Chương 2 THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.2. Nguyên lý hoạt động, cấu tạo máy gia tốc tuyến tính xạ trị ELEKTA
Trên thế giới, có ba nhà sản xuất máy gia tốc xạ trị là ELEKTA, Varian và Siemens. Tuy nhiên, hiện nay hãng Siemens đã ngừng sản xuất thiết bị này, chỉ còn hai nhà sản xuất còn lại. Tuy mỗi hãng chế tạo hệ thống máy gia tốc khác nhau về hình thức và cơ khí, nhưng nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu tạo chung thì hoàn toàn giống nhau.
Sơ đồ nguyên lý chung của một máy gia tốc xạ trị như sau:
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
Cuộn hội tụ Cuộn lái
tia
Cuộn hội tụ
Từ trường uốn
Hệ thống tăng tốc chùm electron Uốn chùm tia
Đầu máy điều trị
Chọn lọc năng lượng Súng
điện tử
Điều chỉnh pha Bơm chân
không Bộ điều
biến xung
Điều chỉnh tần số tự động Nguồn sóng cao
tần Magnetron
không sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà không bị va chạm với nguyên tử khí.
Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và không 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 không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm, do tác động của điện từ trường ngoài…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 ngoài 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 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 soát an toàn bằng một chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau [2],[11],[18].
2.1.2.2. Nguyên lý cấu tạo
Máy xạ trị ELEKTA tạo ra các chùm electron hoặc photon (X-rays) năng lượng cao cho mục đích điều trị. Tất cả các thế hệ máy này đều sử dụng nguồn phát sóng vô tuyến siêu cao tần để cung cấp năng lượng gia tốc các hạt.
Các thế hệ máy xạ trị ELEKTA đều sử dụng công nghệ gia tốc sóng ngang [10]. Về cấu trúc, các hệ thống quan trọng của chúng để tạo chùm tia cho điều trị được thiết kế gắn trên cơ cấu dạng trống quay này và có thể quay được 360°.
Có giá đỡ trống làm cho hệ thống trở thành tương đối chắc và ổn định, trọng lượng đầy đủ của nó khoảng 5 tấn [9].
Hình 2.2: Sơ đồ khối của dàn quay gắn trên cấu trúc dạng trống Máy gia tốc tuyến tính ELEKTA dùng trong xạ trị thường được cấu tạo gồm 3 hệ thống chính là:
• Hệ thống tạo chùm tia:
- Súng điện tử hay hệ thống tạo nguồn electron
- Bộ tạo sóng siêu cao tần (RF): nguồn tần số vô tuyến sử dụng magnetron, bộ điều chế [12].
• Hệ thống tăng tốc và vận chuyển chùm tia: ống gia tốc, hệ thống uốn chùm tia (từ trường hội tụ, từ trường lái và uốn chùm tia) [13].
• Hệ thống định dạng chùm tia hay đầu máy điều trị: hệ thống dịch chuyển bia, bộ lọc phẳng chùm tia, collimator sơ cấp, hệ thống kiểm soát liều lối ra, collimator thứ cấp và trong các máy gia tốc hiện đại có collimator đa lá
Hình 2.3: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với máy gia tốc là:
- Phụ trợ gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước, hệ thống chất điện môi bằng ga để truyền vi sóng từ bộ phận phát sóng vô tuyến tới ống dẫn sóng.
- Hệ thống laser xác định trục quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy.
- Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và bệnh nhân.
- Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị; màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị.
- Hệ thống che chắn phóng xạ.
- Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố.
- Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc:
+ Giường máy có thể điều khiển lên, xuống, quay theo các góc.
+ Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị.
+ Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ, máy đo phòng hộ tia xạ…
+ Hệ thống làm khuôn chì…