2.1.1 Quá trình mất năng lƣợng của chùm điện tử
Các hạt điện tử tƣơng tác với vật chất và mất năng lƣợng theo 2 quá trình sau: - Mất năng lƣợng do va chạm.
- Mất năng lƣợng do phát bức xạ
Sự mất năng lƣợng do va chạm đƣợc chia thành 2 nhóm: Sự truyền năng lƣợng nhỏ (phát bức xạ) và sự truyền năng lƣợng lớn (làm cho điện tử quỹ đạo bị bật khỏi vỏ). Khi các điện tử tới có năng lƣợng nhỏ, nó chỉ đủ để kích điện tử quỹ đạo và khi trở về trạng thái bình thƣờng nó sẽ phát ra bức xạ (photon) (hình 2.1a). Khi các điện tử tới có năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng liên kết thì điện tử quỹ đạo sẽ bị bật khỏi lớp vỏ và nguyên tử trở nên bị ion hoá (hình 2.1b).
Sự mất năng lƣợng do phát bức xạ do tƣơng tác với hạt nhân hoặc các điện tử lớp vỏ. Dƣới tác dụng của điện trƣờng và lực tƣơng tác Coulomb của hạt nhân thì các điện tử mang năng lƣợng lớn bị lệch khỏi quỹ đạo và phát bức xạ hãm (hình 2.1c). Đôi khi các điện tử tới có thể tƣơng tác trực tiếp với điện tử trên lớp vỏ K và bức xạ đặc trƣng đƣợc phát ra (hình 2.1.d).
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Hình 2.1.Các quá trình tương tác của điện tử. (a): Sự kích thích; (b): Sự ion hoá; (c): Sự phát bức xạ hãm và (d): Sự phát bức xạ đặc trưng.
2.1.2 Cơ sở sinh học của bức xạ trong điều trị ung thƣ.
Ảnh hƣởng bức xạ đối với cơ thể sống rất phức tạp, nhƣng tất cả đều bắt đầu bằng một quá trình vật lý thuần túy. Các bức xạ chiếu tới sẽ bị hấp thụ hết năng lƣợng và chỉ xảy ra trong khoảnh khắc 10-12
tới 10 -16 giây, nhƣng có thể để lại trong cơ thể sống những biến đổi sinh học sâu sắc. Mức tác động của bức xạ đối với cơ thể phụ thuộc vào liều lƣợng và liều bức xạ đƣợc hấp thụ, loại bức xạ, điều kiện chiếu xạ, đặc điểm cơ thể, điều kiện chăm sóc cơ thể sau khi chiếu xạ.
Bảng 2.1 Sơ đồ các phản ứng hóa bức xạ đầu tiên xảy ra trong dung dịch nước
Bức xạ ion hóa ==>H2O:
Kích thích tạo gốc tự do:
* * *
2 2
H O H O H OH
Ion hóa tạo gốc tự do:
* 2 2 * 2 2 2 2 H O H O H O+e 2 H O H OH H O OH H H O H O
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Đồng thời và tiếp sau đó xảy ra các phản ứng dƣới đây
* * 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 O HO OH OH H O O O H OH O OH HO HO H O O H O HO H O OH * * 2 2 2 2 2 * 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 . .... OH OH H O HO H H O H O H H O H O HO O H O OH H O OH H O HO v v
Gốc (nhóm) tự do + phân tử hữu cơ thay đổi cấu trúc phân tử
Các mô tả trên chỉ ra sự ảnh hƣởng gián tiếp của bức xạ đối với những phân tử hữu cơ : protein, lipid, ADN,... Tác động bức xạ dù trực tiếp hay gián tiếp đều dẫn tới kết quả là làm thay đổi hoạt tính sinh học của các phân tử hữu cơ nhất là trong các nhiễm sắc thể của tế bào. Qua đó làm rối loạn hoạt động tế bào, gây chết tế bào.
2.1.3 Mối tƣơng quan giữa khả năng tiêu diệt khối u và nguy cơ biến chứng do xạ trị gây ra. trị gây ra.
Xạ trị tiêu diệt khối u sẽ luôn có khả năng xảy ra biến chứng cho các cơ quan, mô lành xung quanh. Kỹ thuật xạ trị là dựa trên các thực nghiệm, thống kê và nó chỉ ra rằng các tế bào ung thƣ nhạy cảm với bức xạ ion hóa hơn các tế bào khỏe mạnh. Hiệu quả điều trị đƣợc xác định bởi khả năng tiêu diệt khối u (TCP - TCP:Tumor Control Probability) và khả năng xảy ra biến chứng cho mô lành (NTCP: Normal Tissue Complication Probability).
Dựa trên mối tƣơng quan này thì hiệu quả điều trị cần quan tâm đến tổng liều điều trị, suất liều, thời gian giữa các phân liều… Tất cả nhằm đƣa đủ liều điều trị vào khối u hoặc nhiều nhất có thể, đồng thời giảm thiểu liều chiếu vào các mô lành xung quanh.
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Hình 2.2 Mối tương quan giữa khả năng tiêu diệt khối u và khả năng biến chứng trong xạ trị.
2.2 Đặc tính vật lý của chùm điện tử
2.2.1 Liều sâu phần trăm (PDD – Percent dose diagram)
Liều sâu phần trăm (PDD – Percent Dose Diagram) là khái niệm đƣợc xây dựng trên khái niệm trục trung tâm, trục chính của một chùm tia phát ra từ một nguồn điểm. Dƣới đây là hình ảnh minh hoạ của 2 khái niệm này trên một chùm tia phát ra từ máy gia tốc.
Hình 2.3 Hình ảnh minh hoạ trục trung tâm và trục chính của chùm tia.
Nguồn
Trục chính Trục trung tâm
Liều sâu phần trăm hay liều hấp thụ theo độ sâu trục trung tâm là một trong những đặc tính vật lý cơ bản quan trọng nhất của chùm tia nói chung. Nó là một hàm số của liều hấp thụ tƣơng đối theo độ sâu dọc theo trục trung tâm của chùm tia trong môi trƣờng đồng nhất. Hình ảnh phân bố liều sâu theo trục trung tâm với một số mức
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
năng lƣợng điện tử đƣợc minh họa trên hình 2.4.
Đƣờng cong này bắt đầu từ liều hấp thụ bề mặt tăng lên, tiếp theo là vùng cân bằng điện tích mà tại đó liều đạt cực đại (đỉnh), chuyển tiếp là đoạn giảm liều tuyến tính đặc trƣng bởi độ dốc của đƣờng cong, cuối cùng là vùng liều suy giảm với đoạn
“đuôi” của đƣờng cong sinh ra do “phông nền”.
Hình 2.4 Các đường cong biểu diễn liều hấp thụ theo độ sâu của một số mức năng lượng điện tử
Toàn bộ các đƣờng cong với các mức năng lƣợng khác nhau có hình dạng tƣơng tự nhau, sự khác nhau rõ rệt nhất của các đƣờng cong này là: liều bề mặt, độ sâu liều cực đại (Rmax), độ dốc (G), giới hạn độ sâu của chúng (Rp), độ sâu liều đạt 50% liều cực đại (R50). Các khái niệm này đƣợc minh hoạ trên hình 2.5 và giải thích phần tiếp theo [6,7]
Hình 2.5.Hình ảnh các thông số đặc trưng cơ bản của đường cong biểu diễn liều sâu tại trục trung tâm
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
2.2.2 Liều hấp thụ tại bề mặt
Các chùm điện tử có khả năng ion hoá ngay khi tiếp xúc với vật chất nói chung, mức liều hấp thụ tại bề có giá trị khoảng 85% liều cực đại. Trong điều trị bệnh nhân khái niệm “liều bề mặt” là liều xác định tại bề mặt da, tuy nhiên liều này thực tế khó có khả năng xác định. Về mặt sinh học bức xạ, nếu đo đƣợc liều lƣợng tại bề mặt thì cũng không mang lại ý nghĩa thực tế vì lớp tế bào bề mặt da không nhạy cảm bức xạ. Thực tế liều bề mặt thƣờng đƣợc tính từ độ sâu 0,5mm dƣới da.
Trái ngƣợc lại là chùm photon năng lƣợng cao, liều bề mặt của nó sẽ giảm khi năng lƣợng chùm tia tăng. Những chùm điện tử năng lƣợng lớn thì liều bề mặt tăng theo năng lƣợng, tăng chậm và luôn thấp hơn giá trị liều cực đại. Nhƣ minh họa trên hình 2.6, khi năng lƣợng chùm điện tử tăng thì liều bề mặt sẽ tăng.
Hình 2.6 Một vài đường cong biểu diễn vùng liều hấp thụ cực đại trong môi trường polystyrene theo năng lượng điện tử
Liều bề mặt của chùm điện tử ngoài ảnh hƣởng bởi năng lƣợng chùm tia, nó còn ảnh hƣởng bời kích thƣớc trƣờng chiếu. Liều bề mặt nhìn chung sẽ tăng theo kích thƣớc trƣờng chiếu xạ. Bảng 2.2 liệt kê một số giá trị liều bề mặt của các chùm điện tử theo năng lƣợng, kích thƣớc khác nhau [6,7].
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Bảng 2.2 Bảng giá trị liều bề mặt của chùm điện tử theo kích thước trường chiếu
Năng lƣợng (MeV)
Liều bề mặt theo kích thƣớc trƣờng chiếu (so với liều cực đại bằng 1)
4cm x 4cm 10cm x 10cm 15cm x 15cm 6 9 12 15 18 20 0,72 0,80 0,85 0,88 0,90 0,91 0,75 0,83 0,88 0,93 0,94 0,95 0,78 0,85 0,90 0,95 0,94 0,95
2.2.3 Độ sâu giới hạn trong điều trị (Rp)
Độ sâu đƣợc ứng dụng trong điều trị nằm từ điểm gần da (đạt tới 90% liều cực đại) cho đến độ sâu mà tại đó liều hấp thụ giảm xuống bằng môi trƣờng. Giới hạn ứng dụng điều trị phụ thuộc vào năng lƣợng của chùm tia.
Trong lúc lập kế hoạch tính liều, năng lƣợng chùm tia sẽ đƣợc lựa chọn sao cho liều đạt kết quả tối ƣu nhất. Nó phụ thuộc vào độ lớn và độ sâu của khối u. Yêu cầu trong xạ trị độ chênh lệch phân bố liều tại thể tích bia (khối u cần xạ) và cơ quan lành xung quanh sao cho càng nhỏ càng tốt và phải nằm trong giới hạn 5%. Do đặc trƣng của chùm điện tử thì rất khó để đảm bảo đủ liều vào toàn độ sâu của u và độ chênh lệch liều ở mức 5% quanh u [6,7].
Bảng 2.3 Bảng các thông số cơ bản của chùm điện tử trong xạ trị
Năng lƣợng (MeV)
Độ sâu tƣơng ứng của liều lƣợng
(cm) Giới hạn điều trị Rp Độ dốc G Liều cực đại 90% 85% 50% 10% 4 6 8 10 12 14 17 20 30 0,6 1,1 1,5 2,3 2,5 3,0 3,3 2,5-3,5 2,5 - 3,5 0,9 1,7 2,3 3,1 3,6 4,7 5,3 6,5 7,9 1,0 1,8 2,5 3,3 3,8 4,9 5,7 6,9 8,6 1,4 2,4 3,1 4,1 4,8 6,0 7,1 8,5 11,6 1,9 3,1 3,9 5,2 6,0 7,4 8,7 10,4 15 1,7 2,9 3,8 4,9 5,9 7,0 8,5 10,1 15,3 2,0 2,2 2,4 2,6 2,6 2,5 2,5 2,4 1,9
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
2.2.4 Độ dốc của đƣờng cong phân bố liều sâu (G)
Sự giảm độ dốc của đƣờng cong phân bố liều sâu ngoài liều hấp thụ cực đại là một trong những đặc tính phân bố của chùm điện tử trong ứng dụng lâm sàng. Đoạn dốc của đƣờng cong phân bố liều sâu sử dụng công thức sau:
Trong đó: dD/dz độ chênh lệch liều hấp thụ tuyệt đối; RP là độ sâu giới hạn chùm tia
Dm là liều cực đại Dx là liều bức xạ hãm
Độ dốc này có thể xác định đƣợc từ đƣờng cong phân bố liều sâu bằng cách ngoại suy đoạn dốc nhất của đƣờng cong ngoài vùng liều cực đại Dmax, khi đƣờng này giao với phần bức xạ hãm và đƣờng nằm ngang đƣợc kéo dài từ điểm cực đại Dm của đƣờng cong (hình 2.5)
2.2.5 Độ sâu giảm nửa liều hấp thụ (R50)
Độ sâu giảm nửa liều hấp thụ R50 (hình 2.5) là độ sâu mà tại đó liều hấp giảm còn một nửa so với liều cực đại. Năng lƣợng thu đƣợc tại độ sâu một nửa có liên quan mật thiết với năng lƣợng trung bình của chùm tia, thông số này đƣợc sử dụng để xác định năng lƣợng chùm điện tử trong các công thức thực nghiệm.
2.2.6 Nhiễu bức xạ hãm và neutron
Mọi chùm điện tử phát ra khỏi đầu máy gia tốc xạ trị đều có thể sẽ tạo ra các photon bức xạ hãm. Bức xạ hãm đƣợc tạo ra khi điện tử tƣơng tác với hạt nhân của nguyên tử của vật liệu che chắn, bị hao phí hầu hết năng lƣợng và phát ra bức xạ hãm. Các bức xạ hãm sinh ra có xác suất lớn khi năng lƣợng chùm điện tử lớn hơn 10 MeV và vật liệu che chắn có nguyên tử số cao, chẳng hạn chì hay vonfram... Trong thực tế điều trị, yêu cầu chùm photon bức xạ hãm trong chùm điện tử phải càng nhỏ càng tốt.
Ngoài bức xạ hãm, neutron cũng có thể xuất hiện lẫn trong chùm điện tử. Các
dz dD R MAX p Dx Dm G
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
neutron đƣợc sinh ra trong hệ thống lá tán xạ, ống chuẩn trực điện tử và khuôn chì do hiện tƣợng hấp thụ chùm điện tử trong các phản ứng (e,n). Các neutron năng lƣợng cao lại không bị hấp thụ bởi collimator vì quãng chạy tự do của neutron trong chì lên tới 10 cm. Do đó, các hạt neutron có thể xuất hiện trong và ngoài trƣờng chiếu [6,7].
2.2.7 Phân bố chùm tia theo 2D - Đƣờng đồng liều.
Đƣờng cong liều sâu lấy theo trục trung tâm của chùm tia vẫn chƣa đủ đặc trƣng cho sự phân bố liều của chùm điện tử trong không gian. Trong lâm sàng, khái niệm biểu đồ đƣờng đồng liều theo 2D hay còn gọi là đƣờng đồng liều (isodose line ).
Hình 2.7 minh họa về một họ đƣờng cong đồng liều tƣơng đối thu đƣợc từ mặt phẳng trung tâm của chùm điện tử năng lƣợng 17 MeV (hình bên trái). Họ đƣờng cong đồng liều đƣợc minh hoạ rõ hơn trong phần mềm điều khiển với các đƣờng đồng liều thể hiện theo màu sắc (hình 2.7, hình bên phải)
Hình 2.7 Mô hình phân bố các đường cong đồng liều trong môi trường nước của chùm điện tử và mô phỏng trên phần mềm lập kế hoạch.
Đƣờng đồng liều theo trục trung tâm có 2 đặc trƣng: mở rộng sang phía bên theo độ sâu của các đƣờng đồng liều có giá trị thấp và sự co nhỏ lại của các đƣờng đồng liều có giá trị lớn. Sự phân bố này là biểu hiện tại các mép đƣờng biên của chùm tia và là đặc tính của các điện tử tán xạ khỏi trung tâm của chùm tia.
Ngoài đặc trƣng đƣờng đồng liều dọc theo trục trung tâm, khái niệm đƣờng đồng liều theo phƣơng nằm ngang (vuông góc với trục trung tâm) khá là quan trọng trong việc lập kế hoạch và đánh giá kế hoạch xạ trị trên bệnh nhân. Nó là tập hợp các đƣờng đồng liều nằm trên mặt phẳng trực giao với trục trung tâm.
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Hình 2.8. Đường đồng liều trên mặt cắt dọc giữa theo độ sâu trên bệnh nhân
Các đƣờng đồng liều của chùm điện tử phụ thuộc nhiều vào hình dạng, vật liệu và độ vát của applicator. Tán xạ xung quanh applicator ảnh hƣởng rất lớn đến độ đồng dạng của phân bố liều lƣợng trên diện chùm tia [1].
2.2.8 Định dạng chùm tia
Chuẩn trực hóa chùm điện tử có hình dạng vuông hoặc tròn phụ thuộc các appllicator đƣợc trang bị kèm theo máy gia tốc. Tuy nhiên, các trƣờng chiếu xạ thƣờng có hình dạng bất kỳ theo khối u nên thực tế điều trị đòi hỏi phải tạo ra khuôn che chắn tƣơng ứng đặt trên mặt da hoặc gắn vào đầu cuối của applicator. Vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng làm khối che chắn là chì (Hình 1.15, 1.14 minh hoạ applicator và khối che chắn)
Các khối che chắn thƣờng đƣợc làm bằng chì, độ dày của chì phải đảm bảo giảm đƣợc các tán xạ điện tử và bức xạ hãm. Hình 2.9 minh họa đƣờng cong truyền qua chì một số năng lƣợng khác nhau của điện tử. Sự tăng liều lƣợng tại mặt da khi chì không đảm bảo độ dày sẽ càng lớn khi năng lƣợng chùm điện tử tăng. Các khối che chắn chùm điện tử nếu độ dày cỡ 1 cm thì ảnh hƣởng này là không đáng kể (hình 1.14) [6,7].
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Hình 2.9Hình ảnh thể hiện liều bề mặt chịu ảnh hưởng của độ dày chì che chắn.
2.2.9 Độ phẳng của trƣờng chiếu (Flatness)
Định nghĩa độ phẳng trƣờng chiếu là sự biến đổi của liều tƣơng đối trên đƣờng đồng liều. Vùng xét độ phẳng là vùng chiếm 80% kích thƣớc trƣờng chiếu chuẩn (trƣờng chuẩn: với bề rộng của nó đƣợc định nghĩa là bề rộng tại vị trí liều đạt 50% của một đƣờng đồng liều chuẩn trên một mặt phẳng ngang) tính cho 2 bên của trục trung tâm.
Hình 2.10 Hình ảnh mô tả cách tính độ phẳng của chùm tia.
Đánh giá chất lượng chùm tia điện tử và ứng dụng trong điều trị ung thư dưới da
Trong đó, Imax và Imin tƣơng ứng là giá trị phần trăm liều lớn nhất và nhỏ nhất