Xác nhận tỉ số mô cực đại (TMR) được tính từ dữ liệu đo liều sâu phần trăm (PDD) của chùm photon năng lượng cao trên máy gia tốc elekta precise

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

Nguyễn Mạnh Khải

XÁC NHẬN TỈ SỐ MÔ CỰC ĐẠI (TMR) ĐƯỢC TÍNH TỪ DỮ LIỆU
ĐO LIỀU SÂU PHẦN TRĂM (PDD) CỦA CHÙM PHOTON NĂNG
LƯỢNG CAO TRÊN MÁY GIA TỐC ELEKTA PRECISE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2018


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

Nguyễn Mạnh Khải

XÁC NHẬN TỈ SỐ MÔ CỰC ĐẠI (TMR) ĐƯỢC TÍNH TỪ DỮ LIỆU
ĐO LIỀU SÂU PHẦN TRĂM (PDD) CỦA CHÙM PHOTON NĂNG
LƯỢNG CAO TRÊN MÁY GIA TỐC ELEKTA PRECISE

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 8440130.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

- PGS.TS. BÙI VĂN LOÁT
- PGS.TS. NGUYỄN DANH THANH

Hà Nội – 2018


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn này với tên gọi: “Xác nhận tỉ số mô cực đại (TMR) được tính
từ dữ liệu đo liều sâu phần trăm (PDD) của chùm Photon năng lượng cao trên máy
gia tốc Elekta Precise” là công trình nghiên cứu của riêng tôi với sự hướng dẫn
khoa học của PGS. TS Bùi Văn Loát, Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên và PGS.TS Nguyễn Danh Thanh, Trung tâm Ung bướu – Bệnh viện Quân y
103. Các nội dung, kết quả trong đề tài là trung thực và chưa công bố dưới bất kì
hình thức nào.
Ngoài ra, trong luận văn còn tham khảo một số tài liệu của các tác giả, cơ
quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
Hà Nội, tháng 11 năm 2018
Học viên

Nguyễn Mạnh Khải


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình hoàn thành luận văn của mình, em đã nhận được rất
nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè.
Đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS Bùi Văn Loát,
Khoa Vật lý - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên người thầy đã tận tình hướng
dẫn, động viên em trong quá trình hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới PGS.TS Nguyễn Danh Thanh,
Trung tâm Ung bướu – Bệnh viện Quân y 103 người thầy đặc biệt đã giúp đỡ, động
viên em trong suốt quá trình học cao học cũng như hoàn thành luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các giảng viên Khoa Vật lý, các
cán bộ phòng Sau đại học và các học viên lớp cao học Vật lý 2016 - 2018 - Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên đã hỗ trợ và giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực
hiện luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám đốc Trung tâm Ung bướu –
Bệnh viện Quân y 103 và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong quá
trình học tập, công tác và hoàn thành luận văn này.
Nhân dịp này em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn
bè đã luôn bên em, cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn này.
Hà Nội, tháng 11 năm 2018
Học viên

Nguyễn Mạnh Khải


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục chữ viết tắt
Danh mục ký hiệu
Danh mục bảng
Danh mục hình
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 .....................................................................................................................3
TỔNG QUAN .............................................................................................................3
1.1. Khái niệm, mục đích và nguyên tắc của xạ trị..................................................3
1.2. Cơ sở ứng dụng bức xạ ion hóa điều trị xạ trị ung thư .....................................4
1.3. Các phương pháp xạ trị, thiết bị xạ trị ..............................................................6
1.3.1. Các phương pháp xạ trị ..............................................................................6
1.3.2. Những khái niệm cơ bản trong vật lý xạ trị ung thư ..................................7
1.3.3. Thiết bị xạ trị và các tiến bộ trong kỹ thuật xạ trị chiếu ngoài ................10
1.4. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động máy gia tốc tuyến tính xạ trị ELEKTA ..........13
1.4.1. Nguyên lý cấu tạo .....................................................................................13
1.4.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................17
1.5. Các thông số vật lý chùm tia trong xạ trị:.......................................................19
1.6. Các hệ số tính toán phân bố chùm tia .............................................................20
1.6.1 Liều sâu phần trăm (PDD).........................................................................20
1.6.2 Tỷ số mô-không khí (TAR) ......................................................................21
1.6.3 Tỷ số mô-phantom (TPR)..........................................................................22
1.6.4 Tỷ số liều lối ra ..........................................................................................22
1.6.5 Trường vuông tương đương ......................................................................23
1.6.6 Tỷ số mô cực đại (TMR) ...........................................................................23

Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

1.6.7 Hệ số tán xạ phantom (Sp) .........................................................................26
1.7 Hệ thống lập kế hoạch điều trị XiO. ................................................................27
Chương 2 ...................................................................................................................28
THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................28
2.1 Thiết bị .............................................................................................................28
2.1.1. Máy gia tốc ...............................................................................................28
2.1.2. Hệ thống thiết bị đo ..................................................................................28
2.2 Phương pháp thực nghiệm ...............................................................................31
2.2.1 Đo PDD .....................................................................................................32
2.2.2 Đo TMR ...................................................................................................32
2.2.3 Xác định hệ số tán xạ phantom (Sp) ..........................................................32
Chương 3 ...................................................................................................................34
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .....................................................................................34
3.1 Dữ liệu để bàn luận và phân tích .....................................................................34
3.1.1 Kết quả đo liều sâu phần trăm (PDD) .......................................................35
3.1.2 Dữ liệu TMR đo ........................................................................................39
3.1.3 Dữ liệu TMR tính toán ..............................................................................44
KẾT LUẬN ...............................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................54
PHỤ LỤC ..................................................................................................................58


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
3D-CRT Three Dimensional Conformal

Xạ trị 3D theo hình thái u

Radiation Therapy
BSF

Back Scatter Factor

Hệ số tán xạ ngược

ESTRO

European Society for Radiology and

Hiệp hội ung thư châu Âu

Oncology
HVL

Half-Value Layer

Bề dày hấp thụ một nửa

ICRU

International Commission on Radiation Ủy ban Quốc tế về Đo lường và
Units and Measurements

đơn vị bức xạ

IGRT

Image Guided Radiation Therapy

Xạ trị dưới sự hướng dẫn hình ảnh

IMRT

Intensity Modulated Radiotherapy

Xạ trị điều biến liều

LET

Linear Energy Transfer

Truyền năng lượng tuyến tính

LINAC

Linear Accelerator

Máy gia tốc tuyến tính

PDD

Percentage Depth Dose

Liều sâu phần trăm

PET

Positron Emission Tomography

Ghi hình cắt lớp bằng bức xạ
positron

PSF

Peak Scatter Factor

Hệ số tán xạ đỉnh

SAD

Source to Axis Distance

Khoảng cách từ nguồn đến tâm

SBRT

Stereotactic Body Radiation Therapy

Xạ trị lập thể định vị thân

SF

Scatter Factor

Hệ số tán xạ

SRS

Stereotactic Radiosurgery

Xạ phẫu định vị

SSD

Source to Surface Distance

Khoảng cách từ nguồn tới bề mặt

TAR

Tissue Air Ratio

Tỷ số mô - không khí

TMR

Tissue Maximum Ratio

Tỷ số mô cực đại

TPR

Tissue Phantom Ratio

Tỷ số mô - phantom

TPS

Treatment Planning System

Hệ thống lập kế hoạch xạ trị

VMAT

Volumetric-Modulated Arc Therapy

Xạ trị quay điều biến thể tích

WF

Wedge Factor

Hệ số nêm


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

DANH MỤC KÝ HIỆU
µ

Hệ số suy giảm tuyến tính

CR

Kích thước trường chiếu tham khảo

dm

Độ sâu vùng cân bằng điện tích cực đại

Dm

Liều tại độ sâu vùng cân bằng điện tích cực đại

Dmax

Liều cực đại

Dp

Liều tại điểm p

Dt

Liều tại điểm t

Sc

Hệ số tán xạ collimator

Scp

Hệ số tán xạ toàn phần

Sp

Hệ số tán xạ phantom

Zmax

Độ sâu cực đại

ZR

Độ sâu tham khảo


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

DANH MỤC BẢNG

Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1: Trọng số bức xạ .........................................................................................8

Bảng 3.1 Kết quả đo liều sâu phần trăm (PDD) của năng lượng 6MV ....................35
Bảng 3.2 Kết quả đo liều sâu phần trăm (PDD) của năng lượng 15MV ..................36
Bảng 3.3 Kết quả đo TMR của năng lượng 6MV .....................................................39
Bảng 3.4 Kết quả đo TMR của năng lượng 15MV ...................................................40
Bảng 3.5 Kết quả TMR tính từ PDD của năng lượng 6MV .....................................45
Bảng 3.6 Kết quả TMR tính từ PDD của năng lượng 15MV ...................................46


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

DANH MỤC HÌNH

Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1: Quan hệ liều với đáp ứng phóng xạ của tế bào u và tế bào lành ................4
Hình 1.2: Chu kỳ của tế bào ........................................................................................5
Hình 1.3: Vùng cân bằng điện tích .............................................................................7
Hình 1.4: Sơ đồ khối của dàn quay gắn trên cấu trúc dạng trống .............................14
Hình 1.5: Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị .................................................15
Hình 1.6: PDD và beam profile của chùm tia ...........................................................20
Hình 1.7: Mô hình xác định tỷ số mô-không khí TAR .............................................21
Hình 1.8: (a) Sự thiết lập để xác định liều lượng tại điểm P ở độ sâu d trong phantom ..25
Hình 2.1: Máy gia tốc xạ trị Elekta tại Bệnh viện Quân y 103 ................................28
Hình 2.2: Phantom và thùng chứa nước ....................................................................29

Hình 2.3: Thiết bị điều khiển detector và ghi nhận dữ liệu ......................................29
Hình 2.4: Buồng ion hóa hình trụ PTW Semiflex 0,125cm3 ....................................30
Hình 2.5: Giao diện phần mềm đo liều và xử lý dữ liệu ...........................................31
Hình 3.1 Kết quả đo PDD của năng lượng 6MV và 15MV ở trường chiếu 5x5 cm 37
Hình 3.2 Kết quả đo PDD của năng lượng 6MV và 15MV ở trường chiếu 10x10 cm
...................................................................................................................................37
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của PDD vào độ sâu của chùm 15MV ứng với các kích
thước trường khác nhau.............................................................................................38
Hình 3.4 Sự phụ thuộc của TMR vào độ sâu với hai mức năng lượng 6 và 15MV
cho kích thước trường chiếu 5x5cm..........................................................................41
Hình 3.5: Sự phụ thuộc của TMR vào độ sâu với hai mức năng lượng 6 và 15MV
cho kích thước trường chiếu 10x10cm......................................................................41
Hình 3.6: Sự phụ thuộc của TMR vào độ sâu cho chùm 15MV với các kích thước
trường chiếu khác nhau .............................................................................................42
Hình 3.7: Sự phụ thuộc của TMR theo độ sâu theo tính toán và đo cho chùm tia
6MV với kích thước trường chiếu 5x5cm .................................................................47


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

Hình 3.8: Sự phụ thuộc của TMR theo độ sâu theo tính toán và đo đạc cho chùm tia
6MV với kích thước trường chiếu 40x40cm .............................................................48
Hình 3.9: Sự phụ thuộc của TMR theo độ sâu theo tính toán và đo đạc cho chùm tia
15MV với kích thước trường chiếu 5x5cm ...............................................................49
Hình 3.10: Sự phụ thuộc của TMR theo độ sâu theo tính toán và đo đạc cho chùm
tia 15MV với kích thước trường chiếu 40x40cm ......................................................49
Hình 3.11: Sự sai khác tương đối giữa tính toán và đo đạc ở tại các độ sâu ứng với
các trường chiếu khác nhau của chùm 6MV .............................................................50

Hình 3.12: Sự sai khác tương đối giữa tính toán và đo đạc tại các độ sâu ứng với các
trường chiếu khác nhau của chùm 15MV .................................................................51


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

MỞ ĐẦU
Sau khi tia X và tia gamma được phát hiện bởi Roentgen năm 1895 và Paul
Villard năm 1900, các bức xạ ion hóa được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như nông
nghiệp, công nghiệp và y học mang lại nhiều lợi ích cho nhân loại. Bức xạ ion hóa
như tia gamma, tia X... đã được ứng dụng có hiệu quả trong điều trị ung thư.
Khoảng 60-70% số bệnh nhân ung thư trong quá trình điều trị có liên quan cần đến
xạ trị [5]. Xạ trị cùng với phẫu thuật và hóa trị là những phương pháp chính để điều
trị ung thư.
Các phương pháp xạ trị bao gồm xạ trị chiếu ngoài (Teletherapy), xạ trị áp
sát (Brachytherapy) và xạ trị chiếu trong. Trong đó xạ trị chiếu ngoài được ứng
dụng hiệu quả nhất, có chỉ định nhiều nhất đối với bệnh nhân ung thư. Trước đây,
phương pháp chiếu xạ ngoài sử dụng chùm tia gamma (năng lượng 1,25MeV) do
đồng vị phóng xạ cobalt - 60 phát ra. Ngày nay, rất nhiều thế hệ máy gia tốc tuyến
tính (Linear Accelerator - LINAC) ra đời cùng với việc ứng dụng công nghệ tin học
có được nhiều tính năng vượt trội đã thay thế máy cobalt trong điều trị ung thư.
Thiết bị xạ trị chiếu ngoài LINAC hiện đại cho phép đạt được sự phân bố
liều cao vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư đồng thời giảm thiểu liều chiếu vào
các tế bào lành xung quanh, hạn chế các tác dụng không mong muốn. Về khía cạnh
kỹ thuật, liều hấp thụ tại u muốn đạt được chính xác cần có bước lập kế hoạch xạ trị
(xác định số trường chiếu, kích thước, vị trí trường chiếu...) đúng. Để lập kế hoạch
xạ trị trên máy gia tốc, chúng ta cần xác định các thông số vật lý của máy như: liều
sâu phần trăm (Percentage Depth Dose: PDD), tỷ số mô-không khí (Tissue Air

Ratio: TAR) và tỷ số mô-phantom (Tissue-Phantom Ratio: TPR). Để xác định tỷ số
mô - không khí (TAR) cần đo suất liều trong không khí. Đối với chùm tia năng
lượng cao việc đo đạc trong không khí khó đạt được vì đòi hỏi cần lớp bao phủ
buồng ion hóa có vùng cân bằng điện tích (build-up) lớn. Do vậy tỷ số mô cực đại
(Tissue Maximum Ratio: TMR) là đại lượng được dùng để thay thế TAR đối với
chùm photon năng lượng cao.

1


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

TMR được sử dụng trong phần mềm lập kế hoạch được tính suy ra từ thông
số PDD sử dụng kỹ thuật đồng trục SSD (Source to Surface Distance). Trong thực
tế, xạ trị hiện nay thực hiện theo kỹ thuật đồng tâm SAD (Source to Axis Distance).
Vấn đề cần làm rõ là TMR tính theo PDD sử dụng kỹ thuật SSD và TMR đo được
theo kỹ thuật SAD có phù hợp hay không. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài
nghiên cứu: “Xác nhận tỉ số mô cực đại (TMR) được tính từ dữ liệu đo liều sâu
phần trăm (PDD) của chùm Photon năng lượng cao trên máy gia tốc Elekta
Precise”. Mục đích của luận văn nhằm:
1/ Xác định TMR theo PDD đo được ứng với 2 mức năng lượng 6MV và
15MV theo kỹ thuật SSD.
2/ So sánh TMR tính theo PDD và TMR đo trực tiếp theo kỹ thuật SAD.
Cấu trúc của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm có 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu
- Chương 3: Kết quả và bàn luận

2


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

Chương 1
TỔNG QUAN
Chương này trình bày các vấn đề: Khái niệm, mục đích và nguyên tắc xạ trị; Cơ sở
ứng dụng bức xạ ion hóa điều trị xạ trị ung thư; Các phương pháp xạ trị, thiết bị xạ
trị; Nguyên lý cấu tạo, hoạt động máy gia tốc tuyến tính xạ trị ELEKTA; Các thông
số vật lý chùm tia trong xạ trị; Các hệ số tính toán phân bố chùm tia. Đây là những
đối tượng sẽ được nhắc đến nhiều trong luận văn này.
1.1. Khái niệm, mục đích và nguyên tắc của xạ trị
Phương pháp xạ trị là tên gọi ngắn gọn của phương pháp điều trị ung thư
bằng tia xạ trong y học, là một trong 3 phương pháp chính được sử dụng hiện nay
để điều trị bệnh ung thư cùng với 2 phương pháp là phẫu thuật và sử dụng hóa chất.
Xạ trị là quá trình điều trị sử dụng bức xạ ion hóa (tia X, tia gamma...) với liều
lượng thích hợp chiếu tới khối u nhằm tiêu diệt các tế bào ung thư đồng thời phải
đảm bảo hạn chế thấp nhất tổn thương cho các tế bào lành xung quanh.
Điều trị bằng tia xạ sử dụng độc lập có thể chữa khỏi nhiều loại ung thư còn
ở giai đoạn khu trú tại chỗ như ung thư da, ung thư vòm họng, ung thư ở vùng đầu,
cổ... Phương pháp này cũng có thể được sử dụng kết hợp với phẫu thuật trong
những trường hợp ung thư đã phát hiện tương đối lớn. Khi đó có thể chiếu xạ tiền
phẫu để giảm kích thước khối u, giảm xâm lấn, biến từ không mổ đượ thành mổ
được. Cũng có thể sử dụng chiếu xạ tại vùng sau mổ để diệt những tế bào ung thư
còn sót lại, hạn chế “di căn do cấy truyền tế bào ung thư trên đường mổ”. Cũng có
thể kết hợp cả xạ trị trước và sau mổ. Tùy theo từng trường hợp mà có thể lựa chọn
phương pháp điều trị sao cho đạt hiệu quả cao nhất. Phương pháp xạ trị cũng có thể

kết hợp với điều trị hóa chất. Ở các nước tiên tiến như Mỹ, Đức... có tới trên 60%
bệnh nhân ung thư được điều trị bằng xạ trị.
Nguyên tắc của xạ trị là bằng cách nào đó, phải phân bố liều lượng đã chỉ
định tập trung cao và đồng đều tại thể tích khối u, đồng thời phải giảm thiểu liều
chiếu có hại cho tổ chức lành liên quan. Tiến bộ của kỹ thuật, công nghệ hướng tới

3


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

làm thế nào để liều lượng bức xạ tập trung vào khối u ngày càng cao và liều chiếu
mô lành phải chịu ngày càng giảm.
1.2. Cơ sở ứng dụng bức xạ ion hóa điều trị xạ trị ung thư
Bức xạ ion hoá gây nên những biến đổi sinh học trong tổ chức sống. Tuy
nhiên độ nhạy cảm phóng xạ của các loại tế bào và mô trong cơ thể lại hết sức khác
nhau. Đặc biệt các tế bào ung thư là những tế bào có khả năng sinh sản mạnh, tính
biệt hóa kém nên nhạy cảm hơn với bức xạ ion hóa so với các tế bào lành. Nếu
chiếu xạ với liều thích hợp, có thể tiêu diệt được tế bào ung thư mà ít gây biến đổi
nguy hiểm đối với tế bào lành. Đó là nguyên lý của điều trị ung thư bằng phóng xạ
[2], [4], [5], [6].
Các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tại khối
u, giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh. Muốn vậy phải dựa trên sự
khác nhau về độ nhạy cảm tia xạ các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào cụ thể.
- Trên cùng một cơ thể các tế bào có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau.
Những tế bào non đang trưởng thành (kém biệt hóa), tế bào sinh sản nhanh, dễ phân
chia thường có độ nhạy cảm cao với phóng xạ như tế bào gốc tạo máu, tế bào niêm
mạc ruột, tế bào sinh dục... Các tế bào mô cơ, xương đã trưởng thành, não kém

Xác suất gây tổn thương tế bào

nhạy cảm với phóng xạ.

Tế bào u

Tế bào lành

Liều chiếu

Hình 1.1: Quan hệ liều với đáp ứng phóng xạ của tế bào u và tế bào lành

4


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

- Trong ung thư, chúng ta cần phải quan tâm nhiều nhất đến các tế bào có
khả năng phân chia vô hạn: đó là các tế bào sinh clôn, có tỷ lệ khoảng 0,1 - 1%. Chỉ
tiêu diệt được khối u khi tất cả các tế bào sinh clôn không còn khả năng phân chia.
Xác suất tiêu diệt các tế bào sinh clôn này tuỳ thuộc nhiều yếu tố, trong đó quan
trọng nhất là sự nhạy cảm với bức xạ ion hoá của các tế bào ung thư. Các loại ung
thư rất nhạy cảm với tia xạ như seminoma, u lympho ác tính...; nhạy cảm với tia xạ
mức độ trung bình: hầu hết các carcinoma, ung thư ít nhạy cảm với tia xạ:
melanoma, sarcoma...
Sự nhạy cảm phóng xạ còn phụ thuộc vào chu kỳ tế bào. Pha phân chia tế
bào (pha M) là thời điểm tế bào nhạy cảm nhất với phóng xạ [5], [6].
M

- phân chia tế bào

G1

- chuẩn bị tổng hợp

S

- tổng hợp

G2

- tăng trưởng

Hình 1.2: Chu kỳ của tế bào
Điều trị ung thư bằng chiếu xạ được ứng dụng sớm ngay từ khi hiện tượng
phóng xạ mới được phát minh. Với các hạt tích điện như hạt alpha có khả năng ion
hóa mạnh nhưng đâm xuyên kém, không được sử dụng trong chiếu xạ từ xa. Bức xạ
beta (electron) có khả năng đâm xuyên khá lớn, được sử dụng chiếu xạ ngoài với
các khối u nông như ung thư da. Khi đi vào độ sâu khoảng 5cm thì liều lượng của
chùm electron gần như bằng không, do đó ít gây tổn hại đến các mô lành.
Tia gamma và tia X tác dụng gây ion hóa kém hơn các loại hạt trên nhưng có
khả năng đâm xuyên rất lớn, do đó được ứng dụng chủ yếu trong xạ trị từ xa. Chúng
có thể tác dụng lên các tế bào ở sâu trong cơ thể để điều trị các khối u sâu. Với các

5


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

khối u sâu trên 3cm, để giảm liều chiếu ở mặt da và ở các mô lành trên đường đi
của chùm tia người ta làm nhiều chùm nhỏ chiếu theo các hướng khác nhau, hội tụ
đồng tâm tại khối u cần điều trị.
1.3. Các phương pháp xạ trị, thiết bị xạ trị
1.3.1. Các phương pháp xạ trị
Có 3 phương pháp xạ trị phổ biến đã và đang được sử dụng là xạ trị chiếu
ngoài, xạ trị áp sát và xạ trị chiếu trong (hay còn gọi là xạ trị chuyển hóa).
- Xạ trị chuyển hóa là ứng dụng một số đồng vị phóng xạ phát bức xạ beta
âm (như 131I, 32P, 90Y...) trong điều trị bệnh.
- Xạ trị áp sát là kỹ thuật xạ trị mà khoảng cách từ nguồn phóng xạ đến các
khối u là rất nhỏ. Trong phương pháp này người ta đưa nguồn phóng xạ đến sát
khối u để giảm chiếu xạ cho mô lành [34], [37]. Có 3 cách thực hiện kỹ thuật này:
cách thứ nhất dùng tấm áp bề mặt để điều trị các vùng như da mặt, vùng đầu, vùng
cổ…; cách thứ 2 là dùng các ống áp (applicator) để điều trị ở các khoang tự nhiên
của cơ thể; cách thứ 3 người ta sử dụng các kim cắm trực tiếp vào trong các khe, kẽ,
trong mô…
Một số khối u ở những vị trí thuộc vùng hang hốc của cơ thể như cổ tử cung,
trực tràng, thực quản... có thể dùng một ống áp đặt trước rồi đưa đồng vị phóng xạ
vào sát với khối u để chiếu xạ [5]. Như vậy có thể tăng liều chiếu ở khối u và giảm
liều chiếu cho mô lành. Việc đưa nguồn xạ được thực hiện sau khi đã đặt ống áp
đúng vị trí, thực hiện bằng điều khiển từ xa (qua máy tính) cho nên còn gọi là xạ trị
áp sát nạp nguồn sau. Các kỹ thuật như dùng kim phóng xạ Radium, dùng các hạt
(seed) gắn phóng xạ cấy vào mô ung thư cũng được coi là xạ trị áp sát.
- Xạ trị ngoài là phương pháp xạ trị mà nguồn phát tia ở cách bệnh nhân một
khoảng nào đó. Đây là phương pháp rất phổ biến trong điều trị ung thư hiện nay.
Phương pháp này được tiến hành với chùm photon từ nguồn phát như nguồn

60

Co

hoặc chùm phát tia X năng lượng cao được tạo bởi chùm electron đã được gia tốc

6


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

có năng lượng đủ lớn cho đập vào bia (phát tia X hãm), cũng có thể dùng trực tiếp
chùm electron đã được gia tốc.
Trong thập kỷ qua, một số kỹ thuật mới đã được phát triển để áp dụng một
cách tốt hơn trong lĩnh vực xạ trị nhằm tăng hiệu quả điều trị, giảm thiểu nguy cơ
các biến chứng. Sự ra đời của các phương pháp chẩn đoán hình ảnh chính xác như
CT, MRI, cắt lớp phóng xạ... cho phép xác định kích thước, vị trí khối u chính xác
hơn, do đó thể tích chiếu xạ giảm đáng kể [5],[34]. Kỹ thuật xạ trị định vị, xạ trị
điều biến liều của chùm tia cho phép giảm thiểu vùng mô lành bị chiếu xạ, giảm tác
dụng không mong muốn của chiếu xạ.
1.3.2. Những khái niệm cơ bản trong vật lý xạ trị ung thư
• Cân bằng điện tích (Build-Up):
Là hiện tượng vật lý, xảy ra khi các chùm photon năng lượng cao tương tác
với môi trường sinh ra các electron thứ cấp. Tùy theo năng lượng photon và môi
trường tương tác, những electron này cũng sẽ tham gia tương tác với môi trường.
Liều cực đại (Dmax) sẽ đạt được tại độ sâu nào đó trong môi trường khi các electron
đạt đến sự cân bằng [1],[3],[5]. Miền giới hạn giữa bề mặt môi trường (mặt da) và
độ sâu đạt liều cực đại rất có ý nghĩa trong xạ trị, thông qua việc lựa chọn năng

Liều

lượng chùm tia.

Độ sâu

Hình 1.3: Vùng cân bằng điện tích

7


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

• Liều hấp thụ
- Định nghĩa: liều hấp thụ là năng lượng bị hấp thụ bởi một đơn vị khối
lượng vật chất mà bức xạ đi qua [3],[6].
D = dE/dm

1.1

dE: năng lượng của bức xạ bị hấp thụ bởi vật chất có khối lượng là dm.
- Đơn vị trong hệ SI là Gray (Gy): 1Gy = 1J/kg
- Đơn vị cũ là rad; 1Gy = 100 rad.
- Suất liều hấp thụ: là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian.
Đơn vị là Gray/giây (Gy/s)
• Liều tương đương
- Định nghĩa: liều tương đương HT,R trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ R

gây ra là liều hấp thụ trong mô hoặc cơ quan đó nhân với trọng số của bức xạ tác
dụng lên mô hoặc cơ quan đó.
HT,R = DT,R. WR

1.2

- Đơn vị đo là Sievert (Sv).
- Đơn vị cũ là Rem. 1Sv = 100 Rem.
Bảng 1.1: Trọng số bức xạ
Loại bức xạ

WR

Gamma, tia X và β-

1

Nơtron chậm hay nhiệt <10keV

~5

Nơtron nhanh và proton tới 10MeV

10

Hạt α và các hạt nhân nặng

10-20

8

Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

• Liều hiệu dụng
- Định nghĩa: liều hiệu dụng tỷ lệ với liều hấp thụ tức là tỷ lệ với liều tương
đương do vậy liều hiệu dụng trong mô hoặc cơ quan T do bức xạ R gây ra là liều
tương đương trong mô hoặc cơ quan nhân với trọng số mô WT của cơ quan đó.
ET = HT. WT

1.3

- Đơn vị đo là Sievert (Sv).
• Liều chiếu
- Định nghĩa: là tổng điện tích các ion cùng dấu được tạo ra trong thể tích
không khí ở điều kiện chuẩn (00C, 760mmHg) có khối lượng dm, khi tất cả các điện
tử thứ cấp do các photon tạo ra bị hãm hoàn toàn trong thể tích không khí đó.
X = dQ/dm

1.4

- dQ là tổng điện tích các ion cùng dấu.
- Đơn vị đo là C/kg.
- Đơn vị cũ là Roentgen (R): 1C/kg = 3,876.103 R.
- Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian:
X. = dX/dt

1.5

• KERMA (Kinetic Energy Released in Material)
- Là tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt điện tích được giải phóng bởi
hạt ion hoá không mang điện trong vật liệu khối lượng dm [3].
K = dE/dm
- Đơn vị đo là J/kg còn được gọi là Gy.

9

1.6


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

1.3.3. Thiết bị xạ trị và các tiến bộ trong kỹ thuật xạ trị chiếu ngoài
1.3.3.1 Thiết bị xạ trị
Trước đây, việc xạ trị ung thư được thực hiện bằng máy xạ trị sử dụng tia
gamma, có 2 mức năng lượng là 1,17 và 1,33MeV của đồng vị phóng xạ Cobalt-60.
Tuy nhiên, máy Cobalt-60 có một số nhược điểm như: chỉ cho chùm photon với 2
mức năng lượng là 1,17 MeV và 1,33 MeV, liều bề mặt da cao, liều sâu phần trăm
thấp, độ rộng bán dạ của chùm tia lớn. Có độ rò rỉ bức xạ từ đầu nguồn. Suất liều
bức xạ giảm theo thời gian, càng về sau thì thời gian điều trị càng phải kéo dài.
Nhược điểm đáng kể nhất là trường chiếu của máy Cobalt-60 chỉ có dạng hình chữ
nhật, kích thước 5x5 đến 30x30cm. Để chùm tia bao trùm hết các tế bào u ung thư,
cần phải chiếu cả một thể tích mô lành tương đối lớn. Tác dụng không mong muốn
do đó rất đáng kể.
Hiện nay ở các nước tiên tiến không dùng máy Cobalt-60 trong xạ trị ung thư
(đã được thay bằng máy gia tốc tuyến tính - LINAC).

Đã có 5 thế hệ máy gia tốc khác nhau:
- Máy gia tốc tia X, photon năng lượng thấp (4-8 MeV)
- Máy gia tốc 2 chùm tia: tia X, photon năng lượng trung bình (10-15 MeV)
và bức xạ electron.
- Máy gia tốc 2 chùm tia: tia X, photon năng lượng cao (18-25 MeV) và bức
xạ electron.
- Máy gia tốc 2 chùm tia năng lượng cao, điều khiển hoạt động bằng máy
tính, có hệ thống multileaf collimator (MLC).
1.3.3.2. Tiến bộ trong kỹ thuật xạ trị chiếu ngoài
Máy gia tốc hiện đại có hệ thống chuẩn trực chùm tia đa lá (MLC) với sự
điều khiển tự động của máy tính, cho phép thực hiện được các kỹ thuật điều trị
chiếu xạ 3D, chiếu xạ điều biến liều - IMRT là những kỹ thuật hiện đại trong điều
trị ung thư, liều xạ được phân bố tối đa theo hình dạng khối u, hạn chế tối thiểu ở tổ
chức lành xung quanh.

10


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

- Xạ trị theo hình dạng khối u (xạ trị 3D):
Phương pháp này sử dụng phần mềm máy tính rất phức tạp và các máy điều
trị hiện đại nhằm cung cấp hình dạng chùm bức xạ phù hợp với diện tích khối u một
cách chính xác. Nó kết hợp công nghệ chụp hình đặc biệt như chụp cắt lớp vi tính
(CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), ghi hình bức xạ sử dụng đồng vị phát positron
(PET) nhằm hiển thị kích thước, hình dáng, và vị trí của khối u cũng như các tổ
chức xung quanh. Với collimator đa lá (MLC) hoặc các khối tạo hình đúc sẵn, các
chùm bức xạ có hình dạng và kích thước phù hợp với khối u [1].

- Xạ trị điều biến liều (Intensity modulated radiation therapy - IMRT):
Là kỹ thuật xạ trị tiên tiến sử dụng máy gia tốc tuyến tính để đưa liều bức xạ
chính xác tới khối u hoặc thể tích cần điều trị. Kỹ thuật này sử dụng phần mềm lập
kế hoạch ngược (inversed planning) chia các trường chiếu ra nhiều chùm tia nhỏ và
điều biến, kiểm soát cường độ của các chùm tia này để đảm bảo phân bố liều theo
mật độ tế bào ung thư (đích sinh học) theo yêu cầu của thể tích điều trị.
Ưu điểm vượt trội của xạ trị điều biến liều so với kỹ thuật xạ trị thường quy
là nó cho phép nâng liều cao tại khối u trong khi vẫn kiểm soát được liều chiếu vào
mô lành xung quanh và có khả năng chiếu liều đồng thời vào nhiều thể tích điều trị.
Kỹ thuật này giúp tăng khả năng tiêu diệt tế bào u đồng thời làm giảm tác dụng phụ
của xạ trị.
- IGRT (Images Guide RT). Xạ trị dưới sự hướng dẫn của hình ảnh:
Trong xạ trị có hướng dẫn hình ảnh (IGRT) là các hình ảnh được chụp (CT,
MRI, hoặc PET) được liên kết ngược lặp lại trong quá trình điều trị. Các hình ảnh
này được xử lý bằng máy tính để xác định mọi thay đổi về vị trí và kích thước khối
u, cho phép điều chỉnh vị trí của bệnh nhân và liều bức xạ khi cần thiết. Việc lặp lại
hình ảnh có thể làm tăng mức độ chính xác và cho phép làm giảm liều chiếu tới các
mô lành. IGRT ưu tiên được sử dụng để điều trị giảm nhẹ, chiếm hơn 50% các
phương thức điều trị ung thư phổi [8].

11


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

- VMAT (Volumetric – Modulated Arc Therapy):
Xạ trị hình cung, điều biến liều theo thể tích: VMAT sử dụng phương pháp
phát chùm tia liên tục khi quay thân máy qua một hay nhiều cung. Trong khi quay,

hệ MLC chuyển động, tạo hình dạng chùm tia; suất liều “Dose rate” thay đổi liên
tục; tốc độ quay của thân máy và góc nghiêng của hệ MLC cũng thay đổi.
- BioART (Biological Adaptive Radiation Therapy):
Xạ trị đáp ứng sinh học: với mục đích này, người ta cố gắng đưa một liều
lượng trong toàn bộ thể tích bia có sự khác nhau bên trong về các yếu tố sinh lý và
loại tế bào… Với xạ trị đáp ứng sinh học - BioART, áp dụng kỹ thuật điều chỉnh sự
phân bố liều bức xạ tại từng vùng thể tích (nhỏ) thuộc khối u tùy theo sự khác nhau
về mức độ nhạy cảm tia xạ, hay sự thiếu oxy... của tế bào.
- Tomotherapy- xạ trị cắt lớp:
Tomotherapy là thiết bị xạ trị kiểu mới bao gồm máy xạ trị bằng chùm tia
ngoài với máy CT scanner cùng trên một tổ hợp. Có thể chỉnh, sửa kế hoạch xạ trị
tại bất kỳ vị trí nào khi cần thiết [30].
- Xạ trị Proton:
Điều trị bằng Proton là ứng dụng đặc trưng liều sâu phần trăm của các hạt
Proton năng lượng cao, dùng phân bố liều lượng hợp lý tại khối u, giảm thiểu liều
có hại cho các mô lành ở phía trước và phía sau thể tích bia. Hiện nay, trên thế giới
chỉ một vài quốc gia phát triển, giàu có như Hoa Kỳ, Nhật…được trang bị máy
Cyclotrons, Synchrotrons và Synchrocyclotrons để tạo ra các chùm tia có đặc tính
áp dụng kỹ thuật này.
- Xạ trị bằng chùm neutron:
Xạ trị bằng chùm neutron là một dạng đặc biệt của phương pháp xạ trị bằng
chùm tia ngoài. Nó thường sử dụng để điều trị cho các khối u kháng tia bức xạ.
Neutron nhanh có thể kiểm soát các khối u lớn bởi vì, không giống với các bức xạ
có LET thấp ( hệ số truyền năng lượng tuyến tính), nó không phụ thuộc vào sự hiện

12


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

diện của oxi để tiêu diệt tế bào ung thư. Sự truyền đạt sinh học của neutron trên các
tế bào lớn hơn nhiều so với các bức xạ ion hóa [30]. Bởi vì hiệu suất sinh học của
neutron là rất cao nên liều lượng để phá hủy các tế bào ung thư chỉ bằng 1/3 so với
liều lượng cần thiết của photon, electron hay proton.
- SRS/SBRT (Stereotactic Radio-Surgery/ Stereotatic Body Radiation Therapy):
Xạ phẫu định vị/Xạ trị lập thể định vị thân: Về bản chất, hai kỹ thuật này đều
có thể dùng thiết bị với nguồn phóng xạ Co-60 (gọi là Gamma Knife) hoặc máy gia
tốc (LINAC, Cyberknife…) cùng những thiết bị định vị tinh xảo đi kèm, sử dụng
liều cao trong một lần điều trị giảm thời gian điều trị [30].
1.4. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động máy gia tốc tuyến tính xạ trị ELEKTA
1.4.1. Nguyên lý cấu tạo
Máy xạ trị ELEKTA tạo ra các chùm electron hoặc photon (X-rays) năng
lượng cao cho mục đích điều trị. Tất cả các thế hệ máy này đều sử dụng nguồn phát
sóng vô tuyến siêu cao tần để cung cấp năng lượng gia tốc các hạt. Các thế hệ máy
xạ trị ELEKTA đều sử dụng công nghệ gia tốc sóng ngang [18, 19]. Về cấu trúc,
các hệ thống quan trọng của chúng để tạo chùm tia cho điều trị được thiết kế gắn
trên cơ cấu dạng trống quay này và có thể quay được 360°.
Có giá đỡ trống làm cho hệ thống trở thành tương đối chắc và ổn định, trọng
lượng đầy đủ của nó khoảng 5 tấn [17].

13


Luận văn Thạc sĩ

Nguyễn Mạnh Khải

Hình 1.4: Sơ đồ khối của dàn quay gắn trên cấu trúc dạng trống

Máy gia tốc tuyến tính ELEKTA dùng trong xạ trị thường được cấu tạo gồm
3 hệ thống chính là:
- Hệ thống tạo chùm tia:
+ Súng điện tử hay hệ thống tạo nguồn electron
+ Bộ tạo sóng siêu cao tần (RF): nguồn tần số vô tuyến sử dụng magnetron,
bộ điều chế [20].
- Hệ thống tăng tốc và vận chuyển chùm tia: ống gia tốc, hệ thống uốn chùm
tia (từ trường hội tụ, từ trường lái và uốn chùm tia) [21].
- Hệ thống định dạng chùm tia hay đầu máy điều trị: hệ thống dịch chuyển
bia, bộ lọc phẳng chùm tia, collimator sơ cấp, hệ thống kiểm soát liều lối ra,
collimator thứ cấp và trong các máy gia tốc hiện đại có collimator đa lá [22].

14