Luận văn: Đo dữ liệu và chuẩn liều photon cho máy gia tốc y tế tuyến tính

Luận văn trình bày phương pháp đo dữ liệu chùm photon và chuẩn liều cho máy gia tốc y tế, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong xạ trị ung thư.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Huynh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Ngọc Toàn
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
• Đề tài: Phương pháp đo dữ liệu chùm photon và chuẩn liều photon năng lượng cao cho máy gia tốc y tế thẳng tuyến tính
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Đo Chùm Photon Trong Y Tế

Đo chùm photon là quy trình quan trọng trong xạ trị ung thư, giúp xác định các đặc tính kỹ thuật của chùm tia phát ra từ máy gia tốc y tế tuyến tính. Quá trình này bao gồm việc đo lường các thông số như liều sâu phần trăm (PDD), độ phẳng chùm (Flatness) và sự đối xứng (Symmetry) của trường chiếu. Những dữ liệu này là nền tảng để xây dựng bảng dữ liệu liều chính xác, giúp các bác sĩ lâm sàng tính toán liều chiếu phù hợp cho mỗi bệnh nhân. Các thiết bị đo liều như buồng ion hóa được sử dụng để thu thập dữ liệu chi tiết về phân bố năng lượng của chùm photon năng lượng cao. Việc hiểu rõ các khái niệm này là bước đầu tiên để đảm bảo chất lượng và an toàn trong điều trị bức xạ.

1.1. Định Nghĩa Chùm Photon và Trường Chiếu

Chùm photon là dòng các hạt ánh sáng năng lượng cao được tạo ra từ máy gia tốc. Trường chiếu là vùng không gian mà chùm tia có thể tác động đến mô sinh học. Các thông số của trường chiếu bao gồm kích thước, hình dạng và cường độ bức xạ. Việc xác định chính xác các thông số này qua phương pháp đo là nền tảng cho mọi tính toán liều trong xạ trị.

1.2. Tầm Quan Trọng của Chuẩn Liều

Chuẩn liều đảm bảo rằng bệnh nhân nhận được liều chiếu chính xác theo đơn vị kiểm soát (MU) được kê đơn. Qua trình chuẩn liều sử dụng quy trình TRS398, giúp chuyển đổi giữa các điều kiện chuẩn và điều kiện điều trị thực tế, đảm bảo độ chính xác cao nhất.

II. Phương Pháp Đo Dữ Liệu Chùm Photon

Việc đo dữ liệu chùm photon được thực hiện thông qua hai phương pháp chính: phương pháp SSD (Source to Surface Distance) và phương pháp SAD (Source to Axis Distance). Phương pháp SSD được sử dụng để đo liều sâu phần trăm (PDD), trong khi phương pháp SAD xác định các đại lượng quan trọng như TAR (Tissue Air Ratio), TPR (Tissue Phantom Ratio) và TMR (Tissue Maximum Ratio). Các đại lượng này cung cấp thông tin chi tiết về cách chùm tia phân bố năng lượng tại các độ sâu khác nhau trong phantom nước. Thiết lập phép đo bao gồm việc chuẩn bị các thiết bị đo liều, xác định vị trí buồng ion hóa và lựa chọn các tham số phù hợp. Kết quả từ các phép đo này được sử dụng để tạo ra bảng hệ số liều tương đối phục vụ cho lập kế hoạch điều trị.

2.1. Phương Pháp Đo SSD và PDD

Phương pháp SSD giữ khoảng cách từ nguồn đến bề mặt (SSD) không đổi, thường là 100cm. Liều sâu phần trăm (PDD) được tính bằng tỉ số giữa liều tại độ sâu cần xác định và liều cực đại trong phantom nước. Dữ liệu PDD phụ thuộc vào năng lượng chùm photon, kích thước trường chiếu và độ sâu đo.

2.2. Phương Pháp Đo SAD và TAR TPR TMR

Phương pháp SAD duy trì khoảng cách từ nguồn đến tâm trục (SAD) cố định tại 100cm. TAR, TPR và TMR là các tỉ số liều được xác định trong phép đo này. Các đại lượng này giúp tính toán liều trong các điều kiện điều trị khác nhau và là cơ sở để xây dựng hệ thống tính liều hiện đại.

III. Chuẩn Liều Hấp Thụ Theo Quy Trình TRS398

Quy trình TRS398 là tiêu chuẩn quốc tế được sử dụng để xác định liều hấp thụ trong nước, một đại lượng cơ bản trong xạ trị. Quy trình này yêu cầu việc định vị buồng ion hóa chính xác và chuẩn bộ buồng ion hóa trước khi đo lường. Các điều kiện chuẩn bao gồm nhiệt độ, áp suất và độ ẩm, cần được ghi nhận chính xác vì chúng ảnh hưởng đến kết quả đo. Phương pháp luận cho việc xác định liều hấp thụ trong nước liên quan đến việc sử dụng các hệ số hiệu chỉnh, bao gồm hệ số tái hợp ion (ks), hệ số tính thế tại buồng ion hóa (Nk) và các hệ số hiệu chỉnh khác. Kết quả cuối cùng được tính toán từ công thức tiêu chuẩn được công bố bởi các tổ chức y tế quốc tế như IAEA.

3.1. Điều Kiện Chuẩn và Định Vị Buồng Ion Hóa

Các điều kiện chuẩn bao gồm SCD (Source to Chamber Distance) = 100cm, độ sâu tham khảo dref = 5g/cm², kích thước trường 10×10cm², và năng lượng xác định (thường 6MV). Định vị buồng ion hóa được thực hiện tại isocenter, nơi các trục của máy gia tốc giao nhau.

3.2. Hệ Số Hiệu Chỉnh và Tính Toán Liều

Hệ số hiệu chỉnh như hệ số tái hợp ion (ks), hệ số tính thế (Nk) và hệ số tán xạ phantom được áp dụng để chuyển đổi dữ liệu từ điều kiện chuẩn sang điều kiện điều trị thực tế. Mối liên hệ giữa PDD và TAR, TMR cho phép tính toán liều chính xác.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Máy Gia Tốc Y Tế Tuyến Tính

Máy gia tốc y tế tuyến tính là thiết bị quan trọng nhất trong xạ trị hiện đại, sử dụng chùm photon năng lượng cao để điều trị ung thư. Các dữ liệu đo được từ chùm photon được lưu trữ trong hệ thống tính liều để tính toán kế hoạch điều trị cho mỗi bệnh nhân. Bảng hệ số liều tương đối được xây dựng từ dữ liệu đo với các trường mở và trường nêm khác nhau. Các hệ số truyền qua của khay đỡ, các khối che chắn và nêm cơ học cần được đo và hiệu chỉnh trong mọi tính toán. Việc định kỳ kiểm tra chất lượng và chuẩn liều của máy gia tốc là bước thiết yếu để đảm bảo an toàn bệnh nhân và hiệu quả điều trị. Các kết quả so sánh với dữ liệu tham khảo như BJR 1996 giúp xác minh tính chính xác của quá trình đo lường.

4.1. Đo Dữ Liệu với Các Trường Mở và Trường Nêm

Đo dữ liệu chùm photon được thực hiện với các kích thước trường mở khác nhau từ nhỏ (3×3cm) đến lớn (40×40cm) và các trường nêm với góc khác nhau (0°, 15°, 30°, 45°). Dữ liệu này cung cấp hệ số liều tương đối (RDF) cho mỗi cấu hình, phục vụ cho lập kế hoạch điều trị chính xác.

4.2. Kiểm Tra Chất Lượng và Đảm Bảo An Toàn

Các hệ số truyền qua của các thành phần máy gia tốc được đo định kỳ để kiểm tra sự suy giảm hiệu suất. Việc chuẩn liều thường xuyên theo quy trình TRS398 đảm bảo rằng liều chiếu duy trì ở mức chính xác, bảo vệ bệnh nhân khỏi các biến chứng liên quan đến liều tối quá cao hoặc tối thiểu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐO DỮ LIỆU CHÙM PHOTON VÀ CHUẨN LIỀU CHO MÁY GIA TỐC Y TẾ TUYẾN TÍNH Tại Việt Nam việc xạ trị bằng máy gia tốc đã được áp dụng từ năm 2001 khi Bệnh viện K- Hà Nội được trang bị hệ thống máy gia tốc tuyến tính Primus của hãng Siemens. Đến nay, trên cả nước đã có thêm nhiều cơ sở khác cũng đã sử dụng máy gia tốc tuyến tính xạ trị như: Bệnh viện Bạch Mai, Bệnh viện Ung bướu Hà Nội, Bệnh Viện Quân Y 103, Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh Viện Quân Y 175, Bệnh viện Đa khoa Đà Nẵng, Bệnh Viện Đa Khoa Quy nhơn… Đến năm 2020, nước ta đang và sẽ xây dựng 05 trung tâm xạ trị-Y học hạt nhân trọng điểm trên cả nước bao gồm: Trung tâm xạ trị trung ương tại Bệnh viện K; Trung tâm Y học hạt nhân và xạ trị tại Bệnh viện Trung ương quân đội 108; Bệnh viện Ung bướu Thành phố Hồ Chí Minh; Bệnh viện Ung bướu Đà Nẵng và Bệnh viện Đa khoa Kiên Giang, Mục tiêu đến năm 2020, 80% tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương có cơ sở y học hạt nhân và cơ sở ung bướu có thiết bị xạ trị. Toàn quốc đạt tỷ lệ ít nhất 01 thiết bị xạ trị và 01 thiết bị xạ hình trên 1 triệu dân [1]. Theo quy ước, người ta lấy thế gia tốc chùm electron tạo ra chùm photon để chỉ mức năng lượng của chùm photon tương ứng.

Ví dụ, đối với máy gia tốc xạ trị ở Bệnh viện Ung bướu Tp HCM chế độ phát chùm photon có 2 mức ứng với thế gia tốc các chùm điện tử là 6 MV và 18MV, tương ứng ta thu được hai mức năng lương của chùm photon là 6MV và 18MV. Các thông số về máy gia tốc là các dữ liệu cần thiết cho việc lập kế hoạch điều trị trên bệnh nhân. Những dữ liệu này là dữ liệu đầu vào bắt buộc của chương trình lập kế hoạch điều trị. Từ các dữ liệu đó, hình ảnh giải phẫu của khối u trên bệnh nhân, máy tính sẽ tính toán các phân bố liều vào khối u.

Do đó, cần phải đo đạc dữ liệu trường liều của chùm electron và photon tương ứng với tất cả các mức năng lượng đối với các trường mở và trường nêm. Dữ liệu phân bố liều theo độ sâu tại trục trung tâm và phân bố liều photon nằm ngoài trục trung tâm tại các độ sâu khác nhau đối với các trường mở và trường có nêm cần phải được đo đạc. Đối với các trường nêm các hệ số truyền qua các khối che chắn, khay, nêm lọc… cũng cần 3 Luận văn Thạc sỹ khoa phải đo đạc và tính toán. Vấn đề commissioning cho các máy gia tốc y tế là rất phức tạp và mất nhiều thời gian, các kỹ sư vật lý phải đối mặt với rất nhiều thách thức như cần độ chính xác cao, phải lựa chọn nhiều phương pháp và cần một khoảng thời gian dài.

Các thông số dữ liệu chùm tia sẽ làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho hệ thống lập kế hoạch điều trị. Vì vậy, công việc đo đạc các thông số dữ liệu chùm photon và điện tử trên máy gia tốc xạ trị là một yêu cầu quan trọng đối với các cơ sở xạ trị và bắt buộc phải được thực hiện trước khi đưa máy gia tốc vào hoạt động. Việc đo đạc dữ liệu chùm tia là tuyệt đối quan trọng, cần độ chuẩn xác cao nhất để tránh sai số khi điều trị bệnh nhân. Ngoài ra, việc đo đạc các thông số chùm tia để có thể xác nhận đặc tính chùm tia có đúng với đặc trưng kỹ thuật của nhà sản xuất máy gia tốc đã công bố hay không.

Trên thế giới, công việc đo đạc dữ liệu chùm tia cho máy gia tốc đã được thực hiện từ rất lâu. Với sự phát triển rất nhanh của các cơ sở xạ trị và các vấn đề vật lý xạ trị liên quan, năm 1953 Viện phóng xạ Anh Quốc (British Institute of Radiology) đã công bố tài liệu về bộ dữ liệu liều sâu phần trăm sử dụng trong xạ trị (BJR Supplement 5), đến năm 1983, đã cập nhât và tái bản bộ dữ liệu liều sâu phần trăm sử dụng trong xạ trị (BJR Supplement 17) và đến năm 1996 các nhà khoa học của Anh tại Viện nghiên cứu về ung bướu và Viện Vật lý và Kỹ thuật trong y học và sinh học đã xây dựng bộ dữ liệu tham khảo về giá trị liều sâu phần trăm sử dụng trong xạ trị (BJR 1996). Dữ liệu liều sâu phần trăm tham khảo đã cung cấp bởi tài liệu BJR 1996 thường được các kỹ sư vật lý y sinh sử dụng rất hữu hiệu. Đối với các cơ sở xạ trị không có đủ trang thiết bị về đo liều hoặc không có các nhân viên đủ kinh nghiệm thì có thể sử dụng dữ liệu tham khảo trong BJR 1996 cho các máy gia tốc xạ trị của họ, với bộ dữ liệu tham khảo về liều sâu phần trăm tại trục trung tâm, các kỹ sư vật lý y sinh, các nhà xạ trị và những người làm công việc lập kế hoạch điều trị có thể tìm thấy trong BJR 1996 nhiều thông tin liên quan đến các tham số vật lý cần thiết.

Hiện nay, tất cả các nhà cung cấp máy gia tốc thẳng xạ trị lớn trên thế giới như Varian, Siemens, Elekta… đều cung cấp bộ dữ liệu chùm tia cho khách hàng của họ. Tuy nhiên, các nhà chế tạo máy gia tốc cũng chưa đảm bảo 4 Luận văn Thạc sỹ khoa được tất cả các máy gia tốc của họ được xuất xưởng có bộ dữ liệu chùm tia với sự sai khác nhau dưới 2%. Vì vậy, đối với mỗi máy gia tốc thẳng xạ trị trước khi đưa vào hoạt động bắt buộc phải tiến hành đo trực tiếp các dữ liệu chùm tia trên mỗi máy. Tại Việt Nam, thời gian đầu, việc đo đạc dữ liệu chùm tia trước khi đưa máy vào hoạt động đa phần được thực hiện bởi các chuyên gia nước ngoài.

Tuy nhiên, đến nay các kỹ sư vật lý Việt Nam đã làm chủ được kỹ thuật đo dữ liệu chùm tia trên máy gia tốc y tế từng bước giúp các cơ sở có sử dụng máy gia tốc thẳng xạ trị trong cả nước tiết kiệm được kinh phí và thời gian khi phải thuê các chuyên gia nước ngoài. Trên thế giới có nhiều quy trình chuẩn liều như IAEA TRS 277, 398, AAPM TG-51và DIN 6800-2 được sử dụng rộng rãi. Ở Việt Nam hiện nay có khoảng 30 máy gia tốc y tế tuyến tính dùng trong xạ trị, đa phần các máy này được chuẩn bởi các kỹ sư vật lý tại Trung tâm An toàn bức xạ, Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam thực hiện theo quy trình TRS 398 của IAEA. Mục đích nghiên cứu: Tìm hiểu phương pháp đo dữ liệu chùm photon, cơ sở phương pháp chuẩn liều photon cho máy gia tốc thẳng xạ trị theo quy trình TRS 398 của IAEA.

Tiến hành đo và thu thập phân bố liều hấp thụ tương đối của chùm photon năng lượng 6 MV đối với các trường mở và trường có nêm lọc theo độ sâu trong phantom nước và phân bố liều theo các mặt phẳng vuông góc với trục của chùm photon trong phantom. Đo các thông số đặc trưng của chùm photon 6 MV như: xác định độ đối xứng, độ phẳng, vùng bán dạ. Ngoài ra, bản Luận văn đã nghiên cứu phương pháp xác định các hệ số truyền qua các nêm lọc, khối che chắn và khay đỡ và chuẩn bảng hệ số liều tương đối. 5 Luận văn Thạc sỹ khoa CHƯƠNG 2 - MÁY GIA TỐC Y TẾ TUYẾN TÍNH Đối với kỹ sư vật lý làm công tác chuẩn liều cũng như đảm bảo chất lượng cho máy gia tốc y tế tuyến xạ trị, cần phải hiểu rõ cấu tạo, chức năng và nguyên lý hoạt động của từng bộ phận và cấu tạo của máy gia tốc để khi liều phát ra từ máy gia tốc không đạt chất lượng mong muốn thì cần phải hiệu chỉnh thông số nào, thông số đó ảnh hưởng bởi những bộ phận nào.

Để từ đó có sự hiệu chỉnh cho phù hợp. Chương này sẽ giới thiệu những bộ phận chính và nguyên lí hoạt động của máy gia tốc y tế thẳng. Sơ lược về cấu tạo của máy gia tốc y tế tuyến tính Sơ đồ cấu tạo và sơ đồ khối chính của máy gia tốc tuyến tính thông thường, sử dụng trong xạ trị được chỉ ra trong Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo máy gia tốc tuyến tính Các bộ phận chủ yếu của máy gia tốc bao gồm:  Cần máy đứng (Gantry Stand): được thiết kế để chịu tải, nâng đỡ cần máy, có thể chứa: máy phát sóng, súng electron, ống dẫn sóng gia tốc.  Máy phát sóng gồm có hai thành phần chính: nguồn phát sóng (Klystron hoặc Magnetron) và bộ điều chế xung (Modulator).

Klystron hoặc Magnetron là các nguồn phát vi sóng hoạt động dưới dạng xung ngắn cỡ một vài µs được sử dụng để gia tốc các điện tử trong ống dẫn sóng gia tốc đã được hút chân không. Cả hai được 6 Luận văn Thạc sỹ khoa lắp thêm bộ điều chỉnh tần số tự động AFC (Automatic Frequency Control) để có thể duy trì dao động với tần số tối ưu.2: Sơ đồ khối chính của một máy gia tốc thẳng thông thường  Magnetron: là thiết bị tạo ra dao động năng lượng cao, phát ra dao động cao tần, tần số của vi sóng khoảng 3000 MHz.  Klystron: không phải là một máy phát sóng siêu cao tần mà là một máy khuếch đại dao động sóng. Klystron cần một máy phát dao động năng lượng thấp đi kèm để cung cấp dao động ở lối vào của Klystron.

Nhờ đó nó sẽ khuếch đại dao động có năng lượng thấp này lên đến năng lượng rất cao. Cơ chế cung cấp nhiệt cho súng electron có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp tùy theo nhà sản xuất. Hai loại súng này đều có một sợi dây Catôt được nung nóng và cực Anôt có đục một lỗ nhỏ ở giữa, với súng loại 3 cực còn có thêm một lưới điều khiển. Các electron phát ra từ sợi dây Catôt được nung nóng sẽ hội tụ thành một chùm và được gia tốc xuyên qua lỗ trên Anôt sau đó bị cuốn vào trong ống sóng gia tốc.

 Hệ thống ống dẫn sóng (Wave Guide System): gồm có ống dẫn sóng để truyền sóng từ nguồn phát sóng tới ống gia tốc và ống dẫn sóng gia tốc.  Cần máy (Gantry): chứa hệ thống gia tốc electron, đầu máy điều trị. Cần máy được gắn vào cần máy đứng và có thể quay quanh trục vuông góc với nó.