Tài liệu áp dụng chương trình egsnrc để tính tham số liều cho nguồn xạ trị áp sát model 9011 thinseedtm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH VŨ THANH NGHỊ ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc ĐỂ TÍNH THAM SỐ LIỀU CHO NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT MODEL 9011 THINSeedTM LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Thành phố Hồ Chí Minh - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH VŨ THANH NGHỊ ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc ĐỂ TÍNH THAM SỐ LIỀU CHO NGUỒN XẠ TRỊ ÁP SÁT MODEL 9011 THINSeedTM Chuyên ngành:VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƯỢNG CAO Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN ĐÔNG SƠN Thành phố Hồ Chí Minh - 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 2 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ ................................................................................. 5 TỔNG QUAN ........................................................................................................................ 7 CHƯƠNG 1: XẠ TRỊ ÁP SÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU QUANH NGUỒN XẠ 11 1.1 Giới thiệu về xạ trị áp sát: ..................................................................................... 11 1.1.1 .Phân loại ....................................................................................................... 11 1.1.2 Về kỹ thuật xạ trị áp sát: ................................................................................ 12 1.2 Phương pháp tính suất liều của nguồn xạ dùng trong xạ trị áp sát: ...................... 17 1.2.1 Liều hấp thụ D ............................................................................................... 17 1.2.2 Suất liều hấp thụ D ........................................................................................ 18 • CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH LIỀU EGSnrc 24 2.1 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: .................................................................. 24 2.2 Mô phỏng Monte Carlo trong vận chuyển photon ................................................ 27 2.2.1 Quá trình tương tác photon[12]: .................................................................... 27 2.2.2 Vận chuyển photon: ....................................................................................... 31 2.3 Giới thiệu chương trình EGSnrc : ......................................................................... 32 2.3.1 Giới thiệu chung[3]: ....................................................................................... 32 2.3.2 Nhập dữ liệu cấu trúc hình học và vật liệu .................................................... 33 2.3.3 Điều khiển các thông số vận chuyển Monte Carlo ........................................ 35 2.3.4 Vùng ghi liều: ................................................................................................ 37 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH EGSnrc ĐỂ KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ LIỀU QUANH NGUỒN XẠ MODEL 9011 THINSEEDTM. ............................................. 38 3.1 Thiết lập các thông số và cấu trúc hình học cho nguồn dùng trong EGSnrc ........ 38 3.1.1 Giới thiệu về nguồn Model 9011 THINSeedTM:............................................ 38 3.1.2 Thành phần cấu tạo và cấu trúc của nguồn[16]: ............................................ 40 3.1.3 Khai báo các thông số cho chương trình EGSnrc: ......................................... 41 3.2 Tính các giá trị g ( r ) và F ( r, θ ) của nguồn : ..................................................... 46 3.2.1 Kết quả của hàm g (r) .................................................................................... 47 3.2.2 Kết quả hàm F(r, θ ) ...................................................................................... 50 KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................................... 63 HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................................... 64 NGUỒN TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 65 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 67 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thông số của nguồn I-125 Model 9011……………………………...40 Bảng 3.2 Thành phần mật độ vật liệu trong mô phỏng…………………………….41 Bảng 3.3 Giá trị AE, UE, AP, UP trong mô phỏng……………………...................43 Bảng 3.4 Phổ năng lượng của I-125………………………………………………..45 Bảng 3.5 Giá trị g ( r) của I-125 Model 9011...........................................................47 Bảng 3.6 Giá trị hệ số a của nguồn I-125 Model 9011............................................48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các khái niệm trong tính liều AAPM…………………………….....…..20 Hình 2.1 Khái niệm trong mô phỏng………………………………………….......25 Hình 2.2 Cấu trúc hình học của EGSnrc………………………………………......33 Hình 2.3 Dùng chương trình PreviewRZ để xem trước cấu trúc của nguồn….......34 Hình 2.4 Vùng ghi liều…………………………………………………………....37 Hình 3.1 Cấu trúc nguồn I-125 Model 6711………………………………...........39 Hình 3.2 Mặt cắt nguồn I-125 Model 6711...........................................................39 Hình 3.3 Cấu trúc nguồn I-125 Model 9011..........................................................40 Hình 3.4 Vị trí nguồn trong phantom nước.............................................................41 Hình 3.5 Giao diện EGS_GUI khi bỏ chọn ICRU density correction...................42 Hình 3.6 Giao diện EGS_GUI khi chọn ICRU density correction……………….42 Hình 3.7 Giao diện của EGS_INPRZ……………………………………………..43 Hình 3.8 Ví dụ khai báo cho cấu trúc nguồn……………………………………...44 Hình 3.9 Ví dụ cho khai báo Source trong INPRZ………………………………..44 Hình 3.10 Ví dụ khai báo Transport Parameter trong INPRZ…………………….45 Hình 3.11 Ví dụ khai báo cho Transport Parameter by region trong INPRZ……..46 Hình 3.12 Đồ thị hàm g (r)……………………………………………………..…49 Hình 3.13 Đồ thị hàm F( r, θ ) của nguồn I-125 Model 9011 của luận văn……….51 Hình 3.14 Giá trị F( r, θ ) của I-125 Model 9011 của bài báo………………….....52 Hình 3.15 Giá trị F( r, θ ) của I-125 Model 9011 của đo đạc……………………..53 Hình 3.16 Giá trị F ( r , 00 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc….….54 Hình 3.17 Giá trị F ( r , 100 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …...54 Hình 3.18 Giá trị F ( r , 200 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …...55 Hình 3.19 Giá trị F ( r , 300 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc ..….56 Hình 3.20 Giá trị F ( r , 400 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …...57 Hình 3.21 Giá trị F ( r , 500 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc ……58 Hình 3.22 Giá trị F ( r , 600 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …....59 Hình 3.23 Giá trị F ( r , 700 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc ……60 Hình 3.24 Giá trị F ( r , 800 ) của I-125 9011 theo luận văn, MCNP, Đo đạc …....61 TỔNG QUAN Bệnh ung thư được coi là một trong những chứng bệnh nan y nguy hiểm được phát hiện với số ca mắc bệnh ngày càng gia tăng trên thế giới. Với số lượng bệnh nhân được phát hiện là mắc bệnh ung thư và số ca tử vong do ung thư tăng đột biến trong một vài năm trở lại đây, ung thư đã được xem là căn bệnh của xã hội thời hiện đại. Năm 2008, có 7,6 triệu người chết vì ung thư và 12,7 triệu trường hợp mới được chẩn đoán mắc ung thư.Ung thư phổi là dạng phổ biến nhất , kế tiếp là ung thư vú và ung thư trực tràng. Năm 2010 có 126300 ca ung thư mắc mới trong đó nam giới chiếm 72000 ca [24]. Có 3 phương pháp điều trị ung thư truyền thống: phẫu thuật, hóa trị và xạ trị. Trong xạ trị có 2 phương pháp là xạ trị từ xa và xạ trị áp sát. Với mỗi bệnh lí thì xạ trị từ xa hay áp sát luôn được chỉ định phù hợp. Xạ trị ngoài có thể điều trị cho hầu hết các bệnh ung thư giai đoạn muộn như: vòm họng, cổ, phổi, phụ khoa ( buồng trứng, cổ tử cung ), gan, tụy… Đối với một số loại ung thư có thể đưa được nguồn phóng xạ trực tiếp vào khối u thì chỉ định xạ trị áp sát. Tại Việt Nam, kỹ thuật xạ trị áp sát cũng đã được áp dụng tại một số bệnh viện chuyên khoa ung thư lớn và đang ngày càng trở nên phổ biến hơn. Xạ trị áp sát ra đời vào đầu thế kỉ 20, được đánh dấu bởi sự phát hiện phóng xạ bởi Becquerel (1896) và Marie Curie (1898) với cách tính suất liều đơn giản và điều trị thành công cho hai bệnh nhân ung thư biểu mô mặt vào năm 1903 [2]. Sau hơn một thế kỷ qua, xạ trị áp sát đã có những tiến bộ đáng kể và đang góp phần tích cực vào việc phòng chống ung thư. Tuy nhiên việc nâng cao hiệu quả điều trị luôn luôn là một mục tiêu không ngừng được hướng tới. Hiệu quả điều trị của phương pháp xạ trị nói chung và xạ trị áp sát nói riêng, được quyết định bởi việc tăng liều hấp thụ lên khối u và giảm liều cho các mô lành chung quanh. Để đánh giá định lượng được liều hấp thụ cho các mô này, cần xác định chính xác sự phân bố liều hấp thụ trong cơ thể bệnh nhân. Thường do việc đo liều hấp thụ trực tiếp trong cơ thể là không khả thi, nên người ta phải tính liều. Như vậy, tính liều trong xạ trị áp sát là một nhiệm vụ quan trọng của nhân viên y vật lý. Việc tính liều trong cơ thể bệnh nhân là một công việc không dễ dàng. Độ chính xác của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như vị trí của các nguồn trong cơ thể, thời gian lưu của từng nguồn trong cơ thể, cấu trúc của các mô chung quanh, và độ mạnh cũng như cấu trúc của các nguồn được sử dụng. Trong xạ trị áp sát hiện đại, việc tính liều này có thể thông qua một phần mềm lập kế hoạch. Nhưng thông tin đầu vào của phần mềm này là độ mạnh và sự phân bố liều đóng góp bởi từng nguồn. Do đó thông tin chi tiết và chính xác về nguồn bức xạ đóng một vai trò quan trọng. Thông tin về nguồn có thể có được qua những phép đo trong môi trường không khí hay môi trường nước, hoặc từ những tính toán (thường bằng phương pháp Monte Carlo) khi biết cấu trúc chi tiết của nguồn. Các nguồn trong xạ trị áp sát hiện đại có cấu trúc đối xứng trụ, với lõi là nguồn phóng xạ và vỏ bọc kim loại để tránh bị biến dạng và rò rỉ chất phóng xạ ra ngoài. Phân bố vị trí của lõi chất phóng xạ bên trong nguồn cũng như cấu tạo và kích thước của vỏ có thể rất khác nhau, tùy theo nhà sản xuất. Một khi đã biết các thông tin này, về nguyên tắc có thể tính được liều hấp thụ (hay liều kerma) tại một điểm bất kỳ trong không gian bao quanh nguồn. Tuy nhiên việc tính này luôn luôn phải dựa trên những mô hình đơn giản hóa để có thể có lời giải thích hợp, dù bằng phương pháp giải tích hay Monte Carlo. Phương pháp tính liều đã được phát triển theo thời gian, bắt đầu bằng những tính toán đơn giản, xem nguồn là dạng điểm, rồi dạng nguồn thẳng không có vỏ bọc, cho đến nguồn thẳng có vỏ bọc. Năm 1921 công thức tích phân Sievert được giới thiệu bởi Rolf Sievert, công thức này sử dụng rộng rãi cho tính liều quanh một nguồn bọc kín. Tích phân Sievert tính toán phân bố liều quanh nguồn dày với vỏ bọc. Năm 1922 Quimby phát triển kĩ thuật đại số cho nguồn kim được phân chia thành một chuỗi nguồn điểm tuyến tính và đã đưa ra bảng suất liều. Năm 1930 Patenson và Parker xuất bản bảng tính phân bố liều ( sai số ± 10% ) dựa trên cường độ nguồn. Năm 1934 hệ Paris được đề nghị bởi Pierquin và Dutreix đã dự đoán mối quan hệ giữa kích thước của thể tích nguồn được cắm vào cơ quan và đường đồng liều. Hệ này cung cấp một vài qui luật tổng quát cho việc chọn và đặt nguồn để đạt hiệu quả như mong muốn. Sau này Hiệp hội vật lí y học Mỹ (American Association of Physicts in Medicine, AAPM) đã cải tiến phương pháp tính liều và công bố trong báo cáo AAPM TG-43 [15]. Phương pháp này cho phép tính phân bố liều quanh một nguồn riêng lẻ trong môi trường nước. Trong đó có các hệ số và hàm phụ thuộc cấu trúc nguồn và dạng hình học, năng lượng của photon và môi trường. AAPM TG-43 hiện được xem là phương pháp chính thức trong đánh giá liều chung quanh nguồn bức xạ trong xạ trị áp sát. Việc tính phân bố liều chung quanh nguồn xạ trị áp sát theo AAPM TG-43 có thể được thực hiện bằng việc mô phỏng Monte Carlo. Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp với cấu hình phức tạp của nguồn và cho độ chính xác cao, phụ thuộc vào thời gian tính toán. Kĩ thuật mô phỏng Monte Carlo đang rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực của vật lí y học với ưu điểm về tốc độ ngày càng tăng của máy tính. Đặc biệt chúng áp dụng tốt trong quá trình mô phỏng liên quan đến phóng xạ và tham số vật lí mà khó hay thậm chí không tính được bằng thực nghiệm. Một trong các chương trình Monte Carlo được sử dụng trong nghiên cứu xạ trị là EGSnrc. Chương trình này hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các tính toán y vật lý và được xem là tiêu chuẩn vàng để đánh giá các tính toán khác. Trên cơ sở EGSnrc, một chương trình con có tên gọi DOSRZnrc cũng được áp dụng rất tốt cho những bài toán đối xứng trụ như phân bố liều quanh nguồn xạ trị áp sát. Để tìm hiểu khả năng áp dụng EGSnrc cho bài toán loại này, đồng thời để có hiểu biết tốt hơn về tính chất của nguồn xạ trị áp sát, chúng tôi thử áp dụng EGSnrc, cụ thể là DOSRZnrc cho một nguồn xạ trị áp sát cụ thể. Để có thể đánh giá độ chính xác của kết quả tính toán của mình, cần phải so sánh với thực nghiệm hay tính toán của tác giả khác. Sự phân bố liều quanh nguồn xạ trị I-125 Model 9011 THINSeedTM đã được khảo sát và kết quả đã được công bố trong tài liệu [16]. Trong đó cũng có những thông tin chi tiết về cấu trúc nguồn. Căn cứ trên những thông tin này chúng tôi có thể tính toán phân bố liều quanh nguồn. Với mục đích và nội dung công việc như trên, luận văn bao gồm các phần như sau: Chương 1: Xạ trị áp sát và phương pháp tính liều quanh nguồn xạ: giới thiệu xạ trị áp sát và cơ sở của phương pháp tính liều quanh nguồn xạ. Chương 2: Phương pháp Monte Carlo và chương trình EGSnrc: giới thiệu chung về phương pháp Monte Carlo và đặc biệt chương trình EGSnrc. Chương 3: Áp dụng chương trình EGSnrc để khảo sát sự phân bố liều quanh nguồn xạ: trình bày những cách thức thực hiện tính toán của chúng tôi và kết quả đạt được. Kết luận và kiến nghị: tóm tắt những kết quả đạt được và kiến nghị về các nghiên cứu tiếp theo. CHƯƠNG 1: XẠ TRỊ ÁP SÁT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU QUANH NGUỒN XẠ Chương này giới thiệu xạ trị áp sát , tình hình phát triển ở Việt Nam, các đại lượng, công thức liên quan đến tính liều, hiệu quả của việc xạ trị áp sát đòi hỏi những yếu tố nào và liên quan đến những yếu tố về mặt vật lý cũng được trình bày 1.1 Giới thiệu về xạ trị áp sát: 1.1.1 .Phân loại “Xạ trị áp sát” là phương pháp trong đó nguồn phóng xạ được đặt gần khối u trong cơ thể. Phương pháp này có thể diệt nhanh, hiệu quả, chính xác, đặc biệt với ung thư ở các hốc tự nhiên ( tử cung, thân tử cung, xoang, vòm họng, thực quản, phế quản và một số vị trí ở khoang bụng )[23]. Có 4 loại xạ trị thường được phân biệt : Xạ trị bề mặt, xạ trị nội khoang ( đặt chất phóng xạ bên trong một thể khoang gần khối u ), xạ trị trong khe, giải phẫu tĩnh mạch (ống thông phát phóng xạ ngăn cản tái hẹp mạch vành sau giải phẫu tắt động mạch) [22] Về phương pháp điều trị:có 2 phương pháp : - Cắm lâu dài hay tạm thời vào khối u - Đặt máy áp chuẩn với các hình thức suất liều thấp LDR, suất liều cao HDR, suất liều xung PDR[4] Để có thể cấy ghép nguồn vào các cơ quan gần khối u hay trong khối u thì có sự hỗ trợ các loại máy móc như máy tạo hình ảnh, máy áp chuẩn. Ưu điểm: kiểm soát liều lượng bức xạ (tập trung hoàn toàn vào khối u và gây tổn hại ít nhất cho các cơ quan lân cận) Nhược điểm: chỉ áp dụng cho khối u nhỏ ,cần nhiều thời gian và công việc tỉ mỉ trong quá trình điều trị[23] 1.1.2 Về kỹ thuật xạ trị áp sát: Những năm gần đây xạ trị áp sát được áp dụng cho điều trị ung thư do những cải tiến về thiết kế nguồn phóng xạ và một số nguồn năng lượng thấp (phát ra năng lượng photon thấp và liều giảm nhanh theo khoảng cách) với hệ thống bổ trợ hình ảnh giúp cho sự lựa chọn xạ trị áp sát ngày càng tăng Về máy móc và thiết bị: kĩ thuật nạp nguồn với các thế hệ thiết bị công nghệ cao và xây dựng các nguồn phóng xạ dưới dạng hạt và dạng sợi suất liều cao. Xạ trị liều cao chỉ kéo dài khoảng vài giờ, các đầu áp nguồn có thể đưa sát vào bướu, thời gian xạ trị là từ 5-15 phút và số lần xạ trị ít nên giảm được nguy cơ sai lệch phân bố liều phóng xạ do bệnh nhân có thể khó nằm bất động. Các máy nạp nguồn tự động đã ra đời và thay thế công việc trực tiếp bằng tay với nhiều loại nguồn, dạng nguồn khác nhau. Ngoài ra việc tính toán phân bố liều lượng tối ưu được thực hiện bằng máy tính. Đặc biệt các kĩ thuật đặt ống dẫn nguồn và xạ trị ngay sau mổ lấy bướu, kĩ thuật xạ trị không phải cắt bỏ cho trường hợp ung thư vú, kĩ thuật điều trị sẹo lồi với tổng thời gian điều trị mất khoảng 24 giờ hay điều trị ung thư tuyến tiền liệt bằng HDR đang phát triển rộng trên thế giới và nhiều công trình nghiên cứu khả quan.[23] Điều trị xạ trị áp sát phải tuân thủ theo một qui trình an toàn bức xạ nghiêm ngặt từ lúc bệnh được chẩn đoán rồi lập kế hoạch điều trị cho đến khi đưa nguồn phóng xạ vào điều trị.Vì vậy, điều quan tâm ban đầu đó là các thông tin về thông số của nguồn liên quan đến việc tính liều và phân bố liều. Theo AAPM, công thức tính TG-43 chứa một vài chi tiết về thuật tính liều phát ra từ nhiều loại nguồn.Việc tính chính xác liều đòi hỏi cần phải có các yêu cầu chung cho nguồn bức xạ nên việc đầu tiên là thực hiện công việc chuẩn nguồn: Chuẩn nguồn: Chuẩn nguồn là đề cập độ mạnh của nguồn thể hiện qua suất Kerma không khí chuẩn và cường độ Kerma không khí[1] Việc chuẩn nguồn nhằm mục đích: - Đo liều của nguồn - Phát triển thiết lập quá trình đo Kerma không khí bằng dụng cụ thực nghiệm để hiệu chỉnh cải tiến tiến trình và hệ thống điều trị - Bảo vệ cho con người tránh bức xạ Để chuẩn nguồn: ngoài dùng thực nghiệm đo bằng buồng ion hay điện tích trong detector người ta còn dùng mô phỏng để tính liều cho nguồn Tiêu chuẩn dùng nguồn[2]: - Cần tối ưu hóa việc phát ra năng lượng γ đủ cao để tránh hấp thụ trong xương do hiệu ứng quang điện - Năng lượng nguồn đủ cao để tránh tán xạ ít nhất và đủ thấp để dụng cụ bảo vệ là ít tốn kém và hiệu suất cao - Chu kì bán rã đủ dài để lưu trữ - Vật liệu che không hòa tan và không độc( không ở dạng bột hay bị phân tán nếu nguồn bị phá hủy ) - Dễ chế tạo trong các hình dạng và kích cỡ - Khi khử trùng thì không được vỡ - Bề dày một nửa của các vật liệu chứa nguồn Một vài đặc tính vật lí của phóng xạ mà xác định sự thích hợp cho xạ trị tạm thời hay vĩnh viễn[2]: - Loại phân rã phóng xạ( γ , α , β ) - Chu kì bán rã - Hoạt độ riêng (quan trọng trong nạp từ xa hay thủ công) - Năng lượng của bức xạ phát ra ( nó quyết định sự truyền qua mô hay vỏ bọc) - Mật độ số nguyên tử ( nó quyết định đặc tính hấp thụ, truyền qua trong lõi nguồn và quyết định tính đẳng hướng hay bất đẳng hướng trong phân bố liều ) Nguồn được bao bọc bởi vì[1]: - Chứa chất phóng xạ - Cung cấp năng lượng mạnh - Hấp thụ α , β Có 3 loại tia ảnh hưởng trong quá trình phóng xạ qua vỏ bọc là tia γ , tia X đặc trưng và tia X bức xạ hãm Photon bức xạ dùng cho điều trị xạ trị phụ thuộc vào yếu tố vật lí và đặc tính liều[2] - Năng lương photon và sự xâm nhập tia photon vào mô và vật liệu che chắn - Chu kì bán rã - Bề dày một nửa - Hoạt độ - Cường độ nguồn - Quan hệ cường độ với bình phương khoảng cách Nguồn thường được bao bọc bởi các hình dạng: kim, ống, hạt, dây, viên… Nguồn xạ trị được cho vào trong các nguồn có các hình dạng hình học và chùm năng lượng photon phát ra từ lõi phóng xạ. Các đặc tính của nguồn phóng xạ được xác định từ các dữ liệu sản xuất . Đo liều ta cần quan tâm tới[5]: - Kích thước thực của nguồn - Hình dạng hình học - Vật liệu của nguồn và cấu trúc vật liệu bao bọc - Chùm năng lượng sơ cấp phát ra Đây cũng chính là các thông tin cần khai báo trong mô phỏng Ngoài ra, việc tính chính xác liều đòi hỏi cần phải sự tương tác giữa mức độ liều và tác động chuyên khoa (kiểm soát khối u, mức độ bệnh tật). Việc hiểu biết liều và phân bố liều cho các nguồn vì vậy rất quan trọng và có sự kết hợp một phần lớn phỏng thức bằng hình ảnh đã đóng vai trò chủ yếu trong các khoa xạ trị. Phân bố liều: Để tính toán phân bố liều chính xác chúng ta cần phải biết chính xác dạng hình học của mô cần cấy và hình ảnh mô tả đường đồng mức của liều. Việc mô tả hình ảnh thì sử dụng CT , tuy nhiên độ tương phản giữa mô cấy và môi trường xung quanh kém, TRUS ( transcrectal ultrasound ) quan sát tốt nhưng cho hình ảnh nguồn cấy kém. Cho nên cần kết hợp CT-TRUS: sự kết hợp này có đặc tính mô tả hình ảnh bằng TRUS, trong khi nguồn cấy có thể tái tạo từ hình ảnh của CT[19]. Để thực hiện tốt giai đoạn này thì cần có một kế hoạch điều trị tốt. Lập kế hoạch điều trị[2]: Kế hoạch điều trị là một quá trình chuẩn bị những chiến lược định ra trong việc lập phân liều tới những vùng điều trị và lập thứ tự điều trị. Kế hoạch điều trị gồm việc tính quan hệ liều với vị trí nguồn xạ trị xuất phát từ tính trực giao của ảnh xạ trị. Chìa khóa đóng vai trò quan trọng : - Có cái nhìn tốt về khối u và mô bình thường - Sự kiểm tra mô được cấy trong suốt quá trình điều trị - Máy tính kiểm soát quá trình điều trị - Giảm thể tích vùng điều trị thấp nhất có thể Trong quá trình lập kế hoạch một ê kip làm việc gồm bác sĩ với kĩ sư vật lí và y sinh. Ngoài sự hiểu biết về cấu tạo mô cơ thể con người thì các kĩ sư vật lí cần biết: - Hiểu về liều hấp thụ , mối quan hệ giữa liều và các đơn vị - Các kĩ thuật sử dụng dụng cụ đo bức xạ như buồng ion, phim đo liều, bán dẫn… - Biết các qui định về an toàn bức xạ - Và điều quan trọng nữa là: biết về các bức xạ ion, các loại tia X, tia phóng xạ, thống kê Poissonian, nguồn phóng xạ và các loại nguồn, va chạm photon với vật chất, các loại tán xạ hay hấp thụ của một photon trong vật chất , va chạm electron , hạt nặng hay neutron.Cụ thể là: - Photon tương tác với vật chất xung quanh thì chúng tán xạ hay bị hấp thụ mà cụ thể có 4 quá trình: quá trình tạo cặp electron-positron trong trường điện từ hạt nhân và electron nguyên tử xung quanh, tán xạ đàn hồi Compton với electron nguyên tử, hấp thụ quang điện và tán xạ Rayleigh với nguyên tử hay phân tử của môi trường. Ba loại tương tác đầu phụ thuộc vào năng lượng và môi trường mà chúng xảy ra tương tác. Quá trình tạo cặp xảy ra ở năng lượng cao,còn ở năng lượng thấp thì quá trình electron quang điện xảy ra là chủ yếu. - Electron khi chúng di chuyển qua vật chất : Chúng có các tương tác sau: - Chúng tán xạ đàn hồi với electron trong lớp vỏ của nguyên tử. Va chạm này làm chúng bị lệch hướng nhưng không mất năng lượng. - Tán xạ không đàn hồi với electron trong môi trường và truyền một năng lượng nhỏ so với năng lượng ban đầu của chúng (va chạm mềm). Va chạm này làm mất hướng và năng lượng Electron với năng lượng trên 1 Mev thì sẽ bị mất dần năng lượng cho các electron trong môi trường. Quá trình này được biết với tên là CSDA (continuous-slowing – down-approximation) - Tán xạ đàn hồi có truyền năng lượng cho các electron trong môi trường và có thể sinh ra electron thứ cấp (va chạm cứng) - Electron tạo ra bức xạ hãm khi bị lệch hướng bởi tác dụng của hạt nhân nguyên tử làm sinh ra photon - Trong quá trình vận chuyển ,năng lượng electron làm ion lớp vỏ bên trong của nguyên tử trong môi trường làm phát ra tia X ,và tạo ra electron Auger[9]. Electron bị mất năng lượng theo hai cách: va chạm không đàn hồi với electron nguyên tử và bức xạ năng lượng. Năng lượng bức xạ mất khi xảy ra ở bức xạ hãm và hủy cặp, đã truyền năng lượng ngược lại cho photon và dẫn tới sự hợp lại của electron và photon bức xạ.Quá trình bức xạ hãm xảy ra chủ yếu khi electron có năng lượng cao và các thông tin của các hạt được biết dựa trên tiết diện tán xạ và phân bố góc tính theo động năng và sử dụng công thức Koch- Motz , còn va chạm đàn hồi thì ở năng lượng thấp và sử dụng theo công thức tán xạ Moller và Bhabha. Thêm vào đó , những hạt electron trong va chạm đàn hồi với nguyên tử hạt nhân mà xảy ra ở tốc độ cao thì dẫn tới sự thay đổi nhanh về hướng của electron.Va chạm không đàn hồi và tương tác photon với electron nguyên tử dẫn tới sự kích thích và ion hóa những nguyên tử dọc theo đường đi của hạt.Trạng thái kích thích nguyên tử cao với những khoảng trống trong lớp vỏ của nguyên tử sẽ làm phát ra các photon và electron với những đặc điểm năng lượng. Một phương pháp để tính năng lượng mất đối với mỗi bức xạ hãm hay va chạm mềm người ta còn sử dụng công thức Bethe-Bloch (2B) cũng như sự biểu thị bởi Berger – Seltzer (BS)[10]. Về mặt lý thuyết việc điều trị thành công một ca xạ trị áp sát thì phải đảm bảo các yếu tố kể trên, về mặt thực nghiệm thì để tính toán chính xác chúng ta thông qua các phần mềm tiện ích mà một trong phần mềm chuyên dụng là Monte Carlo. Trước tiên chúng ta cần tìm hiểu các đại lượng quan trọng liên quan đến tính liều và ảnh hưởng tới sự phân bố liều 1.2 Phương pháp tính suất liều của nguồn xạ dùng trong xạ trị áp sát: 1.2.1 Liều hấp thụ D Liều hấp thụ D và suất liều hấp thụ là các đại lượng đặc trưng cho lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong vật chất. Khái niệm này được định nghĩa chung cho tất cả môi trường và cho mọi loại bức xạ có khả năng ion hoá trực tiếp hay gián tiếp. Liều hấp thụ D là lượng năng lượng được hấp thụ trong 1 đơn vị khối lượng vật chất do bức xạ ion hoá gây nên, được tính theo công thức 1.1 . D= ∆E ∆E = ∆m ρ∆V (1.1) Khả năng hấp thụ năng lượng phụ thuộc loại vật chất được chiếu , nghĩa là cùng một liều thuốc , chiếu vào các loại vật liệu khác nhau sẽ hấp thụ những năng lượng khác nhau. Do đó, khi đưa ra liều hấp thụ bao giờ người ta cũng cho biết loại vật chất đã hấp thụ năng lượng đó. Trong xạ trị, liều hấp thụ trong nước là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của chùm bức xạ , vì nước là môi trường có khối lượng riêng xấp xỉ mô cơ thể người.Trong nghiên cứu , tính liều thì xác định liều hấp thụ trong phantom nước là bài toán điển hình. Đơn vị liều hấp thụ trong (SI) : 1Gy = 1J/kg. Trong thực tế , người ta còn sử dụng rad (radiation absorbed dose) 1 rad = 10-2 Gy = c Gy 1Gy = 100 rad • 1.2.2 Suất liều hấp thụ D Suất liều hấp thụ là liều lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị : Gy/s hay rad/s Như đã giới thiệu phần mở đầu, trong lịch sử có nhiều công thức và cách tính suất liều đưa ra. Mà mỗi đại lượng dùng để tính suất liều hấp thụ cần phải được đo đạc hoặc tính đối với các nguồn riêng , vì độ lớn của chúng phụ thuộc vào cấu trúc, hình dạng , phổ năng lượng sơ cấp của nguồn. Việc xác định sự phân bố liều hai chiều trong môi trường tán xạ dựa trên sự phân bố hai chiều của thông lượng photon chỉ dễ dàng được thiết lập đối với nguồn điểm đẳng hướng . Một nguồn dùng trong xạ trị áp sát thật sự luôn luôn có tính dị hướng và đối với các nguồn này thì không thể xác định chính xác sự phân bố liều trong môi trường tán xạ từ sự phân bố thông lượng trong không khí. Mà các công thức trước lại được tính dựa trên phổ năng lượng photon xung quanh nguồn trong không khí trong khi đó việc tính liều ứng dụng trong y tế lại đòi hỏi sự phân bố liều trong một môi trường tán xạ (như cơ thể bệnh nhân). Do đó, hình thức luận AAPMTG – 43 đã đề xuất công thức mới. Phương pháp mới này cho phép tính liều xung quanh các nguồn đối xứng hình trụ trong trường hợp hai chiều, trong khi phương pháp cũ chỉ tính cho trường hợp một chiều và chỉ với nguồn điểm.Trong phương pháp này, có hai hàm phụ thuộc khoảng cách r và góc θ . Đó là hệ số hình học G( r, θ ) dùng để tính sự phụ thuộc thông lượng photon xung quanh nguồn trong không gian, hàm dị hướng F( r, θ ) để tính sự dị hướng trong sự phân bố liều gây ra bởi môi trường tán xạ . Trong khi hàm liều xuyên tâm g ( r ) dùng để tính sự phụ thuộc vào độ sâu liều trong môi trường tán xạ dọc theo trục vuông góc của nguồn thì hàm dị hướng F( r, θ ) tính dị hướng của liều so với liều ở trục vuông góc của nguồn. Chúng tôi sẽ đưa ra công thức tính suất liều theo hình thức luận AAPM TG-43: Chúng ta có công thức tính suất liều theo công thức 1.2 [2]: • • D w (r= , θ ) S K (1 − gα ) ( µen w ) f (r ,θ ) G (r ,θ ) ρ a as (1.2) Và tại một điểm ( r0 ,θ 0 ) theo công thức 1.3: • • D w (r0 = , θ 0 ) S K (1 − gα ) ( µen w ) f (r , θ ) G (r0 , θ 0 ) ρ a as 0 0 (1.3) Chia (1.2) cho (1.3) ta được công thức 1.4: • D(r ,θ ) • D(r0 , θ 0 ) = G (r , θ ) f as (r , θ ) . G (r0 , θ 0 ) f as (r0 , θ 0 ) • D(r0 , θ 0 ) G (r , θ ) f as (r , θ ) . ⇒ D(r ,θ ) = S K SK G (r0 , θ 0 ) f as (r0 , θ 0 ) • (1.4) • D(r ,θ ) Đặt Λ = 0 0 SK • ⇒ có công thức 1.5: D(r , θ= ) SK Λ G (r , θ ) f as (r , θ 0 ) f as (r , θ ) . G (r0 , θ 0 ) f as (r0 , θ 0 ) f as (r , θ 0 ) (1.5) • f (r , θ 0 ) G (r0 , θ 0 ) D(r , θ 0 ) Với công thức 1.6 : g(r)= as = • f as (r0 , θ 0 ) G (r , θ 0 ) D (r0 , θ 0 ) (1.6) • Và công thức 1.7: = F ( r ,θ ) f as (r , θ ) G (r , θ 0 ) D(r , θ ) = • f as (r , θ 0 ) G (r , θ ) D (r ,θ 0 ) (1.7) Công thức tổng quát : • Xét nguồn đối xứng trụ.Suất liều D(r ,θ ) ở vị trí (r, θ ) có thể tính bằng công thức 1.8 • D(r , θ= ) S k  G (r ,θ )  Λ  g (r ) F (r ,θ )  G (r0 , θ 0 )  (1.8)