Tìm hiểu kĩ thuật xạ trị IMRT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ – KỸ THUẬT HẠT NHÂN  - SEMINAR TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TÌM HIỂU KỸ THUẬT XẠ TRỊ IMRT SVTH: Trần Minh Hoàng CBHD: ThS Nguyễn Thị Cẩm Thu CBPB: ThS Nguyễn Quốc Hùng TP HỒ CHÍ MINH - 2013 i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin cảm ơn gia đình tất cán bộ môn vật lý hạt nhân tạo điều kiện cho em học tập hoàn thành khóa học năm Sau đó, em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Cẩm Thu tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành tiểu luận Em gửi lời cảm ơn tât bạn sinh viên khóa giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập thực khoá luận Trong tiểu luận này, em trình bày phần hiểu biết đề tài mà em chọn Tuy cố gắng khả mình, tiểu luận nhiều thiếu sót mong quý thầy cô bạn góp ý, sửa chữa Xin chân thành cảm ơn Sinh viên làm tiểu luận Trần Minh Hoàng ii MỤC LỤC Lời cảm ơn……………………………………………………………………………i Mục lục………………………………………………………………………… … ii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt…………………………………………… v Danh mục hình vẽ đồ thị……………………………………………………….vii LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………1 CHƯƠNG SỰ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ………………………………………………………………………… ….… 1.1 Về đời kỹ thuật xạ trị………………………………… ….………2 1.2 Những phương pháp xạ trị cải tiến chúng vào đầu kỷ 20……………………………………….………………………………… …….….3 1.2.1 Các phương pháp xạ trị vào đầu kỷ 20……….….………… … ….….…3 1.2.2 Những cải tiến kỹ thuật giai đoạn đầu…… … ……… …….…….3 1.3 Những phương pháp chiếu xạ đại hơn……….……………………… … 1.3.1 Xạ trị chùm tia ngoài………….….…………………….………….…….4 1.3.1.1 Máy Betatron………………………… …… ……………… …….…… 1.3.1.2 Máy xạ trị Cobalt-60………………………….…………… … ……… 1.3.1.3 Máy gia tốc thẳng……………………… ….………… …… …….… 1.3.1.4 Gamma knife xạ phẫu định vị…….………… ………… ……….…… 1.3.1 Công nghệ kỹ thuật số chuẩn trực chùm tia… …………… … …… a Xạ trị theo hình dạng khối u…………………… …… ……… ……… ……8 b Xạ trị điều biến liều IMRT…….…… ……………………… ….………….… 1.3.1.6 Xạ trị dùng tia proton…….………………………………… ………… .8 iii 1.3.2 Xạ trị nguồn phóng xạ kín (xạ trị áp sát)………….……… … … …9 1.3.3 Tia xạ chuyển hóa, kết hợp chọn lọc ………….………….… …… … … CHƯƠNG KĨ THUẬT XẠ TRỊ VÀ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ IMRT TRONG XẠ TRỊ………………………………………………………………… 11 2.1 Cơ sở để triển khai kĩ thuật IMRT……………………………….………… 11 2.2 Nguyên lí kĩ thuật IMRT…………………………………….………… 12 2.2.1 Thế gọi kĩ thuật xạ trị IMRT…… ……………… …… ….…… 12 2.2.2 Ưu điểm IMRT……………………………………… ….…… ….….13 2.2.3 Các phương án để biến đổi cường độ chùm tia……………….….…….….…14 2.3 Lập kế hoạch xạ trị IMRT…………………………… … ……… … 15 2.3.1 Bài toán kế hoạch xuôi………………….……………….…….…… ……15 2.3.2 Bài toán kế hoạch ngược…………………………….……………… … …16 2.3.2.1 Thế toán ngược ?.……………………… ………….…….… 16 2.3.2.2 Quá trình tối ưu hoá thông số mục tiêu toán ngược………… … 17 2.3.3 Mô hình tối ưu hoá……… ……………………… ………… …….… 20 a Theo liều lượng……………………………………………… … 20 b Theo hiểu biết lâm sàng…………………….……………… ………… … 21 c Theo liều đồng tương đương……………………… …………… … ….22 d Theo xác suất kiểm soát………………… ………………………… … ……23 CHƯƠNG HÀM MỤC TIÊU CHO MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA… … ……24 3.1 Mô hình tối ưu hoá theo liều lượng…… ……………………….….….… ….24 iv 3.1.1 Hàm mục tiêu mô hình này……………………….…….… ……… 25 3.1.1.1 Công thức mặt toán học………………………….………… … ….…25 3.1.1.2 Các sở để xây dựng công thức……………….…….………… …… 27 3.1.2 Những mục tiêu để xây dựng hàm………………….…………… … ….….27 3.1.2.1 Mục tiêu cho liều lượng………………….……………….… .… 28 3.1.2.2 Mục tiêu cho liều lượng - thể tích……………………… ………….… 29 3.1.2.3 Mục tiêu EUD……………………….…………….………… .….….31 3.2 Trọng số cho việc kết hợp hàm mục tiêu………………………… … … 32 3.3 Thuật toán tối ưu hoá cho độ mở trường chiếu…………….… … … 33 3.3.1 Thuật toán DAO………… ………………………… …………….… … 33 3.3.2 Quá trình tối ưu hoá cho thuật toán JO DAO.………………… …… … 34 Kết luận……………………………………………… …………………… ….36 Tài liệu tham khảo……………………………………………….……… …… 37 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3D-CRT (Three dimensional conformal radiotherapy): xạ trị chiều theo hình dạng khối u CT (Computed tomography): chụp cắt lớp CTV (Clinical target volume): thể tích bia lâm sàng DAO (Direct aperture optimazation): tối ưu hoá độ mở trường chiếu DICOM (Digital imaging and communications in medicine): hình ảnh kỹ thuật số truyền thông y học DNA (Deoxyribo nucleic acid): vật chất di truyền DVH (Dose volume histogram): biểu đồ liều lượng thể tích EUD (Equivalent uniform dose): liều tương đương sinh học HDR (High dose rate): suất liều cao IGRT (Image guided radiation therapy): xạ trị hướng dẫn hình ảnh IMRT (Intensity modulated radiation therapy): xạ trị điều biến cường độ MLC (Mutileaf collimator): ống chuẩn trực đa MRI (Magnetic resonance imaging): chụp cộng hưởng từ LDR (Low dose rate): suất liều thấp PET (Positron emission tomography): chụp cắt lớp positron PRV (Planning risk volume): Thể tích tổ chức nguy cấp PTV (Planning target volume): Thể tích lập kế hoạch điều trị Real ART (Real time adaptive radiation therapy): xạ trị thích ứng theo thời gian thực SPECT (Single photon emission computed tomography): chụp cắt lớp photon đơn sắc JO-DAO (Jaw only direct aperure optimazation): tối ưu hoá độ mở trường chiếu dành cho ngàm độc lập vi JO-IMRT (Jaw only intensity modulated radiation therapy): xạ trị điều biến liều dùng ngàm độc lập vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1: Sự khác phân bố liều lượng từ phía khác IMRT……………………………………………………………………………….12 Hình 2.2: So sánh liều lượng xạ 3D-CRT IMRT…………………… 13 Hình 2.3a: Các đồ phân bố liều lượng tạo jaws………………………… 14 Hình 2.3b: Các đồ phân bố liều lượng tạo MLC…………………… ……15 Hình 2.4: Các trường chiếu tạo nên từ chùm đơn vị ghép lại thành đồ phân bố cường độ biến thiên theo yêu cầu điều trị…………………………18 Hình 2.5: Phương pháp JO-IMRT chồng chập trường chiếu nhỏ tạo ngàm (jaws) thành đồ phân bố cường độ…………… …………………… 19 Hình 2.6: Sơ đồ tối ưu hoá kỹ thuật IMRT…………………….………… 20 Hình 2.7: Hình biễu diễn mô hình ngưỡng Baglan - Robertson cho nguy ngộ độc cấp tính ruột non………………………………………………………………… 21 Hình 3.1: Bản đồ phân bố cường độ chia thành nhiều phần nhỏ……….…….26 Hình 3.2: Biểu đồ liều lượng chiếu xạ phần vú…………………………………….29 Hình 3.3: Đồ thị mục tiêu liều lượng thể tích………………………….…… ……31 viii LỜI MỞ ĐẦU Lịch sử xạ trị người khám phá đặc tính xạ hạt nhân Sự tiến khoa học kĩ thuật công nghệ góp phần thúc đẩy phương pháp kỹ thuật xạ trị ngày đại Hiện nay, dù ngành y học có nhiều phương pháp để điều trị bệnh ung thư xạ trị phương pháp phổ biến chiếm vị trí quan trọng y học đại Trong phương pháp xạ trị chùm tia phát từ máy gia tốc, kỹ thuật xạ trị bao gồm: kỹ thuật phân bố hai chiều (2-D), kỹ thuật xạ trị theo hình dạng khối u (3D-CRT), xạ trị điều biến cường độ (IMRT), xạ trị theo hướng dẫn (IGRT), xạ trị thích ứng theo thời gian thực (Real ART), xạ trị cắt lớp, xạ trị hạt nặng, xạ trị áp sát,… Hiện nước ta có bệnh viện Bạch Mai ứng kỹ thuật IMRT với nhiều ưu điểm so với kỹ thuật sử dụng phổ biến bệnh viện 3DCRT Bài tiểu luận giới thiệu sơ lược kỹ thuật xạ trị ứng dụng tập trung chủ yếu kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ JO-IMRT Nội dung tiểu luận gồm chƣơng: Chương 1: Sự đời phát triển kỹ thuật xạ trị Chương sơ lược kỹ thuật xạ trị ứng dụng máy móc, dụng cụ kỹ thuật Chương 2: Kĩ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT Phần trình bày tổng quan kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT, sở mô hình tối ưu việc lập kế hoạch xạ trị IMRT Chương 3: Hàm mục tiêu cho mô hình tối ưu hoá Chương trình bày hàm mục tiêu trình tối ưu hoá thuật toán tối ưu hoá JO-IMRT 23 Nhờ công thức đơn giản nên ưu điểm phương pháp áp dụng công thức cho khối u lẫn quan cần bảo vệ Ngoài phương pháp cho thông số phương pháp khác Tuy nhiên, mô hình lại không đồng cho tất trường hợp, số trường hợp hiệu trường hợp khác [2] Lý phân bố lại clonogen (một kỹ thuật vi sinh học thường sử dụng phòng thí nghiệm nghiên cứu ung thư để xác định tác dụng thuốc xạ hạt nhân phát triển tế bào ung thư) cho liều đồng không đồng có khác kể giá trị trung bình chúng [8] Ngoài ra, tính xác số xạ sinh học để đánh giá EUD bị ảnh hưởng yếu tố khác d Theo xác suất kiểm soát Do tế bào sau nhận xạ có xác suất xảy biến chứng (gọi hiệu ứng sinh học) biến chứng tạo nhiều phân bố liều [3] Dù hiệu ứng xảy không xảy ra, thực tối ưu hoá ta nên tính thêm yếu tố Mục tiêu tối ưu hoá theo cách cực đại xác suất kiểm soát với khối u cực tiểu xác suất biến chứng với mô lành Mặt khác, mối quan hệ liều biến chứng mối quan hệ đơn tuyến 1-1 mà mối quan hệ xác suất ngẫu nhiên [2] nên dẫn đến hàm mục tiêu để đánh giá mô hình cho cấu trúc khác chưa xác 24 CHƢƠNG HÀM MỤC TIÊU CHO MÔ HÌNH TỐI ƢU HOÁ Ở chương nói hàm mục tiêu mô hình tối ưu hoá 3.1 Mô hình tối ƣu hoá theo liều lƣợng Như nói chương trước, để tối ưu hoá quy trình lập kế hoạch ta phải tìm hàm mục tiêu Trước tìm hàm mục tiêu, đưa vào yếu tố để tính toán theo số mô hình Thông thường để xây dựng hàm mục tiêu cho IMRT, người ta thường chọn mô hình tối ưu hoá theo liều lượng Người lập kế hoạch đưa thông số liều lượng dựa đồ phân bố liều máy tính lặp lặp lại nhiều lần để tối ưu phương án tốt [5] Nếu trình lặp lặp lại vượt số lần mà người lập kế hoạch định trước cải tiến việc tìm hàm mục tiêu, máy dừng Trong sau trình tối ưu hoá, thông số hiệu chỉnh thêm vào để cải thiện kế hoạch Sự thay đổi thông số gồm: - Các điều kiện trình tối ưu hoá Có thể thay đổi thêm điều kiện ta tạm dừng trình khởi động lại trình sau thêm vào số hệ thống lập kế hoạch - Hướng chiếu chùm tia - Đường khoanh vùng bảo vệ khối u Hai điều kiện cuối bắt buộc ta phải tính toán lại trình tối ưu hoá thay đổi chúng, ma trận phân bố liều thay đổi [2] Do để hiệu chỉnh thông số cho trình cách hợp lí, ta phải nắm rõ việc thay đổi kết thay đổi yếu tố 25 3.1.1 Hàm mục tiêu mô hình Sau kết thúc trình tối ưu hoá, ta phân bố liều tối ưu Nhưng để biết phân bố tối ưu hay không, phải đánh giá dựa hàm mục tiêu đại diện cho 3.1.1.1 Công thức mặt toán học Đánh giá hàm mục tiêu liên quan đến trình tối ưu hoá cho toán ngược Về mặt toán học hiểu hàm mục tiêu đại diện cho thông số trọng số chùm tia đơn vị đồ phân bố liều toán ngược [2] Đánh giá hàm mục tiêu đánh giá chất lượng kế hoạch đặt Để đánh giá hàm mục tiêu, ta phải tìm giá trị nhỏ hàm số f(x) (hàm mục tiêu): ∫ ( ) (3.1) với x vectơ trọng số chùm tia, điều kiện x > liều lượng phát dương Hàm f(x) xây dựng theo đồ phân bố liều lượng dùng để so sánh với hàm mục tiêu kế hoạch điều trị khác nhằm tìm kế hoạch tốt Công thức toán cho hàm mục tiêu Để lập công thức cho hàm mục tiêu trước tiên cần có liệu cấu trúc vùng bệnh Ở thường dùng ảnh CT để mô giải phẫu quan vùng bệnh, thông thường để tăng tính xác thông tin , người ta thường kết hợp ảnh chụp CT với loại ảnh khác MRI, SPET,… 26 Các thông tin liệu bệnh nhân lưu file ảnh DICOM đưa vào hệ thống lập kế hoạch Để tính toán liều lượng, hệ thống lập kế hoạch chia khối u thành khối hình hộp nhỏ gọi là” voxel” Số lượng voxel cho vùng bệnh tuỳ theo kích thước voxel kích thước vùng bệnh.Thường thuật toán, thứ tự voxel đánh số i = 0,1,2,… n Hình 3.1: Bản đồ phân bố cường độ chia thành nhiều pixel nhỏ Hình cho thấy đồ phân bố cường độ chia thành hình vuông chữ nhật nhỏ gọi pixel (điểm ảnh) với số j = 1,2,… m Các pixel biểu diễn cho mặt cắt chùm tia đơn vị với mặt phẳng qua tâm khối u (isocenter plane) vuông góc với trục chùm tia Số lượng chùm tia đơn vị tuỳ thuộc vào kích thước bia số lượng chùm tia sử dụng Tổng liều lượng nhận voxels thứ i tính tổng liều lượng chùm tia đơn vị với trọng số tương ứng chiếu tới nó: ∑ (3.2) liều nhận voxels thứ i từ chùm tia đơn vị có trọng số (giá trị đồ phân bố cường độ tương ứng với chùm tia đơn vị thứ j) Hàm mục tiêu mô hình tối ưu theo liều hàm dựa sai lệch phân bố liều thực phân bố liều mong muốn : 27 ( ) Hàm (3.3) tiến dần đến f(Aw, (3.3) ), đạt cực tiểu toàn cục, để đánh giá kế hoạch tối ưu theo mô hình liều công thức (3.1) 3.1.1.2 Các sở để xây dựng công thức Các yếu tố để so sánh hay đánh giá hàm mục tiêu? Những yếu tố để so sánh trước hết phải phản ánh phân bố liều theo cấu trúc vùng bệnh dựa ta đánh giá kế hoạch cách xác Cho nên yếu tố hàm mục tiêu để ta so sánh là: - Đường DVH - Đường đồng liều Tuy nhiên yếu tố liên quan đến cấu trúc giải phẫu nên khó so sánh định lượng [2] Do vậy, người ta thêm vào tiêu liều-thể tích liều đồng tương đương (EUD) Ngoài đánh giá dựa yếu tố liều lượng-thể tích, người ta đánh giá dựa yêu cầu hình thức khác xây dựng hàm mục tiêu Các yếu tố tiêu chí hay mục tiêu cần đạt được: - Yếu tố vật lý Thường bao gồm yếu tố liều lượng - Yếu tố sinh học Có thể hiệu ứng sinh học,… Nói chung tiêu chí thường điều kiện hay mục tiêu cụ thể [2] 3.1.2 Những mục tiêu để xây dựng hàm Như nói phần nói tiêu chí vật lý, sinh học hàm mục tiêu 28 3.1.2.1 Mục tiêu cho liều lƣợng Đây tiêu chuẩn quan trọng cho việc lập kế hoạch: phân bố liều cho khối u Nó có nghĩa với khối u, liều lượng chiếu phải đạt khoảng định (nằm cận cận trên) theo yêu cầu điều trị Đây tiêu chí bắt buộc lập kế hoạch Nếu điểm thể tích chiếu xạ nhận liều nằm khoảng này, điểm góp phần việc làm giảm hiệu kế hoạch Những điểm nằm khoảng cho phép góp phần tăng hiệu kế hoạch Sự so sánh tính qua công thức sau: ( ∑ Với ) (3.4) liều nhận voxel thứ i, D liều yêu cầu điểm thứ i Tuy nhiên nói trên, tiêu chí liều cho ta khoảng với hai cận ( ), thực tế có phân bố liều mà điểm nhận liều định Vì với điểm vùng xạ trị, vượt giá trị hay giá trị làm giảm hiệu điều trị Sự giảm hiệu tính toán cách đưa vị trí có sai lệch vào hàm mục tiêu Khi hàm mục tiêu (3.4) viết lại sau: O = ∑ ( ) H( - Với H hàm bước nhảy: H(x) = ( ) ) + w( ) H( ) (3.5) , u w trọng số tương ứng trường hợp vượt giá trị hay giá trị liều nhận voxels thứ i 29 Còn với quan cần bảo vệ, sai lệch làm giảm hiệu điều trị xảy điểm quan tâm nhận liều vượt giới hạn cho phép Hàm mục tiêu trường hợp là: O = ∑ ( ) H( ) (3.6) liều giới hạn định cho phần thể tích bảo vệ 3.1.2.2 Mục tiêu cho liều lƣợng- thể tích Mặc dù với tiêu chuẩn phân bố liều khoảng chấp nhận, sơ đồ phân bố liều lượng có khuyết điểm Đó thể tích xạ trị thuộc quan nhạy cảm với tia xạ gan, phổi, tuỷ sống,… chịu liều chiếu tối đa toàn phần liều lại khác với với liều tối đa mà phần thể tích quan chịu Tim Phổi bên phải Phổi bên trái Vú Thể tích điều trị Phần vú mục tiêu Thể tích (%) Liều lượng (cGy) Hình 3.2: Biểu đồ liều lượng – thể tích chiếu xạ phần vú [9] Trong hình 3.2 ta thấy rằng, 5%,10% ,20% thể tích tim nhận 3,4; 2,7 1,9 Gy Trong phần vú khoẻ mạnh có 20% thể tích nhận 4,7 Gy; 50% thể tích nhận 2,5 Gy; 80% thể tích nhận 0,1Gy 30 Từ ta thấy, mục tiêu liều lượng thể tích thêm vào làm yêu cầu liều tối đa tối thiểu dễ dàng đáp ứng Toàn thể tích nhận liều tối thiểu Y Gy với tiêu chuẩn 30% thể tích chứa khối u sử dụng liều tối đa X Gy để đạt hiệu cao Trong mục tiêu liền lượng thể tích này, có hai đối tượng cần quan tâm là: thể tích cần bảo vệ khối u Với thể tích cần bảo vệ, mục tiêu liều lượng thể tích định nghĩa thể tích V nhận liều D lớn D’ phải nhỏ thể tích V’ Điều có nghĩa với thể tích cần bảo vệ, liều trung bình mà thể tích nhận tính toán qua hàm (tính theo tham số thể tích) phải nhỏ liều cho thể tích [2] Với điểm mà liều trung bình nhận lớn liều tối đa cho phần thể tích đưa vào tính toán sai khác hàm mục tiêu: O =∑ ( ) H( ) H( ) (3.7) Với thể tích khối u mục tiêu liều lượng thể tích hiểu thể tích V nhận liều D lớn liều D’ phải lớn thể tích V’ Hàm mục tiêu cho trường hợp là: O =∑ ( ) H( ) H( ) (3.8) 31 Hình 3.3: Đồ thị mục tiêu liều lượng thể tích 1: Toàn thân, 2: Đầu xương đùi, 3: Bàng quang, 4: Trực tràng, 5: Thể tích điều trị 3.1.2.3 Mục tiêu EUD Ngoài tiêu chí liều, liều lượng thể tích tiêu chí liều đồng tương đương quan trọng Như biết, EUD liều tương đương sinh học phân bố liều khác gây hiệu ứng sinh học Từ định nghĩa này, ta có hai loại EUD: EUD phân bố liều khối u EUD phân bố liều quan cần bảo vệ EUD phân bố liều khối u định nghĩa liều đồng vào khối u cần thiết để tiêu diệt số lượng tế bào khối u Định nghĩa đưa Niemierko vào năm 1997 [8] Hàm công thức EUD (được đưa Niemierko) biểu thức (2.2) chương Trong đó, giá trị đại lượng a có ý nghĩa để xác định khối u hay vùng cần bảo vệ Giá trị a dương khối u , âm quan bảo vệ 32 Nếu a =1, EUD công thức (2.2) trở thành công thức liều hấp thụ trung bình Nếu a > a ầ ế đế ∞, EUD trở thành liều hấp thụ cực đại Nếu a < a dần tiến đến -∞, EUD trở thành liều hấp thụ cực tiểu Hàm mục tiêu EUD với giới hạn liều mong muốn liều đưa không đồng nhất: O = -ln( * ) + (3.9) Biểu thức (3.9) hàm mục tiêu vùng khối u Với hàm này, EUD phải lớn (được xác định trước phụ thuộc vào loại tế bào ung thư) Lúc hàm có giá trị tiến để đảm bảo an toàn (mục tiêu EUD) Nếu trường hợp > EUD mục tiêu EUD bị vi phạm ta đưa vào tính toán sai khác theo biểu thức (3.9) O = -ln( * + ) (3.10) Biểu thức (3.10) hàm mục tiêu vùng cần bảo vệ nên EUD phải nhỏ (được xác định trước phụ thuộc vào vùng cần bảo vệ) Cũng trên, trường hợp < EUD ta đưa vào biểu thức (3.10) để tính sai khác 3.2 Trọng số cho việc kết hợp hàm mục tiêu Như trên, hàm mục tiêu cho mục tiêu liều, liều thể tích hay EUD nhằm góp phần cho hàm mục tiêu riêng rẽ quan Kết hợp hàm hàm mục tiêu cuối mà nhiệm vụ tìm cân đối cho khối u vùng bảo vệ kế hoạch điều trị Để kết hợp hàm riêng rẽ quan khác ta phải dựa vào trọng số (hệ số 33 quan trọng) , kí hiệu w, quan [2] Các trọng số dựa vào yêu cầu mục tiêu mà thay đổi giá trị Mục tiêu có yêu cầu lớn, quan trọng trọng số lớn Ngược lại , giá trị chúng nhỏ mục tiêu quan trọng Người lập kế hoạch chỉnh sửa kế hoạch cách thay đổi trọng số, thay đổi quan trọng mục tiêu Hàm mục tiêu cuối cách kết hợp hàm mục tiêu khối u quan cần bảo vệ: OF = ∑ +∑ (3.11) Do quan có nhiều điều kiện nên biểu thức (3.11) viết lại sau: OF = ∑ (∑ )+∑ (∑ ) (3.12) Trong : , hàm mục tiêu tính theo tiêu chí phần trước cho khối u thứ n vùng cần bảo vệ thứ m , trọng số yêu cầu thứ i với khối u thứ n yêu cầu thứ j với vùng cần bảo vệ thứ m 3.3 Thuật toán tối ƣu hoá cho độ mở trƣờng chiếu 3.3.1 Thuật toán DAO Sau tính toán liều cho chùm tia đơn vị, cần phân bố chúng theo yêu cầu Để tạo phân bố vậy, phải điều khiển, thay đổi hình dạng trường chiếu Sự điều khiển cần tối ưu hoá kế hoạch tốt Thuật toán điều khiển thay đổi trường chiếu này, mà trình di chuyển ngàm độc lập (đối với máy sử dụng ngàm độc lập phổ biến nước ta) độ mở collimator gọi thuật toán tối ưu hoá trực tiếp độ mở DAO [1] Nó mô tả cách thức di chuyển ngàm (hoặc 34 collimator) trình tối ưu hoá chọn kết tối ưu dựa hàm mục tiêu có giá trị thấp [2] Kết thúc trình tối ưu, dựa theo vị trí ngàm di chuyển, mở phân đoạn trường chiếu Kết hợp chúng lại, ta có đồ phân bố liều 3.3.2 Quá trình tối ƣu hoá cho thuật toán JO-DAO Để triển khai thuật toán, ta cần ba thông số đầu vào: - Số lượng chùm tia - Năng lượng chùm tia - Hướng chiếu chùm tia Những thông số trên, người lập kế hoạch cần thiết lập trước chúng thường phụ thuộc vào kinh nghiệm người Trình tự tối ưu hoá thuật toán diễn sau: - Đầu tiên ngàm mở cho bao trọn hình dạng khối u bắt đầu tính toán hàm mục tiêu từ vị trí ngàm - Thuật toán duyệt qua giá trị biến gồm: độ mở trường chiếu trọng số độ mở (thời gian hay số lần mở trường chiếu) [2] Các ngàm di chuyển cách ngẫu nhiên tạo nên hình dạng trường chiếu khác theo phân bố Gausian với khoảng cách lần di chuyển tính theo công thức: =1+( ) (3.13) với A độ mở trường chiếu thời điểm bắt đầu số lần di chuyển ngàm tạo kế hoạch có giá trị hàm mục tiêu nhỏ giá trị nhỏ thời 35 phản ánh cho phép di chuyển ngàm nhiều hay Khi ngày nhỏ gần tới giá trị tối ưu Khi tiến tới σ tiến đến Tuy nhiên thường người lập kế hoạch giới hạn độ mở tối thiểu phân đoạn trường chiếu để tránh trường hợp phân đoạn trường chiếu nhỏ - Hàm mục tiêu OF tính toán Nếu vị trí ngàm di chuyển tới có hàm mục tiêu OF giảm dần, chấp nhận Ngược lại, hàm OF không giảm vị trí tính toán theo xác suất P [2]: P=B (3.14) ( ) B xác suất thời điểm bắt đầu có ý nghĩa công thức (3.13) P tiến đến với tiến đến Việc chấp nhận xác xuất P nhằm bỏ qua trường hợp hàm mục tiêu đạt cực tiểu địa phương để tiến tới giá trị cực tiểu toàn cục [7] - Kết thúc trình, ta có hàm mục tiêu có giá trị nhỏ nhất, nên kế hoạch thu biểu đồ liều lượng đạt gần so với yêu cầu ban đầu Biểu đồ chồng chập trường chiếu liên tiếp có độ mở khác trình tối ưu hoá 36 KẾT LUẬN Mục đích tiểu luận này: Giới thiệu sơ lược kỹ thuật xạ trị ứng dụng tập trung chủ yếu trình bày kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ JO – IMRT Trong tiểu luận này, làm việc sau:  Tìm hiểu lịch sử ứng dụng hạt nhân y học kỹ thuật xạ trị ứng dụng  Tìm hiểu chất sở kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ quy trình lập kế hoạch xạ trị  Tìm hiểu trình tối ưu hoá, mô hình tối ưu hoá xạ trị điều biến cường độ JO-IMRT công thức toán học cho hàm mục tiêu mô hình Những hạn chế chưa làm :  Chưa tìm hiểu kế hoạch xạ trị thực tế bệnh viện cho kỹ thuật xạ trị IMRT  Chưa nghiên cứu thuật toán tối ưu IMRT sử dụng máy gia tốc có MLC Qua tiểu luận, nhận thấy kỹ thuật JO-IMRT có ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật 3D-CRT: giảm thời gian điều trị, giảm nguy biến chứng sau điều trị, sử dụng dụng cụ, phụ kiện che chắn, bù trừ mô, sử dụng máy gia tốc có mà không cần MLC Với ưu điểm này, kỹ thuật IMRT JO-IMRT bước phát triển để dần thay kỹ thuật 3DCRT diện rộng 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Xuân Cử (2011), Cơ sở vật lý tiến kỹ thuật xạ trị ung thu, Nhà xuất Y học, Hà Nội [2] Dương Thanh Tài (2012), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ (JO-IMRT), Luận án thạc sĩ vật lý,TP-Hồ Chí Minh Tiếng Anh: [3] Ramsh Chandra (2012), Nuclear Medicine Physics Basic,Lippincott Williams & Wilkins, Wolters Kluwer business ,The United States of America [4] James M Galvin,Ying Xiao, Yan Chen, Greg Bednarz,, Darek Michalski, Yair Censor, Chris Houser, Murshed Hossain, M Saiful Huq (2002), The Optimization of Inverse Planning and IMRT, Philadelphia, The United States of America [5] Margie A Hunt, Chandra M Burman (2003), Treatment Planning Considerations Using IMRT, Memorial Sloan-Kettering Cancer Center [6] Pontus Nelldal (2005), Design of a dynamic beam intensity modulator for radiation therapy, Stockholm [7] S Webb (2003), Review article The physical basis of IMRT and inverse planning, Joint Department of Physics, Institute of Cancer Research and Royal Marsden NHS Trust, London, United Kingdom Trang Web: [8] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3159218/, A quality index for equivalent uniform dose [9] http://www.medscape.com/viewarticle/578026, Lumpectomy and Partial Breast Irradiation for Early-stage Breast Cancer Following Mantle Irradiation for Hodgkin's Lymphoma [10] http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360301609032866, Radiation Dose–Volume Effects in the Stomach and Small Bowel [...]... lớn nhận một liều thấp có thể làm tăng sự đột biến của các tế bào lành [1] 2.2 Nguyên lí của kĩ thuật IMRT 2.2.1 Thế nào gọi là kĩ thuật xạ trị IMRT? Có thể coi kĩ thuật xạ trị IMRT như là một bước phát triển tiếp theo của kĩ thuật xạ trị 3D-CRT Về mặt nguyên lí, kĩ thuật IMRT xuất phát với các trường chiếu như 3D-CRT nghĩa là kiểm soát phân bố liều theo ba chiều nhưng sự phân bố đó không đều nhau... TRIỂN CỦA CÁC KỸ THUẬT XẠ TRỊ 1.1 Về sự ra đời của các kỹ thuật xạ trị Khi nhắc đến căn bệnh ung thư người ta thường nghĩ ngay đến các phương pháp xạ trị , hoá trị và phẫu thuật trong y học Vậy xạ trị ra đời khi nào ? Cách đây hơn 100 năm sau khi Roentgen phát hiện ra tia X và việc phát hiện các đặc tính phóng xạ tự nhiên của Becquerel, vào năm 1896, một bé gái 5 tuổi đã được điều trị bệnh nấm tóc... , Au 198) hoặc kháng thể đặc hiệu có gắn đồng vị phóng xạ để diệt tế bào ung thư trong quá trình chuyển hóa và kết hợp có chọn lọc 11 CHƢƠNG 2 KĨ THUẬT XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƢỜNG ĐỘ IMRT TRONG XẠ TRỊ Như ta đã nói ở chương 1, xạ trị đã trở thành một trong những phương pháp phổ biến dùng để điều trị các khối u Và theo thời gian, các phương pháp xạ trị được cải tiến dần Hiện nay, ở nước ta phương pháp phân... có kích thước nhỏ Trong kỹ thuật xạ trị bằng nguồn phóng xạ kín thì xạ trị áp sát được sử dụng khá phổ biến (gồm xạ trị áp sát liều thấp- LDR và xạ trị áp sát liều cao-HDR) 1.3.3 Tia xạ chuyển hóa, kết hợp chọn lọc Đối với bệnh đau xương hoặc ung thư tuyến giáp và một số loại ung thư khác, bệnh nhân được uống hoặc tiêm các chất đồng vị phóng xạ, còn gọi là “thuốc phóng 10 xạ , (I 131, P32 , Au 198)... thời gian điều trị Kĩ thuật này đặc biệt cần thiết khi đối phó với các khối u kháng tia xạ Tuy nhiên vấn đề mà kĩ thuật này đang gặp phải là sự rò rỉ tia xạ (do tia xạ được phát ra theo mọi hướng nên dù đã định hướng thì ít nhiều trong số chúng vẫn đi lệch ra ngoài) khiến cho nhiều vùng mô lớn nhận một liều thấp có thể làm tăng sự đột biến của các tế bào lành [1] 2.2 Nguyên lí của kĩ thuật IMRT 2.2.1 Thế... liệu pháp proton Năm 1990, trung tâm điều trị proton đầu tiên của thế giới được xây dựng tại Trung tâm Y tế Đại học Loma Linda (LLUMC) ở Loma Linda, California 1.3.2 Xạ trị bằng nguồn phóng xạ kín (xạ trị áp sát) Là kỹ thuật điều trị khối u bằng cách đưa một liều phóng xạ rất cục bộ vào chính xác bên trong khối u Kỹ thuật này hạn chế tối đa tác hại của phóng xạ tới các mô lành bao quanh khối u vì thế... những năm 1970-1980, các tiến bộ khoa học kỹ thuật đã chế tạo được collimator tự động có các “jaw” chuyển động không đối xứng, độc lập với nhau Đến những năm đầu 1980, việc cải tiến kỹ thuật đã dẫn đến sự ra đời của hệ collimator nhiều lá-MLC được điều khiển tự động bằng máy tính trong kỹ thuật xạ trị theo hình dạng khối u và xạ trị điều biến liều IMRT a Xạ trị theo hình dạng khối u Từ những dữ liệu... trong việc điều trị bệnh lao (một mối quan tâm vào lúc đó) Từ đó theo sau sự phát triển của ứng dụng tia xạ là 3 ngành khoa học ứng dụng lâm sàng của tia xạ cùng sự xuất hiện của những máy chiếu xạ đã ra đời và phát triển cho đến nay 1.2 Những phƣơng pháp xạ trị đầu tiên và những cải tiến của chúng vào đầu thế kỷ 20 1.2.1 Các phƣơng pháp xạ trị vào đầu thế kỷ 20 Một phương pháp xạ trị đầu tiên và cũng... thì sao? Với kỹ thuật IMRT, để bảo vệ cơ quan đó, cường độ sẽ được điều biến sao cho liều lượng bức xạ chỉ tác động vào phần khối u bên trên trong quá trình lập kế hoạch điều trị Đó chính là ưu điểm của kĩ thuật này, tạo ra phân bố liều tốt hơn 3D-CRT Thể tích điểu trị Thể tích điểu trị Tổ chức nguy cấp Tổ chức nguy cấp (a) (b) Hình 2.2: So sánh liều lượng bức xạ giữa 3D-CRT (a) và IMRT (b) Nhìn hình... linh hoạt và tính chính xác của các tia bức xạ được sản xuất từ các linac y tế đã thay thế phần lớn các loại máy xạ trị Cobalt như là loại máy chủ yếu Linac xạ trị để điều trị ung thư não và bắt đầu điều trị bệnh nhân đầu tiên vào năm 1953 tại Bệnh viện Hammersmith, London, là một máy megavolt được xây dựng bởi Metropolitan Vickers 1.3.1.4 Gamma knife và xạ phẫu định vị Là một thiết bị phân bố theo ... lành [1] 2.2 Nguyên lí kĩ thuật IMRT 2.2.1 Thế gọi kĩ thuật xạ trị IMRT? Có thể coi kĩ thuật xạ trị IMRT bước phát triển kĩ thuật xạ trị 3D-CRT Về mặt nguyên lí, kĩ thuật IMRT xuất phát với trường... gia tốc, kỹ thuật xạ trị bao gồm: kỹ thuật phân bố hai chiều (2-D), kỹ thuật xạ trị theo hình dạng khối u (3D-CRT), xạ trị điều biến cường độ (IMRT) , xạ trị theo hướng dẫn (IGRT), xạ trị thích... móc, dụng cụ kỹ thuật Chương 2: Kĩ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT Phần trình bày tổng quan kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ IMRT, sở mô hình tối ưu việc lập kế hoạch xạ trị IMRT Chương 3: