Đánh giá độ ổn định các thông số vật lý chùm tia trường chiếu bất đối xứng của máy gia tốc xạ trị elekta tại bệnh viện quân y 103

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Lại Thị Định ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ CHÙM TIA TRƯỜNG CHIẾU BẤT ĐỐI XỨNG CỦA MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ ELEKTA TẠI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lại Thị Định

ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ CHÙM TIA TRƯỜNG CHIẾU BẤT ĐỐI XỨNG CỦA MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ ELEKTA

TẠI BỆNH VIỆN QUÂN Y 103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lại Thị Định

ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ CHÙM TIA TRƯỜNG CHIẾU BẤT ĐỐI XỨNG CỦA MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ ELEKTA

TẠI BỆNH VIỆN QUÂN Y 103

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60 44 01 06

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS NGUYỄN DANH THANH

Hà Nội - 2015

LỜI CẢM ƠN

Bài luận văn này là kết quả học tập và nghiên cứu của tôi tại trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội và tại Trung tâm ung bướu và Y học hạt nhân Bệnh viện Quân y 103

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô và đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường đại học khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ, nhân viên Trung tâm Ung Bướu và

Y học hạt nhân - Bệnh viện Quân y 103 đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, công tác và hoàn thành luận văn này

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Danh Thanh – Chủ nhiệm Bộ môn Y học hạt nhân – Học viện Quân y, người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người thân, gia đình và bạn

bè đã luôn ủng hộ, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong cuộc sống cũng như trong học tập để em có điều kiện tốt nhất hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2015

Lại Thị Định

1

MỞ ĐẦU

Xạ trị hay ứng dụng bức xạ ion hoá vào điều trị ung thư đã được bắt đầu

từ những năm đầu của thế kỷ XX, khi người ta dùng kim Radium phóng xạ cắm vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư Qua nhiều giai đoạn phát triển, cho đến những năm 1950 máy xạ trị Cobalt-60 đã được ứng dụng chiếu xạ ngoài điều trị ung thư đạt hiệu quả tốt Trong vài ba thập kỷ vừa qua, máy gia tốc y học (LINAC) đã trở thành thiết bị chiếm ưu thế trong điều trị ung thư bằng bức xạ ion hoá Hiện tại nó đã trở thành công cụ hữu hiệu không thể thiếu trong xạ trị ung thư

Xạ trị cùng với phẫu thuật và hoá trị trở thành 3 phương pháp chính thống điều trị ung thư Ước tính có trên 40% tổng số bệnh nhân ung thư được

xạ trị [5] Ở những nước tiên tiến như Mỹ, Anh có tới trên 60% bệnh nhân ung thư được điều trị bằng xạ trị

Hiện nay, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện được trang bị máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị ung thư Các máy gia tốc được lắp đặt tại các cơ sở xạ trị đều thuộc thế hệ mới, công nghệ hiện đại do đó chúng ta có thể thực hiện các kỹ thuật xạ trị tiên tiến như xạ trị 3 chiều theo hình dạng khối u (3-D CRT), xạ trị điều biến liều (IMRT) Vấn đề khó khăn mà các cơ sở xạ trị trong quá trình phát triển, khi được đầu tư thiết bị hiện đại đó là đội ngũ kỹ

sư, kỹ thuật viên được đào tạo còn hạn chế, các tài liệu về thiết bị gia tốc xạ trị chưa nhiều, sự hiểu biết chưa đủ để đáp ứng nhu cầu khai thác, sử dụng các thiết bị một cách hiệu quả, nhất là trong những năm tiếp theo

Trước đây, kỹ thuật xạ trị chủ yếu thực hiện với các trường chiếu có độ

mở của ống chuẩn trực chùm tia đối xứng qua trục trung tâm, trường chiếu bất đối xứng chỉ được sử dụng trong một số trường hợp Tuy nhiên, với các

kỹ thuật xạ trị hiện đại trên máy gia tốc thế hệ mới, các trường chiếu bất đối xứng được sử dụng khá phổ biến, tạo thuận lợi rất lớn trong thao tác kỹ thuật

và phân bố liều lượng xạ trị cho bệnh nhân

2

Việc đảm bảo độ ổn định các thông số vật lý chùm tia điều trị từ máy gia tốc là hết sức quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác trong phân bố liều lượng cho bệnh nhân, giảm tác dụng không mong muốn, nâng cao hiệu quả điều trị

Tuy nhiên, trong quy trình thu thập dữ liệu chùm tia làm ngân hàng dữ liệu để lập kế hoạch điều trị trên máy gia tốc chỉ có các trường chiếu đối xứng Chính vì vậy, được sự giúp đỡ của Trung tâm Ung Bướu và Y học hạt

nhân - Bệnh viện 103, chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu đề tài: “Đánh giá độ

ổn định các thông số vật lý chùm tia trường chiếu bất đối xứng của máy gia tốc xạ trị ELEKTA tại bệnh viện Quân y 103” Mục đích đề tài luận

văn:

1/ Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý máy gia tốc tuyến tính xạ trị ELEKTA, quy trình thu thập dữ liệu chùm tia (commissioning) trên máy gia tốc xạ trị 2/ Nghiên cứu các đặc tính vật lý của chùm photon trường chiếu bất đối xứng trên máy gia tốc xạ trị ELEKTA

Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn này được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan, đề cập đến cơ sở sinh học và vật lý ứng dụng

trong xạ trị, phương pháp và thiết bị xạ trị, đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý và cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính xạ trị nói chung và máy gia tốc ELEKTA nói riêng Tìm hiểu về quy trình thu thập dữ liệu chùm tia làm ngân hàng dữ liệu cho lập kế hoạch điều trị Tìm hiểu về các thông số vật lý cơ bản của chùm tia và việc ứng dụng các trường chiếu bất đối xứng trong kỹ thuật xạ trị

Chương 2: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu, mô tả hệ thống máy

gia tốc ELEKTA và các thiết bị liên quan, phương pháp tiến hành đo đạc thực nghiệm thu thập dữ liệu các chùm tia trong đề tài

Chương 3: Kết quả và bàn luận, đánh giá phẩm chất chùm tia trường

chiếu bất đối xứng qua các thông số vật lý phân tích từ dữ liệu chùm tia như:

độ sâu liều cực đại, độ đối xứng, độ bằng phẳng và vùng bán dạ

3

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa và ứng dụng trong xạ trị

1.1.1 Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa

Bức xạ ion hoá bao gồm các bức xạ hạt nhân như tia alpha, tia beta, tia gamma và bức xạ tia X, bức xạ hạt như neutron, proton Bức xạ ion hoá tác dụng lên hệ thống sống theo cơ chế trực tiếp và gián tiếp Tác dụng trực tiếp xảy ra khi năng lượng bức xạ ion hoá được các phân tử sinh học hấp thu, gây

ra hiệu ứng nhất định, tổn thương về cấu trúc, chức năng, là tiền đề cho tổn thương tiếp theo Còn tác dụng gián tiếp là thông qua sự hình thành gốc tự do (GTD), đặc biệt là GTD hình thành từ sự phân ly phân tử nước Trong cấu trúc mô sinh học, nước chiếm gần 80% khối lượng tế bào và có vai trò rất quan trọng Dưới tác dụng của bức xạ ion hoá, các GTD hình thành do phân

ly phân tử nước sẽ tác dụng lên màng tế bào, tác dụng lên các phân tử sinh học, làm sai lệch cấu trúc, rối loạn thông tin trên những phân tử sinh học, vật chất di truyền và tế bào GTD là nguyên nhân của các quá trình bệnh lý, ung thư, lão hoá

Gốc tự do hình thành còn do tác động của môi trường sống như sự ô nhiễm kim loại nặng, hoá chất, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, độc tố gây ung thư, các tia năng lượng cao (phóng xạ) GTD nội sinh (OH.

) liên tục gây đột biến gen,

sự phân chia tế bào không được kiểm soát, phát sinh ung thư [1]

Tác dụng của phóng xạ tương tự tác dụng của những chất độc sinh ra trong hô hấp tế bào, chỉ khác ở chỗ là trong hô hấp tế bào, các GTD sinh ra ở

ty thể và vùng lân cận nên tác hại thường khu trú ở ADN và enzym ở ty thể; còn với phóng xạ, GTD sinh ra cả ở nội bào cũng như ngoại bào, nên hậu quả

sẽ nặng nề hơn

Gốc tự do thường tấn công vào các acid béo không no, do các nối đôi là nơi giàu các điện tử mà chúng muốn chiếm lấy Màng sinh học chứa nhiều acid béo chưa no là nơi bị các GTD tấn công tạo ra phản ứng dây chuyền làm tan rã cấu trúc màng Nếu không bị ngăn chặn, màng tế bào sẽ bị tấn công và

4

phá huỷ Ngoài các protein trên màng với vai trò receptor, kháng thể hay enzym vận chuyển các chất qua màng cũng khá nhạy cảm với GTD Các GTD hình thành: L , HOO. , LO. , OH. , H. , LOO. gây tổn hại màng tế bào, rối loạn cân bằng nội môi, phá huỷ cấu trúc màng, peroxyt hoá lipit màng lan truyền, biến đổi các protein màng, thay đổi tính thấm, tính đàn hồi, khả năng trao đổi chất của màng tế bào Bơm Na+

-K+-ATPaza bị tổn thương bởi HO2’

dẫn đến phù tế bào Rối loạn hằng định nội môi của Ca++ làm rối loạn trao đổi ion qua màng, dẫn đến giảm ATP GTD còn phá huỷ tế bào bằng cách tấn công vào ADN và lysosom làm các enzym từ lysosom giải phóng và tiêu huỷ ngay chính tế bào hay phá huỷ tế bào bằng cách kết hợp các protein với nhau trong một quá trình gọi là sự liên kết chéo, làm các phân tử đông vón lại với nhau không đảm nhận được chức năng sinh lý bình thường [1], [7]

Những tác động trường diễn của GTD lên hệ thống miễn dịch có thể dẫn tới hậu quả trên diện rộng: khi GTD bắt đầu huỷ hoại màng tế bào, các chất của quá trình viêm như các prostaglandin được giải phóng, những chất này áp chế hệ miễn dịch, giảm đề kháng với nhiễm trùng và ngay cả với bệnh viêm thoái hoá, bệnh tự miễn và ung thư Trong khi bảo vệ cơ thể, chính bạch cầu cũng bị chết và giải phóng ra hàng loạt GTD, làm suy giảm, sai lệch hệ thống miễn dịch Sức đề kháng cơ thể do đó ngày càng giảm

Các tổn thương phóng xạ có thể xét theo các mức độ khác nhau: mức phân tử, mức tế bào và mức toàn cơ thể

- Mức độ phân tử:

Đặc điểm của các phân tử sinh học là có kích thước lớn, thường bao gồm nhiều liên kết hoá học Khi chiếu xạ, năng lượng bức xạ truyền trực tiếp hoặc gián tiếp cho các phân tử, có thể phá vỡ các liên kết hoá học hoặc phân li các phân tử sinh học, làm mất các thuộc tính sinh học của chúng

Quan trọng nhất là tổn thương phân tử chất liệu di truyền ADN ADN

bị tổn thương do cả tác dụng trực tiếp và gián tiếp Thành phần cấu trúc cơ bản của nhiễm sắc thể là ADN, tổn thương nhiễm sắc thể xuất phát từ tổn thương ADN Đột biến xảy ra khi trình tự hoặc số lượng các nucleotide trong

5

genom ADN bị thay đổi Sự biến đổi này có thể là biến đổi số lượng

(trisomy-tam bội; monosomy-đơn bội; mosaic) và cấu trúc của nhiễm sắc thể (mất đoạn, chuyển đoạn, đảo đoạn ) Nếu bộ nhiễm sắc thể mang một trong

những biến loạn này thì sẽ có biểu hiện kiểu hình dị dạng hoặc sẩy thai liên tiếp, nếu di truyền cho thế hệ sau thì con sinh ra sẽ bị dị tật bẩm sinh [7]

Các bức xạ ion hóa như neutron, hạt alpha gây đứt gãy đôi cao hơn và gây nên biến loạn nhiễm sắc thể nặng nề hơn so với tia X và tia gamma

Biến đổi gen do thay đổi cấu trúc của các phân tử ADN tạo ra các gen biến dị Gen biến dị bền vững, tự nhân đôi và truyền lại cho các tế bào ở lần phân chia tiếp theo Hầu hết những gen đột biến đều có hại cho cơ thể

- Mức độ tế bào:

Sự biến đổi các đặc tính của tế bào có thể xảy ra ở trong nhân và nguyên sinh chất sau chiếu xạ Các tổn thương phóng xạ lên tế bào có thể làm cho tế bào chết do tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất; kìm hãm hoặc ngăn cản sự phân chia tế bào; làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết hoặc bị biến đổi chức năng; gây đột biến gen, đó là do các tổn thương sau đó có thể làm mất hoặc sắp xếp lại các vật chất di truyền trên phân

tử ADN Kết quả là làm chết tế bào Đây là quá trình quan trọng nhất trong ứng dụng bức xạ ion hóa điều trị ung thư

- Tổn thương ở mức toàn cơ thể:

Hội chứng phóng xạ cấp hay “Hội chứng phóng xạ toàn thân” ở động

vật có vú được đề cập đến khi cơ thể bị chiếu xạ ngoài với liều lớn trong một thời gian ngắn (thông thường cỡ ít phút) và trên một diện tích khá rộng, bởi tia X hoặc tia gamma hoặc bức xạ neutron

Thương tổn chủ yếu ở tủy xương, dạ dày-ruột hoặc thần kinh tùy thuộc liều lớn hay nhỏ Nếu bị chiếu liều >1 Gy sẽ thấy buồn nôn, nôn trong những giờ đầu Nếu bị chiếu >2Gy có thể chết Bị chiếu với liều >8Gy thì khả năng sống được rất ít Liều gây tử vong 50% nằm trong khoảng 3 - 5 Gy Bệnh diễn biến trong vòng 2 tháng, kết quả là tử vong hoặc hồi phục Trong phạm vi từ 3-10 Gy, biến chứng nhiễm khuẩn rất nguy hiểm, thường chết vì nhiễm

6

khuẩn Bệnh nhân cần được điều trị tích cực và để nằm trong môi trường vô khuẩn nhằm tránh bị nhiễm trùng thứ phát Với liều cao trên 10Gy thì ruột bị thương tổn nặng, tử vong đến rất nhanh trong vòng 3-5 ngày

Những người làm việc với phóng xạ ít khi bị chiếu với liều lớn đến mức gây tổn thương phóng xạ cấp Thường chỉ khi xảy ra tai nạn lò nguyên tử mới có nạn nhân bị chiếu liều cao Bình thường có thể bị chiếu xạ dài ngày ở mức độ thấp

Biểu hiện của tổn thương sớm trên một số cơ quan:

+ Máu và cơ quan tạo máu: lympho và tuỷ xương là những tổ chức

nhạy cảm cao với bức xạ Giảm lympho xảy ra trong vài giờ sau chiếu xạ Tế bào lympho trực tiếp bị phá huỷ, cả trong máu lưu hành và trong hạch, lách, tuyến ức Mức độ tổn thương và thời gian kéo dài của tổn thương phụ thuộc vào liều chiếu và thời gian chiếu Bạch cầu giảm với liều chiếu thấp 0,1Gy, tiểu cầu và hồng cầu giảm ở liều cao hơn, tương ứng là 0,5Gy Sự hồi phục có thể đạt được vài tháng sau chiếu xạ Các tế bào tạo máu trong tuỷ xương, kể

cả nguyên hồng cầu đều nhạy cảm với phóng xạ Xét nghiệm máu thấy giảm

số lượng lympho, bạch cầu hạt, tiểu cầu và cả hồng cầu Biểu hiện lâm sàng là các triệu chứng xuất huyết, phù, thiếu máu

+ Hệ tiêu hoá: nhạy cảm nhất với phóng xạ ở niêm mạc ruột non, sau

đó ở vòm miệng, lưỡi, tuyến nước bọt, dạ dày Gan kém nhạy cảm với phóng

xạ Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ruột, gây các triệu chứng như

ỉa chảy, sút cân, giảm sức đề kháng cơ thể, nặng có thể gây loét, xuất huyết tiêu hoá, xơ hoá, hoại tử

+ Da: khá nhạy cảm với phóng xạ, bị chiếu liều trung bình hoặc liều cao cấp tính gây triệu chứng giống như bỏng: viêm đỏ, ứ dịch, sạm đen, loét, hoại tử Tuy nhiên, sự hồi phục của da tương đối tốt nên liều chí tử đối với tế bào biểu bì cao hơn tế bào hệ tạo máu 10 lần

+ Cơ quan sinh dục: nhạy cảm với phóng xạ Có nhiều tinh trùng bị tiêu diệt ở liều 0,5 -1Gy Bị chiếu xạ cấp liều 5-6Gy có thể gây vô sinh lâu dài ở

KẾT LUẬN

7

Bản luận văn đã trình bày các kết quả nghiên cứu tóm lược về các khái niệm cơ bản trong xạ trị, đi sâu tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy gia tốc xạ trị ELEKTA, tập trung khảo sát, đánh giá các đặc trưng và phẩm chất của chùm tia photon bất đối xứng với các trường chiếu khác nhau

Phần thực nghiệm đã tiến hành đo đạc, phân tích dữ liệu của các chùm tia chuẩn đối xứng và bất đối xứng bao gồm: 6x6, 10x10 và 20x20cm Mỗi kích thước trường bất đối xứng được thiết kế thành bốn trường có độ đối xứng khác nhau Dữ liệu theo chiều ngang được tiến hành đo tại 5 độ sâu khác nhau từ zmax đến 30cm với cả hai mức năng lượng 6 và 15MV Từ dữ liệu thu được đánh giá độ ổn định, phù hợp và đảm bảo của các thông số vật

lý chùm tia trường chiếu bất đối xứng so với trường chuẩn

Kết quả thực nghiệm nghiên cứu, đo xác định các thông số vật lý chùm photon 6MV và 15MV trường chiếu bất đối xứng trên máy gia tốc xạ trị ELEKTA tại Trung tâm Ung bướu và Y học hạt nhân - Bệnh viện 103, chúng tôi nhận thấy:

- Với các trường chiếu nhỏ 6x6 và 10x10cm:

+ Tại độ sâu zmax, 5 và 10cm: các thông số vật lý chùm tia như độ sâu liều cực đại (zmax), độ bằng phẳng, độ đối xứng và vùng bán dạ đều ổn định, các giá trị đều phù hợp và nằm trong tiêu chuẩn giới hạn

+ Tại độ sâu 20 và 30cm: các thông số vật lý chùm photon ít ổn định hơn, một số giá trị lớn hơn tiêu chuẩn giới hạn, đặc biệt là các trường chiếu có

độ bất đối xứng qua trục trung tâm lớn như trường 1, trường 4

- Với trường chiếu bất đối xứng lớn 20x20cm:

+ Độ sâu liều cực đại của photon 6 MV ổn định, các giá trị đều phù hợp

và đạt tiêu chuẩn của nhà sản xuất Tuy nhiên, với photon 15 MV, độ sâu liều cực đại ở 2 trường 1 và 4 nhỏ hơn tiêu chuẩn giới hạn

+ Độ bằng phẳng và vùng bán dạ tại độ sâu zmax và 5cm đều đạt tiêu chuẩn cho phép; tại các độ sâu lớn hơn 10, 20 và 30cm có nhiều giá trị lớn hơn tiêu chuẩn giới hạn, tại trường 1 và 4 kém ổn định hơn