Nghiên cứu phương pháp tính toán liều lượng chùm bức xạ Proton trong điều trị ung thư

- TẠ THỊ VÂN ANH TẠ THỊ VÂN ANH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIỀU LƯỢNG CHÙM BỨC XẠ PROTON TRONG ĐIỀU TRỊ UNG THƯ VẬT LÝ KỸ THUẬT 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 VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.
- Ung thư và các phương pháp điều trị 1.1.1.
- Thực trạng của bệnh ung thư 1.1.1.1.
- Các phương pháp điều trị ung thư 1.2.
- Xạ trị trong điều trị ung thư 1.2.1.
- Khái niệm và vai trò của xạ trị trong điều trị ung thư 1.2.2.
- Các phương pháp xạ trị 1.2.2.1.
- Xạ trị ngoài (External Beam Radiotherapy) 1.2.2.2.
- Xạ trị áp sát (Brachytherapy) 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) 1.3.2.
- Kỹ thuật xạ trị điều biến cường độ chùm bức xạ (IMRT: Intensity Modulation RadioTherapy) 1.3.3.
- Xạ trị Proton CHƯƠNG 2 XẠ TRỊ UNG THƯ BẰNG PROTON 2.1.
- Lịch sử phát triển của xạ trị proton 2.2.
- Hiệu ứng sinh học của điều trị bằng xạ trị Proton 2.3.1 RBE 2.3.2.
- Các phương pháp tạo ra chùm tia proton 2.4.1 Phương pháp thường quy 2.4.2.
- Điều biến chùm tia 3.2.1.
- Lựa chọn năng lượng chùm tia 3.2.3.
- Kích thước và cường độ chùm tia 3.3.
- Tính ứng dụng trong thực tiễn CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG KẾ HOẠCH XẠ TRỊ SỬ DỤNG PROTON 4.1.
- Khoanh vùng 4.3 Lên kế hoạch điều trị 4.3.1 Xác định hướng chiếu 4.3.2 Xác định yêu cầu của kế hoạch điều trị.
- 4.4 Tính toán liều 4.4.1 Phương pháp chồng chập (Superposition) cho kế hoạch IMRT 4.4.2 Pencil beam cho kế hoạch IMPT 4.5 Đánh giá kế hoạch điều trị 4.5.1.
- Kế hoạch điều trị cho phantom 5.1.1.
- Điều biến chùm tia photon IMRT 5.1.2.
- Điều biến chùm tia proton IMPT 5.1.3 So sánh kết quả 5.1.3.1 DVH 5.1.3.2 Phân bố liều 5.2.
- Kế hoạch điều trị cho một prostate case 5.2.1.
- Điều biến chùm tia photon IMRT 5.2.2.
- Điều biến chùm tia proton IMPT 5.3.
- So sánh kết quả 5.3.1 Phân bố liều 5.3.2 DVH KẾT LUẬN HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3D-CRT : Three Dimension Conformal RadioTherapy AFC : Automatic Frequency Control CT : Computed Tomography IAP : In-air Profile ICRU : International Commission on Radiation Units and Measurement IGRT : Image Guided Radiation Therapy IMRT : Intensity Modulation RadioTherapy KERMA : Kinetic Energy Release per Mass LINAC : Linear Accelerator MLC : 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 RealART : Real-time Replanning Adaptive Radiation Therapy RPS : Relative Phantom Scatter SSD : Source to Surface Distance TERMA : Total Energy Release per Mass WHO : World Health Organization ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số loại ung thư thường gặp 3 Bảng 1.2: Năng lượng và chu kỳ rã nửa của một số nguồn phóng xạ sử dụng trong xạ trị áp sát 9 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 thường và máy gia tốc Laser 34 Bảng 3.2: So sánh giữa máy gia tốc hạt thông thường (Synclotron/Cyclotron) và Máy gia tốc proton bằng Laser 39 Bảng 5.1: Các ràng buộc về liều được sử dụng trong phần mềm Prowess Panther để tạo ra một kế họach điều trị photon IMRT 65 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Tỷ lệ chuẩn (%)theo giới của các ung thư chủ yếu Ở Hà Nội và Thành phố HồChí Minh 6 Hình 1.2: Tỷ lệ điều trị ung thư bằng các phương pháp khác nhau 8 Hình 1.3: Tấm áp bề mặt và các kim chứa nguồn phóng xạ Hình 1.4: Bốn trường MLC sử dụng trong một ví dụ về Step-and-shoot IMRT 12 Hình 2.1: Chiếc máy gia tốc Cyclotron đầu tiên (1929) với bán kính 5 inches tạo ra chùm hạt Proton có năng lượng 80 KeV 16 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 28 Hình 2.6: Giá trị EUD theo hệ số đặc trưng tế bào a 28 Hình 2.7: Mô hình Synchrotron 29 Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của Cyclotron 30 Hình 2.9: Cơ chế gia tốc Proton bằng laser 32 Hình 3.1: Sơ đồ máy gia tốc Proton Laser 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 bởi Fourkal và các cộng sự 37 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 41 Hình 4.2: Giao diện chính của CERR 42 iv Hình 4.3: Giao diện chính của phần mềm lập kế hoạch Prowess Panther 42 Hình 4.4: Ảnh CT được nhập vào trong hệ thống Panther Panther để khoanh vùng các thể tích cần được điều trị hay bảo vệ.
- 43 Hình 4.5: Khoanh vùng cho một trường hợp ung thư tuyến tiền liệt 44 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 hiện việc lên kế hoạch điều biến chùm tia proton 45 Hình 4.8: Giao diện của phần mềm CERR sau khi ảnh CT và các cơ quan được nhập vào vào 46 Hình 4.9: Xác lập hướng chiếu trong Prowess Panther 47 Hình 4.10: Xác lập hướng chiếu trong CERR 47 Hình 4.11: Đưa yêu cầu về liều vào khối u cũng như các cơ quan cần được bảo vệ vào trong hệ thống lập kế họach điều trị Prowess Panther 48 Hình 4.12: Thay đổi code để xác định yêu cầu về liều cho khối u và các cơ quan cần bảo vệ khi dùng phần mềm lên kế họach điều trị proton CERR.
- 49 Hình 4.13: Quy trình tối ưu hóa liều tính toán 50 Hình 4.14: Phân bố Kernel đối với chùm photon 10MV.
- 53 Hình 4.15: Một trường chiếu rộng sẽ được chia nhỏ thành nhiều trường chiếu nhỏ (pencil beam) cho việc tính tóan liều lượng 54 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 trị.
- 58 Hình 5.1: Phantom với thể tích cần điều trị được khoang vùng màu đó.
- Kế họach điều trị được thiết lập với một trường chiếu được sử dụng.
- 59 v Hình 5.2: Yêu cầu về kế họach xạ trị cho phantom được đưa vào trong phần mềm Prowess Panther.
- 60 Hình 5.3: Yêu cầu về kế họach xạ trị cho phantom được đưa vào trong phần mềm CERR dưới dạng giao diện và code 61 Hình 5.4: So sánh DVH của khối u cần điều trị giữa hai phương pháp điều trị: điều biến chùm tia proton IMPT (liền nét) và điều biến chùm tia photon IMRT (đứt nét) 61 Hình 5.5: So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử dụng photon IMRT (trái) và proton IMPT (phải).
- 62 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 dụng phantom.
- 63 Hình 5.8: Các ràng buộc về liều được sử dụng trong phần mềm CERR để tạo ra một kế họach điều trị proton IMPT 65 Hình 5.9: So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử dụng proton IMPT (trái) và photon IMRT (phải) trên lát cắt dọc 66 Hình 5.10: So sánh sự khác biệt về liều phân bố giữa hai kế họach điều trị sử dụng proton IMPT (trái) và photon IMRT (phải) trên lát cắt ngang và đứng 66 Hình 5.11: So sánh DVH của khối u cần điều trị giữa hai phương pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét) 67 Hình 5.12: So sánh DVH của ruột thẳng cần điều trị giữa hai phương pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét) 68 Hình 5.13: 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) 68 vi Hình 5.14: So sánh DVH của xương đùi trái cần điều trị giữa hai phương pháp điều trị: điều biến chùm tia proton (liền nét) và điều biến chùm tia photon (đứt nét) 69 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).
- 69 1 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của xạ trị, xạ trị bằng proton là một hướng đi mới rộng mở trong tương lai.
- Nhận biết được xu thế cũng như những hiệu quả vượt trội của việc dùng chùm tia Proton trong xạ trị.
- Tôi chọn đề tài nghiên cứu nhằm tiếp cận, tính toán và thử nghiệm công nghệ mới này nhằm góp phần nâng cao hiệu quả điều trị xạ trị cho người bệnh Ung thư.
- Để tìm hiểu về tính thực tế của điều trị bằng proton, tôi đã triển khai luận văn theo những bước sau: Sau phần giới thiệu chung và đặt vấn đề ở chương 1, trong chương 2, những vấn đề cơ bản của việc xạ trị ung thư bằng proton đã được tìm hiểu từ lịch sử phát triển, tính chất vật lý của chùm tia proton, cho đến các phương pháp tạo ra chùm tia proton.
- Việc tìm hiểu này hướng tôi đến việc tìm hiểu phương pháp tạo chùm tia proton dựa trên laser.
- Trong chương 3, tôi chỉ rõ đây là một phương pháp mang tính đột biến trong điều trị ung thư bằng proton và hứa hẹn sẽ giảm giá thành và tăng sự tiện dụng của điều trị ung thư bằng proton để nhiều bệnh nhân có thể tiếp cận với điều trị này.
- Để hiểu rõ hơn về việc lập kế hoạch điều tri bằng proton, một hệ thống lập kế hoạch xạ trị sử dụng proton được kết nối và thành lập.
- Tiếp theo, trên hệ thống này, tôi đã có thể so sánh các liều điều trị giữa hai kế hoạch xạ trị điều biến proton (IMPT) và xạ trị điều biến photon (IMRT).
- 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Trong chương này, tôi sẽ giới thiệu tổng quát về ung thư, các phương pháp chữa trị ung thư.
- Ung thư và các phương pháp điều trị 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.
- 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.
- 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 3 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 sống như tóc, lông, móng.
- Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có khoảng hơn 100 loại ung thư.
- Dưới đây là một số loại ung thư thường gặp: Bảng 1.1: Một số loại ung thư thường gặp [1] Ung thư da Ung thư vú Ung thư đầu cổ mặt Ung thư cổ tử cung Ung thư vòm họng Ung thư thân tử cung Ung thư thanh quản - Hạ họng Ung thư buồng trứng Ung thư sàng hàm Ung thư tiền liệt tuyến Các khối u não Ung thư bàng quang Ung thư thực quản Ung thư tinh hoàn 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 Hodgkin Di căn xa Nguyên nhân gây ra bệnh ung thư bao gồm nhiều yếu tố khác nhau hợp lại.
- 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.
- 4  Tuổi tác: Phần lớn các bệnh ung thư trở nên phổ biến khi chúng ta có tuổi bởi vì quá trình để một tế bào bình thường trở thành tế bào ung thư cần phải có một khoảng thời gian đáng kể.
- Việc đột biến tế bào có thể xảy ra trong quá trình phân chia tế bào khi tế bào mẹ đã bị ảnh hưởng bởi các chất sinh ung thư.
- Khi chúng ta sống càng lâu thì quá trình phân chia xảy ra càng nhiều vì thế nguy cơ đột biến tế bào xảy ra càng lớn.
- Di truyền: Đôi khi chúng ta sinh ra đã có những gen đột biến, những gen đột biến này có thể phát triển thành tế bào ung thư khi có điều kiện.
- Một số ung thư có tính di truyền cao hơn những ung thư khác, ví dụ: ung thư ruột (colon.
- Hệ thống miễn dịch của cơ thể: Cá nhân có những vấn đề về hệ thống miễn dịch sẽ có nguy cơ cao mắc bệnh ung thư.
- Thức ăn: Khẩu phần ăn uống cũng gây ảnh hưởng đến khả năng mắc bệnh ung 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.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt