất hạt đi qua

1.3.3 Tương tác alpha, ion Li và cơ chế diệt tế bào của kĩ thuật BNCT[11][12][4]

Với năng lượng cao và khối lượng lớn lại là hạt mang điện nên hạt alpha và ion Li dễ dàng gây ra những rối loạn trong nội bộ tế bào thông qua các tương tác tán

xạ, tương tác điện từ, hấp thụ Các tương tác này xảy ra giữa sản phẩm của phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10

với các electron hóa trị hay hạt nhân nguyên tử Chính các tương tác đó nếu tại các mối liên kết giữa các phân tử sẽ làm đứt các mối liên kết ion hay cộng hóa trị từ đó giải phóng hàng loạt các electron tự

do, các electron này chạy hỗn loạn sẽ làm hàng loạt các liên kết bị gãy hay bị hấp thụ trong nước tạo thành các gốc OH và ion H gây oxi hóa toàn bộ khu vực xảy ra tương tác Thông việc làm ion hóa môi trường nếu trong nhân sẽ làm thay đổi cấu trúc các nhiễm sắc thể, các axit nucleotic, làm rối loạn quá trình tổng hợp axit nucleotic dẫn đến các chuỗi ADN bị rối loạn hay đứt

Chính những tương tác trên mà kết quả là tế bào khối u sẽ bị rối loạn trao đổi chất, mất khả năng sinh sản dẫn đến tế bào khối u bị tiêu diệt Do quãng chạy của alpha (R= 8 m) và ion Li (R=4,2 m) chỉ trong phạm vi tế bào nên các tế bào xung quanh không bị tiêu diệt

1.3.4 Các tương tác khác xảy ra trong quá trình xạ trị:[13]

Neutron trên nhiệt năng lượng khoảng vài eV (0,5eV→10eV)khi chiếu vào

cơ thể chúng sẽ va chạm với các nguyên tử trong cơ thể bị mất một khoảng năng lượng và bị làm chậm chủ yếu bởi nước Chính hai điều này mà chúng bị mất năng lượng trở thành neutron nhiệt

Neutron nhiệt năng lượng khoảng 0,025 eV ở trong cơ thể có thể sẽ xảy ra tương tác với các mô và các nguyên tử khác trước khi đập vào bia Bo10

Những tương tác chủ yếu là giữa neutron nhiệt với nguyên tử Hidrogen và nguyên tử

Nitrogen với xác xuất thấp khoảng vài phần trăm Nhưng các phản ứng xảy ra tạo nên sự thay đổi về hóa học trong môi trường vật chất trong mô

Chính các phản ứng đó mà số lượng neutron nhiệt đến bia bị giảm đi đáng kể chúng bị hấp thụ trong nước và trong các chất hữu cơ trong cơ thể, kết quả của sự hấp thụ đó tạo nên một chuỗi các tia gamma và một số biến đổi hóa học trong vật chất như một số liên kết hóa học bị đứt, các nguyên tử không bền mà ở trạng thái kích thích chúng phát xạ năng lượng dưới dạng lượng tử gamma Các quá trình ở đây diễn ra rất phức tạp mà hậu quả của nó là tạo một số rối loạn trong quá trình trao đổi chất của tế bào điều này có thể gây tổn thương thậm chí có thể giết chết tế bào Để khắc phục vấn đề này là một bước trong qui trình xạ trị BNCT đó là bước

tụ tiêu chùm hạt mục đích để dòng neutron đến bia là lớn nhất

Mặt khác trong phản ứng BNC cũng tạo ra một lượng tử gamma có năng lượng đáng kể chúng tương tác với vật chất trong tế bào theo các quá trình tán xạ, quang điện chúng cũng góp phần vào liều hấp thụ trong tế bào

1.4 Thiết bị phát neutron dùng trong xạ trị BNCT:[13][8]

Thiết bị phát neutron dùng trong xạ trị BNCT bao gồm:

Nguồn neutron

Bộ lọc

Hệ thống điều khiển chùm tia

1.4.1 Nguồn neutron:

1.4.1.1 Những nguồn neutron phù hợp với BNCT:

Trong hiện tại khả năng thử nghiệm lâm sàng của BNCT bị giới hạn và chỉ những lò nghiên cứu là được dùng Và một lò phản ứng còn sử dụng vào nhiều việc khác ngoài dùng vào BNCT nên trình trạng quá tải thường hay xảy ra Thêm vào

đó, hầu hết những lò phản ứng thường tách khỏi bệnh viện nên việc thử nghiệm lâm sàng thường gặp nhiều khó khăn.Chính vì những điều này mà một số dự án nhằm

thay đổi những lò phản ứng hiện tại và nhiều nghiên cứu mới về việc thiết lập BNCT trong những bệnh viện đang được tiến hành Những nguồn neutron thỏa mãn mục đích này bao gồm những lò phản ứng chuyên dụng cho BNCT, máy gia tốc neutron và những nguồn Cf252

lò có những ống dẫn tia dài và hẹp thì thường chỉ sử dụng hệ thống lọc neutron Hệ thống lọc neutron chuyển những neutron phát ra từ lò thành những neutron có năng lượng mong muốn bằng chắn những neutron có năng lượng không phù hợp Chính

vì như thế mà hệ thống này làm lãng phí nhiều neutron nên khi sử dụng hệ thống này dòng neutron tới phải lớn Nếu làm một so sánh về dòng neutron ra phụ thuộc vào công suất lò phản ứng thì hệ thống làm chậm cho tỉ số dòng neutron trên công suất lò lớn hơn so với hệ thống lọc Vì thế trong xạ trị BNCT người ta thường kết hợp cả hai hệ thống lại với nhau để đạt dòng neutron phù hợp nhất

1.4.1.3 Lò phản ứng nhanh:

Trong khi đa số lò phản ứng dùng vào xạ trị BNCT đều là lò phản ứng nhiệt thì những lò phản ứng nhanh cũng được sử dụng xuất phát từ nhu cầu sử dụng neutron nhanh phát ra từ tâm lò Ngoài ra, một lò phản ứng nhanh sẽ cho tỉ số dòng neutron trên công suất lò lớn hơn một lò phản ứng nhiệt có cùng công suất Thêm vào đó chỉ cần lò phản ứng nhanh có công suất cỡ 5KW là có thể sinh ra lượng

neutron nhiệt đủ để xạ trị BNCT.Với công suất thấp và tâm lò đặc lò phản ứng nhanh thực sự là một lựa chọn tốt để dùng vào xạ trị BNCT Tuy nhiên, lò phản ứng nhanh cần phải làm giàu nhiên liệu Uranium cao.Thêm vào đó kinh nghiệm ứng dụng vào xạ trị BNCT của lò phản ứng nhanh còn hạn chế nên làm hạn chế khả năng ứng dụng của nó

Để khắc phục những hạn chế của lò phản ứng nhiệt so với lò phản ứng nhanh người ta gắn thêm vào lò phản ứng nhiệt hệ thống chuyển đổi phân hạch nhằm làm tăng tỉ số dòng neutron trên công suất lò

Hệ thống chuyển đổi phân hạch bao gồm nhiều thanh nhiên liệu nằm theo hàng nhằm hấp thụ những neutron nhiệt rồi phân hạch cho ra hàng loạt neutron nhanh sau đó được làm chậm và lọc

1.4.1.4.Thiết kế cho lò phản ứng dùng trong BNCT tương lai:

Một lò phản ứng dùng trong BNCT phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

3 Có tích hợp bộ đo kích hoạt neutron-gamma dùng đo những phân

bố cực nhỏ của Bo trong máu

4 Có một chùm tia neutron nhiệt có thể dẫn vào xạ nghiên cứu trên những tế bào thử nghiệm, những con thú nhỏ thử nghiệm hay dùng vào thử nghiệm việc điều trị những khối u nông

Với những đặc điểm như vậy mà việc thiết kế một lò phản ứng mới vừa an toàn vừa phù hợp với xạ trị BNCT là hoàn toàn khả thi.Tuy nhiên, để thiết lập một lò phản ứng chuyên dụng cho BNCT thì nhân tố quan trọng

nhất là sự đồng ý của cộng đồng và theo nhận định của một số chuyên gia thì cái giá phải trả cho một lò phản ứng mới loại này là 5 đến 7 triệu Euro, với loại cũ là 2 đến 4 triệu Euro

1.4.1.5 Máy gia tốc dùng trong BNCT :

Máy gia tốc đƣợc dùng xạ trị BNCT bởi các lí do:

1 Cộng đồng tán thành hơn lò phản ứng vì độ an toàn cao

2 Ít rắc rối trong việc đăng kí giấy phép, những giải trình và xử lí rác thải nhiên liệu hạt nhân

Tuy nhiên, kĩ thuật làm máy gia tốc dùng trong BNCT không phải đơn giản Máy gia tốc sử dụng sóng cao tần là một thiết bị đầy triển vọng dùng gia tốc dòng proton có thông lƣợng cao và năng lƣợng vƣợt ngƣỡng 1,88MeV cho phản ứng Li7

(p,n) Be7 Neutron phát ra không cần làm chậm nhiều nhƣ neutron phát

ra từ lò

 Ví dụ về máy phát neutron sử dụng Cyclotron U-120M:

Hình 1.1: Sơ đồ máy phát neutron sử dụng Cyclotron U-120M

Proton sẽ được tạo ra từ máy gia tốc LA-OM bằng cách gia tốc hạt nhân nguyên tử Hidro Sau đó proton sẽ được gia tốc tiếp tục khi chuyển đến máy cyclotron U-120M cho đến khi đạt năng lượng khoảng vài chục Mev thì bắn ra đập vào bia mang hạt nhân nhẹ như H2, D2, Li tạo phản ứng hạt nhân sinh neutron năng lượng đơn năng khoảng 4-30 MeV, cường độ 108

neutron / xung.s Và sau đó được làm chậm đến năng lượng dùng xạ trị bằng cách cho dòng neutron đi qua bộ lọc

1.4.1.6 Nguồn Califonium:

Nguồn Cf252

có cường độ neutron rất phù hợp với xạ trị BNCT Tuy nhiên, nguồn phải được thay thế thường xuyên do thời gian bán rã của đồng vị này là 2,6 năm Thêm vào đó, khối lượng cần thiết cho một đơn đặt hàng là 1g là rất khó đạt được

1.4.2 Sơ lược về một bộ lọc đơn giản dùng trong BNCT:

Hình1.2: Sơ đồ buồng lọc

Trong đó:

 Core là tâm lò phản ứng

 Cd sheets là những tấm chắn Cadium

 Port là cổng ra của neutron sau khi qua bộ lọc

Neutron phát ra từ lò có nhiều nhóm năng lượng gồm: neutron nhanh,neutron trên nhiệt và neutron nhiệt Khi qua lớp Al, Al2O3 và các tấm Cadmium neutron nhiệt sẽ bị hấp thụ, neutron nhanh bị làm chậm chỉ cho ra những neutron có năng lượng trong khoảng trên nhiệt Đồng thời các lưới PolyB, Bi hay Pb sẽ hấp thụ tia gamma (từ lò phát ra hay do phản ứng giữa Cadium và neutron nhiệt), và các electron phát xạ phát ra từ lò Các neutron trên nhiệt sẽ qua khe chiếu (port)

ra ngoài

Nếu cần dùng neutron nhiệt để xạ trị ta có thể rút những tấm Cadium hoặc thay bộ lọc bằng hệ thống làm chậm là một bồn nước lớn chứa D2O

1.4.3.Hệ thống tụ tiêu chùm neutron:

Mục đích của xạ trị là ta phải cho liều vào khối u là tối đa ngược lại liều vào

mô lành xung quanh phải tối thiểu Ở đây cũng vậy, chùm neutron phát ra có khuynh hướng khuyếch tán ra môi trường do đó ta phải tụ tiêu chùm tia lại bằng hệ thống collimator Do chùm neutron phát ra có năng lượng thấp nên dễ dàng lệch khỏi quĩ đạo do quãng đường từ nguồn neutron đến bệnh nhân nên ở đây ta cần khoảng 2->3 collimator để nắn dòng gồm collimator trong cùng, collimator trung gian và collimator bên ngoài Nhằm đạt lượng neutron tia là lớn nhất và đảm bảo an toàn cho bệnh nhân

Do những vấn đề như vậy nên bệnh nhân được đặt vào sát đầu máy theo đúng trướng chiếu đã định sẵn thông qua hệ thống lập kế hoạch điều trị

Các collimator ở đây là được chế tạo đặc biệt dùng cho BNCT có thể chiếu tia ở các góc = 00 ; 300 ; 450 ; 600 ; 900 ; 1200 ; 1800

Do tính chất đặc biệt của xạ trị BNCT khác với những phương pháp xạ trị khác collimator làm bằng Uranium nghèo nên ở đây collimator làm bằng chì và parafin với axit Boric

1.5 Phương pháp gắn Bo vào khối u:[12]

1.5.1 Hợp chất thuốc dùng trong BNCT:

Đặc tính:

 Không độc hại với cơ thể

 Dễ truyền vào cơ thể

 Định dạng chính xác tập trung vào khối u

BPA-fructose

o Nồng độ thấp nhất trong khoảng 10-30 g/g khối u nhưng trong mô lành hay trong máu không được vượt quá 5 g/g Theo đó, ta có thể tính lượng thuốc cần thiết bằng cách định lượng khối u trong bệnh nhân

1.5.2 Cách đưa hợp chất gắn Bo vào nhân tế bào:

Thông thường người ta thường tiêm hợp chất ấy vào người bệnh nhân theo đường tĩnh mạch

Cơ chế hoạt động của hợp chất Bo có 8 bước:

1 Hợp chất BPA-fructose được hấp thụ bởi các thành phần tự do của tế bào gọi là ligand liposome

2 Những ligand liposome này có ái lực với một thành phần trên màng của tế bào ung thư đóng vai trò như một enzim sinh học nên chúng kết hợp với nhau thông qua liên kết hóa học

3 Sau khi kết hợp các ligand liposome này xâm nhập vào bên trong tế bào ung thư

4 Trong tế bào liên kết giữa phân tử Bo với ligand liposome bị phá vỡ

5 Khi tế bào ung thư phân chia các phân tử Bo được khuyếch tán khắp nơi trong tế bào bệnh

6 Các phân tử Bo xâm nhập vào nhân tế bào bệnh

7 Khi hạt nhân Bo bắt neutron nhiệt

8 Các hạt nhân Bo10 đã bắt neutron nhiệt bắt đầu phân hạch tạo ra hạt alpha và hạt nhân Litium làm rối loạn trao đổi chất của tế bào và làm đứt AND dẫn đến tế bào bệnh chết

Hình 1.3 : Cơ chế hoạt động của hợp chất tải Bo1.6 Điều kiện xạ trị BNCT:

Để phương pháp xạ trị thành công cần thiết phải có hai điều kiện:

1 Điều kiện về nguồn neutron:

o Thông lượng neutron trên nhiệt : 108

đến 1013 neutron/Cm2.s

o Thông lượng dòng neutron phải ổn định

o Dòng neutron phát ra phải đơn năng

2 Điều kiện về thuốc:

o Thuốc phải đảm bảo đúng liều nồng độ thấp nhất khoảng:

10->30g/g khối u

o Hợp chất tải Bo phải được hấp thu hoàn toàn vào khối u

Mối quan hệ giữa hai điều kiện trên:

Nhƣ ta biết số phản ứng BNC nhiều hay ít phụ thuộc vào nồng độ Bo trong nhân tế bào và lƣợng neutron nhiệt bị bắt bởi hạt nhân Bo.Nhƣng không phải vì lí

do đó mà ta tăng thông lƣợng neutron hay nồng độ thuốc quá cao vì nhƣ vậy không bảo đảm an toàn cho bệnh nhân

Số lƣợng neutron nhiều cũng quá nguy hiểm vì những phản ứng của chúng trong các mô lành

Lƣợng thuốc Bo cũng không thể quá cao vì nếu nồng độ Bo vƣợt quá giới hạn hấp thụ của khối u thì lƣợng Bo không đƣợc hấp thụ sẽ còn trong máu hay trong những mô lành nhƣ thế thì quá nguy hiểm cho những mô lành nếu chúng cũng bắt neutron nhiệt

Vì vậy, để xạ trị BNCT thành công thì đòi hỏi phải chọn lƣợng thuốc và lƣợng neutron phù hợp nhất Và cả hai phải đồng bộ với nhau về lƣợng

Ngoài ra, còn phải thực hiện tốt tất cả các khâu của qui trình xạ trị nhằm đạt hiệu quả điều trị tốt nhất và an toàn cho bệnh nhân lẫn nhân viên bức xạ