Luận văn Thạc sĩ Vật lý hạt nhân: Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị bằng phương pháp Monte Carlo

Chia sẻ: Little Little | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Vật lý hạt nhân "Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị bằng phương pháp Monte Carlo" được nghiên cứu nhằm mục đích: ứng dụng chương trình Monte Carlo MCNP5 trong mô phỏng máy gia tốc tuyến tính xạ trị, kiểm tra độ chính xác của mô phỏng trên phantom nước để từ đó tiến tới mô phỏng trực tiếp trên mô hình phantom người được tạo từ ảnh CT. Điều này sẽ giúp cho việc mô phỏng tính liều trong lập kế hoạch điều trị được thuận lợi và thực tế hơn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý hạt nhân: Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị bằng phương pháp Monte Carlo

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THANH XUÂN MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN TP HỒ CHÍ MINH, 2010
ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ THANH XUÂN MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN Mã số : 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS MAI VĂN NHƠN TP HỒ CHÍ MINH, 2010
LỜI CẢM ƠN ðể ñạt kết quả như ngày hôm nay, tôi ñã nhận ñược sự dạy dỗ, giúp ñỡ tận tình của các thầy cô, bạn bè trong quá trình học tập vừa qua, thông qua quyển luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc ñến: Thầy PGS.TS MAI VĂN NHƠN, người ñã tận tình chỉ bảo và ñịnh hướng cho tôi thực hiện luận văn này. Cô Th.S TRƯƠNG THỊ HỒNG LOAN, người ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn. Bạn ðẶNG NGUYÊN PHƯƠNG, người ñã nhiệt tình giúp ñỡ tôi khi tôi gặp khó khăn. Thầy PGS.TS CHÂU VĂN TẠO, người ñã ñồng ý cho tôi ñược chuyển bộ môn ñể tôi ñược học và nguyên cứu lĩnh vực tôi ưa thích. Các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân – Khoa Vật lý – Trường ðại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã tận tình giảng dạy, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian học cao học. Các anh chị Phòng Lập kế hoạch – Khoa Ung Bướu – Bệnh viện Chợ Rẫy ñã cung cấp cho tôi dữ liệu và tạo ñiều kiện tốt nhất giúp tôi có thể hoàn thành luận văn này. Anh Th.S NGUYỄN CHÍ LINH Phòng Vật lý Tính toán – Trường ðại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh ñã nhiệt tình chỉ dẫn tôi, khi chạy chương trình trên hệ thống WS. Các bạn học viên cao học Vật lý Hạt nhân – K17, gia ñình và bạn bè ñã ủng hộ, ñộng viên và khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua.
1 MỤC LỤC Mục lục ....................................................................................................................... 1 Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt .................................................................. 3 Danh mục các bảng .................................................................................................... 5 Danh mục các hình vẽ, ñồ thị ..................................................................................... 6 MỞ ðẦU .................................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1 – LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ .............................................................. 12 1.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 12 1.2. MỤC ðÍCH ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ .................................................... 12 1.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ ............................... 13 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ ................................... 15 1.5. CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI ........................ 17 1.6. XÁC ðỊNH THỂ TÍCH VÀ CÁC GIẢN ðỒ LIỀU KHỐI ........................ 18 CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH ....................... 21 2.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY GIA TỐC ........................................ 21 2.2. NGUYẾN LÝ GIA TỐC THẲNG .............................................................. 22 2.3. ðẦU ðIỀU TRỊ MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH ...................................... 25 2.4. CẤU HÌNH MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH HIỆN ðẠI .......................... 28 CHƯƠNG 3 – HÌNH ẢNH DICOM VÀ CHƯƠNG TRÌNH KẾT NỐI HÌNH ẢNH DICOM VỚI MCNP5 .............................................................................................. 31
2 3.1. GIỚI THIỆU VỀ ẢNH DICOM ................................................................. 31 3.2. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH CODIM ........................................... 32 CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG MÁY GIA TỐC TUYẾN TÍNH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 VÀ CODIM ........................ 45 4.1. MỤC ðÍCH ................................................................................................. 45 4.2. CẤU HÌNH ðẦU MÁY GIA TỐC PRIMUS VÀ MÔ PHỎNG MCNP5 .. 45 4.3. ðÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ........................................................ 52 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 66 DANH MỤC CÔNG TRÌNH .................................................................................. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 70
3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu t : thời gian hạt ñược gia tốc (s) l : ñộ dài các ống dẫn (cm) v: vận tốc chuyển ñộng của hạt trong ống (m/s) m : khối lượng của electron (g) e : ñiện tích của hạt (C) U: hiệu ñiện thế giữa hai ñiện cực (V) µH2O: hệ số suy giảm tuyến tính của nước. µX : hệ số suy giảm tuyến tính của X. Các chữ viết tắt 2D Two – Dimensional 3D Three – Dimensional ACR American College of Radiology CM Component Module CT Computed Tomography DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine DSS Decision support system MRI: Magnetic Resonance Imaging SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography
4 PET: Positron Emission Computed Tomography NEMA: National Electrical Manufaturer’s Association MCNP: Monte Carlo N – Particle EGS: Electron Gamma Shower PENELOPE: Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons SSD: Source to Surface Distance SAD: Source Axis Distance MLC: Multi – Leaf Collimator RGB: Red-Green-Blue CODIM: COnvert DIcom to MCNP5 HU: Hounsfield Unit (H) RBE: Relative Biological Effectiveness QF: Quality Factor GTV: Gross Tumor Volume CTV: Clinical Target Volume PTV: Planning Target Volume OAR: Organ At Risk DVHs: Dose-Volume Histograms GEANT4: GEometry ANd Tracking 4 ICRU: International Commission on Radiation Units and Measurement
5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Bảng liên hệ giữa số CT (ñơn vị Hounsfield) với mật ñộ vật chất..... 33 Bảng 3.2: Bảng liên hệ giữa mật ñộ vật chất với vật chất ................................... 34 Bảng 4.1: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon 6MV ............................................................................................................ 46 Bảng 4.2: Phổ năng lượng và xác suất phát của chùm electron ñể tạo photon 15MV .................................................................................................. 47 Bảng 4.3. Tọa ñộ và phần trăm liều tương ñối ñược tính bởi MCNP5................ 62
6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ñại ................................................... 12 Hình 1.2: So sánh kỹ thuật Monte Carlo và phương pháp giải tích về ñộ khó khăn của bài toán theo sự phức tạp của cấu hình .......................................... 16 Hình 1.3: GTV và CTV ........................................................................................ 17 Hình 1.4: a) Biểu diễn cho DVH vi phân và b) biểu diễn cho DVH tích lũy ...... 18 Hình 2.1: Máy gia tốc tuyến tính PRIMUS HPD của SIEMENS ........................ 20 Hình 2.2: Mô hình sắp xếp các ống tạo gia tốc hạt............................................... 21 Hình 2.3: Mặt cắt của ống dẫn gia tốc sóng dừng của máy gia tốc tuyến tính 6MV ...................................................................................................... 23 Hình 2.4: ðầu ñiều trị máy gia tốc tuyến tính....................................................... 24 Hình 2.5: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có súng phát electron, ống dẫn sóng và bia tia X thẳng hàng............................................................................... 26 Hình 2.6: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong dàn quay . 27 Hình 2.7: Cấu hình máy gia tốc ñồng tâm có ống dẫn sóng nằm trong bệ máy .... 28 Hình 3.1: Sơ ñồ mô tả hoạt ñộng của chương trình CODIM ................................ 32 Hình 3.2: Giản ñồ thể hiện mối liên hệ giữa số CT (H) và mật ñộ vật chất ......... 33 Hình 3.3: Hình phantom mẫu 10 vật chất: (a) hình ảnh phantom mẫu, (b) hình CT của phantom mẫu ñược vẽ bằng MATLAB, (c) hình phantom mẫu sau khi chuyển ñổi từ số CT về mật ñộ vật chất, (d) hình phantom mẫu sau khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất ...................................... 35
7 Hình 3.4: Hình CT não người ñược lấy từ bệnh viện Chợ Rẫy (a) hình CT ñược vẽ bằng phần mềm chuyên dụng MRIcro, (b) hình ảnh CT ñược vẽ bằng MATLAB, (c) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi CT về mật ñộ vật chất, (d) hình ảnh CT sau khi chuyển ñổi từ mật ñộ vật chất về vật chất ...... 37 Hình 3.5: Giao diện chính của chương trình CODIM .......................................... 38 Hình 3.6: Giao diện chức năng CONVERT_VIEW ............................................. 39 Hình 3.7: Giao diện chức năng ISODOSE_MESHTAL........................................ 41 Hình 4.1: Mô hình máy gia tốc 2D, bên trái là mô hình máy gia tốc phát chùm photon 6MV và bên phải là mô hình máy gia tốc phát chùm photon 15MV ..................................................................................................... 45 Hình 4.2: Mô hình máy gia tốc 3D ñược vẽ bằng Visual Editor của MCNP5 ...... 46 Hình 4.3: (a)Phantom nước ñược chia thành các voxel 4×4×0.3cm3 trong tính liều theo ñộ sâu. (b) Mặt cắt theo trục oxy của phantom nước ñược chia thành các voxel 4×0.05×0.27cm3 trong tính liều theo phương ngang...48 Hình 4.4: Kích thước voxel của phantom thu ñược từ ảnh CT ............................ 48 Hình 4.5: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 6MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2 .................................................................. 51 Hình 4.6: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ sâu (a) 1.5cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm ................................................. 52 Hình 4.7: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 6MV với nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8 × 8 cm2 và (b) cho trường chiếu 10 × 10 cm2 .......................... 53 Hình 4.8: So sánh phân bố liều theo ñộ sâu của chùm photon 15MV với 2 trường chiếu 8×8cm2 và 10×10cm2 ................................................................. 54
8 Hình 4.9: Phân bố liều theo phương ngang hai trường chiếu trên cùng ñộ sâu (a) 2.8cm, (b) 5cm, (c) 10cm và (d) 20cm ................................................. 55 Hình 4.10: So sánh liều phân bố theo phương ngang của chùm photon 15MV với nhiều ñộ sâu khác nhau trên cùng một trường chiếu: (a) cho trường chiếu 8×8cm2 và (b) cho trường chiếu 10×10 cm2 ................................ 56 Hình 4.11: Giao diện chuyển ñổi của chương trình CODIM (CONVERT_VIEW) ............................................................................................................... 59 Hình 4.12: Kết quả tính liều theo 3 hướng chiếu của MCNP5 ñược vẽ bằng chương trình CODIM (ISODOSE_MESHTAL) ............................................... 61 Hình 4.13: Sự phân bố các ñường ñồng liều của 2 chương trình mô phỏng. Bên trái là phân bố các ñường ñồng liều ñược mô phỏng bằng chương trình MCNP5 và bên phải là chương trình DSS ............................................ 61 Hình 4.14: Liều tương ñối tại các vị trí cách tọa ñộ trung tâm 2.5cm và 5cm ....... 62
9 MỞ ðẦU Trong những năm gần ñây số người mắc ung thư ngày càng gia tăng. Theo dự báo của tổ chức Y tế thế giới (WHO) vào năm 2015, mỗi năm trên thế giới sẽ có 15 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 9 triệu người chết do ung thư, trong ñó 2/3 là ở các nước ñang phát triển [6]. Còn ở Việt Nam, theo thống kê chưa ñầy ñủ ở TP Hồ Chí Minh, Hà Nội và một số tỉnh trong cả nước ước tính mỗi năm có khoảng 150 nghìn người mới mắc bệnh ung thư và có khoảng 50 ñến 70 nghìn người chết vì căn bệnh này, cao gấp bảy lần số người chết do tai nạn giao thông [7]. Do ñó, việc chẩn ñoán và ñiều trị bệnh ung thư luôn là vấn ñề cấp bách hàng ñầu của toàn xã hội. Hiện nay phương pháp chẩn ñoán và ñiều trị bệnh ung thư chủ yếu tập trung vào 3 phương pháp chính: phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Việc ứng dụng phương pháp nào trong việc ñiều trị là tùy thuộc vào nhiều yếu tố: ñiều kiện ñiều trị, tùy loại khối u, vị trí và kích thước khối u, giai ñoạn ủ bệnh và tình trạng của bệnh nhân…[2]. Mục tiêu tập trung của luận văn này là phương pháp chữa trị bằng xạ trị. ðây là một phương pháp ñiều trị hiệu quả ñược ứng dụng ngày càng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới, phương pháp này có thể ñược sử dụng một cách riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương pháp khác ñể việc ñiều trị ñạt hiệu quả cao hơn. Xạ trị là phương pháp ứng dụng chùm tia bức xạ trong việc ñiều trị ung thư. Có nhiều phương pháp ứng dụng tia xạ khác nhau, một trong những phương pháp thông dụng nhất chính là ứng dụng các chùm tia photon phát ra từ máy gia tốc. Các chùm tia này cung cấp một liều bức xạ cao tại các mô ñược chiếu xạ. Vấn ñề là phải làm sao tập trung ñược lượng bức xạ cao nhất tại vùng mô bị ung thư trong khi vẫn bảo ñảm không quá liều cho các mô lành bên cạnh. Do ñó việc khảo sát ñặc trưng của chùm tia cũng như phân bố liều hấp thụ trong mô là những khâu hết sức quan trọng trong quá trình xạ trị. Phương pháp Monte Carlo là phương pháp thông dụng ñược ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực trong ñó có lĩnh vực xạ trị. Trong lĩnh vực xạ trị, phương pháp ñã ñạt ñược một số thành công trong việc khảo sát các ñặc trưng của
10 chùm tia, năng lượng ñể lại cũng như liều hấp thụ chùm tia xạ của môi trường. Trong lĩnh vực mô phỏng máy gia tốc, một số nhóm nguyên cứu ñã sử dụng các chương trình mô phỏng Monte Carlo khác nhau trong việc tính toán liều, khảo sát chất lượng chùm tia, vùng thể tích chịu ảnh hưởng khi thay ñổi kích thước collimator lên phantom và lên kế hoạch xạ trị bằng chùm photon và electron. Các chương trình mô phỏng thường hay ñược sử dụng có thể kể ñến bao gồm MCNP [12][8], GEANT [18], PENELOPE [16], EGS [21][22][14],… Các chương trình này ñều có những ưu ñiểm và khuyết ñiểm nhất ñịnh trong mô phỏng chẳng hạn như thời gian tính toán, ñộ chính xác của từng chương trình,… Luận văn này ñược thực hiện nhằm mục ñích ứng dụng chương trình Monte Carlo MCNP5 trong mô phỏng máy gia tốc tuyến tính xạ trị, kiểm tra ñộ chính xác của mô phỏng trên phantom nước ñể từ ñó tiến tới mô phỏng trực tiếp trên mô hình phantom người ñược tạo từ ảnh CT. ðiều này sẽ giúp cho việc mô phỏng tính liều trong lập kế hoạch ñiều trị ñược thuận lợi và thực tế hơn. Với mục ñính nêu trên, luận văn ñã ñược hoàn thành với bố cục bao gồm 4 chương: Chương 1 – Lý thuyết về xạ trị: trình bày các vấn ñề cơ bản của xạ trị, nêu rõ mục ñích xạ trị, giới thiệu khái quát về những nguyên tắc ñiều trị bằng tia xạ, các phương pháp sử dụng tia xạ trong việc ñiều trị bệnh và các vấn ñề cần quan tâm trong việc ñiều trị xạ trị. Chương 2 – Tổng quan về máy gia tốc tuyến tính: trình bày khái quát về máy gia tốc, lịch sử phát triển của máy gia tốc tuyến tính, nguyên lý của quá trình gia tốc thẳng khi ứng dụng dòng ñiện xoay chiều ñể gia tốc hạt, các thành phần quan trọng của ñầu máy gia tốc và các cấu hình máy gia tốc hiện ñại. Chương 3 – Hình ảnh DICOM và chương trình kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5: giới thiệu về khái niệm và cấu trúc file hình ảnh DICOM. Cơ sở của việc chuyển ñổi bộ dữ liệu hình ảnh DICOM thành phantom CT. Từ ñó, xây dựng chương trình nhằm kết nối hình ảnh DICOM với MCNP5 và xử lý dữ liệu tính liều ñược xuất ra từ mô phỏng MCNP5.
11 Chương 4 – Mô phỏng máy gia tốc tuyến tính bằng chương trình MCNP5 và CODIM: trình bày các bước mô phỏng và những kết quả thu ñược khi tiến hành mô phỏng trên phantom nước và trên phantom CT. So sánh kết quả thu ñược với số liệu thực tế từ bệnh viện Chợ Rẫy.
12 CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VỀ XẠ TRỊ 1.1. GIỚI THIỆU Xạ trị là phương pháp ñiều trị bệnh bằng cách sử dụng các tia bức xạ ion hóa nhằm hạn chế sự phát triển cũng như tiêu diệt khối u, xạ trị có vai trò ñặt biệt quan trọng trong ñiều trị ung thư, có thể nói ñây là lĩnh vực không thể thiếu trong ngành y học hiện ñại. Ngày nay, cùng với các phương thức ñiều trị phẫu thuật (cắt bỏ khối u và tổ chức di căn), hóa học (dùng thuốc diệt tế bào ung thư), miễn dịch (dùng thuốc kích thích hệ thống miễn dịch ñể chống lại sự phát triển của khối u ung thư), việc ñiều trị bằng phóng xạ ñã góp phần to lớn trong việc chữa trị và cứu sống bệnh nhân ung thư. Xạ trị là một lĩnh vực chuyên sâu của y học, cơ sở của phóng xạ ñiều trị là hiệu ứng sinh học của các bức xạ ion hóa lên cơ thể sống. Hiệu ứng sinh học của bức xạ gây ra tại cơ quan bị chiếu xạ tùy thuộc vào liều hấp thụ tại cơ quan ñó, hiệu ứng sinh học tương ñối (Relative Biological Effectiveness – RBE) còn gọi là hệ số chất lượng (Quality Factor – QF) của chùm tia. Khi tiến hành chiếu xạ lên các tổ chức tế bào khác nhau thì hiệu quả sinh học thu ñược cũng khác nhau do tính nhạy cảm phóng xạ khác nhau của chúng. Nhìn chung, ñộ nhạy cảm phóng xạ của tế bào tuân theo ñịnh luật Bergonie và Tribondeau, ñịnh luật phát biểu như sau: “ðộ nhạy cảm của tế bào trước bức xạ ion hóa tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỷ lệ nghịch với mức ñộ biệt hóa của chúng”[1]. Các tế bào ung thư có khả năng sinh sản mạnh và mức ñộ biệt hóa chức năng kém so với tổ chức lành tương ñương. Vì vậy, ñộ nhạy phóng xạ cao của tế bào ung thư là một thuận lợi cơ bản của phóng xạ ñiều trị. 1.2. MỤC ðÍCH ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ [3] ðiều trị bằng tia xạ có liên quan ñến việc phá hủy các tế bào ung thư và ngăn chặn sự phát triển hơn nữa của nó. Tế bào ung thư phát triển nhanh ngoài sự kiểm
13 soát bình thường của cơ thể con người và do ñó dẫn ñến một số bệnh ung thư, các bệnh ung thư ác tính chứa các tế bào có khả năng di căn nghĩa là có thể phát triển lan tràn từ vị trí ban ñầu sang các vị trí khác. Có nhiều loại tế bào ung thư và nhiều cách ñiều trị khác nhau phụ thuộc vào tốc ñộ phát triển và xu hướng chúng tạo thành u cứng hay vẫn tiếp tục phát tán. Phương pháp xạ trị và phương pháp phẫu thuật là hai phương pháp ñiều trị ung thư phổ biến nhất và có hiệu quả nhất cho bệnh nhân ung thư. Xạ trị ñơn thuần có thể chữa khỏi nhiều loại ung thư khi còn ở giai ñoạn khu trú, nhất là trong các bệnh ung thư hạch bạch huyết, ung thư da, ung thư vòm họng và một số ung thư vùng ñầu cổ. Xạ trị kết hợp với phẫu thuật thường ñược áp dụng trong nhiều trường hợp khi ung thư ñã phát triển tương ñối lớn. Có khi tiến hành xạ trị trước nhằm giảm bớt thể tích khối u ñể dễ mổ, hạn chế di căn trong lúc mổ hoặc có khi xạ trị sau khi mổ nhằm diệt nốt những tế bào ung thư còn sót lại hoặc có khi xạ trị cả trước và sau khi mổ, kết hợp với ñiều trị hóa chất ñể tăng khả năng diệt tế bào ung thư tại một khu vực mà ñiều trị bằng hóa chất không thể diệt hết ñược. Khi sử dụng phương pháp xạ trị cần phải xác ñịnh mục ñích của việc xạ trị. Có hai loại mục ñích: • 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 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 tạm thời: ñể nâng cao chất lượng ñời sống như chống ñau, chống tắc do chèn ép, chống chảy máu. ðiều trị tạm thời thường là liều thấp và thời gian chiếu xạ ngắn. 1.3. NHỮNG NGUYÊN TẮC ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ [3] Phác ñồ xạ trị phải dựa trên những nguyên tắc sau: • ðánh giá sự lan rộng của khối u bằng các biện pháp CT, Scanner, X-quang, phóng xạ… ñể biết thể tích cần chiếu.
14 • Biết rõ những ñặc ñiểm bệnh lý của khối u. • Chọn lựa những phương pháp thích hợp là chỉ dùng xạ trị hay phối hợp với phẫu thuật, hóa chất… hay chọn phối hợp với cả hai phương pháp, chọn loại tia thích hợp, chiếu từ ngoài hay ñặt tại khối u. • Qui ñịnh liều tối ưu và thể tích chiếu dựa trên vị trí giải phẫu, loại bỏ tổ chức học, ñộ lành dữ của khối u và những cấu trúc lành trong vùng chiếu. Bác sĩ không bao giờ do dự trong việc thay ñổi những ñiều ñã quy ñịnh với những ñiều kiện mới phát sinh. • ðánh giá từng giai ñoạn về thực lực của bệnh nhân, sự ñáp ứng của khối u và thể trạng của tổ chức lành trong khu vực ñiều trị. Hệ thống phần mềm lập kế hoạch ñiều Hệ thống trị TPS phần mềm lập kế hoạch ñiều trị TPS CT - Scanner CT - Scanner Khuôn chắn tia nhiều lá Máy mô phỏng Giá ñịnh vị bệnh Simulator Máy mô phỏng nhân Simulator Máy gia tốc Accelerator Máy gia tốc Accelerator Hình 1.1: Quy trình của hệ thống xạ trị hiện ñại. Bác sĩ ñiều trị phải kết hợp chặt chẽ với ñội ngũ kĩ sư vật lý y học trong việc lên phương án và lập phác ñồ ñiều trị, không thể nhầm lẫn những ñánh giá lâm sàng, hiểu sai về những quan niệm vật lý, không hoàn hảo về phác ñồ ñiều trị và
15 thực hiện phác ñồ. ðiều này sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến tính mạng cũng như là tiến ñộ hồi phục của bệnh nhân. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU TRỊ BẰNG TIA XẠ 1.4.1. Xạ trị ngoài (teletherapy) Xạ trị ngoài là một phương pháp phổ biến nhất trong kĩ thuật xạ trị. Người ta thường tiến hành với chùm photon, thông thường ñó là các tia X mang năng lượng cao ñược tạo ra từ máy gia tốc tuyến tính, nhưng người ta cũng dùng chùm tia gamma tạo ra từ máy Cobalt-60 và các tia X mang năng lượng trong khoảng 50-300 KV. Thêm vào ñó, việc sử dụng chùm electron ở năng lượng megavolt ñể ñiều trị những khối u tương ñối nông sẽ cải thiện ñược ñộ chính xác hình học hơn các photon. Do ñó phương pháp xạ trị bằng chùm electron cũng ñược sử dụng rộng rãi ngày nay. Xạ trị ngoài với các loại bức xạ khác cũng ñược ñưa vào sử dụng, chẳng hạn như chùm neutron, chùm hạt tích ñiện như proton có thể dùng trong ñiều trị lâm sàng. Tuy nhiên các thiết bị ñể tạo ra chúng rất ñắt ñỏ, vì vậy các loại bức xạ này ít ñược sử dụng. Một số phát triển mới ñây trong kĩ thuật xạ trị ngoài ñã ñược ñẩy mạnh do khả năng tính toán của các hệ thống máy tính hiện nay tăng lên. Hệ thống máy tính không chỉ có khả năng giúp lập kế hoạch tính toán trong không gian 3 chiều mà còn có khả năng ñiều khiển các thiết bị ñiều trị sao cho vùng nhận liều cao có thể biến ñổi cho phù hợp với thể tích bia trong không gian 3 chiều. Sự phát triển này song song với kĩ thuật tạo ảnh như chụp cắt lớp ñiện toán (Computed Tomography – CT), chụp ảnh cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging – MRI), … cho phép các nhà ñiều trị có thể xác ñịnh thể tích bia một cách chính xác hơn. Các kĩ thuật này ñóng một vai trò quan trọng trong việc phác họa thể tích khối u. Ngoài ra máy tính còn có vai trò giúp tính toán liều và mô phỏng liều chiếu khi chiếu với các trường chiếu khác nhau hoặc có thể giúp tính ñược các khu vực nhận liều chiếu cao nhất ñể có thể vạch ra phương án và thời gian ñiều trị hiệu quả nhất cho bệnh nhân. Các thiết bị ñược sử dụng cho xạ trị ngoài bao gồm các máy phát tia X, máy phát chùm tia gamma, máy gia tốc ñiện tử và máy phát neutron. Tất cả những thiết
16 bị xạ trị này ñều ñòi hỏi phải có các thiết bị bảo vệ bức xạ khác nhau và cần phải xử lý theo các nguyên tắc riêng của nó ñể ñảm bảo mức an toàn liều lượng bức xạ cho phép. Xạ trị ngoài là phương pháp sử dụng rộng rãi nhất ñể ñiều trị khối u, hạch nằm sâu trong cơ thể. Bên cạnh những máy phát chùm tia gamma, máy phát neutron, máy X-quang thì hiện nay máy gia tốc ñiện tử ñược lựa chọn hầu hết cho các khoa xạ trị. Các máy gia tốc có thể tạo ra ñược những chùm tia X, chùm ñiện tử với hệ thống collimator ñể tạo các dạng trường chiếu bức xạ không ñối xứng, có thể ñiều khiển ñược bằng máy tính, có các hệ thống kiểm tra và lưu trữ, các hệ thống collimator ñộng. 1.4.2. Xạ trị trong (brachytherapy) Xạ trị trong hay còn gọi là xạ trị áp sát là kĩ thuật ñiều trị sử dụng các nguồn ñồng vị phóng xạ ñặt trong thể tích khối u ñể ñưa ra một liều rất cục bộ nhằm tối thiểu hóa liều xạ tới các mô lành bao quanh. Có thể sử dụng một trong 3 cách sau: áp vào, ñặt vào khe hở hoặc gài vào bên trong cơ thể tùy từng loại khối u mà người ta có thể có cách cụ thể như: ñặt ở bề mặt khối u trong các khuôn sáp nhựa ñối với ung thư da, dặt vào các hốc tự nhiên của cơ thể như tử cung, xoang... hoặc cắm vào mô, tổ chức phần mềm mang ung thư. Xạ trị áp sát bị hạn chế khi thể tích khối u nhỏ, sự phát triển trong lĩnh vực này bao gồm việc sử dụng các nguồn phóng xạ có suất liều cao, các nguồn này có thể ñược ñưa qua các ống thông ñể ñặt vào các vị trí khối u. 1.4.3. Tia xạ chuyển hóa Tia xạ chuyển hóa là phương pháp cho bệnh nhân uống hoặc tiêm các dược chất phóng xạ (131I , 32P , 198Au) hoặc kháng thể ñặt hiệu có gắn các ñồng vị phóng xạ ñể diệt tế bào ung thư trong tế bào chuyển hóa và kết hợp có chọn lọc. Dựa vào 131 các hoạt ñộng chuyển hóa bình thường (VD: tế bào tuyến giáp hấp thụ I) hoặc thay ñổi bệnh lý (khối ung thư hấp thụ những phân tử hữu cơ ñặc hiệu), người ta cho các ñồng vị phóng xạ ñến các mô ñích (target tissue) bị bệnh ñể ñiều trị.
17 1.5. CÁC KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG XẠ TRỊ NGOÀI ðể tính liều trong cơ thể bệnh nhân gây ra bởi bức xạ ion hóa, ta phải giải một phương trình phức tạp gọi là phương trình vận chuyển. Phương trình này là khác nhau ñối với các bệnh nhân khác nhau và cũng phụ thuộc vào ñiều kiện ñiều trị, chẳng hạn như kích thước và hình dạng trường chiếu, năng lượng bức xạ, hướng chùm tia tới… Có hai phương pháp ñể tính liều là phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp [1]. Phương pháp gián tiếp bắt ñầu với việc giải phương trình vận chuyển cho những trường hợp ñơn giản, chẳng hạn như ño phân bố liều trong nước. Phân bố này sẽ ñược hiệu chỉnh khi xét ñến hình dạng chùm tia và sự không ñồng nhất trong cơ thể bệnh nhân. Phương pháp trực tiếp ñược sử dụng rộng rãi hơn vì nó cho phép giải phương trình vận chuyển chính xác hơn, nó bao gồm các phương pháp giải tích và kỹ thuật Monte Carlo. Các phương pháp giải tích như pencil beam và superposition dựa trên các phép tính gần ñúng và mô hình hóa, chẳng hạn mô phỏng thiết bị ñiều trị bằng nguồn ñơn giản như nguồn ñiểm hoặc nguồn song song, mô phỏng sự vận chuyển của electron theo ñường thẳng… Vì thế kỹ thuật này có thuận lợi là xử lý nhanh, cho kết quả chỉ trong vài giây và chính xác cao ñối với cấu hình ñơn giản, ñồng nhất. Nhưng những kỹ thuật tính toán liều thông thường này có thể cho sai số ñáng kể khi kích thước trường chiếu nhỏ, ñối với vùng có sự biến ñổi lớn về liều hay vùng có môi trường không ñồng nhất [1]. Các kỹ thuật ñiều trị hiện nay ngày càng phức tạp, ñòi hỏi sự thành công cao, phương pháp truyền thống không ñủ tốt ñể cung cấp sự phân bố liều chính xác trong cơ thể bệnh nhân. Hình 1.2 cho thấy khi cấu trúc hình học càng phức tạp, càng gần với thực tế thì mức ñộ khó khăn của việc giải quyết bài toán theo phương pháp giải tích càng tăng nhanh hơn nhiều so với phương pháp mô phỏng Monte Carlo.