Phân bố liều sâu phần trăm
Trong 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 được phát từ máy gia tốc 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 sổ của máy gia tốc, bộ lọc, collimator, khơng 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.
Đường 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 2.13.
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 phân tử 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 nên 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 [8].
Hình 2.13: PDD trong nước với kích thước trường 10x10cm2
(a) những chùm electron với năng lượng 6, 9, 12, 18 MeV. (b) Những chùm photon với năng lượng 6, 15MV.
Theo hình 2.13.a, 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. 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 và độ xuyên sâu nhỏ.
Phân bố liều hấp thụ ở độ sâu vượt quá độ sâu zmax : Dựa vào phần đường cong có độ dốc lớn nhất của hình 2.13.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 bức xạ hãm (bremsstrahlung tail) của đường cong liều hấp thụ được tạo thành là do sự đóng góp bởi những bức xạ hãm được 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% đối với electron 4 MeV, nhỏ hơn 4% đối với electron 20 MeV .
Mối liên hệ giữa liều sâu phần trăm và quãng chạy của chùm electron trong phantom được mơ tả trong hình 2.14. Sau đây là một số khái niệm về quãng chạy và các độ sâu thường được sử dụng trong phép đo liều.
Độ sâu lớn nhất Rmax: được định nghĩa như là độ sâu mà tại đó đường ngoại suy của đuôi đường cong liều sâu theo trục trung tâm gặp đuôi của bức xạ hãm.
Độ sâu thực nghiệm Rp: được định nghĩa như là độ sâu mà tại đó đường tiếp tuyến vẽ qua phần dốc nhất của đường cong liều sâu electron giao với đường ngoại suy của đuôi 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: được định nghĩa như là các độ sâu trên đường cong liều sâu phần trăm (PPD) mà nằm bên cạnh của liều sâu zmax thu được các giá trị tương ứng là 90%, 80%, 50%.
Độ sâu Rq: được định ngĩa như là độ 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 độ sâu của liều zmax .
Hình 2.14: Quãng chạy R100, R90, R80, R50, Rp, và Rmax
Xác định Ep,0 : Năng lượng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt liên hệ với độ sâu thực nghiệm theo công thức [8] :
2
,0 0.22 1.98 0.0025
p p p
E R R
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 định từ sự ion hóa theo chiều sâu hoặc là sự phân bố liều hấp thụ được đo tại khoảng cách SSD 1m.
Xác định E0
Năng lượng trung bình tại bề mặt của phantom liên quan tới R50[8]:
0
E = CR50 (2.2) Trong đó C = 2,33 MeV.cm-1
cho mơi trường nước.
Phương trình (2.2) chỉ hợp lý đối với kích thước trường chiếu lớn, trong khoảng năng lượng từ 5 tới 35 MeV và R50 được xác định từ sự phân bố liều hấp thụ tại khoảng khoảng cách giữa buồng ion hóa và nguồn cố định ( chùm song song và phẳng). Tuy nhiên, có thể xác định E0 nếu giá trị độ sâu một nửa thu được từ liều sâu hoặc các đường ion hóa tại SSD = 1m.
Chƣơng 3
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
Phần kết quả thực nghiệm của Luận văn tiến hành đo liều hấp thụ tương đối của bức xạ electron phát ra từ máy gia tốc xạ trị PRECISE Tại Bệnh viện Đa khoa tỉnh Bắc Ninh với mức năng lượng electron 12MeV và 15 MeV và 18MeV theo độ sâu ở các trường chiếu khác nhau.
3.1 Xác định các năng lƣợng đặc trƣng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron
Để xác định các năng lượng đặc trưng của chùm electron phát ra từ máy gia tốc luận văn đã dựa vào mối liên hệ giữa năng lượng đặc trưng và thông số đặc trưng quãng đường. Thông số đặc trưng quãng đường được xác định dựa vào đồ thị mô tả phân bố liều hấp thụ phần trăm của chùm electron trong phantom nước . Khoảng cách từ đầu máy gia tốc đến bề mặt phantom nước là 100cm . Với chùm electron năng lượng xác định tiến hành cho máy phát với kích thước trường chiếu khác nhau . Cụ thể, trong quá trình đo chế độ chiếu không đổi suất liều hấp thụ tại bề mặt phantom là /15s
3.1.1 Xác định năng lƣợng đặc trƣng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron 12MeV phát ra từ máy PRECISE
3.1.1.1 Phân bố liều hấp thụ phần trăm theo độ sâu trong phantom nƣớc ứng với các trƣờng chiếu khác nhau
Với chùm electron năng lượng 12MeV, đã tiến hành đo phân bố liều hấp thụ theo chiều sâu trong phantom nước ứng với các trường chiếu 5cm x 5cm, 10cm x 10cm, 15cm x15cm. Kết quả đo liều hấp thụ tại mỗi điểm ứng với độ sâu xác định được so sánh liều hấp thụ cực đại đo được. Phần mềm omnipro-accepts cho biết liều
hấp thụ tương đối tại các điểm. Kết quả thực nghiệm được đưa ra trên hình 3.1. Trong bảng liều tương đối tại các điểm được so sánh với liều cực đại
Hình 3.1 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
Hình 3.2 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
Hình 3.3 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
năng lượng 12 MeV trong trường chiếu 15cm x 15cm
Các đặc trưng thông số quãng đường được đưa ra trên bảng số 3.1. Trên bảng số 3.1 cũng đưa ra các giá trị thông số năng lượng của chùm electron năng lượng 12MeV ứng với ba trường chiếu.
Sử dụng cơng thức tính giá trị trung bình và sai số về năng lượng ta có thể xác định năng lượng đặc trưng của chùm electron 12MeV
xác định E0
Năng lượng trung bình tại bề mặt của phantom liên quan tới R50:
0
E = CR50
Trong đó C = 2,33 MeV.cm-1 cho mơi trường nước.
=11,00 MeV. = 11,04 MeV. = 11,09MeV Ta có năng lượng trung bình tại bề mặt của chùm electron 12 MeV là :
= 11,04 0,18 MeV
Xác định Ep,0 : Năng lượng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt là liên quan tới khoảng cách thực tế theo phương trình sau:
2
,0 0.22 1.98 0.0025
p p p
E R R
ứng với các trường chiếu là : 11,69MeV 11,73MeV 11,81MeV
(0) = (11,74 0,12) MeV
2,56 cm, năng lượng trung bình của chùm electron bằng (11,04 0,38) MeV còn năng lượng với xác suất lớn nhất (11,74 0,03) sai lệch so với mong đợi ∆E = | 11,74-12 | = 0,26 MeV= . 100 = 2,1%
3.1.2 Xác định năng lƣợng đặc trƣng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron 15MeV phát ra từ máy PRECISE
Với chùm electron năng lượng 15MeV, đã tiến hành đo phân bố liều hấp thụ theo chiều sâu trong phantom nước ứng với các trường chiếu 5cm x 5cm, 10cm x 10cm, 15cm x15cm. Kết quả đo liều hấp thụ tại mỗi điểm ứng với độ sâu xác định được so sánh liều hấp thụ cực đại đo được. Phần mềm omnipro-accepts cho biết liều hấp thụ tương đối tại các điểm. Kết quả thực nghiệm được đưa ra trên hình 3.2. Trong bảng liều tương đối tại các điểm được so sánh với liều cực đại
Hình 3.4 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
Hình 3.5 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
Hình 3.6 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
Các đặc trưng thông số quãng đường được đưa ra trên bảng số 3.2. Trên bảng số 3.2 cũng đưa ra các giá trị thông số năng lượng của chùm electron năng lượng 15MeV ứng với ba trường chiếu.
Sử dụng cơng thức tính giá trị trung bình và sai số về năng lượng ta có thể xác định năng lượng đặc trưng của chùm electron 15MeV
xác định E0
Năng lượng trung bình tại bề mặt của phantom liên quan tới R50:
0
E = CR50 Trong đó C = 2,33 MeV.cm-1
cho mơi trường nước.
=13,86 MeV. = 13,91 MeV. = 13,96MeV Ta có năng lượng trung bình tại bề mặt của chùm electron 15 MeV là :
= 13,91 0,2 MeV
Xác định Ep,0 : Năng lượng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt là liên quan tới khoảng cách thực tế theo phương trình sau:
2
,0 0.22 1.98 0.0025
p p p
E R R
ứng với các trường chiếu là : 14,74MeV 14,79MeV 14,85MeV (0) = (14,79 0,03) MeV
Nhận xét : Đối với chùm electron 15MeV chiều sâu cực đại cỡ 2,8 cm, năng lượng trung bình của chùm electron bằng ( 13,91 0,2) MeV còn năng lượng với xác suất lớn nhất (14,79 0,03) sai lệch so với
mong đợi ∆E = | 14,79-15 | = 0,21 MeV= . 100 = 1,4 %
3.1.3 Xác định năng lƣợng đặc trƣng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron 18MeV phát ra từ máy PRECISE
Với chùm electron năng lượng 18MeV, đã tiến hành đo phân bố liều hấp thụ theo chiều sâu trong phantom nước ứng với các trường chiếu 5cm x 5cm, 10cm x 10cm, 15cm x15cm. Kết quả đo liều hấp thụ tại mỗi điểm ứng với độ sâu xác định được so sánh liều hấp thụ cực đại đo được. Phần mềm omnipro-accepts cho biết liều hấp thụ tương đối tại các điểm. Kết quả thực nghiệm được đưa ra trên hình 3.3. Trong bảng liều tương đối tại các điểm được so sánh với liều cực đại.
Hình 3.7 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm
Hình 3.8 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron
Hình 3.9 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm
Các đặc trưng thông số quãng đường được đưa ra trên bảng số 3.3. Trên bảng số 3.3 cũng đưa ra các giá trị thông số năng lượng của chùm electron năng lượng 18MeV ứng với ba trường chiếu.
Sử dụng cơng thức tính giá trị trung bình và sai số về năng lượng ta có thể xác định năng lượng đặc trưng của chùm electron 18MeV
xác định E0
Năng lượng trung bình tại bề mặt của phantom liên quan tới R50:
0
E = CR50
Trong đó C = 2,33 MeV.cm-1 cho mơi trường nước.
=16,54 MeV. = 16,75 MeV. = 16,78MeV Ta có năng lượng trung bình tại bề mặt của chùm electron 18 MeV là :
= 16,69 0,15 MeV
Xác định Ep,0 : Năng lượng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt là liên quan tới khoảng cách thực tế theo phương trình sau:
2
,0 0.22 1.98 0.0025
p p p
E R R
ứng với các trường chiếu là : 17,66MeV 17,74MeV 17,74MeV
(0) = (17,71 0,1) MeV
Nhận xét : Đối với chùm electron 18MeV chiều sâu cực đại cỡ 3,1 cm, năng lượng trung bình của chùm electron bằng (16,69 0,15 ) MeV còn năng lượng với xác suất lớn nhất tại bề mặt (17,71 0,1)
MeV sai lệch so với mong đợi ∆E = | 17,71-18 | = 0,29 MeV = . 100 = 0,16 %
KẾT LUẬN
Với mục tiêu nghiên cứu xác định một số đặc trưng của chùm electron từ lối ra của máy gia tốc electron tuyến tính dùng trong xạ trị, luận văn đã hoàn thành những nội dung sau :
1. Về mặt lý thuyết :
- Luận văn đã tìm hiểu cơ chế của xạ trị ung thư bằng chùm photon và chùm electron, nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy gia tốc xạ trị electron tuyến tính, đặc điểm và yêu cầu của chùm bức xạ electron dùng trong xạ trị
- Phương pháp thực nghiệm xác định các đặc trưng năng lượng của chùm electron phát ra từ máy gia tốc tuyến tính
2. Về mặt thực nghiệm
- Đã tiến hành đo phân bố liều theo chiều sâu của chùm electron năng lượng 12MeV, 15MeV và 18MeV từ máy gia tốc electron PRECISE tại Bệnh viện Đa khoa tỉnh Bác Ninh trong phantom nước.
- Xác định các đặc trưng phổ năng lượng của electron theo các thông số quãng đường trên đường cong phân bố theo chiều sâu trong phạm vi sai số nhỏ hơn 0,2%, kết quả thu được là :
+ Với chùm electron năng lượng 12MeV luận văn thu được là : = (11,04 0,18) MeV
(0) = (11,74 0,03) MeV
+ Với chùm electron năng lượng 15MeV luận văn thu được là: = (13,91 0,2) MeV
+ Với chùm electron năng lượng 18MeV luận văn thu được là : = (16,69 0,15) MeV
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Mai Trọng Khoa, Nguyễn Xuân Kử (2012) - Một số tiến bộ về kỹ thuật ung thư và ứng dụng trong lâm sàng – NXB Y học, Hà Nội 2012
2. Mai Trọng Khoa (2013), Y học hạt nhân, NXB Y học 2013 3. Nguyễn Kim Ngân, Lê Hùng (2004), Sinh học phóng xạ, Nxb
Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
4. Trần Đức Thiệp (2002), Máy gia tốc, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
5. Barrett A., Jane Dobbs, Stephen Morris, Tom Roques (2009),
Practical Radiotherapy Planning - Fourth Edition, CRC Press, Italy.
6. IAEA, (2000), Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water,
International Atomic Energy Agency.
7. Information about the first Elekta Precise accelerator installed
in Poland, Rep Pract oncol Radiother, 2006, 11(3): 147-155.
8. Podgorsak E. B. (2005), Radiation Oncology physics: A handbook forTeachers and Students, International Atomic Energy
PHỤ LỤC
Bảng 3.1 Số liệu liều sâu phần trăm của chùm electron năng lượng 12MeV tương ứng với trường chiếu 5cmx5cm, 10cmx10cm, 14cmx14cm
Độ sâu cm 5cmx5cm 10cmx10cm 15cmx15cm Độ sâu cm 5cmx5cm 10cmx10cm 15cmx15cm 9,82 9,77 9,72 9,67 9,62 9,57 9,52 9,47 9,42 9,37 9,32 9,27 9,22 9,17 9,12 9,07 9,02 8,97 8,92 8,87 8,82 8,77 8,72 8,67 8,61 8,56 8,52 8,47 8,41 8,36 8,31 8,26 8,21 8,16 8,11 8,06 8,01 7,96 7,91 7,86 7,81 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,015 0,015 0,014 0,014 0,014 0,014 0,014 0,015 0,015 0,015 0,015 0,016 0,015 0,015 0,016 0,016 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,018 0,018 0,017 0,017 0,017 0,017 0,017 0,018 0,018