Khảo sát các thông số vật lý trong tính toán liều xạ trị

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

TRẦN VĂN HOÀNG

KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ TRONG TÍNH TOÁN
LIỀU XẠ TRỊ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC


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

LƯƠNG TUẤN ANH

KHẢO SÁT PHÂN BỐ SUẤT LIỀU VÀ ĐÁNH GIÁ AN
TOÀN BỨC XẠ CHO PHÒNG CHỤP X-QUANG CHẨN
ĐOÁN Y TẾ

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân và năng lượng cao
Mã số chuyên ngành: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2014

LỜI CẢM ƠN
Để đạt đƣợc những kết quả nhƣ ngày hôm nay, tôi đã nhận đƣợc sự động viên,
dạy dỗ, giúp đỡ tận tình từ gia đình, quý thầy cô, các anh chị và bạn bè trong suốt quá
trình học tập vừa qua. Thông qua quyển luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn đến:
GIA ĐÌNH, đã luôn động viên, nhắc nhở và là động lực lớn nhất của tôi trong
suốt thời gian học tập.
Thầy KS TRẦN CƢƠNG, ngƣời đã định hƣớng và tận tình chỉ bảo cho tôi hoàn
thành luận văn này.
Cô TS HOÀNG THỊ KIỀU TRANG, ngƣời hƣớng dẫn đề tài và cho tôi nhiều lời
khuyên bổ ích.
Thầy TH.S NGUYỄN TẤN CHÂU, ngƣời đã chỉ dạy tôi nhiều điều và giúp tôi
bổ sung những thiếu sót trong luận văn.
Các Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý Kĩ thuật – Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên - Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, hƣớng dẫn tôi
trong suốt quá trình học Đại học.
Anh TRẦN VĂN PHÚC, ngƣời đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong những lúc khó
khăn.
Các Anh Chị trong Khoa Ung Bƣớu – Bệnh viện Chợ Rẫy – Thành phố Hồ Chí
Minh đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc học tập tại Khoa và giúp tôi sửa chữa những sai sót
trong quá trình làm luận văn.

I


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. I
MỤC LỤC ..................................................................................................................... II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................. IV
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI................................................................................................... VII
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ .......................................................................................... 1
1.1. Xạ trị là gì ? ............................................................................................................. 1
1.2. Các Phƣơng pháp xạ trị ........................................................................................... 1
1.2.1. Xạ trị ngoài (Teletherapy) .............................................................................. 2
1.2.2. Xạ trị trong (Brachytherapy) .......................................................................... 2
1.3. Quy trình điều trị xạ trị............................................................................................ 2
1.3.1. Quyết định điều trị .......................................................................................... 3
1.3.2. Cố định tƣ thế bệnh nhân ................................................................................ 3
1.3.3. CT mô phỏng .................................................................................................. 4
1.3.4. Dữ liệu hình ảnh điều trị ................................................................................. 5
1.3.4.1. Chụp ảnh CT ........................................................................................ 5
1.3.4.2. Chụp cộng hƣởng từ - MRI .................................................................. 5
1.3.5. Xác định vùng thể tích điều trị ....................................................................... 6
1.3.6. Lập kế hoạch điều trị và tính toán liều lƣợng ................................................. 6
1.3.7. Đánh giá kế hoạch .......................................................................................... 7
1.3.8. Tiến hành điều trị ............................................................................................ 7
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN LIỀU XẠ TRỊ ........................................ 8
2.1. Các thuật toán tính toán liều hiện nay ..................................................................... 8
II


2.1.1. Thuật toán dựa trên sự hiệu chỉnh .................................................................. 8
2.1.2. Thuật toán dựa trên mô hình hoá .................................................................... 9
2.1.3. Thuật toán Monte Carlo ................................................................................ 10
2.2. Các thông số vật lý cơ bản trong tính toán liều xạ trị ........................................... 11
2.2.1. Phần trăm liều độ sâu – PDD ....................................................................... 11
2.2.2. Tỉ số mô Phantom – TPR ............................................................................. 12
2.2.3. Beam Profile ................................................................................................. 14
2.2.4. Hệ số tán xạ tổng (Total Scatter Factor - SCP), hệ số tán xạ collimator SC,

hệ số tán xạ phantom SP ................................................................................ 17
2.2.5. Hệ số nêm (wedge) ....................................................................................... 18
2.2.5.1. Kĩ thuật đồng tâm – SAD (source axis distance) ............................... 18
2.2.5.2. Kĩ thuật SSD (source surface distance) ............................................. 19
2.3. Tính toán liều xạ trị ............................................................................................... 20
2.3.1. Tính toán liều với kĩ thuật SAD ................................................................... 20
2.3.2. Tính toán liều với kĩ thuật SSD .................................................................... 21
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ TRÊN HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LIỀU
XiO VÀ TRÊN HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH XẠ TRỊ ............... 22
3.1. Thiết bị sử dụng..................................................................................................... 22
3.1.1. Máy gia tốc tuyến tính xạ trị......................................................................... 22
3.1.2. Phantom nƣớc ............................................................................................... 23
3.1.3. Thiết bị đo liều .............................................................................................. 24
3.1.3.1. Buồng ion hoá .................................................................................... 24
3.1.3.2. Bộ điều khiển truyền thông - CCU (Common Control Unit) ............ 24
3.1.3.3. Bộ điện kế (Electrometer Dose 1) ...................................................... 25
III


3.1.4. Phần mềm thu nhận và xử lý số liệu ..................................................... 26
3.2. Bố trí đo đạc dữ liệu .............................................................................................. 26
3.3. Kết quả đo đạc ....................................................................................................... 29
3.3.1. Phần trăm liều độ sâu.................................................................................... 29
3.3.2. Beam profile ................................................................................................. 31
3.3.3. Hệ số tán xạ tổng SCP, hệ số tán xạ Collimator và tán xạ Phantom SC, SP ... 33
3.3.3.1. Đo đạc hệ số tán xạ tổng SCP.............................................................. 33
3.3.3.2. Đo đạc hệ số tán xạ Collimator SC ..................................................... 33
3.3.4. Hệ số Wedge ................................................................................................. 35
3.4. Các khảo sát tính toán liều trên hệ thống lập kế hoạch XiO ................................. 36

3.4.1. Xây dựng mẫu tính toán liều trên hệ thống lập kế hoạch XiO ..................... 36
3.4.1.1. Phần trăm liều độ sâu PDD ................................................................ 37
3.4.1.2. Beam profile ....................................................................................... 38
3.4.2. Tính toán liều trên XiO và đo đạc kiểm tra .................................................. 39
3.4.2.1. Tính toán liều trên XiO ...................................................................... 40
3.4.2.2. Đo đạc kiểm tra các tính toán của XiO trên máy gia tốc ................... 40
CHƯƠNG 4
BÀN LUẬN VÀ KẾT LUẬN .................................................................................... 45
4.1. Bàn luận ................................................................................................................ 45
4.2. Kết luận ................................................................................................................. 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 47

IV


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các kí hiệu
c:

kích thƣớc trƣờng Collimator

cR :

kích thƣớc trƣờng Collimator chuẩn

f:

khoảng cách từ nguồn đến điểm quan tâm

f’ :

khoảng cách từ nguồn đến bề mặt Phantom

fR :

khoảng cách từ nguồn đến điểm chuẩn

s:

kích thƣớc trƣờng quan tâm

zm :

độ sâu điểm liều hấp thụ cực đại trong Phantom

zR :

độ sâu chuẩn

Các chữ viết tắt
AAA

Analytical Anisotropic Algorithm

CCU

Common Control Unit

CT

Computed Tomography

ICRU

International Commission on Radiation Units

FC

Farmer Chamber

MRI

Magnetic Resonance Imaging

MU

Monitor Unit

OCR

Off Central Ratio

OR

Output Ratio

PET

Positron Emission Tomography

PDD

Percentage Depth Dose

TPR

Tissue Phantom Ratios

SAD

Source Axis Distance

SC

Collimator Scatter Factor
V


SP

Phantom Scatter Factor

SCP

Total Scatter Factor

SIM

Simulation

SSD

Source to Surface Distance

VPS

Virtual Planning Systems

VI


MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Theo dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế
giới sẽ có 15 triệu ngƣời mắc bệnh ung thƣ và 9 triệu ngƣời chết do ung thƣ, trong đó
2/3 là ở các nƣớc đang phát triển trong đó có Việt Nam [3]. Do đó, việc chẩn đoán và
điều trị bệnh ung thƣ đang là vấn đề cấp bách hàng đầu của toàn xã hội.
Hiện nay, việc điều trị căn bệnh này tập trung vào ba phƣơng pháp chính là phẫu
thuật, hóa trị và xạ trị. Trong đó phẫu thuật là phƣơng pháp điều trị truyền thống lâu
đời nhất. Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học và công nghệ ngày
càng cao, các thiết bị ứng dụng vật lý hạt nhân trong chẩn đoán và điều trị bệnh ung
thƣ đã đƣợc chế tạo và phát triển. Trong lĩnh vực hình ảnh học có các máy chụp ảnh
bức xạ chẩn đoán nhƣ máy Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance
Imaging (MRI) và Positron Emission Tomography (PET). Trong lĩnh vực điều trị, các
máy xạ trị ngày càng đƣợc cải tiến đã đóng góp một vai trò quan trọng trong việc điều
trị bệnh ung thƣ bằng liệu pháp bức xạ, trong đó máy gia tốc tuyến tính đƣợc xem là
một phƣơng tiện hỗ trợ đắc lực.
Trên thế giới, ngƣời ta đã chế tạo đƣợc máy gia tốc tuyến tính rất hiện đại phát ra
hai nguồn xạ để điều trị: chùm hạt electron trực tiếp và chùm photon đƣợc sản sinh ra
do chùm điện tử đập vào đối âm cực giống nhƣ trong bóng quang tuyến X (tạo ra bức
xạ hãm). Trong 10 năm gần đây, Việt Nam cũng đã và đang phát triển ngành xạ trị ở

các kỹ thuật cao nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả điều trị của kỹ thuật này và đem lại
kết quả điều trị bệnh nhiều hơn. Tuy nhiên, đây là phƣơng pháp kết hợp công nghệ
điều khiển tự động, công nghệ máy tính và công nghệ bức xạ nên có sự phức tạp cao.
Trong đó việc tính toán liều lƣợng cung cấp cho bệnh nhân là một trong những quy
trình rất quan trọng ở Việt Nam. Việc tính toán này thƣờng đƣợc thực hiện bởi máy
tính theo các thông số do các nhà vật lý đo đạc và nhập dữ liệu vào. Do đó việc tìm
hiểu phƣơng pháp tính và các thông số vật lý cần thiết cho việc tính toán giữa lý thuyết

VII


và thực nghiệm là một vấn đề cần thiết để đảm bảo đƣợc sự chính xác trong việc tính
toán liều lƣợng bức xạ cho bệnh nhân.
Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi đi tìm hiểu về các thuật toán tính toán liều
trong hệ thống lập kế hoạch xạ trị. Sau đó sẽ đi khảo sát các thông số vật lý cơ bản
đƣợc sử dụng trong hầu hết các thuật toán xạ trị. Cuối cùng, đi tìm hiểu về phƣơng
pháp tính toán liều của phần mềm lập kế hoạch xạ trị XiO. Thông qua phần mềm lập kế
hoạch xạ trị XiO, chúng tôi ghi nhận các thông số vật lý cơ bản để cung cấp cho máy
gia tốc tuyến tính xạ trị, sau đó so sánh sự khác nhau giữa tính toán liều trên hệ thống
lập kế hoạch XiO và kết quả đo đạc trên thực tế.
Với mục đích nêu trên, luận văn đã đƣợc hoàn thành với bố cục bao gồm bốn
chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về xạ trị.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết của tính toán liều.
Chƣơng 3: Khảo sát các thông số Vật lý trên hệ thống tính toán liều XiO và
trên máy gia tốc tuyến tính xạ trị.
Chƣơng 4: Bàn luận và kết luận.

VIII

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ XẠ TRỊ
1.1. Xạ trị là gì?
Xạ trị là một phương pháp điều trị bệnh bằng cách sử dụng các tia bức xạ ion
hóa chiếu vào vùng tế bào ung thư nhằm hạn chế sự phát triển cũng như tiêu diệt
khối bướu đó [1]. Ngày nay, xạ trị đang đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong
việc điều trị ung thư.
Mục tiêu của xạ trị được trình bày như sau:
- Điều trị chữa trị: là điều trị nhằm tiêu diệt triệt để các tế bào ung thư trong
trường hợp các tế bào ung thư chưa di căn ra ngoài những bộ phận khác trong cơ
thể.
- Điều trị hỗ trợ: là áp dụng phương pháp xạ trị cùng với mổ lấy khối ung thư
ra, hoặc cùng với thuốc hoá trị.
- Điều trị kiểm soát triệu chứng: là điều trị nhằm kiềm chế sự phát triển của
những tế bào ung thư, làm khối u nhỏ lại, ngăn chặn các tế bào ung thư xâm nhập
vào các cơ quan khác của cơ thể, làm giảm đau đối với những khối u lớn chèn ép
các dây thần kinh, khí quản hoặc thực quản… ngăn ngừa sự huỷ xương, kéo dài sự
sống bệnh nhân.
- Xạ trị toàn thân: là điều trị hoặc kiềm chế hệ thống miễn dịch của cơ thể
trước khi thay ghép tuỷ hoặc thay máu vì hệ thống miễn dịch có thể không chấp
nhận hay loại bỏ tuỷ và thanh huyết lạ vào cơ thể. Xạ trị đồng thời có thể tiêu diệt
những tế bào ung thư trên cơ thể bệnh nhân.
1.2. Các phƣơng pháp xạ trị
Với đặc thù của từng loại bệnh nên có những phương pháp điều trị bằng xạ trị
khác nhau. Xạ trị hiện nay được chia thành hai phương pháp theo đặc tính của
nguồn phát ra bức xạ để chiếu lên bệnh nhân bao gồm xạ trị ngoài và xạ trị trong[1].

1

1.2.1. Xạ trị ngoài (Teletherapy)
Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kỹ thuật xạ trị. Người ta
thường tiến hành với chùm photon và chùm electron mang năng lượng cao, và các
chùm tia này được tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính. Các chùm tia photon hay tia X
năng lượng cao có khả năng đâm xuyên rất lớn nên được sử dụng để điều trị các
khối bướu nằm sâu bên trong cơ thể bệnh nhân. Các chùm tia electron thường có
liều bề mặt cao và sự suy giảm nhanh sau quãng chạy của nó nên thường được áp
dụng cho các khối bướu nông gần bề mặt.
1.2.2. Xạ trị trong (Brachytherapy)
Xạ trị trong là phương pháp đưa các nguồn phát bức xạ vào trong hoặc sát
vùng cần điều trị, tại đó các tia bức xạ sẽ phát ra các hướng để tiêu diệt tế bào ung
thư xung quanh.
Xạ trị trong sử dụng nguồn đồng vị phóng xạ ở mức năng lượng phù hợp với
quãng chiếu xạ ngắn cho phép tia xạ được hấp thụ trực tiếp vào khối bướu mà
không xâm nhập vào các mô lành xung quanh. Các trường hợp sử dụng phương
pháp xạ trị trong là những vùng ung thư có thể tích nhỏ hoặc có độ hổng như ung
thư tiền liệt tuyến, ung thư tử cung, ung thư vú, ung thư da.
1.3. Quy trình điều trị xạ trị
Quy trình điều trị xạ trị gồm 8 bước chính:
- Quyết định điều trị.
- Cố định tư thế bệnh nhân.
- CT mô phỏng.
- Dữ liệu hình ảnh điều trị.
- Xác định vùng thể tích điều trị.
- Lập kế hoạch điều trị và tính toán liều.
- Đánh giá kế hoạch.
- Tiến hành xạ trị.
2

1.3.1. Quyết định điều trị
Các bệnh nhân bước đầu đã được phát hiện có các khối bướu hay các khối u
trong cơ thể trước tiên sẽ được đánh giá và lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp.
Trong quá trình đánh giá tất cả các khâu chẩn đoán, xét nghiệm khác nhau được tiến
hành để xác định tình trạng, cũng như giai đoạn bệnh. Những yếu tố đó bao gồm
chẩn đoán hình ảnh, các xét nghiệm cơ bản về sinh hóa hay những thông tin về mô
bệnh... để giúp xác định loại bệnh, giai đoạn bệnh cũng như mức độ xâm lấn của
khối u. Cuối cùng, tiểu ban chuyên môn đưa ra những quyết định điều trị cho bệnh
nhân.
1.3.2. Cố định tƣ thế bệnh nhân
Một bệnh nhân thông thường được điều trị xạ trị trong nhiều ngày, dẫn đến tư
thế bệnh nhân cần được thiết lập giống nhau trong quá trình điều trị. Vì thế việc cố
định tư thế bệnh nhân là công việc rất quan trọng, nhằm để việc chiếu xạ đúng vị trí
điều trị đã được xác định trước đó.

Hình 1.1: Dụng cụ để cố định tư thế bệnh nhân
Phương pháp cố định hiệu quả có thể làm giảm thiểu sai số khi đặt tư thế bệnh
nhân, dẫn đến giảm các biến chứng hay tác dụng phụ cho bệnh nhân. Khi cố định
bệnh nhân, tuỳ vào vùng điều trị thì các phương tiện, dụng cụ, cố định phù hợp sẽ
3


được sử dụng. Sự thoải mái của bệnh nhân trong tư thế cố định là một yếu tố quan
trọng ảnh hưởng đến toàn bộ quy trình và kết quả điều trị bệnh nhân.
Mỗi một cơ sở xạ trị thường được trang bị đầy đủ những phương tiện, dụng cụ
cố định phù hợp cho từng vị trí, từng loại bệnh mà họ điều trị.
1.3.3. CT mô phỏng
Hệ thống mô phỏng bao gồm máy CT (Computed Tomography) và máy tính
điều khiển máy mô phỏng cũng như lưu trữ và xử lý dữ liệu mô phỏng. Chức năng

của máy CT mô phỏng là thu nhận dữ liệu hình ảnh phục vụ cho quá trình lập kế
hoạch. Tại khoa Ung Bướu Bệnh viện Chợ Rẫy, hệ thống mô phỏng bao gồm máy
CT-SIMULATION có độ phân giải cao và bộ laser định vị.

Hình 1.2:Máy PET/CT có chức năng chụp ảnh CT mô phỏng tại Bệnh viện Chợ Rẫy
Nhờ hệ thống mô phỏng CT–SIMULATION này, việc xạ trị trở nên đơn giản
và chính xác hơn rất nhiều. Hệ thống laser mô phỏng được gắn trong phòng chụp
CT để định vị chính xác vị trí, tư thế và tọa độ khi chụp ảnh. Kết quả mô phỏng
được gửi tới phần mềm điều khiển chùm laser và hệ thống lập kế hoạch ảo VPS

4


(Virtual Planning Systems). Trong hệ thống VPS, bác sĩ sẽ xác định vị trí, kích
thước khối u trong cơ thể người bệnh. Sau đó, tọa độ tâm khối u sẽ được truyền lại
về phần mềm điều khiển của hệ thống laser. Phần mềm này tự động tính ra khoảng
cách giữa tâm khối u với tọa độ gốc trên ảnh CT của bệnh nhân. Hệ thống mô
phỏng CT-SIMULATION sẽ điều khiển tự động sự dịch chuyển của giường để đưa
hệ laser về tâm khối u của bệnh nhân (bệnh nhân vẫn nằm cố định trên giường CT)
và kỹ thuật viên sẽ đánh dấu vị trí tâm khối u trên cơ thể bệnh nhân. Ngoài ra dữ
liệu hình ảnh CT cũng sẽ được gửi về hệ thống lập kế hoạch để thực hiện việc tính
toán sự phân bố liều điều trị cho bệnh nhân.
1.3.4. Dữ liệu hình ảnh điều trị
1.3.4.1. Chụp ảnh CT
Hình ảnh chụp CT sẽ giúp cho việc xác định chính xác kích thước cũng như vị
trí của khối bướu bên trong cơ thể bệnh nhân. Ảnh CT là hình ảnh cơ bản nhất được
sử dụng trong hệ thống lập kế hoạch và tính toán liều. Hình ảnh CT cho việc lập kế
hoạch phải được chụp theo đúng các quy trình được yêu cầu của công việc lập kế
hoạch về bề dày lát cắt.
1.3.4.2. Chụp cộng hƣởng từ - MRI

Trong xạ trị ung thư, MRI (Magnetic Resonance Imaging) được dùng chủ yếu
trong những trường hợp cần bổ sung những thông tin giải phẫu hoặc kết hợp với các
phim CT để cải thiện sự đánh giá một cách chi tiết và rõ ràng hơn tình trạng khối u,
nhất là những khối u tiền liệt tuyến và khối u hệ thần kinh.
Trong hệ thống lập kế hoạch, dữ liệu ảnh của bệnh nhân có thể được xử lý để
giúp các bác sĩ quan sát khối u cũng như vùng cần bảo vệ rõ hơn. Nhờ đó, sẽ vẽ
chính xác các vùng này, nâng cao độ chính xác và kết quả của quá trình lập kế
hoạch.

5


1.3.5. Xác định vùng thể tích điều trị
Việc xác định các vùng thể tích điều trị được thực hiện trong hệ thống lập kế
hoạch và tuân thủ theo các chỉ dẫn của tổ chức quốc tế ICRU (International
Commission on Radiation Units). Các bác sĩ sẽ vẽ các vùng thể tích điều trị, các cơ
quan quan trọng, trong khi đó các kỹ sư vật lý lập kế hoạch sẽ hỗ trợ vẽ các cấu trúc
ít quan trọng hơn.
1.3.6. Lập kế hoạch điều trị và tính toán liều lƣợng
Việc thiết lập trường chiếu là lựa chọn các hướng chiếu và mức năng lượng
của từng chùm tia. Việc này phụ thuộc vào vị trí, kích thước khối u trong từng
trường hợp cụ thể và theo kinh nghiệm của từng người. Sự lựa chọn mức năng
lượng của từng chùm tia phụ thuộc vào bản chất của chùm tia bức xạ. Với những
khối u nằm trên da hoặc ở vị trí rất nông gần bề mặt da, người ta thường sử dụng
chùm tia electron. Do liều lượng chùm tia electron bỏ lại lớn nhất ở gần bề mặt da
và suy giảm rất nhanh khi đi sâu vào cơ thể bệnh nhân. Với những khối u nằm sâu
trong cơ thể, ta có thể sử dụng các chùm tia photon. Tùy thuộc vào mức độ sâu của
khối u, mà ta quyết định lựa chọn chùm tia photon năng lượng thấp hay cao. Với
khối u sâu hơn thì nên sử dụng chùm photon có năng lượng cao hơn. Trong từng
trường hợp cụ thể, số lượng chùm tia và các hướng chiếu chùm tia hoàn toàn phụ

thuộc vào vị trí, kích thước khối u, cũng như kinh nghiệm của người lập kế hoạch.
Song song với việc thiết lập các trường chiếu, ta phải sử dụng các thiết bị phụ
trợ để tạo ra một kế hoạch tốt. Để sử dụng các thiết bị phụ trợ một cách hiệu quả
nhất, người lập kế hoạch cần phải hiểu rõ về bản chất của các thiết bị đó.
Sau khi thiết lập các trường chiếu và sử dụng các thiết bị phụ trợ cần thiết,
người lập kế hoạch sẽ tiến hành tính toán liều. Vùng điều trị trong cơ thể người
thường là những vùng không đồng nhất, ví dụ như vùng ngực có nhiều không khí,
hay vùng tiểu khung có nhiều xương (vì giữa mô mềm, không khí và xương, hệ số

6


mô của chúng rất khác biệt). Vì thế ta sẽ chọn thuật toán tính toán phân bố liều phù
hợp nhất để có thể áp dụng vào việc điều trị cho những trường hợp khác nhau.
1.3.7. Đánh giá kế hoạch
Sau khi tính toán liều lượng và xem phân bố liều, ta tiến hành đánh giá kế
hoạch để xem xét kế hoạch vừa thiết kế đã tốt và tối ưu chưa. Khi kế hoạch này
được chấp nhận thì nó sẽ được đưa vào điều trị thực tế. Việc điều trị thực tế sẽ được
thiết lập giống hệt như đã thiết kế trên phần mềm. Nếu kế hoạch này chưa đáp ứng
được các yêu cầu về phân bố liều lượng như bác sĩ đặt ra ban đầu, cần phải làm từ
bước thiết lập trường chiếu và sử dụng các thiết bị phụ trợ.
Có hai tiêu chí được xét đến khi đánh giá kế hoạch, đó là liều lượng tới khối u
và liều lượng tới các tổ chức nguy cấp cần bảo vệ. Một kế hoạch tốt là kế hoạch
đảm bảo các điều kiện sau:
- Đủ liều bác sĩ chỉ định tới khối u, vùng nhận liều lớn nhất nằm trong khối u
và không vượt quá 107% liều chỉ định [4].
- Liều tới các tổ chức nguy cấp cần bảo vệ nằm trong giới hạn liều cho phép.
1.3.8. Tiến hành điều trị
Sau khi kế hoạch đã được chấp nhận, các thông số liên quan đến kế hoạch điều
trị được chuyển sang phòng máy gia tốc thông qua hệ thống mạng LAN. Hệ thống

máy tính và phần mềm sẽ điều khiến máy gia tốc phát tia điều trị mỗi ngày cho
bệnh nhân.
Như vậy trong chương này chúng tôi đã đưa ra bức tranh tổng quan về xạ trị,
bao gồm các phương pháp xạ trị và quy trình điều trị xạ trị. Trong phần trình bày
tiếp theo của đề tài, chúng tôi sẽ đi tìm hiểu về các thuật toán tính toán liều và các
thông số vật lý cơ bản được sử dụng để tính liều xạ trị.

7


CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TÍNH TOÁN LIỀU XẠ TRỊ
Như đã trình bày ở chương một, mục tiêu của xạ trị là cung cấp một liều điều
trị thích hợp và đồng đều cho khối u, đồng thời giảm liều hấp thụ tối thiểu cho
những cơ quan trọng yếu xung quanh. Để thực hiện các mục tiêu này, hệ thống máy
tính với các phần mềm lập kế hoạch tính toán liều được sử dụng để tính toán sự
phân bố liều trong vùng được lựa chọn. Các phần mềm sẽ sử dụng các thuật toán
tính toán liều khác nhau. Tuy mỗi thuật toán sử dụng một hệ thống phương thức
khác nhau nhưng chúng đều dựa trên các thông số vật lý cơ bản của đo đạc thực
nghiệm, từ đó tuỳ thuộc vào phương thức tính toán của mình để xây dựng bộ dữ liệu
tính toán trên mô hình bệnh nhân.
2.1.

Các thuật toán tính toán liều hiện nay
Thuật toán tính toán liều cho kế hoạch điều trị trên máy vi tính đã được phát

triển từ giữa những năm 1950. Về cơ bản các thuật toán chia làm ba loại [6]:
Thuật toán dựa trên sự hiệu chỉnh (correction-based), thuật toán dựa trên mô
hình hoá (model-based), và thuật toán Monte Carlo (direct Monte Carlo). Thuật
toán dựa trên mô hình hoá là một trong những phương pháp có thể được sử dụng

cho việc tính toán sự phân bố liều trong các kế hoạch điều trị 3-D. Ưu điểm là khả
năng mô phỏng sự vận chuyển trong không gian ba chiều và do đó dự đoán chính
xác hơn phân bố liều trong điều kiện mất cân bằng hạt tích điện, có thể xảy ra trong
các mô mật độ thấp như phổi. Tuy nhiên các thuật toán này đòi hỏi khả năng xử lý
của các hệ thống máy tính phải mạnh, ngày nay với sự phát triển của hệ thống máy
tính và bộ vi xử lý đã tạo thuận lợi cho việc áp dụng các thuật toán này cho thực tế.
2.1.1. Thuật toán dựa trên sự hiệu chỉnh
Thuật toán dựa trên sự hiệu chỉnh là thuật toán bán thực nghiệm. Thuật toán
này chủ yếu dựa trên các dữ liệu được đo đạc, thu thập trong phantom nước như:
phần trăm liều độ sâu (percentage depth dose - PDD), sự phân bố liều theo mặt
phẳng ngang (beam profile), hệ số lối ra (output factor)…. Sau đó nó sẽ hiệu chỉnh

8


sự khác biệt giữa điều kiện điều trị và điều kiện đo lường thông qua các hàm phân
tích để tính toán sự phân bố liều cho bệnh nhân trong điều kiện đo lường thực tế. Sự
hiệu chỉnh thường bao gồm: hiệu chỉnh sự suy giảm cho đường viền bất thường;
hiệu chỉnh tán xạ như một hàm của phân tán khối lượng, kích thước trường, hình
dạng và khoảng cách xuyên tâm; hiệu chỉnh hình học từ nguồn đến điểm tính toán
theo luật tỉ lệ nghịch bình phương khoảng cách; hiệu chỉnh sự suy giảm cho bộ điều
chỉnh cường độ chùm tia như bộ lọc, nêm, bù, khối,… và hiệu chỉnh sự suy giảm do
mô không đồng nhất.
Thuật toán dựa trên sự hiệu chỉnh bao gồm một loạt các phương pháp khác
nhau, từ những phương pháp đơn giản nhất là áp dụng trực tiếp các tham số đo đạc
được bằng phép tính nội suy, hay sử dụng hàm phân tích để hiệu chỉnh các tham số
theo điều kiện đo nhất định. Liều tại một điểm bất kì thường được phân tích thành
các thành phần sơ cấp và tán xạ, chúng được tính riêng biệt và sau đó tổng hợp để
có được tổng liều. Thuật toán này thường được áp dụng cho hệ thống lập kế hoạch
đo liều cổ điển.

2.1.2. Thuật toán dựa trên mô hình hoá
Thuật toán dựa trên mô hình hoá là thuật toán tính toán sự phân bố liều lượng
với một mô hình vật lý mô phỏng sự vận chuyển của bức xạ trong thực tế. Do khả
năng mô phỏng sự tương tác của thông lượng, năng lượng của chùm photon sơ cấp
tại một điểm và sự phân bố năng lượng được tạo ra sau đó bởi sự tương tác của các
photon sơ cấp, thuật toán theo mô hình hoá có thể mô phỏng sự vận chuyển của
photon tán xạ và electron ra xa từ điểm này đến điểm khác. Một nhóm các kỹ thuật
tính toán cho thuật toán dựa trên mô hình là kỹ thuật tính toán tích chập, đã được
phát triển từ giữa thập niên 1980, và hiện nay đang được áp dụng và phát triển như
thuật toán Convolution/SuperPosition, thuật toán Analytical Anisotropic Algorithm
(AAA)…



Phương pháp tích chập để tính toán liều D r thông qua công thức [5]:

9






μ
D r =  Ψ p r' A(r-r')d3 r'=  Tp (r')A(r-r')d3 r'
ρ

(2.1)

Trong đó:

μ
là hệ số suy giảm khối lượng
ρ



Ψ p r' là sự ảnh hưởng năng lượng photon sơ cấp
Tp (r') là tổng năng lượng photon sơ cấp phóng thích trên mỗi đơn vị khối lượng

A(r-r') là nhân tích chập của sự phân bố năng lượng của photon và electron thứ

cấp.
Thuật toán dựa trên mô hình hoá sử dụng các thông số vật lý đo được như:
PDD hoặc tỉ số mô phantom (Tissue Phantom Ratios – TPR), beam profile, các hệ
số tán xạ collimator (Collimator Scatter Factor - SC), tán xạ phantom (Phantom
Scatter Factor - SP)… để xây dựng nên mô hình tính toán tương tác của chùm tia
bức xạ với môi trường tại các điểm hoặc tại một vùng thể tích, từ đó tính toán được
sự phân bố liều cho một vùng thể tích hoặc tại một điểm.
2.1.3. Thuật toán Monte Carlo
Thuật toán Monte Carlo (MC) là một thuật toán mô phỏng sự vận chuyển của
hàng triệu photon và các hạt electron trong môi trường vật chất. Nó sử dụng định
luật cơ bản của vật lý để xác định phân bố xác suất của các tương tác riêng lẻ của
các photon và các hạt. Khi số lượng hạt mô phỏng càng lớn thì độ chính xác của các
phân phối dự đoán càng cao. Tuy nhiên, khi số lượng của các hạt mô phỏng được
tăng lên thì thời gian tính toán của MC trở nên rất dài. Do đó việc áp dụng các thuật
toán tính toán MC đòi hỏi các máy tính phải đủ mạnh, và thời gian tính toán phân
bố liều dựa trên MC thường dài hơn thời gian tính toán khi áp dụng các thuật toán
tính toán khác.
Thuật toán tính toán dựa trên MC cũng vẫn sử dụng các thông số vật lý đo đạc
được trên phantom nước để xây dụng mô hình tính toán cho phù hợp với các điều

kiện điều trị khác nhau. Cũng như các thuật toán trên, các thuật toán mà MC sử
10


dụng vẫn là các thông số vật lý PDD hoặc TPR, beam profile, các hệ số tán xạ
collimator SC, tán xạ phantom SP.
2.2. Các thông số vật lý cơ bản trong tính toán liều xạ trị
Như đã phân tích ở trên, tuy có nhiều thuật toán tính toán khác nhau nhưng
một số các thông số vật lý liên quan đến các giá trị liều lượng vẫn cần phải sử dụng
để từ đó xây dựng nên các mô hình tính toán như beam profile, PDD, TPR, SC, SP
và hệ số hiệu chỉnh sự truyền qua nêm (Wedge).
2.2.1. Phần trăm liều độ sâu - PDD
Sự phân bố liều trong không gian ba chiều cần được xác định theo nhiều
hướng khác nhau, một trong những hướng đó là theo độ sâu được xác định bởi phần
trăm liều độ sâu.
Khi chiếu một chùm tia bức xạ vào vùng thể tích cần điều trị thì nó sẽ tạo ra sự
phân bố liều tại những độ sâu khác nhau. Nếu kích thước trường chiếu s hoặc
khoảng cách từ nguồn đến bề mặt phantom f’ thay đổi thì sự phân bố liều theo độ
sâu cũng thay đổi theo. Các đường phân bố liều theo độ sâu luôn có một điểm liều
mà ở đó liều hấp thụ là cực đại so với các độ sâu khác. Giả sử độ sâu của điểm liều
cực đại là zm, nếu ta cho rằng liều tại điểm zm là 100% và liều tại các độ sâu khác
được tính toán theo liều tại điểm zm thì ta sẽ có được sự phân bố liều theo độ sâu
tính theo phần trăm của điểm liều cực đại gọi là đường cong phần trăm liều theo độ
sâu.

11


f’

Phantom nước

zm
z

P
Q

Hình 2.1: Mô hình xác định phần trăm liều độ sâu.
Gọi liều tại điểm Q có độ sâu z trên trục trung tâm là D'  z,s,f' và liều cực đại
tại điểm P với độ sâu zm là D'  z m ,s,f' . Gọi P  z,s,f' là tỉ số của liều tại độ sâu z và
liều cực đại zm thì P  z,s,f' là phần trăm liều tại điểm z so với điểm liều cực đại [7].
P  z,s,f' =

D'  z,s,f'

D'  z m ,s,f'

×100

(2.2)

P  z,s,f' là một hàm phụ thuộc vào các thông số kích thước trường chiếu s, và

khoảng cách từ nguồn tới bề mặt phantom f’. Tương ứng với s, f’ xác định thì sẽ có
đường đường cong phần trăm liều theo độ sâu. Dựa vào đường cong này, hệ thống
lập kế hoạch sẽ tính toán sự phân bố liều theo độ sâu.
Nếu khoảng cách từ nguồn đến bề mặt phantom bằng với khoảng cách từ
nguồn đến tâm chuẩn của kích thước trường s được thể hiện bởi cài đặt collimator c
và P  z,s,f' có thể được viết thành P  z,c,f' .

2.2.2. Tỉ số mô phantom- TPR
Trong thực tế do các khối bướu có hình dạng, vị trí, kích thước khác nhau
trong từng cơ thể. Khi đó độ sâu của khối bướu đến bề mặt da thay đổi dẫn đến thay
đổi f’, điều đó làm thay đổi PDD mỗi lần điều trị. Để khắc phục điều đó người ta
đưa vào thông số tỉ số mô phantom.

12


Tương tự như PDD, TPR vẫn xác định một khoảng cách tham chiếu zR cho tất
cả các trường hợp đo lường. Gọi D(z,s,f) là liều tại độ sâu z, và D(zR,s,f) là liều tại
độ sâu tham chiếu zR cho cùng một kích thước trường s và khoảng cách từ nguồn
đến điểm điều trị f. Khi đó tỉ số giữa liều tại độ sâu z so với liều tại độ sâu zR được
gọi là tỉ số mô phantom [7].
T  z,s  =

D(z,s,f)
D(z R ,s,f)

(2.3)

Hình 2.2:Mô hình xác định tỉ số mô phantom.
Trong thực tế để thuận tiện cho việc đo đạc dữ liệu chùm tia, các phép đo phân
bố liều theo PDD sẽ được đo đạc cho các kích thước trường chiếu khác nhau, sau đó
giá trị TPR sẽ được tính toán từ giá trị PDD. Ta có mối liên hệ giữa TPR và PDD
 P(z,s,f')   f'+z   Sp (s zR ) 
T  z,s z  = 

 ×
×

 100   f'+z R   Sp (s z ) 
2

như sau:
Với:

f’ là khoảng cách từ nguồn đến bề mặt phantom
SP là hệ số tán xạ phantom
 f'+z R
s zR = s× 
 f'


 là kích thước trường tại độ sâu zR


 f'+z 
s z = s× 
 là kích thước trường tại độ sâu z.
 f' 

13

(2.4)


2.2.3. Beam Profile
Trong không gian ba chiều, ngoài việc tính toán sự phân bố liều theo độ sâu
thì ta cần phải xác định được sự phân bố liều theo mặt phẳng nằm ngang. Và sự
phân bố liều này được gọi là beam profile [2].

Beam profile được định nghĩa là sự phân bố liều chiếu dọc theo một đường
thẳng đi qua trường. Từ đó ta sẽ thu được một đồ thị biểu diễn liều hoặc cường độ
dọc theo đường này, và đồ thị này được gọi là beam profile của trường dọc theo một
đường thẳng.

Q

O

R

S

C

D

Cường độ

B

A

R

O

S

Kích thước trường

Hình 2.3:Mô hình xác định beam profile.
Trong trường hình chữ nhật ABCD (hình 2.3) với RS là trục đối xứng. Khi đó,
chùm tia chiếu qua kích thước trường và để lại liều trên đường RS, các điểm nằm
bên ngoài RS sẽ không nhận được liều. Như vậy, đường phân bố liều RS được gọi
là beam profile dọc theo một đường thẳng. Trong thực tế đường cong beam profile
không lý tưởng như trong hình 2.3 mà chúng là một đường cong do chịu bởi sự ảnh
hưởng của kích thước nguồn.

14


S
S1

D

Nguồn
Buồng nguồn

S2

Z

Cổng ra
d0

U

Q

A

O

B

V

U

Q

A

O

B

V

Hình 2.4: Đồ thị beam profile cho một nguồn có kích thước đáng kể
Suất liều chiếu của các tia bức xạ sau khi đi qua lớp che chắn được tạo ra ba
phần. Phần thứ nhất, suất liều trong vùng AB là tổng sự đóng góp của tất cả các
nguồn điểm đó. Tiếp theo, suất liều trong vùng UA và VB là tổng của tất cả những
nguồn điểm không nhìn thấy, vùng này là đặc trưng của beam profile. Cuối cùng là
suất liều của vùng nằm ngoài UV, tại những điểm này không nhìn thấy nguồn, và
do đó cường độ đo được chủ yếu do bức xạ truyền qua vật liệu che chắn, vùng này
được gọi là vùng penumbra của trường. Độ rộng của vùng penumbra có thể được
tính toán từ tam giác đồng dạng (hình 2.4), tam giác S1S2Z và ZUA là hai tam giác

đồng dạng, vì vậy:
S UA
=
S1Z AZ

vì

S1Z
D
=
ZA d 0 -D



hay

 ZA 
UA=S× 

 S1Z 

 d -D 
d 
UA=S×  0  =S×  0 -1
 D 
D 

(2.5)

(2.6)

Nếu trường được xác định tại bề mặt phantom hoặc bề mặt bệnh phân, khi đó
do được gọi là khoảng cách từ bia tia X đến bề mặt bệnh nhân f’.

15