Bộ hội tụ chùm ñiện tử (Electron applicator): Sẵn có các loại chuẩn hình
và 25x25 cm.
Trọng lượng: 680 kg.
Nguồn: 380 VAC/ 3 phase/50Hz. Công suất máy: 42 KVA.
2.2. Các thiết bị đo liều và mơ hình hóa thực nghiệm
2.2.1. Hệ thống đo liều lượng
Hệ thống đo liều gồm: máy tính cài đặt phầm mềm Omnipro-Accepts đóng vai trị trung tâm sử lý và ñiều khiển; bộ ñiều khiển CU500E đóng vai trị là bộ điều khiển dịch chuyển buồng ion hóa; phantom nước là mơi trường đo liều được thiết kế gắn ñầu ño và ñộng cơ di chuyển buồng ion hóa; máy đo liều MD240 ñiều khiển detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13, ghi nhận và sử lý tín hiệu thơng qua cáp CA24. Sơ đồ ghép nối hệ đo được thể hiện như trong hình 2.5. Ngồi ra cịn có detector tham chiếu và cổng kết nối PCI CAN Bus.
Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối hệ đo với máy tính
2.2.1.1. Phantom nước
Phantom nước là một bể chứa có thành bể làm bằng thủy tinh. Trong quá trình đo đạc bể được bơm đầy nước. Nước được dùng là nước tinh khiết có thành phần tạp chất thấp. Trong phantom này có vị trí gắn đầu đo ñược kết nối với hệ
thống ñộng cơ, giúp cho ta có thể đặt đầu đo tại bất kì vị trí nào trong phantom nước đó (như trong hình 2.6). Kích thước của phantom nước đó như sau:
- Kích thước ngồi: 725 x 675 x 510 mm3. - Thể tích quét: 480 x 480 x 410 mm3. - ðộ phân giải vị trí: 0.1 mm.
- ðộ chính xác: ± 0.5 mm. - Thể tích chứa: 200 lít.
- Chiều dày bể chứa / vật liệu: 15mm/acrylic.
Hình 2.6: Phantom nước
2.2.1.2. Buồng ion hóa
Có nhiều loại buồng ion hóa được sử dụng trong xạ trị, hiện tại ở bệnh viện K sử dụng detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13 như trong hình 2.7.
Hình 2.7: Detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13
Thơng số về kích thước của buồng ion hóa CC13 được thể hiện trong hình 2.8. Vị trí đặt buồng Ion hóa
Hình 2.8: Cấu tạo của buồng ion hóa CC13
ðặc điểm
Có những đặc điểm chung của buồn ion hóa Compact Wellhưfer: - Buồng ion hóa khơng khí.
- Có các lỗ thống khí. - Khơng thấm nước. - ðược bảo vệ ñầy ñủ. Ứng dụng
- ðo liều tương ñối chùm photon (1 ÷ 50 MV), electron (3 ÷ 50MeV) và proton (50 ÷250 MeV) trong xạ trị.
- ðo trong mơi trường khơng khí, chất rắn, trong phantom nước. - Sử dụng là detector tiêu chuẩn trong thực nghiệm ño phantom nước.
Vật liệu
- ðiện cực ngồi làm bằng vật liệu C552, độ dầy 0.4 mm, 1.7 g/cm3. - ðiện cực trong làm bằng vật liệu C552, đường kính 1 mm.
Kích thước vùng hoạt
- Thể tích thơng thường 0.13 cm3. - Tổng chiều dài của vùng hoạt 5.8 mm. - ðường kính bên trong của hình trụ 3.0 mm.
Cáp và đầu nối
- Kiểu kết nối TNC ba trục. - Chiều dài của dây cáp 10 m.
2.2.1.4. Máy ño liều MD 240
Máy ño liều MD 240 được thiết kế đặc biệt có khả năng ghi nhận tín hiệu từ 23 buồng ion hóa khác nhau thơng qua cáp kết nối CA24 và thêm một kênh tín hiệu để đo liều tương đối từ đầu đo CC13. Hình ảnh mặt trước và mặt sau của máy ño liều MD 240 được thể hiện như trong hình 2.9.
Hình 2.9: Hình ảnh máy đo liều MD 240
MD 240 thu nhận tín hiệu từ hai buồng ion hóa (chính và tham chiếu) và truyền tải về máy tính để phần mềm OmniPro-Accept xử lý.
2.2.1.4. Bộ điều khiển dịch chuyển của buồng ion hóa chính
CU (Control Unit) ñược kết nối với máy tính cài ñặt phần mềm OmniPro- Accept. Có chức năng điều khiển sự di chuyển của buồng ion hóa chính trong phantom (đi lên, đi xuống, sang trái, sang phải) theo các vị trí đã được lập trình sẵn trong phần mềm. Hình ảnh mặt trước và mặt sau của bộ ñiều khiển dịch chuyển buồng ion hóa chính được thể hiện như trong hình 2.10.
Hình 2.10: Bộ điều khiển dịch chuyển của buồng ion hóa chính CU500E
2.2.1.5. Phần mềm thu nhận và xử lý số liệu
Tên phần mềm: OmniPro Accepts - Phiên bản: 6.6c - Nhà sản xuất: IBA Dosimetry - Xuất xứ: ðức. Hình ảnh giao diện phần mềm như trong hình 2.11.
Các chức năng chính:
- Kết nối với CU để dịch chuyển đầu dị đến các vị trí cần đo liều theo yêu cầu của phần mềm mà người dùng ñã nhập vào.
- Hiển thị kết quả đo đạc.
Hình 2.11: Giao diện phần mềm Omnipro-Accepts
2.2.2. Bố trí hình học đo
Hình học đo xác định các đặc trưng của chùm bức xạ có đặc điểm chung và riêng ứng với ñặc trưng năng lượng và phẩm chất chùm tia như mơ tả trong hình 2.12.
Buồng ion hóa chính (field ion chamber): ðược ñặt trong phantom nước, trong vùng chiếu xạ. Sử dụng để đo liều tích lũy trong phantom nước tại các vị trí khác nhau.
Buồng ion hóa tham chiếu (Reference ion chamber): ðược đặt ở phía trên trong khơng khí, trong vùng chiếu xạ. Sử dụng trong việc đo liều tham chiếu trong khơng khí để so sánh với liều ño ñạc trong phantom nước.
ðặc ñiểm chung là khoảng cách từ nguồn tới bề mặt nước là SSD = 100 cm, góc quay đầu máy 0o, ñầu ño ghi nhận số liệu sau mỗi khoảng cách 0.1 cm, máy gia tốc phát tia liên tục, bật hệ ño quét và ghi nhận dữ liệu thiết lập ñến khi hết khoảng cách cần đo. Số liệu được ghi nhận ít nhất 1 lần cho mỗi trường chiếu và chọn số liệu ghi nhận được khi khơng có sự thăng giáng bất thường. Một số đặc điểm riêng ñược nêu trong chương 3 ứng với từng ñặc trưng ño.
Về kích thước trường chiếu, chúng tơi sử dụng trường chiếu tiêu chuẩn 10x10 cm2 khi đo cho chùm photon, cịn electron chúng tơi sử dụng bộ hội tụ chùm điện tử (electron applicators hay các cơn) kích thước 10x10 cm2.
Hình 2.13: Các applicators (các cơn) sử dụng trong xạ trị
Các applicators ñược dùng khi sử dụng chùm electron. Nguyên nhân là sau khi chùm eletron qua lá tán xạ, có một lượng eletron tương tác với các thành phần cấu tạo ñầu máy gia tốc và vùng khơng khí giữa lối ra và bệnh nhân. Lượng bức xạ này ñủ lớn đóng góp vào phần bán dạ tới mức không thể chấp nhận ñược trong thực tế lâm sàng. Hình ảnh applicators dùng trong xạ trị như được mơ tả trên hình 2.13. Trong điều trị cần căn cứ vào hình dạng khối u, ta chọn cơn với kích thước thích hợp để tạo khn chi phù hợp hình dạng khối u.
2.2.3. Phương pháp căn chỉnh tia lazer xác ñịnh tâm ño
Hình 2.14: Tâm tại khoảng cách 100 cm
Ta dùng các tia lazer mảnh hai bên và lazer thẳng ñứng ñể xác ñịnh tâm ño (như hình vẽ 2.14 ñã minh họa).
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 ñi 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 ñi sâu vào phantom, liều hấp thụ tăng lên nhanh chóng ñạt giá trị cực ñại 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 đại tại độ 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 ñại 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 định 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 ñược 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 tơi sử dụng đại 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 độ 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 được 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 ñến vùng liều hấp thụ giữa z = 0 và z = zmax được hình thành khá nhanh chóng và độ xun 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 độ sâu này. Phần đi bức xạ hãm (bremsstrahlung tail) của ñường cong liều hấp thụ được 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 ñó ñường 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: Qng 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 động năng của nó và tiến tới trạng thái nghỉ tại độ sâu nào đó trong mơi trường hấp thụ.
Các độ sâu R90, R80 và R50: ñược ñịnh nghĩa như là các ñộ sâu trên ñường cong