Đồ án môn học quá trình và thiết bị

Đồ án môn học quá trình và thiết bị

THÔNG TIN VỀ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1 Họ và tên học viên: ĐÀO ĐÌNH BÌNH 2 Giới tính: Nam

3 Ngày sinh: 28 tháng 08 năm 1978 4 Nơi sinh: Hải Phòng

5 Quyết định công nhận học viên cao học số:………… , ngày … Tháng … năm…

6 Các thay đổi trong quá trình đào tạo:

7 Tên đề tài luận văn: Phân bố liều hấp thụ trong phantom theo bề dày và theo khoảng cách đến trục chùm photon năng lượng 6 và 15 MeV dùng trong xạ trị

8 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao 9 Mã số: 60.44.05

10 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Văn Loát.

11 Tóm tắt các kết quả của luận văn:

a) Tìm hiểu cơ sở vật lý và cơ sở sinh học của phương pháp xạ trị dùng chùm photonb) Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Primus- Siemensc) Đánh giá đặc trưng năng lượng chùm photon

Kết quả:

- Phân bố liều hấp thụ của chùm tia khá đồng đều trên mặt phẳng dẫn đến liều hấp thụtương đối trong mô cùng được phân bố đồng đều

- Phân bố liều tương đối ra ngoài biên giảm rất nhanh điều này rất quan trọng trong xạ trị

12 Khả năng ứng dụng trong thực tiễn: Sử dụng chùm photon điều trị các khối u sâu

13 Những hướng nghiên cứu tiếp theo:

14: Các công trình đã công bố có liên quan tới luận văn: Không

Ngày tháng 12 năm 2010

Học viên

Lương Minh QuânLỜI MỞ ĐẦU

Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II Và gần đây nhất là thảm họa nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng tư năm 1986 và nhà máy Mayak, ngày 29 tháng 9 năm 1957[11].

Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao chất lượng cuộc sống đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đính phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát thì nó có tác hại vô cùng to lớn Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân

có rất nhiều ứng dụng quan trọng Bức xạ được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu

xạ, trong việc tạo giống mới và trong điều trị ung thư Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị là:

- Tương tác của chùm photon Gamma với vật chất.

- Các hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể sống khi chiếu chùm photon.

Trong cuộc sống có rất nhiều nguyên nhân và rất nhiều căn bệnh làm giảm tuổi thọ con người hoặc làm cuộc sống trở nên vô nghĩa vì luôn bị hành hạ bởi những cơn đau kéo dài.

Một trong những nguyên nhân rất lớn gây hại cho cuộc sống là bệnh ung thư.

Ung thư là một tập hợp các bệnh được biểu thị bởi sự phát triển lan rộng khối u “Vấn

đề ung thư” là một vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa nhất ở Châu Âu, vượt qua cả bệnh tim và là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao Ở Canada và Mỹ có tới 130000 và

1200000 người mỗi năm được chuẩn đoán là mắc bệnh ung thư [2] Đặc biệt là ở những nước đang phát triển như Việt Nam các yếu tố môi trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực sự hợp vệ sinh … là những nguyên nhân làm gia tăng số người bị bệnh ung thư.

Việc điều trị ung thư bằng tia xạ đã có một quá trình lịch sử rất lâu dài có thể nói từ năm

1895, khi Roentgen phát hiện ra tia X và tới ngày 27 tháng 10 năm 1951 bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng tia gamma Coban-60 Việc ra đời sử dụng đồng vị phóng xạ

để điều trị ung thư gặp khá nhiều vấn đề bất cập Chính vì vậy có thể nói ảnh hưởng lớn nhất lên kỹ thuật xạ trị hiện đại là sự phát minh ra máy gia tốc tuyến tính vào những năm

1960 Từ đó tới nay, với việc ứng dụng công nghệ thông tin, và các kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào trong xạ trị bằng máy gia tốc kết hợp với việc cải tiến về phần cơ khí

đã làm cho phương pháp xạ trị đang dần thay thế hoàn toàn các phương pháp xạ trị từ xa khác, đem lại hiệu quả ngày càng cao trong điều trị ung thư.

Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh viện K Hà Nội) đã dùng máy Coban, các nguồn radium vào trong xạ trị Bên cạnh đó, một số cơ sở y tế khác như bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 đã sử dụng các đồng vị phóng xạ trong điều trị ung thư Máy gia tốc được đưa vào Việt Nam từ tháng 1 năm 2001 tại Bệnh Viện K – Hà Nội Hiện nay ngoài bệnh viện K –

Hà Nội, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị như Bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương, … Phương pháp

xạ trị từ xa dùng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển ở nước ta Tuy nhiên số lượng máy còn quá ít so với yêu cầu thực tế Và đây cũng là thiết bị mới đòi hỏi người sử dụng phải có kỹ thuật chuyên môn cao.Chính vì vậy việc tìm hiểu và quảng bá những kiến thức về xạ trị, nguyên lý hoạt động của máy và tìm hiểu chính xác những thông số mà tia xạ của máy phát ra để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân là vấn đề rất cần thiết Chính vì vậy

tôi đã chọn đề tài: “ Phân bố liều hấp thụ trong Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6 MV và 15 MV dùng trong xạ trị ”

Mục đích của đề tài đặt ra:

Tìm hiểu cơ chế tương tác của chùm bức xạ với vật chất

Tìm hiểu phương pháp dùng chùm Photon trong xạ trị và những ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác.

Tìm hiểu cơ chế phát chùm photon của máy PRIMUS – Siemens và khảo sát bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của chùm Photon phát ra từ máy PRIMUS – Siemens

Xác định phân bố liều hấp thụ trong phantom của chùm photon với mức năng lượng 6MV và 15MV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đó xác định vị trí điều trị Đồng thời xác định phân bố liều hấp thụ khoảng cách tới trục với bề dày khác nhau, từ

đó đánh giá độ đồng đều và độ bằng phẳng của liều hấp thụ

Ngoài phần mở đầu kết luận bản luận văn này được chia thành ba chương.

Chương 1: Cơ sở của phương pháp xạ trị dùng chùm Photon đề cập đến cơ sở vật lý và

cơ sở sinh học của việc sử dụng chùm Photon trong xạ trị, quá trình tương tác của photon với vật chất và với cơ thể sống, tác dụng sinh học của bức xạ và các đơn vị đo liều lượng bức xạ.

Chương 2 Phương pháp thực nghiệm trình bày vắn tắt nguyên lý cấu tạo và nguyên lý

hoạt động của máy gia tốc Primus- Siemens, phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng của chùm photon từ lối ra máy gia tốc.

Chương 3 Kết quả thực nghiệm và thảo luận tiến hành thực nghiệm đo liều hấp thụ

tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới trục Xây dựng đường cong liều hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới trục, từ đó tiến hành đánh giá chất lượng chùm photon năng lượng 6 MV và 15MV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS trong điều trị ung thư tại Bệnh Viện K

và hiện tượng tạo cặp

1.1.1 Hiện tượng hấp thụ quang điện

Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng lên, lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, hiệntượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện bắt đầutăng Photon đến bị hấp thụ toàn bộ bởi một nguyên tử Năng lượng này được truyền toàn bộcho một electron của nguyên tử Electron nhận được năng lượng lớn hơn thế năng ion hóacủa nó nên bứt ra khỏi nguyên tử, gọi là quang electron Một phần năng lượng để thắng thếnăng ion hóa, phần còn lại biến thành động năng chuyển dộng của nó Để xảy ra hiện tượnghấp thụ quang điện đối với một electron nằm ở lớp nào đó của nguyên tử thì năng lượng củaphoton bị hấp thụ phải lớn hơn thế năng ion hóa của lớp đó Xác suất xảy ra hấp thụ quangđiện được đặc trưng bằng tiết diện hấp thụ quang điện trên một nguyên tử a(cm2 )

Người ta gọi xác suất xảy ra hiện tượng quang điện trên một đơn vị thể tích môi trườngchất hấp thụ là hệ số suy giảm tuyến tính của môi trường đối với hiệu ứng quang điện, kýhiệu kq , được tính bằng công thức:  7

a

A

A q

M

N

k   

trong đó:  là mật độ môi trường

MA: nguyên tử gam của chất hấp thụ

NA: Số Avogadro

Mặt khác để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ hạt nhân của một môi trường, người tathường dùng hệ số suy giảm khối Hệ số suy giảm khối của một môi trường đối với hiệu ứngquang điện được tính như sau:

(1.1)

10 01 , 5

3 , 4 24

10 62 , 1

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 gamma tăng thì tiết diện hấp thụ quang điệngiảm theo hàm ɛ

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

Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon gamma với cácelectron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trường Trong quá trình tán

xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lượng của mình cho electron và bị tán

xạ theo hường 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 gamma thì bị giảm đi

Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơn nhiều so vớinăng lượng liên kết của electron Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng, các electron tán xạbay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạ nhỏ) Năng lượng của bức xạgamma tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và năng lượng của bức xạ gamma tới theo côngthức:

Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron tự do nên năng lượng của bức xạ gamma tán

xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới

và góc tán xạ Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có thể bay theo góc tán xạ bất kỳ, nhưngxác suất tán xạ theo một góc nào đó lại phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới vàbản thân góc đó

Đối với năng lượng của bức xạ gamma nhỏ, phân bố góc của bức xạ có tính đối xứngqua góc tán xạ 90

thì electron bay ra theo hướng phía trước với động năng cực đại

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

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

r o e

k là năng lượng tương đối của bức xạ gamma

Trong nguyên tử có Z electron, tiết diện tán xạ Compton trên một nguyên tử là:

a Z e

Hệ số suy giảm khối của quá trình tán xạ Compton được tính bằng công thức:

C A A a A A C

Z N M

1.1.3 Hiện tượng tạo cặp

Khi năng lượng của bức xạ gamma tiếp tục tăng lên, có thể xảy ra hiện tượng tạo cặp.Đây là hiện tượng chỉ xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc một electron, trong đónăng lượng của một photon gamma được biến đổi hoàn toàn thành các hạt vật chất

Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một hạt nhân Khi một photonnăng lượng cao bay vào trong trường Coulomb của hạt nhân nó bị hấp thụ hoàn toàn, tạo ramột cặp electron và positron ( e

( 1.8 )

( 1.9)

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

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

tc Z2.ln

trong đó, Z là nguyên tử số của môi trường

Từ công thức trên có thể thấy hiện tượng tạo cặp xảy ra mạnh trong trường Coulombcủa hạt nhân khi môi trường có nguyên tử số càng lớn và khi năng lượng của lượng tử

 là năng lượng của lượng tử

gamma

( 1.10)

( 1.11 )

( 1.12 )

gamma càng tăng Người ta thấy rằng, khi năng lượng lớn hơn ngưỡng tạo cặp, tiết hiện tạocặp sẽ tăng nhanh khi năng lượng của bức xạ gamma tăng.

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

ng 4 m e.c2 2 , 044MeV







Tuy nhiên, xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của electron nhỏ hơn rất nhiều so

với xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân

1.2 Hiệu ứng sinh học của bức xạ

1.2.1 Tác dụng sinh học của điều trị tia xạ

a Cấu tạo tế bào của cơ thể người [2,8,9]

Cơ thể người cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não,… Các cơ quan được cấu tạo

từ các mô như mô mỡ, da, xương …Các mô được cấu tạo từ các tế bào Tế bào là đơn vịsống cơ bản, kích thước tế bào khoảng 20micromet Trong cơ thể con người có khoảng 1013

đến 1014 tế bào Tương tác giữa các bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tếbào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóngmột cách hỗn loạn dẫn đến ung thư

Tế bào gồm có một nhân ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương, bao bọcquanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào Mỗi bộ phận thực hiện chức năng riêng rẽ

- Màng tế bào thực hiện chao đổi chất với môi trường ngoài

- Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành cácphần tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa), hay tổng hợp các phân tử cầnthiết cho tế bào

( 1.13 )

- Trong nhân có ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thựchiện sự tổng hợp chất.

- ADN cũng chứa thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào

Tác dụng của sinh học chính của bức xạ là sự phá hỏng ADN của tế bào

[2,8,9]

Hình 1.1 Cấu tạo tế bào của cơ thể người

b Cơ sở sinh học của điều trị tia xạ

Năm (1943), tác giả Albert Bechem đã xuất bản cuốn sách “các nguyên tắc liều lượng Radium, và tia X”, được xem là cơ sở sinh học phóng xạ:

Vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ hơn Các tế bào cơ thể trong giai

đoạn phân chia nhạy cảm với tia xạ nhất Ngày nay ta còn áp dụng phương pháp tăng Oxy,tăng nhiệt ở vùng chiếu tia Để đề ra các kỹ thuật chỉ định tia xạ, người ta dựa trên các pha

“phase” phân chia của tế bào, trên sự phản ứng của các chất gian bào[8,9], hình 1-2 (trongviệc bảo vệ các tổ chức lành)

Tất cả các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tại khối u,giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh Muốn vậy phải dựa trên sự khác nhau về

độ nhạy cảm tia xạ của các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào cụ thể Tế bào biệt hóakháng tia hơn loại không biệt hóa Phân bố hợp lý tổng liều điều trị và liều lượng mỗi lầnchiếu

Chu kỳ sinh sản tế bào:

Sự tổng hợp S (Sythesis)

Phân chia M (Mitotic)

Sau phân chia G1:

+ S: Pha này kéo dài từ 1,5  36h, trung bình 8h, kháng tia.

+ G2: 30  1,5h

+ M: 30  2,5h nhạy cảm tia nhất

+ G1: Kéo dài hàng tháng

Chu kỳ sinh sản của tế bào được đưa trong hình 1-2

Hình1.2 Chu kỳ sinh sản của tế bào.

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

Đối với con người, cấu tạo mô cơ thể chủ yếu là nước Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bịion 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 càngnhiều Các ion này gây ra phản ứng rất mạnh, tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học phổbiến Là protein, lipit, ADN làm cho cấu trúc của phân tử này bị sai hỏng gây ra những hậuquả[8,9]:

* 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 hoặcgây đột biến gen, đó là do các tổn thương sau đó có thể làm mất hoặc xắp 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 trongviệc điều trị ung thư.

1.2.2 Tương tác của bức xạ ion hóa với cơ thể sống

Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng ion hóa, tạo ra các cặp ion hóa cókhả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào làm cho các tế bào bị biến đổi hay hủydiệt Trên cơ thể con người chủ yếu (>85%) là nước Khi bị chiếu xạ H2O trong cơ thể phânchia thành H+ và OH - Bản thân các cặp H+, OH- này tạo thành các bức xạ thứ cấp, tiếp tụcphá hủy tế bào, sự phân chia tế bào sẽ chậm đi hoặc dừng lại

Tác dụng trực tiếp của tia xạ lên sự phá hủy diệt tế bào chỉ vào khoảng 20% Còn lại chủyếu là do tác dụng gián tiếp

Năng lượng và cường độ bức xạ khi đi qua cơ thể con người nói riêng hay đi qua cơ thểsinh vật nói chung giảm đi do sự hấp thụ năng lượng của các tế bào Sự hấp thụ năng lượngcủa tế bào thường dẫn tới hiện tượng ion hóa các nguyên tử của vật chất sống và hậu quả là

tế bào bị phá hủy

Nói chung năng lượng của bức xạ càng lớn, số cặp ion hóa do chúng tạo ra càng nhiều.Thông thường các hạt mang điện có năng lượng như nhau Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốccủa hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa có thể khác nhau Tia anpha thường có vận tốcnhỏ hơn tia bêta nhưng lại có khả năng ion hóa nhanh hơn

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình này

1 Sự ngăn cản phân chia tế bào: tế bào có thể sinh ra và nhân lên về số lượng trongquá trình phân chia tế bào Đây là một chức năng cơ bản của một cơ thể sống bất kỳ Ngay ở

cơ thể người lớn, quá trình phân chia tế bào vẫn thường xuyên diễn ra để thay thế cho các tếbào đã chết Những chỗ tổn thương do bức xạ có thể kìm hãm hoặc ngăn cản quá trình phânchia tế bào, và như vậy làm suy yếu chức năng của tế bào và cơ thể

2 Sự sai sót của nhiễm sắc thể: Bức xạ có thể phá hủy nhiễm sắc thể Đa số cáctrường hợp tổn thương thường được hàn gắn và không có hậu quả gì gây ra Tuy nhiên trongmột số tổn thương có thể làm mất hoặc xắp xếp lại các vật chất di truyền, những bộ phận này

có thể quan sát được qua kính hiển vi Những sự cố như vậy được gọi là những sai sót củanhiễm sắc thể Những sai sót xác định có thể làm chết tế bào hoặc biến đổi một chức năngcủa tế bào Tần số xuất hiện kiểu sai sót của nhiễm sắc thể có một mối tương quan xác địnhđối với liều lượng và do đó người ta có thể sử dụng chúng như là những liều lượng kế sinhhọc

3 Đột biến gen: Sự thay đổi lượng thông tin trong gen được biết với thuật ngữ biếnđổi gen Sự hỏng hóc của nhiễm sắc thể có thể dẫn đến đột biến gen.

4 Sự chết của tế bào: Quá trình chiếu xạ có thể làm chết tế bào hoặc có thể dẫn tới tất

cả hiệu ứng trên Quá trình chết tế bào là quá trình quan trong nhất trong điều trị bệnh ungthư Quá trình này thường được biểu diễn bằng tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu mộtmột liều xác định Hiệu ứng – liều đối với tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi chiếu được biểudiễn trên hình 1-3 Ở mức liều thấp, đường cong có một đoạn suy giảm chậm Khoảng nàytương ứng với khả năng tự phục hồi của tế bào bị tổn thương

Hình 1.3 Mối tương quan giữa hiện tượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót [6]

Tuy nhiên ở liều cao hơn, khả năng sửa chữa của tế bào đạt ở mức bão hòa, tỷ lệ sốngsót giảm rất nhanh theo quy luật hàm mũ Hình 1-4 chỉ sự phụ thuộc độ sai sót của nhiễm sắcthể vào liều lượng Các mối tương quan hiệu ứng - liều tương tự cũng quan sát thấy đối vớihiệu ứng đột biến

Tùy theo liều lượng bức xạ do cơ thể hấp thụ ít hay nhiều mà các biến đổi nói trên cóthể được phục hồi Ngoài các yếu tố liều lượng, tác hại của bức xạ còn phụ thuộc vào yếu tốthời gian Cùng với một liều lượng bức xạ, nếu cơ thể hấp thụ làm nhiều lần, thì các biến đổi

về bệnh lý ít xảy ra hơn so với trường hợp hấp thụ ngay một lúc Nguyên nhân này liên quantới khả năng tự phục hồi của tế bào ở cơ thể sống

Hình 1.4 Mối tương quan giữa liều hấp thụ và sai sót của nhiễm sắc thể [6]

1.3 Các đơn vị đo liều bức xạ

1.3.1 Hoạt độ phóng xạ

Hoạt độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ hay một lượng chất phóng xạ nào đóchính là số hạt nhân phân rã phóng xạ trong một đơn vị thời gian Nếu trong một lượng chấtphóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, thì hoạt độ phóng xạ của nó được tính theo công thức sau

) exp(

) exp(

là hoạt độ phóng xạ của 1 gam226Ra, tương ứng với 3,7.1010 phân rã trong một giây

Theo định nghĩa, Becquerel và Curie có mối liên hệ như sau:

1Ci = 3,7.1010Bq

1.3.2 Liều chiếu và suất liều chiếu

a Liều chiếu

Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, còn môi trường chiếu xạ làkhông khí Liều chiếu ký hiệu là X, được xác định theo công thức [7,8]:

Theo định nghĩa có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilôgam sang Rơnghen theo tỷ lệ nhưsau:

1R = 2,58.10-4 C/kg

b Suất liều chiếu

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

Trong đó X là liều chiếu trong thời gian t

Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu là C/kg.s Tuy nhiên trong thực nghiệm đơn

vị đo suất liều chiếu thường dùng là Rơnghen/giờ Rơnghen/giờ được ký hiệu la R/h,thông thường suất liều chiếu thường dùng nhiều hơn cả là R/h

1.3.3 Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ

tương đương sẽ áp dụng cho các loại bức xạ ion hóa khác nhau và môi trường được chiếu xạkhác nhau.

Liều hấp thụ ký hiệu là D, được định nghĩa là thương số dE

dm, trong đó dE là nănglượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất môi trường có khối lượng là dm

[7,8]

Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là June/kilôgam, viết tắt là J/kg

1 J/kg là lượng bức xạ chiếu vào môi trường chiếu xạ sao cho chúng truyền cho 1kgmôi trường vật chất đó một năng lượng là 1J

Trong thực tế, ngoài đơn vị đo liều hấp thụ là J/kg, người ta còn dùng đơn vị là Grayviết tắt là Gy và Rad để đo liều hấp thụ Rad được viết tắt từ: “Radiation absorbed dose”.Chuyển đổi từ J/kg sang Rad hoặc Gray và ngược lại theo tỷ lệ sau [8,10]:

Trong đó D là liều hấp thụ, X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ

Hệ số tỷ lệ f thực chất là hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ Giá trị của ftùy thuộc vào môi trường chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tương ứng Đối vớikhông khí, hệ số tỷ lệ f = 0,869rad

R còn trong cơ thể con người hệ số tỷ lệ f = 0,869rad

Đơn vị đo suất liều hấp thụ là Gy/s hay rad/s.

1.3.4 Liều tương đương và suất liều tương đương

a Liều tương đương

Đối với sinh vật và cơ thể sống, dưới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn đếnhiện tượng làm biến đổi hoặc gây tổn thương nào đó cho đối tượng được chiếu xạ Người tagọi hiện tượng trên là hiệu ứng sinh học Với liều hấp thụ D cho trước, hiệu ứng sinh học cònphụ thuộc vào loại bức xạ được sử dụng, điều kiện chiếu xạ, khoảng thời gian chiếu xạ Đốivới một sinh vật cho trước, để gây ra một tổn thưong xác định, trong các lần chiếu khác nhauthì cần một liều hấp thụ khác nhau Khi đánh giá ảnh hưởng của bức xạ đến hiệu ứng sinhhọc, thay cho liều hấp thụ ta dùng liều tương đương, ký hiệu là H

Với một loại bức xạ và môi trường sống xác định, liều tương đương tỷ lệ với liều hấpthụ Liều tương đương và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau [8]:

Trong đó: D là liều hấp thụ tính bằng rad còn H là liều tương đương tính bằng rem; Q

là hệ số phẩm chất của bức xạ còn N là hệ số tính đến các yếu tố khác nhau như sự phân bốcủa liều chiếu

Hệ số phẩm chất Q dùng trong an toàn bức xạ đánh giá ảnh hưởng của các loại bức xạlên đối tượng sinh học, cho biết mức độ nguy hiểm của từng loại bức xạ đối với cơ thể sống

Hệ số phẩm chất Q cho biết sự phụ thuộc của quá trình truyền năng lượng tuyến tính của bức

xạ trong vật chất Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế (International Commission onRadiological Protection - ICRP) đã khuyến cáo hệ số phẩm chất đối với các bức xạ thôngthường ứng với năng lượng khác nhau Giá trị hệ số phẩm chất do ICRP khuyến cáo đượccho trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ

Bức xạ gamma và tia X với mọi năng lượng 1

Nơtrôn năng lượng từ 10keV đến 100keV Từ 10 đến 20

Nơtrôn năng lượng từ 100keV đến 2MeV 20

Nơtrôn năng lượng từ 2 MeV đến 20MeV 10

Nơtrôn năng lượng lớn hơn 20MeV Từ 5 đến 10

Proton năng lượng nhỏ hơn 2 MeV Từ 3 đến 5

Hạt alpha và hạt nặng, mảnh phân chia 20

Trong hệ SI, đơn vị đo liều tương đương là Sievert, kí hiệu là Sv Đối với bức xạgamma, tia X và electron nếu liều tương đương là 1Sv Từ công thức 1.18 nếu D đo bằngrad, thì H đo bằng rem, còn nếu liều hấp thụ đo bằng Gy thì liều tương đương được tính rarem Vì 1Gy = 100Rad, nên theo biểu thức (1.18) suy ra 1Sv = 100 rem

Như vậy, với cùng một đối tượng chiếu xạ và liều hấp thụ như nhau chẳng hạn

D = 100 rad, khi bức xạ chiếu là tia gamma liều hiệu ứng sinh học tương đương là 100rem, cònvới nơtron nhanh liều tương đương sẽ là 1000 rem [8]

b Suất liều tương đương

Suất liều tương đương chính là liều tương đương trong một đơn vị thời gian Suất liềutương đương ký hiệu 

H được xác định theo công thức:

H t

Trong đó f là hệ số tỷ lệ tùy thuộc vào môi trường, với không khí f = 0,869;

Q là hệ số phẩm chất; N là hệ số tính đến điều kiện chiếu và độ đồng đều khi chiếu, t

là thời gian chiếu; X* là suất liều chiếu; H là liều hiệu dụng tương đương

1.3.5 Liều giới hạn

Khi tiếp xúc với chất phóng xạ hoặc các nguồn phóng xạ và các bức xạ ion hóa, nhânviên công tác bị chiếu xạ nhận được một liều hấp thụ nào đó Tùy thuộc vào liều hấp thụ mànhân viên nhận được, bức xạ hạt nhân xẽ ảnh hưởng khác nhau đến họ Để đảm bảo sức khỏecho nhân viên làm việc với chất phóng xạ cần phải giảm ảnh hưởng của các bức xạ đến nhânviên Về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, cần phải đưa ra những quy định cụ thể về liều hấp thụcho phép mà người nhân viên còn có thể làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay bức xạion hóa.

Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm màngười làm việc trực tiếp với bức xạ hạt nhân có thể chịu được, sao cho nếu bị chịu một liềuhấp thụ tích lũy liên tục như vậy trong nhiều năm liên tục vẫn không ảnh hưởng đến sứckhỏe của bản thân Liều hấp thụ cho phép còn phụ thuộc vào độ tuổi theo quy định chung vềluật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở nên 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 mộtnăm đối với nhân viên, chuyên viên làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ trong một nămnhư sau [8]

D = 50(N – 18) mSv hay D = 5(N – 18) rem

Trong đó: N là độ tuổi của nhân viên chuyên nghiệp N  19, D là liều hấp thụ tíchlũy trong một năm Tính trung bình, liều tích lũy cho phép là D = 50 mSv/năm Đối với cácđối tượng khác liều hấp thụ cho phép giảm 10 lần Giá trị liều hấp thụ tích lũy toàn thân chophép D được các cơ quan ICRP khuyến cáo tại các thời điểm khác nhau, được cho ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc với bức xạ tại

thời điểm khác nhau 3

Giới hạn liều Thời gian đề nghị Cơ quan đề nghị

người có mức nhạy cảm khác nhau đối với bức xạ hạt nhân, nên có giới hạn cho phép tối đađối với một số bộ phận có giá trị khác nhau.

1.4 Phương pháp xạ trị dùng tia gamma

1.4.1 Khái niệm và mục đích xạ trị

Phương pháp xạ trị là tên gọi ngắn gọn của phương pháp điều trị bằng tia xạ trong yhọc, là một trong ba phương pháp chính được sử dụng hiện nay để điều trị bệnh ung thưcùng với hai phương pháp là phẫu thuật và hóa chất [6,8] Xạ trị là quá trình điều trị sửdụng các bức xạ ion hóa hay các tia xạ với liều lượng thích hợp chiếu tới khối u nhằm tiêudiệt các tế bào ung thư đồng thời gây ra tổn thương nhỏ nhất cho các tế bào lành xungquanh

Mục đích của phương pháp xạ trị là nhằm phá hủy các tế bào ung thư và ngăn chặn sựphát triển thêm nữa và sự lây lan của các khối u

Điều trị bằng tia xạ sử dụng độc lập có thể chữa khỏi nhiều loại ung thư còn ở giaiđoạn khu trú tại chỗ như ung thư da, ung thư vòm họng, ở vùng đầu, cổ,…

Phương pháp này cũng có thể được sử dụng kết hợp với phương pháp phẫu thuậttrong những trường hợp ung thư đã phát hiện tương đối lớn Khi đó có thể chiếu xạ trước đểgiảm bớt kích thước khối u cho dễ mổ, hạn chế sự di căn lúc mổ Cũng có thể sử dụng chiếu

xạ sau khi mổ để diệt nốt những tế bào ung thư còn sót lại Cũng có thể kết hợp cả xạ trịtrước và sau khi mổ Tùy theo từng trường hợp ta có thể lựa chọn phương pháp điều trị saocho đạt hiệu quả cao nhất

Phương pháp xạ trị cũng có thể kết hợp với những phương pháp điều trị hóa chất đểtiêu diệt những tế bào ung thư tại khu vực mà điều trị hóa chất không thể tiêu diệt được

1.4.2 Nguyên tắc điều trị bằng tia xạ

Phác đồ điều trị phải dựa trên những nguyên tắc sau [2]:

 Bằng các biện pháp CT scanner, X-quang, phóng xạ…để biết thể tích cần chiếu

 Biết rõ những đặc điểm bệnh lý của khối u

Chọn lựa phương pháp thích hợp: Chỉ dùng xạ trị hay phối hợp phẫu thuật, hóa chất …hay chọn phối hợp cả hai phương pháp, chọn loại tia thích hợp, chiếu từ ngoài vào hay đặttại khối u

 Quy định liều tối ưu và thể tích dựa trên vị trí giải phẫu, loại tổ chức học, độ ác tính …

và những cấu trúc lành trong vùng chiếu xạ Bác sĩ không bao giờ do dự trong việc thay đổinhững điều đã quy định với những điều phát sinh

 Đánh giá từng giai đoạn về thể lực của bệnh nhân, sự đáp ứng của khối u và thể trạngcủa tổ chức lành trong khu vực điều trị

Bác sĩ điều trị phải cùng làm việc chặt chẽ với đội ngũ vật lý, kế hoạch điều trị và bộphận đo lường, không thể nhầm lẫn được đánh giá lâm sàng, hiểu sai về những quan niệmvật lý, không hoàn hảo về phác đồ điều trị và thực hiện phác đồ

ta sử dụng các kim cắm trực tiếp vào trong các khe, kẽ, trong mô, …

Xạ trị ngoài hay còn gọi là xạ trị từ xa là phương pháp xạ trị mà nguồn phát tia ở cáchbệnh nhân một khoảng nào đó Đây là phương pháp rất phổ biến trong điều trị ung thư hiệnnay Phương pháp này được tiến hành với chùm photon từ nguồn phát như nguồn Co60 hoặcchùm phát tia X năng lượng cao được tạo bởi chùm electron đã được gia tốc bởi máy gia tốctuyến tính lái cho đập vào bia, cũng có thể dùng trực tiếp chùm electron đã được gia tốc phát

ra từ máy gia tốc

Nội dung của luận văn này đề cập đến xạ trị dùng chùm photon được tạo ra từ máy

gia tốc PRIMUS – SYMAN.

1.4.4 Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc

a Các thiết bị xạ trị từ xa

Các thiết bị cung cấp chùm bức xạ trong phương pháp xạ trị từ xa gồm có: máy Cobal

60, máy phát tia X và máy gia tốc [1,4,5]

Trước đây máy Cobal 60 được sử dụng khá rộng rãi trong phương pháp xạ trị từ xa.Cho đến nay nó vẫn được áp dụng nhiều tại các cơ sở điều trị ung thư và vẫn đóng vai tròquan trọng tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam

Máy gia tốc ra đời cùng với sự phát triển, tin học đã tạo ra bước phát triển vượt trội vềnhững đặc tính vật lý cũng như sinh học phóng xạ Ngày nay tại các nước công nghiệp pháttriển, máy gia tốc đã gần như thay thế hoàn toàn các thiết bị cũ trong lĩnh vực điều trị ungthư Tại các nước đang phát triển, tại các trung tâm điều trị quan trọng, máy gia tốc cũngđang dần được đưa vào áp dụng.

Từ những năm 1960 – 1970 người ta đã chế tạo ra một số máy gia tốc để ứng dụngtrong xạ trị Đó là loại máy gia tốc có nguyên tắc chế tạo dựa trên nguyên lý của máy gia tốcVan de Graaff, máy gia tốc Betatron Tuy nhiên trong các loại máy gia tốc này cho nănglượng hoặc là ở mức độ thấp hoặc năng lượng cao nhưng suất liều ở đầu ra của chùm tia cònthấp, mặt khác chúng lại khá cồng kềnh nên không thuận tiện cho việc sử dụng trong các kĩthuật điều trị đồng tâm

Sau này, máy gia tốc tuyến tính (hay còn gọi là máy gia tốc thẳng hoặc Linac) xuấthiện đã trở thành một công cụ vượt trội trong lĩnh vực điều trị bằng phương pháp xạ trịngoài Vượt lên hẳn các máy gia tốc được ứng dụng trước đây với suất liều chùm tia cao hơnrất nhiều (khoảng 10Gy/phút), kích thước trường chiếu rộng, hoàn toàn đồng tâm, đặc biệtlại có kích thước nhỏ gọn hơn và ít ồn hơn Điều này đã làm cho Linac gạt các loại máy giatốc kia ra ngoài lề Ngày nay chúng không còn được sử dụng nữa

b Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc

Kỹ thuật xạ trị tư xa trước đây thường được sử dụng những thiết bị tạo chùm tia photon

là loại máy Cobalt, máy phát tia X Đây là những loại máy đơn giản cho năng lượng chùm tiatạo ra không cao Trong đó máy Cobalt được ứng dụng rộng rãi nhất Nhưng bất lợi của nólà:

- Loại máy này chỉ cho hai loại chùm photon với năng lượng là 1,17 MeV và 1,33

MeV, nghĩa là không điều khiển được năng lượng

- Chùm tia có nhược điểm: độ đâm xuyên kém, liều mặt da cao, liều sâu phần trăm

thấp, độ rộng bán dạ của chùm tia lớn

- Có độ rò rỉ bức xạ từ đầu nguồn Suất liều bức xạ thấp và giảm theo thời gian Do đó,

càng về sau thì thời gian điều trị càng phải kéo dài Sau khoảng thời gian nào đó (khoảng 5đến 7 năm) lại phải thay nguồn

- Độ an toàn không cao Do nguồn Cobalt 60 là nguồn phóng xạ nên nó luôn phát chùm

tia ngay cả khi ngừng chiếu xạ và ngay cả khi nguồn không được sử dụng bị thay đi

Kĩ thuật xạ trị từ xa hiện đại nhất là sử dụng máy gia tốc tuyến tính Trong đó chùmelectron được gia tốc bằng sóng cao tần theo nguyên lí gia tốc thẳng rồi được đưa ra ngoài sửdụng để điều trị bằng electron hoặc được lái đập vào bia tạo ra chùm photon.

Phương pháp xạ trị sử dụng máy gia tốc tuyến tính là một bước tiến lớn trong kỹ thuật xạ trịhiện đại Cơ sở của nhận định này là dựa trên những ưu việt của máy gia tốc:

- Máy gia tốc có thể cho hai loại chùm tia là chùm electron và chùm photon.

- Có thể điều khiển được năng lượng chùm tia phát ra từ máy gia tốc.

- Kích thước của vùng bán dạ chùm tia nhỏ, suất liều bức xạ cao.

- Không cần thay thế nguồn bức xạ như trường hợp máy Cobalt.

- Độ an toàn phóng xạ cao, do máy gia tốc không có nguồn phóng xạ, nó chỉ phát chùm

tia khi hoạt động

- Các đặc tính của chùm tia tốt hơn.

Để đáp ứng yêu cầu cao nhất cho mục đích xạ trị, máy gia tốc phải được thiết kế đạt yêucầu cơ bản:

- Chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc phải được xác định rõ năng lượng và có thể thay

đổi được kích thước

- Liều lượng bức xạ của chùm tia phải đồng đều.

- Liều lượng bức xạ phát ra từ thiết bị phải ổn định trong suốt thời gian sử dụng nghĩa

là năng lượng, cường độ và vị trí chùm tia có thể kiểm soát được

- Liều lượng có thể đo đạc một cách chính xác.

- Hướng của chùm tia bức xạ có thể thay đổi được để có thể điều chỉnh được đến mọi vị

trí khác nhau

- Hệ thống giường điều trị có thể chuyển động được theo ba chiều với độ chính xác cao.

- Hệ thống cơ khí ổn định, linh hoạt Có hệ thống đo liều bức xạ, cảnh báo độ nhiễm

phóng xạ, che chắn đảm bảo khi vận hành thiết bị, tự động ngắt máy khi có sự cố

Ở Việt Nam, máy gia tốc trong xạ trị được đưa vào sử dụng đầu tiên vào tháng một

hết bệnh nhân điều trị đều cho kết quả điều trị rất tốt Được sử dụng để điều trị ung thư vú,ung thư vòm họng, ung thư cổ tử cung, phổi, não, xoang, hàm, ung thư da, … Bất lợi lớnnhất của phương pháp xạ trị này là chi phí mua sắm, xây dựng cơ bản và bảo dưỡng hàngnăm rất lớn Giá trị một chiếc máy gia tốc khoảng 21 tỉ đồng, thời hạn sử dụng khoảng 15

năm Tại Mỹ điều trị theo phương pháp này bệnh nhân phải trả 30 000 USD Đồng thời, để

hỗ trợ cho xạ trị cần đến các công đoạn chụp X quang, chụp cắt lớp CT, MRI, … để xác địnhchu vi, thể tích, vị trí khối u để lập kế hoạch điều trị chính xác Các công đoạn hỗ trợ choviệc xạ trị bằng máy gia tốc có thể được mô tả trong Hình vẽ 1.5 [6]

Máy gia tốc Accelerator

Máy mô phỏng Simulator

Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS

CT - Scanner

Máy gia tốc Accelerator

Máy mô phỏng Simulator

Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS

TỐC PRIMUS -SIEMENS

2.1 Máy gia tốc PRIMUS - Siemens dùng trong xạ trị[4,5,6]

2.1.1 Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị.

Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị thường được chia thành 5 hệ thống đó là:

 Hệ thống phun, là một nguồn electron hay còn gọi là súng điện tử

 Hệ thống tần số vô tuyến bao gồm nguồn tần số vô tuyến sử dụng magneton hoặcklyston, bộ điều chế, ống dẫn sóng cao tần có chân không thấp trong đó electron đượcgia tốc,…

 Hệ thống vận chuyển chùm tia có vai trò vận chuyển electron trong chân không từống dẫn sóng gia tốc tới bia hoặc lá tán xạ

 Hệ thống phụ trợ gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước, hệthống chất điện môi bằng ga để truyền vi sóng từ bộ phận phát sóng vô tuyến tới ốngdẫn sóng

 Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia

Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn giảnnhư hình 2.1

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

Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với máy gia tốc là [1]:

- Hệ thống collimator chuẩn thông dụng.