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 - Chương 1

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 - Chương 1.

LỜI MỞ ĐẦU Khi nói đến xạ nói chung xạ hạt nhân nói riêng người thường nghĩ đến tác hại Tác hại xạ hạt nhân thể rõ rệt qua hậu hai bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản chiến tranh giới thứ II Và gần thảm họa nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày 26 tháng tư năm 1986 nhà máy Mayak, ngày 29 tháng năm 1957[11] Tuy nhiên, phục vụ sống nhằm kéo dài nâng cao chất lượng sống mục đích ngành khoa học chân Bức xạ hạt nhân sử dụng với mục đính phá hoại cố khơng kiểm sốt có tác hại vô to lớn Nhưng sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng giúp ích sống xạ hạt nhân có nhiều ứng dụng quan trọng Bức xạ sử dụng để phục vụ sống chiếu xạ, việc tạo giống điều trị ung thư Cơ sở vật lý sinh học việc sử dụng chùm xạ hạt nhân nói chung chùm photon Gamma nói riêng xạ trị là: - Tương tác chùm photon Gamma với vật chất - Các hiệu ứng sinh học xảy thể sống chiếu chùm photon Trong sống có nhiều nguyên nhân nhiều bệnh làm giảm tuổi thọ người làm sống trở nên vô nghĩa ln bị hành hạ đau kéo dài Một nguyên nhân lớn gây hại cho sống bệnh ung thư Ung thư tập hợp bệnh biểu thị phát triển lan rộng khối u “Vấn đề ung thư” vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa Châu Âu, vượt qua bệnh tim nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao Ở Canada Mỹ có tới 130000 1200000 người năm chuẩn đoán mắc bệnh ung thư [2] Đặc biệt nước phát triển Việt Nam yếu tố môi trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực hợp vệ sinh … nguyên nhân làm gia tăng số người bị bệnh ung thư Việc điều trị ung thư tia xạ có q trình lịch sử lâu dài nói từ năm 1895, Roentgen phát tia X tới ngày 27 tháng 10 năm 1951 bệnh nhân giới điều trị tia gamma Coban-60 Việc đời sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị ung thư gặp nhiều vấn đề bất cập Chính nói ảnh hưởng lớn lên kỹ thuật xạ trị đại phát minh máy gia tốc tuyến tính vào năm 1960 Từ tới nay, với việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin, kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào xạ trị máy gia tốc kết hợp với việc cải tiến phần khí làm cho phương pháp xạ trị dần thay hoàn toàn phương pháp xạ trị từ xa khác, đem lại hiệu ngày cao điều trị ung thư Ở Việt Nam, từ năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh viện K Hà Nội) dùng máy Coban, nguồn radium vào xạ trị Bên cạnh đó, số sở y tế khác bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy – Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 sử dụng đồng vị phóng xạ điều trị ung thư Máy gia tốc đưa vào Việt Nam từ tháng năm 2001 Bệnh Viện K – Hà Nội Hiện bệnh viện K – Hà Nội, nước ta có nhiều bệnh viện khác sử dụng máy gia tốc xạ trị Bệnh viện Bạch Mai, bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương, … Phương pháp xạ trị từ xa dùng máy gia tốc có xu hướng phát triển nước ta Tuy nhiên số lượng máy cịn q so với yêu cầu thực tế Và thiết bị địi hỏi người sử dụng phải có kỹ thuật chun mơn cao.Chính việc tìm hiểu quảng bá kiến thức xạ trị, nguyên lý hoạt động máy tìm hiểu xác thông số mà tia xạ máy phát để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân vấn đề cần thiết Chính tơi chọn đề tài: “ Phân bố liều hấp thụ Phantom theo bề dày khoảng cách đến trục chùm photon lượng MV 15 MV dùng xạ trị ” Mục đích đề tài đặt ra: Tìm hiểu chế tương tác chùm xạ với vật chất Tìm hiểu phương pháp dùng chùm Photon xạ trị ưu điểm phương pháp so với phương pháp xạ trị khác Tìm hiểu chế phát chùm photon máy PRIMUS – Siemens khảo sát thực nghiệm số thông số đặc trưng chùm Photon phát từ máy PRIMUS – Siemens Xác định phân bố liều hấp thụ phantom chùm photon với mức lượng 6MV 15MV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ 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 đánh giá độ đồng độ phẳng liều hấp thụ Ngoài phần mở đầu kết luận luận văn chia thành ba chương Chương 1: Cơ sở phương pháp xạ trị dùng chùm Photon đề cập đến sở vật lý sở sinh học việc sử dụng chùm Photon xạ trị, trình tương tác photon với vật chất với thể sống, tác dụng sinh học xạ đơn vị đo liều lượng xạ Chương Phương pháp thực nghiệm trình bày vắn tắt nguyên lý cấu tạo nguyên lý hoạt động máy gia tốc Primus- Siemens, phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng chùm photon từ lối máy gia tốc Chương Kết thực nghiệm thảo luận tiến hành thực nghiệm đo liều hấp thụ tương đối chùm photon phantom theo bề dày khoảng cách tới trục Xây dựng đường cong liều hấp thụ tương đối chùm photon phantom theo bề dày khoảng cách tới trục, từ tiến hành đánh giá chất lượng chùm photon lượng MV 15MV phát từ máy gia tốc PRIMUS điều trị ung thư Bệnh Viện K CHƯƠNG 1: CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG CHÙM PHOTON 1.1 Tương tác xạ gamma với vật chất [7] Bức xạ gamma chùm hạt photon có lượng lớn Khi môi trường vật chất, chúng tương tác với môi trường thông qua hiệu ứng: hiệu ứng tán xạ, hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tạo cặp quang hạt nhân Các tượng có xảy hay khơng xảy với mức độ phụ thuộc vào lượng photon gamma nguyên tử số môi trường mà qua Phương pháp xạ trị sử dụng chùm gamma với mức lượng lớn 15 MeV nên ta quan tâm tới hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ Compton tượng tạo cặp 1.1.1 Hiện tượng hấp thụ quang điện Khi lượng xạ gamma tăng lên, lớn ion hóa nguyên tử, tượng tán xạ Rayleigh khơng cịn, xác suất xảy tượng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng Photon đến bị hấp thụ toàn nguyên tử Năng lượng truyền toàn cho electron nguyên tử Electron nhận lượng lớn ion hóa nên bứt khỏi nguyên tử, gọi quang electron Một phần lượng để thắng ion hóa, phần cịn lại biến thành động chuyển dộng Để xảy tượng hấp thụ quang điện electron nằm lớp ngun tử lượng photon bị hấp thụ phải lớn ion hóa lớp Xác suất xảy hấp thụ quang điện đặc trưng tiết diện hấp thụ quang điện nguyên tử τ a ( cm ) Người ta gọi xác suất xảy tượng quang điện đơn vị thể tích mơi trường chất hấp thụ hệ số suy giảm tuyến tính mơi trường hiệu ứng quang điện, ký hiệu kq , tính cơng thức: [ 7] k q = ρ đó: NA τ a MA ρ mật độ môi trường MA: nguyên tử gam chất hấp thụ NA: Số Avogadro (1.1) Mặt khác để đặc trưng cho khả hãm xạ hạt nhân môi trường, người ta thường dùng hệ số suy giảm khối Hệ số suy giảm khối môi trường hiệu ứng quang điện tính sau: µq = kq ( 1.2 ) ρ Từ hai công thức ta rút cơng thức tính hệ số suy giảm khối hấp thụ quang điện môi trường theo hệ số suy giảm tuyến tính là: µq = ( 1.3 ) NA τ a MA Người ta cịn tính hệ số hấp thụ quang điện nguyên tử phụ thuộc vào lượng photon tới nguyên tử số môi trường theo công thức: ( 1.4 ) τ a = 5,01.10 −23 τ a = 1,62.10 −24 Z 3,94 ε3 Z 4,3 ε3 Khi ε > I K IK > ε > IL Khi ( 1.5 ) Z ngun tử số mơi trường K L I I ion hóa lớp K lớp L nguyên tử môi trường Từ hai công thức ta thấy Z lớn hệ số hấp thụ quang điện lớn Nghĩa tượng quang điện xảy mạnh với với chất có nguyên tử số lớn hay nguyên tố nặng Mặt khác, lượng xạ gamma tăng -3 tiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm ɛ 1.1.2 Tán xạ Compton Theo tăng lượng xạ gamma, tiết diện xảy hấp thụ quang điện giảm tiết diện tán xạ Compton tăng lên, trình chủ yếu làm suy giảm lượng xạ gamma môi trường vật chất Tán xạ Compton q trình tán xạ khơng đàn hồi photon gamma với electron tự electron liên kết yếu nguyên tử môi trường Trong trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền phần lượng cho electron bị tán xạ theo hường tạo với phương tới góc gọi góc tán xạ Kết electron tán xạ nhận lượng giật lùi lượng chùm gamma bị giảm Tán xạ Compton xảy mạnh lượng xạ gamma lớn nhiều so với lượng liên kết electron Khi lượng xạ gamma tăng, electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên phía trước (nghĩa góc tán xạ nhỏ) Năng lượng xạ gamma tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ lượng xạ gamma tới theo công thức: ε tx = εt + k (1 − cos θ ) tx ɛ lượng xạ gamma tán xạ t ɛ lượng xạ gamma tới θ góc tán xạ gamma ( 1.6 ) Vì tán xạ Compton xảy electron tự nên lượng xạ gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà phụ thuộc vào lượng xạ gamma tới góc tán xạ Khi xảy tán xạ, photon bị tán xạ bay theo góc tán xạ bất kỳ, xác suất tán xạ theo góc lại phụ thuộc vào lượng xạ gamma tới thân góc Đối với lượng xạ gamma nhỏ, phân bố góc xạ có tính o đối xứng qua góc tán xạ 90 Năng lượng xạ gamma tăng xạ gamma tán xạ có xu hướng ưu tiên phía trước Khi lượng tử gamma bị tán xạ với góc nhỏ lượng thay đổi khơng đáng kể, lúc electron bay theo phương gần vng góc với Khi o lượng tử gamma bị tán xạ với góc 180 electron bay theo hướng phía trước với động cực đại Xác suất tán xạ Compton theo hướng electron gọi xác suất tán xạ Compton toàn phần electron tính theo cơng thức: σ e = 2πro2 o k − 2k − k + k + 8k + ln(1 + 2k ) + 2k k (1 + 2k ) -13 đó: r bán kính cổ điển, 2,82.10 cm ( 1.7) k lượng tương đối xạ gamma Trong nguyên tử có Z electron, tiết diện tán xạ Compton nguyên tử là: σ a = Z σ e ( 1.8 ) Hệ số suy giảm khối trình tán xạ Compton tính cơng thức: Z  µ C = ( N A / M A )σ a = N A  σ C  A ( 1.9) A đó, Z M nguyên tử số nguyên tử lượng chất tán xạ A N số Avôgađrô 1.1.3 Hiện tượng tạo cặp Khi lượng xạ gamma tiếp tục tăng lên, xảy tượng tạo cặp Đây tượng xảy trường Coulomb hạt nhân electron, lượng photon gamma biến đổi hoàn toàn thành hạt vật chất Xét trình tạo cặp xảy trường Coulomb hạt nhân Khi photon lượng cao bay vào trường Coulomb hạt nhân bị hấp + - thụ hồn tồn, tạo cặp electron positron ( e , e ) Hạt nhân trung gian tạo trường Coulomb cần thiết tham gia vào trình tạo cặp, khối lượng nghỉ bị biến đổi q trình thu động giật lùi nhỏ Theo định luật bảo toàn lượng: ε + M o c = ( me − + me + ).c + (Te + + Tee ) + M c + K ( 1.10) ⇒ ε = 2.me c + T + K + ( M − M o )c + e - o m khối lượng nghỉ electron, T động cặp e ,e ; M M khối lượng hạt nhân trước sau tạo cặp; K động giật lùi hạt ( 1.11 ) o nhân Do M ≥ M nên; ε ≥ 2.me c = 1,022 MeV Từ thấy lượng nhỏ lượng tử gamma để xảy tượng tạo cặp trường Coulomb hạt nhân 1,022 MeV Năng lượng gọi ngưỡng tạo cặp trường Coulomb hạt nhân Người ta xác định tiết diện tạo cặp trường Coulomb hạt nhân phương pháp thực nghiệm, thu cơng thức tính gần đúng: ( 1.12 ) σ tc ≈ Z ln ε đó, Z nguyên tử số môi trường ε lượng lượng tử gamma Từ cơng thức thấy tượng tạo cặp xảy mạnh trường Coulomb hạt nhân mơi trường có ngun tử số lớn lượng lượng tử gamma tăng Người ta thấy rằng, lượng lớn ngưỡng tạo cặp, tiết tạo cặp tăng nhanh lượng xạ gamma tăng Xét trình tạo cặp xảy trường Coulomb electron Khi đó, có hai cặp electron - positron tạo thành Ngưỡng tạo cặp trường hợp gấp đôi trường hợp trường Coulomb hạt nhân, có giá trị là: ε ng = 4.me c = 2,044MeV ( 1.13 ) Tuy nhiên, xác suất tạo cặp trường Coulomb electron nhỏ nhiều so với xác suất tạo cặp trường Coulomb hạt nhân 1.2 Hiệu ứng sinh học xạ 1.2.1 Tác dụng sinh học điều trị tia xạ a Cấu tạo tế bào thể người [2,8,9] Cơ thể người cấu tạo từ quan tim, phổi, não,… Các quan cấu tạo từ mô mô mỡ, da, xương …Các mô cấu tạo từ tế bào Tế bào đơn vị sống bản, kích thước tế bào khoảng 20micromet Trong thể người có khoảng 1013 đến 1014 tế bào Tương tác xạ thể sống gây nên thay đổi tế bào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng cách hỗn loạn dẫn đến ung thư Tế bào gồm có nhân giữa, chất lỏng bao quanh gọi bào tương, bao bọc quanh bào tương màng gọi màng tế bào Mỗi phận thực chức riêng rẽ - Màng tế bào thực chao đổi chất với mơi trường ngồi - Bào tương nơi xảy phản ứng hóa học, bẻ gãy phân tử phức tạp thành phần tử đơn giản lấy lượng nhiệt tỏa (dị hóa), hay tổng hợp phân tử cần thiết cho tế bào - Trong nhân có ADN đại phân tử hữu chứa thông tin quan trọng để thực tổng hợp chất - ADN chứa thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào Tác dụng sinh học xạ phá hỏng ADN tế bào [2,8,9] Hình 1.1 Cấu tạo tế bào thể người b Cơ sở sinh học điều trị tia xạ Năm (1943), tác giả Albert Bechem xuất sách “các nguyên tắc liều lượng Radium, tia X”, xem sở sinh học phóng xạ: Vùng tế bào có tỉ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ Các tế bào thể giai đoạn phân chia nhạy cảm với tia xạ Ngày ta áp dụng phương pháp tăng Oxy, tăng nhiệt vùng chiếu tia Để đề kỹ thuật định tia xạ, người ta dựa pha “phase” phân chia tế bào, phản ứng chất gian bào[8,9], hình 1-2 (trong việc bảo vệ tổ chức lành) Tất kỹ thuật điều trị tia xạ nhằm đạt liều lượng tối đa khối u, giảm đến tối thiểu liều mô lành xung quanh Muốn phải dựa khác độ nhạy cảm tia xạ tế bào u, tế bào lành vào loại tế bào cụ thể Tế bào biệt hóa kháng tia loại khơng biệt hóa Phân bố hợp lý tổng liều điều trị liều lượng lần chiếu Chu kỳ sinh sản tế bào: Sự tổng hợp S (Sythesis) Phân chia M (Mitotic) Sau phân chia G1: + S: Pha kéo dài từ 1,5 ÷ 36h, trung bình 8h, kháng tia + G2: 30 ÷ 1,5h + M: 30 ÷ 2,5h nhạy cảm tia + G1: Kéo dài hàng tháng Chu kỳ sinh sản tế bào đưa hình 1-2 Hình1.2 Chu kỳ sinh sản tế bào Khi xạ xuyên vào mô tế bào thể sống, tương tác chủ yếu thơng qua q trình ion hóa Kết q trình ion hóa tế bào tạo cặp ion có khả phá hoại cấu trúc phân tử tế bào, làm tế bào bị biến đổi bị tiêu diệt Đối với người, cấu tạo mô thể chủ yếu nước Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành cặp H+ OH-, ion bị kích thích lại tạo ion khác,… lượng xạ qua thể người lớn số lượng ion tạo nhiều Các ion gây phản ứng mạnh, tác động trực tiếp tới phân tử sinh học phổ biến Là protein, lipit, ADN làm cho cấu trúc phân tử bị sai hỏng gây hậu quả[8,9]: * Kìm hãm ngăn cản phân chia tế bào * Làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết bị biến đổi chức gây đột biến gen, tổn thương sau làm xắp xếp lại vật chất di truyền phân tử ADN * làm chết tế bào Trong q trình làm chết tế bào trình quan trọng việc điều trị ung thư 1.2.2 Tương tác xạ ion hóa với thể sống Khi xạ tác dụng lên thể, chủ yếu gây tác dụng ion hóa, tạo cặp ion hóa có khả phá hoại cấu trúc phân tử tế bào làm cho tế bào bị biến đổi hay hủy diệt Trên thể người chủ yếu (>85%) nước Khi bị chiếu xạ H2O thể phân chia thành H+ OH - Bản thân cặp H+, OH- tạo thành xạ thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, phân chia tế bào chậm dừng lại Tác dụng trực tiếp tia xạ lên phá hủy diệt tế bào vào khoảng 20% Còn lại chủ yếu tác dụng gián tiếp Năng lượng cường độ xạ qua thể người nói riêng hay qua thể sinh vật nói chung giảm hấp thụ lượng tế bào Sự hấp thụ lượng tế bào thường dẫn tới tượng ion hóa nguyên tử vật chất sống hậu tế bào bị phá hủy Nói chung lượng xạ lớn, số cặp ion hóa chúng tạo nhiều Thơng thường hạt mang điện có lượng Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốc hạt nhanh hay chậm mà mật độ ion hóa khác Tia anpha thường có vận tốc nhỏ tia bêta lại có khả ion hóa nhanh Chúng ta xem xét kỹ trình Sự ngăn cản phân chia tế bào: tế bào sinh nhân lên số lượng trình phân chia tế bào Đây chức thể sống Ngay thể người lớn, trình phân chia tế bào thường xuyên diễn để thay cho tế bào chết Những chỗ tổn thương xạ kìm hãm ngăn cản trình phân chia tế bào, làm suy yếu chức tế bào thể Sự sai sót nhiễm sắc thể: Bức xạ phá hủy nhiễm sắc thể Đa số trường hợp tổn thương thường hàn gắn khơng có hậu gây Tuy nhiên số tổn thương làm xắp xếp lại vật chất di truyền, phận quan sát qua kính hiển vi Những cố gọi sai sót nhiễm sắc thể Những sai sót xác định làm chết tế bào biến đổi chức tế bào Tần số xuất kiểu sai sót nhiễm sắc thể có mối tương quan xác định liều lượng người ta sử dụng chúng liều lượng kế sinh học Đột biến gen: Sự thay đổi lượng thông tin gen biết với thuật ngữ biến đổi gen Sự hỏng hóc nhiễm sắc thể dẫn đến đột biến gen Sự chết tế bào: Quá trình chiếu xạ làm chết tế bào dẫn tới tất hiệu ứng Quá trình chết tế bào trình quan trong điều trị bệnh ung thư Quá trình thường biểu diễn tỷ lệ sống sót tế bào sau chiếu một liều xác định Hiệu ứng – liều tỷ lệ sống sót tế bào sau chiếu biểu diễn hình 1-3 Ở mức liều thấp, đường cong có đoạn suy giảm chậm Khoảng tương ứng với khả tự phục hồi tế bào bị tổn thương Hình 1.3 Mối tương quan tượng hấp thụ tỷ lệ sống sót [6] Tuy nhiên liều cao hơn, khả sửa chữa tế bào đạt mức bão hịa, tỷ lệ sống sót giảm nhanh theo quy luật hàm mũ Hình 1-4 phụ thuộc độ sai sót nhiễm sắc thể vào liều lượng Các mối tương quan hiệu ứng - liều tương tự quan sát thấy hiệu ứng đột biến Tùy theo liều lượng xạ thể hấp thụ hay nhiều mà biến đổi nói phục hồi Ngoài yếu tố liều lượng, tác hại xạ phụ thuộc vào yếu tố thời gian Cùng với liều lượng xạ, thể hấp thụ làm nhiều lần, biến đổi bệnh lý xảy so với trường hợp hấp thụ lúc Nguyên nhân liên quan tới khả tự phục hồi tế bào thể sống Hình 1.4 Mối tương quan liều hấp thụ sai sót nhiễm sắc thể [6] 1.3 Các đơn vị đo liều xạ 1.3.1 Hoạt độ phóng xạ Hoạt độ phóng xạ nguồn phóng xạ hay lượng chất phóng xạ số hạt nhân phân rã phóng xạ đơn vị thời gian Nếu lượng chất phóng xạ có N hạt nhân phóng xạ, hoạt độ phóng xạ tính theo công thức sau A(t ) = dN = λ N ( t ) = λ.N exp(−λt ) = A( ) exp(−λt ) dt hay A = λ N (1.14) Trong đó: A hoạt độ phóng xạ, λ số phân rã phóng xạ, N số hạt nhân phóng xạ có Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ Becquerel, viết tắt Bq Một Becquerel tương ứng với phân rã giây Trước kia, đơn vị đo hoạt độ phóng xạ Curie, viết tắt Ci Curie hoạt độ phóng xạ gam226Ra, tương ứng với 3,7.1010 phân rã giây Theo định nghĩa, Becquerel Curie có mối liên hệ sau: 1Ci = 3,7.1010Bq 1.3.2 Liều chiếu suất liều chiếu a Liều chiếu Liều chiếu áp dụng cho xạ gamma tia X, cịn mơi trường chiếu xạ khơng khí Liều chiếu ký hiệu X, xác định theo công thức [7,8]: X = dQ dm (1.15) Trong đó: dm khối lượng khơng khí chùm tia X chùm xạ gamma bị hấp thụ hoàn toàn, kết tạo dm tổng điện tích dấu dQ Trong hệ đo SI, đơn vị đo liều chiếu Coulomb kilôgam, viết tắt C/kg Coulomb kilôgam định nghĩa sau: "1 C/kg liều xạ gamma tia X bị dừng lại tồn 1kilơgam khơng khí điều kiện tiêu chuẩn tạo Coulomb ion dấu" Ngoài đơn vị C/kg, kỹ thuật người ta dùng đơn vị đo liều chiếu Rơnghen, viết tắt R Theo định nghĩa Rơnghen lượng xạ gamma tia X bị dừng lại tồn 1kg khơng khí điều kiện tiêu chuẩn tạo tổng điện tích ion dấu 2,58.10-4C Theo định nghĩa chuyển đổi từ Coulomb/ kilơgam sang Rơnghen theo tỷ lệ sau: 1R = 2,58.10-4 C/kg b Suất liều chiếu Suất liều chiếu liều chiếu đơn vị thời gian Suất liều chiếu, ∗ ký hiệu X xác định theo công thức: ∗ X = X t (1.16 ) Trong X liều chiếu thời gian t Trong hệ SI, đơn vị đo suất liều chiếu C/kg.s Tuy nhiên thực nghiệm đơn vị đo suất liều chiếu thường dùng Rơnghen/giờ Rơnghen/giờ ký hiệu la R/h, thông thường suất liều chiếu thường dùng nhiều µR/h 1.3.3 Liều hấp thụ suất liều hấp thụ a Liều hấp thụ Thực tế cho thấy thay đổi môi trường chiếu xạ phụ thuộc chủ yếu vào liều hấp thụ liều tương đương Với khái niệm liều hấp thụ liều tương đương, cho phép mở rộng đối tượng xạ nghiên cứu mơi trường chiếu xạ Liều chiếu áp dụng cho xạ gamma tia X mơi trường chiếu xạ khơng khí Cịn liều hấp thụ liều tương đương áp dụng cho loại xạ ion hóa khác mơi trường chiếu xạ khác Liều hấp thụ ký hiệu D, định nghĩa thương số dE , dE dm lượng trung bình mà xạ ion hóa truyền cho vật chất mơi trường có khối lượng dm [7,8] Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ June/kilôgam, viết tắt J/kg J/kg lượng xạ chiếu vào môi trường chiếu xạ cho chúng truyền cho 1kg môi trường vật chất lượng 1J Trong thực tế, đơn vị đo liều hấp thụ J/kg, người ta dùng đơn vị Gray viết tắt Gy Rad để đo liều hấp thụ Rad viết tắt từ: “Radiation absorbed dose” Chuyển đổi từ J/kg sang Rad Gray ngược lại theo tỷ lệ sau [8,10]: 1Gy = 1J/kg 10-2 J/kg = 1rad Gy = 1J/kg = 102 rad Qua định nghĩa liều hấp thụ liều chiếu, nhận thấy liều hấp thụ liều chiếu có mối liên hệ với Với loại xạ ion hóa xác định, mơi trường chiếu xạ cho trước, liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu Liều hấp thụ liều chiếu có mối liên hệ theo cơng thức sau: D = f.X (1.17) Trong D liều hấp thụ, X liều chiếu f hệ số tỷ lệ Hệ số tỷ lệ f thực chất hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ Giá trị f tùy thuộc vào môi trường chiếu xạ đơn vị đo liều hấp thụ liều chiếu tương ứng Đối với khơng khí, hệ số tỷ lệ f = 0,869 người hệ số tỷ lệ f = 0,869 rad thể R rad R b Suất liều hấp thụ ∗ Suất liều hấp thụ D liều hấp thụ đơn vị thời gian Suất liều hấp thụ [8] xác định theo công thức: * D= D t (1.18) Trong D liều hấp thụ thời gian t Đơn vị đo suất liều hấp thụ Gy/s hay rad/s 1.3.4 Liều tương đương suất liều tương đương a Liều tương đương Đối với sinh vật thể sống, tác dụng xạ hạt nhân dẫn đến tượng làm biến đổi gây tổn thương cho đối tượng chiếu xạ Người ta gọi tượng hiệu ứng sinh học Với liều hấp thụ D cho trước, hiệu ứng sinh học phụ thuộc vào loại xạ sử dụng, điều kiện chiếu xạ, khoảng thời gian chiếu xạ Đối với sinh vật cho trước, để gây tổn thưong xác định, lần chiếu khác cần liều hấp thụ khác Khi đánh giá ảnh hưởng xạ đến hiệu ứng sinh học, thay cho liều hấp thụ ta dùng liều tương đương, ký hiệu H Với loại xạ môi trường sống xác định, liều tương đương tỷ lệ với liều hấp thụ Liều tương đương liều hấp thụ liên hệ với theo công thức sau [8]: H = QND (1.19) Trong đó: D liều hấp thụ tính rad cịn H liều tương đương tính rem; Q hệ số phẩm chất xạ cịn N hệ số tính đến yếu tố khác phân bố liều chiếu Hệ số phẩm chất Q dùng an toàn xạ đánh giá ảnh hưởng loại xạ lên đối tượng sinh học, cho biết mức độ nguy hiểm loại xạ thể sống Hệ số phẩm chất Q cho biết phụ thuộc q trình truyền lượng tuyến tính xạ vật chất Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế (International Commission on Radiological Protection - ICRP) khuyến cáo hệ số phẩm chất xạ thông thường ứng với lượng khác Giá trị hệ số phẩm chất ICRP khuyến cáo cho Bảng 1.1 Bảng 1.1 Giá trị hệ số phẩm chất loại xạ Loại xạ lượng Hệ số phẩm chất Q Bức xạ gamma tia X với lượng Electrôn với lượng Nơtrôn lượng nhỏ 10keV Nơtrôn lượng từ 10keV đến 100keV Từ 10 đến 20 Nơtrôn lượng từ 100keV đến 2MeV 20 Nơtrôn lượng từ MeV đến 20MeV 10 Nơtrôn lượng lớn 20MeV Từ đến 10 Proton lượng nhỏ MeV Từ đến Proton lượng lớn MeV Hạt alpha hạt nặng, mảnh phân chia 20 Trong hệ SI, đơn vị đo liều tương đương Sievert, kí hiệu Sv Đối với xạ gamma, tia X electron liều tương đương 1Sv Từ công thức 1.18 D đo rad, H đo rem, cịn liều hấp thụ đo Gy liều tương đương tính rem Vì 1Gy = 100Rad, nên theo biểu thức (1.18) suy 1Sv = 100 rem Như vậy, với đối tượng chiếu xạ liều hấp thụ chẳng hạn D = 100 rad, xạ chiếu tia gamma liều hiệu ứng sinh học tương đương 100rem, với nơtron nhanh liều tương đương 1000 rem [8] b Suất liều tương đương Suất liều tương đương liều tương đương đơn vị thời gian ∗ Suất liều tương đương ký hiệu H xác định theo công thức: * H= H t (1.20) Trong t thời gian, H liều tương đương mà thể sống nhận thời gian t Đơn vị đo suất liều tương đương Sv/s Sv/h Với suất liều chiếu gamma cho trước, liều hiệu dụng tương đương tỷ lệ thuận với thời gian chiếu Giữa liều hiệu dụng tương đương suất liều chiếu liên hệ với theo công thức sau[8]: * H = f.Q.N X t (1.21) Trong f hệ số tỷ lệ tùy thuộc vào mơi trường, với khơng khí f = 0,869; Q hệ số phẩm chất; N hệ số tính đến điều kiện chiếu độ đồng * chiếu, t thời gian chiếu; X suất liều chiếu; H liều hiệu dụng tương đương 1.3.5 Liều giới hạn Khi tiếp xúc với chất phóng xạ nguồn phóng xạ xạ ion hóa, nhân viên cơng tác bị chiếu xạ nhận liều hấp thụ Tùy thuộc vào liều hấp thụ mà nhân viên nhận được, xạ hạt nhân xẽ ảnh hưởng khác đến họ Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên làm việc với chất phóng xạ cần phải giảm ảnh hưởng xạ đến nhân viên Về mặt an toàn xạ hạt nhân, cần phải đưa quy định cụ thể liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên cịn làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay xạ ion hóa Liều giới hạn hiểu giá trị lớn liều hấp thụ tích lũy năm mà người làm việc trực tiếp với xạ hạt nhân chịu được, cho bị chịu liều hấp thụ tích lũy liên tục nhiều năm liên tục không ảnh hưởng đến sức khỏe thân Liều hấp thụ cho phép phụ thuộc vào độ tuổi theo quy định chung luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở nên làm việc sở sử dụng xạ hạt nhân ICRP khuyến cáo cơng thức tính liều hấp thụ tích lũy cho phép năm nhân viên, chuyên viên làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ năm sau [8] D = 50(N – 18) mSv hay D = 5(N – 18) rem Trong đó: N độ tuổi nhân viên chuyên nghiệp N ≥ 19, D liều hấp thụ tích lũy năm Tính trung bình, liều tích lũy cho phép D = 50 mSv/năm Đối với đối tượng khác liều hấp thụ cho phép giảm 10 lần Giá trị liều hấp thụ tích lũy toàn thân cho phép D quan ICRP khuyến cáo thời điểm khác nhau, cho bảng Bảng 1.2 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép người làm việc với xạ thời điểm khác [ 3] Giới hạn liều Thời gian đề nghị Cơ quan đề nghị 150 mSv/năm 1950 ICRP 50 mSv/năm 1977 IRCP 20 mSv/năm 1990 IRCP Theo Pháp lệnh An toàn Kiểm soát Bức xạ hạt nhân Việt Nam, liều hấp thụ tường đương cho toàn thân nhân viên làm việc với nguồn phóng xạ xạ hạt nhân 20mSv năm Trong năm có năm liều hấp thụ tồn thân lên tới 50mSv Tuy nhiên tổng liều năm liên tục không vượt 100mSv Quy định phù hợp với quy định Ủy ban An toàn Bức xạ Quốc tế Tuy nhiên quan thể người có mức nhạy cảm khác xạ hạt nhân, nên có giới hạn cho phép tối đa số phận có giá trị khác 1.4 Phương pháp xạ trị dùng tia gamma 1.4.1 Khái niệm mục đích xạ trị Phương pháp xạ trị tên gọi ngắn gọn phương pháp điều trị tia xạ y học, ba phương pháp sử dụng để điều trị bệnh ung thư với hai phương pháp phẫu thuật hóa chất [6,8] Xạ trị trình điều trị sử dụng xạ ion hóa hay tia xạ với liều lượng thích hợp chiếu tới khối u nhằm tiêu diệt tế bào ung thư đồng thời gây tổn thương nhỏ cho tế bào lành xung quanh Mục đích phương pháp xạ trị nhằm phá hủy tế bào ung thư ngăn chặn phát triển thêm lây lan khối u Điều trị tia xạ sử dụng độc lập chữa khỏi nhiều loại ung thư giai đoạn khu trú chỗ ung thư da, ung thư vòm họng, vùng đầu, cổ,… Phương pháp sử dụng kết hợp với phương pháp phẫu thuật trường hợp ung thư phát tương đối lớn Khi chiếu xạ trước để giảm bớt kích thước khối u cho dễ mổ, hạn chế di lúc mổ Cũng sử dụng chiếu xạ sau mổ để diệt nốt tế bào ung thư cịn sót lại Cũng kết hợp xạ trị trước sau mổ Tùy theo trường hợp ta lựa chọn phương pháp điều trị cho đạt hiệu cao Phương pháp xạ trị kết hợp với phương pháp điều trị hóa chất để tiêu diệt tế bào ung thư khu vực mà điều trị hóa chất khơng thể tiêu diệt 1.4.2 Nguyên tắc điều trị tia xạ Phác đồ điều trị phải dựa nguyên tắc sau [2]: • Bằng biện pháp CT scanner, X-quang, phóng xạ…để biết thể tích cần chiếu • Biết rõ đặc điểm bệnh lý khối u • Chọn lựa phương pháp thích hợp: Chỉ dùng xạ trị hay phối hợp phẫu thuật, hóa chất … hay chọn phối hợp hai phương pháp, chọn loại tia thích hợp, chiếu từ ngồi vào hay đặt khối u • Quy định liều tối ưu thể tích dựa vị trí giải phẫu, loại tổ chức học, độ ác tính … cấu trúc lành vùng chiếu xạ Bác sĩ không dự việc thay đổi điều quy định với điều phát sinh • Đánh giá giai đoạn thể lực bệnh nhân, đáp ứng khối u thể trạng tổ chức lành khu vực điều trị Bác sĩ điều trị phải làm việc chặt chẽ với đội ngũ vật lý, kế hoạch điều trị phận đo lường, nhầm lẫn đánh giá lâm sàng, hiểu sai quan niệm vật lý, khơng hồn hảo phác đồ điều trị thực phác đồ 1.4.3 Các phương pháp xạ trị Có hai phương pháp xạ trị phổ biến sử dụng xạ trị hay gọi xạ trị từ xa xạ trị (còn gọi xạ trị áp sát) Xạ trị hay gọi xạ trị áp sát kỹ thuật xạ trị mà khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến khối u nhỏ Trong phương pháp người ta sử dụng nguồn phóng xạ có dạng kim, dạng ống, tube để đưa sát lại vùng có khối u có ba cách thực kỹ thuật này: dùng áp bề mặt để điều trị vùng da mặt, vùng đầu, vùng cổ, …; cách thứ hai dùng applicator để điều trị khoang tự nhiên thể; loại thứ ba người ta sử dụng kim cắm trực tiếp vào khe, kẽ, mô, … Xạ trị ngồi hay cịn gọi xạ trị từ xa phương pháp xạ trị mà nguồn phát tia cách bệnh nhân khoảng Đây phương pháp phổ biến điều trị ung thư Phương pháp tiến hành với chùm photon từ nguồn phát nguồn Co60 chùm phát tia X lượng cao tạo chùm electron gia tốc máy gia tốc tuyến tính lái cho đập vào bia, dùng trực tiếp chùm electron gia tốc phát từ máy gia tốc Nội dung luận văn đề cập đến xạ trị dùng chùm photon tạo 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 xạ phương pháp xạ trị từ xa gồm có: máy Cobal 60, máy phát tia X máy gia tốc [1,4,5] Trước máy Cobal 60 sử dụng rộng rãi phương pháp xạ trị từ xa Cho đến áp dụng nhiều sở điều trị ung thư đóng vai trò quan trọng nước phát triển, có Việt Nam Máy gia tốc đời với phát triển, tin học tạo bước phát triển vượt trội đặc tính vật lý sinh học phóng xạ Ngày nước công nghiệp phát triển, máy gia tốc gần thay hoàn toàn thiết bị cũ lĩnh vực điều trị ung thư Tại nước phát triển, trung tâm điều trị quan trọng, máy gia tốc dần đưa vào áp dụng Từ năm 1960 – 1970 người ta chế tạo số máy gia tốc để ứng dụng xạ trị Đó loại máy gia tốc có nguyên tắc chế tạo dựa nguyên lý máy gia tốc Van de Graaff, máy gia tốc Betatron Tuy nhiên loại máy gia tốc cho lượng mức độ thấp lượng cao suất liều đầu chùm tia thấp, mặt khác chúng lại cồng kềnh nên không thuận tiện cho việc sử dụng kĩ thuật điều trị đồng tâm Sau này, máy gia tốc tuyến tính (hay cịn gọi máy gia tốc thẳng Linac) xuất trở thành công cụ vượt trội lĩnh vực điều trị phương pháp xạ trị Vượt lên hẳn máy gia tốc ứng dụng trước với suất liều chùm tia cao nhiều (khoảng 10Gy/phút), kích thước trường chiếu rộng, hoàn toàn đồng tâm, đặc biệt lại có kích thước nhỏ gọn ồn Điều làm cho Linac gạt loại máy gia tốc ngồi lề Ngày chúng khơng sử dụng b Phương pháp xạ trị dùng máy gia tốc Kỹ thuật xạ trị tư xa trước thường sử dụng thiết bị tạo chùm tia photon loại máy Cobalt, máy phát tia X Đây loại máy đơn giản cho lượng chùm tia tạo khơng cao Trong máy Cobalt ứng dụng rộng rãi Nhưng bất lợi là: - Loại máy cho hai loại chùm photon với lượng 1,17 MeV 1,33 MeV, nghĩa không điều khiển lượng - Chùm tia có nhược điểm: độ đâm xuyên kém, liều mặt da cao, liều sâu phần trăm thấp, độ rộng bán chùm tia lớn - Có độ rò rỉ xạ từ đầu nguồn Suất liều xạ thấp giảm theo thời gian Do đó, sau thời gian điều trị phải kéo dài Sau khoảng thời gian (khoảng đến năm) lại phải thay nguồn - Độ an toàn khơng cao Do nguồn Cobalt 60 nguồn phóng xạ nên ln phát chùm tia ngừng chiếu xạ nguồn không sử dụng bị thay Kĩ thuật xạ trị từ xa đại sử dụng máy gia tốc tuyến tính Trong chùm electron gia tốc sóng cao tần theo nguyên lí gia tốc thẳng đưa sử dụng để điều trị electron lái đập vào bia tạo chùm photon Phương pháp xạ trị sử dụng máy gia tốc tuyến tính bước tiến lớn kỹ thuật xạ trị đại Cơ sở nhận định dựa ưu việt máy gia tốc: - Máy gia tốc cho hai loại chùm tia chùm electron chùm photon - Có thể điều khiển lượng chùm tia phát từ máy gia tốc - Kích thước vùng bán chùm tia nhỏ, suất liều xạ cao - Không cần thay nguồn xạ trường hợp máy Cobalt - Độ an tồn phóng xạ cao, máy gia tốc khơng có nguồn phóng xạ, phát chùm tia hoạt động - Các đặc tính chùm tia tốt Để đáp ứng yêu cầu cao cho mục đích xạ trị, máy gia tốc phải thiết kế đạt yêu cầu bản: - Chùm xạ phát từ máy gia tốc phải xác định rõ lượng thay đổi kích thước - Liều lượng xạ chùm tia phải đồng - Liều lượng xạ phát từ thiết bị phải ổn định suốt thời gian sử dụng nghĩa lượng, cường độ vị trí chùm tia kiểm sốt - Liều lượng đo đạc cách xác - Hướng chùm tia xạ thay đổi để điều chỉnh đến vị trí khác - Hệ thống giường điều trị chuyển động theo ba chiều với độ xác cao - Hệ thống khí ổn định, linh hoạt Có hệ thống đo liều xạ, cảnh báo độ nhiễm phóng xạ, che chắn đảm bảo vận hành thiết bị, tự động ngắt máy có cố Ở Việt Nam, máy gia tốc xạ trị đưa vào sử dụng vào tháng năm 2001, Bệnh viện Ung Thư Trung Ương tạo hiệu điều trị ung thư cao, hầu hết bệnh nhân điều trị cho kết điều trị 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 lớn phương pháp xạ trị chi phí mua sắm, xây dựng bảo dưỡng hàng năm lớn Giá trị máy gia tốc khoảng 21 tỉ đồng, thời hạn sử dụng khoảng 15 năm Tại Mỹ điều trị theo phương pháp bệnh nhân phải trả 30 000 USD Đồng thời, để hỗ trợ cho xạ trị cần đến công đoạn chụp X quang, chụp cắt lớp CT, MRI, … để xác định chu vi, thể tích, vị trí khối u để lập kế hoạch điều trị xác Các công đoạn hỗ trợ cho việc xạ trị máy gia tốc mơ tả Hình vẽ 1.5 [6] Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị mềm Hệ thống phần TPS lập kế hoạch điều trị TPS CT - Scanner CT - Scanner Khuôn chắn tia nhiều Máy mô Simulator Máy mô Simulator Giá định vị bệnh nhân Máy gia tốc Accelerator tốc Máy gia Accelerator Hình 1.5 Mơ hình hệ thống xạ trị ... theo bề dày khoảng cách tới trục Xây dựng đường cong liều hấp thụ tương đối chùm photon phantom theo bề dày khoảng cách tới trục, từ tiến hành đánh giá chất lượng chùm photon lượng MV 1 5MV phát... để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân vấn đề cần thiết Chính tơi chọn đề tài: “ Phân bố liều hấp thụ Phantom theo bề dày khoảng cách đến trục chùm photon lượng MV 15 MV dùng xạ trị ” Mục đích... trưng chùm Photon phát từ máy PRIMUS – Siemens Xác định phân bố liều hấp thụ phantom chùm photon với mức lượng 6MV 1 5MV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ xác định vị trí điều trị