xxxix
Hình 2.14: Tâm tại khoảng cách 100 cm
Ta dùng các tia lazer mảnh hai bên và lazer thẳng đứng để xác định tâm đo (nhƣ hình vẽ 2.14 đã minh họa).
2.3. Phƣơng pháp xác định đặc trƣng chùm bức xạ photon, electron.
2.3.1 Phân bố liều sâu phần trăm
2.3.1.1.Đối với chùm photon
Khi một chùm photon đi vào môi trƣờng không khí, thông lƣợng photon và liều hấp thụ sẽ giảm theo quy luật bình phƣơng khoảng cách. Tuy nhiên, khi photon đi vào một môi trƣờng có khối lƣợng riêng lớn nhƣ phantom nƣớc thì liều hấp thụ không còn tuân theo quy luật khoảng cách nữa.
Hình 2.15:Phân bố liều hấp thụ cho chùm photon MV trong phantom [20] . Hình 2.15 minh họa một phân bố liều hấp thụ trên trục trung tâm khi chùm tia photon đi vào phantom nƣớc. Ta thấy rằng, khi chùm photon đi vào bề mặt phantom, tại đó liều hấp thụ có giá trị Ds. Sau đó, khi nó đi sâu vào phantom, liều hấp thụ tăng lên nhanh chóng đạt giá trị cực đại Dmax tại z = zmax,
vƣợt quá độ sâu zmax liều hấp thụ giảm cho đến giá trị Dex ở cạnh lối ra của
phantom.
Đối với chùm photon, liều hấp thụ tại bề mặt phantom thấp hơn nhiều so với liều hấp thụ cực đại tại độ sâu zmax. Nó phụ thuộc vào năng lƣợng và tăng theo kích thƣớc trƣờng chiếu. Liều hấp thụ này bằng khoảng 30% liều hấp thụ cực đại cho chùm photon nguồn Co60, 15% cho tia X (6 MV), 10% cho tia X (18 MV) [20]. Liều hấp thụ tại bề mặt phantom có sự đóng góp: Những photon tán xạ từ collimator, nêm lọc và không khí; Photon tán xạ từ phantom; Những electron năng lƣợng cao đƣợc sinh ra do tƣơng tác của photon với không khí.
Vùng hình thành liều hấp thụ là vùng liều tăng rất nhanh giữa bề mặt z = 0 và độ sâu z = zmax trong phantom. Liều hấp thụ tại một điểm trong phantom đƣợc quyết định bởi những hạt mang điện thứ cấp đƣợc tạo ra bởi các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp giữa photon với phantom. Những electron đƣợc sinh ra trong các hiệu ứng trên sẽ để lại năng lƣợng bên trong phantom.
Tại bề mặt phantom, điều kiện cân bằng hạt mang điện không thỏa mãn cho nên liều hấp thụ nhỏ hơn Kerma va chạm D < Kcol .
Khi đạt tới độ sâu z = zmax (bằng quãng chạy R của hạt mang điện thứ cấp), điều kiện cân bằng hạt mang điện thỏa mãn thì liều hấp thụ có giá trị gần bằng Kerma va chạm D = kcol .
Vƣợt quá độ sâu zmax, điều kiện cân bằng hạt mang điện tạm thời tồn tại vì cả liều hấp thụ và Kerma va chạm sẽ giảm nhƣ nhau (thông lƣợng photon trong phantom giảm). Độ sâu zmax của liều hấp thụ cực đại Dmax phụ thuộc vào năng lƣợng của photon và kích thƣớc trƣờng chiếu.
Ví dụ kết quả thực nghiệm độ sâu zmax ứng các mức năng lƣợng khác nhau đƣợc đƣa ra trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Độ sâu liều hấp thụ cực đại zmax cho những chùm photon có năng lượng khác nhau với kích thước trường chiếu 5 × 5 cm [20] .
E (MV) Co-60 4 6 10 18 25
zmax(cm) 0,5 1 1,5 2,5 3,5 5
Đối với một chùm tia năng lƣợng cho trƣớc, độ sâu zmax lớn nhất khi kích thƣớc trƣờng chiếu 5×5 cm, còn độ sâu zmax giảm khi kích thƣớc trƣờng chiếu lớn
xli
hơn 5×5 cm (ảnh hƣởng của tán xạ từ collimator và nêm lọc) và khi kích thƣớc trƣờng chiếu nhỏ hơn 5×5 cm (ảnh hƣởng của tán xạ từ phantom) [20] .
Với cùng một kích thƣớc trƣờng chiếu, năng lƣợng càng tăng thì độ sâu zmax
càng lớn và phân bố đƣờng đồng liều càng ít nhọn đi. Hình 2.16 ở dƣới mô tả liều sâu phần trăm trong nƣớc ứng với mức năng lƣợng khác nhau thể hiện rõ điều này.
Hình 2.16: Đường PDD trong nước với kích thước trường chiếu 10 × 10 cm2
, khoảng cách SSD 100 cm ứng các mức năng lượng trong giải từ 60Co đến 25MV.
Để đánh giá chất lƣợng chùm tia photon, IAEA khuyến cáo sử dụng TPR20,10
để đặc trƣng cho hệ số chất lƣợng chùm tia. Nó đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa giá trị liều hấp thụ ở độ sâu 20 cm và giá trị liều hấp thụ ở độ sâu 10 cm trong nƣớc, với kích thƣớc trƣờng chiếu chuẩn, SCD=100 cm. TPR20,10 có thể đƣợc đo trực tiếp hay đƣợc tính toán theo PDD(10) hoặc PDD(20,10) [15] :
TPR20,10 = -0.7898 + 0,0329 PDD (10) – 0,000166.[PDD(10)]2 (2.1)
TPR20,10 = 1,22661.PDD(20,10) – 0,0595 (2.2) Với PDD(10) là phần trăm liều hấp thụ ở độ sâu 10 cm trong nƣớc, kích thƣớc trƣờng chiếu 10x10 cm2 ở bề mặt phantom, SSD = 100 cm. PDD(20,10) là tỷ số của phần trăm liều hấp thụ ở độ sâu 20 cm và liều hấp thụ ở độ sâu 10 cm trong nƣớc.
Chúng tôi sử dụng đại lƣợng TPR20,10để đặc trƣng cho chất lƣợng chùm tia photon vì nó có các số ƣu điểm [15] : Không phụ thuộc vào sự can nhiễu electron do các electron trong chùm photon tới tạo ra. Khi photon ở độ sâu lớn
hơn độ sâu zmax thì TPR là giá trị hệ số suy giảm, mà hệ số này mô tả sự suy giảm theo quy luật hàm mũ của đƣờng cong liều hấp thụ khi ở độ sâu lớn hơn độ sâu
zmax. Vì TPR20,10đƣợc tính bởi tỷ số của hai giá trị liều hấp thụ ở hai độ sâu 20 cm và 10 cm nên chúng ta không phải hiệu chỉnh sự thay thế khi đo ở hai độ sâu trên trong nƣớc riêng lẻ. Nó cũng ít bị ảnh hƣởng bởi sai số hệ thống khi chúng ta định vị buồng ion hóa không chính xác, vì việc định vị buồng ion hóa ở hai vị trí này bị ảnh hƣởng nhƣ nhau.
2.3.1.2. Đối với chùm electron
Trong các kỹ thuật xạ trị hiện nay, bên cạnh photon ngƣời ta cũng sử dụng chùm tia nhƣ proton, neutron, electron…. Những chùm tia electron này đƣợc phát từ máy gia tốc năng lƣợng cao, chúng thƣờng có năng lƣợng từ 4 MeV đến 25 MeV. Trƣớc khi đi ra khỏi máy gia tốc, chúng là chùm electron đơn năng. Tuy nhiên, khi những electron đi qua cửa sổ của máy gia tốc, bộ lọc, collimator, không khí và buồng ion hóa, chúng sẽ tƣơng tác với những cấu trúc này. Điều này làm cho các electron có những năng lƣợng khác nhau, tạo thành một phổ năng lƣợng electron khá rộng và phức tạp.
Đƣờng cong liều hấp thụ: Dạng đƣờng cong liều hấp thụ theo độ sâu trong nƣớc dọc trục trung tâm của chùm tia electron đƣợc biểu diễn bởi hình 2.17.
Vùng hình thành liều hấp thụ (giữa bề mặt z = 0 và độ sâu zmax): Vùng hình thành liều hấp thụ của chùm tia electron đƣợc tạo thành do những tƣơng tác của electron với phân tử nƣớc. Trƣớc khi chùm electron đi vào bề mặt phantom nƣớc, quỹ đạo của chúng gần song song. Khi đi vào phantom, do tƣơng tác nên quỹ đạo của chúng bị lệch khỏi hƣớng ban đầu, đồng thời chùm electron này sẽ gây ion hóa và sinh ra những electron thứ cấp. Chính những electron thứ cấp này đóng góp vào vùng hình thành liều hấp thụ.
xliii
Hình 2.17: PDD trong nước với kích thước trường 10x10cm2
, SSD= 100cm [20] ; (a) những chùm electron với năng lượng 6, 9, 12, 18 MeV.
(b) Những chùm photon với năng lượng 6, 15MV.
Theo hình 2.17.a, ta thấy so với liều cực đại, liều hấp thụ tại bề mặt của electron đạt từ 75% tới 95%, cao hơn nhiều so với trƣờng hợp của photon. Hơn nữa, không giống nhƣ photon, liều hấp thụ tại bề mặt của electron tăng theo năng lƣợng của nó (do sự tán xạ của electron). Đối với electron năng lƣợng thấp, tỷ lệ của liều hấp thụ tại bề mặt và liều hấp thụ cực đại thì thấp hơn so với electron có năng lƣợng cao. Ở năng lƣợng thấp, electron tán xạ dễ dàng và với góc lệch lớn. Điều này dẫn đến vùng liều hấp thụ giữa z = 0 và z = zmax đƣợc hình thành khá nhanh chóng và độ xuyên sâu nhỏ.
Phân bố liều hấp thụ ở độ sâu vƣợt quá độ sâu zmax : Dựa vào phần đƣờng cong có độ dốc lớn nhất của hình 2.17.a, ta thấy liều hấp thụ ở độ sâu z > zmax giảm một cách nhanh chóng. Nguyên nhân của sự suy giảm này là do sự tán xạ và mất năng lƣợng liên tục của electron trong khoảng độ sâu này. Phần đuôi bức xạ hãm (bremsstrahlung tail) của đƣờng cong liều hấp thụ đƣợc tạo thành là do sự đóng góp bởi những bức xạ hãm đƣợc tạo ra trong không khí (giữa cửa sổ máy gia tốc và phantom, trong môi trƣờng phantom bị chiếu xạ). Sự nhiễm bẩn bức xạ hãm phụ thuộc vào năng lƣợng electron, nhỏ hơn 1% đối với electron 4 MeV, nhỏ hơn 4% đối với electron 20 MeV [20] .
Mối liên hệ giữa liều sâu phần trăm và quãng chạy của chùm electron trong phantom đƣợc mô tả trong hình 2.18. Sau đây là một số khái niệm về quãng chạy và các độ sâu thƣờng đƣợc sử dụng trong phép đo liều.
Độ sâu lớn nhất Rmax: đƣợc định nghĩa nhƣ là độ sâu mà tại đó đƣờng ngoại suy của đuôi đƣờng cong liều sâu theo trục trung tâm gặp đuôi của bức xạ hãm.
Rmaxlà độ sâu đâm xuyên lớn nhất của electron trong môi trƣờng hấp thụ.
Hình 2.18: Quãng chạyR100, R90, R80, R50, Rp,và Rmax
Độ sâu thực nghiệm Rp: đƣợc định nghĩa nhƣ là độ sâu mà tại đó đƣờng tiếp tuyến vẽ qua phần dốc nhất của đƣờng cong liều sâu electron giao với đƣờng ngoại suy của đuôi bức xạ hãm. Hạt tích điện sẽ mất hết động năng của nó và tiến tới trạng thái nghỉ tại độ sâu nào đó trong môi trƣờng hấp thụ.
Các độ sâu R90, R80 và R50: đƣợc định nghĩa nhƣ là các độ sâu trên đƣờng cong liều sâu phần trăm (PPD) mà nằm bên cạnh của liều sâu zmax thu đƣợc các giá trị tƣơng ứng là 90%, 80%, 50%.
Độ sâu Rq: đƣợc định ngĩa nhƣ là độ sâu mà ở đó đƣờng tiếp tuyến qua điểm uốn giao với mức liều lớn nhất.
Vùng cân bằng điện tích (buid up): giống với các chùm photon, là vùng sâu giữa bề mặt phantom và độ sâu của liều zmax .
Xác định Ep,0 : Năng lƣợng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt là liên quan tới khoảng cách thực tế theo phƣơng trình sau [20] :
2 ,0 0.22 1.98 0.0025
p p p
E R R (2.3)
Phƣơng trình này là hợp lý đối với trƣờng chiếu có kích thƣớc rộng và cho hầu hết các máy gia tốc hiện nay. Rp có thể đƣợc xác định từ sự ion hóa theo chiều sâu hoặc là sự phân bố liều hấp thụ đƣợc đo tại khoảng cách SSD 1m.
xlv
Năng lƣợng trung bình tại bề mặt của phantom liên quan tới R50 [20] :
0
E = CR50 (2.4)
Trong đó C = 2,33 MeV.cm-1
cho môi trƣờng nƣớc.
Nói một cách nghiêm túc, phƣơng trình (2.4) chỉ hợp lý đối với kích thƣớc trƣờng chiếu lớn, trong khoảng năng lƣợng từ 5 tới 35 MeV và R50 đƣợc xác định từ sự phân bố liều hấp thụ tại khoảng khoảng cách giữa buồng ion hóa và nguồn cố định ( chùm song song và phẳng). Tuy nhiên, có thể xác định E0 nếu giá trị độ sâu một nửa thu đƣợc từ liều sâu hoặc các đƣờng ion hóa tại SSD = 1m.
Sự xác định Ez
Năng lƣợng trung bình ở độ sâu z, đƣợc xác định theo phƣơng trình Harder [20]: 0 1 z p z E E R (2.5)
Dƣới đây là bảng xác định một số thông số liên quan tới chùm electron ứng với mức năng lƣợng khác nhau.
Bảng 2.2: Xác định một số thông số độ sâu liều lượng, năng lượng trung bình bề mặt phantom với năng lượng khác nhau [20] .
2.3.2. Phân bố liều sâu cách tâm
Phân bố liều lƣợng trên đƣờng vuông góc với trục trung tâm của chùm tia ở một độ sâu nhất định đƣợc gọi là đƣờng đồng mức chùm tia (phân bố liều sâu cách tâm). Sự biến đổi của đƣờng đồng mức từ tâm chùm tia ra bên chủ yếu có 3 phần sau (Hình 2.19):
Hình 2.19:Các vùng liều trongphân bố liều sâu cách tâm
- Phần trung tâm trƣờng chiếu (central region) thƣờng bằng phẳng và là vùng có phần trăm liều lƣợng tƣơng đối lớn hơn 80% so với liều ở điểm trung tâm trƣờng chiếu.
- Vùng bán dạ (penumbra region) là khoảng cách vùng liều lƣợng giảm nhanh ở 2 bên cánh giữa vùng liều lƣợng tƣơng đối 20%và 80%.
- Vùng bóng tối (umbra region) là vùng liều lƣợng tƣơng đối nhỏ dƣới 20% ở phần đuôi của đồ thị.
2.3.2.1. Xác định độ bằng phẳng (Flatness: F)
Hình 2.20:Hình vẽ xác định độ bằng phẳng
Định nghĩa độ phẳng trƣờng chiếu là sự biến đổi của liều tƣơng đối trong vùng liều tƣơng đối đó. Vùng này chiếm 80% kích thƣớc trƣờng chiếu (trƣờng chuẩn; với bề rộng của nó đƣợc định nghĩa là bề rộng tại vị trí 50% của một đƣờng đồng liều chuẩn trên một mặt phẳng ngang), tính từ trục trung tâm của trƣờng, trƣờng này nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục đó (hình 2.20).
xlvii min max min max . 100 D D D D F (2.6)
Trong đó trong đó, Imax và Imin tƣơng ứng là giá trị phần trăm liều lớn nhất và nhỏ nhất trong khoảng 80% bề rộng của kích thƣớc trƣờng chiếu của một đƣờng cong liều chuẩn trên một mặt cắt ngang. Giới hạn cho phép của F là ±3%. Và việc kiểm tra thực nghiệm nên đo ở độ sâu có liều cực đại hoặc độ sâu 10 cm tùy trƣờng hợp.
2.3.2.2. Tính đối xứng (S)
Dựa vào các đƣờng đồng liều chuẩn ta không chỉ đánh giá đƣợc độ phẳng của chùm tia mà còn có thể đánh giá đƣợc sự đối xứng của chùm tia. Từ đồ thị của đƣờng đồng liều chúng ta gập lại ở giữa và so sánh hai nửa của đồ thị với nhau tại mọi điểm để suy ra độ đối xứng, giới hạn sai khác cho phép là không vƣợt quá 2% ở mọi điểm đối xứng (hình 2.21).
Hình 2.21:Hình vẽ xác tính đối xứng
Đánh giá độ đồng đều (S) của chùm photon và electron ta dựa vào công thức sau: ) ( ) ( %. 100 %. 100 ) ( ) ( ) ( ) ( i right i left i right i left right left right left D D D D area area area area S (2.7)
Trong đó: Diện tích bên trái trục trung tâm arealeft D(left)i.a ;Diện tích bên phải trục trung tâm arearightD(right)i.a; a là bƣớc nhẩy.
2.3.2.3. Vùng bán dạ (vùng bóng mờ)
Trong vùng bóng mờ có 3 thành phần: thành phần truyền qua (transmission penumbra), thành phần đối xứng (geometric penumbra), thành phần tán xạ (scatter penumbra). Hình ảnh bên dƣới mô tả trực quan thành phần truyền qua và thành phần đối xứng đóng góp hình thành vùng bóng mờ.
Hình 2.22:Thành phần truyền qua vùng bán dạ
Hình 2.23:Thành phần đối xứng vùng bán dạ
Trong vùng bóng mờ, đƣờng đồng mức có sự thay đổi liều lƣợng nhanh tróng và phụ thuộc vào kích thƣớc trƣờng chiếu đƣợc tạo từ collimator, kích thƣớc của
Thành phần đối xứng ảnh hƣởng do kích thƣớc nguồn phát Kích thƣớc nhỏ = Thành phần đối xứng nhỏ Tăng kích thƣớc = Tăng thànhphần đối xứng
Tăng SSD hoặc tăng độ sâu = Tăng thành phần đối xứng Tăng kích thƣớc trƣờng chiếu = Tăng thành phần đối xứng Geometric Penumbra
Jaw cắt ngang trƣờng chiếu tại góc khác nhau phụ thuộc vào kích thƣớc trƣờng chiếu. Vì vậy trƣờng chiếu ảnh hƣởng đến thành phần truyền qua.
Một số Jaw đã đƣợc thiết kế với đƣờng cong ở đầu khắc phục ảnh hƣởng của thành phần truyền qua. Collimator Transmission Penumbra Transmission Penumbra
xlix
nguồn phát và sự không đồng đều của điện tử. Liều lƣợng giảm nhanh khi ra ngoài trƣờng chiếu và mở rộng ra vùng dƣới collimator trong vùng đuôi bóng mờ, đóng góp vào vùng này có 3 thành phần, thành phần chuyền qua ngàm (jaw) của collimator (thành phần truyền qua), do kích thƣớc của nguồn (thành phần đối xứng) và đóng góp có ý nghĩa nữa là tán xạ sảy ra trong mô hay phantom (thành phần tán xạ). Tổng 3 thành phần đƣợc gọi là vùng bóng mờ vật lý. Vùng bóng mờ vật lý phụ thuộc vào năng lƣợng chùm tia, kích thƣớc nguồn, SSD, khoảng cách nguồn phát tới collimator và độ sâu trong phantom.
2.3.2.4. Vùng bóng tối
Vùng bóng tối là vùng nằm ngoài trƣờng chiếu xạ, vùng ngoài biên của đƣờng phân bố liều sâu cách tâm. Liều lƣợng vùng này là rất thấp, đƣợc hình thành từ bức xạ truyền qua đầu máy, collimator và tán xạ từ trƣờng chiếu hoặc từ collimator.
2.3.3. Tiêu chuẩn của một số thông số đặc trưng
Để cho rõ ràng hơn trong luận văn, chúng tôi xin trình bày tiêu chuẩn kỹ thuật