Tìm hiểu, thực hiện quy trình commissioning máy gia tốc tuyến tính đơn năng unique 6MV, varian tại bệnh viện k3 tân triều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THANH BÌNH

TÌM HIỂU, THỰC HIỆN QUY TRÌNH COMMISSIONING
MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH ĐƠN NĂNG UNIQUE 6MV, VARIAN
TẠI BỆNH VIỆN K3 TÂN TRIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THANH BÌNH

TÌM HIỂU, THỰC HIỆN QUY TRÌNH COMMISSIONING
MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH ĐƠN NĂNG UNIQUE 6MV,
VARIAN TẠI BỆNH VIỆN K3 TÂN TRIỀU

Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐÀM NGUYÊN BÌNH

Hà Nội – Năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, em xin trân trọng gửi lời cảm
ơn đến quý thầy cô thuộc Khoa Vật lý cũng như quý thầy cô trong bộ môn Vật lý
Hạt nhân, trường ĐHKHTN- ĐHQGHN đã có công dậy dỗ và truyền đạt những
kiến thức chuyên môn khoa học cũng như những kiến thức và kỹ năng trong cuộc
sống trong suốt khoảng thời gian em học tập dưới mái trường.
Xin gửi lời cám ơn tới tập thể Khoa Vật lý xạ trị, Bệnh viện K Hà nội, là
đơn vị mà tôi đang công tác, đã tạo điều kiện tốt nhất về thời gian và cơ sở vật
chất để tôi hoàn thiện luận văn này.
Tôi cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới TS. Đàm Nguyên Bình, thuộc đơn
vị Y học hạt nhân, Bệnh viện Quân đội 108 đã tận tình hướng, chỉ bảo và đinh
hướng khoa học để tôi có thể hoàn thiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả những người bạn đã luôn ủng hộ,
động viên và giúp đỡ rất tôi trong suốt thời gian tham gia học tập và hoàn thiện
luận văn và xin gửi lời tri ân tới gia đình đã luôn ở bên cạnh và ủng hộ tôi để có
cơ hội được học tập nâng cao chuyên môn, nghiệp vụ và hoàn thiện tốt nhất cho
luận văn này.
Hà nội, tháng 10 năm 2017
Nguyễn Thanh Bình


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
Chương I................................................................................................................ 3
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Unique 6MV ......................... 3
1.1 Các bộ phận chính của hệ thống máy gia tốc đơn năng Unique 6MV

3

1.2. Các thành phần chính lắp đặt trong cấu trúc khung cố định máy như
sau: ......................................................................................................................... 4
1.2.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần RF: ( Magnetron):. ..................................... 4
1.2.2 Ống dẫn sóng:............................................................................................... 4
1.2.3 Mạch RF:. .................................................................................................... 4
1.2.4 . Hệ thống làm mát:. ..................................................................................... 4
1.3 Các thành phần chính trong giàn thân máy quay: ..................................... 4
1.3.1 Ống gia tốc: ................................................................................................... 4
1.3.2 Súng điện tử:. ............................................................................................... 4
1.3.3 Từ trường uốn:. ............................................................................................ 4
1.3.4 Đầu máy điều trị:. ......................................................................................... 4
1.4 Chi tiết các thành phần chính của hệ thống máy gia tốc tuyến tính dùng
trong xạ trị. ........................................................................................................... 4
1.4.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần Magnetron: .................................................. 4
1.4.2 Ống dẫn sóng. ............................................................................................... 6
1.4.3 Mạch RF: ...................................................................................................... 8
1.4.4 Hệ thống làm mát........................................................................................ 10
1.4.5 Súng điện tử ............................................................................................... 11
1.4.5 Đầu máy điều trị.......................................................................................... 15
1.5 Sự tạo thành chùm tia photon. ...................................................................... 15
1.5.1 Bia tia X ...................................................................................................... 15
1.5.2 Bộ lọc phẳng chùm tia................................................................................ 17
1.5.3 Buồng Ion hóa. [5] ..................................................................................... 18
1.5.4 Bộ chỉ thị vị trí chùm tia. ............................................................................ 20
1.5.5 Hệ thống lọc nêm. ....................................................................................... 21
1.5.6 Hệ thống chuẩn trực định dạng chùm tia ( primary and secondary
collimator)............................................................................................................ 22
1.5.7 Bộ chuẩn trực đa lá ( MLC). ...................................................................... 24

Chương 2: ............................................................................................................ 25


2.1 Tổng quan ...................................................................................................... 25
2.2 Quy trình commissioning là gì? .................................................................... 26
2.3 Một số khái niệm được dùng trong quy trình commissioning. ................ 26
2.3.1 Liều sâu phần trăm – PDD ........................................................................ 26
2.3.2 Vùng cân bằng điện tích ( build-up region). .............................................. 27
2.3.3 Đường cong đồng liều ( Isodose Curves) ................................................... 27
2.3.4 Đường mô tả hình dạng phân bố chùm tia bức xạ ( Dose/ Beam Profile) 28
2.3.5 Hệ số tán xạ ngược ( Backscatter Factor - BF). ........................................ 28
2.3.6 Tỷ số mô không khí (TAR) .......................................................................... 28
2.3.7 Tỷ số mô phantom ( TPR) và tỷ số mô cực đại ( TMR) ............................ 29
2.3.8 Hệ số tán xạ collimator ( Sc/ CSF) ............................................................ 29
2.3.9 Hệ số tán xạ phantom ( Sp / PSR) .............................................................. 29
2.3.10 Hệ số liều tương đối ( hệ số liều đầu ra )- RDR (OF) ............................. 29
2.3.11 Hệ số truyền qua wedge (WF) ................................................................. 30
2.3.12 Góc nêm. ................................................................................................... 30
2.3.13 Kích thước trường chiếu xạ...................................................................... 30
2.4 Quét thu nhận dữ liệu chùm photon. .......................................................... 30
2.4.1 Tiêu chuẩn đánh giá chùm tia photon 6MV theo IAEA .......................... 30
2.4.2 Đặc tính chùm tia photon 6MV theo bảng chi tiết kỹ thuật của nhà sản
suất. ...................................................................................................................... 31
2.5 Đo lường thu nhận dữ liệu chùm photon. ................................................. 33
2.5.2 Yêu cầu dữ liệu chùm tia cho PDD và profile đối với các dạng trường
chiếu ..................................................................................................................... 33
2.5.2.1 Liều sâu phần trăm - PDD...................................................................... 33
2.5.2.2 Profile chùm tia. ...................................................................................... 34
2.5.2.3 Dữ liệu các liều điểm chùm photon ....................................................... 35
Chương 3 ............................................................................................................. 36

3.1 Mô tả thiết bị................................................................................................. 36
3.1.1 Máy gia tốc Unique 6MV Varian ............................................................... 36
3.1.2 Hệ thống thiết bị đo liều. ............................................................................ 37
3.1.3 Các bước tiến hành đo lường ghi nhận kết quả. ...................................... 38
3.1.4 Kết quả đo dữ liệu chùm Photon. .............................................................. 40
3.1.4.1 Liều sâu phần trăm trường chiếu mở. ................................................... 40
3.1.4.2 Liều sâu phần trăm trường chiếu có wedge........................................... 42
3.1.4.3 Profile trường chiếu mở. ........................................................................ 46


3.1.4.4 Profile trường chiếu wedge. .................................................................... 47
3.1.4.5 Nhóm dữ liệu đo theo điểm. .................................................................... 51
3.1.5 Kiểm tra tính chính xác kết quả quy trình commissioning ................... 54
3.1.5.1Chuẩn bị trang thiết bị thực hiện. ........................................................... 55
3.1.5.2.2Đo kiểm tra lập kế hoạch trên TPS và liều thực tế máy phát tia: ....... 57
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 62


BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH – VIỆT

STT
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

Tiếng Anh
Gantry
Stationary structure
Treatment couch
Megnetron
Linac
Bremsstralung
Servo
Wedge
Beam Limited Device
Isodose curves

Collimator
Commissioning
Buil-up Region
Beam Profile
Output factor
Symmetry
Flatness
Isocenter
Pen. Left - Right
Tray Factor
Block Factor
Measured Dose
Reading
Test Pattern
Square Field
Rectangular Field

Tiếng Việt
Giàn thân máy quay
Cấu trúc cố định của máy
Giường điều trị
Thiết bị tạo sóng cao tần
Máy gia tốc tuyến tính
Bức xạ hãm
Mạch đáp ứng tín hiệu
Nêm lọc
Thiết bị định dạng chùm tia
Đường cong đồng liều
Ống chuẩn trực chùm tia
Quy trình vận hành thiết bị để chấp thuận đưa

máy vào sử dụng điều trị lâm sàng
Vùng cân bằng điện tích
Hình dạng chùm tia
Hệ số liều đầu ra
Tính đối xứng chùm tia
Tính bằng phẳng chùm tia
Vị trí đồng tâm
Vùng bán dạ trái - phải
Hệ số truyền qua khay
Hệ số truyền qua Block
Liều đo được
Số đếm ghi nhận bằng liều lượng kế

Mẫu kiểm tra
Trường chiếu vuông
Trường chiếu chữ nhật


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Chú giải

Chữ viết tắt

Chú giải

MLC

Multileaf Collimator

Asym

Asymmetry

W

Wedge

FS

Field Size

WF

Wedge Field

W15R

Wedge 15 Right side at Out side

OF

Open Field

W30Out

Wedge 30 thin end at Out side

OFs

Output Factors

W45IN

Wedge 45 thick end at Out side

ATP

Acceptant test procedure

FWHM

Field With Half Max

PDD

Percentage Depth Dose

CAT

Custormor Acceptance Test

BSF

Back Scatter Factor

AT

Acceptance Test

TMR

Tissue Maxium Ratio

Cal Dose

Calculator Dose

CSF -Sc

Collimator Scatter Factor

AAA

Anisotropic Analytical Algorithm

SPF - Sp

Scatter Phantom Factor

PBC

RDR - OFs

Relative Dose Ratio
APW15L20
International Commission on
Radiation Units and Measurements LAO

International Atomic Energy
Agency
LPO

Pencil Beam Convolution
Anterior Post Wedge15 Left side at
Out side

ICRU
IAEA

Dmax, D5, D10,
D20
Dose at Zmax, 5, 10, 20cm

Left Anterior Oblique
Left Post Oblique

RL

Right Left

Qi
R100, R80,
R50

Beam Quality

Dx

Dose value at user selected depth

Depth at Zmax, 80%, 50%

%diff

Different Percentage

SSD

Source Skin/ Surface Distance

DW

Dynamic Wedge

MLC Trans

MLC Transmission


DANH MỤC CÁC HÌNH

STT
Hình 1.1
Hình1.4.1
Hình 1.4.2a
Hình 1.4.2b
Hình 1.4.3a
Hình 1.4.3b

Hình 1.4.3c
Hình 1.4.5
Hình 1.4.6a
Hình 1.4.6b
Hình 1.5.1a
Hình 1.5.1b
Hình 1.5.2
Hình 1.5.3
Hình 1.5.5
Hình 1.5.6
Hình 1.5.7
Hình 2.3.2
Hình 2.3.6
Hình 2.3.7
Hình 2.4.2
Hình 2.5.2.1
Hình 2.5.2.2
Hình 3.1.1a
Hình 3.1.1b
Hình 3.1.2
Hình 3.1.3
Hình 3.1.4.1a
Hình 3.1.4.1b
Hình 3.1.4.1c
Hình 3.1.4.2a
Hình 3.1.4.2b
Hình 3.1.4.2c
Hình 3.1.4.3
Hình 3.1.4.4a
Hình 3.1.4.4b

Hình 3.1.4.2a
Hình 3.1.5.2.1

Nội dung
Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc tuyến tính
Bộ cung cấp sóng RF- Magnetron
Mô hình ống gia tốc
Minh họa chuyển động sóng đứng
Vị trí mạch RF trong máy gia tốc tuyến tính
Bộ chuyển 4 cổng
Minh họa hoạt động bộ chuyển bốn cổng
Minh họa súng điện tử được gắn ở đầu lối vào ống gia tốc
Sơ đồ của ba hệ thống uốn chùm electron
Uốn chùm tia góc 90 độ trong mặt phẳng quỹ đạo của electron
Mô tả chi tiết cấu hình thiết bị trong đầu máy Gia tốc
Bia tia X
Mô tả bộ lọc phẳng chùn tia theo hướng nhìn nguồn - đích
Buồng ion hóa kiểm soát chùm tia
Các nêm vật lý
Sơ đồ mô tả bộ định dạng chùm tia
Mô tả chi tiết vị trí và cấu hình bộ chuẩn trực đa lá MCL
Mô hình mô tả vùng cân bằng điện tích
Mô hình thiết lập phép đo ghi nhận TAR
Mô hình thiết lập phép đo ghi nhận TMR
Mô tả đường profile chùm photon với FS 10x10
Mô tả phép đo PDD
Mô tả phép đo Profile
Máy Gia tốc Varian Unique
Sơ đồ khối mô tả kích thước hình dạng ngoài của máy
Giao diện phần mềm MEPHYSTO Navigator

Mô tả thiết bị
Kết quả đo PDD với FS tiêu chuẩn 10X10cm2
Phân tích kết quả đo PDD trường chiếu mở

Trang
1
3
4
5
7
7
8
9
11
13
14
15
16
16
19
20
22
27
28
29
32
33
35
36
37

38
39
40
41
Đường cong mô tả liều sâu phần trăm với các FS khác nhau
41
2
42
Kết quả đo PDD với FS tiêu chuẩn 10X10cm , W15
Phân tích kết quả đo PDD trường chiếu có Wedge
43
Đường cong mô tả liều sâu phần trăm với trường chiếu có wedge 44
46
Đường profile với trường chiếu mở kích thước 10x10cm 2
Đường Profile với W15
48
Đường Profile với W60
49
Đường profile trường chiếu W15, FS 10x10
50
Sơ đồ bố trí phép đo chuẩn liều máy
55


DANH MỤC CÁC BẢNG

STT

Nội dung

Bảng 2.4.2

Đặc tính chùm bức xạ photon 6MV

31

Bảng 3.1.4.1

Kết quả phân tích đường PDD chùm photon 6MV …

40

Bảng 3.1.4.2

Bảng kết quả ghi nhận các giá trị dữ liệu profile chùm tia với FS
10x10 và W15

42

Bảng 3.1.4.2a

Bảng kết quả xử lý đường profile chùm tia với W15

44

Bảng 3.1.4.2b

Bảng kết quả xủa lý đường profile chùm tia với W30

44

Bảng 3.1.4.2c

Bảng kết quả xủa lý đường profile chùm tia với W45

45

Bảng 3.1.4.2d

Bảng kết quả xủa lý đường profile chùm tia với W60

45

Bảng 3.1.4.3a

Bảng ghi nhận kết quả profile trường chiếu mở FS 10x10
Bảng ghi nhận kết quả profile trường chiếu mở FS 10x10 xử
lý trong exel
Bảng ghi nhận kết quả profile trường chiếu mở FS 20x20 xử
lý trong exel

46

Bảng 3.1.4.3b
Bảng 3.1.4.3c

Trang

47
47

Bảng 3.1.4.5.2a

Bảng dữ liệu đường Profile với FS 10x10 tại ở các độ sâu khác
nhau và W15
Bảng dữ liệu hệ số suất liều đầu ra của máy với trường chiếu mở
tại d10
Bảng dữ liệu hệ số suất liều đầu ra của máy với trường chiếu
W15

Bảng 3.1.4.5.2b

Bảng dữ liệu hệ số suất liều đầu ra của máy với trường
chiếu W60

52

Bảng3.1.4.5.3a

Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua wedge

53

Bảng 3.1.4.4
Bảng 3.1.4.5.1

51
51
51

Bảng 3.1.4.5.3b Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua MLC

54

Bảng 3.1.4.5.3c

54

Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua Tray

Bảng 3.1.4.5.3d Bảng hệ số hiệu chỉnh truyền qua Block
Bảng so sánh kết quả đối chiếu liều phát tia thực tế và liều
Bảng 3.1.5.2.2a lập kế hoạch trên TPS đơn trường chiếu
Bảng so sánh kết quả đối chiếu liều phát tia thực tế và liều
Bảng 3.1.5.2.2b lập kế hoạch trên TPS trường chiếu tổ hợp

54
65
66


LỜI MỞ ĐẦU
Năm 1949 Newberry đã tiến hành nghiên cứu và phát triển máy gia tốc tuyến
tính theo yêu cầu của một trung tâm xạ trị tại nước Anh. Sau đó ba năm, máy gia tốc
tuyến tính đầu tiên 8MV đã được đưa vào lắp đặt và sử dụng trong điều trị lâm sàng
tại Bệnh viện Hammersmith, nằm ở phía tây của Luân Đôn từ cuối năm 1952 và “
XẠ TRỊ - RADIOTHERAPY ” đã sớm trở thành một phương thức điều trị ung
thư hữu hiệu tại nhiều trung tâm xạ trị ở nhiều nước trên thế giới (1,2).
Tại Việt Nam, việc ứng dụng máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị ung
thư được đưa vào áp dụng điều trị lâm sàng thường quy từ đầu những năm 2000 tại

Bệnh viện K trung ương, đặt nền móng cho ngành xạ trị ung thư sử dụng trang
thiết bị tiên tiến đầu tiên tại Việt Nam. Trong khoảng một vài thập niên phát triển
sau đó, một loạt các Bệnh viện lớn nhỏ như Bệnh viện Bạch Mai, Viện 108, Ung
bướu TP. Hồ Chí Minh… trang bị các máy gia tốc xạ trị nhằm đáp ứng số lượng
bệnh nhân ung bướu ngày càng tăng tại Việt nam. Đặc biệt là 5 năm trở lại đây, khi
mà số trung tâm xạ trị, Bệnh viện vệ tinh có khoa xạ trị, kèm số lượng trang thiết bị
xạ trị đặc biệt phát triển “nóng”.
Sau hơn nửa thế kỷ phát triển, máy gia tốc tuyến tính ứng dụng trong y tế
mang trong mình tổ hợp của nhiều ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ hiện đại
phức tạp, kèm theo đó là “ sản phẩm ” đầu ra của nó là “ vô hình” sẽ là thách thức
không nhỏ đối với bất kỳ ai muốn tìm hiểu và khai thác sử dụng nó an toàn và hiệu
quả cho mục đích chăm sóc và điều trị cho con người. Đặc biệt là đối với Việt
Nam, nơi mà chưa có một trung tâm đào tạo chính quy nào trên toàn lãnh thổ Việt
Nam có nội dung chương trình đào tạo đáp ứng tiêu chuẩn đào tạo về ngành khoa
học máy gia tốc và vật lý trong y tế theo tiêu chuẩn của IAEA.
Việc đưa vào sử dụng điều trị lâm sàng trên cơ thể con người với trang
thiết bị có công nghệ hiện đại và phức tạp như vậy là cả một vấn đề lớn đối với một
1


cơ sở xạ trị. Nhất là khi bằng mắt thường chúng ta không thể nào thấy được hình
dáng của chùm bức xạ photon. Chính vì vậy, đây là lý do mà tôi lựa chọn đề tài luận
văn “ tìm hiểu về quy trình commissioning”, với mong muốn được tìm hiểu “ đặc
điểm đặc trưng ” của chùm photon, làm cơ sở xây dựng các chương trình đảm bảo
an toàn và chất lượng trong điều trị ung thư. Luận văn được trình bày ba nội dung.
Nội dung thứ nhất là giới thiệu tổng quan về nguyên lý cấu tạo máy gia tốc tuyến
tính. Phần thứ hai tìm hiểu về quy trình và những nội dung cần thực hiện trong khi
thực hiện quy trình. Phần cuối luận văn đánh giá kết quả thực hiện của quy trình.

2

Chương I
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Unique 6MV
1.1 Các bộ phận chính của hệ thống máy gia tốc đơn năng Unique 6MV (3,4)

H
G
S
Giàn

T

Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc tuyến tính
Về cơ bản máy gia tốc đơn năng 6MV Unique cũng như các máy gia tốc tuyến
tính khác ứng dụng trong xạ trị ung thư gồm các thành phần chính sau: ( H - Head):
Đầu máy điều trị, ( G - Gantry): giàn thân máy quay được quanh trục 1800 theo
chiều ngược hoặc thuận chiều kim đồng hồ, (S-Stationary Structure): Cấu trúc
khung cố định thân máy và (T- Treatment Couch): Giường điều trị.
Khung cố định thân máy được cố định chặt xuống sàn phòng điều trị và giàn
thân máy quay được gắn cố định vào khung cố định và có thể quay theo chiều thuận
và ngược chiều kim đồng hồ 1800. Cấu trúc gia tốc được đặt trong giàn thân máy
quay, và được quay quanh trục nằm ngang và được cố định bởi khung cố định máy.
3


1.2 . Các thành phần chính lắp đặt trong cấu trúc khung cố định máy như sau:
1.2.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần RF: ( Magnetron): được cố định ở trên đỉnh
bên trong cấu trức giàn cố định thân máy, nó là một bộ dao động và tạo ra sóng
RF. Kết quả này thu được là do sự kết hợp tương tác giữa lực điện trường và

lực từ trường. Magnetron bao gồm một cathode hình trụ được bao xung quanh
bởi một anode nhiều khoang.
1.2.2 Ống dẫn sóng: mang nguồn công suất vi sóng tới cấu trúc gia tốc trong giàn
thân máy quay.
1.2.3 . Mạch RF: Gồm ống dẫn sóng cao tần và bộ chuyển 4 cổng: Sóng RF được
tạo ra từ Magnetron được dẫn qua ống dẫn sóng cao tần. Mạch chuyển 4 cổng
cho phép sóng RF đi từ Magnetron tới ống dẫn sóng 1 chiều, ngăn các sóng
phản xạ làm ảnh hưởng tới nguồn sóng RF ban đầu.
1.2.4 . Hệ thống làm mát: Làm mát hệ thống máy gia tốc bằng cách giải phóng
năng lượng nhiệt và thiết lập sự ổn định nhiệt độ và vận hành đối với cấu trúc
gia tốc và tạo chùm bức xạ photon.
1.3 Các thành phần chính trong giàn thân máy quay:
1.3.1 Ống gia tốc: một loạt các khoang vi sóng được cấp năng lượng bởi nguồn vi
sóng được cung cấp bởi Magnetron qua ống dẫn sóng.
1.3.2 Súng điện tử: Cung cấp nguồn electron đưa vào ống dẫn sóng.
1.3.3 Từ trường uốn: uốn chùm electron phát ra từ cấu trúc gia tốc quanh một
đường vòng nhằm hội tụ chùm electron trên bia để tạo ra các tia X hoặc sử dụng
chùm electron trực tiếp cho điều trị.
1.3.4 Đầu máy điều trị: gồm các thiết bị định dạng và kiểm soát chùm tia theo mục
đích điều trị.
1.4

Chi tiết các thành phần chính của hệ thống máy gia tốc tuyến tính dùng
trong xạ trị.

1.4.1 Nguồn cung cấp sóng cao tần Magnetron:

4

Hình 1.4.1 : Bộ cung cấp sóng RF- Magnetron
Magnetron được đặt ở phía trên đỉnh của khung giàn cố định thân máy. Về bản
chất, magnetron là một thiết bị tạo ra sóng siêu vi hay sóng cao tần như sóng viba
trong lò vi sóng. Nó hoạt động như một bộ dao động công suất cao, tạo ra các xung
vi sóng trong thời gian vài micro giây và với tốc độ lặp lại vài trăm xung mỗi giây.
Tần số của vi sóng trong mỗi xung là khoảng 3.000 MHz. Các magnetron có cấu tạo
hình trụ, có một cathode ở trung tâm và một anode ở phía ngoài với các khoang
cộng hưởng chế tạo từ các miếng đồng rắn. Không gian giữa cathode và anode được
hút chân không. Các cathode được làm nóng bởi một dây tóc bên trong và các
electron được tạo ra bởi sự phát xạ nhiệt. Một từ trường tĩnh được đặt vuông góc với
mặt phẳng của mặt tiết diện cắt ngang của khoang và một xung điện trường DC(
dòng điện một chiều) được đặt vào giữa cathode và anode. Các electron phát ra từ
catốt được gia tốc về phía cực dương do tác động của các xung điện trường DC.
Dưới ảnh hưởng đồng thời của từ trường, các electron chuyển động dưới dạng xoắn
ốc phức tạp về phía các khoang cộng hưởng, tỏa năng lượng dưới dạng sóng viba.
Các xung vi sóng viba được tạo ra, được dẫn đến cấu trúc gia tốc thông qua ống dẫn
5


sóng. Thông thường, magnetron hoạt động ở công suất từ 2 MW để cung cấp năng
lượng cho máy gia tốc năng lượng thấp (6 MV hoặc ít hơn). Mặc dù trước đây hầu
hết các máy gia tốc năng lượng cao hơn 6MV phải sử dụng nguồn phát sóng dạng
klystron, vừa là bộ dao động tạo sóng cao tần vừa là bộ khuếch đại làm tăng năng
lượng của nguồn sóng RF, tuy nhiên ngay nay công nghệ cho phép các máy gia tốc
năng lượng cao tới 25 MeV đã được thiết kế có thể sử dụng magnetron cho công
suốt điện khoảng 5 MW.
1.4.2 Ống dẫn sóng.
Ống dẫn sóng được dùng để truyền sóng cao tần tới cấu trúc gia tốc chùm
điện tử, nó có cấu tạo là một loạt các ống rỗng liên kết với nhau dạng hình trụ. Ống
dẫn sóng được lấp đầy Sulphur hexafluride ( SF6 ), là loại chất khí trơ không độc hại.

SF6 hội tụ rất nhiều những ưu điểm như là một chất khí cách điện, không độc, không
cháy và được đặc trưng bởi một loạt những đặc tính làm mát, cho phép loại trừ các
tia lửa điện do sự tuyền năng lượng cao của sóng RF, do đó hạn chế tối đa sự mất
nặng lượng khi truyền sóng RF tới cấu trúc gia tốc. Tại điểm cuối của khoang ống
dẫn sóng là một đĩa ô xít nhôm Al2O3 trong một ống bọc ngoài bằng đồng cho
phép sóng RF truyền qua nhưng vẫn cách ly loại bỏ được chất khí lấp đầy trong ống
dẫn sóng RF khỏi môi trường chân không trong cấu trúc gia tốc.

Hình 1.4.2a : Mô hình ống gia tốc
6


Cấu trúc ống gia tốc sóng đứng dùng trong máy Unique cho phép sóng di
chuyển đến cuối ống dẫn sóng, và phản xạ ngược lại bằng các đĩa phản xạ. Khi sóng
tới và sóng phản xạ dịch chuyển ngược chiều nhau, tác động lẫn nhau và hình thành
một sóng mới
– loại sóng đứng. (1)

Hình 1.4.2b: Minh họa chuyển động sóng đứng

7


Sóng đứng có các điểm cố định không bao giờ phải trải qua bất kỳ sự dịch
chuyển nào gọi là các nút sóng. Các nút sóng là kết quả của sự giao thoa triệt tiêu
nhau của hai sóng đang di chuyển, nghĩa là, hai sóng hủy nhau. Ở giữa mỗi hai nút
liên tiếp nhau là các điểm trải qua sự dịch chuyển cực đại, được gọi là các phản nút.
Phản nút là các điểm giao động qua lại lẫn nhau giữa các điểm dịch chuyển biên
độ cực đại âm và dương. Phản nút là kết quả của một tổ hợp giao thoa tăng cường và
giao thao giảm của hai sóng đang di chuyển và khi đó hai sóng hình thành lên sóng

đứng hoàn thành một chu kỳ di chuyển, do đó sóng đứng có biên độ gấp 2 lần sóng
di chuyển ban đầu. Hình 4 mô tả đặc trưng của dao động sóng đứng, các đường kẻ
mô tả biên độ của của sóng tại các điểm theo thời gian. Các electrons đi vào một
khoang tại điểm tối ưu trong chu kỳ sóng ( các khoang C và G tại điểm 1 và các
khoang A và E tại điểm 2) sẽ thấy bản thân chúng được gia tốc. Khi sóng đứng là tổ
hợp của hai sóng, hợp lực tác động lên electron sẽ lớn hơn. Chú ý rằng vì các nút
sóng luôn cố định một chỗ, các khoang khác ( các khoang B, D và F ) luôn có từ
trường bằng 0 và vì vậy chúng không đóng góp vào việc tăng tốc chùm điện tử. Về
mặt thực hành các khoang chứa các nút sóng có thể được loại bỏ ra khỏi cấu trúc gia
tốc, làm cho chiều dài tổng thể của ống dẫn sóng ngắn hơn.
1.4.3 Mạch RF:
Mạch RF có cấu tạo gồm ống dẫn sóng kết nối với bộ chuyển 4 cổng. Khi nguồn
sóng truyền qua ống dẫn sóng, nên không có sóng RF phản xạ trở lại nguồn cung
ban đầu từ magnetron. Ống dẫn sóng được lấp đầy SF6 tại áp suất 25 psi, là chất
điện môi tốt hơn không khí. Một bộ khớp xoay được đảm bảo cho hệ thống vận
hành an toàn về cơ khí. Bộ chuyển bốn cổng có tác dụng ngăn chặn sóng vi ba phản
xạ trở lại nguồn cấp ban đầu. Nguồn sóng phản xạ lại được dẫn tới cổng HP (High
power load) tại đó sóng phản xạ bị triệt tiêu dưới dạng nhiệt.

8


Magnetron

Bộ chuyển 4
cổng
RF Circuit
Ống dẫn sóng
vi ba

Bộ khớp xoay

Hình 1.4.3a :Vị trí mạch RF trong máy gia tốc tuyến tính.

Hình 1.4.3b :Bộ chuyển 4 cổng.
9


Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển 4 cổng: Sóng RF tới, bắt nguồn từ
Magnetron đi qua cổng 1 ( cổng H) sẽ tách ra làm hai sóng đi theo hai nhánh A và B
như trong hình. Hai sóng này có cùng tần số và pha sẽ được kết hợp lại thành một và
đi qua cổng E.
Đặc tính này dựa trên yếu tố hình học chữ T ( Cổng vào H và hai nhánh A, B tạo
thành hình dạng chữ T) và tác dụng của trường điện từ. Bộ lọc pha được dùng để
đảm bảo rằng hai sóng phải cùng pha khi chúng tái kết hợp.

Hình 1.4.3c: Minh họa hoạt động bộ chuyển 4 cổng
Hầu hết các sóng RF tới, thoát qua cổng số 2 ống dẫn sóng. Các sóng phản xạ
RF, có nguồn gốc từ ống dẫn sóng, đi vào cổng 2 và được chuyển hướng đến cổng số
3. Cổng số 3 được kết nối với một tải công suất cao làm mát bằng nước; nguồn sóng
phản xạ sẽ được tiêu tán dưới dạng nhiệt.
1.4.4 Hệ thống làm mát.
Máy gia tốc cần hệ thống làm bởi các lý do sau
-

Làm tản nhiệt.

-

Duy trì cho bộ phận tạo sóng RF ổn định ở một nhiệt độ phòng ổn định. Hệ

thống máy Varian Unique 6MV được làm mát bởi:

-

Một mạch nước cơ sở, có thể dẫn từ nguồn nước của bệnh viện đi theo hệ
thống ống dẫn tới các bộ phận cần tản nhiệt.

-

Một mạch nước chạy kín bên trong hệ thống máy.

-

Bằng không khí ( nhiệt độ phòng máy luôn đảm bảo < 220 C).

-

Bằng dầu ( Magnetron)
10


1.4.5 Súng điện tử
Có hai loại súng điện tử được sử dụng làm nguồn điện tử trong các máy gia tốc
xạ trị: diode và triode. Như đựợc trình bày trong hình 7, cả hai loại đều chứa cathode
được đốt nóng và anode được đục lỗ, nối đất, trong súng điện tử ba cực còn có một
lưới.

Hình 1.4.5 : Súng điện tử được gắn ở đầu lối vào ống gia tốc

Các điện tử được phát ra từ các cathode nung nóng, hội tụ thành một chùm

tia hình bút chì bằng một điện cực hội tụ và được gia tốc về phía anode dạng có lỗ
đục, chùm điện tử đi qua lỗ đó để đi vào ống dẫn sóng gia tốc. Cathode bị nóng lên
trực tiếp hoặc gián tiếp và chúng làm cho các diện tích nằm trong một vùng bị giới
hạn thoát ra khỏi vùng giới hạn đó. Sự lựa chọn này phụ thuộc vào tiêu chí thiết kế
đặc biệt với chùm điện tử cần đạt trong ống dẫn sóng gia tốc. Súng điện tử đuợc đặt
tiếp xúc với ống dẫn sóng gia tốc sóng đứng. Trường tĩnh điện được sử dụng để gia
tốc điện tử trong súng điện tử hai cực, được cung cấp trực tiếp bộ điều chế xung dưới
dạng một xung âm tới cathode. Trong súng điện tử ba cực, cathode được giữ ở điện
thế âm tĩnh (thường là -20 kV), được quyết định bởi năng lượng điện tử cần thiết
11


ban đầu. tại lối vào ống dẫn sóng. Như ta đã biết, các điện tử phun vào cần phải đáp
ứng điều kiện bắt giữ. Ví dụ, chiếm được năng lượng đủ lớn, để được gia tốc một
trường RF không được điều chế. Lưới của súng ba cực thường được giữ ở điện áp
âm hiệu quả với cathode để ngắt dòng điện tới anode. Sự phun điện tử vào ống dẫn
sóng gia tốc được điều khiển bằng xung cung cấp cho bộ phát vi sóng. Điện áp trong
khoảng -150V tới +180V tương ứng với điện áp cathode đặt vào lưới để điều khiển
dòng súng điện tử. Tại điện áp -150V, không có điện tử nào tới được anode. Tuy
nhiên, khi điện thế cathode trở nên dương hơn, súng điện tử bắt đầu cung cấp điện
cathode trở nên dương hơn, súng điện tử bắt đầu cung cấp điện tử cho ống dẫn sóng
gia tốc, điện áp dương lớn hơn trên lưới sẽ tương ứng với điện áp cathode, dòng của
súng điện từ sẽ lớn hơn.
1.4.6 Từ trường uốn
Từ trường uốn có cấu tạo là một thành phần bên trong của hệ thống vận chuyển
chùm electron trong máy gia tốc tuyến tính tại các mức năng lượng trên 6 MeV,
trong đó các ống dẫn sóng gia tốc là quá dài đối với cấu trúc chùm tia đi thẳng. Do
đó, như minh hoạ ở hình 1.4.6a, ống dẫn sóng gia tốc được gắn song song với trục
quay của dàn quay chùm electron cần phải được uốn cong để tới đập vào bia tia X
để sinh ra bức xạ photon hoặc chùm electron đi qua khe hẹp nếu máy có chế độ phát

tia bức xạ electron. Có ba hệ thống uốn chùm electron đi qua cửa sổ được minh hoạ
ở hình 12, đó là: (1) Uốn góc 900, (2) uốn góc 2700 và(3) uốn góc 112,50.

12


Hình 1 . 4 . 6 a : Sơ đồ của ba hệ thống uốn chùm electron: (a) uốn góc 900, (b) uống góc 2700, (c) hệ thống
thích hợp từ trường 450 và từ trường 112,50.

Hệ thống uốn góc 900 là đơn giản nhất trong hệ thống. Tuy nhiên, vì từ trường uốn
góc 900 hoạt động như một phổ kế, trong đó electron năng lượng cao trong phổ của
chùm electron sẽ được uốn ít hơn các electron mang năng lượng thấp, nên tiêu
điểm bia bị kéo dài ra theo dọc tạo nên một hình elip.
Các điện tử xuất hiện từ ống gia tốc đi vào ống dẫn sóng và vào một tổ hợp
chân không phẳng được đặt giữa các điện cực phẳng song song của một từ trường
lưỡng cực. Đối với loại máy phát một mức năng lượng photon thì từ trường này có
thể coi là một nam châm vĩnh cửu, nhưng thông thường một máy có thể phát nhiều
mức năng lượng nên điện trường sử dụng cần nhiều mức năng lượng điện trường
cần được sử dụng cần nhiều mức năng lượng khác nhau để uốn một cách chính xác
chùm tia điện tử. Bán kính cong của chùm tia hoạt động như một phổ kế năng
lượng. Khi năng lượng của điện tử càng cao thì phổ càng nhỏ và ngược lại, vì vậy
phải giữ cho cả điện trường và năng lượng của chùm điện tử ổn định. Trên hình

1.4.6a(a) cho thấy nếu một điện tử chuyển động theo quãng đường dài hơn sẽ bị uốn
cong nhiều hơn trong điện trường (đường đứt nét), còn điện tử chuyển động theo
quỹ đạo ngắn hơn sẽ bị uốn cong ít hơn (đường liền nét). Hai điện tử này sẽ được
13


hội tụ tại một điểm nhưng khi chúng rời khỏi hệ từ trường uốn sẽ chuyển động theo

các hướng phân kỳ. Cho nên điều quan trọng là phải lái chùm tia một cách chính
xác vào buồng uốn con theo đúng cả vị trí lẫn hướng.

Hình 1.4.6b: Uốn chùm tia góc 900 trong mặt phẳng quỹ đạo của electron

Hệ thống uốn góc 2700 là tiêu sắc (achromatic), cung cấp các electron với
đường đi dài trong từ trường. Nó hội tụ lại sự trải phổ electron, trải phổ trực tiếp và
cho một tiêu điểm nhỏ nếu như bia tia X được đặt ở trung tâm của trường uốn. Một
vài thiết kế đã có trên thị trường hiện nay, một số dựa trên các khối từ trường đơn, số
khác lại dựa trên khối từ trường đa. Hầu hết các hệ thống phù hợp với năng lượng
chùm tia, nó sẽ bỏ đi các electron không nằm trong 5% năng lượng tia danh định. Hệ
thống uốn góc 112,50 (hệ thống slalom) có nhiều ưu điểm hơn hệ thống uốn 900 và
2700.
Cả hai hệ thống uốn góc 900 và 2700 đều không thật là lý tưởng vì hệ thống
uốn góc 900 sẽ có hiện tượng tán xạ, còn hệ thống uốn 2700 thì làm cho đầu máy phải
nâng cao hơn. Hệ thống uốn góc 112,50 sẽ khắc phục được hạn chế này. Hệ thống
bao gồm 3 phần mà các điện tử nó sẽ đi qua và được uốn. Phần thứ nhất làm lệch các
điện tử một góc 450 và và đóng vai trò như một phổ kế, các điện tử có năng lượng
14


lớn sẽ được làm chênh lệch một góc nhỏ hơn 450 còn các điện tử có năng lượng lớn
sẽ được làm lệnh một góc lớn hơn 450. Sau đó các điện tử sẽ đi vào phần uốn thứ hai
và cũng được làm lệch một 450 nhưng theo chiều ngược lại trong quá trình này điện
tử bắt đầu được hội tụ. Phần uốn cuối cùng với một góc 112.50 sẽ hoàn thiện việc hội
tụ năng lượng sao cho toàn bộ các điện tử sẽ xuất hiện tại cùng một hướng. Chùm
tia hội tụ sẽ đập vào bia tia - X với tiết diện khoảng 2mm.
1.4.5 Đầu máy điều trị.
Các electron phát ra từ súng điện từ, sau khi được gia tốc trong cấu trúc gia tốc và
bẻ cong quỹ đạo trong cấu trúc từ trường uốn thì sẽ tạo ra một chùm electron tập

trung hẹp, dưới dạng một chùm tia hình bút chì ( Pencel beam), ít được sử dụng trực
tiếp để điều trị cho bệnh nhân. Để tạo ra một chùm tia có thể được sử dụng trong
điều trị lâm sàng, thì chùm tia này phải được chuyển thành chùm photon ( hoặc
chùm electron hẹp qua hệ thống vận chuyển chùm tới đầu điều trị máy gia tốc),
trong đó chùm photon hoặc chùm electron lâm sàng được tạo ra. Như minh hoạ ở

hình 1.5.1a, đầu điều trị máy gia tốc tuyến tính gồm nhiều thành phần, các thành
phần đó ảnh hưởng đến việc hình thành, tạo hình dạng, định vị và theo dõi chùm tia
lâm sàng.
Sự tạo thành chùm tia photon.

1.5
1.5.1

Bia tia X

Cơ chế tạo chùm tia X tương tự như ở dòng máy năng lượng thấp (
kilovoltage), chùm tia X năng lượng cao ở các máy Megavoltage hay máy gia tốc
tuyến tính bởi bức xạ hãm ( Bremsstrahlung ) tạo bởi một chùm điện tử năng lượng
cao chuyển động va đập vào một bia kim loại có nguyên tử số Z cao, thường là
Vonfram hoặc hợp kim Đồng-Vonfram được dát mỏng.

15