Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị bằng phương pháp monte carlo

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ THANH XUÂN


MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN
TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO




LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN












TP H
Ồ CHÍ MINH, 2010
ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LÊ THANH XUÂN


MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN
TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO

Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN
Mã số
: 60 44 05


LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN







TP H
Ồ CHÍ MINH, 2010
LỜI CẢM ƠN
ðể ñạt kết quả như ngày hôm nay, tôi ñã nhận ñược sự dạy dỗ, giúp ñỡ tận tình
của các thầy cô, bạn bè trong quá trình học tập vừa qua, thông qua quyển luận văn
này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc ñến:

 Thầy PGS.TS MAI VĂN NHƠN, người ñã tận tình chỉ bảo và ñịnh hướng
cho tôi thực hiện luận văn này.
 Cô Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN, người ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều trong
quá trình thực hiện luận văn.
 Bạn ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG, người ñã nhiệt tình giúp ñỡ tôi khi tôi gặp
khó khăn.
 Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, người ñã ñồng ý cho tôi ñược chuyển bộ
môn ñể tôi ñược học và nguyên cứu lĩnh vực tôi ưa thích.
 Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý – Trường ðại học
Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã tận tình giảng dạy, hướng
dẫn tôi trong suốt thời gian học cao học.
 Các anh chị Phòng Lập kế hoạch – Khoa Ung Bướu – Bệnh viện Chợ Rẫy ñã
cung cấp cho tôi dữ liệu và tạo ñiều kiện tốt nhất giúp tôi có thể hoàn thành
luận văn này.
 Anh Th.S NGUYỄN CHÍ LINH Phòng Vật lý Tính toán – Trường ðại học
Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã nhiệt tình chỉ dẫn tôi, khi
chạy chương trình trên hệ thống WS.
 Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K17, gia ñình và bạn bè ñã ủng
hộ, ñộng viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua.

1

MỤC LỤC
Mục lục 1
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 3
Danh mục các bảng 5
Danh mục các hình vẽ, ñồ thị 6
MỞ ðẦU 9
CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ 12
1.1. GIỚI THIỆU 12

1.2. MỤC ðÍCH ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 12
1.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 13
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 15
1.5. CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI 17
1.6. XÁC ðỊNH THỂ TÍCH VÀ CÁC GIẢN ðỒ LIỀU KHỐI 18
CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH 21
2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY GIA TỐC 21
2.2. NGUYẾN LÝ GIA TỐC THẲNG 22
2.3. ðẦU ðIỀU TRỊ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH 25
2.4. CẤU HÌNH MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH HIỆN ðẠI 28
CHƯƠNG 3 – HÌNH ẢNH DICOM VÀ CHƯƠNG TRÌNH KẾT NỐI HÌNH ẢNH
DICOM VỚI MCNP5 31
2

3.1. GIỚI THIỆU VỀ ẢNH DICOM 31
3.2. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH CODIM 32
CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH MCNP5 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 VÀ CODIM 45
4.1. MỤC ðÍCH 45
4.2. CẤU HÌNH ðẦU MÁY GIA TỐC PRIMUS VÀ MÔ PHỎNG MCNP5 45
4.3. ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 52
KẾT LUẬN 66
DANH MỤC CÔNG TRÌNH 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
t

:
thời gian hạt ñược gia tốc (s)
l
:
ñộ dài các ống dẫn (cm)
v
:
vận tốc chuyển ñộng của hạt trong ống (m/s)
m
:
khối lượng của electron (g)
e
:
ñiện tích của hạt (C)
U : hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực (V)
µ
H2O
: hệ số suy giảm tuyến tính của nước.
µ

X
: hệ số suy giảm tuyến tính của X.
Các chữ viết tắt
2D Two – Dimensional
3D Three – Dimensional
ACR American College of Radiology
CM Component Module
CT Computed Tomography
DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine
DSS Decision support system
MRI: Magnetic Resonance Imaging
SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography
4

PET: Positron Emission Computed Tomography
NEMA: National Electrical Manufaturer’s Association
MCNP: Monte Carlo N – Particle
EGS: Electron Gamma Shower
PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons
SSD: Source to Surface Distance
SAD: Source Axis Distance
MLC: Multi – Leaf Collimator
RGB: Red-Green-Blue
CODIM: COnvert DIcom to MCNP5
HU: Hounsfield Unit (H)
RBE: Relative Biological Effectiveness
QF: Quality Factor
GTV: Gross Tumor Volume
CTV: Clinical Target Volume
PTV: Planning Target Volume

OAR: Organ At Risk
DVHs: Dose-Volume Histograms
GEANT4: GEometry ANd Tracking 4
ICRU: International Commission on Radiation Units and Measurement

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Bảng liên hệ giữa số CT (ñơn vị Hounsfield) với mật ñộ vật chất 33
Bảng 3.2: Bảng liên hệ giữa mật ñộ vật chất với vật chất 34
Bảng 4.1: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon 6MV
46
Bảng 4.2: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon
15MV 47
Bảng 4.3. Tọa ñộ và phần trăm liều tương ñối ñược tính bởi MCNP5 62














6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ
Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ñại 12
Hình 1.2: So sánh kỹ thuật Monte Carlo và phương pháp giải tích về ñộ khó khăn
của bài toán theo sự phức tạp của cấu hình 16
Hình 1.3: GTV và CTV 17
Hình 1.4: a) Biểu diễn cho DVH vi phân và b) biểu diễn cho DVH tích lũy 18
Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS 20
Hình 2.2: Mô hình sắp xếp các ống tạo gia tốc hạt 21
Hình 2.3: Mặt cắt của ống dẫn gia tốc sóng dừng của máy gia tốc tuyến tính
6MV 23
Hình 2.4: ðầu ñiều trị máy gia tốc tuyến tính 24
Hình 2.5: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có súng phát electron, ống dẫn sóng và

bia tia X thẳng hàng 26
Hình 2.6: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong dàn quay . 27
Hình 2.7: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong bệ máy 28
Hình 3.1: Sơ ñồ mô tả hoạt ñộng của chương trình CODIM 32
Hình 3.2: Giản ñồ thể hiện mối liên hệ giữa số CT (H) và mật ñộ vật chất 33
Hình 3.3: Hình phantom mẫu 10 vật chất: (a) hình ảnh phantom mẫu, (b) hình CT
của phantom mẫu ñược vẽ bằng MATLAB, (c) hình phantom mẫu sau
khi chuyển ñổi từ số CT về mật ñộ vật chất, (d) hình phantom mẫu sau
khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất 35

7

Hình 3.4: Hình CT não người ñược lấy từ bệnh viện Chợ Rẫy (a) hình CT ñược vẽ
bằng phần mềm chuyên dụng MRIcro, (b) hình ảnh CT ñược vẽ bằ
ng
MATLAB, (c) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi CT về mật ñộ vật chấ

t,
(d) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất 37
Hình 3.5: Giao diện chính của chương trình CODIM 38
Hình 3.6: Giao diện chức năng CONVERT_VIEW 39
Hình 3.7: Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL 41
Hình 4.1: Mô hình máy gia tốc 2D, bên trái là mô hình máy gia tốc phát chùm
photon 6MV và bên phải là mô hình máy gia tốc phát chùm photon
15MV 45
Hình 4.2: Mô hình máy gia tốc 3D ñược vẽ bằng Visual Editor của MCNP5 46
Hình 4.3: (a)Phantom nước ñược chia thành các voxel 4×4×0.3cm
3
trong tính liều
theo ñộ sâu. (b) Mặt cắt theo trục oxy của phantom nước ñược chia
thành các voxel 4×0.05×0.27cm
3
trong tính liều theo phương ngang 48
Hình 4.4: Kích thước voxel của phantom thu ñược từ ảnh CT 48
Hình 4.5: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 6MV với 2 trườ
ng
chiếu 8×8cm
2
và 10×10cm
2
51
Hình 4.6: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ
sâu (a)
1.5cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm 52
Hình 4.7: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 6MV với
nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường
chiếu 8 × 8 cm

2
và (b) cho trường chiếu 10 × 10 cm
2
53
Hình 4.8: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 15MV với 2 trường
chiếu 8×8cm
2
và 10×10cm
2
54
8

Hình 4.9: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ sâu (a)
2.8cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm 55
Hình 4.10: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 15MV với
nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường
chiếu 8×8cm
2
và (b) cho trường chiếu 10×10 cm
2
56
Hình 4.11: Giao diện chuyển ñổi của chương tr
ình CODIM (CONVERT_VIEW)
59
Hình 4.12: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 ñược vẽ bằng chương
trình CODIM (ISODOSE_MESHTAL) 61
Hình 4.13: Sự phân bố các ñường ñồng liều của 2 chương trình mô phỏng. Bên trái
là phân bố các ñường ñồng liều ñược mô phỏng bằng chương trình
MCNP5 và bên phải là chương trình DSS 61
Hình 4.14: Liều tương ñối tại các vị trí cách tọa ñộ trung tâm 2.5cm và 5cm 62

9

MỞ ðẦU

Trong những năm gần ñây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng. Theo
dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có
15 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong ñó 2/3
là ở các nước ñang phát triển [6]. Còn ở Việt Nam, theo thống kê chưa ñầy ñủ ở TP
Hồ Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nước ước tính mỗi năm có khoảng
150 nghìn người mới mắc bệnh ung thư và có khoảng 50 ñến 70 nghìn người chết vì
căn bệnh này, cao gấp bảy lần số người chết do tai nạn giao thông [7].
Do ñó, việc chẩn ñoán và ñiều trị bệnh ung thư luôn là vấn ñề cấp bách hàng
ñầu của toàn xã hội. Hiện nay phương pháp chẩn ñoán và ñiều trị bệnh ung thư chủ
yếu tập trung vào 3 phương pháp chính: phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Việc ứng dụng
phương pháp nào trong việc ñiều trị là tùy thuộc vào nhiều yếu tố: ñiều kiện ñiều trị,
tùy loại khối u, vị trí và kích thước khối u, giai ñoạn ủ bệnh và tình trạng của bệnh
nhân…[2]. Mục tiêu tập trung của luận văn này là phương pháp chữa trị bằng xạ trị.
ðây là một phương pháp ñiều trị hiệu quả ñược ứng dụng ngày càng rộng rãi ở Việt
Nam và trên thế giới, phương pháp này có thể ñược sử dụng một cách riêng rẽ hoặc
kết hợp với các phương pháp khác ñể việc ñiều trị ñạt hiệu quả cao hơn.

Xạ trị là phương pháp ứng dụng chùm tia bức xạ trong việc ñiều trị ung thư.
Có nhiều phương pháp ứng dụng tia xạ khác nhau, một trong những phương pháp
thông dụng nhất chính là ứng dụng các chùm tia photon phát ra từ máy gia tốc. Các
chùm tia này cung cấp một liều bức xạ cao tại các mô ñược chiếu xạ. Vấn ñề là phải
làm sao tập trung ñược lượng bức xạ cao nhất tại vùng mô bị ung thư trong khi vẫn
bảo ñảm không quá liều cho các mô lành bên cạnh. Do ñó việc khảo sát ñặc trưng
của chùm tia cũng như phân bố liều hấp thụ trong mô là những khâu hết sức quan
trọng trong quá trình xạ trị.
Phương pháp Monte Carlo là phương pháp thông dụng ñược ứng dụng rộng
rãi trong rất nhiều lĩnh vực trong ñó có lĩnh vực xạ trị. Trong lĩnh vực xạ trị,
phương pháp ñã ñạt ñược một số thành công trong việc khảo sát các ñặc trưng của
10

chùm tia, năng lượng ñể lại cũng như liều hấp thụ chùm tia xạ của môi trường.
Trong lĩnh vực mô phỏng máy gia tốc, một số nhóm nguyên cứu ñã sử dụng các
chương trình mô phỏng Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát
chất lượng chùm tia, vùng thể tích chịu ảnh hưởng khi thay ñổi kích thước
collimator lên phantom và lên kế hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron. Các
chương trình mô phỏng thường hay ñược sử dụng có thể kể ñến bao gồm MCNP
[12][8], GEANT [18], PENELOPE [16], EGS [21][22][14],… Các chương trình
này ñều có những ưu ñiểm và khuyết ñiểm nhất ñịnh trong mô phỏng chẳng hạn
như thời gian tính toán, ñộ chính xác của từng chương trình,…
Luận văn này ñược thực hiện nhằm mục ñích ứng dụng chương trình Monte
Carlo MCNP5 trong mô phỏng máy gia tốc tuyến tính xạ trị, kiểm tra ñộ chính xác
của mô phỏng trên phantom nước ñể từ ñó tiến tới mô phỏng trực tiếp trên mô hình
phantom người ñược tạo từ ảnh CT. ðiều này sẽ giúp cho việc mô phỏng tính liều
trong lập kế hoạch ñiều trị ñược thuận lợi và thực tế hơn.
Với mục ñính nêu trên, luận văn ñã ñược hoàn thành với bố cục bao gồm 4
chương:
Chương 1 – Lý thuyết về xạ trị: trình bày các vấn ñề cơ bản của xạ trị, nêu rõ

mục ñích xạ trị, giới thiệu khái quát về những nguyên tắc ñiều trị bằng tia xạ, các
phương pháp sử dụng tia xạ trong việc ñiều trị bệnh và các vấn ñề cần quan tâm
trong việc ñiều trị xạ trị.
Chương 2 – Tổng quan về máy gia tốc tuyến tính: trình bày khái quát về máy
gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc tuyến tính, nguyên lý của quá trình gia tốc
thẳng khi ứng dụng dòng ñiện xoay chiều ñể gia tốc hạt, các thành phần quan trọng
của ñầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện ñại.
Chương 3 – Hình ảnh DICOM và chương trình kết nối hình ảnh DICOM với
MCNP5: giới thiệu về khái niệm và cấu trúc file hình ảnh DICOM. Cơ sở của việc
chuyển ñổi bộ dữ liệu hình ảnh DICOM thành phantom CT. Từ ñó, xây dựng
chương trình nhằm kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5 và xử lý dữ liệu tính liều
ñược xuất ra từ mô phỏng MCNP5.
11

Chương 4 – Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5 và
CODIM: trình bày các bước mô phỏng và những kết quả thu ñược khi tiến hành mô
phỏng trên phantom nước và trên phantom CT. So sánh kết quả thu ñược với số liệu
thực tế từ bệnh viện Chợ Rẫy.
12
CHƯƠNG 1

LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ

1.1. GIỚI THIỆU
Xạ trị là phương pháp ñiều trị bệnh bằng cách sử dụng các tia bức xạ ion hóa
nhằm hạn chế sự phát triển cũng như tiêu diệt khối u, xạ trị có vai trò ñặt biệt quan
trọng trong ñiều trị ung thư, có thể nói ñây là lĩnh vực không thể thiếu trong ngành
y học hiện ñại. Ngày nay, cùng với các phương thức ñiều trị phẫu thuật (cắt bỏ khối
u và tổ chức di căn), hóa học (dùng thuốc diệt tế bào ung thư), miễn dịch (dùng
thuốc kích thích hệ thống miễn dịch ñể chống lại sự phát triển của khối u ung thư),

việc ñiều trị bằng phóng xạ ñã góp phần to lớn trong việc chữa trị và cứu sống bệnh
nhân ung thư.
Xạ trị là một lĩnh vực chuyên sâu của y học, cơ sở của phóng xạ ñiều trị là
hiệu ứng sinh học của các bức xạ ion hóa lên cơ thể sống. Hiệu ứng sinh học của
bức xạ gây ra tại cơ quan bị chiếu xạ tùy thuộc vào liều hấp thụ tại cơ quan ñó, hiệu
ứng sinh học tương ñối (Relative Biological Effectiveness – RBE) còn gọi là hệ số
chất lượng (Quality Factor – QF) của chùm tia. Khi tiến hành chiếu xạ lên các tổ
chức tế bào khác nhau thì hiệu quả sinh học thu ñược cũng khác nhau do tính nhạy
cảm phóng xạ khác nhau của chúng. Nhìn chung, ñộ nhạy cảm phóng xạ của tế bào
tuân theo ñịnh luật Bergonie và Tribondeau, ñịnh luật phát biểu như sau: “ðộ nhạy
cảm của tế bào trước bức xạ ion hóa tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ
nghịch với mức ñộ biệt hóa của chúng”[1]. Các tế bào ung thư có khả năng sinh sản
mạnh và mức ñộ biệt hóa chức năng kém so với tổ chức lành tương ñương. Vì vậy,
ñộ nhạy phóng xạ cao của tế bào ung thư là một thuận lợi cơ bản của phóng xạ ñiều
trị.
1.2. MỤC ðÍCH ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ [3]
ðiều trị bằng tia xạ có liên quan ñến việc phá hủy các tế bào ung thư và ngăn
chặn sự phát triển hơn nữa của nó. Tế bào ung thư phát triển nhanh ngoài sự kiểm
13
soát bình thường của cơ thể con người và do ñó dẫn ñến một số bệnh ung thư, các
bệnh ung thư ác tính chứa các tế bào có khả năng di căn nghĩa là có thể phát triển
lan tràn từ vị trí ban ñầu sang các vị trí khác. Có nhiều loại tế bào ung thư và nhiều
cách ñiều trị khác nhau phụ thuộc vào tốc ñộ phát triển và xu hướng chúng tạo
thành u cứng hay vẫn tiếp tục phát tán.
Phương pháp xạ trị và phương pháp phẫu thuật là hai phương pháp ñiều trị
ung thư phổ biến nhất và có hiệu quả nhất cho bệnh nhân ung thư. Xạ trị ñơn thuần
có thể chữa khỏi nhiều loại ung thư khi còn ở giai ñoạn khu trú, nhất là trong các
bệnh ung thư hạch bạch huyết, ung thư da, ung thư vòm họng và một số ung thư
vùng ñầu cổ.
Xạ trị kết hợp với phẫu thuật thường ñược áp dụng trong nhiều trường hợp

khi ung thư ñã phát triển tương ñối lớn. Có khi tiến hành xạ trị trước nhằm giảm bớt
thể tích khối u ñể dễ mổ, hạn chế di căn trong lúc mổ hoặc có khi xạ trị sau khi mổ
nhằm diệt nốt những tế bào ung thư còn sót lại hoặc có khi xạ trị cả trước và sau khi
mổ, kết hợp với ñiều trị hóa chất ñể tăng khả năng diệt tế bào ung thư tại một khu
vực mà ñiều trị bằng hóa chất không thể diệt hết ñược.
Khi sử dụng phương pháp xạ trị cần phải xác ñịnh mục ñích của việc xạ trị.
Có hai loại mục ñích:
• ðiều trị tận gốc: là loại trừ tất cả các tế bào ung thư tại u nguyên phát, tại các
tổ chức xung quanh mà khối u lan tới và những hạch tại vùng có thể bị xâm
lấn. ðiều trị tận gốc thường là liều xạ cao, có thể gây ra một số biến chứng
phụ, thời gian kéo dài với sự chấp nhận của bệnh nhân.
• ðiều trị tạm thời: ñể nâng cao chất lượng ñời sống như chống ñau, chống tắc
do chèn ép, chống chảy máu. ðiều trị tạm thời thường là liều thấp và thời
gian chiếu xạ ngắn.
1.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ [3]
Phác ñồ xạ trị phải dựa trên những nguyên tắc sau:
• ðánh giá sự lan rộng của khối u bằng các biện pháp CT, Scanner, X-quang,
phóng xạ… ñể biết thể tích cần chiếu.
14
• Biết rõ những ñặc ñiểm bệnh lý của khối u.
• Chọn lựa những phương pháp thích hợp là chỉ dùng xạ trị hay phối hợp với
phẫu thuật, hóa chất… hay chọn phối hợp với cả hai phương pháp, chọn loại
tia thích hợp, chiếu từ ngoài hay ñặt tại khối u.
• Qui ñịnh liều tối ưu và thể tích chiếu dựa trên vị trí giải phẫu, loại bỏ tổ chức
học, ñộ lành dữ của khối u và những cấu trúc lành trong vùng chiếu. Bác sĩ
không bao giờ do dự trong việc thay ñổi những ñiều ñã quy ñịnh với những
ñiều kiện mới phát sinh.
• ðánh giá từng giai ñoạn về thực lực của bệnh nhân, sự ñáp ứng của khối u và
thể trạng của tổ chức lành trong khu vực ñiều trị.

Máy gia tốc
Accelerator
Máy mô phỏng
Simulator
Hệ thống phần mềm lập kế hoạch
ñiều trị TPS
CT - Scanner
Máy gia tốc
Accelerator
Máy mô phỏng
Simulator
Hệ thống phần mềm lập kế hoạch
ñiều trị TPS
CT - Scanner
Khu
ô
n ch
ắn
tia nhi
ều

lá
Gi
á

ñịnh
v
ị
b
ệnh

nhân

Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ñại.
Bác sĩ ñiều trị phải kết hợp chặt chẽ với ñội ngũ kĩ sư vật lý y học trong việc
lên phương án và lập phác ñồ ñiều trị, không thể nhầm lẫn những ñánh giá lâm
sàng, hiểu sai về những quan niệm vật lý, không hoàn hảo về phác ñồ ñiều trị và
15
thực hiện phác ñồ. ðiều này sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến tính mạng cũng như là tiến ñộ
hồi phục của bệnh nhân.
1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ
1.4.1. Xạ trị ngoài (teletherapy)
Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kĩ thuật xạ trị. Người ta
thường tiến hành với chùm photon, thông thường ñó là các tia X mang năng lượng
cao ñược tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính, nhưng người ta cũng dùng chùm tia
gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong khoảng 50-300
KV. Thêm vào ñó, việc sử dụng chùm electron ở năng lượng megavolt ñể ñiều trị
những khối u tương ñối nông sẽ cải thiện ñược ñộ chính xác hình học hơn các
photon. Do ñó phương pháp xạ trị bằng chùm electron cũng ñược sử dụng rộng rãi
ngày nay. Xạ trị ngoài với các loại bức xạ khác cũng ñược ñưa vào sử dụng, chẳng
hạn như chùm neutron, chùm hạt tích ñiện như proton có thể dùng trong ñiều trị lâm
sàng. Tuy nhiên các thiết bị ñể tạo ra chúng rất ñắt ñỏ, vì vậy các loại bức xạ này ít
ñược sử dụng.
Một số phát triển mới ñây trong kĩ thuật xạ trị ngoài ñã ñược ñẩy mạnh do
khả năng tính toán của các hệ thống máy tính hiện nay tăng lên. Hệ thống máy tính
không chỉ có khả năng giúp lập kế hoạch tính toán trong không gian 3 chiều mà còn
có khả năng ñiều khiển các thiết bị ñiều trị sao cho vùng nhận liều cao có thể biến
ñổi cho phù hợp với thể tích bia trong không gian 3 chiều. Sự phát triển này song
song với kĩ thuật tạo ảnh như chụp cắt lớp ñiện toán (Computed Tomography –
CT), chụp ảnh cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging – MRI), … cho phép

các nhà ñiều trị có thể xác ñịnh thể tích bia một cách chính xác hơn. Các kĩ thuật
này ñóng một vai trò quan trọng trong việc phác họa thể tích khối u. Ngoài ra máy
tính còn có vai trò giúp tính toán liều và mô phỏng liều chiếu khi chiếu với các
trường chiếu khác nhau hoặc có thể giúp tính ñược các khu vực nhận liều chiếu cao
nhất ñể có thể vạch ra phương án và thời gian ñiều trị hiệu quả nhất cho bệnh nhân.
Các thiết bị ñược sử dụng cho xạ trị ngoài bao gồm các máy phát tia X, máy
phát chùm tia gamma, máy gia tốc ñiện tử và máy phát neutron. Tất cả những thiết
16
bị xạ trị này ñều ñòi hỏi phải có các thiết bị bảo vệ bức xạ khác nhau và cần phải xử
lý theo các nguyên tắc riêng của nó ñể ñảm bảo mức an toàn liều lượng bức xạ cho
phép.
Xạ trị ngoài là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất ñể ñiều trị khối u, hạch
nằm sâu trong cơ thể. Bên cạnh những máy phát chùm tia gamma, máy phát
neutron, máy X-quang thì hiện nay máy gia tốc ñiện tử ñược lựa chọn hầu hết cho
các khoa xạ trị. Các máy gia tốc có thể tạo ra ñược những chùm tia X, chùm ñiện tử
với hệ thống collimator ñể tạo các dạng trường chiếu bức xạ không ñối xứng, có thể
ñiều khiển ñược bằng máy tính, có các hệ thống kiểm tra và lưu trữ, các hệ thống
collimator ñộng.
1.4.2. Xạ trị trong (brachytherapy)
Xạ trị trong hay còn gọi là xạ trị áp sát là kĩ thuật ñiều trị sử dụng các nguồn
ñồng vị phóng xạ ñặt trong thể tích khối u ñể ñưa ra một liều rất cục bộ nhằm tối
thiểu hóa liều xạ tới các mô lành bao quanh. Có thể sử dụng một trong 3 cách sau:
áp vào, ñặt vào khe hở hoặc gài vào bên trong cơ thể tùy từng loại khối u mà người
ta có thể có cách cụ thể như: ñặt ở bề mặt khối u trong các khuôn sáp nhựa ñối với
ung thư da, dặt vào các hốc tự nhiên của cơ thể như tử cung, xoang hoặc cắm vào
mô, tổ chức phần mềm mang ung thư.
Xạ trị áp sát bị hạn chế khi thể tích khối u nhỏ, sự phát triển trong lĩnh vực
này bao gồm việc sử dụng các nguồn phóng xạ có suất liều cao, các nguồn này có
thể ñược ñưa qua các ống thông ñể ñặt vào các vị trí khối u.
1.4.3. Tia xạ chuyển hóa

Tia xạ chuyển hóa là phương pháp cho bệnh nhân uống hoặc tiêm các dược
chất phóng xạ (
131
I

,
32
P ,
198
Au) hoặc kháng thể ñặt hiệu có gắn các ñồng vị phóng
xạ ñể diệt tế bào ung thư trong tế bào chuyển hóa và kết hợp có chọn lọc. Dựa vào
các hoạt ñộng chuyển hóa bình thường (VD: tế bào tuyến giáp hấp thụ
131
I) hoặc
thay ñổi bệnh lý (khối ung thư hấp thụ những phân tử hữu cơ ñặc hiệu), người ta
cho các ñồng vị phóng xạ ñến các mô ñích (target tissue) bị bệnh ñể ñiều trị.

17
1.5. CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI
ðể tính liều trong cơ thể bệnh nhân gây ra bởi bức xạ ion hóa, ta phải giải
một phương trình phức tạp gọi là phương trình vận chuyển. Phương trình này là
khác nhau ñối với các bệnh nhân khác nhau và cũng phụ thuộc vào ñiều kiện ñiều
trị, chẳng hạn như kích thước và hình dạng trường chiếu, năng lượng bức xạ, hướng
chùm tia tới… Có hai phương pháp ñể tính liều là phương pháp trực tiếp và phương
pháp gián tiếp [1].
Phương pháp gián tiếp bắt ñầu với việc giải phương trình vận chuyển cho
những trường hợp ñơn giản, chẳng hạn như ño phân bố liều trong nước. Phân bố
này sẽ ñược hiệu chỉnh khi xét ñến hình dạng chùm tia và sự không ñồng nhất trong
cơ thể bệnh nhân.
Phương pháp trực tiếp ñược sử dụng rộng rãi hơn vì nó cho phép giải phương

trình vận chuyển chính xác hơn, nó bao gồm các phương pháp giải tích và kỹ thuật
Monte Carlo. Các phương pháp giải tích như pencil beam và superposition dựa trên
các phép tính gần ñúng và mô hình hóa, chẳng hạn mô phỏng thiết bị ñiều trị bằng
nguồn ñơn giản như nguồn ñiểm hoặc nguồn song song, mô phỏng sự vận chuyển
của electron theo ñường thẳng… Vì thế kỹ thuật này có thuận lợi là xử lý nhanh,
cho kết quả chỉ trong vài giây và chính xác cao ñối với cấu hình ñơn giản, ñồng
nhất. Nhưng những kỹ thuật tính toán liều thông thường này có thể cho sai số ñáng
kể khi kích thước trường chiếu nhỏ, ñối với vùng có sự biến ñổi lớn về liều hay
vùng có môi trường không ñồng nhất [1].
Các kỹ thuật ñiều trị hiện nay ngày càng phức tạp, ñòi hỏi sự thành công cao,
phương pháp truyền thống không ñủ tốt ñể cung cấp sự phân bố liều chính xác trong
cơ thể bệnh nhân. Hình 1.2 cho thấy khi cấu trúc hình học càng phức tạp, càng gần
với thực tế thì mức ñộ khó khăn của việc giải quyết bài toán theo phương pháp giải
tích càng tăng nhanh hơn nhiều so với phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
18

Hình 1.2: So sánh kỹ thuật Monte Carlo và phương pháp giải tích về ñộ khó khăn
của bài toán theo sự phức tạp của cấu hình [4].
1.6. XÁC ðỊNH THỂ TÍCH VÀ CÁC GIẢN ðỒ LIỀU KHỐI
1.6.1. Xác ñịnh thể tích
Là ñiều kiện tiên quyết cho quá trình lập kế hoạch ñiều trị 3D và báo cáo liều
chính xác. Theo báo cáo của ICRU-50 và 62 thì việc xác ñịnh và diễn tả thể tích là
xác ñịnh bia và thể tích cấu trúc lâm sàng mà ảnh hưởng ñến quá trình lập kế hoạch
ñiều trị và nó còn cung cấp một giá trị nền tảng cho việc so sánh hiệu quả của việc
ñiều trị.
Khi xác ñịnh thể tích chúng ta cần phân biệt các loại thể tích sau:
• Thể tích toàn bộ khối bướu (Gross Target Volume – GTV): là toàn bộ khối
bướu có thể sờ, có thể thấy, có thể chứng minh ñược. GTV ñược xác ñịnh
qua chẩn ñoán hình ảnh (X-quang, CT, MRI,…) và kết quả phân tích giải
phẫu bệnh.

• Thể tích ñích lâm sàng (Clinical Target Volume – CTV): là thể tích GTV
cộng thêm những vùng ñược xác ñịnh là có khả năng tổn thương. Thể tích
này là thể tích cần ñược xạ trị ñể nhận ñược mục tiêu tiêu diệt triệt ñể hơn.
CTV thường bao gồm vùng GTV, vùng bao quanh GTV và các hạch dương
19
tính xung quanh. CTV ñược xác ñịnh bởi bác sĩ ung bướu xạ trị. Kích thước
CTV thông thường là: CTV = GTV + 1cm mở rộng từ biên của GTV. Tuy
nhiên trong một số ít trường hợp CTV = GTV.
• Thể tích ñích hoạch ñịnh (Planning Target Volume – PTV): là một khái niệm
hình học. Nó ñược nêu ra ñể chọn các chùm tia phù hợp ñảm bảo liều ñược
chỉ ñịnh thật sự bị hấp thụ trong CTV. PTV ñược liên kết với một khung
chuẩn của máy gia tốc và thường ñược mô tả là CTV + một ñường biên cố
ñịnh hay thay ñổi (chẳng hạn, PTV = CTV + 1cm).
• Các tổ chức nguy cấp (Organ At Risk – OAR): khi xạ vào một vùng nào ñó
thì các cơ quan bên cạnh vùng ñó cũng bị chiếu xạ. Khi liều quá cao thì có
thể làm tổn thương những cơ quan này nếu nhẹ, hoặc có thể phá hủy chức
năng của cơ quan ñó nếu vượt qua liều giới hạn cho phép. Do vậy, việc xác
ñịnh các cơ quan nhạy bức xạ là rất quan trọng.
Ta cần ñặc biệt lưu ý ñến một số cơ quan trọng yếu chẳng hạn như: vùng ñầu
cổ (mắt và tủy sống), vùng ngực (tủy sống và phổi), vùng bụng (gan và thận), vùng
chậu (bàng quang, trực tràng, hai ñầu xương ñùi, buồng trứng và tinh hoàn).

Hình 1.3: GTV và CTV

20
1.6.2. Các giản ñồ liều khối (Dose-Volume Histograms – DVHs)
Việc lập kế hoạch xạ trị 3D bao gồm việc lấy thông tin về sự phân bố liều
trên một ma trận các ñiểm trên giải phẫu học của bệnh nhân. DVHs tóm tắt các
thông tin phân bố liều 3D và là một công cụ rất hữu ích cho việc ñánh giá ñịnh
lượng kế hoạch xạ trị.

DVHs biểu diễn sự phân bố theo tần suất các giá trị liều trong một khối thể
tích quan tâm, có thể là PTV, có thể là cơ quan nhạy xạ lân cận PTV. DVHs cũng
ñược hiển thị ở dạng phần trăm thể tích của toàn bộ khối thể tích quan tâm nhận
ñược một liều xác ñịnh nào ñó. Có hai loại DVH:
• DVH vi phân: ñể tạo một DVH vi phân, máy tính tính tổng số lượng voxel
với một liều trung bình trong một khoảng cho trước và vẽ khối thể tích cuối
cùng (hay phần trăm thể tích của toàn bộ khối thể tích) như là một hàm của
liều lượng. Một DVH lí tưởng cho một thể tích vùng xạ phải có dạng hình
cột thẳng ñứng, ñiều này có nghĩa là 100% thể tích vùng xạ nhận ñược liều
theo chỉ ñịnh của bác sĩ.
• DVH tích lũy: là biểu diễn phần trăm thể tích của cấu trúc mà nhận ñược ít
liều xác ñịnh D và bằng với 100% trừ cho toàn bộ vùng DVH vi phân giữa 0
và D. Vẽ DVH bắt ñầu tại 100% của thể tích nhận liều 0 Gy

Hình 1.4: a) Biểu diễn cho DVH vi phân và b) biểu diễn cho DVH tích lũy
21

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH

2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY GIA TỐC [3]
Ngay sau sự khám phá ra tia X của Roentgen năm 1895, trong quá trình khởi
ñầu của kỹ thuật xạ trị, công nghệ phát tia xạ ngày càng chú trọng vào việc tạo ra
cường ñộ và năng lượng chùm electron và photon cao hơn và linh hoạt hơn. Trong
suốt 50 năm ñầu phát triển kỹ thuật xạ trị, công nghệ xạ trị phát triển khá chậm chạp
và chủ yếu dựa trên ống tia X, máy phát Van De Graaff và betatron. Phát minh về
thiết bị từ Cobalt-60 của H.E. Johns ñầu những năm 50 của thế kỷ XX ñã tạo nên
một bước phát triển lớn trong việc tìm kiếm những nguồn photon năng lượng lớn
hơn, do ñó thiết bị Cobalt ñã ñược ñặt lên vị trí hàng ñầu trong suốt một thời gian
ñầu. Trong cùng thời gian ñó máy gia tốc tuyến tính cũng ñược nghiên cứu phát

triển và ñã ngày càng chiếm ưu thế so với thiết bị Cobalt. Các máy gia tốc tuyến
tính ñã ñược phát triển qua năm thế hệ với ñộ phức tạp ngày càng tăng và trở thành
nguồn bức xạ ñược sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật xạ trị hiện ñại. Với thiết kế
nhỏ gọn và hiệu quả, máy gia tốc tuyến tính rất linh hoạt trong sử dụng, cung cấp
các nguồn tia X hoặc electron cho ñiều trị với một dải năng lượng rộng. Ngày nay,
cùng với các thiết bị hiện ñại chúng ta có thể máy tính hóa và phân phối chùm tia
với các mức năng lượng có thể ñiều chỉnh ñược.
Ngoài việc sử dụng máy gia tốc tuyến tính, các tia X và electron còn ñược
tạo ra bằng cách sử dụng các loại máy gia tốc khác như betatron và microtron. Các
hạt hiếm gặp hơn cũng ñược tạo ra từ các máy gia tốc ñặc biệt như proton, neutron,
các ion nặng và các meson π âm ñôi khi cũng ñược sử dụng trong kỹ thuật xạ trị.
Tuy nhiên, cho ñến nay các máy gia tốc tuyến tính megavolt vẫn là máy ñược sử
dụng phổ biến nhất. Hình 2.1 trình bày hình dạng máy gia tốc tuyến tính PRIMUS
HPD hiện ñang ñược sử dụng tại Bệnh viện Chợ Rẫy.
22


Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS
2.2. NGUYÊN LÝ GIA TỐC THẲNG [3]
Máy gia tốc tuyến tính là loại máy mà ñiện tích ñược gia tốc nhờ ñiện trường
một chiều hoặc xoay chiều có ñiện thế cao và quỹ ñạo của hạt là ñường thẳng khi
chuyển ñộng trong ñiện trường.
Năm 1932, Walton và Cokraft ñã thành công trong việc biến ñổi hạt nhân
bền thành hạt nhân phóng xạ bằng phản ứng hạt nhân với photon. ðể gia tốc photon
ñạt ñến năng lượng cần thiết, hai ông ñã dùng phương pháp gia tốc ñiện trường
bằng một sơ ñồ nối tiếp các tụ ñiện ñể tạo ra ñiện thế cao từ 600.000 ÷ 800.000 Volt
và ñưa ñiện áp ñó vào ống chân không. Tuy nhiên, sử dụng ñiện trường một chiều
chỉ gia tốc ñến 2÷3MeV không thể giải quyết ñược vấn ñề liên quan ñến hạt nhân
nguyên tử và ñiều trị ñối với các khối u nằm sâu bên trong. Lawriton và Sloan ñã
giải quyết vấn ñề bằng cách thay ñổi việc sử dụng ñiện trường một chiều bằng ñiện

trường xoay chiều, biện pháp gia tốc hạt trong ñiện trường xoay chiều như sau:
Giả thiết rằng giữa các cực A và B là một ñiện trường xoay chiều. Ta ñặt vào
giữa các cực này một loạt ống hình trụ ñược ký hiệu là C
1
, C
2
, C
3
, C
4
và C
5
. ðể có
ñiện trường xen kẽ giữa các ống, ta nối ñiện cực B với các ống C
1
, C
3
, C
5
và ñiện
cực A nối với các ống C
2
, C
4
(xem Hình 2.2).