2.3. Phương pháp xác ñịnh ñặc trưng chùm bức xạ photon, electron
2.3.1 Phân bố liều sâu phần trăm
2.3.1.1. ðối với chùm photon
Khi một chùm photon đi vào mơi trường khơng khí, thơng lượng photon và liều hấp thụ sẽ giảm theo quy luật bình phương khoảng cách. Tuy nhiên, khi photon đi vào một mơi trường có khối lượng riêng lớn như phantom nước thì liều hấp thụ khơng cịn tn theo quy luật khoảng cách nữa.
Hình 2.15 minh họa một phân bố liều hấp thụ trên trục trung tâm khi chùm tia photon ñi vào phantom nước. Ta thấy rằng, khi chùm photon ñi 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, vượt quá ñộ sâu zmax liều hấp thụ giảm cho ñến giá trị Dex ở cạnh lối ra của
phantom.
ðối với chùm photon, liều hấp thụ tại bề mặt phantom thấp hơn nhiều so với liều hấp thụ cực ñại tại ñộ sâu zmax. Nó phụ thuộc vào năng lượng và tăng theo kích thước trường chiếu. Liều hấp thụ này bằng khoảng 30% liều hấp thụ cực ñại 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 khơng khí; Photon tán xạ từ phantom; Những electron năng lượng cao ñược sinh ra do tương tác của photon với khơng khí.
Vùng hình thành liều hấp thụ là vùng liều tăng rất nhanh giữa bề mặt z = 0 và ñộ sâu z = zmax trong phantom. Liều hấp thụ tại một ñiểm trong phantom ñược quyết ñịnh bởi những hạt mang ñiện thứ cấp ñược tạo ra bởi các hiệu ứng quang ñiện, tán xạ Compton, tạo cặp giữa photon với phantom. Những electron ñược sinh ra trong các hiệu ứng trên sẽ ñể lại năng lượng bên trong phantom.
Tại bề mặt phantom, ñiều kiện cân bằng hạt mang điện khơng thỏa mãn cho nên liều hấp thụ nhỏ hơn Kerma va chạm D < Kcol .
Khi ñạt tới ñộ sâu z = zmax (bằng quãng chạy R của hạt mang ñiện thứ
cấp), ñiều kiện cân bằng hạt mang điện thỏa mãn thì liều hấp thụ có giá trị gần bằng Kerma va chạm D = kcol .
Vượt quá ñộ sâu zmax, ñiều kiện cân bằng hạt mang ñiện tạm thời tồn tại vì cả liều hấp thụ và Kerma va chạm sẽ giảm như nhau (thông lượng photon trong phantom giảm). ðộ sâu zmax của liều hấp thụ cực ñại Dmax phụ thuộc vào năng lượng của photon và kích thước trường chiếu.
Ví dụ kết quả thực nghiệm ñộ sâu zmax ứng các mức năng lượng khác nhau ñược ñưa ra trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: ðộ 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
ðối với một chùm tia năng lượng cho trước, ñộ sâu zmax lớn nhất khi kích thước trường chiếu 5×5 cm, cịn độ sâu zmax giảm khi kích thước trường chiếu lớn hơn 5×5 cm (ảnh hưởng của tán xạ từ collimator và nêm lọc) và khi kích thước trường chiếu nhỏ hơn 5×5 cm (ảnh hưởng của tán xạ từ phantom) [20] .
Với cùng một kích thước trường chiếu, năng lượng càng tăng thì độ sâu zmax
càng lớn và phân bố đường đồng liều càng ít nhọn đi. Hình 2.16 ở dưới mơ tả liều sâu phần trăm trong nước ứng với mức năng lượng khác nhau thể hiện rõ điều này.
Hình 2.16: ðường 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 ñến 25MV.
ðể ñánh giá chất lượng chùm tia photon, IAEA khuyến cáo sử dụng TPR20,10
ñể ñặc trưng cho hệ số chất lượng chùm tia. Nó được ñịnh nghĩa là tỷ số giữa giá trị liều hấp thụ ở ñộ sâu 20 cm và giá trị liều hấp thụ ở ñộ sâu 10 cm trong nước, với kích thước trường chiếu chuẩn, SCD=100 cm. TPR20,10 có thể được ño trực tiếp hay được tính tốn 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 ñộ sâu 10 cm trong nước, kích thước trường chiếu 10x10 cm2 ở bề mặt phantom, SSD = 100 cm. PDD(20,10) là tỷ số của phần trăm liều hấp thụ ở ñộ sâu 20 cm và liều hấp thụ ở ñộ sâu 10 cm trong nước.
Chúng tôi sử dụng ñại lượng TPR20,10 ñể ñặc trưng cho chất lượng chùm tia photon vì nó có các số ưu điểm [15] : Không phụ thuộc vào sự can nhiễu electron do các electron trong chùm photon tới tạo ra. Khi photon ở ñộ 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 ñường cong liều hấp thụ khi ở ñộ sâu lớn hơn ñộ sâu
zmax. Vì TPR20,10 được tính bởi tỷ số của hai giá trị liều hấp thụ ở hai ñộ sâu 20 cm và 10 cm nên chúng ta không phải hiệu chỉnh sự thay thế khi ño ở hai ñộ sâu trên trong nước riêng lẻ. Nó cũng ít bị ảnh hưởng bởi sai số hệ thống khi chúng ta định vị buồng ion hóa khơng chính xác, vì việc định vị buồng ion hóa ở hai vị trí này bị ảnh hưởng như nhau.
2.3.1.2. ðối với chùm electron
Trong các kỹ thuật xạ trị hiện nay, bên cạnh photon người ta cũng sử dụng chùm tia như proton, neutron, electron…. Những chùm tia electron này ñược phát từ máy gia tốc năng lượng cao, chúng thường có năng lượng từ 4 MeV ñến 25 MeV. Trước khi ñi ra khỏi máy gia tốc, chúng là chùm electron ñơn năng. Tuy nhiên, khi những electron ñi qua cửa sổ của máy gia tốc, bộ lọc, collimator, khơng khí và buồng ion hóa, chúng sẽ tương tác với những cấu trúc này. ðiều này làm cho các electron có những năng lượng khác nhau, tạo thành một phổ năng lượng electron khá rộng và phức tạp.
ðường cong liều hấp thụ: Dạng ñường cong liều hấp thụ theo ñộ sâu trong nước dọc trục trung tâm của chùm tia electron ñược biểu diễn bởi hình 2.17.
Vùng hình thành liều hấp thụ (giữa bề mặt z = 0 và ñộ sâu zmax): Vùng hình thành liều hấp thụ của chùm tia electron ñược tạo thành do những tương tác của electron với phân tử nước. Trước khi chùm electron ñi vào bề mặt phantom nước, quỹ ñạo của chúng gần song song. Khi ñi vào phantom, do tương tác nên quỹ ñạo của chúng bị lệch khỏi hướng ban ñầu, ñồng 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.
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. (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 ñại, liều hấp thụ tại bề mặt của electron ñạt 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). ðối 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. Ở năng lượng thấp, electron tán xạ dễ dàng và với góc lệch lớn. ðiều này dẫn đến vùng liều hấp thụ giữa z = 0 và z = zmax được hình thành khá nhanh chóng và độ xuyên sâu nhỏ.
Phân bố liều hấp thụ ở ñộ sâu vượt quá ñộ sâu zmax : Dựa vào phần đường cong có độ dốc lớn nhất của hình 2.17.a, ta thấy liều hấp thụ ở ñộ 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 ñộ sâu này. Phần đi bức xạ hãm (bremsstrahlung tail) của ñường cong liều hấp thụ ñược tạo thành là do sự đóng góp bởi những bức xạ hãm ñược tạo ra trong khơng 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% ñối với electron 4 MeV, nhỏ hơn 4% ñối với electron 20 MeV [20] .
Mối liên hệ giữa liều sâu phần trăm và quãng chạy của chùm electron trong phantom được mơ tả trong hình 2.18. Sau đây là một số khái niệm về quãng chạy và các ñộ sâu thường ñược sử dụng trong phép ño liều.
ðộ sâu lớn nhất Rmax: ñược ñịnh nghĩa như là ñộ sâu mà tại đó đường ngoại suy của đi đường cong liều sâu theo trục trung tâm gặp đi của bức xạ hãm.
Rmax là ñộ sâu ñâm xuyên lớn nhất của electron trong mơi trường hấp thụ.
Hình 2.18: Quãng chạy R100, R90, R80, R50, Rp, và Rmax
ðộ sâu thực nghiệm Rp: ñược ñịnh nghĩa như là độ sâu mà tại đó đường tiếp tuyến vẽ qua phần dốc nhất của ñường cong liều sâu electron giao với ñường ngoại suy của đi bức xạ hãm. Hạt tích điện sẽ mất hết ñộng năng của nó và tiến tới trạng thái nghỉ tại độ sâu nào đó trong mơi trường hấp thụ.
Các ñộ sâu R90, R80 và R50: ñược ñịnh nghĩa như là các ñộ sâu trên ñường cong liều sâu phần trăm (PPD) mà nằm bên cạnh của liều sâu zmax thu ñược các giá trị tương ứng là 90%, 80%, 50%.
ðộ sâu Rq: ñược ñịnh ngĩa như là ñộ sâu mà ở đó đường 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 ñộ sâu của liều zmax .
Xác ñịnh Ep,0 : Năng lượng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt là liên quan tới khoảng cách thực tế theo phương trình sau [20] :
2 ,0 0.22 1.98 0.0025
p p p
E = + R + R (2.3)
Phương trình này là hợp lý đối với trường chiếu có kích thước rộng và cho hầu hết các máy gia tốc hiện nay. Rp có thể được xác ñịnh từ sự ion hóa theo chiều sâu hoặc là sự phân bố liều hấp thụ ñược ño tại khoảng cách SSD ≥ 1m.
Sự xác ñịnh E0
Năng lượng 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 mơi trường nước.
Nói một cách nghiêm túc, phương trình (2.4) chỉ hợp lý đối với kích thước trường chiếu lớn, trong khoảng năng lượng từ 5 tới 35 MeV và R50 ñược xác ñịnh từ sự phân bố liều hấp thụ tại khoảng khoảng cách giữa buồng ion hóa và nguồn cố ñịnh ( chùm song song và phẳng). Tuy nhiên, có thể xác định E0 nếu giá trị độ sâu
một nửa thu ñược từ liều sâu hoặc các ñường ion hóa tại SSD = 1m.
Sự xác ñịnh Ez
Năng lượng trung bình ở độ sâu z, được xác định theo phương trình Harder [20]: 0 1 z p z E E R = − (2.5)
Dưới ñây là bảng xác định một số thơng số liên quan tới chùm electron ứng với mức năng lượng khác nhau.
Bảng 2.2: Xác ñịnh một số thơng số độ sâu liều lượng, năng lượng trung bình bề
mặt phantom với năng lượng khác nhau [20] .