Untitled 48 Soá 8 naêm 2019 Khoa học và đời sống Xạ trị bằng proton Một số ưu điểm Hạt proton ký hiệu 1P1, là hạt nhân tích điện dương với q=+1,6x10 19C, khối lượng m=1,6x10 17kg (gấp 1 840 lần khối l[.]
Xạ Trị BằNg ProToN: Xu hướng giới triển vọng việt Nam Dương Thị Nhung Đại học Nghiên cứu Quốc gia Hạt nhân (Liên bang Nga) Trên giới, số bệnh nhân ung thư xạ trị proton (Proton Therapy - PT) ngày tăng PT bảo đảm tối ưu hóa liều lượng vào thể Các hạt proton gia tốc thiết bị (máy gia tốc vòng) để đạt mức lượng lên đến 250 MeV - đủ để phân bố đủ liều tới khối u nằm sâu thể Tuy nhiên, phụ thuộc vào thiết bị mà có số ưu nhược điểm Bài viết đề cập số đặc điểm thiết bị điều trị ung thư giới triển vọng đầu tư Việt Nam Xạ trị proton Một số ưu điểm Hạt proton ký hiệu 1P1, hạt nhân tích điện dương với q=+1,6x10-19C, khối lượng m=1,6x10-17kg (gấp 1.840 lần khối lượng electron) nên chúng quy vào loại hạt nhân nặng Không giống với photon, qua môi trường (cơ thể), hạt proton tương tác trực tiếp với electron nguyên tử thông qua lực Coulomb mà không cần phải tạo gốc tự Như vậy, nguyên tắc việc xạ trị proton giúp giảm thời gian điều trị Chùm proton qua môi trường mát lượng q trình i-on hóa kích thích ngun tử mơi trường; tốc độ mát lượng tỷ lệ bình phương với độ lớn điện tích tỷ lệ nghịch với tốc độ hạt theo công thức Bethe-Block Do vậy, chùm proton đơn 48 Số năm 2019 năng, tốc độ mát độ sâu ban đầu tăng chậm sau tăng đột ngột điểm gần cuối quãng chạy Sự gia tăng đột ngột tốc độ mát lượng hay điểm tích lũy liều gần cuối quãng chạy hạt, gọi đỉnh Bragg Tuy nhiên, đỉnh Bragg với chùm proton đơn mảnh so với toàn khối u nên để cung cấp dải chiều sâu rộng hơn, đỉnh Bragg trải việc tổng hợp số chùm tia với lượng khác nhau, gọi đỉnh Bragg trải rộng (spread-out Bragg peak - SOBP) Như vậy, khối u nhận liều tối đa SOBP giảm nhanh vùng phía sau khối u, giúp tránh tổn thương tới mơ lành Bên cạnh đó, liều tích lũy trước đỉnh Bragg 30% so với liều đỉnh, liều tương đối chùm photon đạt cực đại gần lối vào sau giảm qua khối u [1] Điều có nghĩa là, Xạ trị proton Trung tâm xạ trị Proton Xanh Petecbua (lB Nga) khoa học đời sống Khoa học đời sống Khoa học đời sống u tuyến tiền liệt, u não, u đầu, cổ, hệ thần kinh trung ương, phổi khối u hệ tiêu hóa khối u dạng rắn trẻ em [3] PT thiết bị Năng lượng chùm proton điều trị lâm sàng thường nằm khoảng 70-250 MeV proton loại chủ yếu gia tốc loại máy gia tốc vòng là: Hình So sánh phân bố liều theo độ sâu chùm proton photon 15 mv sử dụng PT nhận tối ưu hóa liều lượng tránh thương tổn cho mô lành xung quanh khối u, nhờ giảm tối đa tác dụng phụ gây sau trình điều trị, giúp nâng cao chất lượng sống cho người bệnh Bên cạnh đó, việc đánh giá mức độ hiệu mà chùm xạ đem lại điều trị thường dựa vào hiệu suất sinh học tương đối (RBE)1 Mặc dù RBE phụ thuộc vào loại phẩm chất chùm tia, phân đoạn liều điểm cuối sinh học, yếu tố định RBE hệ số truyền lượng tuyến tính (LET)2 Khi LET lớn RBE lớn, đó, hiệu sinh học chùm hạt tích điện nặng nói chung proton nói riêng cao Một lợi khác PT giúp điều trị khối u kháng tia bị tái phát sau điều trị với chùm photon [2] Như vậy, chùm proton kiểm sốt cách tối ưu hóa, tránh tổn thương tới mô lành, ngăn ngừa biến chứng nghiêm trọng giảm nguy phát triển khối u thứ cấp Với ưu vượt trội nêu trên, PT định việc điều trị khối u mà vị trí chúng khiến việc phẫu thuật khơng thể loại bỏ hồn tồn, RBE - Relative Biologic Effectiveness tỷ số liều chùm tia X 250 kVp chùm xạ gây hiệu ứng sinh học quy định (gồm trình tiêu diệt tế bào, tổn thương mơ, đột biến hay điểm cuối sinh học bất kỳ) LET - Linear energy transfer hệ số truyền lượng tuyến tính, thường dùng để xác định tốc độ mát lượng hạt tích điện di chuyển nước thường biểu diễn đơn vị keV/µm Cyclotron: loại máy này, hạt gia tốc theo quỹ đạo hình trịn có bán kính tăng dần với gia tăng lượng hạt Cyclotron phục vụ PT gồm: máy có từ trường biến đổi theo góc phương vị (AVF), thường gọi cyclotron hội tụ quạt synchrocyclotron Với cyclotron hội tụ quạt, từ trường tăng theo bán kính hạt để giữ tần số hạt không đổi Từ trường thay đổi việc sử dụng sector đặt điện cực làm thay đổi hội tụ theo chiều dọc chùm tia, khiến chùm tia có độ nét cao so với hệ máy cyclotron cũ Việc thay đổi từ trường hàm bán kính thỏa mãn điều kiện cộng hưởng hạt Cyclotron hội tụ quạt không áp dụng mức lượng cao điều trị mà sử dụng sản xuất đồng vị mức lượng thấp Loại hãng máy gia tốc lớn Varian (Mỹ) sản xuất với mức lượng tối đa 250 MeV Ngoài ra, việc cộng hưởng hạt cịn đạt cách thay đổi tần số điện trường Loại cyclotron gọi synchrocyclotron với thiết kế nhỏ gọn sử dụng cho hệ thống thân máy phòng đơn Mevion’s SC250 (Mevion, Littleton, MA) hay IBA’s Proteus One units (IBA Ltd., Belgium) Cyclotron sử dụng PT loại máy cố định mức lượng với giá trị lớn khoảng 250 MeV - tương đương quãng chạy 38 cm môi trường nước (là mức lượng đủ để điều trị khối u nằm sâu bên thể) Khi điều trị khối u nằm vị trí nơng hơn, mức lượng giảm xuống việc sử dụng suy giảm lượng với độ dày độ rộng khác để đạt đỉnh SOBP yêu cầu Phương pháp Hãng IBA áp dụng với vật liệu polycarbonate có chiều dày khác nằm đường truyền chùm tia Tuy nhiên, hạn chế máy hoạt động phát sinh thành phần neutron không mong muốn nên synchrocyclotron ln địi hỏi cần có nhiều hệ thống che chắn so với synchrotron [1, 4, 5] Hiện số hãng chế tạo cyclotron với thông số sau: cyclotron Số năm 2019 49 Khoa học đời sống Hãng IBA C230 có trọng lượng 240 tấn, đường kính 4,3 m, đạt lượng 230 MeV; Hãng Varian Probeam có trọng lượng 90 tấn, đường kính 3,1 m, lượng tối đa 250 MeV Hãng Mevion SC250 có trọng lượng 25 tấn, đường kính 1,5 m lượng tối đa 250 MeV Synchrotron: loại có trọng lượng nhẹ cung cấp chùm proton với nhiều mức lượng Tuy nhiên, có nhược điểm cường độ dịng thấp so với cyclotron Proton chuyển động synchrotron với bán kính quỹ đạo khơng đổi thường tăng tốc trước máy Linac (Injector Linac) để đạt mức lượng 3-7 MeV trước bơm vào synchrotron Hạt thực chuyển động nhiều vòng máy với lượng nhận từ hốc cộng hưởng RF với tần số tần số chuyển động hạt Các proton giữ với quỹ đạo không đổi nhờ điều chỉnh đồng thời từ trường tần số cộng hưởng Khi chùm tia đạt đến lượng mong muốn, “trích” để sử dụng Như vậy, synchrotron cung cấp đỉnh SOBP cho điều trị mà không cần đến suy giảm lượng [3] Hình mơ hình hệ thống điều trị synchrotron Hãng Hitachi (Nhật Bản) Hitachi “PimmS” (CErN) Trend Hình Synchrotron số hãng sản xuất Triển vọng phát triển Hình mơ hình hệ thống điều trị máy synchrotron Hãng Hitachi với injector linac trước vào synchrotron, hạt gia tốc với lượng đạt yêu cầu trích thơng qua hệ thống từ trường vận chuyển chùm tia (transport beam system - TBS) tới phịng điều trị [6] Hiện có số hãng chế tạo synchrotron với thông số sau: synchrotron Hãng Hitachi có đường kính m, đạt lượng từ 70-250 MeV; Hãng PIMMS (thuộc Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu - CERN) có đường kính 25 m, lượng tối đa lên tới 400 MeV Hãng Trend có trọng lượng 16 đường kính m, lượng tối đa 330 MeV (hình 3) 50 Số năm 2019 Phương pháp PT công nhận từ năm 40 kỷ XX bệnh nhân điều trị Mỹ vào năm 1953 Năm 1991, sở PT thuộc Bệnh viện Loma Linda (California, Mỹ) vào hoạt động Trong giai đoạn 19912006, số lượng trung tâm PT xuất khơng nhiều, mục đích chủ yếu dùng để thử nghiệm bệnh ung thư gặp như: sọ sarcoma cột sống, u ác tính Các năm 2010-2018, số sở PT gia tăng theo cấp số nhân số bệnh nhân điều trị theo phương pháp tăng nhanh với 120.000 bệnh nhân toàn giới [7, 8] (hình 4) Khoa học đời sống Hình Số bệnh nhân điều trị PT không ngừng gia tăng qua năm [8] PT xu tất yếu quốc gia phát triển Chỉ vòng năm (2010-2018), số trung tâm PT nước phát triển tăng gấp lần, Mỹ Nhật Bản quốc gia có tốc độ tăng nhanh Trong đó, khơng quốc gia phát triển, PT khó tiếp cận chi phí xây dựng trì hệ thống cao: từ 30-100 triệu USD, tương đương từ 600 tỷ đồng trở lên (chưa tính đến chi phí bảo trì hàng năm khoảng 7-9%) [6, 9, 10] Chi phí cịn tùy vào hãng, nhu cầu sở (ví dụ đầu tư thêm phịng điều trị hay thêm mục đích phục vụ cho nghiên cứu khoa học…), thường tốn Do chùm proton dùng cho điều trị bệnh nhân thực phương pháp cố định quay góc 3600… nên thiết bị cồng kềnh Đó chưa kể cấu tạo cyclotron hay synchcrotron dừng lại nhiệm vụ gia tốc hạt theo mức lượng yêu cầu, muốn áp dụng chùm tia điều trị cần bổ sung hệ thống vận chuyển chùm tia, hội tụ Ví dụ, trường hợp sử dụng hệ thống thiết bị Hãng IBA để điều trị, riêng diện tích đặt máy chiếm tới mặt sàn, chưa kể hệ thống phụ trợ cho việc dẫn hội tụ chùm tia giảm tải số bệnh nhân cho đơn vị, vừa gia tăng chất lượng điều trị cho ca phức tạp Sắp tới, quan tâm từ phía Nhà nước, hồn tồn đầu tư trung tâm PT Tuy nhiên, việc lựa chọn hãng loại máy cần chuyên gia tính toán kỹ lưỡng nhiều yếu tố, như: phương pháp áp dụng, loại ung thư số người bệnh, mục đích sử dụng… Về phía đơn vị cung cấp, hãng nỗ lực đẩy mạnh cải thiện kỹ thuật để giảm tối đa chi phí diện tích lắp đặt, vận hành Cụ thể như: thân máy có bán kính nhỏ hơn, thành phần từ trường máy gia tốc vòng thay từ trường siêu dẫn giúp cho kích thước máy nhỏ đáng kể Sự cập nhật xu PT đơn vị quan tâm lúc tổ chức tiền đề cho việc triển khai sớm kỹ thuật Việt Nam Cùng với đó, cải tiến cơng nghệ giúp giảm chi phí diện tích cho thấy tương lai khơng xa khơng dừng lại trung tâm PT Đó khơng hy vọng người bệnh mà mong muốn nhà khoa học cống hiến lĩnh vực ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Faiz M Khan (2014), The physics of radiation therapy, pp.524-529 [2] https://protherapy.ru/specialistam/protonnaa-terapiapobocnye-effekty/vozmoznosti-protonnoj-terapii-kliniceskieaspekty [3] http://www.proton-therapy-today.com/what-is-protontherapy/what-types-of-cancer-can-be-treated-by-protontherapy/ [4] Phạm Đức Khuê (2016), Bài giảng Máy gia tốc, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [5] Jr Stanley Humphries (1999), Principles of charged particle Acceleration, John Wiley and Sons publisher, pp.500502 [6] Wiel Kleeven (2016), IBA Proton Therapy Systems Accelerators, beamlines and gantry technology [7] IAEA (2014), Particle therapy in the 21st century: relevance to developing countries, Vienna, Austria [8] PTCOG (2019), Particle therapy facilities in clinical operation,bhttps://www.ptcog.ch/index.php/facilities-inoperation Hình Số trung tâm PT tăng nhanh số quốc gia [8] Tại Việt Nam, năm 2017, Bệnh viện K Trung ương có đề án thành lập trung tâm proton hạt nặng với mức chi phí 3.000 tỷ đồng Việc áp dụng cơng nghệ tiên tiến PT điều trị ung thư vừa giúp [9] Radhe Mohan & David Grosshans (2016), Proton therapy - Present and Future, doi: 10.1016/j.addr.2016.11.006 [10] Meeri Kim (2018), U.S proton therapy: boom or bust,bhttps://bioengineeringtoday.org/therapy/us-protontherapy-boom-or-bust Số năm 2019 51 ... điều trị mà không cần đến suy giảm lượng [3] Hình mơ hình hệ thống điều trị synchrotron Hãng Hitachi (Nhật Bản) Hitachi “PimmS” (CErN) Trend Hình Synchrotron số hãng sản xu? ??t Triển vọng phát triển. .. trị theo phương pháp tăng nhanh với 120.000 bệnh nhân toàn giới [7, 8] (hình 4) Khoa học đời sống Hình Số bệnh nhân điều trị PT không ngừng gia tăng qua năm [8] PT xu tất yếu quốc gia phát triển. .. chùm hạt tích điện nặng nói chung proton nói riêng cao Một lợi khác PT giúp điều trị khối u kháng tia bị tái phát sau điều trị với chùm photon [2] Như vậy, chùm proton kiểm sốt cách tối ưu hóa,