Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân

Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân Các loại máy gia tốc và ứng dụng trong y học hạt nhân

Chương 1: MÁY GIA TỐC VAN DE GRAAF I Sơ đồ cấu tạo nguyên lí hoạt động máy gia tốc Van De Graaf Nguyên tắc việc gia tốc hạt tích điện cho hạt chuyển động hai điện cực với hiệu điện U Sau qua hai điện cực này, hạt có điện tích q nhận thêm lượng: E = qU Tuy nhiên, máy tĩnh điện dựa nguyên tắc biết đến từ lâu, điện đạt đến vài trăm nghìn vơn Người xây dựng thành công máy gia tốc tĩnh điện có điện triệu vơn Van De Graaf vào năm 1929 Sơ đồ loại thiết bị thể hình 2.5 Thành phần cấu tạo: Biến T: Dùng dể tạo điện Bộ phận chỉnh lưu K: Dùng để tạo dòng điện chiều O1 O2 Tụ C giúp cân điện tích B: Quả cầu kim loại rỗng (điện cực điện cao) nối với điện cực điện thấp(đất) qua băng tải A (băng tải làm từ vật liệu cách điện) O1O2: Hai lăn giúp băng tải A chuyển động O, D hai mũi nhọn dung để truyền điện tích Nguyên lí: Với giúp đở biến T tạo điện vài chục nghìn vơn Qua mũi nhọn O điện tích truyền lên băng tải A đầu điện thấp(dất) truyền đến cực Để tích điện liên tục băng tải A chuyển động liên tục trục P nhờ hai lăn O1,O2 Qua mũi nhọn D điện tích chuyển từ băng tải A sang cầu B Các điện tích tích tụ bề mặt cầu nâng điện lên dòng điện rò từ điện cực xung quanh với dòng điện băng tải A cung cấp dưa vào ống gia tốc Năng lượng hạt gia tốc phụ thuộc vào điện cầu thân điện bị giới hạn độ rò rỉ điện tích từ cầu khơng khí II Sơ lược loại máy gia tốc Van De Graaf Trên hình 2.6 máy gia tốc tĩnh điện nhỏ đường kính mét Hình 2.6 máy gia tốc tĩnh điện loại nhỏ đường kính 2m Loại máy gia tốc hạt đến lượng 1,5MeV Hình 2.7 loại máy gia tốc tĩnh điện khác Cấu tạo: - Gồm hai cầu điện dương, tích điện âm - Đường kính cầu khoảng 4,5m - Điện chúng lên đến triệu vôn Do điện hai cầu lôn nên để dụng máy gia tốc phải đặt ống điện tử nằm ngang(hình 2.8) Hình 2.7 máy gia tốc tĩnh điện Hình 2.8 ống điện tử nằm ngang với hai cầu Do biết khí trơ có độ bền điện cao nhiều so với khơng khí bình thường người ta cho máy gia tốc tĩnh điện vào vỏ bọc đặt biệt chứa khí trơ áp suất đến 15 atm Thông thường, điện cực ống đặt bên thùng chứa khí SF6 áp suất cao để làm tăng cách điện điện cực điện cao trái đất Đối với sơ đồ loại máy độ dài chúng khoảng 9,5 mét gia tốc hạt lên đến 2,5MeV Với máy tĩnh điện Van De Graaf tốt nhất, phóng điện khơng vượt q chục triệu vơn chùm ion điện tích đơn vị có lượng khơng vượt q 20MeV, thơng thường có lượng – 5MeV Dòng chùm hạt lớn, đạt đến vài trăm µA Một hồn thiện máy gia tốc Van De Graaf Tandem III Máy gia tốc tandem Trong tandem sử dụng tượng tái tích điện(thay đổi dấu điện tích) ion Nguyên lí: Các ion tích điện âm phát từ nguồn ion điện đất gia tốc phía điện cực điện dương cao giữa, chất khí kim loại mỏng tước hai hay nhiều electron khỏi ion, chúng trở nên tích điện dương bị đẩy phía điện cực nối đất (V = 0) gia tốc thêm lần Chẳng hạn, ion âm hyđrogen H- gia tốc theo phương đến điện cực dương có điện cao Tại điện cực ion H- tán xạ lên bia mỏng, số lớn ion bị hai electron trở thành proton tích điện dương H+ Các proton lại bị điện cực dương đẩy ngược lại nghĩa chúng bị gia tốc thêm lần vả lượng tăng lên gấp đôi Hiện có máy tandem chuyển điện tích ion lần, lượng chúng tăng lên gấp ba IV Ưu khuyết điểm máy gia tốc Van De Graaf Hạn chế lớn máy phát tĩnh điện Van De Graaf lượng chùm hạt thấp máy có nhiều ưu điểm, ưu điểm độ đơn cao chùm hạt, đạt đến 10-6 hay cao nữa, việc điều chỉnh lượng dể dàng Chính nhờ máy phát tĩnh điện Van De Graaf, người ta đo tiết diện tán xạ protonproton vùng lượng thấp với độ xác cao ngày máy gia tốc sử dụng rộng rãi nghiên cứu khoa học 12 CHƢƠNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH VÀ KỸ THUẬT XẠ TRỊ 3D-CRT TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƢ Việc ứng dụng tia X vào điều trị ung thƣ nông ngày phong phú Trong máy phát tia-X 150 kV 300 kV đƣợc sử dụng hiệu lần lƣợt cho điều trị ung thƣ da cho làm giảm bớt triệu trứng tạm thời Tuy nhiên tính chất vật lý tia khơng đáp ứng đƣợc yêu cầu điều trị khối u sâu bên Việc nghiên cứu chùm xạ với mức lƣợng cao hơn, đồng nghĩa với khả đâm xuyên lớn hơn, dẫn đến phát triển máy xạ trị cobalt-60 Phổ chùm tia gamma phát từ nguồn cobalt-60 có đỉnh lƣợng 1,17 MeV 1,33 MeV, cho lƣợng photon trung bình khoảng 1,25 MeV, chùm xạ đƣợc dùng để điều trị tốt khối u nằm gần bề mặt da Tuy nhiên tính chất vật lý chùm tia gamma có số mặt hạn chế việc điều trị khối u sâu bên nhƣ: Liều bề mặt tƣơng đối lớn điều trị hiệu với khối u nằm sâu da Vì ngƣời ta phải sử dụng máy gia tốc xạ trị ung thƣ đời máy gia tốc tạo bƣớc ngoặt lớn điều trị ung thƣ Trong chƣơng chúng tơi trình bày lợi máy gia tốc so với máy cobalt dẫn tới đời máy gia tốc, sau tìm hiểu nguyên lý cấu tạo chung máy gia tốc Cuối trình bày kỹ thuật xạ trị thích ứng ba chiều (3D-CRT) 2.1 Những hạn chế máy xạ trị cobalt điều trị Máy xạ trị cobalt loại máy sử dụng chùm xạ gamma phát phân rã đồng vị phóng xạ 60Co để điều trị Nguồn 60Co đƣợc sản xuất có dạng đồng xu (đƣờng kính 2cm) đƣợc ghép lại thành hình trụ Hoạt độ ban đầu 6500 Ci Thời gian sử dụng khoảng - năm Nguồn 60Co phát xạ gamma () với hai mức lƣợng 1,17 MeV 1,33 MeV, lƣợng trung bình 1,25 MeV, có thời gian bán rã 5,27 năm Các mức lƣợng 60Co cố định làm cho việc điều trị trở nên linh hoạt việc điều trị ung thƣ với vị trí khối u khác Đối với 13 khối u nông, nằm gần bề mằt da, điều trị máy cobalt, liều hấp thụ cực đại nằm độ sâu sâu vị trí khối u Nhƣ vậy, điều trị khối u nơng máy cobalt liều không tập trung vào khối u, ảnh hƣởng lớn đến vùng mô lành nằm sâu da Để khắc phục điều này, điều trị máy cobalt ngƣời ta phải sử dụng thêm dụng cụ, gọi dụng cụ bù trừ Dụng cụ bù trừ có tác dụng đƣa vùng liều hấp thụ cực đại gần bề mặt da hơn, nhƣ tập trung đƣợc liều vào khối u nằm gần bề mặt da Tuy nhiên, việc sử dụng dụng cụ bù trừ tƣơng đối bất tiện Để khắc phục hoàn toàn nhƣợc điểm này, điều trị khối u nông, ngƣời ta sử dụng chùm xạ electron Bởi chùm tia electron lƣợng gần bề mặt da cƣờng độ chùm tia suy giảm nhanh chóng hẳn độ sâu cm Điều khiến vùng lành bị tổn thƣơng Khơng khơng phù hợp cho khối u nông, máy Co-60 đáp ứng đƣợc với khối u nằm sâu thể Ví dụ : Một khối u nằm phổi, cách bề mặt da trung bình cm, liều xạ máy cobalt vào đến lại thấp Để giúp cho việc điều trị trƣờng hợp đạt hiệu tốt hơn, cần phải có chùm xạ photon có mức lƣợng cao, để đƣa vùng liều cực đại sâu vào thể Nhƣ vậy, để điều trị ung thƣ linh hoạt với khối u vị trí khác thể đòi phải có chùm xạ khác nhƣ electron photon, đồng thời với điều với loại xạ phải có nhiều mức lƣợng Sự đa dạng linh động giúp cho ta điều trị đƣợc tất khối u vị trí Máy gia tốc đời hồn tồn đáp ứng đƣợc đòi hỏi Ngồi ra, sử dụng máy gia tốc xạ trị có lợi trội: Máy gia tốc an toàn nhiều ngừng phát tia tắt máy, máy cobalt đồng vị phóng xạ phân rã liên tục phát tia khơng cần đến Máy Co-60 đòi hỏi phải thay nguồn định kỳ phân rã phóng xạ Nguồn cũ bỏ cần xử lý để đảm bảo an tồn xạ để khơng gây ô nhiễm môi trƣờng Đặc biệt suất liều xạ máy gia tốc cao nguồn cobalt (thƣờng gấp 2-3 lần) 14 2.2 Tổng quan máy gia tốc tuyến tính Máy gia tốc đƣợc ứng dụng lâm sàng từ đầu năm 1950, chùm electron chùm tia X trở thành thiết bị chủ yếu nhiều trung tâm xạ trị Về ngun tắc, khơng có giới hạn công nghệ chế tạo máy gia tốc với lƣợng electron, ngoại trừ thân cấu trúc chiều dài tăng tốc thiết bị Giới hạn lƣợng chùm electron hiệu dụng đạt đƣợc thực tế lâm sàng nằm phạm vi từ 4-40 MeV Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính bệnh viện đa khoa Đồng Nai Với mục đích ứng dụng lâm sàng, loại máy gia tốc cần thiết kế cho thỏa mãn số tiêu chuẩn, yêu cầu chủ yếu nhƣ sau [2]: - Chùm tia xạ phải xác định đƣợc rõ lƣợng thay đổi đƣợc kích thƣớc chùm tia - Liều lƣợng xạ phải đồng bên chùm tia - Liều lƣợng thiết bị phát phải ổn định không giai đoạn điều trị mà phải ổn định suốt trình sử dụng 15 - Liều lƣợng xạ phân bố bệnh nhân phải đƣợc đo đạc cách xác - Chùm tia xạ phải điều chỉnh thay đổi đƣợc hƣớng vị trí bệnh nhân - An tồn ổn định khí thơng số quan trọng 2.2.1 Cấu tạo máy gia tốc tuyến tính Các phận súng điện tử, nguồn phát sóng cao tầng klystron, ống gia tốc, hệ thống uốn chùm tia, phận kiểm soát liều lƣợng bia phát tia X Hình 2.2: Cấu tạo máy gia tốc tuyến tính - Cần máy đứng (gantry stand): Đƣợc thiết kế để chịu tải, mặt khác chứa: Máy phát sóng, súng điện tử, ống dẫn sóng gia tốc - Máy phát sóng: Gồm hai thành phần chính: Nguồn phát sóng (klystron magnetron) điều chế xung Magnetron klystron: Là nguồn phát vi sóng hoạt động dƣới dạng xung ngắn cỡ vài µs Cả hai đƣợc lắp thêm điều chỉnh tần số tự động AFC (automatic frequency control) để trì dao động với tần số tối ƣu - Súng điện tử: Là thiết bị phát electron, gồm có hai loại loại hai cực loại ba cực Cơ chế cung cấp nhiệt cho catốt súng điện tử trực tiếp gián tiếp tuỳ theo nhà sản xuất 16 - Ống dẫn sóng gia tốc: Gồm có ống dẫn sóng ống gia tốc dùng để truyền đẫn tăng tốc chùm electron - Cần máy (gantry): Chứa hệ thống truyền tải electron, đầu máy điều trị Cần máy đƣợc gắn vào cần máy đứng quay đƣợc quanh trục vng góc với - Hệ thống truyền tải electron: Để đƣa electron đến đầu máy điều trị - Đầu máy điều trị bao gồm: Bia tia - X đƣợc dùng để tạo chùm photon xạ trị nhờ hiệu ứng xạ hãm chùm electron (đã đƣợc gia tốc) tƣơng tác với bia; Ống chuẩn trực (gồm có loại: Sơ cấp, xác định hình dạng chùm xạ, đối xứng độc lập) thƣờng đƣợc cấu tạo hai cặp ngàm (jaw) để tạo dạng (chuẩn trực) chùm xạ theo hình chữ nhật; khối che chắn để tạo hình dạng trƣờng chiếu thích hợp; lọc phẳng dùng để làm phẳng chùm xạ tạo tính đồng nhất; phận kiểm soát liều lƣợng (monitor) - Giƣờng bệnh: Là nơi đặt bệnh nhân bố trí tƣ xạ trị Nó quay đƣợc quanh trục mặt phẳng nằm ngang nâng lên, hạ xuống để tạo khoảng cách điều trị thích hợp - Bảng điều khiển: Là thiết bị điều khiển hoạt động máy gia tốc nhƣ: Quay, đặt vị trí cho ngàm ống chuẩn trực để định vị trƣờng điều trị - Nguồn cao áp: Cung cấp nguồn điện chiều cho máy phát sóng 2.2.2 Nguyên lý hoạt động Các electron đƣợc sinh xạ nhiệt từ súng điện tử, đƣợc điều chế thành xung phùn vào ống gia tốc Đó cấu trúc dẫn sóng mà lƣợng dùng cho electron đƣợc cung cấp từ nguồn sóng siêu cao tần (với tần số khoảng 3000 MHz – bƣớc sóng 100 mm) Chùm electron đƣợc gia tốc có xu hƣớng phân kỳ khỏi ống gia tốc đƣợc hội tụ theo quỹ đạo thẳng nhờ hệ thống điện trƣờng đồng trục Sau chùm electron đƣợc uốn theo góc 900 2700 Nếu cần sử dụng chùm tia electron cho electron trực tiếp để sử dụng, nhƣng sử dụng tia X cho chùm electron sau gia tốc chạm vào bia kim loại (target) Tại electron bị hãm lại phát tia X (theo hiệu ứng xạ hãm bremstralung) 49 - Buồng ion hóa phẳng: buồng ion hóa phẳng khuyến cáo sử dụng cho việc chuẩn đo liều nước cho electron lượng 10 MeV Thể tích hốc khí buồng ion hóa phẳng hình trụ dạng đĩa, có giá trị 0,05 - 0,5 cm3 Mặt ngồi buồng ion hóa cửa số lối vào cho chùm xạ, gọi điện cực ngồi Mặt buồng ion hóa tạo thành bề mặt đối diện với cửa số lối vào thường làm Polysterene Lucite với lớp dẫn Graphite mỏng, mặt điện cực tập hợp điện tích Khoảng cách hai mặt khoảng 2mm giữ cố định Ngồi ra, buồng ion hóa phẳng có số điện cực bảo vệ Thành buồng ion hóa phẳng dày khoảng 0,01 - 0,03mm, làm polysterene Một thuận lợi buồng ion hóa phẳng khả giảm tối thiểu ảnh hưởng nhiễu loạn tán xạ thành buồng thể tích buồng phẳng nhỏ Nên thiết kế buồng cho việc thu thông lượng electron qua cửa số lớn phân bố electron xun qua thành bên khơng đáng kể (hình p3.4.b, phụ lục 3) b Phantom nước: phantom nước khối hình hộp lập phương cấu tạo vật liệu có đặc tính nước Đặc tính phantom nước đặc trưng ba tham số: khối lượng riêng, số electron gam, số thứ tự nguyên tử hiệu dụng Số thứ tự nguyên tử hiệu dụng zeff phantom phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp, loại tia chất lượng chùm tia xạ Đối với chùm tia photon MV electron, số thứ tự nguyên tử hiệu dụng phantom xác định theo biểu thức sau: z 2i Ai  i zi i A i a z ref i (3.14) Với phần trăm khối lượng nguyên tố i, Zi số thứ tự nguyên tử nguyên tố i, Ai số khối nguyên tố i Phantom nước nên thiết kế cho tất bốn cạnh phantom vị trí cần đo liều cần rộng cm so với trường chiếu, đáy phantom phải cách 5(g/cm2) so với điểm cần đo liều hấp thụ Ngồi ra, người ta sử dụng loại phantom khác cho phép đo liều electron có lượng thấp 10 MeV như: phantom đặc hình dạng chữ nhật làm polysterene; PMMA; 50 phantom nước plastic; phantom plastic tương đương mô A-150; phantom rắn tương đương nước WT1, RMI-457 c Electrometer nguồn cấp điện: Vì dòng điện điện tích sinh buồng ion hóa bé nên chúng đo thiết bị đo dòng điện tích nhạy electrometer Nguồn cấp điện cho buồng ion hóa electrometer phận độc lập tích hợp electrometer Hai trường hợp quan trọng độ lớn phân cực điện bị thay đổi nguồn cấp điện Điều nguyên nhân khiến cho hiệu suất tập hợp ion buồng ion hóa bị ảnh hưởng 3.4.2.3 Xác định liều hấp thụ theo lý thuyết hốc khí a Lý thuyết hốc khí - Lý thuyết hốc khí Bragg-Gray: kỹ thuật đo liều hấp thụ buồng ion hóa chứa khí, để đo liều điểm môi trường, ta phải đưa buồng ion hóa vào điểm Khi buồng ion hóa xem hốc khí mơi trường Với buồng ion hóa, ta đo liều hấp thụ hốc khí Dair Để tính liều hấp thụ Dmed môi trường điểm (khi khơng có buồng ion hóa), ta cần thiết lập mối liên hệ Dair Dmed Lý thuyết hốc khí Bragg-Gray phát triển nhằm thiết lập mối liên hệ Theo Bragg-Gray, thiết lập mối liên hệ nói điều kiện sau thỏa mãn [5], [7]:  Thể tích hốc khí buồng phải đủ nhỏ (nhỏ so với quãng chạy electron để electron phần lượng nhỏ nó) Ngồi ra, điều kiên đảm bảo không làm thay đổi phân bố electron buồng ion hóa đặt mơi trường [20]  Photon đóng vai trò nhỏ, khơng đáng kể ion hóa khơng khí hốc Liều hấp thụ có electron ngang qua hốc khí Nói cách khác, tất electron đóng góp cho liều hấp thụ bên hốc khí phải tạo thành bên ngồi hốc khí chúng hồn tồn ngang hốc khí [20] Điều thỏa mãn điều kiện đầu thỏa mãn 51  Sự phát xạ hãm Bremstrahlung tạo electron thứ cấp khơng xảy hốc khí [10] Hốc khí thỏa điều kiện gọi hốc khí Bragg-Gray Quỹ đạo electron Tia X Nước Hốc nhỏ lấp đầy khơng khí Hình 3.17: Mơ tả điều kiện Bragg-Gray môi trường nước Điều kiện thứ nhằm bảo đảm thơng lượng electron Φgas hốc khí với thông lượng electron Φmed môi trường khơng có hốc khí Trong thực tế, việc đưa hốc khí vào mơi trường ln ln gây nên thay đổi định thông lượng electron Do cần có hiệu chỉnh thay đổi Điều kiện thứ hai ba nhằm bảo đảm electron gây nên liều hấp thụ hốc có nguồn gốc từ ngồi hốc khí qua khơng dừng lại hốc Khi hốc khí buồng ion hóa thỏa mãn thỏa điều kiện hốc khí Gragg-Bray (Φmed /Φgas  1) Ta áp dụng biểu thức (2.22) với môi trường môi trường vật chất (ví dụ nước) mơi trường mơi trường khơng khí, đó, mối liên hệ liều hấp thụ điểm môi trường Dmed (khi khơng có mặt buồng ion hóa) liều hấp thụ hốc khí Dair điểm cho : Mà S D med  Dair      med air (3.15) Q w m air e (3.16) Dair  Nên suy liều hấp thụ môi trường là: 52 D med  Q w S   m air e    med (3.17) air Với Dmed liều hấp thụ điểm môi trường (J/kg), Q lượng điện tích tổng cộng tạo hốc khí (C), mair khối lượng khơng khí hốc (kg) S tỷ số W =33,97 eV: lượng trung bình để tạo cặp ion    ρ med air suất hãm va chạm không giới hạn trung bình mơi trường khơng khí lấy trung bình tồn phổ lượng electron Trong thực tế, việc xác định liều hấp thụ Dmed dựa vào biểu thức (3.19) giá trị Dair không xác định theo biểu thức (3.20), mà phải dựa vào hệ số định chuẩn buồng ion hóa theo liều hấp thụ hốc khí ND,air [5] Ngun nhân có vùng bên hốc khí mà điện trường khơng tập hợp ion, vùng thể tích hốc khí khơng tính đến khối lượng hốc khí m điện tích tập hợp Q khơng xác định xác [5] - Lý thuyết hốc khí Spencer –Attix: lý thuyết Bragg–Gray không xét đến thực tế có electron thứ cấp sinh hốc khí Những electron có động đủ lớn (lớn giá trị ngưỡng Δ đó) để chạy khỏi hốc mang phần lượng làm giảm liều hấp thụ hốc khí Lý thuyết Spencer–Attix có xét đến điều [5], [7] Nó áp dụng điều kiện Bragg– Gray, thay suất hãm khối không giới hạn suất hãm khối giới hạn (L/ρ) Như vậy, liều hấp thụ mơi trường liên hệ với liều hốc khí D med = Dgas s med/gas (3.18)  LΔ  va chạm giới hạn môi trường (m) khí (a), lấy   ρ  med/gas Với s med/gas =  trung bình theo lượng electron từ E ≥Δ Các tính tốn Monte Carlo cho thấy khác biệt tỉ số(Scol/ρ)med/gas s med/gas không nhiều lắm, nhiên bỏ qua Do suất hãm va chạm vật liệu khác thay đổi theo lượng có diễn biến theo 53 lượng hạt, nên tỉ số chúng thay đổi theo lượng Tỉ số sw/a nước khơng khí phụ thuộc vào lượng giới hạn Δ Trong phép đo với buồng ion hóa, thường người ta lấy Δ = 10 keV Đối với buồng ion hoá dùng đo nước, phụ thuộc tỉ số sw/a vào lượng chủ yếu khác biệt hệ số hiệu chỉnh mật độ hai môi trường nước khơng khí, giá trị tỉ số cho bảng (chẳng hạn TRS 398) b Áp dụng lý thuyết Bragg-Gray đo liều dùng buồng ion hóa Khi dùng buồng ion hố hốc khí để đo liều mơi trường, thể tích nhạy buồng hốc khí lý thuyết Liều hấp thụ hốc khí cho cơng thức (3.20) Thường điện tích khơng tụ tập đầy đủ cực nên cần hiệu chỉnh để có giá trị Q xác Tương tự, m gas có giá trị phụ thuộc nhiệt độ, áp suất khơng khí nên cần hiệu chỉnh để có giá trị xác Để tính liều mơi trường từ Dgas theo lý thuyết Bragg-Gray, ta phân biệt hai trường hợp: thành buồng dày thành buồng mỏng [5] - Buồng ion hóa thành dày: trường hợp thành buồng có bề dày lớn quãng chạy electron, electron gây nên liều hấp thụ hốc khí có nguồn gốc từ thành Vì thành buồng xem mơi trường lý thuyết Bragg– Gray Buồng loại gọi buồng ion hóa thành dày (thick wall ionization chamber), dùng kỹ thuật đo liều theo phương pháp kerma khơng khí khơng khí (cavity chamber based air kerma in-air) Thường buồng ion hóa hốc khí có bề dày nhỏ so với quãng chạy electron, nên người ta dùng nắp (buildup cap) để tăng bề dày  Đối với buồng có thành dày, phương trình Bragg–Gray liên hệ liều hốc khí với liều thành buồng tính theo cơng thức (3.18)  Trong trường hợp xạ đến photon, liều hấp thụ mơi trường bao quanh tính từ Dwall, điều kiện sau thỏa: liều hấp thụ kerma va chạm (có CPE) Thơng lượng lượng chùm photon không bị thay đổi có mặt buồng 54 Khi đó, theo (2.21), liều môi trường bao quanh (med) liên hệ với liều thành buồng tỉ số [5] Dmed K col  med  D wall K col wall     en  en  med     en  med / wall (3.19) wall Vậy liều hấp thụ môi trường bao quanh buồng trường hợp đo với buồng có thành dày Q W D med    s wall/ gas  e gas m gas   en  (3.20) med / wall Trong thực tế, cần phải có hiệu chỉnh cho cơng thức trên, hai điều kiện nêu khơng hồn tồn thoả mãn [5] - Buồng ion hóa thành mỏng: buồng ion hố hốc khí sử dụng đo liều thường có thành mỏng so với quãng chạy electron Khi dùng buồng ion hố hốc khí khơng có nắp buildup cap để đo phantom (nước hay vật liệu tương đương) electron vào hốc khí gây nên liều hấp thụ chủ yếu có nguồn gốc từ mơi trường phantom Do người ta xem môi trường phantom môi trường lý thuyết Bragg–Gray Còn thành buồng điện cực xem yếu tố nhiễu loạn cần hiệu chỉnh.Vậy liều hấp thụ môi trường bao quanh buồng trường hợp đo với buồng có thành mỏng là: Q W D med    s wall / gas P  e gas m gas (3.21) Trong P hệ số hiệu chỉnh nhiễu loạn chùm electron có mặt hốc khí, khác biệt thành buồng môi trường, khác biệt điện cực môi trường yếu tố khác Hệ số có giá trị phụ thuộc loại xạ phổ lượng chúng vào cấu tạo buồng nên việc tính phức tạp Giá trị P cho số loại buồng ion hố thơng dụng cho biết qui trình đo liều IAEA TRS 398 [5] 3.4.2.4 Điều kiện chuẩn, đại lượng ảnh hưởng lên liều hấp thụ nước a Điều kiện chuẩn: Các điều kiện chuẩn dùng để tiến hành chuẩn liều đo liều hấp thụ nước xác định giá trị yếu tố hình 55 học đo (khoảng cách từ nguồn tới bề mặt phantom nước khoảng cách từ nguồn tới tâm buồng ion hóa, kích thước buồng ion hóa ); kích thước trường chiếu; nhiệt độ kích thước phantom; nhiệt độ, áp suất độ ẩm tương đối môi trường xung quanh Các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị hệ số chuẩn liều hấp thụ ND,W,Qo Khi thực phép đo liều hấp thụ nước phải tiến hành phép đo theo điều kiện chuẩn b Các đại lượng ảnh hưởng: Các đại lượng ảnh hưởng yếu tố mà thân chúng đối tượng phép đo ảnh hưởng đến kết đo Những yếu tố khác biệt môi trường: nhiệt độ, áp suất, điện phân cực; yếu tố liên quan tới trường chiếu xạ (suất liều hấp thụ, kích thước trường chiếu, độ sâu phantom) Những yếu tố phòng thí nghiệm chuẩn bệnh viện khác Ngồi ra, đại lượng khác ảnh hưởng tới liều hấp thụ nước chất lượng chùm tia xạ sử dụng Chất lượng chùm tia phòng thí nghiệm bệnh viện khác Ở phòng thí nghiệm chuẩn, người ta sử dụng chùm tia chất lượng chuẩn Q0 (thường nguồn Co-60) Còn bệnh viện, dùng chùm tia chất lượng Q Sự khác biệt ảnh hưởng đến kết chuẩn liều hấp thụ thực tế Khi thực phép đo cho chùm tia có chất lượng Q khác với chùm tia chất lượng chuẩn Q0 ta phải xác định hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia k Q,Qo 3.4.2.5 Định vị buồng ion hóa Sau buồng ion hóa thiết bị cần thiết dùng chuẩn liều chuẩn bị đầy đủ cơng việc q trình chuẩn liều hấp thụ định vị buồng ion hóa phantom nước Định vị buồng ion hóa bước quan trọng, việc định vị buồng ion hóa khơng xác đo liều hấp thụ dẫn kết chuẩn liều hấp thụ bị sai lệch lớn Việc định vị buồng ion hóa phantom nước phụ thuộc vào loại chùm tia xạ loại buồng ion hóa sử dụng Đối với loại buồng ion hóa hình trụ, chuẩn liều cho chùm photon, điểm quy chiếu nằm trục trung tâm tâm thể tích hốc khí (trùng với vị trí độ sâu chuẩn zref), chuẩn liều cho chùm electron, vị trí điểm quy chiếu nằm thấp vị trí độ sâu 56 chuẩn zref giá trị 0,5rcyl Với loại buồng ion hóa phẳng điểm quy chiếu nằm tâm bề mặt lối vào cửa sổ buồng ion hóa (hình p3.5, p3.6, phu lục 3) 3.4.2.6 Định chuẩn buồng ion hóa Sau buồng ion hóa gửi từ phòng thí nghiệm chuẩn, người sử dụng phải kiểm tra tính ổn định trước sau định chuẩn Điều đảm bảo cho đặc tính buồng ion hóa khơng bị ảnh hưởng di chuyển đến nơi định chuẩn Buồng ion định chuẩn lại với chùm tia chất lượng chuẩn Q0 thời gian không ba năm người sử dụng nhận thấy buồng ion hóa khơng hoạt động tốt Nếu giá trị hiệu chỉnh chất lượng chùm tia kQ,Qo buồng ion hóa cho lần trước phải định chuẩn lại để kiểm tra phụ thuộc chất lượng chùm tia Việc phải thực sau lần định chuẩn thứ ba * Định chuẩn nguồn Co60: việc định chuẩn buồng ion hóa cho liều hấp thụ nước thực phòng thí nghiệm chuẩn sơ cấp (PSDL) phòng thí nghiệm chuẩn thứ cấp (SSDL) Việc định chuẩn buồng ion hóa nguồn Co60 tiến hành sau: giả sử liều hấp thụ độ sâu chuẩn g/cm2 nước (khi chiếu nguồn chuẩn Co 60 điều kiện chuẩn) DW,Qo biết Bây giờ, đưa buồng ion hóa bệnh viện vào độ sâu chuẩn g/cm2 điều kiện chuẩn ta nhận giá trị điện tích MQ electrometer Khi đó, hệ số định chuẩn cho buồng ion nguồn Co60được tính sau: N D,W,Qo  D W,Qo M Qo (3.22) Với MQo số liều kế (dosimeter reading), số hiệu chỉnh cho đại lượng ảnh hưởng (nC hay rdg); ND,W,Qo hệ số chuẩn (Gy/nC Gy/rdg) 3.4.2.7 Phương pháp luận cho việc xác định liều hấp thụ nước A Liều hấp thụ nước cho chùm tia chất lượng chuẩn Q0: Khi biết hệ số định chuẩn buồng ion hóa theo liều hấp thụ ND,w,Qo cho chùm tia chất lượng 57 chuẩn Q0, liều hấp thụ nước độ sâu chuẩn, điều kiện chuẩn giống phòng thí nghiệm, xác định theo biểu thức sau [17]: (3.23) D W,Qo  M Qo N D,W,Qo Với ND,w,Qo hệ số định chuẩn buồng ion hóa theo liều hấp thụ đo phòng thí nghiệm chuẩn (Gy/nC Gy/rdg), MQo số hiển thị dosimeter (dosimeter reading) đo điều kiện chuẩn giống phòng thí nghiệm (nC rdg), DW, Qo liều hấp thụ nước chùm tia chất lượng chuẩn Qo (Gy) B Liều hấp thụ nước cho chùm tia chất lượng Q: Thông thường chất lượng Q chùm tia bệnh viện khác với chất lượng Q0 chùm tia phòng thí nghiệm chuẩn Do liều hấp thụ nước (đo bệnh viện) độ sâu chuẩn zref xác định kèm theo hệ số hiệu chỉnh kQ,Qo theo biểu thức sau [17]: D w ,Q (z ref )  M Q N D,W,Qo k Q,Qo (3.24) Trong đó: - ND,W,Qo: hệ số định chuẩn liều hấp thụ buồng ion hóa nhận từ phòng thí nghiệm chuẩn (Gy/nC Gy/rdg) - MQ= MrawkT,Pksk polkelec, đơn vị nC rdg - Giá trị Mraw đọc electrometer; kT,P hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất kpol hệ số hiệu chỉnh phân cực; ks hệ số hiệu chỉnh tái hợp ion trái dấu; kelec hệ số định chuẩn electrometer - kQ,Qo: hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia Q so với chùm tia chuẩn Q0 - D w,Q: liều hấp thụ nước chùm tia chất lượng Q (Gy) C Hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia: Hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia kQ,Qo định nghĩa tỷ số hệ số chuẩn liều hấp thụ chùm tia chất lượng Q chùm tia chất lượng chuẩn Q0 , [15], [25]: D w ,Q k Q,Qo  N D,W ,Q N D,W,Qo  MQ D W,Qo (3.25) M Qo Nếu sử dụng nguồn Co 60 làm chùm tia chất lượng chuẩn kQ,Qo ký hiệu kQ Lý tưởng nhất, hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia kQ,Qo nên đo 58 trực tiếp cho loại buồng ion hóa với chất lượng chùm tia tương tự với chất lượng chùm tia người sử dụng Thực tế, chất lượng chùm tia người sử dụng khơng có phòng nghiệm chuẩn nên khơng thể đo Vì kQ,Qo phải tính theo lý thuyết Với điều kiện Bragg-Gray lý thuyết Spencer - Attix thỏa mãn, biểu thức tổng quát cho kQ,Qo có dạng sau [17]: k Q,Qo  ( s w,air )Q ( s w,air ) Qo (w air ) Q PQ (w air ) Qo PQo (3.26) Trong đó: - ( sw,air)Q, ( sw,air)Qo: tỷ số suất hãm Spencer-Attix nước khơng khí sử dụng chùm tia chất lượng Q chùm tia chất lượng chuẩn Q0 - (Wair)Q, (Wair)Qo: lượng để tạo căp ion dùng chùm tia chất lượng Q chùm tia chất lượng chuẩn Q0 - Hệ số nhiểu loạn liên quan đến buồng ion hóa, ảnh hưởng tới điều kiện BraggGray PQ = P wall Pcav Pcell Pdis Với Pwall hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng thành buồng ion hóa, Pcell hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng điện cực buồng ion hóa, Pcav hệ số hiệu chỉnh cho khác vể thơng lượng electron hốc khí mơi trường chứa hốc khí, Pdis hệ số hiệu chỉnh cho thay đổi thông lượng electron việc thực phép đo điểm gần nguồn so với độ sâu chuẩn Đối với chùm photon electron dùng xạ trị có (Wair)Q  (Wair)Qo k Q,Qo  ( s w,air )Q PQ ( s w,air )Qo PQo (3.27) Trong thực tế giá trị cho bảng giá trị hay đồ thị D Giá trị MQ: Giá trị MQ xác định thông qua giá trị điện tích thơ Mraw (nC) đọc hình electrometer Để xác định Mraw xác điểm quy chiếu buồng 59 phải định vị theo điều kiện chuẩn Ngoài ra, cần phải hiệu chỉnh đại lượng ảnh hưởng kT,P; ks; kpol; kelec để tính giá trị điện tích MQ (nC, rdg) MQ= MrawkT,Pkskpolkelec (3.28) E Hiệu chỉnh đại lượng ảnh hưởng đến MQ a Nhiệt độ, áp suất độ ẩm: Hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng nhiệt độ áp suất khơng khí hốc khí buồng ion hóa đến giá trị liều hấp thụ cho biểu thức [20]: k T,P  (273,  T) P (273,  To ) Po (3.29) Trong đó: - T P nhiệt độ áp suất hốc khí thời điểm đo - T0 P0 nhiệt độ áp suất chuẩn (101,3 kPa 200C) Chú ý nhiệt độ áp suất hốc khí có giá trị với nhiệt độ áp suất khí phantom, khơng thiết trùng với nhiệt độ khơng khí xung quanh Đối với phép đo phantom nước, ta nên sử dụng ống bọc ngồi buồng ion hóa để nhanh chóng có cân nhiệt độ áp suất không khí xung quanh với khơng khí hốc khí buồng ion hóa Nếu hệ số định chuẩn buồng hóa nhận điều kiện chuẩn với độ ẩm tương đối 50% sử dụng buồng ion hóa khoảng độ ẩm từ 20% tới 80% khơng cần phải hiệu chỉnh độ ẩm [7] Nếu hệ số định chuẩn buồng nhận điều kiện khơng khí khơ hệ số hiệu chỉnh độ ẩm kh=0,97 [17] b Định chuẩn electrometer: Khi buồng ion hóa electrometer định chuẩn riêng biệt hệ số định chuẩn dụng cụ cung cấp phòng thí nghiệm chuẩn bao gồm hệ số định chuẩn buồng ion hóa ND,w hệ số định chuẩn electrometer kelec Khi buồng ion hóa electrometer định chuẩn chung hệ số định chuẩn kết hợp ND,w có đơn vị Gy/Rdg Gy/nC (đơn vị phụ thuộc vào giá trị ghi electrometer) không cần thiết sử dụng hệ số định chuẩn electronmeter kelec,có giá trị 60 c Ảnh hưởng phân cực: Trước đo đạc, ta phải kiểm tra xem phân cực buồng ion hóa có ảnh hưởng lên số ghi buồng ion hóa hay khơng Đối với hầu hết loại buồng ion hóa, ảnh hưởng khơng đáng kể cho chùm photon lượng cao, ảnh hưởng đáng kể cho chùm electron [20] Khi ảnh hưởng phân cực đáng kể giá trị thật buồng ghi nên tính trung bình trị tuyệt đối giá trị ghi ứng với hai cách phân cực dương âm, M+ M- Thường ta dùng kiểu phân cực cho buồng ion hóa Khi cần phải hiệu chỉnh phân cực Giá trị hiệu chỉnh ảnh hưởng lên giá trị ghi buồng ion hóa hiệu chỉnh qua biểu thức sau [20]: k pol  M  M  (3.30) 2M Với M+, M- giá trị điện tích electromter ghi phân cực dương âm M giá trị điện tích electrometer ghi ứng với cách phân cực dương âm d Sự tái hợp ion: Khơng phải điện tích tạo bên hốc khí buồng ion hóa tụ tập hồn tồn hai điện cực, có tái hợp ion trái dấu Sự tái hợp ion phụ thuộc vào dạng hình học buồng ion hóa điện phân cực cho buồng ion hóa Để hiệu chỉnh cho tái hợp ion, cần đưa vào hệ số hiệu chỉnh cho tái hợp ks Hệ số hiệu chỉnh xác định theo phương pháp sau: chùm photon có lượng cao dạng xung chiếu tới buồng ion hóa ta sử dụng kỹ thuật hai điện để xác định hệ số tái hợp ion ks Phương pháp giả định có phụ thuộc tham số nghịch đảo 1/M 1/V, với M số giá trị điện tích đọc electrometer điện V Trong phương pháp này, ta sử dụng giá trị điện tích đo M1 M2 hai điện thế, với điện V1 làm việc bình thường điện V2 thấp hơn, tỷ số V1/V2 ≥ Hệ số hiệu chỉnh tái hợp điện làm việc V1, xác định theo biểu thức [17]: M  M  k s  a o  a1    a    M2   M2  Các hệ số a0, a1, a2 cho bảng p2.4, phụ lục (3.31) 61 3.4.2.8 Đánh giá độ bất định đo liều nước theo điều kiện chuẩn a Với chùm photon: Sai số đại lượng, thông số vật lý khác liên quan đến sai số việc xác định giá trị liều hấp thụ nước chia thành phần sau [17]:  Phần 1: sai số đo tính hệ số định chuẩn liều hấp thụ nước ND,W phòng thí nghiệm chuẩn, bao gồm: định chuẩn ND,W chuẩn thứ cấp (SSDL) theo chuẩn sơ cấp (PSDL), độ ổn định chuẩn thứ cấp, định chuẩn ND,W cho buồng ion hóa người sử dụng theo tiêu chuẩn thứ cấp  Phần 2: sai số định chuẩn chất lượng chùm tia người sử dụng, bao gồm: sai số bố trí đo theo điều kiện chuẩn, độ ổn định buồng ion hóa nơi người sử dụng, sai số giá trị điện tích MQ sai số hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia nơi người sử dụng Q so với chùm tia chất lượng chuẩn Qo Nếu gọi sai số phần uA phần u B sai số kết hợp u hai phần (đây sai số giá trị liều hấp thụ đo tính được) tính theo cơng thức sau: u = u 2A +u B2 (3.32) Ví dụ: theo số liệu bảng 3.3, ta có sai số tương đối phần uA = 0,6, phần u B = 1,4 Dùng cơng thức (3.32) tính sai số tồn phần chuẩn liều hấp thụ DW,Q: u = u 2A +u B2 = 0,62  1,4  1,52315 Khi buồng ion hóa người sử dụng định chuẩn hệ thống phòng thí nghiệm chuẩn thứ cấp SSDL, hệ số định chuẩn ND,W kQ cung cấp sai số giá trị liều hấp thụ đo tính phantom điều kiện chuẩn khoảng 1,5% Còn thơng số đo hay cung cấp từ phòng thí nghiệm chuẩn sơ cấp sai số Dw,Q giảm khoảng 1,2% Nếu sử dụng thêm dụng cụ đo liều phụ sai số tăng lên khoảng 0,2% thêm vài bước cần thiết trình định chuẩn chéo cở sở việc định chuẩn liều chuẩn 62 Bảng 3.3 Ước lượng sai số DW,Q độ sâu chuẩn zref cho chùm photon lượng cao, dựa vào định chuẩn buồng ion hóa nguồn Co-60 [17] Đặc điểm vật lý hay qui trình thực Sai số chuẩn tương đối (%) Bước 1: Phòng thí nghiệm chuẩna Định chuẩn ND,W chuẩn thứ cấp (SSDL) theo phòng thí nghiệm chuẩn sơ cấp PSDL 0,5 Độ ổn định chuẩn thứ cấp 0,1 Định chuẩn ND,W cho buồng ion hóa người sử dụng theo tiêu chuẩn thứ cấp 0,4 Sai số kết hợp bước 0,6 Bước 2: Chùm photon lượng cao người sử dụng Độ ổn định buồng ion hóa nơi người sử dụng Bố trí đo đạt theo điều kiện chuẩn 0,3 Chỉ số MQ electrometer dụng cụ liên 0,4 quan 0,6 Hiệu chỉnh đại lượng ảnh hưởng ki 0,4 Hiệu chỉnh chất lượng chùm tia kQ 1,0 b Sai số kết hợp bước 1,4 Sai số chuẩn DW,Q 1,5 a Nếu buồng ion hóa người sử dụng định chuẩn phòng thí nghiệm sơ cấp PSDL sai số tương đối kết hợp bước nhỏ 0,6 % b Nếu kQ đo phòng thí nghiệm chuẩn sơ cấp PSDL buồng ion hóa người sử dụng, sai số kQ  0,7 % b Với chùm electron: Việc thiết lập sai số đo liều hấp thụ phantom nước tương tự phần a giới thiệu bảng 3.4 Độ bất định toàn phần bao gồm hai thành phần ứng với hai bước: định chuẩn buồng ion phòng thí nghiệm chuẩn đo với buồng ion hóa trường 63 Bảng 3.4 Thiết lập sai số tương đối DW,Q độ sâu chuẩn nước cho chùm electron, dựa vào định chuẩn buồng ion hóa nguồn Co-60 Qui trình thực Loại buồng sử dụng Khoảng chất lượng Sai số tương Hình trụ đối (%) Phẳng song song R50 ≥ 4g/cm R50≥ g/cm Bước 1: Phòng thí nghiệm chuẩn Định chuẩn ND,W chuẩn thứ cấp theo phòng thí nghiệm chuẩn sơ cấp PSDL 0,5 0,5 Độ ổn định chuẩn thứ cấp 0,1 0,1 dụng phòng thí nghiệm chuẩn thứ cấp 0,4 0,4 Sai số kết hợp bước 1a 0,6 0,6 Độ ổn định buồng ion hóa nơi người sử dụng 0,3 0,4 Bố trí đo đạt theo điều kiện chuẩn 0,4 0,6 quan 0,6 0,6 Hiệu chỉnh đại lượng ảnh hưởng ki 0,4 0,5 Hiệu chỉnh chất lượng chùm tia kQ 1,2 1,7 Sai số kết hợp bước 1,4 2,0 Sai số toàn phần chuẩn liều DW,Q 1,5 2,1 Định chuẩn ND,W cho buồng ion hóa người sử Bước 2: Chùm electron người sử dụng Chỉ số MQ electrometer dụng cụ liên a Nếu buồng ion hóa người sử dụng định chuẩn phòng thí nghiệm sơ cấp PSDL sai số tương đối bước nhỏ ... đời m y gia tốc tạo bƣớc ngoặt lớn điều trị ung thƣ Trong chƣơng chúng tơi trình b y lợi m y gia tốc so với m y cobalt dẫn tới đời m y gia tốc, sau tìm hiểu ngun lý cấu tạo chung m y gia tốc. .. dẫn sóng để truyền sóng từ nguồn phát sóng tới ống gia tốc ống dẫn sóng gia tốc  Cần m y (Gantry): chứa hệ thống gia tốc electron, đầu m y điều trị Cần m y gắn vào cần m y ứng quay quanh trục... cao ng y m y gia tốc sử dụng rộng rãi nghiên cứu khoa học 12 CHƢƠNG M Y GIA TỐC TUYẾN TÍNH VÀ KỸ THUẬT XẠ TRỊ 3D-CRT TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƢ Việc ứng dụng tia X vào điều trị ung thƣ nơng ng y phong