Phân bố liều hấp thụ trong Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6 MV và 15 MV dùng trong xạ trị - Chương 1

Phân bố liều hấp thụ trong Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6 MV và 15 MV dùng trong xạ trị - Chương 1.

LỜI MỞ ĐẦU

Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II Và gần đây nhất là thảm họa nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng tư năm 1986 và nhà máy Mayak, ngày 29 tháng 9 năm 1957[11] Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao chất lượng cuộc sống

đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đính phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát thì nó có tác hại

vô cùng to lớn Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng Bức xạ được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu xạ, trong việc tạo giống mới và trong điều trị ung thư Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị là:

- Tương tác của chùm photon Gamma với vật chất.

- Các hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể sống khi chiếu chùm photon.

Trong cuộc sống có rất nhiều nguyên nhân và rất nhiều căn bệnh làm giảm tuổi thọ con người hoặc làm cuộc sống trở nên vô nghĩa vì luôn bị hành hạ bởi

sống là bệnh ung thư.

Ung thư là một tập hợp các bệnh được biểu thị bởi sự phát triển lan rộng khối

u “Vấn đề ung thư” là một vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa nhất ở Châu Âu, vượt qua cả bệnh tim và là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao Ở Canada và

Mỹ có tới 130000 và 1200000 người mỗi năm được chuẩn đoán là mắc bệnh ung thư [2] Đặc biệt là ở những nước đang phát triển như Việt Nam các yếu tố môi trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực sự hợp vệ sinh … là những nguyên nhân làm gia tăng số người bị bệnh ung thư.

Việc điều trị ung thư bằng tia xạ đã có một quá trình lịch sử rất lâu dài có thể nói từ năm 1895, khi Roentgen phát hiện ra tia X và tới ngày 27 tháng 10 năm

1951 bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng tia gamma Coban-60 Việc ra đời sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị ung thư gặp khá nhiều vấn đề bất cập Chính vì vậy có thể nói ảnh hưởng lớn nhất lên kỹ thuật xạ trị hiện đại là sự phát minh ra máy gia tốc tuyến tính vào những năm 1960 Từ đó tới nay, với việc

ứng dụng công nghệ thông tin, và các kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào trong xạ trị bằng máy gia tốc kết hợp với việc cải tiến về phần cơ khí đã làm cho phương pháp xạ trị đang dần thay thế hoàn toàn các phương pháp xạ trị từ xa khác, đem lại hiệu quả ngày càng cao trong điều trị ung thư.

Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh viện K Hà Nội) đã dùng máy Coban, các nguồn radium vào trong xạ trị Bên cạnh

đó, một số cơ sở y tế khác như bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 đã sử dụng các đồng vị phóng xạ trong điều trị ung thư Máy gia tốc được đưa vào Việt Nam từ tháng 1 năm 2001 tại Bệnh Viện K – Hà Nội Hiện nay ngoài bệnh viện K – Hà Nội, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị như Bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương, … Phương pháp

xạ trị từ xa dùng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển ở nước ta Tuy nhiên số lượng máy còn quá ít so với yêu cầu thực tế Và đây cũng là thiết bị mới đòi hỏi người sử dụng phải có kỹ thuật chuyên môn cao.Chính vì vậy việc tìm hiểu

và quảng bá những kiến thức về xạ trị, nguyên lý hoạt động của máy và tìm hiểu chính xác những thông số mà tia xạ của máy phát ra để sử dụng điều trị tốt cho

bệnh nhân là vấn đề rất cần thiết Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài: “ Phân bố liều hấp thụ trong Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6 MV và 15 MV dùng trong xạ trị ”

Mục đích của đề tài đặt ra:

Tìm hiểu cơ chế tương tác của chùm bức xạ với vật chất

Tìm hiểu phương pháp dùng chùm Photon trong xạ trị và những ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác.

Tìm hiểu cơ chế phát chùm photon của máy PRIMUS – Siemens và khảo sát

bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của chùm Photon phát ra từ máy

PRIMUS – Siemens

Xác định phân bố liều hấp thụ trong phantom của chùm photon với mức năng lượng 6MV và 15MV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đó xác định vị trí điều trị Đồng thời xác định phân bố liều hấp thụ khoảng cách tới trục với bề dày khác nhau, từ đó đánh giá độ đồng đều và độ bằng phẳng của liều hấp thụ

Ngoài phần mở đầu kết luận bản luận văn này được chia thành ba chương.

Chương 1: Cơ sở của phương pháp xạ trị dùng chùm Photon đề cập đến cơ

sở vật lý và cơ sở sinh học của việc sử dụng chùm Photon trong xạ trị, quá trình tương tác của photon với vật chất và với cơ thể sống, tác dụng sinh học của bức

xạ và các đơn vị đo liều lượng bức xạ.

Chương 2 Phương pháp thực nghiệm trình bày vắn tắt nguyên lý cấu tạo và

nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Primus- Siemens, phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm photon từ lối ra máy gia tốc.

Chương 3 Kết quả thực nghiệm và thảo luận tiến hành thực nghiệm đo liều

hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới trục Xây dựng đường cong liều hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới trục, từ đó tiến hành đánh giá chất lượng chùm photon năng lượng 6 MV và 15MV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS trong điều trị ung thư tại Bệnh Viện K

CHƯƠNG 1:

CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG CHÙM

PHOTON1.1 Tương tác của bức xạ gamma với vật chất [7]

Bức xạ gamma là chùm hạt photon có năng lượng lớn Khi đi trong môitrường vật chất, chúng tương tác với môi trường thông qua các hiệu ứng: hiệu ứngtán xạ, hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tạo cặp và quang hạt nhân Các hiệntượng này có xảy ra hay không hoặc xảy ra với mức độ nào phụ thuộc vào nănglượng của photon gamma và nguyên tử số của môi trường mà nó đi qua Phươngpháp xạ trị sử dụng chùm gamma với mức năng lượng lớn nhất là 15 MeV nên tachỉ quan tâm tới các hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiện tượngtạo cặp

1.1.1 Hiện tượng hấp thụ quang điện

Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng lên, lớn hơn thế năng ion hóa nguyên

tử, hiện tượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy ra hiện tượng hấp thụquang điện bắt đầu tăng Photon đến bị hấp thụ toàn bộ bởi một nguyên tử Nănglượng này được truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử Electron nhậnđược năng lượng lớn hơn thế năng ion hóa của nó nên bứt ra khỏi nguyên tử, gọi

là quang electron Một phần năng lượng để thắng thế năng ion hóa, phần còn lạibiến thành động năng chuyển dộng của nó Để xảy ra hiện tượng hấp thụ quangđiện đối với một electron nằm ở lớp nào đó của nguyên tử thì năng lượng củaphoton bị hấp thụ phải lớn hơn thế năng ion hóa của lớp đó Xác suất xảy ra hấpthụ quang điện được đặc trưng bằng tiết diện hấp thụ quang điện trên một nguyên

tử a(cm2 )

Người ta gọi xác suất xảy ra hiện tượng quang điện trên một đơn vị thể tíchmôi trường chất hấp thụ là hệ số suy giảm tuyến tính của môi trường đối với hiệuứng quang điện, ký hiệu kq , được tính bằng công thức:  7

trong đó:  là mật độ môi trường

MA: nguyên tử gam của chất hấp thụ

NA: Số Avogadro

(1.1)

Mặt khác để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ hạt nhân của một môi trường,người ta thường dùng hệ số suy giảm khối Hệ số suy giảm khối của một môitrường đối với hiệu ứng quang điện được tính như sau:

3 , 4 24 10 62 , 1

là thế năng ion hóa của lớp K và lớp L của nguyên tử môi trường

Từ hai công thức trên ta thấy khi Z càng lớn thì hệ số hấp thụ quang điện cànglớn Nghĩa là hiện tượng quang điện xảy ra mạnh với với các chất có nguyên tử sốlớn hay các nguyên tố nặng Mặt khác, khi năng lượng của bức xạ gamma tăng thìtiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm ɛ

Theo sự tăng năng lượng của bức xạ gamma, khi tiết diện xảy ra hấp thụquang điện giảm thì tiết diện tán xạ Compton tăng lên, đây là quá trình chủ yếulàm suy giảm năng lượng của bức xạ gamma đi trong môi trường vật chất.

Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon gamma vớicác electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trường.Trong quá trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lượngcủa mình cho electron và bị tán xạ theo hường tạo với phương tới một góc nào đógọi là góc tán xạ Kết quả là electron tán xạ nhận được một năng lượng giật lùi vànăng lượng của chùm gamma thì bị giảm đi

Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơnnhiều so với năng lượng liên kết của electron Khi năng lượng của bức xạ gammatăng, các electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạnhỏ) Năng lượng của bức xạ gamma tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và nănglượng của bức xạ gamma tới theo công thức:

Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron tự do nên năng lượng của bức xạgamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượngcủa bức xạ gamma tới và góc tán xạ Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có thể baytheo góc tán xạ bất kỳ, nhưng xác suất tán xạ theo một góc nào đó lại phụ thuộcvào năng lượng của bức xạ gamma tới và bản thân góc đó

Đối với năng lượng của bức xạ gamma nhỏ, phân bố góc của bức xạ có tínhđối xứng qua góc tán xạ 90

o

Năng lượng của bức xạ gamma càng tăng thì các bức

xạ gamma tán xạ càng có xu hướng ưu tiên về phía trước

Khi lượng tử gamma bị tán xạ với một góc nhỏ thì năng lượng của nó thayđổi không đáng kể, lúc đó electron bay theo phương gần vuông góc với nó Khilượng tử gamma bị tán xạ với góc 180

2 2

) 2 1 (

2 8 )

2 1 ln(

2

2 2 2

k k

k k k k k

k k

Trong nguyên tử có Z electron, tiết diện tán xạ Compton trên một nguyên

1.1.3 Hiện tượng tạo cặp

Khi năng lượng của bức xạ gamma tiếp tục tăng lên, có thể xảy ra hiệntượng tạo cặp Đây là hiện tượng chỉ xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhânhoặc một electron, trong đó năng lượng của một photon gamma được biến đổihoàn toàn thành các hạt vật chất

Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một hạt nhân Khimột photon năng lượng cao bay vào trong trường Coulomb của hạt nhân nó bị hấpthụ hoàn toàn, tạo ra một cặp electron và positron ( e

+

, e

-) Hạt nhân trung gian tạo

ra trường Coulomb cần thiết cũng tham gia vào quá trình tạo cặp, khối lượng nghỉ

( 1.8 )

( 1.9)

của nó cũng bị biến đổi trong quá trình này và nó cũng thu được một động nănggiật lùi rất nhỏ Theo định luật bảo toàn năng lượng:

2 2

2 2

2

) (

2

.

.

c M M K T c m

K c M T T c m m c M

o e

e e e

Người ta xác định tiết diện tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhânbằng phương pháp thực nghiệm, thu được công thức tính gần đúng:

tc Z2.ln

trong đó, Z là nguyên tử số của môi trường

Từ công thức trên có thể thấy hiện tượng tạo cặp xảy ra mạnh trong trườngCoulomb của hạt nhân khi môi trường có nguyên tử số càng lớn và khi năng lượng

 là năng lượng của lượng tử

gamma

( 1.10)

( 1.11 )

( 1.12 )

của lượng tử gamma càng tăng Người ta thấy rằng, khi năng lượng lớn hơnngưỡng tạo cặp, tiết hiện tạo cặp sẽ tăng nhanh khi năng lượng của bức xạ gammatăng.

Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một electron Khi

đó, có hai cặp electron - positron được tạo thành Ngưỡng tạo cặp trong trườnghợp này gấp đôi trong trường hợp trong trường Coulomb của hạt nhân, có giá trịlà:

ng 4 m e.c2 2 , 044MeV







Tuy nhiên, xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của electron nhỏ hơn rất

nhiều so với xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân

1.2 Hiệu ứng sinh học của bức xạ

1.2.1 Tác dụng sinh học của điều trị tia xạ

a Cấu tạo tế bào của cơ thể người [2,8,9]

Cơ thể người cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não,… Các cơ quanđược cấu tạo từ các mô như mô mỡ, da, xương …Các mô được cấu tạo từ các tếbào Tế bào là đơn vị sống cơ bản, kích thước tế bào khoảng 20micromet Trong

cơ thể con người có khoảng 1013 đến 1014 tế bào Tương tác giữa các bức xạ và cơthể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào hay gây đột biến dẫn đến hoạtđộng bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn dẫnđến ung thư

Tế bào gồm có một nhân ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương,bao bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào Mỗi bộ phận thực hiệnchức năng riêng rẽ

- Màng tế bào thực hiện chao đổi chất với môi trường ngoài

( 1.13 )

- Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạpthành các phần tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa), hay tổnghợp các phân tử cần thiết cho tế bào.

- Trong nhân có ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quantrọng để thực hiện sự tổng hợp chất

- ADN cũng chứa thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào

Tác dụng của sinh học chính của bức xạ là sự phá hỏng ADN của tếbào.[2,8,9]

Hình 1.1 Cấu tạo tế bào của cơ thể người

b Cơ sở sinh học của điều trị tia xạ

Năm (1943), tác giả Albert Bechem đã xuất bản cuốn sách “các nguyên tắc liều lượng Radium, và tia X”, được xem là cơ sở sinh học phóng xạ:

Vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ hơn Các tế bào cơ thể

trong giai đoạn phân chia nhạy cảm với tia xạ nhất Ngày nay ta còn áp dụngphương pháp tăng Oxy, tăng nhiệt ở vùng chiếu tia Để đề ra các kỹ thuật chỉ địnhtia xạ, người ta dựa trên các pha “phase” phân chia của tế bào, trên sự phản ứngcủa các chất gian bào[8,9], hình 1-2 (trong việc bảo vệ các tổ chức lành)

Tất cả các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tạikhối u, giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh Muốn vậy phải dựa trên

sự khác nhau về độ nhạy cảm tia xạ của các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào

cụ thể Tế bào biệt hóa kháng tia hơn loại không biệt hóa Phân bố hợp lý tổng liềuđiều trị và liều lượng mỗi lần chiếu

Chu kỳ sinh sản tế bào:

Sự tổng hợp S (Sythesis)

Phân chia M (Mitotic)

Sau phân chia G1:

+ S: Pha này kéo dài từ 1,5  36h, trung bình 8h, kháng tia.

+ G2: 30  1,5h

+ M: 30  2,5h nhạy cảm tia nhất

+ G1: Kéo dài hàng tháng

Chu kỳ sinh sản của tế bào được đưa trong hình 1-2

Hình1.2 Chu kỳ sinh sản của tế bào.

Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủyếu thông qua các quá trình ion hóa Kết quả của quá trình ion hóa trong tế bào làtạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bịbiến đổi hoặc bị tiêu diệt

Đối với con người, cấu tạo mô cơ thể chủ yếu là nước Khi bị chiếu xạ, phân tử

H2O bị ion hóa, phân chia thành các cặp H+ và OH-, các ion này bị kích thích lạitạo ra các ion khác,… năng lượng của bức xạ khi đi qua cơ thể người càng lớn thì

số lượng ion tạo ra càng nhiều Các ion này gây ra phản ứng rất mạnh, tác độngtrực tiếp tới các phân tử sinh học phổ biến Là protein, lipit, ADN làm cho cấu trúccủa phân tử này bị sai hỏng gây ra những hậu quả[8,9]:

* Kìm hãm hoặc ngăn cản sự phân chia tế bào

* Làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết hoặc bị biến đổi chứcnăng hoặc gây đột biến gen, đó là do các tổn thương sau đó có thể làm mất hoặcxắp xếp lại các vật chất di truyền trên phân tử ADN

* làm chết tế bào Trong đó quá trình làm chết tế bào là quá trình quan trọngnhất trong việc điều trị ung thư