Phương pháp đánh giá kế hoạch xạ trị điều biến cường độ trong ung thư vòm họng

PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP PHƯƠNG PHÁP k0 TRONG PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NEUTRON TRONG VÙNG NĂNG LƯỢNG THẤP

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

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN – KỸ THUẬT HẠT NHÂN

TP Hồ Chí Minh - 2016

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy đã hướng dẫn

em Th.S Dương Thanh Tài Nếu không có sự tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo em trong từng bước đi suốt thời gian vừa qua thì khóa luận không hoàn thành như mong đợi Thầy đã luôn nhắc nhở, động viên, tin tưởng và tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn tới quý Thầy Cô trong Bộ môn vật lý hạt nhân- Kỹ thuật hạt nhân, Đại học Khoa học tự nhiên, Thành phố Hồ Chí Minh, đã luôn tạo cho em môi trường học tập tốt, đã cho lời khuyên, truyền đạt kiến thức khoa học và

vừa qua cũng như trong quá trình làm khóa luận

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các Kỹ sư, Bác sĩ, Khoa Y học Hạt nhân, Bệnh viện Đa Khoa Đồng Nai đã tạo điều kiện tốt nhất cho em tìm hiểu và

sử dụng phần mềm Prowess Panther 4.6 trong quá trình lập kế hoạch xạ trị tại Bệnh viện

Em xin chân thành cảm ơn cán bộ phản biện đã đọc, góp ý và hướng dẫn em chỉnh sửa để hoàn thiện tốt hơn khóa luận này

Quan trọng nhất, em xin cảm ơn Bố mẹ đã luôn luôn ở bên cạnh em, luôn khuyến khích, cho em những lời khuyên, ủng hộ em hằng ngày Tình yêu và sự ủng

hộ của Bố mẹ đã hỗ trợ em trong suốt thời gian đại học, đó là một động lực rất lớn giúp em

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

Sinh viên Nguyễn Thị Hồng Trang

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ 3

1.1 Vai trò của xạ trị 3

1.2 Các mục tiêu của xạ trị 3

1.3 Một số khái niệm về liều 4

1.4 Cơ sở xạ trị ung thư 6

1.4.1 Cơ sở sinh học của xạ trị 6

1.4.2 Cơ sở vật lý 8

1.4.2.1 Tương tác giữa photon với vật chất 8

1.4.2.2 Những khái niệm cơ bản về vật lý trong xạ trị 10

1.5 Một số kỹ thuật xạ trị 13

CHƯƠNG 2.XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ (IMRT) 17

2.1 Nguyên lý của kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT 18

2.1.1 Kỹ thuật xạ trị IMRT 18

2.1.2 IMRT tối ưu hơn 3D-CRT 19

2.1.3 Điều biến cường độ chùm tia 19

2.2 Quy trình lập kế hoạch xạ trị IMRT 21

2.2.1 Nhập dữ liệu ảnh vào hệ thống lập kế hoạch xạ trị 22

2.2.2 Vẽ thể tích khối u và các cơ quan trọng yếu 23

2.2.3 Định nghĩa các trọng số (constraint) theo ICRU 50 25

2.2.4 Sự khác nhau giữa phương pháp lập kế hoạch thuận và kế hoạch ngược 26

2.2.5 Chỉ định liều, phân liều 27

2.2.6 Chọn mức năng lượng và thiết lập trường chiếu 27

2.2.7 Tối ưu hóa phân bố liều 28

CHƯƠNG 3.ĐÁNH GIÁ KẾ HOẠCH XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ 31

3.1 Phân tích định lượng 32

3.1.1 Đánh giá kế hoạch dựa vào biểu đồ phân bố liều lượng - thể tích (Dose Volume Histogram - DVH) 32

3.1.1.1 Đánh giá phân bố liều tới khối u 32

3.1.1.2 Đánh giá liều vào cơ quan lành xung quanh 33

3.1.2 Đánh giá phân bố liều trong kế hoạch JO-IMRT 34

3.2 Phân tích định tính 37

3.3.1 Dựa trên chỉ số tương quan liều (COIN) 39

3.3.2 Dựa trên chỉ số đồng nhất (HI) 40

3.3.3 Chỉ số Gradient liều-độ chênh lệch liều (GI- gradient index) 41

3.3 So sánh JO-IMRT và 3D-CRT của một nhóm bệnh nhân 41

3.4 Hiệu suất cấp liều xạ trị 44

KẾT LUẬN 46

KIẾN NGHỊ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3D-CRT Three dimensional conformal

radiotherapy

Xạ trị thích ứng ba chiều

CTV Clinical target volume Thể tích bia lâm sàng

DAO Direct aperture optimization Tối ưu hóa độ mở trực tiếp DVH Dose volume histogram Biểu đồ liều lượng - thể tích EUD Equivalent Uniform Dose Liều tương đương

GTV Gross tumor volume Thể tích khối u nguyên phát ICRU International commission on

therapy

Xạ trị điều biến cường độ

JO-IMRT Jaw only Intensity modulated

radiation therapy

Xạ trị điều biến liều bằng ngàm độc lập

MLC-IMRT Multileaf collimator Intensity

modulated radiation therapy

Xạ trị điều biến liều bằng bộ chuẩn trực đa lá

PTV Planning target volume Thể tích bia lập kế hoạch

VMAT Volumetric modulated arc

therapy

Xạ trị điều biến theo thể tích

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tầm quan trọng của từng loại tương tác đối với mô mềm 10

Bảng 2.1 Các quy định về liều lượng trong lập kế hoạch xạ trị 28

Bảng 3.1 Các tiêu chí dùng để đánh giá kế hoạch xạ trị 31

Bảng 3.2 Giới hạn liều cho các cơ quan lành trong xạ trị ung thư vòm 33

Bảng 3.3 So sánh các chỉ số tương quan dựa trên thể tích khác nhau 41

Bảng 3.4 Tổng hợp liều lượng và các thông số kế hoạch 3D-CRT và JO-IMRT 43

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ tác động của bức xạ lên tế bào 7

Hình 1.2 Tương tác quang điện 8

Hình 1.3 Tán xạ Compton 9

Hình 1.4 Hiệu ứng tạo cặp 9

Hình 1.5 Vùng Build-up 10

Hình 1.6 Đường phân bố % liều theo độ sâu 11

Hình 1.7 Thiết lập đo đạc hệ số TAR 11

Hình 1.8 Bản đồ đồng liều của chùm 60Co, kích thước trường chiếu 10 cm x 10cm A: Khoảng cách nguồn bề mặt (SSD), B: Khoảng cách nguồn trục (SAD) ……… 12

Hình 1.9 Đường cong đồng liều cho một lọc, nêm A: Chuẩn hóa đến Dmax, B: chuẩn hóa đến Dmax mà không có nêm 60Co, góc nêm = 450, kích thước trường chiếu = 8 cm x 10 cm, khoảng cách nguồn đến bề mặt = 80 cm 13

Hình 1.10 Kỹ thuật xạ trị 2D (a) và kỹ thuật xạ trị 3D-CRT (b) 14

Hình 2.1 So sánh phân bố liều lượng giữa kế hoạch 3D (trái) và IMRT (phải) 19

Hình 2.2 Phân bố liều của kỹ thuật xạ trị 3D-CRT và IMRT 19

Hình 2.3 Hình dạng chùm tia được tạo ra bởi MLC (trái) và Jaw (phải) 20

Hình 2.4 Bản đồ liều lượng phức hợp 21

Hình 2.5 Quy trình lập kế hoạch xạ trị điều biến cường độ 22

Hình 2.6 Lát cắt CT chứa các điểm đánh dấu tâm chì 23

Hình 2.7 Các thể tích điều trị theo ICRU 50 24

Hình 2.8 Khối u và các cơ quan lành lân cận 25

Hình 2.9 Giản đồ lập kế hoạch xạ trị theo phương pháp lập kế hoạch thuận 26

Hình 2.10 Giản đồ lập kế hoạch xạ trị theo phương pháp lập kế hoạch ngược 27

Hình 2.11 Trường chiếu 720 , 1000, 1550,1800, 2100, 2650, 3000 28

Hình 2.12 Minh họa các điều kiện tối ưu hóa trong phần mềm lập kế hoạch Prowess Panther 4.6 30

Hình 3.1 Lưu đồ quy trình đánh giá kế hoạch xạ trị 3D-CRT và JO-IMRT 33

Hình 3.2 Biểu đồ và thông số liều lượng - thể tích của kế hoạch JO-IMRT bệnh

MỞ ĐẦU

Ngày nay, tỉ lệ mắc bệnh ung thư vòm họng ngày càng tăng ở nhiều nước trên thế giới, trong đó tỉ lệ mắc bệnh cao nhất ở các nước Châu Á [6] Vì vậy, có nhiều phương pháp để điều trị ung thư như phẫu thuật, hóa trị, xạ trị nhưng xạ trị được coi

là một trong những phương pháp hữu dụng để điều trị ung thư Nhờ vào sự tiến bộ của y học đã cho ra đời những kỹ thuật xạ trị tiên tiến như ba chiều theo hình dạng khối u (3D-CRT), xạ trị điều biến cường độ (IMRT), xạ trị theo sự hướng dẫn của hình ảnh (IGRT), xạ trị điều biến theo thể tích (VMAT), Trong số đó, IMRT là một kỹ thuật hữu hiệu để xạ trị ung thư vòm họng Hầu hết các kế hoạch IMRT được cấp liều bằng các máy gia tốc tuyến tính hiện đại (Linac) có trang bị các lá MLC, tuy nhiên các lá MLC có chi phí khá đắt đỏ, do vậy đối với nhiều trung tâm ung thư trên thế giới vẫn chưa được trang bị MLC không phải là thiết bị tiên quyết cho việc cấp liều của kế hoạch IMRT Hiệu quả cấp liều của IMRT chủ yếu là nhờ vào sử dụng các trường chiếu điều biến cường độ và sử dụng các thuật toán tối ưu trên máy tính MLC chỉ đơn thuần là một công cụ giúp cho việc cấp liều điều biến cường độ trở nên hiệu quả hơn IMRT sử dụng lọc bù có thể hữu dụng nhưng gặp một hạn chế là rất phức tạp và tốn thời gian Một công cụ khá hứa hẹn khác đó là các ngàm chuyển động độc lập (Jaw Only-JO) Mặc dù thời gian cấp liều của các kế hoạch JO-IMRT dài hơn từ 4-7 lần so với MLC-IMRT [8] Nhưng nhờ có thuật toán tối ưu hóa trực tiếp độ mở (DAO) có thể coi là chìa khóa để giải quyết vấn đề thời gian cấp liều dài của JO-IMRT Thuật toán này tối ưu trực tiếp mỗi trường phụ (sub-field) của một kế hoạch IMRT với các thông số cấp liều cụ thể của máy, người dùng kiểm soát độ phức tạp của kế hoạch, như là số phân đoạn tối đa ở mỗi trường chiếu hoặc tổng số phân đoạn tối đa của mỗi kế hoạch Nhiều bài nghiên cứu đã chứng minh rằng kế hoạch với thuật toán DAO đã đạt được số phân đoạn và số MU thấp hơn đáng kể so với các kế hoạch điều biến cường độ trước đó cũng đồng thời duy trì được các ưu điểm trong phân bố liều lượng của kế hoạch IMRT [8] Đồng thời, đối với khối u có hình dạng phức tạp, như khối u ở vòm họng, do có các mô rất nhạy với bức xạ, các cơ quan nguy cấp ở vùng lân cận như thân não, tủy sống đã

làm cho việc cấp liều xạ tối ưu nhất đến các khối u ở vòm họng trở nên không hiệu quả Mục đích của khóa luận này là để đánh giá các kế hoạch JO-IMRT cho các bệnh nhân ung thư vòm không được tiếp cận với các máy gia tốc tuyến tính hiện đại

có trang bị MLC

Nội dung của khóa luận gồm 3 chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan về xạ trị, các phương thức điều trị bằng xạ trị,

cơ sở sinh học, vật lý

Chương 2: Trình bày tổng quan quy trình xạ trị điều biến cường độ - IMRT,

cụ thể là quy trình lập kế hoạch xạ trị IMRT, các bước đánh giá một kế hoạch kế hoạch IMRT

Chương 3: Ứng dụng lập kế hoạch xạ trị IMRT trường hợp ung thư vòm họng

tại bệnh viện Đa Khoa Đồng Nai sử dụng phần mềm Prowess Panther và đánh giá các kế hoạch JO-IMRT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ 1.1 Vai trò của xạ trị

Xạ trị là phương pháp điều trị ung thư mà trong đó người ta sử dụng bức xạ ion hoá

để tiêu diệt các tế bào ung thư Vào khoảng đầu thế kỷ 20, tia X được ứng dụng vào chuẩn đoán và điều trị thử một số loại bệnh và nhận thấy rằng chỉ có bệnh lý tăng sinh tế bào là đáp ứng với tia X Kể từ đó, xạ trị được chỉ định để điều trị ung thư Ngày nay, với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học và công nghệ, các thiết bị hiện đại, tiên tiến ra đời, xạ trị đang chứng tỏ là một phương pháp hữu hiệu và ưu việt trong các cách để điều trị ung thư

Vai trò nổi bật của xạ trị là [2]:

 Đối với ung thư giai đoạn sớm, bức xạ ion hoá cho thấy khả năng điều trị khỏi tương tự như phẫu thuật, thậm chí trong một số trường hợp, xạ trị còn tỏ ra ưu việt hơn phẫu thuật do nó ít gây tổn thương và không làm rối loạn chức năng của cơ quan và tổ chức lân cận

 Xạ trị có thể điều trị được một số bệnh ung thư mà các phương pháp khác không có khả năng can thiệp hoặc can thiệp gây ảnh hưởng nặng nề hoặc làm mất chức năng của các tổ chức lành xung quanh như ung thư vòm họng Đồng thời giúp giảm đau, giảm chèn ép do khối u quá lớn

 Xạ trị không gây độc toàn thân, không gây nên những biến chứng cấp tính đe doạ tính mạng của người bệnh

1.2 Các mục tiêu của xạ trị

 Xạ trị tận gốc: Xạ trị đơn thuần hoặc kết hợp với các phương pháp điều trị

khác, nhằm mục đích tiêu diệt hoàn toàn khối ung thư Tất cả các kỹ thuật điều trị bằng tia xạ đều nhằm đạt được liều lượng tối đa tại khối u và giảm thiểu liều tới các mô lành xung quanh [4]

 Xạ trị dự phòng: Mục đích là để phòng ngừa tái phát hoặc di căn sau phẫu

thuật, sau hoá trị Liều 30 - 60Gy [4]

 Xạ trị hỗ trợ: Xạ trị hỗ trợ nhằm giảm thể tích khối u, biến ung thư ở giai

đoạn không mổ được thành mổ được, hoặc hỗ trợ cho hoá trị đạt hiệu quả

Liều không quá 45Gy [4]

 Xạ trị tạm thời, điều trị giảm nhẹ triệu chứng:

 Giảm đau (antalgic) trong ung thư di căn xương, gan

 Giảm áp (decompressive) trong ung thư di căn não, tuỷ sống, trung thất, chèn

mà các biện pháp điều trị khác không thể thực hiện được [2]

1.3 Một số khái niệm về liều

Vào những thập niên 1960, Ellis đã phát triển nên liều chuẩn danh định - NSD (Nominal standard dose), được dùng để tính toán giới hạn tổng liều chịu đựng của các mô lành (gọi là DT) trong toàn bộ khoảng thời gian điều trị T ngày và tổng số buổi chiếu N được áp dụng trên bệnh nhân đó Đơn vị đo là ret (Rad Equivalent Therapy) [7]

NSD = D.N-0,24.T-0,11 (1.1) Trong đó: D là tổng liều chiếu xạ

N là tổng số lần phân đoạn (buổi chiếu)

T là tổng thời gian của đợt điều trị (ngày) Khối u ban đầu có N0 tế bào sống Khi khối u bị chiếu xạ, có thể tế bào sẽ chết,

số tế bào còn lại giảm và tỷ lệ tế bào chết sẽ phụ thuộc vào liều lượng bức xạ phân

bố trên đó N = No- aD, a là hằng số tỷ lệ

Theo công thức NSD, dựa vào kinh nghiệm và thu được từ các đường cong đồng liều hiệu quả của da và sự mô tả sự tăng lên về tổng liều chịu đựng Nếu thay đổi buổi chiếu hay thời gian điều trị giảm đi Phương trình NSD chỉ có giá trị cho

kỹ thuật chiếu từ 4 - 30 buổi và chỉ có thể áp dụng cho một đợt điều trị hoàn chỉnh

Để khắc phục hạn chế này, năm 1969, Ellis đã mở rộng khái niệm NSD thành PT (Partial tolerance- Dung nạp từng phần hay "tổng liều từng phần")

Trong đó: n là số buổi chiếu trong tổng số N buổi dự tính

Kết hợp NSD và PT:

PT = NSD-0,536(n.d1,538.c -0,169) (1.4) = NSD-0,536.TDF.1000

Trong đó: d: Liều lượng mỗi buổi chiếu

c: Khoảng cách giữa các lần chiếu (ngày) NSD: không quá 1800 ret

Ví dụ một tuần chiếu 5 buổi, khoảng cách giữa các lần chiếu trong 1 tuần là chiếu tia sẽ là 7 : 5 = 1,4 ngày Hay trong một tuần chiếu 3 lần, mỗi lần 200 rad Tổng số lần chiếu là 30 lần (buổi) NSD = 1700 ret Vậy dung nạp từng phần PT

= (n / N)*NSD = (3/30)*1700 = 170 ret = 1,7 Gy

Lưu ý: Dùng xạ trị để tiêu diệt các tế bào nhưng trong xạ trị còn có hiệu ứng

oxy, tế bào nào càng giàu oxy thì tế bào đó càng nhạy cảm với tia xạ, và ngược lại,

vì vậy muốn tăng khả năng diệt tế bào ung thư thì cần tăng oxy Trong tổ chức ung thư, tế bào ung thư phát triển mạnh nên mạch máu càng phát triển, nhưng những tế bào ở giữa lại rất thiếu oxy cho nên ít nhạy cảm với tia xạ Để xạ trị tốt ta có thể phối hợp các biện pháp:

 Cho những chất tăng cảm xạ (Sensitizer): Làm cho tế bào cảm xạ cao hơn như tăng cường Vitamin C, glucose cho tế bào

 Chất bảo vệ phóng xạ (Radioprotector), để bảo vệ tế bào lành

 Điều biến đáp ứng sinh học (Biological Response Modifier - BRM) nhằm làm cho cơ thể chịu đựng tốt hơn với tia xạ

1.4 Cơ sở xạ trị ung thư

1.4.1 Cơ sở sinh học của xạ trị

Năm 1943, Albert Bechem đã đưa ra "Các nguyên tắc liều lượng Radium và tia X", đây được xem là cơ sở sinh học phóng xạ trong điều trị [3] Khi bức xạ tác dụng lên

cơ thể sống, chủ yếu gây ra hiện tượng ion hoá, các cặp ion được tạo ra có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào, làm cho tế bào bị biến đổi hay bị tiêu diệt Thông thường, các hạt có năng lượng như nhau sẽ tạo ra các cặp ion bằng nhau Tuy nhiên tuỳ thuộc vào vận tốc của hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hoá có thể như nhau Tia α có vận tốc nhỏ hơn tia β nhưng có khả năng ion hoá mạnh hơn, khả năng ion hoá của tia γ và tia X (tia Roentgen) nhỏ hơn nhưng độ đâm xuyên lớn hơn, vì vậy chúng có thể tác dụng lên các tế bào ở sâu bên trong cơ thể chứ không chỉ tác dụng lên các tế bào ở lớp ngoài như tia α và β Đối với neutron, ngoài hiện tượng ion hoá gián tiếp, nó còn có khả năng tạo ra các chất phóng xạ ngay trong cơ thể sinh vật Nguyên nhân của quá trình này là khi neutron đi vào cơ thể, chuyển động chậm lại, bị các hạt nhân vật chất trong cơ thể hấp thụ và biến thành các đồng

vị phóng xạ phát ra tia β và γ, tạo ra hiện tượng ion hoá Tác động của bức xạ tới tế bào có thể là trực tiếp, có thể là gián tiếp qua các gốc tự do Trong tế bào, phần bào tương ít mẫn cảm với phóng xạ, ngược lại nhân tế bào mà đặc biệt là axit nucleic (ADN) rất nhạy cảm với phóng xạ [3] Các bức xạ ion hoá tác động lên tế bào theo nguyên tắc:

 Vùng tế bào có tỷ lệ tưới máu lớn hơn sẽ nhạy cảm với tia xạ hơn

 Tế bào không biệt hoá nhạy cảm với tia xạ hơn tế bào biệt hoá

 Tế bào lành ít nhạy cảm với tia xạ nhất và ngược lại khả năng phục hồi cao hơn

tế bào ung thư

Tế bào là đơn vị căn bản của cơ thể Nhiều tế bào hợp lại thành mô: Mô sợi,

mô mỡ, mô cơ, mô liên kết,… nhiều mô hợp thành cơ quan: Tim, phổi, mắt, mũi,… các cơ quan tạo thành cơ thể sống Do nhu cầu hoạt động của các cơ quan, nhất là

để bù đắp cho các tế bào già cỗi chết đi, các tế bào phải sinh sản thêm bằng cách phân chia thành 2 tế bào con Quá trình phân chia tế bào gọi là chu kỳ tế bào [2]

Hình 1.1 Sơ đồ tác động của bức xạ lên tế bào

Chu kỳ tế bào là chuỗi các sự kiện liên quan đến sự sao chép DNA (deoxyribo nucleic acid) và sự phân bố cân bằng của nó đối với các thế hệ tế bào con cháu được sinh ra do sự phân chia Sự phân chia tế bào được diễn tiến qua một số giai đoạn (còn gọi là pha) Tất cả các tế bào, kể cả ác tính và không ác tính trong quá trình đều trải qua 5 pha của chu kỳ tế bào đó là G0, G1, S, G2 và M (hình 1.1) [2] Tế bào không phân chia ở trạng thái G0 Độ nhạy cảm phóng xạ tăng cao ở cuối G1, trong

G2 và trong M Đặc biệt dưới ảnh hưởng của bức xạ, chu kỳ sinh sản bị dừng lại ở phase G2 Đây là một phản ứng tự vệ có lợi vì phase G2 có nhiệm vụ kiểm tra, tu sửa, hiệu chỉnh trước khi phân bào Nếu thúc đẩy nhanh phase G2 tế bào bị chết nhiều hơn

Duy trì sai lệch NST

Gián

tiếp

Trực tiếp

Tái thiết hồi phục cấu trúc mô

Ức chế phân chia tế bào,

ức chế tế bào

Đột biến

Ung thư

1.4.2 Cơ sở vật lý

1.4.2.1 Tương tác giữa photon với vật chất

Trong tương tác của các bức xạ với vật chất có tương tác giữa electron, hạt nặng mang điện và photon với vật chất Vì trong khóa luận này ta dùng chùm photon để điều trị nên việc tìm hiểu cơ bản lý thuyết về tương tác giữa photon với vật chất là cần thiết Có 4 kiểu tương tác chính của photon: tán xạ Rayleigh, hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, sự sinh cặp [4]

Tán xạ Rayleigh là photon tới có thể tương tác với điện tử và bị tán xạ đàn hồi trên nguyên tử làm thay đổi hướng bay mà không mất năng lượng Tán xạ này chỉ làm suy giảm số photon trong chùm song song Xác suất để xảy ra tán xạ Rayleigh tăng theo số nguyên tử Z của nguyên tố hấp thụ và giảm theo năng lượng Do đó, trong mô mềm xác suất xảy ra sự tán xạ này rất thấp do số nguyên tử hiệu dụng của các mô mềm thấp

Hiệu ứng quang điện là một photon được hấp thụ hoàn toàn và một quang electron bứt ra khỏi nguyên tử Chỗ trống trong vỏ nguyên tử nhanh chóng bị lấp bởi electron từ lớp trên nên xuất hiện một vài tia X đặc trưng hay electron Auger (Hình 1.2) Trong đa số trường hợp, photon của tia X đặc trưng sẽ bị hấp thụ trong vùng lân cận do nó gây ra một hiệu ứng quang điện khác

Hình 1.2 Tương tác quang điện

Tán xạ Compton, còn gọi là tán xạ không kết hợp, photon va chạm và giải

phóng một electron liên kết yếu với hạt nhân Photon truyền một phần năng lượng cho electron và bị lệch khỏi phương ban đầu một góc (Hình 1.3)

Hình 1.3 Tán xạ Compton

Sự sinh cặp là photon biến mất trong trường Coulomb của hạt nhân và một

cặp electron – positron xuất hiện, chỉ xảy ra khi năng lượng lớn hơn 1,022 MeV Electron và positron mất dần động năng do ion hóa và kích thích, cho đến khi dừng lại Đối với positron, khi đó sẽ xảy ra sự hủy cặp do nó kết hợp với một electron tự

do và cả hai biến mất, 2 photon phát ra, mỗi photon có năng lượng khoảng 0,511 MeV, bay ra theo hai hướng ngược nhau (Hình 1.4)

Hình 1.4 Hiệu ứng tạo cặp

Tầm quan trọng của từng loại tương tác đối với mô mềm được cho trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tầm quan trọng của từng loại tương tác đối với mô mềm [3]

Năng lượng photon Vai trò của tương tác

< 50 keV Hiệu ứng quang điện chủ yếu

60 keV đến 90 keV Hiệu ứng quang điện, Compton như nhau

200 keV đến 3 MeV Tán xạ Compton chủ yếu

5 MeV đến 10 MeV Hiệu ứng tạo cặp bắt đầu xuất hiện

1.4.2.2 Những khái niệm cơ bản về vật lý trong xạ trị

Cân bằng điện tích (Build-Up): Là hiện tượng vật lý, xảy ra khi các chùm

photon năng lượng cao tương tác với môi trường sinh ra các electron thứ cấp Tùy theo năng lượng photon và môi trường tương tác, những electron này cũng sẽ tham gia tương tác với môi trường Liều lượng cực đại (Dmax) sẽ đạt được tại độ sâu nào

đó trong môi trường khi các electron đạt đến sự cân bằng Miền giới hạn giữa bề mặt môi trường (da) và độ sâu đạt liều cực đại rất có ý nghĩa trong xạ trị, thông qua việc lựa chọn năng lượng của chùm tia (Hình 1.5) [3]

Hình 1.5 Vùng Build-Up

Phần trăm liều theo độ sâu (PDD): Là liều hấp thụ của một điểm nằm tại độ

sâu nào đó được biểu thị bằng phần trăm so với liều hấp thụ tại điểm tham khảo (thường là điểm có liều cực đại) nằm trục trung tâm của chùm tia Phân bố % liều theo độ sâu của một số loại bức xạ và năng lượng khác nhau của trường chiếu kích thước 10 cm ×10 cm được chỉ ra trên Hình 1.6 [3]

Hình 1.6 Đường phân bố % liều theo độ sâu [7]

Tỷ số mô – không khí (TAR): Là tỷ số của liều lượng tại một điểm nào đó

trong môi trường (nước hoặc mô tương đương) so với liều lượng tại cùng điểm đó được đo trong không khí (Hình 1.7) [7]

Hình 1.7 Thiết lập đo đạc hệ số TAR

Kích thước trường chiếu: Là một kích thước hình học được xác định bởi giới

hạn của đường đồng liều 50% của trường chiếu đó [3]

Vùng nửa tối hay vùng bán dạ: Là vùng nằm gần biên của các trường chiếu, ở

đó liều lượng giảm một cách nhanh chóng Độ rộng của vùng bán dạ phụ thuộc vào kích thước của nguồn, khoảng cách từ nguồn đến giới hạn cuối của collimator và khoảng cách từ nguồn đến bề mặt da [3]

Đường cong đồng liều: Là đường biểu diễn các điểm nhận được một liều

chiếu bằng nhau Chúng biểu diển sự phân bố liều và cho biết tính chất của từng chùm tia hay sự kết hợp giữa các chùm tia với các block, wedge, bolus khác nhau [3]

Bản đồ đồng liều: Là tập hợp một số các đường cong đồng liều của một

trường chiếu Chúng thường mô tả độ chênh lệch về liều lượng giữa các đường là 10% Liều lượng tại các điểm trung gian khác có thể được xác định bằng cách nội suy giữa các đường Bản đồ đồng liều sẽ có hình dạng khác nhau với các kích thước trường chiếu khác nhau, với nguồn bức xạ có các mức năng lượng khác nhau (Hình 1.8) [7]

Hình 1.8 Bản đồ đồng liều của chùm 60Co, kích thước trường chiếu 10 cm x 10

cm A: Khoảng cách nguồn bề mặt (SSD), SSD = 80 cm, B: Khoảng cách nguồn trục (SAD), SAD = 100 cm [7]

Lọc, nêm: Là một loại dụng cụ hấp thụ (thường dùng kim loại nặng

Tungsten, không dùng chì do chì mềm, dễ hỏng, biến dạng trong khi sử dụng) được lồng vào chùm tia, làm biến dạng chùm tia và vì vậy nó cũng làm giảm suất liều chùm tia đó Hệ số truyền qua nêm biểu thị tỷ số của suất liều trên trục trung tâm của chùm tia khi có và khi không có nêm Góc nêm là góc tạo bởi đường vuông góc với trục trung tâm của chùm tia và đường đồng liều 50% và tại điểm giao nhau của chúng trên trục trung tâm (Hình 1.9) [7]

Hình 1.9 Đường cong đồng liều khi có lọc, nêm

Kỹ thuật xạ trị 3D-CRT là một trong các kỹ thuật xạ trị ngoài So với kỹ thuật

xạ trị 2D, các chùm tia được phát ra chỉ có dạng hình chữ nhật hoặc hình vuông, thì

kỹ thuật 3D-CRT ưu việt hơn rất nhiều Với các tấm che chắn chì, ống chuẩn trực

đa lá MLC, chùm bức xạ phát ra có thể được điều chỉnh với hình dạng bất kỳ để có thể bao khít khối u theo từng hướng chiếu (hình 1.10b)

Hình 1.10 Phim chụp X-quang 2D (a) và Ảnh tái tạo DRR của ảnh CT 3D (b)

Mục tiêu của xạ trị là cấp liều tối đa lên khối u và liều thấp nhất có thể cho các

mô lành xung quanh Kỹ thuật xạ trị 3D-CRT mong muốn cung cấp một liều bức xạ

đủ lớn để tiêu diệt tế bào ung thư ở mức xác suất đủ cao để kiểm soát u ác tính, trong khi tại cùng một thời gian đó thì giới hạn liều đến các mô lành xung quanh

được giữ ở mức tối thiểu Kỹ thuật xạ trị 3D-CRT dùng các hình ảnh CT, MRI,

PET, kết hợp với phần mềm lập kế hoạch để tính toán phân bố liều Hiện tại CRT đang là kỹ thuật xạ trị được sử dụng phổ biến nhất tại Việt Nam

3D Ưu điểm của kỹ thuật xạ trị 3D3D CRT:

 Phân bố liều tập trung vào khối u Hầu hết các khối u là đa giác lồi đều đáp ứng phân bố liều tốt mà không ảnh hưởng nhiều đến các cơ quan xung quanh

 Đánh giá được phân bố liều qua từng lát cắt CT

 Ít trường chiếu hơn IMRT

- Nhược điểm của kỹ thuật xạ trị 3D-CRT:

 Khó đạt được yêu cầu cho khối u là đa giác lõm

 Các cơ quan trọng yếu phải nhận liều lượng cao

 Cần các thiết bị phụ trợ như Wedge, Block chì [2],

 Kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ - IMRT (Intensity Modulated

Radiation Therapy)

Xạ trị điều biến cường độ - IMRT là một kỹ thuật cải tiến hơn nữa của cách xạ trị từ bên ngoài dùng nguồn photon [2], ngoài mục tiêu là phân liều tối đa để tiêu diệt hoàn toàn khối u còn giảm liều thấp nhất có thể tới mô lành Với các trường chiếu từ nhiều hướng khác nhau, thông lượng của tia được điều chỉnh để phù hợp với bề dày, kích thước của từng vị khối u

-Ưu điểm của IMRT:

 Không phải trang bị MLC

 Kế hoạch đạt phân bố liều tốt hơn 3D-CRT nhờ sử dụng thuật toán tối

ưu hóa phân bố liều của chùm tia

 Lập kế hoạch với liều chỉ định cao hơn mà liều tới mô lành vẫn trong giới hạn cho phép

 Đạt ưu thế vượt trội so với 3D-CRT trong việc tạo phân bố liều cho các khối u dạng đa giác lõm

 Không phải chi phí cho việc làm khuôn và block

 Giảm hiện tượng cháy da do electron tán xạ khi dùng khuôn và block

 Không phải tháo lắp phụ kiện che chắn cho bệnh nhân như điều trị thông thường

 Giảm thiểu các thao tác bằng tay của kỹ thuật viên trong quá trình xạ trị, từ đó giảm đáng kể liều bức xạ tới kỹ thuật viên

 Chỉ cần một lần đặt và cố định bệnh nhân cho mỗi ca điều trị

 Thời gian điều trị giảm đi một nửa so với các ca điều trị thông thường

 Cho phép tăng ca điều trị trong ngày

 Thời gian nhanh hơn tạo cho bệnh nhân cảm giác dễ chịu trong quá trình điều trị

-Nhược điểm của IMRT:

 Cần đánh giá kế hoạch qua kiểm chuẩn liều lượng kế hoạch

 Thời gian lập kế hoạch dài hơn [2]

 Tổng số MU cần phát cao hơn

 Liều tại da cao Bức xạ rò rỉ,…

 Kỹ thuật xạ trị theo hướng dẫn của hình ảnh IGRT (Image Guided Radiation Therapy)

Cũng giống như các kỹ thuật khác, mục tiêu của kỹ thuật xạ trị IGRT là liều tối đa đến khối u và liều tối thiểu đến các cơ quan lành, từ đó giúp tăng khả năng kiểm soát khối u đồng thời làm giảm tác dụng phụ của xạ trị trên các cơ quan lành

Xạ trị theo hướng dẫn của hình ảnh là sử dụng hình ảnh hai chiều (X-quang kỹ thuật

số kV hoặc MV) hoặc 3 chiều CT chụp trước và trong quá trình xạ trị đối chiếu với hình ảnh khi mô phỏng lập kế hoạch để đảm bảo vị trí bệnh nhân khi điều trị thực tế đúng chính xác như khi mô phỏng lập kế hoạch Mục tiêu của xạ trị dưới hướng dẫn hình ảnh nhằm cải thiện độ chính xác của việc thiết lập các trường chiếu xạ, giảm biên cần cộng từ thể tích khối u lâm sàng (CTV) sang thể tích lập kế hoạch điều trị (PTV) và do đó làm giảm số lượng mô lành bị chiếu xạ trong điều trị Xạ trị dưới hướng dẫn hình ảnh là yếu tố thiết yếu giúp điều trị chính xác khi tiến hành các kỹ thuật xạ trị tiên tiến như xạ trị điều biến cường độ (IMRT)

CHƯƠNG 2

XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ (IMRT)

Tỷ lệ ung thư vòm họng (NPC) thay đổi đáng kể từ ít hơn 1:100000 người/năm

ở hầu hết các nước phương Tây và lên đến 25:100000 người/năm tại khu vực Đông Nam Á, Greenland và Bắc Phi [6] Lý do một phần của sự thay đổi này có thể là do lây nhiễm với virus Epstein-Barr Ngoài ra, các hóa chất gây ung thư cũng đã góp phần tạo nên sự gia tăng ung thư vòm họng Xạ trị được xem là phương thức tốt để điều trị và tiên lượng cho bệnh nhân có khối u khu trú ở mũi họng (AJCC/UICC giai đoạn I) Tại Việt Nam, kỹ thuật xạ trị 3D-CRT được sử dụng rộng rãi tại các cơ

sở xạ trị trong điều trị ung thư Tuy nhiên, với khối u vòm họng nằm ở đáy của hộp

sọ, gần một số cơ quan quan trọng (ví dụ mắt, dây thần kinh thị giác/giao thoa, thân não, tai trong, và tuyến nước bọt) thì không thể được bảo vệ nếu dùng kỹ thuật 3D-CRT Nhưng với kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ (IMRT) có sự hướng dẫn của

CT dường như đã cải thiện độ bao phủ liều lên bia và bảo vệ các cấu trúc quan trọng Vì vậy có thể nói IMRT là một trong những kỹ thuật xạ trị hiện đại, rất tiên tiến với việc dùng máy gia tốc tuyến tính để cấp liều xạ [6]

Mặc dù IMRT đã được triển khai rộng rãi và đã trở thành một phương pháp điều trị tại nhiều cơ sở xạ trị, tuy nhiên, nhiều trung tâm xạ trị trên toàn thế giới vẫn

sử dụng các máy gia tốc tuyến tính với hệ chuẩn trực đơn giản là các ngàm độc lập (gọi là kỹ thuật JO-IMRT) mà không có hệ chuẩn trực đa lá (MLC) (gọi là kỹ thuật MLC-IMRT) [8] Kỹ thuật JO-IMRT được thực hiện qua việc đồng thời chia các trường chiếu (beams) ở nhiều góc độ khác nhau thành nhiều phân đoạn hình chữ nhật (segments) với các trọng số khác nhau (weights) nhằm tối ưu hoá liều cao nhất theo hình dạng khối u và liều cho phép giới hạn ở tổ chức lành Vào năm 1999, Dai, Hu đã chứng minh rằng kế hoạch JO-IMRT có thể được cấp liều bằng cách sử dụng phương pháp cấp liều ngắt quãng nhưng thời gian xạ trị gia tăng đáng kể, họ ước tính rằng thời gian cấp liều của JO dài hơn gấp 4-7 lần so với thời gian cấp liều bằng MLC [8] Vào năm 2002, Shepard, những đồng nghiệp, (Bedford và Webb 2006) sử dụng thuật toán tối ưu hóa trực tiếp độ mở (Direct Aperture Optimization -

DAO) nhằm tối ưu hình dạng và kích thước các ngàm độc lập, đồng thời xem xét đến những thông số của hệ thống cấp liều [10] Họ đã chứng minh rằng phương pháp tối ưu hóa này giảm được đáng kể số phân đoạn, số MU và duy trì được những lợi ích về phân bố liều lượng của IMRT Đồng thời vào năm 2007, Yongbok Kim

và đồng nghiệp đã nghiên cứu, sử dụng phương pháp tối ưu hóa DAO để giảm thời gian cấp liều cho các kế hoạch JO-IMRT [8] và thuật toán DAO đã được thực hiện trong hệ thống lập kế hoạch Prowess Panther

Với kỹ thuật JO-IMRT giúp giảm liều tới cơ quan lành, tăng liều cao tới khối

u, đồng thời với việc sử dụng các ngàm độc lập đã góp phần giảm được chi phí và

dễ dàng duy trì so với việc dùng MLC-IMRT Trong khóa luận này sử dụng kỹ thuật JO-IMRT để lập kế hoạch và đánh giá cho các bệnh nhân ung thư vòm họng

2.1 Nguyên lý của kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT

2.1.1 Kỹ thuật xạ trị IMRT

Kỹ thuật xạ trị IMRT xuất hiện trong điều trị lâm sàng như là kết quả của sự phát triển kỹ thuật xạ trị thích ứng ba chiều (3D-CRT) trong những năm 1980 Đến những năm 1990, IMRT đã được thừa nhận và ứng dụng tại Mỹ Về mặt vật lý, tính năng chung của IMRT là cố gắng tăng cường việc kiểm soát phân bố liều ba chiều thông qua sự chồng chập của các trường chiếu nhỏ độc lập nhau trong một hướng của chùm tia Nói cách khác, trong kỹ thuật này, cường độ chùm tia chiếu ra được điều biến, không đồng nhất (hình 2.1) [5]

Hình 2.1 So sánh phân bố liều lượng giữa kế hoạch 3D (trái) và IMRT (phải)

Từ hình 2.1 cho ta thấy, liều bức xạ tại kế hoạch 3D phân bố đồng đều trong khi tại kế hoạch IMRT liều bức xạ phân bố theo hình dạng và mật độ tế bào u: Chỗ đậm, chỗ nhạt khác nhau

2.1.2 IMRT tối ưu hơn 3D-CRT

Kỹ thuật xạ trị 3D-CRT gồm các hướng chiếu, mỗi hướng chiếu được che chắn sao cho tránh được cơ quan bảo vệ và không làm che khuất khối u Còn kỹ thuật xạ trị IMRT có thêm một bậc tự do nữa là sự điều biến cường độ chùm tia để lập kế hoạch điều trị [5] Chính vì thế, kỹ thuật này tạo ra phân bố liều tốt hơn (hình 2.2)

Hình 2.2 Phân bố liều của kỹ thuật xạ trị 3D-CRT và IMRT

Hình 2.2 là ảnh CT của bệnh nhân đã được các bác sỹ xác định thể tích khối u

và các cơ quan cần bảo vệ như tủy sống, tuyến mang tai Thể tích khối u thường được chiếu xạ từ phía trước và hai bên vào, đường đồng liều bao trùm khối u đồng thời bao trùm cả tủy sống và tuyến mang tai (hình 2.2) Do đó, các cơ quan cần bảo

vệ nhận một liều tương đương với liều mà khối u nhận được Nhưng với kỹ thuật MRT thì vùng liều cao bao khít theo hình dạng khối u và tránh được tủy sống Kỹ

thuật 3D-CRT khó có thể làm được điều này

2.1.3 Điều biến cường độ chùm tia

Kỹ thuật IMRT đã được thừa nhận rộng rãi là có thể thực hiện trên những máy gia tốc có ống chuẩn trực đa lá, tuy nhiên IMRT cũng có khả năng thực hiện với máy gia tốc có các ngàm chuyển động độc lập (Jaw collimator) hay nói cụ thể hơn là bộ collimator chuẩn gọi là kỹ thuật Jaws only IMRT Trong kỹ thuật này, chùm tia được chia nhỏ thành nhiều chùm tia đơn vị, trọng số của các chùm tia đơn vị được

tối ưu hóa để tạo nên bản đồ phân bố cường độ cho mỗi chùm tia Từ bản đồ phân

bố cường độ, máy tính sẽ tính toán để thiết lập chùm tia đó thành các trường chiếu liên tiếp theo một trình tự nhất định của máy gia tốc dựa trên việc di chuyển vị trí của các collimator độc lập, đối với MLC-IMRT là bộ chuẩn trực đa lá, còn đối với Jaws-IMRT là các ngàm chuyển động độc lập Kết quả là hàng loạt các trường chiếu nhỏ có hình dạng bất kì đối với máy có MLC, hoặc các trường hình vuông, hình chữ nhật đối với máy chỉ sử dụng jaws (hình 2.3) được hình thành từ mỗi hướng của chùm tia được chồng chập lên nhau để tạo ra các mô hình liều lượng (cường độ) phức hợp (hình 2.4) [5]

Hình 2.3 Hình dạng chùm tia được tạo ra bởi MLC - IMRT (trái) và Jaw -

IMRT (phải)

Sự khác nhau giữa MLC-IMRT và JO-IMRT đó là kỹ thuật MLC-IMRT chia các trường chiếu thành các phân đoạn có hình dạng bất kỳ, còn JO-IMRT chia các trường chiếu ra các phân đoạn hình chữ nhật hoặc hình vuông, nhưng với nhiều hình chữ nhật khác nhau cũng bám sát được hình dạng khối u Trong khóa luận này sẽ tập trung trình bày kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ bằng các collimator tiêu chuẩn