BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TẠ THỊ VÂN ANH

TẠ THỊ VÂN ANH

VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIỀU LƯỢNG
CHÙM BỨC XẠ PROTON TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƯ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC (KỸ THUẬT)
VẬT LÝ KỸ THUẬT

KHOÁ 2009

Hà Nội 3 – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TẠ THỊ VÂN ANH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIỀU LƯỢNG CHÙM BỨC
XẠ PROTON TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƯ

Chuyên ngành :

VẬT LÝ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


i


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1

2

TỔNG QUAN

2

1.1. Ung thư và các phương pháp điều trị

2

1.1.1. Thực trạng của bệnh ung thư

5

1.1.1.1. Trên thế giới

5

1.1.1.2. Ở Việt Nam


(3DCRT: Three dimension Conformal RadioTherapy)
1.3.2. Kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ chùm bức xạ

11

(IMRT: Intensity Modulation RadioTherapy)
1.3.3. Kỹ thuật dựa trên hình ảnh

12

1.3.4. Xạ trị Proton

13

CHƯƠNG 2

16

XẠ TRỊ UNG THƯ BẰNG PROTON
2.1. Lịch sử phát triển của xạ trị proton

16

2.2. Tính chất của hạt proton

19

2.2.1. Tiêu hao năng lượng do ion hóa và kích thích nguyên tử của


29

2.4.2. Sử dụng Laser

31

CHƯƠNG 3

33

ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG PHÁT TIA PROTON
3.1. Tổng quan

33

3.2. Điều biến chùm tia

35

3.2.1. Lựa chọn hướng chiếu

36

3.2.2. Lựa chọn năng lượng chùm tia

37

3.2.3. Kích thước và cường độ chùm tia

37


49

4.4 Tính toán liều

51

4.4.1 Phương pháp chồng chập (Superposition) cho kế hoạch IMRT

52

4.4.2 Pencil beam cho kế hoạch IMPT

53

4.5 Đánh giá kế hoạch điều trị
4.5.1. Isodose line

56
56


4.5.1 Các giản đồ liều khối (Dose-Volume Histogram- DVH)

CHƯƠNG 5
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1. Kế hoạch điều trị cho phantom

57
59

65

5.3. So sánh kết quả

66

5.3.1 Phân bố liều

66

5.3.2 DVH

67

KẾT LUẬN
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

70
71


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
3D-CRT

: Three Dimension Conformal RadioTherapy

AFC

: Automatic Frequency Control


: Multi-Leaf Collimator

MRI

: Magnetic Resonance Imaging

MU

: Monitor Unit

OCR

: Off-Center Ratio

OF

: Output Factor

PDD

: Percentage Depth Dose

PSF

: Peak Scatter Factor

RCS

: Relative Collimator Scatter


Bảng 1.2:

Năng lượng và chu kỳ rã nửa của một số nguồn phóng xạ sử

9

dụng trong xạ trị áp sát
Bảng 2.1:

Tỷ lệ thực hiện phương pháp xạ trị proton trên thế giới

18

Bảng 3.1:

So sánh thông số chức năng giữa máy gia tốc proton thông

34

thường và máy gia tốc Laser
Bảng 3.2:

So sánh giữa máy gia tốc hạt thông thường

39

(Synclotron/Cyclotron) và Máy gia tốc proton bằng Laser
Bảng 5.1:

Các ràng buộc về liều được sử dụng trong phần mềm Prowess


IMRT
Hình 2.1:

Chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên (1929) với bán kính 5

16

inches tạo ra chùm hạt Proton có năng lượng 80 KeV
Hình 2.2:

Bản đồ các trung tâm xạ trị proton trên thế giới

18

Hình 2.3:

Sự phụ thuộc của độ ion hóa riêng vào đường đi của hạt

21

Hình 2.4:

Biểu diễn tiêu hao năng lượng theo đường đi của hạt

21

Hình 2.5:

Phân bố liều theo thể tích của Bàng quang


33

Hình 3.2:

Cơ chế điều biến chùm tia

35

Hình 3.3:

Sơ đồ hệ thống để chọn năng lượng bằng từ trường được thiết kế

37

bởi Fourkal và các cộng sự
Hình 3.4:

Sự khác biệt phân bố liều theo độ sâu PDD giữa máy gia tốc
thông thường và máy gia tốc bằng laser

Hình 3.5:

Máy gia tốc bằng Laser

39

Hình 4.1:

Giao diện ban đầu của phần mềm CERR trên Matlab


Hình 4.6:

Truy xuất thể tích khoanh vùng từ phần mềm Prowess Panther

45

Hình 4.7:

Truy nhập ảnh CT và các thể tích cơ quan vào CERR để thực

45

hiện việc lên kế hoạch điều biến chùm tia proton
Hình 4.8:

Giao diện của phần mềm CERR sau khi ảnh CT và các cơ quan

46

được nhập vào vào
Hình 4.9:

Xác lập hướng chiếu trong Prowess Panther

47

Hình 4.10:

Xác lập hướng chiếu trong CERR

đường đồng Kernel (đường cong đậm nét) sẽ có giá trị Kernel
bằng nhau.
Hình 4.15:

Một trường chiếu rộng sẽ được chia nhỏ thành nhiều trường

54

chiếu nhỏ (pencil beam) cho việc tính tóan liều lượng
Hình 4.16:

Các đường đồng liều của ung thư tuyến tiền liệt.

57

Hình 4.17:

Đường đồng liều 95% bao quanh khối u cần điều trị

57

Hình 4.18

Ví dụ về một DVH vi phân và tích lũy cho thể tích cần được điều

58

trị.
Hình 5.1:


Hình 5.5:

So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử

62

dụng photon IMRT (trái) và proton IMPT (phải).
Hình 5.6:

Hình minh họa sự khác biệt giữa tia photon và proton

63

Hình 5.7:

Phân bố các điểm chiếu cho kế họach điều trị proton IMPT sử

63

dụng phantom.
Hình 5.8:

Các ràng buộc về liều được sử dụng trong phần mềm CERR để

65

tạo ra một kế họach điều trị proton IMPT
Hình 5.9:

So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử

So sánh DVH của bọng túi cần điều trị giữa hai phương pháp
điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm
tia photon (đứt nét)

v

68


Hình 5.14:

So sánh DVH của xương đùi trái cần điều trị giữa hai phương

69

pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến
chùm tia photon (đứt nét)
Hình 5.15:

So sánh DVH của xương đùi phải cần điều trị giữa hai phương
pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến
chùm tia photon (đứt nét).

vi

69


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xạ trị, xạ trị bằng proton là một hướng đi mới rộng

Thông thường, các tế bào được sinh ra và phát triển cũng như chết đi theo một
cơ chế quản lý chặt chẽ của cơ thể. 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 dưới sự quản lý của cơ thể và chết 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 qúa nhanh,
vượt qúa 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]. 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 mô ung
thư ngày càng lớn, tạo thành những khối u. Có thể chia khối u thành hai loại: khối u
lành và khối u ác. Khối u 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. Những tế bào
của khối u ác tính có thể xâm lấm và chèn ép các cơ quan xung quanh làm lan
truyền tế bào bệnh. Ngoài ra, một số tế bào ung thư 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. Việc chèn ép cũng như xâm lấn vào những cơ quan giữ chức
năng 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.
Hầu hết các ung thư đều có nguồn gốc từ một tế bào bất thường: vì một lý do
nào đó, một tế bào bị đột biến, trở nên bất thường, sinh sản hỗn loạn, tạo ra một
dòng tế bào ung thư. Chỉ có một số ít ung thư xuất phát từ nhiều dòng tế bào trong

2


một mô bị đột biến do tác động của các gen sinh ung hay thừa hưởng sự bất thường
của một số gen do di truyền.
Như đã đề cập ở trên, ung thư là căn bệnh liên quan đến sực phát triển không
kiểm soát được của các tế bào ung thư. Chính vì thế ung thư có thể hiện diện ở bất
kì bộ phận nào của cơ thể chúng ta ngoại trừ những bộ phận không bao gồm tế bào


Ung thư trực tràng hậu môn

Các khối u ở trẻ em

Ung thư tu

Ung thư tuyến giáp trạng

Ung thư phế quản

Ung thư phần mềm

U lympho ác tính Hodgkin và không

Di căn xa

Hodgkin

Nguyên nhân gây ra bệnh ung thư bao gồm nhiều yếu tố khác nhau hợp lại. Cho
đến này người ta vẫn chưa xác định được chính xác những yếu tố này. Những yếu
tố khác nhau sẽ gây ra những bệnh ung thư khác nhau. Dưới đây là một số nguyên
nhân có thể gây ra ung thư.
•

Chất sinh ung thư (carcinogens): Khói thuốc lá là một trong nhưng chất sinh

ung thư nguy hiểm nhất. Tuy nhiên không phải ai hút thuốc cũng bị bệnh ung thư
cho nên còn có những lý do khác chi phối việc có hay không bị bệnh ung thư.


thư. Tuy nhiên cho đến nay những nguồn thức ăn nào gây ra bệnh ung thư vẫn chưa
rõ ràng. Người ta khuyên rằng nên ăn nhiều trái cây và rau quả để hạn chế bệnh ung
thư.
•

Môi trường sống: Môi trường sống xung quanh cũng có thể là nguyên nhân gây

ra bệnh ung thư như: khói thuốc lá, ánh nắng mặt trời, nguồn phóng xạ tự nhiên hay
là nhân tạo, các chất độc hại khác...
•

Virus: virus cũng có thể là một trong số những nguyên do gây ra bệnh ung thư.

Điều này không có nghĩa là bệnh ung thư có thể lây nhiễm từ người này sang người
khác. Virus có thể gây ra những biến đổi trong tế bào và vì vậy có thể làm cho tế
bào dễ trở thành tế bào ung thư hơn.

4


1.1.1. Thực trạng của bệnh ung thư
1.1.1.1. Trên thế giới [3]
“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”.
Ung thư đã và đang trở thành một căn bệnh gây ra tử vong lớn trên toàn thế giới.
Căn bệnh này tồn tại ở mọi vùng miền trên trái đất, không phân biệt tầng lớp xã hội,
không phân biệt lứa tuổi và giới tính. Điều đáng nói là hiện nay, vẫn chưa có một
biện pháp nào điều trị triệt để căn bệnh này. Theo ghi nhận của tổ chức y tế thế giới,
mỗi năm trên toàn cầu có khoảng 10,3 triệu người mới mắc bệnh ung thư và 7 triệu
người chết vì căn bệnh này. Trong năm 2005, đã có 7,6 triệu người bị chết vì ung

Hiện nay có ít nhất ba phương pháp điều trị ung thư: phẫu thuật, xạ trị, và hóa
trị. Ngoài ra có thể kết hợp các phương pháp để đạt hiệu quả mong muốn. Mục đích
các phương pháp này là tiêu diệt tế bào ung thư với tổn thương cho tế bào bình
thường là nhỏ nhất. Tiến bộ về kỹ thuật đã tăng tính hiệu quả, an toàn của các
phương pháp, đã làm tăng tuổi thọ trung bình của các bệnh nhân mắc bệnh ung thư.
Khi một ung thư đã được xác định và có khả năng chữa được thì bác sĩ phải thảo
luận với bệnh nhân về tất cả các phương thức điều trị có thể sử dụng.

6


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 đã được loại hết.
Xạ trị: là phương pháp sử dụng bức xạ ion hoá để điều trị ung thư. 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. Về cơ bản xạ trị được chia ra làm
hai loại chủ yếu: xạ trị ngoài (Extener Beam Radiotherapy) và xạ trị áp sát
(Brachytherapy).
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. 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.


lượng 1,17 MeV và 1,33 MeV (trung bình là 1,25 MeV điều trị hiệu quả các khối u
nông); Máy gia tốc phát electron, proton, photon, notron,... với nhiều mức năng

8


lượng. Hiện nay, người ta thường sử dụng các Linac phát photon và electron điều trị
hiệu quả hầu hết các loại khối u.
1.2.2.2. Xạ trị áp sát (Brachytherapy)
Xạ trị áp sát: là kỹ thuật điều trị mà khoảng cách giữa nguồn phóng xạ và các tế
bào ung thư là rất nhỏ. Nguồn bức xạ được đưa vào cơ thể ngay hay gần chỗ bị ung
thư.
Ngoài ra, xạ trị áp sát cũng có thể dùng chất lỏng phóng xạ đưa vào miệng hay
tiêm vào cơ thể qua tĩnh mạch (một số tài liệu coi đây là phương pháp thứ ba của xạ
trị: tia xạ chuyển hoá kết hợp chọn lọc). Các nguồn xạ trị áp sát được cho dưới bảng
sau:
Bảng 1.2: Năng lượng và chu kỳ rã nửa của một số nguồn phóng xạ sử dụng trong
xạ trị áp sát [10, 24]
Nguồn

Năng lượng (MeV)

Chu kỳ rã nửa

Radium-226

0,830

1600 năm


Các thiết bị sử dụng: Các nguồn (ví dụ Radium) thường được chế tạo dưới dạng
hạt phóng xạ và được đưa vào khối u thông qua các ống (tube) hoặc kim (needle).

9


Hình 1.3. Tấm áp bề mặt và các kim chứa nguồn phóng xạ.
Trên thực tế hiện nay, xạ trị trong điều trị ung thư chủ yếu là xạ trị ngoài. Trong
khuôn khổ luận văn này, tôi sẽ đề cập đến xạ trị ngoài với việc sử dụng chùm
photon bức xạ hãm phát ra từ máy gia tốc tuyến tính. Do đó để thuận tiện, từ đây
khi nói đến xạ trị chúng ta sẽ hiểu đó là xạ trị ngoài.
1.3. Những nghiên cứu và kết quả đạt được của xạ trị ung thư
1.3.1. Kỹ thuật xạ trị “thích hợp” ba chiều
(3DCRT: Three dimension Conformal RadioTherapy)
Có thể hiểu rằng kỹ thuật xạ trị thích hợp 3 chiều là các kỹ thuật điều trị dựa trên
thông tin giải phẫu 3 chiều, sử dụng phân bố liều thích hợp để tạo ra liều cực đại
đến khối u và liều cực tiểu tới các mô lành xung quanh. Tuy nhiên, có nhiều trở
ngại để đạt được mục đích này. Các trở ngại chính bao gồm: sự không chắn chắn
trong không gian xâm lấn của khối u; sự thiếu hiểu biết về hình dạng và vị trí chính
xác của các cấu trúc thông thường (mô lành); việc thiếu các công cụ cho việc lập kế
hoạch và phân phát liều lượng hiệu quả của 3DCRT.
Đối với các khối u sâu bên trong, liều tới khối u mong muốn có thể giành được
bằng cách sử dụng một sự kết hợp nhiều chùm bức xạ với các hình dạng khác nhau.
Thông thường hình dạng chùm bức xạ giành được là thông qua việc sử dụng các
khối che chắn. Khối che chắn được đặt ở giá đỡ ở trên đầu máy điều trị và phải

10


được thay đổi với mỗi trường chiếu khác nhau, 3DCRT có khoảng 3-5 trường chiếu

trong khi máy hoạt động. Sự thay đổi này được điều khiển bằng máy tính. Vì vậy
cần phải có một giải pháp cho việc tính toán các vị trí của lá MLC như là hàm của
thời gian. Boyer và Straigh đã đưa ra giải pháp liên quan đến mối quan hệ giữa
cường độ chùm tia với vận tốc di chuyển của mỗi cặp lá MLC. Theo đó, sự thay đổi
vận tốc của mỗi cặp lá MLC sẽ phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ chùm bức xạ.
Từ bản đồ cường độ cho một phân bố liều bất kỳ, máy tính sẽ tính toán rằng để đạt
được phân bố đó thì cần chia trường chiếu ra một số các trường điều trị tối ưu. Và
việc điều trị sẽ tiến hành theo các trường đã tính toán. Đây được gọi là “kế hoạch
nghịch đảo” (inverse planning).

Hình 1.4. Bốn trường MLC sử dụng trong một ví dụ về Step-and-shoot IMRT.
Việc thực thi IMRT trong lâm sàng đòi hỏi ít nhất 2 hệ thống: Một là hệ thống
máy tính lập kế hoạch xạ trị để tính toán theo bản đồ thông lượng (không đồng đều),
cho kết quả là nhiều chùm bức xạ với các trường thích hợp (các trường này giúp đạt
được phân bố liều tối ưu). Hai là, hệ thống phân phát các thông lượng đã được lập
kế hoạch. Mỗi hệ thống này phải được kiểm tra kỹ lưỡng truớc khi sử dụng trong
lâm sàng.
1.3.3. Kỹ thuật dựa trên hình ảnh
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các kỹ thuật mới
trong xạ trị đang ngày càng phát triển nhằm cải tiến các kỹ thuật cũ và nâng cao
hiệu quả xạ trị. Các kỹ thuật mới này tập trung vào việc tăng liều tối đa vào khối u
12


và giảm liều tối thiểu liều vào các mô lành. Hai trong số các kỹ thuật tiên tiến nhất
đó là: xạ trị theo sự chỉ dẫn của ảnh (IGRT: Image Guided Radiation Therapy) và
xạ trị điều biến kế hoạch tức thời (RealART: Real-time Replanning Adaptive
Radiation Therapy).
Kỹ thuật xạ trị theo sự chỉ dẫn của ảnh: Để đảm bảo việc cố định bệnh nhân
được chính xác theo từng ngày điều trị. Trước mỗi buổi điều trị bệnh nhân sẽ được