Nghiên cứu ứng dụng chùm bức xạ photon và electon trên máy gia tốc linac primus trong xạ trị ung thơ tại bệnh viện k

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

NGUYỄN TIẾN QUÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÙM BỨC XẠ PHOTON VÀ
ELECTRON TRÊN MÁY GIA TỐC LINAC PRIMUS TRONG
XẠ TRỊ UNG THƯ TẠI BỆNH VIỆN K

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014

i


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

NGUYỄN TIẾN QUÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÙM BỨC XẠ PHOTON VÀ
ELECTRON TRÊN MÁY GIA TỐC LINAC PRIMUS TRONG
XẠ TRỊ UNG THƯ TẠI BỆNH VIỆN K

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ðÀM NGUYÊN BÌNH

Hà Nội – Năm 2014

ii


LỜI CAM ðOAN

Tên tôi là Nguyễn Tiến Quân, học viên cao học chuyên ngành Vật lý nguyên
tử, hạt nhân và năng lượng cao, khoá 2011-2013 hệ cao học tập trung, trường ðH
Khoa học Tự nhiên, ðH Quốc gia Hà Nội.
Tôi xin cam ñoan luận văn thạc sĩ ‘‘Nghiên cứu ứng dụng chùm bức xạ
photon và electron trên máy gia tốc Linac Primus trong xạ trị ung thư tại bệnh viện
K’’ là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, số liệu và kết quả nghiên cứu là trung
thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Học viên

NGUYỄN TIẾN QUÂN

i


LỜI CÁM ƠN

Trong q trình học tập, cơng tác, và nhất là thời gian làm luận văn, tôi nhận
nhiều sự quan tâm, động viên giúp đỡ tơi để hồn thành bản luận văn này. Qua đây
tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới:
Ts ðàm Nguyên Bình, người hướng dẫn tôi về mặt khoa học cùng những ñóng

góp quý báu cho luận văn này;
Thầy PGS.TS. Bùi Văn Lốt, người đã hướng tơi vào nghề kỹ sư vật lý xạ trị,
thầy ln tạo mọi điều kiện thuận lợi, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình học tập
từ ñại học tới bậc học cao hơn ñồng thời thầy là người hướng dẫn tơi làm khố luận
tốt nghiệp;
Thầy ThS. Nguyễn Xuân Kử, nguyên trưởng khoa Vật lý xạ trị - Bệnh viện K,
người đã cùng hướng dẫn khóa luận tốt nghiệp và nhận tôi về làm việc tại khoa.
Thầy ñã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo ñiều kiện cho tơi trong cơng việc nghề
nghiệp;
Ks Lê Văn Tình trưởng khoa cùng ñồng nghiệp trong khoa Vật lý xạ trị - Bệnh
viện K, đã giúp đỡ tơi trong cơng việc cũng như thực nghiệm cho luận văn;
Các thầy cô trong Khoa Vật lý Trường ðại học Khoa học Tự nhiên; Trung tâm
Vật lý Hạt nhân Viện Vật lý; Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam trong suốt các
năm học tập ở ñại học cũng như cao học, ñã trang bị cho tơi những kiến thức cần
thiết, cũng như được tạo ñiều kiện thuận lợi nhất trong học tập và công tác.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người ln bên
cạnh tơi, giúp đỡ, động viên, khuyến khích tơi trong mọi hồn cảnh.

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................... vii
MỞ ðẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP XẠ TRỊ UNG THƯ 3
1.1 Cơ sở vật lý ...................................................................................................... 3

1.1.1. Tương tác bức xạ photon và electron với vật chất ................................... 3
1.1.2. Giới thiệu liều lượng trong xạ trị ............................................................. 9
1.1.3. Một số khái niệm cơ bản trong vật lý xạ trị và vùng thể tích liên quan. 15
1.2 Sinh lý học khối u .......................................................................................... 19
1.2.1 Chu kỳ tế bào ........................................................................................... 19
1.2.2 Các mơ hình tăng sinh............................................................................. 21
1.2.3 Sự phát triển khối u ................................................................................. 22
1.3.1 Tác dụng sinh học của bức xạ ................................................................. 23
1.3.2 Cơ sở của phân liều lượng theo thời gian ............................................... 25
1.3.3 Cơ sở ñáp ứng của tế bào........................................................................ 27
CHƯƠNG 2
ðỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM................. 29
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của máy gia tốc thẳng Primus- Siemens ... 29
2.1.1. Cấu tạo máy gia tốc thẳng ..................................................................... 29
2.1.2. Nguyên lý hoạt ñộng............................................................................... 31
2.1.3. Thông số kỹ thuật máy gia tốc thẳng PRIMUS- Siemens....................... 32
2.2. Các thiết bị đo liều và mơ hình hóa thực nghiệm

34

2.2.1. Hệ thống đo liều lượng........................................................................... 34
2.2.2. Bố trí hình học đo ................................................................................... 38
2.2.3. Phương pháp căn chỉnh tia lazer xác ñịnh tâm ño................................. 40

i


2.3. Phương pháp xác ñịnh ñặc trưng chùm bức xạ photon, electron .................. 40
2.3.1 Phân bố liều sâu phần trăm .................................................................... 40
2.3.2. Phân bố liều sâu cách tâm ..................................................................... 47

2.3.3. Tiêu chuẩn của một số thơng số đặc trưng ............................................ 51
CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 53
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .................................................... 53
3.1. ðặc trưng chùm photon trên máy gia tốc Linac Primus ............................... 53
3.1.1. Phân bố liều sâu phần trăm chùm photon.............................................. 53
3.1.2. Phân bố liều sâu cách tâm chùm photon................................................ 57
3.2. ðặc trưng chùm electron trên máy gia tốc Linac Primus ............................. 61
3.2.1. Phân bố liều sâu phần trăm ................................................................... 61
3.2.2. Phân bố liều sâu cách tâm ..................................................................... 64
3.3. Lập kế hoạch xạ trị một số bệnh ung thư phổ biến ....................................... 67
3.3.1. Ung thư vòm họng .................................................................................. 67
3.3.2. Ung thư phổi........................................................................................... 71
3.3.3. Ung thu vú .............................................................................................. 74
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 79
PHỤ LỤC..................................................................................................................81

ii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tóm tắt những sự khác nhau giữa các khối u lành tính và ác tính...............22
Bảng 2.1: ðộ sâu liều hấp thụ cực ñại zmax cho những chùm photon có năng lượng
khác nhau với kích thước trường chiếu 5 × 5 cm .........................................................42
Bảng 2.2: Xác định một số thơng số độ sâu liều lượng, năng lượng trung bình bề
mặt phantom với năng lượng khác nhau . ....................................................................47
Bảng 2.3: Tiêu chuẩn kỹ thuật hãng Siemens cho Zmax-tc và D10-tc ................................51
Bảng 2.4: Tiêu chuẩn kỹ thuật hãng Siemens cho R80 và R30 .......................................52
Bảng 2.5: Tiêu chuẩn kỹ thuật hãng Siemens cho ñộ bằng phẳng chùm eletron..........52
Bảng 3.1: Một số thơng số đặc trưng năng lượng chùm photon...................................56

Bảng 3.2: ðộ bằng phẳng chùm photon 6 MV ...............................................................59
Bảng 3.3: ðộ bằng phẳng chùm photon 15 MV .............................................................59
Bảng 3.4: Tính đối xứng chùm photon 6 MV ................................................................59
Bảng 3.5: Tính đối xứng chùm photon 15 MV ..............................................................60
Bảng 3.6: Vùng bán dạ photon 6 MV ............................................................................60
Bảng 3.7: Vùng bán dạ photon 15 MV ..........................................................................60
Bảng 3.8: Một số thơng số đặc trưng năng lượng chùm electron 9Mev và 12 MeV.....63
Bảng 3.9: ðộ bằng phẳng chùm electron 9 MeV ..........................................................65
Bảng 3.10: ðộ bằng phẳng chùm electron 12 MeV ......................................................65
Bảng 3.11: Tính đối xứng chùm electron 9 MeV...........................................................66
Bảng 3.12: Tính đối xứng chùm electron 12 MeV.........................................................66
Bảng 3.13: Vùng bán dạ electron 9 MeV ......................................................................66
Bảng 3.14: Vùng bán dạ electron 12 MeV ....................................................................66

iii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình hiện tượng quang điện ......................................................................3
Hình 1.2: Mơ hình Tán xạ Compton................................................................................4
Hình 1.3: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân .....................................5
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối lượng của photon tương tác với nước............................5
Hình 1.5: ðộ suy giảm năng lượng electron ...................................................................8
Hình 1.6: Ngun lý hoạt động buồng ion hóa chứa khí...............................................12
Hình 1.7: Mơ tả điều kiện Bragg-Gray trong mơi trường nước ...................................13
Hình 1.8: Mơ tả cách tính PDD ....................................................................................15
Hình 1.9: Hình dạng và vị trí các trục chùm tia...........................................................16
Hình 1.10: Sơ ñồ về chu kỳ tế bào .................................................................................20
Hình 1.11: Trạng thái tổ chức của mơ từ dạng bình thường đến ung thư ....................21
Hình 1.12: Hàm Gompertz mơ tả đường cong phát triển của tế bào............................23

Hình 1.13: Mối tương quan giữa hiện tượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót ........................25
Hình 1.14: Tương quan giữa khả năng kiểm soát khối u và biến chứng. .....................28
Hình 2.1: Mơ hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị ........................................................29
Hình 2.2: ðầu máy điều trị............................................................................................30
Hình 2.3: Thơng số kĩ thuật của máy gia tốc.................................................................33
Hình 2.4: Các cặp Jaw và sự tạo dạng trường chiếu....................................................33
Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối hệ đo với máy tính ................................................................34
Hình 2.6: Phantom nước ...............................................................................................35
Hình 2.7: Detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13.......................35
Hình 2.8: Cấu tạo của buồng ion hóa CC13.................................................................36
Hình 2.9: Hình ảnh máy đo liều MD 240 ......................................................................37
Hình 2.10: Bộ điều khiển dịch chuyển của buồng ion hóa chính CU500E...................37
Hình 2.11: Giao diện phần mềm Omnipro-Accepts ......................................................38
Hình 2.12: Hình học ño liều bức xạ phát ra từ máy gia tốc tuyến tính.........................38
Hình 2.13: Các applicators (các cơn) sử dụng trong xạ trị ..........................................39
Hình 2.14: Tâm tại khoảng cách 100 cm.......................................................................40

iv


Hình 2.15: Phân bố liều hấp thụ cho chùm photon MV trong phantom . ....................40
Hình 2.16: ðường PDD trong nước với kích thước trường chiếu 10 × 10 cm2,
khoảng cách SSD 100 cm ứng các mức năng lượng trong giải từ 60Co đến 25MV. .....42
Hình 2.17: PDD trong nước với kích thước trường 10x10cm2, SSD= 100cm.............44
Hình 2.18: Qng chạy R100, R90, R80, R50, Rp, và Rmax .................................................45
Hình 2.19: Các vùng liều trong phân bố liều sâu cách tâm..........................................47
Hình 2.20: Hình vẽ xác định độ bằng phẳng.................................................................48
Hình 2.21: Hình vẽ xác tính đối xứng ...........................................................................49
Hình 2.22: Thành phần truyền qua vùng bán dạ...........................................................50
Hình 2.23: Thành phần đối xứng vùng bán dạ..............................................................50

Hình 3.1: Phân bố liều sâu phần trăm tương ñối theo bề dày của chùm photon 6 MV
với kích thước trường chiếu khác nhau .........................................................................54
Hình 3.2: Phân bố liều sâu phần trăm tương ñối theo bề dày của chùm photon 15
MV với kích thước trường chiếu khác nhau ..................................................................54
Hình 3.3: So sánh ñường cong phân bố liều sâu phần trăm tương ñối theo bề dày
của chùm photon 6 MV và 15 MV với cùng trường chiếu 10×10 cm2 ..........................56
Hình 3.4: ðồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm photon 6 MV ..................................58
Hình 3.5: ðồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm photon 15 MV ................................58
Hình 3.6: Phân bố liều sâu phần trăm chùm electron năng lượng 9MeV ...................62
Hình 3.7: Phân bố liều sâu phần trăm chùm electron năng lượng 12 MeV ................62
Hình 3.8: ðồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm electron năng lượng 9MeV............64
Hình 3.9: ðồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm electron năng lượng 12MeV..........65
Hình 3.10: Vị trí vùng vịm họng (Nasophaynx)............................................................67
Hình 3.11: Ví dụ về xác ñịnh GTV, CTV70, CTV60 trong ung thư vịm .......................68
Hình 3.12: Kỹ thuật nửa trường chiếu cho ung thư vịm nâng liều lên 40 Gy ..............69
Hình 3.13: Kỹ thuật nửa trường chiếu ung thư vòm nâng liều 40Gy lên 50Gy ............69
Hình 3.14: Kỹ thuật đồng tâm cho trường vịm nâng liều 50Gy lên 60Gy ...................70
Hình 3.15: Trường electron bù liều cho vùng che tủy sống (a) và tăng liều cho hạch
còn sau chiếu 50 Gy (b).................................................................................................70

v


Hình 3.16: Ví dụ về xác định GTV, hạch cho ung thư phổi...........................................72
Hình 3.17: Ví dụ về xác định CTV từ GTV cho ung thư phổi........................................72
Hình 3.18: Phân bố trường chiếu trong ung thư phổi...................................................73
Hình 3.19: Phân bố trường chiếu vú (a) và trường hạch (b) ........................................75

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu

Ý nghĩa

D

Liều hấp thụ (Gy, J/kg)

D10-tc

Liều hấp thụ ở ñộ sâu 10 cm theo tiêu chuẩn hãng Siemens

Dex

Liều hấp thụ ở lối ra phantom (Gy)

Dmax

Liều hấp thụ cực ñại ở ñộ sâu zmax trong nước (Gy)

Ds

Liều hấp thụ ở bề mặt phantom (Gy)

Ep,0

Năng lượng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt

F

ðộ bằng phẳng chùm tia (%)

MeV

ðơn vị năng lượng dùng cho chùm electron

MU

ñơn vị ño liều chiếu của máy gia tốc

MV

ðơn vị năng lượng dùng cho chùm photon

R

Thơng số qng chạy của chùm electron theo độ sâu (cm, g/cm2)

R100

ðộ sâu chùm electron tại đó đạt liều hấp thụ lớn nhất

R50

ðộ sâu chùm electron sau R100 tại ñó ñạt liều hấp thụ ñạt 50 %

R80

ðộ sâu chùm electron sau R100 tại đó đạt liều hấp thụ đạt 80 %

R90

ðộ sâu chùm electron sau R100 tại đó đạt liều hấp thụ ñạt 90 %

Rmax

ðộ sâu lớn nhất (cm, g/cm2)

Rp

ðộ sâu thực nghiệm (cm, g/cm2)

Rp

ðộ sâu thực nghiệm chùm electron

S

Tính đối xứng chùm tia (%)

TPR20,10

Tỷ số mơ phantom ở ñộ sâu 20cm/10cm

TPR20,10–tc

Tỷ số mô phantom ở ñộ sâu 20cm/10cm theo khuyến cáo IAEA

zmax

ðộ sâu trong nước tại đó liều hấp thụ ñạt cực ñại (cm hay g/cm2)

Zmax-tc

ðộ sâu cực ñại theo tiêu chuẩn hãng Siemens

E

0

Năng lượng trung bình tại bề mặt của phantom

vii


Danh mục chữ viết tắt
Thuật ngữ
AAPM

Tiếng Anh

Tiếng Việt

American Association of Physicists
in Medicine

Hiệp hội y vật lý Hoa Kỳ

CTV

Clinical target volume

DNA

Deoxyribonucleic acid

GTV

Gross tumor volume

Thể tích khối u thơ

International Atomic Energy

Cơ quan Năng lượng Nguyên tử

Agency

Quốc tế

Normal tissue complication

Xác suất biến chứng của các mô

probability

lành

OAR

Off-axis ratio

Tỷ số liều sâu cách tâm

PDD

Percentage depth dose

Liều sâu phần trăm

Percentage depth dose at 10cm

Liều sâu phần trăm ở độ sâu

depth in water for a 10×10 cm2

10cm trong phantom ở trường

field

chuẩn

PTV

Planning target volume

Thể tích bia lập kế hoạch

SAD

Source to axis distance

Khoảng cách từ nguồn tới tâm

SCD

Source to chamber distance

SSD

Source to surface distance

TCP

Tumour control probability

Xác suất kiểm soát khối u

TPR

Tissue–phantom ratio

Tỉ số mô phantom

Ratio of tissue–phantom ratio at

Tỉ số mơ phantom ở độ sâu

depths of 20 cm and10 cm in water

20cm và 10cm trong nước

IAEA

NTCP

PDD(10)

TPR(20,10)

viii

Thể tích bia lâm sàng
Phân tử mang thông tin di
truyền

khoảng cách từ nguồn tới buồng
ion hóa
Khoảng cách từ nguồn tới bề
mặt


MỞ ðẦU
Theo Tổ chức Y tế Thế giới, mỗi năm trên tồn cầu có khoảng 12,5 triệu
người mới mắc và trên 6,7 triệu người tử vong do bệnh ung thư. Tại Việt Nam, mỗi
năm có 150.000 ca mắc mới; trên 75.000 người tử vong do căn bệnh này. Bệnh ung
thư có xu hướng gia tăng, khơng chỉ ở Việt Nam mà ở hầu hết các nước trên thế

giới. Các loại ung thư phổ biến là phổi, dạ dày, gan, ñại tràng (với nam) và ung thư
vú, cổ tử cung, dạ dày, phổi, đại trực tràng (với nữ). Do đó, địi hỏi về ñiều trị bệnh
ung thư cũng như ñảm bảo chất lượng ñiều trị ngày càng tăng. Hiện nay, ñiều trị
ung thư có 3 phương pháp chính: phẫu trị, xạ trị, hóa trị hoặc kết hợp các phương
pháp. Về lĩnh vực xạ trị, theo khuyến cáo của tổ chức y tế thế giới WHO, trung bình
1.000.000 dân cần có 1 máy xạ trị, hiện nay ở Việt Nam có khoảng 25 máy xạ trị và
tập trung chủ yếu ở các trung tâm lớn cả nước, như vậy sự thiết hụt là rất lớn.
Ưu thế của phương pháp xạ trị ñã ñược thể hiện rõ khi các biện pháp can thiệp
ngoại khoa khó khăn, khơng những vậy dù các phương pháp khác được sử dụng thì
rất nhiều trường hợp vẫn cần sự phối hợp với xạ trị ñể ñạt hiệu quả kiểm soát bệnh
tốt hơn. Hơn nữa, với sự tiến bộ khoa học kỹ thuật, các máy gia tốc hiện ñại ñã thay
thế dần các máy Cobalt-60 cũ kỹ. Các máy xạ trị gia tốc địi hỏi cần có hiểu biết tốt
để sử dụng hiệu quả và an tồn. Là kỹ sư vật lý công tác trong bệnh viện, với mong
muốn tìm hiểu sâu hơn về máy gia tốc để nắm vững hơn về chun mơn kỹ thuật,
chúng tơi quyết định chọn ñề tài: ‘Nghiên cứu ứng dụng chùm bức xạ photon và
electron trên máy gia tốc Linac Primus trong xạ trị ung thư tại bệnh viện K’. Mục
tiêu của chúng tơi là tìm hiểu rõ một số đặc trưng cơ bản của chùm bức xạ photon
và electron trên máy gia tốc Linac Primus tại bệnh viện K ñể làm cơ sở cho việc tìm
hiểu ứng dụng cho các máy gia tốc dùng trong xạ trị khác.
Mục đích nghiên cứu khẳng ñịnh thông số ñặc trưng về năng lượng, chất
lượng chùm tia trên máy gia tốc tuyến tính Primus đảm bảo cho điều trị, bên cạnh
đó nâng cao trình độ của tác giả.
Phương pháp nghiên cứu của luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm khoa học. Phần thực nghiệm của luận văn ñược tiến hành trên máy gia tốc

1


tuyến tính Primus Plus tại bệnh viện K của hãng Siemens, số seri 70-4302, sản xuất
năm 2006.

Ý nghĩa của ñề tài làm rõ phân bố liều sâu phần trăm, liều sâu cách tâm của
chùm photon, electron trong xạ trị. Luận văn ñưa ra cơ sở phương pháp luận ñánh
giá chất lượng chùm tia của các máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị. Bên cạnh
đó, luận văn góp phần ñịnh hướng cho thực tiễn lập kế hoạch xạ trị.
Nội dung chính luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan cơ sở lí thuyết của phương pháp xạ trị ung thư. Chương
này giới thiệu cơ sở sở vật lý, sinh học của phương pháp xạ trị ung thư.
Chương 2: ðối tượng nghiên cứu và phương pháp thực nghiệm. Chương này
giới thiệu về máy gia tốc Primus Plus, hệ thống ño liều lượng, phương pháp lý
thuyết ñánh giá ñặc trưng chùm tia.
Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận. Chương này trình bày kết quả
nghiên cứu về đặc trưng năng lượng, chất lượng của chùm photon, electron cùng
bàn luận về các ñặc trưng và ứng dụng.
Vấn ñề kỹ thuật thường ln được cải tiến, bổ xung và đổi mới, vì vậy trong
luận văn chưa ñề cập ñược những kỹ thuật hiện ñại của thế giới hiện nay nhưng
những vấn ñề sẽ ñề cập là kỹ thuật ñược IAEA khuyến cáo cho các nước chậm và
ñang phát triển hiện nay. Chúng tơi rất mong muốn được có những trao đổi về
những kỹ thuật mới cũng như những vấn ñề liên quan tới nội dung luận văn.
Ý tưởng về luận văn ñã hình thành từ thực tiễn cơng việc của bản thân, và
cũng là tiếp nối từ khóa luận tốt nghiệp đại học. Xạ trị là lĩnh vực chuyên sâu, vẫn
còn lĩnh vực mới ở Việt Nam, do thời gian thực hiện luận văn có giới hạn nên
khơng tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự thơng cảm và góp ý giúp
cho luận văn hồn thiện hơn.

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP
XẠ TRỊ UNG THƯ

1.1 Cơ sở vật lý
1.1.1. Tương tác bức xạ photon và electron với vật chất
1.1.1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Khi đi trong mơi trường vật chất, bức xạ gamma tương tác với môi trường
thông qua các hiệu ứng chủ yếu: hiệu ứng hấp thụ quang ñiện, hiệu ứng tán xạ
Compton, hiệu ứng tạo cặp. Các hiện tượng này có xảy ra hay khơng hoặc xảy ra
với mức ñộ nào phụ thuộc vào năng lượng của photon gamma và bản chất của mơi
trường mà nó ñi qua.
Hiện tượng hấp thụ quang ñiện
Khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, xác
suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang ñiện bắt đầu tăng. Năng lượng photon tới
được truyền tồn bộ cho một electron của nguyên tử. Một phần năng lượng để thắng
thế năng ion hóa, phần cịn lại biến thành ñộng năng của ñiện tử bị bứt ra khỏi
nguyên tử. Hấp thụ quang ñiện ưu tiên xảy ra với các electron liên kết mạnh với hạt
nhân (lớp K, L). Xác suất xảy ra hiệu ứng quang ñiện càng lớn khi Z càng lớn và tỷ
lệ nghịch với năng lượng. Hình 1.1 ở dưới mơ tả q trình trên.
Trước tương tác

Sau tương tác

Hình 1.1: Mơ hình hiện tượng quang điện

3


Tán xạ Compton
Theo sự tăng năng lượng của bức xạ gamma, tiết diện xảy ra hấp thụ quang
ñiện giảm và tiết diện tán xạ Compton tăng lên, ñây là quá trình chủ yếu làm suy
giảm năng lượng của bức xạ gamma đi trong mơi trường vật chất.
Tán xạ Compton là q trình tán xạ khơng đàn hồi của photon gamma với các

electron tự do hoặc electron liên kết yếu trong ngun tử của mơi trường. Trong q
trình tán xạ Compton, photon gamma tới truyền một phần năng lượng của mình
cho electron làm bứt electron khỏi nguyên tử. Nguyên tử và photon sau tán xạ bị
lệch khỏi phương chuyển ñộng ban ñầu như minh họa dưới hình 1.2.
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). Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron coi là 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.

Hình 1.2: Mơ hình Tán xạ Compton
Hiện tượng tạo cặp
Khi năng lượng của bức xạ gamma lơn hơn 1.022 MeV, có thể xảy ra hiện
tượng tạo cặp. ðây là hiện tượng xảy ra trong trường Coulomb của hạt nhân, trong
đó năng lượng của một photon gamma ñược biến ñổi hoàn toàn thành một cặp
electron – positron (hình 1.3). Hiện tượng tạo cặp xảy ra mạnh trong trường

4


Coulomb của hạt nhân khi mơi trường có ngun tử số càng lớn và khi năng lượng
của lượng tử gamma càng tăng.
Trước tương tác

Sau tương tác

Hình 1.3: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân
Từ những tìm hiểu trên, chúng tơi nhận thấy rằng mỗi hiệu ứng có vai trị quan
trọng trong miền năng lượng nhất định với từng vật chất khác nhau. Trong xạ trị,

ñối tượng chủ yếu là mơ cơ thể, có thể coi là tương đương với mô nước. Tổng hợp
hiệu ứng photon tương tác với nước được mơ tả trong hình 1.4.

Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối lượng của photon tương tác với nước
Khi năng lượng bức xạ gamma nhỏ hơn 20 keV tương tác với nước hiệu ứng
hấp thụ quang ñiện và tán xạ đàn hồi đóng vai chị chính. Nếu năng lượng gamma

5


trong miền từ 20 keV đến 10 MeV thì hiệu ứng Compton chiếm ưu thế. Khi năng
lượng gamma lớn hơn 10 MeV thì hiệu ứng tạo cặp thể hiện vai trị của mình. Với 2
mức năng lượng photon 6 MV và 15 MV,trong xạ trị hai hiệu ứng Compton và tạo
cặp sảy ra là chủ yếu [21].
1.1.1.2. Tương tác của electron với vật chất
Khi electron đi trong mơi trường vật chất nó tương tác chủ yếu với electron
trong nguyên tử của môi trường theo hai cơ chế: va chạm và phát bức xạ hãm. Tùy
theo năng lượng của bức xạ electron và ngun tử số của mơi trường mà độ mất mát
năng lượng của electron trong môi trường do mỗi q trình trên sẽ có mức độ khác
nhau. Sau đây ta sẽ xét riêng từng quá trình làm mất mát năng lượng của hạt
electron trong môi trường.
Mất mát năng lượng do va chạm
Khi đi trong mơi trường, do tương tác coulomb với các electron của nguyên tử
môi trường, electron tới truyền năng lượng của mình cho các electron của nguyên tử
mơi trường. Nếu năng lượng electron nhận được ∆E lớn hơn thế năng ion hóa của
ngun tử mơi trường , electron bay ra khỏi nguyên tử. Như vậy một cặp ion dương
– electron được tạo thành. Ta nói ngun tử bị ion hóa. Nếu năng lượng ∆E nhận
được nhỏ hơn thế năng ion hóa, làm cho nguyên tử trong trạng thái kích thích.
ðộ mất mát năng lượng của bức xạ electron trên một đơn vị đường đi do q
trình kích thích mơi trường và ion hóa do va chạm rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào

năng lượng của hạt electron, số khối và điện tích của ngun tử mơi trường, mật độ
khối của mơi trường có thể tính theo cơng thức Bethe – Bloch:
Cv 
Z 1  k 2 (k + 1)
 dE 
2
2


ln
(
)
δ
F
k
−
+
−
−
 = 2π .N A .re .me c ρ
A β 2  2 I / me c 2
Z 
 dx  col

(

)

(1.1)

 dE 
 là ñộ mất mát năng lượng trên một ñơn vị ñường ñi do ion hóa;
 dx  col

Trong đó: − 

NA là số Avơgrơ; re, me là bán kính cổ điển tính ra cm và khối lượng của electron;
Z, A là điện tích và số khối của môi trường; β =

6

v
với v là vận tốc của hạt electron,
c


cịn c là vận tốc ánh sáng; k là động năng của hạt electron tính trong đơn vị mec2; δ ,
CV là hệ số hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của động năng có dạng như sau:
F(k)

k2
− (2k + 1).ln 2
2
8
= 1 − β +
(k + 1) 2

(1.2)

Mất năng lượng do phát bức xạ hãm

Do electron mang điện tích âm ñi vào trong trường coulomb của hạt nhân
nguyên tử mang điện tích dương, nó bị hút nên bị hãm lại nghĩa là chuyển động có
gia tốc. Gia tốc này càng lớn khi điện tích của hạt nhân càng lớn. Theo ñiện ñộng
lực học, một hạt mang ñiện tích chuyển ñộng có gia tốc sẽ phát ra bức xạ điện từ gọi
là bức xạ hãm. Bức xạ hãm có phổ liên tục, năng lượng từ khơng đến giá trị cực đại
bằng ñộng năng của hạt electron.
ðộ mất mát năng lượng do phát bức xạ hãm trên một ñơn vị ñường ñi phụ
thuộc vào ngun tử số của mơi trường, mật độ khối của mơi trường, năng lượng
của hạt electron được xác ñịnh theo công thức sau:

1 
2E
1
 dE 
2 2
−
− − f ( z )
. ln
 = 4 N .E.Z .re .
2
137  me .c
3
 dx  bx


(1.3)

 dE 
 là ñộ mất mát năng lượng trên một ñơn vị ñường ñi do phát bức
 dx bx

Trong ñó: − 

xạ hãm; N là số nguyên tử khối của môi trường trong một đơn vị thể tích (mật độ
khối); E là động năng của electron; me là khối lượng nghỉ của electron; Z là điện tích
của hạt nhân.
Về cơ bản, độ mất mát năng lượng trên một ñơn vị ñường ñi của hạt electron
phụ thuộc vào năng lượng của electron và nguyên tử số của mơi trường. Với một
mơi trường xác định, khi năng lượng của chùm electron cịn nhỏ thì độ mất mát
năng lượng do ion hóa và kích thích mơi trường chiếm ưu thế, hay tỷ số giữa ñộ mất
mát năng lượng do bức xạ hãm với ñộ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích
mơi trường nhỏ hơn một. Tỉ số này tăng dần khi năng lượng của electron tăng lên.
Khi năng lượng của hạt electron ñạt ñến một giá trị ngưỡng E0 nào ñó, gọi là năng

7


lượng tới hạn Ec thì tỉ số trên bằng một, nghĩa là khi đó độ mất mát năng lượng trên
một ñơn vị ñường ñi do hai hiệu ứng bằng nhau:
 dE 
 dE 

 =

 dx  vc  dx  bx

(1.4)

Khi năng lượng E > Ec thì tỉ số trên lớn hơn một, ñộ mất mát năng lượng do phát
bức xạ hãm chiếm ưu thế.

Từ thực nghiệm cho thấy rằng các năng lượng tới hạn Ec nói trên phụ thuộc
vào điện tích hay ngun tử số mơi trường. Khi năng lượng của hạt electron cỡ từ
vài MeV trở lên, ñộ mất mát năng lượng của nó do phát bức xạ hãm và do kích
thích – ion hóa mơi trường có thể liên hệ với nhau bằng biểu thức sau:
 dE 


 dx  bx EZ
≈
800
 dE 


 dx  vc

(1.5)

Trong đó: E là năng lượng của hạt electron; Z là nguyên tử số của môi trường. Từ
công thức (1.5) trên ta thấy, năng lượng tới hạn ứng với tỉ số ở vế trái bằng một,
nghĩa là khi đó Ec =

800
. Rõ ràng nguyên tử số của môi trường càng lớn thì năng
Z

ðộ suy giảm năng lượng electron
(MeV.cm2/g)

lượng tới hạn càng giảm.

ðộng năng Electron (MeV)
Hình 1.5: ðộ suy giảm năng lượng electron

8


Tổng hợp hai quá trình mất năng lượng eletron như ñã trình bày ở trên, khi
tương tác với một số vật chất được mơ tả trong hình vẽ 1.5 trong ñó ñường nét liền
thể hiện mất năng lượng do va chạm, đường nét đứt mơ tả q trình mất năng lượng
do phát bức xạ hãm.
Từ hình vẽ 1.5 và cơng thức 1.5 chúng tôi nhận thấy, năng lượng tới hạn Ec
của electron tương tác với nước cỡ 105 MeV, với nhơm khoảng 61 MeV, cịn với
chì tầm 10 MeV. Trong xạ trị, sử dụng electron với năng lượng từ 6 MeV tới 15
MeV, vẫn coi mơ cơ thể tương đương mơ nước, q trình mất năng lượng chủ yếu
xảy ra do va chạm [21].
1.1.2. Giới thiệu liều lượng trong xạ trị
1.1.2.1. Các ñại lượng của liều lượng học
a. Liều chiếu
Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, cịn mơi trường chiếu
xạ là khơng khí. Liều chiếu ký hiệu là X, được xác định theo cơng thức:
X =

dQ
dm

(1.6)

Trong đó: dQ là giá trị tuyệt đối của tổng một loại điện tích được sinh ra trong
khơng khí khi mà tất cả các electron, positron ñược tạo ra khi photon tương tác với
khối lượng dm của khơng khí bị hãm lại một cách hồn tồn trong khơng khí.

Trong hệ ño SI, ñơn vị ño liều chiếu là Coulomb trên kilơgam, viết tắt là C/kg.
Ngồi đơn vị C/kg, trong kỹ thuật người ta cịn dùng đơn vị đo liều chiếu là
Rơnghen, viết tắt là R. Theo định nghĩa có thể chuyển đổi từ Coulomb/ kilơgam
sang Rơnghen theo tỷ lệ 1R = 2,58.10-4 C/kg.
b. Liều hấp thụ
Thực tế cho thấy những sự thay đổi trong mơi trường chiếu xạ phụ thuộc chủ
yếu vào liều hấp thụ và liều tương ñương. Với khái niệm liều hấp thụ và liều tương
ñương, cho phép mở rộng đối tượng bức xạ nghiên cứu và mơi trường chiếu xạ.
Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trường chiếu xạ
là khơng khí. Cịn liều hấp thụ và liều tương ñương sẽ áp dụng cho các loại bức xạ
ion hóa khác nhau và mơi trường được chiếu xạ khác nhau.

9


Liều hấp thụ ký hiệu là D, ñược ñịnh nghĩa là thương số

dE
, trong đó dE là
dm

năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất mơi trường có khối
lượng là dm. Trong hệ SI, đơn vị ño liều hấp thụ là Joule/kilôgam, viết tắt là J/kg.
Trong thực tế, người ta cịn dùng đơn vị là Gray viết tắt là Gy hoặc Rad ñể ño liều
hấp thụ.
Qua các ñịnh nghĩa trên, chúng ta nhận thấy, với loại bức xạ ion hóa xác định,
mơi trường chiếu xạ cho trước, thì liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu theo cơng
thức sau:

D = f .X

(1.7)

Trong đó D là liều hấp thụ, X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ f thực chất
là hệ số chuyển ñổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ. Giá trị của f tùy thuộc vào môi
trường chiếu xạ và ñơn vị ño liều hấp thụ và liều chiếu tương ứng. ðối với khơng
khí, hệ số tỷ lệ f = 0,869

rad
rad
còn trong cơ thể con người hệ số tỷ lệ f = 0,95
.
R
R

c. Liều tương ñương sinh học
ðối với sinh vật và cơ thể sống, dưới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn
đến hiện tượng làm biến đổi hoặc gây tổn thương nào đó cho ñối tượng ñược chiếu
xạ. Người ta gọi hiện tượng trên là hiệu ứng sinh học. Với liều hấp thụ D cho trước,
hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ ñược sử dụng, ñiều kiện chiếu xạ,
khoảng thời gian chiếu xạ. Khi ñánh giá ảnh hưởng của bức xạ ñến hiệu ứng sinh
học, thay cho liều hấp thụ ta thường dùng liều tương ñương, ký hiệu là H.
Với một loại bức xạ và môi trường sống xác ñịnh, liều tương ñương tỷ lệ với
liều hấp thụ. Liều tương ñương và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau:

H T = wR DT , R

(1.8)

Trong đó: HT liều tương đương ứng một loại mơ hay bộ phận T, DT,R là liều hấp thụ

của một loại bức xạ R (photon, electron, neutron …) nào đó lấy trung bình trên trên
mơ hoặc bộ phận, wR là hệ số phẩm chất hay trọng số bức xạ của bức xạ R nào đó.

10


ðơn vị của HT là J/kg hay ñược gọi là sievert (Sv). ðơn vị cũ Sv là rem, hệ số quy
ñổi 1 Sv = 100 rem.
Với nhiều loại bức xạ thì liều tương đương H có giá trị là tổng liều thành
phần:

H = ∑ H T = ∑ wR DT , R
R

(1.9)

R

Hệ số phẩm chất wR dùng trong an toàn bức xạ ñánh giá ảnh hưởng của các
loại bức xạ lên ñối tượng sinh học, cho biết mức ñộ nguy hiểm của từng loại bức xạ
ñối với cơ thể sống.
d. Liều hiệu dụng
Liều hiệu dụng (E) ñược xác ñịnh là tổng liều tương đương từng mơ hay bộ
phận được xác định theo cơng thức:

E = ∑ wT H T

(1.10)

T

Trong đó wT là trọng số mơ, HT liều tương đương ứng một loại mô hay bộ phận T
với một loại bức xạ nào đó. Ý nghĩa trọng số mơ thể hiện cùng một liều tương
đương nhưng ảnh hưởng từng mơ là khác nhau. Nếu nhiều loại bức xạ khác nhau,
liều hiệu dụng được xác định theo cơng thức:

E = ∑ wT ∑ wR DT , R = ∑ wR ∑ wT DT , R
T

R

R

(1.11)

T

1.1.2.2. Lý thuyết ño liều bằng buồng ion hóa hốc khí
Trong thực tế điều trị cần biết liều hấp thụ bệnh nhân nhận được là bao nhiêu,
nhưng khơng thể ño ñược trực tiếp, nên trong ño liều y tế, người ta thường dùng
phương pháp gián tiếp như sau: ño liều hấp thụ trong môi trường tương ñương mô,
từ đó tính ra liều hấp thụ trong mơi trường cần ño. ðể xác ñịnh liều hấp thụ trong
môi trường tương đương mơ, đầu tiên ta dùng buồng ion hóa đ ể đo, do sự có
mặt buồng ion hóa, ta hiệu chỉnh sự có mặt của buồng. Sự hiệu chỉnh này ñược
thể hiện trong lý thuyết ño liều bằng buồng ion hóa hốc khí.

11


a. Ngun lý hoạt động buồng ion hóa

Ngun lí hoạt ñộng của buồng ion hóa dựa trên cơ sở của sự ghi ñiện tử hoặc
ion ñược tạo ra do hiện tượng ion hố xảy ra trong mơi trường chất khí khi bức xạ
đi vào detector. Sơ đồ mơ tả ngun lý hoạt động buồng ion hóa được mơ tả trong
hình 1.6.

Hình 1.6: Ngun lý hoạt động buồng ion hóa chứa khí
Ở trạng thái bình thường, chất khí khơng dẫn điện và khơng có dịng điện chạy
giữa các điện cực. Khi một bức xạ đi qua mơi trường khí của detector, bức xạ sẽ
mất một phần năng lượng ∆W của mình ở trong chất khí giữa các điện cực của
buồng và tạo ra N cặp điện tích với điện tích tồn phần Q=±Ne. Do có điện trường
giữa hai điện cực, các hạt tích điện sẽ chuyển động về các điện cực tương ứng tạo
nên dịng trên mạch ngồi. Dịng này được ghi nhận bởi thiết bị đo dịng điện, từ đó
xác ñịnh giá trị cần ño.
b. Lý thuyết hốc khí Bragg-Gray
Trong kỹ thuật đo liều hấp thụ bằng buồng ion hóa chứa khí, để đo liều tại một
điểm trong mơi trường, ta phải đưa buồng ion hóa vào điểm đó. Khi đó buồng ion
hóa có thể xem là một hốc khí trong mơi trường. Với buồng ion hóa, ta đo được liều
hấp thụ trong hốc khí là Dair. ðể tính ra liều hấp thụ Dmed trong mơi trường tại điểm
đó (khi khơng có buồng ion hóa), ta cần thiết lập mối liên hệ giữa Dair và Dmed. Lý
thuyết hốc khí Bragg-Gray ñược phát triển nhằm thiết lập mối liên hệ này. Theo
Bragg-Gray, có thể thiết lập được mối liên hệ nói trên nếu các ñiều kiện sau ñây
ñược thỏa mãn.

12


Thể tích hốc khí của buồng phải đủ nhỏ (nhỏ hơn so với quãng chạy của
electron ñể electron chỉ mất một phần năng lượng nhỏ trong nó). Ngồi ra, điều kiện
này đảm bảo khơng làm thay đổi sự phân bố electron khi buồng ion hóa được đặt
trong mơi trường đó.

Photon chỉ đóng vai trị nhỏ, khơng đáng kể trong sự ion hóa khơng khí của
hốc. Liều hấp thụ có được chỉ bởi các electron đi ngang qua hốc khí. Nói cách khác,
tất cả các electron đóng góp cho liều hấp thụ bên trong hốc khí phải được tạo thành
ở bên ngồi hốc khí và chúng hồn tồn đi ngang hốc khí. ðiều này chỉ thỏa mãn
khi điều kiện đầu thỏa mãn.
Sự phát bức xạ hãm Bremstrahlung và tạo ra electron thứ cấp khơng xảy ra
trong hốc khí . Hốc khí thỏa điều kiện trên được gọi là hốc khí Bragg-Gray (hình
1.7). ðiều kiện thứ nhất nhằm bảo đảm thơng lượng electron Φgas trong hốc khí
bằng với thơng lượng electron Φmed trong mơi trường khi khơng có hốc khí. Trong
thực tế, việc đưa một hốc khí vào mơi trường ln ln gây nên một sự thay đổi
nhất định thơng lượng của electron. Do đó cần có hiệu chỉnh sự thay đổi này. ðiều
kiện thứ hai và ba nhằm bảo ñảm rằng mọi electron gây nên liều hấp thụ trong hốc
là có nguồn gốc từ ngồi hốc khí và chỉ đi qua chứ khơng dừng lại trong hốc.

Hình 1.7: Mơ tả điều kiện Bragg-Gray trong mơi trường nước
Khi hốc khí của buồng ion hóa thỏa mãn thỏa điều kiện hốc khí Gragg-Bray
(Φmed / Φgas ~1). Mối liên hệ giữa liều hấp thụ tại một điểm trong mơi trường Dmed
(khi khơng có mặt buồng ion hóa) và liều hấp thụ của hốc khí Dair tại cùng điểm đó

13