CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ CHUNG VỀ IMRT
3.2 Lý thuyết cơ bản về IMRT
3.2.2 Sơ lƣợc về các kỹ thuật IMRT phát tia với góc gantry cố định, sử dụng MLC
Kỹ thuật xạ trị điều biến liều với góc gantry cố định sử dụng bộ chuẩn trực đa lá (IMRT fixed gantry-MLC)có 2 tiêu chuẩn phân bố liều là: Step-and-shoot (xạ trị phát tia gián đoạn theo nhịp/ phát tia tĩnh) và Dynamic (xạ trị phát tia quét theo cửa sổ/ phát tia động)
- Phát tia tĩnh (step-and-shoot): các lá MLC thiết lập, dừng theo đúng vị trí, sau đó mới phát tia.
- Phát tia động (dynamic): các lá MLC vừa chuyển động vừa phát tia.
Trong xạ trị điều biến liều, có rất nhiều trường hợp thời gian phát tia động cần ít hơn phát tia tĩnh. Tuy nhiên việc lập kế hoạch phát tia tĩnh thì ít phức tạp hơn và việc đảm bảo chất lượng trong điều trị dễ thực hiện hơn.
Hình 3.14: So sánh sự khác nhau của hai kỹ thuật: step and shoot (trên) và dynamic MLC (dưới) theo 2 chiều (trái) và 3 chiều (phải)
51
Để thực hiện được các kỹ thuật này c ần phải có hệ thống phần mềm tối ưu chuyển động của MLC – nó giúp tính toán tối ưu chuỗi các phân đoạn trường chiếu và số đơn vị MU cần phân bố của từng phân đoạn để được một trường chiếu tổng hợp theo như bản đồ thông lượng tối ưu. Tuy nhiên, có những bản đồ thông lượng quá phức tạp, không thể phân phối liều được (cần quá nhiều phân đoạn nhỏ làm cho tổng số MUs quá lớn), do đó phần mềm này có thể đưa ra giải pháp phân phối các cường độ chênh lệch thấp hơn, khiến cho bản đồ thông lượng nhìn mượt hơn. Việc tính toán liều lượng thường được thực hiện trong bước này để tăng tốc độ chương trình.
Có rất nhiều kỹ thuật tối ưu chuỗi chuyển động của MLC đã được sáng tạo ra và được ứng dụng dựa trên các phương pháp xác định (gradient, phức hợp gradient, lập trình tuyến tính/không tuyến tính, khả năng tối đa, nội suy,...) ho ặc các phương pháp lựa chọn ngẫu nhiên (mô phỏng ủ - simulated annealing, thuật toán di truyền,...)
Kỹ thuật phát tia tĩnh - Step-and-shoot:
Trong kỹ thuật này, để tạo được một trường chiếu điều biến theo bản đồ thông lượng cho trước phải sử dụng một số lượng xác định các phân đoạn nhỏ khác nhau để tổng hợp liều. Các lá của MLC sẽ chuyển động đến khi đạt được độ mở yêu cầu của phân đoạn thì dừng lại rồi mới cho phép phát tia.
Hình 3.15: Kỹ thuật step-and-shoot, tổng hợp 3 lần phát tia với cửa sổ MLC (nhìn theo hướng BEV) khác nhau để được một trường chiếu điều biến liều.
52
Một bản đồ thông lượng có rất nhiều cách phối hợp phân đoạn, số lượng các cách phối hợp này phụ thuộc vào số các cường độ cực đại và cực tiểu cục bộ xuất hiện trong bản đồ. Phần mềm tính toán chuyển động của MLC sẽ chọn ra một tổ hợp các phân đoạn tối ưu nhằm mục đích giảm thời gian phát tia bằng các h giảm số phân đoạn và sắp xếp thứ tự các phân đoạn này để các lá phải di chuyển ngắn nhất.
a b
(3.3)
Hình 3.16: Bản đồ thông lượng (2), các cường độ cực đại và cực tiểu cục bộ trong hàng thứ 3 (b) và công thức tính số lượng các cách tổ hợp các phân đoạn có thể có
a b
Hình 3.17: Đồ thị cường độ - vị trí lá (a), đồ thị của một cách phân đoạn (b). Hình tròn màu trắng là vị trí lá thuộc dãy lá bên trái, hình tròn màu đen là vị trí lá thuộc dãy lá bên phải.
53
Trên hình 3.16 và 3.17 là ví dụ một bản đồ thông lượng ma trận 9x9 (9 cặp lá, mỗi lá có thể dịch chuyển đến 9 vị trí rời rạc), có 10 mức cường độ (chia đều từ 0 – 100). Chỉ riêng với một hàng số 3 trong bản đồ đã có 2 cực đại cục bộ (90 và 100) và một cực tiểu cục bộ (20) do vậy có thể có 9! * 10! / 2! = 658409472000 cách tổ hợp các phân đoạn khác nhau. Cách tối ưu nhất cũng cần đến một tổ hợp 17 phân đoạn sắp xếp cặp lá số 3 này. Ta thấy số lượng các phân đoạn cần thiết cũng tăng lên theo sự gia tăng số lượng các mức cường độ của bản đồ thông lượng, và do đó trong kỹ thuật step and shoot có thể phải phân cụm các cường độ thành số mức xác định để giảm số phân đoạn, nhưng nó cũng làm giảm mức độ điều biến liều (liều phân bố bị “mượt” đi). Do vậy phần mềm tối ưu cũng phải quyết định về việc có bao nhiêu mức cường độ là cần thiết để cân bằng giữa chất lượng của kế hoạch và thực tiễn điều trị.
Trong thực tế, các thuật toán tối ưu chuyển động của MLC không chia đều dải cường độ trong bản đồ thông lượng thành các mức cường độ rời rạc tăng dần mà chia dải cường độ này thành các mức tăng không đồng đều để giảm số phân đoạn, giảm thời gian phát tia (khuyến cáo là tổng số phân đoạn nhỏ của tất cả các trường chiếu trong một kế hoạch IMRT step-and-shoot không nên vượt quá 60 phân đoạn và mỗi phân đoạn không được phân liều ít hơn 2MU).
a b
Hình 3.18: Chia đều các cường độ thành 4 mức thì chỉ cần 4 phân đoạn (a), chia đều các cường độ thành 7 mức thì sẽ có hai cực tiểu cục bộ nên cần 9 phân đoạn (b).
54
Kỹ thuật phát tia động - Dynamic MLC
Việc sử dụng một bộ chuẩn trực đa lá MLC để thực hiện IMRT bằng cách thay đổi vị trí các lá khi máy phát tia liên tục được biết đến như là kỹ thuật MLC động (hoặc dMLC, hoặc kỹ thuật “chớp cửa sổ” – slide window). Một số ưu điểm của kỹ thuật này được cho là thời gian điều trị ngắn hơn và giảm lỗi phân liều do phâ n tầng bản đồ thông lượngtrong các phương pháp phát tia tĩnh. Ta có thể hiểu sơ lược nguyên lý kỹ thuật phát tia động được minh họa trên hình 3.19 dưới đây.
Hình 3.19: Minh họa chuyển động của một cặp lá theo thời gian và phân bố liều lượng tương ứng
Trong sơ đồ minh họa trên có 13 hàng đại diện cho vị trí của cặp các lá (lá dẫn trước – lá theo sau) ở 13 thời điểm khác nhau để cung cấp một thông lượng 1D từ chỉ một cặp lá. Các lá di chuyển từ phải sang trái bắt đầu với vị trí hàng thứ 13 và kết thúc với vị trí hàng đầu tiên. Đường nối trung điểm của các đầu lá tạo thành các quỹ đạo của lá theo thời gian: x(t). Để đơn giản trong việc tính thông lượng cường
55
độ I(x) theo quỹ đạo từ một sơ đồ như vậy ta coi cường độ và thời gian có cùng một đơn vị đo (tỷ lệ thuận với tốc độ gia tốc thông lượng). Khi đó cường độ I(x) là sự khác biệt trong thời gian đến vị trí x của lá theo sau và lá dẫn trước; tức là:
I(x) = tlá theo sau(x) – tlá dẫn trước(x) (3.4)
Trên đây là nguyên lý thuận để ta có thể hiểu bản chất của việc phân liều theo kỹ thuật chớp cửa sổ. Nhưng trong thuật toán lập kế hoạch nghịch đảo, khi đã có bản đồ thông lượng tối ưu, ta cần phải tính được quỹ đạo chuyển động của các lá để phân bố được liều xạ gần đúng nhất với thông lượng này.
a b
c
Hình 3.20: Một phương pháp biến đổi từ thông lượng 1D thành quỹ đạo chuyển động của một cặp lá
Hình 3.20a là đồ thị thông lượng 1D tại vị trí của cặp lá A-B (lá A dẫn trước, lá B theo sau). Vị trí lá A sẽ tương ứng với đường thông lượng tăng, vị trí lá B sẽ tương ứng với đường thông lượng giảm. Để tạo một hướng chuyển động duy nhất cho từng lá A, B thì cần nghịch đảo các diện tích thông lượng giảm (hình 3.20b).
56
Tịnh tiến các diện tích phía sau để tạo c ác quỹ đạo liên tục (hình 3.20c), đường màu đỏ là quỹ đạo chuyển động tiến của lá A, đường màu xanh là quỹ đạo chuyển động lùi của lá B.
Nhược điểm của kỹ thuật dMLC được cho là không dễ hiểu, không dễ kiểm tra đánh giá, yêu cầu phải kiểm soát tốc độ lá và không dễ xử lý khi gặp sự cố gián đoạn quá trình chuyển động và phát tia. Ngoài ra, mặc dù thời gian giảm nhưng máy phát tia liên tục nên cần số MUs cao hơn kỹ thuật phát tia tĩnh.
Các nghiên cứu so sánh hai kỹ thuật dMLC và Step-and-shoot trong thực tế lâm sàng:
Ta cần nắm được các so sánh ưu nhược điểm giữa hai kỹ thuật dMLC và step- and-shoot để có thể lựa chọn sử dụng kỹ thuật nào cho phù hợp với từng trường hợp lâm sàng. Có nhiều công trình nghiên cứu lâm sàng so sánh hai kỹ thuật này về độ phân giải không gian và độ phân giải cường độ.
Các nghiên cứu của Chui et al (2000b, 2001a) đã kết luận rằng: Ưu điểm chính của kỹ thuật dMLC là sự chuyển động liên tục lá cho phép tạo ra cường độ phù hợp gần nhất với bản đồ thông lượng mong muốn, do đó bảo tồn cả các độ phân giải không gian và cường độ. Nhưng, kỹ thuậtstep-and-shootthì lại tương tự như điều trị thông thường với các trường tĩnh nên dễ dàng kiểm tra xác minh. Tuy nhiên, kỹ thuật này lại sử dụngcác phương pháp rời rạc hóa cường độ và không gian do đó nó sẽ gây một số suy thoái trong phân bố liều.
Ngoài những so sánh phản ảnh chất lượng như trên, người ta còn thực hiện các so sánh về thời gian phát tia. Thông số này cũng rất quan trọng, vì kỹ thuật IMRT mất rất nhiều thời gian so với các kỹ thuật thông thường khác khiến cho việc giữ cố định tư thế của bệnh nhân trong suốt thời gian điều trị rất khó khăn, những cử động nhỏ cũng gây sai lệch vị trí u ảnh hưởng đến chất lượng điều trị. Từ những ng hiên cứu của Bortfeld et al (1994) đến Beavis et al (2001) đều chỉ ra rằng kỹ thuật dMLC có thời gian phát tia ngắn hơn bất kỳ thuật toán step-and-shoot nào.
Họ đã thực hiện ba nghiên cứu đối với bệnh nhân tuyến tiền liệt, so sánh kế hoạch dMLC và các kế hoạch step-and-shoot với bản đồ thông lượng được chia lần
57
lượt 5, 10 và 20 mức cường độ. Họ kết luận rằng một kế hoạch step-and-shoot với 10 mức cường độ và độ phân giải không gian 2mm theo hướng dịch chuyển của lá có chất lượng tương đương với một kế hoạch dMLC.
Đối với nghiên cứu các bệnh nhân vú, kết quả cũng giống như trên. Tuy nhiên, vì vú khi nằm ngửa có hình thái như cao nguyên, nên một kế hoạch gồm 10 mức cường độ có thể tương ứng với chỉ hai hoặc ba phân đoạn.
Về thời gian, thời gian máy phát tia trong kỹ thuật dMLC dài hơn khoảng 20%
so với step-and-shoot, nhưng thời gian thực tế để phân phối liều của step-and-shoot dài gấp 2-2,5 lần so với dMLC do thời gian để thực hiện di chuyển các lá.
Ting et al (2000b) có nghiên cứu hơn 130 bệnh nhân đã được áp dụng điều trị IMRT bằng cách sử dụng một trong hai kỹ thuật trên. Họ đưa ra kết luậnStep and shoot cần sử dụng MUs ít hơn 30-50% nhưng mất thời gian hơn từ 50-100% để thực hiện tùy thuộc vào sự phức tạp của các bản đồ cường độ.