Đánh giá sự khác biệt về phân bố liều khi sử dụng thuật toán tính liều AAA và Acuros XB của phần mềm Eclipse so với đo đạc trong vùng có mật độ không đồng nhất trên máy truebeam

Độ chính xác về liều là một trong những yếu tố quyết định đến kết quả xạ trị đối với bệnh nhân. Để đảm bảo được yếu tố này thì độ chính xác của các thuật toán tính liều được sử dụng trên các hệ thống lập kế hoạch là vô cùng quan trọng. Chính vì vậy bài viết này tiến hành tìm hiểu sự khác biệt về phân bố liều khi sử dụng thuật toán tính liều AAA và Acuros XB của phần mềm Eclipse so với đo đạc trong vùng có mật độ không đồng nhất trên máy truebeam STX tại Bệnh viện 108.

Trang 1

1 MỞ ĐẦU

Xạ trị là một trong những phương pháp chính

được sử dụng trong điều trị ung thư hiện nay dựa

vào khả năng tiêu diệt tế bào ung thư của bức xạ

ion hoá Trong xạ trị, để đảm bảo kết quả điều trị

tối ưu thì độ chính xác của quá trình tính toán

liều lượng trên cơ thể bệnh nhân là vô cùng quan

trọng và phụ thuộc chủ yếu vào các thuật toán

tính liều với khả năng hiệu chỉnh sự không đồng

nhất của chúng Theo ủy ban quốc tế về các đơn

vị và đo lường bức xạ (ICRU), sai số về liều trong

quy trình tổng thể được đề xuất là từ 3% đến ±

3,5%, vì vậy, độ chính xác của phân bố liều tính

toán phải nằm trong khoảng từ 1% đến 2% [1] Các thuật toán tính liều là một phần trong hệ thống lập kế hoạch và đóng vai trò trung tâm trong thực hành lâm sàng của xạ trị Các thuật toán tính liều cho chùm photon năng lượng cao đã được phát triển đầu tiên bởi Schoknecht vào năm 1967 được thực hiện trong phantom nước đồng nhất để xác định các thông số cần thiết [6] Tuy nhiên, cơ thể con người không đồng nhất mà bao gồm nhiều cơ quan có mật độ khác nhau và với mỗi bệnh nhân là khác nhau, do đó, khi tính toán trên thực tế cần có sự can thiệp của các yếu tố hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác về liều

ĐÁNH GIÁ SỰ KHÁC BIỆT VỀ PHÂN BỐ LIỀU KHI SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TÍNH LIỀU AAA

VÀ ACUROS XB CỦA PHẦN MỀM ECLIPSE

SO VỚI ĐO ĐẠC TRONG VÙNG CÓ MẬT ĐỘ KHÔNG ĐỒNG NHẤT TRÊN MÁY TRUEBEAM

STX TẠI BỆNH VIỆN 108

Độ chính xác về liều là một trong những yếu tố quyết định đến kết quả xạ trị đối với bệnh nhân Để đảm bảo được yếu tố này thì độ chính xác của các thuật toán tính liều được sử dụng trên các hệ thống lập kế hoạch là vô cùng quan trọng

Kết quả của một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thuật toán với khả năng hiệu chỉnh sự không đồng nhất về mật độ trong cơ thể bệnh nhân sẽ mang lại độ chính xác cao hơn Đối với hệ thống máy TrueBeam STx tại Bệnh viện TƯQĐ 108, để đánh giá độ chính xác của hai thuật toán hiện có là AAA và AXB, trong vùng có mật độ không đồng nhất, nghiên cứu đã được thực hiện trên hệ phantom được thiết kế tương đương như vùng ngực của bệnh nhân Qua đó so sánh phân bố liều theo

độ sâu thu được từ tính toán bởi thuật toán AAA và AXB trên hệ thống lập kế hoạch Eclipse 13.6 của hãng Varian với phân bố liều thu được từ đo đạc trên cùng một hệ phantom tại hai vị trí: trục trung tâm và biên trường chiếu

Kết quả nghiên cứu cho thấy, tại trung tâm trường chiếu, trong khi AXB đánh giá thấp liều ở vùng có mật độ thấp so với đo đạc, nhỏ hơn 20% thì AAA đánh giá cao liều trong vùng này, có thể lên tới 60%, đặc biệt với các trường chiếu nhỏ và năng lượng cao Thuật toán AXB cho kết quả phân bố liều theo độ sâu thấp hơn thực tế và gần với giá trị đo đạc hơn thuật toán AAA.

Trang 2

Đối với mỗi hệ thống lập kế hoạch điều trị, kỹ sư

vật lý là người trực tiếp sử dụng các thuật toán

tính liều, cần nắm được các ưu, nhược điểm của

từng thuật toán cụ thể đi kèm với hệ thống máy

và tư vấn cho các bác sĩ xạ trị về độ chính xác

của phân bố liều được tính toán trong các tình

huống khác nhau liên quan đến lâm sàng Từ đó,

tuỳ vào từng khu vực điều trị và chỉ định điều trị

nhất định, các thuật toán tính liều phù hợp nhất

sẽ được lựa chọn để mang đến kết quả tính toán

tối ưu

Trên thế giới hiện nay đã có nhiều nghiên cứu tập

trung so sánh sự khác biệt cũng như ưu, nhược

điểm của các thuật toán tính liều tại các trung tâm

xạ trị Về cơ bản, các nghiên cứu đều chỉ ra rằng,

càng các thuật toán có khả năng hiệu chỉnh sự

không đồng nhất trong cơ thể bệnh nhân sẽ mang

lại độ chính xác cao hơn Tuy nhiên tại nước ta,

hiện chưa có nghiên cứu nào được thực hiện để

xác định mức độ khác biệt này Do đó, nghiên

cứu đã được thực hiện trên hệ phantom với thiết

kế tương đương như vùng ngực của bệnh nhân, là

khu vực có sự thay đổi lớn về mật độ nhằm mục

đích đánh giá sự khác biệt về phân bố liều theo

độ sâu của các thuật toán (cụ thể ở đây là 2 thuật

toán AAA và AXB) trong vùng có mật độ không

đồng nhất trên hệ thống máy TrueBeam STx tại

Bệnh viện TƯQĐ 108 Qua đó, các kỹ sư vật lý có

thể đưa ra quyết định lựa chọn các thuật toán tính

liều phù hợp và giải thích cho các bác sỹ trong

trường hợp phân bố liều không như mong muốn

trong khu vực kể trên

2 NỘI DUNG

2.1 Đối tượng và Phương pháp

Trên phần mềm Eclipse 13.6 của hãng Varian

hiện có một số thuật toán có thể được sử dụng

để tính toán phân bố liều photon, trong đó, được

sử dụng rộng rãi hơn cả là 2 thuật toán AAA và AXB

Hình 1 Phương pháp so sánh

Thuật toán AAA được Tiến sĩ Waldemar Ulmer và Wolfgang Kaissl giới thiệu vào năm 1995, là thuật toán tích chập / chồng chất chùm bút chì 3D sử dụng mô hình EGSnrc Monte Carlo để mô hình hoá cho các photon sơ cấp, photon tán xạ ngoài trục và electron tán xạ từ các thiết bị chuẩn trực chùm tia [6] Hiệu chỉnh sự không đồng nhất được thực hiện thông qua các phép chia tỷ lệ AAA đã cho thấy độ chính xác được cải thiện

so với các thuật toán trước đây và tốc độ tính toán đủ nhanh cho hầu hết các trường hợp lâm sàng Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp chia tỷ lệ để hiệu chỉnh cho sự không đồng nhất là không đủ để xử lý nhiễu loạn liều mạnh trong trường hợp có các yếu tố mật độ cao

Thuật toán Acuros XB trực tiếp giải thích cho các tác động của sự không đồng nhất lên phân bố liều thông qua việc giải phương trình vận chuyển Bolzmann tuyến tính (LBTE) [8] Acuros XB được tích hợp vào Eclipse dưới dạng thuật toán tính liều và sử dụng mô hình nguồn có nguồn gốc từ AAA Acuros XB là một trong những phương pháp tính liều có thể đạt được độ chính xác tiệm cận với mô phỏng Monte Carlo mà vẫn đảm bảo

Trang 3

thời gian tính toán nằm trong ngưỡng chấp nhận

được, tuy nhiên thời gian tính toán vẫn dài hơn

so với AAA Việc ưu tiên lựa chọn thuật toán

khi lập kế hoạch điều trị sẽ phụ thuộc vào từng

trường hợp lâm sàng và nên được nghiên cứu và

có các quy trình cụ thể cho từng trung tâm xạ trị

hiện đang sử dụng 2 thuật toán này

Hình 2 Sơ đồ thiết lập hệ phantom trong tính toán

và đo đạc

Trong nghiên cứu này, độ chính xác của các thuật

toán tính liều AAA và AXB được so sánh dựa trên

sự khác biệt về liều sâu phần trăm (Percent Depth

Dose – PDD so với đo đạc thực tế trên cùng một

hệ phantom (hình 2)

Hệ phantom gồm phantom rắn và khí sẽ được

thiết lập như hình 2 Hệ bao gồm 12 lớp thể tích

dày 1 cm, rộng 30 x 30 Trong đó, 6 lớp là

phan-tom rắn tương đương mô và 6 lớp là không khí và

xốp tương đương khí

Hình 3 Mô hình thiết kế tính toán và đo đạc

Phân bố liều sẽ được tính theo các trường chiếu khác nhau gồm 2x2 , 4x4 , 6x6 , 8x8 , 10x10 với mỗi mức năng lượng hiện có của hệ thống máy Truebeam Stx tại trục trung tâm và biên trường chiếu

Đối với hệ đo thực nghiệm, Đầu đo buồng ion hoá CC13 được đưa vào để đo đạc giữa các tấm phantom rắn và trong không khí (nhờ bệ đỡ bằng xốp tương đương không khí) ở các độ sâu lần lượt là : 1 ; 2 ; 3 ; 4,5 ; 5,5 ; 6,5 ; 7,5 ; 8,5 ; 9,5 ; 11 cm và được ghi nhận tại 2 vị trí là trục trung tâm và biên trường chiếu Vị trí trục trung tâm là như nhau với mọi trường chiều Vị trí biên trường chiếu với các trường chiếu khác nhau sẽ khác nhau

Hình 4 Hệ đo thực nghiệm

Trường chiếu 2x2: vị trí 0,4 cm từ trục trung tâm Trường chiếu 4x4: vị trí 1 cm từ trục trung tâm Trường chiếu 6x6: vị trí 2 cm từ trục trung tâm Trường chiếu 8x8: vị trí 3 cm từ trục trung tâm Trường chiếu 10x10: vị trí 4 cm từ trục trung tâm

Hình 5 Mô hình thực tế hệ đo

Đầu đo buồng ion hoá CC13 được kết nối với điện kế Dose1 đề ghi nhận giá trị điện tích Các

Trang 4

giá trị này sau đó sẽ được chuẩn hoá về liều tương

đối dựa vào liều tại độ sâu đạt giá trị cực đại Đo

đạc được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ 23oC

và độ ẩm 60%

2 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả cho thấy, trong đo đạc thực tế, với trường

chiếu nhỏ, sự giảm liều trong vùng không đồng

nhất tỷ lệ thuận với năng lượng chùm tia, năng

lượng càng cao, sự giảm liều càng lớn Tương tác

của bức xạ bị ảnh hưởng khi đi từ vùng có mật

độ cao (nước) sang vùng có mật độ thấp (khí), và

làm giảm liều trong khu vực này, đồng thời làm

tăng liều trong vùng liền kề có mật độ cao hơn (xương) Tại độ sâu 2 cm trong phantom rắn, với trường chiếu 2 x 2, năng lượng 6 MV, PDD giảm chỉ còn 31,64 % so với liều tối đa khi xuống đến

độ sâu 7,5 cm trong không khí và với năng lượng

15 MV, PDD giảm chỉ đạt 27,9 % (hình 6)

Việc giảm liều hấp thụ ở vùng phổi rõ rệt hơn với trường chiếu nhỏ do quãng chạy của điện tử trong vùng có mật độ thấp lớn hơn bán kính trường chiếu, dẫn đến điện tử vận chuyển ra bên ngoài trường và không đóng góp vào liều hấp thụ tại khu vực khảo sát Năng lượng càng cao, quãng chạy của các hạt điện tử càng lớn, mức độ đóng góp vào liều hấp thụ càng giảm

Hình 6 PDD tại trục trung tâm, trường chiếu 2 x 2 cm 2

Hình 7 PDD tại trục trung tâm, trường chiếu 10 x 10 cm 2

Trang 5

Đối với tính toán trên hệ thống lập kế hoạch, thuật

toán AXB phản ánh được sự giảm liều này với kết

quả PDD là 11,56 % liều tối đa tại 7,5 cm với năng

lượng 6 MV và 16,9 % liều tối đa với năng lượng

15 MV, gần với giá trị đo đạc hơn Từ đó có thể

thấy, với năng lượng càng cao, thuật toán AXB

càng cho kết quả chính xác Trong khi đó, thuật

toán AAA cho kết quả PDD là 76,15 % liều tối

đa tại 7,5 cm với năng lượng 6 MV và 86,17 %

liều tối đa với năng lượng 15 MV, cao hơn nhiều

so với thực tế Kết quả này không những không

phản ánh được sự giảm liều rõ rệt trong vùng có

mật độ thấp mà với năng lượng cao, còn có sự

tăng lên so PDD đo đạc

Rõ ràng, mặc dù đã có sự can thiệp của các phương

pháp hiệu chỉnh không đồng nhất, nhưng do

thuật toán AAA không trực tiếp mô hình hoá quá trình vận chuyển các điện tử thứ cấp như AXB mà thông qua phương pháp chia tỷ lệ được tính gần đúng nên kết quả vẫn chưa phản ánh được chính xác phân bố liều thực tế trong vùng này Tại trục trung tâm trường chiếu lớn, theo đo đạc, trong vùng có mật độ thấp, năng lượng càng cao, mức độ sụt liều càng ít Mức độ sụt liều cũng tỷ lệ thuận với trường chiếu, trường chiếu càng nhỏ, sự sụt liều trong vùng có mật độ thấp càng rõ rệt Cụ thể, với trường 10 x 10 , năng lượng 6 MV có PDD tại độ sâu 7,5 cm là 66,74 % liều tối đa, 15

MV là 72,14 % Với trường 8 x 8 , năng lượng 6

MV là 63,18 % và năng lượng 15 MV là 65,32 % (hình 7)

Hình 8 PDD tại trục trung tâm và biên trường chiếu 8 x 8 cm 2

Hình 9 PDD tại trục trung tâm và biên trường chiếu 10 x 10 cm 28

Trang 6

Tại biên trường chiếu lớn, mức độ giảm liều rõ rệt

hơn so với vị trí trục trung tâm, tuy nhiên không

thay đổi đáng kể với sự thay đổi của năng lượng

và trường chiếu Cụ thể, PDD tại độ sâu 7,5 cm

với trường chiếu 10 x 10 và năng lượng 6 MV,

là 59,34 %, năng lượng 15 MV là 63,07 % Với

trường chiếu 8 x 8 , năng lượng 6 MV là 56,79 %

và năng lượng 15 MV là 57,79 % (hình 8) Do tại

cạnh chùm tia, đóng góp của thành phần sơ cấp

cũng như thứ cấp bị giảm do nằm gần vùng bán

rạ, dẫn đến sự giảm liều cũng như ít bị ảnh hưởng

hơn bởi sự thay đổi năng lượng cũng như trường

chiếu

Trong phân bố liều thu được từ hệ thống lập kế

hoạch, thuật toán AXB cho kết quả phù hợp hơn

so với kết quả đo đạc thực tế và đáp ứng với sự

thay đổi liều khi mật độ môi trường thay đổi Cụ

thể, với trường chiếu 10 x 10 , PDD tại độ sâu

7,5 cm là 48,85 % với năng lượng 6 MV và 57,86

% với năng lượng 15 MV Với trường chiếu 8 x

8 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là 45,23 % với năng

lượng 6 MV và 53,95 % với năng lượng 15 MV

Thuật toán AAA cho kết quả giảm nhe, khác biệt

không đáng kể giữa các vùng, với trường chiếu 10

x 10 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là 80,73 % với năng

lượng 6 MV và 89,11 % với năng lượng 15 MV

Với trường chiếu 8 x 8 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là

79,89 % với năng lượng 6 MV và 89,5 % với năng

lượng 15 MV

Kết quả cho thấy, ở vùng ngoài khoang khí, những

vị trí nằm trong phantom rắn, các PDD được

tính toán với cả 2 thuật toán đều cho kết quả tốt,

tương đương nhau với sai số nằm trong ngưỡng

có thể chấp nhận được, thấp hơn 5% Ở trung

tâm khoang khí, liều tính được với các thuật toán

tại trục trung tâm tại độ sâu 7,5 cm có độ lệch so

với đo đạc lần lượt là AAA cao hơn 44,51% và

AXB thấp hơn 20,1% Từ đó cho thấy, AXB cho

kết quả có độ chính xác cao hơn trong hiệu chỉnh

độ không đồng nhất nhờ mô phỏng được sự vận

chuyển các hạt điện tử trong vật chất [13] AAA đánh giá thấp liều so với thực tế ở vùng có mật

độ cao (phantom rắn tương đương nước) và đánh giá cao liều cũng so với thực tế, khi đi vào vùng

có mật độ thấp hơn (không khí) Tuy nhiên, ở khoảng cách xa các vùng không đồng nhất, AAA cho kết quả tương đương với AXB và nằm trong giới hạn chấp nhận được

3 KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu nhận thấy, tại trung tâm trường chiếu, trong khi AXB đánh giá thấp liều ở vùng

có mật độ thấp so với đo đạc, nhỏ hơn 20% thì AAA đánh giá cao liều trong vùng này, có thể lên tới 60%, đặc biệt với các trường chiếu nhỏ và năng lượng cao Trong lâm sàng, với liều được chỉ định cho khối u nằm trong trong vùng có mật độ thấp, kế hoạch sử dụng thuật toán AAA để điều trị trong thực tế sẽ đưa đến phân bố liều tốt trên kế hoạch, tuy nhiên hụt liều rất nhiều trên thực tế, làm giảm khả năng kiểm soát khối u và dẫn đến các hậu quả điều trị tiêu cực

Thuật toán AXB cho kết quả phân bố liều theo độ sâu thấp hơn thực tế và gần với giá trị đo đạc hơn thuật toán AAA Do đó, với các trường hợp bệnh nhân có thể tích điều trị nhỏ, trong khoảng từ 2-4

cm, nằm trong vùng có sự thay đổi mật độ lớn như vùng ngực, các xoang khí (hốc mũi…) bắt buộc áp dụng thuật toán tính liều AXB để mang lại kết quả tính toán chính xác hơn là điều cần thiết

Đối với các khối u có kích thước lớn và nằm trong vùng có mật độ thấp, cần sử dụng các trường chiếu lớn hơn nên sử dụng thuật toán AXB để tính toán trong quá trình lập kế hoạch điều trị Tuy nhiên, đối với các trường hợp này, nếu mục đích điều trị là giảm nhẹ, cần thời gian lập kế hoạch và điều trị gấp rút, có thể cân nhắc sử dụng thuật toán AAA, nhưng với năng lượng thấp (<10 MV) để hạn chế

Trang 7

sai số có thể xảy ra Trong những vùng đồng nhất,

việc lựa chọn thuật toán tính liều tuỳ thuộc hoàn

cảnh lâm sàng (cân nhắc đến thời gian tính toán

và chỉ định của bệnh nhân) vì kết quả tính toán

của 2 thuật toán AAA và AXB so với đo đạc gần

như tương đương

Nguyễn Thị Vân Anh

Khoa Xạ trị-Xạ phẫu, Bệnh viện Trung ương Quân đội 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] “Handbook of Radiotherapy Physics - Theory

and Practice.pdf.”

[2] I Samy Hanna, PhD, PE – Consultant, Altair

Technologies, “Role Of The Linear Accelerator

(LINAC) In Cancer Radiation Therapy.” [Online]

Available:

http://www.altairusa.com/role-of-the-

linear-accelerator-linac-in-cancer-radiation-therapy/

[3] W H Choi and J Cho, “Evolving Clinical

Cancer Radiotherapy : Concerns Regarding

Nor-mal Tissue Protection and Quality Assurance,”

2016

[4] T U G S of medicine Department of

Ra-diation Oncology, “Division of Medical

Phys-ics.” [Online] Available: http://www.radiol.med

tohoku.ac.jp/medical-physics/english/research

html

[5] J of M P.-M Pham Hong Lam, Nguyen Thi

Van Anh, Pham Quang Trung, “Evaluate Dose

Distribution of IMRT and VMAT Technique in

Radiotherapy for Head and Neck Cancer Using

TrueBeam Stx Linear Accelerator,” pp 180–187

[6] L Lu, “Dose calculation algorithms in

exter-nal beam photon radiation therapy,” vol 1, no 2,

pp 1–4, 2013

[7] J Van Dyk, The Modern Technology of Radia-tion Oncology

[8] M Alber, “Validation of the Acuros XB dose calculation algorithm versus Monte Carlo for clinical treatment plans.”

[9] H G Menzel, “The international commission

on radiation units and measurements,” J ICRU, vol 10, no 2, pp 1–35, 2010

[10] L Rock et al., AAPM Report 85 Tissue In-homogeneity Corrections for Megavoltage Pho-ton Beams, vol 65, no 85 2004

[11] Varian Medical Systems, “Eclipse Photon and Electron Algorithm Reference Guide,” no April, pp 263–348, 2017

[12] D Robinson, “Inhomogeneity correction and the analytic anisotropic algorithm,” Journal

of Applied Clinical Medical Physics, vol 9, no 2,

pp 112–122, 2008

[13] Y L Woon, S P Heng, J H D Wong, and

N M Ung, “Comparison of selected dose calcu-lation algorithms in radiotherapy treatment plan-ning for tissues with inhomogeneities,” J Phys Conf Ser., vol 694, no 1, pp 1-5, 2016

Định dạng
Số trang	7
Dung lượng	1,31 MB