Luận án: Đánh giá liều bức xạ máy gia tốc tuyến tính xạ trị bằng phương pháp Monte Carlo

MỞ ĐẦU Tại Việt Nam hiện nay có khoảng 30 máy gia tốc thẳng phục vụ công tác xạ trị chiếu ngoài. Trong đó có 11 máy ALEKTA, 12 máy LINAC, 6 máy VARIANT. Một số tỉnh, thành phố trong nước đang tiếp tục trang bị các máy gia tốc phục vụ xạ trị [84], các máy gia tốc này phát xạ chùm electron có năng lượng từ vài MeV đến 24 MeV và photon từ vài MV đến 28MV. Các máy gia tốc điện tử tuyến tính đều có một nguyên tắc là gia tốc electron đến mức năng lượng nhất định, đập vào bia để tạo ra chùm photon năng lượng cao (bức xạ hãm).

Tùy vị trí và đặc trưng của khối u, có thể dùng trực tiếp electron điều trị các khối u nông, hoặc dùng chùm photon để điều trị các khối u sâu bên trong [18]. Năng lượng phát ra của các máy gia tốc tương đối cao do đó hiệu quả tiêu diệt các khối u cũng rất cao, nhưng theo đó những ảnh hưởng đến các mô lành xung quanh khối u rất đáng kể [14]. Để nâng cao hiệu quả ứng dụng máy gia tốc điện tử tuyến tính trong xạ trị đồng thời giảm những tổn thương cho bệnh nhân, nhiều công trình nghiên cứu về máy gia tốc đã được thực hiện. Các nghiên cứu này nhằm mục đích chính là tính toán liều chiếu, phân bố trường liều, giảm liều với các mô, tế bào xung quanh khối u cho bệnh nhân, đảm bảo an toàn cho nhân viên xạ trị.

Thông thường có 02 giải pháp được áp dụng là tính toán và đo đạc suất liều tại các vị trí trong và lân cận khối u, nhằm đưa ra những giải pháp điều trị hiệu quả đồng thời nâng cao chất lượng công tác an toàn bức xạ trong xạ trị. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Vào ngày 7 tháng 12 năm 2012, tại Hội nghị quốc tế về “Bảo vệ chống bức xạ trong y học - Thiết lập cơ sở cho thập kỷ sắp tới” được IAEA tổ chức tại thành phố Born của Đức. Hơn 500 chuyên gia đến từ 77 quốc gia và 16 tổ chức quốc tế đã kêu gọi hành động trên phạm vi toàn cầu, cũng như quốc gia về việc thi hành và củng cố vấn đề an toàn bức xạ (ATBX) trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ. Hội nghị đã phát hành ấn phẩm “Born Call for Action”, -1- đôn đốc các cơ quan quốc tế hỗ trợ nhằm đạt được mục tiêu với lợi ích cao nhất và giảm thiểu rủi ro cho tất cả các bệnh nhân và sử dụng thích hợp những nguồn bức xạ ion trong chẩn đoán và điều trị [82].

Hội nghị nhận định, tại một số quốc gia, sự phổ biến của việc sử dụng dược phẩm phóng xạ trong y học đã làm cho lượng phóng xạ vượt ngưỡng phông phóng xạ tự nhiên và lớn hơn lượng phóng xạ phát ra từ các nguồn nhân tạo khác rất nhiều. Các chuyên gia đã nhấn mạnh sự cần thiết trong việc áp dụng nghiêm ngặt các nguyên tắc điều chỉnh và tối ưu hoá trong quá trình thực hiện các phương pháp y học liên quan tới chất phóng xạ. Trong lời kêu gọi hành động, các chuyên gia đã khuyến cáo rằng cần triển khai thoả thuận toàn cầu về các nguyên tắc điều chỉnh trong việc sử dụng chất phóng xạ trong y học. Trên thế giới đã xảy ra một số sự cố bức xạ nghiêm trọng trong xạ trị do tính toán liều sai, tăng liều cho bệnh nhân dẫn đến chết người như tại Panama [81].

Do đó việc tính toán ATBX trong y học vẫn là một trong những định hướng nghiên cứu quan trọng hiện nay. Đến nay trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến việc áp dụng máy gia tốc thẳng trong xạ trị như: Định liều vật lý không đối xứng cho máy gia tốc thẳng trong xạ trị, đo đạc và tính toán liều điều trị cho bệnh nhân nhằm so sánh kết quả tính toán và thực nghiệm và đưa ra những khuyến cáo về an toàn cho xạ trị [54]. Nghiên cứu kỹ thuật xạ trị điều biến cường liều làm giảm tác hại của bức xạ đối với bệnh nhân và nâng cao hiệu quả điều trị [27, 33, 61, 77]. Nhiều công trình khảo sát, tính toán các đặc trưng, phân bố neutron cho máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị [38, 51, 53].

Sử dụng chương trình MCNPX để tính toán, mô phỏng ảnh hưởng của photon đối với những mô lành xung quanh khối u và quan hệ giữa suất liều neutron tạo ra từ photon nhằm khuyến cáo về ATBX đối với việc áp dụng máy gia tốc trong xạ trị [72 -78]. Ứng dụng chương -2- trình MCNP trong việc tính toán đặc trưng, phân bố suất liều electron cho máy gia tốc trong xạ trị [35, 39, 43, 67], sử dụng chương trình MCNP trong việc tính toán các đặc trưng chùm photon của các máy gia tốc tuyến tính [28, 43, 45, 56, 58, 62], tính toán liều đối với tia X [48, 63, 69]; ngoài ra còn rất nhiều nghiên cứu, tính toán đối với máy gia tốc nhằm phục vụ cho công tác chuẩn đoán và xạ trị [29, 30, 40, 44, 55, 64, 65]. Phần lớn các công trình nghiên cứu, tính toán, thực nghiệm nhằm mục đích khảo sát đặc trưng năng lượng lối ra của máy gia tốc, các biện pháp nâng cao hiệu quả trong việc tiêu diệt các khối u, các giải pháp giảm tổn thương đến các mô lành xung quanh khối u trong quá trình điều trị. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, một số trung tâm ung bướu trang bị máy gia tốc thường mua thông qua các nhà cung cấp dịch vụ.

Theo đó nhà cung cấp trang bị máy hướng dẫn xây dựng phòng xạ trị, lắp đặt các thiết bị đi kèm như máy kiểm tra liều, phụ kiện che chắn cho bệnh nhân, tập huấn sử dụng các phần mềm lập kế hoạch, hướng dẫn nhân viên kỹ thuật vận hành máy phục vụ cho công tác xạ trị. Nhằm nâng cao hiệu quả công tác xạ trị đồng thời hạn chế những ảnh hưởng của bức xạ đối với các mô lành của bệnh nhân, một số công trình nghiên cứu về máy gia tốc tuyến tính trong xạ trị đã và đang được thực hiện như sau: Dùng phantom polystyrence thay cho phantom nước để tính phân bố năng lượng chùm electron với các mức năng lượng 5 MeV, 9 MeV và 16 MeV, nhằm xác định những đặc trưng năng lượng của máy gia tốc trong xạ trị [5]. Nghiên cứu độ tăng năng lượng của electron trong máy gia tốc RF nhằm mô tả quá trình gia tốc electron và tính toán năng lượng của electron của máy gia tốc thẳng trong xạ trị [20]. Tìm hiểu cơ chế phát chùm photon của máy Primus và khảo sát bằng thực nghiệm một số thông số đặc trưng của -3- chùm photon phát ra từ máy PRIMUS – Siemens, xác định phân bố liều hấp thụ trong phantom của chùm photon với mức năng lượng 6 MeV và 15 MeV theo bề dày với kích thước trường chiếu khác nhau, từ đó xác định vị trí điều trị [12].

Áp dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng hoạt động của máy gia tốc Primus phục vụ trong xạ trị tính toán suất liều tại một số vị trí trong phantom bằng chương trình MCNP [9], áp dụng chương trình MCNPX trong việc tính toán mô phỏng phân bố liều photon [24]. Nhiều công trình chuẩn liều cho máy gia tốc trong xạ trị nhằm giới thiệu các qui trình chuẩn liều và so sánh với các chương trình chuẩn liều của các tổ chức ATBX trên thế giới [13]. Các công trình nghiên cứu tính toán liều xạ trong việc điều trị bệnh nhân nhằm nâng cao hiệu quả điều trị, như kỹ thuật xạ trị điều biến cường liều [4, 8], các kỹ thuật điều trị 3 chiều, hạn chế những tác động xấu đến các mô lành xung quanh khối u. Ngoài ra còn nhiều công trình nghiên cứu, tính toán liên quan đến máy gia tốc nhằm phục vụ cho công tác xạ trị khác đã và đang thực hiện [81].

Tóm lại: Việc áp dụng máy gia tốc tuyến tính trên thế giới và tại Việt Nam ngày càng trở nên phổ biến, nhiều công trình nghiên cứu về máy gia tốc, áp dụng phương pháp Monter Carlo mô phỏng, tính toán, phần lớn các công trình đã tập trung vào mục đích tối ưu hóa công tác xạ trị giảm tổn thương đến các mô lành xung quanh khối u. Một trong những vấn đề hết sức quan trọng là mô phỏng, tính toán, đo đạc để đưa ra các khuyến cáo về ATBX cho bệnh nhân, nhân viên vận hành máy, các y sĩ, bác sỹ, người nhà bệnh nhân và cư dân xung quanh khu vực xạ trị, nhằm đảm bảo liều hấp thụ bức xạ đối với các đối tượng này đạt đến mức thấp nhất có thể (qui tắc ALARA). -4- Từ thực trạng trên tác giả đã chọn đề tài sử dụng chương trình MCNP5 trong tính toán phân bố trường liều electron, photon cho máy gia tốc Primus, trong và ngoài phòng xạ trị tại Trung tâm Ung bướu thuộc Bệnh viện Đa khoa Đồng Nai –Đây là một loại máy đang sử dụng phổ biến trong công tác xạ trị hiện nay. Mục tiêu của luận án - Tính toán mô phỏng và đo thực nghiệm nhằm khảo sát phân bố suất liều electron, photon đối với máy gia tốc điện tử tuyến tính tại Trung tâm Ung bướu thuộc Bệnh viện Đa khoa Đồng Nai, trên cơ sở đó có những khuyến cáo cần thiết về mặt ATBX cho bệnh nhân, nhân viên vận hành máy, các y sĩ, bác sĩ và cư dân quanh khu vực xạ trị.

- Bước đầu khảo sát sự tồn tại bức xạ neutron đối với máy gia tốc để khẳng định sự tồn tại của neutron đồng thời định hướng cho những nghiên cứu kế tiếp. Nội dung thực hiện của luận án - Mô phỏng hình học của phòng xạ trị với cấu trúc phức tạp, kết cấu vật liệu đa dạng (Đây là nhiệm vụ khó khăn nhất đối với việc tính mô phỏng). - Sử dụng chương trình MCNP5 trong tính toán mô phỏng các số liệu hạt nhân, các quy luật của bức xạ, áp dụng tính toán đối với các bức xạ electron và photon: Mô phỏng, tính toán phân bố suất liều electron với năng lượng 5, 7, 8, 10, 12 và 14 MeV trong phòng xạ trị, với tất cả các góc quay của gantry tại tất cả các địa điểm của phòng, với các trường chiếu khác nhau. - Tính toán, đo đạc phân bố suất liều electron trong phantom nước.

- Mô phỏng, tính toán phân bố suất liều đối với chùm photon 6 MV và 15 MV trong và ngoài phòng xạ trị với các góc quay đặc trưng của gantry. - Sử dụng các thiết bị đo liều để đo suất liều electron và photon tại những vị trí trong và ngoài phòng xạ trị để kiểm chứng lại các kết quả tính toán, mô phỏng.