Tìm hiểu kĩ thuật xạ trị IMRT

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3D-CRT Three dimensional conformal radiotherapy: xạ trị 3 chiều theo hình dạng khối u CT Computed tomography: chụp cắt lớp CTV Clinical target volume: thể t

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên xin cảm ơn gia đình và tất cả cán bộ bộ môn vật lý hạt nhân đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và hoàn thành khóa học 4 năm của mình Sau đó, em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Cẩm Thu tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bài tiểu luận này Em cũng gửi lời cảm ơn tât cả các bạn sinh viên cùng khóa

đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và thực hiện khoá luận này Trong bài tiểu luận này, em đã trình bày phần nào những hiểu biết của mình về đề tài mà em đã chọn Tuy đã cố gắng trong khả năng của mình, bài tiểu luận này có thể còn nhiều thiếu sót mong quý thầy cô và các bạn góp ý, sửa chữa Xin chân thành cảm ơn

Sinh viên làm tiểu luận Trần Minh Hoàng

MỤC LỤC

Lời cảm ơn………i

Mục lục……… … ii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt……… v

Danh mục các hình vẽ đồ thị……….vii

LỜI MỞ ĐẦU………1

CHƯƠNG 1 SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ……… ….… 2

1.1 Về sự ra đời của các kỹ thuật xạ trị……… ….………2

1.2 Những phương pháp xạ trị đầu tiên và những cải tiến của chúng vào đầu thế kỷ 20……….……… …….….3

1.2.1 Các phương pháp xạ trị vào đầu thế kỷ 20……….….………… … ….….…3

1.2.2 Những cải tiến về kỹ thuật trong giai đoạn đầu…… … ……… …….…….3

1.3 Những phương pháp chiếu xạ hiện đại hơn……….……… … 4

1.3.1 Xạ trị bằng chùm tia ngoài………….….……….………….…….4

1.3.1.1 Máy Betatron……… …… ……… …….…… 4

1.3.1.2 Máy xạ trị Cobalt-60……….……… … ……… 6

1.3.1.3 Máy gia tốc thẳng……… ….………… …… …….… 6

1.3.1.4 Gamma knife và xạ phẫu định vị…….………… ………… ……….…… 7

1.3.1 5 Công nghệ kỹ thuật số và chuẩn trực chùm tia… ……… … …… 7

a Xạ trị theo hình dạng khối u……… …… ……… ……… ……8

b Xạ trị điều biến liều IMRT…….…… ……… ….………….… 8

1.3.1.6 Xạ trị dùng tia proton…….……… ………… 8

1.3.2 Xạ trị bằng nguồn phóng xạ kín (xạ trị áp sát)………….……… … … …9

1.3.3 Tia xạ chuyển hóa, kết hợp chọn lọc ………….………….… …… … … 9

CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT XẠ TRỊ VÀ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ IMRT TRONG XẠ TRỊ……… 11

2.1 Cơ sở để triển khai kĩ thuật IMRT……….………… 11

2.2 Nguyên lí của kĩ thuật IMRT……….………… 12

2.2.1 Thế nào gọi là kĩ thuật xạ trị IMRT…… ……… …… ….…… 12

2.2.2 Ưu điểm của IMRT……… ….…… ….….13

2.2.3 Các phương án để biến đổi cường độ chùm tia……….….…….….…14

2.3 Lập kế hoạch xạ trị trong IMRT……… … ……… … 15

2.3.1 Bài toán kế hoạch xuôi……….……….…….…… ……15

2.3.2 Bài toán kế hoạch ngược……….……… … …16

2.3.2.1 Thế nào là bài toán ngược ?.……… ………….…….… 16

2.3.2.2 Quá trình tối ưu hoá thông số mục tiêu của bài toán ngược………… … 17

2.3.3 Mô hình tối ưu hoá……… ……… ………… …….… 20

a Theo liều lượng……… … 20

b Theo hiểu biết lâm sàng……….……… ………… … 21

c Theo liều đồng nhất tương đương……… ……… … ….22

d Theo xác suất kiểm soát……… ……… … ……23

CHƯƠNG 3 HÀM MỤC TIÊU CHO MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA… … ……24

3.1 Mô hình tối ưu hoá theo liều lượng…… ……….….….… ….24

3.1.1 Hàm mục tiêu trong mô hình này……….…….… ……… 25

3.1.1.1 Công thức về mặt toán học……….………… … ….…25

3.1.1.2 Các cơ sở để xây dựng công thức……….…….………… …… 27

3.1.2 Những mục tiêu để xây dựng hàm……….……… … ….….27

3.1.2.1 Mục tiêu cho liều lượng……….……….… … 28

3.1.2.2 Mục tiêu cho liều lượng - thể tích……… ………….… 29

3.1.2.3 Mục tiêu về EUD……….……….………… ….….31

3.2 Trọng số cho việc kết hợp các hàm mục tiêu……… … … 32

3.3 Thuật toán tối ưu hoá cho độ mở của trường chiếu……….… … … 33

3.3.1 Thuật toán DAO………… ……… ……….… … 33

3.3.2 Quá trình tối ưu hoá cho thuật toán JO DAO.……… …… … 34

Kết luận……… ……… ….36

Tài liệu tham khảo……….……… …… 37

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

3D-CRT (Three dimensional conformal radiotherapy): xạ trị 3 chiều theo hình dạng khối u

CT (Computed tomography): chụp cắt lớp

CTV (Clinical target volume): thể tích bia lâm sàng

DAO (Direct aperture optimazation): tối ưu hoá độ mở trường chiếu

DICOM (Digital imaging and communications in medicine): hình ảnh kỹ thuật số và truyền thông trong y học

DNA (Deoxyribo nucleic acid): vật chất di truyền

DVH (Dose volume histogram): biểu đồ liều lượng thể tích

EUD (Equivalent uniform dose): liều tương đương sinh học

HDR (High dose rate): suất liều cao

IGRT (Image guided radiation therapy): xạ trị dưới hướng dẫn của hình ảnh

IMRT (Intensity modulated radiation therapy): xạ trị điều biến cường độ

MLC (Mutileaf collimator): ống chuẩn trực đa lá

MRI (Magnetic resonance imaging): chụp cộng hưởng từ

LDR (Low dose rate): suất liều thấp

PET (Positron emission tomography): chụp cắt lớp bằng positron

PRV (Planning risk volume): Thể tích các tổ chức nguy cấp

PTV (Planning target volume): Thể tích lập kế hoạch điều trị

Real ART (Real time adaptive radiation therapy): xạ trị thích ứng theo thời gian thực

SPECT (Single photon emission computed tomography): chụp cắt lớp bằng photon đơn sắc

JO-DAO (Jaw only direct aperure optimazation): tối ưu hoá độ mở trường chiếu dành cho lá ngàm độc lập

JO-IMRT (Jaw only intensity modulated radiation therapy): xạ trị điều biến liều dùng lá ngàm độc lập

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1: Sự khác nhau về phân bố liều lượng từ các phía khác nhau trong

IMRT……….12

Hình 2.2: So sánh liều lượng bức xạ giữa 3D-CRT và IMRT……… 13

Hình 2.3a: Các bản đồ phân bố liều lượng tạo bởi jaws……… 14

Hình 2.3b: Các bản đồ phân bố liều lượng tạo bởi MLC……… ……15

Hình 2.4: Các trường chiếu được tạo nên từ những chùm đơn vị rồi ghép lại thành bản đồ phân bố cường độ biến thiên theo yêu cầu điều trị………18

Hình 2.5: Phương pháp JO-IMRT chồng chập các trường chiếu nhỏ được tạo ra các lá ngàm (jaws) thành bản đồ phân bố cường độ……… ……… 19

Hình 2.6: Sơ đồ tối ưu hoá trong kỹ thuật IMRT……….………… 20

Hình 2.7: Hình biễu diễn mô hình ngưỡng Baglan - Robertson cho nguy cơ ngộ độc cấp tính ruột non……… 21

Hình 3.1: Bản đồ phân bố cường độ được chia thành nhiều phần nhỏ……….…….26

Hình 3.2: Biểu đồ liều lượng chiếu xạ phần vú……….29

Hình 3.3: Đồ thị mục tiêu liều lượng thể tích……….…… ……31

LỜI MỞ ĐẦU

Lịch sử xạ trị bắt đầu từ khi con người khám phá ra những đặc tính của bức xạ hạt nhân Sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật và công nghệ đã góp phần thúc đẩy các phương pháp và các kỹ thuật xạ trị ngày một hiện đại hơn Hiện nay, dù ngành y học

có nhiều phương pháp để điều trị bệnh ung thư nhưng xạ trị vẫn là một phương pháp phổ biến và chiếm vị trí quan trọng trong nền y học hiện đại

Trong phương pháp xạ trị bằng chùm tia phát ra từ máy gia tốc, các kỹ thuật xạ trị cho đến nay bao gồm: kỹ thuật phân bố hai chiều (2-D), kỹ thuật xạ trị theo hình dạng khối u (3D-CRT), xạ trị điều biến cường độ (IMRT), xạ trị theo hướng dẫn (IGRT), xạ trị thích ứng theo thời gian thực (Real ART), xạ trị cắt lớp, xạ trị hạt nặng, xạ trị áp sát,…

Hiện nay ở nước ta chỉ có bệnh viện Bạch Mai đã ứng kỹ thuật IMRT với nhiều ưu điểm hơn so với kỹ thuật hiện tại đang sử dụng phổ biến ở các bệnh viện là 3D-CRT Bài tiểu luận này sẽ giới thiệu sơ lược về những kỹ thuật xạ trị đã được ứng dụng và tập trung chủ yếu về kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ JO-IMRT

Nội dung của tiểu luận gồm 3 chương:

Chương 1: Sự ra đời và phát triển của các kỹ thuật xạ trị Chương đầu tiên này sẽ sơ lược về các kỹ thuật xạ trị đã được ứng dụng và các máy móc, dụng cụ trong các kỹ thuật đó

Chương 2: Kĩ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT Phần này sẽ trình bày tổng quan về kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT, các cơ sở và các mô hình tối ưu trong việc lập kế hoạch xạ trị IMRT

Chương 3: Hàm mục tiêu cho mô hình tối ưu hoá Chương này sẽ trình bày về hàm mục tiêu trong quá trình tối ưu hoá và thuật toán tối ưu hoá JO-IMRT

CHƯƠNG 1 SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC KỸ

THUẬT XẠ TRỊ 1.1 Về sự ra đời của các kỹ thuật xạ trị

Khi nhắc đến căn bệnh ung thư người ta thường nghĩ ngay đến các phương pháp xạ trị , hoá trị và phẫu thuật trong y học Vậy xạ trị ra đời khi nào ?

Cách đây hơn 100 năm sau khi Roentgen phát hiện ra tia X và việc phát hiện các đặc tính phóng xạ tự nhiên của Becquerel, vào năm 1896, một bé gái 5 tuổi đã được điều trị bệnh nấm tóc nơ vi (nevus pigmentous pilosus) bởi Freund ở Vienna được coi là trường hợp xạ trị đầu tiên Nhưng trước đó cũng có một báo cáo ở Hoa

Kỳ của một tác giả tên Emil Grubbe về việc dùng tia X cho một phụ nữ ung thư vú

và một người khác bị lao da đầu Sau đó vào tháng 7 năm 1896, Despeignes ở Pháp thông báo về việc điều trị ung thư dạ dày Niels Finsen, một bác sĩ Đan Mạch đã xuất bản một bài báo về việc dùng các tia xạ trong điều trị và kết quả của việc chữa trị bệnh lupus bằng tia cực tím trong cùng năm đó Một năm sau, tại Thụy Điển lại

có báo cáo về việc chữa trị bằng tia X của Thor Stenbeck Tiếp sau đó, cũng đã xuất hiện nhiều báo cáo tương tự trong việc dung phóng xạ để chữa trị Như vậy từ khi tia xạ và các đặc tính của nó được khám phá ra, nó đã bước đầu được dùng nhiều trong việc điều trị và mở ra một hy vọng về biện pháp chữa trị mới vào thời bấy giờ

Lí do cho việc sử dụng rộng rãi tia xạ là bản thân tia xạ có những khả năng ứng dụng lâm sàng: điều trị tại những vùng bệnh mà phương pháp phẫu thuật không làm được, khả năng phân bố liều lượng chính xác trên vùng bệnh, phân chia liều lượng theo thời gian, mức độ mong muốn và hiệu quả về mặt kinh tế Vì vậy tia xạ đã trở thành phương pháp tối ưu để điều trị ung thư, mặc dầu trong một khoảng thời gian (từ năm 1905 đến năm 1910) nó được xem là nguy hiểm và khó thay thế cho phẫu thuật Mà nguyên do cho việc này là sự xuất hiện một vài báo cáo về hậu quả biến chứng nặng hơn của một số bệnh nhân hay nó vô dụng trong việc điều trị bệnh lao (một mối quan tâm vào lúc đó) Từ đó theo sau sự phát triển của ứng dụng tia xạ là

ngành khoa học ứng dụng lâm sàng của tia xạ cùng sự xuất hiện của những máy

chiếu xạ đã ra đời và phát triển cho đến nay

1.2 Những phương pháp xạ trị đầu tiên và những cải tiến của chúng vào đầu thế kỷ 20

1.2.1 Các phương pháp xạ trị vào đầu thế kỷ 20

Một phương pháp xạ trị đầu tiên và cũng là phổ biến cho đến hiện nay là chiếu

xạ ngoài.Thời kì đầu thế kỷ 20, kỹ thuật chiếu xạ chủ yếu là dùng những nguồn radium hoặc ống phát tia X với catod lạnh Cách chữa trị đầu tiên này được ghi nhận

là thành công lần đầu ở Anh và Nga Nhưng hạn chế của kỹ thuật này vào thời đó là suất liều của chúng thấp và hiệu quả không cao do liều lượng cũng chỉ đạt được ở bề mặt da Vào năm 1913, William Coolidge đã cải tiến ống phát tia X bằng cách dùng catod sợi đốt thay thế cho catod lạnh nên đã cho công suất cao hơn (140 KV vào lúc mới tạo ra đến 300KV vào năm 1920) Đặc điểm của loại ống này là có thể tạo suất liều theo cường độ dòng catod hoặc điện thế áp vào ống Tuy vậy nó cũng không khắc phục được nhược điểm liều lượng chỉ đạt ở bề mặt

Để khắc phục nhược điểm trên, lúc đó có một phương pháp chiếu xạ khác là dùng radium cho vào các ống nhỏ bằng kim loại hoặc các mảnh kính được ép chặt Sau đó, chúng được đưa vào trong khối u hoặc vùng cần chiếu xạ Ngoài ra còn một cách khác là dùng muối radium pha loãng tiêm vào vùng bệnh Đây được xem là những phương pháp điều trị “xạ trị áp sát” đầu tiên

Nói chung những vấn đề của các phương pháp xạ trị buổi đầu là làm sao đạt được suất liều tối ưu ở vùng bệnh sâu trong cơ thể một cách chính xác mà không gây nguy hại cho các mô xung quanh và giảm thời gian điều trị

1.2.2 Những cải tiến về kỹ thuật trong giai đoạn đầu

Ngoài việc thay thế catod lạnh bằng catod sợi đốt, Coolidge còn đưa vào sử dụng anode xoay mà mục đích nhằm ngăn ngừa sự phá huỷ của anode khi bị các

chùm electron đập vào liên tục (hầu hết năng lượng chùm electron bị chuyển thành nhiệt năng khi va đập) cũng như cho phép tạo ra cường độ dòng mạnh hơn để cho suất liều cao hơn Đến giai đoạn sau, các biến áp cao tần được cải tiến tạo ra những nguồn điện áp cao và xoay chiều giúp nâng cao suất liều Năm 1930, tạo ra nguồn điện áp 600KV và đạt tới 1000KV vào năm 1944; các máy hoạt động bằng biến áp cộng hưởng trở nên phổ biến từ đó [1]

Năm 1930, máy gia tốc tĩnh điện Van de Graaff được chế tạo có thể tạo ra các loại hạt và những chùm ion năng lượng cao Nguyên lí của nó được áp dụng để chế tạo các máy gia tốc có điện áp lên tới 2 megavolt (2MV) vào năm 1960

1.3 Những phương pháp chiếu xạ hiện đại hơn

1.3.1 Xạ trị bằng chùm tia ngoài

Là việc sử dụng các chùm tia ngoài mang năng lượng cao cỡ KeV hay thậm chí lên đến MeV, chẳng hạn như tia X, tia gamma để bắn phá khối u Đây là kỹ thuật được áp dụng từ lúc bắt đầu ứng dụng chiếu xạ Ở đây chúng ta sẽ nói về các máy chiếu xạ tia X, tia gamma

1.3.1.1 Máy Betatron

Cuối thập niên 1930, Donald Kerst đã phát minh ra máy betatron có thể tạo ra những nguồn electton có năng lượng hàng triệu volt Nó gồm một cuộn dây sơ cấp quấn quanh một nam châm điện lớn có một dòng điện xoay chiều với tần số 100Hz

để gia tốc dòng electron chạy trong một ống thuỷ tinh hình vòng xuyến được hút chân không [1] Chúng có thể tạo được các chùm tia năng lượng đạt tới vài triệu volt

do các electron chuyển động trong vòng tròn và phát năng lượng theo chu kỳ (bức

xạ tắt dần) Máy betatron là loại máy xạ trị năng lượng cao đầu tiên Tuy nhiên chúng rất thô và cồng kềnh và vẫn cho suất liều thấp dù tạo ra chùm tia X năng lượng cao cho nên trường chiếu của chúng chỉ có thể làm phẳng bởi các bộ lọc kích

thước nhỏ Máy betatron cũng không thể sửa đổi thành máy quay có cấu hình đồng tâm được nên đến đầu những năm 1990, chúng cũng ngừng hoạt động

Sự tập trung liều lƣợng và máy quay đồng tâm

Như đã biết, một vấn đề cơ bản của việc xạ trị là điều trị những khối u nằm sâu trong cơ thể Khi điều trị như vậy, bề mặt da luôn chịu một liều cao trong khi khối u lại chịu một suất liều thấp hơn dẫn đến việc điều trị không hiệu quả cũng như gây ảnh hưởng đến các tế bào khoẻ mạnh Nếu tăng năng lượng chùm tia sẽ có suất liều cao hơn, khoảng cách điều trị xa hơn nhưng kích thước hình học tăng lên làm nảy sinh nhiều vấn đề khác Vì vậy phương pháp điều trị sử dụng nhiều trường chiếu cắt nhau có thể làm tăng suất liều tại các độ sâu khác nhau ra đời và nhanh chóng trở thành phương pháp cơ bản để đối phó với các khối u sâu Phương pháp này cơ bản

là sử dụng nhiều trường chiếu cắt nhau, bao gồm sử dụng những chùm tia trực tiếp

có trọng số và góc độ khác nhau hoặc quay những chùm tia theo một cung xác định hay trên một vòng tròn

Ban đầu, để quay một chùm tia theo cung hoặc đường tròn xác định với một nguồn tia X chiếu thẳng, người ta phải thay đổi tư thế bệnh nhân Nhưng như vậy dễ gây ra sai sót hình học nên về sau xuất hiện loại máy quay quanh trục nguồn và loại máy quay quanh một điểm trong không gian (điểm đồng tâm) gọi là “máy quay

đồng tâm” Các máy dạng đồng tâm có ưu điểm lớn về tính chính xác cấu hình

Chúng tạo ra một điểm ngắm trong khối u mà từ nguồn các chùm tia sẽ hội tụ lại tại

đó, vừa đạt suất liều điều trị vừa khắc phục được vấn đề về khoảng cách Về sau ý tưởng này được mở rộng cho việc sử dụng nhiều trường chiếu khác nhau được phân

bố theo góc của cung hay vòng tròn

Đây là một tiến bộ căn bản trong thiết kế vào cuối những năm 1970, và sẽ ảnh hưởng đến hầu hết các máy gia tốc xạ trị sau này

1.3.1.2 Máy xạ trị Cobalt-60

Ngoài việc sử dụng các máy gia tốc làm nguồn xạ trị, người ta có thể sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ như Iridium-192, Caesium-137 và Cobalt-60 Máy xạ trị nguồn Cobalt-60 đã được sản xuất trong máy gia tốc cyclotron vào đầu năm 1940

ở Anh bởi đề xuất của Mitchell để thay thế nguồn radium (vốn không hiệu quả trong điều trị) và đã trở nên phổ biến vào những năm 1950

Máy xạ trị Cobalt-60 chủ yếu dùng nguồn phóng xạ Cobalt-60 đặt trong một ống xi lanh được bao bọc trong một lớp vỏ kim loại Nguồn được đặt trong một lớp

vỏ kim loại bảo vệ và che chắn phóng xạ với một thiết bị dẫn nguồn tới ống chuẩn trực để phát tia gamma lâm sàng Nguồn phóng xạ Cobalt-60 chủ yếu tạo ra các tia gamma có mức năng lượng 1,17 MeV; 1,33 MeV và trong quá trình tương tác chúng lại tạo ra các bức xạ electron thứ cấp có phổ năng lượng rộng tương đương với tia X bức xạ hãm trong máy gia tốc 2,8 triệu volt Do Cobalt-60 có hoạt độ riêng tương đối cao nên có khả năng tạo suất liều cao hơn máy betatron và cũng thích hợp cho kỹ thuật chiếu đồng tâm Nhược điểm của nó là cường độ không đủ mạnh để có thể làm phẳng chùm tia dẫn đến không thể tạo được độ đồng dạng tốt về liều lượng; chu kì bán huỷ là 5,3 năm nên suất liều hằng tháng giảm đi 1%; độ đâm xuyên thấp

và liều trên bề mặt da cao Cho nên đến năm 1970, người ta dần thay thế chúng bằng các máy xạ trị gia tốc

Hiện nay Cobalt 60 thường được dùng làm nguồn phát tia xạ trong xạ trị áp sát, dùng cho các loại thiết bị HDR (high dose rate) và cả LDR (low dose rate) Những hãng đi đầu trong việc chế tạo máy xạ trị loại này là Siemmens, Picker, Varian

1.3.1.3 Máy gia tốc thẳng

Để khắc phục những hạn chế của máy gia tốc betatron và máy xạ trị Cobalt-60, người ta đã phát triển những máy gia tốc thẳng dùng trong y tế (Linac y tế) Các máy gia tốc thẳng gia tốc electron nhờ lực điện mạnh hơn hẳn các máy gia tốc vòng

bị giới hạn bởi từ trường duy trì các electron trên quỹ đạo cong Chúng cho ra các

dòng electron năng lượng rất lớn và liên tục Tại Trung Tâm Gia Tốc Thẳng Stanford, SLAC, người ta đã tạo ra một năng lượng electron lên tới 50 GeV

Các Linac y tế sử dụng chùm electron và chùm photon từ 4 đến 25 MeV Độ tin cậy, tính linh hoạt và tính chính xác của các tia bức xạ được sản xuất từ các linac

y tế đã thay thế phần lớn các loại máy xạ trị Cobalt như là loại máy chủ yếu Linac

xạ trị để điều trị ung thư não và bắt đầu điều trị bệnh nhân đầu tiên vào năm 1953 tại Bệnh viện Hammersmith, London, là một máy megavolt được xây dựng bởi Metropolitan Vickers

1.3.1.4 Gamma knife và xạ phẫu định vị

Là một thiết bị phân bố theo mạng hình cầu sao cho các nguồn trên đó hội tụ tại một điểm để tiêu diệt các khối u cũng như các tổ chức ung thư kín nằm ở vị trí khó phẫu thuật hay không thể phẫu thuật Bằng công nghệ tạo ảnh kỹ thuật cao có thể xác định chính xác vị trí của tổ chức cần tiêu diệt từ đó chiếu xạ theo các hướng khác nhau vào vị trí khối u cùng một lúc với một liều lượng nhất định nằm trong giới hạn chịu đựng của các mô mềm xung quanh để tiêu diệt hoàn toàn khối u Việc điều trị bằng thiết bị này được gọi là “xạ phẫu định vị”

1.3.1 5 Công nghệ kỹ thuật số và chuẩn trực chùm tia- collimator

Với cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật vào những năm 1980, các máy thế hệ mới đã sử dụng những bộ vi xử lí thông minh tốc độ lớn cho phép hoạt động theo chế độ phức tạp và được điều khiển qua mạng cũng như công nghệ tự động hoá Ngoài ra sự kết hợp với các kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh CT, MRT v v đã nâng cao độ tin cậy của các máy xạ trị

Collimator là một bộ phận quan trọng của máy xạ trị Các tia X bức xạ hãm sau khi được tạo ra phải đi qua một hệ collimator sơ cấp để giới hạn chùm tia Tiếp sau

đó là hai bộ collimator hình khối, vuông góc với nhau tạo thành cặp đối xứng, gọi là

“jaw”, để tạo thành trường chiếu hình vuông hoặc hình chữ nhật có kích thước điều

chỉnh được [3] Từ những năm 1970-1980, các tiến bộ khoa học kỹ thuật đã chế tạo

được collimator tự động có các “jaw” chuyển động không đối xứng, độc lập với

nhau Đến những năm đầu 1980, việc cải tiến kỹ thuật đã dẫn đến sự ra đời của hệ collimator nhiều lá-MLC được điều khiển tự động bằng máy tính trong kỹ thuật xạ trị theo hình dạng khối u và xạ trị điều biến liều IMRT

a Xạ trị theo hình dạng khối u

Từ những dữ liệu của chuẩn đoán hình ảnh, người ta sử dụng MLC để tạo ra nhiều trường chiếu có hình dạng định trước từ những góc độ khác nhau Khi máy quay quanh khối u, nó sẽ tự động điều chỉnh hình dạng trường chiếu thành những chùm tia 2-D theo từng góc độ thân máy

b Xạ trị điều biến liều IMRT

Với kỹ thuật này thông lượng bức xạ 2-D được điều biến theo hình dạng khối u trong khi thân máy cố định dựa trên hệ MLC Do sự khác nhau giữa khoảng cách từ mặt da đến khối u cũng như độ sâu của khối u với khoảng cách từ nguồn đến da, người ta đã sử dụng một loại dụng cụ bù trừ mô (loại dụng cụ này có nhiều tấm hấp thụ nhỏ có độ dày khác nhau) hoặc máy cắt khuôn bù trừ Vì việc sử dụng những dụng cụ bù trừ và máy cắt khuôn rất mất thời gian nên đã xuất hiện ý tưởng tinh sửa chùm tia Kỹ thuật này là điều biến chùm tia theo từ 2-D thành 3-D để liều lượng được giới hạn theo đúng kích thước hình thể khối u [1]

1.3.1.6 Xạ trị dùng tia proton

Xạ trị dùng proton là kỹ thuật dùng bức xạ ion hoá là chùm tia proton được phát ra từ một máy gia tốc hạt Những hạt mang điện proton sẽ tấn công vào DNA của các tế bào ung thư làm giảm khả năng phân chia và tiêu diệt chúng Do khối lượng khá lớn của nó, proton phân tán nhỏ vào phía bên trong mô, chùm tia không

mở rộng nhiều, vẫn tập trung vào hình dạng khối u mà ít gây tổn hại cho các mô lành Để điều trị các khối u ở độ sâu lớn hơn, máy gia tốc proton phải sản xuất ra

một chùm tia có năng lượng cao hơn trong khi để điều trị các khối u gần bề mặt cần

sử dụng năng lượng ít hơn Điều trị bằng proton có đặc trưng là liều sâu lớn nhất tại khối u do đó giảm thiểu liều cho mô lành phía trước và phía sau khối u Vì đỉnh phổ năng lượng của chùm proton hẹp nên để bao trùm toàn bộ khối u, người ta phải kết hợp một số chùm tia với mức năng lượng khác nhau bằng cách sử dụng các bộ lọc đỉnh đặt ở khoảng giữa nguồn proton và bệnh nhân Các máy gia tốc được sử dụng

để điều trị proton thường sản xuất proton có năng lượng trong khoảng 70 đến 250 MeV Bằng cách điều chỉnh năng lượng của các proton trong suốt quá trình điều trị nên hiệu quả về mặt tiêu diệt các khối u là tối đa

Đề nghị sử dụng proton như một phương pháp trị liệu được đưa ra bởi Robert R.Wilson trong một bài báo được xuất bản vào năm 1946 khi ông tham gia vào việc thiết kế các máy gia tốc tại Phòng thí nghiệm Cyclotron Harvard (HCL) Năm 1961, một sự hợp tác bắt đầu giữa HCL và Bệnh viện đa khoa Massachusetts (MGH) để phát triển liệu pháp proton Năm 1990, trung tâm điều trị proton đầu tiên của thế giới được xây dựng tại Trung tâm Y tế Đại học Loma Linda (LLUMC) ở Loma Linda, California

1.3.3 Tia xạ chuyển hóa, kết hợp chọn lọc

Đối với bệnh đau xương hoặc ung thư tuyến giáp và một số loại ung thư khác,

bệnh nhân được uống hoặc tiêm các chất đồng vị phóng xạ, còn gọi là “thuốc phóng

xạ”, (I 131, P32 , Au 198) hoặc kháng thể đặc hiệu có gắn đồng vị phóng xạ để diệt

tế bào ung thư trong quá trình chuyển hóa và kết hợp có chọn lọc

CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ

IMRT TRONG XẠ TRỊ

Như ta đã nói ở chương 1, xạ trị đã trở thành một trong những phương pháp phổ biến dùng để điều trị các khối u Và theo thời gian, các phương pháp xạ trị được cải tiến dần Hiện nay, ở nước ta phương pháp phân bố liều lượng theo không gian 3D-CRT đang được phổ biến Nhưng phương pháp này có sự đồng đều về cường độ chùm tia nên cho dù bệnh nhân được bảo vệ bởi các công cụ làm thay đổi chùm tia, thì các cơ quan kế cận khối u nhất là bên trên và bên dưới khối u cũng không thể tránh khỏi liều có hại một cách tốt nhất được

Để giảm liều có hại một cách tốt nhất (đặc biệt trong trường hợp thể tích khối u không đều), trong những năm 1980 người ta đã phát triển một kĩ thuật tinh vi và phức tạp hơn dựa trên các ống chuẩn trực đa lá (MLC) [7] Phương pháp này tạo ra các chùm liều với cường độ không đồng đều phù hợp với các mô phỏng về thể tích khối u Nó đảm bảo rằng nơi nào, khối u dày sẽ được nhận liều lớn hơn nơi thể tích mỏng, tránh cho các cơ quan quan trọng bên dưới khối u phải nhận liều gây hại Hiện tại, phương pháp này dược dùng để chữa trị các khối u ở đầu, tuyến tiền liệt, phổi, thực quản, cổ tử cung, ngực

2.1 Cơ sở để triển khai kĩ thuật IMRT

Sự phân bố liều lượng theo độ dày mỏng của thể tích khối u đã khiến cho IMRT có thể điều trị được các khối u mà có thể đã được coi là không thể chữa được trong quá khứ do đóng gần các cơ quan quan trọng (nếu sử dụng 3-D CRT chắc chắn các cơ quan quan trọng đó sẽ phải chịu tổn hại ít nhiều) Những loại khối u này là:

- Ung thư và khối u ở đầu, cổ mà khối u thường nằm gần tuỷ sống , tuyến nước bọt

- Ung thư ở tuyến tiền liệt nằm gần trực tràng

- Ung thư phổi mà khi chiếu có thể liên quan tới tim, tuỷ sống, hạch trung thất

- Ung thư thực quản, khi chiếu có thể ảnh hưởng tới phổi

- Ung thư tử cung, thường gặp ở phụ nữ, có liên quan tới bàng quang

- Ung thư vú nằm ở nơi gần tim phổi

Với những loại khối u trên, nếu có thể giảm liều hấp thụ ở mô liền kề và tăng liều hấp thụ ở khối u ta có thể kiểm soát khối u cũng như giảm thời gian điều trị Kĩ thuật này đặc biệt cần thiết khi đối phó với các khối u kháng tia xạ

Tuy nhiên vấn đề mà kĩ thuật này đang gặp phải là sự rò rỉ tia xạ (do tia xạ được phát ra theo mọi hướng nên dù đã định hướng thì ít nhiều trong số chúng vẫn

đi lệch ra ngoài) khiến cho nhiều vùng mô lớn nhận một liều thấp có thể làm tăng sự đột biến của các tế bào lành [1]

2.2 Nguyên lí của kĩ thuật IMRT

2.2.1 Thế nào gọi là kĩ thuật xạ trị IMRT?

Có thể coi kĩ thuật xạ trị IMRT như là một bước phát triển tiếp theo của kĩ thuật xạ trị 3D-CRT Về mặt nguyên lí, kĩ thuật IMRT xuất phát với các trường chiếu như 3D-CRT nghĩa là kiểm soát phân bố liều theo ba chiều nhưng sự phân bố

đó không đều nhau Nói đúng hơn, tuỳ theo mật độ dày mỏng của khối u mà liều chiếu tại khu vực đó cao hay thấp (nghĩa là các liều chiếu trên toàn khối u không đều nhau mà điều biến theo khối u)

Hình 2.1 : Sự khác nhau về phân bố liều lượng từ các phía khác nhau trong IMRT

Từ hình 2.1, ta có thể thấy tuỳ theo độ dày mỏng và sự hiện diện của các cơ quan trọng yếu ở các phía khác nhau, mà liều bức xạ thay đổi Ở những phía khối u nhiều (màu đỏ) liều cao hơn hẳn phía có cơ quan lành trọng yếu (màu xanh)

2.2.2 Ƣu điểm của IMRT

Như đã nói ở những phần trước, một trong những vấn đề của xạ trị là bảo vệ cơ quan lành và trọng yếu Nhưng với phương pháp 3D-CRT, chúng ta chỉ có thể bảo

vệ một phần các cơ quan đó thông qua che chắn, còn với các cơ quan nằm bên dưới khối u theo trường chiếu thì sao? Với kỹ thuật IMRT, để bảo vệ cơ quan đó, cường

độ sẽ được điều biến sao cho liều lượng bức xạ chỉ tác động vào phần khối u bên trên trong quá trình lập kế hoạch điều trị Đó chính là ưu điểm của kĩ thuật này, tạo

ra phân bố liều tốt hơn 3D-CRT

Hình 2.2: So sánh liều lượng bức xạ giữa 3D-CRT (a) và IMRT (b)

Nhìn hình 2.2, ta có thể thấy với 3D-CRT liều lượng khi chiếu tới khối u là như nhau kể cả ở gần cơ quan cần bảo vệ Trong khi với IMRT, hai trường chiếu ở hai bên thì liều lượng hướng tới nơi cần bảo vệ thấp hơn hẳn liều lượng nơi chỉ có

khối u và với trường chiếu ở trên liều lượng ở phía sẽ đi qua cơ quan lành cũng thấp hơn hẳn so với hai bên, dù cùng trường chiếu

Như vậy với IMRT ta có thể tăng liều lượng chiếu để diệt khối u nhưng vẫn bảo vệ được cơ quan trọng yếu

2.2.3 Các cách thức để biến đổi cường độ chùm tia

Tất nhiên, để biến đổi cường độ chùm tia theo phương pháp IMRT, người ta thường thực hiện trên máy gia tốc MLC đa lá Điều này đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới Tuy nhiên, nếu không có MLC đa lá, chúng ta vẫn có thể điều biến cường độ chùm tia bằng cách thực hiện với các máy gia tốc có lá ngàm (jaws) chuyển động độc lập thông qua chồng chập trường chiếu Với kỹ thuật này, cường

độ của trường chiếu được chia nhỏ thành nhiều chùm tia và các chùm tia này lại được chia nhỏ thành nhiều chùm đơn vị Sau đó, dựa theo bản đồ phân bố cường độ chùm tia đã được thiết lập ban đầu, máy tính sẽ tính toán và lập nên các trường chiếu liên tiếp theo các trình tự nhất định theo sự di chuyển vị trí của các lá ngàm Các trường chiếu có hình dạng bất kì (với MLC) hoặc có hình vuông và chữ nhật (với jaws) sẽ chồng chập lên nhau để tạo mô hình liều như bản đồ phân bố đã thiết lập ban đầu [2]

Hình 2.3a: Các bản đồ phân bố liều lượng khi dùng jaws