Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Hiệu chỉnh quá trình chuẩn liều nhằm tối ưu hóaquá trình lập kế hoạch máy Leksell Gamma Knife C - bệnh viện Chợ Rẫy

Nhưng đến thời điểm thực hiện luận văn này thời hạn bảo hành sản phẩm đã hết thờihạn bảo hành là 5 năm ké từ ngày hoạt động nên công việc kiếm chuẩn không cònđược hỗ trợ từ phía nhà cung

LUU XUAN TINH

HIEU CHINH QUA TRINH CHUAN LIEU NHAM TOI UUHOA QUA TRINH LAP KE HOACH MAY LEKSELL

GAMMA KNIFE C - BENH VIEN CHO RAY

Chuyên ngành: Vat Ly KỹThuật Mã số: 60 44 17

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2016

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Huynh Quang Linh

Cán bộ cham nhận xét 1 : TS Nguyễn Thế Thường

. -Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS LY Anh TÚ << «xxx eeeeeess

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bach Khoa, DHQG Tp HCM

ngày 24 tháng 01 năm 2016.

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi r6 họ, tên, học ham, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

. -Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LƯU XUAN TINH -5 5 s55 5sssc<2 MSHV:12054922

Ngày, tháng, năm sinh: 08-09-1987 << <<++2 Nơi sinh: Đăk Lăk

Chuyên ngành: Vat lý kỹ thuật -ĂĂ S2 s+sss Mã số : 60 44 17 I TÊN DE TÀI: HIỆU CHINH QUÁ TRINH CHUAN LIEU NHẰM TOI UU HÓA

QUA TRINH LAP KE HOACH MAY LEKSELL GAMMA KNIFE C - BENHVIEN CHO RAY

Il NHIEM VU VA NỘI DUNG:- Gidi thiệu phương pháp đo va hiệu chuẩn suất liễu cho thiết bị Leksell Gamma

Tp HCM, ngày 24 thang 01 năm 2016

CÁN BO HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA(Họ tên và chữ ký)

Đề luận văn này được hoàn thành như ngày hôm nay là nhờ sự dạy bao, diu dắt,hướng dẫn và giúp đỡ rất nhiều của các thầy cô trường Dai học Bách Khoa Tp HồChí Minh, các anh chị và các đồng nghiệp đang công tác tại đơn vị Gamma Knife —khoa Ngoại Thần Kinh và khoa Ung Bướu — bệnh viện Chợ Ray Tôi vô cùng biết

ơn và xin gui lời cảm ơn sâu sac đền:

Thầy Huỳnh Quang Linh, là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôitrong suốt quá trình thực hiện luận văn Thầy không chỉ giúp tôi xác định hướng đitrong quá trình thực hiện luận văn mà còn hỗ trợ tôi về các kỹ năng đọc, dịch tàiliệu và kỹ năng thực nghiệm, tính toán, mô phỏng số liệu

Tập thé các thay, cô giáo và các cán bộ viên chức đang công tác tại trường Đại họcBách Khoa Tp Hỗ Chí Minh, là những người đã giảng dạy, hỗ trợ tôi trong suốt

quá trình học tập và thực hiện luận văn.

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.s Nguyễn Minh Tú — hiện đang công tác tại don

vị Gamma Knife — người đã hướng dan tôi phương pháp và quy trình thực hiện do

đạc thực nghiệm, hồ trợ tôi về tính toán sô liệu và tài liệu tham khảo cho luận văn.

Chân thành cảm ơn các anh chị, các đồng nghiệp trong đợn vị Gamma Knife — bệnh

viện Chợ Ray và các anh chi trong khoa Ung Bướu — bệnh viện Chợ Ray đã hỗ trợ

tôi về các thiết bị thực nghiệm giúp đỡ tôi trong quá trình đo số liệu thực nghiệm tại

đơn vị.

Tp Hỗ Chí Minh, tháng 01 năm 2016

Lưu Xuân Tình

điều trị tại các trung tâm Gamma Knife Trong đó việc do suất liều hấp thụ thực tếtrên thiết bị nhằm so sánh với suất liều thể hiện trên phan mém lap kế hoạch là côngviệc quan trọng hang đầu Trong luận văn này phương pháp đo suất liều được chúngtôi thực hiện là sử dụng buồng ion hóa Thimble model 9732-2 đặt trong phantomcầu polystyrene Buông ion hóa Thimble model Ø732-2 được chuẩn chéo thông quabuông ion hóa Farmer TN 30013-2245 theo tài liệu hướng dẫn TRS-398 của IAEAtại khoa Ung Bướu — bệnh viện Chợ Ray Quy trinh do suất liều được thực hiệntheo protocol TRS-398 của IAEA Chúng tôi thực hiện hai lần đo suất liều vào cácngày 06/04/2014 và 19/07/2014, thời gian mỗi lần đo là 10 phút, ghi nhận chỉ sốđiện tích trên electrometer mỗi phút một lần Số liệu được xử lý và so sánh với suấtliều trên phan mém lap kế hoạch, với sai số lần lượt hai lần đo là 1,74% và 1,31% Chúng tôi cũng đồng thời sử dụng chương trình PENELOPE để tính toán, môphỏng suất liều theo phương pháp Monte Carlo Kết quả từ quá trình mô phỏng chothay sai số nhận được là 1,49% và 1,97% Như vậy cả hai phương pháp trên đều cósai số nam trong giới hạn cho phép (3%) chứng tỏ ta có thé sử dụng phương pháp

thực nghiệm và phương pháp mô phỏng cho những ứng dụng hiệu chỉnh, tính toán

liều điều trị, tính toán phân bó liễu vv với độ tin cậy phù hợp

effect of treatment at Gamma Knife center For this purpose, the experimental

measurement of actual dose rate in comparing with dose rate set up for Leksell

GammaPlan software (LỚP) is the most important procedure This thesis introducesthe method of dose rate measurement using Thimble (model 9732-2) ionization

chamber placed at the center of a polystyrene spherical phantom This chamber hasbeen calibrated (cross calibration) by Farmer ionization chamber (TN 30013-2245)

at Radiation Oncology — Cho Ray hospital, following by IAEA TRS-398.

Experimental measurement of absorbed dose rate was performed two times on06/04/2014 and 19/07/2014 The result that showed on electrometer was recorded

every | minute of the 10 minutes measurement duration These data were processed

and compared to results from LỚP Deviation results of 2 measurements are 1.74 %and 1.31% respectively Mont Carlo simulated measurements using PENELOPE

program to calculate dose rate for the time on 06/04/2014 and 19/07/2014 were

performed as well The results from mentioned simulations showed the deviationvalues of 1.49% and 1.97% The deviations of both experimental and simulation

methods are within permissible limit (<3%) Thus, we can use the results from the

two methods above to calibrate dose, calculate the treatment doses and calculate thedose distribution etc

DANH MỤC HÌNH ANH E111 E191 9191 1E 911151 11 9111512113 1g xi 2

DANH MỤC BANG BIEU G1111 9191 1 1E 911121 1E 1111 11 go 4

MỞ ĐU SG 1T H11 T110 TT HT TT TT HT gi 5

CHUONG I TONG QUAN VE XA PHẪU BANG GAMMA KNIFE 7

1.1 Giới thiệu chung về xạ phẫu bang Gamma Knife 5- + 5255252 5s+s+see: 71.2 Các thành phân chính của thiết bị Leksell Gamma Knife C - 55: 91.2.1 Khối che chắn nguÖn ¿5+ 252 +E+E+EE£E£E£EEEEEEEEEEEEErErrkrrrrererree 10589/000 -:ÕÖ1 118 neo 0 :::1+11iTLSÀS 121.2.4 Hệ thống ống chuẩn trực (collimator) và helmet 5s s 2 s+sss¿ 121.2.5 Hệ thống định vị mục tiêU 2 - - + + 2E 2EEEEEEEESEEEEkEkEkEEEEekerrkrrrree 14

1.2.6 Khung định VỊ c 1 1 ng và 16

1.2.7 Bàn điỀUu trị - tk 11x ST 11T TT TT HT ng reg l61.2.8 Hệ thong máy tính -¿ + 5£ +E+E+EE+E£ESEEEEEEE E231 E111 111 re 171.3 Quy trình điều trị xạ phẫu băng Leksell Gamma Knife . 5-5: 171.3.1 Kiểm tra thiết bị trước khi điều trị - ¿+ + E+E+E+E+E+EeEekekekeeeeeecees 181.3.2 Gắn khung định Vi ccc ccccsescscscsesescssssssesescscssssesescsessssseseseeteen 181.3.3 Chup hình sọ não và kiểm tra chất lượng hình ảnh - 181.3.4 Lập kế hoạch điều tri cccccccccscscsessssssessesesessesssessesesessssssesssscseessssseeeeees 191.3.5 Tiến hành chiếu tia - - s E112 531191 E111 21 26 51811581 gxgxei 19

CHƯƠNG II CƠ SỞ LY THUYET VE GAMMA KNIFE TRONG XA TRỊ 21

2.1 Cơ sở vật lý phóng XẠ - - - cọ nọ và 21

2.1.1 Tia gamma và các nguồn phát tia gamma + 5-5552 s+s+sss¿ 21

2.I.I.[ Tia Øaimmma << << 0 re 21

2.2 Tương tác của bức xạ gamma với vật S0 242.2.1 Tán xa kết hợp - c6 t1 S123 15151311 111121515 111111131111 11 0111111 gye 25

2.2.2 Hiệu ứng quang điỆn - - << - G1001 ng ng 25

2.2.3 Hiệu ứng Compton (tan xạ CompfOR)) << «s5 SA 355 26

2.24 Hiệu ứng tạo CặP - ng vớ 27

2.3 Tác dụng sinh học của bức xạ gamma với cơ thể sống - 28

2.3.1 Giai đoạn Vat Ý - LH HH 292.3.2 Giai đoạn hóa ÌÚ <0 nà 29

2.3.2.1 Sự hình thành các sốc 00099 “+1 302.3.2.2 Tác dụng của các gốc tự do lên ADN ¿c5 ccccscscs¿ 302.3.3 Giai đoạn hóa sinh — Quá trình sửa chữa tốn thương cua AND 31

2.3.3.1 Cơ chế sửa chita sess eecsesssessessseseseseesseeseeessseseeesesesaseseeesetenenseees 31

2.3.3.2 Quá trình sửa chỬa -c c1 S111 1n vn cv va 31

2.3.3.3 Phan loại các ton thương do bức Xa veces sessesesesteeseseseees 32

2.3.4.1 Tác động lên nhiễm sắc thé ccccccccseeceescsessescscssssseseseessessees 332.3.4.2 Tác động lên tẾ bàO - +: 1E S123 15151111 1111125 1111k, 332.3.4.3 Sự hồi phục ở mức toàn thân Ă S34 342.4 Nguyên tắc vật lý trong xạ phẫu băng Leksell Gamma Knife - 34

24.1 Nguyên lý phẫu thuật định vị 5- 5 +s+s+s+cecceeeerererererrrserred 34

2.4.2 Cơ sở liều lượng bức xạ trong xạ phẫu Gamma Knife -. 36

2.4.2.1 Liều hấp thu (absorbed dOSe) 5 2 2 55E+£+£2£E£E£Ezesrersred 3624.2.2 Đường đồng liều (isOdOS€) - ¿5 552 S2 SE 3 E2 SEEcEEErkerrrkred 372.4.2.3 Thể tích nhận liều (dose volume) s6 s se sEsxsxzezecxe 38

VIEN CHO RAY tt 1119191 E5 5191515111 E111 xnxx ree 39

3.1 Tổng quan quy trình -¿- - ¿+ + +E+EEE+E£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEETErkrkrrrrrree 393.2_ Kiểm tra và hiệu chuẩn suất liỀU - -G ¿+ E2 EESE#ESE SE EeESEEESESEEeEseseseree 403.2.1 Phần mềm lập kế hoạch điều trị (Leksell GammaPlan) - 403.2.1.1 Suất liều (Dose raf€)) óc 1112111 511111511 Enxskrerrei Al

3.2.1.2 OutPut Factors (OPEF) - Q11 SH 11 1v vn 11v xe 42

3.2.2 Quy trình kiểm tra và hiệu chuẩn suất liỀUu - - +c+ccs+s+szs+2 423.2.3 Phương pháp đo liều lượng đối với thiết bị LGK - 5-5: 433.2.3.1 YOU cầu VỀ Sai SỐ - ¿+22 S221 31151111111 711111 111111111 xck 43

3.2.3.2 Protocol IAEA TỊRS-39 -QQQQQ HH HH nh se 41

a Hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia 5- s55 55c: 45

b Giá trị MỌ - S23 1 E3 311115151111 111111 1111011101111 01 11T gy 0 45

c Nhiệt độ và áp suất ¿-¿- + + Sex t1 E1 1 1515111111111 re 45d Chuẩn electrometer c cccccccccccscscsssscssesessesesseseesesessesessesesseseeseseeaes 46e Anh hưởng của sự phân CUC ¿25+ + s+x+c++s+xsrererree 46

f Sự tái MOP IOI - - c9 và 47

ø Hệ số chuẩn buông ion hóa - 225252 s+E+£+£ezxeezscsee 463.2.4 Hệ thiết bị sử dụng đo suất liỀU - 5-5-5 25252232 EEEEcEeErrxrkrkrree 483.2.4.1 Buôồng ion hóa -5- 5S 2t2S* 3932121112121 2121 111 48

a Buông ion hóa Farmer TN 30013-2245 25-55555552 49b Buông ion hóa Thimble model 9732-2 2-5- + 52552 503.2.4.2 Phantom câu Polystyrene ccccccccscsscsessssssessesesessesssessesesesseseseesesen 53

3.2.4.3 Electrometer MAX — 400Ö - TQ SH se 53

3.2.5 Tiến hành do và tinh toán Kết Qua cccccsescceseessseseesssessesesessesesesseseseesesen 543.2.5.1 Tóm tat quá trình đo suất liỀU -¿ -5- ceseeeseesesseeeeeeeen 543.2.5.2 Lần đo suất liễu thứ nhất (06-04-20 1⁄4) - - 6s csxsese£ersesed 553.2.5.3 Lần đo suất liều thứ 2 (19-07-20 144) 2s c+s+e xe xeEseserersees 58

PENELUOPPE G - ĂG 0 Họ vn 63

4.1 Phương pháp Monte Carlo và chương trình Penelope - << s<+ 63

4.1.1 M6 tả chương trình mô phỏng PENELOPPE - 5 5S eeess 65

4.1.2 Câu trúc của chương trình chính (MAIN program) và sự lựa chọn thông sỐ

0989/00: 07277 = 69

4.1.3 Giới thiệu các chương trình chính trong thư mục MAIN 7]

4.2 Mô phỏng tính suất liêu cho thiết bị LGK C tại bệnh viện Chợ Rẫy 71

KET LUAN - S111 1E 5111919111 5 11115111 TH T111 11T HH2 ng nen: 78

TÀI LIEU THAM KHẢO G1 E 12t E5 919191 1 E111 91 51 1 E111 neo 79

Digital Imaging and Communications

Digital subtraction angiography

Electron gamma shower

Formula Translation

Geometry and Tracking

Gamma knife

International Atomic Energy Agency

International Atomic Energy Agency Technical Reports Series

Linear energy transfer

Leksell Gamma Knife

Leksell GammaPlan

Monte Carlo N-particle

NST Nhiễm sắc thé

OPF OutPut Factors

PENELOPE Penetration and energy loss of Positrons and Electrons

PET Positron emission tomography

QA Quality assurence

DANH MUC HINH VE

Hình 1.1 Các thế hệ máy Leksell Gamma Knife của công ty Elekta 9

Hình 1.2 Cấu trúc của máy LGK CC - + + ©+++SE+E+E+EEEEEEEEEEEvErrkrkrkrrrrerree 10

Hình 1.3 Khối che chắn nguồn của LGK C (a), hình chụp khối nguồn LGK C (b) 11

Hình 14 Hình cắt dọc của đầu máy thiết bị LGK C - 2 ¿52 25s+c+£scscscs2 11

Hình 1.5 Các thành phan cau tạo của một bộ nguồn Cobalt-60 - 12

Hình l6 Bốn loại collimator được sử dụng trong thiết bị LGK C -5-s: 13

Hình 17 Helmet được gắn toàn bộ 201 collimator đường kính trong 8 mm 13

Hình 1.8 Helmet collimator 14 mm được gan vào bàn điều trị -s-sccsssse: 14

Hinh1.9 He thong trunnion dé dinh vi muc tiéu đúng với tọa độ trong kế hoạch

005 15

Hinh 1.10 Khung dinh vi trong xa phau 67 16

So đồ phân rã phóng xạ của Cobalt-60 -. - + 2522 x+E2££Ecxztsrersrsred 24

Hiệu ứng kết hợp . - ¿E1 212321 15111 1121115151111 1111111011111 te 25

Hiệu ứng quang điỆn - - (<< + + 1199991010101 1199 90 1n re 26

Khung định vị trong xạ phẫu GK, nguyên lý định vị tọa độ 35

Hộp định vị để tạo các điểm đánh dau trên hình anh CT, MRI, DSA 35

a Biểu đỗ thé hiện sự suy giảm của đường isodose theo khoảngcách tính từ isocenter, b Đường isodose hiến thị trên LGP khi lậpkế hoạch điều tFỊ - s31 9312121 E111 1E 111128 1E ng rke 38

Suất liều trên phan mềm LGP ngày 31-3-2014 tại đơn vi Gamma Knife

bệnh viện Chợ Rẫy - E52 S2 SE 1212 5151515111111 1111111110 41

Phatom cầu polystyren tại đơn vị GK-bệnh viện Chợ Ray ¬— 53

Electrometer MAX-4000 tại khoa Ung bướu — bệnh viện Chợ Ray ¬ 53

Thông số suất liều trên phan mềm LGP ngày 06-04-2014 58

Suất liều hap thụ trên phan mềm LGP ngày 19-07-2014 - 61

Nội dung dữ liệu đầu vào glk.in ¿5- c2 2 E2EcEErrkrkrrrrees 72

Phân bố liều theo độ sâu =1 EE S312 vEEEEEvcv gvgv cv ree 73

Hình 4.5 Kết quả phân bồ liễu và điện tích theo độ sâu và bán kính 75

DANH MỤC BANG BIEU

Bang 2.1 Sự tác động của các hiệu ứng lên co thé và phan ứng của co thé 28

Bang 3.1 Chu ky va cac thu tuc cần QA tai các đơn vi Gamma Knife 39

Bang 3.2 Hệ số OPF của 4 loại €OllitafOT - 5-6 se SE EeEsEeEeeeerersesed 42

Bảng 3.3 Hệ số ao, ai, a2 dùng tính toán hệ 86 ks ¿2- 55252 222s+£+£zzsrsced 47

Bảng 3.4 Kết quả điện tích ghi nhận bởi Electrometer đối với thời gian đo

LO PAU 55

Bang 3.5 Kết quả điện tích ghi nhận bởi Electrometer đối với thời gian đo

LO PAU 58

Bang 3.6 So sánh suất liều đo được và suất liều trên phan mềm LGP 62

Bang 4.1 So sánh suất liéu do thực nghiệm, suất liều trên phan mém LGP va

suất liễu tính băng mô phỏng Monte Carlo ccsccsessssesesseseseesesssessesesees 76

Xa phẫu Gamma Knife là phương pháp điều trị các bệnh lý về não như u mang não,u các dây thần kinh chức năng não, các dị dạng mạch máu não, ung thư di căn lên não.Phương pháp điều trị này đã được đưa vào áp dụng từ khá sớm và hiện nay được sửdụng tại rất nhiều quốc gia trên thế giới Theo thống kê đến 2008 trên thế giới đã cókhoảng 259 trung tâm xạ phẫu Gamma Knife Và theo nhiều công trình nghiên cứutrên thế giới cho thấy rằng phương pháp này hiệu quả và an toàn hơn rất nhiều khi điềutrị các bệnh lý về não và các bệnh về dị dạng mạch máu não so với các phương pháp

như phẫu thuật, xạ trị LINAC

Tại Việt Nam, tháng 10 năm 2006 Bệnh viện Cho Ray đã lần dau tiên lắp đặt thiếtbi xạ phẫu Gamma Knife tại đơn vi Gamma Knife khoa Ngoại Than Kinh Trai quagan 8 năm di vào hoạt động, đơn vi Gamma Knife đã điều trị xạ phẫu cho hơn 3500trường hợp mắc các bệnh lý về não, góp phân rất lớn vào công tác chăm sóc sức khỏecộng đồng

Hệ máy Leksell Gamma Knife model C tại bệnh viện Chợ Ray su dung 201 nguonCobalt 60 (CoTM), chu kỳ bán rã của CoTM là T12 = 5,272 năm, mỗi nguồn có hoạt độphóng xa khoãng 30 Ci (gan bằng 11,1 x 10!° phân rã/giây) Với việc sử dụng cácnguồn Co? là những nguồn phóng xạ có hoạt độ lớn, tia phóng xạ tác dụng trực tiếplên bệnh nhân cũng như nhân viên làm công tác điều trị Do đó đi kèm với quy trìnhđiều trị đòi hỏi độ chính xác cao thì thiết bị cũng phải được kiểm chuẩn định kỳ một

Nhưng đến thời điểm thực hiện luận văn này thời hạn bảo hành sản phẩm đã hết (thờihạn bảo hành là 5 năm ké từ ngày hoạt động) nên công việc kiếm chuẩn không cònđược hỗ trợ từ phía nhà cung cấp thiết bị.

Do đó dé tài “HIỆU CHINH QUÁ TRINH CHUAN LIEU NHẰM TOI UU HÓAQUÁ TRÌNH LẬP KÉ HOẠCH MÁY LEKSELL GAMMA KNIFE C - BỆNH VIỆNCHO RAY” được thực hiện dé đánh giá các thông số về liều lượng tính toán theo lýthuyết của nha sản xuất, hiệu chuẩn quá trình chuẩn liều trên thiết bị nhằm tối ưu hóaquá trình lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân Với mục tiêu đó đề tài bao gồm các nội

dung như sau:

Phan mở đầu

Chương 1: Tổng quan về xạ phẫu bang Gamma Knife

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về Gamma Knife trong xa trị

Chương 3: Quy trình chuẩn liều và đảm bảo chất lượng điều trị cho thiết bị Leksell

Gamma Knife C tại bệnh viện Cho Ray

Chuong 4: M6 phong chuan liéu cho thiét bi Leksell Gamma Knife C tai bénh vién

Cho Ray bang chuong trinh Penelope

Kết luận va hướng phát triển

1.1 Giới thiệu chung về xa phẫu bang Gamma Knife

Xa phẫu (radiosurgery) bang tia gamma là phương pháp sử dung các tia bức xagamma chiếu tập trung vào mục tiêu cần điều trị Các tia gamma rat nhỏ sau khi quacác ống chuẩn trực hội tụ tại một điểm như một quả cầu nhỏ với đường kính từ 4 mm,8 mm, 14 mm đến 18 mm [4], nên thiết bị xạ phẫu được gọi là dao gamma (GammaKnife) Phương pháp xạ phẫu băng tia gamma là phương pháp phẫu thuật không xâmlan, sử dụng năng lượng bức xa của tia gamma để loại bỏ tác nhân gây các bệnh ở não

và mạch máu não.

Được nghiên cứu và phát triển từ những năm 1950 bởi Lars Leksell, đến nay thiếtbi xạ phẫu bằng tia gamma đã được phát triển lên nhiều thế hệ máy hiện đại, đạt nhiềuthành công trong điều trị Các mốc lịch sử quan trọng về sự hình thành và phát triển

của Gamma Knife [40]:

- Nam 1951: Nha phau thuat than kinh nguoi Thuy Dién, giao su LarsLeksell đã dé xuất phương pháp phẫu thuật “xạ phẫu định vi ba chiều”(stereotactic radiosurgery), sử dụng tia bức xạ để tiêu diệt mục tiêu gây ra mộtsố bệnh ở não

- Nam 1968: Thiết bị xạ phẫu băng tia gamma (Gamma Knife) dau tiêntrên thế giới được giới thiệu, đặt tại học viện Karolinska, Stockholm, ThụyĐiền Thế hệ Gamma Knife dau tiên này sử dụng 179 nguồn Cobalt-60 (Co)để phát tia gamma

- Nam 1974: Sau sự thành công của thiết bị đầu tiên, Leksell cùng cácđồng nghiệp tiếp tục cho ra đời thiết bi Gamma Knife thứ hai, lần này ông van

thể điều trị những bệnh về mạch máu (dị dạng mach máu não: Arteriovenousmalformation, viết tắt là AVM) bên cạnh điều trị các khối u não Có được sựtiến bộ trên là nhờ sự ra đời của công nghệ chụp cat lớp vi tính (Computedtomography: CT) vào đầu những năm 1970.

- - Những năm 1980: Các thiết bị Gamma Knife thứ ba và thứ tư ra đời vớinhiều cải tiễn quan trọng như tăng số nguồn Cobalt-60 từ 179 nguồn lên thành201 nguon, sử dung ba loại mủ định hướng chùm tia (collimator helmet) lầnlượt có đường kính là 4 mm, 8 mm và l4 mm Chiếc thứ ba đặt tại BuenosAires, Argentina, chiếc thứ tu đặt tại Sheffield, Anh

- Nam 1987 thì bản thương mại đầu tiên của thiết bị Gamma Knife docông ty Elekta độc quyền sản xuất được giao, đặt tại Đại hoc Pittsburgh, bảnthương mại này được bố sung thêm collimator helmet đường kính 18 mm và

được gọi là phiên bản Leksell Gamma Knife U (còn gọi là Leksell GammaKnife A) Năm 1988 bản thương mai thứ hai được gọi là Leksell Gamma Knife

B, đặt tại bệnh viện Karolinska, với sự thay đổi trong cách bồ trí các ống chuẩn

trục (collimator) trên helmet so với phiên bản U.

- Nam 1990: Đưa chương trình lập kế hoạch liều điều trị với tên gỌI “

Leksell GammaPlan” vào sử dụng.

- Nam 1996: Đưa kỹ thuật kết hợp hình anh CT và hình ảnh cộng hưởng từ(MRI) vào phần mềm lập kế hoạch Leksell GammaPlan (LGP) Cũng trong nămnày tại Trung Quốc đã phát triển hệ thống Gamma quay (Rotating gamma

system).

- Nam 2000: Thiết bi Gamma Knife thế hệ tiếp theo ra đời, được đặt là

phiên bản Leksell Gamma Knife C (LGK C), cùng với đó là đưa vào sử dụng hệ

thong định vi tu động (Automatic Positioning System: APS) cho việc dichchuyén vị trí đầu bệnh nhân trong quá trình điều trị

ảnh cắt lớp nhờ phát xa positron (Positron emission tomography: PET).- Nam 2006: Thế hệ máy Leksell Gamma Knife Perfexion ra đời, đây đượccoi là thiết bị hiện đại hơn rất nhiều so với các phiên bản trước khi hệ thôngcollimator helmet được tích hợp gắn liền với đầu máy, sử dụng 3 loại collimator4 mm, 8 mm và 16 mm, số nguồn Cobalt-60 giảm xuống chỉ còn 192 nguồn.

Hình 1.1 Các thế hệ máy Leksell Gamma Knife của công ty Elekta (nguồn

http://ecatalog.elekta.com)

1.2 Các thành phân chính của thiết bi Leksell Gamma Knife C

Leksell Gamma Knife model C (LGK C) là thế hệ thương mại thứ 3 của công tyElekta, đây là thiết bị được trang bị tai đơn vị Gamma Knife, khoa Ngoại Thần Kinh,

bệnh viện Chợ Rây So với các phiên bản trước, phiên bản này có nhiêu cải tiên đáng

kể, cả về thiết bi phần cứng và chương trình phần mềm lập kế hoạch điều trị Các bộphận chính của thiết bị LGK C được trình bày ở các phan sau đây [9]:

1 Nguồn Cobalt-60 5 Collimator helmet

2 Ong chuẩn trực 6 Bàn nằm bệnh nhân

3 Khối bêtông che chăn 7 Dé bàn4 Cửa nguồn

Hình 1.2 Cấu trúc của máy LGK C (nguồn www.medschool.Isuhsc.edu)

1.2.1 Khối che chắn nguồn

Khối che chan nguồn của máy Leksell Gamma Knife C là một khối bê tông hìnhcầu bao phủ khối trung tâm Mặt trước của khối che chan có cửa nguồn làm băng thépkhông gi dé đóng mở trong quá trình điều trị, cửa nguồn là bộ phận che chắn phóng xađảm bảo an toàn cho nhân viên điều trị cũng như bệnh nhân Ngoài ra khối che chăncòn có các bộ phận kết câu cơ học và các đầu kết nối nguồn điện, bộ điều khién Tổngtrọng lượng của khối che chắn khoấng 17 tan [9], duoc thé hién qua hinh 1.3

Khối che chắn nguồn là lớp che chan chính dé ngăn phóng xa phát ra xung quanhđồng thời là giá đỡ chứa khối trung tâm

Hình 1.3 (a) Khối che chăn nguồn của LGK C [3], (b) hình chụp khối che

chăn nguồn (bệnh viện Chợ Ray)

1.2.2 Khối trung tam

Khối trung tâm có hình dạng là một nửa khối cau kim loại, làm bằng thép không gi,năm ở giữa khối che chắn nguồn như hình 1.4 Khối trung tâm là bộ phận chứa 201kênh nguồn Cobalt-60 và các ống chuẩn trực so cấp (primary collimator), thông quacác collimator sơ cấp này mà các chùm tia gamma từ các kênh nguồn được định hướnghội tụ tại một điểm Khối trung tâm được thiết kế sao cho các collimator thứ cấp trênhelmet khớp với các collimator sơ cấp của khối trung tâm khi điều trị [37]

Hình 1.4 Hình cắt dọc của đầu máy thiết bị LGK C (nguồn

www.medschool.lsuhsc.edu)

1.2.3 Nguồn Cobalt-60

Nguồn Cobalt -60 được đặt trong các bộ nguồn, có cau tao khá phức tạp Mỗi bộnguồn bao gồm 18 viên nguồn có đường kính 1 mm, chiều cao 1 mm được xếp trongba ống thép không gi hình trụ như trong hình 1.5 [3] Các ống thép lần lượt được lồngvào nhau, có gan các nút đậy và được cô định vào khối trung tâm của thiết bi thông quamột ống lót (bush) Các ông thép không gi này cũng giúp định hướng để chùm tia hộitụ tại một điểm và ngăn các bức xạ không mong muốn phát ra xung quanh Khoảngcách từ tâm mỗi bộ nguồn đến điểm hội tụ là 400 mm và như nhau cho tất cả các bộnguon [7Ì

Hình 1.5 Các thành phân cầu tạo của một bộ nguồn Cobalt-60 (nguồn

http://ecatalog.elekta.com)

Mỗi bộ nguồn có hoạt độ khoảng 30 Ci, thiết bi LGK C có 201 bộ nguồn nên cótong hoạt độ là khoảng 6000 Ci, tạo ra tại điểm hội tụ một suất liều khoảng 3 Gy/phút

[3].

1.2.4 Hệ thong ống chuẩn trực (collimator) va helmet

Thiết bi LGK C sử dụng hai hệ thống collimator, hệ thống collimator so cấp đượccô định trong khối trung tâm, gan khớp với các bộ nguồn tạo thành các kênh nguồn,mỗi kênh nguồn có một collimator định hướng nên có tổng cộng 201 collimator tạothành hệ thông collimator sơ cấp

Đề tăng tính chính xác và đảm bảo an toàn trong điều trị, thế hệ LGK C được trangbị thêm 4 loại collimator thứ cấp (final collimator) Các collimator này là những ốnghình trụ được gan trên một mũ kim loại gọi là helmet, mỗi helmet chỉ sử dụng một loạikích thước collimator gọi là collimator helmet Trên mỗi helmet có 201 lỗ tròn dé gắn

201 collimator, các collimator này có hình dạng và kích thước bên ngoài như nhau, chi

khác ở đường kính lỗ tròn bên trong, nơi mà chùm tia gamma sẽ đi qua để hội tụ tạitiêu điểm Có 4 loại collimator với các đường kính trong lần lượt là 4 mm, 8 mm, 14

mm và 18 mm, do đó cũng có 4 loại collimator helmet tương ứng như hình 1.6 [26]

4mm 8mm 14mm 18mm

Hình 1.6 Bồn loại collimator được sử dụng trong thiết bi LGK C [26]

Vẻ mặt lý thuyết có thé gan các collimator khác nhau lên cùng một helmet, tuynhiên dé thuận tiện cho việc tính toán liều lượng trong lập kế hoạch và xác định đườngđồng liều nên mỗi helmet chỉ gắn duy nhất một loại collimator như hình 1.7

Hình 1.7 Helmet được gắn 201 collimator cùng đường kính hoặc có thé gắn các

collimator có đường kính khác nhau-hình chụp tại bệnh viện Chợ Ray

Ngoài ra trong một số trường hợp đặc biệt có thé thay một số collimator trên helmetbăng những “nút chắn tia” (plug), có kích thước tương tự như các collimator nhưngđược làm đặc để ngăn chùm tia gamma di qua, nhằm tránh chiếu tia lên các mô lànhquan trọng hoặc dễ tốn thương (thân não, dây thị, đôi thị ) Cac collimator và nut bitđược làm bang hop kim vonfam (hay còn gọi là tungsten).

Tuy theo bệnh ly và kích thước mục tiêu cần xạ phẫu mà nhân viên xạ trỊ lựa chọncollimator helmet phù hợp Các helmet có khả năng tháo rời giúp cho việc thay thếcollimator dễ dàng hơn, khi điều trị helmet được gan cố định vào ban điều tri như hình

1.8.

Hinh 1.8 Collimator helmet 14 mm duoc gan vao ban diéu tri- hinh chup tai bénh

vién Cho Ray

1.2.5 Hé thong dinh vi muc tiéu

Kỹ thuật xa phẫu định vị mục tiêu thông qua không gian ba chiều (hay còn gọi là3D) bang hệ tọa độ Descartes 3 chiều X, Y, Z Do điểm hội tu của các chùm tia là cỗđịnh nên để thay đối tọa độ của điểm hội tụ lên mục tiêu cần chiếu ta phải dịch chuyểnvị trí đầu bệnh nhân Điều này được làm thông qua việc sử dụng một hệ thong dinh vithu công (trunnion system) hoặc hệ thong dinh vi tu dong APS

Hệ thống Trunnion là những thanh kim loại được chia đơn vị theo hệ tọa độDescartes như hình 1.9, khi điều trị, các thanh trunnion này được gan cô định lêncollimator helmet trên bàn điều trị, đầu bệnh nhân được cố định vào các trunnion theođúng tọa độ đã lập kế hoạch, sau khi một tọa độ được chiếu xong (gọi là một shot)nhân viên xạ trị sẽ điều chỉnh sang tọa độ khác bằng phương pháp thủ công Hệ thốngtrunnion cho phép góc quay dau bệnh nhân thay đổi từ 50° đến 140°, giá trị trục X là từ50 em đến 150 cm, trục Y là từ 27 em đến 170 cm, trục Z là từ 40 em đến 166 cm [9].

Hình 1.9 Hệ thong trunnion dé dinh vi muc tiéu đúng với tọa độ trong kế hoạch

điều trị (hình chụp tại bệnh viện Cho Ray)

Hệ thống định vị tự động (APS) là một hệ thiết bị có khả năng tự động dịch chuyểntọa độ điều trị từ các lệnh trên máy tính Các tọa độ cần chiếu tia sau khi được thiết lậptrên phần mém lập kế hoạch sẽ được chuyển sang cho máy tính chạy chương trình điềutrị, chương trình này sẽ đưa ra các lệnh dé APS tự động dịch chuyển đúng với các toađộ trong kế hoạch điều trị được lập trước đó Hệ thống APS chỉ giới hạn các góc quay72°, 90°, 110° và 125° và các giá trị trục X từ 59 cm đến 141 cm, trục Y từ 40 cm đến160 cm, còn với trục Z từ 58 em đến 142 em (đối với Low) và từ -11 em đến 77 cm(đối với High)

Mỗi hệ thống đều có những ưu khuyết điểm riêng do đó tùy theo bệnh lý và kếhoạch điều trị mà hệ thong nào được cân nhac dé sử dụng hoặc có thé kết hợp cả hai hệthống trong một kế hoạch điều trị.

1.2.6 Khung định vị

Là một khung kim loại hình chữ nhật (như hình 1.10) thường bằng nhôm, được gancô định lên đầu bệnh nhân trong suốt quy trình điều trị Bốn góc được gan vào 4 thanhthăng, có chiều dài thay đối và có thé điều chỉnh độ cao của các thanh sao cho phù hợpvới vị trị của tốn thương Bệnh nhân được chỉ định điều trị sẽ mang khung từ lúc bắtđầu cho đến khi quá trình điều trị kết thúc

Khung định vi sẽ được gan thêm các loại hộp định vi tùy theo loại hình anh cần thuthập dé phục vụ cho quá trình lập kế hoạch Các loại hình ảnh thường được sử dụng làMRI, CT, DSA (ảnh chụp mach mau xóa nên) cho nên sé có các loại hộp định vi thíchhợp cho từng loại hình ảnh Những bộ định vị này được đồng bộ theo hệ tọa độDescartes với hệ thống APS và Trunnion của máy LGK [5]

Hình 1.10 Khung định vị trong xạ phẫu GK (nguồn http://ecatalog.elekta.com)

1.2.7 Bàn điều trị

Bàn điều tri được thiệt kê như một giường năm của bệnh nhân, là một bộ phận của

thiết bị LGK Đối với thế hệ LGK C và các thế hệ trước, bản điều trị là bộ phận để cố

định collomator helmet khi điều trị Bàn có khả năng dịch chuyển lui — tới và lên —xuống giúp tạo tư thế thoải mái cho bệnh nhân trong quá trình điều trị.

1.2.8 Hệ thông máy tính

Hệ thống máy tính lập kế hoạch: Thiết bị được trang bị một hệ thống máy tính lậpkế hoạch, hỗ trợ các chức năng như: nhập hình ảnh CT, MRI, DSA, hỗ trợ lập kế hoạchđiều trị, xuất kế hoạch điều trị sang máy tính điều trị Máy tính lập kế hoạch chạy hệđiều hành LINUX với phần mềm lập kế hoạch Leksell GammaPlan phiên bản 5.34

(Leksell GammaPlan wizard 5.34)

Hệ thong may tinh diéu tri: Bao gom mot may tinh diéu khién chạy hệ điều hànhWindown XP, bàn điều khiến và màn hình quan sát phòng điều trị Máy tính điều trịnhận kế hoạch điều trị từ máy tính lập kế hoạch, điều khiển quá trình điều trị tự độngnếu dùng APS, bán tự động nếu dùng Trunnion

Ngoài ra để thực hiện cũng như đảm bảo hiệu quả và an toàn cho một ca điều trị tạiđơn vi Gamma Knife còn phải có rất nhiều các thiết bị, phụ kiện đi kèm hỗ trợ như bộdụng cụ kiểm tra đảm bảo chất lượng thiết bi, các bộ 6n định và lưu trữ điện thé, các xedịch chuyển helmet

1.3 Quy trình điều trị xạ phẫu bang LGKQuy trình xạ phẫu bằng LGK là một chuỗi các hoạt động nối tiếp nhau bao gồm

[30]:

- _ Kiểm tra đảm bao chất lượng thiết bi hàng ngày trước khi điều trị- Dat khung định vi cô định lên đầu bệnh nhân

- Chup hình sọ não bệnh nhân

- Pam bảo chất lượng hình ảnh sọ não- _ Xác định vi trí và thé tích tốn thương- Lap ké hoach diéu tri

- _ Tiến hành chiếu tia điều trị theo kế hoạch được lập

- Thao khung định vi, cho bệnh nhân nghỉ ngơi.

1.3.1 Kiếm tra thiết bị trước khi điều trị

Do tính chất đặc biệt của việc điều trị xạ phẫu là sử dụng các tia bức xạ do đó thiếtbị LGK phải được kiểm tra đảm bảo chất lượng (quality assurance: QA) hàng ngàytheo yêu cầu của Ủy ban quản lý hạt nhân Hoa Kỳ (U.S Nuclear RegulatoryCommission: NRC) trước khi điều trị [36]

Những công việc kiểm tra phải được thực hiện trước khi điều trị gom có: kiểm tramáy dò phóng xạ cô định, bộ điều khiến máy dò, kiểm tra máy dò phóng xạ cầm tay,màn hình quan sát bệnh nhân, hệ thống thông tin liên lạc của máy LGK, độ khép kíncửa phòng đặt thiết bị, bộ đếm giờ, nút dừng khan cấp, hiển thị trang thái chùm tia, cácthanh đỡ khi cần giải phóng bệnh nhân, chạy thử hệ thống APS, kiểm tra vi công tắctrên helmet và cần trục nâng helmet [35 |

1.3.2 Gan khung định vị

Khung định vị sẽ được cố định lên đầu bệnh nhân băng các định vít kim loại, cácđinh này sẽ gan cố định vào phần sọ giúp giữ khung chắc chan trên đầu bệnh nhân.Khung được đặt sao cho tổn thương càng xoay quanh vi trí trung tâm của hệ tọa độ 3chiều Descartes (X= 100, Y = 100 và Z =100) càng tốt

1.3.3 Chup hình sọ não va kiểm tra chat lượng hình anh

Bệnh nhân sau khi đã gắn khung định vi sẽ được chụp hình sọ não phân ton thuong,đối với thế hệ LGK C hình ảnh thường chụp là ảnh cộng hưởng từ (Magneticresonance imaging: MRI), tuy nhiên trong trường hợp bệnh nhân không thé chụp MRIsẽ được chỉ định chụp CT, ngoài ra đối với các bệnh nhân bị dị dạng mạch máu não

(Arteriovenous Malformations: AVM) sẽ được chỉ định chụp thêm ảnh mạch máu xóa

nên (DSA) nếu cần thiết

Các hình ảnh MRI, CT và DSA sẽ được nhập vào máy tính lập kế hoạch, thông quanhững hình ảnh này bác sĩ sẽ xác định vị trí và thé tích của ton thương Sau đó các kỹsư vật lý sẽ lập kế hoạch điều trị cho bệnh nhân trên hình ảnh đã được xác định tốnthương Nhờ kỹ thuật tái tạo ảnh 3D mà phân mềm lập kế hoạch sẽ đồng bộ vị trí tonthương theo hệ tọa độ Descartes với hệ thống APS và Trunnion.

1.3.4 Lập kế hoạch điều tri

Các kỹ sư vật lý sẽ sử dụng phần mém Leksell GammaPlan dé lập kế hoạch điều trịcho bệnh nhân Từ vi trí và thé tích tốn thương đã được xác định, các kỹ sư vật lý sẽđặt các shot (quy định cho một lần chiếu tia) sao cho đường đồng liều mong muốn(thường là đường 50%) bao phủ ton thương tối đa nhất có thé Tùy theo tốn thương va

liêu chỉ định của bác sĩ xạ phau mà kê hoạch điều trị có một hoặc nhiêu shot.

Khi lập kế hoạch các kỹ sư vật lý phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàntrong điều trị bằng bức xạ, quy tắc quan trọng nhất là “điều trị với hiệu quả toi đanhưng đảm bảo an toàn cao nhất cho các mô lành”

1.3.5 Tiến hành chiếu tia

Kế hoạch điều trị sau khi được duyệt sẽ được chuyển qua máy tính điều trị, là máytính điều khiến thiết bị LGK Các kỹ sư vật lý sẽ chọn các collimator helmet có trongkế hoạch để gan vào ban điều trị, sau đó tiễn hành chạy thử các vi trí theo như kế hoạchđiều trị nếu là sử dụng hệ APS Đối với những vi trí APS không thé đáp ứng thì có thểđược thay thế bằng Trunnion

Nếu sử dung APS thì máy tính sẽ điều khiến APS tự động thay đổi tọa độ giữa cácshot, néu sử dung Trunnion thì các nhân viên xa tri sẽ vào điều chỉnh tọa độ các thanhtrunnion băng tay giữa các shot Quá trình được lặp đi lặp lại cho đến khi kết thúc kếhoạch điều trị

Trong quá trình điều trị bệnh nhân sẽ được theo dõi, giám sát thông qua hệ thốngcamera theo dõi và hệ thông micro — loa của thiết bị Sau khi kết thúc quá trình chiếutia, bệnh nhân sẽ được ra ngoài để tháo khung định vi.

Bức xạ gamma là bức xạ điện từ nên nó có tính chất lưỡng tính, vừa có tính sóngvừa có tính hạt với khối lượng bang không, được gọi là các photon Năng lượng của

một tia gamma được cho bởi phương trình sau:

104 108 1012 1015 1016 1018 1020

Hình 2.1 Bước sóng và tan số của tia gamma (http://www.ducksters.com)

2.1.1.2 Các nguồn phát tia gamma

Khi một hạt nhân phóng xạ phân rã ÿ' hoặc B* , chúng thường kèm theo việc phátcác tia gamma như: hạt nhân Rubidi-86 (RbŠ5), Cerium-144 (Ce!), Natri-22 (Na”?)

Sơ đồ phân rã của Rb® được thé hiện qua hình 2.2, trong đó xác suất dé Rubidi-86phát bức xa Bh với mức năng lượng 1,77 Mev dé trở thành Stronti-86 (Sr®°) bền vững là88%, xác suất dé Rubidi-86 phát B với mức năng lượng 0,70 Mev để trở thành Stronti-

86 ở trạng thái kích thích là 11%, từ trạng thái kích thích của Stronti-86 nó sẽ phát bức

xạ gamma năng lượng 1,07 Mev với xác suất là 8,8% để trở về trạng thái bền vững

[39]

867b 188d\

\\

\ 1.07 MeV

\

ELet |

\ | gấu

\ | °

86c, ¿sgSf (stable)

Hình 2.2 Sơ đồ phân rã phóng xạ của Rubidi-86 thành Stronti-86 [39]

Khác với hạt nhân Rubidi-86, hạt nhân Natri-22 vừa phat Bt và bat electron, sơ đồphân rã của Natri-22 thé hiện qua hình 2.3, trong đó xác suất phát B* với năng lượng1,82 Mev dé trở thành nguyên tử Neon-22 (Ne??) bên chỉ chiếm 0.06%, xác suất phátB* với năng lượng 0,54 Mev để thành Neon-22 ở trạng thái kích thích chiếm khoảng90%, xác suất bắt electron dé thành Neon-22 ở trạng thái kích thích chiếm gan 10%, từtrạng thái kích thích Neon-22 sẽ phát bức xa gamma năng lượng 1,28 Mev để trở thànhNeon-22 bền với xác suất 100%.

1 28 MeVY

100%

= Ne (stable)

U

Hinh 2.3 So dé phân rã của hat nhân Natri-22 [39]

Ngoài ra hiện tượng hủy cặp cua một electron và một positron khi gặp nhau sẽ phát

ra hai bức xa gamma đối song có năng lượng băng nhau va bằng 0,51 Mev, sự hủy cặpcủa electron-positron thé hiện qua hình 2.4

hv =0.51 MeV

th

Atomicnucleus @ Atomic electron

a hv = 0.51 MeV

2Positron

Hình 2.4 Sự hủy cặp electron-positron tao ra 2 bức xa gamma 0),51 Mev đối song [39|

2.1.1.3 Nguồn Cobalt-60

Thế hệ máy LGK C tại bệnh viện Chợ Rẫy sử dụng 201 nguồn Cobalt-60 để phátbức xa gamma Các nguồn Cobalt-60 này được tạo ra băng cách bắn các notron tronglò phản ứng hạt nhân vào đồng vị bền Cobalt-59, phương pháp này được gọi là kíchhoạt notron đối với đồng vi Cobalt-59 dé tạo Cobalt-60, phản ứng xảy ra theo phương

trình 2.2

Co;, +n, > Coy (2.2)

Cobalt-60 la đồng vị phóng xạ không bên (ở trạng thái kích thích) có chu kỳ bán rãkhoãng 5,272 năm, do đó sẽ có xu hướng phân rã để thành đồng vị bền, Cobalt-60 phânrã B theo 2 xu hướng với xác suất khác nhau, trong đó xác suất phát §' với năng lượng0,31 Mev chiém 99 88%, xác suat phat B năng lượng 1,48 Mev chiém 0.12% So đồphân rã của Cobalt-60 được thé hiện qua sơ đồ hình 2.5

2.2 Tương tác của bức xa gamma với vật chat

Tia gamma có bước sóng cực ngăn nên có khả năng xuyên sâu vào vật chât, khi đi

qua vật chất chùm tia gamma sẽ tương tác với vật chất gây ra các hiệu ứng vật lý như:

tán xạ kết hop (coherent scattering), tan xạ Compton (Compton scattering), sự tạo cặp

(pair production), hiệu ứng quang điện (photoelectric effect) Các hiệu ứng trên khi xảy

ra sẽ gây nên sự ion hóa vật chất đồng thời làm suy giảm năng lượng của chùm photon

2.2.1 Tán xạ kết hợp

Tán xạ kết hợp còn được biết đến với tên gọi là tan xa Rayleigh (Rayleighscattering) hay tan xa cô điển (classical scattering), xảy ra khi bức xạ điện từ (photon)đến và tác động lên một electron liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử, kết quả là photonbị thay đối hướng đi mà không mat năng lượng Hiệu ứng này chỉ xảy ra đối với nhữngphoton có góc tán xạ nhỏ, năng lượng thấp khi đi vào vật liệu có mật độ nguyên tử lớn.Quá trình xảy ra hiệu ứng kết hợp được thé hiện qua hình 2.6:

( ©}

Waa

Hình 2.6 Hiệu ứng kết hợp [19]

2.2.2 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện xảy ra khi photon năng lượng cao đi vào và tương tác với

electron của nguyên tử Toàn bộ năng lượng của photon sẽ bị nguyên tử hấp thụ vàtruyền cho electron làm electron này bật ra khỏi nguyên tử Hiệu ứng quang điện

thường xảy ra với các electron ở các lớp K, L, M hoặc N, động năng cua electron bay

ra được thé hiện qua phương trình 2.3 [24]

E, =hv-E, (2.3)

Trong đó:

Ex: động nang của electron

hy: năng lượng cua photon

Ez: năng lượng liên kết của electron

Khi electron bị bay ra khỏi nguyên tử sẽ hình thành một lỗ trống, nguyên tử ở trạngthái bị kích thích, lúc này electron ở quỹ đạo bên ngoài sẽ lấp đây lỗ trống đồng thờiphát ra tia X, gọi là tia X đặc trưng (characterictic X-rays) Tia X đặc trưng có thé bịhấp thụ bởi nguyên tử và làm phát ra các electron Auger hoặc gây ra các hiệu ứngquang điện thứ cấp Hiệu ứng quang điện được mô tả qua hình 2.7

CharacteristicX-rays

\ Augersi Electrons

¿vw(photon)

ẽ (photo electron)

Hình 2.7 Hiệu ứng quang điện [19]

2.2.3 Hiệu ứng Compton (tan xa Compton)

Hiệu ứng Compton xảy ra khi một photon năng lượng thấp đi vào và tương tác vớielectron liên kết yếu với nguyên tử, kết quả là photon truyền một phần năng lượng làm

electron bay ra khỏi nguyên tử, photon bị lệch hướng một góc o Năng lượng cua

electron bay ra khỏi nguyên tử được cho bởi phương trình 2.4 [17].

a(1—cos@)E=hy (2.4)

”1+zø(—cosø)

1hv = hv

"1+ œ(l—cos Ø) (25)

cos@=(1+ @) tan(g/ 2) (2.6)

Trong đó: E: năng lượng cua electron

hvo: năng lượng photon trước khi va chạm

hv: năng lượng photon sau khi va chạm

hw^ A La ^ Lá = _ 0 re 2 ` 4 2

a: hệ sô được tính theo công thức: 4 = mo? Vol m,c” là năng lượng nghỉ

e

của electron

ø: góc tán xạ của photon so với phương ban đầu

0: góc bay ra của electron so với phương ban dau của photon

2.2.4 Hiệu ứng tạo cặp

Khi photon đi vào tương tác với nguyên tử có thể gây ra hiệu ứng tạo cặp Hiện

tượng này xảy ra khi photon năng lượng từ 1,02 Mev trở lên tương tác mạnh với

trường điện từ của hạt nhân nguyên tử, toàn bộ năng lượng của photon bị mat đi và

sinh ra một cặp gôm một electron mang điện âm (negative electron) và một positron

mang điện dương (positive electron) Động năng trung bình cua electron va positron

nhận được trong hiệu ứng này được cho bởi phương trình 2.7 [19]

B= hv— 2m cˆK 2 (2.7)

Trong do: Z#„ : động năng trung bình cua electron va positron

hv : năng lượng cua photon

2 ~ ~ 2

cˆ : năng lượng nghĩ cua electron

Sau khi được sinh ra, electron có thê bị hấp thụ trong vật liệu còn positron sẽ hủy

cặp khi gặp một electron.

2.3 Tác dụng sinh học của bức xa gamma với cơ thể sống

Khi chùm tia gamma di vào cơ thê sông sẽ tương tác với các nguyên tử của các

phân tử, kết quả là chùm gamma bị suy giảm một phần hoặc mat toàn bộ năng lượngcòn cơ thể chịu các tác dụng sinh học do bức xạ Các tác dụng sinh học này xảy ratrong cơ thé theo một chuỗi liên tục sau khi xảy ra các hiệu ứng vật lý trực tiếp của bứcxạ Những hiệu ứng này có thé được chia thành các giai đoạn nói tiếp nhau kéo dai từ

lúc bức xạ đi vào cơ thê cho đên hàng nhiêu năm sau đó, bang 2.1 thê hiện các hiệu

ứng xảy ra theo thời gian.

Bảng 2.1 Sự tác động của các hiệu ứng lên cơ thể và phản ứng của cơ thé [34]

Giai doan Thời gian Ann hone Ảnh hưởng sau cùng Phản ứng của cơ théaye 10°'° đến 10! Jon héanguyén Hình thành các gốc tự Bảo vệ, tạo enzim

GD Vat lý > , A vỏ wm A

giây tử do trong phân tử trung hòa gôc tự do

Xảy ra các

1012 đến 102 Phản ứng hóa

GD Hóa lý A hoc tao ra thêm Tác động đên ADN Loại bỏ các gôc tự do

play nhiêu loại gdc

tự do khác

GD Hóa sinh Igiâychođến Tác độnglên Gây ra cáctổnthương Sửa chữa hoặc thay

Vài gid ADN trên ADN thê các AND bị hỏng

Gây đột biên, chết tế

re bào, xuât hiện những Xảy ra sự tương tác tê

Vài giờ cho Sự có mặt CẢ hiệu ứng sớm và muộn bào, bồ trợ đáp ứng

GD Sinh hoc roa cac ADN bi A CÀ ae TƯC a "ka?

dén nam sai, hong trên mô, các hội chứng sinh hoc, co chê thích

do phóng xạ trên cơ

thê

nghi

2.3.1 Giai đoạn vật lý

Là giai đoạn xảy ra từ lúc bức xạ gamma bắt đầu đi vào cơ thể, kéo dài khoảng từ10' đến 10°? giây Giai đoạn này bức xạ sẽ tương tác với các electron của nguyên tử,hạt nhân nguyên tử hoặc toàn bộ nguyên tử, bức xạ sẽ truyền một phan hoặc toàn bộ

năng lượng cho môi trường mà nó đi qua Do đó bức xạ tạo ra sự ion hóa và kích thích

thông qua các hiệu ứng vật lý như đã nói trong phan 2.2

Sự ion hóa và kích thích sẽ gây ra các tôn thương cho các tê bao, năng lượng cuabức xạ càng lớn thì tôn thương gây ra càng nghiêm trọng Các câu trúc chịu các tôn

thương là các ADN, ARN, các axít amin, các protein, các enzym, màng tê bào và chu

yếu là các phân tử nước [18], [34]

2.3.2 Giai đoạn hóa lý

Giai đoạn hóa lý bắt đầu khi các gốc tự do được hình thành thông qua việc ion hóahay kích thích các phân tử nước và kết thúc bang việc thay đổi cau trúc và chức năngcủa các phân tử sinh học có trong tế bào Bức xạ có thể tương tác trực tiếp hoặc giántiếp với các ADN, năng lượng bức xạ được hấp thụ trong các phân tử hữu cơ cũng nhưvô cơ Tiếp theo quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ ravùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng nội phân

tử, hoặc từ phân tử này sang phân tử khác.

Sự truyền năng lượng nội phân tử có thé thay đối cau trúc hay phá hủy phân tử sinh

học do việc tách các nhóm chức năng hay làm đứt gấy những phân tử có dạng chuỗi

Quá trình trao đổi năng lượng giữa các phân tử chủ yếu là giữa các phân tử nước, làquá trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do Các gốc tự do này được hìnhthành do sự thủy phân của các phân tử nước dưới tác dụng của bức xạ, các gốc tự dosau đó sẽ công phá gây ra các tốn thương cho các phân tử sinh học

2.3.2.1 Sự hình thành các gốc tự do

Quá trình hình thánh các gốc tự do xảy ra khi các phân tử nước hấp thụ năng lượng

từ bức xạ, gọi là quá trình thủy phân do bức xạ Các ion dương và ion âm được hình

thành do sự ion hóa phân tử nước thé hiện qua phương trình 2.8:

H,O+y = HOH* +e (2.8)

Sau khi được hình thành cap ion có thé tái hợp lại dé trở thành một phân tử bìnhthường hoặc các electron có thể gan vào một phan tu nước trung hoa và tạo ra một loạiion thứ ba, hoặc bị bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước hình thành nên €,, > £01 là tương

duong electron.

H,O+e — HOH (2.9)

Các ion HOH*, HOH’ ở trang thái không bên có thé phân li thành các ion khác nhỏhơn như H*, OH: và các gốc tự do H°, OH°, ngoài ra các ion và các gốc tự do có théphân ly hoặc kết hợp và tạo ra các ion, các gốc tự do khác như: HaOa, HOa, R9,RO> Tuy nhiên sản phẩm chính của quá trình thủy phân do bức xa là H2O2, OH°, H°

Sự hình thành và hoạt động của các gốc tự do bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố: nồngđộ oxy, sự phụ thuộc vào LET (linear energy transfer) của bức xạ, nhiệt độ, các yếu tốhóa học những yếu tô này có thé làm tăng hoặc giảm kha năng hình thành cũng nhưđộ hoạt động của các Ion và các sốc tự do

2.3.2.2 Tác dụng của các gốc tự do lên ADN

Các gốc tự do có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên chúng không thé đi

xa mà chỉ gây tác động lên các ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm Các hiệu

ứng trực tiếp và gián tiếp gây ra các tốn thương cho các ADN: