Tổng quan về ung thư và các phương pháp điều trị
Khái niệm về ung thƣ
Trong cơ thể sống, quá trình sinh trưởng và phát triển diễn ra với sự quản lý chặt chẽ, cho phép các tế bào được sinh ra và chết đi một cách cân bằng nhằm duy trì số lượng tế bào ổn định ở mỗi cơ quan Tuy nhiên, tế bào ung thư lại là những tế bào bất thường, không tuân theo cơ chế quản lý này, chúng phát triển nhanh chóng và chết đi với tốc độ cao hơn so với tế bào bình thường.
Ung thư là tình trạng tăng trưởng không kiểm soát, dẫn đến sự hình thành khối lượng lớn tế bào do sự sinh sản quá mức, vượt qua số lượng tế bào chết Hậu quả là khối tế bào này xâm lấn và phá hủy các mô cũng như cơ quan trong cơ thể.
Ung thư là bệnh liên quan đến các tế bào sống trong cơ thể Bất kỳ nơi nào có sự hiện diện của tế bào sống đều có khả năng phát triển ung thư Tuy nhiên, tóc, lông và móng là chất sừng không chứa tế bào sống, do đó không thể mắc ung thư.
Các tế bào ung thư là những tế bào bất thường, chết nhanh hơn tế bào bình thường nhưng không đủ để cân bằng với tốc độ sinh sản nhanh chóng của chúng, dẫn đến sự gia tăng khối lượng mô ung thư Sự mất cân bằng này chủ yếu do hai yếu tố: các bất thường di truyền trong tế bào ung thư và khả năng phát hiện, tiêu diệt tế bào của cơ thể chủ bị suy giảm.
Sự mất cân bằng giữa sự sinh sản của tế bào mới và tế bào chết đi dẫn đến sự gia tăng khối lượng tế bào ung thư, hình thành các khối u ung thư Các khối u này có thể được phân loại thành hai loại chính: u lành tính và u ác tính.
U lành thường không nguy hiểm đến tính mạng và có thể được điều trị bằng phẫu thuật, trong khi ung thư ác tính có khả năng xâm lấn và chèn ép các cơ quan xung quanh, gây rối loạn quá trình trao đổi chất Một số tế bào ung thư có thể di cư qua mạch máu và mạng bạch huyết, dẫn đến sự hình thành các khối u mới, hiện tượng này gọi là di căn Sự xâm lấn vào các cơ quan quan trọng như não, phổi, gan, thận có thể làm giảm chức năng sống của chúng, dẫn đến tử vong Ung thư là căn bệnh có tỷ lệ tử vong cao nhất, chiếm gần một phần năm tổng số ca tử vong toàn cầu, do đó cần được điều trị kịp thời.
Các phương pháp điều trị ung thư
Hiện nay, có ba phương pháp điều trị ung thư chính: phẫu thuật, xạ trị và hóa trị Ngoài ra, việc kết hợp các phương pháp này cũng có thể mang lại hiệu quả cao hơn Sự lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp hoàn toàn phụ thuộc vào loại bệnh, vị trí và giai đoạn cụ thể của ung thư.
Mục tiêu của các phương pháp điều trị ung thư là tiêu diệt tối đa các tế bào ung thư trong khi hạn chế tổn thương cho các tế bào bình thường xung quanh.
Phẫu thuật là phương pháp điều trị truyền thống và hiệu quả, đặc biệt với ung thư giai đoạn sớm và khu trú Trong quá trình phẫu thuật, các tế bào ung thư sẽ được loại bỏ tối đa, đôi khi kèm theo việc cắt bỏ một phần tế bào lành để đảm bảo không còn tế bào ung thư nào Phương pháp này thường mang lại hiệu quả cao nhất với các khối u lành tính hoặc ung thư không di căn Sau phẫu thuật, thường cần kết hợp với các phương pháp điều trị khác để đạt được kết quả tốt nhất.
Xạ trị: Là phương pháp sử dụng bức xạ ion hoá để tiêu diệt các khối u
Xạ trị thường được sử dụng cho những trường hợp ung thư mà phẫu thuật không thể loại bỏ hoàn toàn tế bào ung thư Có hai kỹ thuật chính trong xạ trị: xạ trị chiếu ngoài và xạ trị áp sát.
Hóa trị là phương pháp điều trị ung thư sử dụng các loại thuốc hóa chất đặc hiệu, đặc biệt hiệu quả khi ung thư đã lan rộng hoặc có di căn Mỗi loại hóa chất có tác dụng riêng, giúp ngăn chặn sự phân chia của các tế bào ung thư Khi quá trình phân bào bị ngưng trệ, tế bào ung thư sẽ bị tiêu diệt, dẫn đến sự thu nhỏ của khối u.
Các phương pháp kết hợp trong điều trị ung thư giúp tăng hiệu quả điều trị Việc kết hợp phẫu thuật với xạ trị, phẫu thuật với hóa trị, hoặc xạ trị với hóa trị là những chiến lược phổ biến nhằm tối ưu hóa kết quả điều trị cho bệnh nhân.
Cơ sở của xạ trị ung thƣ
Việc sử dụng bức xạ ion hóa trong điều trị ung thư dựa trên hai cơ sở chính: cơ sở sinh học liên quan đến quá trình phân chia tế bào và cơ sở vật lý liên quan đến sự tương tác giữa chùm bức xạ và cơ thể người bệnh.
1.3.1 Cơ sở sinh học - Chu kỳ tế bào
Quá trình phân chia tế bào diễn ra qua nhiều giai đoạn, được kích hoạt bởi các tác nhân sinh hóa từ bên ngoài như yếu tố tăng trưởng và kích tố Hệ thống kiểm soát bên trong và bên ngoài tế bào đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình này, nhằm ngăn chặn sự dư thừa hoặc thiếu hụt tế bào cần thiết cho các hoạt động của cơ thể Các giai đoạn của quá trình phân chia tế bào được thể hiện trong hình 1.1.
Pha G0 là giai đoạn nghỉ ngơi của tế bào, trong đó tế bào không tiến hành phân chia mà thường được lập trình để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Chẳng hạn, tế bào cơ có nhiệm vụ co duỗi, góp phần vào hoạt động của cơ thể.
Trong pha G1, tế bào thực hiện quá trình tổng hợp protein và RNA (axit ribonucleic), một thành phần thiết yếu cho việc tổng hợp DNA, cấu trúc cơ bản của nhiễm sắc thể trong nhân tế bào Pha này kéo dài khoảng 12-14 giờ.
Pha S: Tế bào tổng hợp nhiều DNA chuẩn bị cho sự phân chia tế bào.Pha này kéo dài trung bình 8 giờ Pha này kháng tia
Hình 1.1 Chu kỳ tế bào
Trong giai đoạn Pha G2, tế bào ngưng tổng hợp DNA nhưng tiếp tục quá trình tổng hợp Protein, RNA và các vi ống, chuẩn bị cho việc hình thành thoi vô sắc cần thiết cho phân chia tế bào Thời gian của pha này kéo dài từ 30 phút đến 1,5 giờ.
Trong giai đoạn Pha M, tế bào ngừng tổng hợp protein và RNA, các đôi nhiễm sắc thể tách rời và di chuyển về hai cực của thoi vô sắc Quá trình này dẫn đến sự phân chia nhân tế bào và cuối cùng là sự tách biệt thành hai tế bào con.
Các tế bào bình thường có khả năng tự phát hiện và sửa chữa hư hỏng trên chuỗi DNA để đảm bảo rằng hai tế bào con mới sinh ra chứa bản sao chính xác của chất liệu di truyền từ tế bào mẹ Quá trình này diễn ra qua hai điểm kiểm soát trong chu kỳ tế bào, nơi mà toàn bộ thông tin sao chép được kiểm tra chặt chẽ Pha này kéo dài từ 30 phút đến 2,5 giờ và là giai đoạn nhạy cảm nhất với tia xạ.
1.3.1.1 Điểm kiểm soát thứ nhất Điểm kiểm soát thứ nhất ở cuối pha G1, trước khi tế bào bước vào pha S Lúc này nếu có một bất thường trên DNA, nó sẽ được phát hiện và các cơ chế sửa chữa sẽ vào cuộc để đảm bảo tế bào rời khỏi pha G1 với tài sản DNA bình thường Nếu không sửa được các bất thường trên DNA tế bào sẽ ngừng không tiếp tục chu kỳ tế bào và được chuyển sang sự chết theo lập trình
1.3.1.2 Điểm kiểm soát thứ hai Điểm kiểm soát thứ hai trước khi vào pha M, cuối pha G2 Tế bào phải được chuẩn bị đầy đủ để tạo ra hai tế bào con giống hệt tế bào mẹ Như thế tế bào nào chưa nhân đôi hoàn toàn đầy đủ số DNA, hay chưa có đủ các protein hay chất liệu của thoi vô sắc, sự phân chia sẽ ngừng ở đây cho đến khi tế bào chuẩn bị đầy đủ tất cả các chất liệu cần thiết
Quá trình phân bào và các điểm kiểm soát cho thấy khi DNA bị tổn thương không được sửa chữa, tế bào sẽ bị đưa vào chết theo lập trình Tác nhân có thể làm biến đổi cấu trúc DNA của tế bào ung thư, dẫn đến sự tiêu diệt dần dần các tế bào này Tế bào ung thư cũng nhạy cảm hơn với tia bức xạ và hóa chất so với tế bào khỏe mạnh, cho thấy chúng yếu kém trong khả năng sửa chữa DNA Khi được chiếu một liều lượng thích hợp, các khối u có thể bị tiêu diệt mà không ảnh hưởng đến khả năng phục hồi của tế bào lành, nhờ vào việc bảo vệ liều lượng và tạo thời gian nghỉ ngơi cho tế bào khỏe mạnh.
1.3.2 Khái niệm “4 tái tạo”của sinh học phóng xạ
Oxy trong khối u ác tính là yếu tố quan trọng để nâng cao độ nhạy phóng xạ Các tế bào được cung cấp đủ oxy chỉ cần liều phóng xạ thấp hơn 1/3 so với tế bào thiếu oxy để đạt hiệu quả tương đương, tức là tăng hiệu quả nhạy cảm phóng xạ gấp 3 lần Những khối u có tế bào thiếu oxy và động mạch kháng tia vẫn có thể sống sót khi nhận đủ oxy Các tế bào im lặng này có thể chiếm đến 15% tổng số tế bào trong khối u Kỹ thuật chia nhỏ liều kết hợp với việc cung cấp oxy giúp tăng cường độ nhạy xạ của các tế bào im lặng, đồng thời duy trì quần thể tế bào được cung cấp oxy ở tỷ lệ ổn định.
Sự tái tạo phân bố chu kỳ tế bào có thể là một yếu tố quan trọng cho tính
Tự nhạy cảm tia xạ của tế bào thay đổi trong từng giai đoạn phát triển, với các pha G2/M muộn và G1 muộn/S sớm là những giai đoạn nhạy cảm nhất trong chu kỳ sinh sản Để tối ưu hóa hiệu quả điều trị, việc chia nhỏ liều lượng tia xạ giúp đảm bảo rằng tất cả các tế bào đều ở trong pha nhạy cảm trong cùng một khoảng thời gian, thường là một hoặc hai lần chiếu xạ.
Để đảm bảo tế bào lành hồi phục sau tổn thương do tia xạ, cần ít nhất 6 giờ giữa hai lần chiếu Nghiên cứu cho thấy thời gian hồi phục có thể cần lâu hơn, đặc biệt là đối với tủy sống, nhằm tránh viêm do tia xạ Sự hồi phục này rất quan trọng trong xạ trị áp sát với các máy phát suất liều khác nhau Đối với xạ trị liên tục với suất liều thấp, cần tính đến khả năng hồi phục của các tổn thương gần chết trong suốt quá trình điều trị.
Sự tái tạo quần thể tế bào là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả điều trị, đặc biệt là ở các tế bào lành và tế bào u Tốc độ phân chia tế bào lành, như tế bào da, sẽ tăng lên sau một thời gian điều trị, dẫn đến yêu cầu liều lượng ngày càng cao để đạt được hiệu ứng sinh học tương đương Điều này cho phép kéo dài thời gian điều trị, giúp tăng tốc độ hồi phục của các mô lành và các tế bào đáp ứng sớm, tuy nhiên lại không có lợi cho các tế bào đáp ứng muộn.
Sự tái tạo quần thể tế bào ở các khối u có thể dẫn đến việc cần tăng liều lượng điều trị đáng kể để đạt được hiệu quả tương đương, đặc biệt khi thời gian điều trị kéo dài hơn thời gian khối u bắt đầu phân chia nhanh chóng Ở các khối u vùng đầu cổ, khối u thường phát triển nhanh hơn sau 2 đến 4 tuần điều trị, được gọi là “thời điểm bắt đầu thực sự” Việc kéo dài thời gian điều trị có thể gây bất lợi cho kiểm soát khối u, trong khi lại có lợi cho sự hồi phục của tế bào lành Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng về loại khối u, đặc biệt là đối với những khối u tăng sinh nhanh, mà có thể nhận biết qua thời gian tăng đôi (Tp) của tế bào Tp không phải là thời gian tăng thể tích khối u, mà là thời gian cần để tăng gấp đôi quần thể tế bào mà không có sự mất mát Thời gian Tp của các khối u thể sừng hóa vùng đầu cổ khoảng 3-4 ngày, trong khi của các khối u vú là từ 8-30 ngày (trung bình 12 ngày).
Các đặc trƣng cơ bản của quá trình truyền năng lƣợng của bức xạ trong vật chất
1.4.1 Hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính
LET của hạt mang điện trong môi trường vật chất L được xác định bằng công thức [6]: dL
Tổn hao năng lượng trung bình dE của hạt mang điện trên quãng đường dL chủ yếu được sử dụng cho quá trình ion hóa và kích thích các nguyên tử trong vật chất, trong khi một phần khác được tiêu tốn cho bức xạ hãm Các điện tử sinh ra từ ion hóa có thể mang đủ năng lượng để gây ra các hiệu ứng khác.
Hình1.4 Mối tương quan giữa liều lượng hấp thụ và số sai sót của nhiễm sắc thể
Khi một tế bào trình ion hóa xảy ra sai sót, các vết ion hóa tầng sẽ xuất hiện trên đường đi của hạt mang điện Các điện tử thứ cấp, được gọi là điện tử data (δ), có khả năng gây ra hiện tượng ion hóa tiếp theo.
Hệ số truyền năng lượng tuyến tính phụ thuộc vào động năng của hạt sơ cấp và quãng chạy của hạt trong vật chất
Liều hấp thụ D của một chất có khối lượng dm được xác định bằng tỷ số dv dE dm
(1.2) Trong đó: : mật độ vật chất, dv: đơn vị thể tích, chứa khối lượng dm Đơn vị của liều hấp thụ là Gray: 1Gy = 100 rad = 10 4 erg/g
Suất liều hấp thụ D‟ được xác định bằng liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian: dt
(1.3) Đơn vị của suất liều là Gys -1 : 1Gys -1 =1J.s -1 kg -1 =1wkg -1
Liều chiếu P được xác định bằng tổng số điện tích dQ của các hạt cùng dấu phát sinh trong khối lượng dm khi bị chiếu xạ ở điều kiện chuẩn Trong hệ đo lường SI, đơn vị của liều chiếu là C.Kg^-1, trong khi đơn vị ngoại hệ được sử dụng là Roentgen.
Điều trị ung thƣ và kỹ thuật xạ trị
Về cơ bản xạ trị được chia ra làm hai kỹ thuật chủ yếu: Xạ trị chiếu ngoài và xạ trị áp sát
Xạ trị chiếu ngoài, hay còn gọi là xạ trị từ xa, là phương pháp điều trị ung thư sử dụng các thiết bị như máy phát tia-X, máy cobalt-60 và máy gia tốc tuyến tính (linacs) Phương pháp này nhằm mục đích chiếu chùm bức xạ năng lượng cao vào khối u ung thư đã được xác định, theo các trường điều trị cụ thể.
Các thiết bị y tế hiện nay bao gồm máy phát tia X 150 kV và 300 kV, chủ yếu được sử dụng để điều trị ung thư da và các khối u nông Ngoài ra, máy xạ trị Cobalt-60 phát tia gamma với hai mức năng lượng 1,17 MeV và 1,33 MeV, trung bình là 1,25 MeV, cũng rất hiệu quả trong việc điều trị các khối u nông Hơn nữa, máy gia tốc phát electron, proton, photon với nhiều mức năng lượng khác nhau đang được ứng dụng rộng rãi Hiện tại, các hệ thống Linac phát photon và electron với các mức năng lượng đa dạng đã cho thấy hiệu quả trong việc điều trị hầu hết các loại khối u.
Cho tới thời điểm hiện nay, xạ trị ngoài có 3 kĩ thuật chính:
Các kỹ thuật xạ trị ngoài bao gồm: a) Kỹ thuật xạ trị thông thường, b) Kỹ thuật xạ trị theo hình dạng 3 chiều của khối u, và c) Kỹ thuật xạ trị điều biến liều theo hình thái khối u.
Kỹ thuật xạ trị thông thường: Kỹ thuật này phổ biến từ trước cho đến nay
Kỹ thuật xạ trị theo hình dạng ba chiều của khối u: Với sự có mặt của ống chuẩn của khối u
Kỹ thuật xạ trị điều biến liều lượng theo hình dạng khối u là phương pháp xạ trị tiên tiến nhất hiện nay, cho phép điều chỉnh hình dáng chùm tia để ôm sát khối u Ngoài ra, cường độ bức xạ của chùm tia cũng có thể được điều biến một cách linh hoạt trên từng ô khác nhau của khối u, giúp nâng cao hiệu quả điều trị.
Xạ trị áp sát là một phương pháp điều trị ung thư hiệu quả, trong đó khoảng cách giữa nguồn phóng xạ và tế bào ung thư rất nhỏ Hiện nay, Ir-192 là loại nguồn phổ biến nhất được sử dụng trong kỹ thuật này, với mức năng lượng photon trung bình là 0,38 MeV và chu kỳ bán rã là 74 ngày Nguồn bức xạ Ir-192 được đưa vào cơ thể ngay tại hoặc gần vị trí khối u, giúp tăng cường hiệu quả điều trị.
Xạ trị áp sát có thể sử dụng chất lỏng phóng xạ được đưa vào miệng hoặc tiêm qua tĩnh mạch Phương pháp này được một số tài liệu coi là phương pháp thứ ba của xạ trị, với khả năng chuyển hóa chất kết hợp chọn lọc.
Xạ trị áp sát được ứng dụng khi khối u có tính chất khu trú và nhỏ
Hình 1.6 Thiết bị và dụng cụ dùng trong xạ trị áp sát và mô phỏng nguồn áp sát
Mục tiêu của xạ trị là tối đa hóa liều bức xạ vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư, đồng thời giảm thiểu liều bức xạ đến các cơ quan nhạy cảm xung quanh Để đạt được điều này, cần tính toán chính xác và sử dụng các phương pháp che chắn bức xạ phù hợp trong quá trình điều trị Các kỹ thuật xạ trị và phụ kiện như máy Cobalt, máy gia tốc thẳng, lọc nêm, dụng cụ bù trừ mô và khối che chì thường được áp dụng để tối ưu hóa quy trình xạ trị.
Máy gia tốc và hệ thống collimator đa lá trong xạ trị ung thư
Nguyên lý và cấu tạo máy gia tốc thẳng
Máy gia tốc là thiết bị dùng để tăng tốc các hạt tích điện như hạt alpha, proton và electron thông qua điện trường Các máy gia tốc đầu tiên, như Walton-Cockroft và VandeGraff, là loại máy gia tốc thẳng kiểu tĩnh điện Sau đó, Lawritson và Sloan đã cải tiến công nghệ bằng cách phát triển máy gia tốc thẳng sử dụng điện trường xoay chiều Hiện nay, nhờ vào sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ vi sóng, nhiều loại máy gia tốc mới đã ra đời, cho phép gia tốc hạt đến những mức năng lượng khác nhau, từ thấp đến siêu cao Thay đổi tần số vi sóng có thể điều chỉnh động năng của chùm electron, và các máy gia tốc thẳng hiện đại sử dụng sóng siêu cao tần có khả năng làm cho chùm hạt vi mô chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, đạt khoảng 1000 MV hoặc 1 BV.
2.1.1 Sơ đồ cấu tạo và sơ đồ khối của máy gia tốc thẳng trong xạ trị
- Thân máy đứng: Được thiết kế để chịu tải, nâng đỡ cần máy, mặt khác có thể chứa: máy phát sóng, súng điện tử, ống dẫn sóng gia tốc
- Máy phát sóng: Máy phát sóng gồm hai thành phần chính: Nguồn phát sóng
(Klystron hoặc Magnetron) và bộ điều chế xung
Magnetron và Klystron là hai loại nguồn phát vi sóng, hoạt động với xung ngắn chỉ vài micro giây Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cả hai thiết bị đều được trang bị bộ điều chỉnh tần số tự động (AFC), giúp duy trì tần số hoạt động ổn định.
Hình 2.1 Mô hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị
- Súng điện tử: Là thiết bị phát ra electron, nó gồm có hai loại chính là loại hai cực và loại ba cực
Thân máy chứa hệ thống gia tốc electron và đầu máy điều trị, được gắn vào một khung đứng có khả năng quay quanh trục vuông góc với nó.
- Hệ thống gia tốc electron: Gia tốc chùm electron tới năng lượng cao nhờ vi sóng
Đầu máy điều trị sử dụng bia tia-X để tạo ra chùm photon xạ trị thông qua hiệu ứng bức xạ hãm khi chùm electron được gia tốc tương tác với bia Ống chuẩn trực gồm hai cặp ngàm tạo hình dạng chùm bức xạ chữ nhật, cùng với các khối che chắn để định hình trường chiếu và bộ lọc phẳng nhằm làm phẳng chùm bức xạ, đảm bảo tính đồng nhất Ngoài ra, đầu máy còn có thể trang bị thêm các thiết bị như dụng cụ bù trừ mô, lọc nêm và ống chuẩn trực nhiều lá để điều chỉnh cường độ chùm bức xạ.
Hình 2.2 Sơ đồ khối của máy gia tốc thẳng trong xạ trị
Giường bệnh là thiết bị quan trọng dùng để đặt bệnh nhân và hỗ trợ các tư thế trong quá trình xạ trị Thiết kế của giường cho phép quay quanh trục trên mặt phẳng nằm ngang, đồng thời có khả năng nâng lên và hạ xuống, giúp tạo ra khoảng cách điều trị phù hợp cho từng bệnh nhân.
Bảng điều khiển là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển các hoạt động của máy gia tốc, bao gồm việc quay và đặt vị trí cho các jaw trong ống chuẩn trực nhằm định vị chính xác trường điều trị.
- Nguồn cao áp: Cung cấp nguồn điện một chiều cho máy phát sóng
Ngoài các bộ phận chính đã được trình bày, Línacs còn bao gồm nhiều thành phần quan trọng khác như cuộn hội tụ và lái tia, hệ thống làm mát bằng nước, hệ thống bơm ion hút chân không, cùng với hệ thống bảo vệ chống rò rỉ bức xạ.
Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với máy gia tốc là:
- Hệ thống collimator chuẩn thông dụng,
- Hệ thống laser xác định trục quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy,
- Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và bệnh nhân,
- Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị; màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị,
- Hệ thống che chắn phóng xạ,
- Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố
- Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc bao gồm: + Giường máy có thể điều khiển lên, xuống, quay theo các góc,
+ Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị, + Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ, máy đo phòng hộ tia xạ,…
+ Hệ thống làm khuôn chì,…
Hình 2.3 Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc trong xạ trị
Các electron được sinh ra từ bức xạ nhiệt của súng điện tử khi catode được nung nóng Những electron này sau đó được điều biến thành các xung và được đưa vào buồng tăng tốc.
Buồng tăng tốc là một cấu trúc dẫn sóng, nơi năng lượng cung cấp cho electron được lấy từ bộ phát sóng siêu cao tần với tần số khoảng 3000 MHz Bức xạ vi sóng được phát ra dưới dạng xung ngắn, do các bộ phát tần số vi sóng như magnetron và klystron tạo ra Klystron thường được sử dụng trong các máy gia tốc năng lượng cao với năng lượng đỉnh lên đến 5 MW hoặc hơn, nhằm gia tốc điện tử Các electron được phun vào ống dẫn sóng đồng bộ với xung bức xạ vi sóng để được gia tốc, trong khi hệ thống ống dẫn sóng và súng electron được duy trì ở chân không để tránh va chạm với nguyên tử khí.
Chùm electron gia tốc trong buồng tăng tốc thường bị phân kỳ và không di chuyển chính xác dọc theo trục do nhiều nguyên nhân, bao gồm lực đẩy Coulomb giữa các electron cùng dấu, sự lắp ghép không hoàn hảo của ống dẫn sóng và tác động của điện từ trường bên ngoài Để khắc phục tình trạng này, chùm electron cần được điều khiển một cách chủ động Đầu tiên, một điện trường hội tụ đồng trục được sử dụng để làm cho chùm tia đi theo quỹ đạo thẳng Tiếp theo, các cuộn lái tia tạo ra từ trường sẽ tác động lực lên các electron, giúp dẫn chùm tia theo đúng hướng của ống dẫn sóng, từ đó điều chỉnh hướng ra ngoài theo một đường cong nhất định hoặc uốn cong để hướng đến bia tạo tia X.
Khi máy gia tốc hoạt động ở chế độ phát chùm electron, chùm electron sẽ được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ Chùm electron này sau đó được tán xạ trên các lá tán xạ hoặc được quét bằng từ trường để phù hợp với hình dạng và diện tích trường chiếu trong các trường hợp điều trị cụ thể Để tạo hình dạng cho chùm tia, các bộ lọc phẳng, nêm và collimator sơ cấp, thứ cấp được sử dụng Liều lượng được kiểm soát chính xác thông qua các detector.
Khi chế độ phát tia X được kích hoạt, chùm electron được gia tốc và uốn cong để va chạm vào bia Chùm electron với động năng cao xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên tử và phát ra tia X năng lượng cao Phổ năng lượng và suất liều bức xạ của tia X phụ thuộc vào mức năng lượng của electron, số nguyên tử, độ dày và chất liệu của bia Đồng thời, liều lượng của chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát và định dạng phù hợp.
Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và electron, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ này Ví dụ, bia tia X được đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và rút vào khi phát chùm electron Trong quá trình hoạt động, bia tia X sẽ bị nóng lên khi hãm chùm electron, do đó cần thiết phải có hệ thống làm nguội bằng nước để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Máy gia tốc được thiết kế với cơ chế chuyển động linh hoạt như cần máy và giường điều trị, nhằm mục đích điều trị an toàn Các hệ thống này được kiểm soát bằng chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ Với sự phát triển của công nghệ, máy hiện đại trang bị collimator đa lá (MLC) và điều khiển tự động bằng máy tính, giúp cải thiện kỹ thuật điều trị theo hình dạng khối u 3D CRT và kỹ thuật điều biến liều IMRT Nhờ đó, phạm vi ứng dụng của máy gia tốc được mở rộng, biến nó thành một nguồn phóng xạ nhân tạo đặc biệt, phát ra các loại tia với cường độ và năng lượng mong muốn.
2.1.3 Ƣu điểm của máy gia tốc
Phương pháp xạ trị bằng máy gia tốc tuyến tính đại diện cho một bước tiến quan trọng trong kỹ thuật xạ trị hiện đại So với máy Cobalt-60, máy gia tốc tuyến tính mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- Máy gia tốc có thể cho hai loại chùm tia là chùm electron và chùm photon
Có thể điều khiển được năng lượng chùm tia phát ra từ máy gia tốc
- Kích thước của vùng bán dạ chùm tia nhỏ, suất liều bức xạ cao
- Không cần thay thế nguồn bức xạ như trường hợp máy Cobalt
- Độ an toàn phóng xạ cao, do máy gia tốc không có nguồn phóng xạ, nó chỉ phát chùm tia khi hoạt động
- Các đặc tính của chùm tia tốt hơn
- Photon có năng lượng càng cao thì khả năng đâm xuyên càng lớn và hiệu quả sinh học càng cao
Hệ thống collimator đa lá ( MLC )
Bộ chuẩn trực đa lá (collimator đa lá) là thiết bị quan trọng trong máy gia tốc tuyến tính xạ trị ung thư, có chức năng định dạng chùm tia Thiết bị này bao gồm hai dãy lá kim, giúp điều chỉnh và tối ưu hóa hướng chiếu của tia xạ đến khối u.
Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS
Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS
Khuôn chắn tia nhiều lá
Giá định vị bệnh nhân loại có thể chuyển động độc lập Tùy theo hãng sản xuất, mỗi dãy lá có thể từ 30, 40 hoặc 60 lá
Mỗi lá collimator có khả năng di chuyển độc lập, có thể được điều khiển bằng tay hoặc bằng mô tơ đến các vị trí mong muốn Khi các lá đã được thiết lập đúng vị trí, hình dạng chùm tia sẽ phản ánh chính xác hình dạng khối u như thể hiện trong hình 2.5.
Hình 2.5 Hình dạng của khối u nhìn theo hướng chùm tia
Hệ MLC được mô tả đơn giản với hai dãy nhiều lá chuyển động đối xứng qua trục, cho phép mỗi lá định vị độc lập Các lá có độ dày hợp lý để bảo vệ 1% liều lượng sơ cấp, thường được làm bằng chì với độ dày 7cm, che phủ khoảng 1cm tại mặt phẳng trung tâm Vị trí và định vị của mỗi lá có độ sai số nhỏ hơn 1mm Có nhiều phương pháp chế tạo hệ MLC, nhưng thường được phân thành ba loại chính.
- Loại chỉ để làm chuẩn trực chùm tia (hình nón sơ cấp)
- Loại nhiều lá và collimator phụ thay thế hoàn toàn đầu máy thông thường
Hình 2.6 Hệ MLC đơn giản
Loại MLC được mô tả gồm hai dãy lá bằng Vonfram, lắp bên trong đầu máy điều trị, ngay dưới lọc phẳng chùm tia và chứa các nêm điều khiển bằng động cơ Mỗi lá được điều khiển bởi các motor nhỏ sử dụng điện áp một chiều, với thiết kế khe hở tối thiểu giữa các lá nhằm giảm thiểu rò rỉ bức xạ Độ rò rỉ liều bức xạ trung bình giữa khe hở các lá ở collimator sơ cấp khoảng 2-5%, trong khi tại collimator thứ cấp, độ rò rỉ chỉ còn 0,5%.
2.2.1 Nguyên lý hoạt động của collimator đa lá
Collimator đa lá cho phép tạo ra các trường chiếu xạ tương thích với hình dạng tự nhiên của khối u và các bộ phận cần bảo vệ, mang lại sự linh hoạt và nhanh chóng trong quá trình điều chỉnh Để thực hiện kỹ thuật này, cần sử dụng hệ thống máy tính có cấu hình mạnh mẽ cùng với phần mềm chuyên dụng phù hợp.
Các hệ MLC được các nhà sản xuất phát triển với các kỹ thuật cơ khí đặc biệt nhằm di chuyển chính xác các lá tới vị trí mong muốn.
Để đảm bảo việc điều khiển vị trí lá an toàn và chính xác, việc xác định vị trí các lá là rất quan trọng Các bộ biên mã tuyến tính và hệ thống video quang học được sử dụng hiệu quả để xác định vị trí này.
Các bộ biên mã tuyến tính sử dụng để xác nhận vị trí của các lá trong hệ thống MLC bằng cách áp dụng các bộ đo phân thế Những bộ đo này có khả năng xác định vị trí của từng lá collimator riêng biệt Để tăng cường độ an toàn, hai bộ đo phân thế với tín hiệu ra tương đương được triển khai.
Hệ thống video quang học là một công nghệ xác định vị trí bệnh nhân và các lá trong điều trị Hệ thống này sử dụng cùng một nguồn sáng cho cả hai mục đích, với thiết bị phản chiếu được gắn gần mỗi lá Ánh sáng phản chiếu từ các thiết bị này sẽ trở lại camera, và tín hiệu ánh sáng phản xạ sau đó được số hóa và xử lý qua thiết bị trong hệ điều khiển MLC.
Cơ cấu điều khiển các lá được trang bị motor nhỏ, cho phép điều chỉnh chính xác hướng di chuyển Chuyển động quay của motor được chuyển hóa thành chuyển động thẳng nhờ vào các thanh vít, giúp các lá di chuyển đến vị trí mong muốn Vận tốc dịch chuyển của các lá dao động từ 0,2 mm/s đến tối đa 50 mm/s, tùy thuộc vào thiết kế của hệ thống.
2.2.2 Cấu trúc hình học và đặc tính cơ khí
2.2.2.1 Cấu trúc của lá collimator Độ dày của lá, xác định độ phân giải chùm tia một cách chính xác; độ cao được xác định bởi sự rò rỉ cho phép, thông thường là 50-70mm với vật liệu volfram, có tính đến năng lượng của tia X; chiều dài chủ yếu cho phép bao phủ trường chiếu, một nửa của trường chiếu cực đại 400mm, được mô tả hình 2.7
Các thông số kỹ thuật quan trọng nhất của một MLC là cấu trúc hình học và các đặc tính cơ khí được mô tả trên hình 2.8 như là :
- Kích thước trường chiếu lớn nhất
- Độ dày của một lá
- Khoảng dịch chuyển lớn nhất qua tâm
- Khoảng giao nhau giữa các lá đối diện
- Vị trí của MLC trong hệ chuẩn trực
Hình 2.7 Các thông số của 1 lá
Hình 2.8 Các thông số cơ khí quan trọng của MLC
Rộng khoảng dịch chuyển lớn nhất qua tâm
Kích thước trường chiếu lớn nhất Độ dày
2.2.2.2 Kích thước trường chiếu lớn nhất
Có 2 loại MLC được sử dụng hiện nay:
Loại MLC tích hợp trên máy điều trị cho phép tạo ra các trường chiếu với kích thước lớn, tối đa lên đến 40x40 cm.
- Loại MLC lắp ngoài, được sử dụng như một phụ kiện, tạo các trường chiếu nhỏ: kích thước trường chiếu lớn nhất 10x10cm 2
Bảng 2.1 Một số thông số kỹ thuật của MLC của một số hãng khác nhau
Khoảng dịch chuyển max qua tâm ( cm)
Kích thước trường chiếu lớn nhất của một số MLC phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển qua tâm; khi khoảng dịch chuyển qua tâm tăng lên, kích thước trường chiếu sẽ giảm xuống.
2.2.2.3 Độ dày của lá collimator
- MLC tích hợp trên máy:
Các MLC được tích hợp trên đầu máy và điều khiển bằng phần mềm máy tính với độ dày khoảng 0,5-1cm, đảm bảo độ chính xác vị trí 1mm trong hướng dịch chuyển Độ dày của lá cần phải phù hợp với kích thước và hình dạng phức tạp của khối u.
Chiều dày của lá collimator ảnh hưởng đến hiệu quả điều trị ung thư Với chiều dày 10mm, lá collimator đáp ứng tốt cho ung thư tuyến tiền liệt, nhưng lại quá lớn cho những khối u nhỏ gần cột sống Do đó, độ dày 5mm là lựa chọn hợp lý hơn trong những trường hợp này.
