Đánh giá sự khác biệt về phân bố liều khi sử dụng thuật toán tính liều aaa và acuros xb của phần mềm eclipse so với đo đạc trong vùng có mật độ không đồng nhất trên máy Truebeam STX tại bệnh viện 108

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 12 Số 65 - Tháng 12/2020 1. MỞ ĐẦU Xạ trị là một trong những phương pháp chính được sử dụng trong điều trị ung thư hiện nay dựa vào khả năng tiêu diệt tế bào ung thư của bức xạ ion hoá. Trong xạ trị, để đảm bảo kết quả điều trị tối ưu thì độ chính xác của quá trình tính toán liều lượng trên cơ thể bệnh nhân là vô cùng quan trọng và phụ thuộc chủ yếu vào các thuật toán tính liều với khả năng hiệu chỉnh sự không đồng nhất của chúng. Theo ủy ban quốc tế về các đơn vị và đo lường bức xạ (ICRU), sai số về liều trong quy trình tổng thể được đề xuất là từ 3% đến ± 3,5%, vì vậy, độ chính xác của phân bố liều tính toán phải nằm trong khoảng từ 1% đến 2% [1]. Các thuật toán tính liều là một phần trong hệ thống lập kế hoạch và đóng vai trò trung tâm trong thực hành lâm sàng của xạ trị. Các thuật toán tính liều cho chùm photon năng lượng cao đã được phát triển đầu tiên bởi Schoknecht vào năm 1967 được thực hiện trong phantom nước đồng nhất để xác định các thông số cần thiết [6]. Tuy nhiên, cơ thể con người không đồng nhất mà bao gồm nhiều cơ quan có mật độ khác nhau và với mỗi bệnh nhân là khác nhau, do đó, khi tính toán trên thực tế cần có sự can thiệp của các yếu tố hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác về liều ĐÁNH GIÁ SỰ KHÁC BIỆT VỀ PHÂN BỐ LIỀU KHI SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TÍNH LIỀU AAA VÀ ACUROS XB CỦA PHẦN MỀM ECLIPSE SO VỚI ĐO ĐẠC TRONG VÙNG CÓ MẬT ĐỘ KHÔNG ĐỒNG NHẤT TRÊN MÁY TRUEBEAM STX TẠI BỆNH VIỆN 108 Độ chính xác về liều là một trong những yếu tố quyết định đến kết quả xạ trị đối với bệnh nhân. Để đảm bảo được yếu tố này thì độ chính xác của các thuật toán tính liều được sử dụng trên các hệ thống lập kế hoạch là vô cùng quan trọng. Kết quả của một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thuật toán với khả năng hiệu chỉnh sự không đồng nhất về mật độ trong cơ thể bệnh nhân sẽ mang lại độ chính xác cao hơn. Đối với hệ thống máy TrueBeam STx tại Bệnh viện TƯQĐ 108, để đánh giá độ chính xác của hai thuật toán hiện có là AAA và AXB, trong vùng có mật độ không đồng nhất, nghiên cứu đã được thực hiện trên hệ phantom được thiết kế tương đương như vùng ngực của bệnh nhân. Qua đó so sánh phân bố liều theo độ sâu thu được từ tính toán bởi thuật toán AAA và AXB trên hệ thống lập kế hoạch Eclipse 13.6 của hãng Varian với phân bố liều thu được từ đo đạc trên cùng một hệ phantom tại hai vị trí: trục trung tâm và biên trường chiếu. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tại trung tâm trường chiếu, trong khi AXB đánh giá thấp liều ở vùng có mật độ thấp so với đo đạc, nhỏ hơn 20% thì AAA đánh giá cao liều trong vùng này, có thể lên tới 60%, đặc biệt với các trường chiếu nhỏ và năng lượng cao. Thuật toán AXB cho kết quả phân bố liều theo độ sâu thấp hơn thực tế và gần với giá trị đo đạc hơn thuật toán AAA. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 13Số 65 - Tháng 12/2020 lượng. Đối với mỗi hệ thống lập kế hoạch điều trị, kỹ sư vật lý là người trực tiếp sử dụng các thuật toán tính liều, cần nắm được các ưu, nhược điểm của từng thuật toán cụ thể đi kèm với hệ thống máy và tư vấn cho các bác sĩ xạ trị về độ chính xác của phân bố liều được tính toán trong các tình huống khác nhau liên quan đến lâm sàng. Từ đó, tuỳ vào từng khu vực điều trị và chỉ định điều trị nhất định, các thuật toán tính liều phù hợp nhất sẽ được lựa chọn để mang đến kết quả tính toán tối ưu. Trên thế giới hiện nay đã có nhiều nghiên cứu tập trung so sánh sự khác biệt cũng như ưu, nhược điểm của các thuật toán tính liều tại các trung tâm xạ trị. Về cơ bản, các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, càng các thuật toán có khả năng hiệu chỉnh sự không đồng nhất trong cơ thể bệnh nhân sẽ mang lại độ chính xác cao hơn. Tuy nhiên tại nước ta, hiện chưa có nghiên cứu nào được thực hiện để xác định mức độ khác biệt này. Do đó, nghiên cứu đã được thực hiện trên hệ phantom với thiết kế tương đương như vùng ngực của bệnh nhân, là khu vực có sự thay đổi lớn về mật độ nhằm mục đích đánh giá sự khác biệt về phân bố liều theo độ sâu của các thuật toán (cụ thể ở đây là 2 thuật toán AAA và AXB) trong vùng có mật độ không đồng nhất trên hệ thống máy TrueBeam STx tại Bệnh viện TƯQĐ 108. Qua đó, các kỹ sư vật lý có thể đưa ra quyết định lựa chọn các thuật toán tính liều phù hợp và giải thích cho các bác sỹ trong trường hợp phân bố liều không như mong muốn trong khu vực kể trên. 2. NỘI DUNG 2.1. Đối tượng và Phương pháp Trên phần mềm Eclipse 13.6 của hãng Varian hiện có một số thuật toán có thể được sử dụng để tính toán phân bố liều photon, trong đó, được sử dụng rộng rãi hơn cả là 2 thuật toán AAA và AXB. Hình 1. Phương pháp so sánh Thuật toán AAA được Tiến sĩ Waldemar Ulmer và Wolfgang Kaissl giới thiệu vào năm 1995, là thuật toán tích chập / chồng chất chùm bút chì 3D sử dụng mô hình EGSnrc Monte Carlo để mô hình hoá cho các photon sơ cấp, photon tán xạ ngoài trục và electron tán xạ từ các thiết bị chuẩn trực chùm tia [6]. Hiệu chỉnh sự không đồng nhất được thực hiện thông qua các phép chia tỷ lệ. AAA đã cho thấy độ chính xác được cải thiện so với các thuật toán trước đây và tốc độ tính toán đủ nhanh cho hầu hết các trường hợp lâm sàng. Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp chia tỷ lệ để hiệu chỉnh cho sự không đồng nhất là không đủ để xử lý nhiễu loạn liều mạnh trong trường hợp có các yếu tố mật độ cao. Thuật toán Acuros XB trực tiếp giải thích cho các tác động của sự không đồng nhất lên phân bố liều thông qua việc giải phương trình vận chuyển Bolzmann tuyến tính (LBTE) [8]. Acuros XB được tích hợp vào Eclipse dưới dạng thuật toán tính liều và sử dụng mô hình nguồn có nguồn gốc từ AAA. Acuros XB là một trong những phương pháp tính liều có thể đạt được độ chính xác tiệm cận với mô phỏng Monte Carlo mà vẫn đảm bảo THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 14 Số 65 - Tháng 12/2020 thời gian tính toán nằm trong ngưỡng chấp nhận được, tuy nhiên thời gian tính toán vẫn dài hơn so với AAA. Việc ưu tiên lựa chọn thuật toán khi lập kế hoạch điều trị sẽ phụ thuộc vào từng trường hợp lâm sàng và nên được nghiên cứu và có các quy trình cụ thể cho từng trung tâm xạ trị hiện đang sử dụng 2 thuật toán này. Hình 2. Sơ đồ thiết lập hệ phantom trong tính toán và đo đạc Trong nghiên cứu này, độ chính xác của các thuật toán tính liều AAA và AXB được so sánh dựa trên sự khác biệt về liều sâu phần trăm (Percent Depth Dose – PDD so với đo đạc thực tế trên cùng một hệ phantom (hình 2). Hệ phantom gồm phantom rắn và khí sẽ được thiết lập như hình 2. Hệ bao gồm 12 lớp thể tích dày 1 cm, rộng 30 x 30 . Trong đó, 6 lớp là phan- tom rắn tương đương mô và 6 lớp là không khí và xốp tương đương khí. Hình 3. Mô hình thiết kế tính toán và đo đạc Phân bố liều sẽ được tính theo các trường chiếu khác nhau gồm 2x2 , 4x4 , 6x6 , 8x8 , 10x10 với mỗi mức năng lượng hiện có của hệ thống máy Truebeam Stx tại trục trung tâm và biên trường chiếu. Đối với hệ đo thực nghiệm, Đầu đo buồng ion hoá CC13 được đưa vào để đo đạc giữa các tấm phantom rắn và trong không khí (nhờ bệ đỡ bằng xốp tương đương không khí) ở các độ sâu lần lượt là : 1 ; 2 ; 3 ; 4,5 ; 5,5 ; 6,5 ; 7,5 ; 8,5 ; 9,5 ; 11 cm và được ghi nhận tại 2 vị trí là trục trung tâm và biên trường chiếu. Vị trí trục trung tâm là như nhau với mọi trường chiều. Vị trí biên trường chiếu với các trường chiếu khác nhau sẽ khác nhau. Hình 4. Hệ đo thực nghiệm Trường chiếu 2x2: vị trí 0,4 cm từ trục trung tâm. Trường chiếu 4x4: vị trí 1 cm từ trục trung tâm. Trường chiếu 6x6: vị trí 2 cm từ trục trung tâm. Trường chiếu 8x8: vị trí 3 cm từ trục trung tâm. Trường chiếu 10x10: vị trí 4 cm từ trục trung tâm. Hình 5. Mô hình thực tế hệ đo Đầu đo buồng ion hoá CC13 được kết nối với điện kế Dose1 đề ghi nhận giá trị điện tích. Các THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 15Số 65 - Tháng 12/2020 giá trị này sau đó sẽ được chuẩn hoá về liều tương đối dựa vào liều tại độ sâu đạt giá trị cực đại. Đo đạc được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ 23oC và độ ẩm 60%. 2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết quả cho thấy, trong đo đạc thực tế, với trường chiếu nhỏ, sự giảm liều trong vùng không đồng nhất tỷ lệ thuận với năng lượng chùm tia, năng lượng càng cao, sự giảm liều càng lớn. Tương tác của bức xạ bị ảnh hưởng khi đi từ vùng có mật độ cao (nước) sang vùng có mật độ thấp (khí), và làm giảm liều trong khu vực này, đồng thời làm tăng liều trong vùng liền kề có mật độ cao hơn (xương). Tại độ sâu 2 cm trong phantom rắn, với trường chiếu 2 x 2, năng lượng 6 MV, PDD giảm chỉ còn 31,64 % so với liều tối đa khi xuống đến độ sâu 7,5 cm trong không khí và với năng lượng 15 MV, PDD giảm chỉ đạt 27,9 % (hình 6). Việc giảm liều hấp thụ ở vùng phổi rõ rệt hơn với trường chiếu nhỏ do quãng chạy của điện tử trong vùng có mật độ thấp lớn hơn bán kính trường chiếu, dẫn đến điện tử vận chuyển ra bên ngoài trường và không đóng góp vào liều hấp thụ tại khu vực khảo sát. Năng lượng càng cao, quãng chạy của các hạt điện tử càng lớn, mức độ đóng góp vào liều hấp thụ càng giảm. Hình 6. PDD tại trục trung tâm, trường chiếu 2 x 2 cm2 Hình 7. PDD tại trục trung tâm, trường chiếu 10 x 10 cm2 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 16 Số 65 - Tháng 12/2020 Đối với tính toán trên hệ thống lập kế hoạch, thuật toán AXB phản ánh được sự giảm liều này với kết quả PDD là 11,56 % liều tối đa tại 7,5 cm với năng lượng 6 MV và 16,9 % liều tối đa với năng lượng 15 MV, gần với giá trị đo đạc hơn. Từ đó có thể thấy, với năng lượng càng cao, thuật toán AXB càng cho kết quả chính xác. Trong khi đó, thuật toán AAA cho kết quả PDD là 76,15 % liều tối đa tại 7,5 cm với năng lượng 6 MV và 86,17 % liều tối đa với năng lượng 15 MV, cao hơn nhiều so với thực tế. Kết quả này không những không phản ánh được sự giảm liều rõ rệt trong vùng có mật độ thấp mà với năng lượng cao, còn có sự tăng lên so PDD đo đạc. Rõ ràng, mặc dù đã có sự can thiệp của các phương pháp hiệu chỉnh không đồng nhất, nhưng do thuật toán AAA không trực tiếp mô hình hoá quá trình vận chuyển các điện tử thứ cấp như AXB mà thông qua phương pháp chia tỷ lệ được tính gần đúng nên kết quả vẫn chưa phản ánh được chính xác phân bố liều thực tế trong vùng này. Tại trục trung tâm trường chiếu lớn, theo đo đạc, trong vùng có mật độ thấp, năng lượng càng cao, mức độ sụt liều càng ít. Mức độ sụt liều cũng tỷ lệ thuận với trường chiếu, trường chiếu càng nhỏ, sự sụt liều trong vùng có mật độ thấp càng rõ rệt. Cụ thể, với trường 10 x 10 , năng lượng 6 MV có PDD tại độ sâu 7,5 cm là 66,74 % liều tối đa, 15 MV là 72,14 %. Với trường 8 x 8 , năng lượng 6 MV là 63,18 % và năng lượng 15 MV là 65,32 % (hình 7). Hình 8. PDD tại trục trung tâm và biên trường chiếu 8 x 8 cm2 Hình 9. PDD tại trục trung tâm và biên trường chiếu 10 x 10 cm28 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 17Số 65 - Tháng 12/2020 Tại biên trường chiếu lớn, mức độ giảm liều rõ rệt hơn so với vị trí trục trung tâm, tuy nhiên không thay đổi đáng kể với sự thay đổi của năng lượng và trường chiếu. Cụ thể, PDD tại độ sâu 7,5 cm với trường chiếu 10 x 10 và năng lượng 6 MV, là 59,34 %, năng lượng 15 MV là 63,07 %. Với trường chiếu 8 x 8 , năng lượng 6 MV là 56,79 % và năng lượng 15 MV là 57,79 % (hình 8). Do tại cạnh chùm tia, đóng góp của thành phần sơ cấp cũng như thứ cấp bị giảm do nằm gần vùng bán rạ, dẫn đến sự giảm liều cũng như ít bị ảnh hưởng hơn bởi sự thay đổi năng lượng cũng như trường chiếu. Trong phân bố liều thu được từ hệ thống lập kế hoạch, thuật toán AXB cho kết quả phù hợp hơn so với kết quả đo đạc thực tế và đáp ứng với sự thay đổi liều khi mật độ môi trường thay đổi. Cụ thể, với trường chiếu 10 x 10 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là 48,85 % với năng lượng 6 MV và 57,86 % với năng lượng 15 MV. Với trường chiếu 8 x 8 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là 45,23 % với năng lượng 6 MV và 53,95 % với năng lượng 15 MV. Thuật toán AAA cho kết quả giảm nhe, khác biệt không đáng kể giữa các vùng, với trường chiếu 10 x 10 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là 80,73 % với năng lượng 6 MV và 89,11 % với năng lượng 15 MV. Với trường chiếu 8 x 8 , PDD tại độ sâu 7,5 cm là 79,89 % với năng lượng 6 MV và 89,5 % với năng lượng 15 MV. Kết quả cho thấy, ở vùng ngoài khoang khí, những vị trí nằm trong phantom rắn, các PDD được tính toán với cả 2 thuật toán đều cho kết quả tốt, tương đương nhau với sai số nằm trong ngưỡng có thể chấp nhận được, thấp hơn 5%. Ở trung tâm khoang khí, liều tính được với các thuật toán tại trục trung tâm tại độ sâu 7,5 cm có độ lệch so với đo đạc lần lượt là AAA cao hơn 44,51% và AXB thấp hơn 20,1%. Từ đó cho thấy, AXB cho kết quả có độ chính xác cao hơn trong hiệu chỉnh độ không đồng nhất nhờ mô phỏng được sự vận chuyển các hạt điện tử trong vật chất [13]. AAA đánh giá thấp liều so với thực tế ở vùng có mật độ cao (phantom rắn tương đương nước) và đánh giá cao liều cũng so với thực tế, khi đi vào vùng có mật độ thấp hơn (không khí). Tuy nhiên, ở khoảng cách xa các vùng không đồng nhất, AAA cho kết quả tương đương với AXB và nằm trong giới hạn chấp nhận được. 3. KẾT LUẬN Qua nghiên cứu nhận thấy, tại trung tâm trường chiếu, trong khi AXB đánh giá thấp liều ở vùng có mật độ thấp so với đo đạc, nhỏ hơn 20% thì AAA đánh giá cao liều trong vùng này, có thể lên tới 60%, đặc biệt với các trường chiếu nhỏ và năng lượng cao. Trong lâm sàng, với liều được chỉ định cho khối u nằm trong trong vùng có mật độ thấp, kế hoạch sử dụng thuật toán AAA để điều trị trong thực tế sẽ đưa đến phân bố liều tốt trên kế hoạch, tuy nhiên hụt liều rất nhiều trên thực tế, làm giảm khả năng kiểm soát khối u và dẫn đến các hậu quả điều trị tiêu cực. Thuật toán AXB cho kết quả phân bố liều theo độ sâu thấp hơn thực tế và gần với giá trị đo đạc hơn thuật toán AAA. Do đó, với các trường hợp bệnh nhân có thể tích điều trị nhỏ, trong khoảng từ 2-4 cm, nằm trong vùng có sự thay đổi mật độ lớn như vùng ngực, các xoang khí (hốc mũi) bắt buộc áp dụng thuật toán tính liều AXB để mang lại kết quả tính toán chính xác hơn là điều cần thiết. Đối với các khối u có kích thước lớn và nằm trong vùng có mật độ thấp, cần sử dụng các trường chiếu lớn hơn nên sử dụng thuật toán AXB để tính toán trong quá trình lập kế hoạch điều trị. Tuy nhiên, đối với các trường hợp này, nếu mục đích điều trị là giảm nhẹ, cần thời gian lập kế hoạch và điều trị gấp rút, có thể cân nhắc sử dụng thuật toán AAA, nhưng với năng lượng thấp (<10 MV) để hạn chế THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 18 Số 65 - Tháng 12/2020 sai số có thể xảy ra. Trong những vùng đồng nhất, việc lựa chọn thuật toán tính liều tuỳ thuộc hoàn cảnh lâm sàng (cân nhắc đến thời gian tính toán và chỉ định của bệnh nhân) vì kết quả tính toán của 2 thuật toán AAA và AXB so với đo đạc gần như tương đương. Nguyễn Thị Vân Anh Khoa Xạ trị-Xạ phẫu, Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Handbook of Radiotherapy Physics - Theory and Practice.pdf.” . [2] I. Samy Hanna, PhD, PE. – Consultant, Altair Technologies, “Role Of The Linear Accelerator (LINAC) In Cancer Radiation Therapy.” [Online]. Available: linear-accelerator-linac-in-cancer-radiation- therapy/. [3] W. H. Choi and J. Cho, “Evolving Clinical Cancer Radiotherapy : Concerns Regarding Nor- mal Tissue Protection and Quality Assurance,” 2016. [4] T. U. G. S. of medicine Department of Ra- diation Oncology, “Division of Medical Phys- ics.” [Online]. Available: tohoku.ac.jp/medical-physics/english/research. html. [5] J. of M. P.-M. Pham Hong Lam, Nguyen Thi Van Anh, Pham Quang Trung, “Evaluate Dose Distribution of IMRT and VMAT Technique in Radiotherapy for Head and Neck Cancer Using TrueBeam Stx Linear Accelerator,” pp. 180–187. [6] L. Lu, “Dose calculation algorithms in exter- nal beam photon radiation therapy,” vol. 1, no. 2, pp. 1–4, 2013. [7] J. Van Dyk, The Modern Technology of Radia- tion Oncology. [8] M. Alber, “Validation of the Acuros XB dose calculation algorithm versus Monte Carlo for clinical treatment plans.” [9] H. G. Menzel, “The international commission on radiation units and measurements,” J. ICRU, vol. 10, no. 2, pp. 1–35, 2010. [10] L. Rock et al., AAPM Report 85. Tissue In- homogeneity Corrections for Megavoltage Pho- ton Beams, vol. 65, no. 85. 2004. [11] Varian Medical Systems, “Eclipse Photon and Electron Algorithm Reference Guide,” no. April, pp. 263–348, 2017. [12] D. Robinson, “Inhomogeneity correction and the analytic anisotropic algorithm,” Journal of Applied Clinical Medical Physics, vol. 9, no. 2, pp. 112–122, 2008. [13] Y. L. Woon, S. P. Heng, J. H. D. Wong, and N. M. Ung, “Comparison of selected dose calcu- lation algorithms in radiotherapy treatment plan- ning for tissues with inhomogeneities,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 694, no. 1, pp. 1-5, 2016.