ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Lại Thị Định ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ CHÙM TIA TRƯỜNG CHIẾU BẤT ĐỐI XỨNG CỦA MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ ELEKTA TẠI BỆNH VIỆN QUÂN Y 103 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Lại Thị Định ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ CHÙM TIA TRƯỜNG CHIẾU BẤT ĐỐI XỨNG CỦA MÁY GIA TỐC XẠ TRỊ ELEKTA TẠI BỆNH VIỆN QUÂN Y 103 Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN DANH THANH Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Bài luận văn kết học tập nghiên cứu trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội Trung tâm ung bướu Y học hạt nhân Bệnh viện Quân y 103 Trong trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn này, nhận nhiều giúp đỡ tận tình thầy cô đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn Trường đại học khoa học tự nhiên – Đại học quốc gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ, nhân viên Trung tâm Ung Bướu Y học hạt nhân - Bệnh viện Quân y 103 tạo điều kiện, giúp đỡ trình học tập, công tác hoàn thành luận văn Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Danh Thanh – Chủ nhiệm Bộ môn Y học hạt nhân – Học viện Quân y, người tận tình bảo hướng dẫn trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới người thân, gia đình bạn bè ủng hộ, chia sẻ giúp đỡ sống học tập để em có điều kiện tốt hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2015 Lại Thị Định MỞ ĐẦU Xạ trị hay ứng dụng xạ ion hoá vào điều trị ung thư năm đầu kỷ XX, người ta dùng kim Radium phóng xạ cắm vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư Qua nhiều giai đoạn phát triển, năm 1950 máy xạ trị Cobalt-60 ứng dụng chiếu xạ điều trị ung thư đạt hiệu tốt Trong vài ba thập kỷ vừa qua, máy gia tốc y học (LINAC) trở thành thiết bị chiếm ưu điều trị ung thư xạ ion hoá Hiện trở thành công cụ hữu hiệu thiếu xạ trị ung thư Xạ trị với phẫu thuật hoá trị trở thành phương pháp thống điều trị ung thư Ước tính có 40% tổng số bệnh nhân ung thư xạ trị [5] Ở nước tiên tiến Mỹ, Anh có tới 60% bệnh nhân ung thư điều trị xạ trị Hiện nay, nước ta có nhiều bệnh viện trang bị máy gia tốc tuyến tính xạ trị ung thư Các máy gia tốc lắp đặt sở xạ trị thuộc hệ mới, công nghệ đại thực kỹ thuật xạ trị tiên tiến xạ trị chiều theo hình dạng khối u (3-D CRT), xạ trị điều biến liều (IMRT) Vấn đề khó khăn mà sở xạ trị trình phát triển, đầu tư thiết bị đại đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên đào tạo hạn chế, tài liệu thiết bị gia tốc xạ trị chưa nhiều, hiểu biết chưa đủ để đáp ứng nhu cầu khai thác, sử dụng thiết bị cách hiệu quả, năm Trước đây, kỹ thuật xạ trị chủ yếu thực với trường chiếu có độ mở ống chuẩn trực chùm tia đối xứng qua trục trung tâm, trường chiếu bất đối xứng sử dụng số trường hợp Tuy nhiên, với kỹ thuật xạ trị đại máy gia tốc hệ mới, trường chiếu bất đối xứng sử dụng phổ biến, tạo thuận lợi lớn thao tác kỹ thuật phân bố liều lượng xạ trị cho bệnh nhân Việc đảm bảo độ ổn định thông số vật lý chùm tia điều trị từ máy gia tốc quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác phân bố liều lượng cho bệnh nhân, giảm tác dụng không mong muốn, nâng cao hiệu điều trị Tuy nhiên, quy trình thu thập liệu chùm tia làm ngân hàng liệu để lập kế hoạch điều trị máy gia tốc có trường chiếu đối xứng Chính vậy, giúp đỡ Trung tâm Ung Bướu Y học hạt nhân - Bệnh viện 103, đặt vấn đề nghiên cứu đề tài: “Đánh giá độ ổn định thông số vật lý chùm tia trường chiếu bất đối xứng máy gia tốc xạ trị ELEKTA bệnh viện Quân y 103” Mục đích đề tài luận văn: 1/ Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý máy gia tốc tuyến tính xạ trị ELEKTA, quy trình thu thập liệu chùm tia (commissioning) máy gia tốc xạ trị 2/ Nghiên cứu đặc tính vật lý chùm photon trường chiếu bất đối xứng máy gia tốc xạ trị ELEKTA Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan, đề cập đến sở sinh học vật lý ứng dụng xạ trị, phương pháp thiết bị xạ trị, sâu vào tìm hiểu nguyên lý cấu tạo máy gia tốc tuyến tính xạ trị nói chung máy gia tốc ELEKTA nói riêng Tìm hiểu quy trình thu thập liệu chùm tia làm ngân hàng liệu cho lập kế hoạch điều trị Tìm hiểu thông số vật lý chùm tia việc ứng dụng trường chiếu bất đối xứng kỹ thuật xạ trị Chương 2: Thiết bị phương pháp nghiên cứu, mô tả hệ thống máy gia tốc ELEKTA thiết bị liên quan, phương pháp tiến hành đo đạc thực nghiệm thu thập liệu chùm tia đề tài Chương 3: Kết bàn luận, đánh giá phẩm chất chùm tia trường chiếu bất đối xứng qua thông số vật lý phân tích từ liệu chùm tia như: độ sâu liều cực đại, độ đối xứng, độ phẳng vùng bán Chương TỔNG QUAN 1.1 Tác dụng sinh học xạ ion hóa ứng dụng xạ trị 1.1.1 Tác dụng sinh học xạ ion hóa Bức xạ ion hoá bao gồm xạ hạt nhân tia alpha, tia beta, tia gamma xạ tia X, xạ hạt neutron, proton Bức xạ ion hoá tác dụng lên hệ thống sống theo chế trực tiếp gián tiếp Tác dụng trực tiếp xảy lượng xạ ion hoá phân tử sinh học hấp thu, gây hiệu ứng định, tổn thương cấu trúc, chức năng, tiền đề cho tổn thương Còn tác dụng gián tiếp thông qua hình thành gốc tự (GTD), đặc biệt GTD hình thành từ phân ly phân tử nước Trong cấu trúc mô sinh học, nước chiếm gần 80% khối lượng tế bào có vai trò quan trọng Dưới tác dụng xạ ion hoá, GTD hình thành phân ly phân tử nước tác dụng lên màng tế bào, tác dụng lên phân tử sinh học, làm sai lệch cấu trúc, rối loạn thông tin phân tử sinh học, vật chất di truyền tế bào GTD nguyên nhân trình bệnh lý, ung thư, lão hoá Gốc tự hình thành tác động môi trường sống ô nhiễm kim loại nặng, hoá chất, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, độc tố gây ung thư, tia lượng cao (phóng xạ) GTD nội sinh (OH.) liên tục gây đột biến gen, phân chia tế bào không kiểm soát, phát sinh ung thư [1] Tác dụng phóng xạ tương tự tác dụng chất độc sinh hô hấp tế bào, khác chỗ hô hấp tế bào, GTD sinh ty thể vùng lân cận nên tác hại thường khu trú ADN enzym ty thể; với phóng xạ, GTD sinh nội bào ngoại bào, nên hậu nặng nề Gốc tự thường công vào acid béo không no, nối đôi nơi giàu điện tử mà chúng muốn chiếm lấy Màng sinh học chứa nhiều acid béo chưa no nơi bị GTD công tạo phản ứng dây chuyền làm tan rã cấu trúc màng Nếu không bị ngăn chặn, màng tế bào bị công phá huỷ Ngoài protein màng với vai trò receptor, kháng thể hay enzym vận chuyển chất qua màng nhạy cảm với GTD Các GTD hình thành: L , HOO , LO , OH , H , LOO gây tổn hại màng tế bào, rối loạn cân nội môi, phá huỷ cấu trúc màng, peroxyt hoá lipit màng lan truyền, biến đổi protein màng, thay đổi tính thấm, tính đàn hồi, khả trao đổi chất màng tế bào Bơm Na+-K+-ATPaza bị tổn thương HO2’ dẫn đến phù tế bào Rối loạn định nội môi Ca++ làm rối loạn trao đổi ion qua màng, dẫn đến giảm ATP GTD phá huỷ tế bào cách công vào ADN lysosom làm enzym từ lysosom giải phóng tiêu huỷ tế bào hay phá huỷ tế bào cách kết hợp protein với trình gọi liên kết chéo, làm phân tử đông vón lại với không đảm nhận chức sinh lý bình thường [1], [7] Những tác động trường diễn GTD lên hệ thống miễn dịch dẫn tới hậu diện rộng: GTD bắt đầu huỷ hoại màng tế bào, chất trình viêm prostaglandin giải phóng, chất áp chế hệ miễn dịch, giảm đề kháng với nhiễm trùng với bệnh viêm thoái hoá, bệnh tự miễn ung thư Trong bảo vệ thể, bạch cầu bị chết giải phóng hàng loạt GTD, làm suy giảm, sai lệch hệ thống miễn dịch Sức đề kháng thể ngày giảm Các tổn thương phóng xạ xét theo mức độ khác nhau: mức phân tử, mức tế bào mức toàn thể - Mức độ phân tử: Đặc điểm phân tử sinh học có kích thước lớn, thường bao gồm nhiều liên kết hoá học Khi chiếu xạ, lượng xạ truyền trực tiếp gián tiếp cho phân tử, phá vỡ liên kết hoá học phân li phân tử sinh học, làm thuộc tính sinh học chúng Quan trọng tổn thương phân tử chất liệu di truyền ADN ADN bị tổn thương tác dụng trực tiếp gián tiếp Thành phần cấu trúc nhiễm sắc thể ADN, tổn thương nhiễm sắc thể xuất phát từ tổn thương ADN Đột biến xảy trình tự số lượng nucleotide genom ADN bị thay đổi Sự biến đổi biến đổi số lượng (trisomytam bội; monosomy-đơn bội; mosaic) cấu trúc nhiễm sắc thể (mất đoạn, chuyển đoạn, đảo đoạn ) Nếu nhiễm sắc thể mang biến loạn có biểu kiểu hình dị dạng sẩy thai liên tiếp, di truyền cho hệ sau sinh bị dị tật bẩm sinh [7] Các xạ ion hóa neutron, hạt alpha gây đứt gãy đôi cao gây nên biến loạn nhiễm sắc thể nặng nề so với tia X tia gamma Biến đổi gen thay đổi cấu trúc phân tử ADN tạo gen biến dị Gen biến dị bền vững, tự nhân đôi truyền lại cho tế bào lần phân chia Hầu hết gen đột biến có hại cho thể - Mức độ tế bào: Sự biến đổi đặc tính tế bào xảy nhân nguyên sinh chất sau chiếu xạ Các tổn thương phóng xạ lên tế bào làm cho tế bào chết tổn thương nặng nhân nguyên sinh chất; kìm hãm ngăn cản phân chia tế bào; làm sai sót nhiễm sắc thể dẫn tới việc tế bào bị chết bị biến đổi chức năng; gây đột biến gen, tổn thương sau làm xếp lại vật chất di truyền phân tử ADN Kết làm chết tế bào Đây trình quan trọng ứng dụng xạ ion hóa điều trị ung thư - Tổn thương mức toàn thể: Hội chứng phóng xạ cấp hay “Hội chứng phóng xạ toàn thân” động vật có vú đề cập đến thể bị chiếu xạ với liều lớn thời gian ngắn (thông thường cỡ phút) diện tích rộng, tia X tia gamma xạ neutron Thương tổn chủ yếu tủy xương, dày-ruột thần kinh tùy thuộc liều lớn hay nhỏ Nếu bị chiếu liều >1 Gy thấy buồn nôn, nôn đầu Nếu bị chiếu >2Gy chết Bị chiếu với liều >8Gy khả sống Liều gây tử vong 50% nằm khoảng - Gy Bệnh diễn biến vòng tháng, kết tử vong hồi phục Trong phạm vi từ 3-10 Gy, biến chứng nhiễm khuẩn nguy hiểm, thường chết nhiễm khuẩn Bệnh nhân cần điều trị tích cực để nằm môi trường vô khuẩn nhằm tránh bị nhiễm trùng thứ phát Với liều cao 10Gy ruột bị thương tổn nặng, tử vong đến nhanh vòng 3-5 ngày Những người làm việc với phóng xạ bị chiếu với liều lớn đến mức gây tổn thương phóng xạ cấp Thường xảy tai nạn lò nguyên tử có nạn nhân bị chiếu liều cao Bình thường bị chiếu xạ dài ngày mức độ thấp Biểu tổn thương sớm số quan: + Máu quan tạo máu: lympho tuỷ xương tổ chức nhạy cảm cao với xạ Giảm lympho xảy vài sau chiếu xạ Tế bào lympho trực tiếp bị phá huỷ, máu lưu hành hạch, lách, tuyến ức Mức độ tổn thương thời gian kéo dài tổn thương phụ thuộc vào liều chiếu thời gian chiếu Bạch cầu giảm với liều chiếu thấp 0,1Gy, tiểu cầu hồng cầu giảm liều cao hơn, tương ứng 0,5Gy Sự hồi phục đạt vài tháng sau chiếu xạ Các tế bào tạo máu tuỷ xương, kể nguyên hồng cầu nhạy cảm với phóng xạ Xét nghiệm máu thấy giảm số lượng lympho, bạch cầu hạt, tiểu cầu hồng cầu Biểu lâm sàng triệu chứng xuất huyết, phù, thiếu máu + Hệ tiêu hoá: nhạy cảm với phóng xạ niêm mạc ruột non, sau vòm miệng, lưỡi, tuyến nước bọt, dày Gan nhạy cảm với phóng xạ Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ruột, gây triệu chứng ỉa chảy, sút cân, giảm sức đề kháng thể, nặng gây loét, xuất huyết tiêu hoá, xơ hoá, hoại tử + Da: nhạy cảm với phóng xạ, bị chiếu liều trung bình liều cao cấp tính gây triệu chứng giống bỏng: viêm đỏ, ứ dịch, sạm đen, loét, hoại tử Tuy nhiên, hồi phục da tương đối tốt nên liều chí tử tế bào biểu bì cao tế bào hệ tạo máu 10 lần + Cơ quan sinh dục: nhạy cảm với phóng xạ Có nhiều tinh trùng bị tiêu diệt liều 0,5 -1Gy Bị chiếu xạ cấp liều 5-6Gy gây vô sinh lâu dài KẾT LUẬN Bản luận văn trình bày kết nghiên cứu tóm lược khái niệm xạ trị, sâu tìm hiểu nguyên lý hoạt động cấu tạo máy gia tốc xạ trị ELEKTA, tập trung khảo sát, đánh giá đặc trưng phẩm chất chùm tia photon bất đối xứng với trường chiếu khác Phần thực nghiệm tiến hành đo đạc, phân tích liệu chùm tia chuẩn đối xứng bất đối xứng bao gồm: 6x6, 10x10 20x20cm Mỗi kích thước trường bất đối xứng thiết kế thành bốn trường có độ đối xứng khác Dữ liệu theo chiều ngang tiến hành đo độ sâu khác từ zmax đến 30cm với hai mức lượng 15MV Từ liệu thu đánh giá độ ổn định, phù hợp đảm bảo thông số vật lý chùm tia trường chiếu bất đối xứng so với trường chuẩn Kết thực nghiệm nghiên cứu, đo xác định thông số vật lý chùm photon 6MV 15MV trường chiếu bất đối xứng máy gia tốc xạ trị ELEKTA Trung tâm Ung bướu Y học hạt nhân - Bệnh viện 103, nhận thấy: - Với trường chiếu nhỏ 6x6 10x10cm: + Tại độ sâu zmax, 10cm: thông số vật lý chùm tia độ sâu liều cực đại (zmax), độ phẳng, độ đối xứng vùng bán ổn định, giá trị phù hợp nằm tiêu chuẩn giới hạn + Tại độ sâu 20 30cm: thông số vật lý chùm photon ổn định hơn, số giá trị lớn tiêu chuẩn giới hạn, đặc biệt trường chiếu có độ bất đối xứng qua trục trung tâm lớn trường 1, trường - Với trường chiếu bất đối xứng lớn 20x20cm: + Độ sâu liều cực đại photon MV ổn định, giá trị phù hợp đạt tiêu chuẩn nhà sản xuất Tuy nhiên, với photon 15 MV, độ sâu liều cực đại trường nhỏ tiêu chuẩn giới hạn + Độ phẳng vùng bán độ sâu zmax 5cm đạt tiêu chuẩn cho phép; độ sâu lớn 10, 20 30cm có nhiều giá trị lớn tiêu chuẩn giới hạn, trường ổn định + Độ đối xứng độ sâu 10cm ổn định, giá trị phù hợp đạt tiêu chuẩn; độ sâu zmax, 20 30cm độ đối xứng ổn định hơn, có nhiều giá trị vượt tiêu chuẩn, đặc biệt trường - Các thông số vật lý trường bất đối xứng chùm tia 6MV ổn định đảm bảo 15MV, giá trị ghi nhận từ đường profile inplane ổn định đạt tiêu chuẩn cao đường crossplane Việc đảm bảo phù hợp, tiêu chuẩn thông số vật lý có ý nghĩa quan trọng nhằm nâng cao hiệu điều trị cho bệnh nhân thực hành xạ trị TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Đàm Trung Bảo, Hoàng Tích Huyền, Phạm Nguyễn Vinh (1999): Chất chống oxy hóa để phòng chống bệnh tật chống lão hóa Nxb Y Học, TP HCM Nguyễn Đông Sơn (2010), Y học hạt nhân Xạ trị, Giáo trình giảng dạy, Viện Vật lý Y sinh học, Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Danh Thanh cs (2010), Y học hạt nhân, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội Nguyễn Xuân Kử, Bùi Diệu (2011), Cơ sở vật lý tiến kỹ thuật xạ trị ung thư, NXB Y học, Hà Nội Nguyễn Xuân Kử (2009), Giới thiệu máy gia tốc xạ trị ung thư, International Cònerence on Cance Nguyễn Xuân Kử (2009), Ứng dụng Simulator lập kế hoạch xạ trị, N.X.K- International Conference on Ionzing Radiation in Medical Application Tiếng Anh: Bacq Z.M; Alecxander P (1995), Fundamental of radiobiology London, Butteworths, 316 E.B Podgorsak (2005), Radiation Oncology Physics: A handbook for teachers and students, IAEA, Vienna Elekta(2003), Presice treatment system Digital Accelerator: Specifications, Document No 4513 370 14011, Elekta AB (Publ.) 10 Elekta Oncology (2009), Radiation Therapy - An Overview, Elekta® Oncology Engineer 1, Elekta Ltd 11 Elekta Oncology(2009), Principles of Operation Introduction, Elekta® Oncology Engineer 1, Elekta Ltd 12 Elekta Oncology(2009), Digital Linear Accelerator - Beam Generation, Elekta® Oncology Engineer 1, Elekta Ltd 13 Elekta Oncology(2009), Digital Linear Accelerator - Beam Control, Elekta® Oncology Engineer 1, Elekta Ltd 14 Elekta Oncology(2009), Digital Linear Accelerator - Beam Shaping, Elekta® Oncolo gy Engineer 1, Elekta Ltd 15 Faiz M Khan(2010), Physics of Radiation Therapy, 4th Edition, Lippincott Williams & Wilkins 16 IBA Dosimetry(2010), OmniPro-Accept User’s Guide: Version 7.1a, IBA Dosimetry GmbH, Schwarzenbruck 17 Kwa William(1998 Oct; 21(10): 1599-604), Asymmetric collimation: dosimetric characteristics, treatment planning algorithm, and clinical applications, Medical Physics, 18 P Mayles, A Nahum, J C Rosenwald(2007), Handbook of Radiotherapy Physics: Theory and Practice, Taylor and Francis Group 19 S H Levitt, J A Purdy, C A Perez, S Vijayakumar(2006), Technical Basis of Radiation Therapy: Practical Clinical Applications, 4th Revised Edition, Springer, Berlin Heidelberg 10