Tổng quan quá trình xạ trị proton
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.31 MB, 56 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN
#"
Đề tài:
GVHD : ThS. NGUYỄN VĂN HỊA
GVPB : CN. LÊ CƠNG HẢO
SVTH : NGUYỄN THỊ HẠNH
---------------------------------------------TP.HỒ CHÍ MINH − 07/2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN
#"
Đề tài:
GVHD : ThS. NGUYỄN VĂN HỊA
GVPB : CN. LÊ CƠNG HẢO
SVTH : NGUYỄN THỊ HẠNH
---------------------------------------------TP.HỒ CHÍ MINH − 07/2008
LỜI CẢM ƠN
Thông qua Khóa Luận T ốt Nghiệp này, với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Em xin gửi đến:
Quý Thầy Cô giai đoạn Đại Cương.
Quý Thầy Cô Khoa Vật Lý – Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã tận tình giảng dạy, truyền
đạt cho em những kiến thức khoa học rất bổ ích, và những kinh nghiệm sống quý báu.
Em xin chân thành cám ơn Thầy Nguyễn Văn Hòa - người đã giúp em lựa chọn đề tài
này. Cũng là người trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này.
Em xin chân thành cám ơn Thầy Lê Công Hảo đã nhiệt tình đọc và góp ý, góp phần
làm cho khóa luận hoàn chỉnh hơn.
Qua đây tôi cũng xin chân thành cám ơn bạn bè đã động viên tinh thần, giúp đỡ em
trong suốt quá trình thực hiện khóa luận và học tập tại trường đại học.
Cuối cùng con xin bày tỏ lòng yêu thương chân thành, sâu sắc nhất tới cha mẹ và các
thành viên trong gia đình đã nuôi nấng, dạy dỗ và động viên con trong suốt thời gian học đại
học. Đồng thời chị cám ơn em trai và em gái rất nhiều vì đã luôn động viên, làm cho chị
vững tin hơn trong những lúc khó khăn.
Em xin ghi nhớ và giữ mãi tình cảm này.
Sinh viên thực hiện Khóa Luận
Nguyễn Thị Hạnh
#"
Trang 1
MC LC
MC LC...1
DANH MC CC THUT NG.4
DANH MC CC BNG BIU...5
U
DANH MC HèNH V..6
LI M U..8
U
CHNG 1 C S AP DUẽNG PROTON VAỉO X TR .10
1.1. c trng ca proton ........................................................................................10
1.2. Proton tng tỏc vi mụi trng vt cht.........................................................11
1.2.1. Proton tng tỏc vi electron nguyờn t mụi trng.................................11
1.2.2. Proton tng tỏc vi ht nhõn nguyờn t mụi trng................................12
1.2.3. Cụng thc Bethe- Block.............................................................................14
1.3. nh hng ca bc x proton lờn c th sng .................................................17
1.3.1. Giai on húa lớ ..........................................................................................18
1.3.2 Giai on sinh hc.......................................................................................19
1.4. C s s dng proton trong x tr [3] ...............................................................20
1.4.1. C s vt lý ................................................................................................20
1.4.2. C s y hc ................................................................................................21
CHNG 2 NGUYấN TC CHUNG CA X TR..24
2.1. Khỏi nim x tr ................................................................................................24
2.1.1. Cỏc phng phỏp x tr [1] ........................................................................24
2.1.1.1. X tr bng chựm tia ngoi hay X tr ngoi .......................................24
2.1.1.2. X tr bng ngun phúng x kớn hay X tr trong ...............................25
2.1.1.3. Tia x chuyn húa kt hp chn lc....................................................27
2.1.2. Mt s mỏy x tr hay s dng hin nay ....................................................27
2.1.2.1. Gammaknife ........................................................................................27
Khúa Lun Tt Nghip
SVTH: Nguyn Th Hnh
Trang 2
2.1.2.2. Cyberknife ( Xknife) ...........................................................................27
2.1.2.3. Máy xạ trị gia tốc tuyến tính ...............................................................28
2.2. Quy trình chung cho xạ trị ................................................................................30
2.2.1. Chỉ định xạ trị ............................................................................................30
2.2.2. Mô phỏng ...................................................................................................30
2.2.3. Lập kế hoạch xạ trị.....................................................................................30
2.2.4. Cấp liều xạ trị.............................................................................................31
CHƯƠNG 3 XẠ TRỊ PROTON………………………………………...………..32
3.1. Khái niệm xạ trị proton ...................................................................................32
3.1.1. Đặc điểm xạ trị proton ...............................................................................32
3.1.2. Hệ thống điều trị proton [10]. ....................................................................33
3.1.2.1. Máy gia tốc..........................................................................................33
3.1.2.2. Hệ thống dịch chuyển chùm tia – BTS ...............................................34
3.1.2.3. Gantry..................................................................................................35
3.1.2.4. Hệ thống phân phát chùm tia xạ..........................................................35
3.1.2.5 Hệ thống định vị bệnh nhân .................................................................39
3.2. Quy trình xạ trị proton ......................................................................................40
3.2.1. Thu thập dữ liệu bệnh nhân [6]..................................................................40
3.2.2. Tính toán mức liều xạ [5]...........................................................................42
3.2.2.1. Thuaät toaùn tính lieàu Ray tracing .......................................................42
3.2.2.2. Thuật toán tính liều Pencil-beam. .......................................................43
3.2.2.3. Thuật toán tính liều Monter Carlo.......................................................43
3.2.3. Mô phỏng ...................................................................................................45
3.2.4. Lập kế hoạch xạ trị.....................................................................................45
3.2.5. Che chắn và cố định bệnh nhân .................................................................46
3.2.6. Tiến hành xạ trên bệnh nhân ......................................................................47
3.3. Một số ca điều trị proton [10]. ..........................................................................47
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 3
3.3.1. Khối bướu ở mắt. .......................................................................................48
3.3.2. Chordomas và chondrasarcomas ở sọ và cổ. .............................................48
3.3.3. Ung thư tuyến n......................................................................................49
3.4. Những ưu, khuyết điểm của xạ trị proton.........................................................49
3.4.1. Những ưu điểm ..........................................................................................49
3.4.2. Những khuyết điểm……………………………………………………………..48
3.4.3. Những tác dụng phụ của xạ trò proton………………………………………….48
KẾT LUẬN…………………………………………………………………………51
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………53
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 4
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ
ASB: Actively Scanned Beam [Chùm tia tán xạ chủ động]
AND: Axit Dexibo Nucleotit
BTS: Beams Transport System [Hệ thống dịch chuyển chùm tia]
BNCT: Boron Neutron Capture Therapy [Điều trị bằng Bo bắt giữ Neutron]
CGE: Cobalt Gray Equivalent
CTV: Clinical target volumm [Thể tích đích lâm sàng]
CT: Computed Tomography [Chụp cắt lớp]
DRR: Digitally Reconstruction Radiograph [Tái tạo ảnh số hóa]
GTV: Gross target volumm [Thể tích tồn bộ khối bướu]
ITV : Internal target volume [Thể tích đích trong]
IMPT: Intensity Modulate Proton Therapy [Xạ trị điều biến cường độ Proton]
IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy [Điều biến cường độ tia xạ]
MRI: Magnetic Resonance Imaging [Hình ảnh cộng hưởng từ]
OAR: Organ at Risk [Cơ quan tới hạn]
PSB: Passively Scattered Beam [Chùm tia tán xạ bò động]
PTV: Planning target volumm [Thể tích đích hoạch định]
RF: Radio Frequency
ROI: Region of Interest [Vùng quan tâm]
SOBP: Spread-out Bragg Peak [Đỉnh Bragg mở rộng]
SPECT: Single Photon Emission Computed
SP: Stopping Power [Năng suất hãm]
TPS: Treatment Planning System [Hệ thống lập kế hoạch điều trị]
WED: Water Equivalent Depth [Chiều sâu tương đương nước]
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Một số nguồn phát proton …………………………………………….…11
Bảng 1.2: Bảng dữ liệu dùng cho tính toán năng suất hãm của proton……...……16
Bảng 1.3: Bảng liều xun sâu của proton năng lượng khác nhau vào nước ………17
Bảng 2.1: Các nguồn phát tia thường dùng trong xạ trị ngồi …………...……… 25
Bảng 2.2: Các nguồn phóng xạ thường dùng cho xạ trị trong ……...………… ….26
Bảng 2.3: Một số máy xạ trò ngoài…………………………………………………27
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 6
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ống chứa khí hydro dùng cung cấp proton ….…………........................11
Hình 1.2: Proton tương tác với electron ngun tử mơi trường……………………12
Hình 1.3: Proton va chạm đàn hồi với hạt nhân ngun tử mơi trường ……..........12
Hình 1.4: Proton va chạm khơng đàn hồi với hạt nhân ngun tử mơi trường . .....13
Hình 1.5: Đỉnh Bragg – nơi proton bỏ lại năng lượng cực đại sau va chạm ..…....13
Hình 1.6: Biến đổi của tổ chức sống khi bị chiếu xạ…………………………….…18
Hình 1.7: Cơ chế ion hóa gián tiếp của bức xạ ion hóa
………………………....19
Hình 1.8: Bức xạ proton ion hóa phá hủy AND …………………………….........20
Hình 1.9: Đỉnh Bragg mở rộng ……..………………………………….................21
Hình 1.10: So sánh độ xun sâu của proton và một số bức xạ ion hóa khác...........22
Hình 2.1: Hình ảnh Gammaknife...............................................................................27
Hình 2.2: Hình ảnh Cyberknife …............................……….………..……....…...28
Hình 2.3: Quy trình xạ trị tổng qt …………………….……………………...….30
Hình 3.1: Tổng quan khu điều trị proton ……………………...…………….….…33
Hình 3.2: Phòng máy gia tốc ……………………………………...……....….…..34
Hình 3.3: Phòng điều chỉnh máy gia tốc …………………………...….……….….34
Hình 3.4: Phòng điều trị …………………….…………………….….………...….35
Hình 3.5: Hình ảnh Gantry đồng tâm …………………………………………......33
Hình 3.6: Chùm proton rất hẹp đi vào khối bướu…………………….……………36
Hình 3.7: Chuẩn hóa đỉnh Bragg mở rộng……………………………………...….36
Hình 3.8: Biểu đồ phân bố chùm tia bằng kỹ thuật PSB ………………….....……37
Hình 3.9: Biểu đồ phân bố chùm tia bằng kỹ thuật ASB ………………...…..…....38
Hình 3.10: Một số dụng cụ tạo dáng chùm tia………………………….…………39
Hình 3.11: Các loại thể tích xạ trị: GTV, CTV, PTV, ITV, OAR …………...…. ....41
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 7
Hình 3.12: Sơ đồ phân bố chùm tia sử dụng thuật toán tính liều Ray-tracing….....42
Hình 3.13: Sơ đồ phân bố chùm tia sử dụng thuật toán tính liều Pencil-beam…....43
Hình 3.14: Sơ đồ phân bố chùm tia sử dụng thuật toán tính liều Monter Carlo.......44
Hình 3.15: Bảng so sánh các thuật toán tính liều………………………………......44
Hình 3.16: Sơ đồ xử lý dữ liệu hình ảnh: chuyển đổi töø dữ liệu CT sang SP………46
Hình 3.17: Đường cong dữ liệu CT chuyển sang SP……………………………….46
Hình 3.18: Chữa Chrodomas từ hai hướng xạ khác nhau…………………………..47
Hình 3.19: Xạ trị proton cho điều trị Chordroma ………………………….......….48
Hình 3.20: So sánh hai kỹ thuật xaï trị: xạ trị proton và xạ trị tia X ……..…….....50
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 8
LỜI MỞ ĐẦU
Kể từ khi Rontgen khám phá ra tia X và những ứng dụng lâm sàng của nó
trong y học. Đã đánh dấu một bước phát triển mạnh mẽ trong điều trị ung thư bằng
tia xạ.
Xạ trò là vũ khí đắc lực trong điều trò bệnh nhân ung thư hiện nay. Xạ trò
được sử dụng để tiêu diệt toàn bộ khối bướu trong trường hợp điều trò triệt để hoặc
làm giảm đau cho bệnh nhân trong trường hợp điều trò triệu chứng kết hợp với hóa
trò liệu.
Từ các phương pháp xạ trị bằng bức xạ điện từ, chùm photon, chùm hạt
electron đến xạ trị bằng các ion như: p, n, C12, He, N,…. Xạ trị bằng chùm photon
hay chùm hạt electron chỉ hữu ích cho các khối u khơng sâu, cực đại khoảng 3-5 cm
đi vào trong cơ thể. Động lực trong hơn 100 năm lịch sử của bức xạ trị liệu là tìm
kiếm sự chính xác cao và hiệu ứng sinh học lớn hơn của tia xạ sử dụng trong điều trị.
Trong tiến trình tìm kiếm một phương pháp điều trị hữu hiệu, vào năm 1946
lần đầu tiên trong báo cáo khoa học của mình Robert Wilson (1914-2000) đề nghò
đưa proton vào xạ trò vì proton có những ưu thế về tương tác hủy diệt tế bào, đặc
biệt là tế bào ung thư như:
• Liều ở lối vào thấp và liều bỏ lại cực đại tại cuối quãng chạy (đỉnh Bragg)
do đó dùng điều trò những khối u nằm sâu trong cơ thể và ít ảnh hưởng mơ
lành xung quanh.
• Có thể điều biến khoảng xuyên sâu và mở rộng chùm tia sang bên để bao
phủ toàn bộ khối bướu.
Ngoài ra, những thuận lợi về kỹ thuật như sự hiểu biết về máy gia tốc, các
phương pháp tính liều hữu hiệu như Monter Carlo, sự hỗ trợ đắc lực của các cơng cụ
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 9
máy tính hiện nay đã tạo điều kiện thuận lợi để đưa proton vào điều trị bệnh tật. Xạ
trò proton để được chính xác và hữu hiệu cần có sự kết hợp chặt chẽ giữa các bác só
và kỹ sư vật lí để thiết lập nên một kế hoạch xạ trò tối ưu. Với mong muốn có một
tìm hiểu tổng quát nhất về cơ sở ứng dụng proton vào điều trị ung thư, hệ thống xạ
trị proton và một quy trình xạ trò proton tổng quan nhất tôi chọn đề tài này làm khóa
luận tốt nghiệp. Nội dung khóa luận gồm 2 phần với 3 chương.
Phần I: Tổng Quan
Chương I: Cơ sở áp dụng proton vào xạ trị.
Chương II: Ngun tắc chung của xạ trị.
Phần II: Tổng quan xạ trị proton
Chương III: Xạ trị proton.
Với những tìm hiểu tổng quan như trên tơi hy vọng đây sẽ là một tài liệu hữu
ích cho những ai có mong muốn tìm hiểu về xạ trị proton. Tơi rất mong muốn trong
tương lai khơng xa ở Việt Nam cũng sẽ có trung tâm xạ trị proton phục vụ tốt cho
nhu cầu chữa trị bệnh tật của người dân.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 10
CHNG 1
C S AP DUẽNG PROTON VAỉO X TR
1.1. c trng ca proton
Nm 1918 Ernest Rutherford nhn thy rng khi cỏc ht alpha bn vo hi Nit,
mỏy o s nhp nhỏy ch ra du hiu ca ht nhõn Hirụ. Rutherford tin rng ht
nhõn hydro ny ch cú th n t Nit. Vỡ vy Nit phi cha ht nhõn Hirụ, cú s
nguyờn t l 1 v l mt ht rt c bn. ú chớnh l proton.
Proton l ht mang in dng thnh phn hp thnh ca nguyờn t Hirụ. Cú
khi lng gp 1836 ln so vi electron. Khi nú ửụùc gia tc n mt nng lng xỏc
nh bi mỏy gia tc nú tr thnh mt loi bc x ion húa cú kh nng xuyờn sõu vo
c th con ngi hoc cỏc vt liu nh nc, plastic.
Kớ hiu: P
Khi lng: 1,672 * 10-27 kg = 938,27 MeV/c 2
in tớch: 1,602 * 10- 19 C = 1e
Thi gian sng: 10 32 nm
Proton riờng l l ng v ph bin nht ca nguyờn t hydro.
Phn ng phõn ró - phỏt ra proton:
n p + e- +
U92238 + n Np 93 239 + e - +
to ra proton cỏc nh vt lý tiờm khớ Hirụ vo trong mt ng kim loi hỡnh
tr. Sau ú bao quanh nú vi mt in trng phỏ v khớ trong thnh phn hp
thnh gm proton v electron quỏ trỡnh ny cú th tỏch ra khong 75% proton. Sau
ú proton c gia tc bi mt ngun 90KV ri gi ti mt RF quadrupole thnh
phn giỳp tng tc v tp trung chựm ht. T quadrupole proton vi nng lng rt
thp (khong vi KeV) c a ti mỏy gia tc.
Khúa Lun Tt Nghip
SVTH: Nguyn Th Hnh
Trang 11
Hình 1.1: Ống chứa khí Hiđrô dùng cung cấp proton.
Nguồn phát proton (thường từ máy gia tốc): Các proton tự do được sản xuất
bằng quá trình ion hóa của nguyên tử Hiđrô (các electron bị di dời khỏi tầng nguyên
tử). Proton tự do sau đó được gia tốc đến vận tốc cao trong Cyclotrons hoặc
Synchrotrons bằng trường điện rất mạnh.
Bảng 1.1: Một số nguồn phát proton [4].
Nguồn phát
Năng lượng
Điện thế trung bình
Ứng dụng
p- Synchrotron
70-250 MeV
20-40 nA
Xạ trị proton
Cyclotron
70-185 MeV
20-40 nA
Xạ trị proton
Proton Linac
70-250 MeV
10-270 nA
Xạ trị proton
70-250 MeV
10-40 μA
1.2. Proton tương tác với môi trường vật chất
Proton đi vào môi trường vật chất và bỏ lại năng lượng theo nhiều cách khác nhau
1.2.1. Proton tương tác với electron nguyên tử môi trường
Proton mất phần lớn năng lượng thông qua một số lớn những tương tác với
electron trong môi trường goàm quá trình kích thích và ion hóa. Tương tác electron
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 12
dẫn đến năng lượng bị giữ lại một cách ngẫu nhiên và rời rạc. Năng lượng này nhạy
cảm với môi trường truyền qua.
Hình 1.2: Proton tương tác với electron nguyên tử môi trường.
1.2.2. Proton tương tác với hạt nhân nguyên tử môi trường
Tán xạ trường Culong với hạt nhân nặng tạo ra những góc tán xạ nhỏ dẫn đến sự
phân kỳ chùm tia.
Những va chạm đàn hồi với hạt nhân có khối lượng bằng hoặc lớn hơn proton
tạo ra những góc tán xạ lớn, dẫn đến sự mất năng lượng và sự di dời của những
proton ban đầu.
Hình 1.3: Proton va chạm đàn hồi với hạt nhân nguyên tử môi trường.
Những tương tác hạt nhân không đàn hồi xảy ra với những proton năng lượng
cao và sinh ra các hạt như proton, neutron, beta, alpha, gamma,….Những hạt này
dừng trong khu vực lân cận của tương tác và gây ra những hiệu ứng sinh học rất cao.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 13
Hình 1.4: Proton va chạm khơng đàn hồi với hạt nhân ngun tử mơi trường.
năng lượng bỏ lại (dE/dx)
đỉnh Bragg
tất cả các tương tác
All interactions
tương
tác vớinteractions
i electron
Electronic
Nuclear interactions
tương tác với hạt nhân
250 MeV
0
5
10
15
20
25
30
35
40
chiều sâu [cm]
Hình 1.5: Đỉnh Bragg – nơi proton bỏ lại năng lượng cực đại sau va chạm.
⇒ Proton di chuyển qua mơi trường vật chất từ từ mất dần năng lượng trong
những tương tác hạt nhân và ngun tử. Q trình này làm suy giảm năng lượng
proton, cực đại tương tác xảy ra gần cuối qng chạy proton dẫn đến năng lượng phát
ra cực đại ở khu vực bia – gọi là đỉnh Bragg.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 14
1.2.3. Cơng thức Bethe- Block
Do sự phức tạp của các q trình tương tác, nên chưa có lý thuyết nào tính
tốn chính xác năng lượng mất và qng chạy của hạt mang điện. Các cơng thức đưa
ra có khả năng áp dụng hạn chế, đồng thời còn mang tính bán thực nghiệm, vì chúng
chứa một số tham số được xác định bằng thực nghiệm. Các kết quả tính tốn cần có
sự hiệu chỉnh để phù hợp với thực nghiệm. Dù vậy, có thể sử dụng các cơng thức lý
thuyết, đã được hiệu chỉnh thực nghiệm, để ước đốn năng lượng mất và qng chạy
với độ chính xác nhất định. Đối với q trình ion hóa và kích thích, Bethe – Block
đưa ra cơng thức tính năng suất hãm – độ suy giảm năng lượng trên đơn vị chiều dài
qng đường đi – với mơi trường đồng nhất. Do ban đầu các proton mất năng lượng
chủ yếu qua các tương tác hạt nhân khơng đàn hồi. Độ mất mát năng lượng ion hóa
riêng của proton được xác định theo cơng thức Bethe-Block [2].
−
dE 4π z 2 e 4 ne
=
dx
mo c 2 β 2
2 2
⎫
⎪⎧ 2mo β c
ln
− ln (1 − β 2 ) − β 2 ⎬ (1.1)
⎨
I
⎭
⎩⎪
Trong đó:
c là vận tốc ánh sáng.
I là thế ion hóa và kích thích trung bình của ngun tử được xác
định bằng thực nghiệm.
z là điện tích hạt nhân nguyên tử môi trường.
ne là số electron trên một đơn vị thể tích của mơi trường.
n=
ZρNa
A
m 0 là khối lượng nghỉ của điện tử.
β =
V
: tương quan giữa vận tốc hạt và vận tốc ánh sánh trong
c
chân không.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 15
ρ là mật độ nguyên tử môi trường.
Đại lượng S = dE/dx được gọi là năng suất hãm, biểu thị độ mất năng lượng
của hạt trong mơi trường vật chất.
Mặc dù cơng thức Bethe phản ánh sự mất năng lượng do q trình ion hóa và
kích thích, nhưng trong miền năng lượng q cao các q trình mất năng lượng khác
chiếm tỷ trọng khơng đáng kể. Vì vậy ta có thể sử dụng cơng thức Bethe để tính năng
suất hãm của mơi trường vật chất trong miền năng lượng cao cũng như độ suy giảm
năng lượng theo khoảng cách.
Thay các giá trò hằng số của mo, c, e vào biểu thức (1.1) ta thu được:
−dE 5, 08 × 10−31 z 2 ne
=
[ F ( β ) − ln I ] MeV/cm (1.3)
dx
β2
Với
1, 02 ×106 β 2
F ( β ) = ln
−β2
2
1− β
- Thế ion hóa được xác đònh[9].
I ≈ 19eV
I ≈ 11, 2eV + 11, 7 × ZeV ; 2 ≤ Z ≤ 13
I ≈ 52,8eV + 8, 71× ZeV ; Z > 13
Năng suất hãm khối lượng:
−dE
biểu diễn tỉ lệ năng lượng mất đi của hạt
ρ dx
mang điện trên mỗi đơn vò khối lượng trong diện tích cm2.
Quãng đường hạt dòch chuyển sẽ là độ sụt giảm năng lượng chia cho năng
suất hãm S. Đơn vò của nó sẽ là cm.
Quãng đường proton đi qua một môi trường Rp(g/cm2) sẽ là quãng đường
tính bằng cm nhân với mật độ ρ(g/cm3) môi trường.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 16
Bảng 1.2: Bảng dữ liệu dùng cho tính toán năng suất hãm của proton[9].
β2
F(β)
0,01
0,000021
2,179
0,10
0,000213
5,384
0,60
0,001278
7,175
0,80
0,001703
7,462
1,00
0,002129
7,685
10,0
0,02099
9,972
60,0
0,1166
11,70
80,0
0,1510
11,96
100
0,1834
12,16
200
0,3205
12,77
400
0,5086
13,36
600
0,6281
13,73
800
0,7088
14,02
Động năng proton
(MeV)
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 17
Bảng 1.3: Bảng liều xuyên sâu của proton năng lượng khác nhau vào nước [9].
Năng lượng
β2
Proton ( MeV)
Rp (g/cm-2)
-dE/ρdx
( MeV cm2 g-1)
0,01
0,000021
500
3* 10-5
0,08
0,000171
920
9*10-5
1,00
0,002129
270
0,002
10,0
0,02099
45,9
0,118
70
0,1341
9,55
4,00
100
0,1834
7,28
7,57
150
0,2568
5,44
15,5
200
0,3207
4,49
25,5
300
0,4260
3,52
50,5
400
0,5086
3,02
80,9
1000
0,7658
2,21
795
1.3. Ảnh hưởng của bức xạ proton lên cơ thể sống
Proton phá hủy nhân tế bào bằng năng lượng nó bỏ lại.
• Cơ chế tác động của proton: Proton đi ngang qua mô mang theo năng lượng
dẫn đến sự ion hóa và kích thích lên những phân tử sinh học cấu tạo nên tế bào như:
nước (thành phần chủ yếu trong cơ thể người), chuỗi hydrocacbonat, protein,
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 18
AND…. ⇒ gây ra những thay đổi về cấu trúc, chức năng của phân tử sinh học này ⇒
gây hại cho NST ⇒ ảnh hưởng lên nhân tế bào ⇒ tế bào bị phá hủy hoặc hư hại.
Dưới tác động của bức xạ ion hóa tổ chức sống trải qua các giai đoạn biến đổi
chiếu bức xạ proton
tác dụng trực tiếp
tác dụng gián tiếp
H2O
ion, gốc oxi hóa mạnh
các phân tử sinh học, các cơ quan của tế bào
rối loạn chuyển hóa các chức năng tế bào
các hiệu ứng sinh học
Hình 1.6: Biến đổi của tổ chức sống khi bị chiếu xạ.
1.3.1. Giai đoạn hóa lí
• Bức xạ ion hóa tác động trực tiếp lên phân tử sinh học cấu tạo nên tế bào:
Bức xạ sẽ trực tiếp truyền năng lượng và gây ra q trình kích thích các phân tử sinh
học dẫn đến những thương tổn phân tử đó, như: làm đứt gãy các đoạn AND, phá vỡ
mối liên kết hóa học hoặc phân ly phân tử sinh học ⇒ mất thuộc tính sinh học của
phân tử sinh học ⇒ tế bào bò phá hủy và chết dần.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 19
• Bức xạ ion hóa tác động gián tiếp: Bức xạ ion hóa tương tác với phân tử
nước trong tế bào dẫn đến sản sinh ra những gốc tự do và các tác nhân oxi hóa cái mà
phản ứng với các phân tử sinh học và gây ra những phá hủy tế bào.
H+
H20+
OH
bức xạ ion hóa
H2O
OH
H2OH
Hình 1.7: Cơ chế ion hóa gián tiếp của bức xạ ion hóa.
1.3.2 Giai đoạn sinh học
Những thương tổn ban đầu không thể hồi phục dẫn đến những rối loạn về
chuyển hóa. Tế bào có thể chết trong một vài giờ hoặc gây ra những sai hỏng của
phân chia tế bào và ngăn cản tế bào phân chia. Những thương tổn này có thể làm chết
tế bào. Bởi vì tế bào ung thư thường khó phân biệt vì có hình dạng giống tế bào
thường, chúng tái sản xuất nhiều hơn tế bào khỏe mạnh, nhưng khả năng tự sửa chữa
của nó kém hơn so với tế bào thường.
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 20
proton
proton trửùc tieỏp phaự
hy chuoói ADN
chui ADN
phỏ hy khụng th
sa cha
Hỡnh 1.8: Bc x proton ion húa phỏ hy AND.
1.4. C s s dng proton trong x tr [3]
Proton cú mt s c trng thun li cú th ng dng vo x tr tiờu dit t bo
ung th.
1.4.1. C s vt lý
Proton gia tng tớch ly nng lng vi mt khong cỏch xuyờn sõu dn n mt
cc i liu gn cui quóng chy ca proton gi l nh Bragg thun li iu tr
nhng khi bu sõu trong c th.
Khu vc liu cc i trong nhõn bia cú th c nh v nh vo cỏc hng
phõn b chựm tia cú th to ra mt khu vc liu cao ng nht SOBP, bao ph lờn
ton b th tớch khi bu vi chớnh xỏc cao. Nhng mụ khe mnh xung quanh
nhn c phõn b liu thp hn so vi cỏc k thut x tr s dng electron hay
photon.
Khúa Lun Tt Nghip
SVTH: Nguyn Th Hnh
Trang 21
liều
khối
bướu
chiều sâu [cm]
Hình 1.9: Đỉnh Bragg mở rộng.
1.4.2. Cơ sở y học
Proton ưu việt hơn hẳn so với photon với cơ chế tác động trực tiếp vì đó là hạt
có khối lượng và điện tích. Photon thường dùng cơ chế tác động gián tiếp: ion hóa
nước để tạo ra các gốc tự do H+ và OH - ⇒ cản trở các q trình sinh hóa của tế bào.
Proton có thể phân phát liều cao hơn tới khối bướu, có thể điều chỉnh cực đại
đỉnh Bragg bằng cách cung cấp các proton với những mức năng lượng khác nhau ⇒
những thương tổn có hình dạng khơng đồng đều gần những khu vực then chốt phù
hợp cho xạ trị proton.
Giảm thể tích khu vực điều trị và một liều cần thiết tiêu diệt khối bướu thấp hơn
so với xạ trị electron hay photon ⇒ sức chịu đựng của bệnh nhân gia tăng.
Proton là loại hạt có năng suất truyền năng lượng tuyến tính LET cao ⇒
gây ra tác dụng sinh học cao trong môi trường nó đi qua.
Hiệu suất liều sinh học tương đối của proton: RBE = 1,1
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
Trang 22
Tóm lại proton thuận lợi để áp dụng cho xạ trị vì:
• Tương quan liều lối vào thấp.
• Liều cực đại vào sâu (đỉnh Bragg).
• Liều ở biên giảm sút nhanh chóng.
• Điều biến năng lượng và cường độ(SOBP).
• RBE =1,1.
liều tương đương[%]
đỉnh Bragg
Tia X- 8 MeV
chiều sâu [cm]
Hình 1.10: So sánh độ xun sâu của proton và một số bức xạ ion hóa khác.
Từ hình 1.10 ta có một vài nhận xét sau:
-
Chùm electron 20MeV phát ra từ máy gia tốc tuyến tính có thể chữa trò các
bướu < 12cm, nhưng liều cực đại nó bỏ lại tại khoảng cách 3-5cm cách bề
mặt da ⇒electron chỉ phù hợp cho các bướu ở gần bề mặt da.
-
Chùm photon phát ra từ máy phát Co60 và chùm tia X 8 MeV phát ra từ máy
phát tia X đều cùng bỏ lại năng lượng cực đại trong khoảng 0-4 cm gần bề
mặt da ⇒ bất lợi nếu dùng điều trò các khối u nằm sâu trong cơ thể vì khi
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SVTH: Nguyễn Thị Hạnh
