Đánh giá kế hoạch xạ trị imrt điều trị ung thư vùng đầu cổ dựa vào tập lịch sử quá trình và phép đo trên epid trước khi xạ trị

Các kỹ thuật điều biến cường độ chùm tia trong xạ trị ngoài, và quy trình kiểm tra kế hoạch điều trị IMRT của bệnh nhân trước khi điều trị Cách tính chỉ số các chỉ số đánh giá và phương

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật

Mã số: 8520401

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lý Anh Tú………

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Thế Thường………

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Trần Trung Nghĩa………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 5 tháng 9 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS.TS Huỳnh Quang Linh

2 TS Nguyễn Trung Hậu

3 TS Nguyễn Thế Thường

4 TS Trần Trung Nghĩa

5 TS Lưu Gia Thiện

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Họ tên học viên: TRẦN HOÀI NHƠN MSHV: 1870599

Ngày, tháng, năm sinh: 10-08-1993 Nơi sinh: Đồng Nai

2- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Trình bày tổng quan về ung thư và máy gia tốc tuyến tính

Các kỹ thuật điều biến cường độ chùm tia trong xạ trị ngoài, và quy trình kiểm tra kế hoạch điều trị IMRT của bệnh nhân trước khi điều trị

Cách tính chỉ số các chỉ số đánh giá và phương pháp đánh giá kết quả QA một kế hoạch điều trị IMRT của bệnh nhân

Xác định những lỗi xảy ra khi QA kế hoạch điều trị IMRT được phân tích từ tập lịch sử quá

trình

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 10/02/2020

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÝ ANH TÚ

Tên đề tài và nội dung LVTN đã được thông qua Bộ môn

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình từ Quý Thầy Cô giảng dạy tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, khoa Khoa Học Ứng Dụng, Bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh Đồng thời em cũng nhận được sự giúp đỡ

từ các anh chị bạn bè lớp cao học Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh khóa 2018 và sự quan tâm tạo điều kiện của gia đình Từ đáy lòng mình, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

 TS Lý Anh Tú người thầy đã giúp em định hướng cho luận văn, hướng dẫn và truyền cho em sự tận tâm, nhiệt huyết, luôn nhắc nhở để em có thể hoàn thành luận văn

 Ths Lưu Đặng Hoàng Oanh – Nghiên cứu sinh hướng Vật lý Y Khoa tại Đài Loan, người chị luôn giúp đỡ, đưa ra những ý kiến, định hướng để em hoàn thiện luận văn

 Ks Phạm Công Giải và Ths Lê Trương Anh Khoa - Nhân viên khoa Kỹ Thuật Phóng Xạ - Bệnh Viện Ung Bướu Tp Hồ Chí Minh, là những người anh luôn cho

em lời khuyên, động viên em trong những giai đoạn khó khăn thực hiện luận văn, để

em có thêm động lực hoàn thành luận văn

 Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, quý thầy cô Bộ môn Vật Lý Kỹ Thuật Y Sinh đã quan tâm hỗ trợ em trong thời gian qua

Sau cùng em xin kính chúc quý thầy cô, gia đình cùng những người đã quan tâm giúp

đỡ em thật nhiều sức khỏe và thành công trong công việc

Em xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020

Trần Hoài Nhơn

Ngày nay, sử dụng máy gia tốc để điều trị ung thư bằng phương pháp điều biến cường

độ chùm tia ngày càng phổ biến Để đảm bảo an toàn và độ chính xác cao trong việc điều trị, cần thực hiện kiểm tra kế hoạch trước khi điều trị cho bệnh nhân

Có nhiều phương pháp kiểm tra kế hoạch IMRT trước điều trị như phép đo liều điểm bằng buồng ion hóa, phép đo liều mặt phẳng 2D, ngoài ra có thể dựa vào tập lịch sử quá trình để kiểm tra kế hoạch điều trị Máy gia tốc lưu thông tin quá trình phân phối chùm tia trong tập lịch sử, tập lịch sử được truy xuất từ máy gia tốc và được phân tích Tập lịch

sử chứa nhiều thông tin gồm giá trị thực thế và giá trị theo kế hoạch điều trị của vị trí các

lá MLC, góc Gantry, góc Collimator, số MU… trong suốt quá trình điều trị

Phân tích tập lịch sử quá trình là một lĩnh vực ngày càng được quan tâm Các tập lịch

sử có độ phân giải cao cho phép phân tích sâu vào các kế hoạch điều trị được cung cấp bởi các máy gia tốc của hãng Varian

Luận văn này dựa vào tập lịch sử quá trình để xác định lỗi vị trí trí các lá MLC, lỗi góc quay Gantry, góc quay Collimator, lỗi bộ mang, sai số MU và đánh giá kế hoạch điều trị dựa trên bản đồ thông lượng được xây dựng lại từ tập lịch sử quá trình Thông qua một chương trình có tên Pylinac cung cấp các công cụ đảm bảo chất lượng theo Task Group

142 (TG-142) của Hội Liên Hiệp Vật Lý trong y khoa của Mỹ (AAPM) được viết trên ngôn ngữ lập trình Python để hỗ trợ các lập trình viên trong lĩnh vực vật lý y khoa

Bằng việc phân tích tập lịch sử quá trình, luận văn đã xác định được sai số các lỗi xảy

ra trong quá trình điều trị như độ lệch góc gantry 0.01148o ± 0.00487 < 1o (TG-142); độ lệch góc collimator 0.00196o ± 0.00162 < 1o; độ lệch trung bình vị trí các lá MLC 0.02278 ± 0.00390 mm < 3.5 mm; độ lệch của 2 bộ mang A và B lần lượt là 0.00167 ± 0.00064 cm, 0.00163 ± 0.00068 cm < 0.35 cm; độ lệch MU 0.00409 ± 0.00101 MU < 2-5

MU Các lỗi nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn TG-142 đối với kế hoạch được điều trị bằng kỹ thuật điều biến cường độ chùm tia Tỉ lệ chấp nhận bản đồ thông lượng với điều kiện DM/dM (3%/3mm) dựa vào tập lịch sử quá trình lớn hơn phép đo trên EPID 0.6% Có thể sử dụng tập lịch sử quá trình kết hợp với các phép đo truyền thống

cách hiệu quả

Nowadays, the use of accelerators to treat cancer with Intensity-modulated radiotherapy is increasingly popular To ensure safety and high accuracy of the treatment,

it is necessary to perform a patient-specific pre-treatment quality assurance test

There are several methods to check the IMRT pre-treatment plan, such as point dose measurement by ionization chamber and 2D plane dose measurement In addition, the trajectory log file can be used to check the treatment plan Varian linear accelerators store information of their deliveries in trajectory log files, which can be extracted from the machine and subsequently analysed The trajectory log file contains a lot of information, including the actual and expected values of MLC leaves positions, Gantry angles, Collimator angles, and MUs number, which are all recorded during the treatment process Analysis of trajectory log file is a field of growing interest High resolution of trajectory log files allow deep analysis into treatment plans delivered by Varian treatment machines

This thesis utilises the trajectory log file to identify the location of errors of MLC leaves, Gantry angle errors, Collimator angles errors, Carriage errors, MU errors, and then evaluate treatment plans based on the fluence maps reconstructed from the acquired log file Through a program called Pylinac, written in the Python programming language, software tools are provided for medical physicists to conduct quality assurance tests, complying with the conditions of Task Group 142 (TG-142) of the American Association

of Physicists in Medicine (AAPM) Furthermore, this software also allows great programming capability for the medical physicist community

By analyzing the Trajectory Log File, the thesis has identified the errors occurring during the treatment such as gantry angle deviation 0.01148o ± 0.00487 < 1o (TG-142); angle collimator deviation 0.00196o ± 0.00162 < 1o; average deviation of MLC leaf positions 0.02278 ± 0.00390 mm < 3.5 mm; deviation of the both carriers A and B are

treat with the Intensity-Modulated Radiotherapy Technique QA result based on Gamma map analysis built on the trajectory log file with tolerance criteria DM/dM (3%/3mm) is 0.6% larger than that of the result from EPID The Trajectory Log File can be used in combination with other traditional measurements to effectively implement patient-specific quality assurance tests

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của TS Lý Anh Tú Các nội dung nghiên cứu, số liệu, kết quả kiểm nghiệm trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Ngoài

ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền

do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 8 năm 2020

Từ viết tắt Ý nghĩa Tiếng Anh Ý nghĩa Tiếng Việt

AAPM American Association of Physicists in

Medicine Hiệp hội Vật lý Y khoa Mỹ ACMP American College of Medical Physics Trường đại học Vật lý Y khoa

Mỹ 3D Three Dimensional 3 Chiều

3DCRT 3D Conformal Radiation Therapy Xạ trị phù hợp mô đích

CBCT Cone beam computed tomography Chụp cắt lớp chùm hình nón

CT Computed tomography Chụp cắt lớp

DD Dose Difference Khác nhau về liều

DICOM Digital Imaging and Communications

in Medicine

Hình ảnh kỹ thuật số và truyền thông tin trong y tế

DRGS Dose-Rate & Gantry-Speed Suất liều và tốc độ đầu máy DRMLC Dose-Rate & Multileaf Collimator Suất liều và chuẩn trực đa lá DTA Distance to agreement Khoảng cách chấp thuận

DVH Dose volume histogram Biểu đồ thể tích liều

EBRT External Beam Radiation Therapy Liệu pháp Xạ trị ngoài

EPID Electronic Portal Imaging Device Thiết bị hình ảnh cổng thông

tin điện tử FOV Field of view Trường chiếu

GUI Graphical user interface Giao diện người dùng

IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan Năng lượng Nguyên

tử Quốc tế ICRP International Commission on

Radiological Protection

Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Phóng xạ

ICRU International Commission on

Radiation Units and Measurements

Ủy ban Quốc tế về Đo lường

và Đơn vị Bức xạ IEC International Electrotechnical

Commission Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IMRT Intensity Modulated Radiation

Therapy Điều biến cường độ chùm tia

kV kilovolt

MLC Multileaf Collimator Bộ Chuẩn trực đa lá

MRI Magnetic resonance imaging Chụp cộng hưởng từ

MSE mean-square error Lỗi bình phương trung bình

MV Megavolt

NCRP National Council on Radiation

Protection and Measurements

Hội đồng quốc gia về bảo vệ

và đo lường bức xạ OAR Organs at Risk Cơ quan quý

PTV Planning treatment volume Thể tích điều trị

QA Quality Assurance Đảm bảo chất lượng

RF Radio frequency Tần số vô tuyến

RMSD Root-mean-square deviation Độ lệch trung bình bình

phương SIB Simultaneous Integrated Boost Xạ trị đồng thời

TFT Thin film transistors Màng mỏng bán dẫn

TPS Treatment planning system Hệ thống lập kế hoạch

URL Uniform Resource Locator Định vị tài nguyên thống nhất VMAT Volumetric Modulated Arc Therapy Liệu pháp điều biến cung tròn

theo thể tích WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT v

LỜI CAM ĐOAN vii

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH xiii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xv

DANH SÁCH BIỂU ĐỒ xv

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2

1.2.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài 3

1.3 Ý nghĩa của đề tài 4

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH 5

2.1 Ung thư là gì? Các phương pháp điều trị ung thư hiện nay 5

2.1.1 Ung thư là gì? 5

2.1.2 Các phương pháp điều trị ung thư hiện nay 7

2.1.2.1 Phẫu Thuật 7

2.1.2.2 Hóa Trị 8

2.1.2.3 Xạ Trị 8

2.2 Máy gia tốc tuyến tính 10

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo máy Gia Tốc Tuyến Tính 10

2.2.2 Các kỹ thuật điều trị điều biến cường độ chùm tia 13

2.2.2.2 Kỹ thuật xạ trị VMAT 15

2.3 Kiểm tra đảm bảo chất lượng QA 17

2.3.1 Kiểm tra đảm bảo chất lượng 17

2.3.2 Quy trình và thiết bị kiểm tra kế hoạch IMRT của bệnh nhân trước khi điều trị 19

Chương 3 HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC TRUEABEAM 21

3.1 Hệ thống lập kế hoạch xạ trị và máy gia tốc tuyến tính Truebeam 21

3.1.1 Giới thiệu về hệ thống lập kế hoạch xạ trị (TPS) 21

3.1.2 Máy gia tốc tuyến tính Truebeam 23

3.1.2.1 Bộ chuẩn trực đa lá (MLC) 24

3.1.2.2 Tập lịch sử quá trình (Trajectory log file) 26

3.2 Hệ thống Hình ảnh cổng thông tin điện tử (EPID) 28

3.3 Công cụ phần mềm Pylinac 30

Chương 4 ĐÁNH GIÁ KẾ HOẠCH XẠ TRỊ IMRT VÙNG ĐẦU CỔ DỰA VÀO TẬP LỊCH SỬ QUÁ TRÌNH 33

4.1 Phương pháp tính và đánh giá QA kế hoạch thông qua chỉ số 33

4.1.1 Chỉ số Gamma (γ) 33

4.1.2 Chỉ số Chi () 36

4.2 Những lỗi phát hiện dựa trên tập lịch sử quá trình 38

4.2.1 Lỗi góc Gantry, lỗi góc Collimator 38

4.2.2 Lỗi Beam hold 39

4.2.3 Lỗi vị trí các lá MLC 40

4.2.4 Bản đồ Thông lượng (fluence map) 43

4.2.5 Phân tích bản đồ Gamma 44

4.3 Phân tích kết quả 46

4.3.1 Sai số góc quay Gantry và góc quay Collimator 47

4.3.2 Lỗi vị trí các lá MLC 49

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

5.1 Kết luận 56

5.2 Khuyến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 60

Hình 2.1 Các tế bào bình thường trải qua apoptosis và chết đi trong khi các tế bào ác

tính vượt qua apoptosis và phát triển về số lượng [1] 6

Hình 2.2 Thiết bị Xạ Trị Trong GammaMed Plus của hãng Varian 9

Hình 2.3 Máy Gia Tốc tuyến tính TrueBeam của Hãng Varian 9

Hình 2.4 Mô hình máy Gia Tốc Tuyến Tính sử dụng trong y tế [2] 10

Hình 2.5 Các thành phần chính trong máy Gia Tốc Tuyến Tính sử dụng trong y tế [2] 11

Hình 2.6 MLC và bộ mang của máy gia tốc hãng Varian 12

Hình 2.7 a) Mô tả một hình dạng được tạo bởi MLC, b) Cách sắp xếp các lá vonfam cạnh nhau 13

Hình 2.8 Mô tả tạo hình của MLC Jaw tĩnh thể hiện độ rộng của trường chiếu, dynamic MLC di chuyển ngang trường chiếu, một hình dạng rỗng được tạo cho bức xạ đi qua 14

Hình 2.9 Quá trình tối ưu cho kỹ thuật IMRT 15

Hình 2.10 So sánh phân bố liều đối với kỹ thuật VMAT và IMRT của bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ 16

Hình 2.11 Quá trình tối ưu cho kỹ thuật VMAT 17

Hình 2.12 Sơ đồ quy trình kiểm soát chất lượng trước khi điều trị tại một cơ sở [5] 19

Hình 3.1 Mô hình toàn bộ hệ thống điều trị của Hãng máy gia tốc Varian 22

Hình 3.2 Giao tiếp giữa các thiết bị trong một khoa xạ trị [6] 22

Hình 3.3 Toàn cảnh bên trong phòng xạ trị 23

Hình 3.4 Nguyên lý ban đầu về hình dạng chùm bức xạ của Takahaski [7] 24

Hình 3.5 Sơ đồ các lá MLC liền kề của các hãng Elekta, Siemens, Varian [6] 25

Hình 3.6 Hình ảnh bộ chuẩn trực đa lá HD120 MLC 26

Hình 3.7 Mặt cắt ngang của EPID 30

Hình 3.8 Cấu tạo của EPID aS1200 30

Hình 3.9 Mô hình các môđun của Pylinac 31

nhau về liều và khoảng cách chấp nhận (DTA) a) tọa độ 2 chiều b) tọa độ một chiều [14]

35

Hình 4.2 Dạng hình học của điều kiện đánh giá phân bố liều kết hợp 2 điều kiện khác nhau về liều và khoảng cách chấp nhận (DTA) a) tọa độ 2 chiều b) tọa độ một chiều [14] 36

Hình 4.3 a) Phép kiểm tra theo chỉ số Gamma b) Phép kiểm tra theo chỉ số Chi [17] 37

Hình 4.4 Hình ảnh các hướng trường chiếu của kế hoạch IMRT 39

Hình 4.5 : Tâm isocenter giao giữa trục quay của Gantry là trục ngang, trục quay của Collimator là trục đứng 39

Hình 4.6 Sơ đồ mô tả hệ thống điều khiển giữa MLC và máy gia tốc [20] 40

Hình 4.7 Xác định RMSD các lá MLC 41

Hình 4.8 Các phân đoạn trong một trường chiếu IMRT 42

Hình 4.9 Sơ đồ cách tạo ra bản đồ thông lượng 44

Hình 4.10 Bản đồ thông lượng được xây dựng lại từ tập lịch sử 44

Hình 4.11 Bản đồ thông lượng và bản đồ Gamma được xây dựng từ tập lịch sử 46

Hình 4.12 Phân vùng xạ trị các nhóm nguy cơ 47

Bảng 3.1 Cấu trúc Tiêu đề trong tập tin nhật ký Trajectory [10] 27 Bảng 3.2 Cấu trúc chùm tia con trong tập lịch sử quá trình 28 Bảng 4.1 Sai số góc quay Gantry và góc quay Collimator giữa giá trị thực tế và giá trị theo kế hoạch của 30 ca bệnh Đơn vị độ ( o ) 47 Bảng 4.2 Sai số vị trí các lá của bộ chuẩn trực MLC giữa giá trị thực tế và giá trị theo kế hoạch của 30 ca bệnh Đơn vị mm 49 Bảng 4.3 Sai số vị trí của hai bộ mang được thiết kế để giữ và di chuyển bộ chuẩn trực đa

lá MLC 51 Bảng 4.4 Sự không đồng bộ giữa dừng và phát chùm tia, sự chênh lệch số MU trong từng

ca điều trị 53 Bảng 4.5 Phần trăm chấp nhận bản đồ Gamma ghi nhận từ tập lịch sử và hệ thống hình ảnh cổng thông tin điện tử 54

DANH SÁCH BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1 Sai số góc quay Gantry giữa giá trị theo kế hoạch và giá trị thực tế của 30

ca bệnh 49 Biểu đồ 4.2 Sai số góc quay Collimator giữa giá trị theo kế hoạch và giá trị thực tế của

30 ca bệnh 49 Biểu đồ 4.3 Tần suất xảy ra lỗi của 120 lá MLC trong một trường chiếu của một kế hoạch điều trị Trục tung (y) thể hiện số lần, trục hoành (x) sai số vị trí Đơn vị cm 51 Biểu đồ 4.4 Sai số vị trí của của 120 lá MLC trong một trường chiếu của một kế hoạch điều trị Trục tung (y) thế hiện sai số đơn vị mm Trục hoành (x) số thứ tự lá MLC 51 Biểu đồ 4.5 Số lần sai số cực đại Beam Hold trong các ca điều trị 53

Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Theo công bố mới nhất của tổ chức Y Tế Thế Giới (WHO), số ca mắc bệnh ung thư mới tại Việt Nam năm 2018 đã tăng lên 165000 ca Tổ chức Y tế thế giới vừa công bố tình hình ung thư được hiệu chỉnh theo độ tuổi tại 185 quốc gia và vùng lãnh thổ Trong

đó, 10 quốc gia có tỉ lệ ung thư cao nhất đều là những nước phát triển: Úc đứng số 1 với

tỉ lệ mắc ung thư ở cả 2 giới với tỉ lệ (468/100000 dân); New Zealand (438/100000 dân); Ireland (373/100000 dân); Hungary (368/100000 dân); Mỹ đứng thứ 5 với tỉ lệ (352/100000 dân), theo sau là Bỉ, Pháp, Đan Mạch, Na Uy, Hà Lan…[23]

Tại Châu Á, Hàn Quốc có tỉ lệ mắc ung thư cao nhất (313/100000 dân) xếp vị trí 13 trên bản đồ ung thư thế giới; Singapore xếp thứ 2 khu vực (282/100000 dân) xếp vị trí 42 thế giới; Nhật Bản xếp thứ 3 khu vực (248/100000 dân) vị trí 43 thế giới; Trung Quốc xếp vị trí thứ 9 khu vực (202/100000 dân) và 68 thế giới

Tại khu vực Đông Nam Á, Singapore có tỉ lệ mắc ung thư cao nhất, kế đó là Philippines (163/100000 dân) xếp vị trí 89 thế giới; Thái Lan (152/100000 dân), xếp vị trí

92 thế giới; thứ 4 khu vực là Lào (154/100000 dân), xếp vị trí 97 thế giới Việt Nam xếp

vị trí 99/185 quốc gia và vùng lãnh thổ với tỉ lệ mắc ung thư 151,4/100000 dân, xếp vị trí

19 châu Á và xếp thứ 5 tại khu vực Đông Nam Á

Theo thống kê của WHO, số ca mắc bệnh ung thư mới tại Việt Nam không ngừng tăng, từ 68000 ca năm 2000 lên 126000 năm 2010 Năm 2018, số ca mắc mới tăng lên gần 165000 ca/96,6 triệu dân, trong đó gần 70% trường hợp tử vong tương đương 115000

5 loại ung thư phổ biến nhất ở nam giới Việt Nam gồm: Ung thư phổi, ung thư gan, ung thư dạ dày, ung thư đại tràng; ung thư hầu họng Ở nữ giới, hàng đầu vẫn là ung thư

vú, ung thư đại tràng, ung thư phổi, ung thư gan

Ung thư đang là một trong những thách thức sức khoẻ cộng đồng quan trọng nhất của thế kỷ 21 Do đó, ngày nay nhiều phương pháp điều trị không ngừng được nghiên cứu và phát triển để điều trị ung thư như: phẫu thuật, hóa trị, xạ trị, liệu pháp miễn dịch, điều trị trúng đích, điều trị bằng hormone, cấy tế bào gốc, y học chính xác

Trong luận văn này tập trung nghiên cứu tìm hiểu về phương pháp xạ trị Ưu điểm của phương pháp điều trị này so với các phương pháp khác: tiêu diệt một tỷ lệ lớn tế bào ung thư trong toàn khối u, gây chết bệnh có kích thước phân tử mà mắt thường không thể nhìn thấy được, thu nhỏ khối u để giảm đau hoặc kết hợp với các phương pháp khác, an toàn đối với bệnh nhân không gây cho bệnh nhân cảm thấy đau đớn, bảo toàn cơ quan, kích thích hệ thống miễn dịch chống lại khối u

Bên cạnh những ưu điểm phương pháp vẫn tồn tại một số nhược điểm: không thể tiêu diệt hết những tế bào ung thư nguy cơ không tìm thấy trên hình ảnh chẩn đoán, không thể tiêu diệt tế bào ung thư kém nhạy xạ đối với tế bào thuộc vùng thiếu oxi Đặc biệt là gây tổn hại mô lành xung quanh, do đó cần một quy trình đảm bảo chất lượng kế hoạch điều trị cho bệnh nhân trước khi điều trị

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Đối với lâm sàng việc thực hiện một kỹ thuật mới cần kiểm tra liều được tính bởi thuật toán tính liều Kỹ thuật điều biến cường độ chùm tia (IMRT) làm các đường đẳng liều ôm sát khối u giảm liều đến cơ quan lành, chính vì điều này làm cho kỹ thuật trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi Bên cạnh lợi ích của kỹ thuật mang lại, đường liều

ôm sát khối bướu làm tăng mức độ phức tạp của kỹ thuật so với kỹ thuật 3DCRT về việc lập kế hoạch điều trị và sự phân bố chùm tia gồm vị trí MLC, tán xạ từ đầu máy, các trường chiếu nhỏ Liều được tính bằng cách chia chùm tia thành các chùm tia có kích thước nhỏ (beamlet) với các cường độ khác nhau Trong quá trình điều trị các thông số

máy luôn thay đổi Chính vì vậy cần QA kế hoạch để đảm bảo rằng số MU và tất cả các thông số máy được sử dụng để thiết lập cho bệnh nhân phải chính xác (kích thước trường chiếu, góc đầu máy gantry, góc collimator…)

QA kế hoạch bệnh nhân là kiểm tra toàn bộ chuỗi quá trình từ hệ thống lập kế hoạch đến việc truyền dữ liệu và sự phân bố chùm tia cho một ca điều trị Nghĩa là, kế hoạch điều trị sau khi được chấp nhập, kế hoạch được truyền dữ liệu chính xác xuống máy điều trị sau cùng kế hoạch được phân phối một cách chính xác Có nhiều phương pháp kiểm tra liều hoặc thông lượng chùm tia trước khi điều trị cho bệnh nhân, trong đó tập lịch sử quá trình có thể phát hiện được các lỗi trong toàn bộ chuỗi quá trình này

Có nhiều phần mềm xử lý thương mại phân tích tập lịch sử quá trình, một số phần mềm thương mại được thiết kế dành cho thực hành lâm sàng và do đó không được lập trình để phân tích thống kê quy mô lớn Ngoài ra, người dùng không có cách nào sửa đổi

mã (code) để thực hiện phân tích cho riêng mình

Do đó, mục tiêu của luận văn là dựa trên tập lịch sử quá trình được tạo ra trong quá trình điều trị, sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để truy xuất thông tin về vị trí lá MLC,

số MU của mỗi trường chiếu, góc đầu máy, góc Collimator… so sánh với các thông số từ

hệ thống lập kế hoạch để đánh giá mức độ chính xác của máy gia tốc

Từ vị trí của các lá MLC trong tập lịch sử quá trình tái tạo lại bản đồ thông lượng (fluence map) So sánh 2 bản đồ thông lượng từ tập lịch sử và từ hệ thống lập kế hoạch điều trị dựa trên chỉ số đánh giá, từ đó đánh giá kế hoạch điều trị có phù hợp với điều kiện hoạt động thực tế của máy gia tốc Để đưa ra quyết định sử dụng kế hoạch điều trị cho bệnh nhân

So sánh kết quả QA tỉ lệ chấp nhận dựa trên chỉ số đánh giá, giữa tập lịch sử quá trình với hệ thống lập kế hoạch và giữa hệ thống cổng thông tin hình ảnh (EPID) với hệ thống lập kế hoạch Từ đó đánh giá việc xây dựng bản đồ thông lượng từ tập lịch sử quá trình

có chính xác không, và có thể áp dụng thay thế các thiết bị QA khác

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài

Trình bày tổng quan về ung thư và máy gia tốc tuyến tính

Các kỹ thuật điều biến cường độ chùm tia trong xạ trị ngoài, và quy trình kiểm tra kế hoạch điều trị IMRT của bệnh nhân trước khi điều trị

Cách tính các chỉ số đánh giá và phương pháp đánh giá kết quả QA một kế hoạch điều trị IMRT của bệnh nhân

Xác định những lỗi xảy ra khi QA kế hoạch điều trị IMRT được phân tích từ tập lịch

sử quá trình

1.3 Ý nghĩa của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài: Chất lượng của việc điều trị phụ thuộc vào sự phân phối chính xác của mỗi chùm tia tại mỗi phân liều, cho thấy tầm quan trọng của việc kiểm tra chất lượng kế hoạch điều trị của bệnh nhân trước khi điều trị Từ đó xác định những bước kiểm tra trước khi thực hiện điều trị bằng kỹ thuật IMRT tại một cơ sở điều trị

Ý nghĩa thực tiễn: đọc và phân tích tập lịch sử quá trình, tập lịch sử ghi nhận lại những thông số máy cho mỗi trường chiếu trong mỗi phân liều Đánh giá độ chính xác của máy gia tốc dựa vào tập lịch sử quá trình, thông qua các thông số như vị trí lá MLC,

số MU của mỗi trường chiếu, góc đầu máy, góc quay collimator Ngoài ra phân tích bản

đồ thông lượng được xây dựng lại từ tập lịch sử quá trình để so sánh với bản đồ thông lượng được tạo ra từ hệ thống lập kế hoạch dựa trên chỉ số đánh giá

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ UNG THƯ VÀ MÁY GIA TỐC TUYẾN

TÍNH 2.1 Ung thư là gì? Các phương pháp điều trị ung thư hiện nay

2.1.1 Ung thư là gì?

Ung thư là một căn bệnh nguy hiểm đối với các tế bào cơ thể Các tế bào thường phân chia và phát triển một cách hệ thống Các tế bào khỏe mạnh, việc chết đi được lập trình sẵn hay còn được gọi là Chết tế bào theo chương trình (Apoptosis) ghi sâu vào mã di truyền của tế bào để không có quá nhiều tế bào Thay vì một môi trường quá đông, một

tỷ lệ tế bào chết dần trước khi các tế bào khác phân chia, để đảm bảo một môi trường phù hợp cho sự phát triển của tế bào

Tuy nhiên, mã di truyền của một tế bào có thể bị thay đổi và bị hư hỏng dù chỉ đơn giản là do đột biến ngẫu nhiên, hoặc từ các yếu tố bên ngoài một trong số đó là bức xạ Nếu những đột biến này tồn tại, các bước kiểm soát bên trong cơ thể xuất hiện để ngăn chặn sau khi đột biến phát triển và lan sang các tế bào con cháu Cuối cùng, đột biến đến một giai đoạn mà không thể kiểm soát sự phát triển tế bào, điều này được gọi là ung thư Các tế bào bây giờ không còn thực hiện nhiệm vụ ban đầu của chúng mà thay vào đó tập trung vào phân chia và phát triển Ngoài ra chúng biến đổi để chúng không còn trải qua quá trình chết tế bào được lập trình sẵn, có nghĩa là chúng sống một cách hiệu quả và lâu hơn bên trong cơ thể [1] Sự khác biệt giữa các tế bào khỏe mạnh và ung thư được biểu thị như trong hình 2.1

Các tế bào ung thư phát triển và nhân lên, làm cho các tế bào khỏe mạnh bị hạn chế đi đến nguồn nuôi là máu khiến chúng chết đi Giai đoạn sau của ung thư khối u nguyên phát lan rộng, các tế bào ung thư siêu nhỏ đi đến phần còn lại của cơ thể, điều này được gọi là di căn Chúng di chuyển chủ yếu qua hệ bạch huyết hoặc hệ tuần hoàn để lây nhiễm sang các khu vực khác Sự lan rộng và phát triển của các khối u cuối cùng dẫn đến cái chết của bệnh nhân

Có hơn 100 loại ung thư Các loại ung thư thường được đặt tên theo các cơ quan hoặc

mô nơi hình thành ung thư Ví dụ, ung thư phổi bắt đầu trong các tế bào của phổi và ung thư não bắt đầu trong các tế bào của não Ung thư cũng có thể được mô tả bởi loại tế bào hình thành nên chúng, chẳng hạn như tế bào biểu mô hoặc tế bào vảy Dưới đây là một số loại ung thư bắt đầu trong các loại tế bào cụ thể [1]:

- Carcinoma: Ung thư biểu mô là loại ung thư phổ biến nhất Chúng được hình thành bởi các tế bào biểu mô, là các tế bào bao phủ bên trong và bên ngoài bề mặt của cơ thể Có nhiều loại tế bào biểu mô, chúng thường có hình dạng giống cột khi nhìn dưới kính hiển vi

- Sarcoma: Sarcomas là ung thư hình thành trong các mô xương và mô mềm, bao gồm

cơ, mỡ, mạch máu, mạch bạch huyết và mô sợi (như gân và dây chằng)

- Leukemia: Ung thư bắt đầu trong mô tạo máu của tủy xương được gọi là Leukemia Ung thư không tạo thành khối u rắn, thay vào đó một số lượng lớn các tế bào bạch cầu bất thường tích tụ trong máu và tủy xương lấn át các tế bào máu bình thường Nếu chỉ số các tế bào máu bình thường ở mức thấp sẽ khiến cơ thể khó đưa oxy đến các mô, khó kiểm soát chảy máu hoặc chống nhiễm trùng

Hình 2.1 Các tế bào bình thường trải qua apoptosis và chết đi trong khi các tế bào ác tính

vượt qua apoptosis và phát triển về số lượng [1]

- Lymphoma: Ung thư hạch là ung thư bắt đầu trong tế bào lympho (tế bào T hoặc tế bào B) Đây là những tế bào bạch cầu chống lại bệnh tật là một phần của hệ thống miễn dịch Trong ung thư hạch, các tế bào lympho bất thường tích tụ trong các hạch bạch huyết và mạch bạch huyết, cũng như trong các cơ quan khác của cơ thể

- Multiple Myeloma: Đa u tủy là ung thư bắt đầu trong các tế bào plasma một loại tế bào miễn dịch khác Các tế bào plasma bất thường được gọi là tế bào Myeloma, tích

tụ trong tủy xương và hình thành các khối u trong xương khắp cơ thể Đa u tủy còn được gọi là u nguyên bào tế bào plasma và bệnh Kahler

- Melanoma: Ung thư hắc tố là ung thư bắt đầu trong các tế bào trở thành melanocytes,

là những tế bào chuyên biệt tạo ra melanin (sắc tố tạo màu cho da) Hầu hết các khối

u ác tính hình thành trên da, nhưng khối u ác tính cũng có thể hình thành trong các

mô sắc tố khác chẳng hạn như mắt

- Bướu não và Tủy sống

Ung thư là nguyên nhân gây tử vong cao ở Việt Nam cũng như trên toàn Thế Giới Đây là một căn bệnh nghiêm trọng, chính vì thế có nhiều phương pháp điều trị phát triển

để cố gắng chữa trị cho bệnh nhân ung thư Chúng thuộc ba loại chính; phẫu thuật, hóa trị

và xạ trị Các phương pháp điều trị này thường được thực hiện kết hợp với nhau để cho hiệu quả cao trong việc điều trị

2.1.2 Các phương pháp điều trị ung thư hiện nay

Ngày này có nhiều phương pháp điều trị bệnh ung thư, các phương pháp điều trị sẽ phụ thuộc vào loại ung thư mà bệnh nhân mắc phải và mức độ tiến triển của bệnh Một số bệnh nhân chỉ cần điều trị bằng một phương pháp Nhưng hầu hết việc điều trị cho bệnh nhân có sự kết hợp của các phương pháp điều trị, chẳng hạn như phẫu thuật với hóa trị và hoặc xạ trị Ngoài ra có thể điều trị bằng liệu pháp miễn dịch, liệu pháp nhắm trúng đích hoặc liệu pháp hormone

2.1.2.1 Phẫu Thuật

Phẫu thuật là một biện pháp hiệu quả chống lại ung thư, trong đó khối u được cắt bỏ

ra khỏi bệnh nhân Phương pháp này có hiệu quả nhất trong giai đoạn đầu của sự phát

triển ung thư khi khối u vẫn nằm cục bộ ở một khu vực nhỏ Trong giai đoạn phát triển của ung thư sau đó, khối u phát triển và di căn lan rộng khắp cơ thể thông qua các tế bào ung thư có kích thước siêu nhỏ Chỉ một tế bào ung thư kích thước siêu nhỏ sống sót và tái phát dẫn đến việc điều trị đó được coi là thất bại, đó là lý do tại sao phẫu thuật thường chỉ giới hạn ở giai đoạn đầu của sự phát triển khối u Điều đó muốn nói phẫu thuật nên được kết hợp với các phương pháp điều trị khác đối với ung thư giai đoạn sau

2.1.2.2 Hóa Trị

Hóa trị sử dụng thuốc để chống lại ung thư Các loại thuốc hóa trị truyền thống được chọn để nhắm trúng mục tiêu và tiêu diệt các tế bào phân chia nhanh, đây là một trong những tính chất chính của tế bào ung thư Không may, điều này có nghĩa các tế bào khỏe mạnh phân chia với tốc độ nhanh cũng bị trở thành mục tiêu và bị tiêu diệt Chúng bao gồm các tế bào bên trong đường tiêu hóa, nang lông, tủy xương Do đó, bệnh nhân có thể gặp phải một loạt các tác dụng phụ bao gồm buồn nôn, nôn, rụng tóc và ức chế tủy May mắn các tế bào khỏe mạnh này tự sửa chữa với tốc độ lớn hơn các tế bào ung thư, nên mặc dù bệnh nhân sẽ gặp các tác dụng phụ đối với việc điều trị nhưng phần lớn chỉ là tạm thời Hóa trị thường được sử dụng kết hợp với xạ trị

2.1.2.3 Xạ Trị

Xạ trị là phương pháp điều trị ung thư hiệu quả hiện nay, nhưng bên cạnh đó phương pháp cũng gây ra những nguy hiểm cho bệnh nhân Xạ trị hoạt động trên cơ sở ion hóa và phá hủy các tế bào ác tính bằng cách bắn phá khối u bằng bức xạ ion hóa Lý tưởng nhất

là tất cả các tế bào ác tính sẽ bị loại bỏ khỏi bệnh nhân trong quá trình điều trị Tuy nhiên,

vì phóng xạ không phân biệt giữa các tế bào khỏe mạnh và ác tính, các tế bào khỏe mạnh cũng sẽ bị ảnh hưởng Việc nhắm đến các tế bào ung thư và bỏ qua các tế bào khỏe mạnh trở thành ưu tiên hàng đầu, điều này đạt được theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào việc vị trí nguồn phóng xạ nằm bên trong hay bên ngoài cơ thể

Liệu pháp Xạ Trị Trong còn được gọi là Brachytherapy, là vị trí của các nguồn phóng

xạ kín nằm gần hoặc trong khối u để đưa liều cao đến khối u và liều giảm nhanh khi đến

các mô lành xung quanh Xạ Trị Trong là phương pháp điều trị xâm lấn Thiết bị Xạ Trị

Trong như hình 2.2

Liệu pháp Xạ Trị Ngoài (EBRT) là sử dụng bức xạ năng

lượng cao chiếu đến khu vực mục tiêu từ nguồn bên ngoài cơ

thể, thường là máy gia tốc tuyến tính như hình 2.3 Bệnh nhân

nằm trên một chiếc giường điều trị và máy gia tốc tuyến tính

phát bức xạ theo kế hoạch điều trị được bác sĩ chỉ định và được

kỹ sư xạ trị lập kế hoạch trước đó Mục đích là để tiêu diệt các

tế bào ác tính trong khi gây ra ít thiệt hại nhất cho các mô lành

xung quanh Việc này đạt được bằng cách lập kế hoạch điều trị

cẩn thận cũng như đảm bảo rằng phương pháp điều trị này được

điều trị chính xác cho bệnh nhân Máy gia tốc tuyến tính phải

thực hiện một số bước kiểm tra thông số kỹ thuật nhất định để

cung cấp một điều trị an toàn về mặt lâm sàng Hình 2.2 Thiết bị Xạ Trị Trong

GammaMed Plus của hãng Varian

Hình 2.3 Máy Gia Tốc tuyến tính TrueBeam của Hãng Varian

Hình 2.4 Mô hình máy Gia Tốc Tuyến Tính sử dụng trong y tế [2]

2.2 Máy gia tốc tuyến tính

Máy gia tốc tuyến tính là thiết bị không thể thiếu đối với liệu pháp xạ trị ngoài, do có khả năng sản xuất và cung cấp tia X và các electron mang năng lượng cao Máy gia tốc hoạt động bằng cách gia tốc các hạt electron động năng từ 4-25 MeV dọc theo ống tuyến tính Chùm electron này có thể được sử dụng để điều trị các khối u có vị trí nằm gần bề mặt da, hoặc cho chùm electron đập vào bia kim loại để sinh ra bức xạ hãm (Bremsstrahlung) và tia X đặc trưng Sau đó, các chùm bức xạ sinh ra được chiếu đến khối u của bệnh nhân nhằm tiêu diệt khối u, nhưng đồng thời giảm ảnh hưởng lên các tế bào lành Mặc dù có nhiều loại máy gia tốc khác nhau, nhưng về cơ bản trong liệu pháp

xạ trị ngoài các máy gia tốc được thiết kế giống nhau

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo máy Gia Tốc Tuyến Tính

Sơ đồ khối chung của Máy tốc tuyến tính sử dụng trong y tế gồm có 5 khối chính: Gantry, hệ thống hỗ trợ Gantry (Stand Gantry), khối điều biến (Modulator cabinet), bàn điều trị bệnh nhân, hệ thống điều khiển như hình 2.4 [2]

Thành phần chính của bộ phận định hình chùm tia bức xạ gồm:

- Hệ thống phát electron (Injection system)

- Ống gia tốc sóng (Accelerating waveguide)

- Hệ thống phụ trợ (Auxiliary system)

- Hệ thống vận chuyển chùm tia (Beam transport system)

- Hệ thống định hướng và giám sát chùm tia (Beam collimation and beam monitoring system)

Nguồn cung cấp điện một chiều được đưa vào bộ điều biến xung giúp chuyển đổi đầu vào liên tục thành dạng xung Năng lượng xung điện áp cao sau đó được đưa vào nguồn

RF là Klystron hoặc Magnetron, tạo ra các sóng điện từ xung sau đó được đưa vào ống gia tốc sóng Năng lượng xung từ bộ điều biến cũng được đưa vào súng điện tử, dòng xung điện tử cũng đi vào ống gia tốc sóng như hình 2.5 [2]

Các điện tử đi vào ống gia tốc sóng với năng lượng ban đầu xấp xỉ 50keV, tại đó chúng tương tác với sóng điện từ xung và phát ra từ ống gia tốc sóng có năng lượng tăng

Hình 2.5 Các thành phần chính trong máy Gia Tốc Tuyến Tính sử dụng trong y tế [2]

lên rất nhiều lần với điện thế Megaelectron Sau đó chùm electron đi qua đầu máy, nơi nó đập vô bia kim loại để tạo ra bức xạ hãm và tia X đặc trưng với năng lượng ở điện thế Megaelectron Tiếp theo chùm tia bức xạ được chuẩn trực bởi Collimator đầu tiên sau đó

đi qua khối vật liệu bằng vonfam được gọi là “Jaws” đối với máy thuộc hãng Varian (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA), và sau cùng đi qua bộ chuẩn trực đa lá gọi là MLC Ở phía đầu ra bức xạ được sử dụng để điều trị cho bệnh nhân Điều quan trọng cần lưu ý, đầu máy gia tốc có thể xoay quanh bệnh nhân trong suốt thời gian điều trị

MLC được lắp vào đầu máy gia tốc để tiếp tục định hướng chùm tia bức xạ trong quá trình điều trị MLC được gắn vào hai bộ mang (Carriage) nằm song song đối diện nhau, còn được gọi là bank A và bank B là những hàng dạng lá làm bằng vật liệu Vonfam có thể di chuyển một chiều về phía trước hoặc ra phía xa bộ mang đối diện Những chiếc lá này có thể di chuyển độc lập với nhau và tạo ra vô số hình dạng khác nhau để định hướng bức xạ Một hình ảnh của MLC và các bộ mang như hình 2.6

Bản thân MLC cũng có thể xoay quanh trục của chùm bức xạ thông qua bộ chuẩn trực Collimator Góc của collimator thường không đổi trong suốt quá trình phân phối chùm tia

Hình 2.6 MLC và bộ mang của máy gia tốc hãng Varian

a) b)

2.2.2 Các kỹ thuật điều trị điều biến cường độ chùm tia

Lập kế hoạch điều trị truyền thống dựa trên phương pháp thử nghiệm và sai sót của các chuyên gia có kinh nghiệm giờ đây đang nhường chỗ cho lập kế hoạch ngược Sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa về liều để đáp ứng các tiêu chí chỉ định liều cho khối u và các cơ quan lành Có thể tối ưu hóa về liều bằng cách sử dụng biểu đồ thể tích liều (DVHs) dựa trên hình ảnh CT, cộng hưởng từ (MRI) hoặc các hình ảnh kỹ thuật số khác Các kế hoạch tối ưu hóa này sử dụng phương pháp xạ trị điều biến cường độ để cung cấp liều cần thiết cho khối u trong khi vẫn tuân thủ các tiêu chí hạn chế liều đối với các cơ quan quý [2]

2.2.2.1 Kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT

Trong liệu pháp xạ trị ngoài truyền thống, mặt cắt ngang cường độ (intensity profile) của chùm bức xạ thuộc trường mở đối với trục chùm tia tương đối đồng đều Nêm (Wedge) hoặc thiết bị bù (Compensator) đôi khi được sử dụng để điều chỉnh trường sao cho bức xạ được truyền tới thể tích điều trị của kế hoạch (PTV), và các cơ quan quý (OAR) không bị ảnh hưởng bởi bức xạ làm giảm độc tính cấp tính và độc tính muộn

Hình 2.7 a) Mô tả một hình dạng được tạo bởi MLC, b) Cách sắp xếp các lá vonfam cạnh nhau

Điều này được gọi là xạ trị điều biến cường độ Việc phát minh ra MLC giúp thực hiện IMRT dễ hơn do giảm các nêm và thiết bị bù Thay vào đó là hình dạng đơn giản có thể được thực hiện với MLC mô phỏng các nêm và bộ bù Máy gia tốc hiện đại thường không sử dụng nêm vật lý giúp loại bỏ vấn đề sản xuất nêm

Hình thức cơ bản nhất của IMRT được gọi là phương pháp “Step and Shoot” Hệ thống lập kế hoạch điều trị (TPS) tối ưu hóa việc điều trị thông qua việc thiết kế trường chiếu tối ưu, hướng chùm tia thích hợp, số lượng trường chiếu, trọng số chùm tia và vị trí

lá MLC như hình 2.9 Thông thường một ca IMRT có tổng cộng khoảng 5-9 trường khác nhau Đầu máy gia tốc quay đến góc Gantry đầu tiên, sau đó di chuyển lá MLC đến vị trí theo kế hoạch và phát bức xạ cho đến khi đạt được số MU của trường chiếu đó Chùm tia sau đó được giữ và đầu máy quay sang góc Gantry thứ hai, khi đó lá MLC di chuyển đến

vị trí mới Chùm tia sau đó tiếp tục phát và MU thích hợp được cung cấp Quá trình này lặp lại cho đến khi quá trình điều trị kết thúc

Các trường chiếu bức xạ riêng biệt của phương pháp điều trị được chia thành các trường con có cường độ khác nhau tạo ra các độ dốc liều (steep dose gradients), do đó được gọi là điều trị bằng bức xạ điều biến cường độ Điều này giúp tránh liều đến các cơ quan quý và tăng liều phù hợp tới các khu vực được nhắm đến

Một phiên bản IMRT phức tạp hơn được gọi là Dynamic IMRT (dIMRT) Nó tương

tự như phương pháp Step and Shoot theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên khi chùm bức

xạ bật và phát bức xạ các lá MLC không ở tại một vị trí Trong quá trình phát bức xạ, lá

Hình 2.8 Mô tả tạo hình của MLC Jaw tĩnh thể hiện độ rộng của trường chiếu, dynamic MLC di chuyển ngang trường chiếu, một hình dạng rỗng được tạo cho

bức xạ đi qua

MLC di chuyển một chiều và được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian điều trị Bên dưới

là sơ đồ quá trình tối ưu hóa đối với kỹ thuật IMRT

2.2.2.2 Kỹ thuật xạ trị VMAT

Liệu pháp xạ trị điều biến cung tròn theo thể tích (VMAT) là một phương pháp điều trị phức tạp Thay vì việc điều trị ở một số góc riêng biệt như IMRT thì đối với VMAT chùm tia liên tục phát ra bức xạ khi Gantry quay xung quanh bệnh nhân Trong lúc đó, các lá MLC cũng di chuyển hai chiều để liên tục định hình chùm bức xạ Tính chất liên tục của phương pháp điều trị không chỉ làm tăng liều phù hợp với PTV mà còn làm giảm thời gian điều trị của bệnh nhân [3] Trong khi máy gia tốc đang phát bức xạ, đối với phương pháp điều trị này tốc độ quay của Gantry, suất liều, và độ chuẩn trực chùm tia luôn thay đổi để tạo ra phù hợp cao về liều đến khối u như hình 2.10

Đối với kỹ thuật điều trị IMRT việc tối ưu hóa liều được chia thành các phân đoạn (segment), còn với kỹ thuật điều trị VMAT được chia thành các cung nhỏ (subarcs) được biết đến như là điểm kiểm soát (control point) biên hình dạng MLC, liều phân đoạn MLC

và cửa sổ góc Gantry qua đó mỗi hình dạng quét một cách linh hoạt Phương pháp điều

Hình 2.9 Quá trình tối ưu cho kỹ thuật IMRT

trị VMAT thường bao gồm 177 điểm kiểm soát với mỗi điểm kiểm soát kéo dài khoảng 2

độ Tuy nhiên, số lượng điểm kiểm soát trong tổng số điều trị có thể thay đổi nếu tổng số điểm kiểm soát tăng, dẫn đến góc của các cung nhỏ giảm xuống và theo giả thuyết có thể tạo ra một kế hoạch điều trị tốt hơn, do số lượng điểm kiểm soát cao cho phép kiểm soát tốt cải thiện hình dạng MLC Tuy nhiên, điều này có những hạn chế về tốc độ vật lý của

lá cũng như nhược điểm của thời gian tính toán và thời gian điều trị tăng lên

Kết quả của việc phân phối chùm tia điều trị liên tục, thời gian điều trị của phương pháp VMAT ngắn hơn nhiều so với các phương pháp IMRT Thời gian điều trị ngắn có lợi cho cả bệnh nhân và bác sĩ vì thời gian điều trị tăng lên có thể ảnh hưởng đến sự thoải mái của bệnh nhân trên bàn điều trị Ngoài việc giảm thời gian điều trị mỗi phân liều, phương pháp điều trị VMAT còn giảm số MU mỗi phân liều khi so sánh với các kỹ thuật IMRT Điều này làm giảm khả năng mắc ung thư thứ phát do điều trị Bên dưới là sơ đồ quá trình tối ưu hóa cho kỹ thuật VMAT

Hình 2.10 So sánh phân bố liều đối với kỹ thuật VMAT và

IMRT của bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ

2.3 Kiểm tra đảm bảo chất lượng QA

2.3.1 Kiểm tra đảm bảo chất lượng

QA là một tập hợp các chính sách, quy trình thực hiện giám sát chất lượng sao cho phù hợp nhất đối với việc điều trị bệnh nhân Có nghĩa phải đảm bảo về mặt cơ khí (kỹ thuật phần cứng) và liều lượng của máy gia tốc trong khoảng chấp nhận của giá trị cơ sở (baseline) từ đó đảm bảo các phương pháp điều trị bệnh nhân được thực hiện trong phạm

vi dung sai về mặt không gian và liều lượng được chỉ định Nếu không có QA việc điều trị bệnh nhân có thể xảy ra rủi ro hoặc không phù hợp với kế hoạch điều trị, do sự chủ quan dẫn đến thiếu liều vào thể tích điều trị của bệnh nhân và quá liều vào cơ quan lành Chính vì lý do này mà nhiều tổ chức chuyên nghiệp đã đề xuất hướng dẫn QA để các trung tâm tuân thủ, những tổ chức gồm: IAEA, AAPM, ACMP, ICRP, ICRU, IEC, NCRP

Các hướng dẫn được công bố bởi AAPM [4] đề xuất các bài kiểm tra khác nhau được thực hiện trên máy gia tốc tuyến tính theo những khoảng thời gian hằng năm, hằng tháng, hoặc hằng ngày tùy thuộc vào mức độ sử dụng thường xuyên của bộ phận được đánh giá

Hình 2.11 Quá trình tối ưu cho kỹ thuật VMAT

có khả năng dễ bị hư hỏng và tác động về mặt lâm sàng Một vài bài kiểm tra máy gia tốc tuyến tính như chức năng hoạt động MLC, chỉ số kích thước bộ chuẩn trực, hệ số đầu ra (output factor)

Cần một phép đánh giá về các yêu cầu lâm sàng trong xạ trị để cho thấy độ chính xác cao, tạo ra kết quả mong muốn tỷ lệ kiểm soát khối u càng cao càng tốt, duy trì tỷ lệ biến chứng ở mức chấp nhận được Các quy trình đảm bảo chất lượng trong xạ trị có thể được

mô tả như sau [2]:

- Đảm bảo chất lượng làm giảm sự không chắc chắn và sai sót trong đo liều, lập kế hoạch điều trị, hiệu suất thiết bị, phân phối điều trị Do đó cải thiện độ chính xác của liều lượng, hình học và độ chính xác của việc phân phối liều Điều này giúp cải thiện kết quả điều trị, tăng tỷ lệ kiểm soát khối u cũng như giảm tỷ lệ biến chứng và tái phát

- Đảm bảo chất lượng không chỉ làm giảm khả năng xảy ra tai nạn và sai sót, mà còn tăng khả năng phát hiện và khắc phục sớm hơn nếu các lỗi xảy ra, do đó giảm hậu quả đối với việc điều trị bệnh nhân Đây là trường hợp không chỉ cho các sự cố lớn hơn

mà còn cho các sự cố nhỏ có xác suất xảy ra cao

- Đảm bảo chất lượng cho phép kết quả đáng tin cậy giữa các trung tâm xạ trị, đảm bảo cung cấp liều lượng và điều trị đồng đều và chính xác hơn Điều này là cần thiết cho các thử nghiệm lâm sàng và cũng để chia sẻ kinh nghiệm xạ trị lâm sàng và chuyển giao giữa các trung tâm

- Công nghệ cải tiến và các phương pháp điều trị phức tạp hơn trong xạ trị hiện đại chỉ

có thể được khai thác triệt để nếu đạt được độ chính xác và tính nhất quán cao

Một chương trình QA bao gồm nhiều khía cạnh khác nhau, từ việc làm thế nào để một thiết bị hoạt động ở trạng thái tốt nhất (về mặt cơ khí và hiệu chuẩn về liều) đến việc đánh giá một kế hoạch trước khi điều trị và sau khi điều trị QA kế hoạch bệnh nhân kiểm tra toàn bộ chuỗi từ Hệ thống lập kế hoạch  Dữ liệu truyền đi  Hệ thống phân phối chùm tia, để đánh giá sự trùng khớp giữa kế hoạch điều trị được thiết lập trên hệ thống và

kế hoạch được chuyển đến máy điều trị

Trong luận văn này sẽ tập trung thảo luận về QA kế hoạch trước khi điều trị cho bệnh nhân

2.3.2 Quy trình và thiết bị kiểm tra kế hoạch IMRT của bệnh nhân trước khi điều trị

Phương pháp xạ trị điều biến cường độ là phương thức điều trị được sử dụng phổ biến trong xạ trị ngoài đối với các khối u có vị trí khác nhau Do tính chất phức tạp của việc lập kế hoạch và phân phối chùm tia chính vì lý do này cần phải có một quy trình đảm bảo chất lượng (QA) chặt chẽ và đáng tin cậy Khi độ phức tạp của xạ trị tăng lên, xác suất xảy ra lỗi điều trị tăng Mặc dù chưa xác định được tỷ lệ lỗi chung trong xạ trị, nhưng lỗi gây ra những hậu quả nghiêm trọng khi chúng xảy ra

Do đó, cần một quy trình QA cho IMRT để giữ tỷ lệ xảy ra lỗi càng thấp càng tốt từ

đó việc điều trị đạt hiệu quả và an toàn Sơ đồ quy trình kiểm soát chất lượng trước khi điều trị tại một cơ sở như hình 2.12 [5]

Hiện tại, các phép đo liều điểm sử dụng buồng ion hóa để xác minh độ chính xác trong việc phân phối chùm tia của kế hoạch điều trị, và phép đo phẳng (phim, diode 2D, mảng đầu do buồng ion hóa…) kiểm tra điều biến hoặc thông lượng của chùm tia điều

Hình 2.12 Sơ đồ quy trình kiểm soát chất lượng trước khi điều trị tại một cơ sở [5]

biến cường độ được thực hiện trước khi điều trị Cả hai phương pháp này đều bị ảnh hưởng của sự không nhạy xạ từ bên trong thiết bị Gần đây, các giải pháp thương mại đo liều in vivo sử dụng đầu dò truyền qua (Transmission detector) đã được đề xuất và thử nghiệm lâm sàng (DAVID; PTW-Freiberg, Đức) Ngoài ra, phép đo liều in vivo sử dụng thiết bị hình ảnh cổng thông tin điện tử (EPID) đã cho thấy có hiệu quả tìm những lỗi không bị phát hiện Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn chưa được cộng đồng vật lý y tế

áp dụng phổ biến Triết lý QA kế hoạch bệnh nhân là sử dụng các quy trình hiệu quả, tự động và đáng tin cậy để đảm bảo an toàn cho bệnh nhân Quy trình QA được thiết lập với niềm tin rằng tất cả các lỗi đều xấu, cần nhiều phép kiểm tra để có cơ hội phát hiện lỗi tốt hơn

Một mô hình kiểm tra kế hoạch IMRT của bệnh nhân trước khi điều trị [5]

- Phép đo liều điểm bằng buồng ion hóa để đánh giá output của trường chiếu nhỏ được tính bởi hệ thống lập kế hoạch (TPS)

- Phép đo liều mặt phẳng 2D từng trường chiếu một để xác định tính phù hợp về mặt điều biến và thông lượng được tính bằng hệ thống lập kế hoạch

- Phân tích tập lịch sử quá trình để xác định tính phù hợp trong việc truyền thông số kế hoạch như góc Gantry, góc Collimator, vị trí các ngàm, vị trí MLC cũng như chấp nhận về sự liên tục của MLC và tính toàn vẹn dữ liệu

Chương 3 HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC TRUEABEAM

3.1 Hệ thống lập kế hoạch xạ trị và máy gia tốc tuyến tính Truebeam

3.1.1 Giới thiệu về hệ thống lập kế hoạch xạ trị (TPS)

Hệ thống lập kế hoạch xạ trị ngoài được điều khiển bằng máy vi tính để tạo hình dạng chùm tia và phân bố liều bên trong cơ thể bệnh nhân, với mục đích kiểm soát tối đa toàn

bộ khối u và giảm thiểu các biến chứng lên mô lành Cấu trúc giải phẫu bệnh nhân và các khối u được biểu diễn dưới dạng mô hình 3 chiều (3D) Toàn bộ quá trình lập kế hoạch điều trị gồm nhiều bước, nhà vật lý chịu trách nhiệm toàn bộ hệ thống TPS để tạo ra sự phân phối liều chính xác và đáng tin cậy đối với các tính toán liên quan đến xạ trị ngoài Công việc lập kế hoạch thường được thực hiện bởi Dosimetrist, và kế hoạch phải được bác sĩ chuyên khoa ung thư chấp thuận trước khi thực hiện điều trị bệnh nhân

Trước những năm 1970, kế hoạch điều trị thường được thực hiện thủ công thông qua các biểu đồ đẳng liều (isodose) tiêu chuẩn trên các đường viền (contour) cơ thể bệnh nhân, những đường này được tạo bằng cách tìm trực tiếp hoặc đại diện bằng các dây chì,

và kế hoạch phụ thuộc rất nhiều vào sự lựa chọn hợp lý trọng số chùm tia (beam weight), nêm (wedge) được thực hiện bởi các Dosimetrist có kinh nghiệm

Từ những năm 1970 trở đi, cùng với sự phát triển của chụp cắt lớp điện toán (CT) và khả năng tính toán của máy tính, dẫn đến sự phát triển về hệ lập kế hoạch điều trị được tính bằng máy tính dựa trên hình ảnh CT Cung cấp khả năng xem và đánh giá phân bố liều trực tiếp lên trên từng cấu trúc giải phẫu bệnh nhân

Toàn bộ quá trình lập kế hoạch điều trị bao gồm các bước: bắt đầu từ việc chụp CT chẩn đoán cho bệnh nhân, xác định vị trí khối u, chụp CT mô phỏng định các vị trí đánh dấu trên da bệnh nhân, lập kế hoạch xạ trị, mô phỏng chùm tia, điều trị cho bệnh nhân Hình 3.2 thể hiện toàn bộ các thiết bị và khu vực liên quan đến hệ thống lập kế hoạch xạ trị

Để thiết lập một hệ thống lập kế hoạch điều trị và đƣa vào hoạt động cần thực hiện qua 5 giai đoạn [6]:

- Xem xét thông số kỹ thuật của hệ thống

- Đánh giá toàn bộ hệ thống so với thống số kỹ thuật

- Commissioning dữ liệu chùm tia

- Kiểm tra tính chính xác của việc tính toán và thuật toán

- Thực hiện về mặt lâm sàng

Hình 3.1 Mô hình toàn bộ hệ thống điều trị của Hãng máy gia tốc Varian

Hình 3.2 Giao tiếp giữa các thiết bị trong một khoa xạ trị [6]

3.1.2 Máy gia tốc tuyến tính Truebeam

Hệ thống máy gia tốc Truebeam trong phòng điều trị gồm:

- Thân máy và đầu máy Gantry: Thân máy gồm thành phần tạo ra sóng vô tuyến năng lượng cao (RF) tạo ra chùm tia Gantry gồm hệ thống phân phối chùm tia và tạo hình dạng chùm tia Gantry quay quanh bàn điều trị để phân phối chùm tia ở các góc khác nhau

- Bộ chuẩn trực gồm có thành phần là collimator hay còn gọi Jaw và bộ chuẩn trực đa

lá MLC

- Hệ thống xây dựng hình ảnh gồm hệ thống hình ảnh kV và hệ thống hình ảnh MV để xác định vị trí đặt bệnh nhân trước khi điều trị Hình ảnh sau khi ghi nhận được so sánh với hình ảnh tham chiếu để dịch chuyển đến đúng vị trí mô phỏng của bệnh nhân trước khi điều trị

- Bàn điều trị bệnh nhân cho phép di chuyển chính xác trong việc lấy hình ảnh và trong quá trình điều trị bệnh nhân

- Màn hình giám sát hệ thống và giám sát bệnh nhân, hiển thị thống tin kế hoạch điều trị bệnh nhân và hình ảnh bệnh nhân cũng như chú thích về bệnh nhân

Hình 3.3 Toàn cảnh bên trong phòng xạ trị