Bên cạnh các nghiên cứu cơ bản, với chùm laser công suất cao, các nhà khoa học dự đoán sẽ tạo ra một cuộc cách mạng mới trong điều trị ung thư sử dụng chùm proton và ion nặng (hadron therapy) dựa vào nguyên lý gia tốc hạt trong môi trường plasma tạo bởi laser
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN TRIỂN VỌNG SỬ DỤNG CHÙM PROTON VÀ ION ĐƯỢC GIA TỐC BỞI CHÙM LASER XUNG TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƯ Trong vài thập kỷ qua, nhà khoa học tạo chùm laser xung cực ngắn ~1018s có cường độ cực cao lên đến 1023-1024 W/cm2 phương pháp khuếch đại xung thường gọi phương pháp CPA (chirped-pulse amplification) phát minh nhà khoa học người Pháp Gérard Alber Mourou nhà khoa học người Canada Donna Theo Strickland, hai nhà khoa học trao giải Nobel vật lý năm 2018 cho phát minh đột phá Phát minh giúp tiệm cận đến “biên giới” mà định luật tương tác ảnh sáng với vật chất thay đổi cách đồng thời mở nhiều lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn từ vật lý đến khoa học vật liệu khoa học đời sống chế tạo chùm ion, tia X tia gamma có lượng cao,… Bên cạnh nghiên cứu bản, với chùm laser công suất cao, nhà khoa học dự đoán tạo cách mạng điều trị ung thư sử dụng chùm proton ion nặng (hadron therapy) dựa vào nguyên lý gia tốc hạt môi trường plasma tạo laser XẠ TRỊ SỬ DỤNG CHÙM HẠT PROTON, ION NẶNG (HADRON THERAPY) từ hướng khác thiết lập Kỹ thuật IMRT nhắm đến khối u tốt vùng thể tích rộng tế bào lành bị chiếu Năm 1946, Robert Wilson cơng bố báo xạ Vấn đề lớn liệu pháp nguy ưu điểm vật lý chùm ion điều trị ung tạo khối u thứ cấp thư, cộng đồng y khoa thờ Tuy nhiên, ngày ý tưởng sử dụng chùm carbon hay proton điều trị ung thư phổ biến Cho đến nay, có 300 bệnh nhân điều trị GSI, Đức sử dụng chùm carbon, 2.000 bệnh nhân Nhật 10.000 bệnh nhân Trung tâm y khoa Đại học Loma Linda, Mỹ Xạ trị sử dụng chùm proton hay ion hiệu cá khối u nằm vùng can thiệt phẫu thuật hay vùng khó điều trị sử dụng chùm photon, ví dụ khối u não, vùng gần tuỷ sống hay mắt Khác biệt chùm photon chùm hạt (proton, ion) hiệu ứng sinh học phân bố liều theo chiều sâu khác Đối với chùm photon, liều giảm theo quy luật hàm mũ theo chiều sâu Vì vậy, với khối u nằm sâu thể cần phải chiếu xạ từ nhiều phần để phân tán liều khơng mong muốn phía trước khối u vùng thể tích rộng cung cấp liều đủ tiêu diệt khối u Trong kỹ thuật xạ trị điều biến liều đại (IMRT), có đến 10 trường chiếu Hình So sánh phân bố liều theo chiều sâu môi trường nước Ion chủ yếu lượng phía cuối quãng chạy liều chủ yếu tập trung vào khối u giảm thiểu liều cho mơ lành phía trước khối u Số 63 - Tháng 6/2020 31 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Giải pháp liên quan đến vấn đề tập trung liều vào khối u cách xác giải kỹ thuật xạ trị sử dụng chùm hạt Đường phân bố liều theo chiều sâu sử dụng chùm hạt trái ngược với chùm photon, liều xạ chủ yếu tập trung vào khối u liều mà mơ lành phía trước sau khối u phải chịu thấp sử dụng trường chiếu (xem hình 1) Trong kỹ thuật xạ trị điều biến liều sử dụng chùm hạt đại nay, chùm hạt có hình dạng đầu bút chì (pencil beam) quét toàn bề mặt khối u cần tiêu diệt theo đường đồng mức với độ xác 2-3 mm (xem hình 2) cần phải tính đến lập phác đồ điều trị RBE phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác loại ion, lượng, độ sâu khối u, mức liều loại mô (xem hình 3) Trong điều trị ung thư với liệu pháp sử dụng chùm hạt, giá trị RBE tăng liều điều trị cần thiết tương ứng giảm xuống Nhìn chung, chùm ion phù hợp với loại u kháng xạ sử dụng chùm proton nguy xuất khối u thứ cấp giảm thiểu ĐÓNG GÓP CỦA MÁY GIA TỐC PROTON VÀ CHÙM ION NẶNG SỬ DỤNG CHÙM LASER XUNG CƯỜNG ĐỘ CAO Tiến kỹ thuật xạ trị sử dụng chùm hạt có nhờ công nghệ gia tốc đắt đỏ công nghệ Gần đây, thí nghiệm chứng minh chùm laser xung ngắn gia tốc pron hay carbon Để dùng xạ trị, proton cần gia tốc đến lượng 150 MeV ion carbon cần gia tốc đến lượng 350 MeV Các thí nghiệm chứng tỏ với chùm laser cường độ Hình Minh hoạ chùm tia dạng bút chì (pencil cao, việc đạt mức lượng nói beam) sử dụng xạ trị điều biến liều sử dụng cho proton phù hợp điều trị ung thư hoàn toàn khả thi (xem hình 4) chùm hạt proton hay ion nặng Hình Hiệu ứng sinh học tương đối tương ứng với chùm proton, carbon neon hàm đại lượng truyền lượng tuyến tính (LET) Các ion nặng carbon hay neon có số nguyên tử lớn nên tán xạ môi trường bé nhiều so với proton Một ưu điểm trội kỹ thuật xạ trị sử dụng hạt nặng hiệu ứng sinh học tương đối (RBE) tăng đoạn cuối quỹ đạo (tức vùng khối u) Hiệu ứng 32 Số 63 - Tháng 6/2020 Hình Năng lượng chùm proton đạt phịng thí nghiệm khác giới hàm cường độ laser Đối với máy gia tốc proton truyền thống, việc lái tập trung chùm tia đắt đỏ khó THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN khăn Hệ thống lái chùm proton từ máy gia tốc đến khối u sử dụng nam châm từ lớn nặng có khối lượng cỡ 100 đến 200 có đường kính từ đến 10 m khó phù hợp với bệnh viện (xem hình 5) Một trung tâm xạ trị sử dụng chùm proton có chi phí lên đến 150 triệu euro Một hệ thống máy gia tốc proton sử dụng chùm laser có cường độ cớ Petawatt (1015W) sử dụng bia với kích thước cỡ vài cm đặt bia gần với bệnh nhân, có nghĩa cần hệ thống gương nhỏ để “vận chuyển” chùm laser thay sử dụng hệ thống nam châm từ nặng nề tốn Mặc dù cần có hệ thống lựa chọn tập trung chùm tia sau bia toàn hệ thiết bị nhẹ nhỏ nhiều so với máy gia tốc Ngồi ra, hình dung rằng, bệnh viện, phịng điều trị bố trí vị trí linh hoạt cần hệ thống gương để “vận chuyển” chùm laser Hơn nữa, với máy gia tốc sử dụng chùm laser, khơng cần hệ thống che chắn phóng xạ đồ sộ tốn Hình Hệ thống lựa chọn lái chùm proton máy gia tốc xạ trị proton truyền thống Phan Việt Cương Trung tâm Nghiên cứu Triển khai công nghệ xạ Số 63 - Tháng 6/2020 33 ... Nhìn chung, chùm ion phù hợp với loại u kháng xạ sử dụng chùm proton nguy xuất khối u thứ cấp giảm thiểu ĐÓNG GÓP CỦA MÁY GIA TỐC PROTON VÀ CHÙM ION NẶNG SỬ DỤNG CHÙM LASER XUNG CƯỜNG ĐỘ CAO... kỹ thuật xạ trị sử dụng chùm hạt có nhờ công nghệ gia tốc đắt đỏ cơng nghệ Gần đây, thí nghiệm chứng minh chùm laser xung ngắn gia tốc pron hay carbon Để dùng xạ trị, proton cần gia tốc đến lượng... loại ion, lượng, độ sâu khối u, mức liều loại mơ (xem hình 3) Trong điều trị ung thư với liệu pháp sử dụng chùm hạt, giá trị RBE tăng liều điều trị cần thiết tương ứng giảm xuống Nhìn chung, chùm