Lời Giới thiệu Nói tới năng lợng hạt nhân, tia phóng xạ, ngời ta thờng hình dung ra các tổn thơng ghê gớm do các quả bom nguyên tử và các sự cố nh Trec-nô-bn gây ra. Đúng là tác dụng của năng lợng hạt nhân rất lớn nhng khoa học kỹ thuật ngày nay đ cho phép con ngời tận dụng đợc mặt tốt, khắc phục mặt xấu để đảm bảo an toàn và kiểm soát đợc các bức xạ hạt nhân, mang lại lợi ích cho con ngời: trong công nghiệp, thuỷ văn khí tợng, địa chất tài nguyên, nông nghiệp và nhất là trong y sinh học. Bằng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ với những liều lợng tuy rất nhỏ nhng có thể ghi đo, theo dõi đợc các đồng vị phóng xạ đến tận cùng ở các mô và tế bào. Y học hạt nhân đ sáng tạo ra nhiều phơng pháp thăm dò chức năng, định lợng và ghi hình rất hữu ích. Ghi hình phóng xạ đ có những bớc tiến vợt bậc và mang lại giá trị chẩn đoán rất sớm bởi vì (khác hẳn các phơng pháp ghi hình y học khác nh X quang, siêu âm, cộng hởng từ) ghi hình phóng xạ mang đến không chỉ những thông tin về cấu trúc, hình thái mà còn những thông tin về chức năng. Thật vậy, các dợc chất phóng xạ đợc hấp phụ vào các mô, tạng để ghi hình đ tập trung vào đó theo các cơ chế về hoạt động chức năng, chuyển hoá. Ta biết rằng các thay đổi chức năng thờng xảy ra sớm hơn các thay đổi về cấu trúc. Vì vậy ngày nay các kỹ thuật SPECT, PET hay hệ liên kết SPECT/CT và PET/CT đ trở thành nhu cầu rất bức thiết cho các cơ sở lâm sàng hiện đại. Các kỹ thuật điều trị bằng các nguồn phóng xạ hở cũng đang phát huy nhiều hiệu quả, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho bệnh nhân. Chính vì vậy, môn YHHN đợc đa vào giảng dạy ở bậc đại học và trên đại học ở các trờng đại học trên thế giới. ở nớc ta, do các khó khăn khách quan và chủ quan, chuyên ngành này cha phát triển đồng đều và sâu rộng theo yêu cầu. Tuy nhiên, đ từ lâu nó là môn học chính thức trong chơng trình đại học và sau đại học của Trờng Đại học Y Hà Nội. Biên soạn giáo trình Y học hạt nhân lần này, chúng tôi muốn đạt mục tiêu là làm cho sinh viên y khoa có đợc: - Hiểu biết nội dung cơ bản của YHHN. - Nắm vững nguyên lý và u điểm của một số phơng pháp định lợng miễn dịch phóng xạ RIA, IRMA và ứng dụng của chúng. - Hiểu kỹ cơ chế, nguyên lý và u điểm chẩn đoán YHHN thờng dùng. - Biết cách sử dụng các kỹ thuật YHHN thích hợp trong công tác NCKH chuyên ngành của mình. - Nắm vững cơ chế, nguyên lý và khả năng ứng dụng một số phơng pháp điều trị phổ biến bằng YHHN. - Hiểu biết nguyên lý, cơ chế, các biện pháp kiểm soát an toàn bức xạ. Từ đó họ cũng học hỏi đợc một số kỹ năng cần thiết: - Biết chỉ định đúng và chống chỉ định làm xét nghiệm in vitro, in vivo, điều trị bằng kỹ thuật YHHN đối với một số bệnh thờng gặp. - Phân tích, đánh giá đúng kết quả xét nghiệm YHHN đối với chẩn đoán, theo dõi sau điều trị một số bệnh thông thờng. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Giỏo trỡnh phõn tớch kh nng vn dng nguyờn lý h ghi o phúng x trong y hc theo nh lut RIA - Biết xây dựng mô hình nghiên cứu với việc sử dụng các kỹ thuật YHHN thích hợp để giải quyết các vấn đề chuyên môn của ngành mình. - Biết phòng tránh, giữ vệ sinh an toàn phóng xạ cho bản thân, đồng nghiệp, bệnh nhân và môi trờng đối với bức xạ ion hoá. Hơn thế nữa, chúng tôi hi vọng sau khi học xong, các bác sỹ đa khoa tơng lai sẽ có một thái độ: - Trân trọng, yêu thích môn YHHN. - Có thái độ và hành vi đúng đắn khi làm việc tiếp xúc với các nguồn phóng xạ. - Có thể tiếp tục tự học thêm YHHN và biết cách tìm đến YHHN trong NCKH khi cần thiết. - Giải thích cho bệnh nhân và mọi ngời những kiến thức về YHHN cơ bản khi họ đề cập đến. Do thời lợng có hạn, nội dung lại phong phú nên chúng tôi chỉ lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất của YHHN. Để hiểu đợc thấu đáo, các sinh viên cần ôn tập lại một số kiến thức vật lý hạt nhân ở các chơng trình trớc đây và tham khảo một số tài liệu liên quan. Chúng tôi chân thành cảm ơn sự góp ý của các đồng nghiệp để cuốn sách giáo khoa đợc hoàn thiện hơn. Hà nội, tháng 4 năm 2005 Trởng Bộ môn Y học hạt nhân Kiêm Trởng Bộ môn Y vật lý Trờng Đại học Y Hà Nội PGS. TSKH. Phan Sỹ An Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Y Học Hạt Nhân 2005 Chơng I: mở đầu Mục tiêu: 1. Nêu đợc định nghĩa, nội dung chủ yếu của chuyên ngành y học hạt nhân. 2. Biết đợc những u điểm chính của 2 kỹ thuật đánh dấu phóng xạ và chiếu xạ mà một bác sĩ đa khoa cần biết để vận dụng khi cần thiết. 1. Định nghĩa và lịch sử phát triển 1.1. Định nghĩa Việc ứng dụng bức xạ ion hóa vào y sinh học đ có từ lâu nhng thuật ngữ y học hạt nhân (Nuclear Medicine) mới đợc Marshall Brucer ở Oak Ridge (Mỹ) lần đầu tiên dùng đến vào năm 1951 và sau đó chính thức viết trong tạp chí Quang tuyến và Radium trị liệu của Mỹ (The American Journal of Roentgenology and Radium Therapy). Ngày nay ngời ta định nghĩa y học hạt nhân (YHHN) là một chuyên ngành mới của y học bao gồm việc sử dụng các đồng vị phóng xạ (ĐVPX), chủ yếu là các nguồn phóng xạ hở để chẩn đoán, điều trị bệnh và nghiên cứu y học. Việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ này chủ yếu dựa theo hai kỹ thuật cơ bản: kỹ thuật đánh dấu phóng xạ hay chỉ điểm phóng xạ (Radioactive Indicator, Radiotracer) và dùng bức xạ phát ra từ các ĐVPX để tạo ra các hiệu ứng sinh học mong muốn trên tổ chức sống. 1.2. Lịch sử phát triển 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, kỹ thuật điện tử, tin học và hóa dợc phóng xạ. Điểm qua các mốc lịch sử đó ta thấy: - Năm 1896, Becquerel đ phát minh ra hiện tợng 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 mốc quan trọng trong kỹ thuật đánh dấu phóng xạ là năm 1913, George Hevesy bằng thực nghiệm trong hóa học đ dùng một ĐVPX để theo dõi phản ứng. Từ đó có nguyên lý Hevesy: sự chuyển hóa của các đồng vị của một nguyên tố trong tổ chức sinh học là giống nhau. - Năm 1934 đợc đánh giá nh một mốc lịch sử của vật lý hạt nhân và YHHN. Năm đó 2 nhà bác học Irena và Frederick Curie bằng thực nghiệm dùng hạt bắn phá vào hạt nhân nguyên tử nhôm, lần đầu tiên tạo ra ĐVPX nhân tạo 30 P và hạt nơtron : 13 Al 27 + 2 He 4 15 P 30 + 0 N 1 Với hạt nơtron, đ có đợc nhiều tiến bộ trong xây dựng các máy gia tốc, một phơng tiện hiện nay có ý nghĩa to lớn trong việc điều trị ung th và sản xuất các đồng vị phóng xạ ngắn ngày. - Thành tích to lớn có ảnh hởng trong sử dụng ĐVPX vào chẩn đoán bệnh là việc tìm ra đồng vị phóng xạ 99m Tc từ 99 Mo của Segre và Seaborg (1938). Tuy vậy mi 25 năm sau, tức là vào năm 1963 ngời ta mới hiểu hết giá trị của phát minh đó. - Năm 1941 lần đầu tiên Hamilton dùng 131 I để điều trị bệnh của tuyến giáp, mở đầu việc sử dụng rộng ri các ĐVPX nhân tạo vào điều trị bệnh. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Y Học Hạt Nhân 2005 - Các kỹ thuật ghi đo cũng đ đợc phát triển dựa vào các thành tựu về vật lý, cơ học và điện tử. Các máy đếm xung, ghi dòng, phân tích biên độ, các loại đầu đếm Geiger Muller (G.M) đến các đầu đếm nhấp nháy, máy đếm toàn thân ngày càng đợc cải tiến và hoàn thiện. Đầu tiên YHHN chỉ có các hợp chất vô cơ để sử dụng. Sự tiến bộ của các kỹ thuật sinh hóa, hóa dợc 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 đ có rất nhiều các hợp chất hữu cơ với các ĐVPX mong muốn để ghi hình và điều trị kể cả các enzym, các kháng nguyên, các kháng thể phức tạp Việc thể hiện bằng hình ảnh (ghi hình phóng xạ) bằng bức xạ phát ra từ các mô, phủ tạng và tổn thơng trong cơ thể bệnh nhân để đánh giá sự phân bố các dợc chất phóng xạ (DCPX) cũng ngày càng tốt hơn nhờ vào các tiến bộ cơ học và điện tử, tin học. 2. Hệ ghi đo phóng xạ và thể hiện kết quả trong y học Để chẩn đoán và điều trị bệnh cần phải ghi đo bức xạ. Một hệ ghi đo bình thờng cần có các bộ phận nh sau: 2.1. Đầu dò (Detector) Đây là bộ phận đầu tiên của hệ ghi đo. Tuỳ loại tia và năng lợng của nó, đặc điểm của đối tợng đợc đánh dấu và mục đích yêu cầu chẩn đoán mà ta lựa chọn đầu đếm cho thích hợp. Nếu tia beta có năng lợng mạnh hơn hoặc nếu là tia gamma, có thể dùng ống đếm G.M làm đầu đếm. Đầu đếm này thấy ở các thiết bị cảnh báo hoặc rà ô nhiễm phóng xạ. Các ống đếm tỷ lệ, các buồng ion hoá cũng thờng đợc dùng nh một Detector để tạo nên liều lợng kế. Hiện nay trong lâm sàng, hầu hết các thiết bị chẩn đoán đều có các đầu đếm bằng tinh thể phát quang rắn INa(Tl). Tinh thể đó có thể có đờng kính nhỏ nh máy đo độ tập trung iốt tuyến giáp, hình giếng trong các liều kế hoặc máy đếm xung riêng rẽ hay trong máy đếm tự động các mẫu của xét nghiệm RIA và IRMA. Đầu đếm cũng có thể là một tinh thể nhấp nháy lớn có đờng kính hàng chục cm hoặc đợc ghép nối lại để có đờng kính đến 40 ữ 60 cm trong các máy ghi hình phóng xạ . 2.2. Nguồn cao áp (Hight voltage) Các đầu đếm hoạt động dới một điện thế nhất định. Đa số đầu đếm cần đến nguồn cao áp và đợc gọi là nguồn nuôi. Điện thế hoạt động của chúng có khi lên đến hàng nghìn vôn. Vì vậy trong hệ ghi đo cần có bộ phận để tăng điện thế từ nguồn điện lới lên đến điện thế hoạt động xác định riêng cho mỗi loại đầu đếm. 1 2 3 4 Nguồn cao áp Hình 1.1 : Hệ ghi đo phóng x ạ 1) Đầu đếm; 2) Bộ phận khuếch đại; 3) Phân tích phổ và lọc xung; 4) Bộ phận thể hiện kết quả: xung, đồ thị, hình ảnh. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Y Học Hạt Nhân 2005 2.3. Bao định hớng (Collimators) Gắn liền với đầu dò là hệ thống bao định hóng. Có thể coi nó nh một phần không thể thiếu đợc của đầu dò. Mục đích của bao định hớng là chọn lựa tia, chỉ cho một số tia từ nguồn xạ lọt qua trờng nhìn của bao vào đầu dò và ngăn các tia yếu hơn hoặc lệch hớng (tia thứ cấp) bằng cách hấp thụ chúng. Nhờ vậy hiệu suất đo, độ phân giải của hình ảnh thu đợc sẽ tốt hơn và xác định rõ trờng nhìn của đầu dò. Do vậy nó đặc biệt quan trọng trong ghi đo in vivo. Tuỳ thuộc năng lợng bức xạ và độ sâu đối tợng quan tâm (tổn thơng bệnh lí) mà lựa chọn bao định hớng. Hình dạng có thể là cửa sổ tròn, sáu cạnh hoặc vuông. Chiều dày của vách ngăn phụ thuộc vào năng lợng bức xạ cần định hớng để đo. Vách ngăn rất mỏng thích hợp cho đo các bức xạ có năng lợng thấp của 125 I, 197 Hg, 99m Tc. Góc nghiêng của vách ngăn với bề mặt tinh thể của đầu dò đợc làm theo chiều dài của tiêu cự. Bao định hớng đợc cấu tạo tuỳ thuộc vào từng máy. Hầu hết các phép đo phóng xạ đếu cần đến bao định hớng nhng đặc biệt quan trọng trong ghi hình phóng xạ. Có 4 loại bao định hớng : - Loại một lỗ, hình chóp cụt (loe tròn) dùng trong các nghiệm pháp thăm dò chức năng. - Loại nhiều lỗ tròn chụm dần ( hội tụ), thờng dùng trong ghi hình vạch thẳng. - Loại nhiều lỗ tròn thẳng (song song) hoặc loe dùng cho Gamma Camera. - Loại đặc biệt, có chóp nhọn một lỗ tròn, gọi là "pinhole" . Việc chọn bao định hớng phụ thuộc vào mức năng lợng của các photon sẽ đo ghi và tuỳ thuộc vào từng máy. Bao định hớng thờng làm bằng chì vì ngăn tia tốt và dễ dát mỏng, dễ đúc khuôn. Chúng đợc gọi tên theo số cửa sổ: một cửa hay nhiều cửa. Độ nhạy chúng khác nhau. Độ phân giải tơng đối của chúng cũng cao thấp khác nhau. Mức năng lợng thích hợp với chúng đợc quy định là cao, trung bình và thấp. Khoảng cách tiêu cự thờng là 3 ữ 5 inches. Góc nghiêng của vách ngăn với bề mặt tinh thể của đầu dò phụ thuộc chiều dài của tiêu cự. 2.4. Bộ phận khuếch đại (Amplifier) Xung điện đợc tạo ra qua đầu đếm thờng rất bé, khó ghi nhận. Do vậy cần phải khuếch đại chúng. Có thể có nhiều tầng khuếch đại và cũng có nhiều kỹ thuật để khuếch đại. Nhờ các tiến bộ về điện tử học, các kỹ thuật khuếch đại bằng đèn điện tử thông thờng ngày nay đ đợc thay thế bằng các bóng bán dẫn và các kỹ thuật vi mạch có nhiều u điểm hơn. Bộ phận khuếch đại này không những làm tăng điện thế và biên độ của xung mà còn làm biến đổi hình dạng xung cho sắc nét để dễ ghi đo hơn. 2.5. Máy phân tích phổ năng lợng bức xạ (Spectrometer) Chùm bức xạ phát ra từ nguồn phóng xạ thờng bao gồm nhiều tia với những năng lợng khác nhau. Mỗi một ĐVPX có một phổ xác định với những đặc điểm của giải năng lợng, đỉnh (peak) của phổ. Một thiết bị đặc biệt để phân biệt năng lợng tia beta hoặc gamma và xác định phổ của chùm tia đợc gọi là máy phân tích phổ. Nhờ máy phân tích phổ chúng ta có thể xác định đợc đồng vị qua dạng phổ năng lợng. Kèm theo máy phân tích phổ có thể có bộ phận chọn xung trong hệ ghi đo. Bộ chọn xung (dyscriminator) là thiết bị điện tử để cho những xung điện có biên độ nhất định lọt qua và đi vào bộ phận đếm. Tùy yêu cầu có thể chúng ta chỉ chọn những xung có biên độ nhất định, không quá lớn và không quá bé. Vì vậy có thể xác định ngỡng trên hoặc ngỡng dới của biên độ xung. Trong các máy đếm xung thông thờng ngời ta chỉ sử dụng một ngỡng dới nghĩa là cắt bỏ những xung quá yếu có biên độ quá thấp. Giá trị ngỡng này phải lựa chọn tuỳ theo năng lợng phát ra của từng ĐVPX. Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m Click to buy NOW! P D F - X C h a n g e V i e w e r w w w . d o c u - t r a c k . c o m . của y học bao gồm việc sử dụng các đồng vị phóng xạ (ĐVPX), chủ y u là các nguồn phóng xạ hở để chẩn đo n, điều trị bệnh và nghiên cứu y học. Việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ n y chủ y u. nhờ vào các tiến bộ cơ học và điện tử, tin học. 2. Hệ ghi đo phóng xạ và thể hiện kết quả trong y học Để chẩn đo n và điều trị bệnh cần phải ghi đo bức xạ. Một hệ ghi đo bình thờng cần có. địa chất tài nguyên, nông nghiệp và nhất là trong y sinh học. Bằng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ với những liều lợng tuy rất nhỏ nhng có thể ghi đo, theo dõi đợc các đồng vị phóng xạ đến tận cùng