Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta

Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động cho máy gia tốc xạ trị của hãng elekta

SVTH: Trần Xuân Hưng GVHD: KS Đặng Quang Huy

ThS Vũ Quân GVPB: ThS Lưu Đặng Hoàng Oanh

TP Hồ Chí Minh – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KĨ THUẬT

SVTH: Trần Xuân Hưng GVHD: KS Đặng Quang Huy ThS Vũ Quân

GVPB: ThS Lưu Đặng Hoàng Oanh

TP Hồ Chí Minh – 2015

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể Quý Thầy Cô khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, Quý Thầy Cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu, không chỉ là kiến thức sách vở mà cả kiến thức trong cuộc sống dành cho sinh viên chúng em trong suốt 4 năm học đại học

Em vô cùng biết ơn và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này đó là thầy Đặng Quang Huy Thầy đã nhận hướng dẫn, đưa ra những định hướng và luôn có những lời nhắc nhở, góp ý vô cùng quý báu dành cho em Bên cạnh đó, thầy còn luôn kề cận, trực tiếp chỉ dạy em, hướng dẫn em từng chi tiết giúp em hiểu rõ rất nhiều điều trong suốt thời gian thực hiện khoá luận này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô Lưu Đặng Hoàng Oanh, cô đã dành thời gian để đọc và giúp em chỉnh sửa khoá luận Bên cạnh đó cô cũng cho em những gợi ý, nhắc nhở quan trọng giúp em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này

Xin cảm ơn bạn bè đã luôn ở bên cạnh chia sẻ và có những lời động viên tinh thần

Đặc biệt, cảm ơn gia đình đã luôn quan tâm, dạy dỗ và tạo mọi điều kiện học

để con học tập tốt và đạt được như ngày hôm nay

Xin cảm ơn!

TP.HCM, tháng 7 năm 2015

Trần Xuân Hưng

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG XẠ TRỊ 2

1.1 Vật lý xạ trị chùm electron 2

1.1.1 Ion hóa và kích thích 2

1.1.2 Bức xạ hãm 2

1.1.3 Va chạm đàn hồi hay tán xạ 3

1.1.4 Liều hấp thụ chùm electron 3

1.1.5 Chùm electron xạ trị máy gia tốc 4

1.2 Vật lý xạ trị chùm photon 5

1.2.1 Tán xạ Compton 5

1.2.2 Hiệu ứng tạo cặp 6

1.2.3 Hiệu ứng quang điện 8

1.2.4 Chùm photon xạ trị máy gia tốc 9

1.2.5 Liều hấp thụ chùm photon 10

1.3 Đo liều tương đối và tuyệt đối 11

1.3.1 Xem xét tính lâm sàng chùm photon 11

1.3.2 Tính đối xứng chùm tia (Beam symmetry) 12

1.3.3 Liều theo chiều sâu trong nước PDD 13

1.3.4 Xác định liều hấp thụ dưới điều kiện chuẩn 13

1.3.5 Liều hấp thụ tại Zmax 14

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH TẠI TRUNG TÂM UNG BƯỚU – BỆNH VIỆN QUÂN Y 175 15

2.1 Tiêu chuẩn của máy gia tốc hiện nay 15

2.2 Máy gia tốc dùng trong xạ trị ung thư ngày nay 16

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc electron 16

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron 18

2.3 Một số nét sơ lược về máy gia tốc Elekta 20

2.4 Hệ thống Nêm cơ động (Motorized Wedge) của hãng Elekta 24

2.4.1 Định nghĩa về Nêm (Wedge) 24

2.4.2 Ảnh hưởng của nêm đến chất lượng chùm tia 25

2.4.4 Hệ thống nêm cơ động 28

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 30

3.1 Giới thiệu thiết bị đo 30

3.1.1 Hệ thống Phantom nước 30

3.1.2 Dosimeter 31

3.1.3 Phantom Plastic 33

3.1.4 Phim 33

3.1.5 Phầm mềm RadioChromic 34

3.2 Quy trình thực nghiệm và kết quả 35

3.2.1 Đo hệ số truyền qua của nêm theo chiều sâu trên phantom nước 36

3.2.2 Đánh giá hệ số truyền qua của nêm với nhiều kích thước trường khác

nhau 38

3.2.3 Ảnh hưởng đối trọng góc nêm 41

3.2.4 Góc nêm của phân bố liều 42

3.2.5 Hệ số Gamma Index xử lí bằng phần mềm RadioChromic 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CAWTF Central Axis Wedge Hệ số truyền nêm theo

Transmission Factors trục chính

MLC Multileaf Collimator Bộ chuẩn trực đa lá

TPS Treatment Planning System Hệ thống lập kế hoạch điều

trị TPR Tissue Phantom Ratio Tỉ số mô-phantom trong

nước TMR Tissue Maximum Ratio Tỉ số mô cực đại

OAR Off Axis Ratio Tỉ số bù liều ngoài trục SAD Source Axis Distance Khoảng cách từ nguồn đến

trục chính của buồng ion hóa SSD Source Surface Distance Khoảng cách từ nguồn đến

bề mặt phantom SCD Source Chamber Distance Khoảng cách từ nguồn đến

buồng ion hóa PDD Percent Deep Dose Liều phần trăm theo liều sâu

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 So sánh hệ số truyền qua của nêm giữa hệ thống lập kế hoạch điều trị và

thực tế tại năng lượng 6 MV 37

Bảng 3.2 So sánh hệ số truyền qua của nêm giữa hệ thống lập kế hoạc điều trị và thực tế tại năng lượng 15 MV 37

Bảng 3.3 Bảng so sánh liều kế hoạch và liều đo thực tế sử dụng nêm cơ động 40

Bảng 3.4 Ảnh hưởng đối trọng đối với năng lượng 6 MV 42

Bảng 3.5 Ảnh hưởng đối trọng đối với năng lượng 15 MV……… 42

Bảng 3.6 Trọng số chùm tia ở các góc nêm khác nhau 433

Bảng 3.7 So sánh góc nêm thực nghiệm với hệ thống lập kế hoạch điều trị 44

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hình ảnh sự phát bức xạ hãm 3

Hình 1.2 Tán xạ Compton 5

Hình 2.1 Sơ đồ khối minh họa các bộ phận chức năng của máy gia tốc 17

Hình 2.2 Hình ảnh của máy gia tốc xạ trị và hệ thống điều khiển của máy 20

Hình 2.3 Đầu máy điều trị và hướng chuyển động thẳng của chùm tia 22

Hình 2.4 Biểu đồ đơn giản mô tả hệ MLC 23

Hình 2.5 Các đường cong đồng liều khi không có và khi có lọc nêm 25

Hình 2.6 Nêm vật lý thông thường 27

Hình 2.7 Nêm cơ động thực tế 29

Hình 3.1 Hệ thống phantom nước được chuẩn bị trước khi đo 30

Hình 3.2 Buồng ion hóa Farmer Chamber PTW TM30013 32

Hình 3.3 Liều xạ kế PTW Unidos 32

Hình 3.4 Phantom Plastic 33

Hình 3.5 Film sử dụng cho việc đo đạc 33

Hình 3.6 Phần mềm RadioChromic sử dụng cho việc tính hệ số Gamma Index 34

Hình 3.7 Các tiêu chí đánh giá ảnh hưởng của nêm đối với phân bố liều 35

Hình 3.8 Hệ số nêm theo chiều sâu với năng lượng Photon 6 MV 38

Hình 3.9 Hệ số nêm theo chiều sâu với năng lượng Photon 15 MV 38

Hình 3.10 Sai số giữa trường chiếu khi đo tại điểm khảo sát 39

Hình 3.11 Buồng ion hóa đo ngoài không khí với thiết bị cố định 41

Hình 3.12 Sai số góc nêm giữa các nghiên cứu 44

Hình 3.13 Thiết kế thí nghiệm trước khi chiếu xạ phim 45

Hình 3.14 So sánh phim được chiếu xạ và phim không chiếu xạ 46 Hình 3.15 Hệ số Gamma Index được xử lý bằng phần mềm RadioChromic 46

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay bệnh ung thư đang là một trong những bệnh nguy hiểm với mức độ phát triển rất nhanh trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Do đó, việc chẩn đoán và điều trị ung thư có vai trò vô cùng quan trọng trong chương trình

“Phòng chống ung thư” ở mọi quốc gia Việc trang bị thiết bị điều trị, lựa chọn phác

đồ, phương pháp điều trị thích hợp là rất cần thiết Có ba phương pháp điều trị ung thư cơ bản, có thể áp dụng riêng lẻ hoặc kết hợp với nhau để đạt hiệu quả điều trị cao nhất, đó là: phẫu thuật, xạ trị, hóa trị Trong đó xạ trị là một phương pháp rất hiệu quả, đã và đang phát triển trên toàn thế giới và tại Việt Nam Một trong các nguyên tắc cần phải đảm bảo trong điều trị bằng tia xạ nói chung và xạ trị bằng chùm photon phát ra từ máy gia tốc nói riêng là liều bức xạ phải tập trung và đồng đều tại khối u và giảm thiểu tối đa liều tại các tổ chức lành bao quanh khối u Nhưng trong thực tế thể tích khối u cần điều trị không phải lúc nào cũng đồng nhất,

vì thế ta cần phải tạo ra độ biến thiên phân bố liều lượng của các chùm tia, do đó các lọc nêm được chế tạo và sử dụng

Mục tiêu của khóa luận: “Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống nêm cơ động được thiết kế cho máy gia tốc xạ trị của hãng Elekta tại Trung Tâm Ung Bướu – Bệnh Viện Quân Y 175” là tập trung đánh giá tác động của thiết bị điều biến

chùm tia như nêm đến phân bố liều giữa hệ thống lập kế hoạch xạ trị (TPS) và đo đạc thực tế Từ những kết quả ban đầu chúng ta có thể phát hiện sớm những lỗi về

cơ khí, liều lượng Từ đó, tư vấn và đề nghị lãnh đạo có can thiệp kịp thời nhằm đảm bảo cho kết quả điều trị tốt nhất cho bệnh nhân Với mục tiêu trên, khóa luận được hoàn thành và được chia làm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở vật lý trong xạ trị

Chương 2: Giới thiệu về máy gia tốc tuyến tính tại Trung Tâm Ung Bướu – Bệnh Viện Quân Y 175

Chương 3: Thực nghiệm và Kết quả

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG XẠ TRỊ 1.1 Vật lý xạ trị chùm electron

Các electron khi đi vào vật chất thường gây ra 3 loại tương tác như ion hóa

hoặc kích thích nguyên tử, bức xạ hãm, va chạm đàn hồi hay tán xạ

1.1.1 Ion hóa và kích thích

Các electron năng lượng thấp tương tác Coulumb với các electron quỹ đạo của nguyên tử vật chất có thể ion hóa nguyên tử bằng cách truyền cho electron quỹ đạo năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết để chúng bị tách ra khỏi nguyên tử tạo thành cặp electron – ion dương, hoặc kích thích nguyên tử nếu chỉ truyền cho electron quỹ đạo năng lượng nhỏ hơn năng lượng liên kết Trong nước hay mô mềm các electron bị mất năng lượng chủ yếu là do ion hóa và kích thích [1]

1.1.2 Bức xạ hãm

Các electron năng lượng cao khi đâm xuyên qua đám mây electron của nguyên tử vật chất và tương tác với điện trường dương của hạt nhân Khi tương tác các electron bị giảm tốc đột ngột, đổi hướng bay và phần năng lượng bị mất dERAD/dx sẽ biến đổi thành bức xạ hãm tia X hay Baremstrahlung [1]

Một dòng electron đơn năng sẽ bức xạ một phổ tia X liên tục có năng lượng cực đại bằng năng lượng ban đầu của electron Số lượng bức xạ hãm tăng lên khi tăng năng lượng electron tới và tăng số Z của bia hấp thụ

Hình 1.1 Hình ảnh sự phát bức xạ hãm 1.1.3 Va chạm đàn hồi hay tán xạ

Khi chùm electron đi qua môi trường vật chất, các electron năng lượng thấp

bị tán xạ nhiều lần do tương tác lực Coulumb giữa các electron và hạt nhân của môi trường Năng suất tán xạ thay đổi gần đúng theo Z2/E2 Vì electron có khối lượng rất nhẹ so với khối lượng của hạt nhân nên chúng sẽ bị tán xạ hay va chạm đàn hồi Do

đó tương tác theo dạng này sẽ tạo ra một lượng lớn electron tán xạ trong môi trường vật chất

1.1.4 Liều hấp thụ chùm electron

Liều hấp thụ của môi trường khi được chiếu bởi một chùm electron là năng lượng được môi trường hấp thụ trong một đơn vị khối lượng Liều hấp thụ được tính bằng tích số giữa thông lượng năng lượng electron ɸE và năng suất hãm giới hạn dE’COL/ρdx như sau:

Δ

COL E

dE'.Φ

Δ là năng lượng giới hạn của electron thứ cấp sao cho dưới giá trị đó thì sự truyền năng lượng của electron là do khuếch tán và không được tính vào liều hấp thụ

1.1.5 Chùm electron xạ trị máy gia tốc

Máy gia tốc tuyến tính gia tốc chùm electron và đồng thời tạo ra chùm photon tia X để xạ trị Nguồn electron tạo ra dưới dạng xung electron được các sóng điện từ cao tần RF gia tốc đến mức năng lượng định sẵn theo yêu cầu xạ trị (khoảng

Chùm electron được giới hạn bởi một bộ chuẩn trực sơ cấp cố định đặt trước

lá tán xạ Vì bản chất tán xạ của chùm electron nên trường electron dễ bị ảnh hưởng bởi hệ thống bộ chuẩn trực, suất liều phụ thuộc vào diện tích bề mặt của bộ chuẩn trực Khi chiếu xạ electron, bộ chuẩn trực thường được giữ ở một độ mở nhất định nào đó để giảm thấp lượng tán xạ từ bộ chuẩn trực và giữ cho suất liều ra được ổn định Thay vào đó kích thước và hình dạng của trường chiếu sẽ được định dạng bằng hệ thống MLC đa lá hoặc cặp ngàm JAW [2]

Năng lượng đỉnh phổ (Ep)0 có thể được tính từ khoảng chạy hiệu dụng Rp của chùm electron trong nước theo công thức:

(E p)o C1C2R p C3R p2 (1.2)

trong đó: C1= 0,22 MeV, C2=1,98 MeV cm-1, C3 =0,0025 MeV cm-2

và E o C4.R50 trong đó C4= 2.33MeV cm-1 đối với nước

R50 = độ sâu trong nước tại thời điểm có liều bằng 50% liều cực đại

Năng lượng E z tại độ sâu z trong phantom nước là:

z 1 E

trong đó:

)θcosα

1(1

cm)

θcosα(11

hνhν

E'

2 o '

) θ cos α(1 hν

cos   (1.5)

oc /m

3 1 2

) 2 1 ln(

) 2 1 ln(

2 1

) 1 ( 2 1

Ec

m

E

2 o

C

E

1

;ln2α2

1α

1r

C z

γ

a C

ZNρ

C A

Một photon với mức năng lượng E  h tương tác với trường lực

Coulomb của hạt nhân hoặc của electron để tạo ra một cặp electron (e-) – positron

(e+)

Khi E  2moc2, photon có thể tạo cặp trong trường hạt nhân và trao toàn bộ

năng lượng E cho cặp (e -) và (e+) Động năng của mỗi hạt:

Ee = (E – 2m0c2) /2 =(E – 1,022) /2 (1.12)

Khi E  4moc2, photon có thể tạo cặp trong trường Coulomb của electron và

chia năng lượng Ey cho 3 hạt: electron bị tương tac và (e+), (e-) Động năng trung

bình của mỗi hạt:

Ee = (E – 2m0c2) /3 =(E – 1,022) /3 (1.13) Xác xuất tạo cặp trong trường electron (K’’) tính so với trường hạt nhân

(K’):

CZ

1σ

σa '

K

a ''

K

Z.lnEC

.Z.lnEA

.ZNk

A

Nρ

trong đó Ck’ là một hằng số đối với các nguyên tố có Z nhỏ [1]

Có thể kết hợp 2 loại tiết diên K’ và K’’ thành tiết diện tạo cặp K, ta có:

σρ

σK K ' K ''

Trong nước, sự tạo cặp chiếm ưu thế với E > 10 MeV

Các positron sau khi được tạo ra thường tự hủy với một electron tự do để tạo

ra cặp photon 0,511 MeV di chuyển ngược chiều nhau

1.2.3 Hiệu ứng quang điện

Một photon tới có năng lượng Eγhν tương tác với electron quỹ đạo bên trong nguyên tử, photon bị hấp thụ hoàn toàn và electron bay ra khỏi nguyên tử với động năng Ec gọi là quang electron Động năng Ec bằng hiệu số giữa năng lượng photon tới và năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử:

với Eb là năng lượng liên kết của electron trong nguyên tử

Theo công thức Ec = E – Eb thì tương tác chỉ xảy ra khi E > Eb và dễ nhất với electron quỹ đạo trong cùng Khi E vừa đủ lớn hơn Eb thì xác suất tương tác tăng vọt do hiệu ứng bờ hấp thụ Với E thấp, hướng bay của quang electron gần thẳng góc với hướng bay của photon E càng lớn thì các quang electron càng hướng

về phía trước nhiều hơn [1]

Khi electron quỹ đạo bay ra thì một electron từ quỹ đạo ngoài sẽ lập tức vào chiếm chỗ trống và phát ra bức xạ tia X đặc trưng có năng lượng EX bằng hiệu số giữa 2 năng lượng liên kết electron:

EX = Eb1 – Eb2 (1.17) với Eb1 là năng lượng liên kết của electron bị tương tác, Eb2 là năng lượng liên kết của electron chiếm chỗ [1]

Năng lượng bức xạ tia X (EX) phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các electron quỹ đạo trong nguyên tố

Khi electron quỹ đạo ngoài vào chiếm lỗ trống thì bản thân nó cũng để lại một lỗ trống và electron quỹ đạo ở lớp ngoài hơn sẽ vào chiếm chỗ Quá trình được tiếp tục cho đến khi lỗ trống ở quỹ đạo ngoài cùng được lấp đầy bởi một electron tự

do [1]

Nếu tia X phát ra lại bị một electron khác trong nguyên tử với năng lượng liên kết Eb hấp thụ hoàn toàn và được giải phóng khỏi nguyên tử Electron được giải phóng gọi là electron Auger với năng lượng:

Xác suất tương tác với một nguyên tử được tính bằng tiết diện hiệu dụng q:

m γ

n a

qE

Zk

4 a

qE

Zk

σ  (cm2 / nguyên tử) (1.20)

Tiết diện hiệu dụng được tính theo đơn vị khối lượng hay hệ số giảm khối:

3 γ

3 q 3 γ

3 A

a q A q

E

Z.CE

Z.A

.ZNk

.σA

Nρ

1.2.4 Chùm photon xạ trị máy gia tốc

Chùm photon xạ trị là chùm tia X được chuyển đổi từ chùm electron nhờ tương tác hãm bức xạ trong bia kim loại Chùm electron đi ra khỏi cửa sổ máy gia tốc với đường kính tiết diện ngang nhỏ khoảng vài nm Khi đập vào bia chùm electron tạo ra một nguồn photon nhỏ cho phép áp dụng quy luật bình phương nghịch đảo khoảng cách Kích thước của chùm bán dạ photon cũng nhỏ

Phổ năng lượng chùm photon đa năng với giá trị cực đại bằng năng lượng electron

Giá trị đơn năng hiệu dụng của chùm gần bằng 1/3 thế gia tốc (MV) (chẳng hạn: giá trị đơn năng hiệu dụng của chùm 15 MV là 6 MV)

Chùm photon được cho qua bộ lọc tán xạ để phân tán rộng và được định dạng bằng hệ thống chuẩn trực sơ cấp và thứ cấp Bộ chuẩn trực thứ cấp gồm 2 cặp

ngàm (Jaw) di động bằng chì hoặc tungsten tạo độ mở dạng chuẩn chữ nhật hay vuông kích thước từ (0x0 cm2) đến cực đại (40x40 cm2) tại mặt phẳng chuẩn chứa tâm quay (isocenter) cách nguồn 100 cm (SAD) [2]

Các khối chặn kim loại hoặc bộ chuẩn trực đa lá (MLC) được dùng để che chắn photon thành dạng bất kì Các khối kim loại chặn hình nêm (gọi là nêm) được dùng để làm nghiêng các đường phân bố đồng liều bù trừ cho góc tới chùm tia và hình dạng mô

1.2.5 Liều hấp thụ chùm photon

Chùm photon sơ cấp từ máy gia tốc đi vào môi trường vật chất (nước, mô…)

sẽ tương tác với môi trường qua 2 bước:

 Bước 1: Xảy ra khi các photon thứ cấp, là những hạt ion hóa gián tiếp, truyền một phần năng lượng của chúng thành động năng cho các electron tốc độ cao như quang electron, electron Compton, electron tạo cặp… thông qua các loại tương tác khác nhau Tổng động năng được truyền cho môi trường trong bước 1 này được gọi

là Kerma

 Bước 2: Xảy ra khi các electron thứ cấp này, là các hạt ion hóa trực tiếp, bị làm chậm lại và truyền năng lượng của chúng cho môi trường Phần năng lượng truyền này được gọi là liều hấp thụ Vì các electron có khoảng chạy trung bình nào

đó nên phần năng lượng nhận được ở bước 2 có thể được các electron chuyển tới các điểm xa hơn tương tác ban đầu ở bước 1 của photon

Giả sử trong bước 1 chỉ có một photon năng lượng 1 MeV trao một động năng 0,5 MeV cho một electron Ở đây chỉ một nguyên tử bị ion hóa, nhưng ngay sau đó electron 0,5 MeV có thể ion hóa thêm 15000 nguyên tử hoặc phân tử trước khi nó dừng lại hẳn Như vậy bước 2 đã tạo ra một năng lượng ion hóa gấp 15000 lần so với bước 1 Năng lượng tạo ra các cặp ion hóa trong một đơn vị khối lượng vật chất của môi trường biểu diễn liều hấp thụ của môi trường đối với chùm photon [2]

1.3 Đo liều tương đối và tuyệt đối

Đo liều bức xạ dựa vào thiết bị chuyên dùng, thiết bị này gọi là liều kế, đơn

vị điện tích Culong hoặc Gy Giá trị M hiển thị liều lượng đo được trong 1 đơn vị thể tích liều nhạy bức xạ

Đo liều bức xạ trong thể tích nhạy xạ không yêu cầu định chuẩn trong trường chiếu xác định được xem như đo liều tuyệt đối

Đo liều yêu cầu định chuẩn trong trường chiếu tham chiếu thì gọi là đo liều tương đối [8]

1.3.1 Xem xét tính lâm sàng chùm photon

 Hệ số truyền nêm theo trục chính (Central axis wedge transmission factors-CAWTF)

Hệ số truyền nêm được xác định như tỉ số liều không dùng nêm và có dùng nêm tại 1 điểm dọc theo phantom nằm trên trục chính Hệ số này được đo trong phantom tại chiều sâu phù hợp, nằm ngoài chiều sâu có liều cực đại Dmax Hệ số truyền nêm phụ thuộc vào kích thước trường chiếu hoặc chiều sâu

CAWTF là tỉ số liều tại chiều sâu đặc trưng nằm trên trục chính của trường xác định với chùm tia có sử dụng nêm và không sử dụng nêm ở cùng điều kiện thí nghiệm Tuy nhiên, CAWTF có thể là hàm số cho cả chiều sâu và kích thước trường Khác nhau về kích thước trường chiếu không những dựa trên độ rộng của trường chiếu còn lại là chiều dài của trường Hay nói cách khác CAWTF đo bởi trường 10x10 cm2 có thể khác với CAWTF đo bởi trường 10x20 cm2 [8]

Giá trị liều đo được khi sử dụng nêm liên quan đến tỉ số suất liều chuẩn khi

đo CAWTF tại 1 vị trí với nhiều trường chiếu có kích thước khác nhau Để thực hiện đo CAWTF cho trường chiếu khác nhau tại 1 vị trí chiều sâu sử dụng buồng ion hóa thì buồng ion hóa phải được đặt trên trục chính của chùm tia với độ dày nêm như nhau Khi thực hiện đo nêm, để nêm theo vị trí mặc định và quay nêm xung quanh góc 180o Khi thiết lập thí nghiệm phải đảm bảo nêm và buồng ion hóa

được đặt ở vị trí chính xác Vị trí nêm có thể quay quanh 180o bằng việc quay hệ thống collimator Việc quay 180o để đảm bảo vị trí buồng ion hóa nằm trên trục chính của chùm tia Đo giá trị này với 2 hướng nêm đối diện nhau Nếu giá trị khác nhau lớn hơn 5% cho nêm 60o hay 2% cho 30o, khi đó nêm hoặc buồng ion hóa không định vị chính xác Ngoài ra, trong tính toán thường lấy trung bình trong 3 lần

đo cho hai vị trí nêm (collimator 0o, collimator 180o) xem giá trị này là giá trị chính xác của phép đo [8]

 Dữ liệu phân bố liều

Phân bố liều tại mọi điểm của chùm tia đi qua thường là dữ liệu yêu cầu trong phần mềm lập kế hoạch điều trị Profile của chùm tia là giá trị liều nằm ngoài trục chính Dữ liệu những điểm ngoài trục chính (off-axis) thường được chuẩn 1 điểm trên trục chính với cùng độ sâu Những dữ liệu này là tỉ số bù liều ngoài trục (OARs), chúng kết hợp với dữ liệu liều trên trục chính để tạo thành ma trận đường đẳng liều

Số lượng Profile được đo tại nhiều vị trí chiều sâu khác nhau được yêu cầu từ thuật toán trong phần mềm lập kế hoạch điều trị (TPS) Có những hệ thống yêu cầu

đo nhiều Profile tại vài độ sâu Vài hệ thống khác yêu cầu đo tại vị trí đặc trưng hoặc chỉ yêu cầu 1 Profile với thiết kế trường lớn nhất và đo trong không khí với build-cap của buồng đo Profile của chùm tia nằm ngang nên được đo theo mẫu chùm tia được kiểm tra chính xác bằng thuật toán của hệ thống lập kế hoạch điều trị [8]

Tất nhiên, những Profile này được đo cho cả trường có sử dụng nêm và không sử dụng nêm Profile của trường sử dụng nêm kết hợp với giá trị trục chính, liều phần trăm theo độ sâu (PDD) cho trường nêm tạo dữ liệu cho đường cong nêm đẳng liều

1.3.2 Tính đối xứng chùm tia (Beam symmetry)

Tính đối xứng của chùm tia thường được xác định tại Zmax, xác định từ hai điểm bất kỳ của chùm Profile, cách đều điểm trục trung tâm, trong vòng 2% của

chúng Nói cách khác, trường chiếu thuộc chùm Profile Zmax về mỗi bên (trái và phải) của trục trung tâm mở rộng đến mức liều 50% (bình thường đến 100% tại thời điểm trục trung tâm) được xác định và được tính toán

Các điểm sâu hơn Zmax thường có thể được xác định bằng cách sử dụng chức năng tự động trên các thiết bị nước bể quét (3-D isodose plotter) [9]

1.3.3 Liều theo chiều sâu trong nước (PDD)

Phân bố liều ở trục trung tâm trong bệnh nhân hoặc trong phantom thường được chuẩn hóa cho Dmax = 100% ở độ sâu tối đa liều Zmax và sau đó gọi là phần trăm liều theo chiều sâu PDD Do đó PDD được định nghĩa như sau:

Điểm Q là một điểm tùy ý ở độ sâu z trên trục trung tâm chùm, điểm P đại diện cho điểm tham chiếu liều cụ thể tại Z = Zmax trên trục trung tâm chùm tia Liều phần trăm theo độ sâu phụ thuộc vào bốn thông số: chiều sâu trong một phantom, kích thước trường A, khoảng cách từ tâm đến bề mặt phantom (thường được chỉ định với j) và photon tia năng lượng hν Liều phần trăm theo độ sâu có khoảng giá trị từ 0 (ở Z = ∞) đến 100 (tại Z = Zmax) Liều tại điểm Q có chứa hai thành phần: sơ cấp và phân tán

1.3.4 Xác định liều hấp thụ dưới điều kiện chuẩn

Liều hấp thụ trong môi trường nước tại độ sâu zref , được cho bởi công thức sau:

Dw, Q = MQ ND, w, Q KQ, Qo (1.23) trong đó MQ dữ liệu từ máy đo liều kế tại điểm hiệu dụng của buồng tại zref

KT,P hiệu chỉnh sự ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất, hiệu chỉnh máy liều kế

Ks, KPol hiệu ứng phân cực và tái tổ hợp ion, ND, w, Q là hệ số hiệu chỉnh về liều hấp thụ trong nước của các máy đo liều tại Qo và kQ,Qo là một yếu tố đặc trưng của buồng

để điều chỉnh sự khác biệt giữa chất lượng chùm tham chiếu Qo và chất lượng thực

tế được sử dụng Q [8]

1.3.5 Liều hấp thụ tại Z max

Việc tính toán liều lâm sàng thường được tham chiếu đến độ sâu liều tối đa Zmax (hoặc tại một số sâu khác) Để xác định liều hấp thụ tại độ sâu bất kì hoặc sử dụng liều phần trăm theo chiều sâu (PDD) cho thiết kế khoảng cách từ nguồn đến

bề mặt phantom và các tỷ lệ mô phantom (TPR) hoặc tỷ lệ mô cực đại (TMR) cho thiết kế khoảng cách từ nguồn đến trục chính của buồng ion hóa

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH TẠI TRUNG TÂM

UNG BƯỚU – BỆNH VIỆN QUÂN Y 175 2.1 Tiêu chuẩn của máy gia tốc hiện nay

Về nguyên tắc, không có giới hạn trong công nghệ chế tạo máy gia tốc với năng lượng của electron, ngoại trừ bản thân cấu trúc chiều dài tăng tốc của thiết bị Giới hạn năng lượng chùm electron hiệu dụng đạt được trong thực tế lâm sàng nằm trong phạm vi từ 4 đến 40 MeV

Với mục đích ứng dụng trong lâm sàng, một số yêu cầu đặt ra cho các máy gia tốc cần thiết kế sao cho thỏa mãn những tiêu chuẩn chủ yếu như sau:

 Chùm tia bức xạ phải được xác định rõ và thay đổi được về các kích thước trường chiếu

 Liều lượng bức xạ phải đồng đều bên trong chùm tia

 Liều lượng của thiết bị phát ra phải ổn định không chỉ trong mỗi giai đoạn điều trị mà ổn định trong suốt thời gian sử dụng của thiết bị

 Năng lượng, cường độ vị trí và hướng của chùm tia X hay electron phải được kiểm soát trong điều trị

 Liều lượng bức xạ phân bố trên bệnh nhân phải được đo đạc một cách chính xác

 Chùm tia bức xạ phải điều chỉnh và thay đổi được theo bất kì hướng và vị trí nào trên bệnh nhân

 Để thực hiện được việc hướng chùm tia vào đúng vị trí bệnh nhân thì hệ thống giường điều trị phải chuyển động được theo ba chiều với độ chính xác cao

 Vì việc điều trị thường phải kéo dài nên thiết bị phải hoạt động ổn định và chính xác cao Độ ổn định là hết sức quan trọng trong mục đích điều trị, để có thể phục vụ được một số lượng lớn bệnh nhân sau khi đã chi ra một khoản tiền lớn mua sắm thiết bị

 An toàn và ổn định về cơ khí cũng là một thông số hết sức quan trọng

Các máy gia tốc được sử dụng trong lâm sàng ngày nay được kế thừa từ sự nghiên cứu, cải tiến công nghệ mạnh mẽ trong suốt hơn 30 năm qua và khẳng định được giá trị, vai trò của loại thiết bị này Dù có sự khác nhau về kiểu dáng chế tạo giữa các hãng sản xuất, song những nguyên tắc yêu cầu trong điều trị cơ bản là giống nhau

Tuy nhiên, về mặt công nghệ cơ bản không có nhiều thay đổi trong nhiều năm qua, nhưng có những thay đổi vượt bậc trong ứng dụng là công nghệ tin học vô cùng hữu hiệu để kiểm soát liều lượng, thay đổi kích thước, hình dạng các chùm tia Ngoài ra, công tác đo và chuẩn liều bức xạ trong điều trị cũng được cải tiến và nâng cao độ chính xác Tất cả đều nhằm mục đích điều trị bệnh nhân đạt hiệu quả cao nhất [3]

2.2 Máy gia tốc dùng trong xạ trị ung thư ngày nay

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc electron

Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị còn gọi là máy gia tốc Megavolt hay máy gia tốc electron

Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn giản trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối minh họa các bộ phận chức năng của máy gia tốc

Các thành phần chính của một máy gia tốc dùng trong y tế thường được chia thành 5 hệ thống:

 Hệ thống bơm: là một nguồn eletron và được gọi là súng điện tử (electron gun)

 Hệ thống cung cấp sóng siêu cao tần: bao gồm nguồn tần số sóng cao tần được phát bởi Magnetron hoặc Klystron, bộ điều chế xung, ống dẫn sóng gia tốc, trong đó các electron được gia tốc và một bộ phận cho phép truyền công suất vô tuyến chỉ từ nguồn đến ống dẫn sóng gia tốc nhưng không theo hướng ngược lại

 Hệ thống thiết bị phụ trợ bao gồm: hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh nước, hệ thống nén khí, hệ thống chất điện môi bằng gas để truyền vi sóng từ

bộ phát tần số vô tuyến tới ống dẫn sóng gia tốc và bảo vệ ngăn bức xạ rò rỉ

 Hệ thống vận chuyển chùm tia: hệ thống ống dẫn sóng được hút chân không

để tạo ra các chuyển động tự do, kết hợp với thiết bị hội tụ từ trường và lái tia

 Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia: được đặt trong đầu điều trị, cung cấp hình dạng và theo dõi chùm tia X hoặc chùm tia electron lâm sàng

Nguồn cung cấp sóng siêu cao tần

Bộ cung cấp năng lượng

và điều biến xung

Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với phần gia tốc là:

 Hệ thống collimator chuẩn thông dụng

 Hệ thống đèn laser xác định trụ quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy

 Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa Bác sĩ và bệnh nhân

 Hệ thống đo khoảng cách từ nguồn tới da bệnh nhân

 Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị, màn hình thông báo các số liệu liên quan đến việc điều trị

 Hệ thống che chắn phóng xạ

 Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố

Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc:

 Giường máy có thể điều khiển lên, xuống, quay theo các góc

 Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị

 Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ, máy đo phòng hộ tia xạ…

 Hệ thống làm khuôn chì… [3]

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron

Ban đầu, các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ súng điện tử bị nung nóng Sau đó electron được tăng tốc về phía anod để đi vào ống dẫn sóng gia tốc Ở đây, các electron được gia tốc bước đầu bằng trường tĩnh điện Trước khi đi vào ống dẫn sóng, các electron được điều chế thành xung rồi được phun vào ống dẫn sóng

Trong ống dẫn sóng, các electron được gia tốc bằng sóng cao tần Năng lượng truyền cho electron lấy từ bức xạ vi sóng Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng các xung ngắn Bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng - đó là các

“van” Magnetron hoặc Klystron Năng lượng đỉnh cực đại trong các Magnetron thường dùng hiện nay vào cỡ 5 MW còn Klystron thường được dùng với các máy gia tốc yêu cầu năng lượng electron vượt quá 20 MeV Các electron được phun vào

ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng có thể được gia tốc Hệ thống ống dẫn sóng và súng electron được hút chân không dưới áp suất thấp để tạo ra sự chuyển động tự do, tránh va chạm giữa các nguyên tử khí Chính tại thời điểm này, các electron được tạo thành các xung [3]

Chùm electron được gia tốc có xu hướng phân kỳ và không chyển động chính xác dọc theo trục được, một phần là do lực tương tác Coulomb, nhưng chủ yếu là do lực điện trường trong cấu trúc ống dẫn sóng có thành phần xuyên tâm Do

đó, chùm electron gia tốc phải được lái một cách chủ động Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ chùm tia theo quỹ đạo thẳng Sau đó là các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên các electron để dẫn chùm tia đi đúng hướng theo ống dẫn sóng, từ đó hướng ra ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng tới bia tạo ra tia X

Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron, thì chùm tia electron gia tốc được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ Sau đó được tán xạ trên các

lá tán xạ hoặc được từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường hợp điều trị cụ thể Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phẳng, lọc nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp Liều lượng được kiểm soát bằng các detector [3]

Còn nếu ở chế độ phát tia X thì chùm electron đã gia tốc được uốn theo một đường cong thiết kế để đập vào bia Chùm tia electron có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, nguyên tử số, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định lượng phù hợp Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và electron Do đó,

về mặt cơ khí được cấu tạo để có thể thay đổi từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm photon Trong quá trình hoạt động, khi hãm các chùm