Luận văn: Xác định đặc trưng chùm electron từ máy gia tốc trong xạ trị

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đặc trưng chùm electron từ máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị. Phân tích năng lượng và phân bố liều hấp thụ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ly
• Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Văn Loát
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vật Lý Nguyên Tử
• Đề tài: Xác Định Một Số Đặc Trưng Của Chùm Electron Từ Lối Ra Của Máy Gia Tốc Electron Tuyến Tính Dùng Trong Xạ Trị
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Chùm Electron Trong Máy Gia Tốc Tuyến Tính

Chùm electron từ máy gia tốc electron tuyến tính (LINAC) là một trong những công cụ quan trọng nhất trong xạ trị hiện đại. Chùm electron được tạo ra bởi quá trình gia tốc các electron thông qua một điện trường mạnh, giúp chúng đạt được năng lượng cao (từ 6 đến 25 MeV). Các electron này sau đó được định hướng và điều chỉnh bằng các hệ thống collimator để tạo thành một chùm hình học phù hợp. Đặc trưng của chùm electron bao gồm năng lượng, kích thước trường chiếu, và phân bố liều hấp thụ. Hiểu rõ các đặc trưng này là cơ sở để đảm bảo hiệu quả điều trị ung thư an toàn và chính xác. Máy PRECISE Elekta được sử dụng rộng rãi với các năng lượng electron tiêu chuẩn như 12 MeV, 15 MeV và 18 MeV, mỗi năng lượng có ứng dụng riêng trong xạ trị lâm sàng.

1.1. Định Nghĩa Và Cơ Chế Tạo Chùm Electron

Electron được tạo ra từ một cathode nóng thông qua hiệu ứng phát xạ nhiệt điện tử. Các electron này được gia tốc bởi một điện trường xoay chiều trong máy gia tốc tuyến tính, đạt năng lượng kinetic rất cao. Khi electron có năng lượng đủ cao, chúng được sử dụng trực tiếp cho xạ trị electron hoặc chuyển đổi thành tia X thông qua target kim loại. Bộ phận gia tốc của máy PRECISE Elekta được thiết kế để đảm bảo chùm electron có độ ổn định cao.

1.2. Vai Trò Của Collimator Trong Định Hình Chùm

Collimator là bộ phận quan trọng giúp định hình và giới hạn kích thước của chùm electron. Hệ thống collimator bao gồm các yếu tố như primary collimator, secondary collimator, và applicator. Các yếu tố này hoạt động cùng nhau để tạo ra các trường chiếu tiêu chuẩn (5cm×5cm, 10cm×10cm, 14cm×14cm). Kích thước trường chiếu ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố liều hấp thụ và các đặc trưng năng lượng của chùm.

II. Đặc Trưng Năng Lượng Của Chùm Electron

Năng lượng electron là một trong những đặc trưng chính ảnh hưởng đến hành vi của chùm trong mô sinh học. Các máy gia tốc tuyến tính phát ra electron ở nhiều mức năng lượng khác nhau, phổ biến nhất là 12 MeV, 15 MeV, và 18 MeV. Mỗi năng lượng có quãng chạy (range) khác nhau trong mô, xác định độ sâu xâm nhập của chùm. Liều sâu phần trăm (PDD) và quãng chạy R100, R90, R80, R50 là những thông số quan trọng để mô tả hành vi năng lượng. Sự hiểu biết về các đặc trưng năng lượng này giúp các bác sĩ xạ trị lựa chọn năng lượng phù hợp cho từng bệnh nhân, đảm bảo liều tối ưu đến vùng u bướu trong khi bảo vệ các mô xung quanh.

2.1. Mối Quan Hệ Giữa Năng Lượng Và Quãng Chạy

Quãng chạy (range) của electron trong mô tỷ lệ thuận với năng lượng của chùm. Electron có năng lượng 12 MeV sẽ xâm nhập sâu hơn so với năng lượng thấp hơn, nhưng ít sâu hơn so với 15 hoặc 18 MeV. R100 biểu thị độ sâu nơi liều hấp thụ đạt 100%, trong khi R50 là độ sâu nơi liều chỉ còn 50%. Mối quan hệ này được xác định thông qua các phép đo thực nghiệm trong phantom nước, cho phép tính toán chính xác liều cho các mô ở độ sâu khác nhau.

2.2. Phân Bố Liều Hấp Thụ Theo Độ Sâu

Liều hấp thụ (absorbed dose) không được phân bố đều theo độ sâu, đặc biệt với electron. Phần mặt da thường nhận liều cao, sau đó liều giảm dần đến độ sâu cực đại (Zmax), rồi giảm nhanh chóng ở sâu hơn. Liều sâu phần trăm (PDD) được biểu diễn dưới dạng phần trăm so với liều cực đại, giúp mô tả chính xác phân bố năng lượng. Các số liệu PDD cho các năng lượng 12 MeV, 15 MeV, 18 MeV ở các kích thước trường khác nhau (5cm×5cm, 10cm×10cm, 14cm×14cm) đã được đo đạc chi tiết.

III. Ảnh Hưởng Của Kích Thước Trường Chiếu Đến Đặc Trưng Chùm

Kích thước trường chiếu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc trưng của chùm electron. Các trường chiếu tiêu chuẩn (5cm×5cm, 10cm×10cm, 14cm×14cm) tương ứng với các kích thước khác nhau của u bướu. Khi kích thước trường tăng lên, phân bố liều hấp thụ và các thông số năng lượng cũng thay đổi đáng kể. Trường chiếu nhỏ (5cm×5cm) thích hợp cho các u bướu nhỏ hoặc vị trí nhạy cảm, trong khi trường chiếu lớn (14cm×14cm) được sử dụng cho các khối u lớn. Hiểu rõ ảnh hưởng này cho phép tối ưu hóa kế hoạch xạ trị và đảm bảo liều phù hợp cho mỗi bệnh nhân.

3.1. So Sánh Các Kích Thước Trường Tiêu Chuẩn

Các trường chiếu 5cm×5cm, 10cm×10cm, 14cm×14cm đại diện cho ba kích thước phổ biến trong xạ trị lâm sàng. Mỗi kích thước có quãng chạy điều chỉnh tương ứng được xác định bởi hình học của collimator. Liều sâu phần trăm (PDD) cho các năng lượng 12 MeV, 15 MeV, 18 MeV được đo đạc riêng biệt cho mỗi kích thước trường. Dữ liệu này giúp bác sĩ xạ trị lựa chọn trường chiếu phù hợp với hình dạng và vị trí của khối u.

3.2. Biến Thiên Liều Theo Kích Thước Trường

Khi kích thước trường chiếu thay đổi, phân bố liều hấp thụ cũng biến thiên do các hiệu ứng tán xạ từ collimator và vùng xung quanh. Trường chiếu lớn hơn thường có liều bề mặt cao hơn do tán xạ. Vùng cân bằng điện tích (equilibrium zone) ở gần bề mặt cũng bị ảnh hưởng. Các số liệu PDD cho mỗi kích thước trường cho phép tính toán chính xác liều tại các vị trí khác nhau trong mô bệnh nhân.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Phương Pháp Đo Lường

Để xác định chính xác đặc trưng của chùm electron từ máy gia tốc tuyến tính, các phương pháp đo lường chuẩn được áp dụng. Detector Scanditronix/Wellhofer Compact Chamber CC13 là thiết bị đo liều tiên tiến được sử dụng phổ biến. Buồng ion hoá (ionization chamber) CC13 có độ chính xác cao trong việc đo liều hấp thụ tại các độ sâu khác nhau trong phantom nước (mô mô phỏng). Bố trí hình học đo thường sử dụng SSD (Source to Skin Distance) = 100cm để chuẩn hóa. Phần mềm OmniPro-Accept được kết nối với hệ đo để xử lý dữ liệu và tạo các đồ thị PDD, giúp xác định năng lượng đặc trưng và phân bố liều hấp thụ chính xác.

4.1. Thiết Bị Đo Liều Và Hệ Thống Phát Hiện

Buồng ion hoá CC13 là một trong những thiết bị đo liều hấp thụ chính xác nhất hiện nay. Thiết bị này hoạt động bằng cách đo dòng ion tạo ra khi chùm electron đi qua khí ion hoá bên trong. Detector được kết nối với bộ chuyển đổi tín hiệu để chuyển đổi dòng ion thành tín hiệu điện. Phần mềm OmniPro-Accept nhận tín hiệu từ detector và ghi lại liều hấp thụ tại từng độ sâu trong phantom nước. Hệ thống này cho phép đo liều với độ chính xác lên tới ±2%.

4.2. Quy Trình Xác Định Năng Lượng Và Xử Lý Dữ Liệu

Quy trình xác định đặc trưng chùm electron bao gồm: đặt detector tại các độ sâu khác nhau, phát ra chùm electron từ máy PRECISE, ghi lại liều hấp thụ, sau đó xử lý dữ liệu. Liều sâu phần trăm (PDD) được tính bằng cách chia liều tại mỗi độ sâu cho liều cực đại (Dmax) rồi nhân 100. Từ các đồ thị PDD, ta xác định quãng chạy R100, R90, R80, R50 để đánh giá năng lượng thực tế của chùm. Dữ liệu được thu thập cho ba năng lượng 12 MeV, 15 MeV, 18 MeV ở ba kích thước trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan, đề cập đến cơ sở sinh học và vật lý ứng dụng trong xạ trị, phương pháp và thiết bị xạ trị Chương 2: Thiết bị và phương pháp nghiên cứu, mô tả hệ thống máy gia tốc Precise và các thiết bị liên quan, phương pháp tiến hành đo đạc thực nghiệm thu thập dữ liệu các chùm tia trong đề tài. Chương 3: Kết quả và bàn luận 2 CHƢƠNG I Tổng Quan Về Ung Thƣ Và Các Phƣơng Pháp Điều Trị 1. Khái niệm về ung thƣ [1, 2] Trong cơ thể sống, bình thường trong quá trình sinh trưởng và phát triển các tế bào được sinh ra và chết đi theo một cơ chế quản lý chặt chẽ. Cơ thể dùng quy luật này để kiểm soát và duy trì số lượng tế bào ở mỗi cơ quan ở mức ổn định.

Ngược lại, các tế bào ung thư là các tế bào bất thường, đuợc sinh ra không chịu sự quản lý của cơ thể và chết đi theo một nhịp độ nhanh hơn các tế bào bình thường. : “ Ung thư được định nghĩa là sự rối loạn tế bào, tạo nên sự tập trung một khối lượng lớn tế bào do sự sinh sản quá nhanh, vượt quá số tế bào chết đi, hậu quả là khối tế bào này dần dần xâm lấn và tàn phá các mô và các cơ quan của cơ thể sống” [ 1] Như thế, ung thư là bệnh của tế bào sống, trong cơ thể chúng ta, nơi nào có tế bào sống, nơi đó có thể có ung thư. Tóc, lông, móng là chất sừng, không phải là tế bào sống nên không có ung thư. Các tế bào ung thư là các tế bào bất thường, và chết theo một nhịp độ nhanh hơn các tế bào bình thường, nhưng cũng không cân bằng được với mức độ sinh sản ra các tế bào mới quá nhanh, do đó khối lượng mô ung thư ngày càng lớn.

Sự mất quân bình này do 2 yếu tố chính: các bất thường di truyền trong tế bào ung thư và sự bất lực của cơ thể chủ trong việc phát hiện và tiêu diệt các tế bào này. Sự không cân bằng giữa mức độ sinh sản ra các tế bào mới và tế bào chết đi là nguyên nhân dẫn đến khối lượng tế bào ung thư ngày càng lớn, chúng tạo thành những khối u ung thư. Có thể chia khối u ung thư thành hai loại: ung thư lành tính và ung thư ác tính. Ung thư lành thường không gây nguy hiểm đến tính mạng người bệnh và có thể điều trị bằng phương pháp phẫu thuật loại bỏ khối u xơ.

Những tế bào của ung thư ác tính có thể xâm lấn và chèn ép các cơ quan xung quanh làm cho quá trình trao đổi chất của chúng trở lên rối loạn. Ngoài ra, một số tế bào ung thư 3 còn có thể theo mạch máu và mạng bạch huyết di cư đến những cơ quan mới khác trong cơ thể, bám lại và tiếp tục sinh sôi, nảy nở ra những khối u mới. Hiện tượng này được gọi là sự di căn. Việc chèn ép cũng như xâm lấn vào những cơ quan giữ chức năng quan trọng, điều hòa sự sống như não, phổi, gan, thận khiến các cơ quan này không còn được thực hiện đúng chức năng của nó và dẫn đến gây tử vong cho người bệnh.

“Căn bệnh có tỉ lệ tử vong hàng đầu và chiếm gần một phần năm tổng các ca tử vong trên toàn thế giới chính là ung thư”. Như vậy, ung thư là một căn bệnh rất nguy hiểm và cần phải được điều trị kịp thời khi mắc phải. Các phƣơng pháp điều trị ung thƣ Hiện nay có ít nhất ba phương pháp điều trị ung thư chính. Đó là : Phẫu thuật, xạ trị, và hóa trị.

Ngoài ra có thể điều trị kết hợp các phương pháp để đạt hiệu quả mong muốn. Việc lựa chọn phương pháp điều trị thích hợp là hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm và từng giai đoạn ung thư khác nhau. [1, 2] Mục đích các phương pháp này là làm sao để tiêu diệt được nhiều nhất các tế bào ung thư mà làm tổn thương ít nhất có thể cho tế bào bình thường ở xung quanh. Phẫu thuật: là phương pháp điều trị cổ điển nhất nhưng cũng rất công hiệu đặc biệt là với ung thư thu gọn ở một phần nào đó của cơ thể.

Khi phẫu thuật, tế bào ung thư được lấy đi càng nhiều càng tốt. Ðôi khi tế bào lành cũng được cắt bỏ để chắc chắn là tế bào ung thư lẫn vào đó sẽ được loại hết. Phương pháp này dùng hiệu quả nhất với các khối u lành tính hoặc không di căn. Thông thường phẫu thật được can thiệp, sau đó phải dùng kết hợp với các phương pháp khác sau đây.

Xạ trị: là phương pháp sử dụng bức xạ ion hoá để tiêu diệt các khối u. Thông thường xạ trị được dùng cho ung thư không áp dụng được bằng phẫu thuật hoặc khi đã phẫu thuật mà vẫn còn e ngại ung thư tái phát, nghĩa là xạ trị sẽ giúp phẫu thuật tiêu diệt tận gốc các tế bào ung thư. Về cơ bản xạ trị được chia ra làm hai loại chủ yếu: Xạ trị ngoài (Externer Beam Radiotherapy) và xạ trị áp sát (Brachytherapy). 4 Hóa trị: là phương pháp sử dụng hoá chất (các loại thuốc đặc hiệu chống ung thư) để điều trị ung thư.

Nó được dùng khi ung thư đã lan ra ngoài vị trí ban đầu hoặc khi có di căn ở nhiều địa điểm. Có nhiều loại hóa chất khác nhau được sử dụng trong hóa trị. Mỗi hóa chất có tác dụng riêng biệt với từng ung thư bằng cách làm ngưng sự phân chia của các tế bào dị thường. Khi không có sự phân bào thì tế bào ung thư sẽ bị tiêu diệt, khối u teo lại.

Các phương pháp kết hợp: ngoài các phương pháp độc lập, để điều trị ung thư hiệu quả hơn, còn có thể kết hợp các phương pháp với nhau. Ví dụ, phẫu thuật kết hợp với xạ trị; phẫu thuật kết hợp với hoá trị; xạ trị kết hợp với hoá trị. Cơ Sở Của Xạ Trị Cơ sở của việc dùng bức xạ iôn hóa để điều trị ung thư bao gồm cả cơ sở sinh học với đặc trưng trong quá trình phân chia của tế bào và cơ sở vật lý là kết quả tương tác của chùm bức xạ với cơ thể người bệnh.1 Cơ sở sinh học - Chu kỳ tế bào Quá trình phân chia tế bào được diễn tiến qua một số giai đoạn (còn gọi là Pha), được kích hoạt bởi một số tác nhân sinh hoá từ bên ngoài (các yếu tố tăng trưởng, các kích tố, các phức hợp kháng thể…) và được điều hoà bởi hệ thống kiểm soát từ bên ngoài lẫn bên trong tế bào để tránh sự dư thừa hay thiếu hụt số tế bào cần thiết cho các hoạt động của cơ thể. Quá trình phân chia này có thể được chia ra các giai đoạn như sau [1] : 5 Hình 1.1 : Chu kỳ tế bào Pha G0: Tế bào trong giai đoạn nghỉ, không phân chia, thường được lập trình để giữ một nhiệm vụ nào đó, thí dụ tế bào cơ giữ nhiệm vụ co duỗi tạo nên hoạt động của cơ.

Pha G1: Tế bào tổng hợp nhiều Protein và RNA (dùng để tổng hợp các Protein), đặc biệt nhiều chất men (Enzyme) cần thiết cho việc tổng hợp DNA thành phần căn bản của các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào. Pha này kéo dài hàng tháng. Pha S (Synthesis= Tổng hợp): Tế bào tổng hợp nhiều DNA (gấp đôi) chuẩn bị cho sự phân chia tế bào. Pha này kéo dài trung bình 8 giờ.

Pha này kháng tia xạ. Pha G2: Tế bào ngưng tổng hợp DNA, tiếp tục tổng hợp Protein, RNA, và các vi ống chuẩn bị cho việc tạo nên thoi vô sắc ( thoi phân bào) cần thiết cho việc phân chia tế bào. Pha này kéo dài từ 30 phút tới 1,5 giờ. 6 Pha M (mitosis= phân bào): Tế bào ngừng đột ngột việc tổng hợp protein và RNA, các đôi nhiễm sắc thể tách rời nhau, theo các vi ống chạy về hai cực của thoi vô sắc, nhân tế bào chia đôi và tế bào tách thành hai tế bào con.

Các tế bào bình thường có khả năng tự phát hiện các hư hỏng trên chuỗi DNA, khi các bất thường trên chuỗi DNA được phát hiện, sẽ có cơ chế sửa chữa bằng cách thay thế chúng bằng những phân tử lành mạnh. Các cơ chế này đặc biệt quan trọng trong chu kỳ tế bào nhằm bảo đảm là hai tế bào con mới sinh ra có chứa đúng bản sao chất liệu di truyền của tế bào mẹ. Nghĩa là hai tế bào con sinh ra giống hoàn toàn tế bào mẹ ban đầu. Để thực hiện cơ chế này, trong chu kỳ tế bào có hai điểm kiểm soát, tại hai điểm này toàn bộ hệ thống thông tin của quá trình sao chép sẽ được kiểm tra chặt chẽ.

Pha này kéo dài từ 30 phút tới 2,5 giờ, là pha nhạy cảm với tia xạ nhất. 1/ Điểm kiểm soát thứ nhất Ở cuối pha G1, trước khi tế bào bước vào pha S. Lúc này nếu có một bất thường trên DNA, nó sẽ được phát hiện và các cơ chế sửa chữa sẽ vào cuộc để đảm bảo tế bào rời khỏi pha G1 có DNA bình thường. Nếu không sửa được các bất thường trên DNA tế bào sẽ ngừng không tiếp tục chu kỳ tế bào và bị chết theo lập trình.

2/ Điểm kiểm soát thứ hai: Trước khi vào pha M, cuối pha G2 Tế bào phải được chuẩn bị đầy đủ để tạo ra hai tế bào con giống hệt tế bào mẹ. Như thế tế bào nào chưa nhân đôi hoàn toàn đầy đủ số DNA, hay chưa có đủ các protein hay chất liệu của thoi vô sắc, sự phân chia sẽ ngừng ở đây cho đến khi tế bào chuẩn bị đầy đủ tất cả các chất liệu cần thiết. Như vậy, dựa vào đặc điểm của quá trình phân bào và các điểm kiểm soát khi các bất thường trên DNA không sửa chữa được thì tế bào được đưa vào cái chết theo lập trình, ta sẽ dùng một tác nhân nào đó làm biến đổi cấu trúc DNA của tế bào ung thư và như vậy các tế bào ung thư dần dần sẽ bị chết đi. Một đặc điểm nữa của 7 tế bào ung thư đó là rất nhạy cảm với các tia bức xạ và hóa chất hơn các tế bào khỏe mạnh bình thường.

Điều này có nghĩa là các tế bào ung thư rất yếu trong cơ chế sửa chữa những sai hỏng trên DNA so với các tế bào bình thường. Khi được chiếu một liều lượng một cách thích hợp thì sẽ tiêu diệt được các khối u này, nhưng vẫn đảm bảo cho các tế bào lành có thể phục hồi.