Nghiên cứu đánh giá và tối ưu hóa trong xạ trị điều biến cường độ chùm proton - NCS. Nguyễn Thị Cẩm Thu

Tên đề tài luận án: Nghiên cứu đánh giá và tối ưu hóa trong xạ trị điều biến cường độ chùm proton
Ngành/ Chuyên ngành: Vật lí Nguyên tử và Hạt nhân
Mã số: 62 41 05 01
Họ tên nghiên cứu sinh: Nguyễn Thị Cẩm Thu
Khóa đào tạo: 2012-2015
Người hướng dẫn khoa học:
TS. Nguyễn Thái Bình
PGS. TS. Mai Văn Nhơn
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQG.HCM

1. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN:
Xạ trị bằng chùm proton đang là xu thế phát triển hiện nay trong lĩnh vực xạ trị vì hiệu quả điều trị vượt trội của nó so với chùm photon đang được sử dụng phổ biến trong lâm sàng. Thách thức đối với xạ trị bằng chùm proton là độ chính xác trong đánh giá và tối ưu hóa phân bố liều trong việc lập kế hoạch khi tính đến ảnh hưởng của sai số. Vấn đề đánh giá chính xác và tối ưu hóa phân bố liều rất quan trọng trong lâm sàng vì đảm bảo được khối u nhận đúng liều chỉ định của bác sĩ và hạn chế liều vượt quá giới hạn đến cơ quan lành.
    Về vấn đề đánh giá chính xác phân bố liều, luận án đã sử dụng công cụ giản đồ liều-thể tích của đám đông DVPH (Dose Volume Population Histogram) (Nguyen TB, 2009) để đánh giá phân bố liều ở từng độ tin cậy mong muốn khi có sai số xảy ra trong ngày xạ cho bệnh nhân. Dưới ảnh hưởng của sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên, phân bố liều được tính bằng cách dịch chuyển ảnh CT (Computed Tomography) của bệnh nhân. Bằng cách đưa xác suất xuất hiện của sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên vào từng phân bố liều tương ứng, phân bố liều do ảnh hưởng đồng thời của sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên sẽ được tính toán. Thống kê các phân bố liều này, giản đồ DVPH và CL-DVPH (Confidence level-Dose Volume Population Histogram) của khối u và các cơ quan lành sẽ được tính toán. Nghiên cứu đánh giá 2 bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt và 2 bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ.
    Về vấn đề tối ưu hóa phân bố liều, luận án đã sử dụng phương pháp tối ưu hóa liều dựa trên nhiều vị trí của CTV đối với isocenter (miCTV-multiple isocenter Clinical Target Volume) khi sai số xảy ra. Các vị trí của CTV nằm trên hình tròn có bán kính bằng biên CTV-PTV (Clinical Target Volume-Planning Target Volume) là 1,2 cm với xác suất xuất hiện là 90% (van Herk, 2000). Nghiên cứu không xem xét đến những vị trí nằm bên trong hình cầu với giả thuyết là dịch chuyển càng lớn gây ra phân bố liều càng tệ (Chen, 2012). Hàm mục tiêu được sử dụng là lũy thừa hằng số b của tổng các hàm mục tiêu của các vị trí của CTV. Với b lớn hơn 1, khi đó phân bố liều nào càng tệ, thì đóng góp càng lớn vào hàm mục tiêu. Phương pháp tìm kiếm tối ưu dựa vào gradient được sử dụng với mục đích cho kết quả tối ưu nhanh nhất (Jorge Nocedal and Stephen J.Wright, 1999). Nghiên cứu được thực hiện trên 1 bệnh nhân ung thư tuyến tiền liệt và 1 bệnh nhân ung thư vùng đầu cổ.
    Đối với việc đánh giá kế hoạch IMPT (Intensity Modulated Proton Therapy) sử dụng công cụ DVPH, kết quả cho thấy liều cực tiểu của PTV không còn thể hiện liều cực tiểu của CTV đối với khối u tuyến tiền liệt và khối u vùng đầu cổ, nhất là đối với khối u ở vùng đầu cổ. Đối với khối u tuyến tiền liệt, sử dụng 90% CL-DVPH, liều cực tiểu của CTV là 89% và 92% trong khi đó liều cực tiểu của PTV là 95% tương ứng với bệnh nhân 1 và 2. Đối với khối u vùng đầu cổ, sử dụng 90% CL-DVPH liều cực tiểu của CTV là 68% và 74% trong khi đó liều cực tiểu của PTV là 95% tương ứng với bệnh nhân 1 và 2. Độ bao phủ bởi đường đồng liều 95% của PTV không còn đảm bảo cho CTV đối với khối u vùng đầu cổ. 
    Đối với cơ quan lành nguy cấp dạng song song là trực tràng và bàng quang, DVH (Dose Volume Histogram) của OAR (Organ At Risk) không thể hiện phân bố liều ở bất kì độ tin cậy nào. Đối với cơ quan lành nguy cấp dạng nối tiếp là thân não và tủy sống, giản đồ liều-thể tích đánh giá thấp liều cực đại ở độ tin cậy 90%. Đối với thân não, sử dụng 90% CL-DVPH, liều cực đại là 39,6 và 43,8 Gy nhỏ hơn 19,5 và 37,5 Gy khi đánh giá dựa vào DVH của OAR. Đối với tủy sống, sử dụng 90% CL-DVPH, liều cực đại là 27,6 và 30,6 Gy nhỏ hơn 13,5 Gy khi đánh giá dựa vào OAR DVH. 
Đối với tối ưu hóa liều dựa vào miCTV, kết quả cho thấy tối ưu liều dựa vào miCTV tốt hơn so với kết quả khi tối ưu dựa vào PTV khi sai số xảy ra. Đối với khối u tuyến tiền liệt, V95% tăng từ 99% lên 100%. Đối với khối u vùng đầu cổ, khi tối ưu dựa vào miCTV, với độ tin cậy 90% liều cực tiểu và V95% tăng lên 80% và 97% so với 76% và 84% khi tối ưu dựa vào PTV. Đối với các cơ quan lành nguy cấp, tại các giới hạn liều-thể tích, thể tích nhận liều giảm hơn 2 lần đối với trực tràng và bàng quang. Liều hấp thụ cực đại tại thân não giảm gần 1,5 lần và tại tủy sống giảm gần 2,5 lần. miCTV được đề nghị là phương pháp tối ưu kế hoạch IMPT khi tính đến sai số xảy ra.
Luận án đã giải quyết một cách cơ bản hai vấn đề thách thức lớn trong xạ trị IMPT. Công cụ DVPH đánh giá kế hoạch IMPT ở độ tin cậy mà các nhà lập kế hoạch mong muốn. Công cụ DVPH được đề nghị dùng để đánh giá lại kế hoạch đã lập ra ở giai đoạn giữa lúc kĩ sư hoàn tất việc lập kế hoạch và bác sĩ ung bướu đang duyệt lại kế hoạch. Tối ưu hóa dựa vào miCTV cải thiện liều cực tiểu và độ bao phủ 95% liều chỉ định của CTV so với tối ưu dựa vào PTV.
2. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Luận án cho thấy việc sử dụng thể tích PTV không còn phù hợp trong xạ trị điều biến cường độ chùm proton đối với phantom nước không đồng nhất, khối u tuyến tiền liệt và khối u vùng đầu cổ đối với một số dịch chuyển xảy ra dọc theo phương vuông góc với chùm proton. Nguyên nhân PTV không còn sử dụng phù hợp là do giả thuyết bất biến khi dịch chuyển không còn đúng nữa.
- Luận án đưa ra đề nghị mới trong đánh giá kế hoạch IMPT là sử dụng công cụ DVPH. Kết quả cho thấy cách đánh giá hiện tại là dựa vào giản đồ liều-thể tích của PTV và OAR không còn phù hợp trong IMPT. Liều cực tiểu của PTV không còn thể hiện liều cực tiểu của CTV đối với khối u tuyến tiền liệt và khối u vùng đầu cổ ở độ tin cậy 95%, đặc biệt là đối với khối u vùng đầu cổ. PTV không đảm bảo độ bao phủ bởi đường đồng liều 95% cho CTV đối với khối u vùng đầu cổ. Đối với cơ quan lành nguy cấp dạng song là trực tràng và bàng quang, DVH của OAR không thể hiện phân bố liều ở bất kì độ tin cậy nào. Đối với cơ quan lành nguy cấp dạng nối tiếp là thân não và tủy sống, giản đồ liều-thể tích đánh giá thấp liều cực đại ở độ tin cậy 90%. Luận án đưa ra đề nghị là sử dụng DVPH để đánh giá lại kế hoạch đã lập ra ở giai đoạn giữa lúc kĩ sư hoàn tất việc lập kế hoạch và bác sĩ ung bướu đang duyệt lại kế hoạch.
- Luận án đưa ra đề nghị mới trong tối ưu liều lượng kế hoạch IMPT dựa vào miCTV. Kết quả là phân bố liều của CTV và OAR tốt hơn khi tối ưu bằng công cụ này so với tối ưu dựa vào PTV đối với khối u tuyến tiền liệt và khối u vùng đầu cổ. Đối với khối u tuyến tiền liệt, V95% tăng từ 99% lên 100%. Đối với khối u vùng đầu cổ, khi tối ưu dựa vào miCTV, với độ tin cậy 90% liều cực tiểu và V95% tăng lên 80% và 97% so với 76% và 84% khi tối ưu dựa vào PTV. Đối với các cơ quan lành nguy cấp, tại các giới hạn liều-thể tích, thể tích nhận liều giảm hơn 2 lần đối với trực tràng và bàng quang. Liều hấp thụ cực đại tại thân não giảm gần 1,5 lần và tại tủy sống giảm gần 2,5 lần.
3. CÁC ỨNG DỤNG/ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN HAY NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN BỎ NGỎ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU 
- DVPH có thể sử dụng để đánh giá lại kế hoạch đã lập ra ở giai đoạn giữa lúc kĩ sư hoàn tất việc lập kế hoạch và bác sĩ ung bướu đang duyệt lại kế hoạch. Tối ưu hóa dựa vào miCTV giúp các nhà lập kế hoạch đạt được kế hoạch tốt hơn so với tối ưu hóa dựa vào PTV.
- Nghiên cứu có thể phát triển theo hướng mở rộng công cụ DVPH khi tính đến ảnh hưởng của các loại sai số khác. Ví dụ như, mô hình thay đổi thể tích của trực tràng được đề nghị bởi Hoogeman và cộng sự (2004) hoặc Price và Moore (2007) có thể được sử dụng trong tính DVPH cho trực tràng. Đồng thời, cần thiết xây dựng thuật toán tính liều gần đúng để giảm thời gian tính DVPH.
- Tối ưu hóa liều dựa vào miCTV có thể phát triển theo hướng tăng số vị trí của CTV trong quá trình tối ưu để kế hoạch lập ra đảm bảo yêu cầu về liều lượng của bác sĩ khi tính đến sai số trong quá trình xạ trị.