Trong phép xạ trị hiện nay, bên cạnh photon người ta cũng sử dụng tia electron. Những chùm tia electron này được phát từ máy gia tốc thằng năng lượng cao, chúng thường có năng lượng từ 4 MeV đến 25 MeV.
Trước khi đi ra khỏi máy gia tốc, chúng là chùm electron đơn năng. Tuy nhiên, khi những electron đi qua cửa số của máy gia tốc, bộ lọc, collimator, không khí và buồng ion hóa, chúng sẽ tương tác với những cấu trúc này. Điều này làm cho các electron có những năng lượng khác nhau, tạo thành một phổ năng lượng electron khá rộng và phức tạp.
2.6.3.1. Đƣờng cong liều hấp thụ
Dạng đường cong liều hấp thụ theo độ sâu trong nước dọc trục trung tâm của chùm tia electron được biểu diễn bởi hình 2.7(a) bên dưới.
Hình 2.7. Đường cong phần trăm liều hấp thụ theo độ sâu PDD trong nước với kích thước trường 10 10 cm2 và SSD = 100 cm (a) những chùm tia electron có năng lượng 6, 9, 12, 18 MeV (b) những chùm tia photon có năng lượng 6MV, 15 MV [14]. 0 20 10 30 40 50 60 70 80 90 100 110 5 10 15 MV 6 MV Độ sâu (cm) PDD (%) Độ sâu (cm) PDD (%) 0 20 10 30 40 50 60 70 80 90 100 110 10 15 20 25 5 9 12 18 MeV 6
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Theo hình 2.7 (a), ta nhận thấy trên đường cong liều hấp thụ theo độ sâu dọc trục trung tâm luôn có một liều hấp thụ tại bề mặt Ds (z = 0) có giá trị cao. Sau đó, liều hấp thụ hình thành, tăng đến liều hấp thụ cực đại Dmax ở độ sâu zmax trong nước. Khi ở độ sâu vượt quá zmax, liều hấp thụ giảm nhanh chóng và cuối cùng đạt cân bằng ở mức giá trị liều hấp thụ nhỏ.
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 được tạo thành do những tương tác của electron với nguyên tử của nước. Trước khi chùm electron đi vào bề mặt phantom nước, quỹ đạo của chúng gần song song. Khi đi vào phantom, do tương tác quỹ đạo của chúng bị lệch khỏi hướng 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.
Theo vào hình 2.7, 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 trường hợp của photon. Hơn nữa, không giống như photon, liều hấp thụ tại bề mặt của electron tăng theo năng lượng của nó (do sự tán xạ của electron). Đối với electron năng lượng thấp, tỷ lệ của liều hấp thụ tại bề mặt và liều hấp thụ cực đại thì thấp hơn so với electron có năng lượng cao (xem hình 2.7 a). Ở năng lượng 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 được hình thành khá nhanh chóng, ở độ xuyên sâu nhỏ.
Phân bố liều hấp thụ ở độ sâu vƣợt quá độ sâu zmax
Dựa vào phần đường cong có độ dốc lớn nhất của hình 2.7(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 lượng liên tục của electron trong khoảng độ sâu này.
Phần đuôi giới hạn (bremsstrahlung tail) của đường cong liều hấp thụ được tạo thành là do sự đóng góp bởi những bức xạ hãm (bremsstrahlung) được tạo ra
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
trong không khí (giữa cửa sổ máy gia tốc và phantom, trong môi trường phantom bị chiếu xạ). Sự nhiễm bẩn bức xạ hãm phụ thuộc vào năng lượng electron, nhỏ hơn 1% đối với electron 4 MeV, nhỏ hơn 4% đối với electron 20 MeV [14].
2.6.3.2. Phần trăm liều hấp thụ theo độ sâu PDD
Phần trăm liều hấp thụ theo độ sâu PDD cho chùm electron cũng được định nghĩa giống như đối với chùm photon:
Q P D PDD D 100 (2.14)
PDD phụ thuộc vào kích thước trường chiếu và năng lượng của electron 14]. Hình 2.9 biểu diễn sự phụ thuộc của PDD vào năng lượng electron với trường chiếu 10 10 cm2.
Hình 2.8. Bố trí hình học cho phép đo PDD của electron [14].
Nguồn f =SSDeff P Q AQ A zmax z
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Khi khoảng cách giữa trục trung tâm của chùm tia và một cạnh của trường chiếu lớn hơn quãng chạy của electron tán xạ bên thì đường cong liều hấp thụ gần như không phụ thuộc vào kích thước trường chiếu. Những đường cong liều hấp thụ của electron của cùng một năng lượng với kích thước trường chiếu lớn hơn 10 10 cm2 gần giống nhau. Khi kích thước trường chiếu giảm dưới 10 10 cm2
thì những đường cong liều hấp thụ có sự khác biệt lớn (xem hình 2.10)
Hình 2.9. Đường cong PDD dọc trục trung tâm cho một họ năng lượng electron được phát từ máy gia tốc thẳng năng lượng cao, kích thước trường chiếu 10 10 cm2 [14]. Độ sâu (cm) PDD(%) 50 100 0 5 10 6 4 9 12 15 20 MeV
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Khi độ lớn một trong những cạnh của trường chiếu giảm dưới giá trị quãng chạy thực tế Rp trong nước (xem mục 2.6.3.3.1.) với năng lượng electron cho trước thì độ sâu zmax sẽ giảm. Liều hấp thụ tương đối bề mặt phantom cũng giảm khi kích thước trường chiếu giảm (hình 2.10)
2.6.3.3. Mối liên hệ giữa năng lƣợng electron và quãng chạy của chúng 2.6.3.3.1. Quãng chạy của electron
Sau đây là một số khái niệm về quãng chạy và các độ sâu thường được sử dụng trong phép đo liều:
Quãng chạy cực đại Rmax (maximum range): là độ sâu được xác định bằng cách ngoại suy đuôi nằm ngang của đường cong liều hấp thụ lên trục độ sâu (cm hoặc g/cm2).
Hình 2.10. Đường cong PDD cho những kích thước trường chiếu khác nhau cho electron 20 MeV [14].
Độ sâu (cm) PDD(%) 0 5 10 50 100 20 MeV 4 4 cm2 6 6 cm2 15 15 cm2 20 20 cm2 25 25 cm2 10 10 cm2
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Quãng chạy thực tế Rp (practical range): là độ sâu được xác định tại điểm giao của tiếp tuyến tại phần đường cong liều hấp thụ có độ dốc lớn nhất và tiếp tuyến ngang tại giới hạn đuôi đường cong liều hấp thụ (cm hoặc g/cm2).
Quãng chạy R50: là độ sâu mà liều hấp thụ bằng 50% giá trị liều hấp thụ cực đại ở độ sâu zmax(cm hoặc g/cm2
).
2.6.3.3.2. Mối liên hệ giữa quãng chạy của electron trong phantom với năng lƣợng của chúng. với năng lƣợng của chúng.
Vì phổ electron trải khá rộng và phức tạp cho nên không thể dùng một tham số duy nhất để mô tả chất lượng chùm tia electron. Hiện nay người ta dùng một số tham số để mô tả chất lượng chùm tia như động năng trung bình tại bề mặt phantom
E0 và R50.
Động năng trung bình tại bề mặt phantom E0 thì liên hệ với quãng chạy R50 trong nước bằng biểu thức [14]:
Hình 2.11. Quãng chạy Rmax, Rp và R50 [14].
PDD(%) Độ sâu (cm) Rp R50 Rmax 0 50 90 100
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
0 50
E C R (2.15)
với C = 2,33 MeV/cm
Động năng trung bình ở độ sâu z, Ez, có mối liên hệ với quãng chạy thực tế Rp trong nước và năng lượng ban đầu E0 của electron theo biểu thức [14]:
z p
E E0 1z R (2.16)
R50 được tính toán từ R50,ion (quãng chạy tại đó giá trị ion hóa bằng 50% giá trị ion hóa cực đại ở độ sâu zmax) theo biểu thức [14]:
,ion
R50 1 029, R50 0 06, R50,ion 10g / cm2 (2.17a)
,ion
R50 1 059, R50 0 37, R50,ion 10g / cm2 (2.17b)
2.6.4. Đƣờng cong đẳng liều
Các tham số chiếu xạ ngoài PDD, TAR, TMR đã được trình bày trong mục 2.3.3. chỉ cho phép ta xác định giá trị liều hấp thụ của các điểm nằm trên trục trung
Hình 2.12. Đường PDD và ion hóa cho mối liên hệ giữa độ sâu R50 và R50, ion trong nước.
PDD và đ ộ ion hóa Độ sâu (cm) R50 R50,ion 100%
đƣờng cong ion hóa
đƣờng cong PDD
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
tâm của chùm tia bức xạ. Để xác định giá trị liều hấp thụ của một điểm bất kỳ không nằm trên trục trung tâm của chùm tia bức xạ, ta cần phải khảo sát các đường cong đẳng liều. Một đường cong đẳng liều là tập hợp các điểm có cùng giá trị liều hấp thụ như nhau. Tập hợp các đường cong đẳng liều cho ta một biểu đồ đẳng liều (một phân bố đẳng liều). Một biểu đồ đẳng liều biểu diễn sự thay đổi của giá trị liều hấp thụ theo độ sâu và theo khoảng cách nằm ngang từ trục trung tâm của trường bức xạ (các đường cong đẳng liều nằm trên cùng một mặt phằng nằm ngang vuông góc với trục trung tâm chùm tia bức xạ)
Hình 2.13. Biểu đồ đẳng liều: tập hợp các đường cong đẳng liều.
a) Nguồn Co60, giá trị iều hấp thụ đạt giá trị cực đại 100% ở độ sâu 5 mm và giảm nhanh chóng xuống giá trị 25% ở độ sâu 10 cm.
b) Photon 25 MV, liều hấp thụ đạt giá trị cực đại ở độ sâu 4 cm và giá trị 83% ở độ sâu 10 cm [8]. 5 mm 10 cm 4 cm 10 cm a) b)
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Tóm lại, trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu cơ sở lý thuyết của phép đo liều hấp thụ dựa vào điều kiện hốc khí Bragg-Gray (mở rộng là lý thuyết hốc khí Spencer-Attix) bằng buồng ion hóa và các tham số mô tả kỹ thuật tính liều hấp thụ trong thủ tục chuẩn liều. Lý thuyết Bragg-Gray, Spencer Attix và các tham số mô tả kỹ thuật tính liều sẽ được vận dụng vào thủ tục chuẩn liều hấp thụ của chương 3 tiếp theo.
Hình 2.14. Biểu diễn phân bố các đường cong đẳng liều trong một mặt phẳng nằm ngang vuông góc với trục trung tâm của chùm tia bức xạ. Giá trị đẳng liều được chuẩn là 100% ở tâm của trường bức xạ [9].
CHƢƠNG 3 CHUẨN LIỀU HẤP THỤ TRONG NƢỚC
CHƢƠNG 3 CHUẨN LIỀU HẤP THỤ TRONG NƢỚC
3.1. Nguyên tắc chuẩn liều hấp thụ trong nƣớc 3.1.1. Mở đầu
Trong xạ trị, một điều rất quan trọng là phải cung cấp một giá trị liều hấp thụ cho thể tích khối u càng chính xác càng tốt . ICRU đã khuyến cáo sai số của giá trị liều hấp thụ này xấp xỉ trong khoảng 5% [14]. Sai số này là kết quả của một loạt quá trình từ việc xác định vị trí, kích thước của khối u đến việc tính toán phân bố liều và việc cấp liều thực tế cho bệnh nhân.
Để đảm bảo cung cấp liều hấp thụ cho người bệnh chính xác, kỹ sư Vật lý cần phải kiểm tra liều hấp thụ cho chùm photon và electron trong nước. Công việc này được gọi là thủ tục chuẩn liều hấp thụ trong nước. Nó là một khâu quan trọng trong chuỗi các công việc nhằm mục đích cuối cùng là cung cấp chính xác giá trị liều hấp thụ cho người bệnh. Một số những khâu khác là thủ tục xác định liều hấp thụ tương đối, lập kế hoạch điều trị, mô phỏng xạ trị thử trên máy tính, bố trí người bệnh vào máy gia tốc…
Khi tiến hành chuẩn liều hấp thụ trong nước, kỹ sư Vật lý phải cần xác định giá trị liều hấp thụ ở độ sâu chuẩn zref trong phantom nước theo các điều kiện chuẩn. Có hai bố trí hình học được sử dụng trong phép đo liều hấp thụ là SSD và SAD. Đối với cả hai phép đo có bố trí trên, người ta thường sử dụng trường chiếu chuẩn 10 cm 10 cm [7].
Chương này trình bày thủ tục chuẩn liều hấp thụ trong nước bằng buồng ion hóa cho chùm photon và electron năng lượng cao phát ra từ máy gia tốc thẳng. Chùm photon này được tạo ra bởi các electron có năng lượng trong khoảng từ 1-50 MeV với TPR20,10 (mục 2.6.3.2 chương 2) có giá trị 0.5-0.84. Chùm electron có năng lượng trong khoảng từ 3-50 MeV với R50 (mục 2.6.3.3 chương 2) có giá trị 1- 20 g/cm2.
CHƢƠNG 3 CHUẨN LIỀU HẤP THỤ TRONG NƢỚC
Ở những phòng thí nghiệm chuẩn và tại bệnh viện, buồng ion hóa thường được dùng trong công việc chuần liều hấp thụ. Hai loại buồng ion hóa thường sử dụng là buồng ion hóa hình trụ và buồng ion hóa phẳng. Buồng ion hóa hình trụ thường dùng cho chùm photon và buồng ion hóa phẳng dùng cho chùm electron. Ngoài ra, người ta cũng sử dụng một số thiết bị khác cần thiết cho công việc chuẩn liều như electrometer, phantom, áp kế, nhiệt kế... Tất cả các dụng cụ trên sẽ được giới thiệu trong mục 3.2.3 của chương này.
Về cơ bản, công việc chuẩn liều hấp thụ trong nước cho chùm tia bức xạ photon hoặc electron năng lượng cao được thực hiện theo các bước sau:
Chọn buồng ion hóa, electrometer, loại phantom. Khi sử dụng buồng ion hóa đã được định chuẩn thì chúng ta nhận được một hệ số chuẩn buồng ion hóa trong nước ND,W,Q
0từ phòng thí nghiệm chuẩn. Nói chung, chất lượng chùm tia ở phòng thí nghiệm chuẩn (ký hiệu là Q0) là khác với chất lượng chùm tia được sử dụng tại bệnh viện (ký hiệu là Q).
Xác định chất lượng chùm tia sử dụng Q tại bệnh viện. Từ chất lượng chùm tia này, ta tính được hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia kQ,Q
0của người sử dụng Q so với chất lượng chùm tia chuẩn Q0.
Ghi nhận giá trị điện tích thô Mraw. Giá trị này hiển thị dưới dạng số trên màn hình electrometer. Từ giá trị này, ta tính được giá trị của đại lượng MQ:
Q raw T,P s pol elec
M M k k k k . Từ giá trị của các đại lượng ND,W,Q
0 ; kQ,Q
0và MQ, chúng ta sẽ xác định được giá trị liều hấp thụ ở độ sâu chuẩn zref trong nước.
W,Q ref Q D,W,Q Q,Q D z M N 0k 0
Dựa vào phép đo có bố trí hình học SSD hoặc SAD, ta sẽ xác định được liều hấp thụ cực đại tại độ sâu zmax :
W,Q ref W,Q max ref D (z ) D (z ) PDD(z ) 100
CHƢƠNG 3 CHUẨN LIỀU HẤP THỤ TRONG NƢỚC W,Q ref W,Q max ref D (z ) D (z ) TMR(z )
Trong các phần tiếp theo của mục 3.1, chúng ta sẽ tìm hiểu các nội dung lý thuyết cho thủ tục chuẩn liều sau: điều kiện chuẩn và các đại lượng ảnh hưởng; thiết bị đo liều; phantom; electrometer; cách định chuẩn buồng ion hóa; định vị buồng ion hóa; hình thức luận cho việc xác định liều hấp thụ trong nước. Sau đó, chúng ta sẽ áp dụng nguyên tắc của thủ tục chuẩn liều cho chùm photon và chùm electron năng lượng cao. Đây là mục tiêu chính trong chương 3 và cũng là mục tiêu chính của khóa luận.
3.1.2. Điều kiện chuẩn và các đại lƣợng ảnh hƣởng 3.1.2.1. Điều kiện chuẩn
Các điều kiện chuẩn dùng để tiến hành chuẩn liều và đo liều hấp thụ trong nước được xác định bởi một bộ giá trị của các yếu tố như hình học đo (khoảng cách từ nguồn tới bề mặt phantom nước hoặc khoảng cách từ nguồn tới tâm buồng ion hóa, thể tích buồng ion hóa); kích thước trường chiếu; nhiệt độ và thể tích phantom; nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh. Các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến giá trị hệ số chuẩn liều hấp thụ ND,W,Q
0(đại lượng này sẽ được trình bày trong mục 3.1.3).
Khi thực hiện phép đo liều hấp thụ trong nước thì chúng ta phải tiến hành phép đo theo các điều kiện chuẩn nếu có thể. Chúng ta sẽ thấy rõ điều này trong mục 3.2.3 và 3.3.4.
3.1.2.2. Các đại lƣợng ảnh hƣởng
Các đại lượng ảnh hưởng là những yếu tố mà bản thân chúng không phải là đối tượng của phép đo nhưng có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Những yếu tố này có thể khác nhau về bản chất như: nhiệt độ, áp suất, điện thế phân cực; yếu tố liên quan tới trường chiếu bức xạ (suất liều hấp thụ, kích thước trường chiếu, độ sâu
CHƢƠNG 3 CHUẨN LIỀU HẤP THỤ TRONG NƢỚC