Kỹ thuật Bo bắt neutron nhiệt dùng trong xạ trị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN
--------

-------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đềtài:
KỸ THUẬT BNCT DÙNG TRONG XẠ TRỊ

SVTH: NGUYỄN VĂN MINH KHA

-------------------

TP. HỒ CHÍ MINH - 2009


1

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, em xin gửi lời tri ơn sâu sắc đối với ba mẹ em. Chính họ đã cho
em cuộc sống, nuôi nấng dƣỡng dục đến ngày em trƣởng thành. Để em có ngày
hôm nay ba mẹ đã phải dành hết những gì tốt đẹp nhất của cuộc đời mình, tần tảo
sớm hôm lo cho em từng miếng ăn giấc ngủ và tạo mọi điều kiện cho em đƣợc học
hành mở rộng tri thức. Em cũng xin cảm ơn tất cả những thầy cô, những ngƣời đã
dành trọn cuộc đời mình để truyền đạt tri thức cho chúng em, giúp chúng em mở
rộng kiến thức về mọi lĩnh vực. Để hoàn thành đƣợc khóa luận này em vô cùng cảm
ơn nhà trƣờng mà gần gũi nhất là các thầy cô Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân trƣờng Đại

học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất
cũng nhƣ giúp em giải đáp về những vƣớng mắc mà em gặp phải trong khóa luận
của mình. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thạc sĩ Nguyễn Văn Hòa, thầy đã bỏ
thời gian quý báu của mình để hƣớng dẫn em trong suốt khoảng thời gian thực hiện
khóa luận này, thầy đã giúp em hoàn thiện vốn kiến thức của mình kịp thời sửa
chữa những sai lầm trong quá trình thực hiện khóa luận từ việc định hƣớng, tìm tài
liệu đến việc trình bày khóa luận. Và em cũng xin cảm ơn thầy Nguyễn Đình Gẫm
thầy Lê Công Hảo và thầy Trần Thiện Thanh đã cho em những lời góp ý và giúp đỡ
em hoàn thành khóa luận của mình. Cuối cùng em xin cảm ơn tất cả những bạn bè ở
lớp 04VLHN cũng nhƣ các bạn ở các ngành khác đã giúp đỡ và động viên em trong
suốt thời gian thực hiện khóa luận.


2

MỤC LỤC
TRANG
LỜI CẢM ƠN -------------------------------------------------------------------------- 1
MỤC LỤC ................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................ 7
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................ 8
Chƣơng 1: Tổng Quan Về Kĩ Thuật BNCT ..................................................... 10
1.1. Lịch sử phát triển BNCT .............................................................................. 10
1.2. Nguyên tắc xạ trị BNCT ............................................................................... 10
1.3. Cơ sở vật lý của kĩ thuật xạ trị bằng BNCT................................................... 11
1.3.1. Phản ứng B10 (n,a) Li7 ............................................................................. 11
1.3.2. Tƣơng tác giữa neutron, hạt nhân nặng ................................................... 12
1.3.3. Tƣơng tác giữa alpha, ion Liti và cơ chế diệt tế bào ................................ 15

1.3.4. Các tƣơng tác khác xảy ra trong quá trình xạ trị ..................................... 15
1.4. Thiết bị phát neutron dùng trong xạ trị BNCT .............................................. 16
1.4.1. Nguồn neutron ....................................................................................... 16
1.4.1.1. Những nguồn neutron phù hợp với BNCT ......................................... 16
1.4.1.2. Sự triển đổi những lò phản ứng nhiệt ................................................. 17
1.4.1.3. Lò phản ứng nhanh ........................................................................... 17
1.4.1.4. Thiết kế cho lò phản ứng dùng trong BNCT tƣơng lai ....................... 18
1.4.1.5. Máy gia tốc dùng trong BNCT ......................................................... 19
1.4.1.6. Nguồn Califonium ............................................................................ 20
1.4.2. Sơ lƣợc về một bộ lọc đơn giản dùng trong BNCT ................................. 21
1.4.3. Hệ thống tụ tiêu chùm neutron .............................................................. 21


3

1.5. Phƣơng pháp gắn Bo vào khối u .................................................................. 22
1.5.1. Hợp chất thuốc dùng trong BNCT ........................................................... 22
1.5.2. Cách đƣa hợp chất gắn Bo vào trong nhân tế bào ................................... 23
1.6. Điều kiện xạ trị BNCT .................................................................................. 24
Chƣơng 2: Đo Liều Trong Kỹ Thuật BNCT ................................................... 26
2.1. Một số khái niệm liên quan đến đo liều ........................................................ 26
2.1.1. Quan hệ giữa RBE và liều tƣơng đƣơng .................................................. 26
2.1.2. Quan hệ giữa LET và hệ số hiệu ứng sinh học tƣơng đối......................... 26
2.1.3. Khái niệm KERMA ................................................................................ 27
2.1.4. Hệ số hiệu ứng sinh học hợp chất (CBE) ................................................. 28
2.1.5. Hệ số rút gọn liều hấp thụ của thành phần gamma .................................. 28
2.2. Thành phần liều hấp thụ ............................................................................... 28
2.3.Thiết bị đo liều trong BNCT .......................................................................... 29
2.4. Đo liều vật lý ............................................................................................... 31
2.4.1. Đo trong không khí ................................................................................ 31

2.4.2. Đo dòng neutron nhiệt ............................................................................ 31
2.4.3. Đo liều hấp thụ neutron và gamma ......................................................... 31
2.4.4. Định cỡ hệ thống chùm tia trực tuyến của máy ....................................... 32
2.4.5. Đo phân bố liều vật lý ............................................................................ 32
2.4.6. Sai số trong BNCT ................................................................................. 32
2.5. Các phƣơng pháp đo liều ............................................................................. 32
2.5.1. Phƣơng pháp đo liều truyền thống .......................................................... 32
2.5.2. Phƣơng pháp sử dụng các ống đếm tỷ lệ ................................................. 33
2.5.3. Phƣơng pháp đo liều cực nhỏ .................................................................. 34
2.6. Đo liều trong phantom ................................................................................. 38
Chƣơng 3: Lập Kế Hoạch Điều Trị Cho BNCT ............................................... 42
3.1. Định vị khối u .............................................................................................. 42
3.2. Thiết lập những thông số, trƣờng chiếu và thời gian tia................................. 44
Chƣơng 4: Ƣu Điểm, Khuyết Điểm, Ứng Dụng .............................................. 46


4

4.1. Ƣu điểm........................................................................................................ 46
4.2. Nhƣợc điểm ................................................................................................. 46
4.3. Ứng dụng...................................................................................................... 46
4.4. Khuynh hƣớng phát triển trong tƣơng lai ...................................................... 47
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 50


5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Từ gốc

Ý nghĩa
Phƣơng pháp điều trị dùng phản

BNCT

Boron Neutron Capture Therapy

RBE

Relative Biological Effectiveness

Hiệu ứng sinh học tƣơng đối

TECPs

Tisue Equivalent Proportional Counters

Máy đếm tỉ lệ tƣơng đƣơng mô

DME

1,2 DiMethoxyEthane

Chất khí 1,2 DiMethoxyEthane

MRI

Magnetic Resonance Imaging

Máy cộng hƣởng từ

CT

Computer Tomography

Máy chụp ảnh cắt lớp điện toán

SRT

Stereotactic Radio Therapy

SRS

Stereotactic Radio Surgery

LET

Linear Energy Transfer

KERMA

LINAC

Kinetic Energy Released per unit Mass in
Air
Linear accelerator

ứng Bo bắt neutron

Phƣơng pháp xạ trị phân đoạn dùng
kĩ thuật địnhvị Stereotactic
Phƣơng pháp xạ trị dùng kỹ thuật
định vị Stereotactic
Hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính
Động năng đƣợc giải phóng trong
một đơn vị khối lƣợng của chất
trong không khí
Máy gia tốc thẳng


6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TRANG
BẢNG 2.1: Hệ số hiệu ứng sinh học tƣơng đối ---------------------------------- 26
BẢNG 2.2: Quan hệ giữa LET và RBE ------------------------------------------- 27
BẢNG 2.3: Sai số của liều gamma và neutron nhanh--------------------------- 39
BẢNG 2.4: Thông số các tia tự do ------------------------------------------------ 41


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
TRANG
HÌNH 1.1: Sơ đồ máy phát neutron sử dụng Cyclotron U.120M------------- 20
HÌNH 1.2: Sơ đồ buồng lọc -------------------------------------------------------- 21

HÌNH 1.3: Cơ chế hoạt động của hợp chất tải Bo ------------------------------ 24
HÌNH 2.1: Cấu tạo máy đếm ------------------------------------------------------ 30
HÌNH 2.2: Phổ năng lƣợng trực tiếp tại vị trí 1  m ---------------------------- 35
HÌNH 2.3: Phần còn lại của phổ photon tại vị trí 1  m ----------------------- 36
HÌNH 2.4: Phổ đo liều cực nhỏ tại vị trí 50 nm --------------------------------- 37
HÌNH 2.5: Biểu diễn thành phần gamma ---------------------------------------- 37
HÌNH 2.6: Biểu diễn liều hấp thụ trong phantom ------------------------------ 38
HÌNH 2.7: Liều RBE trong phantom --------------------------------------------- 40


8

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay khi công nghệ hạt nhân đang phát triển, nhiều ứng dụng
mới của các nghiên cứu về lĩnh vực hạt nhân đƣợc đƣa vào phục vụ đời sống
của nhân loại. Khác với thời chiến tranh năng lƣợng hạt nhân không còn là
vũ khí để các phe tham chiến sử dụng để hủy diệt hàng loạt mà ngày nay
chính năng lƣợng ấy đã góp phần không nhỏ vào sự phát triển nổi bật của
loài ngƣời trong tất cả các lĩnh vực kinh tế xã hội nhƣ sản xuất điện, nghiên
cứu vật liệu mới, phân tích vật chất, ứng dụng trong công nghiệp và nông
nghiệp. Khác biệt hơn cả là ngày nay loài ngƣời đã sử dụng hạt nhân vào lĩnh
vực chữa bệnh cứu ngƣời. Trong y học ngƣời ta sử dụng các hạt nhân phóng
xạ vào chẩn đoán ghi hình bức xạ và xạ trị dùng chữa một số bệnh ung bƣớu.
Riêng trong lĩnh vực xạ trị năng lƣợng hạt nhân đƣợc sử dụng nhƣ một vũ
khí dùng diệt tế bào bệnh thông qua phần năng lƣợng mà các loại bức xạ để
lại trong tế bào do các tƣơng tác của chúng với thành phần vật chất trong cơ
thể ngƣời. Đây là lĩnh vực phát triển nhất trong y học hạt nhân. Từng loại
phóng xạ nhƣ electron, gamma, neutron, proton và các đồng vị phóng xạ
đƣợc nghiên cứu và đƣa vào xạ trị. Đầu tiên là xạ trị bằng tia X, tiếp đến do
nhu cấu cần năng lƣợng cao ngƣời ta dùng đến tia gamma, rồi đến electron,

proton, các ion nặng và neutron. Trên thế giới hiện nay phƣơng pháp dùng
neutron đƣợc xem là một phƣơng pháp đầy tiềm năng nhất. Phƣơng pháp này
thu hút nhiều nhà khoa học lao vào nghiên cứu và phát triển nó. Trong đó, kĩ
thuật Bo bắt neutron nhiệt, viết tắt là BNCT, là một trong những kĩ thuật sử
dụng neutron để xạ trị đang đƣợc phát triển một cách vƣợt bậc trên thế giới.
Chính vì những ƣu điểm vƣợt trội và sự kết hợp với phƣơng pháp gắn bia


9

vào trúng đích khối u nên kĩ thuật này rất hay để chúng ta tìm hiểu về nhiều
mặt nhƣ: cơ sở vật lí của kĩ thuật này, cách tính liều, lập kế hoạch điều trị,
các qui trình xạ trị cũng nhƣ bảo đảm an toàn.


10

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN KĨ THUẬT BNCT
1.1. Lịch sử phát triển kĩ thuật BNCT:[13]
 1932 James chadwick tìm ra hạt neutron đầu tiên.
 1935 HJ Taylor phát hiện ra khả năng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10.
Sau đó hạt nhân này phân hạch thành hạt Alpha (2He4) và hạt nhân Litium (3Li7).
 1936 Locher đề xuất ý tƣởng dùng phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân
Bo10 để điều trị một số bệnh ung bƣớu.
 Đến nay phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10 đƣợc sử dụng trong kĩ
thuật BNCT trở thành một bƣớc tiến mới trong lĩnh vực điều trị các bệnh ung
bƣớu.
 Tại những nƣớc phát triển họ tiếp tục thử nghiệm và phát triển kĩ thuật này
trong những trung tâm, bệnh viện lớn nhằm đƣa kĩ thuật này vào điều trị tốt hơn

cho bệnh nhân ung bƣớu.
Thành công nhất tại một số nƣớc nhƣ Mỹ, Nhật, Phần Lan, Mexico…

1.2. Nguyên tắc xạ trị BNCT:[13]
Kĩ thuật xạ trị bắt neutron (BNCT) là một kĩ thuật sử dụng chùm neutron trên
nhiệt để chiếu vào các khối u đã đƣợc nạp sẵn các đồng vị bền B10, các nhân B10
hấp thụ neutron nhiệt sẽ phân hạch tạo ra hạt Alpha (2He4) và hạt nhân Litium (3Li7)
có khoảng chạy trung bình trong mô lần lƣợt 9  m và 5  m bằng với đƣờng kính
của một nhân tế bào và có hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính (LET) rất cao. Vì
khoảng chạy rất ngắn nên tất cả năng lƣợng đều đƣợc giải phóng bên trong tế bào
khối u và nhờ đó tế bào khối u bị tiêu diệt với xác suất cao trong khi đó các tế bào
lành xung quanh không bị nguy hại.
Kĩ thuật này thông thƣờng dùng neutron trên nhiệt nhƣng đối với những khối
u nông nhƣ ngoài da thì phải dùng neutron nhiệt nhằm thực hiện mục đích của kĩ
thuật xạ trị này là tăng số neutron nhiệt đến bắn vào bia Bo10 đã đƣợc định vị sẵn
trong khối u.


11

1.3. Cơ sở vật lí của kĩ thuật xạ trị bằng BNCT:
1.3.1. Phản ứng B10(n,  )Li7 :[13]
 Năng lƣợng Neutron nhiệt

:

0,025 eV

 Tiết diện bắt Neutron nhiệt của Bo10

:

3837 Barn (10-28 m2 )

 Phản ứng sinh ra :
Hạt Alpha (1,47 MeV).
Hạt nhân Li3+ (0,84 MeV).
Một photon gamma (0,44 MeV).
 Quãng chạy trong tế bào :
Alpha (R = 8 m).
Li7 (R = 4,2 m).

(6,3%)

B10 + n1

He4 (1,78 MeV) R = 9,7 m
Li7 (1,01 MeV) R = 4,8 m

(B10)*
(93,7%)

(1.1)

He4 (1,47 MeV) R = 8,0 m
Li7 (084 MeV) R = 4,2 m

(0,44 MeV)

Số phản ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10 sinh ra phụ thuộc vào dòng

neutron nhiệt và nồng độ hạt nhân Bo10 trong tế bào. Dòng neutron càng lớn hay
nồng độ Bo càng cao thì xác suất phản ứng sinh ra càng nhiều dẫn đến khả năng
diệt tế bào càng cao.


12

Ngoài hạt alpha và Litium ra phản ứng còn sinh ra một lƣợng tử gamma có
năng lƣợng khá cao có thể góp phần diệt tế bào bệnh nhƣng khó kiểm soát tác hại
của nó đối với tế bào lành.

1.3.2. Tƣơng tác giữa neutron, hạt nhân nặng mang điện với
vật chất:[4]


Tƣơng tác giữa neutron với vật chất:

Tƣơng tác của neutron với vật chất đƣợc xác định qua lực tƣơng tác giữa
neutron với các hạt vật chất: nguyên tử; trong đó quan trọng nhất là lực tƣơng tác
của neutron với nhân nguyên tử. Độ lớn của tƣơng tác này đƣợc hình thành bởi hai
thành phần: tƣơng tác giữa neutron với điện tử của lớp vỏ nguyên tử và tƣơng tác
giữa neutron với nhân nguyên tử.


Tƣơng tác giữa neutron với điện tử lớp ngoài vỏ nguyên tử:
Vì neutron không mang điện nên giữa neutron và điện tử

không có tƣơng tác Coulomb. Tuy nhiên, cả hai đều có moment từ
nên giữa chúng có tƣơng tác điện từ. Năng lƣợng tƣơng tác điện từ
giữa chúng là:

U  =(  e  n)/r3=0,55.10-31/r3 eV

(1.2)

 e: moment từ điện tử.
 n: moment từ neutron.
r: khoảng cách giữa hai hạt.
Với r =10-11 Cm thì U   10 eV, cỡ thế ion hóa đối với nguyên
tử tức là tƣơng tác từ dẫn đến sự ion hóa. Tiết diện ion hóa do tƣơng
tác từ xấp xỉ 10-23 Cm2, trong khi đó tiết diện ion hóa nguyên tử do
các hạt tích điện là 10-16 Cm2. Do vậy, trong tƣơng tác của neutron
với vật chất thì va chạm ion hóa với nguyên tử là không quan trọng
(trừ các chất sắt từ).


Tƣơng tác neutron với hạt nhân nguyên tử:


13

Khi neutron xuyên qua vật chất thì tƣơng tác quyết định nhất là
tƣơng tác của neutron với hạt nhân nguyên tử qui định bởi lực hạt
nhân. Lực tác dụng giữa neutron và nhân nguyên tử có hai loại :
n-p và n-n.
Khi tƣơng tác với nhân có hai khả năng xảy ra :
1. Neutron bị tán xạ bởi trƣờng lực hạt nhân
2. Neutron bị nhân bắt.
Nói chung có các tƣơng tác cụ thể sau:
1. Tƣơng tác thế, trong đó neutron bị trƣờng hạt nhân lái

đi.
2. Trong sự bắt neutron: năng lƣợng liên kết đƣợc giải
phóng và một phần động năng của nó chuyển thành
năng lƣợng kích thích của hạt nhân trung gian. Khi nhân
trung gian chuyển về trạng thái cơ bản và sẽ:
o Bắt neutron và phát lƣợng tử gamma, ta gọi là
tƣơng tác bắt tia.
o Bắt neutron và phát hạt thì có tƣơng tác biến đổi
nhân và tách nhân.
o Bắt neutron và sau đó phát neutron.
-Nếu sau khi phát neutron mà nhân ở trạng thái
cơ bản, ta có tán xạ đàn hồi qua nhân trung gian.
-Nếu sau khi phát tia mà nhân ở trạng thái kích
thích thì ta có tán xạ không đàn hồi.
Về quá trình có sáu quá trình:
1. Tán xạ đàn hồi: tán xạ thế và tán xạ cộng hƣởng
(n, n).
2. Tán xạ không đàn hồi (n, n’).
3. Bắt tia (n,  ).


14

4. Gây phản ứng sinh một số lớn hạt neutron:
(n,2n), (n,3n).
5. Biến đổi hạt nhân với sự phát hạt tích điện: (n,p),
(n,  ).
6. Tách hạt nhân: (n,f).


Tƣơng tác của các hạt nặng mang điện (alpha, litium, proton...) với

vật chất:[4]
Tƣơng tác chủ yếu của các hạt này với vật chất là ion hóa và kích
thích nguyên tử. Tƣơng tác với nhân cũng nhƣ sự phát bức xạ hãm thƣờng
đóng vai trò thứ yếu có thể bỏ qua.
Do khối lƣợng rất lớn so với electron, nên trong khi va chạm với
electron phƣơng chuyển động của hạt bị thay đổi ít và có thể xem quĩ đạo
của nó là thẳng. Dọc theo quĩ đạo của hạt sẽ xuất hiện rất nhiều electron do
bị ion hóa từ nguyên tử.
Nếu electron bị đứt ra từ lớp trong của nguyên tử, thì chỗ trống do
nó để lại sẽ nhanh chóng bị lấp đầy bởi một electron lớp ngoài. Khi đó nhƣ ta
đã biết ở trên, nguyên tử sẽ phát ra bức xạ đặc trƣng.
Các electron xuất hiện do sự ion hóa (đƣợc gọi là các electron thứ
cấp) có thể có năng lƣợng lớn đủ để có thể tiếp tục ion hóa các nguyên tử
khác, làm xuất hiện những electron mới. Sau khi mất dần năng lƣợng chúng
có thể kết hợp lại với các ion dƣơng; năng lƣợng phát ra khi đó có thể gây
nên những dao động trong mạng vật chất, và làm cho nhiệt độ của vật bị
chiếu xạ tăng lên.
Đặc trƣng cho tốc độ truyền năng lƣợng của hạt do ion hóa các nhà
y học hạt nhân dùng hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính (Linear Energy
Tranfer-LET), theo định nghĩa:
LET = năng lƣợng hạt mất do ion hóa trên một đơn vị chiều dài =

dEion
(1.3)
dx

Để xác định phạm vi tác dụng của hạt ngƣời ta định nghĩa quãng

15

chạy trung bình của hạt trong vật chất là độ dài mà tại đó cƣờng độ của chùm
hạt giảm còn 50 % giá trị ban đầu. Quãng chạy trung bình này phụ thuộc vào
loại hạt, năng lƣợng ban đầu và môi trƣờng vật chất hạt đi qua.

1.3.3. Tƣơng tác alpha, ion Li và cơ chế diệt tế bào của kĩ
thuật BNCT[11][12][4]
Với năng lƣợng cao và khối lƣợng lớn lại là hạt mang điện nên hạt alpha và
ion Li dễ dàng gây ra những rối loạn trong nội bộ tế bào thông qua các tƣơng tác tán
xạ, tƣơng tác điện từ, hấp thụ. Các tƣơng tác này xảy ra giữa sản phẩm của phản
ứng bắt neutron nhiệt của hạt nhân Bo10 với các electron hóa trị hay hạt nhân
nguyên tử. Chính các tƣơng tác đó nếu tại các mối liên kết giữa các phân tử sẽ làm
đứt các mối liên kết ion hay cộng hóa trị từ đó giải phóng hàng loạt các electron tự
do, các electron này chạy hỗn loạn sẽ làm hàng loạt các liên kết bị gãy hay bị hấp
thụ trong nƣớc tạo thành các gốc OH và ion H gây oxi hóa toàn bộ khu vực xảy ra
tƣơng tác. Thông việc làm ion hóa môi trƣờng nếu trong nhân sẽ làm thay đổi cấu
trúc các nhiễm sắc thể, các axit nucleotic, làm rối loạn quá trình tổng hợp axit
nucleotic dẫn đến các chuỗi ADN bị rối loạn hay đứt.
Chính những tƣơng tác trên mà kết quả là tế bào khối u sẽ bị rối loạn trao đổi
chất, mất khả năng sinh sản dẫn đến tế bào khối u bị tiêu diệt. Do quãng chạy của
alpha (R= 8 m) và ion Li (R=4,2 m) chỉ trong phạm vi tế bào nên các tế bào xung
quanh không bị tiêu diệt.

1.3.4. Các tƣơng tác khác xảy ra trong quá trình xạ trị:[13]
Neutron trên nhiệt năng lƣợng khoảng vài eV (0,5eV→10eV)khi chiếu vào
cơ thể chúng sẽ va chạm với các nguyên tử trong cơ thể bị mất một khoảng năng
lƣợng và bị làm chậm chủ yếu bởi nƣớc. Chính hai điều này mà chúng bị mất năng
lƣợng trở thành neutron nhiệt.

Neutron nhiệt năng lƣợng khoảng 0,025 eV ở trong cơ thể có thể sẽ xảy ra
tƣơng tác với các mô và các nguyên tử khác trƣớc khi đập vào bia Bo 10. Những
tƣơng tác chủ yếu là giữa neutron nhiệt với nguyên tử Hidrogen và nguyên tử


16

Nitrogen với xác xuất thấp khoảng vài phần trăm. Nhƣng các phản ứng xảy ra tạo
nên sự thay đổi về hóa học trong môi trƣờng vật chất trong mô.
1
0n

+

1
1H

1
0n

+

7N

14

→

2
1H

(+

→

1
1p

+



)
6C

14

(+  )

Chính các phản ứng đó mà số lƣợng neutron nhiệt đến bia bị giảm đi đáng kể
chúng bị hấp thụ trong nƣớc và trong các chất hữu cơ trong cơ thể, kết quả của sự
hấp thụ đó tạo nên một chuỗi các tia gamma và một số biến đổi hóa học trong vật
chất nhƣ một số liên kết hóa học bị đứt, các nguyên tử không bền mà ở trạng thái
kích thích chúng phát xạ năng lƣợng dƣới dạng lƣợng tử gamma. Các quá trình ở
đây diễn ra rất phức tạp mà hậu quả của nó là tạo một số rối loạn trong quá trình
trao đổi chất của tế bào điều này có thể gây tổn thƣơng thậm chí có thể giết chết tế
bào. Để khắc phục vấn đề này là một bƣớc trong qui trình xạ trị BNCT đó là bƣớc
tụ tiêu chùm hạt mục đích để dòng neutron đến bia là lớn nhất.
Mặt khác trong phản ứng BNC cũng tạo ra một lƣợng tử gamma có năng
lƣợng đáng kể chúng tƣơng tác với vật chất trong tế bào theo các quá trình tán xạ,

quang điện chúng cũng góp phần vào liều hấp thụ trong tế bào.

1.4. Thiết bị phát neutron dùng trong xạ trị BNCT:[13][8]
Thiết bị phát neutron dùng trong xạ trị BNCT bao gồm:
Nguồn neutron.
Bộ lọc.
Hệ thống điều khiển chùm tia.

1.4.1. Nguồn neutron:
1.4.1.1. Những nguồn neutron phù hợp với BNCT:
Trong hiện tại khả năng thử nghiệm lâm sàng của BNCT bị giới hạn và chỉ
những lò nghiên cứu là đƣợc dùng. Và một lò phản ứng còn sử dụng vào nhiều việc
khác ngoài dùng vào BNCT nên trình trạng quá tải thƣờng hay xảy ra. Thêm vào
đó, hầu hết những lò phản ứng thƣờng tách khỏi bệnh viện nên việc thử nghiệm lâm
sàng thƣờng gặp nhiều khó khăn.Chính vì những điều này mà một số dự án nhằm


17

thay đổi những lò phản ứng hiện tại và nhiều nghiên cứu mới về việc thiết lập
BNCT trong những bệnh viện đang đƣợc tiến hành. Những nguồn neutron thỏa mãn
mục đích này bao gồm những lò phản ứng chuyên dụng cho BNCT, máy gia tốc
neutron và những nguồn Cf252 .

1.4.1.2. Sự chuyển đổi những lò phản ứng nhiệt dùng
hệ thống làm chậm và hệ thống lọc:
Mục đích ở đây là chuyển những lò phản ứng nhiệt thông thƣờng thành
những lò chuyên dụng cho BNCT.Có hai phƣơng pháp chuyển đổi dòng neutron từ
lò phản ứng thành dòng neutron dùng vào xạ trị BNCT đó là phƣơng pháp làm
chậm dòng neutron và phƣơng pháp lọc.

Hệ thống làm chậm neutron làm chậm neutron nhanh phát ra từ tâm lò xuống
năng lƣợng thấp hơn là neutron trên nhiệt hay nhiệt tùy theo yêu cầu của xạ trị
BNCT. Dòng neutron phát ra từ lò với độ mở lớn đƣợc đi qua hệ thống làm chậm
hay hệ thống làm chậm kết hợp với hệ thống lọc. Trong trƣờng hợp đối với những
lò có những ống dẫn tia dài và hẹp thì thƣờng chỉ sử dụng hệ thống lọc neutron. Hệ
thống lọc neutron chuyển những neutron phát ra từ lò thành những neutron có năng
lƣợng mong muốn bằng chắn những neutron có năng lƣợng không phù hợp. Chính
vì nhƣ thế mà hệ thống này làm lãng phí nhiều neutron nên khi sử dụng hệ thống
này dòng neutron tới phải lớn. Nếu làm một so sánh về dòng neutron ra phụ thuộc
vào công suất lò phản ứng thì hệ thống làm chậm cho tỉ số dòng neutron trên công
suất lò lớn hơn so với hệ thống lọc. Vì thế trong xạ trị BNCT ngƣời ta thƣờng kết
hợp cả hai hệ thống lại với nhau để đạt dòng neutron phù hợp nhất.

1.4.1.3. Lò phản ứng nhanh:
Trong khi đa số lò phản ứng dùng vào xạ trị BNCT đều là lò phản ứng nhiệt
thì những lò phản ứng nhanh cũng đƣợc sử dụng xuất phát từ nhu cầu sử dụng
neutron nhanh phát ra từ tâm lò. Ngoài ra, một lò phản ứng nhanh sẽ cho tỉ số dòng
neutron trên công suất lò lớn hơn một lò phản ứng nhiệt có cùng công suất. Thêm
vào đó chỉ cần lò phản ứng nhanh có công suất cỡ 5KW là có thể sinh ra lƣợng


18

neutron nhiệt đủ để xạ trị BNCT.Với công suất thấp và tâm lò đặc lò phản ứng
nhanh thực sự là một lựa chọn tốt để dùng vào xạ trị BNCT. Tuy nhiên, lò phản ứng
nhanh cần phải làm giàu nhiên liệu Uranium cao.Thêm vào đó kinh nghiệm ứng
dụng vào xạ trị BNCT của lò phản ứng nhanh còn hạn chế nên làm hạn chế khả
năng ứng dụng của nó.
Để khắc phục những hạn chế của lò phản ứng nhiệt so với lò phản ứng nhanh
ngƣời ta gắn thêm vào lò phản ứng nhiệt hệ thống chuyển đổi phân hạch nhằm làm

tăng tỉ số dòng neutron trên công suất lò.
Hệ thống chuyển đổi phân hạch bao gồm nhiều thanh nhiên liệu nằm theo
hàng nhằm hấp thụ những neutron nhiệt rồi phân hạch cho ra hàng loạt neutron
nhanh sau đó đƣợc làm chậm và lọc.

1.4.1.4.Thiết kế cho lò phản ứng dùng trong BNCT
tƣơng lai:
Một lò phản ứng dùng trong BNCT phải thỏa mãn những yêu cầu sau:
 Về vị trí:
Phải lắp đặt đƣợc trong bệnh viện, những trung tâm đông dân nơi mà
nhu cầu xạ trị BNCT cao.
 Về cấu trúc: Ngoài những cấu trúc của những lò phản ứng dùng trong
BNCT hiện tại lò phản ứng mới cần phải có những cấu trúc sau:
1. Hệ thống làm chậm và lọc neutron.
2. Có nhiều phòng xạ trị.
3. Có tích hợp bộ đo kích hoạt neutron-gamma dùng đo những phân
bố cực nhỏ của Bo trong máu.
4. Có một chùm tia neutron nhiệt có thể dẫn vào xạ nghiên cứu trên
những tế bào thử nghiệm, những con thú nhỏ thử nghiệm hay dùng
vào thử nghiệm việc điều trị những khối u nông.
Với những đặc điểm nhƣ vậy mà việc thiết kế một lò phản ứng mới
vừa an toàn vừa phù hợp với xạ trị BNCT là hoàn toàn khả thi.Tuy nhiên, để
thiết lập một lò phản ứng chuyên dụng cho BNCT thì nhân tố quan trọng


19

nhất là sự đồng ý của cộng đồng và theo nhận định của một số chuyên gia thì
cái giá phải trả cho một lò phản ứng mới loại này là 5 đến 7 triệu Euro, với
loại cũ là 2 đến 4 triệu Euro.

1.4.1.5. Máy gia tốc dùng trong BNCT :
Máy gia tốc đƣợc dùng xạ trị BNCT bởi các lí do:
1. Cộng đồng tán thành hơn lò phản ứng vì độ an toàn cao.
2. Ít rắc rối trong việc đăng kí giấy phép, những giải trình và xử lí rác
thải nhiên liệu hạt nhân.
Tuy nhiên, kĩ thuật làm máy gia tốc dùng trong BNCT không phải đơn giản.
Máy gia tốc sử dụng sóng cao tần là một thiết bị đầy triển vọng dùng gia tốc
dòng proton có thông lƣợng cao và năng lƣợng vƣợt ngƣỡng 1,88MeV cho phản
ứng Li7 (p,n) Be7. Neutron phát ra không cần làm chậm nhiều nhƣ neutron phát
ra từ lò.
 Ví dụ về máy phát neutron sử dụng Cyclotron U-120M:


20

Hình 1.1: Sơ đồ máy phát neutron sử dụng Cyclotron U-120M.
Proton sẽ đƣợc tạo ra từ máy gia tốc LA-OM bằng cách gia tốc hạt nhân
nguyên tử Hidro. Sau đó proton sẽ đƣợc gia tốc tiếp tục khi chuyển đến máy
cyclotron U-120M cho đến khi đạt năng lƣợng khoảng vài chục Mev thì bắn ra đập
vào bia mang hạt nhân nhẹ nhƣ H2, D2, Li tạo phản ứng hạt nhân sinh neutron năng
lƣợng đơn năng khoảng 4-30 MeV, cƣờng độ 108 neutron / xung.s. Và sau đó đƣợc
làm chậm đến năng lƣợng dùng xạ trị bằng cách cho dòng neutron đi qua bộ lọc.

1.4.1.6. Nguồn Califonium:


21

Nguồn Cf252 có cƣờng độ neutron rất phù hợp với xạ trị BNCT. Tuy nhiên, nguồn

phải đƣợc thay thế thƣờng xuyên do thời gian bán rã của đồng vị này là 2,6 năm.
Thêm vào đó, khối lƣợng cần thiết cho một đơn đặt hàng là 1g là rất khó đạt đƣợc.

1.4.2. Sơ lƣợc về một bộ lọc đơn giản dùng trong BNCT:

Hình1.2: Sơ đồ buồng lọc .
Trong đó:
 Core là tâm lò phản ứng.
 Cd sheets là những tấm chắn Cadium.
 Port là cổng ra của neutron sau khi qua bộ lọc.
Neutron phát ra từ lò có nhiều nhóm năng lƣợng gồm: neutron nhanh,neutron
trên nhiệt và neutron nhiệt. Khi qua lớp Al, Al2O3 và các tấm Cadmium neutron
nhiệt sẽ bị hấp thụ, neutron nhanh bị làm chậm chỉ cho ra những neutron có
năng lƣợng trong khoảng trên nhiệt. Đồng thời các lƣới PolyB, Bi hay Pb sẽ hấp
thụ tia gamma (từ lò phát ra hay do phản ứng giữa Cadium và neutron nhiệt), và
các electron phát xạ phát ra từ lò. Các neutron trên nhiệt sẽ qua khe chiếu (port)
ra ngoài.
Nếu cần dùng neutron nhiệt để xạ trị ta có thể rút những tấm Cadium hoặc
thay bộ lọc bằng hệ thống làm chậm là một bồn nƣớc lớn chứa D2O.


22

1.4.3.Hệ thống tụ tiêu chùm neutron:
Mục đích của xạ trị là ta phải cho liều vào khối u là tối đa ngƣợc lại liều vào
mô lành xung quanh phải tối thiểu. Ở đây cũng vậy, chùm neutron phát ra có
khuynh hƣớng khuyếch tán ra môi trƣờng do đó ta phải tụ tiêu chùm tia lại bằng hệ
thống collimator. Do chùm neutron phát ra có năng lƣợng thấp nên dễ dàng lệch
khỏi quĩ đạo do quãng đƣờng từ nguồn neutron đến bệnh nhân nên ở đây ta cần
khoảng 2->3 collimator để nắn dòng gồm collimator trong cùng, collimator trung

gian và collimator bên ngoài. Nhằm đạt lƣợng neutron tia là lớn nhất và đảm bảo an
toàn cho bệnh nhân.
Do những vấn đề nhƣ vậy nên bệnh nhân đƣợc đặt vào sát đầu máy theo
đúng trƣớng chiếu đã định sẵn thông qua hệ thống lập kế hoạch điều trị.
Các collimator ở đây là đƣợc chế tạo đặc biệt dùng cho BNCT có thể chiếu
tia ở các góc  = 00 ; 300 ; 450 ; 600 ; 900 ; 1200 ; 1800 .
Do tính chất đặc biệt của xạ trị BNCT khác với những phƣơng pháp xạ trị
khác collimator làm bằng Uranium nghèo nên ở đây collimator làm bằng chì và
parafin với axit Boric.

1.5. Phƣơng pháp gắn Bo vào khối u:[12]
1.5.1. Hợp chất thuốc dùng trong BNCT:
Đặc tính:
 Không độc hại với cơ thể.
 Dễ truyền vào cơ thể.
 Định dạng chính xác tập trung vào khối u.
 Nồng độ thấp trong tế bào lành.
Hợp chất thƣờng sử dụng:
o Boronophenylalanine (BPA) là hợp chất đặc biệt dùng để gắn
Bo vào khối u.
o Để hợp chất BPA có thể vận chuyển theo máu ngƣời ta gắn
BPA với một gốc đƣờng fructose tạo thành phức chất:


23

BPA-fructose.

o Nồng độ thấp nhất trong khoảng 10-30 g/g khối u nhƣng
trong mô lành hay trong máu không đƣợc vƣợt quá 5 g/g.

Theo đó, ta có thể tính lƣợng thuốc cần thiết bằng cách định
lƣợng khối u trong bệnh nhân.

1.5.2. Cách đƣa hợp chất gắn Bo vào nhân tế bào:
Thông thƣờng ngƣời ta thƣờng tiêm hợp chất ấy vào ngƣời bệnh nhân theo
đƣờng tĩnh mạch .
Cơ chế hoạt động của hợp chất Bo có 8 bƣớc:
1. Hợp chất BPA-fructose đƣợc hấp thụ bởi các thành phần tự do của tế
bào gọi là ligand liposome.
2. Những ligand liposome này có ái lực với một thành phần trên màng
của tế bào ung thƣ đóng vai trò nhƣ một enzim sinh học nên chúng kết
hợp với nhau thông qua liên kết hóa học.
3. Sau khi kết hợp các ligand liposome này xâm nhập vào bên trong tế
bào ung thƣ.
4. Trong tế bào liên kết giữa phân tử Bo với ligand liposome bị phá vỡ.
5. Khi tế bào ung thƣ phân chia các phân tử Bo đƣợc khuyếch tán khắp
nơi trong tế bào bệnh.
6. Các phân tử Bo xâm nhập vào nhân tế bào bệnh.
7. Khi hạt nhân Bo bắt neutron nhiệt.
8. Các hạt nhân Bo10 đã bắt neutron nhiệt bắt đầu phân hạch tạo ra hạt
alpha và hạt nhân Litium làm rối loạn trao đổi chất của tế bào và làm
đứt AND dẫn đến tế bào bệnh chết.


24

Hình 1.3 : Cơ chế hoạt động của hợp chất tải Bo

1.6. Điều kiện xạ trị BNCT:
Để phƣơng pháp xạ trị thành công cần thiết phải có hai điều kiện:

1. Điều kiện về nguồn neutron:
o Thông lƣợng neutron trên nhiệt : 108 đến 1013 neutron/Cm2.s.
o Thông lƣợng dòng neutron phải ổn định .
o Dòng neutron phát ra phải đơn năng.
2. Điều kiện về thuốc:
o Thuốc phải đảm bảo đúng liều nồng độ thấp nhất khoảng:
10->30  g/g khối u.
o Hợp chất tải Bo phải đƣợc hấp thu hoàn toàn vào khối u.
Mối quan hệ giữa hai điều kiện trên: