Nghiên cứu phương pháp tính toán liều lượng chùm bức xạ proton trong điều trị ung thư

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.2: Năng lượng và chu kỳ rã nửa của một số nguồn phóng xạ sử Bảng 3.2: So sánh giữa máy gia tốc hạt thông thường Synclotron/Cyclotron và Máy gia tốc proton bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TẠ THỊ VÂN ANH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIỀU LƯỢNG CHÙM BỨC

XẠ PROTON TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƯ

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới

thầy hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thái Bình - Công ty TNHH Med-Aid

(Med-Aid, Inc Việt Nam) Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Ban Giám Đốc và toàn thể nhân viên Công ty Med-Aid, Inc Việt Nam, đặc biệt, Trung Tâm Vật lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS TS Jan J Wilkens và TS Stefan Schell – Phòng thí nghiệm Quang – Điện tử - Trung tâm Quang Điện Tử Munich - Đại học Công nghệ Munchen, Đức đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện tính toán trên hệ thống

mô phỏng và tối ưu hóa liều lượng Proton

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Đốc và toàn thể các thầy cô giáo trường Đai học Bách Khoa Hà Nội và Viện Vật Lý Kỹ Thuật, TS Nguyễn Hữu Lâm đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè đã luôn ở bên động viên, khích lệ, tạo điều kiện cho tôi học tập tốt

Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2012

Học viên

Tạ Thị Vân Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Ung thư và các phương pháp điều trị

1.1.1 Thực trạng của bệnh ung thư

1.1.1.1 Trên thế giới

1.1.1.2 Ở Việt Nam

1.1.2 Các phương pháp điều trị ung thư

1.2 Xạ trị trong điều trị ung thư

1.2.1 Khái niệm và vai trò của xạ trị trong điều trị ung thư

(3DCRT: Three dimension Conformal RadioTherapy)

1.3.2 Kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ chùm bức xạ

(IMRT: Intensity Modulation RadioTherapy)

1.3.3 Kỹ thuật dựa trên hình ảnh

1.3.4 Xạ trị Proton

CHƯƠNG 2

XẠ TRỊ UNG THƯ BẰNG PROTON

2.1 Lịch sử phát triển của xạ trị proton

2.2 Tính chất của hạt proton

2.2.1 Tiêu hao năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của

Proton – Đỉnh Bragg

2.2.3 Sự tiêu hao năng lượng trong tán xạ Culon của hạt proton

2.2.4 Quãng chạy của proton trong môi trường vật chất

2.3 Hiệu ứng sinh học của điều trị bằng xạ trị Proton

2.3.1 RBE

2.3.2 EUD (Equivalent Uniform Dose)

2.4 Các phương pháp tạo ra chùm tia proton

2.4.1 Phương pháp thường quy

2.4.2 Sử dụng Laser

CHƯƠNG 3

ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG PHÁT TIA PROTON

3.1 Tổng quan

3.2 Điều biến chùm tia

3.2.1 Lựa chọn hướng chiếu

3.2.2 Lựa chọn năng lượng chùm tia

3.2.3 Kích thước và cường độ chùm tia

4.3.2 Xác định yêu cầu của kế hoạch điều trị

4.3.2 Tối ưu hóa

4.4 Tính toán liều

4.4.1 Phương pháp chồng chập (Superposition) cho kế hoạch IMRT

4.4.2 Pencil beam cho kế hoạch IMPT

4.5 Đánh giá kế hoạch điều trị

4.5.1 Các giản đồ liều khối (Dose-Volume Histogram- DVH)

CHƯƠNG 5

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

5.1 Kế hoạch điều trị cho phantom

5.1.1 Điều biến chùm tia photon IMRT

5.1.2 Điều biến chùm tia proton IMPT

5.1.3 So sánh kết quả

5.1.3.1 DVH

5.1.3.2 Phân bố liều

5.2 Kế hoạch điều trị cho một prostate case

5.2.1 Điều biến chùm tia photon IMRT

5.2.2 Điều biến chùm tia proton IMPT

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3D-CRT : Three Dimension Conformal RadioTherapy

AFC : Automatic Frequency Control

CT : Computed Tomography

IAP : In-air Profile

ICRU : International Commission on Radiation Units and Measurement IGRT : Image Guided Radiation Therapy

IMRT : Intensity Modulation RadioTherapy

KERMA : Kinetic Energy Release per Mass

LINAC : Linear Accelerator

PDD : Percentage Depth Dose

PSF : Peak Scatter Factor

RCS : Relative Collimator Scatter

RealART : Real-time Replanning Adaptive Radiation Therapy

RPS : Relative Phantom Scatter

SSD : Source to Surface Distance

TERMA : Total Energy Release per Mass

WHO : World Health Organization

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.2: Năng lượng và chu kỳ rã nửa của một số nguồn phóng xạ sử

Bảng 3.2: So sánh giữa máy gia tốc hạt thông thường

(Synclotron/Cyclotron) và Máy gia tốc proton bằng Laser

39

Bảng 5.1: Các ràng buộc về liều được sử dụng trong phần mềm Prowess

Panther để tạo ra một kế họach điều trị photon IMRT

65

Hình 2.1: Chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên (1929) với bán kính 5

inches tạo ra chùm hạt Proton có năng lượng 80 KeV

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống để chọn năng lượng bằng từ trường được thiết kế

bởi Fourkal và các cộng sự

37

Hình 3.4: Sự khác biệt phân bố liều theo độ sâu PDD giữa máy gia tốc

thông thường và máy gia tốc bằng laser

Hình 4.1: Giao diện ban đầu của phần mềm CERR trên Matlab 41

Hình 4.3: Giao diện chính của phần mềm lập kế hoạch Prowess Panther 42Hình 4.4: Ảnh CT được nhập vào trong hệ thống Panther Panther để

khoanh vùng các thể tích cần được điều trị hay bảo vệ

43

Hình 4.5: Khoanh vùng cho một trường hợp ung thư tuyến tiền liệt 44Hình 4.6: Truy xuất thể tích khoanh vùng từ phần mềm Prowess Panther 45Hình 4.7: Truy nhập ảnh CT và các thể tích cơ quan vào CERR để thực

hiện việc lên kế hoạch điều biến chùm tia proton

45

Hình 4.8: Giao diện của phần mềm CERR sau khi ảnh CT và các cơ quan

được nhập vào vào

46

Hình 4.9: Xác lập hướng chiếu trong Prowess Panther 47

Hình 4.11: Đưa yêu cầu về liều vào khối u cũng như các cơ quan cần được

bảo vệ vào trong hệ thống lập kế họach điều trị Prowess Panther

48

Hình 4.12: Thay đổi code để xác định yêu cầu về liều cho khối u và các cơ

quan cần bảo vệ khi dùng phần mềm lên kế họach điều trị proton CERR

49

Hình 4.14: Phân bố Kernel đối với chùm photon 10MV Các điểm trên cùng

đường đồng Kernel (đường cong đậm nét) sẽ có giá trị Kernel bằng nhau

53

Hình 4.15: Một trường chiếu rộng sẽ được chia nhỏ thành nhiều trường

chiếu nhỏ (pencil beam) cho việc tính tóan liều lượng

54

Hình 4.16: Các đường đồng liều của ung thư tuyến tiền liệt 57Hình 4.17: Đường đồng liều 95% bao quanh khối u cần điều trị 57Hình 4.18 Ví dụ về một DVH vi phân và tích lũy cho thể tích cần được điều

trị

58

Hình 5.1: Phantom với thể tích cần điều trị được khoang vùng màu đó Kế

họach điều trị được thiết lập với một trường chiếu được sử dụng

59

Hình 5.2: Yêu cầu về kế họach xạ trị cho phantom được đưa vào trong phần

mềm Prowess Panther

60

Hình 5.3: Yêu cầu về kế họach xạ trị cho phantom được đưa vào trong phần

mềm CERR dưới dạng giao diện và code

61

Hình 5.4: So sánh DVH của khối u cần điều trị giữa hai phương pháp điều

trị: điều biến chùm tia proton IMPT (liền nét) và điều biến chùm tia photon IMRT (đứt nét)

61

Hình 5.5: So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử

dụng photon IMRT (trái) và proton IMPT (phải)

Hình 5.8: Các ràng buộc về liều được sử dụng trong phần mềm CERR để

tạo ra một kế họach điều trị proton IMPT

65

Hình 5.9: So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử

dụng proton IMPT (trái) và photon IMRT (phải) trên lát cắt dọc

66

Hình 5.10: So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử

dụng proton IMPT (trái) và photon IMRT (phải) trên lát cắt ngang và đứng

66

Hình 5.11: So sánh DVH của khối u cần điều trị giữa hai phương pháp điều

trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét)

67

Hình 5.12: So sánh DVH của ruột thẳng cần điều trị giữa hai phương pháp

điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét)

68

Hình 5.13: So sánh DVH của bọng túi cần điều trị giữa hai phương pháp

điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét)

68

Hình 5.14: So sánh DVH của xương đùi trái cần điều trị giữa hai phương

pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét)

69

Hình 5.15: So sánh DVH của xương đùi phải cần điều trị giữa hai phương

pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét)

69

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xạ trị, xạ trị bằng proton là một hướng đi mới rộng

mở trong tương lai Nhận biết được xu thế cũng như những hiệu quả vượt trội của việc dùng chùm tia Proton trong xạ trị Tôi chọn đề tài nghiên cứu nhằm tiếp cận, tính toán và thử nghiệm công nghệ mới này nhằm góp phần nâng cao hiệu quả điều trị xạ trị cho người bệnh Ung thư

Để tìm hiểu về tính thực tế của điều trị bằng proton, tôi đã triển khai luận văn theo những bước sau:

Sau phần giới thiệu chung và đặt vấn đề ở chương 1, trong chương 2, những vấn

đề cơ bản của việc xạ trị ung thư bằng proton đã được tìm hiểu từ lịch sử phát triển, tính chất vật lý của chùm tia proton, cho đến các phương pháp tạo ra chùm tia proton Việc tìm hiểu này hướng tôi đến việc tìm hiểu phương pháp tạo chùm tia proton dựa trên laser

Với kết quả tìm hiểu được trong chương 2, tôi tiếp tục chuyên sâu vào tìm hiểu đặc tính của hệ thống phát tia proton bằng laser Trong chương 3, tôi chỉ rõ đây là một phương pháp mang tính đột biến trong điều trị ung thư bằng proton và hứa hẹn

sẽ giảm giá thành và tăng sự tiện dụng của điều trị ung thư bằng proton để nhiều bệnh nhân có thể tiếp cận với điều trị này

Để hiểu rõ hơn về việc lập kế hoạch điều tri bằng proton, một hệ thống lập kế hoạch xạ trị sử dụng proton được kết nối và thành lập Chi tiết của hệ thống này được đề cập ở chương 4 Tiếp theo, trên hệ thống này, tôi đã có thể so sánh các liều điều trị giữa hai kế hoạch xạ trị điều biến proton (IMPT) và xạ trị điều biến photon (IMRT) Kết quả của việc so sánh này được trình bày trong chương 5

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu tổng quát về ung thư, các phương pháp chữa trị ung thư Phần cuối chương là tóm tắt nội dung của những chương sau

1.1 Ung thư và các phương pháp điều trị

Thông thường, các tế bào được sinh ra và phát triển cũng như chết đi theo một

cơ chế quản lý chặt chẽ của cơ thể Cơ thể dùng quy luật này để kiểm soát và duy trì

số lượng tế bào ở mỗi cơ quan ở mức ổn định Ngược lại, các tế bào ung thư là các

tế bào bất thường, đuợc sinh ra không dưới sự quản lý của cơ thể và chết theo một

nhịp độ nhanh hơn các tế bào bình thường Ung thư được định nghĩa là sự rối loạn

tế bào, tạo nên sự tập trung một khối lượng lớn tế bào do sự sinh sản qúa nhanh, vượt qúa số tế bào chết đi, hậu quả là khối tế bào này dần dần xâm lấn và tàn phá các mô và các cơ quan của cơ thể sống [1] Sự không cân bằng giữa mức độ sinh

sản ra các tế bào mới và tế bào chết đi là nguyên nhân dẫn đến khối lượng mô ung

thư ngày càng lớn, tạo thành những khối u Có thể chia khối u thành hai loại: khối u lành và khối u ác Khối u lành thường không gây nguy hiểm đến tính mạng người

bệnh và có thể điều trị bằng phương pháp phẫu thuật loại bỏ khối u Những tế bào của khối u ác tính có thể xâm lấm và chèn ép các cơ quan xung quanh làm lan truyền tế bào bệnh Ngoài ra, một số tế bào ung thư còn có thể theo mạch máu và mạng bạch huyết di cư đến những cơ quan mới khác trong cơ thể, bám lại và tiếp tục sinh sôi nảy nở Việc chèn ép cũng như xâm lấn vào những cơ quan giữ chức năng sống như não, phổi, gan, thận khiến các cơ quan này không còn được thực hiện đúng chức năng của nó và dẫn đến gây tử vong cho người bệnh

Hầu hết các ung thư đều có nguồn gốc từ một tế bào bất thường: vì một lý do nào đó, một tế bào bị đột biến, trở nên bất thường, sinh sản hỗn loạn, tạo ra một dòng tế bào ung thư Chỉ có một số ít ung thư xuất phát từ nhiều dòng tế bào trong

một mô bị đột biến do tác động của các gen sinh ung hay thừa hưởng sự bất thường của một số gen do di truyền

Như đã đề cập ở trên, ung thư là căn bệnh liên quan đến sực phát triển không kiểm soát được của các tế bào ung thư Chính vì thế ung thư có thể hiện diện ở bất

kì bộ phận nào của cơ thể chúng ta ngoại trừ những bộ phận không bao gồm tế bào sống như tóc, lông, móng Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có khoảng hơn 100 loại ung thư Dưới đây là một số loại ung thư thường gặp:

Bảng 1.1: Một số loại ung thư thường gặp [1]

Ung thư da Ung thư vú Ung thư đầu cổ mặt Ung thư cổ tử cung Ung thư vòm họng Ung thư thân tử cung

Ung thư thanh quản - Hạ họng Ung thư buồng trứng

Ung thư sàng hàm Ung thư tiền liệt tuyến Các khối u não Ung thư bàng quang Ung thư thực quản Ung thư tinh hoàn Ung thư trực tràng hậu môn Các khối u ở trẻ em

Ung thư tu Ung thư tuyến giáp trạng Ung thư phế quản Ung thư phần mềm

U lympho ác tính Hodgkin và không

• Chất sinh ung thư (carcinogens): Khói thuốc lá là một trong nhưng chất sinh

ung thư nguy hiểm nhất Tuy nhiên không phải ai hút thuốc cũng bị bệnh ung thư cho nên còn có những lý do khác chi phối việc có hay không bị bệnh ung thư

• Tuổi tác: Phần lớn các bệnh ung thư trở nên phổ biến khi chúng ta có tuổi bởi vì

quá trình để một tế bào bình thường trở thành tế bào ung thư cần phải có một khoảng thời gian đáng kể Việc đột biến tế bào có thể xảy ra trong quá trình phân chia tế bào khi tế bào mẹ đã bị ảnh hưởng bởi các chất sinh ung thư Khi chúng ta sống càng lâu thì quá trình phân chia xảy ra càng nhiều vì thế nguy cơ đột biến tế bào xảy ra càng lớn

• Di truyền: Đôi khi chúng ta sinh ra đã có những gen đột biến, những gen đột

biến này có thể phát triển thành tế bào ung thư khi có điều kiện Một số ung thư có tính di truyền cao hơn những ung thư khác, ví dụ: ung thư ruột (colon)

• Hệ thống miễn dịch của cơ thể: Cá nhân có những vấn đề về hệ thống miễn dịch

sẽ có nguy cơ cao mắc bệnh ung thư Nhóm bệnh này có thể bao gồm những người:

sử dụng thuốc để loại trừ sự can thiệp hệ thống miễn dịch, thường thường là trong quá trình cấy ghép các bộ phận trong cơ thể, mắc bệnh AIDS, sinh ra đã có những căn bệnh hiếm gặp ảnh hưởng đến hệ thống miễn dịch

• Thức ăn: Khẩu phần ăn uống cũng gây ảnh hưởng đến khả năng mắc bệnh ung

thư Tuy nhiên cho đến nay những nguồn thức ăn nào gây ra bệnh ung thư vẫn chưa

rõ ràng Người ta khuyên rằng nên ăn nhiều trái cây và rau quả để hạn chế bệnh ung thư

• Môi trường sống: Môi trường sống xung quanh cũng có thể là nguyên nhân gây

ra bệnh ung thư như: khói thuốc lá, ánh nắng mặt trời, nguồn phóng xạ tự nhiên hay

là nhân tạo, các chất độc hại khác

• Virus: virus cũng có thể là một trong số những nguyên do gây ra bệnh ung thư Điều này không có nghĩa là bệnh ung thư có thể lây nhiễm từ người này sang người khác Virus có thể gây ra những biến đổi trong tế bào và vì vậy có thể làm cho tế bào dễ trở thành tế bào ung thư hơn

1.1.1 Thực trạng của bệnh ung thư

1.1.1.1 Trên thế giới [3]

“Căn bệnh có tỉ lệ tử vong hàng đầu và chiếm gần một phần năm tổng các ca tử

vong trên toàn thế giới chính là ung thư”

Ung thư đã và đang trở thành một căn bệnh gây ra tử vong lớn trên toàn thế giới Căn bệnh này tồn tại ở mọi vùng miền trên trái đất, không phân biệt tầng lớp xã hội, không phân biệt lứa tuổi và giới tính Điều đáng nói là hiện nay, vẫn chưa có một biện pháp nào điều trị triệt để căn bệnh này Theo ghi nhận của tổ chức y tế thế giới, mỗi năm trên toàn cầu có khoảng 10,3 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 7 triệu người chết vì căn bệnh này Trong năm 2005, đã có 7,6 triệu người bị chết vì ung thư - chiếm 13% trong tổng số 58 triệu người tử vong trên toàn thế giới Theo thống

kê hơn 70% số ca tử vong do ung thư xảy ra ở các nước có mức thu nhập vừa và thấp

Năm loại ung thư phổ biến nhất thế giới gây tử vong ở nam giới là (theo thứ tự thường gặp): phổi, dạ dày, gan, đại trực tràng và thực quản Tương tự, năm loại ung thư phổ biến nhất gây tử vong ở nữ giới là (theo thứ tự thường gặp): vú, phổi, dạ

dày, gan, đại trực tràng và cổ tử cung

1.1.1.2 Ở Việt Nam

Theo đánh giá năm 1990 tỉ lệ mắc ung thư ở Việt Nam là khoảng 0,133% đối người đã chết vì căn bệnh này Tuy nhiên, mạng lưới chữa ung thư tại Việt Nam hiện còn khá đơn sơ Việc điều trị căn bệnh quái ác này hiện chỉ có ở một vài bệnh viện lớn tập trung ở Hà Nội và TPHCM và một vài cơ sở nhỏ ở tỉnh nhưng trang thiết với nam và 0,0917% đối với nữ Tỉ lệ chết là 0,1059% với nam và 0,0585% với nữ Cũng trong năm này Việt Nam đã có ít nhất 52700 bệnh nhân ung thư mới

và 37700 bị còn vô cùng thiếu thốn

Hình 1.1: Tỷ lệ chuẩn (%)theo giới của các ung thư chủ yếu Ở Hà Nội và Thành

phố HồChí Minh

Hiện nay, người ta ước tính rằng mỗi năm có khoảng 100 - 150 nghìn người mới mắc ung thư và 70 nghìn người chết vì căn bệnh này Một số bệnh ung thư chủ yếu đối với nam giới (gan, phổi, dạ dày, đại trực tràng, tiền liệt tuyến, hốc miệng, vòm hầu, thực quản, Lymphôm , bệnh bạch cầu) và đối với nữ (cổ tử cung, vú, đại trực tràng, phổi, dạ dày, gan, buồng trứng, tuyến giáp, thân tử cung, bệnh bạch cầu) Xạ trị là một trong các phương pháp chủ yếu trong điều trị ung thư Ở Việt Nam có khoảng 40-50% các bệnh nhân ung thư được điều trị bằng xạ trị đơn thuần hoặc kết hợp với phẫu thuật

1.1.2 Các phương pháp điều trị ung thư

Hiện nay có ít nhất ba phương pháp điều trị ung thư: phẫu thuật, xạ trị, và hóa trị Ngoài ra có thể kết hợp các phương pháp để đạt hiệu quả mong muốn Mục đích các phương pháp này là tiêu diệt tế bào ung thư với tổn thương cho tế bào bình thường là nhỏ nhất Tiến bộ về kỹ thuật đã tăng tính hiệu quả, an toàn của các phương pháp, đã làm tăng tuổi thọ trung bình của các bệnh nhân mắc bệnh ung thư Khi một ung thư đã được xác định và có khả năng chữa được thì bác sĩ phải thảo luận với bệnh nhân về tất cả các phương thức điều trị có thể sử dụng

Phẫu thuật: là phương pháp điều trị cổ điển nhất nhưng cũng rất công hiệu đặc

biệt là với ung thư thu gọn ở một phần nào đó của cơ thể Khi phẫu thuật, tế bào ung thư được lấy đi càng nhiều càng tốt Ðôi khi tế bào lành cũng được cắt bỏ để chắc chắn là tế bào ung thư lẫn vào đã được loại hết

Xạ trị: là phương pháp sử dụng bức xạ ion hoá để điều trị ung thư Thông

thường xạ trị được dùng cho ung thư không áp dụng được bằng phẫu thuật hoặc khi

đã phẫu thuật mà vẫn còn e ngại ung thư tái phát Về cơ bản xạ trị được chia ra làm hai loại chủ yếu: xạ trị ngoài (Extener Beam Radiotherapy) và xạ trị áp sát (Brachytherapy)

Hóa trị: là phương pháp sử dụng hoá chất (các loại thuốc đặc hiệu chống ung

thư) để điều trị ung thư Nó được dùng khi ung thư đã lan ra ngoài vị trí ban đầu hoặc khi có di căn ở nhiều địa điểm Có nhiều loại hóa chất khác nhau Mỗi hóa chất có tác dụng riêng biệt với từng ung thư bằng cách làm ngưng sự phân chia của các tế bào dị thường Khi không có sự phân bào thì tế bào ung thư sẽ bị tiêu diệt, khối u teo lại

Các phương pháp kết hợp: ngoài các phương pháp độc lập, để điều trị ung thư

hiệu quả hơn, còn có thể kết hợp các phương pháp với nhau Ví dụ, phẫu thuật kết hợp với xạ trị; phẫu thuật kết hợp với hoá trị; xạ trị kết hợp với hoá trị

1.2 Xạ trị trong điều trị ung thư

1.2.1 Khái niệm và vai trò của xạ trị trong điều trị ung thư:

Khái niệm xạ trị: “Xạ trị là phương pháp sử dụng các loại bức xạ ion hoá để

điều trị ung thư.”[3]

Mục đích của xạ trị:

• Điều trị bệnh ung thư bằng cách tiêu diệt các tế bào ung thư

• Kiểm soát ung thư bằng cách không cho tế bào ung thư phát triển và lan rộng

• Giảm các triệu trứng ung thư như đau nhức

Vai trò của xạ trị trong điều trị ung thư:

Hiện nay ở Việt Nam bệnh ung thư đang có chiều hướng ra tăng với sự xuất hiện ngày càng nhiều của các “làng ung thư” Các phương pháp điều trị ung thư đã được

áp dụng hết khả năng nhưng vẫn chưa có phương pháp nào triệt để

Xạ trị là một phương pháp hay được sử dụng nhất Xạ trị đơn thuần có thể chữa khỏi một số ung thư ở giai đoạn sớm Đồng thời nó còn có thể giúp phòng ngừa hoặc ngăn chặn tái phát tại chỗ và di căn xa bằng cách tiêu diệt các ổ vi di căn Nó giúp làm giảm tế bào ung thư, giảm thể tích của những khối u không thể phẫu thuật, chuyển sang có thể phẫu thuật Ngoài ra, xạ trị thường phối hợp với phẫu thuật

Hình 1.2 Tỷ lệ điều trị ung thư bằng các phương pháp khác nhau

1.2.2 Các phương pháp xạ trị

1.2.2.1 Xạ trị ngoài (External Beam Radiotherapy)

Xạ trị ngoài (hay xạ trị từ xa): là phương pháp sử dụng máy (máy phát tia-x,

máy xạ trị Cobalt-60, máy gia tốc tuyến tính) để hướng chùm bức xạ năng lượng cao vào nơi bị ung thư đã được xác định theo các trường điều trị nhất định

Các thiết bị sử dụng: Các máy phát tia-X 150 kV và 300 kV (chủ yếu điều trị

ung thư da và khối u nông); Máy xạ trị Cobalt-60 phát tia gamma với 2 mức nămg lượng 1,17 MeV và 1,33 MeV (trung bình là 1,25 MeV điều trị hiệu quả các khối u nông); Máy gia tốc phát electron, proton, photon, notron, với nhiều mức năng

lượng Hiện nay, người ta thường sử dụng các Linac phát photon và electron điều trị hiệu quả hầu hết các loại khối u

1.2.2.2 Xạ trị áp sát (Brachytherapy)

Xạ trị áp sát: là kỹ thuật điều trị mà khoảng cách giữa nguồn phóng xạ và các tế

bào ung thư là rất nhỏ Nguồn bức xạ được đưa vào cơ thể ngay hay gần chỗ bị ung thư

Ngoài ra, xạ trị áp sát cũng có thể dùng chất lỏng phóng xạ đưa vào miệng hay tiêm vào cơ thể qua tĩnh mạch (một số tài liệu coi đây là phương pháp thứ ba của xạ trị: tia xạ chuyển hoá kết hợp chọn lọc) Các nguồn xạ trị áp sát được cho dưới bảng sau:

Bảng 1.2: Năng lượng và chu kỳ rã nửa của một số nguồn phóng xạ sử dụng trong

Các thiết bị sử dụng: Các nguồn (ví dụ Radium) thường được chế tạo dưới dạng

hạt phóng xạ và được đưa vào khối u thông qua các ống (tube) hoặc kim (needle)

Hình 1.3 Tấm áp bề mặt và các kim chứa nguồn phóng xạ

Trên thực tế hiện nay, xạ trị trong điều trị ung thư chủ yếu là xạ trị ngoài Trong khuôn khổ luận văn này, tôi sẽ đề cập đến xạ trị ngoài với việc sử dụng chùm photon bức xạ hãm phát ra từ máy gia tốc tuyến tính Do đó để thuận tiện, từ đây khi nói đến xạ trị chúng ta sẽ hiểu đó là xạ trị ngoài

1.3 Những nghiên cứu và kết quả đạt được của xạ trị ung thư

1.3.1 Kỹ thuật xạ trị “thích hợp” ba chiều

(3DCRT: Three dimension Conformal RadioTherapy)

Có thể hiểu rằng kỹ thuật xạ trị thích hợp 3 chiều là các kỹ thuật điều trị dựa trên thông tin giải phẫu 3 chiều, sử dụng phân bố liều thích hợp để tạo ra liều cực đại đến khối u và liều cực tiểu tới các mô lành xung quanh Tuy nhiên, có nhiều trở ngại để đạt được mục đích này Các trở ngại chính bao gồm: sự không chắn chắn trong không gian xâm lấn của khối u; sự thiếu hiểu biết về hình dạng và vị trí chính xác của các cấu trúc thông thường (mô lành); việc thiếu các công cụ cho việc lập kế hoạch và phân phát liều lượng hiệu quả của 3DCRT

Đối với các khối u sâu bên trong, liều tới khối u mong muốn có thể giành được bằng cách sử dụng một sự kết hợp nhiều chùm bức xạ với các hình dạng khác nhau Thông thường hình dạng chùm bức xạ giành được là thông qua việc sử dụng các khối che chắn Khối che chắn được đặt ở giá đỡ ở trên đầu máy điều trị và phải

được thay đổi với mỗi trường chiếu khác nhau, 3DCRT có khoảng 3-5 trường chiếu

do đó việc bố trí chúng đòi hỏi tốn nhiều thời gian

Một hướng tiếp cận 3DCRT khác để chuẩn trực chùm bức xạ đã được phát triển bởi Takahashi [13, 24] Phương pháp này sử dụng một số trường lọc nêm hình chữ nhật Nhờ đó có thể cho phân bố liều tốt, đạt liều cao tại khối u Tuy nhiên nó bị hạn chế bởi sự chuẩn trực các chùm bức xạ hình chữ nhật

Ngày nay, 3DCRT với nhiều trường điều trị, mỗi trường này được tạo hình dạng bởi thiết bị ống chuẩn trực đa lá (MLC: Multi-leaf Collimator) Các MLC được điều khiển bằng máy tính giúp cho việc tạo hình dạng trường điều trị một cách nhanh chóng và hiệu quả Chúng là thiết bị duy nhất không bị các hạn chế trên

1.3.2 Kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ chùm bức xạ

(IMRT: Intensity Modulation RadioTherapy)

IMRT là kỹ thuật phân phát chùm bức xạ đến bệnh nhân theo các trường chiếu

có thông lượng bức xạ không đồng đều Để tạo ra các trường chiếu có thông lượng không đồng đều, có hai kỹ thuật cơ bản sử dụng MLC:

Kỹ thuật thứ nhất, chia trường điều trị ra làm một chuỗi các trường thành phần thích hợp Máy sẽ được hoạt động để phân phát một liều lượng thích hợp cho trường đầu tiên Sau đó các cặp “lá” (leaf) của MLC sẽ được di chuyển đến các vị trí thiết lập khác nhau Điều này sẽ tạo ra một trường chiếu thích hợp mới và máy sẽ lại được bật trở lại để tiếp tục thực hiện việc phân phát liều lượng Kết quả thu được một chuỗi các phần liều lượng Toàn bộ liều lượng theo cách này chính bằng tổng của tất cả các phần liều lượng được phân phát qua mỗi trường chiếu thích hợp trên

Kỹ thuật này được gọi là “chiếu theo bước” (step-and-shoot) hay MLC tĩnh (static MLC)

Kỹ thuật thứ hai là một phương pháp mà ở đó các cặp lá MLC được di chuyển ngay trong khi máy hoạt động Phương pháp này được gọi là MLC động (dMLC: dynamic MLC) Theo đó, các trường điều trị gần như thay đổi một cách liên tục

trong khi máy hoạt động Sự thay đổi này được điều khiển bằng máy tính Vì vậy cần phải có một giải pháp cho việc tính toán các vị trí của lá MLC như là hàm của thời gian Boyer và Straigh đã đưa ra giải pháp liên quan đến mối quan hệ giữa cường độ chùm tia với vận tốc di chuyển của mỗi cặp lá MLC Theo đó, sự thay đổi vận tốc của mỗi cặp lá MLC sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ chùm bức xạ

Từ bản đồ cường độ cho một phân bố liều bất kỳ, máy tính sẽ tính toán rằng để đạt được phân bố đó thì cần chia trường chiếu ra một số các trường điều trị tối ưu Và việc điều trị sẽ tiến hành theo các trường đã tính toán Đây được gọi là “kế hoạch nghịch đảo” (inverse planning)

Hình 1.4 Bốn trường MLC sử dụng trong một ví dụ về Step-and-shoot IMRT

Việc thực thi IMRT trong lâm sàng đòi hỏi ít nhất 2 hệ thống: Một là hệ thống máy tính lập kế hoạch xạ trị để tính toán theo bản đồ thông lượng (không đồng đều), cho kết quả là nhiều chùm bức xạ với các trường thích hợp (các trường này giúp đạt được phân bố liều tối ưu) Hai là, hệ thống phân phát các thông lượng đã được lập

kế hoạch Mỗi hệ thống này phải được kiểm tra kỹ lưỡng truớc khi sử dụng trong lâm sàng

1.3.3 Kỹ thuật dựa trên hình ảnh

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các kỹ thuật mới trong xạ trị đang ngày càng phát triển nhằm cải tiến các kỹ thuật cũ và nâng cao hiệu quả xạ trị Các kỹ thuật mới này tập trung vào việc tăng liều tối đa vào khối u

và giảm liều tối thiểu liều vào các mô lành Hai trong số các kỹ thuật tiên tiến nhất

đó là: xạ trị theo sự chỉ dẫn của ảnh (IGRT: Image Guided Radiation Therapy) và

xạ trị điều biến kế hoạch tức thời (RealART: Real-time Replanning Adaptive Radiation Therapy)

Kỹ thuật xạ trị theo sự chỉ dẫn của ảnh: Để đảm bảo việc cố định bệnh nhân

được chính xác theo từng ngày điều trị Trước mỗi buổi điều trị bệnh nhân sẽ được chụp lại ảnh X-quang Căn cứ trên hình ảnh thu được, bệnh nhân sẽ được cố định một cách chính xác hơn cho mỗi buổi điều trị

Kỹ thuật xạ trị điều biến kế hoạch tức thời: Dựa trên cơ sở của kỹ thuật xạ trị

theo sự chỉ dẫn của ảnh, tuy nhiên kế hoạch xạ trị sẽ được máy tính thay đổi một cách tự động và tức thời Căn cứ vào dữ liệu ảnh CT cũ, máy tính sẽ tự động vẽ lại khối u, các cơ quan lành cần bảo vệ trên dữ liệu ảnh CT mới, đồng thời máy tính cũng sẽ tự động thu hẹp lại trường chiếu và làm lại kế hoạch cho bệnh nhân Bác sỹ

và kỹ sư vật lý chỉ cần theo dõi và đánh giá kết quả máy tính thực hiện để có mộ số hệu chỉnh nhỏ (nếu cần thiết) mà không cần thực hiện toàn bộ quá trình khoanh vùng khối u, các mô lành và quá trình làm lại kế hoạch xạ trị

Nhờ việc thu hẹp dần trường chiếu trong suốt quá trình điều trị, liều lượng sẽ được giảm rất nhiều vào các mô lành Và do đó sẽ làm giảm các tác dụng phụ vào bệnh nhân cũng như nâng cao được hiệu quả điều trị

1.3.4 Xạ trị Proton [15]

Xạ trị Proton là cách dùng tia Proton thay vì dùng tia X Điện tích dương và khối lượng lớn Proton giúp kiểm soát vị trí của Proton dễ dàng hơn trong bệnh nhân nhưng lại ít gây tổn thương cho các mô Proton đi qua nhưng lại có tính phá hủy tế bào tốt ở cuối đường đi của Proton Điều này có nghĩa là xạ trị bằng chùm Proton có thể đưa nhiều phóng xạ đến khối u hơn và giảm những tác dụng phụ đến các mô bình thường gần đó hơn

Proton chỉ có thể được phát ra bởi những máy gia tốc (cyclotron hoặc synchrotron) Các thiết bị dùng cho liệu pháp này hiện nay, do phải trang bị những nam châm cực lớn để tạo ra các hạt năng lượng cao, đồng thời phải có những bức tường bê tông dày để ngăn phóng xạ, nên thường chiếm diện tích lớn cũng như giá đầu tư các thiết bị này lên tới 5-200 triệu USD nên cách điều trị này rất đắt tiền và chỉ có một số ít trung tâm ở Mỹ mới làm được

Xạ trị bằng Proton đã chứng tỏ hiệu quả tốt hơn so với tia X thông thường trong việc chữa trị một số loại bệnh ung thư nhất định như ung thư đầu và cổ, ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt Các chùm tia Proton được điều khiển rất chính xác, bởi vậy chúng không hủy hoại những tế bào khỏe mạnh ở xung quanh khối u và ít gây

ra tác động phụ cho bệnh nhân Các hạt Proton năng lượng cao chậm lại khi đi qua

mô và phân tán tối thiểu qua hai bên và có năng lượng mạnh nhất ở cuối dòng Do

đó, cần có một thuật toán tính toán liều lượng để có thể kiểm soát chiều sâu xâm nhập và hình dạng của các Proton được kiểm soát 3 chiều vừa tương thích chính xác với mục tiêu khối u

Thiết bị xạ trị proton do các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm Lawrence Livemore nghiên cứu có kích thước và giá thành chỉ bằng 1/5 so với những thiết bị hiện đang được sử dụng ở 6 Trung tâm y tế chuyên ngành của Mỹ “Khi thiết bị này được đưa ra thị trường, có lẽ nó là thiết bị trị liệu công nghệ cao đầu tiên có giá cả chấp nhận được”, Ralph de Vere White - Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu ung thư Davis, nơi đã tài trợ để phát triển thiết bị này, nhận định

Thiết bị mới có tên là thiết bị gia tốc, dùng ống là vật liệu cách điện, có thể đặt vừa trong căn phòng dùng cho thiết bị xạ trị thông thường “Mục đích đặt ra là để các bệnh viện có thể thay thế những thiết bị tia X bằng thiết bị proton”, George Caporaso, Giám đốc phụ trách công tác nghiên cứu ở Lawrence Livermore cho biết Caporaso và các cộng sự hy vọng đến cuối năm họ sẽ chế tạo xong một phiên bản nhỏ của thiết bị này, và trong 3 năm tới họ sẽ hoàn thành một nguyên mẫu thiết bị đầy đủ về quy mô Thiết bị này sẽ được thử nghiệm lâm sàng ở Trung tâm Nghiên cứu ung thư Davis

Để tiêu diệt khối u, các proton phải có năng lượng cao cỡ 250 Electron-Von (MeV) Điều này đòi hỏi phải tăng tốc chúng lên bằng cách sử dụng điện trường cường độ cao ở trong một thiết bị gọi là máy gia tốc hạt Trong máy gia tốc có các ống dài vài chục mét để các hạt chạy trong đó nhận được năng lượng cần thiết Các máy trị liệu bằng proton sử dụng một máy gia tốc có ống được uốn thành hình tròn, cho chùm tia chạy theo đường xoắn ốc Để “uốn” chùm tia đòi hỏi phải trang bị những nam châm cực lớn, nặng cỡ vài trăm tấn

Caporaso và các cộng sự đã sử dụng một cách tiếp cận mới để cấp năng lượng cho proton Họ sử dụng một ống làm từ vật liệu cách điện đặc biệt - gồm những lớp kim loại, chẳng hạn như thép không gỉ thay cho chất dẻo, nhờ thế nó có thể duy trì được cường độ điện trường cực cao (100 MV/m) mà không cần làm đoản mạch Điều đó có nghĩa là một ống dài gần 2,5 m có thể tạo ra các proton có năng lượng

250 eV, đủ để tiêu diệt khối u

Một ưu điểm nữa của thiết kế trên là ở chỗ các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát lượng năng lượng mà họ cấp cho chùm tia proton “Các máy gia tốc hạt thông thường đều phải sản ra năng lượng tối đa”, Thomas Mackie - Giáo sư về lý sinh ở Trường Đại học Wisconsin (Mỹ), người đồng sáng lập TomoTherapy - Công ty tiếp thị thiết bị này, cho biết Với những máy như vậy, các bác sỹ khi sử dụng phải làm chậm chùm tia để có thể đưa vào cơ thể bệnh nhân Quá trình này làm phát sinh neutron, bởi vậy những trung tâm xạ trị bằng proton hiện nay đều phải được che chắn bằng những bức tường bê tông dày Điều đó làm tăng thêm giá thành và kích thước của trung tâm xạ trị

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một ống dài 3 mm có thể chịu đựng được điện trường với cường độ 100 MV/m Thành công của công nghệ sẽ phụ thuộc vào nguyên mẫu thiết bị quy mô nhỏ, dài 20 cm, mà hiện họ đang chế tạo Nếu nguyên mẫu này hoạt động được, họ sẽ phải chế tạo tiếp một nguyên mẫu

đủ quy mô để thử nghiệm lâm sàng về độ an toàn và hiệu quả chữa trị ung thư của thiết bị

CHƯƠNG 2

XẠ TRỊ UNG THƯ BẰNG PROTON

Xạ trị ung thư bằng proton là một phương pháp có hiệu quả điều trị cao trong xạ trị ung thư Trong chương này, tôi sẽ trình bày tổng quan về thực trạng về việc sử dụng proton trong xạ trị, tính chất vật lý của chùm tia xạ trị ung thư cũng như cầu

về thiết bị máy móc để triển khai xạ trị ung thư bằng proton

2.1 Lịch sử phát triển của xạ trị proton [15]

Có nhiều phương pháp điều trị để chống lại sự tăng trưởng của các tế bào bất thường trong các khối u Các phương pháp điều trị phổ biến là phẫu thuật, xạ trị, và hóa trị hoặc kết hợp giữa các phương pháp này Tại Thụy Điển, 30% bệnh nhân ung thư được chữa trị bằng phương pháp xạ trị

Xạ trị ngày nay đóng một vai trò quan trọng

trong chữa bệnh và điều trị giảm nhẹ triệu trứng

ung thư Ngày càng có nhiều kỹ thuật phức tạp

được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong xạ

trị, giúp cho phương pháp này ngày càng đóng

vai trò quan trọng trong việc điều trị ung thư

Phương pháp xạ trị được bắt đầu từ cuối thế

kỷ 19, chỉ một vài năm sau khi Wilhelm Conrad

Roentgen phát minh ra tia x-quang vào ngày 08

tháng 11 1895

Ngày nay, xạ trị truyền thống dùng tia X vẫn

còn được sử dụng phổ biến Tuy nhiên, nhược

điểm của phương pháp xạ trị bằng photon đó là liều lượng của photon suy giảm theo hàm mũ, do đó chùm photon tác dụng trong phạm vi rộng nên các mô bình

Hình 2.1 Chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên

(1929) với bán kính 5 inches tạo ra chùm hạt Proton có năng lượng 80 KeV

thường cũng chịu những tác động không nhỏ trong quá trình điều trị dù trong cả những kỹ thuật và thiết bị tiên tiến nhất

Ưu điểm của Proton là phạm vi tương tác của hạt Proton là xác định, vùng tán xạ tương đối nhỏ Proton là một hạt cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử, mang điện tích đơn vị (u) Khối lượng 1.6726231 10-27 kg là khoảng 1800 lần khối lượng của một electron

Năm 1929, Ernest O.Lawrence phát minh ra Cyclotron (ông nhận được giải thưởng Nobel năm 1939 với phát minh này) đã giúp cho việc tăng tốc các hạt mang điện lên tốc độ rất cao

Trong một bài báo khoa học từ năm 1946, Giáo sư Robert Rathbun Wilson, lần đầu tiên đề xuất những lý thuyết của xạ trị bằng cách sử dụng gia tốc proton Trước đây, ung thư điều trị với các phân tử và ion bị hạn chế do công nghệ của các máy gia tốc, nhưng với máy gia tốc năng lượng cao đã mở ra một thời đại mới trong công nghệ điều trị

Wilson đã thảo luận về ưu điểm của tính chất tập trung liều cao tại vị trí đỉnh Bragg của Proton và làm thế nào điều này có thể giảm liều các mô khỏe mạnh xung quanh Những dự đoán của Wilson khẳng định hai năm sau, vào năm 1948, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley Kế hoạch điều trị proton đầu tiên sau đó đã được thực hiện trên bệnh nhân nhạy cảm với hormone ung thư vú có

di căn Mục tiêu xạ đến là tuyến yên (tuyến tùng) để ngăn chặn từ sản xuất hormone kích thích sự phát triển ung thư

Ở Thụy Điển, điều trị liệu pháp proton đầu tiên được thực hiện tại Uppsala năm

1957 sử dụng một chùm Proton rộng

Năm 1961, Phòng thí nghiệm Harvard Cyclotron (HCL), trong đó Wilson đã tham gia thiết kế, bắt đầu hợp tác với Bệnh viện đa khoa Massachusetts (MGH) nhằm mục đích để phát triển liệu pháp proton lâm sàng Nó đã được đóng cửa vào năm 2002 và sau khi điều trị được 9.116 bệnh nhân Các phòng khám bệnh viện đầu tiên dựa trên proton điều trị tại Hoa Kỳ xây dựng vào năm 1990 tại Loma Linda

University Medical Center (LLUMC), California [] Một synchrotron sản xuất proton 250 MeV đã được sử dụng, được thiết kế và xây dựng bởi Fermilab

Ngày nay liệu pháp proton được thực hiện ở một số nước trên thế giới, như có thể được nhìn thấy trong Bảng 2.2

Bảng 2.1 Tỷ lệ thực hiện phương pháp xạ trị proton trên thế giới

Hình 2.2 Bản đồ các trung tâm xạ trị proton trên thế giới

Nếu proton chuyển động với tốc độ chuyển động gần bằng tốc độ chuyển động của ánh sáng, ta có thể tính đến hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng tương đối Cho phép chúng ta nhận được công thức tính độ tiêu hao năng lượng riêng do ion hóa S chính xác như sau:

z - Điện tích của hạt năng

E - Điện tích của electron

me - Khối lượng của electron

Ne - Mật độ electron

v- Vận tốc của hạt proton

I - Thế ion hóa trung bình của nguyên tử môi trường

12 6

13,5 .1, 6.10 13,5 .10

Trong đó: Z – Số thứ tự của chất hấp thụ

Công thức (2-1) gọi là công thức Bethe

Trong trường hợp β « 1 (v « c nghĩa là động năng của hạt không quá lớn) Thì ta có công thức Bohr tính độ tiêu hao năng lượng riêng của hạt do ion hóa sau đây:

2

2 4 2

2

4

ln

e e

4

e A

⎝ ⎠ của các chất khác nhau không nhiều Công thức (2-1) cho ta thấy

độ tiêu hao năng lượng riêng tỷ lệ với mật độ electron của chất hấp thụ, tỷ lệ với bình phương điện tích của hạt z2 và tỷ lệ với (hay là tỷ lệ nghịch với động năng proton) và độ tiêu hao năng lượng riêng (–dE/dx) phụ thuộc rất mạnh vào điện tích

và tốc độ của hạt proton tới Độ ion hóa riêng (số cặp ion sinh ra trên một đơn vị

quãng đường) tăng lên khi tốc độ hạt giảm xuống Đường cong mô tả sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đường đi của hạt trong chất hấp thụ được gọi là đường cong Bragg (xem hình 2.2)

Hình 2.3: Sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đường đi của hạt

Khi tốc độ hạt tăng lên ban đầu tiêu hao năng lượng riêng giảm rất nhanh do dE/dx) thay đổi theo mạnh hơn theo 1 2

(-v hàm vận tốc dưới dấu lôga, tiếp theo lại giảm chậm dần do thừa số lôga bắt đầu tăng lên, đến một động năng cao nào đó trở

đi(v→c), biểu thức lôga có xu hướng tiến tới hằng số và hàm lôga tăng chậm Do vậy hàm S = -dE/dx theo động năng có một cực tiểu (Hình 2-2)

( dE)

dx

−

E

Trong trường hợp v<<c và E=Mv2/2, thì công thức (2-2) có dạng:

Khi hạt proton tới có động năng nhỏ, điện tích của nó có thể bị thay đổi do có thể

nó bắt thêm điện tử của nguyên tử môi trường hoặc bị nguyên tử lấy mất điện tử Nói chung thì điện tích của hạt bị giảm đi vì vậy khả năng ion hóa của hạt bị giảm theo, dẫn đến độ tiêu hao năng lượng riêng S giảm xuống rất nhanh điều này được thể hiện trên đường cong Bragg (Hình 2-1) S không tăng lên như trong công thức (2-1) mà lại giảm xuống đột ngột ở cuối quãng chạy của hạt

Nếu hạt proton tới có động năng lớn khi đi qua môi trường sẽ xẩy ra hiện tượng các nguyên tử ở gần quỹ đạo của hạt bị phân cực, hiện tượng đó làm giảm trường điện

từ tác dụng lên các điện tử ở xa quỹ đạo Hiệu ứng này tỷ lệ với mật độ của chất tức

là mật độ điện tử, do vậy gọi là hiệu ứng mật độ

Để tính đến các hiệu ứng trên, công thức tính sự tiêu hao năng lượng (1-1) có dạng như sau:

Trong đó: δ – Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến hiệu ứng mật độ ở năng lượng cao

U – Hệ số hiệu chỉnh liên quan đến sự giảm khả năng ion hóa ở năng lượng nhỏ

2.2.3 Sự tiêu hao năng lượng trong tán xạ Culon của hạt proton

Khi các hạt proton có năng lượng nhỏ đi vào môi trường vật chất, ngoài hiện tượng tương tác với các điện tử của nguyên tử (ion hóa) chúng còn có thể bị tán xạ

đàn hồi do lực Culon của hạt nhân gây ra (tương tác với hạt nhân) Tương tác này

có thể làm cho hạt proton tới thay đổi năng lượng và hướng chuyển động so với ban đầu

Sự tiêu hao năng lượng riêng của hạt proton do tán xạ đàn hồi trên hạt nhân nguyên tử được tính như sau:

Z - Điện tích hạt nhân môi trường

Mhn - Khối lượng của hạt nhân môi trường (Mhn≈A.mp)

A - Số khối của hạt nhân môi trường

Mp - Khối lượng của proton

2.2.4 Quãng chạy của proton trong môi trường vật chất

Khi hạt proton đi vào môi trường, nó sẽ mất dần động năng trên đường đi và đến khi động năng của hạt bằng không thì hạt dừng lại Như vậy quãng chạy của hạt chính là quãng đường hạt đi được trong môi trường vật chất Quãng chạy phụ thuộc vào động năng ban đầu, khối lượng và điện tích của hạt

Quãng chạy được kí hiệu là R và được tính bằng công thức sau đây:

dE dx

=

−

∫ (2-9)

Trong đó E0 là năng lượng ban đầu của hạt trước khi rơi vào môi trường

Thay (-dE/dx) từ công thức (2-1) vào (2-9) và xét trường hợp (β « 1) ta có:

Nếu ở năng lượng nhỏ thì công thức (2-1) không đúng vì vậy khi tính quãng chạy

R ở các công thức (2-9) và (2-10) sẽ không hoàn toàn chính xác Tính tới điều này, quãng chạy của hạt nặng có điện tích thường được tính theo biểu thức sau đây:

Trong biểu thức này:

Số hạng M2 f v( )

z tương ứng với quãng đường đi được của hạt từ thời điểm đi

vào môi trường đến vị trí mà sự tiêu hao năng lượng riêng tính theo công thức (2-1) không còn đúng nữa

Số hạng D ứng với quãng đường còn lại khi năng lượng của hạt nhỏ Độ lớn của

D được xác định bằng thực nghiệm Trong trường hợp gần đúng ta có thể bỏ qua D Giả sử ta xét hai hạt có khối lượng M1, M2 và điện tích z1, z2, hai hạt có cùng vận tốc ban đầu v1 = v2 = v Xét trong trường hợp gần đúng, áp dụng công thức (2-10) ta có:

(2-12)

Như vậy từ công thức (2-12) nếu biết quãng chạy của một loại hạt ta có thể tính được quãng chạy của hạt kia trong môi trường khi hai hạt đó có cùng tốc độ ban đầu

2 1

m M

chung, độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào tuân theo định luật Bergonie và Tribondeau Định luật phát biểu như sau: “Độ nhạy cảm của tế bào trước bức xạ ion hóa tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỉ lệ nghịch với mức độ biệt hóa của chúng”

RBE = Liều tham chiếu chùm tia phóng xạ/ Liều chùm tia phóng xạ kiểm tra

Trong đó 60Co được dụng là nguồn phóng xạ tham chiếu

Proton có tác dụng sinh học tương tự như photon và nhiều kiến thức từ việc điều trị photon (đặc biệt là phân đoạn điều trị) có thể áp dụng trong điều trị proton

Proton có RBE hơi cao hơn so với chùm tia photon megavoltage (MV) (RBE = 1), giá trị RBE 1,1 thường được sử dụng cho chùm tia proton lâm sàng Do vậy, liều nhận được từ một chùm proton tiêu diệt tế bào nhiều hơn so với liều tương tự nhận được từ một chùm photon Theo một số nghiên cứu giá trị RBE thay đổi từ 1.1 (ở lối vào của chùm tia) và 1,6 (ở đỉnh Bragg) Trong trường hợp này thì quãng chạy của Proton sẽ tăng lên vài mm so với theo lý thuyết Điều này có ảnh hưởng đáng kể phương pháp điều trị và đặc biệt là trên các cơ quan cần bảo vệ gần với vùng điều trị mặc dù hiệu ứng này hiếm khi được thực hiện tại các trung tâm điều trị proton ngày nay

2.3.2 EUD (Equivalent Uniform Dose)

EUD là giá trị liều sinh học chuẩn hóa tương đương Giá trị này là duy nhất đặc trưng cho mỗi cơ quan hoặc cấu trúc sinh học có phân bố liều lượng không đồng nhất trong cơ quan đó

Khái niệm của EUD đã được giới thiệu bởi Niemierko vào năm 1997 Ông cho rằng giá trị liều sinh học chuẩn hóa tương đương được xác định trong một khối u là giá trị liều tiêu diệt cùng một số lượng tế bào như phân bố liều không đồng nhất trong

cơ quan đó Lý thuyết này là dựa trên sự hiểu biết rằng một khối u có chứa một số lượng lớn các thành phần nhân bản vô tính Khi các tế bào này bị chiếu xạ thì các thành phần nhân bản vô tính này bị tiêu diệt theo phân bố Poisson Các khối u phụ thuộc vào số lượng thành phần nhân bản vô tính còn sống sót Nếu một giá trị phân

bố liều lượng tương đương được tính toán sao cho có tác dụng cùng một số thành phần nhân bản vô tính còn sống sót so với liều thực tế thì coi như tác dụng sinh học của liều lượng sẽ là giống nhau Ban đầu, khái niệm này điều này chỉ được áp dụng cho khối u nhưng sau đó cũng được áp dụng đến các mô bình thường và được gọi là

"giá trị tổng quát liều sinh học chuẩn hóa tương đương", gEUD

Khái niệm gEUD về cơ bản giống như EUD, phương trình được dựa trên hệ số tồn tại khả dĩ (SF) và các mô hình tuyến tính bậc hai (LQ)

Một cơ quan có thể được coi như là một khối được phân chia thành từng phần khối lượng đơn vị nhỏ Sự sống sót của thể tích đơn vị này phụ thuộc vào sự sống sót của phần thể tích đơn vị khác theo cơ chế nối tiếp, hoặc song song

Đối với các cơ quan gồm nhiều thành phần nối tiếp gEUD gần với giá trị liều tối

đa trong cơ quan trong khi ở các cơ quan song song, nó tương ứng với liều trung bình vật lý []

Phương trình tổng quát để tính toán gEUD cho cả hai khối u và mô bình thường Nếu phân bố liều là đồng đều ở điểm tính toán:

EUD =

1

a i i

d N

⎝ ∑ ⎠ (2-17) Nếu phân bố liều không đồng đều ở điểm tính toán với thể tích đơn vị chỉ chứa vùng quan tâm (Region of interes, ROI):

xạ, và di là năng lượng hấp thụ của phần thể tích i

- Giá trị a là hệ số thực nghiệm đặc trưng tế bào

- vi là thể tích trong mỗi thể tích đơn vị i chứa liều lượng di

Minh họa của gEUD như là một hàm số của biến a được hiển thị trong đồ thị 2 dựa trên phân bố liều theo thể tích DVH của bàng quang hiển thị trong đồ thị 1

Đối với

- a = ∞ - gEUD bằng liều tối đa

- a = -∞ - gEUD bằng liều tối thiểu

- a = 1 - gEUD bằng số học có nghĩa là liều

- a = 0 - gEUD là bằng giá trị trung bình hình học của liều

Hình 2.5: Phân bố liều theo thể tích của Bàng quang

Hình 2.6: Giá trị EUD theo hệ số đặc trưng tế bào a