Xác định liều hấp thụ trong nước để điều trị bệnh nhân ung thư theo quy trình IAEA TRS 277 và IAEA TRS 398 trên nguồn CoBALT 60

..
Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ÐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

..………………………………….

NGUYỄN ĐĂNG NHUẬN

XÁC ĐỊNH LIỀU HẤP THỤ TRONG NƯỚC ĐỂ ĐIỀU TRỊ
BỆNH NHÂN UNG THƯ THEO QUY TRÌNH IAEA TRS-277
VÀ IAEA TRS-398 TRÊN NGUỒN COBALT-60
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. ĐẶNG ĐỨC NHẬN
2. KS. VŨ MẠNH KHÔI

Luận văn thạc sĩ

Hà Nội Năm 2010
1

Nguyễn Đăng Nhuận

Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập tại viện Vật lý kỹ thuật, Trường Ðại học bách khoa Hà
Nội, tôi đã được sự giảng dạy tận tình của các thầy cơ. Chính nơi đây đã cung cấp
cho tơi kiến thức và giúp tôi trưởng thành trong học tập và nghiên cứu khoa học.
Cho tôi gửi lời biết ơn tới tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian
học tại trường. Cho tôi gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Đặng Đức Nhận và thầy Vũ
Mạnh Khơi đã định hình cho tơi lựa chọn đề tài này và tận tình hướng dẫn tơi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi cũng chân thành cảm ơn tập thể Bác sĩ, kĩ sư Vật lý và Y tá tại trung tâm
Ung Bướu Thái nguyên - Bệnh viện đa khoa trung ương Thái nguyên đã cung cấp
cho tôi những tài liệu quan trọng giúp tơi có thể hồn thành được luận văn.
Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy trong hội đồng đã đọc, nhận xét và
giúp tơi hồn chỉnh luận văn. Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè
ln ủng hộ, động viên giúp đỡ tơi trong suốt khóa học.

Luận văn thạc sĩ

2

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
D: Liều hấp thụ
D max : Liều lượng cực đại
D air : Liều hấp thụ trong khơng khí
E J : Liều hiệu dụng
X: Liều chiếu
A: Hoạt độ phóng xạ
P: Suất liều bức xạ
H T,R : Liều tương đương trong mô cơ quan T do bức xạ R
W: Trọng số bức xạ
K air : Hệ số air kerma
N D : Hệ số hấp thụ trong khơng khí
N K : Hệ số xác định air kerma của buồng ion hóa
D w,Q (z max ): Là suất liều hấp thụ trong nước cực đại tại độ sâu z max
D w,Q (z ref ): Là suất liều hấp thụ trong nước tại độ sâu z ref
k Q,Qo : Là hệ số hiệu chỉnh chất lượng chùm tia
N D,w,Qo : Là hệ số chuẩn liều hấp thụ trong nước của buồng ion hóa đối với chùm tia
M 1 : là tỷ số giữa số đọc của hệ chưa được hiệu chỉnh và số đọc của giá trị thời gian
đặt trên máy
k TP : Là hệ số hiệu chỉnh sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất
k elec : Là hệ số chuẩn của electrometer
k pol : Là hệ số hiệu chỉnh cho hiệu ứng phân cực
k s : Là hệ số hiệu chỉnh cho hiệu ứng tái tổ hợp
W/e: Năng lượng thực tế hao tổn để tạo ra một cặp ion và electron
g: Phần năng lượng của các hạt điện tích thứ cấp bị hao tổn do bức xạ hãm
k att : Hệ số suy giảm trong thành buồng ion hóa khi chiếu xạ (hấp thụ và tán xạ)
k m : Hệ số tính đến với sự khơng cân bằng trong khơng khí

Luận văn thạc sĩ

3

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

Các chữ viết tắt.
IAEA: International Atomic Energy Agency
WHO: World Health Organization
ICRU : International Commission on Radiation Units and Measurement
PSDLs: Primary Standard Dosimetry Laboratories
SSDLs: Secondary Standard Dosimetry Laboratories
TRS-277: Technical Reports Series No-277
TRS-398: Technical Reports Series No-398
CT: Computed Tomography
MRI: Magnetic Resonnance Imaging
SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography
PET: Positron Emission Tomography
SI: System International
GTV: Gross Tumor Volume
CTV: Clinical Target Volume
PTV: Planning Target Volume
OAR: Organ At Risk
TV: Treatment Volume
IV: Irradiated Volume

TAR: Tissue Air Ratio
PDD: Percent Deep Dose
SSD: Source Surface Distance
SAD: Source Axis Distance
HVL: Half Value layer
KERMA: Kinetic Energy Released in Material
Bq: Becquerel
Ci: Curie
Sv: Sievert
Gy: Gray
Luận văn thạc sĩ

4

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Tổng hợp các hiệu ứng
Bảng 2. Giá trị của hệ số S air,m , (μ en /ρ) m,

air

, k m với các vật liệu khác nhau

Bảng 3. Chuẩn số đọc của dụng cụ đo M u

Bảng 4. Tỷ số hiệu điện thế V 1 /V 2
Bảng 5. Tỷ số bức xạ hãm tại độ sâu đưa ra
Bảng 6. Suất liều chiếu và suất KERMA trong khơng khí
Bảng 7. Suất liều hấp thụ trong phantom nước tháng 4 năm 2010

Luận văn thạc sĩ

5

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ÐỒ THỊ
Hình 1. Máy Cobalt-60
Hình 2. Hiệu ứng quang điện
Hình 3. Quá trình tạo ra các Electron Auger
Hình 4. Quá trình tán xạ Compton
Hình 5. Quá trình tạo cặp
Hình 6. Tầm quan trọng tương đối của ba hiệu ứng
Hình 7. Máy gia tốc tuyến tính
Hình 8. Máy mơ phỏng
Hình 9. Đầu máy gia tốc
Hình 10. Đầu máy Cobalt-60
Hình 11. Thiết lập quá trình đo
Hình 12. Các thể tích liên quan trong điều trị tia xạ
Hình 13. Thiết lập quá trình đo

Hình 14. Sơ đồ nguyên tắc của một buồng ion hóa
Hình 15. Sơ đồ ngun lý của một buồng ion hóa dịng
Hình 16. Sơ đồ cấu tạo buồng ion hóa phẳng song song
Hình 17. Thiết bị dùng trong quá trình đo
Hình 18. Thiết lập quá trình đo
Hình 19. Phantom nước
Hình 20. Thiết lập quá trình đo

Luận văn thạc sĩ

6

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

I. MỞ ÐẦU
Theo thống kê của Tổ chức Y tế thế giới, số người mắc bệnh ung thư hàng năm
trên toàn cầu là khoảng gần 10 triệu trường hợp, trong số này trên 8 triệu người bị
tử vong. Ở Việt Nam, mỗi năm ước tính có khoảng 150.000 ca ung thư mới trong
đó có khoảng 50.000 ca tử vong. Tỷ lệ tử vong trong số các ca bệnh ung thư là khá
cao, mặc dù chương trình điều trị đã có nhiều tiến bộ ví dụ như kết hợp giữa xạ trị,
hóa trị và các kỹ thuật lâm sàng khác, trong đó xạ trị được coi là có hiệu quả. Một
phần hiệu quả điều trị ung thư bằng xạ trị quyết định bởi độ chính xác trong xác
định liều và phân bố liều trong khối U. Nhận thức được điều này, Cơ quan Năng
lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã phối hợp với các Cơ quan-Tổ chức quốc tế liên
quan đến đảm bảo sức khỏe dân chúng đã soạn thảo hai quy trình về đánh giá liều

trong xạ trị, đó là quy trình xác định liều hấp thụ trong nước IAEA TRS-227 và
IAEA TRS-398.
Những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học cũng
như các thiết bị chẩn đoán và điều trị hiện đại, việc nghiên cứu và chữa trị bệnh ung
thư đã có những tiến bộ vượt bậc, từ đó tìm ra được một số hướng dự phịng chẩn
đốn chính xác hơn và điều trị có hiệu quả hơn.
Những cách chính điều trị bệnh ung thư bao gồm: điều trị bằng phẫu thuật, điều
trị bằng tia xạ và điều trị bằng hóa chất. Ðiều trị bằng tia xạ là phương pháp dùng
chùm tia điện tử hoặc photon có năng lượng thích hợp thơng qua cơ chế gây ion hóa
nhằm gây ra những tác động về mặt sinh học của chùm tia để tiêu diệt các tế bào
ung thư hoặc hạn chế sự phát triển của nó. Ðây được xem là một trong những
phương pháp điều trị bệnh ung thư hữu hiệu, nhưng phương pháp này vẫn có một số
hạn chế nhất định đó là bệnh nhân phải chấp nhận một rủi ro do bức xạ ion hóa đi
vào cơ thể. Ðiều này rất quan trọng và đó là nhiệm vụ của các kỹ sư Vật lý, Bác sỹ
và kỹ thuật viên để làm sao cho các ảnh hưởng do ion hóa của bức xạ lên bệnh nhân
một cách thấp nhất để đảm bảo an toàn cho người bệnh.
Hiện nay ở Việt Nam những thiết bị chẩn đoán và điều trị bằng tia xạ được đưa
vào sử dụng khá phổ biến ở các Bệnh viện như thiết bị chẩn đoán bằng các đồng vị
Luận văn thạc sĩ

7

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

phóng xạ PET, SPECT, gamma Camera và thiết bị điều trị bằng bức xạ ion hóa rất

hiện đại như máy gia tốc tuyến tính, dao mổ gamma knife.
Từ những năm 80 việc ứng dụng bức xạ ion hoá vào Y tế và cơng nghiệp đã
tăng lên nhanh chóng. Việc đo liều bức xạ và xác định liều lượng hấp thụ trong
nước chính xác là hết sức cần thiết cho việc đảm bảo chất lượng xạ trị.
Liều lượng hấp thụ trong xạ trị là quan trọng, cơ quan năng lượng nguyên tử
quốc tế (IAEA) ngay từ đầu đã có chương trình đo liều lượng bức xạ ion hoá sau
khi thành lập. Thời gian đó khơng có một quốc gia hay tổ chức quốc tế nào có liều
hấp thụ chuẩn, mà có kế hoạch chuyển sang xác định liều hấp thụ dưới những dụng
cụ đo nhiệt lượng và xây dựng một phòng thí nghiệm vào đầu những năm 1960.
Thiết bị đầu tiên là dụng cụ đo nhiệt lượng được sử dụng để đo liều hấp thụ và so
sánh liều đó với các thiết bị đo liều tham khảo khác. Một vài năm sau có những đề
nghị của các tổ chức về so sánh liều bởi các nơi điều trị bằng bức xạ. Đầu tiên là
năm 1966 đo bức xạ

Co sử dụng TLD. Năm 1968 tổ chức WHO đã kết hợp với

60

chương trình này và sau đó phục vụ cho khoảng 200 Bệnh viện hàng năm dựa trên
những nguyên tắc cơ bản này. Những kết quả này đã tạo lên độ chính xác về liều
lượng ngày càng cao. Kết quả so sánh liều đã nhận được những thống kê và đánh
giá thường xuyên của các nhà khoa học và các tổ chức quốc tế.
Với mục đích cải tiến và đáng tin cậy hơn về đo liều lượng trong xạ trị thì
IAEA và tổ chức WHO đã ủng hộ thành lập phịng thí nghiệm SSDLs được phát
triển ở một số quốc gia và đã thành lập một mạng lưới liên kết của phịng thí
nghiệm SSDLs vào năm 1976. SSDLs là cầu nối giữa phòng thí nghiệm PSDLs và
sử dụng bức xạ ion hố cung cấp sau đo tính tốn lại tại phịng thí nghiệm SSDL từ
đó đưa ra những khuyến cáo về các thơng số kỹ thuật và trợ giúp. Tuy nhiên, tính
tốn này chỉ là điều kiện ban đầu cho xác định liều lượng hấp thụ. Nhiều khâu khác
nhau như thiết bị đo (có thể khác nhau) các đại lượng khác nhau việc tính tốn phải

dựa trên những phương trình khác nhau để xác định được liều lượng hấp thụ. Cuối
cùng là hệ máy tính để xác định, theo kinh nghiệm chỉ ra rằng có nhiều sai số. Bởi
vậy đã có nhiều những hướng dẫn của các quốc gia và quốc tế khuyến cáo người sử
Luận văn thạc sĩ

8

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

dụng nhận liều hấp thụ như thế nào từ phương pháp đo suất liều hoặc các đại lượng
khác một cách thích hợp.
Một hướng dẫn quốc tế về thực hành cho đo liều trong xạ trị cùng với sự trợ
giúp bởi một số tổ chức quốc tế đã được xuất bản hướng dẫn IAEA TRS-398. Nó
được dựa trên các tiêu chuẩn về liều hấp thụ trong nước, trong khi các hướng dẫn
trước đây (TRS-381 và TRS-277) được dựa trên tiêu chuẩn trong khơng khí là hệ số
Kerma. Để đánh giá những thay đổi trong tính tốn chùm tia theo hướng dẫn IAEA
TRS-398, một chi tiết về thực nghiệm là so sánh về việc xác định liều lượng dùng
trong điều kiện tham khảo với chùm photon năng lượng cao và chùm electron đã
được thực hiện bằng cách sử dụng những hướng dẫn khác nhau của IAEA. Một bản
tóm tắt các điều kiện xây dựng và tham khảo trong các mã khác nhau của thực tiễn,
cũng như các dữ liệu cơ bản, được đưa ra đầu tiên. Đo đạc chính xác đã được thực
hiện trong 25 chùm photon và electron từ 10 máy gia tốc, đã sử dụng 12 buồng ion
hố hình trụ và buồng ion hoá phẳng song song khác nhau, và tỷ lệ liều trong các
điều kiện khác nhau IAEA TRS-398 với các hướng dẫn khác đã xác định. Từng
bước kiểm tra, đánh giá một cách chính xác bởi các nhà làm lâm sàng, để xác định

rằng các tính tốn và kết quả chấp nhận ở khoảng 1%. Sự khác biệt lớn nhất tìm
thấy giữa IAEA TRS-398 và các mã trước đây là IAEA TRS-277 (xuất bản lần thứ
2), IAEA TRS-381 là chấp nhận trong khoảng 1,5-2,0%. IAEA TRS-398 trường
suất liều hấp thụ lớn hơn so với các hướng dẫn trước đây khoảng 1,0% cho các
chùm photon (IAEA TRS-277) và cho các chùm điện tử (TRS-381 và TRS-277) khi
buồng ion hoá phẳng song song được tính tốn. Đối với các buồng Markus, kết
quả cho thấy một sự thay đổi rất lớn, mặc dù bỏ qua điện tử hãm với tỷ số N D,W /N K
làm cho sự khác biệt chung giữa IAEA TRS-398 và IAEA TRS-277 trong trường
hợp này cũng nhỏ hơn với buồng ion hoá phẳng song song. Các buồng ion hố sử
dụng cùng với nguồn Cobalt-60, khi tính tốn hệ số N D,W với các trường chiếu khác
nhau để xác định liều hấp thụ thì sự khác biệt thay đổi trong khoảng từ 1,0% và
1,5%, với IAEA TRS-381, từ 1,5% và 2,0% với IAEA TRS-277. Tính tốn với
chùm tia Photon sử dụng trực tiếp đo hoặc tính TPR 20,10 từ số liệu bảng liều sâu
Luận văn thạc sĩ

9

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

phần trăm tại khoảng cách từ nguồn đến mặt da SSD = 80 cm đã khơng thể tìm thấy
sự khác nhau. Xem xét rằng khoảng 0,8% trong sự khác biệt giữa IAEA TRS-398
và các hướng dẫn dựa trên N K là do sự thay đổi mới về tiêu chuẩn, sự khác biệt còn
lại trong liều lượng tuyệt đối là do một sự tương tự, chặt chẽ trong dữ liệu cơ bản
hoặc một sự tình cờ hủy bỏ sự khác biệt trong dữ liệu và các loại buồng ion hoá
được hiệu chỉnh Cần nhấn mạnh rằng các giá trị N K - N D,air và N D,W , các công thức

sử dụng tính tốn có tương tự khơng và chắc chắn rằng khi cùng một tiêu chí được
sử dụng cho cả hai hướng dẫn. Các hệ số tính tốn được hỗ trợ và khuyến cáo cho
một thay đổi trong đo liều lượng tham khảo dựa trên các tiêu chuẩn của liều hấp thụ
trong nước.
Mỗi quy trình có một ưu việt và tính chất riêng, khơng cái nào hồn hảo và hiện
tại cũng như vậy. Nhưng tin tưởng khi được đưa ra bởi các phịng thí nghiệm
SSDLs thơng qua trên tồn thế giới. Thực tế đã có sự nỗ lực bởi các nhà Y Vật lý
của IAEA và tổ chức WHO cùng với sự hợp tác khác để nhận được những mã
chuẩn về đo liều lượng để sử dụng. Như vậy các thông số và các giá trị cũng như
các khái niệm nhận được từ quy trình IAEA TRS - 277 và TRS-398 trên đều được
thẩm tra và tồn tại dưới dạng các mã.
Theo các khuyến cáo của IAEA và WHO tổng sai số trong xạ trị không được
vượt quá ± 5%, trong đó khâu xác định liều hấp thụ khơng được vượt quá ± 2%. Để
đạt được và giữ mức độ chính xác này, độ chính xác cao trong đo liều và xác định
liều hấp thụ cũng như là việc kiểm tra thường xuyên thông số của thiết bị xạ trị là
cần thiết.
Thông qua việc xác định liều hấp thụ trong nước theo hai quy trình IAEA TRS-277
và TRS-398 đưa ra được những mục tiêu chính của luận văn đó là:
1. Xác định độ chính xác về liều hấp thụ trong phantom nước.
2. So sánh, đánh giá kết quả xác định liều hấp thụ bằng hai quy trình trên với
nguồn Cobalt-60.

Luận văn thạc sĩ

10

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

Hình 1: Máy Cobalt-60
A. TỔNG QUAN
Chương I. CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ
I - Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Tia gamma tương tác với vật chất mà chúng đi qua là khác với hạt alpha và hạt
bêta. Hạt alpha và hạt bêta có quãng chạy hữu hạn trong chất hấp thụ và chúng bị
mất năng lượng một cách liên tục trên quãng chạy đó. Trong khi đó tia gamma có
thể chuyển động trên một quãng đường dài giữa các tương tác và chỉ bị mất năng
Luận văn thạc sĩ

11

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

lượng tại các điểm tương tác và nói chung chúng khơng thể bị hấp thụ hồn tồn
năng lượng. Chúng chỉ có thể bị giảm về mặt cường độ.
Có ba cơ chế cơ bản khi tia gamma tương tác với vật chất đó là:
1- Hiệu ứng quang điện.
2- Hiệu ứng Compton.
3- Hiệu ứng tạo cặp.
Các quá trình này gây ra sự ion hoá chất hấp thụ gọi là sự ion hoá sơ cấp. Các
electron được tạo ra trong quá trình ion hố sơ cấp có thể tiếp tục ion hố các

ngun tử của chất hấp thụ quá trình này là quá trình ion hố thứ cấp.
Tuy nhiên trong các vùng năng lượng mà chúng ta quan tâm, thường chỉ có hai
trong số ba hiệu ứng này có thể xảy ra đồng thời.
1. Hiệu ứng quang điện
Tia gamma

Electron
quang điện

Nhân tích
điện dương

Hình 2: Hiệu ứng quang điện
- Tia gamma có năng lượng tương đối thấp (nhỏ hơn 1 MeV) có thể truyền tồn bộ
năng lượng của nó cho một electron liên kết chặt với hạt nhân nguyên tử (các
electron ở các lớp vỏ bên trong nguyên tử) làm cho nó bị bắn ra khỏi nguyên tử
chất hấp thụ (xem hình 2).
Electron bị bắn ra gọi là electron quang điện, nó sẽ chuyển động trong chất hấp
thụ và gây ra sự ion hố, kích thích thứ cấp. Nguyên tử của chất hấp thụ khi đó ở
Luận văn thạc sĩ

12

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

trạng thái bị kích thích với một lỗ trống trong các vỏ electron bên trong của nó. Lỗ
trống này sẽ nhanh chóng bị lấp đầy bằng q trình bắt một electron tự do hay bởi
quá trình xắp xếp lại các electron từ các lớp vỏ khác của nguyên tử. Kết quả năng
lượng được giải thốt trong q trình này bằng cách phát ra tia X đặc trưng.
- Trong một số ít trường hợp các tia X được tạo ra bởi quá trình trên sẽ tương tác
với các electron ở lớp vỏ bên ngoài và làm bắn chúng ra khỏi nguyên tử. Các
electron này có năng lượng thấp và được gọi là electron Auger. Hình 3 chỉ ra quá
trình tạo ra electron Auger.

Auger

Tia X

+

Nhân tích
điện dương

Hình 3: Q trình tạo ra các electron Auger
- Hiệu ứng quang điện thường xảy ra trong các chất có ngun tử số lớn, vì thế chất
như chì (Z = 82) được sử dụng làm vật liệu che chắn rất tốt.
- Hiệu ứng quang điện tương đối thấp đối với các chất có Z nhỏ như nhôm.
2. Hiệu ứng Compton (tán xạ compton)
Hiệu ứng compton là tương tác giữa tia gamma với một electron ở vỏ ngoài
nguyên tử. Kết quả của việc tương tác này là một phần năng lượng của tia gamma
được truyền cho nguyên tử của chất hấp thụ. Electron được giải phóng khỏi nguyên
Luận văn thạc sĩ

13

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

tử (quá trình này được gọi là quá trình ion hố sơ cấp) và nó tiếp tục chuyển động
trong chất hấp thụ gây ra q trình ion hố và kích thích thứ cấp. Tia gamma tán xạ
bị mất một phần năng lượng và có thể tiếp tục tương tác với các nguyên tử khác
của chất hấp thụ. Hình 4 chỉ ra q trình tán xạ compton.

Tia gamma tán
xạ

Tia
gamma
tới

Electron
được giải
phóng

+
Nhân tích
điện

Hình 4: Q trình tán xạ compton
- Góc tán xạ của tia gamma phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của nó và năng
lượng mà nó truyền cho electron. Các tia gamma có năng lượng thấp truyền rất ít

năng lượng cho electron được giải phóng và bị tán xạ ở góc bé. Trong khi đó các tia
gamma có năng lượng cao (10-100 Mev) truyền gần hết năng lượng của nó cho
electron được giải phóng và góc tán xạ là rất lớn. Tán xạ compton là hiệu ứng quan
trọng trong dải năng lượng từ 0,2 MeV đến 5 MeV và chiếm ưu thế trong các chất
hấp thụ có số Z lớn.
3. Hiệu ứng tạo cặp
Quá trình tạo cặp xảy ra khi tia gamma có năng lượng lớn hơn 1,02 MeV tương
tác với điện trường mạnh gần các hạt nhân nặng của nguyên tử chất hấp thụ. Kết
quả của quá trình tương tác này là nó tạo ra cặp electron và positron. Năng lượng
Luận văn thạc sĩ

14

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

1,02 MeV chính bằng năng lượng tương đương với khối lượng tổng cộng của cặp
positron-electron. Tia gamma có năng lượng vượt quá giá trị này cung cấp động
năng cho cặp electron-positron và cũng có thể một phần nhỏ năng lượng giật lùi
của hạt nhân bia.
Electron và positron sau đó mất động năng bằng q trình ion hố thứ cấp. Hạt
positron khi mất hết động năng sẽ kết hợp với một electron của nguyên tử chất hấp
thụ để huỷ cặp. Trong q trình này nó tạo ra hai tia huỷ cặp có năng lượng bằng
nhau và bằng 0,51 MeV. Các tia huỷ cặp này được phát ra theo hai hướng ngược
nhau. Đối với các tia gamma năng lượng cao hơn ngưỡng 1,02 MeV thì xác suất để
quá trình tạo cặp xảy ra tăng theo số nguyên tử của chất hấp thụ.

Hiệu ứng này cũng tăng theo năng lượng của tia gamma. Quá trình tạo cặp là
quá trình chiếm ưu thế đối với các tia gamma năng lượng cao và trong vật liệu có
nguyên tử số lớn.
Electron
Tia gamma năng lượng lớn
hơn 1,02 MeV

Positron

Tia huỷ cặp
0,51 MeV

Electron của
nguyên tử chất
hấp thụ

Tia huỷ cặp
0,51 MeV

Hình 5: Quá trình tạo cặp

Luận văn thạc sĩ

15

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

Z
100

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng tạo cặp

80
50
40
20
0

Hiệu ứng compton
0.01

0.1

1

10
100
Năng lượng của tia gamma

Hình 6: Tầm quan trọng tương đối của ba hiệu ứng tương tác chính
Bảng 1. Tổng hợp các hiệu ứng xảy ra
Hiệu ứng quang
điện

Hiệu ứng
compton

Hiệu ứng tạo cặp

- Phần nguyên tử - Electron của vỏ bên - Electron của vỏ
tham gia vào tương trong
bên ngoài
tác

- Hạt nhân

- Năng lượng tia
gamma, tia X

- Thấp (<1 MeV)

- Cao (> 1,02 MeV)

- Nguyên tử số Z
của chất hấp thụ

- Tăng theo Z

- Kết quả của
tương tác

- Electron của vỏ bên - Electron của vỏ
trong bị bắn ra khỏi

bên ngoài bị bắn ra
nguyên tử
khỏi nguyên tử.

- Trung bình
(0,2 – 5MeV)
- Phụ thuộc vào Z

- Cặp Electron –
pôzitron đựơc tạo ra.

- Pôzitron bị huỷ cặp
- Tia gamma tán xạ tạo thành hai tia
bị giảm năng lượng gamma có năng
lượng 0,51MeV

-Tạo ra tia X đặc
trưng
Luận văn thạc sĩ

- Tăng theoZ

16

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

- Hình 6 chỉ ra sự phụ thuộc của xác suất để các quá trình tương tác này xảy ra.
Năng lượng được biểu thị trong thang loga trên trục X. Nguyên tử số Z của chất hấp
thụ được chỉ ra trên trục Y trong thang tuyến tính.

Hình 7: Máy gia tốc tuyến tính.
II. KỸ THUẬT XẠ TRỊ
1. Giới thiệu chung
Ðiều trị bằng tia xạ là quá trình điều trị sử dụng bức xạ ion hóa hoặc phóng xạ
cho nhiều bệnh khác nhau. Mục đích là nhằm đưa một liều phóng xạ cao và đồng
đều cũng như rất chính xác tới một thể tích bia đã xác định đồng thời giảm liều tối
thiểu cho các tổ chức lành bao quanh, kết quả là sẽ loại trừ bệnh tật, kéo dài sự sống
hay cải thiện chất lượng cuộc sống. Do đó, kỹ thuật xạ trị được xây dựng để chữa

Luận văn thạc sĩ

17

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

bệnh hoặc làm giảm nhẹ bớt bệnh tật một cách hiệu quả. Khi sử dụng phương pháp
điều trị bằng tia xạ cần phải xác định mục đích của việc điều trị.
• Ðiều trị tận gốc: là loại trừ tất cả các tế bào ung thư tại U nguyên phát, tại các tổ
chức xung quanh mà khối U lan tới và những hạch tại vùng có thể đã bị xâm lấn.
Ðiều trị tận gốc thường là liều xạ cao, có thể gây ra một số biến chứng phụ, thời

gian kéo dài với sự chấp nhận của bệnh nhân.
• Ðiều trị triệu chứng: mục đích để chống đau, chống tắc do chèn ép, chống chảy
máu. Ðiều trị triệu chứng là liều thấp, thời gian chiếu xạ ngắn.
Tùy theo mục đích điều trị khác nhau mà Bác sĩ và các kỹ sư Vật lý quyết định
chiếu cũng như các kỹ thuật chiếu xạ thích hợp.
2. Quy trình và ngun tắc điều trị bằng tia xạ
2.1 - Quá trình điều trị bằng tia xạ
Một quá trình điều trị bằng tia xạ rất phức tạp. Ðầu tiên Bác sĩ phải chẩn đoán và
đánh giá lâm sàng để xác định khối U (ác tính hay lành tính) sau đó sẽ quyết định
phương thức điều trị thích hợp nhằm làm giảm nhẹ bệnh hay điều trị tận gốc. Một
quy trình tạo ảnh và lập phác đồ điều trị được thực hiện bằng các kỹ thuật chụp ảnh
cắt lớp (CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), X- quang hay chụp ảnh bằng phát xạ
photon (SPECT), positron (PET). Dựa vào các ảnh này ta có thể xác định được thể
tích bia cần chiếu xạ, khoanh vùng thể tích và tạo dạng trường chiếu. Sau đó sẽ xây
dựng chương trình để mơ phỏng thực tế điều trị, tính tốn sự phân bố liều và tối ưu
hóa liều cần chiếu.
2.2 - Nguyên tắc điều trị bằng tia xạ
Quy trình điều trị bằng tia xạ phải dựa trên những nguyên tắc sau:
- Ðánh giá sự lan rộng của khối U bằng các biện pháp CT scanner, X quang, MRI…
để biết thể tích cần chiếu.
- Biết rõ những đặc điểm bệnh lý của khối U.
- Chọn lựa những phương pháp thích hợp: chỉ dùng xạ trị hay phối hợp phẫu thuật,
hóa chất… hay chọn phối hợp cả ba phương pháp, chọn loại tia thích hợp, chiếu từ
ngoài vào hay đặt tại khối U.
Luận văn thạc sĩ

18

Nguyễn Đăng Nhuận

Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

- Quy định liều tối ưu và thể tích chiếu xạ dựa trên vị trí giải phẫu, độ ác tính… và
cấu trúc lành trong vùng chiếu.
- Ðánh giá từng giai đoạn về thể lực bệnh nhân, sự đáp ứng của khối U và thể trạng
của tổ chức lành trong khu vực điều trị.
- Bác sĩ điều trị phải cùng làm việc chặt chẽ với đội ngũ kỹ sư Vật lý, kế hoạch điều
trị và bộ phận đo lường.
3. Các phương pháp điều trị bằng tia xạ
3.1 - Phương pháp xạ trị bằng chùm tia ngoài
Xạ trị bằng chùm tia ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kỹ thuật xạ
trị. Người ta thường tiến hành với chùm photon, thông thường đó là các tia X mang
năng lượng cao được tạo ra bởi máy gia tốc tuyến tính, nhưng người ta cũng thường
dùng chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong
khoảng 50-300 kV. Thêm vào đó, chùm electron ở năng lượng megavolt cũng được
sử dụng để điều trị các khối U tương đối nơng sẽ cải thiện được độ chính xác hình
học hơn các photon, do đó nó cũng được sử dụng rộng rãi ngày nay. Xạ trị ngoài
với các bức xạ hạt khác cũng đã được đưa ra, trong trường hợp hạt neutron. Một số
phát triển mới đây trong kỹ thuật xạ trị ngoài đã tăng lên do việc sử dụng máy tính
tăng. Chúng khơng chỉ có khả năng lập kế hoạch tính tốn trong khơng gian ba
chiều mà cịn có khả năng điều khiển thiết bị điều trị sao cho vùng liều cao có thể
biến đổi cho phù hợp với thể tích bia trong khơng gian ba chiều. Sự phát triển này
song song với các kỹ thuật tạo ảnh như chụp cắt lớp vi tính hay tạo ảnh cộng hưởng
từ (MRI), nó sẽ đóng một vai trị quan trọng trong việc phác họa thể tích khối U.
Các máy móc được sử dụng cho xạ trị từ xa bao gồm các máy phát tia X, máy
phát chùm tia gamma, máy gia tốc điện tử... Xạ trị từ xa là phương pháp sử dụng
rộng rãi để điều trị những khối U, hạch nằm sâu trong cơ thể.

3.2 - Xạ trị bằng nguồn phóng xạ kín (áp sát)
Là kỹ thuật điều trị sử dụng các nguồn đồng vị phóng xạ đặt trong thể tích khối
U để đưa ra một liều rất cục bộ nhằm tối thiểu hóa liều xạ tới các mơ lành bao
quanh. Tuy nhiên kỹ thuật này hạn chế khi thể tích khối U nhỏ.
Luận văn thạc sĩ

19

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

Sự phát triển trong lĩnh vực này bao gồm việc sử dụng các nguồn phóng xạ có
suất liều cao, các nguồn được đưa qua các ống thông để đặt vào các vị trí khối U.

Hình 8: Máy mơ phỏng
4. Đo liều trong xạ trị
4.1 - Giới thiệu
Trong những năm đầu ứng dụng các hiện tượng phóng xạ, một số phương pháp
đo chất lượng xạ trị (còn gọi là khả năng đâm xuyên) và định lượng của các chùm
tia X tỏ ra chưa thoả mãn. Các phương pháp đo trực tiếp chất lượng chùm tia đã
được tác giả có tên Benoist tiến hành năm 1901, gọi là “penetrometer” - đo độ đâm
xuyên. Cũng vào đầu thế kỷ 20, một tác giả khác tên là Holzknecht đã chế tạo ra
một loại dụng cụ để đo liều lượng gọi là “ choromoradiometer” - đồng hồ đo phóng
xạ. Một thiết bị tương tự khác đo phóng xạ được chế tạo năm 1904. Tuy nhiên, tất
Luận văn thạc sĩ

20

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

cả các dụng cụ kể trên còn rất nhiều hạn chế. Trong suốt 50 năm sau đã có rất nhiều
cố gắng được thực hiện nhằm chế tạo những thiết bị đo liều chính xác và ổn định
hơn. Vào năm 1928, hai nhà khoa học là H.Geiger và W. Mueller đã cải tiến các
dụng cụ đếm phóng xạ từ năm 1906, gọi là ống đếm Geiger-Mueller và được sử
dụng cho đến tận ngày nay. Đáng chú ý hơn cả là dụng cụ buồng ion hoá được
Glasser chế tạo năm 1956. Các loại buồng ion hoá là loại đầu đo hiện được sử dụng
hết sức rộng rãi và tin cậy trong kỹ thuật đo liều lượng xạ trị.
Một số nhà khoa học ở Paris là Antoine Beclere, ở Stockholm là Gosta Forssell
và ở Liverpool là J.J. Thomson cùng với Goerge Pfahler ở Boston là những người
đặt nền móng cho ngành xạ trị. Họ cùng với một số các nhà khoa học khác trên thế
giới đề xuất những đơn vị và phương pháp đo liều lượng trong xạ trị. Năm 1923 đưa
vào sử dụng khái niệm “lớp bán hấp thụ” tức là bề dầy làm suy giảm một nửa cường
độ chùm tia (half-value layer, HVL). Đến năm 1928 đơn vị đo các chùm photon, tia
X và tia gamma mới được chấp nhận là Roentgen. Năm 1953 Uỷ ban Quốc tế về đo
lường và các đơn vị phóng xạ - ICRU, đã khuyến cáo đơn vị đo liều hấp thụ là Rad.
Ngày nay đơn vị quốc tế (SI) của liều hấp thụ là Gray.
4.2 - Đo liều lượng xạ trị từ xa
Để đảm bảo liều lượng chính xác trong điều trị thì ngun tắc đo liều lượng đối
với các máy xạ trị từ xa chủ yếu gồm 4 bước cơ bản sau đây:
1- Xác định suất liều tại một điểm quan tâm trong phantom (thường dùng nước) đối
với mỗi chùm tia dùng trong điều trị, tức là tổng hợp các số liệu cho từng kích

thước trường chiếu. Bước này gọi là “đo liều tuyệt đối”, được tuân theo các phương
pháp chuẩn quốc gia và quốc tế.
2- Trong mỗi chùm tia có liên quan, xác định sự phân bố tương đối của suất liều tại
tất cả các điểm trong phantom mà qua đó sẽ thu được các giá trị liều sâu phần trăm,
các bản đồ đồng liều cho bất kỳ chùm tia nào được sử dụng trong thực tế điều trị.
3- Hiệu chỉnh các bước 1 và 2 để đánh giá độ lệch thực tế của các số liệu so với
điều kiện chuẩn. Những sai số này gồm cả hình dạng, kích thước chùm tia....
Luận văn thạc sĩ

21

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

4- Bước cuối cùng gồm số liệu về chùm tia đã hiệu chỉnh trong bước 3 được tổng
hợp lại cùng với bảng các giá trị tỷ số mơ khơng khí (TAR), bảng liều sâu phần
trăm (PDD) để có thể sử dụng trong chiếu cố định hay chiếu quay, chiếu không nêm
hay có nêm, kỹ thuật từ nguồn đến mặt da (SSD) hay từ nguồn đến tâm u (SAD).

Hình 9: Đầu máy gia tốc
III. Những khái niệm cơ bản về Vật lý xạ trị và đơn vị đo
1. Cân bằng điện tích
Là hiện tượng vật lý, xảy ra khi chùm photon năng lượng cao tương tác với môi
trường sinh ra các electron (điện tử) 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 lượng cực đại (D max ) sẽ đạt được tại độ sâu nào đó trong môi trường khi các

Luận văn thạc sĩ

22

Nguyễn Đăng Nhuận


Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

electron đạt đến sự cân bằng. Miền giới hạn giữa bề mặt môi trường (mặt da) và độ
sâu đạt liều lượng cực đại rất có ý nghĩa trong xạ trị, thông qua việc lựa chọn năng
lượng chùm tia. Phân bố liều lượng cực đại của một số loại bức xạ và năng lượng
khác nhau của trường chiếu kích thước 10x10 cm2 .
2. Hoạt độ phóng xạ
- Định nghĩa: hoạt độ phóng xạ của một nguồn là số hạt nhân phân rã trong một đơn
vị thời gian.

A = dN/dt

(1)

- dN là số hạt nhân phân rã trong thời gian dt.
- Đơn vị đo: Becquerel: 1Bq = 1 phân rã trong một giây.
- Đơn vị cũ là Curie : 1Ci = 3,7.1010Bq.
3. Suất liều bức xạ.
- Định nghĩa: suất liều bức xạ tỷ lệ thuận với hoạt độ bức xạ và tỷ lệ nghịch với
bình phương khoảng cách.

P = K.A/r2

(2)

- K là hệ số tỷ lệ và được gọi là hằng số gamma của nguồn. Giá trị K phụ thuộc vào
đơn vị đo P, A, r.
4. Liều hấp thụ
- Định nghĩa: liều hấp thụ là năng lượng bị hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng vất
chất mà bức xạ đi qua.

D = dE/dm

(3)

- dE: năng lượng của bức xạ bị hấp thụ bởi vật chất có khối lượng là dm.
- Đơn vị đo là J/kg ; trong an toàn bức xạ có tên riêng là Gray (Gy).
- Đơn vị cũ là rad; 1Gy = 100 rad.
- Suất liều hấp thụ: là năng lượng bức xạ bị hấp thụ bởi một đơn vị khối lượng trong
một đơn vị thời gian.

D. = dE/dm.dt

Luận văn thạc sĩ

(4)

23

Nguyễn Đăng Nhuận

Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

5. Liều tương đương
- Định nghĩa: liều tương đương H T,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
mơ hoặc cơ quan đó.

H T,R = D T,R . W R

(5)

- Đơn vị đo: J/kg trong an toàn bức xạ có tên riêng là Sievert (Sv).
- Đơn vị cũ là Rem. 1Sv = 100 Rem.
6. 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 đó nhân với trọng số mơ W T của cơ quan đó.

ET = HT. WT

(6)

- Đơn vị đo: J/kg
7. Liều chiếu
- Định nghĩa: là tổng điện tích các ion cùng dấu được tạo ra trong thể tích khơng 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 hồn tồn trong thể tích khơng khí đó.

X = dQ/dm

(7)

- dQ là tổng điện tích các ion cùng dấu.
- Đơn vị đo là C/kg.
- Đơn vị cũ là Rơntgen 1C/kg = 3,876.103 Rơntgen.
- Suất liều chiếu là liều chiếu trong một đơn vị thời gian

X. = dX/dt

(8)

8. KERMA (Kinetic Energy Released in Material)
- Định nghĩa: là tổng động năng ban đầu của tất cả các hạt điện tích được giải phóng
bởi hạt ion hố khơng mang điện trong vật liệu khối lượng dm.

K = dE tr /dm

(9)

- Đơn vị đo là J/kg còn được gọi là Gy.
Luận văn thạc sĩ

24

Nguyễn Đăng Nhuận

Viện vật lý kỹ thuật

Trường đại học bách khoa Hà Nội

9. Tỷ số mơ - khơng khí
- Là tỷ số của liều lượng tại một điểm nào đó trong mơi trường (nước hoặc tương
đương mô) so với liều lượng tại cùng điểm đó được đo trong khơng khí.
10. Liều sâu phần trăm
- Là liều hấp thụ của một điểm nằm tại độ sâu nào đó được biểu thị bằng phần trăm
so với liều hấp thụ tại điểm tham khảo (thường là điểm có liều lượng cực đại) nằm
trên trục trung tâm của chùm tia.
11. Hệ số tán xạ của collimator
- Là các giá trị liều bức xạ đo được trong khơng khí và tăng lên theo sự tăng của độ
mở collimator (tăng theo diện tích trường chiếu).
12. Kích thước trường chiếu
- Là một kích thước hình học được xác định bởi giới hạn của đường đồng liều 50%
của trường chiếu đó.
13. Vùng nửa tối - vùng bán dạ
- Là vùng nằm gần mép của biên các trường chiếu, ở đó liều lượng giảm một cách
nhanh chóng. Độ rộng của vùng bán dạ phụ thuộc vào kích thước của nguồn, vào
khoảng cách từ nguồn đến giới hạn cuối của collimator và vào khoảng cách từ
nguồn đến mặt da (bề mặt phantom).
14. Bản đồ đồng liều
- Là tập hợp một số các đường cong đồng liều của một trường chiếu và chúng
thường mô tả độ chênh lệch về liều lượng giứa các đường là 10%. Liều lượng tại
các điểm trung gian khác có thể được xác đinh bằng cách nội suy giữa các đường.
Bản đồ đồng liều sẽ có hình dạng khác nhau với các kích thước trường chiếu khác
nhau, với nguồn bức xạ có các mức năng lượng khác nhau.
15. Lọc, nêm
- Là một loại dụng cụ hấp thụ (thường dùng chì) được lồng vào chùm tia và vì vậy

nó cũng làm giảm suất liều chùm tia đó. Hệ số truyền qua nêm biểu thị tỷ số của
suất liều trên trục trung tâm của chùm tia khi có và khi khơng có nêm. Góc nêm là
Luận văn thạc sĩ

25

Nguyễn Đăng Nhuận