Luận văn Ứng dụng phantom để tính liều trong y học hạt nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH TRẦN THỊ ANH ĐÀO ỨNG DỤNG PHANTOM ĐỂ TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN Thành phố Hồ Chí Minh – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH TRẦN THỊ ANH ĐÀO ỨNG DỤNG PHANTOM ĐỂ TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN Chuyên ngành: VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN & NLC Mã số: 60.44.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGUYÊN TỬ HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐÔNG SƠN Thành phố Hồ Chí Minh - 2011 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của các thầy cô giáo Khoa Vật lý–Trường Đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh cùng sự động viên giúp đỡ của gia đình và bạn bè. Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến Sĩ Nguyễn Đông Sơn, phân viện Y Sinh thành phố, giảng viên bộ môn Y Học Hạt Nhân là người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua. Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Hạt Nhân, các thầy trong hội đồng xét duyệt đề cương luận văn – những người đã đưa ra những lời khuyên bổ ích cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các cô chú, anh chị và các bạn trong lớp Vật lý hạt nhân khoá 19 đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các bạn bè đã luôn bên tôi, tin tưởng và cổ vũ cho tôi suốt thời gian qua. MỤC LỤC 0TLỜI CẢM ƠN0T ...................................................................................................................... 3 0TMỤC LỤC0T ............................................................................................................................ 1 0TDANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT0T ........................................................... 4 0TCHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU0T ...................................................................................................... 5 0T1.1. NGUYÊN TẮC CỦA VIỆC ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN [1,2]0T ............................................................................................................................................. 5 0T1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN [1,2]0T ......................................................................................................................................................... 5 0T1.3. TÌNH HÌNH ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI0T .................................................................................................................... 6 0T1.4. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI0T ................................................................................................................ 7 0TCHƯƠNG 2 - CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO VÀ TÍNH LIỀU TRONG ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ0T ........................................................................................................ 9 0T2.1. MÔ HÌNH TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG THEO MIRD0T .................................................................... 9 0T2.1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN0T .................................................................................................... 10 0T2.1.2. PHƯƠNG PHÁP MIRD CƠ BẢN0T ......................................................................................... 13 0T2.1.3. PHANTOM MIRD0T .................................................................................................................. 19 0T2.1.4. XÁC ĐỊNH TỈ LỆ HẤP THỤ VÀ TỈ LỆ HẤP THỤ RIÊNG [67]0T........................................... 21 0T2.1.4.1.Phương pháp tính toán Monte Carlo [65]0T ........................................................................... 22 0T2.1.4.2.Phương pháp sử dụng hệ số tích lũy năng lượng hấp thụ0T .................................................... 25 0T2.1.4.3.Các kĩ thuật tính xấp xỉ0T ...................................................................................................... 26 0T2.4.1.4.Sự ngoại suy tỉ lệ hấp thụ riêng0T .......................................................................................... 26 0T2.2. PHƯƠNG PHÁP, KỸ THUẬT TÍNH LIỀU TRONG YHHN Ở MỨC VOXEL [84]0T ...................... 28 0T2.2.1. NHỮNG PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ TÍCH LUỸ Ở MỨC VOXEL HIỆN NAY 0T .......................................................................................................................................................... 30 0T2.2.2. NHỮNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LIỀU HIỆN NAY Ở MỨC VOXEL0T ........................ 30 0TCHƯƠNG 3 - SỰ PHÁT TRIỂN CỦA PHANTOM TRONG TÍNH LIỀU0T ................... 34 0T3.1. PHANTOM VẬT LÝ0T ...................................................................................................................... 34 0T3.2. PHANTOM MÁY TÍNH0T ................................................................................................................. 35 0T3.2.1. PHANTOM HÌNH HỌC0T .......................................................................................................... 36 0T3.2.1.1. PHANTOM DO REDDY, CALLAHAN VÀ BROWNELL PHÁT TRIỂN [3,4]0T .............. 37 0T3.2.1.2. PHANTOM MIRD – 50T ..................................................................................................... 37 0T3.2.1.3. GIA ĐÌNH PHANTOM HÌNH HỌC0T ................................................................................ 38 0T3.2.1.4. PHANTOM HÌNH HỌC GSF ADAM và EVA0T ................................................................ 40 0T3.2.1.5. KẾT LUẬN0T ...................................................................................................................... 41 0T3.2.2. PHANTOM VOXEL0T ............................................................................................................... 41 0T3.2.2.1. PHANTOM VOXEL GSF [5,14,13,47,10,11,6]0T................................................................ 41 0T3.2.2.2. PHANTOM VOXEL VIPMAN0T ........................................................................................ 46 0T3.2.2.3. PHANTOM VOXEL FAX06 VÀ MAX060T ...................................................................... 50 0T3.2.2.4. PHANTOM THAM KHẢO ICRP0T ................................................................................... 56 0T3.2.2.5. PHANTOM MÁY TÍNH NHẬT BẢN0T ............................................................................ 61 0T3.2.2.6. PHANTOM MÁY TÍNH VOXEL HÀN QUỐC0T ............................................................... 67 0T3.2.2.7. PHANTOM MÁY TÍNH VOXEL TRUNG QUỐC0T ......................................................... 73 0TCHƯƠNG 4 - SO SÁNH CẤU TRÚC VÀ TỶ LỆ HẤP THỤ RIÊNG CỦA PHANTOM VOXEL ICRP 110 VÀ PHANTOM TRONG PHẦN MỀM OLINDA0T ........................... 82 0T4.1. SO SÁNH CẤU TRÚC PHANTOM VOXEL THAM KHẢO ICRP 110 VÀ PHANTOM TRONG PHẦN MỀM OLINDA0T .......................................................................................................................... 83 0T4.1.1. PHANTOM VOXEL THAM KHẢO ICRP 110 [83]0T ............................................................... 83 0T4.1.2. PHANTOM HÌNH HỌC TRONG PHẦN MỀM OLINDA [82]0T ............................................... 84 0T4.1.3. SO SÁNH CẤU TRÚC PHANTOM VOXEL THAM KHẢO ICRP 110 VÀ PHANTOM OLINDA0T ........................................................................................................................................... 85 0T4.2. SO SÁNH CÁC HỆ SỐ SAF CỦA PHANTOM VOXEL THAM KHẢO ICRP 110 VÀ PHANTOM OLINDA0T ................................................................................................................................................ 88 0T4.3. KẾT LUẬN0T ..................................................................................................................................... 94 0TKẾT LUẬN0T ........................................................................................................................ 95 0T ÀI LIỆU THAM KHẢO0T ................................................................................................. 98 0BDANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÍ HIỆU A Hoạt độ phóng xạ A% Hoạt độ tích luỹ D Liều hấp thụ D& Suất liều τ Thời gian lưu trú ∆ Năng lượng trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích luỹ ϕ Tỉ lệ hấp thụ φ Tỉ lệ hấp thụ riêng B Hệ số tích luỹ năng lượng E Năng lượng f Tỉ lệ hoạt độ phóng xạ hấp thụ S Giá tị S CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3D 3 – Dimensions AFs Absord Fators CT Computed Tomography DCPX Dược Chất Phóng Xạ ĐVPX Đồng Vị Phóng Xạ GSF German ReSearch Center For Environment and Health IAEA International Atomic Energy Agency ICRP International Commission on Radiological Protection LET Linear Energy Transfer MIRD Medical International Radiation Dose MR Magnetic Resonance MRI Magnetic Resonance Image YHHN Y Học Hạt Nhân CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU 1.1. NGUYÊN TẮC CỦA VIỆC ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN [1,2] Y học hạt nhân (YHHN) là một chuyên khoa đặc biệt sử dụng các chất phóng xạ có yêu cầu an toàn cao, không gây đau cùng những công nghệ tiên tiến để xây dựng hình ảnh của cơ thể để chẩn đoán hoặc để điều trị bệnh. Trên cơ sở dựa vào các tác động vật lý và sinh lý của tia phóng xạ khi được hấp thụ vào tổ chức sinh học, một trong những ứng dụng quan trọng của YHHN là điều trị bằng bức xạ ion hoá. Gồm: - Điều trị chiếu ngoài (teletherapy): sử dụng các tia X, tia gamma cứng và các máy gia tốc để diệt tế bào ung thư. - Xạ trị áp sát (brachtherapy): các nguồn phóng xạ được áp lên da hoặc được đưa vào sát vị trí cần điều trị qua một hệ thống ống dẫn: nguồn được đặt trong hốc (intracavitary) gần khối u hoặc trong kẽ (interstitial) của khối u và có thể ở lại vĩnh viễn trong khối u hoặc được lấy ra sau đó. - Điều trị bằng đồng vị phóng xạ (radionuclide therapy): các chất phóng xạ được đưa trực tiếp vào các bộ phận, cơ quan để trị liệu. Kỹ thuật điều trị bằng dược chất phóng xạ (DCPX) hay đồng vị phóng xạ (ĐVPX) dựa trên nguyên tắc đó là chất phóng xạ được gắn vào một phân tử có khả năng hấp thụ mạnh trong mô cần điều trị (bia) và được đưa vào bằng đường máu hay uống, sau một thời gian chất này được mô bia hấp thụ rồi sẽ bài tiết dần ra ngoài. Cơ sở của việc điều trị bằng ĐVPX là hiệu ứng sinh vật học của bức xạ trên cơ thể sống. Các tổ chức sinh học trong cơ thể khi bị chiếu xạ, các tia phóng xạ gây ra hiện tượng ion hoá thông qua cơ chế tác động trực tiếp hay gián tiếp. Quá trình này dẫn đến những tác động lý – hoá gây tổn thương nguyên tử, phân tử, tế bào, cơ quan hoặc toàn cơ thể ở các mức độ khác nhau tuỳ thuộc liều chiếu, năng lượng tia, độ rộng của diện tích cơ thể bị chiếu, độ nhạy cảm phóng xạ của tế bào cơ quan bị chiếu và các yếu tố bên trong và bên ngoài khác. Hậu quả là tế bào của tổ chức cơ quan bị tổn thương hay chết. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN [1,2] Sự ra đời và phát triển của YHHN gắn liền với thành tựu và tiến bộ khoa học trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là của Vật lý hạt nhân (VLHN) , kỹ thuật điện tử, tin học và hoá dược phóng xạ. Điểm qua các mốc lịch sử đó ta thấy: - Năm 1896, Becquerel đã phát minh ra hiện tượng phóng xạ qua việc phát hiện bức xạ từ quặng Uran. Tiếp theo là các phát minh trong lĩnh vực Vật lý hạt nhân của ông bà Marie và Pierre Curie và nhiều nhà khoa học khác. - Một cột mốc quan trong trong kỹ thuật đánh dấu phóng xạ là năm 1931, George Hevesy bằng thực nghiệm trong hoá học đã dùng một ĐVPX để theo dõi phản ứng. Từ đó có nguyên lý Hevesy: “sự chuyển hoá của các đồng vị của một nguyên tố trong tổ chức sinh học là giống nhau”. - Năm 1934 được đánh giá là một mốc lịch sử của VLHN và YHHN. Năm đó hai nhà bác học Irena và Frederick Curie bằng thực nghiệm dùng hạt α bắn phá vào hạt nhân nguyên tử nhôm, lần đầu tiên tạo ra ĐVPX nhân tạo 30P và hạt neutron. Nhờ phát hiện ra hạt neutron đã có nhiều tiến bộ trong xây dựng các máy giá tốc, một phương tiện hiện nay có ý nghĩa to lớn trong việc điều trị ung thư và sản xuất các đồng vị phóng xạ ngắn ngày. - Năm 1941 lần đầu tiên Hamilton dùng 131I để điều trị bệnh tuyến giáp, mở đầu cho việc sư dụng rộng rãi các ĐVPX nhân tạo vào điều trị bệnh. - Đầu tiên YHHN chỉ có các hợp chất vô cơ để sử dụng. Sự tiến bộ của các kỹ thuật sinh hoá, hoá dược làm xuất hiện nhiều khả năng gắn các ĐVPX vào các hợp chất hữu cơ phức tạp, kể cả các kỹ thuật sinh tổng hợp (Biosynthesis). Ngày nay, chúng ta đã có rất nhiều hợp chất hữu cơ với các ĐVPX mong muốn để ghi hình và đeiều trị kể cả các enzyme, các kháng nguyên, các kháng thể phức tạp 1.3. TÌNH HÌNH ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC HẠT NHÂN TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI Bức xạ gamma và tia X đã được ứng dụng vào ngành Y tế nước ta từ lâu khi hình thành ngành quang tuyến học và thành lập Viện Radium ở Hà Nội. Các nguồn đồng vị phóng xạ hở được đưa vào sử dụng ở nước ta từ những năm 1970 với các cơ sở ở Hà Nội và Sài Gòn cũ. Từ đó đến nay chuyên ngành YHHN được phát triển khá nhanh, cho đến nay nước ta có hơn 20 cơ sở YHHN ở các quy mô khác nhau. Tuy chưa được trang bị đầy đủ nhưng họ đã góp phần chẩn đoán và điều trị cho hàng chục ngàn bệnh nhân trong một năm. Hiện có hơn 10 cơ sở trong cả nước dùng các nguồn phóng xạ hở và hàng chục cơ sở khác dùng nguồn phóng xạ kín trong điều trị. Chúng ta có Hội chuyên khoa YHHN kết hợp với hội chuẩn đoán hình ảnh Y học. Đặc điểm tình hình điều trị bằng đồng vị phóng xạ tại Việt Nam hiện nay [2]: Có vai trò và hoạt động tốt ở một số bệnh viện lớn. Có một đội ngũ cán bộ chuyên môn tuy chưa nhiều. Trang bị chưa đồng bộ và còn nghèo. Dược chất phóng xạ còn phải nhập là chủ yếu. Kiểm chuẩn, sữa chữa, sản xuất trang thiết bị còn yếu. Trên thế giới, mức độ phát triển của YHHN các nước tuỳ vào trang bị ghi đo phóng xạ, khả năng cung cấp DCPX và cán bộ chuyên môn. Đặc biệt ngày nay việc phát triển điều trị ung thư không thể không sử dụng bức xạ ion hoá. Tuy nhiên trình độ phát triển chuyên ngành YHHN các nước rất khác nhau: mức độ cao ở các nước tiên tiến, mức độ trung bình ở các nước đang phát triển, mức độ thấp hoặc chưa sử dụng các nguồn phóng xạ hở ở các nước nghèo và khó khăn. Tuy vậy tình hình đó sẽ thay đổi nhanh chóng theo sự phát triển của kinh tế và khoa học kỹ thuật từng nước. 1.4. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Một trong các bước quan trọng của quá trình điều trị bằng ĐVPX đó là tính phân bố liều trong cơ thể bệnh nhân. Việc đo đạc mức độ tập trung chất phóng xạ trong các vùng của cơ thể là cần thiết cho việc tính liều hấp thụ một cách chính xác và ước lượng được hiệu quả điều trị cũng như đánh giá các biến chứng có thể gặp cho các mô lành. Tuy nhiên công tác này đã và đang đặt ra không ít khó khăn và thách thức cho các nhà khoa học và đội ngũ y bác sĩ bởi trên thực tế, việc đo đạc liều phóng xạ trực tiếp bằng các detector (đầu dò phóng xạ) trong cơ thể người là không khả thi, vì vậy hiện nay việc ước tính liều cho các cơ quan thường được dựa vào các mô hình cơ thể người vật lý hay máy tính (physical or computational anthropomorphic models), gọi chung là Phantom Vật lý và Phantom máy tính. Từ những năm 1960, các phantom đại diện cho cơ thể người ứng dụng trong các nghiên cứu về bức xạ ion hoá đã được phát triển rộng rãi trong cộng đồng khoa học bức xạ, đặc biệt các phantom máy tính không chỉ chứa những đặc điểm bên ngoài mà còn bao gồm các chi tiết giải phẫu cơ quan nội tạng trong cơ thể. Những phantom này được kết hợp với phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các tương tác bức xạ phức tạp, năng lượng tích tụ trong cơ thể bệnh nhân và thực hiện ước tính liều cho các cơ quan nội tạng trong những điều kiện chiếu xạ khác nhau. Tuy nhiên cho đến nay, việc định liều cho bệnh nhân trong điều trị bằng đồng vị phóng xạ dựa trên các phantom một cách chính xác, khoa học và có tính hệ thống chỉ mới được phát triển và việc áp dụng phương pháp khoa học này vào trong ứng dụng lâm sàng tại các cơ sở điều trị Y học hạt nhân trên thế giới còn khá hạn chế. Đặc biệt ở Việt Nam việc xây dựng và ứng dụng phantom vào điều trị bằng đồng vị phóng xạ vẫn còn khá mới mẻ, do vậy mục đích thực hiện của luận văn đó là tìm hiểu quá trình phát triển và xây dựng các mô hình cơ thể người – phantom – trong cộng đồng nghiên cứu khoa học, với tinh thần học hỏi để xây dựng một mô hình đại diện đơn giản và áp dụng vào tính liều trong một số trường hợp bệnh cụ thể. Tuy nhiên do nhiều hạn chế về thời gian và điều kiện nghiên cứu, cũng như tính phức tạp cao của vấn đề nên luận văn chỉ tập trung vào việc thực hiện các nghiên cứu về quá trình xây dựng một số phantom tiêu biểu và thiết lập so sánh các giá trị tỷ lệ hấp thụ riêng – SAF – hệ số cần thiết để tính liều hấp thụ, được xác định bởi tỷ số giữa năng lượng hấp thụ bởi vùng bia và năng lượng phát xạ bởi vùng nguồn trong một số trường hợp cụ thể. Quá trình nghiên cứu bắt đầu bằng tìm hiểu các kiến thức tổng quan về khái niệm và nguyên tắc điều trị bằng đồng vị phóng xạ ở chương một – chương mở đầu. Chương hai bao gồm các phương pháp cơ sở để xác định liều điều trị trong Y học hạt nhân. Chương ba sẽ khái quát quá trình phát triển, xây dựng các phantom trong tính liều điều trị. Chương cuối – Chương 4 trình bày những so sánh về cấu trúc và các giá trị tỷ lệ hấp thụ riêng SAF của phantom hình học trưởng thành OLINDA và phantom voxel tham khảo trưởng thành ICRP 110. CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ CỦA PHÉP ĐO VÀ TÍNH LIỀU TRONG ĐIỀU TRỊ BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ Mục đích của điều trị bằng ĐVPX là cung cấp cho tổ chức bệnh lý trong cơ thể một lượng liều hấp thụ vừa đủ để tiêu diệt được chúng mà không gây tác hại đến các mô lành xung quanh, tức phải đảm bảo ATBX cho bệnh nhân. Do đó đánh giá liều hấp thụ nhận bởi bệnh nhân với độ chính xác cao là đòi hỏi quan trọng trong điều trị, có tính chất quyết định cho hiệu quả điều trị. Chương này trình bày những hiểu biết về cơ sở của kỹ thuật đo và tính liều trong YHHN. Cơ sở kỹ thuật này được phát triển chủ yếu bởi Ủy ban Liều Bức Xạ Chiếu Trong trong Y Học của hội Y Học Hạt Nhân của Mỹ (Medical Internal Radiation Dose Commitee), gọi tắt là MIRD. Việc đánh giá liều chiếu trong trong YHHN thường sử dụng các kĩ thuật, các phương trình, và các nguồn tư liệu cung cấp bởi tổ chức này. Suốt 3 thập kỉ gần đây, những xuất bản của ủy ban MIRD đã giải quyết những khía cạnh khác nhau về phép đo liều chiếu trong. Những mô hình được phát triển bởi MIRD đã được thế giới công nhận rộng rãi [60,61]. Do đó, luận văn sẽ tìm hiểu và trình bày chi tiết về phương pháp MIRD. 2.1. MÔ HÌNH TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG THEO MIRD Do không thể thực hiện phép đo trực tiếp trong cơ thể bệnh nhân, liều hấp thụ chỉ có thể được tính toán gián tiếp dựa trên các phantom (vật giả người) hay các mô hình toán học mô tả cơ thể người. Phương pháp MIRD tính toán liều hấp thụ của vùng (region) hay cơ quan (organ) nhận bức xạ từ cơ quan hoặc vùng phát bức xạ. Trong nhiều trường hợp, ‘vùng’ đồng nghĩa với ‘cơ quan’ (như gan hoặc tủy xương). Trong một số trường hợp, ‘vùng’ có thể là một bộ phận của cơ quan (như nhân có đuôi trong não) hay một bộ phận của mô (nghĩa là voxel), cách tính toán cho những trường hợp cụ thể này được xem xét riêng biệt. Vùng hay cơ quan nhận bức xạ được gọi là vùng bia (target region) hay cơ quan bia (target organ), kí hiệu rk, gọi tắt là bia. Vùng hay cơ quan phát bức xạ được gọi là vùng nguồn (source region) hay cơ quan nguồn (source organ), kí hiệu rh, gọi tắt là nguồn. Bia và nguồn có thể là hai cơ quan riêng biệt và cũng có thể trùng nhau. Dạng hình học của các cơ quan bia và cơ quan nguồn được mô phỏng bằng mô hình giải phẫu chuẩn (standard a