Tài liệu Xác định một số đặc trưng của chùm electron từ lối ra của máy gia tốc electron tuyến tính dùng trong xạ trị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Nguyễn Thị Ly XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CHÙM ELECTRON TỪ LỐI RA CỦA MÁY GIA TỐC ELECTRON TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội 12/ 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Nguyễn Thị Ly XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CHÙM ELECTRON TỪ LỐI RA CỦA MÁY GIA TỐC ELECTRON TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số : 60440106 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BÙI VĂN LOÁT Hà Nội 12/ 2015 LỜI CẢM ƠN Trước hết Em xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Văn Loát, thầy đã tận tâm chỉ bảo truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua để em hoàn thành luận văn “ Xác định một số đặc trưng của chùm electron từ lối ra của máy gia tốc electron tuyến tính dùng trong xạ trị” . Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý hạt nhân khoa Vật lý đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt thời gian học tập tại trường. Em cũng xin cảm ơn tập thể cán bộ, nhân viên Trung Tâm U Bướu trực thuộc Bệnh viện Đa khoa tỉnh Bắc Ninh, đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Do kiến thức của em còn rất nhiều hạn chế, rất mong nhận được sự đóng góp của thầy, cô giáo cũng như toàn thể các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội ngày 12 tháng 10 năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Ly MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƢƠNG I ................................................................................................................3 Tổng Quan Về Ung Thƣ Và Các Phƣơng Pháp Điều Trị......................................3 1.1. Khái niệm về ung thư [1, 2] ..........................................................................3 1.2. Các phương pháp điều trị ung thư ................................................................4 1.3. Cơ Sở Của Xạ Trị ..........................................................................................5 1.3.1 Cơ sở sinh học - Chu kỳ tế bào .................................................................5 1.3.2. Khái niệm “4 tái tạo”của sinh học phóng xạ.............................................8 1.3.3. Tác động của bức xạ lên cơ thể sống .......................................................10 1.4. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG XẠ TRỊ. .................................14 1.4.1. Liều chiếu. ...............................................................................................14 1.4.2. Liều hấp thụ. .............................................................................................14 1.4.3. Liều sâu phần trăm. ..................................................................................15 1.4.4. Liều bề mặt. ..............................................................................................16 1.4.5. Liều sâu cực đại. ......................................................................................16 1.4.6. Vùng cân bằng điện tích. ..........................................................................16 Chƣơng 2 THIẾT BỊ VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CHÙM ELECTRON TỪ LỐI RA CỦA MÁY GIA TỐC ELECTRON TUYẾN TÍNH DÙNG TRONG XẠ TRỊ ....................17 2.1. CẤU TẠO MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ PRECISE [4,7]. ..............................17 2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG. ..................................................................24 2.3. CÁC THIẾT BỊ ĐO LIỀU VÀ MÔ HÌNH HÓA THỰC NGHIỆM. ...25 2.3.1 Hệ thống đo liều lượng ..............................................................................25 2.3.2. Bố trí hình học đo. ....................................................................................29 2.4. Đặc trƣng về mặt năng lƣợng của chùm electron ..................................31 Chƣơng 3…KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU .......................35 3.1 Xác định các năng lượng đặc trưng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron .........................................................................................................35 3.1.1 Xác định năng lượng đặc trưng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron 12MeV phát ra từ máy PRECISE ...............................................35 3.1.2 Xác định năng lượng đặc trưng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron 15MeV phát ra từ máy PRECISE ...............................................40 3.1.3 Xác định năng lượng đặc trưng và phân bố liều hấp thụ theo độ sâu của chùm electron 18MeV phát ra từ máy PRECISE ...............................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 53 PHỤ LỤC ........................................................................................................................................54 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các yếu tố của Collimator…………………………………………………….23 Bảng 3.1 Số liệu liều sâu phần trăm của chùm electron năng lượng 12MeV tương ứng với trường chiếu 5cmx5cm, 10cmx10cm, 14cmx14cm…………………………53 Bảng 3.2 Số liệu liều sâu phần trăm của chùm electron năng lượng 15MeV tương ứng với trường chiếu 5cmx5cm, 10cmx10cm, 14cmx14cm…………………………56 Bảng 3.3 Số liệu liều sâu phần trăm của chùm electron năng lượng 18MeV tương ứng với trường chiếu 5cmx5cm, 10cmx10cm, 14cmx14cm…………………………58 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 : Chu kỳ tế bào…………………………………………………………………………………6 Hình 1.2: Tác động của bức xạ lên cơ thể sống……………………………………………………11 Hình 1.3. Mối tương quan giữa liều hấp thụ và tỉ lệ sống sót của tế bào………………………13 Hình 1.4. Mô tả cách tính PDD………………………………………………………………………15 Hình 2.1: Sơ đồ khối của máy gia tốc thẳng trong xạ trị…………………………………………18 Hình 2.2: Mô hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị…………………………………………………18 Hình 2.3. Cấu trúc đầu máy gia tốc Precise Elekta…………………………………………………21 Hình 2.4. Cấu trúc bộ phận gia tốc của máy Precise Alekta………………………………………21 Hình 2.5. Sơ đồ ghép nối hệ đo với máy tính………………………………………………………...25 Hình 2.6. Phantom nước………………………………………………………………………………..26 Hình 2.7. Detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13…………………………27 Hình 2.8. Cấu tạo buồng ion hóa CC13………………………………………………………………27 Hình 2.9. Hình ảnh mặt trước CCU…………………………………………………………………..28 Hình 2.10. Mặt sau CUU……………………………………………………………………………….29 Hình 2.11. Giao diện phần mềm OmniPro-Accept…………………………………………………29 Hình 2.12. Hình học đo liều bức xạ phát ra từ máy gia tốc tuyến tính………………………….30 Hình 2.13: PDD trong nước với kích thước trường 10x10cm2, SSD= 100cm (a) những chùm electron với năng lượng 6, 9, 12, MeV…………………………………………31 Hình 2.14: Quãng chạy R100, R90, R80, R50, Rp, và ………………33 Hình 3.1 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng 18 lượng 12 MeV trong trường chiếu 5cm x 5 cm....................................................................... 36 Hình 3.2 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 12 MeV trong trường chiếu 10cm x 10 cm.............................................................. 37 Hình 3.3 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 12 MeV trong trường chiếu 14cm x 14 cm.............................................................. 38 Hình 3.4 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 15MeV trong trường chiếu 5cm x 5 cm................................................................... 41 Hình 3.5 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 15 MeV trong trường chiếu 10cm x 10 cm................................................................................ 42 Hình 3.6 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 12 MeV trong trường chiếu 14cm x 14 cm.............................................................. 43 Hình 3.7 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 18 MeV trong trường chiếu 5cm x 5 cm................................................................. 46 Hình 3.8 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 18 MeV trong trường chiếu 10cm x 10 cm..................................................................................47 Hình 3.9 Phân bố liều hấp thụ phần trăm trong phantom ứng với chùm electron năng lượng 18 MeV trong trường chiếu 14cm x 14 cm..............................................................48 MỞ ĐẦU Xạ trị hay ứng dụng bức xạ ion hoá vào điều trị ung thư đã được bắt đầu từ những năm đầu của thế kỷ XX, khi người ta dùng kim Radium phóng xạ cắm vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư. Qua nhiều giai đoạn phát triển, cho đến những năm 1950 máy xạ trị Cobalt-60 đã được ứng dụng chiếu xạ ngoài điều trị ung thư đạt hiệu quả tốt. Xạ trị cùng với phẫu thuật và hoá trị trở thành 3 phương pháp chính thống điều trị ung thư. Ước tính có trên 40% tổng số bệnh nhân ung thư được xạ trị. Ở những nước tiên tiến như Mỹ, Anh có tới trên 60% bệnh nhân ung thư được điều trị bằng xạ trị. Hiện nay, ở nước ta đã có nhiều bệnh viện được trang bị máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị ung thư. Các máy gia tốc được lắp đặt tại các cơ sở xạ trị đều thuộc thế hệ mới, công nghệ hiện đại do đó chúng ta có thể thực hiện các kỹ thuật xạ trị tiên tiến như xạ trị 3 chiều theo hình dạng khối u (3-D CRT), xạ trị điều biến liều (IMRT).... Vấn đề khó khăn mà các cơ sở xạ trị trong quá trình phát triển, khi được đầu tư thiết bị hiện đại đó là đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên được đào tạo còn hạn chế, các tài liệu về thiết bị gia tốc xạ trị chưa nhiều, sự hiểu biết chưa đủ để đáp ứng nhu cầu khai thác, sử dụng các thiết bị một cách hiệu quả, nhất là trong những năm tiếp theo. Trước đây, kỹ thuật xạ trị chủ yếu thực hiện với các trường chiếu có độ mở của ống chuẩn trực chùm tia đối xứng qua trục trung tâm, trường chiếu bất đối xứng chỉ được sử dụng trong một số trường hợp. Tuy nhiên, với các kỹ thuật xạ trị hiện đại trên máy gia tốc thế hệ mới, các trường chiếu bất đối xứng được sử dụng khá phổ biến, tạo thuận lợi rất lớn trong thao tác kỹ thuật và phân bố liều lượng xạ trị cho bệnh nhân. 1 Việc đảm bảo độ ổn định các thông số vật lý chùm tia điều trị từ máy gia tốc là hết sức quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác trong phân bố liều lượng cho bệnh nhân, giảm tác dụng không mong muốn, nâng cao hiệu quả điều trị. Chính vì vậy, được sự giúp đỡ của Trung tâm Ung Bướu Bệnh viện Đa khoa tỉnh Bác Ninh, chúng tôi đặt vấn đề nghiên cứu 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”. Ngoài phần mở đầu và kết luận, bản luận văn này được chia làm 3 chương: 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 1.1. 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. 1.2. 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. 1.3. 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. 1.3.1 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. Việc này được thực hiện bằng cách chia cả quá trình điều trị thành nhiều phân đoạn chiếu. Điều này vẫn đảm bảo về liều lượng tới khối u, nhưng giành khoảng thời gian nghỉ ngơi để cho các tế bào lành hồi phục hoàn toàn. 1.3.2. Khái niệm “4 tái tạo”của sinh học phóng xạ 1/ Sự tái tạo oxy(Reoxygenatiion). Oxy trong khối u ác tính là một thông số rất quan trọng để đảm bảo có được độ nhạy phóng xạ cao. Đối với những bức xạ có LET thấp (như photon và electron), các tế bào được tưới oxy chỉ cần một liều lượng phóng xạ bằng 1/3 của liều chiếu trên loại thiểu oxy mà vẫn đạt cùng một kết quả như nhau. Điều này có nghĩa là những tế bào được cung cấp đầy đủ oxy sẽ tăng hiệu quả nhạy cảm phóng xạ gấp 3 lần. Những khối u bao gồm các tế bào thiếu oxy và các xa động mạch thuộc loại kháng tia, khi nhận đủ oxy thì vẫn sống sót được. Những tế bào im lặng này có thể chiếm đến 15% tổng số các tế bào. Với kỹ thuật chia nhỏ liều, các tế bào im lặng trong khối u khi được cung cấp thêm oxy sẽ làm cho chúng nhạy xạ hơn. Đó là những tế bào được cung cấp đầy đủ oxy khi bị chết đã để lại lượng máu được cung cấp sẵn có cho các tế bào thiếu oxy trước đó. Bằng cách này, quần thể tế bào được cung cấp tốt oxy được duy trì theo một tỷ lệ không đổi [1,2] 2/ Tái phân bố (Redistribution). Sự tái tạo phân bố chu kỳ tế bào có thể là một yếu tố quan trọng cho tính “tự nhạy cảm tia xạ”. Vì sự nhạy cảm tia xạ của các tế bào là khác nhau ngay trong một chu trình phát triển. Các pha G2/M muộn và G1 muộn/S sớm là nhạy cảm tia xạ nhất trong một chu kỳ sinh sản của tế bào. Việc chia nhỏ liều lượng đảm bảo rằng 8 tất cả các tế bào sẽ ở trong pha nhạy cảm ít nhất cùng thời gian với một hoặc hai lần chiếu xạ. 3/ Sự hồi phục (Repair) Một điều quan trọng là phải có đủ thời gian để cho các tế bào lành hổi phục do tổn thương tia xạ. Người ta đã cho thấy rằng cần ít nhất 6 giờ giữa hai lần chiếu để các tế bào lành bị chiếu xạ kịp hồi phục. Dựa vào các kết quả thu được của chế độ phân liều, người ta thấy rằng thậm chí cần khoảng thời gian lâu hơn nữa đối với tủy sống để tránh viêm do tia xạ. Sự hồi phục có một ý nghĩa đặc biệt đối với việc xạ trị áp sát sử dụng những máy với suất liều khác nhau. Đối với việc tia xạ liên tục theo suất liều thấp, cần phải tính đến sự hồi phục của các tổn thương gần chết trong giai đoạn điều trị. 4/ Sự tái sinh sôi (Regeneration) Sự tái tạo quần thể của tế bào là một trong những thông số quan trọng đối với kết quả điều trị và quan trọng đối với cả sự đáp ứng sớm của các tế bào lành cũng như của các tế bào u. Đối với sự đáp ứng của tế bào lành như da chẳng hạn, tốc độ phân chia tế bào sẽ bắt đầu tăng lên sau khoảng thời gian nào đó từ khi bắt đầu điều trị, vì vậy yêu cầu liều lượng ngày càng tăng lên để cho cùng một hiệu ứng sinh học. Điều này làm cho nó có lợi thế trong việc kéo dài thời gian điều trị, bởi vì tốc độ hồi phục trở nên nhanh hơn theo thời gian. Sự kéo dài thời gian điều trị tia xạ do đó có lợi cho sự hồi phục của các mô lành, cho các tế bào đáp ứng sớm, nhưng không có lợi cho các tế bào đáp ứng muộn. Tuy nhiên, cùng một hiệu ứng có thể xảy ra đối với các khối u, nơi mà sự tái tạo quần thể tế bào được gia tăng, có nghĩa là cần tăng liều lượng một cách đáng kể để đạt được cùng một tổng số tế bào bị giết, nếu thời gian điều trị tổng cộng dài hơn thời gian mà sau đó tế bào u bắt đầu phân chia một cách nhanh hơn. Ở các khối u vùng đầu cổ, người ta đã phát hiện được rằng các khối u bắt đầu phát triển nhanh 9 hơn trong khoảng thời gian từ 2 tới 4 tuần sau khi bắt đầu điều trị. Khoảng thời gian này thường được gọi là “thời điểm bắt đầu thực sự”. Do đó việc kéo dài thời gian điều trị là bất lợi cho việc kiểm soát khối u, trong khi lại có lợi cho sự đáp ứng sớm của tế bào lành. Đương nhiên, điều này sẽ gây ra khó xử và phương pháp điều trị tốt nhất còn tùy thuộc vào mức độ tương đối của sự hồi phục của các tế bào lành cũng như tránh được sự tăng sinh của tế bào u. Vấn đề ở đây là cần phải cân nhắc một cách thận trọng về loại khối u. Chẳng hạn nó rất quan trọng để giảm tối thiểu thời gian điều trị đối với những khối u tăng sinh nhanh. Biểu hiện của loại khối u tăng sinh nhanh có thể nhận biết được bằng khoảng thời gian tăng đôi (Tp) của các tế bào. Ở đây Tp không phải là thời gian làm tăng đôi thể tích của khối u, mà nó là thời gian cần để làm tăng gấp đôi quần thể tế bào, khi giả thiết rằng không có sự mất mát nào xảy ra ở chúng. Người ta đã ghi nhận được thời gian Tp của các khối u thể sừng hóa thuộc vùng đầu, cổ vào khoảng 3-4 ngày; của các khối u vú là từ 8-30 ngày (trung bình là 12 ngày). Đối với khối u tuyến tiền liệt thì Tp có thể là 60 ngày. Nếu Tp ngắn thì chế độ phân chia liều nhỏ có thể sẽ thích hợp, ngược lại nếu Tp dài thì mọi lợi thế tiêu diệt tế bào u sẽ bị lấn át bởi sự tăng lên về các phản ứng sớm của tế bào lành 5/ Độ nhạy cảm bức xạ. Độ nhạy cảm của bức xạ được coi là một yếu tố quan trọng khác về tác dụng khác nhau của sinh học phóng xạ. Các tế bào của các khối u khác nhau sẽ khác nhau về độ nhạy cảm bức xạ. Những loại tế bào u của người có sự khác nhau đáng kể về dạng đường cong sống sót. 1.3.3. Tác động của bức xạ lên cơ thể sống Ảnh hưởng của bức xạ ion hóa tới cơ thể sống rất phức tạp, nhưng tất cả đều được bắt đầu bằng một quá trình vật lý thuần túy. Đó là quá trình tương tác của bức xạ với khối vật chất, cụ thể hơn đó là cơ thể sinh học. Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng ion hóa, tạo ra các cặp ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của tế bào, làm tế bào bị biến đổi hay hủy diệt. Trên cơ thể con người 10 chủ yếu là nước chiếm tới hơn 85%. Khi bị chiếu xạ, thành và . Bản thân các cặp và O trong tế bào bị phân chia này tạo thành các bức xạ thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, sự phân chia tế bào sẽ chậm đi hoặc dừng lại. Quá trình tương tác này có thể được chia làm hai loại. Đó là tác động trực tiếp hoặc gián tiếp tới DNA của tế bào [2]. Tác động trực tiếp: Bức xạ ion hóa trực tiếp tác động lên DNA, làm cho cấu trúc DNA bị sai hỏng. Tác động gián tiếp: Bức xạ ion hóa tương tác với các phần tử nước trong cơ thể sinh vật tạo ra các gốc tự do Hình 1.2: Tác động của bức xạ lên cơ thể sống 11 Các gốc tự do có một electron lẻ và không có cấu hình đòi hỏi một phân tử bền. Chúng là những thực thể gây phản ứng rất mạnh, có thời gian sống khoảng microgiay và tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học như protein, lipid, DNA gây ra các hỏng hóc về cấu trúc và hóa học đối với các phân tử này. Những hỏng hóc như vậy sẽ dẫn tới : - Sự ngăn cản phân chia tế bào - Sự sai sót của nhiễm sắc thể - Đột biến gen - Làm chết tế bào Trong khi quá trình hấp thụ năng lượng xảy ra trong khoảnh khắc (10-10 s), thì sự xuất hiện của các hiệu ứng sinh học có thể diễn ra trong vài giây thậm chí hàng nhiều năm. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các quá trình này. a/ Sự ngăn cản phân chia tế bào. Tế bào có thể sinh ra và nhân lên về số lượng trong quá trình phân chia tế bào. Đây là một chức năng cơ bản của một cơ thể sống bất kỳ. Ngay ở cơ thể người lớn, quá trình phân chia tế bào vẫn thường xuyên diễn ra để thay thế cho những tế bào đã chết. Những chỗ tổn thương do bức xạ gây ra có thể kìm hãm hoặc ngăn cản quá trình phân chia tế bào và như vậy làm suy yếu chức năng của tế bào và cơ thể. b/ Sự sai sót của nhiễm sắc thể: Bức xạ có thể phá hủy nhiễm sắc thể. Đa số các trường hợp tổn thương thường được hàn gắn và không có hậu quả gì gây ra. Tuy nhiên một số tổn thương có thể làm mất hoặc xắp xếp lại các vật chất di truyền, những bộ phận này có thể quan sát được qua kính hiển vi. Những sự cố như vậy được gọi là những sai sót của nhiễm sắc thể. Những sai sót xác định có thể làm chết tế bào hoặc biến đổi chức năng của tế bào. Tần số xuất hiện sai sót của nhiễm sắc thể có mối tương quan xác 12