Bài giảng Phương pháp thực nghiệm xác định một số đặc trưng của chùm photon từ lối ra của máy gia tốc primus -Siemens

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHÙM PHOTON TỪ LỐI RA CỦA MÁY GIA TỐC PRIMUS -SIEMENS 2.1. Máy gia tốc PRIMUS - Siemens dùng trong xạ trị[4,5,6] 2.1.1. Nguyên lý cấu tạo của máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị. Máy gia tốc tuyến tính dùng trong xạ trị thường được chia thành 5 hệ thống đó là: Hệ thống phun, là một nguồn electron hay còn gọi là súng điện tử Hệ thống tần số vô tuyến bao gồm nguồn tần số vô tuyến sử dụng magneton hoặc klyston, bộ điều chế, ống dẫn sóng cao tần có chân không thấp trong đó electron được gia tốc,… Hệ thống vận chuyển chùm tia có vai trò vận chuyển electron trong chân không từ ống dẫn sóng gia tốc tới bia hoặc lá tán xạ. Hệ thống phụ trợ gồm hệ thống bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước, hệ thống chất điện môi bằng ga để truyền vi sóng từ bộ phận phát sóng vô tuyến tới ống dẫn sóng. Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia. Có thể minh họa các bộ phận chính của một máy gia tốc xạ trị bằng sơ đồ khối đơn giản như hình 2.1. Hình 2.1 Các bộ phận chính của máy gia tốc xạ trị Bên cạnh đó còn rất nhiều phần khác đi kèm với máy gia tốc là [1]: Hệ thống collimator chuẩn thông dụng. Hệ thống laser xác định trục quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia, bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy. Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân, hệ thống đàm thoại giữa thày thuốc và bệnh nhân. Hệ thống máy tính điều khiển thiết bị; màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị. Hệ thống che chắn phóng xạ. Hệ thống tự ngắt máy gia tốc khi có sự cố. Các hệ thống liên quan đến quá trình điều trị bằng máy gia tốc: Giường máy có thể điều khiển lên, xuống, quay theo các góc. Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị. Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ, máy đo phòng hộ tia xạ,… Hệ thống làm khuôn chì,… 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của máy gia tốc trong xạ trị Ban đầu, các electron được sinh ra do bức xạ nhiệt từ súng điện tử, do Catôt được nung nóng. Các electron sinh ra từ súng điện từ được điều chế thành các xung sau đó được phun vào buồng tăng tốc. Buồng tăng tốc có dạng cấu trúc dẫn sóng ở đó năng lượng cung cấp cho electron được lấy từ bộ phát sóng siêu cao tần với tần số khoảng 3000 Mhz. Bức xạ vi sóng phát ra dưới dạng sung ngắn. Các bức xạ này được tạo ra bởi các bộ phát tần số vi sóng, đó là các “van” magnetron và klystron. Klystron thường được dùng với các máy gia tốc năng lượng cao với năng lượng đỉnh là 5MW hoặc hơn nữa để gia tốc điện tử. Các electron được phun vào ống dẫn sóng sao cho đồng bộ với xung của bức xạ vi sóng để chúng có thể được gia tốc. Hệ thống ống dẫn sóng và súng electron được hút chân không sao cho các electron gia tốc có thể chuyển động trong đó mà không bị va chạm với nguyên tử khí. Chùm electron được gia tốc trong buồng tăng tốc có xu hướng phân kỳ và không chuyển động chính xác dọc theo trục được. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng này. Đó là do lực đẩy Coulomb giữa các electron mang điện tích cùng dấu, do sự lắp ghép không hoàn hảo làm cho cấu trúc ống dẫn sóng không hoàn toàn xuyên tâm, do tác động của điện từ trường ngoài, … Do đó, chùm electron gia tốc phải được lái một cách chủ động. Trước hết sử dụng một điện trường hội tụ đồng trục để hội tụ chùm tia theo quỹ đạo thẳng. Sau đó các cuộn lái tia tạo ra từ trường tác dụng lực lên các electron để dẫn chùm tia đi đúng theo hướng ống dẫn sóng từ đó hướng ra ngoài theo đường cong nào đó hoặc được uốn để hướng đến bia tạo tia X. Khi máy gia tốc ở chế độ phát chùm electron thì chùm electron được đưa trực tiếp vào đầu điều trị qua một cửa sổ nhỏ. Sau đó được tán xạ trên các lá tán xạ hoặc được một từ trường quét ra trên một diện rộng theo yêu cầu của hình dạng, diện tích trường chiếu trong các trường hợp điều trị cụ thể. Chùm tia được tạo hình dạng bằng các bộ lọc phẳng, nên, collimator sơ cấp, thứ cấp. Liều lượng được kiểm soát bằng các detector . Còn nếu chế độ phát tia X thì chùm electron đã được gia tốc lại được uốn theo một đường cong thiết kế để đập vào bia. Chùm electron có động năng lớn xuyên sâu vào bia, tương tác với các nguyên tử vật chất và bị hãm lại, phát ra tia X năng lượng cao. Phổ năng lượng của tia X phát xạ và suất liều bức xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của điện tử, số nguyên tử, bề dày bia và chất liệu dùng làm bia. Chùm tia X phát ra cũng được kiểm soát về liều lượng, được định dạng phù hợp. Hầu hết các máy gia tốc xạ trị hiện nay đều có hai chế độ phát chùm photon và chế độ phát electron. Do đó, về cơ khí được chế tạo phù hợp để thay đổi cơ chế từ chế độ này sang chế độ khác một cách linh hoạt. Ví dụ như bia tia X có thể đưa ra khi sử dụng chế độ phát tia X và được rút vào khi phát chùm electron. Trong quá trình hoạt động, khi hãm chùm electron, bia tia X bị nóng lên, do đó cần có hệ thống làm nguội bằng nước. Với mục đích điều trị, máy gia tốc được thiết kế cơ khí chuyển động linh hoạt như cần máy và giường điều trị. Các hệ hống này đều được kiểm soát an toàn bằng một chuỗi khóa liên động điện, cơ khí, nhiệt độ, áp suất và kiểm soát chùm bức xạ với nhau. 2.1.3. Một số nét sơ lược về máy gia tốc xạ trị Primus Đây là máy gia tốc hiện đang được sử dụng điều trị ung thư tại Bệnh viện K - Hà Nội và ở một số cơ sở điều trị khác. Máy có nguyên lý cấu tạo và hoạt động như loại máy Megavolt trong xạ trị đã được trình bày ở phần trên.[3,4]. Trên hình 2.2 là hình ảnh của máy gia tốc xạ trị Primus đang được sử dụng điều trị ung thư. Hình 2.2 Máy gia tốc xạ trị Primus Khi máy ở chế độ phát tia gamma, chùm electron sau khi được gia tốc được đưa đến đập vào bia, tạo ra chùm tia X đi ra từ cửa sổ trong đầu máy điều trị. Tuy nhiên, chùm tia được lấy ra để điều trị không phải là chùm tia sơ cấp này mà là chùm tia sau khi đã đi qua một hệ thống các collimator che chắn, lọc, nêm,…Trong đó, lọc và nêm là các bộ phận dùng để lọc phẳng chùm tia, collimator sơ cấp để hạn chế kích thước trường cực đại của chùm tia X, collimator thứ cấp để định dạng trường chiếu [3,4]. Chùm eletron Collimator thứ cấp Buồng ion hóa Bộ lọc phẳng Collimator sơ cấp Bia tia X Chùm tia X đi ra điều trị Hình2.3 Sơ đồ hệ thống collimator và lọc phẳng chùm tia X trong đầu điều trị của máy gia tốc xạ trị Primus Năng lượng của chùm tia đi ra từ cửa sổ của đầu điều trị được tập trung chủ yếu trong trường chiếu đã xác định do sự định dạng của collimator thứ cấp. Các loại máy gia tốc xạ trị hiện đại thường cùng loại collimator đa lá có thể định dạng trường chiếu rất chi tiết. collimator trường chiếu Hình 2.4 Collimator đa lá định dạng trường chiếu 2.2. Phương pháp thực nghiệm xác định một số đặc trưng của chùm photon từ lối ra của máy gia tốc PRIMUS – Siemens 2.2.1. Máy gia tốc tuyến tính xạ trị Hãng sản xuất: Siemens - Xuất xứ: Đức. Các tính năng: Máy gia tốc tuyến tính này có thể phát ra 2 loại bức xạ (Photon và Electron) với các mức năng lượng khác nhau phục vụ trong xạ trị: Các mức năng lượng photon: 6 MV và 15 MV. Các mức năng lượng electron: 5 MeV, 6 MeV, 7 MeV, 8 MeV, 9 MeV 10 MeV, 12 MeV và 14 MeV. 15 MeV. 2.2.2. Thiết bị đo liều Trong phương pháp xạ trị, việc kiểm tra liều chiếu từ máy gia tốc phải được tiến hành thường xuyên bằng thiết bị đo liều chính xác do IAEA cung cấp. Phần thực nghiệm của luận văn tiến hành đo phân bố liều trên máy gia tốc xạ trị PRIMUS tại bệnh viện K Hà Nội, Sử dụng thiết bị đang được dùng để kiểm tra liều chiếu hàng ngày tại đây. Thiết bị đo là Dosimeter kết hợp với đầu đo là buồng ion hóa Farmer chamber FC65 – P. Trên hình 2.6 là thiết bị đo liều Dosimeter. Hình 2.6 Thiết bị đo liều Dosimeter Trên hình 2.7 đưa ra dạng đầu đo FC65 – p được sử dụng trong luận văn Hính 2.7 Đầu đo Famer type chamber FC65 – P Một số thông số kỹ thuật của buồng ion hóa Famer type chamber FC65 – P như sau: Ứng dụng: + Đo liều tuyệt đối chùm photon và electron trong xạ trị. + Đo trong chất rắn, không khí, phantom nước. Sử dụng trong việc đo liều thường quy. Các đặc trưng: + Buồng ion hóa không khí. + Có cấu trúc lớp nhựa vững chắc giúp việc kiểm tra liều hàng ngày. + Không thấm nước. + Có các lỗ thoát khí qua các lớp không thấm nước + Được bảo vệ chắc chắn. + Cung cấp cho việc chuẩn máy và có hướng dẫn sử dụng. Vật liệu + Điện cực ngoài POM (1,42 g/cm3) + Điện cực trong bằng nhôm (2,7 g/cm3) Kích thước vùng hoạt + Thể tích thông thường 0,65 cm3. + Tổng chiều dài vùng hoạt 2,3,2 mm. + Đường kính bên trong của hình trụ 6,2 mm + Độ dày của lớp vỏ 0,4m. Cáp và cầu nối + Kiểu kết nối TNC ba trục. + Chiều dài của dây cáp 1,4 m. Thông số hoạt động + Dòng điện dò < 10-15 A + Độ nhạy 21.10-9 C/Gys. 2.2.3. Phantom nước Nhiệm vụ của luận văn là xác định phân bố liều của chùm tia photon phát ra từ máy gia tốc PRIMUS – Siemens. Trong thực nghiệm ta tiến hành đo liều hấp thụ trong các phantom. Do cấu tạo mô cơ thể con người chủ yếu là nước nên người ta sử dụng môi trường nước để đo liều hấp thụ (gọi là phantom nước) khi tính toán liều để điều trị chính xác nhất. Phantom nước đo liều là loại Blue Phantom - Kích thước 40x40x40 cm3 - Nhà sản xuất IBA Dosimetry - Xuất xứ: Đức. Hình 2.8 Phantom nước. Blue phantom thực chất là một thùng lập phương rỗng làm bằng Plastic được tích hợp các thiết bị sau: Thùng chứa nước: Chứa nước để bơm vào phantom khi cần đo. Máy bơm nước: Bơm nước từ thùng chứa vào phantom khi cần thực hiện đo đạc và hút nước ra khỏi phantom vào thùng chứa khi kết thúc. Thiết bị nâng, hạ phantom để điều chỉnh khoảng cách từ nguồn đến bề mặt nước khi cần thiết. Nhưng trên thực tế, khi đo liều lượng thường ngày không cần thiết đến loại phantom nước to, cồng kềnh, mà dùng loại phantom đặc biệt tiện lợi hơn. Loại phantom này không nhất thiết phải có mật độ vật chất chính xác như mô cơ thể mà chỉ gần đúng. Đó là các tấm mỏng làm bằng polystyrence có tỉ trọng lớn hơn nước một chút. Trong đó có lỗ khoan để đặt đầu đo đúng với độ sâu đo liều tham khảo là 5cm. Việc đo liều hấp thụ trong các phantom có mật độ vật chất giống với mô cơ thể người nhằm mục đích tính toán được liều hấp thụ trong cơ thể bệnh nhân điều trị bằng tia xạ. Tuy nhiên việc hấp thụ trong môi trường lại tỷ lệ thuận với liều chiếu. 2.2.4. Bộ điều khiển dịch chuyển của buồng ion hóa chính CCU (Control Unit) được kết nối với máy tính cài đặt phần mềm OmniPro-Accepts. Có chức năng điều khiển sự di chuyển của buồng ion hóa chính trong phantom (lên, xuống, trái, phải) theo các vị trí đã được lập trình sẵn trong phần mềm. Đồng thời CCU thu nhận tín hiệu từ hai buồng ion hóa (chính và tham chiếu) và truyền tải về máy tính để phần mềm OmniPro-Accepts xử lý. Hình 2.9 Bộ điều khiển của buồng ion hóa CCU 2.2.5. Phần mềm thu nhận và xử lý số liệu Tên phần mềm: OmniPro Accepts - Phiên bản: 6.6c - Nhà sản xuất: IBA Dosimetry - Xuất xứ: Đức. Hình 2.10 Giao diện phần mềm Omnipro-Accepts Các chức năng chính: Kết nối với CCU để dịch chuyển đầu dò đến các vị trí cần đo liều theo yêu cầu của phần mềm mà người dùng đã nhập vào. Thu nhận và xử lý số liệu từ buồng ion hóa. Hiển thị kết quả đo đạc 2.2.7. Hình học đo Các đặc trưng của chùm photon được xác định đối với trường chiếu 10x10 (Sử dụng: Applicator 10x10 Cone size ). Khoảng cách từ nguồn tới bề mặt nước là SSD = 100 cm. Buồng ion hóa được đặt trên trục chính của chùm tia để lần lượt đo liều hấp thụ trong nước tại các độ sâu từ 10 cm cho đến 0 cm (bề mặt). Máy gia tốc sẽ liên tục phát tia cho đến khi phép đo hoàn thành. Hình 2.11 Bố trí hình học đo đạc. 2.2.8 Phương pháp đo Sử dụng các thiết bị đo được trình bày ở trên tiến hành việc đo đặc trưng liều sâu phần trăm của chùm photon với mức năng lượng 6 MV và 15 MV. Các phép đo được lặp lại 3 lần với các trường chiếu khác nhau . 2.2.8.1. Phân bố liều hấp thụ theo bề dày Liều hấp thụ tương đối Hình2.12: Sự phân bố liều hấp thụ tương đối theo bề dày của chùm photon Các đại lượng trên hình 2.12 có ý nghĩa như sau: Đại lượng Dm là liều hấp thụ cực đại, Dx: liều hấp thụ do bức xạ hãm gây ra R100 là độ sâu ứng với liều cực đại Dm; R50 là độ sâu tại đó liều hấp thụ bằng 50% liều cực đại. R85 là chiều sâu tại đó liều bằng 85% liều hấp thụ cực đại, đây cũng chính là khoảng cách điều trị. (2.5) Liều hấp thụ tương đương(%) Kích cỡ của trường 2.2.8.2. Phẩm chất của chùm photon a. Xác định độ bằng phẳng (F) [11] Diện tích tâm Kích thước trường chiếu Liều hấp thụ tương đối Hình 2.13: Hình vẽ xác định độ bằng phẳng (2.6) Đánh giá độ bằng phẳn (F) của chùm photon hay electron dựa vào công thức sau: Trong đó là liều hấp thụ tương đối tương ứng lớn nhất và nhỏ nhất b. Xác định độ đồng đều (S) [11] Liều hấp thụ tương đối (%) area left area right Hình 2.14: Hình vẽ xác định độ đồng đều Đánh giá độ đồng đều (S) của chùm photon và electron ta dựa vào công thức sau: Suy ra: (2.7) Trong đó: - Diện tích bên trái trục trung tâm - Diện tích bên phải trục trung tâm - a là bước nhẩy