Trong mục này, chúng ta sẽ định nghĩa một số đại lượng liên quan đến việc tính liều lượng trong thủ tục chuẩn liều; tìm hiểu sự phân bố liều hấp thụ của chùm photon và electron (phát ra từ máy gia tốc) khi chúng đi vào môi trường nước và bố trí hình học trong thủ tục chuẩn liều; đường cong đẳng liều và biểu đồ đẳng liều cho phép chúng ta xác định giá trị liều hấp thụ ở những điểm không nằm trên trục trung tâm của chùm tia bức xạ.
2.6.1. Kích thƣớc trƣờng chiếu (field size)
Chùm tia X phát ra từ bia trong máy gia tốc thẳng được chặn một phần bởi collimator để loại bỏ những phần tia không cần thiết và để giới hạn chùm tia trong một gốc khối nhỏ có hình dạng cụ thể. Chùm tia phát ra sẽ hướng vuông góc tới bề mặt đối tượng cần chiếu. Mặt cắt vuông góc của chùm tia tại một điểm sẽ tạo thành một trường (field) chiếu tại điểm đó. Các trường chiếu thường được sử dụng là trường chiếu hình vuông (square field), hình chữ nhật (rectangle field) và trường chiếu hình tròn (cycle field) (Hình 2.2 b). Khi trường chiếu có dạng hình chữ nhật, kích thước được đặc trưng bởi tích hai cạnh a b của hình chữ nhật; các trục đối
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
xứng hình chữ nhật là trục chính (principal axis); mặt phẳng đi qua trục chính được gọi là mặt phẳng chính (principal plane); trục đi qua giao điểm của hai trục chính được gọi là trục trung tâm (central axis). Khi trường có dạng hình vuông, kích thước trường chiếu là a a. Đối với trường chiếu có dạng hình tròn, mỗi đường kính đi qua tâm đều được xem là trục chính.
2.6.2. Phân bố liều hấp thụ của chùm photon và tham số chùm photon chiếu xạ ngoài. chiếu xạ ngoài.
2.6.2.1. Hình thành liều hấp thụ trong phantom
Khi một chùm photon đi vào môi trường không khí, thông lượng photon và liều hấp thụ sẽ tuân theo quy luật bình phương khoảng cách [14]. Tuy nhiên, khi photon đi vào một môi trường có khối lượng riêng lớn như phantom nước thì liều hấp thụ không còn tuân theo quy luật khoảng cách nữa. Do đó, việc xác định liều hấp thụ trong phantom sẽ rất khó khăn.
Hình 2.3 minh họa một phân bố liều hấp thụ trên trục trung tâm khi chùm tia photon đi vào phantom nước. Ta thấy rằng, khi chùm photon đi vào bề mặt phantom, tại đó liều hấp thụ có giá trị Ds. Ban đầu, khi đi sâu vào phantom, liều hấp
Hình 2.2. Trường chiếu hình chữ nhật và hình tròn . Nguồn
trục trung tâm trục chính
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
thụ tăng lên nhanh chóng đạt tới liều hấp thụ cực đại Dmax tại z=zmax trong phantom, vượt quá độ sâu zmax liều hấp thụ giảm cho đến giá trị Dex ở cạnh lối ra của phantom.
Liều hấp thụ tại bề mặt phatom
Đối với chùm photon MV, liều hấp thụ tại bề mặt phantom thì thấp hơn nhiều so với liều hấp thụ cực đại tại độ sâu zmax. Liều hấp thụ tại bề mặt phantom phụ thuộc vào năng lượng và tăng theo kích thước trường chiếu [14].
Liều hấp thụ tại bề mặt phantom bằng khoảng 70% liều hấp thụ cực đại cho chùm photon nguồn Co60
, 85% cho tia X 6 MV và 90% cho tia X 18 MV [14]. Liều hấp thụ tại bề mặt phantom có sự đóng góp từ:
Hình 2.3. Một phân bố liều hấp thụ cho chùm photon MV trong phantom Ds là liều hấp thụ ở bề mặt phantom lối vào của chùm tia, Dex là liều hấp thụ ở mặt lối ra phantom, Dmax là liều hấp thụ cực đại được chuẩn giá trị bằng 100. Giữa bề mặt z=0 và độ sâu zmax là vùng hình thành liều hấp thụ [14].
Phantom (bệnh nhân) Nguồn 0Zmax Zex Dmax = 100 Liều hấp t hụ Độ sâu z Dex Ds Zmax Zex 0
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Những photon tán xạ từ collimator, nêm lọc và không khí; Photon tán xạ từ phantom;
Những electron năng lượng cao được sinh ra từ tương tác của photon với không khí.
Vùng hình thành liều hấp thụ trong phantom
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 được quyết định bởi những hạt mang điện thứ cấp được tạo ra bởi các hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp giữa photon với phantom. Những electron được sinh ra trong các hiệu ứng trên sẽ để lại năng lượng 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 (xem lại mục 1.7.3)
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 (xem lại mục 1.7.3)
Vượt 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 như nhau (thông lượng photon trong phantom giảm) (xem lại mục 1.7.3)
Độ sâu zmax của liều hấp thụ cực đại Dmax
Độ sâu zmax của liều hấp thụ cực đại Dmax phụ thuộc vào năng lượng của photon và kích thước trường chiếu.
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 cm2 [14].
Độ sâu Co-60 4 MV 6 MV 10 MV 18 MV 25 MV
Zmax (cm) 0,5 1 1,5 2,5 3,5 5
Đối với một chùm tia năng lượng cho trước, độ sâu zmax lớn nhất cho kích thước trường chiếu 5 5 cm2, độ sâu zmax giảm cho kích thước trường chiếu lớn hơn
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
5 5 cm2
(ảnh hưởng của tán xạ từ collimator và nêm lọc) và cho kích thước trường chiếu nhỏ hơn 5 5 cm2
(ảnh hưởng của tán xạ từ phantom) [14].
2.6.2.2. Phần trăm liều hấp thụ theo độ sâu PDD với bố trí SSD (Source
surface distance)
Hàm phân bố liều hấp thụ dọc theo trục trung tâm chùm tia luôn được chuẩn với Dmax= 100 ở độ sâu zmax. Phần trăm liều hấp thụ theo độ sâu PDD (percentage depth dose) được định nghĩa như sau [14]:
Q P D PDD z, A,f , h D 100 (2.10) Trong đó:
- DQ là liều hấp thụ tại điểm Q ở độ sâu z trên trục trung tâm của chùm tia;
- DP là liều hấp thụ tại điểm P ở độ sâu zmax trên trục trung tâm của chùm tia (xem hình 2.4).
Hình 2.4. Bố trí hình học cho phép đo PDD. Điểm Q là điểm bất kỳ ở độ sâu z trên trục chính, điểm P ở độ sâu zmax trên trục trung tâm của chùm tia. Kích thước trường A được xác định tại bề mặt phantom [14].
Nguồn f = SSD zmax P Q z A
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
PDD phụ thuộc vào 4 tham số: độ sâu z trong phantom, kích thước trường chiếu A tại bề mặt phantom, khoảng cách SSD = f và năng lượng photon h [14]. PDD có giá trị từ 0 (khi z-> ) tới 100% ( khi z = zmax).
2.6.2.3. Liều hấp thụ dọc theo trục trung tâm với bố trí SAD (Source
axis distance)
Khi nhiều trường chiếu được sử dụng để xạ trị cho khối u bệnh nhân, bố trí phép đo SAD thường được dùng bởi vì nó làm giảm ảnh hưởng của liều bức xạ cho mô lành trong cơ thể người bệnh. Trong kỹ thuật tính liều, khi thực hiện phép đo bố trí SSD, người ta sử dụng hàm phân bố liều hấp thụ PDD. Với phép đo bố trí SAD, các tham số khác như hàm TAR, TPR, TMR…sẽ được sử dụng.
2.6.2.4. Tỷ lệ mô không khí TAR (Tisue air ratio)
Đối với nguồn Co60 và chùm tia photon có năng lượng thấp hơn, tỷ lệ mô không khí TAR thường được sử dụng để tính toán liều hấp thụ trong phép xạ trị quay. Trong phép xạ trị này, nguồn xạ quay quanh trục quay của nó. Do vậy, khoảng cách từ nguồn tới đường bao của phantom sẽ thay đổi theo vị trí của nguồn . Ngược lại, khoảng cách từ nguồn tới isocenter (SAD) là không đổi.
Tỷ lệ mô không khí TAR được định nghĩa là tỷ lệ liều hấp thụ DQ vàD [14]: 'Q
Q ' Q D TAR z, A, h D (2.11) Trong đó:
- DQ là liều hấp thụ tại điểm Q trên trục trung tâm, ở độ sâu z trong phantom nước;
- D’Q là liều hấp thụ cho ”khối nước nhỏ trong không khí” được đặt tại điểm tương tự Q trên trục trung tâm ở độ sâu z. Khối nước có kích thước đủ nhỏ để có cân bằng hạt mang điện tại tâm của nó.
TAR chỉ phụ thuộc vào ba tham số: độ sâu z trong phantom, kích thước trường chiếu AQ ở độ sâu z, năng lượng photon h [14].
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
2.6.2.5. Tỷ lệ mô phantom TPR và tỷ lệ mô cực đại TMR
TAR chỉ áp dụng tốt trong phép đo bố trí SAD cho chùm tia photon năng lượng của nguồn Co60 và năng lượng thấp. Khái niệm TAR không thể áp dụng cho chùm tia X được tạo ra bởi máy gia tốc thằng năng lượng cao do các khó khăn trong việc xác định liều hấp thụ cho “một khối nước nhỏ trong không khí” (vì khi đó buildup cap cho buồng ion hóa phải cực lớn để đảm bảo điều kiên cân bằng hạt mang điện). Để giải quyết vấn đề này, khái niệm TPR được sử dụng cho chùm photon năng lượng MV với bố trí hình học SAD.
Tỷ lệ mô phantom TPR (Tissue phantom ratio)
TPR được định nghĩa như sau [14]:
Q Q Qref D TPR z, A , h D (2.12)
Hình 2.5. Bố trí cho phép đo TAR (a) Liều hấp thụ tại điểm Q trong phantom nước (b) Liều hấp thụ cho “khối nước nhỏ” được đặt tại điểm Q. Điểm Q được định vị tại isocentre và khoảng cách nguồn tới nguồn là SAD. Kích thước trường chiếu AQ thì được xác định ở độ sâu z trong phantom nước [14].
Nguồn Nguồn
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
Trong đó:
- DQ là liều hấp thụ tại điểm Q trên trục trung tâm ở độ sâu z trong phantom;
- DQref là liều hấp thụ ở độ sâu chuẩn zref (5 cm hoặc 10 cm) trên trục trung tâm trong phantom (xem hình 2.6).
Tỷ số mô cực đại TMR (Tissue maximum ratio)
Khi TPR được định nghĩa đối với độ sâu chuẩn zref bằng độ sâu liều hấp thụ cực đại zmax thì đại lượng này được gọi là TMR [14]:
Q Q Q max D TMR z, A , h D (2.13) Trong đó:
- DQ là liều hấp thụ tại điểm Q trên trục trung tâm ở độ sâu z trong phantom;
- DQmax là liều hấp thụ ở độ sâu zmax trên trục trung tâm trong phantom.
Tỷ lệ mô cực đại TMR phụ thuộc vào ba tham số: z, AQ, h [14]. Giá trị của TMR từ 0 (khi z-> ) tới 100% (khi z = zmax)
Tiếp theo, chúng ta tiếp tục tìm hiểu những tham số mô tả cho chùm electron.
Hình 2.6. Bố trí hình học cho phép đo TPR(z, AQ, h). (a) Bố trí hình học cho phép đo DQ ở độ sâu z trong phantom. (b) Bố trí hình học cho phép đo DQref ở độ sâu chuẩn zref [14].
Nguồn Nguồn (a) (b) SSD SAD Aref zref AQ Q AQ Q z A
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO LIỀU BẰNG BUỒNG ION HÓA
2.6.3. Phân bố liều hấp thụ và tham số chiếu xạ ngoài cho chùm electron
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