Nghiên cứu ứng dụng chùm bức xạ photon và electron trên máy gia tốc linac primus trong xạ trị ung thư tại bệnh viện k

i



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN







NGUYỄN TIẾN QUÂN







NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÙM BỨC XẠ PHOTON VÀ
ELECTRON TRÊN MÁY GIA TỐC LINAC PRIMUS TRONG
XẠ TRỊ UNG THƢ TẠI BỆNH VIỆN K

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC








Hà Nội – Năm 2014


ii



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN






NGUYỄN TIẾN QUÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÙM BỨC XẠ PHOTON VÀ
ELECTRON TRÊN MÁY GIA TỐC LINAC PRIMUS TRONG
XẠ TRỊ UNG THƢ TẠI BỆNH VIỆN K



Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lƣợng cao
Mã số: 60440106



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC





NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀM NGUYÊN BÌNH


Hà Nội – Năm 2014





iii

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Nguyễn Tiến Quân, học viên cao học chuyên ngành Vật lý nguyên
tử, hạt nhân và năng lƣợng cao, khoá 2011-2013 hệ cao học tập trung, trƣờng ĐH
Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội.

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ ‘‘Nghiên cứu ứng dụng chùm bức xạ
photon và electron trên máy gia tốc Linac Primus trong xạ trị ung thư tại bệnh viện
K’’ là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu và kết quả nghiên cứu là trung
thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.


Học viên



NGUYỄN TIẾN QUÂN

iv
LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập, công tác, và nhất là thời gian làm luận văn, tôi nhận
nhiều sự quan tâm, động viên giúp đỡ tôi để hoàn thành bản luận văn này. Qua đây
tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới:
Ts Đàm Nguyên Bình, ngƣời hƣớng dẫn tôi về mặt khoa học cùng những đóng
góp quý báu cho luận văn này;
Thầy PGS.TS. Bùi Văn Loát, ngƣời đã hƣớng tôi vào nghề kỹ sƣ vật lý xạ trị,
thầy luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình học tập
từ đại học tới bậc học cao hơn đồng thời thầy là ngƣời hƣớng dẫn tôi làm khoá luận
tốt nghiệp;
Thầy ThS. Nguyễn Xuân Kử, nguyên trƣởng khoa Vật lý xạ trị - Bệnh viện K,
ngƣời đã cùng hƣớng dẫn khóa luận tốt nghiệp và nhận tôi về làm việc tại khoa.
Thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện cho tôi trong công việc nghề
nghiệp;
Ks Lê Văn Tình trƣởng khoa cùng đồng nghiệp trong khoa Vật lý xạ trị - Bệnh
viện K, đã giúp đỡ tôi trong công việc cũng nhƣ thực nghiệm cho luận văn;
Các thầy cô trong Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên; Trung tâm
Vật lý Hạt nhân Viện Vật lý; Viện Năng lƣợng nguyên tử Việt Nam trong suốt các
năm học tập ở đại học cũng nhƣ cao học, đã trang bị cho tôi những kiến thức cần
thiết, cũng nhƣ đƣợc tạo điều kiện thuận lợi nhất trong học tập và công tác.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời luôn bên
cạnh tôi, giúp đỡ, động viên, khuyến khích tôi trong mọi hoàn cảnh.

v
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi
MỞ ĐẦU i
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP XẠ TRỊ UNG THƢ iii
1.1 Cơ sở vật lý iii
1.1.1. Tương tác bức xạ photon và electron với vật chất iii
1.1.2. Giới thiệu liều lượng trong xạ trị viii
1.1.3. Một số khái niệm cơ bản trong vật lý xạ trị và vùng thể tích liên quan xiv
1.2 Sinh lý học khối u xix
1.2.1 Chu kỳ tế bào xix
1.2.2 Các mô hình tăng sinh xxi
1.2.3 Sự phát triển khối u xxii
1.3.1 Tác dụng sinh học của bức xạ xxiii
1.3.2 Cơ sở của phân liều lượng theo thời gian xxv
1.3.3 Cơ sở đáp ứng của tế bào xxvi
CHƢƠNG 2
ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM xxviii
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc thẳng Primus- Siemens xxviii
2.1.1. Cấu tạo máy gia tốc thẳng xxviii
2.1.2. Nguyên lý hoạt động xxx

2.1.3. Thông số kỹ thuật máy gia tốc thẳng PRIMUS- Siemens xxxi
2.2. Các thiết bị đo liều và mô hình hóa thực nghiệm xxxii
2.2.1. Hệ thống đo liều lượng xxxii
2.2.2. Bố trí hình học đo xxxvii
2.2.3. Phương pháp căn chỉnh tia lazer xác định tâm đo xxxviii

vi
2.3. Phƣơng pháp xác định đặc trƣng chùm bức xạ photon, electron xxxix
2.3.1 Phân bố liều sâu phần trăm xxxix
2.3.2. Phân bố liều sâu cách tâm xlv
2.3.3. Tiêu chuẩn của một số thông số đặc trưng xlix
CHƢƠNG 3 li
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN li
3.1. Đặc trƣng chùm photon trên máy gia tốc Linac Primus li
3.1.1. Phân bố liều sâu phần trăm chùm photon li
3.1.2. Phân bố liều sâu cách tâm chùm photon lv
3.2. Đặc trƣng chùm electron trên máy gia tốc Linac Primus lix
3.2.1. Phân bố liều sâu phần trăm lix
3.2.2. Phân bố liều sâu cách tâm lxi
3.3. Lập kế hoạch xạ trị một số bệnh ung thƣ phổ biến lxiv
3.3.1. Ung thư vòm họng lxiv
3.3.2. Ung thư phổi lxix
3.3.3. Ung thu vú lxxi
KẾT LUẬN lxxiv
TÀI LIỆU THAM KHẢO lxxvi
PHỤ LỤC 81


vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tóm tắt những sự khác nhau giữa các khối u lành tính và ác tính xxii
Bảng 2.1: Độ sâu liều hấp thụ cực đại z
max
cho những chùm photon có năng lượng
khác nhau với kích thước trường chiếu 5 × 5 cm . xl
Bảng 2.2: Xác định một số thông số độ sâu liều lượng, năng lượng trung bình bề
mặt phantom với năng lượng khác nhau . xlv
Bảng 2.3: Tiêu chuẩn kỹ thuật hãng Siemens cho Z
max-tc
và D
10-tc
. xlix
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn kỹ thuật hãng Siemens cho R
80
và R
30
. l
Bảng 2.5: Tiêu chuẩn kỹ thuật hãng Siemens cho độ bằng phẳng chùm eletron l
Bảng 3.1: Một số thông số đặc trưng năng lượng chùm photon liv
Bảng 3.2: Độ bằng phẳng chùm photon 6 MV lvii
Bảng 3.3: Độ bằng phẳng chùm photon 15 MV lvii
Bảng 3.4: Tính đối xứng chùm photon 6 MV lvii
Bảng 3.5: Tính đối xứng chùm photon 15 MV lviii
Bảng 3.6: Vùng bán dạ photon 6 MV lviii
Bảng 3.7: Vùng bán dạ photon 15 MV lviii
Bảng 3.8: Một số thông số đặc trưng năng lượng chùm electron 9Mev và 12 MeV lxi
Bảng 3.9: Độ bằng phẳng chùm electron 9 MeV lxiii
Bảng 3.10: Độ bằng phẳng chùm electron 12 MeV lxiii
Bảng 3.11: Tính đối xứng chùm electron 9 MeV lxiii
Bảng 3.12: Tính đối xứng chùm electron 12 MeV lxiii

Bảng 3.13: Vùng bán dạ electron 9 MeV lxiv
Bảng 3.14: Vùng bán dạ electron 12 MeV lxiv

viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình hiện tượng quang điện iii
Hình 1.2: Mô hình Tán xạ Compton iv
Hình 1.3: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân v
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối lượng của photon tương tác với nước v
Hình 1.5: Độ suy giảm năng lượng electron viii
Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động buồng ion hóa chứa khí xii
Hình 1.7: Mô tả điều kiện Bragg-Gray trong môi trường nước xiii
Hình 1.8: Mô tả cách tính PDD xv
Hình 1.9: Hình dạng và vị trí các trục chùm tia xvi
Hình 1.10: Sơ đồ về chu kỳ tế bào xx
Hình 1.11: Trạng thái tổ chức của mô từ dạng bình thường đến ung thư xxi
Hình 1.12: Hàm Gompertz mô tả đường cong phát triển của tế bào xxii
Hình 1.13: Mối tương quan giữa hiện tượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót xxiv
Hình 1.14: Tương quan giữa khả năng kiểm soát khối u và biến chứng. xxvii
Hình 2.1: Mô hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị xxviii
Hình 2.2: Đầu máy điều trị xxix
Hình 2.3: Thông số kĩ thuật của máy gia tốc xxxi
Hình 2.4: Các cặp Jaw và sự tạo dạng trường chiếu xxxii
Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối hệ đo với máy tính xxxiii
Hình 2.6: Phantom nước xxxiv
Hình 2.7: Detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13 xxxiv
Hình 2.8: Cấu tạo của buồng ion hóa CC13 xxxiv
Hình 2.9: Hình ảnh máy đo liều MD 240 xxxvi
Hình 2.10: Bộ điều khiển dịch chuyển của buồng ion hóa chính CU500E xxxvi
Hình 2.11: Giao diê

̣
n phần mềm Omnipro-Accepts xxxvii
Hình 2.12: Hình học đo liều bức xạ phát ra từ máy gia tốc tuyến tính xxxvii
Hình 2.13: Các applicators (các côn) sử dụng trong xạ trị xxxviii
Hình 2.14: Tâm tại khoảng cách 100 cm xxxix

ix
Hình 2.15: Phân bố liều hấp thụ cho chùm photon MV trong phantom . xxxix
Hình 2.16: Đường PDD trong nước với kích thước trường chiếu 10 × 10 cm
2
,
khoảng cách SSD 100 cm ứng các mức năng lượng trong giải từ
60
Co đến 25MV. xli
Hình 2.17: PDD trong nước với kích thước trường 10x10cm
2
, SSD= 100cm xliii
Hình 2.18: Quãng chạy R
100
, R
90
, R
80
, R
50
, R
p,
và R
max
xliv

Hình 2.19: Các vùng liều trong phân bố liều sâu cách tâm xlvi
Hình 2.20: Hình vẽ xác định độ bằng phẳng xlvi
Hình 2.21: Hình vẽ xác tính đối xứng xlvii
Hình 2.22: Thành phần truyền qua vùng bán dạ xlviii
Hình 2.23: Thành phần đối xứng vùng bán dạ xlviii
Hình 3.1: Phân bố liều sâu phần trăm tương đối theo bề dày của chùm photon 6 MV
với kích thước trường chiếu khác nhau lii
Hình 3.2: Phân bố liều sâu phần trăm tương đối theo bề dày của chùm photon 15
MV với kích thước trường chiếu khác nhau lii
Hình 3.3: So sánh đường cong phân bố liều sâu phần trăm tương đối theo bề dày
của chùm photon 6 MV và 15 MV với cùng trường chiếu 10×10 cm
2
liv
Hình 3.4: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm photon 6 MV lvi
Hình 3.5: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm photon 15 MV lvi
Hình 3.6: Phân bố liều sâu phần trăm chùm electron năng lượng 9MeV lx
Hình 3.7: Phân bố liều sâu phần trăm chùm electron năng lượng 12 MeV lx
Hình 3.8: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm electron năng lượng 9MeV lxii
Hình 3.9: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm electron năng lượng 12MeV lxiii
Hình 3.10: Vị trí vùng vòm họng (Nasophaynx) lxv
Hình 3.11: Ví dụ về xác định GTV, CTV70, CTV60 trong ung thư vòm lxvi
Hình 3.12: Kỹ thuật nửa trường chiếu cho ung thư vòm nâng liều lên 40 Gy lxvii
Hình 3.13: Kỹ thuật nửa trường chiếu ung thư vòm nâng liều 40Gy lên 50Gy lxvii
Hình 3.14: Kỹ thuật đồng tâm cho trường vòm nâng liều 50Gy lên 60Gy lxviii
Hình 3.15: Trường electron bù liều cho vùng che tủy sống (a) và tăng liều cho hạch
còn sau chiếu 50 Gy (b) lxviii

x
Hình 3.16: Ví dụ về xác định GTV, hạch cho ung thư phổi lxx
Hình 3.17: Ví dụ về xác định CTV từ GTV cho ung thư phổi lxx

Hình 3.18: Phân bố trường chiếu trong ung thư phổi lxxi
Hình 3.19: Phân bố trường chiếu vú (a) và trường hạch (b) lxxiii



xi
0
E
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu
Ý nghĩa
D
Liều hấp thụ (Gy, J/kg)
D
10-tc

Liều hấp thụ ở độ sâu 10 cm theo tiêu chuẩn hãng Siemens
D
ex

Liều hấp thụ ở lối ra phantom (Gy)
D
max

Liều hấp thụ cực đại ở độ sâu z
max
trong nƣớc (Gy)
D
s

Liều hấp thụ ở bề mặt phantom (Gy)
E
p,0

Năng lƣợng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt
F
Độ bằng phẳng chùm tia (%)
MeV
Đơn vị năng lƣợng dùng cho chùm electron
MU
đơn vị đo liều chiếu của máy gia tốc
MV
Đơn vị năng lƣợng dùng cho chùm photon
R
Thông số quãng chạy của chùm electron theo độ sâu (cm, g/cm2)
R
100

Độ sâu chùm electron tại đó đạt liều hấp thụ lớn nhất
R
50

Độ sâu chùm electron sau R
100
tại đó đạt liều hấp thụ đạt 50 %
R
80

Độ sâu chùm electron sau R

100
tại đó đạt liều hấp thụ đạt 80 %
R
90

Độ sâu chùm electron sau R
100
tại đó đạt liều hấp thụ đạt 90 %
R
max

Độ sâu lớn nhất (cm, g/cm2)
R
p

Độ sâu thực nghiệm (cm, g/cm2)
R
p

Độ sâu thực nghiệm chùm electron
S
Tính đối xứng chùm tia (%)
TPR
20,10

Tỷ số mô phantom ở độ sâu 20cm/10cm
TPR
20,10–tc

Tỷ số mô phantom ở độ sâu 20cm/10cm theo khuyến cáo IAEA

z
max

Độ sâu trong nƣớc tại đó liều hấp thụ đạt cực đại (cm hay g/cm2)
Z
max-tc

Độ sâu cực đại theo tiêu chuẩn hãng Siemens

Năng lƣợng trung bình tại bề mặt của phantom

xii
Danh mục chữ viết tắt
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
AAPM
American Association of Physicists
in Medicine
Hiệp hội y vật lý Hoa Kỳ
CTV
Clinical target volume
Thể tích bia lâm sàng
DNA
Deoxyribonucleic acid
Phân tử mang thông tin di
truyền
GTV
Gross tumor volume
Thể tích khối u thô

IAEA
International Atomic Energy
Agency
Cơ quan Năng lƣợng Nguyên tử
Quốc tế
NTCP
Normal tissue complication
probability
Xác suất biến chứng của các mô
lành
OAR
Off-axis ratio
Tỷ số liều sâu cách tâm
PDD
Percentage depth dose
Liều sâu phần trăm
PDD
(10)

Percentage depth dose at 10cm
depth in water for a 10×10 cm2
field
Liều sâu phần trăm ở độ sâu
10cm trong phantom ở trƣờng
chuẩn
PTV
Planning target volume
Thể tích bia lập kế hoạch
SAD
Source to axis distance

Khoảng cách từ nguồn tới tâm
SCD
Source to chamber distance
khoảng cách từ nguồn tới buồng
ion hóa
SSD
Source to surface distance
Khoảng cách từ nguồn tới bề
mặt
TCP
Tumour control probability
Xác suất kiểm soát khối u
TPR
Tissue–phantom ratio
Tỉ số mô phantom
TPR
(20,10)

Ratio of tissue–phantom ratio at
depths of 20 cm and10 cm in water
Tỉ số mô phantom ở độ sâu
20cm và 10cm trong nƣớc


i
MỞ ĐẦU
Theo Tổ chức Y tế Thế giới, mỗi năm trên toàn cầu có khoảng 12,5 triệu
ngƣời mới mắc và trên 6,7 triệu ngƣời tử vong do bệnh ung thƣ. Tại Việt Nam, mỗi
năm có 150.000 ca mắc mới; trên 75.000 ngƣời tử vong do căn bệnh này. Bệnh ung
thƣ có xu hƣớng gia tăng, không chỉ ở Việt Nam mà ở hầu hết các nƣớc trên thế

giới. Các loại ung thƣ phổ biến là phổi, dạ dày, gan, đại tràng (với nam) và ung thƣ
vú, cổ tử cung, dạ dày, phổi, đại trực tràng (với nữ). Do đó, đòi hỏi về điều trị bệnh
ung thƣ cũng nhƣ đảm bảo chất lƣợng điều trị ngày càng tăng. Hiện nay, điều trị
ung thƣ có 3 phƣơng pháp chính: phẫu trị, xạ trị, hóa trị hoặc kết hợp các phƣơng
pháp. Về lĩnh vực xạ trị, theo khuyến cáo của tổ chức y tế thế giới WHO, trung bình
1.000.000 dân cần có 1 máy xạ trị, hiện nay ở Việt Nam có khoảng 25 máy xạ trị và
tập trung chủ yếu ở các trung tâm lớn cả nƣớc, nhƣ vậy sự thiết hụt là rất lớn.
Ƣu thế của phƣơng pháp xạ trị đã đƣợc thể hiện rõ khi các biện pháp can thiệp
ngoại khoa khó khăn, không những vậy dù các phƣơng pháp khác đƣợc sử dụng thì
rất nhiều trƣờng hợp vẫn cần sự phối hợp với xạ trị để đạt hiệu quả kiểm soát bệnh
tốt hơn. Hơn nữa, với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, các máy gia tốc hiện đại đã thay
thế dần các máy Cobalt-60 cũ kỹ. Các máy xạ trị gia tốc đòi hỏi cần có hiểu biết tốt
để sử dụng hiệu quả và an toàn. Là kỹ sƣ vật lý công tác trong bệnh viện, với mong
muốn tìm hiểu sâu hơn về máy gia tốc để nắm vững hơn về chuyên môn kỹ thuật,
chúng tôi quyết định chọn đề tài: ‘Nghiên cứu ứng dụng chùm bức xạ photon và
electron trên máy gia tốc Linac Primus trong xạ trị ung thư tại bệnh viện K’. Mục
tiêu của chúng tôi là tìm hiểu rõ một số đặc trƣng cơ bản của chùm bức xạ photon
và electron trên máy gia tốc Linac Primus tại bệnh viện K để làm cơ sở cho việc tìm
hiểu ứng dụng cho các máy gia tốc dùng trong xạ trị khác.
Mục đích nghiên cứu khẳng định thông số đặc trƣng về năng lƣợng, chất
lƣợng chùm tia trên máy gia tốc tuyến tính Primus đảm bảo cho điều trị, bên cạnh
đó nâng cao trình độ của tác giả.
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm khoa học. Phần thực nghiệm của luận văn đƣợc tiến hành trên máy gia tốc
tuyến tính Primus Plus tại bệnh viện K của hãng Siemens, số seri 70-4302, sản xuất
năm 2006.

ii
Ý nghĩa của đề tài làm rõ phân bố liều sâu phần trăm, liều sâu cách tâm của
chùm photon, electron trong xạ trị. Luận văn đƣa ra cơ sở phƣơng pháp luận đánh

giá chất lƣợng chùm tia của các máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị. Bên cạnh
đó, luận văn góp phần định hƣớng cho thực tiễn lập kế hoạch xạ trị.
Nội dung chính luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan cơ sở lí thuyết của phƣơng pháp xạ trị ung thƣ. Chƣơng
này giới thiệu cơ sở sở vật lý, sinh học của phƣơng pháp xạ trị ung thƣ.
Chƣơng 2: Đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp thực nghiệm. Chƣơng này
giới thiệu về máy gia tốc Primus Plus, hệ thống đo liều lƣợng, phƣơng pháp lý
thuyết đánh giá đặc trƣng chùm tia.
Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận. Chƣơng này trình bày kết quả
nghiên cứu về đặc trƣng năng lƣợng, chất lƣợng của chùm photon, electron cùng
bàn luận về các đặc trƣng và ứng dụng.
Vấn đề kỹ thuật thƣờng luôn đƣợc cải tiến, bổ xung và đổi mới, vì vậy trong
luận văn chƣa đề cập đƣợc những kỹ thuật hiện đại của thế giới hiện nay nhƣng
những vấn đề sẽ đề cập là kỹ thuật đƣợc IAEA khuyến cáo cho các nƣớc chậm và
đang phát triển hiện nay. Chúng tôi rất mong muốn đƣợc có những trao đổi về
những kỹ thuật mới cũng nhƣ những vấn đề liên quan tới nội dung luận văn.
Ý tƣởng về luận văn đã hình thành từ thực tiễn công việc của bản thân, và
cũng là tiếp nối từ khóa luận tốt nghiệp đại học. Xạ trị là lĩnh vực chuyên sâu, vẫn
còn lĩnh vực mới ở Việt Nam, do thời gian thực hiện luận văn có giới hạn nên
không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và góp ý giúp
cho luận văn hoàn thiện hơn.

iii
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP
XẠ TRỊ UNG THƢ
1.1 Cơ sở vật lý
1.1.1. Tương tác bức xạ photon và electron với vật chất
1.1.1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Khi đi trong môi trƣờng vật chất, bức xạ gamma tƣơng tác với môi trƣờng

thông qua các hiệu ứng chủ yếu: hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tán xạ
Compton, hiệu ứng tạo cặp. Các hiện tƣợng này có xảy ra hay không hoặc xảy ra
với mức độ nào phụ thuộc vào năng lƣợng của photon gamma và bản chất của môi
trƣờng mà nó đi qua.
Hiện tượng hấp thụ quang điện
Khi năng lƣợng của bức xạ gamma lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, xác
suất xảy ra hiện tƣợng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng. Năng lƣợng photon tới
đƣợc truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử. Một phần năng lƣợng để thắng
thế năng ion hóa, phần còn lại biến thành động năng của điện tử bị bứt ra khỏi
nguyên tử. Hấp thụ quang điện ƣu tiên xảy ra với các electron liên kết mạnh với hạt
nhân (lớp K, L). Xác suất xảy ra hiệu ứng quang điện càng lớn khi Z càng lớn và tỷ
lệ nghịch với năng lƣợng. Hình 1.1 ở dƣới mô tả quá trình trên.

Hình 1.1: Mô hình hiện tượng quang điện

Tán xạ Compton
Trƣớc tƣơng tác
Sau tƣơng tác

iv
Theo sự tăng năng lƣợng của bức xạ gamma, tiết diện xảy ra hấp thụ quang
điện giảm và tiết diện tán xạ Compton tăng lên, đây là quá trình chủ yếu làm suy
giảm năng lƣợng của bức xạ gamma đi trong môi trƣờng vật chất.
Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon gamma với các
electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trƣờng. Trong quá
trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lƣợng của mình
cho electron làm bứt electron khỏi nguyên tử. Nguyên tử và photon sau tán xạ bị
lệch khỏi phƣơng chuyển động ban đầu nhƣ minh họa dƣới hình 1.2.
Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lƣợng của bức xạ gamma lớn hơn
nhiều so với năng lƣợng liên kết của electron. Khi năng lƣợng của bức xạ gamma

tăng, các electron tán xạ bay theo hƣớng ƣu tiên về phía trƣớc (nghĩa là góc tán xạ
nhỏ). Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron coi là tự do nên năng lƣợng của bức xạ
gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lƣợng
của bức xạ gamma tới và góc tán xạ.

Hình 1.2: Mô hình Tán xạ Compton

Hiện tượng tạo cặp
Khi năng lƣợng của bức xạ gamma lơn hơn 1.022 MeV, có thể xảy ra hiện
tƣợng tạo cặp. Đây là hiện tƣợng xảy ra trong trƣờng Coulomb của hạt nhân, trong
đó năng lƣợng của một photon gamma đƣợc biến đổi hoàn toàn thành một cặp
electron – positron (hình 1.3). Hiện tƣợng tạo cặp xảy ra mạnh trong trƣờng
Coulomb của hạt nhân khi môi trƣờng có nguyên tử số càng lớn và khi năng lƣợng
của lƣợng tử gamma càng tăng.

v

Hình 1.3: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân
Từ những tìm hiểu trên, chúng tôi nhận thấy rằng mỗi hiệu ứng có vai trò quan
trọng trong miền năng lƣợng nhất định với từng vật chất khác nhau. Trong xạ trị,
đối tƣợng chủ yếu là mô cơ thể, có thể coi là tƣơng đƣơng với mô nƣớc. Tổng hợp
hiệu ứng photon tƣơng tác với nƣớc đƣợc mô tả trong hình 1.4.

Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối lượng của photon tương tác với nước
Khi năng lƣợng bức xạ gamma nhỏ hơn 20 keV tƣơng tác với nƣớc hiệu ứng
hấp thụ quang điện và tán xạ đàn hồi đóng vai chò chính. Nếu năng lƣợng gamma
trong miền từ 20 keV đến 10 MeV thì hiệu ứng Compton chiếm ƣu thế. Khi năng
lƣợng gamma lớn hơn 10 MeV thì hiệu ứng tạo cặp thể hiện vai trò của mình. Với 2
mức năng lƣợng photon 6 MV và 15 MV,trong xạ trị hai hiệu ứng Compton và tạo
cặp sảy ra là chủ yếu [21].

1.1.1.2. Tương tác của electron với vật chất
Trƣớc tƣơng tác
Sau tƣơng tác


vi
Khi electron đi trong môi trƣờng vật chất nó tƣơng tác chủ yếu với electron
trong nguyên tử của môi trƣờng theo hai cơ chế: va chạm và phát bức xạ hãm. Tùy
theo năng lƣợng của bức xạ electron và nguyên tử số của môi trƣờng mà độ mất mát
năng lƣợng của electron trong môi trƣờng do mỗi quá trình trên sẽ có mức độ khác
nhau. Sau đây ta sẽ xét riêng từng quá trình làm mất mát năng lƣợng của hạt
electron trong môi trƣờng.
Mất mát năng lượng do va chạm
Khi đi trong môi trƣờng, do tƣơng tác coulomb với các electron của nguyên tử
môi trƣờng, electron tới truyền năng lƣợng của mình cho các electron của nguyên tử
môi trƣờng. Nếu năng lƣợng electron nhận đƣợc
E
lớn hơn thế năng ion hóa của
nguyên tử môi trƣờng , electron bay ra khỏi nguyên tử. Nhƣ vậy một cặp ion dƣơng
– electron đƣợc tạo thành. Ta nói nguyên tử bị ion hóa. Nếu năng lƣợng
E
nhận
đƣợc nhỏ hơn thế năng ion hóa, làm cho nguyên tử trong trạng thái kích thích.
Độ mất mát năng lƣợng của bức xạ electron trên một đơn vị đƣờng đi do quá
trình kích thích môi trƣờng và ion hóa do va chạm rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào
năng lƣợng của hạt electron, số khối và điện tích của nguyên tử môi trƣờng, mật độ
khối của môi trƣờng có thể tính theo công thức Bethe – Bloch:
 
 



















Z
C
kF
cmI
kk
A
Z
cmrN
dx
dE
v
e
eeA

col



)(
/2
1
ln
1
2
2
2
2
22

(1.1)
Trong đó:
col
dx
dE







là độ mất mát năng lƣợng trên một đơn vị đƣờng đi do ion hóa;
N
A

là số Avôgađrô; r
e
, m
e
là bán kính cổ điển tính ra cm và khối lƣợng của electron;
Z, A là điện tích và số khối của môi trƣờng;
c
v


với v là vận tốc của hạt electron,
còn c là vận tốc ánh sáng; k là động năng của hạt electron tính trong đơn vị m
e
c
2
;

,
C
V
là hệ số hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của động năng có dạng nhƣ sau:
 
2
2
2
(2 1).ln2
8
F k 1
( 1)
k

k
k


  


(1.2)
Mất năng lượng do phát bức xạ hãm
Do electron mang điện tích âm đi vào trong trƣờng coulomb của hạt nhân
nguyên tử mang điện tích dƣơng, nó bị hút nên bị hãm lại nghĩa là chuyển động có
gia tốc. Gia tốc này càng lớn khi điện tích của hạt nhân càng lớn. Theo điện động

vii
lực học, một hạt mang điện tích chuyển động có gia tốc sẽ phát ra bức xạ điện từ gọi
là bức xạ hãm. Bức xạ hãm có phổ liên tục, năng lƣợng từ không đến giá trị cực đại
bằng động năng của hạt electron.
Độ mất mát năng lƣợng do phát bức xạ hãm trên một đơn vị đƣờng đi phụ
thuộc vào nguyên tử số của môi trƣờng, mật độ khối của môi trƣờng, năng lƣợng
của hạt electron đƣợc xác định theo công thức sau:
 
















 zf
cm
E
rZEN
dx
dE
e
e
bx
3
1
.
2
ln.
137
1
4
2
22

(1.3)
Trong đó:
bx
dx

dE







là độ mất mát năng lƣợng trên một đơn vị đƣờng đi do phát bức
xạ hãm; N là số nguyên tử khối của môi trƣờng trong một đơn vị thể tích (mật độ
khối); E là động năng của electron; m
e
là khối lƣợng nghỉ của electron; Z là điện tích
của hạt nhân.
Về cơ bản, độ mất mát năng lƣợng trên một đơn vị đƣờng đi của hạt electron
phụ thuộc vào năng lƣợng của electron và nguyên tử số của môi trƣờng. Với một
môi trƣờng xác định, khi năng lƣợng của chùm electron còn nhỏ thì độ mất mát
năng lƣợng do ion hóa và kích thích môi trƣờng chiếm ƣu thế, hay tỷ số giữa độ mất
mát năng lƣợng do bức xạ hãm với độ mất mát năng lƣợng do ion hóa và kích thích
môi trƣờng nhỏ hơn một. Tỉ số này tăng dần khi năng lƣợng của electron tăng lên.
Khi năng lƣợng của hạt electron đạt đến một giá trị ngƣỡng E
0
nào đó, gọi là năng
lƣợng tới hạn E
c
thì tỉ số trên bằng một, nghĩa là khi đó độ mất mát năng lƣợng trên
một đơn vị đƣờng đi do hai hiệu ứng bằng nhau:
bxvc
dx
dE

dx
dE














(1.4)
Khi năng lƣợng E > E
c
thì tỉ số trên lớn hơn một, độ mất mát năng lƣợng do phát
bức xạ hãm chiếm ƣu thế.
Từ thực nghiệm cho thấy rằng các năng lƣợng tới hạn E
c
nói trên phụ thuộc
vào điện tích hay nguyên tử số môi trƣờng. Khi năng lƣợng của hạt electron cỡ từ
vài MeV trở lên, độ mất mát năng lƣợng của nó do phát bức xạ hãm và do kích
thích – ion hóa môi trƣờng có thể liên hệ với nhau bằng biểu thức sau:

viii
800

EZ
dx
dE
dx
dE
vc
bx














(1.5)
Trong đó: E là năng lƣợng của hạt electron; Z là nguyên tử số của môi trƣờng. Từ
công thức (1.5) trên ta thấy, năng lƣợng tới hạn ứng với tỉ số ở vế trái bằng một,
nghĩa là khi đó
Z
E
c
800


. Rõ ràng nguyên tử số của môi trƣờng càng lớn thì năng
lƣợng tới hạn càng giảm.

Hình 1.5: Độ suy giảm năng lượng electron
Tổng hợp hai quá trình mất năng lƣợng eletron nhƣ đã trình bày ở trên, khi
tƣơng tác với một số vật chất đƣợc mô tả trong hình vẽ 1.5 trong đó đƣờng nét liền
thể hiện mất năng lƣợng do va chạm, đƣờng nét đứt mô tả quá trình mất năng lƣợng
do phát bức xạ hãm.
Từ hình vẽ 1.5 và công thức 1.5 chúng tôi nhận thấy, năng lƣợng tới hạn E
c

của electron tƣơng tác với nƣớc cỡ 105 MeV, với nhôm khoảng 61 MeV, còn với
chì tầm 10 MeV. Trong xạ trị, sử dụng electron với năng lƣợng từ 6 MeV tới 15
MeV, vẫn coi mô cơ thể tƣơng đƣơng mô nƣớc, quá trình mất năng lƣợng chủ yếu
xảy ra do va chạm [21].
1.1.2. Giới thiệu liều lượng trong xạ trị
1.1.2.1. Các đại lượng của liều lượng học
a. Liều chiếu
Động năng Electron (MeV)
Độ suy giảm năng lƣợng electron
(MeV.cm
2
/g)

ix
Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, còn môi trƣờng chiếu
xạ là không khí. Liều chiếu ký hiệu là X, đƣợc xác định theo công thức:
dm
dQ
X 

(1.6)
Trong đó: dQ là giá trị tuyệt đối của tổng một loại điện tích đƣợc sinh ra trong
không khí khi mà tất cả các electron, positron đƣợc tạo ra khi photon tƣơng tác với
khối lƣợng dm của không khí bị hãm lại một cách hoàn toàn trong không khí.
Trong hệ đo SI, đơn vị đo liều chiếu là Coulomb trên kilôgam, viết tắt là C/kg.
Ngoài đơn vị C/kg, trong kỹ thuật ngƣời ta còn dùng đơn vị đo liều chiếu là
Rơnghen, viết tắt là R. Theo định nghĩa có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilôgam
sang Rơnghen theo tỷ lệ 1R = 2,58.10
-4
C/kg.
b. Liều hấp thụ
Thực tế cho thấy những sự thay đổi trong môi trƣờng chiếu xạ phụ thuộc chủ
yếu vào liều hấp thụ và liều tƣơng đƣơng. Với khái niệm liều hấp thụ và liều tƣơng
đƣơng, cho phép mở rộng đối tƣợng bức xạ nghiên cứu và môi trƣờng chiếu xạ.
Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trƣờng chiếu xạ
là không khí. Còn liều hấp thụ và liều tƣơng đƣơng sẽ áp dụng cho các loại bức xạ
ion hóa khác nhau và môi trƣờng đƣợc chiếu xạ khác nhau.
Liều hấp thụ ký hiệu là D, đƣợc định nghĩa là thƣơng số
dE
dm
, trong đó dE là
năng lƣợng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất môi trƣờng có khối
lƣợng là dm. Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là Joule/kilôgam, viết tắt là J/kg.
Trong thực tế, ngƣời ta còn dùng đơn vị là Gray viết tắt là Gy hoặc Rad để đo liều
hấp thụ.
Qua các định nghĩa trên, chúng ta nhận thấy, với loại bức xạ ion hóa xác định,
môi trƣờng chiếu xạ cho trƣớc, thì liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu theo công
thức sau:
. D f X

(1.7)
Trong đó D là liều hấp thụ, X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ f thực chất
là hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ. Giá trị của f tùy thuộc vào môi
trƣờng chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tƣơng ứng. Đối với không
khí, hệ số tỷ lệ f = 0,869
rad
R
còn trong cơ thể con ngƣời hệ số tỷ lệ f = 0,95

rad
R
.

x
c. Liều tƣơng đƣơng sinh học
Đối với sinh vật và cơ thể sống, dƣới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn
đến hiện tƣợng làm biến đổi hoặc gây tổn thƣơng nào đó cho đối tƣợng đƣợc chiếu
xạ. Ngƣời ta gọi hiện tƣợng trên là hiệu ứng sinh học. Với liều hấp thụ D cho trƣớc,
hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ đƣợc sử dụng, điều kiện chiếu xạ,
khoảng thời gian chiếu xạ. Khi đánh giá ảnh hƣởng của bức xạ đến hiệu ứng sinh
học, thay cho liều hấp thụ ta thƣờng dùng liều tƣơng đƣơng, ký hiệu là H.
Với một loại bức xạ và môi trƣờng sống xác định, liều tƣơng đƣơng tỷ lệ với
liều hấp thụ. Liều tƣơng đƣơng và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau:
RTRT
DwH
,


(1.8)

Trong đó: H
T
liều tƣơng đƣơng ứng một loại mô hay bộ phận T, D
T,R
là liều hấp thụ
của một loại bức xạ R (photon, electron, neutron …) nào đó lấy trung bình trên trên
mô hoặc bộ phận, w
R
là hệ số phẩm chất hay trọng số bức xạ của bức xạ R nào đó.
Đơn vị của H
T
là J/kg hay đƣợc gọi là sievert (Sv). Đơn vị cũ Sv là rem, hệ số quy
đổi 1 Sv = 100 rem.
Với nhiều loại bức xạ thì liều tƣơng đƣơng H có giá trị là tổng liều thành
phần:


R
RTR
R
T
DwHH
,

(1.9)
Hệ số phẩm chất w
R
dùng trong an toàn bức xạ đánh giá ảnh hƣởng của các
loại bức xạ lên đối tƣợng sinh học, cho biết mức độ nguy hiểm của từng loại bức xạ
đối với cơ thể sống.

d. Liều hiệu dụng
Liều hiệu dụng (E) đƣợc xác định là tổng liều tƣơng đƣơng từng mô hay bộ
phận đƣợc xác định theo công thức:


T
TT
HwE

(1.10)
Trong đó w
T
là trọng số mô, H
T
liều tƣơng đƣơng ứng một loại mô hay bộ phận T
với một loại bức xạ nào đó. Ý nghĩa trọng số mô thể hiện cùng một liều tƣơng
đƣơng nhƣng ảnh hƣởng từng mô là khác nhau. Nếu nhiều loại bức xạ khác nhau,
liều hiệu dụng đƣợc xác định theo công thức:

xi


T
RTT
R
R
R
RTR
T
T

DwwDwwE
,,

(1.11)
1.1.2.2. Lý thuyết đo liều bằng buồng ion hóa hốc khí
Trong thực tế điều trị cần biết liều hấp thụ bệnh nhân nhận đƣợc là bao nhiêu,
nhƣng không thể đo đƣợc trực tiếp, nên trong đo liều y tế, ngƣời ta thƣờng dùng
phƣơng pháp gián tiếp nhƣ sau: đo liều hấp thụ trong môi trƣờng tƣơng đƣơng mô,
từ đó tính ra liều hấp thụ trong môi trƣờng cần đo. Để xác định liều hấp thụ trong
môi trƣờng tƣơng đƣơng mô, đầu tiên ta dùng buồng ion hóa để đo, do sự có
mặt buồng ion hóa, ta hiệu chỉnh sự có mặt của buồng. Sự hiệu chỉnh này đƣợc
thể hiện trong lý thuyết đo liều bằng buồng ion hóa hốc khí.


xii
a. Nguyên lý hoạt động buồng ion hóa
Nguyên lí hoạt động của buồng ion hóa dựa trên cơ sở của sự ghi điện tử hoặc
ion đƣợc tạo ra do hiện tƣợng ion hoá xảy ra trong môi trƣờng chất khí khi bức xạ
đi vào detector. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động buồng ion hóa đƣợc mô tả trong
hình 1.6.

Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động buồng ion hóa chứa khí
Ở trạng thái bình thƣờng, chất khí không dẫn điện và không có dòng điện chạy
giữa các điện cực. Khi một bức xạ đi qua môi trƣờng khí của detector, bức xạ sẽ
mất một phần năng lƣợng
W
của mình ở trong chất khí giữa các điện cực của
buồng và tạo ra N cặp điện tích với điện tích toàn phần Q=±Ne. Do có điện trƣờng
giữa hai điện cực, các hạt tích điện sẽ chuyển động về các điện cực tƣơng ứng tạo
nên dòng trên mạch ngoài. Dòng này đƣợc ghi nhận bởi thiết bị đo dòng điện, từ đó

xác định giá trị cần đo.
b. Lý thuyết hốc khí Bragg-Gray
Trong kỹ thuật đo liều hấp thụ bằng buồng ion hóa chứa khí, để đo liều tại một
điểm trong môi trƣờng, ta phải đƣa buồng ion hóa vào điểm đó. Khi đó buồng ion
hóa có thể xem là một hốc khí trong môi trƣờng. Với buồng ion hóa, ta đo đƣợc liều
hấp thụ trong hốc khí là D
air
. Để tính ra liều hấp thụ D
med
trong môi trƣờng tại điểm
đó (khi không có buồng ion hóa), ta cần thiết lập mối liên hệ giữa D
air
và D
med
. Lý
thuyết hốc khí Bragg-Gray đƣợc phát triển nhằm thiết lập mối liên hệ này. Theo
Bragg-Gray, có thể thiết lập đƣợc mối liên hệ nói trên nếu các điều kiện sau đây
đƣợc thỏa mãn.
Thể tích hốc khí của buồng phải đủ nhỏ (nhỏ hơn so với quãng chạy của
electron để electron chỉ mất một phần năng lƣợng nhỏ trong nó). Ngoài ra, điều kiện

xiii
này đảm bảo không làm thay đổi sự phân bố electron khi buồng ion hóa đƣợc đặt
trong môi trƣờng đó.
Photon chỉ đóng vai trò nhỏ, không đáng kể trong sự ion hóa không khí của
hốc. Liều hấp thụ có đƣợc chỉ bởi các electron đi ngang qua hốc khí. Nói cách khác,
tất cả các electron đóng góp cho liều hấp thụ bên trong hốc khí phải đƣợc tạo thành
ở bên ngoài hốc khí và chúng hoàn toàn đi ngang hốc khí. Điều này chỉ thỏa mãn
khi điều kiện đầu thỏa mãn.
Sự phát bức xạ hãm Bremstrahlung và tạo ra electron thứ cấp không xảy ra

trong hốc khí . Hốc khí thỏa điều kiện trên đƣợc gọi là hốc khí Bragg-Gray (hình
1.7). Điều kiện thứ nhất nhằm bảo đảm thông lƣợng electron Φ
gas
trong hốc khí
bằng với thông lƣợng electron Φ
med
trong môi trƣờng khi không có hốc khí. Trong
thực tế, việc đƣa một hốc khí vào môi trƣờng luôn luôn gây nên một sự thay đổi
nhất định thông lƣợng của electron. Do đó cần có hiệu chỉnh sự thay đổi này. Điều
kiện thứ hai và ba nhằm bảo đảm rằng mọi electron gây nên liều hấp thụ trong hốc
là có nguồn gốc từ ngoài hốc khí và chỉ đi qua chứ không dừng lại trong hốc.

Hình 1.7: Mô tả điều kiện Bragg-Gray trong môi trường nước
Khi hốc khí của buồng ion hóa thỏa mãn thỏa điều kiện hốc khí Gragg-Bray
(Φ
med
/ Φ
gas
~1). Mối liên hệ giữa liều hấp thụ tại một điểm trong môi trƣờng D
med

(khi không có mặt buồng ion hóa) và liều hấp thụ của hốc khí D
air
tại cùng điểm đó
đƣợc cho bởi :
/
med air
med air
S
DD






mà
air
air
QW
D
me

. Nên suy ra liều hấp thụ trong
môi trƣờng là:
/
med
air
med air
Q W S
D
me





. Với D
med
là liều hấp thụ tại một điểm trong
môi trƣờng (J/kg), Q là lƣợng điện tích tổng cộng đƣợc tạo ra hốc khí (C), m

air
là