2.1. Nguyên lý và cấu tạo máy gia tốc thẳng
2.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc trong xạ trị
Các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ súng điện tử, do catode được nung nóng. Các electron sinh ra từ súng điện tử được điều biến thành các xung sau đó được vào buồng tăng tốc.
Buồng tăng tốc có dạng cấu trúc dẫn sóng, ở đó năng lượng cung cấp cho electron được lấy từ bộ phát sóng siêu cao tần với tần số khoảng 3000 MHz. Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng xung ngắn. Các bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng, đó là các “van” magnetron và klystron. Klystron thường được dùng với các máy gia tốc năng lượng cao với năng lượng đỉnh là 5 MW hoặc hơn nữa để gia tốc điện tử. Các electron được phun vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng có thể được gia tốc. Hệ thống ống dẫn sóng và súng electron được hút chân không sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà khơng bị va chạm với ngun tử khí.
Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và khơng chuyển động chính xác dọc theo trục. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng này. Đó là do lực đẩy Coulomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu,
do sự lắp ghép khơng hồn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng khơng hồn tồn xuyên tâm, do tác động của điện từ trường ngồi. Do đó, chùm electron gia tốc phải được lái một cách chủ động. Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ chùm tia theo quỹ đạo thẳng. Sau đó các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên các electron để dẫn chùm tia đi đúng theo hướng ống dẫn sóng từ đó hướng ra ngồi theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng đến bia tạo tia X.
Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron thì chùm electron được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ. Sau đó được tán xạ trên các lá tán xạ hoặc được một từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường hợp điều trị cụ thể. Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phẳng, nêm, collimator sơ cấp, thứ cấp. Liều lượng được kiểm soát bằng các detector.
Còn nếu chế độ phát tia X thì chùm electron đã được gia tốc lại được uốn theo một đường cong thiết kế để đập vào bia. Chùm electron có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao. Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, số nguyên tử, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định dạng phù hợp.
Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có 2 chế độ phát chùm photon và chế độ phát electron. Do đó, về cơ khí được chế tạo phù hợp để thay đổi cơ chế từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt. Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm electron. Trong quá trình hoạt động, khi hãm chùm electron, bia tia X bị nóng lên, do đó cần có hệ thống làm nguội bằng nước.
Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế cơ khí chuyển động linh hoạt như cần máy và giường điều trị. Các hệ thống này đều được kiểm sốt an tồn bằng một chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau.
Đối với máy hiện đại có các collimator đa lá (MLC) với sự điều khiển tự động của máy tính. Điều này giúp thực hiện tốt hơn kỹ thuật điều trị theo hình dạng khối u 3- D CRT và kĩ thuật điều biến liều IMRT theo hình thái khối u. Do đó phạm vi ứng dụng của máy gia tốc được mở rộng. Vì vậy có thể coi máy gia tốc là một nguồn phóng xạ nhân tạo đặc biệt phát ra đủ các loại tia có cường độ và năng lượng mong muốn.
2.1.3. Ƣu điểm của máy gia tốc
Phương pháp xạ trị sử dụng máy gia tốc tuyến tính là một bước tiến lớn trong kỹ thuật xạ trị hiện đại. So với máy Cobalt-60, máy gia tốc có những ưu điểm sau:
- Máy gia tốc có thể cho hai loại chùm tia là chùm electron và chùm photon. Có thể điều khiển được năng lượng chùm tia phát ra từ máy gia tốc.
- Kích thước của vùng bán dạ chùm tia nhỏ, suất liều bức xạ cao. - Không cần thay thế nguồn bức xạ như trường hợp máy Cobalt.
- Độ an tồn phóng xạ cao, do máy gia tốc khơng có nguồn phóng xạ, nó chỉ phát chùm tia khi hoạt động.
- Các đặc tính của chùm tia tốt hơn.
- Photon có năng lượng càng cao thì khả năng đâm xuyên càng lớn và hiệu quả sinh học càng cao.
- Khoảng cách giữa nguồn xạ và da bệnh nhân càng lớn thì sự phân bổ liều lượng bức xạ ở mơ bệnh sâu dưới đó càng đồng nhất trong thể tích khối u. Tuy nhiên tăng khoảng cách đó sẽ kéo theo sự suy giảm cường độ chùm tia chiếu tới. Để khắc phục sự suy giảm cường độ đó càng phải có các photon với mức năng lượng cao hơn.
- Tia đâm xuyên càng lớn khi vào cơ thể bệnh nhân càng tạo nên suất liều điều trị sâu tốt hơn, đồng thời liều gây hại cho các mơ lành trên đường xun qua
càng ít hơn. Sự tán xạ ra mô lành xung quanh u càng ít hơn khi năng lượng chùm photon càng lớn.
- Chùm tia càng mạnh càng tạo ra mặt phẳng đồng liều trong mô bệnh tốt hơn.
Vì vậy người ta phải sử dụng máy gia tốc trong xạ trị ung thư và sự ra đời máy gia tốc đã tạo ra bước ngoặt lớn trong điều trị ung thư. Và để đáp ứng yêu cầu cao nhất cho mục đích xạ trị, máy gia tốc phải được thiết kế đạt yêu cầu cơ bản:
- Chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc phải được xác định rõ năng lượng và có thể thay đổi được kích thước.
- Liều lượng bức xạ của chùm tia phải đồng đều.
- Liều lượng bức xạ phát ra từ thiết bị phải ổn định trong suốt thời gian sử dụng. nghĩa là năng lượng, cường độ và vị trí chùm tia có thể kiểm sốt được, có thể đo đạc một cách chính xác.
- Hướng của chùm tia bức xạ có thể thay đổi được để có thể điều chỉnh được đến mọi vị trí khác nhau.
- Hệ thống giường điều trị có thể chuyển động được theo ba chiều với độ chính xác cao.
- Hệ thống cơ khí ổn định, linh hoạt. Có hệ thống đo liều bức xạ, cảnh báo độ nhiễm phóng xạ, che chắn đảm bảo khi vận hành thiết bị, tự động ngắt máy khi có sự cố.
Để chính xác hơn và hỗ trợ máy LINAC trong quá trình sử dụng và ứng dụng trong điều trị ưng thư cần đến các công đoạn chụp X quang, chụp cắt lớp vi tính, chụp cộng hưởng từ, hình ảnh dẫn đường để xác định chu vi, thể tích, vị trí khối u để lập kế hoạch điều trị chính xác. Các công đoạn hỗ trợ cho việc xạ trị bằng máy gia tốc có thể được mơ tả trong hình 2.4
Hình 2.4. Mơ hình hệ thống hồn chỉnh các thiết bị dùng trong xạ trị Ngoài ra người ta sử dụng công nghệ MLC. Việc tạo ra các chùm tia bức xạ có hình dạng tùy ý (khơng phải là vng góc) là cần thiết trong thực tế điều trị, để cho sao cho thể tích khối u được chiếu xạ tập trung và giảm tối thiểu cho các mơ lành xung quanh. Mặc dù hình dạng chùm tia khi sử dụng các khối che chắn đều có ở hầu hết các máy điều trị, song việc tạo hình dạng tự động cho các chùm tia là yêu cầu cao hơn đối với các máy hiện đại. Hệ thống collimator đa lá (MLC) đã được chế tạo để đáp ứng yêu cầu đó (Jordan và Williams - 1994).
2.2. Hệ thống collimator đa lá ( MLC )
Bộ chuẩn trực đa lá hay Collimator đa lá dùng trong máy gia tốc tuyến tính xạ trị ung thư là một thiết bị dùng để định dạng chùm tia, bao gồm 2 dãy các lá kim
Máy gia tốc Accelerator Máy mô phỏng Simulator Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS CT - Scanner Máy gia tốc Accelerator Máy mô phỏng Simulator Hệ thống phần mềm lập kế hoạch điều trị TPS CT - Scanner
Khuôn chắn tia nhiều lá
Giá định vị bệnh nhân
loại có thể chuyển động độc lập. Tùy theo hãng sản xuất, mỗi dãy lá có thể từ 30, 40 hoặc 60 lá.
Mỗi lá này có thể được điều khiển để dịch chuyển bằng tay hoặc bằng mô tơ tới những vị trí theo ý muốn một cách độc lập. Sau khi vị trí của các lá collimator đã được thiết lập, nhìn theo hướng chùm tia ta có hình dạng theo khối u thực tế như hình 2.5.
Hình 2.5. Hình dạng của khối u nhìn theo hướng chùm tia
Hình 2.5 mơ tả một cách đơn giản hệ MLC, nó gồm 2 dãy nhiều lá chuyển động đối xứng qua trục, mỗi một lá có thể định vị một cách độc lập nhau. Các lá có bề dày một cách hợp lý, đủ để bảo vệ cịn 1% liều lượng sơ cấp, các tổ chức mơ cần che chắn thường là chì, có độ dày 7cm, chiều ngang mỗi lá thường che khoảng 1cm tại mặt phẳng trung tâm. Vị trí chuyển động và định vị của mỗi lá có độ sai số nhỏ hơn 1mm. Có nhiều cách chế tạo hệ MLC, song thường là nằm trong 3 loại chủ yếu sau:
- Loại nhiều lá và collimator phụ thay thế hồn tồn đầu máy thơng thường.
Hình 2.6. Hệ MLC đơn giản
Loại MLC được mô tả ở đây gồm 2 dãy lá bằng Vonfram và được lắp bên trong đầu máy điều trị, ngay sát dưới lọc phẳng chùm tia và chứa các nêm được điều khiển bằng động cơ. Các lá được điều khiển bằng từng motor nhỏ, điện áp một chiều. Người ta cũng chế tạo các lá có các khe hở với nhau ở mức nhỏ nhất và các mép của mỗi lá gối nhau sao cho giảm tới mức tối đa rò rỉ bức xạ. Độ rị rỉ liều bức xạ trung bình giữa khe hở các lá thường khoảng 2-5% tại Collimator sơ cấp, còn tại collimator thứ cấp độ rò rỉ chỉ còn 0,5%.
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của collimator đa lá
Collimator đa lá tạo ra những trường chiếu xạ có hình dạng tương ứng với hình dạng tự nhiên của khối u cũng như hình dạng của bộ phận cần bảo vệ che chắn một cách nhanh chóng, có thể điều chỉnh một cách linh hoạt.
Để thực hiện được kỹ thuật này người ta sử dụng một hệ máy tính với cấu hình đủ mạnh và phần mềm phù hợp.
Các hệ MLC được các nhà sản xuất sử dụng các kỹ thuật cơ khí đặc biệt để dịch chuyển các lá một cách chính xác tới các vị trí theo yêu cầu.
collimator
- Xác định vị trí lá: Vị trí các lá phải được xác định ngay để có thể đảm bảo việc điều khiển vị trí lá được an tồn và chính xác. Các bộ biên mã tuyến tính và hệ thống video quang học được sử dụng để xác định vị trí các lá.
+ Các bộ biên mã tuyến tính: Người ta sử dụng những bộ đo phân thế để xác nhận vị trí các lá trong hệ thống MLC. Những bộ đo phân thế này có thể xác định vị trí của bất kỳ lá collimator riêng biệt nào trong hệ thống. Để đảm bảo an toàn hơn, 2 bộ đo phân thế với tín hiệu ra tương đương được sử dụng.
+ Hệ thống video quang học: Hệ thống xác định này sử dụng cùng nguồn sáng dùng cho định vị bệnh nhân và cho xác nhận vị trí các lá. Một thiết bị phản chiếu được gắn gần mỗi lá, ánh sáng được phản chiếu từ đó trở lại camera. Tín hiệu ánh sáng phản xạ được số hóa và đưa vào một thiết bị xử lý hình ảnh trong hệ điều khiển MLC.
- Cơ cấu điều khiển các lá: Mỗi lá có một motor nhỏ được điều khiển một cách chính xác theo hướng cố định. Các chuyển động quay của motor sau đó được chuyển thành các chuyển động thẳng để dịch chuyển các lá đến vị trí mong muốn. Các thanh vít thường được sử dụng để biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Vận tốc dịch chuyển của các lá từ 0,2 mm/s đến cao nhất là 50 mm/s phụ thuộc vào thiết kế.
2.2.2. Cấu trúc hình học và đặc tính cơ khí 2.2.2.1. Cấu trúc của lá collimator 2.2.2.1. Cấu trúc của lá collimator
Độ dày của lá, xác định độ phân giải chùm tia một cách chính xác; độ cao được xác định bởi sự rị rỉ cho phép, thơng thường là 50-70mm với vật liệu volfram, có tính đến năng lượng của tia X; chiều dài chủ yếu cho phép bao phủ trường chiếu, một nửa của trường chiếu cực đại 400mm, được mơ tả hình 2.7.
Các thơng số kỹ thuật quan trọng nhất của một MLC là cấu trúc hình học và các đặc tính cơ khí được mơ tả trên hình 2.8 như là :
- Độ dày của một lá.
- Khoảng dịch chuyển lớn nhất qua tâm. - Khoảng giao nhau giữa các lá đối diện. - Vị trí của MLC trong hệ chuẩn trực.
Hình 2.7. Các thơng số của 1 lá
:
Hình 2.8. Các thơng số cơ khí quan trọng của MLC
Cao Dài Rộng khoảng dịch chuyển lớn nhất qua tâm Kích thước trường chiếu lớn nhất Độ dày 1 lá Cạnh bên Đầu cuối
2.2.2.2. Kích thƣớc trƣờng chiếu lớn nhất
Có 2 loại MLC được sử dụng hiện nay:
- Loại MLC tích hợp trên máy (được gắn trực tiếp trên đầu máy điều trị), tạo các trường chiếu vừa và lớn: kích thước trường chiếu lớn nhất đến 40x40cm2
.
- Loại MLC lắp ngoài, được sử dụng như một phụ kiện, tạo các trường chiếu nhỏ: kích thước trường chiếu lớn nhất 10x10cm2.
Bảng 2.1. Một số thông số kỹ thuật của MLC của một số hãng khác nhau
Company Brain LAB (m3) Radionics Siemens (MRC) µ- MLC Siemens (MRC) Moduleaf 3D Line (Wellhof- e) Direx AccuLe-f Số cặp lá thép 26 31 40 40 24 36 Kích thước trường (cm2) 10x10 10x12 7,3x6,4 12x10 11x10 11x10 Khoảng dịch chuyển max qua tâm ( cm) 5 5 1,4 5,5 2,5 2,5 Độ dày lá thép ( mm) 3,0- 5,5 4,0 1,6 2,5 4,5 4,5 Độ truyền qua lá (%) <4 <2 <1 <1 <0,5 <2 Vận tốc max ( cm/s) 1,5 2,5 1,5 3 1 1,5 Trọng lượng ( kg) 31 35 38 39,7 35 27
Kích thước trường chiếu lớn nhất của một số MLC phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển lớn nhất qua tâm, khi khoảng dịch chuyển qua tâm càng lớn thì kích thước trường chiếu càng nhỏ.
2.2.2.3. Độ dày của lá collimator
- MLC tích hợp trên máy:
Các MLC được tích hợp trên đầu máy, điều khiển bằng phần mềm máy tính có độ dày khoảng 0,5-1cm (tính trong mặt phẳng đồng tâm, vng góc với chiều dịch chuyển, độ chính xác vị trí là 1mm trong hướng dịch chuyển).
Độ dày của lá thường phải phù hợp với kích thước và hình dạng phức tạp của khối u.
Ví dụ: Chiều dày của lá collimator là 10mm thì có thể hồn tồn đáp ứng tốt trong trường hợp ung thư tuyến tiền liệt, tuy nhiên trong trường hợp với những khối u có thể tích nhỏ gần cột sống thì kích thước trường chiếu 10mm là quá lớn. Khi đó, độ dày của lá là 5mm là hợp lý nhất.
Một số MLC hiện đang được sử dụng trên thế giới hiện nay có các phần độ dày khác nhau, các lá ở phần giữa của mỗi dãy có độ dày nhỏ hơn phần ở hai bên.
- Đối với các MLC được lắp ngoài:
Loại MLC này chủ yếu để tạo ra các trường chiếu kích thước nhỏ trong thực