Phân bố liều hấp thụ trong Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6 MV và 15 MV dùng trong xạ trị - Chương 1

LỜI MỞ ĐẦU
Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường
nghĩ ngay đến tác hại của nó. Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua
hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế
giới thứ II. Và gần đây nhất là thảm họa nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, ngày
26 tháng tư năm 1986 và nhà máy Mayak, ngày 29 tháng 9 năm 1957[11].
Tuy nhiên, phục vụ cuộc sống nhằm kéo dài và nâng cao chất lượng cuộc sống
đó là mục đích của mọi ngành khoa học chân chính. Bức xạ hạt nhân khi sử dụng
với mục đính phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát thì nó có tác hại vô
cùng to lớn. Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và
giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng. Bức xạ
được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu xạ, trong việc tạo giống mới và
trong điều trị ung thư.... Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt
nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị là:
- Tương tác của chùm photon Gamma với vật chất.
- Các hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể sống khi chiếu chùm photon.
Trong cuộc sống có rất nhiều nguyên nhân và rất nhiều căn bệnh làm giảm tuổi
thọ con người hoặc làm cuộc sống trở nên vô nghĩa vì luôn bị hành hạ bởi những
cơn đau kéo dài. Một trong những nguyên nhân rất lớn gây hại cho cuộc sống là
bệnh ung thư.
Ung thư là một tập hợp các bệnh được biểu thị bởi sự phát triển lan rộng khối
u. “Vấn đề ung thư” là một vấn đề chăm sóc sức khỏe có ý nghĩa nhất ở Châu Âu,
vượt qua cả bệnh tim và là nguyên nhân dẫn đến tỷ lệ tử vong cao. Ở Canada và
Mỹ có tới 130000 và 1200000 người mỗi năm được chuẩn đoán là mắc bệnh ung
thư [2]. Đặc biệt là ở những nước đang phát triển như Việt Nam các yếu tố môi
trường bị ô nhiễm, ăn uống chưa thực sự hợp vệ sinh …. là những nguyên nhân làm
gia tăng số người bị bệnh ung thư.
Việc điều trị ung thư bằng tia xạ đã có một quá trình lịch sử rất lâu dài có thể
nói từ năm 1895, khi Roentgen phát hiện ra tia X và tới ngày 27 tháng 10 năm 1951
bệnh nhân đầu tiên trên thế giới được điều trị bằng tia gamma Coban-60. Việc ra
đời sử dụng đồng vị phóng xạ để điều trị ung thư gặp khá nhiều vấn đề bất cập.

Chính vì vậy có thể nói ảnh hưởng lớn nhất lên kỹ thuật xạ trị hiện đại là sự phát
minh ra máy gia tốc tuyến tính vào những năm 1960. Từ đó tới nay, với việc ứng
dụng công nghệ thông tin, và các kỹ thuật chuẩn đoán, lập phác đồ điều trị,… vào
trong xạ trị bằng máy gia tốc kết hợp với việc cải tiến về phần cơ khí đã làm cho
phương pháp xạ trị đang dần thay thế hoàn toàn các phương pháp xạ trị từ xa khác,
đem lại hiệu quả ngày càng cao trong điều trị ung thư.
Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1960 bệnh viện Ung Thư Trung Ương (bệnh
viện K Hà Nội) đã dùng máy Coban, các nguồn radium vào trong xạ trị. Bên cạnh
đó, một số cơ sở y tế khác như bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội, bệnh viện Chợ Rẫy –
Thành Phố Hồ Chí Minh, Viện Quân Y 103 đã sử dụng các đồng vị phóng xạ trong
điều trị ung thư. Máy gia tốc được đưa vào Việt Nam từ tháng 1 năm 2001 tại Bệnh
Viện K – Hà Nội. Hiện nay ngoài bệnh viện K – Hà Nội, ở nước ta đã có nhiều
bệnh viện khác cũng đã sử dụng máy gia tốc trong xạ trị như Bệnh viện Bạch Mai,
bệnh viện Chợ Rẫy, bệnh viện Ung bướu Trung ương, … Phương pháp xạ trị từ xa
dùng máy gia tốc hiện đang có xu hướng phát triển ở nước ta. Tuy nhiên số lượng
máy còn quá ít so với yêu cầu thực tế. Và đây cũng là thiết bị mới đòi hỏi người sử
dụng phải có kỹ thuật chuyên môn cao.Chính vì vậy việc tìm hiểu và quảng bá
những kiến thức về xạ trị, nguyên lý hoạt động của máy và tìm hiểu chính xác
những thông số mà tia xạ của máy phát ra để sử dụng điều trị tốt cho bệnh nhân là
vấn đề rất cần thiết. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài: “ Phân bố liều hấp thụ trong
Phantom theo bề dày và khoảng cách đến trục của chùm photon năng lượng 6
MV và 15 MV dùng trong xạ trị ”.
Mục đích của đề tài đặt ra:
Tìm hiểu cơ chế tương tác của chùm bức xạ với vật chất
Tìm hiểu phương pháp dùng chùm Photon trong xạ trị và những ưu điểm của
phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác.
Tìm hiểu cơ chế phát chùm photon của máy PRIMUS – Siemens và khảo sát
bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của chùm Photon phát ra từ máy
PRIMUS – Siemens
Xác định phân bố liều hấp thụ trong phantom của chùm photon với mức năng

lượng 6MV và 15MV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đó xác
định vị trí điều trị. Đồng thời xác định phân bố liều hấp thụ khoảng cách tới trục
với bề dày khác nhau, từ đó đánh giá độ đồng đều và độ bằng phẳng của liều hấp
thụ.
Ngoài phần mở đầu kết luận bản luận văn này được chia thành ba chương.
Chương 1: Cơ sở của phương pháp xạ trị dùng chùm Photon đề cập đến cơ sở
vật lý và cơ sở sinh học của việc sử dụng chùm Photon trong xạ trị, quá trình
tương tác của photon với vật chất và với cơ thể sống, tác dụng sinh học của bức xạ
và các đơn vị đo liều lượng bức xạ.
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm trình bày vắn tắt nguyên lý cấu tạo và
nguyên lý hoạt động của máy gia tốc Primus- Siemens, phương pháp thực nghiệm
xác định đặc trưng của chùm photon từ lối ra máy gia tốc.
Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận tiến hành thực nghiệm đo liều
hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom theo bề dày và khoảng cách tới
trục. Xây dựng đường cong liều hấp thụ tương đối của chùm photon trong phantom
theo bề dày và khoảng cách tới trục, từ đó tiến hành đánh giá chất lượng chùm
photon năng lượng 6 MV và 15MV phát ra từ máy gia tốc PRIMUS trong điều trị
ung thư tại Bệnh Viện K..
CHƯƠNG 1 :
CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ DÙNG CHÙM
PHOTON
1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất [7]
Bức xạ gamma là chùm hạt photon có năng lượng lớn. Khi đi trong môi
trường vật chất, chúng tương tác với môi trường thông qua các hiệu ứng: hiệu ứng
tán xạ, hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tạo cặp và quang hạt nhân. Các hiện
tượng này có xảy ra hay không hoặc xảy ra với mức độ nào phụ thuộc vào năng
lượng của photon gamma và nguyên tử số của môi trường mà nó đi qua. Phương
pháp xạ trị sử dụng chùm gamma với mức năng lượng lớn nhất là 15 MeV nên ta
chỉ quan tâm tới các hiệu ứng hấp thụ quang điện, tán xạ Compton và hiện tượng
tạo cặp.

1.1.1. Hiện tượng hấp thụ quang điện
Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng lên, lớn hơn thế năng ion hóa nguyên
tử, hiện tượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang
điện bắt đầu tăng. Photon đến bị hấp thụ toàn bộ bởi một nguyên tử. Năng lượng
này được truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử. Electron nhận được năng
lượng lớn hơn thế năng ion hóa của nó nên bứt ra khỏi nguyên tử, gọi là quang
electron. Một phần năng lượng để thắng thế năng ion hóa, phần còn lại biến thành
động năng chuyển dộng của nó. Để xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện đối với
một electron nằm ở lớp nào đó của nguyên tử thì năng lượng của photon bị hấp thụ
phải lớn hơn thế năng ion hóa của lớp đó. Xác suất xảy ra hấp thụ quang điện được
đặc trưng bằng tiết diện hấp thụ quang điện trên một nguyên tử
)(
2
cm
a
τ
.
Người ta gọi xác suất xảy ra hiện tượng quang điện trên một đơn vị thể tích môi
trường chất hấp thụ là hệ số suy giảm tuyến tính của môi trường đối với hiệu ứng
quang điện, ký hiệu k
q
, được tính bằng công thức:
[ ]
7

a
A
A
q
M

N
k
τρ
..=
trong đó:
ρ
là mật độ môi trường
M
A
: nguyên tử gam của chất hấp thụ
N
A
: Số Avogadro
(1.1)
Mặt khác để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ hạt nhân của một môi trường,
người ta thường dùng hệ số suy giảm khối. Hệ số suy giảm khối của một môi
trường đối với hiệu ứng quang điện được tính như sau:

ρ
µ
q
q
k
=
Từ hai công thức trên ta rút ra được công thức tính hệ số suy giảm khối do hấp thụ
quang điện của một môi trường theo hệ số suy giảm tuyến tính là:

a
A
A

q
M
N
τµ
.
=
Người ta còn tính được hệ số hấp thụ quang điện trên một nguyên tử phụ thuộc
vào năng lượng photon tới và nguyên tử số của môi trường theo công thức:

3
94,3
23
10.01,5
ε
τ
Z
a
−
=


3
3,4
24
10.62,1
ε
τ
Z
a
−

=
trong đó Z là nguyên tử số của môi trường
I
K
và I
L
là thế năng ion hóa của lớp K và lớp L của nguyên tử môi trường.
Từ hai công thức trên ta thấy khi Z càng lớn thì hệ số hấp thụ quang điện càng
lớn. Nghĩa là hiện tượng quang điện xảy ra mạnh với với các chất có nguyên tử số
lớn hay các nguyên tố nặng. Mặt khác, khi năng lượng của bức xạ gamma tăng thì
tiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm ɛ
-3
.
1.1.2. Tán xạ Compton
( 1.2 )
Khi
K
I>
ε
Khi
LK
II >>
ε
( 1.3 )
( 1.4 )
( 1.5 )
Theo sự tăng năng lượng của bức xạ gamma, khi tiết diện xảy ra hấp thụ
quang điện giảm thì tiết diện tán xạ Compton tăng lên, đây là quá trình chủ yếu làm
suy giảm năng lượng của bức xạ gamma đi trong môi trường vật chất.
Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không đàn hồi của photon gamma với

các electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong nguyên tử của môi trường. Trong
quá trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lượng của mình
cho electron và bị tán xạ theo hường tạo với phương tới một góc nào đó gọi là góc
tán xạ. Kết quả là electron tán xạ nhận được một năng lượng giật lùi và năng lượng
của chùm gamma thì bị giảm đi.
Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơn
nhiều so với năng lượng liên kết của electron. Khi năng lượng của bức xạ gamma
tăng, các electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạ
nhỏ). Năng lượng của bức xạ gamma tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và năng
lượng của bức xạ gamma tới theo công thức:

)cos1.(1
θ
ε
ε
−+
=
k
t
tx
trong đó ɛ
tx
là năng lượng của bức xạ gamma tán xạ
ɛ
t
là năng lượng của bức xạ gamma tới

θ
là góc tán xạ của gamma
( 1.6 )

Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron tự do nên năng lượng của bức xạ
gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng
của bức xạ gamma tới và góc tán xạ. Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có thể bay
theo góc tán xạ bất kỳ, nhưng xác suất tán xạ theo một góc nào đó lại phụ thuộc vào
năng lượng của bức xạ gamma tới và bản thân góc đó.
Đối với năng lượng của bức xạ gamma nhỏ, phân bố góc của bức xạ có tính
đối xứng qua góc tán xạ 90
o
. Năng lượng của bức xạ gamma càng tăng thì các bức
xạ gamma tán xạ càng có xu hướng ưu tiên về phía trước.
Khi lượng tử gamma bị tán xạ với một góc nhỏ thì năng lượng của nó thay
đổi không đáng kể, lúc đó electron bay theo phương gần vuông góc với nó. Khi
lượng tử gamma bị tán xạ với góc 180
o
thì electron bay ra theo hướng phía trước với
động năng cực đại.
Xác suất tán xạ Compton theo mọi hướng trên một electron gọi là xác suất
tán xạ Compton toàn phần trên một electron được tính theo công thức:

22
23
3
2
2
)21(
28
)21ln(
2
22

.2
kk
kkk
k
k
kk
r
oe
+
+++
++
−−
=
πσ
trong đó: r
o
là bán kính cổ điển, bằng 2,82.10
-13
cm
( 1.7)
k là năng lượng tương đối của bức xạ gamma
Trong nguyên tử có Z electron, tiết diện tán xạ Compton trên một nguyên tử
là:

ea
Z
σσ
.
=

Hệ số suy giảm khối của quá trình tán xạ Compton được tính bằng công
thức:

CAaAAC
A
Z
NMN
σσµ






==
)/(

trong đó, Z và M
A
là nguyên tử số và nguyên tử lượng của chất tán xạ
N
A
là số Avôgađrô
1.1.3. Hiện tượng tạo cặp
Khi năng lượng của bức xạ gamma tiếp tục tăng lên, có thể xảy ra hiện tượng
tạo cặp. Đây là hiện tượng chỉ xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân hoặc một
electron, trong đó năng lượng của một photon gamma được biến đổi hoàn toàn
thành các hạt vật chất.
Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một hạt nhân. Khi
một photon năng lượng cao bay vào trong trường Coulomb của hạt nhân nó bị hấp

thụ hoàn toàn, tạo ra một cặp electron và positron ( e
+
, e
-
). Hạt nhân trung gian tạo
( 1.8 )
( 1.9)
ra trường Coulomb cần thiết cũng tham gia vào quá trình tạo cặp, khối lượng nghỉ
của nó cũng bị biến đổi trong quá trình này và nó cũng thu được một động năng giật
lùi rất nhỏ. Theo định luật bảo toàn năng lượng:

( ) ( )
22
222
)(..2
...
cMMKTcm
KcMTTcmmcM
oe
eeee
o
e
−+++=⇒
+++++=+
++−
ε
ε

trong đó m
e

là khối lượng nghỉ của electron, T là động năng của cặp e
+
,e
-
; M
o
và M
là khối lượng của hạt nhân trước và sau khi tạo cặp; K là động năng giật lùi của hạt
nhân. Do M ≥ M
o
nên;

MeVcm
e
022,1..2
2
=≥
ε
Từ đó có thể thấy năng lượng nhỏ nhất của lượng tử gamma để có thể xảy ra hiện
tượng tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân là 1,022 MeV. Năng lượng này
gọi là ngưỡng tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân.
Người ta xác định tiết diện tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân bằng
phương pháp thực nghiệm, thu được công thức tính gần đúng:

εσ
ln.
2
Z
tc
≈

trong đó, Z là nguyên tử số của môi trường
Từ công thức trên có thể thấy hiện tượng tạo cặp xảy ra mạnh trong trường
Coulomb của hạt nhân khi môi trường có nguyên tử số càng lớn và khi năng lượng
ε
là năng lượng của lượng tử gamma
( 1.10)
( 1.11 )
( 1.12 )
của lượng tử gamma càng tăng. Người ta thấy rằng, khi năng lượng lớn hơn ngưỡng
tạo cặp, tiết hiện tạo cặp sẽ tăng nhanh khi năng lượng của bức xạ gamma tăng.
Xét quá trình tạo cặp xảy ra trong trường Coulomb của một electron. Khi
đó, có hai cặp electron - positron được tạo thành. Ngưỡng tạo cặp trong trường hợp
này gấp đôi trong trường hợp trong trường Coulomb của hạt nhân, có giá trị là:

MeVcm
eng
044,2..4
2
==
ε
Tuy nhiên, xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của electron nhỏ hơn rất
nhiều so với xác suất tạo cặp trong trường Coulomb của hạt nhân.

1.2. Hiệu ứng sinh học của bức xạ
1.2.1. Tác dụng sinh học của điều trị tia xạ
a. Cấu tạo tế bào của cơ thể người [2,8,9]
Cơ thể người cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não,… Các cơ quan được
cấu tạo từ các mô như mô mỡ, da, xương …Các mô được cấu tạo từ các tế bào. Tế
bào là đơn vị sống cơ bản, kích thước tế bào khoảng 20micromet. Trong cơ thể con

người có khoảng 10
13
đến 10
14
tế bào. Tương tác giữa các bức xạ và cơ thể sống sẽ
gây nên những thay đổi trong tế bào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình
thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn dẫn đến ung thư.
Tế bào gồm có một nhân ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương,
bao bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào. Mỗi bộ phận thực hiện
chức năng riêng rẽ.
- Màng tế bào thực hiện chao đổi chất với môi trường ngoài.
- Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp
thành các phần tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa), hay tổng
hợp các phân tử cần thiết cho tế bào.
- Trong nhân có ADN là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng
để thực hiện sự tổng hợp chất.
( 1.13 )