Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:109

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài 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 để làm cơ sở cho việc tìm hiểu ứng dụng cho các máy gia tốc dùng trong xạ trị khác. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

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 công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên NGUYỄN TIẾN QUÂN i
LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập, công tác, và nhất là thời gian làm luận văn, tôi nhận nhiều sự quan tâm, ñộng viên giúp ñỡ tôi ñể hoàn thành bản luận văn này. Qua ñây tôi 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 Loát, người ñã hướng tôi vào nghề kỹ sư vật lý xạ trị, thầy luôn tạo mọi ñiều 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 tôi làm khoá luận tốt nghiệp; Thầy ThS. Nguyễn Xuân Kử, nguyên trưởng khoa Vật lý xạ trị - Bệnh viện K, người ñã 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 tôi trong công việc nghề nghiệp; Ks Lê Văn Tình trưởng khoa cùng ñồng nghiệp trong khoa Vật lý xạ trị - Bệnh viện K, ñã giúp ñỡ tôi trong công 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 tôi những kiến thức cần thiết, cũng như ñược tạo ñiều kiện thuận lợi nhất trong học tập và công tác. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia ñình và bạn bè, những người luôn bên cạnh tôi, giúp ñỡ, ñộng viên, khuyến khích tôi trong mọi hoàn 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 mô 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 ño liều và mô hình hóa thực nghiệm 34 2.2.1. Hệ thống ño liều lượng........................................................................... 34 2.2.2. Bố trí hình học ño ................................................................................... 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 thông số ñặc 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 ñịnh một số thông số ñộ 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 thông số ñặc 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 ñối xứng chùm photon 6 MV ................................................................59 Bảng 3.5: Tính ñối 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 thông số ñặc 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 ñối xứng chùm electron 9 MeV...........................................................66 Bảng 3.12: Tính ñối 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: Mô hình hiện tượng quang ñiện ......................................................................3 Hình 1.2: Mô 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: Nguyên lý hoạt ñộng buồng ion hóa chứa khí...............................................12 Hình 1.7: Mô tả ñiều kiện Bragg-Gray trong môi trường nước ...................................13 Hình 1.8: Mô 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 mô từ dạng bình thường ñến ung thư ....................21 Hình 1.12: Hàm Gompertz mô tả ñường 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: Mô hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị ........................................................29 Hình 2.2: ðầu máy ñiều trị............................................................................................30 Hình 2.3: Thông 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 ñồ ghép nối hệ ño 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 ño liều MD 240 ......................................................................37 Hình 2.10: Bộ ñiều 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 côn) 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 ñến 25MV. .....42 Hình 2.17: PDD trong nước với kích thước trường 10x10cm2, SSD= 100cm.............44 Hình 2.18: Quãng 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 ñịnh ñộ bằng phẳng.................................................................48 Hình 2.21: Hình vẽ xác tính ñối xứng ...........................................................................49 Hình 2.22: Thành phần truyền qua vùng bán dạ...........................................................50 Hình 2.23: Thành phần ñối 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 vòm họng (Nasophaynx)............................................................67 Hình 3.11: Ví dụ về xác ñịnh GTV, CTV70, CTV60 trong ung thư vòm .......................68 Hình 3.12: Kỹ thuật nửa trường chiếu cho ung thư vòm 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 ñồng tâm cho trường vòm 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 ñịnh GTV, hạch cho ung thư phổi...........................................72 Hình 3.17: Ví dụ về xác ñịnh 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 Thông số quãng chạy của chùm electron theo ñộ sâu (cm, g/cm2) R100 ðộ sâu chùm electron tại ñó ñạt 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 ñó ñạt liều hấp thụ ñạt 80 % R90 ðộ sâu chùm electron sau R100 tại ñó ñạt 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 ñối xứng chùm tia (%) TPR20,10 Tỷ số mô 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 ñó 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 Tiếng Anh Tiếng Việt American Association of Physicists AAPM Hiệp hội y vật lý Hoa Kỳ in Medicine CTV Clinical target volume Thể tích bia lâm sàng Phân tử mang thông tin di DNA Deoxyribonucleic acid truyền GTV Gross tumor volume Thể tích khối u thô International Atomic Energy Cơ quan Năng lượng Nguyên tử IAEA Agency Quốc tế Normal tissue complication Xác suất biến chứng của các mô NTCP 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 ñộ sâu PDD(10) 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 khoảng cách từ nguồn tới buồng SCD Source to chamber distance ion hóa Khoảng cách từ nguồn tới bề SSD Source to surface distance mặt 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 mô phantom ở ñộ sâu TPR(20,10) depths of 20 cm and10 cm in water 20cm và 10cm trong nước viii
MỞ ðẦU Theo Tổ chức Y tế Thế giới, mỗi năm trên toàn 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, không 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, ñại trực tràng (với nữ). Do ñó, ñòi 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, không những vậy dù các phương pháp khác ñược 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 ñòi hỏi cần có hiểu biết tốt ñể sử dụng hiệu quả và an toàn. Là kỹ sư vật lý công tác trong bệnh viện, với mong muốn tìm hiểu sâu hơn về máy gia tốc ñể nắm vững hơn về chuyên môn kỹ thuật, chúng tôi quyết ñịnh 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 tôi là tìm hiểu rõ một số ñặc 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 ñích nghiên cứu khẳng ñịnh thông số ñặc trưng về năng lượng, chất lượng chùm tia trên máy gia tốc tuyến tính Primus ñảm bảo cho ñiều trị, bên cạnh ñó nâng cao trình ñộ 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 ñó, 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 ñặc trưng năng lượng, chất lượng của chùm photon, electron cùng bàn luận về các ñặc trưng và ứng dụng. Vấn ñề kỹ thuật thường luôn ñược cải tiến, bổ xung và ñổi 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 tôi rất mong muốn ñược có những trao ñổi 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 công việc của bản thân, và cũng là tiếp nối từ khóa luận tốt nghiệp ñại 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 không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận ñược sự thông cảm và góp ý giúp cho luận văn hoàn 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 ñi trong môi 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 không hoặc xảy ra với mức ñộ nào phụ thuộc vào năng lượng của photon gamma và bản chất của môi 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 ñầu tăng. Năng lượng photon tới ñược truyền toàn bộ cho một electron của nguyên tử. Một phần năng lượng ñể thắng thế năng ion hóa, phần còn 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 mô tả quá trình trên. Trước tương tác Sau tương tác Hình 1.1: Mô hình hiện tượng quang ñiện 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 ñi trong môi trường vật chất. Tán xạ Compton là quá trình tán xạ không ñàn 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 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: Mô 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 ñó 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 môi trường có nguyên 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 tôi nhận thấy rằng mỗi hiệu ứng có vai trò quan trọng trong miền năng lượng nhất ñịnh với từng vật chất khác nhau. Trong xạ trị, ñối tượng chủ yếu là mô cơ thể, có thể coi là tương ñương với mô nước. Tổng hợp hiệu ứng photon tương tác với nước ñược mô 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 ñàn hồi ñóng vai chò chính. Nếu năng lượng gamma 5
trong miền từ 20 keV ñến 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 trò 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 ñi trong môi 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 nguyên tử số của môi trường mà ñộ mất mát năng lượng của electron trong môi trường do mỗi quá trình trên sẽ có mức ñộ khác nhau. Sau ñây 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 ñi trong môi 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 môi trường. Nếu năng lượng electron nhận ñược ∆E lớn hơn thế năng ion hóa của nguyên tử môi trường , electron bay ra khỏi nguyên tử. Như vậy một cặp ion dương – electron ñược tạo thành. Ta nói nguyên tử bị ion hóa. Nếu năng lượng ∆E nhận ñược 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 ñơn vị ñường ñi do quá trình kích thích môi trường và ion hóa do va chạm rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào năng lượng của hạt electron, số khối và ñiện tích của nguyên tử môi trường, mật ñộ khối của môi trường có thể tính theo công thức Bethe – Bloch:  dE  Z 1  k 2 (k + 1) Cv  −  = 2π .N A .re .me c ρ 2 2  ln + ( ) − δ −  (1.1)  dx  col ( A β 2  2 I / me c 2 ) F k Z   dE  Trong ñó: −   là ñộ mất mát năng lượng trên một ñơn vị ñường ñi do ion hóa;  dx  col NA là số Avôgañrô; re, me là bán kính cổ ñiển tính ra cm và khối lượng của electron; v Z, A là ñiện tích và số khối của môi trường; β = với v là vận tốc của hạt electron, c 6
còn c là vận tốc ánh sáng; k là ñộng năng của hạt electron tính trong ñơn vị mec2; δ , CV là hệ số hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của ñộng năng có dạng như sau: k2 − (2k + 1).ln 2 F(k) = 1 − β + 2 8 (1.2) (k + 1) 2 Mất năng lượng do phát bức xạ hãm Do electron mang ñiện tích âm ñi vào trong trường coulomb của hạt nhân nguyên tử mang ñiện tích dương, nó bị hút nên bị hãm lại nghĩa là chuyển ñộng có gia tốc. Gia tốc này càng lớn khi ñiện 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 ñiện từ gọi là bức xạ hãm. Bức xạ hãm có phổ liên tục, năng lượng từ không ñến giá trị cực ñại 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 nguyên tử số của môi trường, mật ñộ khối của môi trường, năng lượng của hạt electron ñược xác ñịnh theo công thức sau:  dE  1  2E 1  −  = 4 N .E.Z .re . 2 2 . ln 2 − − f ( z ) (1.3)  dx  bx 137  me .c 3   dE  Trong ñó: −   là ñộ mất mát năng lượng trên một ñơn vị ñường ñi do phát bức  dx bx xạ hãm; N là số nguyên tử khối của môi trường trong một ñơn vị thể tích (mật ñộ khối); E là ñộng năng của electron; me là khối lượng nghỉ của electron; Z là ñiện tích của hạt nhân. Về cơ bản, ñộ 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 môi trường. Với một môi trường xác ñịnh, khi năng lượng của chùm electron còn nhỏ thì ñộ mất mát năng lượng do ion hóa và kích thích môi 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 môi 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 ñó ñộ mất mát năng lượng trên một ñơn vị ñường ñi do hai hiệu ứng bằng nhau:  dE   dE    =  (1.4)  dx  vc  dx  bx 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 ñiện tích hay nguyên tử số môi 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 môi trường có thể liên hệ với nhau bằng biểu thức sau:  dE     dx  bx EZ ≈ (1.5)  dE  800    dx  vc Trong ñó: 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, 800 nghĩa là khi ñó Ec = . Rõ ràng nguyên tử số của môi trường càng lớn thì năng Z lượng tới hạn càng giảm. ðộ suy giảm năng lượng electron (MeV.cm2/g) ðộng năng Electron (MeV) Hình 1.5: ðộ suy giảm năng lượng electron 8