Máy gia tốc là thiết bị làm tăng tốc các hạt vi mơ tích điện như hạt alpha, proton, electron bằng điện trường. Những máy gia tốc đầu tiên ra đời là các máy gia tốc thẳng kiểu tĩnh điện. Đó là máy gia tốc Walton Cockroft và Van de Graff. Lawritson và Sloan đã cải tiến đưa ra loại máy gia tốc thẳng không sử dụng điện trường một chiều để gia tốc mà dùng điện trường xoay chiều. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là cơng nghệ vi sóng, các loại máy gia tốc ra đời và những nguồn phát sóng siêu cao tần cho phép gia tốc các loại hạt tới những mức năng lượng khác nhau từ thấp tới cao và siêu cao [4].
Các thế hệ máy gia tốc trong xạ trị ngày càng hiện đại và nhiều tính năng tiện ích là thành quả của sự kết hợp kỹ thuật gia tốc và công nghệ thông tin. Vào đầu năm 2014, máy gia tốc xạ trị hiện đại đã được lắp đặt trong Trung tâm Ung Bướu Bắc Ninh. Cấu tạo chung của máy có đặc điểm chung của một máy gia tốc thẳng và có những đặc điểm cụ thể. Đặc điểm chung của máy được mô tả trong sơ đồ cấu tạo và sơ đồ khối của máy gia tốc thẳng trong xạ trị tương ứng trong hình 2.1 và hình 2.2 [4].
Hình 2.1: Sơ đồ khối của máy gia tốc thẳng trong xạ trị
Hình 2.2: Mơ hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị
Cần máy đứng (Gantry Stand): được thiết kế để chịu tải, nâng đỡ cần máy, mặt khác có thể chứa: máy phát sóng, súng điện tử, ống dẫn sóng gia tốc.
Máy phát sóng: gồm hai thành phần chính: Nguồn phát sóng (Klystron hoặc
Magnetron) và bộ điều chế xung. Magnetron và Klystron: là các nguồn phát vi sóng hoạt động dưới dạng xung ngắn cỡ một vài μs. Cả hai được lắp thêm bộ điều chỉnh tần số tự động AFC (Automatic Frequency Control) để có thể duy trì dao động với tần số tối ưu.
Súng điện tử: là thiết bị phát ra electron, nó gồm có hai loại chính là loại hai
cực và loại ba cực. Cơ chế cung cấp nhiệt cho catốt của súng điện tử, điện tử được phát ra theo quá trình bức xạ nhiệt.
Cần máy (Gantry): chứa hệ thống gia tốc electron, đầu máy điều trị. Cần máy được gắn vào cần máy đứng và có thể quay được quanh trục vng góc với nó.
Hệ thống gia tốc electron: gia tốc chùm electron tới năng lượng cao nhờ vi sóng. Đầu máy điều trị: cấu tạo gồm bộ lái hướng chùm tia,cặp lá tán xạ khi dùng
với chùm electron, bia tia-X; Ống chuẩn trực thường được cấu tạo bởi hai cặp ngàm để tạo dạng chùm bức xạ theo hình chữ nhật; các khối che chắn để tạo hình dạng trường chiếu thích hợp; các bộ lọc phẳng dùng để là phẳng chùm bức xạ tạo ra tính đồng nhất; bộ phận kiểm sốt liều lượng. Ngồi ra đầu máy điều trị cịn có thể thêm vào một số thiết bị để thay đổi cường độ chùm bức xạ như: dụng cụ bù trừ mô, lọc nêm, ống chuẩn trực nhiều lá.
Hệ uốn chùm tia: electron từ ống gia tốc đi vào đầu máy đưới một điện trường
cung cấp bới một nam châm điện được uốn góc 900, 2700 hoặc hệ uốn góc khác.
Cặp lá tá xạ: Sử dụng tấm kim loại có độ dày mỏng khác nhau để lọc chùm
electron đi qua khi chiếu xạ bằng chùm electron.
Bia tia X: vật liệu bia được làm bằng vật liệu có số hiệu nguyên tử lớn.
Bộ phận lọc phẳng chùm bức xạ: là thiết bị làm cho sự phân bố liều phát ra
được đồng nhất. Tùy thuộc vào mức năng lượng mà vật liệu có thể là nhơm hoặc thép khơng gỉ với độ dầy và hình dạng khác nhau.
Hệ 2 ngàm chuyển động độc lập: Hệ ngàm này có nhiệm vụ chuẩn trực chùm
bức xạ và thiết lập độ rộng trường chiếu.
Buồng ion hóa mỏng được lắp ngay lối ra của chùm bức xạ. Nhiệm vụ của buồng ion hóa này là kiểm sốt liều lượng do máy gia tốc phát ra, đảm bảo rằng lượng liều phát ra phải đúng với lượng liều đã đặt trước vào máy.
Giường bệnh: là nơi đặt bệnh nhân và bố trí các tư thế xạ trị. Nó có thể quay
được quanh trục trên mặt phẳng nằm ngang và cũng có thể nâng lên, hạ xuống để tạo khoảng cách điều trị thích hợp.
Bảng điều khiển: là thiết bị điều khiển các hoạt động của máy gia tốc như quay, đặt
vị trí cho các jaw (ngàm) trong ống chuẩn trực để định vị trường điều trị…
Nguồn cao áp: cung cấp nguồn điện một chiều cho máy phát sóng.
Ngồi ra máy cịn có một số bộ phận khác khơng được thể hiện trên hình vẽ: các cuộn hội tụ và lái tia, hệ thống nước làm mát, hệ thống bơm hút chân không, hệ thống bảo vệ chống lại sự rò rỉ bức xạ…
Ngồi ra máy cịn có một số bộ phận khác không được thể hiện trên hình vẽ: các cuộn hội tụ và lái tia, hệ thống nước làm mát, hệ thống bơm hút chân không, hệ thống bảo vệ chống lại sự rị rỉ bức xạ…
Ngồi đặc điểm chung của các máy xạ trị gia tốc, ta xét đến 2 đặc điểm chi tiết của máy Precise gồm phần đầu máy và phần ống dẫn sóng. Đầu máy xạ trị gia tốc Precise của hãng Elekta có đặc điểm cấu tạo cụ thể như hình 2.3.
Đầu máy có cấu tạo gồm bộ lái hướng chùm tia, cặp lá tán xạ khi dùng với chùm electron, bia tia-X; Ống chuẩn trực thường được cấu tạo bởi hai cặp ngàm để tạo dạng chùm bức xạ theo hình chữ nhật; các khối che chắn để tạo hình dạng trường chiếu thích hợp; các bộ lọc phẳng dùng để là phẳng chùm bức xạ tạo ra tính đồng nhất; bộ phận kiểm sốt liều lượng. Ngồi ra đầu máy điều trị cịn có thể thêm vào một số thiết bị để thay đổi cường độ chùm bức xạ như: dụng cụ bù trừ mô, lọc nêm, ống chuẩn trực nhiều lá. Điểm khác biệt của máy gia tốc xạ trị Elekta là ống gia tốc mơ tả trong hình 2.3 với hệ uốn góc 1120
Cấu trúc phần đầu của máy gia tốc Precise Elekta được mơ tả như hình 2.3 sau:
Hình 2.3. Cấu trúc đầu máy gia tốc Precise Elekta.
Điểm khác biệt của máy gia tốc xạ trị Elekta là ống gia tốc di chuyển (hình 2.4)
Hình 2.4. Cấu trúc bộ phận gia tốc của máy Precise Alekta.
Máy gia tốc được cung cấp một đèn điện tử phát sóng cực ngắn có tần số cao, làm việc trong dải tần số khoảng 3GHz , tương ứng với bước sóng khoảng 10
cm. Nguồn phát sóng là một ống magnetron nhanh, trong khi những electron khác được tạo ra từ súng điện tử từ các loại đi-ốt.
Sự chuyển đổi từ electron sang chùm photon xảy ra trong khi tương tác với vật liệu vonfram. Kết quả chùm tia X đi qua một cửa sổ kim loại mỏng trên bia và sau đó đi qua bộ lọc sơ cấp. Tiếp theo các photon được chuẩn trực bởi collimator xoay thứ cấp. Tia X năng lượng cao đi vào cổng 1 có chứa các bộ lọc khác, còn tia X năng lượng thấp sẽ đi qua cổng 2 khơng chứa bộ lọc. Sau đó, chùm photon được làm phẳng bằng bộ lọc thứ cấp tùy thuộc vào năng lượng được lựa chọn. Nhiều detector nối với hệ thống đo liều gắn dưới bộ lọc, cung cấp sự ổn định các thông số chùm tia, các giá trị liều và suất liều trên hai kênh đo liều. Buồng ion hóa tham chiếu được bảo vệ trong một tấm nhơm để tránh tác hại không mong muốn từ tán xạ bức xạ.
Bộ chuẩn trực di chuyển được bố trí ở cuối của đầu máy. Gần với bia nhất là collimator đa lá, sau đó là ngàm X, ghép với chiếc lá cuối cùng phía bên trái. Bên dưới ngàm X là ngàmY. Khay đựng khối che chắn có thể được tùy chọn để sử dụng cho phù hợp.
Khi sử dụng electron trong xạ trị, chùm tia đi qua một cửa sổ kim loại mỏng trên tiết diện bia, và được lọc bằng một vật liệu tán xạ electron (phụ thuộc vào năng lượng lựa chọn - bộ lọc sơ cấp – collimator) bởi một Collimator quay ở cổng 2, nơi khơng có bộ lọc nào. Hơn nữa chùm electron tán xạ lọc bằng bộ lọc thứ cấp ( số Z nhỏ) được thiết kế để tương tác với những hạt có năng lượng khác nhau. Sau đó chùm tia đi qua ống chuẩn trực. Ngàm X và ngàm Y tự động khớp nhau để lựa chọn cho thiết bị chuyên dung, trong khi đó MLC mở ra trường chiếu cực đại. Cuối cùng là sự mã hóa các thiết bị để điều chỉnh kích cỡ trường electron. Các thiết bị này được trang bị bằng một bệ đỡ sao cho khoảng cách từ trường chiếu tới nguồn là 95 cm. Kích thước trường chiếu lớn nhất cho dòng electron là 25 x 25 cm. Máy Precise Alekta được bổ sung thêm các thiết bị ống electron bằng thép có đường kính 2, 3, 4 và 5 cm.
Tiếp theo là Colimator đa lá định dạng chùm photon. MLC ở máy gia tốc Precise Elekta – Bialystok có 80 lá. Bề rộng của mỗi lá là 1,1 cm. Thêm vào giới
hạn che chắn của trường chiếu một ngàm X. Ngàm X và ngàm Y làm việc ở chế độ bất đối xứng. Tất cả thông số về Collimator và vật liệu được cho trong bảng sau:
Bảng 2.1. Các yếu tố của Collimator
Tên thành phần Collimator Khoảng cách đặt Collimator (cm) (Min/Max) Vật liệu X (MLC) -12.5/20 Có bổ sung Vonfram X (ngàm) -12.5/20 Vonfram Y 0/20 Vonfram
Phần cuối của lá được đặt cách nguồn 37.5 cm. Phần khe hở bên dưới đầu máy khơng có bộ phận khay đỡ là 42.5 cm.Phần đầu máy có gắn một cái nêm ở góc 600, để có thể tự động đưa chùm tia gia tốc vào đúng kế hoạch xử lý. Trong suốt quá trình chiếu xạ thì nêm cho phép chùm tia di chuyển từ 00 cho tới 600. Chỉ cần xây dựng kế hoạch điều trị để đảm bảo sự chính xác và sự chuyển động đều đặn
Từ trường uốn và chùm tia hội tụ.
Trong máy xạ trị Precise Elekta, chất lượng chùm tia đã đạt được cấu trúc đặc biệt, chùm tia uốn và hội tụ. Để điều khiển chùm tia, máy gia tốc được lắp đặt các ống nam châm điện hội tụ và 2 cặp ống nam châm điện giống nhau được bố trí quanh ống gia tốc. Bên ngoài ống gia tốc được lắp ráp thêm các nam châm uốn. Các ống nam châm điện tạo ra từ trường vng góc, được điều chỉnh tích cực bởi tham số đo liều. Tín hiệu nhận được từ ống hình trụ được điều khiển và phân tích bởi hệ thống xử lý. Nó cho phép xác định và điều chỉnh đồng nhất chùm tia trong thời gian thực.
Phần cuối của ống gia tốc là một vài nam châm uốn tia theo các góc như hình 2.4 Các nam châm điện đầu tiên xác định năng lượng chùm tia. Giá trị phát sinh sẽ được điều chỉnh bằng việc khớp năng lượng của electron vào giá trị trung bình mong muốn. Sau đó, chùm tia được hội tụ trong trường vng góc của cặp nam châm thứ 2. Nam châm thứ 3 hướng dòng tia xuống thẳng đứng. Kết quả chùm
Ống gia tốc cịn cho phép điều chỉnh độc lập tính đồng nhất, tính đối xứng cho mọi năng lượng chùm tia. Điều này có được là kết quả của việc lắp đặt ống gia tốc đặc biệt.