Xác định liều phân bố liều bức xạ phooton ở lối ra của máy gia tốc Primus- Siemens dùng trong xạ trị

Xác định liều phân bố liều bức xạ phooton ở lối ra của máy gia tốc Primus- Siemens dùng trong xạ trị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -

NGUYỄN THỊ THU HÀ

XÁC ĐỊNH PHÂN BỐ LIỀU BỨC XẠ PHOTON Ở LỐI

RA CỦA MÁY GIA TỐC PRIMUS – SIEMENS DÙNG

TRONG XẠ TRỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2010

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo khoa Vật Lý, khoa KHCN - Sau Đại học Trường Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, chỉ dẫn

em trong quá trình học tập tại trường

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian học tập và thực hiện đề tài

Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song Luận Văn khó tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô, bạn bè và những người quan tâm

T.P Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2010

Học viên Nguyễn Thị Thu Hà

MỞ ĐẦU

Ngay sau khi khám phá ra tia X của Roentgen năm 1895, trong quá trình khởi đầu của kỹ thuật xạ trị, công nghệ phát tia xạ ban đầu chú trọng vào việc tạo ra cường độ và năng lượng chùm electron và photon cao hơn Trong suốt năm mươi năm đầu phát triển kỹ thuật xạ trị, công nghệ xạ trị phát triển khá chậm chạp và chủ yếu dựa trên ống phóng tia X Phát minh về thiết bị điều trị từ xa Cobalt- 60 của H.E Johns vào đầu những năm năm mươi của Thế kỉ XX đã tạo nên bước phát triển lớn trong việc tìm kiếm những nguồn photon năng lượng lớn hơn và thiết bị Cobalt- 60 đã được đặt lên vị trí hàng đầu trong một số năm

Trong thời gian đó, máy gia tốc tuyến tính cũng được nghiên cứu phát triển và nhanh chóng chiếm ưu thế so với thiết bị Cobalt- 60 Cho đến nay máy gia tốc dùng trong xạ trị đã phát triển qua năm thế hệ với độ phức tạp ngày càng tăng và trở thành nguồn bức xạ được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật xạ trị hiện đại hiện nay Với thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả, máy gia tốc tuyến tính rất linh hoạt trong sử dụng, cung cấp các nguồn tia X megevolt hoặc electron cho điều trị với một dải năng lượng rộng đáp ứng được yêu cầu hiện nay Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, các máy gia tốc dùng trong xạ trị đều được kết nối với hệ điều khiển tự động Quá trình chiếu được điều khiển tự động từ hệ máy tính trung tâm cho phép điều chỉnh năng lượng của chùm electron và photon phát ra và kiểm soát được liều và suất liều phát ra

Hiện nay bệnh ung thư đang là một trong những bệnh nguy hiểm với mức độ phát triển rất nhanh trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Do đó, việc chẩn đoán và điều trị ung thư có vai trò vô cùng quan trọng trong chương trình Phòng chống ung thư ở mọi quốc gia Và việc trang

bị thiết bị điều trị, lựa chọn phác đồ, phương pháp điều trị thích hợp là rất cần thiết

Có ba phương pháp điều trị ung thư cơ bản - các phương pháp này có thể áp dụng riêng rẽ hoặc kết hợp với nhau để đạt hiệu quả điều trị cao nhất:

 Phẫu thuật

 Xạ trị

 Hóa trị Trong đó xạ trị là một phương pháp rất hiệu quả, đã và đang phát triển trên toàn thế giới và tại Việt Nam Xạ trị có thể được thực hiện điều trị đơn thuần hoặc kết hợp với phẫu thuật và hóa trị

để loại bỏ hoàn toàn khối u, góp phần làm giảm các triệu chứng đau đớn trên cơ thể người bệnh

Phương pháp xạ trị hiện đại và phổ biến trên thế giới hiện nay là xạ trị chiếu ngoài sử dụng máy gia tốc tuyến tính – đây là phương pháp rất hữu hiệu trong điều trị ung thư

Tháng 1 năm 2001, Bệnh viện K- Hà Nội được trang bị hệ thống máy gia tốc tuyến tính Primus thế hệ mới nhất với nhiều ưu điểm nổi bật của hãng Siemens - một trong những hãng sản xuất thiết bị y tế tốt nhất thế giới Hiện nay trên cả nước đã có thêm một số cơ sở khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị trị như bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viện Đa khoa

Đà Nẵng…Phương pháp xạ trị từ xa sử dụng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển mạnh ở nước ta

Một trong các nguyên tắc cần phải đảm bảo trong điều trị bằng tia xạ nói chung và xạ trị bằng chùm photon phát ra từ máy gia tốc nói riêng là liều bức xạ phải tập trung và đồng đều tại khối

u và giảm thiểu tối đa liều tại các tổ chức lành bao quanh khối u Để có thông tin chính xác trong việc tính toán liều chiếu và hình học chiếu cần phải biết dạng phân bố liều chiếu tại khu vực xung quanh khối u

Xác định liều hấp thụ và phân bố liều của chùm bức xạ phát ra từ máy xạ trị là việc làm hằng tuần của các kỹ sư Vật Lý trong Khoa Xạ Trị tại các cơ sở y tế có điều trị ung thư bằng tia phóng

xạ Ngoài ra kết quả thu được về phân bố của liều chiếu của chùm bức xạ photon phát ra từ máy gia tốc cho biết rõ hơn cơ chế tương tác của electron với vật chất và cơ chế sinh bức xạ hãm khi chùm

electron được gia tốc tương tác với vật chất

Để nâng cao hiệu quả việc điều trị bệnh ung thư bằng chùm photon phát ra từ máy gia tốc electron, ở đầu ra của máy gia tốc xạ trị, người ta sử dụng colimator đa lá để định dạng kích thước của chùm bức xạ photon và gạt bỏ phần phổ bức xạ hãm có năng lượng thấp Vì vậy, theo quy ước, người ta lấy thế gia tốc chùm electron tạo ra chùm photon để chỉ mức năng lượng của chùm photon tương ứng Cụ thế đối với máy gia tốc xạ trị ở Bệnh viện K, chế độ phát chùm photon có 2 mức ứng với thế gia tốc là 6 MV và 15MV, tương ứng ta thu được chùm photon 6MV và 15MV

Bản Luận văn: “ Xác định phân bố liều bức xạ photon ở lối ra của máy gia tốc PRIMUS

- Siemens dùng trong xạ trị” có nhiệm vụ:

- Tìm hiểu cơ chế tương tác của chùm bức xạ photon với vật chất và ứng dụng của bức xạ photon trong điều trị bệnh ung thư

- Tìm hiểu cơ chế sinh bức xạ hãm khi chùm electron được gia tốc tương tác với bia nặng và đặc điểm chùm bức xạ photon phát ra từ máy gia tốc tuyến tính PRIMUS dùng trong xạ trị tại Bệnh viên K

- Xác định bằng thực nghiệm phân bố liều hấp thụ của chùm bức xạ photon năng lượng 6

MV và 15 MV tại điểm cách bia (nguồn) 100cm, ứng với vị trị bệnh nhân nằm điều trị với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đó đánh giá sự đồng liều hấp thụ tại khối u

Ngoài phần mở đầu và kết luận, Bản Luận văn được chia thành ba chương:

Chương 1: Phương pháp xạ trị dùng tia gamma Chương này trình bày cơ sở vật lý và sinh

học của xạ trị dùng bức xạ photon, quá trình tương tác của bức xạ photon với vật chất và với các cơ thể sống, tác dụng sinh học của bức xạ, các đơn vị đo liều lượng bức xạ

Chương 2: Máy gia tốc Primus- Siemens dùng trong xạ trị Chương này trình bày ngắn gọn

về nguyên lý hoạt đồng và sơ đồ cấu tạo của máy gia tốc dùng trong xạ trị, cơ chế lấy chùm bức xạ photon từ máy gia tốc electron để phục vụ việc điều trị bệnh ung thư

Chương 3: Xác định bằng thực nghiệm:

- Phân bố liều chiếu bức xạ photon theo khoảng cách

- Phân bố liều của chùm bức xạ photon năng lượng 6 MV và 15 MV trên các mặt phẳng vuông góc với trục của chùm bức xạ ở ngoài không khí và trong phantom, từ đó đánh giá sự đồng liều hấp thụ tại khối u

- Xây dựng đường cong liều sâu phần trăm hay đồ thị phân bố liều hấp thụ tương đối theo chiều sâu trong phantom nước, từ đó thấy hiệu quả của việc điều trị các khối u sâu dùng chùm photon

CHƯƠNG 1 PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG TIA GAMMA

1.1 TƯƠNG TÁC CỦA ELECTRON VỚI VẬT CHẤT

Khi chùm bức xạ bêta đi trong môi trường chúng tương tác với các nguyên tử của môi trường

và mất dần năng lượng của mình do hai quá trình chủ yếu là ion hóa do va chạm và phát bức xạ hãm

Sự mất năng lượng do va chạm là kết quả tán xạ không đàn hồi của bức xạ bêta với electron nguyên tử của môi trường Khác với hạt nặng tích điện, bức xạ bêta có khối lượng bằng khối lượng electron, do đó sau mỗi lần tương tác với electron nguyên tử của môi trường, hạt bêta có thể mất phần lớn năng lượng của mình Ngoài ra, góc tán xạ biến đổi từ 00 đến 1800 Đường đi của hạt bêta trong môi trường là đường zic-zắc Trên đường đi năng lượng của bức xạ bêta giảm dần nên vận tốc của nó cũng giảm dần Hạt bức xạ bêta chuyển động có gia tốc Bức xạ bêta chuyển động có gia tốc trong trong trường Coulomb của hạt nhân và trường Coulomb của electron Theo điện động lực học

cổ điển, bức xạ bêta sẽ phát bức xạ hãm Xác suất phát bức xạ hãm càng lớn khi khối lượng của hạt càng nhỏ, năng lượng càng lớn và nguyên tử số của môi trường càng tăng Độ mất mát năng lượng riêng do phát bức xạ trên một đơn vị đường đi của bức xạ bêta được [6] xác định theo công thức sau :

rad

dE dx

dE dx

mát năng lượng do ion hóa và do phát bức xạ hãm tính trên một đơn vị đường đi

Tùy theo năng lượng của bức xạ bêta và nguyên tử số của môi trường các quá trình mất mát năng lượng do ion hóa hoặc do phát bức xạ hãm thể hiện ở mức độ khác nhau

1.1.1 Sự mất mát năng lượng của bức xạ bêta do ion hóa và kích thích môi trường

Khi đi trong môi trường, do tương tác Coulomb với các electron của nguyên tử môi trường, hạt bêta truyền năng lượng của mình cho các electron Nếu eletron nhận được năng lượng lớn hơn thế năng ion hóa, nó sẽ bay ra khỏi nguyên tử, kết quả một cặp ion-electron được tạo thành Nguyên

tử bị ion hóa Ngược lại nếu năng lượng mà electron nhận được nhỏ hơn thế năng ion hóa của nguyên tử, electron nhảy lên mức năng lượng cao hơn Quá trình này gọi là sự kính thích nguyên tử môi trường

(1.1)

Sau mỗi lần tán xạ không đàn hồi của electron, nó có thể mất một phần đáng kể năng lượng của mình Do khối lượng của bêta bằng khối lượng của electron, nên sau mỗi lần va chạm, xác suất

để bức xạ bêta mất một nửa năng lượng của mình là lớn nhất Độ mất mát năng lượng của bức xạ bêta trên một đơn vị đường đi được [6] xác định theo công thức Bethe-Bloch:

P c m

k k A

Z c m r N dx

e e

e A Col

) 1 ( ln 1

2 2 2

2

trong đó: NA là số Advogadro, re, me là bán kính cổ điển tính ra cm và khối lượng của electron; Z, A

là điện tích và số khối của môi trường,  là mật độ khối của môi trường;

) 1 (

2 ln ).

1 2 ( 8 1

) (

Với bức xạ bêta có năng lượng xác định, độ mất năng lượng trên một đơn vị đường đi tỉ lệ thuận với mật độ của môi trường Với môi trường xác định, độ mất mát năng lượng trên một đơn vị đường đi giảm dần, sau đó đạt giá trị hầu như không đổi

Khi năng lượng của bức xạ bêta nhỏ, sự mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm nhỏ hơn độ mất mát năng lượng do ion hóa Tuy nhiên khi năng lượng của bức xạ bêta tăng, độ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi trường giảm dần, còn độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng dần Đến giá trị năng lượng đủ lớn, độ mất mát năng lượng của bức xạ bêta do phát bức xạ hãm chiếm ưu thế

1.1.2 Độ mất mát năng lượng của bức xạ bêta do phát bức xạ hãm

Khi chuyển động trong điện trường của hạt nhân, bức xạ bêta có thể thu được một gia tốc lớn Gia tốc của hạt tích điện thu được tỉ lệ với điện tích của hạt nhân và tỉ lệ nghịch với khối lượng của nó Theo điện động lực học cổ điển, khi một hạt tích điện chuyển động có gia tốc, thì nó sẽ phát

ra bức xạ điện từ, được gọi là bức xạ hãm Phổ bức xạ hãm là phổ liên tục, có năng lượng từ 0 đến năng lượng cực đại bằng năng lượng của hạt tích điện

Độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm trên một đơn vị đường đi được [6] xác định theo công thức :

2 ln

c m

E r

Z E N dx

dE

e

e rad



(1.2)

(1.3)

(1.4)

trong đó N là số nguyên tử môi trường trong một đơn vị thể tích; E0 là động năng của electron,

137

1



 là hằng số cấu trúc tinh tế, me là khối lượng nghỉ của electron; Z là điện tích của hạt nhân

Độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo hàm logarit tự nhiên của năng lượng Khi năng lượng tăng độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm tăng theo, trong khi đó, độ mất mát năng lượng do ion hóa hầu như không đổi Khi năng lượng của electron cỡ vài MeV trở lên, mối liên hệ giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm và do ion hóa được xác định theo công thức sau:

800

EZ

dx dE dx dE

số giữa độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm và do ion hóa nhỏ hơn đơn vị Khi năng lượng tăng, tỉ số này tăng dần Đến một giá trị năng lượng gọi là năng lượng tới hạn Ec khi đó độ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm bằng độ mất mát năng lượng do ion hóa Tại năng lượng tới hạn E=EC, ta có:

col

dE dx

MeV Z

E C

2 , 1

800





Khi năng lượng của electron lớn hơn nhiều năng lượng tới hạn, sự mất mát năng lượng của

nó chủ yếu do phát bức xạ hãm Để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ bêta của môi trường người

ta đưa ra khái niệm chiều dài bức xạ của môi trường Chiều dài làm chậm bức xạ của một chất là khoảng cách mà năng lượng của electron giảm đi hệ số 1  0 , 367

bức xạ của một chất phụ thuộc vào nguyên tử số và số khối của nó Chiều dài bức xạ kí hiệu là X0được xác định theo công thức [6 ]:

) / ( 287 ln ).

1 (

4 ,

Z Z

trong đó Z là nguyên tử số, A là số khối của nguyên tử môi trường

Đối với môi trường phức tạp nhiều thành phần, chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường được xác định theo chiều dài làm chậm bức xạ của tất cả các thành phần có trong môi trường theo công thức sau:

A q

1

trong đó: Xo là chiều dài làm chậm bức xạ của môi trường phức tạp; Xi là chiều dài làm chậm bức

xạ của môi trường chỉ có nguyên tử có số khối Ai ; qi là hàm lượng của nguyên tử có số khối

là số khối hiệu dụng của môi trường

Khi đi trong môi trường do tương tác của electron với vật chất, năng lượng của nó giảm dần Khi năng lượng của electron lớn hơn năng lượng tới hạn, độ mất mát năng lượng của electron chủ yếu do phát bức xạ hãm Sự thay đổi năng lượng trung bình E như là một hàm của đường đi x của electron trong môi trường, được xác định theo công thức sau:

X

x E

phải cấu tạo sao cho năng suất phát bức xạ hãm là tối ưu

Từ công thức (1.7) cho thấy năng lượng tới hạn tỉ lệ nghịch với nguyên tử số của môi trường Mặt khác từ công thức (1.8) nhận thấy chiều dài làm chậm bức xạ giảm khi nguyên tử số của môi trường tăng Do đó, người ta sử dụng các bia nặng, tức là các bia là các nguyên tố có

nguyên tử số lớn, để làm bia phát bức xạ

Từ công thức (1.10) ta thấy sự mất mát năng lượng của chùm hạt electron tỉ lệ với chiều dài đường đi của nó trong môi trường vật chất, hay năng suất hãm sẽ tăng khi bề dày bia tăng Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng khi bề dày bia tăng sẽ kéo theo nhiều hiệu ứng không mong muốn Khi bề dày bia quá lớn, năng lượng của hạt electron bị mất mát không do phát bức xạ tăng lên Mặt khác, các photon của bức xạ sinh ra sẽ bị hấp thụ một phần ngay bên trong bia Trong các bia có bề dày lớn hơn chiều dài bức xạ thì chùm electron năng lượng cao chuyển động trong đó

sẽ tạo ra hiện tượng mưa rào thác lũ electron - photon làm cho việc tính toán phân bố của chùm tia

(1.9)

(1.10)

tạo ra rất rắc rối, khó thực hiện được Do đó, bề dày bia phải được tính toán thật phù hợp Một bia

hãm phù hợp nhất là bia cho lượng bức xạ hãm lớn nhất ở một năng lượng xác định của electron tới

Khi nghiên cứu sự phụ thuộc của năng suất hãm bức xạ vào bề dày của các bia nặng với mỗi giá trị năng lượng xác định của electron, về cơ bản có thể biểu diễn bằng đường cong có dạng như

hình 1.1

Từ đồ thị ta thấy trên đường cong có một đỉnh cực đại Như vậy, với mỗi chất liệu làm bia, tại một giá trị năng lượng electron xác định có một giá trị bề dày để năng suất hãm bức xạ đạt giá trị lớn nhất Giá trị đó chính là bề dày tối ưu của bia hãm bức xạ bêta Giá trị này được tìm từ thực nghiệm Người ta thấy rằng với electron có năng lượng trong khoảng 5 MeV đến 30 MeV thì các bia nặng có bề dày tối ưu để hãm bức xạ là bằng khoảng 0,3 lần chiều dài bức xạ của nó

0.01 0.1 1 10 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Hình 1.1: Sự phụ thuộc của năng suất hãm vào bề dày bia Au

( với mức năng lượng E e = 17MeV)

Năng suất hãm bức xạ của bia còn phụ thuộc mạnh vào năng lượng của chùm electron Đối với các bia làm bằng nguyên tố nặng, năng suất hãm được [6] xác định bằng công thức :

P 82 E o2 63 (1.11)

trong đó Eo là năng lượng ban đầu của electron

Nói chung bề dày tối ưu của một bia hãm bức xạ thường nhỏ hơn quãng chạy của electron trong môi trường đó

- 8 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 0

2 4 6 8

1 0

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của cường độ trung bình của bức xạ hãm tạo bởi chùm electron

25MeV từ bia Ta có bề dày 4mm vào góc phát xạ

Từ thực nghiệm, người ta xác định được phân bố theo góc phát xạ của bức xạ hãm

Từ hình trên ta nhận thấy cường độ trung bình của bức xạ hãm đạt cực đại tại góc phát xạ 0o

1.2 TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ PHOTON VỚI VẬT CHẤT

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

1.2.1 Hiện tượng hấp thụ quang điện

Khi năng lượng của bức xạ photon lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, hiện tượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng Mỗi photon đến

bị hấp thụ toàn bộ bởi một nguyên tử Năng lượng này được truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử Electron nhận được năng lượng lớn hơn thế năng ion hóa của nó, nên nó bị bứt ra khỏi nguyên tử Electron trên được gọi là quang electron Một phần năng lượng để thắng thế năng ion

hóa, phần còn lại biến thành động năng chuyển động của quang electron

Để xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện đối với một electron nằm ở lớp nào đó của nguyên

tử thì năng lượng của photon bị hấp thụ phải lớn hơn thế năng ion hóa của lớp đó Xác suất xảy ra hấp thụ quang điện được đặc trưng bằng tiết diện hấp thụ quang điện trên một nguyên tử  (cma 2)

Người ta gọi xác suất xảy ra hiện tượng quang điện trên một đơn vị thể tích môi trường chất hấp thụ là hệ số suy giảm tuyến tính của môi trường đối với hiệu ứng quang điện, ký hiệu kq , được [6] tính bằng công thức:

e

-Tia X đặc trưng

e - quang điện Tia gamma tới

Hình 1.3 Sơ đồ hiệu ứng hấp thụ quang điện

a A

A

N

k  .

trong đó: là mật độ môi trường; MA: nguyên tử gam chất hấp thụ; NA: số Avôgađrô

Mặt khác, để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ của một môi trường, người ta thường dùng

hệ số suy giảm khối Hệ số suy giảm khối của một môi trường đối với hiệu ứng quang điện được tính như sau:



 q q

10 01 , 5

10 62 , 1



a   Z

trong đó Z là nguyên tử số của môi trường; IK và IL là thế năng ion hóa của lớp K và lớp L của nguyên tử môi trường

Từ hai công thức trên ta thấy khi Z càng lớn thì hệ số hấp thụ quang điện càng lớn Nghĩa

là hiện tượng quang điện xảy ra mạnh với với các chất có nguyên tử số lớn hay các nguyên tố nặng Mặt khác, khi năng lượng của bức xạ photon tăng thì tiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm E-

3

1.2.2 Tán xạ Compton

Theo sự tăng năng lượng của bức xạ photon, khi tiết diện xảy ra hấp thụ quang điện giảm thì tiết diện tán xạ Compton tăng lên Khi đó, đây là quá trình chủ yếu làm suy giảm năng lượng của bức xạ photon đi trong môi trường vật chất

Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon với các electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trường Trong quá trình tán xạ Compton, photon tới truyền một phần năng lượng của mình cho electron và bị tán xạ theo hướng tạo với phương tới một

góc nào đó gọi là góc tán xạ Kết quả là electron tán xạ nhận được một năng lượng giật lùi và năng lượng của chùm photon thì bị giảm đi

Hình 1.4 Sơ đồ hiện tượng tán xạ Compton

Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lượng của bức xạ photon lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron Khi năng lượng của bức xạ photon tăng, các electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạ nhỏ) Năng lượng của bức xạ photon tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và năng lượng của bức xạ photon tới theo công thức [6]:

) cos 1 (

ưu tiên về phía trước

Khi lượng tử photon bị tán xạ với một góc nhỏ thì năng lượng của nó thay đổi không đáng

kể, lúc đó electron bay theo phương gần vuông góc với nó Khi lượng tử gamma bị tán xạ với góc

180o thì electron bay ra theo về phía trước với động năng cực đại

Xác suất tán xạ Compton theo mọi hướng trên một electron gọi là xác suất tán xạ Compton toàn phần trên một electron được tính theo công thức [6 ]:

2 2

2 3 3

2 2

) 2 1 (

2 8 )

2 1 ln(

2

2 2 2

k k

k k k k k

k k

a A A C

A

Z N M

trong đó, Z và MA là nguyên tử số và nguyên tử lượng của chất tán xạ; NA là số Avôgađrô

1.2.3 Hiện tượng tạo cặp

Khi năng lượng của photon tiếp tục tăng và lớn hơn 1,022MeV, khi photon đi trong vật chất có thể xảy ra hiện tượng tạo cặp Hiện tượng tạo cặp chỉ xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc một electron, trong đó năng lượng của photon được biến đổi hoàn toàn thành các hạt vật chất

Hình 1.5 Hiệu ứng tạo cặp

Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một hạt nhân Khi một photon năng lượng cao bay vào trong trường Coulomb của hạt nhân nó bị hấp thụ hoàn toàn, tạo ra một cặp electron và positron ( e+, e-) Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

2 2

2 2

2

) (

2

.

.

c M M K T c m

K c M T T c m m c M

o e

e e e

  2 m o.c2  1 , 022MeV

Từ đó có thể thấy năng lượng nhỏ nhất của lượng tử gamma để có thể xảy ra hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân là 1,022 MeV Năng lượng này gọi là ngưỡng tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân

( 1.20)

( 1.21)

( 1.22 )

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

Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một electron Khi đó, có hai cặp electron - positron được tạo thành Ngưỡng tạo cặp trong trường hợp này gấp đôi trong trường hợp trong trường Coulomb của hạt nhân, có giá trị là:

MeV c

Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Becquerel, viết tắt là Bq

1Bq tương ứng 1 phân rã trong 1 giâ

Trước đây, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ là Curie, kí hiệu là Ci, liên hệ với đơn vị Bq như sau:

Đối với chất phóng xạ dạng rắn, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ riêng thường dùng là Bq/kg Còn đối với chất phóng xạ dạng lỏng hay khí, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ riêng thường dùng là Bq/m3 hay Bq/l

1.3.2 Liều chiếu và suất liều chiếu

b) Suất liều chiếu

Suất liều chiếu chính là liều chiếu trong một đơn vị thời gian Suất liều chiếu kí hiệu là

trong đó X là liều chiếu trong thời gian t

Đơn vị đo suất liều chiếu trong hệ SI là C/kg.s Tuy nhiên, trong thực nghiệm, đơn vị đo suất liều chiếu thường dùng là R/h hay R/h

1.3.3 Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ

a) Liều hấp thụ

Tác hại của bức xạ lên cơ thể phụ thuộc vào sự hấp thụ năng lượng bức xạ và gần đúng tỉ lệ với nồng độ phần trăm năng lượng hấp thụ trong mô sinh học Do đó đơn vị cơ bản của liều bức xạ được biểu diễn qua năng lượng hấp thụ trên một đơn vị khối lượng của mô Khái niệm liều hấp thụ không chỉ dùng cho đối tượng sinh học mà còn dùng cho một môi trường vật chất bất kì

Liều hấp thụ, kí hiệu là D, là tỉ số giữa năng lượng trung bình dE mà bức xạ truyền cho vật chất trong thể tích nguyên tố và khối lượng vật chất dm của thể tích đó:

dm dE

Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là Gray (kí hiệu là Gy) 1 Gy bằng năng lượng 1 June truyền cho 1kg vật chất:

Qua các định nghĩa, ta nhận thấy giữa liều hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ tuyến tính với nhau:

Đơn vị đo suất hiều hấp thụ trong hệ SI là Gy/s hoặc rad/s

1.3.4 Liều tương đương và suất liều tương đương

a) Liều tương đương

Cùng liều hấp thụ tác dụng sinh học của các loại bức xạ khác nhau là khác nhau Để đặc trưng cho khả năng tác dụng sinh học của bức xạ trong an toàn bức xạ nói chung và trong xạ trị nói riêng ta dùng liều tương đương

Liều tương đương H là đại lương để đánh giá mức độ nguy hiểm của các loại bức xạ bằng tích của liều hấp thụ D với hệ số chất lượng (Quality Factor) đối với các loại bức xạ Ủy ban Quốc

tế về bảo vệ bức xạ ICRP ( International Commission on Radiation Protection) đặt lại tên hệ số chất lượng là trọng số bức xạ (RadiationWeighting Factor) và kí hiệu là WR Khi đó giữa liều hấp thụ và liều tương đương được liên hệ với nhau theo biểu thức sau:

1 Sv = 1 Gy WR (1.38) Ngoài Sv, liều tương đương thường dùng là rem:

Bảng 1.1 Trọng số bức xạ W R đối với một số loại bức xạ [2], [6]

b) Suất liều tương đương

Suất liều tương đương H* là liều tương đương trong một đơn vị thời gian:

t

H

trong đó H là liều tương đương trong thời gian t

Đơn vị suất liều tương đương trong hệ SI là Sv/s Đơn vị khác là Sv/h, Sv/h, rem/s hay

rem/h

Lưu ý: Khi định nghĩa liều tương đương, chúng ta đã coi tất cả các mô sinh học hay cơ quan

trong cơ thể có cùng một độ nhạy cảm bức xạ

1.3.5 Độ truyền năng lượng tuyến tính

Năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trong vật chất chưa đủ để đặc trưng cho hiệu ứng sinh học

xảy ra trong vật chất Thực nghiệm chỉ ra rằng các hiệu ứng sinh học phụ thuộc vào sự phân bố

năng lượng đã bị hấp thụ trên đường đi của bức xạ trong vật chất

Để đặc trưng cho sự phân bố độ mất mát năng lượng bức xạ trên đường đi trong vật chất,

người ta dùng khái niệm độ truyền năng lượng tuyến tính, ký hiệu là LET Độ truyền năng lượng

tuyến tính, được xác định theo công thức:

dl dE

trong đó dE là độ mất mát năng lượng trên quãng đường dl

Bảng 1.2 Giá trị LET trung bình trong nước của một số bức xạ ion hóa [2]

Bức xạ Bức xạ gây ion hóa môi trường LET

(KeV/m)

Mật độ các ion /1m

Tia X (30KeV-180KeV) Electron thứ cấp 3,2 100 Tia X 8 KeV Electron thứ cấp 4,7 145 Tia anpha 5,5 MeV Ion hóa trực tiếp 120 3700

Trong hệ SI, đơn vị đo độ truyền năng lượng tuyến tính là J/m hay keV/m

Sự phân bố năng lượng hấp thụ của bức xạ trong vật chất còn phụ thuộc vào bản chất của

mỗi loại bức xạ Đối với bức xạ ion hóa gián tiếp, độ truyền năng lượng tuyến tính nhỏ hơn nhiều so

với bức xạ ion hóa trực tiếp

1.3.6 Liều giới hạn

Khi tiếp xúc với các chất phóng xạ hay nguồn phóng xạ, các bức xạ ion hoá, các nhân viên

công tác bị chiếu xạ và nhận được một liều hấp thụ nào đó Tùy thuộc vào liều hấp thụ mà nhân viên

nhận được, bức xạ hạt nhân sẽ ảnh hưởng khác nhau đến họ Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên

làm việc, cần phải giảm ảnh hưởng của các bức xạ Về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, cần đưa ra

những quy định cụ thể về liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên còn có thể làm việc trực tiếp

với nguồn phóng xạ hay bức xạ ion hóa

Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm mà người

làm việc trực tiếp với bức xạ hạt nhân có thể chịu được, không ảnh hưởng đến sức khỏe của bản

thân [1], [2] ,[6]

Theo quy định chung về luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở lên mới được làm việc

trong cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân ICRP đã khuyến cáo công thức tính liều hấp thụ tích lũy cho

phép trong một năm đối với nhân viên chuyên nghiệp làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ [2]:

Trong đó N là tuổi của nhân viên chuyên nghiệp N19, D là liều hấp thụ tích lũy trong một

năm

Bảng 1.3 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép đối với người làm việc với bức xạ [3]

50 mSv/năm 1977 ICRP

20 mSv/năm 1990 ICRP

Theo Pháp lệnh An toàn và Kiểm soát bức xạ hạt nhận của Việt Nam [8], liều hấp thụ tương đương cho toàn thân đối với nhân nhiên làm việc với nguồn bức xạ và bức xạ hạt nhân là 20mSv/năm Trong 5 năm có một năm có thể lên đến 50mSv nhưng tổng liều trong 5 năm liên tục không được vượt quá 100mSv Quy định này phù hợp với quy định của Ủy ban An Toàn Bức xạ Quốc tế

1.4 HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ

Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủ yếu thông qua quá trình ion hóa Kết quả của quá trình ion hóa trong tế bào là tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào, làm tế bào bị biến đổi hoặc bị tiêu diệt [7]

Đối với con người, cấu tạo mô cơ thể chủ yếu là nước Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành các cặp H+ và OH-, các ion này bị kích thích lại tạo ra các ion khác…Năng lượng của bức xạ khi đi qua cơ thể người càng lớn thì số lượng ion tạo ra càng nhiều Các ion này gây ra phản ứng rất mạnh, tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học phổ biến là protein, lipit, ADN làm cho cấu trúc của các phân tử này bị sai hỏng gây ra những hậu quả: kìm hãm hoặc ngăn cản sự phân chia tế bào, làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết hoặc bị biến đổi chức năng hoặc gây đột biến gen, đó là do các tổn thương sau đó có thể làm mất hoặc sắp xếp lại các vật chất

di truyền trên phân tử ADN, làm chết tế bào Trong đó quá trình làm chết tế bào là quá trình quan trọng nhất trong việc điều trị ung thư

Các tác dụng sinh học do tia xạ tạo ra kéo dài rất nhiều so với thời gian hấp thụ năng lượng Quá trình hấp thụ năng lượng diễn ra trong khoảng 10-10 s còn các hiệu ứng sinh học kéo dài từ vài giây đến vài năm.Tùy theo liều lượng bức xạ mà cơ thể hấp thụ ít hay nhiều mà các biến đổi của các

tế bào có thể phục hồi được hay không Và với cùng một liều lượng bức xạ, nếu hấp thụ làm nhiều lần thì các biến đổi bệnh lí ít xảy ra với các mô tế bào hơn là hấp thụ trong một lần

Sau khi bị chiếu xạ, các tổn thương của tế bào có thể phục hồi Kết quả nghiên cứu cho thấy, các tế bào bình thường (các tế bào lành) có khả năng phục hồi nhanh hơn các tế bào ung thư Khi chiếu một liều lượng phù hợp thì có thể tiêu diệt được các tế bào ung thư còn các tế bào lành vẫn có thể phục hồi lại được [4,5] Người ta xây dựng được biểu đồ sự phụ thuộc của xác suất tiêu diệt tế bào theo liều chiếu có dạng cơ bản như hình 1.6

Hình 1.6 Đường cong xác suất tiêu diệt tế bào theo liều xạ

Từ biểu đồ trên ta thấy rằng nếu liều xạ nằm trong khoảng Do đến Do+ dDo thì chủ yếu các tế bào ung thư bị tiêu diệt còn các tế bào lành bị tiêu diệt không đáng kể

Trong các giai đoạn khác nhau thì sự phản ứng với tia xạ của tế bào cũng khác nhau Theo sinh học, chu kỳ sinh sản của tế bào được chia thành các pha tuần hoàn như sơ đồ trên hình 1.7

Hình 1.7 Các pha trong chu kỳ sinh sản của tế bào

Trong sơ đồ trên, pha S là tổng hợp tế bào; pha G2 là tiền phân chia tế bào; pha M là phân chia tế bào; pha G1 là tiền phân chia tế bào

- Pha S; kéo dài từ 1,5 đến 36h, trong pha này, tế bào kháng tia xạ

- Pha G2: kéo dài từ 30 phút đến 1,5 giờ

- Pha G1: kéo dài hàng tháng

- Pha M: kéo dài từ 30 phút đến 2,5 giờ Đây là pha tế bào nhạy cảm tia xạ nhất

Xác suất tiêu diệt

tế bào

Đối với tế bào u

Đối với tế bào lành

Người ta còn thấy các vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn sẽ nhạy cảm tia xạ hơn, nên khi chiếu

xạ, người ta làm cho vùng cần được chiếu được cung cấp nhiều máu hơn

Bằng việc nghiên cứu sự phản ứng của các mô tế bào khi bị chiếu xạ và các quá trình phát triển, phân chia của tế bào để xác định độ nhạy phóng xạ trong các giai đoạn người ta xây dựng nên

cơ sở sinh học cho kỹ thuật xạ trị Tất cả các kỹ thuật xạ trị đều phải đảm bảo liều lượng tối đa đạt tại khối u và giảm thiểu liều lượng tới các mô lành xung quanh

1.5.PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG TIA GAMMA

1.5.1 Khái niệm và mục đích của xạ trị

Điều trị bằng tia xạ (xạ trị) là quá trình điều trị có sử dụng bức xạ ion hóa hoặc tia phóng xạ cho quá trình điều trị nhiều bệnh khác nhau Mục đích của xạ trị là nhằm đưa một liều phóng xạ rất chính xác tới một thể tích bia đã xác định với một mức độ tổn thương nhỏ nhất cho các mô lành bao quanh, kết quả là sẽ loại trừ bệnh tật, kéo dài được sự sống hay cải thiện chất lượng cuộc sống Do

đó, kỹ thuật xạ trị được xây dựng để chữa bệnh hoặc làm nhẹ bớt những biểu hiện của bệnh tật một cách hiệu quả

ứng dụng quan trọng của bức xạ trong y tế

Phẫu thuật, xạ trị và hóa trị là 3 phương thức điều trị ung thư chủ yếu hiện nay

Xạ trị được chọn khi phẫu thuật khó hay không thể thực hiện được (ung thư đầu, cổ, cổ tử cung), hoặc khi muốn duy trì chức năng của các cơ quan (vú, thanh quản, hậu môn), hay để giảm đau

1.5.2 Các hình thức xạ trị

Có ba hình thức xạ trị:

 Xạ trị ngoài: nguồn phát bức xạ nằm ngoài cơ thể, xa khối u

 Xạ trị áp sát: các nguồn phóng xạ nằm trong cơ thể hay ngay cạnh khối u

 Xạ trị bằng chất phóng xạ: nguồn phóng xạ dạng hở dưới dạng dược chất phóng xạ được tiêm hay uống vào cơ thể, tập trung tại khối u nhờ sự hấp thụ

Nội dung của luận vân đề cập đến phương pháp xạ trị ngoài do đó sẽ đi sâu vào những vấn đề

có liên quan đến phương pháp này mà không đề cập đến các phương pháp khác

1.5.3 Cơ sở của phương pháp xạ trị

Kỹ thuật xạ trị dựa trên một sự kiện thực nghiệm là các tế bào ung thư nhạy cảm với bức xạ ion hóa hơn các tế bào khỏe mạnh

Hiệu quả điều trị được xác định bởi khả năng tiêu diệt khối u và khả năng xảy ra biến chứng cho mô lành

Phương pháp 1:.Dựa trên quan hệ giữa liều và đáp ứng bức xạ của mô ung thư và mô lành để chọn liều điều trị thích hợp

Phương pháp 2:

Hình 1.8 Cách chiếu để mô lành ảnh hưởng ít nhất

Trên hình 1.8 a đưa ra phương pháp xạ trị ngoài với nhiều góc chiếu khác nhau Khi sử dụng góc chiếu khác nhau các mô lành chia nhau chịu ảnh hưởng của chùm tia xạ do đó nó ít bị ảnh hưởng nhất, thể hiện qua sơ đồ 1.8b

1.5.4 Phương pháp xạ trị dùng tia gamma

Với các hạt nặng tích điện như hạt anpha có khả năng ion hóa mạnh nhưng độ đâm xuyên kém, không được sử dụng trong chiếu xạ từ xa

Hạt electron linh hoạt hơn hạt anpha rất nhiều, có độ đâm xuyên cũng khá lớn được sử dụng chiếu xạ ngoài với các khối u nông như ung thư da Mặt khác, khi đi vào độ sâu khoảng 5cm thì liều lượng của chùm hạt electron gần như bằng không, do đó gây tổn hại rất ít đến các mô lành

Tia gamma và tia X gây ra độ ion hóa trong môi trường nhỏ hơn các loại hạt trên, nhưng độ đâm xuyên lại rất lớn do đó hiện nay được ứng dụng chủ yếu trong xạ trị từ xa, chúng có thể tác dụng lên tế bào ở sâu trong cơ thể, để điều trị các khối u sâu Với các u sâu trên 3cm, để giảm liều chiếu ở mặt da và ở các mô lành trên đường đi của chùm tia, người ta chia chùm tia thành nhiều chùm nhỏ chiếu theo các hướng khác nhau sao cho các hướng chiếu được chọn hội tụ tại tâm là

khối u cần điều trị như đã chỉ ra trên hình 1.8a Dùng chùm tia X phát ra từ máy gia tốc, bằng cách quay máy gia tốc chọn hướng chiếu khác nhau cho phép ta thực hiện yêu cầu trên Khi chiếu với góc chiếu khác nhau, các chùm tia phải đảm bảo sự đồng tâm Khi đó liều chiếu tập trung chủ yếu vào khối u, còn các tế bào lành liều chiếu giảm đi rõ rệt so với việc chiếu cố định theo một phương Đây là một trong những ưu việt của xạ trị dùng máy gia tốc

CHƯƠNG 2 MÁY GIA TỐC PRIMUS – SIEMENS DÙNG TRONG XẠ TRỊ

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY GIA TỐC

2.1.1 Lịch sử phát triển

Điều trị ung thư bằng phóng xạ đã được biết đến từ hàng trăm năm nay Về thuật ngữ “gia

tốc” thì đó là một thiết bị tăng tốc chùm điện tử đến một giá trị năng lượng nào đó theo yêu cầu đặt

ra Trong thực tế lâm sàng, người ta sử dụng dải năng lượng từ một vài MeV đến vài chục MeV Ngày nay, các máy gia tốc hiện đại thường sử dụng hai loại bức xạ: chùm electron (qua hệ thống lái tia và các bộ lọc thích hợp) và chùm photon- do chùm electron đập vào bia phát ra bức xạ hãm còn gọi là tia X

Khi máy gia tốc xuất hiện, nó đã trở thành một công cụ vượt trội trong ứng dụng lâm sàng

Từ những năm đầu của thế kỷ 20, xạ trị được áp dụng bằng những nguồn Radium hay những ống tia catode lạnh Một cuộc cách mạng đến với ngành xạ trị khi ống catode Coolidge nhiệt được đưa vào

sử dụng (năm 1913) Các ống Coolidge này hoạt động ở điện áp 140KV, sau đó tăng lên khoảng 300KV, nhưng suất liều của những loại này còn thấp Vì thế, người ta tiếp tục tìm kiếm công nghệ làm tăng năng lượng và suất liều của các chùm tia điều trị Vào những năm 1930, các biến áp đổi tần đã phát triển và được sử dụng như những nguồn cung cấp điện áp cao từ 600KV đến hàng triệu vôn Năm 1931, một máy gia tốc 700KV đã được lắp đặt ở bệnh viện Memorial - New York và một thiết bị tương tự được chế tạo tại viện Công nghệ Califorina năm 1933 Tiếp đến, loại máy đạt đến một triệu vôn đã được thiết kế và lắp đặt tại bệnh viện Bartholornew, Luân Đôn năm 1944 Ngay sau đó, các máy gia tốc sử dụng loại biến áp cộng hưởng đã trở nên thông dụng Công nghệ vi sóng

đã sử dụng rada trước và trong chiến tranh thế giới thứ II chính là cơ sở của việc chế tạo nguồn phát sóng siêu cao tần hoạt động trong các máy gia tốc hiện đại

Trong những năm 1930, loại máy gia tốc tĩnh điện Van de Graaff được chế tạo và sử dụng trong lĩnh vực nghiên cứu hạt nhân Dựa trên nguyên tắc hoạt động của nó, vào những năm 1960, tại công ty Kỹ thuật điện tử Boston Massachusetts người ta đã chế tạo ra hai chiếc máy gia tốc dùng trong lâm sàng Những thiết bị này hoạt động tỏ ra rất ổn định và có hiệu quả Tuy nhiên đến đầu những năm 1970, chúng đã nhường chổ cho loại máy gia tốc hiện đại hơn - máy gia tốc tuyến tính

hay gia tốc thẳng mà ngày nay với tên gọi đơn giản là “linac”

2.1.2 Tình hình ở Việt Nam

Trước đây, việc xạ trị ung thư ở Việt Nam chỉ được thực hiện bằng máy xạ trị Cobalt, một loại máy xạ trị sử dụng đồng vị phóng xạ Cobalt-60, sử dụng các tia gamma, có hai mức năng lượng

1,17 và 1,33MeV Như vậy, trong xạ trị ung thư, loại máy này không cho phép thực hiện kỹ thuật điều biến cường độ (IMRT) không điều trị linh động, hiệu quả với các khối u ở những độ nông sâu khác nhau[1] Tuy nhiên xạ trị chiếu ngoài có các đặc điểm sau:

 Photon có năng lượng càng cao thì khả năng đâm xuyên càng lớn và hiệu quả sinh học càng cao

 Khoảng cách giữa nguồn xạ và da bệnh nhân càng lớn thì sự phân bố liều lượng bức xạ ở

mô bệnh sâu dưới đó càng đồng nhất trong thể tích khối u Tuy nhiên tăng khoảng cách đó

sẽ kéo theo sự suy giảm cường độ chùm tia chiếu tới Để khắc phục sự hao hụt cường độ đó cần có các photon có năng lượng cao hơn

 Tia đâm xuyên càng lớn khi vào cơ thể bệnh nhân càng tạo nên suất liều điều trị trong sâu tốt hơn, đồng thời liều gây hại cho các mô lành trên đường xuyên qua càng ít hơn

 Sự tán xạ (khuyếch tán) ra mô lành xung quanh u càng ít hơn khi năng lượng chùm photon càng lớn

 Chùm tia càng mạnh càng tạo ra mặt phẳng đồng liều (isodose) trong mô bệnh tốt hơn Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là công nghệ vi sóng, các loại máy gia tốc ra đời với những nguồn phát sóng siêu cao tần Trong xạ trị, sự ra đời của máy gia tốc là một bước ngoặt mới trong điều trị ung thư Với máy gia tốc, người sử dụng có thể thay đổi liều xạ trị cho phù hợp với tính chất và độ nông sâu của từng khối u khác nhau

2.1.3 Tiêu chuẩn của máy gia tốc

Các máy gia tốc được sử dụng trong lâm sàng ngày nay được kế thừa từ sự nghiên cứu, cải tiến công nghệ mạnh mẽ trong suốt hơn ba mươi năm qua và khẳng định được giá trị, vai trò của loại thiết bị này Dù có những khác nhau về kiểu dáng chế tạo giữa các hãng sản xuất, song những nguyên tắc yêu cầu trong điều trị cơ bản là giống nhau

Với mục đích ứng dụng trong lâm sàng, một số yêu cầu đặt ra cho các máy gia tốc cần thiết

kế sao cho thỏa mãn những tiêu chuẩn chủ yếu sau đây [4,5]:

o Chùm tia bức xạ phải được xác định rõ và thay đổi được về các kích thước trường chiếu

o Liều lượng bức xạ phải đồng đều bên trong chùm tia

o Liều lượng của thiết bị phát ra phải ổn định không chỉ trong mỗi giai đoạn điều trị mà ổn định trong suốt thời gian sử dụng của thiết bị

o Năng lượng, cường độ vị trí và hướng của chùm tia X hay electron phải được kiểm soát trong điều trị

o Liều lượng tia xạ phân bố trên bệnh nhân phải được đo đạc một cách chính xác

o Chùm tia bức xạ phải điều chỉnh và thay đổi được theo bất kì hướng và vị trí nào trên bệnh nhân

o Để thực hiện được việc hướng chùm tia vào đúng vị trí bệnh nhân thì hệ thống giường điều trị phải chuyển động được theo ba chiều với độ chính xác cao

o Vì việc điều trị thường phải kéo dài nên thiết bị phải hoạt động ổn định và chính xác cao

Độ ổn định là hết sức quan trọng trong mục đích điều trị, để có thể phục vụ được một số lượng lớn bệnh nhân khi đã chi ra một khoản tiền lớn mua sắm thiết bị

o An toàn và ổn định về cơ khí cũng là một thông số hết sức quan trọng

2.2 MÁY GIA TỐC DÙNG TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ NGÀY NAY

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc electron

Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị còn gọi là máy gia tốc Megavolt hay máy gia tốc electron

Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn giản trên hình 2.1 [3]

Hình 2.1 Các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị

Các thành phần chính của một máy gia tốc dùng trong y tế thường được chia thành 5 hệ thống:

 Hệ thống bơm: là một nguồn eletron và được gọi là súng điện tử (electron gun)

 Hệ thống tần số vô tuyến: bao gồm nguồn tần số vô tuyến sử dụng magneton hoặc klyston, bộ điều chế, ống dẫn sóng gia tốc, trong đó các electron được gia tốc và một

§Çu m¸y

®iÒu trÞ

HÖ thèng héi tô, tõ tr−êng l¸i tia

circylator cho phép truyền công suất vô tuyến chỉ từ nguồn đến ống dẫn sóng gia tốc nhưng không theo hướng ngược lại

 Hệ thống thiết bị phụ trợ: bao gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh nước, hệ thống nén khí, hệ thống chất điện môi bằng gas để truyền vi sóng từ bộ phát tần số vô tuyến tới ống dẫn sóng gia tốc và bảo vệ ngăn bức xạ rò

 Hệ thống vận chuyển chùm tia: Hệ thống vận chuyển chùm electron trong chân không

từ ống dẫn sóng gia tốc tới là tán xạ, kết hợp với thiết bị lái từ trường và các thiết bị hội tụ

 Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia: Hệ thống chuẩn trực và theo dõi chùm được đặt trong đầu điều trị, cung cấp hình dạng và theo dõi chùm tia X hoặc chùm tia electron lâm sàng

Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với phần gia tốc là:

 Hệ thống collimator chuẩn thông dụng

 Hệ thống đèn laser xác định trụ quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy

 Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và bệnh nhân

 Hệ thống đo khoảng cách từ nguồn tới da bệnh nhân

 Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị, màn hình thông báo các số liệu liên quan đến việc điều trị

 Hệ thống cho chắn phóng xạ

 Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố

Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc:

 Giường máy có thể điều khiển lên, xuống, quay theo các góc

 Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị

 Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ, máy đo phòng hộ tia xạ…

 Hệ thống làm khuôn chì…

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc electron

Ban đầu, các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ catod của súng điện tử bị nung nóng Sau đó electron được tăng tốc về phía anod đục lỗ để đi vào ống dẫn sóng gia tốc Ở đây, các electron được gia tốc bước đầu bằng trường tĩnh điện Trước khi đi vào ống dẫn sóng, các electron được điều chế thành xung rồi được phun vào ống dẫn sóng

Trong ống dẫn sóng, các electron được gia tốc bằng sóng cao tần Năng lượng truyền cho electron lấy từ bức xạ vi sóng Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng các xung ngắn Bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng - đó là các “van” magnetron hoặc klystron Klystron thường được dùng với các máy gia tốc năng lượng cao với mức năng lượng đỉnh là 5 MV hoặc hơn nữa để gia tốc điện tử Các electron được phun vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng có thể được gia tốc Hệ thống ống dẫn sóng và súng điện tử được hút chân không cao, sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà không bị va chạm với các nguyên

tử khí

Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và không chyển động chính xác dọc theo trục được Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng này Đó là lực đẩy Culomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu, do sự lắp ghép không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm, do tác động của các điện từ trường ngoài… Do đó, chùm electron gia tốc phải được lái một cách chủ động Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ chùm tia theo quỹ đạo thẳng Sau đó là các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên các electron

để dẫn chùm tia đi đúng hướng theo ống dẫn sóng, từ đó hướng ra ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng tới bia tạo ra tia X

Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron, thì chùm tia electron gia tốc được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ Sau đó được tán xạ trên các lá tán xạ hoặc được từ trường quét

ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường hợp điều trị cụ thể Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phẳng, nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp Liều lượng được kiểm soát bằng các detector

Còn nếu ở chế độ phát tia X thì chùm electron đã gia tốc được uốn theo một đường cong thiết

kế để đập vào bia Chùm tia electron có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên

tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, nguyên tử số, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định lượng phù hợp

Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và chế độ phát electron Do đó về mặt cơ khí được cấu tạo để có thể thay đổi từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm photon Trong quá trình hoạt động, khi hãm các chùm electron, bia tia X bị nóng lên, do

đó cần hệ thống làm nguội bằng nước

Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế hệ thống cơ khí chuyển động linh hoạt như cần máy và giường điều trị Các hệ thống này đều được kiểm soát an toàn bằng một chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau