Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Nghiên cứu thiết bị và tính toán liều kỹ thuật xạ trị áp sát liều cao trị bệnh ung thư

Đề tài “Nghiên cứu thiết bị và tính toán liều kỹ thuật xạ trị áp sát liều cao trị bệnh ung thư” là nhằm đi sâu nghiên cứu về cấu tạo, đặc tính kỹ thuật, nguyên lý hoạt động của thiết bị,

Khái niệm

Xạ trị áp sát là việc sử dụng nguồn phóng xạ kín đặt gần một thể tích mục tiêu (khối u ung thƣ) bằng cách chèn (nhét) trực tiếp chúng vào khối u, hoặc bằng cách nạp (tải) chúng vào các dụng cụ (Bộ áp, kim thông, ống luồng) đã được đưa trước vào các hốc, khoang bên trong cơ thể gần khối u để tiêu diệt hoặc thu nhỏ chúng Xạ trị áp sát có thể đƣợc sử dụng độc lập để xạ trị khối u, chẳng hạn nhƣ trong điều tri ung thư tuyến tiền liệt và ung thư vú giai đoạn sớm Nó cũng thường được sử dụng kết hợp với xạ trị ngoài để cung cấp một liều xạ tăng cường vào khối u, như trong trường hợp điều trị ung thư phụ khoa, ung thư tuyến tiền liệt giai đoạn sau và ung thƣ đầu cổ [1]

Xạ trị áp sát hiện đại là kỹ thuật xạ trị áp sát dùng nguồn phóng xạ có hoạt độ cao (10 - 12Ci) được máy tính điều khiển bằng chương trình đã lập sẵn điều khiển nguồn phóng xạ bằng kỹ thuật nguồn bước vào dụng cụ áp sát đã đặt trước trong bệnh nhân để phân phối liều điều trị tại vị trí theo kế hoạch điều trị đã lập.

Lịch sử phát triển

Lịch sử Xạ trị áp sát nói chung và Xạ trị áp sát hiện đại nói riêng ra đời và phát triển gắn liền với sự phát triển của nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác đăc biệt là với ngành Vật lý phóng xạ:

- Sự khỏm phỏ ra tia X vào thỏng 11 năm 1895 của WilhelmRửntgen và khụng lâu sau đó là sự phát hiện ra hiện tƣợng phát xạ phóng xạ của Henri Becquerel vào năm 1896 Năm 1898 Pierre và Marie Curie chiết xuất thành công Radium từ quặng Pitchblende, xác định đƣợc nguồn gốc của phóng xạ thâm nhập

- Sau đó không lâu, vào năm 1901 Becquerel và Curie ghi nhận sự phản ứng da của Becquerel khi ông vô tình bị phơi nhiễm bởi chất Radium chloride

Với những khám phá trên, không lâu sau nhiều cách thức đã đƣợc thử nghiệm, ứng dụng bức xạ hạt nhân phóng xạ để điều trị bệnh: [2]

Những thí nghiệm đầu tiên ứng dụng bức xạ trong lâm sàng thuộc về Danlos và Bloch (1901) tại Paris, và Abbé (1904) ở NewYork, ngay sau đó nhiều viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm đƣợc thành lập nhƣ: Phòng thí nghiệm sinh học Radium ở Paris năm 1906, và sau đó tại London 1909, Finze bắt đầu điều trị bằng Radium Năm 1909 một quyển sách về liệu pháp Radium, ngày nay đƣợc gọi là xạ trị áp (brachytherapy) do Wickham và Degrais viết đƣợc xuất bản Đầu thế kỷ 20 sau chiến tranh thế giới lần thứ nhất, các nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng bức xạ đã đƣợc thiết lập thành hệ thống trong một số khía cạnh ở Radium Hemme - Stockholm, the Memorial Hospital - New York, và Radium Institute - Paris Với sự thống nhất, Đối với xạ trị áp sát, 226 Ra là hạt nhân phóng xạ duy nhất đƣợc sử dụng lám nguồn cho điều trị và sắp xếp các nguồn phóng xạ trong các mô hình nhất định, với các định nghĩa về độ mạnh, khoảng cách, và thời gian điều trị, phát triển thành một bộ quy tắc để áp dụng trong điều trị bệnh nhân

Hai dấu móc quan trọng để xạ trị áp sát phát triển hơn nữa là:

- Thứ nhất là về việc chế tạo đƣợc hạt nhân phóng xạ nhân tạo vào năm 1934, cho phép sử dụng vật liệu phóng xạ nhân tạo vào xạ trị

- Thứ hai là sự phát triển của thiết bị tải nguồn sau điều khiển từ xa (remote Aferloading), trong những năm 1950 và 1960, đã cải thiện khả năng bảo vệ bức xạ cho nhân viên và linh hoạt cao hơn cho các ứng dụng lâm sàng

Các hạt nhân phóng xạ nhân tạo mới 60 Co, 137 Cs, 182 Ta và 198 Au bắt đầu đƣợc thiết kế để có khả năng thâm nhập, càng sâu càng tốt, tương tự như nguồn 226 Ra

Ulrich Henschke là người đầu tiên khám phá về mặt lâm sàng việc sử dụng nguồn

192Ir Nguồn phóng xạ này hiện là nguồn phóng xạ đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực xạ trị áp sát

Vào khoản năm 1963 kiểu điều trị áp sát tải nguồn sau dùng nguồn dây 192 Ir liều thấp (LDR) với các thiết bị, dụng cụ hỗ trợ thông qua khe bằng phẫu thuật cấy, ghép gần nhƣ loại bỏ hoàn toàn sự phơi nhiễm phóng xạ của nhân viên [2]

Các hệ thống tải nguồn sau từ xa đƣợc phát triển ban đầu đơn giản là để giảm thiểu sự phơi nhiễm bức xạ từ các nguồn phóng xạ Sử dụng cáp đính kèm với nguồn để điều khiển, những máy này đẩy vào và kéo nguồn ra theo cơ chế cơ khí vào và ra khỏi các dụng cụ được nhét trước trong bệnh nhân Sau đó chức năng của nó thay đổi theo hướng chuổi nguồn lập trình và cuối cùng là kỹ thuật nguồn bước thu nhỏ Việc áp dụng các máy xạ trị áp suất liều cao (HDR) và suất liền xung (PDR) theo các kiểu gần đây hầu hết đƣợc sử dụng ở châu âu, đã thay thế gần nhƣ hoàn toàn các máy liều thấp ngoại trừ còn lại để điều trị áp sát nguồn thấp cấy ghép nguồn lâu dài để điều trị ung thƣ tuyến tiền liệt Việc áp dụng các nguồn 192 Ir nhỏ với đường kính ngoài điển hình là 1 mm đã thay thế các ống và viên nén 137 C Sự tối ƣu là việc điều biến việc phân bố liều bằng cách thay đổi thời gian trú ngụ của nguồn tại vị trí điều trị đã trở thành đặc điểm tiêu chuẩn trong hệ thống xạ trị áp sát giúp cho người sử dụng ứng dụng điều trị linh hoạt hơn trong lâm sang [1]

Trong những năm 1970, lần đầu tiên hệ thống Xạ trị áp sát hiện đại với kỹ thuật bước nguồn đơn được giới thiệu, nó sử dụng một nguồn 192 Ir nhỏ, cường độ cao đƣợc hàn vào đầu của một sợi cáp mềm Hoạt độ cao của 192 Ir cho phép chế tạo các nguồn có đường kính ngoài từ 1,1 mm trở xuống, sao cho xạ trị áp sát hiện đại có thể áp dụng kỹ thuật điều trị qua khe, hóc tự nhiên của cơ thể Khả năng điều chỉnh thời gian và vị trí dùng nguồn riêng lẻ giúp cải thiện việc phân phối liều thông qua các kỹ thuật tối ƣu hóa

Phân loại kỹ thuật điều trị

Kỹ thuật Xạ trị áp sát có thể đƣợc phân loại theo các tiêu chí khác nhau: theo thời gian cấy ghép nguồn, cách đƣa nguồn phóng xạ áp sát mục tiêu, kỹ thuật nạp c nguồn phóng xạ tiếp cận khối u hoặc phân loại theo suất liều bức xạ phân phối cho mục tiêu Việc phân loại không chỉ có ý nghĩa về mặt y tế mà còn có ý nghĩa trong việc lựa chọn nguồn phóng xạ cho một phương thức điều trị xạ áp sát nhất định:

- Phương thức cấy ghép nguồn tạm thời hoặc vĩnh viễn:

+ Phương thức cấy ghép nguồn vĩnh viễn: Kỹ thuật xạ trị áp sát cấy ghép nguồn vĩnh viễn là kỹ thuật đƣa nguồn vào trong bệnh nhân, tiếp cận khối u và giữ nó ở lại đó [1] vĩnh viễn (đến khi phân rã hết) Kỹ thuật này thường được dùng để điều trị ung thư tuyến tiền liệt, đầu và cổ, phổi và Sarcomas và nguồn thường được sử dụng là các hạt 125 I và 103 Pd đôi khi hạt 198 Au cũng đƣợc dùng Nguồn sử dụng cho cấy ghép vĩnh viễn có năng lƣợng thấp, thời gian bán hủy (half lives) ngắn, hoặc có cả hai yếu tố đó, để để hạn chế sự phơi nhiễm phóng xạ cho những người thường xuyên tiếp xúc gần gũi với bệnh nhân

+ Phương thức cấy ghép nguồn tạm thời: Kỹ thuật xạ trị áp sát cấy ghép nguồn tạm thời là kỹ thuật đƣa nguồn vào trong bệnh nhân, tiếp cận khối u trong một khoảng thời gian được định trước và sau đó được lấy ra khỏi bệnh nhân Thời gian điều trị cấy ghép tạm thời diễn ra trong một vài phút đối với kỹ thuật Xạ trị áp sát hiện đại và một vài ngày đối với xạ trị áp sát suất liều thấp Trong kỹ thuật này

Bệnh nhân cần phải nhập viện trong thời gian điều trị và cần phải lưu ý tới vấn đề phơi nhiễm phóng xạ của nhân viên y tế vì nguồn có hoạt độ cao

- Loại kỹ thuật đƣa nguồn vào cơ thể bệnh nhân qua hóc, khe, khoan tự nhiên của cơ thể:

Tùy thuộc vào phương pháp chèn/nhét nguồn vào cơ thể bệnh nhân ta có các loại xạ trị áp sát theo cah1 sau theo cách sau:

Hình 1.1 Một số phương thức đưa nguồn tiếp cận vị trí điều trị [3]

Theo hình 1.1, (a) Đƣa nguồn áp sát vị trí điều trị thông qua khe, hốc tự nhiên của cơ thể, (b) Đƣa nguồn áp sát vị trí điều trị bằng cách đăm dụng cụ xuyên qua mô để tiếp cận vị trí điều trị, (c) Tiếp cận vị trí điều trị thông qua các ống mạch tự nhiên (nội mạch), (d) đạt dụng cụ áp sát bề mặt điêì trị

+ Loại nạp nguồn bằng kỹ thuật xuyên mô (Interstitial) [1]

Trong phương pháp xuyên mô các nguồn xạ trị áp sát được đưa xuyên vào/qua mô, thông qua các kim hoặc ống thông rỗng có đường kính nhỏ, để giảm thiểu sự tổn thương của cac mô bình thường Tương ứng, các nguồn Brachytherapy được sử dụng cho kỹ thuật này cần phải có kích thước nhỏ để vừa với lòng của kim và ống thông Phương pháp điều trị này được sử dụng để điều trị tung thư tuyến tiền liệt, ung thƣ vú và Sarcomas

+ Loại nạp nguồn thông qua hốc, khe tự nhiên (Intracavitary) của cơ thể Trong phương pháp xạ trị áp sát thông qua hốc, khe tự nhiên của cơ thể nguồn đƣợc nạp (tải) vào các dụng cụ, đƣợc thiết kế để phù hợp với hốc, khoan và các dụng cụ này đƣợc đặt gần các khối u cần tiêu diệt Ví dụ bộ áp song song và hình buồng trứng (tandem and ovoid applicators) để điều trị ung thƣ cổ tử cung, bộ áp hình trụ (cylinder applicator) để điều trị ung thƣ âm đạo và bộ áp mũi họng (nasopharyngeal applicator) để điều trị ung thƣ vòm họng Khi điều trị, các bộ áp đƣợc đặt trong bệnh nhân, và đƣợc lấy ra khỏi bệnh nhân sau khi hoàn tất điều tri, vì vậy phương pháp điều trị này thường là phương pháp điều trị tạm thời

- Loại nạp nguồn nóng (Hot loading), nạp nguồn sau bằng cách thủ công (Manual loading) và nạp nguồn sau bằng diều khiển điều khiển từ xa (Remote afterloading): Tùy thuộc vào thời gian phẫu thuật để đặt bộ áp hay dụng cụ vào vị trí cần điều trị có thể chia kỹ thuật xạ trị áp sát là kiểu nạp nguồn nóng, kiểu này nguồn đƣợc đƣa vào vị trí điều trị tại phòng phòng mổ ngay sau khi các dụng cụ đƣợc lắp vào; Kiểu nạp nguồn sau thủ công là dụng cụ đƣợc đƣa vào bệnh nhân tại phòng mổ và nguồn đƣợc nạp vào sau khi bệnh nhân đã đƣợc hồi sức và đƣa về phòng bệnh.;

Kiểu nạp nguồn sau từ xa, kiểu này sử dùng một thiết bị đƣợc điều khiển bằng máy tính để nạp nguồn tự động, do đó loại bỏ hoàn toàn việc xử lý các nguồn phóng xạ bằng cách thủ công Ngày nay kiểu nạp nguồn nóng ít đƣợc sử dụng do vấn đề bảo đảm an toàn, tránh bị phơi nhiễm phóng xạ Việc sử dụng kỹ thuật tải nguồn sau bằng thủ công hoặc bằng điều khiển bằng máy tính giúp giảm thiểu sự phơi nhiễm phóng xạ cho nhân viên y tế, giúp người lập kế hoạch điều trị tối ưu được độ mạnh và sự phân phối liều dựa trên việc xem xét lại vị trí đặt dụng cụ liên quan đến mục tiêu điều trị

- Phân loại theo suất liều: ( ̇) Phương thức xạ trị áp sát còn được phân loại theo suất liều sử dụng:

+Loại suất liều thấp (LDR-Low dose rate) ̇

+Loại suất liều trng bình (MDR – Mideum dose rate) 120cGy/h< ̇ 1200cGy/h [4]

Đặc tính nguồn phóng xạ

Kỹ thuật xạ trị áp sát là sử dụng năng lƣợng photon phát ra từ nguồn phóng xạ đƣợc bọc kín (đóng gói) Các nguồn phóng xạ sử dụng trong xạ trị áp sát phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu sau:

(1) Nguồn phải không phát ra các hạt tích điện hoặc các hạt bức xạ mềm hoặc nếu có thì chúng phải dễ bị hấp thụ bởi các lớp vật liệu mỏng nhƣ titanium

(2) Nguồn không tạo ra khí độc hại nào trong quá trình phân rã hạt nhân phóng xạ

(3) Nguồn phải đƣợc chế tạo từ những vật liệu phóng xạ sao cho nó có kích thước nhỏ và hoạt độ thích hợp

(4) Các tính chất vật lý khác nhƣ năng lƣợng phát ra và chu kỳ bán hủy phải phù hợp với mục đích của ứng dụng của nó [2]

(5) Nguồn phóng xạ ứng dụng trong xạ trị áp sát phải đƣợc chế tạo từ các vật liệu phóng xạ không hòa tan và độc hại cao để giảm thiểu nguy cơ rò rỉ phóng xạ trong bệnh nhân hoặc nhân viên y tế khi làm việc với nó

(6) Nguồn phóng xạ ứng dụng trong xạ trị áp sát phải đƣợc chế tạo từ các vật liệu phóng xạ bảo đảm tính toàn vẹn vật lý của nó khi nguồn bị hƣ hỏng, ví dụ, nó không trở thành bột mịn hoặc bụi và không thăng hoa hoặc bốc hơi

(7) Nguồn phóng xạ ứng dụng trong xạ trị áp sát phải đƣợc chế tạo theo kiểu đóng gói nguồn với kích cỡ và hình dạng khác nhau

(8)) Nguồn phóng xạ ứng dụng trong xạ trị áp sát phải đƣợc chế tạo sao cho không dễ bị hư hỏng với ít nhất một trong những phương pháp khử trùng phổ biến đƣợc sử dụng trong các phòng phẫu thuật

Ngày nay, nhiều hạt nhân phóng xạ với các đặc điểm trên đã đƣợc sản xuất để áp dụng trong lâm sàng

Hầu hết các thiết bị xạ trị áp sát hiện đại ngày nay sử dụng nguồn phóng xạ

192Ir hoạt độ cao, phát năng lượng photon, nó cũng có đặc tính phóng xạ tương tự nhƣ các nguồn đồng vị phóng xạ phát năng lƣợng photon sử dụng trong xạ trị áp sát trước đây như 60 Co, 137 Cs, 125 I, 103 Pd chỉ có những khác biệt về hoạt độ, hình dạng và kích thước nguồn

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của một số hạt nhân phóng xạ dùng trong xạ trị áp sát [2]

Nguồn phóng xạ 192 Ir dùng trong kỹ thuật xạ trị áp sát hiện đại luôn đƣợc bọc kín bằng hợp kim nhằm tạo độ cứng, tránh sự rò rỉ vật liệu phóng xạ, đồng thời hấp thụ các bức xạ anpha và beta không mong muốn phát sinh trong quá trình phân rã

Trong nhiều tính chất vật lý và hóa học của hạt nhân phóng xạ đƣợc sử dụng trong xạ trị áp sát, chúng ta cần chú ý về các đặc tính vật lý sau:

Nguồn phóng xạ Đặc tính

Chu kỳ bán hủy (Half-Life)

Năng lƣợng tia X trung bình

Năng lƣợng tia β – trung bình (Mean β – ray Energy (keV)) 312.2 180.7 188.4 96.5 Năng lƣợng IC Electron tring bình

(Mean IC Electron Energy (keV)) 353.0 266.9 630.3 1233.0 Năng lƣợng Auger Electron trung bình (Mean Auger Electron Energy (eV)) 804 844 538 1150 Hằng số suất Kerma không khí

(Air Kerma-Rate Constant,Γ δ = 10 keV (×10 –18 Gy m2 (Bq s) –1 ))

Hoạt độ danh định (Nominal Specifc Activity,

* Lưu ý : hằng số suất kerma không khí được tính đối với δ > 10 keV

- Sơ đồ phân rã Nó mô tả các loại bức xạ phát ra từ sự phân hủy của hạt nhân phóng xạ (α, β, Auger và IC…)

- Chu kỳ bán hủy T 1/2 Là khoản thời gian để hoạt độ nguồn giảm một nữa đặc điểm này giúp đánh giá để sử dụng nguồn cho cấy ghép tạm thời hay vĩnh cữu

- Hoạt độ xác định, A spe Là tổng hoạt độ của mỗi đơn vị khối lƣợng của hạt nhân phóng xạ đặc điểm này giúp xác định kich thước nguồn và suất liều tối đa

- Trọng số năng lƣợng trung bình, E ave Nó xác định tổng năng lƣợng của mỗi phân hủy và độ sâu thâm nhập vào mô

- Hằng số suất Kerma không khí, Γ δ Là suất kerma không khí ở khoảng cách 1 cm từ một nguồn điểm không đóng gói, trong môi trường không khí Nó cung cấp một cách đo trường bức xạ quanh một nguồn điểm của hạt nhân phóng xạ

2.1.2 Đặc tính nguồn Iradium 192 ( 192 Ir)

- Đặc tính vật lý Nguồn 192 Ir có chu ký bán hủy là 73,83 ngày Nó phân rã qua phát xạ β – (95,1%, sáu tia β – với năng lƣợng tối đa là 675,1 keV và năng lƣợng trung bình trong khoảng 180,7 keV) đến mức 192 Pt đƣợc kích thích và bằng EC (4,9%) độ kích thích của 192 Os phát ra 192 Ir ở giá trị trung bình, 29 tia γ [(năng lƣợng trung bình = 372,2 keV, năng suất = 2,2 / (Bq s)]; 122 tia X [3,6 keV, 2,7 /(Bq s)]; 174 electron IC [266,9 keV, 0,16 / (Bq s)]; và 29 điện tử Auger [844 eV, 2.3 / (Bq s)] Phổ năng lƣợng trung bình có trọng số electron và photon lần lƣợt là 64,5 và 168,3 keV Loại bỏ các electron và photon có năng lượng dưới 5 keV, phổ năng lượng trung bình có trọng số trở thành 176,2 và 346,1 keV Độ dày một nữa (HVL) của hạt nhân phóng xạ này là 2,5 mm chì

Nguồn 192 Ir kiểu dây và dãi băng đặc biệt thích hợp cho kỹ thuật xạ trị áp sát nạp nguồn sau Trong xạ trị áp sát các nguồn này đƣợc sử dụng trong kỹ thuật cấy ghép tạm thời vì có năng lượng photon trung bình cao Dưới dạng nguồn suất liều cao, kích thước thu nhỏ tối thiểu đã biến nó thành nguồn được sử dụng phổ biến trong các hệ thống xạ trị áp sát suất liều cao hiện đại, cho đến nay nguồn 192I r là đồng vị phóng xạ duy nhất đƣợc sử dụng trong xạ trị áp sát nội mạch (IVB).

Lịch sử phát triển

Kỹ thuật xạ trị áp sát liều cao nạp nguồn sau điều khiển từ xa (HDR RALs

Brachytherapy - High dose rate Remote Afterloading Brachytherapy) đƣợc phát triển vào những năm 1970 Sau khi đƣợc đƣa vào ứng dụng trong lâm sàng, kỹ thuật này nhanh chóng trở nên phổ biến ở các nước phát triển và đã trở thành một phương thức điều trị ung thƣ rất đƣợc ƣa chuộng, ngày nay kỹ thuật này cũng đã trở nên phổ biến ở các nước đang phát triển, nó gần như bảo đảm an toàn tuyệt đối cho bác sĩ và nhân viên y tế trong việc tiếp xúc bức xạ không mong muốn

Hiện tại, có hơn 1000 hệ thống HDR RALs tồn tại trên toàn thế giới, bao gồm gần 400 hệ thống ở các quốc gia có thu nhập trung bình và thấp [1]

Hình 3.1 Các đơn vị nạp nguồn sau suất liều cao điều khiển từ xa đời đầu [6] Ở Việt Nam từ năm 2000 bệnh viện Ung Bướu thành phố Hồ Chí Minh đã đƣa vào sử dụng hệ thống xạ trị áp sát suất liều cao HDR Microselectron của hãng Nucletron đã điều trị hiệu quả cho hàng ngàn bệnh nhân ung thƣ cổ tử cung Từ năm 2010 Bệnh viện tiếp tục đƣa vào sử dụng 02 hệ thống mới một là máy GammaMed Plus do hãng Varian sản xuất và một là máy MicroSelectron V3 do hãng Nucletron sản xuất để thay thế cho hệ thống cũ và tăng công suất điều trị cho bệnh nhân

Giá trung bình để mua 01 hệ thống HDR RALs vào khoản 9,3 tỉ đồng (Năm 2010) chƣa tính các chi phí xây dựng cơ sở vật chất theo tiêu chuẩn an toàn xạ và trung bình mỗi năm một sử dụng 04 nguồn phóng xạ 192 Ir với giá hiện nay là khoản 1 tỉ đồng

Tính từ năm 2015 đến nay với 02 hệ thống thiết bị mới trên hàng năm Bệnh viện Ung Bướu thành phố Hồ Chí Minh điều trị khoản 4.900 ca ung thư bao gồm cổ tử cung, âm đạo, vòm hầu, lƣỡi, sàn miệng, thực quản.

Thành phần cơ bản của một Hệ thống

Một hệ thống xạ trị áp sát xuất liều cao nạp nguồn sau diều khiển từ xa có các thành phần cơ bản sau:

- Đơn vị nạp nguồn điều trị (Treatment unit – TU)

- Trạm điều khiển điều trị (TCS - Treatmen control station) - Bảng điều khiển điều trị (TCP -Treatment control panel) - Nguồn phóng xạ suất liều cao (High dose rate radioactive source) - Ống dẫn nguồn và dụng cụ áp sát mục tiêu điều trị

(Transfer tubes, Applicators, Needles, Catheters) - Hệ thống lập kế hoạch điều trị (Treatment planing system) - Các phần mềm chuyên dụng đƣợc tích hợp trong hệ thống

- Ngoài ra hệ thống còn có các thiết bị đi kèm để thực hiện chức năng đảm bảo an toàn [1]

3.2.1 Đơn vị nạp nguồn điều trị (Treatment unit – TU) 3.2.1.1 Mô tả Đơn vị nạp nguồn điều trị

Hệ thống nạp nguồn sau liều cao (HDR RAL) điều trị ung thư thường sử dụng nguồn 192 Ir (370 GBq) phân phối một suất liều lên đến 700/phút tại vị trí cách nguồn 1cm Để bảo đảm an toàn về mặt phóng xạ trong, hệ thống có một két an toàn đƣợc làm bằng Tungsten hoặc Uranium nghèo với độ dầy thích hợp để lưu chứa nguồn khi chƣa đƣợc sử dụng Khi không thực hiện điều trị, nguồn đƣợc đặt àn toàn trong bộ phận này, sự che chắn của nó làm giảm suất Kerma trong không khí của nguồn trên bề mặt của bộ nạp nguồn điều trị từ 1–6 μGy/h Khi ở chế độ điều trị, nguồn được điều khiển ra khỏi két an toàn tới vị trí dừng nguồn theo chương trình đã lập

Trong trường hợp bị gián đoạn hoặc chấm dứt điều trị, nguồn được điều khiển rút trở lại vị trí an toàn Đơn vị nạp nguồn điều trị điều khiển từ xa nhỏ gọn, có các bánh xe để di chuyển và gồm có: cơ cấu lái, vận chuyển cáp kiểm với nguồn giả và cáp với nguồn phóng xạ bằng motor bước, Đơn vị này di chuyển nguồn phóng xạ đi từ vị trí được che chắn an toàn tới các vị trí điều trị thông qua ống dẫn nguồn và các dụng cụ điều trị theo dữ liệu điều trị đã lập trình [1]

Các đơn vị HDR RAL hiện đại sử dụng công nghệ nguồn bước, thông qua việc điều khiển cáp nguồn theo các bước vào dụng cụ áp sát đến phân phối liều tại vị trí điều trị Đơn vị nạp nguồn điều trị có thể thực hiện điều trị cấy ghép cùng lúc nhiều kim hoặc ống thông Mỗi ống thông hoặc kim đƣợc nối với HDR RAL qua một kênh Máy tính điều khiển Đơn vị nạp nguồn lái cáp đƣa nguồn đi từ vị trí an toàn thông qua một kênh nhất định đến dừng tại vị trí điều trị với lƣợng thời gian cụ thể Trong mỗi kênh điều trị, có thể có nhiều vị trí dừng Sau khi phân phối liều điều trị tại tất cả các vị trí trong ống thông (kênh) đã cho, nguồn đƣợc rút về vị trí an toàn và sau đó đƣợc chuyển sang kênh tiếp theo Các vị trí nguồn dừng và thời gian dừng tại mỗi vị trí trong kênh điều trị có thể lập trình độc lập, giúp cho việc chỉ định liều phân phối tại mỗi điểm điều trị thật linh hoạt [2]

Hình 3.2 Hai Đơn vị nạp nguồn hiện đại [8]

(a) Đơn vị nạp nguồn do hãng MicroSelectron HDR – Nucletron – Hà Lan sản xuất

(b) Đơn vị nạp nguồn do hãng GammaMed Plus – Varian – Mỹ sản xuất [8]

3.2.1.2 Cơ cấu và Nguyên lý hoạt động

Một Đơn vị nạp nguồn sau từ xa là một thiết bị có bánh xe di chuyển đƣợc, nhỏ gọn có những bộ phận cơ bản sau:

- Một bộ phận che chắn an toàn phóng xạ (chứa nguồn) để giữ nguồn khi không điều trị

- Một hệ thống mô tơ bước để vận hành cáp kiểm và cáp nguồn phóng xạ

- Một hệ thống các bộ mã hóa và cảm biến vị trí và trạng thái vận chuyển nguồn

- Một bộ chỉ mục (Indexer) để phân kênh điều trị và cũng là bộ phận để kết nối dụng cụ vào Đơn vị nạp nguồn điều trị

- Cá ống truyền để nối đơn vị nạp nguồn với dụng cụ điều trị - Dụng cụ điều trị để đặt trước vào bệnh nhân

- Bộ Accu dự phòng để vận chuyển nguồn trong trường hợp sự cố mất nguồn diện

- Hệ thống Motor có mô men xoắn cao để rút nguồn về vị trí an toàn trong những tình huống khẩn cấp

Hình 3.3 Cơ cấu vận hành cáp kiểm tra, cáp nguồn [8]

Theo hình 3.3 Khi không thực hiện điều trị nguồn nằm ở trung tâm của bộ phận che cắn an toàn (safe) Từ đó, khi nhận lệnh thi hành điều trị từ Bảng điều khiển điều trị nguồn đƣợc vận chuyển qua vòng chỉ mục (Indexer) thông qua các ống dẫn nguồn (không thể hiện) để đi vào dụng cụ, đến vị trí điều tri

- Bộ chỉ mục (Indexer) có chức năng hướng cáp nguồn khi ra khỏi két an toàn đi đến một trong các ngõ ra (kênh) trên Đơn vị nạp nguồn Bộ phận này ho phép kết nối cùng lúc nhiều ống dẫn nguồn vào Đơn vị nạp nguồn (N = 2, 3, 18, 20, 24, lên đến 40 kênh) Phụ thuộc vào chương trình và kế hoạch điều trị đã lập Đơn vị nạp nguồn tuần di vận chuyển nguồn đến từng kênh để phân phối liều điều trị

- Khi phiên điều trị đƣợc bắt đầu, dữ liệu điều trị đƣợc tải vào Đơn vị nạp nguồn điều trị từ Trạm điều khiển điều trị (TCS), Động cơ bước điều khiển cáp kiểm (Check cable stepper motor; cáp kiểm có gắn nguồn giả giống nhƣ nguồn thật nhƣng không có phóng xạ) sẽ quay cuộn cáp kiểm (Check cable drum) đẩy cáp kiểm đi ra khỏi vị trí qua Indexer vào kênh điều trị đã lập trình, đi theo lòng ống dẫn đến hết chiều dài quản đường đã lập trình và thêm một vài milimét để kiểm tra sự thông suốt cho đường đi của nguồn Cáp kiểm cũng kiểm tra để xác nhận việc kết nối chính xác giữa ống dẫn nguồn và bộ chỉ mục trên máy, giữa bộ áp hay ống luồng và ống dẫn nguồn Sau khi cáp kiểm hoàn tất việc chạy kiểm trở về vị trí ban đầu một cách ổn định và thông suốt, động cơ bước lái cáp nguồn (Soure stepper motor) quay cuộn cáp nguồn (Soure cable drum) đẩy nguồn đi từ vị trí che chắn an toàn tới kênh đã lập trình, đi theo lòng ống dẫn tới và dừng tại vị trí điều trị trong bộ áp để phân phối liều điều trị Nguồn dừng đúng vị trí và khoản thời gian đã lập trình để phân phối liều (thời gian dừng) Sau khi hoàn tất việc phân phối liều tại một vị trí, nó sẽ tiếp tục di chuyển tới vị trí tiếp theo nhƣ đã đƣợc lập trình, tuần tự nhƣ vậy cho đến khi hoàn thành chương trình điều trị ở kênh đầu tiên nguồn được rút về vị trí an toàn và được chuyển hướng để đi vào kênh điều trị kế tiếp sau khi cáp kiểm kiểm tra đường đi thông suốt Quá trình đƣợc tuần tự lập lại cho tất cả các kênh điều trị của của phiên điều trị theo kế hoạch điều trị

- Tùy theo hãng sản xuất, có loại Đơn vị nạp nguồn có bước dừng nguồn đầu tiên là tại vị trí gần với Đơn vị nạp nguồn nhất (microSelectron và Isodose Control), trong khi có thiết bị khác (VariSource và GammaMed), có bước dừng nguồn đầu tiên tại điểm xa nhất (về phía đầu của bộ áp), và xa hơn một chút Việc nguồn bước xa hơn phạm vi điều khiển một tí làm giảm bớt hiệu ứng chùng cáp nguồn trong cơ chế truyền động mà hiệu ứng này làm ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí dừng nguồn Các thiết bị cho phép các nguồn bước ra xa và sau đó lùi dần về đến dừng tại các vị trí điều trị gân hơn và sau đó quay trở vào trong máy là đã tính và làm đúng luôn cho việc bị chùng cáp nguồn trong việc hiệu chuẩn vị trí của nguồn

- Các bộ mã hóa quang học (Optical Encoder), các cặp cảm biến quang (Optopair) học để giám sát vị trí và trạng thái của cáp nguồn giả, cáp nguồn thật, kênh hoạt động và trạng thái khóa ống dẫn nguồn vào kênh điều trị trên Indexer Các bộ mã hóa quang học (Optical Encoder), có khả năng phát hiện sự tắc nghẽn trong ống thông hoặc sự công, co của ống dẫn làm tăng sự ma sát trong quá trình nguồn di chuyển

Một ƣu điểm khác của Đơn vị nạp nguồn sau đƣợc điều khiển từ xa là khả năng thay đổi thời gian nguồn dừng tại vị trí điều trị (tức là thời gian nguồn vẫn còn ở một vị trí) do được áp dụng kỹ thuật nguồn bước, cho phép phân phối liều chính xác, phù hợp với thể tích mục tiêu [2]

3.2.2 Trạm điều khiển điều trị (TCS)

Trạm điều khiển điều trị (TCS - Treatment control station) cho phép người dùng lựa chọn vị trí dừng và thời gian dừng nguồn trong mỗi kênh Có ba cách để nhập các thông tin này vào trạm điều khiển điều trị:

Khi để công tắc chìa khóa trên Bảng điều khiển điều trị ở vị trí Stanby, tại Trạm điều khiển (TCS) người sử dụng có thể nhập hoặc biên tập dữ liệu bệnh nhân và dữ liệu điều trị Dữ liệu này có thể đƣợc nhập thủ công, nhận từ thƣ viện kế hoạch điều trị, nhận trực tiếp từ một hệ thống lập kế hoạch điều trị hay đƣợc tải lên từ cơ sở dữ liệu đã có

Trạm điều khiển điều trị bao gồm: máy tính điều khiển, màn hình, chuột, bàn phím và phần mềm điều khiển

Ta có thể theo dõi quá trình điều trị trên màn hình của TCS, thông tin này đƣợc gửi đến từ bảng điều khiển điều trị TCP

3.2.3 Bảng điều khiển điều trị (TCP)

Bảng điều khiển điều trị (TCP – Treatment control panel) nằm bên ngoài phòng điều trị để điều khiển Đơn vị nạp nguồn điều trị, màn hình hiển thị vị trí nguồn trong quá trình điều trị và máy in để in một báo cáo điều trị Bảng điều khiển điều trị nhận dữ liệu điều trị từ Trạm điều khiển điều trị [2]

Bảng điều khiển điều trị nhận dữ liệu từ trạm kiểm soát điều trị Bảng điều khiển điều trị có các nút sau:

- Nút khởi động điều trị: Chương trình điều trị được thi hành khi nút này đƣợc kích

- Nút gián đoạn: khi nút này khi đƣợc kích, nguồn đƣợc rút về vị trí an toàn và bộ đếm thời gian điều trị ngừng đếm, cho phép người sử dụng vào phòng điều trị mà không bị phơi nhiễm bức xạ Để khôi phục lại chương trình điều trị tại thởi điểm gián đoạn kích lại nút khôi phục hay nút bắt đầu (Start) hệ thống sẽ khôi phục lại chương trình điều trị tại thời điểm và vị trí dừng nguồn

- Nút tắt khẩn cấp khởi chạy động cơ DC khẩn cấp có mô-men xoắn cao rút nguồn về vị trí an toàn

- Công tắc chìa khóa Reset - Công tắc chìa khóa (Operation/Standby) để đặt Đơn vị điều trị vào trạng thái sẳng sàn điều trị hoặc trạng thái Standby

- Công tắc chìa khóa Overide đề bảo vệ tránh sự vận hành Đơn vị điều trị ngoài ý muốn

Trong môt qui trình bình thường khi chương trình điều trị kết thúc, bộ định giờ đếm đến không và máy tự động rút nguồn về vị trí an toàn

3.2.4 Nguồn phóng xạ dùng trong xạ trị áp sát suất liều cao

Đặc điểm một số bộ phận của hệ thống

Các Đơn vị tải nguồn sau có số kênh thích hợp để đáp ứng cho các kỹ thuật điều trị trong các trường hợp thể tích điều trị lớn Ngoại trừ bộ tải nguồn sau dùng cho điều trị phụ khoa chỉ cần 3 kênh, số kênh của Bộ tải nguồn sau thay đổi từ 20 kênh trong các máy Varisource iX lên đến 40 trong các máy Flexitron Nói chung, chỉ với những cơ sở điều trị có kinh nghiệm thực hiện cấy ghép rất lớn coi đây là yếu tố quan trọng trong việc mua một hệ thống điều trị xạ áp sát

3.3.2 Khả năng chứa nguồn đơn hoặc nguồn đôi

Ví dụ hệ thống Flexitron của hãng Nucletron B.V đƣợc thiết kế với hai cơ cấu điều khiển nguồn Mục đích là tạo ra một thiết bị linh hoạt hơn Về nguyên tắc, hai nguồn giống nhau, có hoạt độ nguồn khác nhau, hoặc thậm chí là hai nguồn khác nhau về hạt nhân phóng xạ có thể đƣợc sử dụng cùng một lúc: hệ thống có thể theo dõi các vị trí và thời gian dừng của mỗi nguồn riêng biệt Thời gian điều trị có thể trở nên ngắn hơn và nguồn bị phân rã có thể đƣợc sử dụng lâu hơn Tuy nhiên việc sử dụng lâm sàng với hai nguồn chƣa đƣợc đƣợc chấp nhận [2]

3.3.3 Kích thước của nguồn và đường kính của dụng cụ

Trong nhiều năm qua Các hãng sản xuất đã giảm kích thước nguồn đáng kể nhằm để có thể sử dụng các ống luồn và các ống mềm có đường kính nhỏ, trong khi vẫn duy trì đƣợc hoạt độ nguồn cao 370 GBq (10 Ci) cho nguồn 192 Ir Máy Varisource iX có đường kính nguồn chỉ 0,59 mm; các máy khác sử dụng nguồn 192Ir có kích thước đường kính ngoài 0,85 hoặc 0,9 mm Nguồn 60 Co cho máy BEBIG có đường kính 1.0 mm Đường kính ngoài nhỏ nhất được ghi nhận cho kim và 4F cho các ống có thể linh hoạt là 1,27 mm đối với máy Varian, lên tới 1,3 và 1,5 mm đối với các máy của các hãng khác Việc sử dụng các kim có đường kính nhỏ hơn sẽ giảm đáng kể sự tổn thương cho bệnh nhân

Hình 3.7 Kiểu nguồn của máy Nucletron HDR 192 Ir và GammmaMed HDR [2]

3.3.4 Độ cong tối thiểu trong dụng cụ ống mềm

Các nguồn nhỏ hơn trong các thiết kế mới đƣợc hàn vào các sợi cáp mềm hơn so với các thiết kế cổ điển Điều này đƣợc xác định ở độ cong tối thiểu của một bộ áp mà khi sử dụng không có quá nhiều sự ma sát giữa cáp nguồn và ống Các kích thước bán kính cong tiêu biểu là 15 và 17 mm cho vòng 180 ° trong một ống mềm, bán kính cong 13 mm cho nguồn GammaMedplus [2]

3.3.5 Tốc độ di chuyển nguồn

Cơ chế điều khiển nguồn xác định tốc độ mà nguồn di chuyển, ví dụ, từ vị trí nguồn an toàn đến vị trí dừng thứ nhất Sự chuyển động chậm với một nguồn hoạt động cao dẫn đến cái gọi là liều chuyển nguồn tới mô lành bên ngoài vị trí cấm kim

Tùy thuộc vào nhiều yếu tố, liều chuyển nguồn này có thể trở nên đáng kể Tốc độ di chuyển của nguồn là tử 300 đến 630 mm / s tùy vào nhản hiệu sản phẩm khác nhau

3.3.6 Cách thức nguồn di chuyển

Các máy xạ trị áp sát suất liều cao nạp nguồn sau điều khiển từ xa (HDR RALs) ngày nay thường lựa chọn cho vị trí dừng nguồn theo milimét (bước nguồn là 2,5 mm trong hệ thống MicroSelectron) Cáp và nguồn giả được sử dụng trước khi nguồn thực đƣợc đƣa vào kênh điều trị để đảm bảo rằng không có vật cản trong đường đi của nguồn hoặc sự lỗi kết nối giữa Đơn vị nạp nguồn và dụng cụ Trong các hệ thống Nucletron, nguồn thực di chuyển kiều bước về phía trước theo quản đường được lập trình; các loại máy khác đẩy nguồn thực đến vị trí xa nhất và sau đó rút nguồn lại

Vật liệu dùng che chắn an toàn để lưu chứa các nguồn hoạt động cao thường đƣợc làm từ vonfram với độ dày thích hợp để bảo đảm an toàn cho nhân viên Mức phơi nhiễm phóng xạ điển hình đƣợc ghi nhận nhỏ hơn 6 μGy/h ở khoản cách 0,1 m hoặc gần 1 μGy/h ở khoản cách 1 m Sự xâm nhập của bức xạ của nguồn 60 Co đƣợc cho là cao hơn ở mức gần 10 μGy/h ở khoản cách 1 m Theo tiêu chuẩn IEC60601- 2-17 bức xạ rò rỉ của thùng chứa nói chung phải làm sao cho suất liều tương đương tại bất kỳ vị trí nào cách bề mặt thùng chứa 1 m không đƣợc vƣợt quá 1 μSv/h

Trong trường hợp thùng lưu chứa nguồn được sử dụng trong phòng điều trị, suất liều tương đương tại mọi vị trí cách mặt thùng chứa 1m không được vượt quá 10 μSv/h

Quan điểm chung về an toàn là một máy có chứa nguồn phóng xạ luôn luôn đƣợc lưu trữ trong hầm có che chắn phóng xạ khi không sử dụng trong lâm sang [2]

3.3.8 Khả năng kết nối mạng

Tất cả các loại máy hiện đại có thể đƣợc kết nối với mạng bệnh viện Bằng cách này, kế hoạch điều trị đƣợc tạo ra bởi hệ thống lập kế hoạch điều trị (TPS) có thể đƣợc truyền trực tiếp và không có sự can thiệp thủ công vào bộ nạp nguồn sau

Các thuật toán trong cả hệ thống lập kế hoạch điều trị (TPS) và trong phần mềm của bộ nạp nguồn sau (aferloader) đảm bảo rằng sự phân rã của nguồn đƣợc tính đúng.

Các bộ phận đảm bảo an toàn

Hệ thống tải nguồn sau suất liều cao (HDR RAL) là một thiết bị phức tạp chứa nguồn phóng xạ có có hoạt độ cao Có thể gây ra tai nạn nghiêm trọng rất nhanh vì thế nó đƣợc thiết kế với nhiều tính năng để bảo đảm an toàn với các khóa liên động để ngăn chặn sự di chuyển nguồn sai hoặc để người vận hành xử lý nhanh trong tình huống có sự cố

Trong một số trường hợp lỗi nhất định, chẳng hạn như nếu động cơ bước thất bại trong việc rút nguồn lại, một động cơ một chiều (DC) cho tình huống khẩn cấp có mô-men xoắn cao sẽ rút nguồn về vị trí an toàn Việc nhận biết nguồn đƣợc đẩy ra khỏi hoặc rút về vị trí an toàn đƣợc thực hiện bởi một cặp cảm biến quang học (Optopair) gồm một đầu dò nhạy sáng và một nguồn ánh sáng hồng ngoại, chúng có thể phát hiện cáp nguồn khi đầu của nó cản trở đường truyền sáng giữa chúng

3.4.1 Chức năng các cảm biến

Tự động kiểm tra đường di chuyển của cáp nguồn với dụng cụ và ống truyền

Các bộ mã hóa góc quay của mô tơ bước để nhận biết vị trí nguồn và thời gian di chuyển của nó

Một bộ phận cảm biến phóng xạ để nhận biết vị trí nguồn trong hay ngoài vị trí an toàn

Acqu dự phòng để cấp nguồn cho mô tơ DC khẩn cấp rút nguồn về vị trí an toàn trong trường hợp có sự cố mất nguồn điện chính [2]

3.4.2 Các công tắc cho tình huống khẩn cấp

Có nhiều công tắc để Tắt hệ thống trong tình huống khẩn cấp đƣợc đặt ở các vị trí thuận tiện và dễ tiếp cận:

- Công tắc Tắt khẩn cấp ở Bảng điều khiển

- Các công tắc Tắt Khẩn Cấp nằm ở đầu Đơn vị nạp nguồn điều trị

Ngoài ra Nhà cung cấp thiết bị thường lắp một hoặc hai công tắc tắt khẩn cấp trên các bức tường trong phòng điều trị Trong trường hợp khi việc điều trị bắt đầu mà có một người còn trong phòng điều trị, người đó có thể ngừng điều trị và cho nguồn rút về vị trí an toàn bằng cách nhấn nút Tắt khẩn cấp

3.4.3 Tay quay khẩn cấp Crank

Tất cả các hệ thống nạp nguồn sau (HDR RAL) đều có tay quay khẩn cấp để rút nguồn về vị trí an toàn theo cách thủ công nếu nguồn không thể đƣợc rút lại bình thường hoặc động cơ DC khẩn cấp cũng không rút được nguồn về vị trí an toàn Sử dụng tay quây đòi hỏi người vận hành phải vào phòng điều trị với nguồn không đƣợc che chắn Suất liều phơi nhiễm cho tình huống này cần đƣợc xem xét

3.4.4 Công tắc liên động cửa

Công tắc liên động cho cửa phòng máy điều trị ngăn chặn việc bắt đầu điều trị khi cửa phòng điều trị chƣa đƣợc đóng hoặc bị mở đột ngột Nếu cửa vô tình bị mở ra trong quá trình điều trị, việc điều trị bị gián đoạn và nguồn sẽ bị rút trở lại vị trí an toàn Việc điều trị có thể đƣợc khôi phục và tiếp tục tại thời điểm bị gián đoạn khi cửa đƣợc đóng và nhấn nút bắt đầu (Start) ở bảng điều khiển Tính năng an toàn này bảo vệ nhân viên y tế tránh bị phơi nhiễm phóng xạ trong trường hợp có người vào phòng điều trị mà người vận hành không biết

3.4.5 Hệ thống âm thanh / hình ảnh

Phòng để máy HDR RAL đƣợc trang bị hệ thống truyền hình mạch kín (CCTV) hoặc cửa sổ với gương chắn phóng xạ để quan sát bệnh nhân và hệ thống âm thanh hai chiều để liên lạc với bệnh nhân trong quá trình điều trị [2]

3.4.6 Bộ giám sát bức xạ

Có ba hệ thống độc lập riêng biệt để cảnh báo cho nhân viên y tế khi nguồn ở trạng thái không đƣợc che chắn

Một máy dò bức xạ là một phần của HDR RAL và báo trên Bảng điều khiển khi phát hiện bức xạ

Một thiết bị độc lập, thường được gắn trên tường trong phòng điều trị với màn hình cả bên trong và bên ngoài phòng, cũng để cảnh báo cho người vận hành và nhân viên khác khi nguồn đi qua cặp cảm biến nguồn ra bằng quang học tại Indexer.

Vấn đề đảm bảo an toàn

Vấn đề đảm bảo an toàn trong sử dụng thiết bị xạ trị áp sát liều cao nạp nguồn sau (HĐR RAL) Đề bảo đảm hệ thống vận hành an toàn ta cần thường xuyên kiểm tra các bộ phận cảnh báo an toàn và các thông số vật lý của hệ thống

3.5.1 Kiểm tra thiết bị giám sát

Kiểm tra thiết bị giám sát bằng giọng nói và hình ảnh

- Xem xét bảo đảm rằng camera giám sát và hệ thống liên lạc nội bộ giữa phòng điều trị và bàn điều khiển hoạt động đúng

3.5.2 Kiểm tra kết nối dụng cụ đúng

Kiểm tra chức năng nhận biết việc gắn dụng cụ đúng

Lập trình để Đơn vị tải nguồn đƣa nguồn vào mỗi kênh điều trị nhƣng không gắn dụng cụ hay ống dẫn nguồn vào thiết bị điều trị Thử bắt đầu chương trình điều trị, Đơn vị nạp nguồn điều trị sẽ báo lỗi và không thi hành lệnh Điều này cho ta biết chức năng này còn hoạt động

3.5.3 Kiểm tra vòng khóa trên bộ chỉ mục (Indexer)

Gắn các ống dẫn nguồn vào từng kênh trên bộ Indexer nhƣng không khóa chúng vào vị trí và thử bắt đầu chương trình vận chuyển nguồn Đơn vị tải nguồn sẽ báo lỗi và không thi hành lệnh [2]

3.5.4 Kiểm tra khóa liên động cửa

Gắn và khóa dụng cụ vào mỗi kênh điều trị Lập trình để nguồn dừng ở đầu dụng cụ Để cửa mở và thử chạy chương trình Đóng cửa thử chạy chương trình Mở cửa trong khi chương trình đang chạy Kiểm tra để thấy rằng việc di chuyển của nguồn là bị hủy bỏ Kiểm tra thông tin báo lỗi trên bảng điều khiển và bản in ra từ thiết bị để đảm bảo rằng bản ghi chính xác của lỗi đã đƣợc thự tạo ra

Kiểm tra đèn cảnh báo Quan sát đèn cảnh báo trong suốt quá trình nguồn hoạt động

2.5.5 Kiểm tra thiết bị giám sát bức xạ

Kiểm tra bộ giám sát bức xạ trong phòng điều trị

Lắng nghe âm thanh thông qua hệ thống liên lạc nội bộ trong khi nguồn hoạt động, quan sát khu vực bức xạ trong phòng thông qua màn hình giám sát lấy tín hiệu từ camera trong phòng điều trị

3.5.6 Sử dụng máy đo bức xạ cầm tay

Trong lúc nguồn đang trong trạng thái điều trị, mở nhanh cửa phòng điều trị, giữ máy đo ở ngƣỡng cửa và xem có sự hiện diện của bức xạ hay không Thông số trên màn hình được kiểm tra thường xuyên so với một nguồn bức xạ đã biết Giữ để sự tiếp xúc phóng xạ của người quan sát thấp nhất có thể Mức bức xạ mong muốn sẽ là phong bức xạ, cho biết nguồn đã đƣợc rút vào vị trí an toàn

3.5.7 Kiểm tra chức năng gián đoạn điều trị

Trong khi nguồn đang trong điều trị, nhấn nút gián đoạn điều trị để hủy bỏ và đảm bảo rằng nguồn đƣợc rút về vị trí an toàn Kiểm tra chỉ báo lỗi trên bảng điều khiển và bản in từ thiết bị, đảm bảo rằng một bản ghi chính xác của lỗi đã đƣợc thực hiện Khôi phụ và hoàn thành việc điều trị và xem bản in ra

3.5.8 Kiểm tra chức năng ngừng điều trị khẩn cấp

Trong khi đang điều trị, nhấn nút dừng khẩn cấp để hủy bỏ điều trị và kiểm tra xem nguồn có đƣợc rút về vị trí an toàn không Kiểm tra lỗi đƣợc hiển thị trên bảng điều khiển và bản in từ thiết bị để đảm bảo rằng bản ghi lỗi chính xác đã đƣợc thực hiện

3.5.9 Kiểm tra đồng hồ định thời gian điều trị

Kiểm tra xem nguồn thực hiện điều trị liên tục cho đến khi thời gian trôi qua bằng với thời gian đƣợc đặt trên bộ hẹn giờ

3.5.10 Kiểm tra ống dẫn nguồn

Với thiết bị HDR RAL việc đƣợc gắn và khóa một ống dẫn nguồn bị tắc nghẽn hoặc bị cuộn thành một vòng tròn với bán kính cong quá nhỏ thì nguồn không thể đi đến gần đầu cuối Kiểm tra giúp phát hiện sự tắc nghẽn hoặc hạn chế đường đi của nguồn

3.5.11 Kiểm tra tình huống mất nguồn điện chính

- Kiểm tra khả năng khi nguồn điện chính đột ngột bị mất trong quá trình đang điều tri thì ngay lập tức nguồn đƣợc rút về lại vị trí an toàn

- Kiểm tra xem khi nguồn AC đƣợc khôi phục, các thông số điều trị và thời gian đã dừng nguồn đƣợc gọi lại có chính xác hay không Nếu máy có cấp nguồn dự phòng, thì việc điều trị vẫn tiếp tục bình thường mặc dù nguồn điện chính bị mất, việc kiểm tra trên để xác định việc điều trị là không bị gián đoạn do mất điện Kiểm tra thông tin hiển thị trên bảng điều khiển và bản in từ thiết bị để đảm bảo rằng một sự ghi nhận chính xác về việc điều trị và lỗi đã thực hiện

3.5.12 Kiểm tra sự nguyên vẹn của phụ kiện

Kiểm tra sự nguyên vẹn của ống dẫn nguồn và các dụng cụ

Sự nguyên vẹn của ống dẫn và các dụng cụ đƣợc kiểm tra qua hình ảnh đƣợc nhìn thấy

3.5.13 Kiểm tra rò rỉ bức xạ

Kiểm tra xem sự rò rỉ bức xạ ở mức 10 và 100 cm tính từ thiết bị tải nguồn với nguồn rút ở vị trí an toán ở mức thấp hơn mức đƣợc quy định Lặp lại kiểm tra trong tất cả các hướng liên quan (trước, sau, ngang, trên) Kiểm tra quanh phòng máy, ở cửa trước phòng máy, hành lang, trạm y tá, hoặc các phòng liền kề

3.5.14 Kiểm tra ô nhiễm phóng xạ

Kiểm tra ô nhiễm phóng xạ trên các dụng cụ và ống dẫn nguồn

Có thể thực hiện bằng cách xét nghiệm các miếng dẻ lau dụng cụ trên, bức xạ từ miếng dẻ lau sau đó có thể đƣợc phân tích với bộ đếm hạt nhân dựa trên tinh thể NaI hoặc bộ đếm xung hạt nhân dựa trên bộ nhấp nháy để phát hiện bất kỳ sự phát xạ gamma-của hạt nhân phóng xạ

3.5.15 Kiểm chức năng rút nguồn về bằng tay

Kiểm tra tay quay rút nguồn về vị trí an toàn bằng tay

Chức năng của tay quay để rút nguồn về vị trí an toàn bằng tay phải đƣợc kiểm tra thường xuyên và bảo đảm nó luôn ở trạng thái hoạt động tốt [2].

Hệ thống xạ trị áp sát hiện đại microSelectron V3 - Nucletron

(Các hình ảnh minh họa trong phần này do tác giả chụp và đã được sự cho phép của Bệnh viện Ung BướuTp HCM)

Hệ thống xạ trị áp sát hiện đại Nucletron – MicroSelectron V3 gồm có các trang bị sau:

Phòng vận hành thì tách biệt với phòng điều trị, tại phòng vận hành (Hình 3.8) có các thiết bị sau:

 Thiết bị chỉ báo và hiển thị thông số phong bức xạ trong phòng điều trị

 Hệ thống lập kế hoạch điều trị (TPS – Treatment planning system)

 Trạm điều khiển điều trị (TCS)

 Bảng điều khiển điều trị (TCP)

 Hai màn hình quan sát bên trong phòng điều trị, hai màn hình này đƣợc kết nối với camera gắn trong phòng điều trị

 Bộ lưu điện (UBS) để cấp nguồn, duy trì hoạt động của hệ thống trong một khoản thời gian nhất định trong trường hợp nguồn điện chính bị mất

Hình 3.9 Thiết bị chỉ báo phong bức xạ

3.6.1.1 Thiết bị chỉ báo và hiển thị thông số phong bức xạ

Thiết bị chỉ báo và hiển thị thông số phong bức xạ trong phòng điều trị (Hính 3.9) được treo trên tường tại phòng vận hành giúp người làm việc tại dây nhận biết nguồn ở vị trí an toàn hay đang ở vị trí điều trị thông qua màu sắc đèn báo và thông số phong bức xạ hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng của nó Thiết bị này có sự kết nối với đầu dò phóng xạ gắn trong phòng điều trị

3.6.1.2 Hệ thống lập kế hoạch điều trị

Hệ thống lập kế hoạch điều trị (Hình 3.10) gồm có hệ thống máy tính lập kế hoạch có tích hợp phần mềm lập kế hoạch điều trị Oncentra và các phần mềm hỗ trợ phù hợp, bàn phím, chuột, màn hình

Máy in để in ra Kế hoạch điều trị sau khi xem xét kế hoạch điều trị là đạt yêu cầu với chỉ định điều trị

Máy Scan phim X-quang đƣợc kết nối với máy tính lập kế hoạch để nhập phim vào hệ thống

Hình 3.10 Hệ thống lập kế hoạch điều trị

Tai phòng lập kế hoạch điều trị, sau khi nhận đƣợc phim X-quang mô phỏng đã đƣợc bác sĩ xạ trị kiểm tra, đánh dấu thể tích áp liều điều trị, vị trí các điểm cần quan tâm để bảo vệ các cơ quan quý (Bọng đái, trực tràng) kỹ sƣ vật lý y khoa và kỹ thuật viên vật lý y khoa thực hiện các công việc sau:

(a) Định vị thể tích mục tiêu: Xem xét phim X-quang, xác định biên giải phẫu của khối u cần chiếu xạ và bộ áp, xác định các điểm giải phẫu đặc biệt để áp liều, và các điểm quan tâm để bảo vệ các cơ quan quý, đáng dấu lại các điểm dừng nguồn nếu cần thiết Sau đó tiến hành Scan phim nhập vào hệ thống lập kế hoạch điều trị

Hình 3.11 Phim X-quang đã xử lý được nhập vào hệ thống

Hình 3.11 thể hiện hình X-quang mô phỏng chụp theo hướng thẳng (AP) với các điểm áp liều, các điểm quan tâm đƣợc đánh dấu theo chỉ định của bác sĩ Các điểm đen dọc theo các ống của bộ áp là các điểm dừng nguồn để phân phối liều điều trị, đƣợc kỹ thuật viên vật lý xạ trị đánh dấu lại theo hình trên phim để dễ nhìn

Bước nguồn trên hệ thống này thường có khoảng cách 2.5, 5, 10 mm Vị trí dừng nguồn và thời gian dừng tại mỗi vị trí sẽ xác định liều phân phối

(b) Tính toán liều lượng: là quá trình xác định liều chỉ định tại các điểm giải phẫu cụ thể nhằm cung cấp một liều lƣợng tối ƣu cho các vùng mô quan tâm Quá trình này còn bao hàm việc tính toán tối ƣu thời gian dừng, hiển thị phân bố liều và các đường đồng liều Tất cả hệ thống lập kế hoạch điều trị tự động hiển thị các đường phân bố đồng liều ở dạng hai chiều, một số khác có thể hiển thị hình ảnh ba chiều ở dạng xấp xỉ

Hình 3.12 Kế hoạch điều trị

Trên hình 3.12 là kế hoạch điều trị đƣợc lập, các điểm màu cam trên dụng cụ là các điểm dừng nguồn Với các điểm dừng nguồn đã định, thông số liều chỉ định và hoạt độ nguồn khai báo cho hệ thống theo kết quả hiệu chuẩn nguồn Hệ thống sẽ tự động tính toán liều phân phối tại mỗi điểm

(c) Đánh giá và chấp nhận kế hoạch: sau khi hoàn tất việc lập kế hoạch điều trị, nhiệm vụ cuối cùng trong quy trình lập kế hoạch điều trị là thẩm tra, khảo sát và chấp nhận một kế hoạch điều trị Các thông số trong kế hoạch đƣợc phần mềm thẩm tra bằng các tính toán độc lập và tự động minh họa qua các đường đồng liều để làm cơ sở đánh giá kế hoạch điều trị

Hình 3.13 Các đường đồng liều nhìn theo mặt cắt trục y

Trên hình 3.13 xem từ trong ra, đường màu trắng có phân bố liều là 150%, đường màu cam có phân bố liều là 100% đường này là đường áp liều điều trị mong muốn, đường màu đỏ 75% là phân bố liều tại các cơ quan quý, kết quả này là chấp nhận đƣợc theo chỉ định của bác sĩ In kế hoạch điều trị ra giấy kỹ sƣ vật lý và bác sĩ xạ trị ký xác nhận để tiến hành điều trị cho bệnh nhân theo kế hoạch trên Xuất kế hoạch điều trị sang Trạm điều khiển điều trị

3.6.1.3 Trạm điều khiển điều trị

Trạm điều khiển điều trị hình 3.14 gồm các bộ phận sau:

 Hệ thống máy tính với màn hình, chuột bàn phím để biên tập dữ liệu bệnh nhân, theo dõi trạng thái di chuyển của nguồn trong quá trình phân phối liều điều trị

 Máy in để in kết quả điều trị và các báo cáo lỗi, sự cố nếu có

Trạm điều khiển điều trị nhận kế hoạch điều trị từ hệ thống lập kế hoạch hoạch điều trị và chuyển cho Bảng điều khiển điều trị Trên màng hình của trạm điều khiển điều trị liên tục cập nhật sự di chuyển và dừng của nguồn trong quá trình điều trị để vận hành viên theo dỏi quá trình phân phối liều điều trị

3.6.1.4 Bảng điều khiển điều trị

Bảng điều khiển điều trị hình 3.15 để điều khiển điều tri và xử lý các tình huống khẩn cấp Trên Bảng điều khiển điều trị khi công tắc chìa khoá đang ở vị trí

“Operation” thì Đơn vị điều trị đang ở trạng thái sẳn sàng điều trị, Bảng điều khiển điều trị nhận kế hoạch điều từ Trạm điều khiển điều trị, khi các bước chuẩn bị điều trị đã hoàn tất, nhấn nút “Start” trên Bảng điều khiển Đơn vị điều trị sẽ thi hành việc phân phối liều điều trị theo kế hoạch điều trị đã lập

Trên bảng điều khiển điều trị có nút ngừng điều trị khẩn cấp (Emergency stop), nút gián đoạn điều trị (Interupt), Công tắc chia khóa (Overide) để tránh các trường hơp thực hiện điều trị vô ý và các đèn chỉ báo trạng thái điều trị

Hình 3.15 Bảng điều khiển điều trị (TCP)

Phòng điều trị hình 3.16 là nơi đặt Đơn vị nạp nguồn điều trị Tại đây Đơn vị điều trị được kết nối vào dụng cụ trên người bệnh nhân thông qua các ống dẫn nguồn để tiến hành phân phối liều điều trị, Trong phòng nầy có các thiết bị sau:

 Đơn vị nạp nguồn MicroSelectronV3 đề đƣa nguồn vào dụng cụ và phân phối liều xạ điều trị cho bệnh nhân theo kế hoạch điều trị

Cơ sở lý thuyết tính liều xạ trị áp sát

Để có thể tính toán liều hay suất liều phóng xạ tại một điểm xác định trong không gian quanh một nguồn phóng xạ, phải sử dụng một hệ thống tọa độ thích hợp

Hệ tọa độ đƣợc sử dụng để tính toán nhƣ vậy là dựa trên đặc điểm hình học cụ thể của nguồn

Hình 4.1 minh họa các hệ tọa độ dựa trên đặc điểm hình học đối của một nguồn điểm lý tưởng và một nguồn dòng (giống như đoạn thẳng với đường kính D s

= 0) lý tưởng Trong trường hợp đầu tiên phân bố liều là một hình cầu đối xứng do đó liều và suất liều tại một điểm trong không gian quanh nguồn chỉ phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r từ điểm quan tâm tới nguồn Trong trường hợp thứ hai của là một nguồn dòng lý tưởng, đơn giản nguồn nằm dọc theo trục z với chiều dài L s , Điểm giữa của nguồn được đặt tại gốc của hệ tọa độ Trường hợp này có một sự phân bố liều hình trụ đối xứng quanh trục z và do đó liều và suất liều tại một điểm trong không gian quanh nguồn phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r từ điểm đó đến tâm nguồn

Hình 4.1 Hệ tọa độ dựa trên cơ sở nguồn và hình học liên quan [10]

(a) Sơ đồ biểu diễn mối liên hệ giữa hệ tọa độ cầu và hệ tọa độ trực giao Descartes Nếu P là một điểm trong không gian quanh nguồn, khi đó vị trí của P đƣợc mô tả trong tọa độ trực giao Descartes bởi vector ⃗ = (x p ,y p ,z p) Khoảng cách xuyên tâm r của P đƣợc cho bởi độ lớn của vector vị trí ⃗: r = | ⃗|= √

Trong tọa độ hình cầu, vector vị trí của P là ⃗⃗⃗ = (r,θ,φ) với θ là gốc cực, φ gốc phương vị và r là khoản cách xuyên tâm của P, ở đó x = r , y r và z = r [10]

(b) Trường hợp của một nguồn điểm lý tưởng S Có phân bố liều hình cầu đối xứng (đối xứng quay xung quanh một trục bất kỳ trong 3 trục) và do đó liều và suất liều tại P đơn giản phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r tới nguồn Đây là trường hợp đơn giản nhất của hình học 1 chiều, cho phép đo liều tại 1 điểm P bất kỳ trong không gian quanh nguồn đƣợc mô tả đầy đủ bởi khoảng cách xuyên tâm của nó tới nguồn, P = P(r)

(c) Trường hợp của một nguồn dòng lý tưởng S có chiều dài L s Gốc của hệ tọa độ là điểm giữa của nguồn và nguồn được đặt dọc theo trục z Trường hợp này có sự phân bố liều là một hình trụ đối xứng xung quanh trục z và do đó liều và suất liều tại điểm P bất kỳ trong không gian quanh nó phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r từ tâm của nguồn tới điểm quan tâm P, theo đó độ dài L s của nguồn đƣợc nhìn bởi điểm góc tọa độ cực θ Do đó, hình học ở đây là một hình học 2 chiều và bất kỳ điểm P quanh nguồn đƣợc mô tả đầy đủ bằng khoảng cách xuyên tâm r của nó và góc cực θ, P = (r,θ) Như vậy, đối với trường hợp của một nguồn dòng lý tưởng là đủ để biết sự phân bố liều trên mặt phẳng y-z

Hình 4.2a là trường hợp một nguồn có lõi phóng xạ hình trụ chiều dài L s và đường kính D s, được định vị sao cho trục dọc của nguồn nằm trên trục z và tâm của nguồn đƣợc đặt tại gốc của hệ tọa độ

Giả định hoạt độ nguồn phân bố đồng nhất trên tổng thể tích V s của nguồn

Trường hợp này giống trường hợp của nguồn dòng lý tưởng (D s = 0), Một sự phân bố liều hình trụ đối xứng quang trục Z và liều hay suất liều tại một điểm bất kỳ quanh nó phụ thuộc vào bán kính xuyên tâm r và gốc cực θ

Trong hình 4.2b, Là một kiểu nguồn thực tế, lõi phóng xạ của nguồn có chiều dài L s và đường kính D s , được đóng gói trong một khoan chứa hình trụ có chiều dài

L o và đường kính D o Vị trí lõi phóng xạ của nguồn được mô tả như ở hình 4.2a: trục dọc của nguồn nằm trên trục z và tâm của lõi nguồn đƣợc đặt ở gốc của hệ tọa độ

Trong trường hợp này, liều và suất liều tại một điểm quanh nguồn phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r từ tâm của lõi nguồn và góc cực θ Đối với các nguồn có hoạt động cao, chủ yếu là các nguồn 192 Ir, đƣợc sử dụng trong các hệ thống xạ trị áp sát nạp nguồn sau với công nghệ nguồn bước, lõi nguồn và khoang chứa nguồn được hàn cố định vào đầu một cáp lái Trên hình 4.2, đầu của nguồn đặt ở hướng dương của trục z, cáp nằm dọc theo hướng âm của trục z

Hình 4.2 Hệ tọa độ và hình học của nguồn thực tế

(a) Là trường hợp hệ tọa độ cầu và một nguồn hình trụ S gồm lõi phóng xạ hình trụ có chiều dài L s và đường kính D s Gốc tọa độ được đặt tại tâm lõi phóng xạ của nguồn và trục dọc của nguồn đặt dọc theo trục z Do đƣợc giả định có sự phân bố phóng xạ hình trụ đối xứng trong thể tích nguồn, đây là một dạng hình học 2 chiều và suất liều tại một điểm P(r, θ) bất kỳ phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r và góc cực θ tham chiếu tới hệ tọa độ nguồn

(b) Là trường hợp một nguồn hình trụ bao gồm một lõi phóng xạ có chiều dài L s và đường kính D s được đóng gói trong một khoang chứa hình trụ có chiều dài bên ngoài L o và đường kính ngoài D o Trục dọc của nguồn nằm trên trục z và tâm của lõi nguồn được đặt ở gốc của hệ tọa độ Trong trường hợp này, liều và suất liều tại P phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r tính từ tâm của lõi nguồn và góc cực θ (hình học 2 chiều)

Mô hình tính toán liều và suất liều

Mục đích của việc đo liều là để tính toán chính xác suất liều hoặc sự phân bố liều trong không gian quanh một hoặc nhiều nguồn Nói chung, trong xạ trị áp sát xem xét liều bị hấp thụ bởi nước

Câu hỏi đặt ra là, làm thế nào suất liều tại một điểm cụ thể trong môi trường nước quanh một nguồn được tính toán Ví dụ đơn giản nhất mà chúng ta có thể xem xét để chứng minh đây là trường hợp của nguồn điểm lý tưởng với một trường bức xạ hình cầu đối xứng quanh nó Trong trường hợp này, suất liều tại một điểm xác định chỉ phụ thuộc vào khoảng cách xuyên tâm r tính từ nguồn (Hình 4.1a)

Dựa trên các định nghĩa của Kerma và liều lượng, một quy trình bốn bước có thể chứng minh đƣợc kết quả tính toán mong muốn

Bước 1: Tại điểm P trong chân không cách nguồn một khoảng cách r (Hình

4.3a) ta xem xét một thể tích không khí nhỏ có khối lƣợng là d m

Suất Kerma không khí trong d m có thể đƣợc tính toán dựa trên suất Kerma không khí tham chiếu ̇R, và định luật bình phương nghịch đảo của sự thay đổi của chất lỏng, và do đó suất Kerma không khí với khoảng cách từ nguồn theo r o là khoảng cách tham chiếu cho ̇ R, r o = 1,0 m Điều quan trọng cần lưu ý là cả hai r o và r đƣợc thể hiện trong cùng đơn vị cm

(4.1) Hay dựa trên độ mạnh Kerma không khí S k

Hình 4.3 Sơ đồ thể hiện bốn bước khác nhau

Sơ đồ thể hiện bốn bước khác nhau (hình 4.3) liên quan đến việc tính toán suất liều bị hấp thu tại một điểm P = P (r) quanh một nguồn điểm lý tưởng S trong môi trường nước

(a) Là xem xét một thể tích không khí nhỏ dV có khối lƣợng d m và đƣợc đặt tại điểm P trong chân không Bước 1 Dựa vào suất kerma không khí tham chiếu ̇ R , suất kerma không khí ̇α(r) có thể được tính toán, xem phương trình 4.1 và phương trình 4.2 Bước 2: Suất liều bị hấp thụ bởi không khí ̇ α (r) trong thể tích không khí dV, đƣợc cho bởi suất kerma va chạm ̇ col,α (r) trong thể tích không khí đó, xem phương trình 4.3 và phương trình 4.4

(b).Là xét huống tại điểm P, thể tích nước dV có khối lượng d mw , Bước 3:

Suất liều hấp thụ bởi nước ̇ W (r) tại điểm P trong chân không có thể được tính từ liều bị hấp thụ bởi không khí ̇ α (r) (Bước 2) tại cùng một vị trí bằng cách hiệu chuẩn sự khác biệt hệ số hấp thụ khối lượng giữa hai môi trường, giả định hạt thứ cấp (electron), CPE, những điều kiện là cân bằng , phương trình 4.5 và phương trình 4.6

(c) Cuối cùng, Xét không gian xung quanh nguồn điểm S và điểm quan tâm

P trong môi trường nước Bước 4: Trái ngược với tình huống trong chân không (a) và (b) ở trên, bước này phải xem xét thêm những tác động của suy giảm và tán xạ ảnh hưởng đến trường bức xạ tại khoảng cách r từ điểm P tới nguồn, phương trình

4.7 và Phương trình 4.8 Bước 2 suất liều hấp thụ bởi không khí ̇ α (r) trong thể tích dV, đƣợc cho bởi suất Kerma va chạm ̇ col,α (r) là:

Với g α là phần năng lƣợng của các electron đƣợc giải phóng bởi các photon trong không khí, phần năng lƣợng này bị mất là do các quá trình bức xạ (bremsstrahlung và huỳnh quang)

(4.4) Bước 3 xem xét tình huống thể hiện trong hình 4.3b, ở đó phần tử thể tích dV chứa khối lượng nước d mw Giả sử hạt thứ cấp (electron), CPE, các điều kiện cân bằng, suất liều bị hấp thụ bởi nước ̇ W (r) tại điểm P trong chân không có thể được tính từ liều hấp thụ bởi không khí ̇ α (r) ở cùng vị trí, bằng hiệu chuẩn sự khác biệt trong hệ số khối lượng hấp thụ giữa hai môi trường: là tỷ số của hệ số hấp thụ năng lượng của khối lượng nước với hệ số hấp thu năng lƣợng của khối lƣợng không khí (Tra bảng)

Sử dụng phương trình 4.3 và phương trình 4.4 suất liều hấp thụ bởi nước tại điểm P(r) có khoảng cách r tính từ nguồn trong chân không, đƣợc cho bởi

Bước 4, Cuối cùng, tình huống xem xét là không gian xung quanh nguồn và điểm

P(r) cũng chứa đầy nước (Hình 4.3c) Trái ngược với tình huống trong chân không, trong nước có các hiệu ứng suy giảm và tán xạ ảnh hưởng đến trường bức xạ ở khoảng cách r tính từ nguồn Hàm f as,w (r) là sự hiệu chỉnh cho hiệu ứng hấp thụ và tán xạ của các photon phát ra từ nguồn ở khoảng cách r trong nước, khi so sánh với cùng một điểm trong môi trường chân không Liều bị hấp thụ bởi nước trong không gian chứa đầy nước và khoảng cách r từ nguồn điểm lý tưởng là

(4.8) Liên quan đến các phương trình trên, có những yếu tố phụ thuộc vào phổ năng lượng photon phát ra theo hạt nhân phóng xạ hoặc nguồn và vào khoảng cách, f as,w (r) và các yếu tố chỉ phụ thuộc vào hạt nhân hoặc nguồn phóng xạ, và thực tế là 0 cho tất cả các hạt nhân phóng xạ, nơi cho năng lƣợng cao nhất của 60 Co = 0,003 (Tra bảng) và do đó không nhạy với việc kiểu nguồn riêng lẻ cho các hạt nhân phóng xạ năng lƣợng cao, 60 Co, 137 Cs, 198 Au và 192 Ir, là không nhạy với các kiểu nguồn, và do đó thay đổi phổ photon do cấu trúc nguồn riêng lẻ (xem thêm hình 4.4) Đối với năng lƣợng thấp hơn chẳng hạng nhƣ 169 Yb, những thay đổi về năng lƣợng hiệu quả trong khoảng 0,080 đến0.150 MeV (năng lƣợng trung gian) sẽ dẫn đến thay đổi lớn hơn 2% giá trị tỉ số giữa hệ số hấp thụ năng lượng với hệ số hấp thụ năng lương của không khí Liên quan đến các hạt nhân phóng xạ năng lƣợng rất thấp 125 I và 103 Pd, với năng lƣợng hiệu quả trong phạm vi từ 0.020 đến 0.030 MeV, cấu trúc riêng của nguồn sẽ ảnh hưởng đáng kể đến quang phổ của photon phát ra, và do giá trị của Hàm hiệu chỉnh độ hấp thụ và tán xạ f as,w (r) cho nước thì phụ thuộc khoảng cách và loại nguồn (quang phổ photon)

Hình 4.4 Năng lượng photon (Mev)

Hình 4.4 Thể hiện năng lƣợng photon phụ thuộc vào tỷ số giữa hệ số hấp thụ năng lƣợng của khối lƣợng và hệ số hấp thụ năng lƣợng của không khí, , trong phạm vi năng lƣợng liên quan đến xạ trị áp sát từ 0,01 đến 2,0 MeV Hệ số hấp thụ năng lượng của khối lượng đối với không khí khô và nước được xem xét theo Hubbell và Seltzer

4.2.2 Tính toán trên nguồn thực tế

Xem xét một nguồn thực tế, nguồn có hình trụ nhƣ hình minh họa ở hình 4.2, ở đây trường phóng xạ được giả định là hình trụ đối xứng (không phụ thuộc vào góc phương vị φ) và do đó suất liều tại một điểm P trong không gian quanh nguồn sẽ phụ thuộc vào khoảng cách r và góc cực θ Đối với phương trình 4.7 và phương trình 4.8, có bổ sung hai yếu tố, mà hai yếu tố đó phải đƣợc xem xét cho một nguồn thực tế

4.2.2.1 Kích thước lõi nguồn hữu hạn Đối với trường hợp của một nguồn điểm lý tưởng thì luật bình phương nghịch đảo đƣợc dùng để mô tả sự phụ thuộc của suất liều vào khoảng cách trong chân không, vì vậy khi đó không có sự hấp thụ và tán xạ xảy ra Đối với một hoạt độ phóng xạ có phân bố không gian hữu hạn, nói chung điều này sẽ không là trường hợp trên Sự ảnh hưởng của kích thước lõi nguồn phóng xạ hữu hạn phụ thuộc vào khoảng cách của trường bức xạ trong chân không phải được xem xét và đánh giá Điều này có thể đƣợc thực hiện bằng cách chia lõi phóng xạ của nguồn thành các phần tử nhỏ có thể được coi là nguồn điểm và sau đó áp dụng phép bình phương nghịch đảo cho mỗi phần tử này Nếu ⃗⃗⃗ là mật độ phóng xạ tại điểm ⃗⃗⃗ bên trong thể tích lõi phóng xạ của nguồn (xem hình 4.5 và hình 4.2a), khi đó suất kerma không khí trong không gian trống tại một điểm ⃗ = (r,θ ), kết quả phần tử lõi cho tại ⃗⃗⃗ là

Hoặc với V s biểu thị miền tích phân trên thể tích lõi phóng xạ của nguồn (lõi) và dV’ đề cập đến phần tử thể tích nguồn ở vị trí ⃗⃗⃗ (Hình 4.5)

Hình 4.5 Một lõi nguồn phóng xạ hình trụ S của thể tích V s và điểm quan tâm P trong chân không (không gian trống)

Theo hình 4.5 Lõi phóng xạ đƣợc chia thành các phần tử nhỏ dV’ có thể đƣợc coi là nguồn điểm, khi đó có thể áp dụng phép bình phương nghịch đảo cho mỗi phần tử này ⃗⃗⃗ là mật độ phóng xạ tại điểm ⃗⃗⃗ đƣợc định tâm trong phần tử thể tích dV’ mà phần tử đó đƣợc đặt trong thể tích lõi phóng xạ của nguồn Suất kerma không khí trong chân không tại điểm P = P ( ⃗⃗⃗ với ⃗ = (r,θ ) (xem Hình 4.2a) có thể đƣợc tính bằng cách tích phân trên thể tích lõi nguồn V s sự phân bố của suất kerma không khí của các phần tử như vậy dV’, Công thức 4.9 thông qua phương trình 4.11, một sự phân bố phóng xạ đẳng hướng trong V s thường được giả định sao cho ⃗⃗⃗ = ρ ⃗⃗⃗ trong Vs

Tích phân ở mẫu số đƣợc sử dụng để chuẩn hóa sự phân bố phóng xạ trong lõi nguồn

Hình thức tính liều TG-43

Dựa trên hình thức đo liều TG-43 của AAPM – của tổ chức vật lý y khoa hoa kỳ đã công bố những đề xuất về hình thức đo liều bức xạ và các tham số đo liều bức xạ cho các nguồn xạ trị áp sát trong khe, hốc vào năm 1995 Mặc dù hình thức đo liều này chủ yếu chỉ xem xét các nguồn liều thấp (LDR) (trong ấn phẩm gốc nó đã đƣợc đề cập một cách rõ ràng rằng nguồn hoạt độ cao và dây iridium nằm ngoài phạm vi của báo cáo đó), hình thức TG-43 đã đƣợc sử dụng rộng rãi, và cũng gần nhƣ đƣợc quốc tế chấp nhận cho suất liều cao (HDR) và nguồn Iridium suất liều xung (PDR) sử dụng trong các hệ thống xạ trị áp sát tải nguồn sau sau từ xa (RAL)

Các hình thức tính toán trước đó dựa trên hoạt độ biểu kiến (A app ), khối lượng tương đương của Radium, hằng số phát xạ và hệ số suy giàm trong mô Những hình thức tính liều cũ này không tính đến sự khác biệt giữa nguồn với nguồn trong cấu trúc lõi phóng xạ của nguồn và kiểu đóng gói lõi nguồn Ngoại trừ radium, hằng số suất liếu phát xạ và các tham số cho các thuật toán này chỉ phụ thuộc vào hạt nhân phóng xạ

Trái ngược với những phương pháp tính liều trên, hình thức tính liều TG-43 đƣợc giới thiệu và hằng số suất liều kết hợp và tất cả thông số liều lƣợng khác đều dựa vào kiểu nguồn cụ thể Hình thức TG-43 là hình thức phù hợp, đơn giản để triển khai và dựa trên một số lƣợng nhỏ các tham số/đại lƣợng có thể dễ dàng trích xuất từ kết quả tính toán phân bố suất liều xung quanh các nguồn trong một môi trường nước hoặc tương đương nước của phương pháp Monte Carlo (MC), hoặc từ các phép đo trong môi trường tương tự Điều này làm tăng tính chính xác của các phép tính được thực hiện trong lâm sàng cho môi trường nước

Khái niệm cơ bản của giao thức đo liều TG-43 là xác định một hình thức rõ ràng đƣợc thể hiện trong các công thức toán học và kết hợp các tham số và đại lƣợng mà chúng cho phép người sử dụng tính một cách chính xác liều và suất liều phân phối xung quanh những kiểu nguồn phóng xạ phổ biến dùng trong trong lâm sàng Điều này cho phép sử dụng dữ liệu và cơ sở dữ liệu phổ biến và nhất quán cho các kiểu nguồn có sẳn trong thương mại

4.3.2 Môi trường tham tham chiếu

TG-43 xác định nước là môi trường đo liều chuẩn, vật liệu tương đương nước cũng có thể đƣợc xem xét để đo sự phân bố liều và do đó TG-43 liên quan đến các tham số của nước

Các kết quả từ mô phỏng Monte Carlo đƣợc xác định bằng các phép đo thực nghiệm và đƣợc xuất bản trong các tạp chí đƣợc đánh giá ngang hàng đƣợc xác định là dữ liệu tham chiếu

Giao thức TG-43 thường để đo các nguồn hình trụ có một lõi phóng xạ cho phép giả định có phân bố liều hình trụ đối xứng Hình học của các nguồn và các hệ tọa độ cực tương ứng được sử dụng được thể hiện trong Hình 4.2 Hình 6 minh họa mặt cắt ngang trên mặt phẳng y - z đƣợc coi là mặt phẳng cơ bản cho bất kỳ mô tả nào theo TG-43 Do sự phân bố liều hình trụ đối xứng của các nguồn đƣợc tính toán, điều này tương đương với bất kỳ mặt phẳng nào chứa trục z (bất kỳ góc phương vị φ nào khác hơn 90 o ) Do đó, một hình trụ đối xứng của phân bố liều đƣợc giả định

Nhƣ trong hình 4.2b, và trong mặt cắt ngang của Hình 4.6b, cấu truc nguồn bao gồm một cáp lái gắn ở một đầu của khoan chứa nguồn theo hướng z, cũng cho trường hợp các nguồn đơn bước có hoạt độ phóng xạ cao, chủ yếu là các nguồn 192I r, đƣợc sử dụng trong các hệ thống tải nguồn sau hiện đại Đầu của nguồn nằm ở theo hướng hướng dương của trục z (+z)

Hình thức TG-43 sẽ cung cấp các biểu thức phân tích liên quan đến sự ảnh hưởng do kích thước hữu hạn của lõi phóng xạ của nguồn, (hàm hình học, phương trình 4.11) khi các nguồn này gần đúng với nguồn dây lý tưởng (đường kính Ds = 0 cm trong Hình 4.2 và Hình 4.6) hoặc bằng các nguồn điểm lý tưởng (đường kính D s , chiều dài L s = 0 cm, xem thêm Hình 4.1b)

4.3.5 Điểm tham chiếu cho việc tính liều (r 0 , θ 0 ) Điểm tham chiếu cho hình thức TG-43 đƣợc chọn là một điểm nằm trên đường ngang chia đôi nguồn ở khoản cách 1cm từ tâm của nó, tức là (r 0 , θ 0 )) = (1 cm, 90 o )

Theo giao thức TG-43, suất liều trong nước ̇(r,θ), tại điểm P(r,θ) cách nguồn một khoản r cho bởi biểu thức (xem thêm Hình 4.6 cho tọa độ và hệ tọa độ)

(4.16) trong đó r là khoảng cách xuyên tâm từ điểm P tới tâm nguồn và θ là góc cực

Trong các thảo luận sau đây liên quan đến liều hấp thụ hoặc suất liều hấp thu của nước, chỉ số "w" cho nước sẽ được bỏ qua

Hình 4.6 Hình học và thông số được sử dụng bởi giao thức TG-43

Trên hình 4.6 kiểu hình học và thông số đƣợc sử dụng bởi giao thức TG-43 cho các nguồn hình trụ có một lõi phóng xạ cho phép giả định có sự phân bố hoạt độ phóng xạ đối xứng trụ Do sự đối xứng hình trụ của sự phân bố suất liều, hệ tọa độ cực nhƣ trong Hình 4.2 là thích hợp để xác định hình học cần thiết Ở đây, mặt cắt ngang trên mặt phẳng y - z chính, đƣợc coi là mặt phẳng cơ bản cho bất kỳ mô tả nào theo TG-43, Điểm quan tâm P(r,θ) đƣợc mô tả bởi khoảng cách xuyên tâm r từ nó tới nguồn và góc cực θ, (a) Trường hợp điển hình của hình học nguồn cho xạ áp sát cấy ghép vĩnh viễn (hạt) Lõi phóng xạ hình trụ có chiều dài L s và đường kính D s đƣợc đóng gói đối xứng bởi một vật liệu cụ thể Tất cả các tham số liên quan đến hình học TG-43 được hiển thị (b) Hình học và thông số tương ứng cho cấu trúc nguồn gồm một cáp lái gắn ở đầu cuối của khoan nguồn theo hướng -z vì nó là trường hợp của nguồn đơn bước hoạt độ cao (nguồn HDR), chủ yếu là nguồn 192 Ir, được dùng trong hệ thống tải nguồn sau sau hiện đại Đầu của nguồn là theo hướng +z

S K : Cường độ kerma khụng khớ trong cú đơn vị là U, 1U=1 àGy m 2 h -1 1cGy cm 2 h -1

𝛬: Hằng số suất liều trong nước 𝛬 được thể hiện theo đơn vị cGy h -1 U -1

G(r,θ): Hàm hình học ở khoảng cách xuyên tâm r và góc cực θ nhƣ đƣợc định nghĩa trong phương trình 4.11 (xem thêm phương trình 4.15) G(r,θ) là đại lƣợng không thứ nguyên

G(r o ,θ o ): Hàm hình học tại điểm tham chiếu (r 0 , θ o ) với r 0 1.0 cm và θ o 90 o Chú ý phân biệt giữa khoảng cách xuyên tâm r 0 của điểm tham chiếu TG - 43 và khoảng cách tham chiếu r 0 cho định nghĩa của suất Kerma không khí tham chiếu ̇ R , nhƣ đã thấy trong Công thức 4.1 g(r): Hàm suất liều xuyên tâm xem xét sự phụ thuộc khoảng cách vào sự hấp thụ và tán xạ các tia photon trong nước dọc theo trục ngang, đó là trục hoặc tương đương với θ = 90 o g(r) là một đại lượng không thứ nguyên

F(r, θ): Hàm dị hướng xem xét ảnh hưởng của sự hấp thụ và tán xạ các photon bên trong lõi phóng xạ của nguồn và vật liệu đóng gói nguồn cũng nhƣ một phần của cáp lái nếu có F(r, θ) là một đại lƣợng không thứ nguyên

Theo trên, Suất liều trong môi trường nước ̇(r,θ) nhận được bởi công thức 4.16 có thứ nguyên là cGyh -1 Điều quan trọng cần lưu ý là công thức TG-43 dựa trên cường độ kerma không khí S K để xác định cường độ nguồn

Công thức TG-43, Biểu thức 4.16 dựa trên công thức đã đƣợc chứng minh trước đây cho cường độ kerma không khí dựa trên việc hiệu chuẩn nguồn cho bởi công thức 4.15, bây giờ tránh chỉ số “w” cho Nước Đối với điểm tham chiếu của hình thức TG-43 (ro,θo) = (1cm, 90 o ) Công thức 4.15 đƣợc viết thành

Bằng cách chia phương trình 4.15 với phương trình 4.17, biểu thức cho suất liều trong môi trường nước ̇(r,θ) tại điểm tham chiếu TG-43 (r,θ) là:

Công thức TG-43 hai chiều (2D)

Tại thời điểm ra đời của hình thức TG-43, phương trình 4.16 đã được cho là thực sự thích hợp và có gía trị với các nguồn phóng xạ hình trụ đối xứng Đối với các nguồn như vậy, suất liều trong môi trường nước tại một điểm bất kì nào đó quanh nguồn chỉ phụ thuộc vào khoảng cách bán khính xuyên tâm r của điểm đó tạo thành tâm của lõi phóng xạ (Hình 4.6) và trên góc cực θ Điều này có nghĩa là sự tính toán suất liều đƣợc thực hiện trên mặt phẳng z – y, mặt phẳng chứa trục dọc của nguồn, cũng như điểm mong nuốn Nói cách khác, đây là một phương thức tính toán hai chiều (2D)

Hình 4.9 Biểu diễn sơ đồ quy trình hai bước tính toán suất liều

Hình 4.9 Biểu diễn sơ đồ quy trình hai bước tính toán suất liều ̇(r,θ) tại một điểm P(r,θ) quanh một nguồn hình trụ đối xứng theo hình thức TG-43 thu đƣợc bằng phương trình 4.16.Điểm khởi đầu là suất liều ̇(r o ,θo) = S K 𝛬 đã biết tại điểm tham chiếu (r o ,θ o ),:

Bước 1: Thứ nhất, suất liều ̇(r,θ0) dọc theo trục y ngang (θ = θ o = 90 o ), ở khoảng cách xuyên tâm r, đƣợc tính từ ̇(r o ,θ o ) bằng cách áp dụng hàm liều xuyên tâm g(r) và hiệu chỉnh bằng cách sử dụng kết quả hiệu chỉnh bình phương nghịch đảo cho thể tích nguồn có lõi hữu hạn, nhƣ đƣợc mô tả bởi hàm hình học G(r,θ), để di chuyển từ r 0 đến r tại góc cực tham chiếu θ o = 90 o tới góc cực θ của điểm quan tâm tại khoản cach bán kính xuyên tâm r

Bước 2: Cuối cùng, suất liều ̇(r,θ), tại điểm quan tâm được tính từ suất liều tham chiếu ̇(r,θ 0 ), tại điểm (r,θ o ), bằng cách áp dụng hàm dị hướng F(r, θ) và hiệu chỉnh lại bằng cách sử dụng hàm hình học G(r,θ) để di chuyển từ góc cực θ 0 = 90 o đến góc cực quan tâm θ ở khoảng cách bán kính xuyên tâm r

Về hàm hình học G(r,θ) đƣợc xác định trong Công thức 4.11, nó có thể giả định rằng nó là sự tính toán dựa trên cơ sở 3 chiều (3D) của một sự hiệu chuẩn phép bình phương nghịch đảo hiệu dụng xem xét kích thước hữu hạn của lõi nguồn

TG-43 xem xét hai trường hợp đơn giản để tính toán phân tích của hàm hình học: (a) xấp xỉ nguồn dòng, khi đó lõi nguồn được coi là một nguồn dòng lý tưởng (xem Hình 8.1b), và (b) xấp xỉ nguồn điểm, nơi lõi nguồn đƣợc coi là một nguồn điểm lý tưởng (xem Hình 4.1a)

4.4.1 Trường hợp nguồn dòng (xấp xỉ đoạn thẳng)

Hình 4.10 tóm tắt hình học đƣợc xem xét để cho ra biểu thức phân tích của hàm hình học, khi lõi phóng xạ được coi là gần giống một đoạn thẳng lý tưởng, đƣợc trải dài từ z = - L s /2 đến z = + L s /2

Hình 4.10 Hình học và các tham số nguồn dòng

Hình 4.10 Hình học và các tham số đƣợc sử dụng cho ra biểu thức phân tích của hàm hình học cho nguồn dòng (gần giống một đoạn thẳng), lõi phóng xạ của nguồn được coi là một đoạn thẳng lý tưởng, kéo dài từ z = - L s /2 đến z = + L s /2

(xem thêm Hình 4.1c) Một phần tử nguồn dl nằm dọc theo trục z, đƣợc định tâm tại điểm z l Tích phân trong miền thể tích trong, Công thức 4.11 bây giờ đƣợc thay thế bằng tích phân từ đường từ z = - L s /2 đến z = + L s /2, Công thức 4.27 và Công thức

4.28, ở đó hằng số phóng xạ trên mỗi đơn vị chiều dài ρ 1 dọc theo L s đƣợc giả định sao cho ρ 1 (z 1 ) = ρ 1 cho -L s /2 Z 1 + Ls /2

Giả sử một sự phân bố phóng xạ đồng đều dọc theo L s , hằng số phóng xạ trên mỗi đơn vị độ dài ρ 1 , tích phân trong mẫu số trong phương trình 4.11 là

(4.27) Trước khi tính tích phân trong miền xác định của hàm hình học, điều sau có thể đƣợc viết dựa trên hình học thể hiện trong hình 4.10:

Từ đó chúng ta có

Dựa vào hình 4.10: và do đó kết hợp các phương trình trên với phương trình 4.11, hàm hình học G(r,θ) cho nguồn dòng (xấp xỉ đoạn thẳng) đƣợc cho bởi biểu thức

(4.28) So sánh hình 4.6 và hình 8.10 có thể thấy rằng và là góc phụ thuộc điểm quan tâm P(r,θ) và hai đầu của lõi phóng xạ, luôn luôn trong đơn vị radian

Theo công thức 4.28, hàm hình học G(r,θ) đối với nguồn dòng là đối xứng với điểm tham chiếu đến 90 0 Sự phân bố góc của G(r,θ) tới hai bên của góc cực tham chiếu 90 0 là hình ảnh phản chiếu của nhau:

Hình 4.11 Sơ đồ so sánh trên mặt phẳng y - z của nguồn dòng (xắp xỉ đoạn thẳng)

Hình 4.11 Sơ đồ so sánh trên mặt phẳng y - z của nguồn dòng của hàm hình học thu được bằng cách sử dụng phương trình 4.28 với hàm hình học 3D thu được bằng cách sử công thức góc của G( ⃗ nhƣ đƣợc mô tả trong công thức 4.11 Một nguồn có lõi phóng xạ hình trụ với đường kính 0,06 cm và chiều dài 0,35 cm (Nguồn microSelectron HDR loại cổ điển 192 Ir)

Nếu chúng ta kết hợp nguồn dòng với hàm hình học nhƣ đƣợc mô tả bởi Công thức 4.28 với công thức TG-43 đƣợc cho bởi công thức 8.16, chúng ta có đƣợc công thức 2D TG-43 Điều quan trọng cần lưu ý là để sử dụng công thức 2D, sự định hướng của nguồn trong không gian phải đƣợc biết đến

4.4.2 Nguồn xấp xỉ nguồn điểm