Nghiên cứu đánh giá và tối ưu hóa trong xạ trị điều biến cường độ chùm proton (luận án tiến sĩ vật lý)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ TỐI ƯU HÓA TRONG XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ CHÙM PROTON LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ TP Hồ Chí Minh − Năm 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ TỐI ƯU HÓA TRONG XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ CHÙM PROTON Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số chuyên ngành: 62 44 05 01 Phản Phản Phản Phản Phản biện biện biện biện biện 1: PGS.TS Trần Quốc Dũng 2: PGS TS Đỗ Quang Bình 3: TS Trịnh Thị Tú Anh độc lập 1: PGS TS Phạm Đức Khuê độc lập 2: TS Trịnh Thị Tú Anh NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÁI BÌNH PGS TS MAI VĂN NHƠN TP Hồ Chí Minh − Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trên tất cả, xin cảm ơn sâu sắc thầy Nguyễn Thái Bình Những hướng dẫn đặc biệt vô giá, thông minh tinh tường Thầy giúp vững vàng nghiên cứu khoa học hiểu sâu nghiên cứu Khơng có hướng dẫn Thầy, tơi khơng thể hồn thành luận án Thầy tận tâm xây dựng giới quan nhân sinh quan cho tơi để tơi vượt qua nhiều khó khăn sống cách nhẹ nhàng Những học Thầy hành trang quý báu nghiên cứu sống Một người Thầy quan trọng, góp phần khơng nhỏ luận án thầy Mai Văn Nhơn Thầy đưa nhận xét khoa học xác đáng, giúp tơi hồn chỉnh nghiên cứu Sự quan tâm Thầy nghiên cứu động viên lớn Tôi xin cảm ơn Thầy, Cô Hội đồng cấp đơn vị chuyên môn, Thầy, Cô phản biện Thầy, Cô Hội đồng cấp sở đào tạo góp ý chân thành, giúp tơi hồn thiện luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Cô Trương Thị Hồng Loan, Thầy Châu Văn Tạo Các Thầy Cô Bộ môn Vật lý Hạt nhân giúp đỡ hỗ trợ công việc để tơi tập trung nhiều cho nghiên cứu Sự ủng hộ động viên Ba, Má Chị Em gia đình lựa chọn đường học vấn từ nhỏ đến biết ơn sâu sắc niềm vui vô bờ Cuối cùng, đặc biệt tình u gia đình nhỏ tơi với anh Lê Thanh Xuân, bé Lê Nguyên Minh bé Lê Ánh Dương i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tồn liệu luận án thân tơi thực hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thái Bình PGS TS Mai Văn Nhơn chưa công bố cơng trình mà tơi khơng tham gia Nguyễn Thị Cẩm Thu ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix LỜI MỞ ĐẦU 1 TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ BẰNG CHÙM PROTON 1.1 Phương pháp xạ trị chùm proton phương pháp xạ trị loại xạ khác 1.2 Đặc tính tiêu hao lượng chùm proton sử dụng xạ trị 1.2.1 Tiêu hao lượng kích thích ion hóa nguyên tử 1.2.2 Tiêu hao lượng tán xạ Coulomb nhiều lần với hạt nhân nguyên tử 1.2.3 Tán xạ không đàn hồi với hạt nhân nguyên tử 1.2.4 Quãng chạy proton 1.3 Hiệu ứng sinh học xạ trị chùm proton 1.4 Các phương pháp gia tốc chùm proton xạ trị 1.4.1 Phương pháp gia tốc thường qui 1.4.2 Phương pháp gia tốc sử dụng chùm laser 1.5 Các phương pháp chiếu chùm proton xạ trị 1.5.1 Phương pháp chiếu chùm proton tán xạ 1.5.2 Phương pháp chiếu chùm proton bút chì 1.6 Qui trình xạ trị chùm proton 1.7 Sai số xạ trị chùm proton 1.7.1 Các nguyên nhân gây sai số phân bố liều xạ trị chùm proton iii 8 10 11 11 12 13 13 16 17 17 18 18 20 20 1.8 1.9 1.7.2 Phân loại sai số Các phương pháp đánh giá tối ưu kế hoạch xạ trị tính đến sai số 1.8.1 Phương pháp đánh giá kế hoạch xạ trị 1.8.2 Phương pháp tối ưu kế hoạch xạ trị 1.8.3 Phương pháp tối ưu kế hoạch xạ trị dựa vào thể tích lập kế hoạch xạ trị PTV khối u PRV OAR quan lành 1.8.4 Phương pháp tối ưu kế hoạch xạ trị dựa trực tiếp vào thể tích CTV khối u OAR quan lành Mục tiêu nghiên cứu luận án ĐÁNH GIÁ VIỆC SỬ DỤNG THỂ TÍCH LẬP KẾ HOẠCH XẠ TRỊ SỬ DỤNG HỆ THỐNG LAP-CERR 2.1 Hệ thống lập kế hoạch LAP-CERR 2.1.1 Giao diện 2.1.2 Các chức 2.1.3 Tính toán liều hệ thống lập kế hoạch LAP-CERR 2.1.4 Tối ưu hóa liều hệ thống lập kế hoạch xạ trị LAP-CERR 2.2 Sự thay đổi đỉnh Bragg chùm proton truyền qua môi trường khác 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Vật liệu phương pháp 2.2.3 Kết 2.2.4 Kết luận thay đổi đỉnh Bragg theo môi trường chùm proton truyền qua 2.3 So sánh kế hoạch điều biến cường độ chùm proton kế hoạch điều biến cường độ chùm photon cho vài vị trí khối u 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Vật liệu phương pháp 2.3.3 Kết thảo luận 2.3.4 Kết luận so sánh kế hoạch điều biến cường độ chùm proton kế hoạch điều biến cường độ chùm photon cho vài vị trí khối u 2.4 Đánh giá việc sử dụng PTV lập kế hoạch xạ trị điều biến cường độ chùm proton 2.4.1 Giới thiệu 2.4.2 Vật liệu phương pháp 2.4.3 Kết thảo luận iv 24 25 25 29 29 29 31 32 32 32 33 34 39 42 42 42 44 48 49 49 50 52 58 58 59 61 67 2.4.4 2.5 Kết luận đánh giá việc sử dụng PTV lập kế hoạch xạ trị điều biến cường độ chùm proton Kết luận 78 78 CÔNG CỤ DVPH TRONG ĐÁNH GIÁ KẾ HOẠCH XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ CHÙM PROTON 3.1 Giới thiệu 3.2 Vật liệu phương pháp 3.2.1 Bệnh nhân thông số lập kế hoạch xạ trị 3.2.2 DVPH CL-DVPH 3.2.3 Lựa chọn sai số mô sai số 3.3 Kết 3.3.1 Đánh giá liều khối u 3.3.2 Đánh giá liều quan lành 3.4 Thảo luận 3.4.1 Ứng dụng công cụ DVPH đánh giá liều khối u 3.4.2 Ứng dụng công cụ DVPH đánh giá liều quan lành nguy cấp 3.5 Kết luận 105 107 TỐI ƯU LIỀU CỦA KẾ HOẠCH XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ CHÙM PROTON DỰA VÀO miCTV 4.1 Giới thiệu 4.2 Vật liệu phương pháp 4.2.1 Hàm mục tiêu dựa vào miCTV 4.2.2 Lựa chọn vị trí điểm đồng tâm 4.2.3 Thuật toán tối ưu 4.2.4 Bệnh nhân thông số lập kế hoạch xạ trị 4.2.5 Các tiêu chí để đánh giá kế hoạch tối ưu dựa vào miCTV 4.3 Kết 4.3.1 Đối với khối u 4.3.2 Đối với quan lành 4.4 Thảo luận 4.5 Kết luận 108 108 109 109 111 112 113 114 114 114 117 121 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 126 v 79 79 80 80 82 84 85 85 94 105 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu, chữ viết tắt A-P CL-DVPH CTV D DAO DVH DVPH GTV ICRU IMPT IMRT L-R miCTV OAR PDF P-A PTV PRV RBE RTOG R-L S-I V Tiếng Anh Tiếng Việt Anterior-Posterior Confidence Level-Dose Volume Population Histogram Clinical Target Volume Dose Direct Aperture Optimization Dose Volume Histogram Dose Volume Population Histogram Gross Tumor Volume Hướng từ trước ngực sau lưng Giản đồ liều-thể tích đám đơng độ tin cậy Thể tích khối u lâm sàng Liều hấp thụ Tối ưu hóa độ mở trường chiếu Giản đồ liều-thể tích Giản đồ liều-thể tích đám đơng Thể tích khối u thơ Internaltional Commission on Radiation Units and Measurements Intensity Modulated Proton Therapy Intensity Modulated Radiation Therapy Left-Right multiple isocenter Clinical Target Volume Ủy Ban Quốc tế Đơn vị xạ Đo lường Xạ trị điều biến cường độ chùm proton Xạ trị điều biến cường độ chùm photon Hướng từ trái qua phải Nhiều vị trí khối u lâm sàng điểm đồng tâm máy xạ trị Organ At Risk Cơ quan lành nguy cấp Probability Density Function Hàm mật độ xác suất Posterior-Anterior Hướng từ sau lưng trước ngực Planning Target Volume Thể tích khối u lập kế hoạch Planning Organ at Risk Vol- Thể tích quan lành nguy cấp ume lập kế hoạch Relative Biological Effective- Hệ số sinh học tương đối ness Radiation Therapy Oncology Nhóm nghiên cứu xạ trị ung Group thư Right-Left Hướng từ phải sang trái Superior-Inferior Hướng từ đầu đến chân Volume Thể tích vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng Bảng Bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 Sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên khối u vùng đầu cổ Sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên khối u tuyến tiền liệt Biên CTV-PTV khối u vùng đầu cổ Biên CTV-PTV khối u tuyến tiền liệt Bảng 2.1 Giá trị liều-thể tích giới hạn trực tràng bàng quang theo tiêu chuẩn RTOG 0126 Bảng 2.2 Giá trị liều-thể tích giới hạn thân não, tuyến mang tai, tủy sống mắt theo tiêu chuẩn RTOG Bảng 2.3 Thống kê liều trung bình, liều cực tiểu liều cực đại quan lành nguy cấp khối u Bảng 2.4 Tọa độ dịch chuyển phantom bệnh nhân dọc theo trục thể Bảng 2.5 Thống kê liều cực tiểu hấp thụ PTV CTV Bảng 2.6 Thống kê % phân bố liều có số gamma lớn 23 23 27 27 51 51 57 67 75 76 Bảng 3.1 Liều cực tiểu vào PTV CTV ứng với độ tin cậy 90% 95% bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt 89 Bảng 3.2 Thể tích nhận liều lớn 95% PTV CTV ứng với độ tin cậy 90% 95% bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt 89 Bảng 3.3 Liều cực tiểu vào PTV CTV ứng với độ tin cậy 90% 95% bệnh nhân có khối u vùng đầu cổ 93 Bảng 3.4 Thể tích nhận liều lớn 95% PTV CTV ứng với độ tin cậy 90% 95% bệnh nhân có khối u vùng đầu cổ 93 Bảng 3.5 Liều cực đại vào thân não bệnh nhân có khối u vùng đầu cổ101 Bảng 3.6 Liều cực đại vào thân não bệnh nhân có khối u vùng đầu cổ tương ứng với độ tin cậy khác 101 Bảng 3.7 Liều cực đại vào thân não bệnh nhân tương ứng với biên OAR-PRV khác 102 Bảng 3.8 Liều cực đại vào tủy sống bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ 104 Bảng 3.9 Liều cực đại vào tủy sống bệnh nhân tương ứng với độ tin cậy khác 104 viii Hình 4.11: Giản đồ OAR DVPH tủy sống bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ với tối ưu hóa liều dựa vào miCTV (a) PTV (b) Hình 4.12: Giản đồ OAR CL-DVH độ tin cậy khác tủy sống bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ với tối ưu hóa liều dựa vào miCTV (a) PTV (b) 4.4 Thảo luận Các kết khảo sát cho thấy việc tối ưu hóa dựa vào miCTV giúp đạt kế hoạch tốt cịn dựa vào PTV khơng đạt đánh giá DVPH Đối với tối ưu hóa dựa vào PTV, để liều vào CTV đạt liều định bác sĩ CTV bao quanh PTV dựa vào thông tin ảnh CT bệnh nhân lúc chụp CT mô Trong tối ưu hóa dựa vào miCTV nhiều vị trí CTV, nghiên cứu 9, xảy đưa vào q trình tối ưu hóa Thông tin ảnh CT 121 bệnh nhân lúc bao gồm vị trí Do có sai số xảy mật độ electron đường chùm proton không thay đổi nhiều so với lập kế hoạch Dẫn đến phân bố liều CTV có sai số xảy đảm bảo đủ liều định bác sĩ Cả hai tiêu chí liều cực tiểu V95% tăng lên nhiều so với tối ưu dựa vào PTV xảy sai số Trong hai vị trí khối u khảo sát khối u vùng đầu cổ có phân bố liều cải thiện tốt sử dụng tối ưu dựa vào miCTV Điều với mong đợi độ khơng đồng mật độ electron đường đến khối u cao so với khối u tuyến tiền liệt Do tính đến thay đổi q trình lập kế hoạch chất lượng kế hoạch xạ trị đảm bảo Đối với quan lành nguy cấp hai loại song nối tiếp, kết đạt liều thấp thể tích nhận liều thấp Ở độ tin cậy 90%, tất điều kiện liều-thể tích thỏa mãn thấp nhiều so với giá trị giới hạn Điều khơng tính đến tất vị trí CTV cách bao quanh CTV PTV mà tính đến số vị trí có khả gây sai số lớn trình xạ trị vị trí khảo sát Các kế hoạch tệ đóng góp nhiều vào trình tối ưu sử dụng số mũ b định nghĩa hàm mục tiêu Như trình bày phần giới thiệu Chương này, chất lượng kế hoạch phụ thuộc vào số vị trí vị trí CTV đưa vào trình tối ưu hóa liều lượng Do nghiên cứu mở rộng thêm nhiều vị trí khác CTV để kết tối ưu hóa liều tốt so với kết Tuy nhiên, việc tăng lên nhiều vị trí địi hỏi tiêu tốn nhiều thời gian cho q trình tối ưu hóa liều lượng 4.5 Kết luận Nghiên cứu tối ưu dựa vào miCTV cải thiện chất lượng kế hoạch xạ trị cho bệnh nhân so với tối ưu dựa vào PTV Liều vào CTV theo liều định bác sĩ đánh giá liều lượng vào quan lành không thay đổi so với lập kế hoạch Kế hoạch lập dựa vào miCTV có độ tin cậy cao bệnh nhân kiểm soát liều lượng tốt so với tối ưu dựa vào PTV 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết nghiên cứu luận án Luận án đạt kết sau: - Đã nghiên cứu tính hiệu kế hoạch IMPT so với kế hoạch IMRT khối u tuyến tiền liệt khối u vùng đầu cổ Kết cho thấy kế hoạch IMPT tốt kế hoạch IMRT việc hạn chế liều hấp thụ quan lành Liều trung bình hấp thụ quan lành khối u tuyến tiền liệt kĩ thuật IMPT giảm từ đến so với kĩ thuật IMRT Liều cực đại hấp thụ tủy sống kĩ thuật IMPT giảm 2,5 lần so với kĩ thuật IMRT Đối với PTV, phân bố liều bao khít PTV tốt kĩ thuật IMPT - Đã nghiên cứu thiết kế thí nghiệm để chứng minh tìm lí giải phương pháp đánh giá dựa vào PTV khơng cịn phù hợp xạ trị điều biến cường độ chùm proton Đối với phantom nước đồng nhất, cho phantom dịch chuyển theo phương vng góc với chùm proton 12 mm liều cực tiểu PTV thể liều cực tiểu CTV Đối với phantom nước không đồng có khối xương, cho phantom dịch chuyển theo phương vng góc với chùm proton 12 mm liều cực tiểu PTV liều cực tiểu CTV Đối với bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt ung thư vùng đầu cổ, bệnh nhân dịch chuyển theo phương vng góc với chùm proton với dịch chuyển ±9 ±12 mm, liều cực tiểu PTV khơng cịn thể liều cực tiểu CTV Nghiên cứu trường hợp PTV khơng cịn thể liều cực tiểu CTV giả thuyết bất biến dịch chuyển khơng cịn Sai lệch phân bố liều tính lại phân bố liều tính giả thuyết bất biến dịch chuyển lớn 10% đánh giá số gamma 3D 2mm/2% - Đã đưa đề nghị đánh giá kế hoạch IMPT sử dụng cơng cụ DVPH Cơng cụ DVPH đánh giá liều vào CTV OAR cách mô 2197 phân bố liều tương ứng với 2197 sai số hệ thống có tính đến ảnh hưởng sai số ngẫu nhiên Các sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Gauss Kết nghiên cứu cho thấy, liều cực tiểu PTV khơng cịn thể liều cực tiểu CTV khối u tuyến tiền liệt khối u vùng đầu cổ Độ bao phủ đường đồng liều 95% khơng cịn đảm bảo cho CTV khối u vùng đầu cổ Đối với khối u 123 tuyến tiền liệt, sử dụng 90% CL-DVPH liều cực tiểu CTV 89% 92% liều cực tiểu PTV 95% tương ứng với bệnh nhân Sử dụng 90% CL-DVPH, V95% CTV 99% so với V95% PTV 100% bệnh nhân Đối với khối u vùng đầu cổ, sử dụng 90% CL-DVPH liều cực tiểu CTV 68% 74% liều cực tiểu PTV 95% tương ứng với bệnh nhân Sử dụng 90% CL-DVPH, V95% CTV 89% 84% so với V95% PTV 100% tương ứng với bệnh nhân Đối với quan lành nguy cấp dạng song trực tràng bàng quang, DVH OAR phân bố liều độ tin cậy Đối với quan lành nguy cấp dạng nối tiếp thân não tủy sống, giản đồ liều-thể tích đánh giá thấp liều cực đại độ tin cậy 90% Đối với thân não, sử dụng 90% CL-DVPH, liều cực đại 39,6 43,8 Gy nhỏ 19,5 37,5 Gy đánh giá dựa vào DVH OAR Biên thêm vào thân não để tăng độ tin cậy đánh giá liều lên lớn 90% mm tương ứng với bệnh nhân Đối với tủy sống, sử dụng 90% CL-DVPH, liều cực đại 27,6 30,6 Gy nhỏ 13,5 Gy đánh giá dựa vào OAR DVH Biên thêm vào thân não để tăng độ tin cậy đánh giá liều lên lớn 90% mm tương ứng với bệnh nhân DVPH đề nghị công cụ đánh giá lại kế hoạch lập giai đoạn lúc kĩ sư hoàn tất việc lập kế hoạch bác sĩ ung bướu duyệt lại kế hoạch - Đã đưa đề nghị tối ưu hóa liều lượng kế hoạch IMPT sử dụng phương pháp tối ưu hóa dựa miCTV Nghiên cứu thực bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ Kết tối ưu liều dựa vào miCTV tốt so với kết tối ưu dựa vào PTV sai số xảy Đối với khối u tuyến tiền liệt, V95% tăng từ 99% lên 100% Đối với khối u vùng đầu cổ, tối ưu dựa vào miCTV, với độ tin cậy 90% liều cực tiểu V95% tăng lên 80% 97% so với 76% 84% tối ưu dựa vào PTV Đối với quan lành nguy cấp, giới hạn liều-thể tích, thể tích nhận liều giảm lần trực tràng bàng quang Liều hấp thụ cực đại thân não giảm gần 1,5 lần tủy sống giảm gần 2,5 lần miCTV đề nghị phương pháp tối ưu kế hoạch IMPT tính đến sai số xảy Điểm luận án - Đã chứng minh việc sử dụng thể tích PTV khơng cịn phù hợp xạ trị điều biến cường độ chùm proton phantom nước không đồng nhất, khối u tuyến tiền liệt khối u vùng đầu cổ số dịch chuyển xảy dọc theo phương vng góc với chùm proton Đã ngun nhân PTV khơng cịn sử dụng phù hợp giả thuyết bất biến dịch chuyển khơng cịn 124 - Đã đưa đề nghị đánh giá kế hoạch IMPT Đây lần công cụ DVPH sử dụng đánh giá kế hoạch IMPT DVPH CL-DVPH sử dụng để chứng minh cách đánh giá dựa vào giản đồ liều-thể tích PTV OAR khơng cịn phù hợp IMPT Đã đưa đề nghị sử dụng DVPH để đánh giá lại kế hoạch lập giai đoạn lúc kĩ sư hoàn tất việc lập kế hoạch bác sĩ ung bướu duyệt lại kế hoạch - Đã đưa đề nghị tối ưu liều lượng kế hoạch IMPT dựa vào miCTV Đây lần phương pháp tối ưu dựa miCTV sử dụng tối ưu liều lượng kế hoạch IMPT Kết phân bố liều CTV OAR tốt tối ưu công cụ so với tối ưu dựa vào PTV khối u tuyến tiền liệt khối u vùng đầu cổ Những đề nghị nghiên cứu - Mở rộng công cụ DVPH tính đến ảnh hưởng sai số chuyển động biến dạng quan Đề nghị thảo luận phần thảo luận Chương luận án DVPH mở rộng để tính đến loại sai số nào, ví dụ như, mơ hình thay đổi thể tích trực tràng đề nghị Hoogeman cộng (2004) [25] Price Moore (2007) [63] sử dụng tính DVPH cho trực tràng - Xây dựng thuật tốn tính liều gần để giảm thời gian tính toán DVPH Đề nghị thảo luận phần thảo luận Chương luận án - Tăng số vị trí CTV q trình tối ưu hóa liều dựa vào miCTV Đề nghị thảo luận phần thảo luận Chương luận án Số vị trí khảo sát Việc giảm thời gian tính liều giảm sử dụng phương pháp tính gần làm giảm thời gian tối ưu hóa dựa vào miCTV giảm thời gian đánh giá dựa vào DVPH Việc mở rộng công cụ DVPH sai số chuyển động biến dạng dẫn đến trình tối ưu hóa dựa miCTV tính đến chuyển động biến dạng 125 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [CTTG 1] Nguyễn Thị Cẩm Thu, Nguyễn Thái Bình, Mai Văn Nhơn (2015), “So sánh kế hoạch xạ trị điều biến cường độ chùm photon kế hoạch xạ trị điều biến cường độ chùm proton cho khối u tuyến tiền liệt”, Tạp chí Phát triển Khoa học & Cơng nghệ, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, Tập 18, Số T4-2015, Trang 93-100 [CTTG 2] Nguyễn Thị Cẩm Thu, Nguyễn Thái Bình, Mai Văn Nhơn (2017), “Thể tích lập kế hoạch xạ trị cịn phù hợp xạ trị chùm proton hay không?”, Tạp Chí Ung thư học Việt Nam, Số 5-2017, 203-208 [CTTG 3] T T C Nguyen, B T Nguyen, and N V Mai (2018), “The technical implementation of an IMPT system for research purpose”, Journal of Physics: Conf Series 983(2018) 012033 (Scopus Q3) [CTTG 4] T T C Nguyen, B T Nguyen, and N V Mai (2018), “Planning comparison between intensity modulated radiation therapy and intensity modulated proton therapy in a case of head and neck cancer”, Journal of Physics: Conf Series 983(2018) 012023 (Scopus Q3) [CTTG 5] Thu T C Nguyen, Binh T Nguyen, Nhon V Mai (2019), “Robustness Evaluation of Intensity Modulated Proton Therapy Plans using Dose Volume Population Histogram”, European Journal of Medical Physics, Volume 65, Pages 219-226 (Scopus Q1) 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A I Papash, G A Karamysheva, L M Onishchenko (2012), “Commercial accelerators: Compact superconducting synchrocyclotrons with magnetic field up to 10 T for proton and carbon therapy”, Physics of Particles and Nuclei Letters, vol 9(6-7), pp 517-529 [2] Albertini F, Hug EB, Lomax AJ (2011), “Is it necessary to plan with safety margins for actively scanned proton therapy?”, Phys Med Biol, vol 56(14), pp 4399-413 [3] A.R Smith (2009), “Vision 20//20: proton therapy”,Medical Physics, vol 36, pp 556-568 [4] Bel A, van Herk M, Lebesque JV (1996), “Target margins for random geometrical treatment uncertainties in conformal radiotherapy”, Medical Phyics, vol 23(9), pp 1537-45 [5] BIR (2003), Geometrical Uncertainties in Radiotherapy: Defining the Planning Target Volume British Institute of Radiology [6] B.S Athar and H Paganetti (2011), “Comparison of second cancer risk due to out-of-field doses fron MV IMRT and proton therapy based on pediatric patient treatment plans”, Radiotherapy and Oncology, vol 98(1), pp 87-92 [7] Carabe A, Moteabbed M, Depauw N, Schuemann J, Paganetti H (2012), “Range uncertainty in proton therapy due to variable biological effectiveness”, Phys Med Biol, vol 57(5), pp 1159-1172 [8] da Silva J, Ansorge R, Jena R (2015), “Sub-second pencil beam dose calculation on GPU for adaptive proton therapy”, Phys Med Biol, vol 60(12), pp 4777-95 [9] Deasy JO, Blanco AI, Clark VH (2003), “CERR: a computational environment for radiotherapy research”, Med Phys, vol 30(5), pp 979-85 [10] Deurloo KE, Steenbakkers RJ, Zijp LJ, de Bois JA, Nowak PJ, Rasch CR, van Herk Mi (2005), “Quantification of shape variation of prostate and seminal vesicles during external beam radiotherapy”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 61(1), pp 228-38 [11] E.B Podgorsak (2005), Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students IAEA 127 [12] Engelsman M, Kooy HM (2005), “Target volume dose considerations in proton beam treatment planning for lung tumors”, Med Phys, vol 32, pp 3549-3557 [13] F Albertini, EBHug and A J Lomax (2011), “Is it necessary to plan with safety margins for actively scanned proton therapy?”, Phys Med Biol, vol 56, pp 4399-4413 [14] Francesco Tommasino, Francesco Fellin, Stefano Lorentini, Paolo Farace (2018), “Impact of dose engine algorithm in pencil beam scanning proton therapy for breast cancer”,Phys Med, vol 50, pp 7-12 [15] Fred Prior, Kirk Smith, Ashish Sharma, Justin Kirby, Lawrence Tarbox, Ken Clark, William Bennett, Tracy Nolan, John Freymann (2017), “The public cancer radiology imaging collections of The Cancer Imaging Archive”, Scientific Data, vol 4, pp 170124 [16] Fredriksson A, Forsgren A, Hardemark B (2011), “Minimax optimization for handling range and setup uncertainties in proton therapy”, Med Phys, vol 38(3), pp 167284 [17] G S J Tudor, MSci, MSc, Y L Rimmer, MD, FRCR, T B Nguyen, PhD, M A Cowen, MPhys, MSc, and S J Thomas, PhD, FIPEM (2012), “Consideration of the likely benefit from implementation of prostate image-guided radiotherapy using current margin sizes: a radiobiological analysis”, Br J Radiol, vol 85(1017), pp 1263-1271 [18] Goitein M (1985), “Calculation of the uncertainty in the dose delivered during radiation therapy”, Med Phys, vol 12(5), pp 608-12 [19] Hanley, J., Lumley, M., Mageras, G., Sun, J., Zelefsky, M., Leibel, S., Fuks, Z and Kutcher, G (1997), “Measurement of patient positioning errors in threedimensional conformal radiotherapy of the prostate”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 37(2), pp 435-44 [20] Harada H, Murayama S (2017), “Proton beam therapy in non-small cell lung cancer: state of the art”, Lung Cancer (Auckl), vol 8, pp 141-145 [21] Harald Paganetti (2012), Proton Therapy Physics Taylor & Francis [22] Henríquez FC, Castrillón SV (2008), “A novel method for the evaluation of uncertainty in dosevolume histogram computation ”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 70(4), pp 1263-71 [23] Hofmann KM, Masood U, Pawelke J, Wilkens JJ (2015), “A treatment planning study to assess the feasibility of laser-driven proton therapy using a compact gantry design”, Med Phys, vol 42(9), pp 5120-9 128 [24] Hong L, Goitein M, Bucciolini M, Comiskey R, Gottschalk B, Rosenthal S, Serago C, Urie M (1996), “A pencil beam algorithm for proton dose calculations”, Phys Med Biol, vol 41(8), pp 1305-30 [25] Hoogeman MS, van Herk M, de Bois J, Muller-Timmermans P, Koper PC, Lebesque J (2004), “Quantification of local rectal wall displacements by virtual rectum unfolding”, Radiother Oncol, vol 70(1), pp 21-30 [26] ICRU (1993), ICRU Report 49: Stopping Powers and Ranges for Protons and Alpha Particles International Commission on Radiation Units and Measurements [27] ICRU (1994), ICRU Report 50: Prescribing, Recording and Reporting Photon Beam Therapy International Commission on Radiation Units and Measurements [28] ICRU (1999), ICRU Report 62: Prescribing, recording and reporting photon beam therapy International Commission on Radiation Units and Measurements [29] ICRU (2007), ICRU Report 78: Prescribing, Recording, and Reporting Proton Beam Therapy International Commission on Radiation Units and Measurements [30] J Oden, P M DeLuca and C G Orton (2018), “The use of a constant RBE=1.1 for proton radiotherapy is no longer appropriate”, Medical Physics, vol 45(2), pp 502-505 [31] Jan Unkelbach, Timothy C Y Chan and Thomas Bortfeld (2007), “Accounting for range uncertainties in the optimization of intensity modulated proton therapy”, Phys Med Biol, vol 52(10), pp 2755-73 [32] J.M Michalski, J Moughan, J.A Purdy, W.R Bosch, J Bahary, H Lau (2014), “Initial Results of a Phase Randomized Study of High Dose 3DCRT/IMRT versus Standard Dose 3D-CRT/IMRT in Patients Treated for Localized Prostate Cancer (RTOG 0126)”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 90(5), pp 1263 [33] J.N.A Matthews (2009), “Accelerators shrink to meet growing demand for proton therapy”, Physics Today, vol 62(3), pp 22 [34] Joakim da Silva, Richard Ansorge and Rajesh Jena (2015), “Fast Pencil Beam Dose calculation for Proton Therapy Using a Double Gaussian Beam Model”, Front Oncol, vol 5, pp 281 [35] Jorge Nocedal and Stephen J Wright (1999), Numerical Optimization Springer [36] Klein EE, Hanley J, Bayouth J, Yin FF, Simon W, Dresser S, Serago C, Aguirre F, Ma L, Arjomandy B, Liu C, Sandin C, Holmes T (2009),“Task Group 142 report: quality assurance of medical accelerators”, Med Phys, vol 36(9), pp 4197-212 129 [37] Kristin Stutzer, Annika Jakobi, Anna Bandurska-Luque, Steffen Barczyk, Carolin Arnsmeyer, Steffen Lock, and Christian Richter (2017), “Potential proton and photon dose degradation in advanced head and neck cancer patients by intratherapy changes”, J Appl Clin Med Phys, vol 18(6), pp 104-113 [38] Langen, K and Jones, D (2001),“Organ motion and its management”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 50(1), pp 265-78 [39] Lee, M., Nahum, A E., and Webb, S (1993), “An empirical method to build up a model of dose distribution for a radiotherapy treatment planning package”, Phys Med Biol, vol 38(7), pp 989-98 [40] Lee N, Harris J, Garden AS, Straube W, Glisson B, Xia P, et al (2009), “Intensityodulated radiation therapy with or without chemotherapy for nasopharyngeal carcinoma: radiation therapy oncology group phase II trial 0225”, J Clin Oncol, vol 27(22), pp 3684-90 [41] Lilenbaum R, Komaki R, Martel MK (2008), Radiation therapy oncology group (RTOG) Protocol 0623: A phase II trial of combined modality therapy with growth factor support for patients with limited stage small cell lung cancer Radiation therapy oncology group [42] Liu W, Zhang X, Li Y, Mohan R (2012), “Robust optimization of intensity modulated proton therapy”,Med Phys, vol 39(2), pp 1079-91 [43] Lomax, A J (2008b), “Intensity modulated proton therapy and its sensitivity to treatment uncertainties 2: the potential effects of inter-fraction and inter-field motions”, Phys Med Biol, vol 53(4), pp 935-47 [44] Lomax AJ, Bortfeld T, Goitein G, Debus J, Dykstra C, Tercier PA, Coucke PA, Mirimanoff RO (1999), “A treatment planning inter-comparison of proton and intensity modulated photon radiotherapy”, Radiotherapy and Oncology, vol 51(3), pp 257-71 [45] Low, D.A and J.F Dempsey (2003), “Evaluation of the gamma dose distribution comparison method”, Med Phys, vol 30(9), pp 2455-64 [46] Luo W, Li J, Fourkal E, Fan J, Xu X, Chen Z, Jin L, Price R, Ma CM (2008), “Dosimetric advantages of IMPT over IMRT for laser-accelerated proton beams”, Phys Med Biol, vol 53(24), pp 7151-66 [47] M A Earl, M K Afghan, C X Yu, Z Jiang, D.Shepard (2007), “Jaws-only IMRT using direct aperture optimization”, Med Phys, vol 34(1), pp 307-314 130 [48] Masood U, Cowan TE, Enghardt W, Hofmann KM, Karsch L, Kroll F, Schramm U, Wilkens JJ, Pawelke J (2017), “A light-weight compact proton gantry design with a novel dose delivery system for broad-energetic laser-accelerated beams”, Phys Med Biol, vol 62(13), pp 5531-5555 [49] McGowan SE, Burnet NG, Lomax AJ (2013), “Treatment planning optimisation in proton therapy”,Br J Radiol, vol 86(1021), pp 20120288 [50] Meyer J, Bluett J, Amos R, Levy L, Choi S, Nguyen QN, Zhu XR, Gillin M, Lee A (2010), “Spot scanning proton beam therapy for prostate cancer: Treatment planning technique and analysis of consequences of rotational and translational alignment errors”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 78(2), pp 428-34 [51] Michael Goitein (2008), Radiation Oncology: Aphysicist’s-Eye View Springer [52] Moyers MF, Miller DW, Bush DA, Slater JD (2001), “Methodologies and tools for proton beam design for lung tumors”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 49(5), pp 1429-38 [53] Nguyen TB, Hoole AC, Burnet NG, Thomas SJ (2009a), “Dose-volume population histogram: a new tool for evaluating plans whilst considering geometrical uncertainties”, Phys Med Biol, vol 54(4), pp 935-47 [54] Nguyen TB, Hoole AC, Burnet NG, Thomas SJ (2009b), “The optimization of intensity modulated radiotherapy in cases where the planning target volume extends into the build-up region”, Phys Med Biol, vol 54(8), pp 251-25 [55] Nutting, C.M., Bidmead, M., Harrington, K J and Henkm, J M (2003), “Geometric uncertainties in radiotherapy of head and neck Geometric uncertainties in Radiotherapy (London:BIR)”, Phys Med, pp 127-41 [56] P Mayles, A Nahum, J.C Rosenwald (2007), Handbook of Radiotherapy Physics Theory and Practice Taylor & Francis [57] Padilla-Cabal F, Georg D, Fuchs H (2018), “A pencil beam algorithm for magnetic resonance image-guided proton therapy”, Med Phys, vol 45(5), pp 2195-2204 [58] Paganetti H (2014), “Relative biological effectiveness (RBE) values for proton beam therapy.Variations as a function of biological endpoint, dose, and linear energy transfer”, Phys Med Biol, vol 59, pp R419-R472 [59] Park PC , Zhu XR , Lee AK , Sahoo N , Melancon AD , Zhang L , Dong L (2012a), “A beamspecific planning target volume (PTV) design for proton therapy to account 131 for setup and range uncertainties”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 82(2), pp 329-36 [60] Park PC, Cheung J, Zhu XR, Sahoo N, Court L, Dong L (2012b), “Fast rangecorrected proton dose approximation method using prior dose distribution”, Phys Med Biol, vol 57(11), pp 3555-69 [61] Park PC, Cheung JP, Zhu XR, Lee AK, Sahoo N, Tucker SL, Liu W, Li H, Mohan R, Court LE, Dong L (2013), “Statistical assessment of proton treatment plans under setup and range uncertainties”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 86(5), pp 1007-13 [62] Pflugfelder D, Wilkens JJ, Oelfke U (2008), “Worst case optimization: a method to account for uncertainties in the optimization of intensity modulated proton therapy”, Phys Med Biol, vol 53(6), pp 1689-700 [63] Price GJ, Moore CJ (2007), “A method to calculate coverage probability from uncertainties in radiotherapy via a statistical shape model”, Phys Med Biol, vol 52(7), pp 1947-65 [64] Rahul Srivastava, Bhuvan Jyoti, Janhavi Dixit, Pankaj Priyadarshi (2014), “Neutron TherapyA Novel Approach To Radiotherapeutics: A Review”, International Journal of Contemporary Medical Research, vol 1(2), pp 61-70 [65] Rasch, C., Barillot, I., Remeijer, P., Touw, A., van Herk, M and Lebesque, J V.(1999), “Definition of the prostate in CT and MRI: a multi-observer study”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 43(1), pp 57-66 [66] Schaffner B,Pedroni E (1998), “The precision of proton range calculations in proton radiotherapy treatment planning: experimental verification of the relation between CTHU and proton stopping power ”, Phys Med Biol, vol 43(6), pp 1579-92 [67] Schell S, and Wilkens J J (2010), “Advanced treatment planning methods for efficient radiation therapy with laser accelerated proton and ion beams”, Med Phys, vol 37(10), pp 5330-40 [68] Schneider U, Agosteo S, Pedroni E, Besserer J (2002), “Secondary neutron dose during proton therapy using spot scanning”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 53(1), pp 244-51 [69] Schreuder AN, Jones DT, Symons JE, De Kock EA, Hough JK, Wilson J, Vernimmen FJ, Schlegel W, Hăoss A, Lee M (1999), “The NAC proton treatment planning system”, Strahlenther Oncol, vol 175(Suppl.2), pp 10-12 [70] Simon J Thomas (2006), “Margins for treatment planning of proton therapy”, 132 Physics in Medicine and Biology, vol 51, pp 1491-1501 [71] Siou-Yin Cai, Tsi-Chain Chao, Mei-Jyun Lin, Chuan-Jung Tung, Chung-Chi Lee (2015), “Depth Dose Characteristics of Proton Beams within Therapeutic Energy Range Using the Particle Therapy Simulation Framework (PTSim) Monte Carlo Technique”, Biomed J, vol 38(5), pp 408-413 [72] Slav Yartsev, PhD and Glenn Bauman, MD (2016), “Target margins in radiotherapy of prostate cancer”, Br J Radiol, vol 89(1067), p 20160312 [73] So-Hyun Park, Won-Gyun Jung and Tae-Suk Suh (2011), “Variation of Bragg Curve Characteristic Induced by Changing the Position of Inhomogeneous Material: Geant4 Simulation Study”, Journal of the Korean Physical Society, vol 58(2), pp 187-197 [74] S.P Shirmardi, E Saniei, M Erfani, M Shafiei, B Sepehri (2014), “Tissue inhomogeneity in proton therapy and investigation of its effects on BRAGG peak by using ✚ MCNPX code”, International Journal of Radiation Research, vol 12(4), pp 335-341 [75] Stasi M, Munoz F, Fiorino C, Pasquino M, Baiotto B, Marini P, et al (2006), “Emptying the rectum before treatment delivery limits the variations of rectal dose volume parameters during 3DCRT of prostate cancer”, Radiother Oncol, vol 80(3), pp 363-70 [76] Stroom, J C., de Boer, H C., Huizenga, H and Visser, A G (1999), “Inclusion of geometrical uncertainties in radiotherapy treatment planning by means of coverage probability”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 43(4), pp 905-19 [77] Szymanowski H, Oelfke U (2003), “CT calibration for two-dimensional scaling of proton pencil beams”, Phys Med Biol, vol 48(7), pp 861-74 [78] T T C Nguyen, B T Nguyen and N V Mai (2018), “The technical implementation of an IMPT system for research purpose”, Journal of Physics: Conf, vol 983, pp 012033 [79] Thomas F Colemant and Yuying Li (1994), “On The Convergence Of Interior✚ Reflective Newton Methods For Nonlinear Minimization Subject To Bound”, Mathematical Programming, vol 67,pp 189-224 [80] Thomas F Colemant and Yuying Li (1996), “An Interior Trust Region Approach For Nonlinear Minimization Subject To Bounds”, Society For Industrial And Applied Mathematics, vol 6(2), pp 418-445 [81] Thomas SJ, Hoole AC (2004), “The effect of optimization on surface dose in intensity modulated radiotherapy (IMRT)”, Phys Med Biol, vol 49(21), pp 4919-28 133 [82] Trofimov A, Nguyen PL, Coen JJ, Doppke KP, Schneider RJ, Adams JA, Bortfeld TR, Zietman AL, Delaney TF, Shipley WU (2007), “The effect of optimization on surface dose in intensity modulated radiotherapy (IMRT)”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 69(2), pp 444-53 [83] Unkelbach J, Bortfeld T, Martin BC, Soukup M (2009), “Reducing the sensitivity of IMPT treatment plans to setup errors and range uncertainties via probabilistic treatment planning”, Med Phys, vol 36(1), pp 149-63 [84] Unkelbach J, Paganetti H (2018), “Robust Proton Treatment Planning: Physical and Biological Optimization”, Semin Radiat Oncol, vol 28(2), pp 88-96 [85] Uwe Schneider, Eros Pedroni and Antony Lomax (1996), “The calibration of CT ✚ Hounsfield units for radiotherapy treatment planning”, Phys Med Biol, vol 41, pp 111-124 [86] Uwe Schneider, Roger Halg (2015), “The Impact of Neutrons in Clinical Proton Therapy”, Front Oncol, vol 5, pp 235 [87] van Herk, M., Remeijer, P., Rasch, C and Lebesque, J V (2000), “The probability of correct target dosage: dose-population histograms for deriving treatment margins in radiotherapy”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 47(4), pp 1121-35 [88] van Herk, M., Witte, M., van der Geer, J., Schneider, C and Lebesque, J V.(2003), “Biologic and physical fractionation effects of random geometric errors”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 57(5), pp 1460-71 [89] Wei Chen, Jan Unkelbach, Alexei Trofimov, Thomas Madden, Hanne Kooy, Thomas Bortfeld and David Craft (2012), “Including robustness in multi-criteria optimization for intensity-modulated proton therapy”,Med Phys, vol 57(3), pp 591-608 [90] Weiss E, Hess CF (2003), “The impact of gross tumor volume (GTV) and clinical target volume (CTV) definition on the total accuracy in radiotherapy”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 179(1), pp 21-30 [91] Widesott L, Pierelli A, Fiorino C, Dell’oca I, Broggi S, Cattaneo GM, Di Muzio N, Fazio F, Calandrino R, Schwarz M (2008), “The effect of optimization on surface dose in intensity modulated radiotherapy (IMRT)”, Int J Radiat Oncol Biol Phys, vol 72(2), pp 589-96 [92] William H Press, Saul A Teukolsky, William T Vetterling and Brian P Flannery (2007), Numerical Recipes, The Art Of Scientific Computing, Third Edition Cambridge 134 University Press [93] William R Hendee, Series Editors (2013),Proton and Carbon Ion Therapy Taylor & Francis [94] Wu Q, Mohan R (2002), “Multiple local minima in IMRT optimization based on dose-volume criteria”, Front Oncol, vol 29(7), pp 1514-27 [95] Xiaoying Liang, Julie A Bradley, Dandan Zheng, Michael Rutenberg, Raymond Mailhot Vega, Nancy Mendenhall, Zuofeng Li (2019), “The impact of dose algorithms on tumor control probability in intensity-modulated proton therapy for breast cancer”, Phys Med, vol 61, pp 52-57 [96] Yoon M, Shin D, Kwak J, Park S, Lim YK, Kim D, Park SY, Lee SB, Shin KH, Kim TH, Cho KH (2009), “The effect of optimization on surface dose in intensity modulated radiotherapy (IMRT)”, Med Dosim, vol 34(3), pp 191-201 [97] Zhongxing Liao and Charles B Simone (2018), “Particle therapy in non-small cell lung cancer”, Transl Lung Cancer Res, vol 7(2), pp 141-152 135 ... LỜI MỞ ĐẦU Xạ trị chùm proton xu phát triển lĩnh vực xạ trị hiệu điều trị vượt trội so với chùm photon sử dụng phổ biến lâm sàng Thách thức xạ trị chùm proton độ xác đánh giá tối ưu hóa phân bố... nên sử dụng đánh giá kế hoạch xạ trị chùm proton Do mục tiêu thứ luận án, tác giả nghiên cứu sử dụng công cụ DVPH để đánh giá phân bố liều kế hoạch xạ trị điều biến cường độ chùm proton có sai... TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ CẨM THU NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ TỐI ƯU HÓA TRONG XẠ TRỊ ĐIỀU BIẾN CƯỜNG ĐỘ CHÙM PROTON Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số chuyên ngành: 62 44