i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TIẾN QUÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÙM BỨC XẠ PHOTON VÀ
ELECTRON TRÊN MÁY GIA TỐC LINAC PRIMUS TRONG
XẠ TRỊ UNG THƢ TẠI BỆNH VIỆN K


NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHÙM BỨC XẠ PHOTON VÀ
ELECTRON TRÊN MÁY GIA TỐC LINAC PRIMUS TRONG
XẠ TRỊ UNG THƢ TẠI BỆNH VIỆN K
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lƣợng cao
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀM NGUYÊN BÌNH Hà Nội – Năm 2014 iii

iv
LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình học tập, công tác, và nhất là thời gian làm luận văn, tôi nhận
nhiều sự quan tâm, động viên giúp đỡ tôi để hoàn thành bản luận văn này. Qua đây
tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới:
Ts Đàm Nguyên Bình, ngƣời hƣớng dẫn tôi về mặt khoa học cùng những đóng
góp quý báu cho luận văn này;
Thầy PGS.TS. Bùi Văn Loát, ngƣời đã hƣớng tôi vào nghề kỹ sƣ vật lý xạ trị,
thầy luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình học tập
từ đại học tới bậc học cao hơn đồng thời thầy là ngƣời hƣớng dẫn tôi làm khoá luận
tốt nghiệp;
Thầy ThS. Nguyễn Xuân Kử, nguyên trƣởng khoa Vật lý xạ trị - Bệnh viện K,
ngƣời đã cùng hƣớng dẫn khóa luận tốt nghiệp và nhận tôi về làm việc tại khoa.
Thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện cho tôi trong công việc nghề
nghiệp;
Ks Lê Văn Tình trƣởng khoa cùng đồng nghiệp trong khoa Vật lý xạ trị - Bệnh
viện K, đã giúp đỡ tôi trong công việc cũng nhƣ thực nghiệm cho luận văn;
Các thầy cô trong Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên; Trung tâm
Vật lý Hạt nhân Viện Vật lý; Viện Năng lƣợng nguyên tử Việt Nam trong suốt các
năm học tập ở đại học cũng nhƣ cao học, đã trang bị cho tôi những kiến thức cần
thiết, cũng nhƣ đƣợc tạo điều kiện thuận lợi nhất trong học tập và công tác.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời luôn bên
cạnh tôi, giúp đỡ, động viên, khuyến khích tôi trong mọi hoàn cảnh.
2.1.3. Thông số kỹ thuật máy gia tốc thẳng PRIMUS- Siemens xxxi
2.2. Các thiết bị đo liều và mô hình hóa thực nghiệm xxxii
2.2.1. Hệ thống đo liều lượng xxxii
2.2.2. Bố trí hình học đo xxxvii
2.2.3. Phương pháp căn chỉnh tia lazer xác định tâm đo xxxviii

vi
2.3. Phƣơng pháp xác định đặc trƣng chùm bức xạ photon, electron xxxix
2.3.1 Phân bố liều sâu phần trăm xxxix
2.3.2. Phân bố liều sâu cách tâm xlv
2.3.3. Tiêu chuẩn của một số thông số đặc trưng xlix
CHƢƠNG 3 li
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN li
3.1. Đặc trƣng chùm photon trên máy gia tốc Linac Primus li
3.1.1. Phân bố liều sâu phần trăm chùm photon li
3.1.2. Phân bố liều sâu cách tâm chùm photon lv
3.2. Đặc trƣng chùm electron trên máy gia tốc Linac Primus lix
3.2.1. Phân bố liều sâu phần trăm lix
3.2.2. Phân bố liều sâu cách tâm lxi
3.3. Lập kế hoạch xạ trị một số bệnh ung thƣ phổ biến lxiv
3.3.1. Ung thư vòm họng lxiv
3.3.2. Ung thư phổi lxix
3.3.3. Ung thu vú lxxi
KẾT LUẬN lxxiv
TÀI LIỆU THAM KHẢO lxxvi
PHỤ LỤC 81 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.13: Vùng bán dạ electron 9 MeV lxiv
Bảng 3.14: Vùng bán dạ electron 12 MeV lxiv

viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình hiện tượng quang điện iii
Hình 1.2: Mô hình Tán xạ Compton iv
Hình 1.3: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân v
Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối lượng của photon tương tác với nước v
Hình 1.5: Độ suy giảm năng lượng electron viii
Hình 1.6: Nguyên lý hoạt động buồng ion hóa chứa khí xii
Hình 1.7: Mô tả điều kiện Bragg-Gray trong môi trường nước xiii
Hình 1.8: Mô tả cách tính PDD xv
Hình 1.9: Hình dạng và vị trí các trục chùm tia xvi
Hình 1.10: Sơ đồ về chu kỳ tế bào xx
Hình 1.11: Trạng thái tổ chức của mô từ dạng bình thường đến ung thư xxi
Hình 1.12: Hàm Gompertz mô tả đường cong phát triển của tế bào xxii
Hình 1.13: Mối tương quan giữa hiện tượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót xxiv
Hình 1.14: Tương quan giữa khả năng kiểm soát khối u và biến chứng. xxvii
Hình 2.1: Mô hình máy gia tốc thẳng trong xạ trị xxviii
Hình 2.2: Đầu máy điều trị xxix
Hình 2.3: Thông số kĩ thuật của máy gia tốc xxxi
Hình 2.4: Các cặp Jaw và sự tạo dạng trường chiếu xxxii
Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối hệ đo với máy tính xxxiii
Hình 2.6: Phantom nước xxxiv
Hình 2.7: Detector Scanditronix / Wellhofer Compact Chamber CC13 xxxiv
Hình 2.8: Cấu tạo của buồng ion hóa CC13 xxxiv
Hình 2.9: Hình ảnh máy đo liều MD 240 xxxvi
Hình 2.10: Bộ điều khiển dịch chuyển của buồng ion hóa chính CU500E xxxvi
Hình 2.11: Giao diê

Hình 2.19: Các vùng liều trong phân bố liều sâu cách tâm xlvi
Hình 2.20: Hình vẽ xác định độ bằng phẳng xlvi
Hình 2.21: Hình vẽ xác tính đối xứng xlvii
Hình 2.22: Thành phần truyền qua vùng bán dạ xlviii
Hình 2.23: Thành phần đối xứng vùng bán dạ xlviii
Hình 3.1: Phân bố liều sâu phần trăm tương đối theo bề dày của chùm photon 6 MV
với kích thước trường chiếu khác nhau lii
Hình 3.2: Phân bố liều sâu phần trăm tương đối theo bề dày của chùm photon 15
MV với kích thước trường chiếu khác nhau lii
Hình 3.3: So sánh đường cong phân bố liều sâu phần trăm tương đối theo bề dày
của chùm photon 6 MV và 15 MV với cùng trường chiếu 10×10 cm
2
liv
Hình 3.4: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm photon 6 MV lvi
Hình 3.5: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm photon 15 MV lvi
Hình 3.6: Phân bố liều sâu phần trăm chùm electron năng lượng 9MeV lx
Hình 3.7: Phân bố liều sâu phần trăm chùm electron năng lượng 12 MeV lx
Hình 3.8: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm electron năng lượng 9MeV lxii
Hình 3.9: Đồ thị phân bố liều sâu cách tâm chùm electron năng lượng 12MeV lxiii
Hình 3.10: Vị trí vùng vòm họng (Nasophaynx) lxv
Hình 3.11: Ví dụ về xác định GTV, CTV70, CTV60 trong ung thư vòm lxvi
Hình 3.12: Kỹ thuật nửa trường chiếu cho ung thư vòm nâng liều lên 40 Gy lxvii
Hình 3.13: Kỹ thuật nửa trường chiếu ung thư vòm nâng liều 40Gy lên 50Gy lxvii
Hình 3.14: Kỹ thuật đồng tâm cho trường vòm nâng liều 50Gy lên 60Gy lxviii
Hình 3.15: Trường electron bù liều cho vùng che tủy sống (a) và tăng liều cho hạch
còn sau chiếu 50 Gy (b) lxviii

x
Hình 3.16: Ví dụ về xác định GTV, hạch cho ung thư phổi lxx
Hình 3.17: Ví dụ về xác định CTV từ GTV cho ung thư phổi lxx


Liều hấp thụ ở bề mặt phantom (Gy)
E
p,0

Năng lƣợng với xác xuất lớn nhất tại bề mặt
F
Độ bằng phẳng chùm tia (%)
MeV
Đơn vị năng lƣợng dùng cho chùm electron
MU
đơn vị đo liều chiếu của máy gia tốc
MV
Đơn vị năng lƣợng dùng cho chùm photon
R
Thông số quãng chạy của chùm electron theo độ sâu (cm, g/cm2)
R
100

Độ sâu chùm electron tại đó đạt liều hấp thụ lớn nhất
R
50

Độ sâu chùm electron sau R
100
tại đó đạt liều hấp thụ đạt 50 %
R
80

Độ sâu chùm electron sau R

z
max

Độ sâu trong nƣớc tại đó liều hấp thụ đạt cực đại (cm hay g/cm2)
Z
max-tc

Độ sâu cực đại theo tiêu chuẩn hãng Siemens

Năng lƣợng trung bình tại bề mặt của phantom

xii
Danh mục chữ viết tắt
Thuật ngữ
Tiếng Anh
Tiếng Việt
AAPM
American Association of Physicists
in Medicine
Hiệp hội y vật lý Hoa Kỳ
CTV
Clinical target volume
Thể tích bia lâm sàng
DNA
Deoxyribonucleic acid
Phân tử mang thông tin di
truyền
GTV
Gross tumor volume
Thể tích khối u thô

Khoảng cách từ nguồn tới tâm
SCD
Source to chamber distance
khoảng cách từ nguồn tới buồng
ion hóa
SSD
Source to surface distance
Khoảng cách từ nguồn tới bề
mặt
TCP
Tumour control probability
Xác suất kiểm soát khối u
TPR
Tissue–phantom ratio
Tỉ số mô phantom
TPR
(20,10)

Ratio of tissue–phantom ratio at
depths of 20 cm and10 cm in water
Tỉ số mô phantom ở độ sâu
20cm và 10cm trong nƣớc i
MỞ ĐẦU
Theo Tổ chức Y tế Thế giới, mỗi năm trên toàn cầu có khoảng 12,5 triệu
ngƣời mới mắc và trên 6,7 triệu ngƣời tử vong do bệnh ung thƣ. Tại Việt Nam, mỗi
năm có 150.000 ca mắc mới; trên 75.000 ngƣời tử vong do căn bệnh này. Bệnh ung
thƣ có xu hƣớng gia tăng, không chỉ ở Việt Nam mà ở hầu hết các nƣớc trên thế

giá chất lƣợng chùm tia của các máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị. Bên cạnh
đó, luận văn góp phần định hƣớng cho thực tiễn lập kế hoạch xạ trị.
Nội dung chính luận văn gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan cơ sở lí thuyết của phƣơng pháp xạ trị ung thƣ. Chƣơng
này giới thiệu cơ sở sở vật lý, sinh học của phƣơng pháp xạ trị ung thƣ.
Chƣơng 2: Đối tƣợng nghiên cứu và phƣơng pháp thực nghiệm. Chƣơng này
giới thiệu về máy gia tốc Primus Plus, hệ thống đo liều lƣợng, phƣơng pháp lý
thuyết đánh giá đặc trƣng chùm tia.
Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận. Chƣơng này trình bày kết quả
nghiên cứu về đặc trƣng năng lƣợng, chất lƣợng của chùm photon, electron cùng
bàn luận về các đặc trƣng và ứng dụng.
Vấn đề kỹ thuật thƣờng luôn đƣợc cải tiến, bổ xung và đổi mới, vì vậy trong
luận văn chƣa đề cập đƣợc những kỹ thuật hiện đại của thế giới hiện nay nhƣng
những vấn đề sẽ đề cập là kỹ thuật đƣợc IAEA khuyến cáo cho các nƣớc chậm và
đang phát triển hiện nay. Chúng tôi rất mong muốn đƣợc có những trao đổi về
những kỹ thuật mới cũng nhƣ những vấn đề liên quan tới nội dung luận văn.
Ý tƣởng về luận văn đã hình thành từ thực tiễn công việc của bản thân, và
cũng là tiếp nối từ khóa luận tốt nghiệp đại học. Xạ trị là lĩnh vực chuyên sâu, vẫn
còn lĩnh vực mới ở Việt Nam, do thời gian thực hiện luận văn có giới hạn nên
không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận đƣợc sự thông cảm và góp ý giúp
cho luận văn hoàn thiện hơn.

iii
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP
XẠ TRỊ UNG THƢ
1.1 Cơ sở vật lý
1.1.1. Tương tác bức xạ photon và electron với vật chất
1.1.1.1. Tương tác của bức xạ gamma với vật chất
Khi đi trong môi trƣờng vật chất, bức xạ gamma tƣơng tác với môi trƣờng

tăng, các electron tán xạ bay theo hƣớng ƣu tiên về phía trƣớc (nghĩa là góc tán xạ
nhỏ). Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron coi là tự do nên năng lƣợng của bức xạ
gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lƣợng
của bức xạ gamma tới và góc tán xạ.

Hình 1.2: Mô hình Tán xạ Compton

Hiện tượng tạo cặp
Khi năng lƣợng của bức xạ gamma lơn hơn 1.022 MeV, có thể xảy ra hiện
tƣợng tạo cặp. Đây là hiện tƣợng xảy ra trong trƣờng Coulomb của hạt nhân, trong
đó năng lƣợng của một photon gamma đƣợc biến đổi hoàn toàn thành một cặp
electron – positron (hình 1.3). Hiện tƣợng tạo cặp xảy ra mạnh trong trƣờng
Coulomb của hạt nhân khi môi trƣờng có nguyên tử số càng lớn và khi năng lƣợng
của lƣợng tử gamma càng tăng.

v

Hình 1.3: Hiện tượng tạo cặp trong trường Coulomb hạt nhân
Từ những tìm hiểu trên, chúng tôi nhận thấy rằng mỗi hiệu ứng có vai trò quan
trọng trong miền năng lƣợng nhất định với từng vật chất khác nhau. Trong xạ trị,
đối tƣợng chủ yếu là mô cơ thể, có thể coi là tƣơng đƣơng với mô nƣớc. Tổng hợp
hiệu ứng photon tƣơng tác với nƣớc đƣợc mô tả trong hình 1.4.

Hình 1.4: Hệ số suy giảm khối lượng của photon tương tác với nước
Khi năng lƣợng bức xạ gamma nhỏ hơn 20 keV tƣơng tác với nƣớc hiệu ứng
hấp thụ quang điện và tán xạ đàn hồi đóng vai chò chính. Nếu năng lƣợng gamma
trong miền từ 20 keV đến 10 MeV thì hiệu ứng Compton chiếm ƣu thế. Khi năng
lƣợng gamma lớn hơn 10 MeV thì hiệu ứng tạo cặp thể hiện vai trò của mình. Với 2
mức năng lƣợng photon 6 MV và 15 MV,trong xạ trị hai hiệu ứng Compton và tạo
cặp sảy ra là chủ yếu [21].


















Z
C
kF
cmI
kk
A
Z
cmrN
dx
dE
v
e
eeA

là số Avôgađrô; r
e
, m
e
là bán kính cổ điển tính ra cm và khối lƣợng của electron;
Z, A là điện tích và số khối của môi trƣờng;
c
v


với v là vận tốc của hạt electron,
còn c là vận tốc ánh sáng; k là động năng của hạt electron tính trong đơn vị m
e
c
2
;

,
C
V
là hệ số hiệu ứng vỏ; F(k) là hàm của động năng có dạng nhƣ sau:
 
2
2
2
(2 1).ln2
8
F k 1
( 1)
k







 zf
cm
E
rZEN
dx
dE
e
e
bx
3
1
.
2
ln.
137
1
4
2
22

(1.3)
Trong đó:
bx
dx

dx
dE














(1.4)
Khi năng lƣợng E > E
c
thì tỉ số trên lớn hơn một, độ mất mát năng lƣợng do phát
bức xạ hãm chiếm ƣu thế.
Từ thực nghiệm cho thấy rằng các năng lƣợng tới hạn E
c
nói trên phụ thuộc
vào điện tích hay nguyên tử số môi trƣờng. Khi năng lƣợng của hạt electron cỡ từ
vài MeV trở lên, độ mất mát năng lƣợng của nó do phát bức xạ hãm và do kích
thích – ion hóa môi trƣờng có thể liên hệ với nhau bằng biểu thức sau:

viii
800

. Rõ ràng nguyên tử số của môi trƣờng càng lớn thì năng
lƣợng tới hạn càng giảm.

Hình 1.5: Độ suy giảm năng lượng electron
Tổng hợp hai quá trình mất năng lƣợng eletron nhƣ đã trình bày ở trên, khi
tƣơng tác với một số vật chất đƣợc mô tả trong hình vẽ 1.5 trong đó đƣờng nét liền
thể hiện mất năng lƣợng do va chạm, đƣờng nét đứt mô tả quá trình mất năng lƣợng
do phát bức xạ hãm.
Từ hình vẽ 1.5 và công thức 1.5 chúng tôi nhận thấy, năng lƣợng tới hạn E
c

của electron tƣơng tác với nƣớc cỡ 105 MeV, với nhôm khoảng 61 MeV, còn với
chì tầm 10 MeV. Trong xạ trị, sử dụng electron với năng lƣợng từ 6 MeV tới 15
MeV, vẫn coi mô cơ thể tƣơng đƣơng mô nƣớc, quá trình mất năng lƣợng chủ yếu
xảy ra do va chạm [21].
1.1.2. Giới thiệu liều lượng trong xạ trị
1.1.2.1. Các đại lượng của liều lượng học
a. Liều chiếu
Động năng Electron (MeV)
Độ suy giảm năng lƣợng electron
(MeV.cm
2
/g)

ix
Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, còn môi trƣờng chiếu
xạ là không khí. Liều chiếu ký hiệu là X, đƣợc xác định theo công thức:
dm
dQ
X 


(1.7)
Trong đó D là liều hấp thụ, X là liều chiếu còn f là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ f thực chất
là hệ số chuyển đổi từ liều chiếu sang liều hấp thụ. Giá trị của f tùy thuộc vào môi
trƣờng chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tƣơng ứng. Đối với không
khí, hệ số tỷ lệ f = 0,869
rad
R
còn trong cơ thể con ngƣời hệ số tỷ lệ f = 0,95

rad
R
.

x
c. Liều tƣơng đƣơng sinh học
Đối với sinh vật và cơ thể sống, dƣới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn
đến hiện tƣợng làm biến đổi hoặc gây tổn thƣơng nào đó cho đối tƣợng đƣợc chiếu
xạ. Ngƣời ta gọi hiện tƣợng trên là hiệu ứng sinh học. Với liều hấp thụ D cho trƣớc,
hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ đƣợc sử dụng, điều kiện chiếu xạ,
khoảng thời gian chiếu xạ. Khi đánh giá ảnh hƣởng của bức xạ đến hiệu ứng sinh
học, thay cho liều hấp thụ ta thƣờng dùng liều tƣơng đƣơng, ký hiệu là H.
Với một loại bức xạ và môi trƣờng sống xác định, liều tƣơng đƣơng tỷ lệ với
liều hấp thụ. Liều tƣơng đƣơng và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau:
RTRT
DwH
,


(1.8)

d. Liều hiệu dụng
Liều hiệu dụng (E) đƣợc xác định là tổng liều tƣơng đƣơng từng mô hay bộ
phận đƣợc xác định theo công thức:


T
TT
HwE

(1.10)
Trong đó w
T
là trọng số mô, H
T
liều tƣơng đƣơng ứng một loại mô hay bộ phận T
với một loại bức xạ nào đó. Ý nghĩa trọng số mô thể hiện cùng một liều tƣơng
đƣơng nhƣng ảnh hƣởng từng mô là khác nhau. Nếu nhiều loại bức xạ khác nhau,
liều hiệu dụng đƣợc xác định theo công thức:

xi


T
RTT
R
R
R
RTR
T
T

xác định giá trị cần đo.
b. Lý thuyết hốc khí Bragg-Gray
Trong kỹ thuật đo liều hấp thụ bằng buồng ion hóa chứa khí, để đo liều tại một
điểm trong môi trƣờng, ta phải đƣa buồng ion hóa vào điểm đó. Khi đó buồng ion
hóa có thể xem là một hốc khí trong môi trƣờng. Với buồng ion hóa, ta đo đƣợc liều
hấp thụ trong hốc khí là D
air
. Để tính ra liều hấp thụ D
med
trong môi trƣờng tại điểm
đó (khi không có buồng ion hóa), ta cần thiết lập mối liên hệ giữa D
air
và D
med
. Lý
thuyết hốc khí Bragg-Gray đƣợc phát triển nhằm thiết lập mối liên hệ này. Theo
Bragg-Gray, có thể thiết lập đƣợc mối liên hệ nói trên nếu các điều kiện sau đây
đƣợc thỏa mãn.
Thể tích hốc khí của buồng phải đủ nhỏ (nhỏ hơn so với quãng chạy của
electron để electron chỉ mất một phần năng lƣợng nhỏ trong nó). Ngoài ra, điều kiện

xiii
này đảm bảo không làm thay đổi sự phân bố electron khi buồng ion hóa đƣợc đặt
trong môi trƣờng đó.
Photon chỉ đóng vai trò nhỏ, không đáng kể trong sự ion hóa không khí của
hốc. Liều hấp thụ có đƣợc chỉ bởi các electron đi ngang qua hốc khí. Nói cách khác,
tất cả các electron đóng góp cho liều hấp thụ bên trong hốc khí phải đƣợc tạo thành
ở bên ngoài hốc khí và chúng hoàn toàn đi ngang hốc khí. Điều này chỉ thỏa mãn
khi điều kiện đầu thỏa mãn.
Sự phát bức xạ hãm Bremstrahlung và tạo ra electron thứ cấp không xảy ra






mà
air
air
QW
D
me

. Nên suy ra liều hấp thụ trong
môi trƣờng là:
/
med
air
med air
Q W S
D
me





. Với D
med
là liều hấp thụ tại một điểm trong
môi trƣờng (J/kg), Q là lƣợng điện tích tổng cộng đƣợc tạo ra hốc khí (C), m