XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ DƯỢC CHẤT PHÓNG XẠ TRONG PHANTOM NEMA BẰNG MÁY SPECT GAMMA CAMERA

XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ DƯỢC CHẤT PHÓNG XẠ TRONG PHANTOM NEMA BẰNG MÁY SPECTGAMMA CAMERA Chương này trình bày về: những tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá lên tế bào, khảo sát các cơ sở của phép đo liều và phương pháp tính liều MIRD.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN VĂN PHÚC XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ DƯỢC CHẤT PHÓNG XẠ TRONG PHANTOM NEMA BẰNG MÁY SPECT/GAMMA CAMERA LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2014 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VIỆC ĐO VÀ TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN Chương này trình bày về: những tác dụng sinh học của bức xạ ion hoá lên tế bào, khảo sát các cơ sở của phép đo liều và phương pháp tính liều MIRD. 1.1. Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa 1.1.1. Cấu tạo tế bào sinh vật Cơ thể con người và các sinh vật khác cấu tạo từ các cơ quan như tim, phổi, não v.v… Các cơ quan cấu tạo từ các mô như mô mỡ, mô da, mô xương v.v 1 Các mô cấu tạo từ các tế bào. Tế bào là đơn vị sống cơ bản. Tương tác giữa bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào, làm chết tế bào hay làm cho chúng hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn và tạo nên ung thư [9], [19]. Về cấu tạo, tế bào gồm một nhân tế bào ở giữa, một chất lỏng bao quanh gọi là bào tương. Bọc quanh bào tương là một màng gọi là màng tế bào. Mỗi bộ phận thực hiện những chức năng riêng lẻ. Màng tế bào Nhân tế bào Bào tương Hình 1.1: Mô tả cấu tạo của tế bào Màng tế bào làm nhiệm vụ trao đổi chất với môi trường ngoài. Bào tương là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, bẻ gãy các phân tử phức tạp thành các phân tử đơn giản và lấy năng lượng nhiệt tỏa ra (dị hóa: catabolism), tổng hợp các phân tử cần thiết cho tế bào (anabolism). Còn nhân là nơi điều khiển quá trình tổng hợp đó. Trong nhân có ADN (deoxyribonucleic acid) là một đại phân tử hữu cơ chứa các thông tin quan trọng để thực hiện sự tổng hợp các chất. Ngoài ra AND cũng chứa những thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. 1.1.2. Tương tác của bức xạ khi đi qua môi trường vật chất Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu từ những tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn (trong khoảng 2 10 -16 s → 10 -13 s), đến những quá trình sinh học có thể kéo dài hàng chục năm. Các quá trình này có mối quan hệ qua lại, theo một qui luật vừa mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay chúng ta vẫn chưa được nhận thức đầy đủ. Khi đi qua môi trường vật chất, bức xạ có thể tương tác với nguyên tử (như một toàn bộ), với một electron của nguyên tử, hoặc với hạt nhân của nguyên tử . Thông qua đó bức xạ truyền năng lượng cho môi trường. Trong các ứng dụng y tế, năng lượng bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích. Sự ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào. Các tổn thương này càng nhiều và càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào càng lớn. Do đó, tác dụng sinh học của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường. Đại lượng này được gọi là liều hấp thụ. Tác dụng sinh học chính của bức xạ là sự phá huỷ phân tử ADN của tế bào. Vì vậy, các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi ngang qua nó (tác dụng trực tiếp). Ngoài ra phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa các phân tử nước trong vùng lân cận nó. 3 Hình 1.2: Tác dụng trực tiếp và tác dụng gián tiếp của bức xạ ion hoá Để tạo ra một cặp ion, trung bình bức xạ phải bỏ ra khoảng 30 eV. Giá trị này được gọi là năng lượng ion hóa trung bình, ký hiệu ε. Trong các nguyên tử, phân tử riêng lẻ, năng lượng liên kết trung bình của các electron hóa trị là 15 eV. Như vậy năng lượng ion hóa trung bình có giá trị lớn gấp hai lần năng lượng cần thiết để ion hóa nguyên tử. Phần năng lượng còn lại (khoảng 15 eV) không dùng để gây ion hóa, có thể dùng để kích thích nguyên tử hay làm bẻ gãy liên kết phân tử. Trong khi đó những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục MeV (trong xạ trị). Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình. Điều này sẽ giải thích vì sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hoá lại có thể gây nên tác hại rất lớn so với những tác nhân khác. 4 1.2. Cơ sở của phép đo liều Trong các ứng dụng trong y tế, người ta thường quan tâm đến tác dụng sinh học của bức xạ. Những nghiên cứu sinh học bức xạ cho thấy tác dụng sinh học này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng yếu tố quan trọng nhất là lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong một đơn vị vật chất. Đại lượng này được gọi là liều hấp thụ. Liều hấp thụ có giá trị tùy thuộc loại bức xạ, năng lượng của nó, thời gian chiếu cũng như các tính chất của vật được chiếu. Việc xác định sự phân bố hoạt độ của dược chất phóng xạ tập trung tại các cơ quan là yếu tố rất quan trọng giúp chúng ta tiến hành tính liều hấp thụ tại các cơ quan đó một cách chính xác và đảm bảo tránh những tổn thương không mong muốn lên những cơ quan lành trong giới hạn cho phép. Trong phần này chúng ta sẽ định nghĩa những đại lượng có liên quan phục vụ cho việc đo và tính liều. 1.2.1. Thông lượng hạt (fluence) Xét một điểm M trong không gian tại đó có bức xạ truyền qua. Ta lấy một hình cầu có tiết diện ΔS có tâm tại M. Gọi ΔN là số hạt đi vào hình cầu đó trong một khoảng thời gian Δt nào đó. Theo định nghĩa, tỉ số ϕ = ΔN/ΔS được gọi là thông lượng hạt (particle fluence) tại điểm M trong khoảng thời gian Δt. Đơn vị thường dùng của thông lượng hạt là (hạt/cm 2 ). Tỉ số: Φ = ϕ/Δt = ΔN/(ΔS.Δt) (1.1) Được gọi là suất thông lượng hạt (particle fluence rate) tại M. Đơn vị của Φ trong hệ SI là (hạt.m -2 .s -1 ). Trong thực tế, các chùm bức xạ thường không đơn năng. Khi đó người ta có thể mô tả chùm tia một cách chi tiết hơn bằng phổ thông lượng hạt (particle fluence spectrum). 5 Gọi dϕ(E) là thông lượng các hạt có năng lượng nằm trong khoảng (E, E + dE) tại điểm M, thì phổ thông lượng hạt là tỉ số: ϕ E (E) = dϕ(E)/dE. (1.2) Đơn vị của ϕ E (E) trong hệ SI là (hạt/J.m 2 ). 1.2.2. Thông lượng năng lượng Gọi ΔE là lượng năng lượng do bức xạ chuyển qua một mặt cầu tâm tại M và tiết diện ΔS trong một khoảng thời gian Δt nào đó. Theo định nghĩa, tỉ số: ψ = ΔE/ΔS (1.3) Được gọi thông lượng năng lượng (energy fluence) tại điểm M trong khoảng thời gian Δt. Đơn vị của thông lượng năng lượng trong hệ SI là (J/m 2 ). Tỉ số: Ψ = ψ/Δt = ΔE/(ΔS.Δt) (J/m 2 s) (1.4) Được gọi là suất thông lượng năng lượng (energy fluence rate) tại M. Đối với chùm bức xạ đa năng. Người ta có thể mô tả chùm tia bằng phổ thông lượng năng lượng (energy fluence spectrum). Gọi dψ(E) là thông lượng năng lượng do các hạt có năng lượng nằm trong khoảng (E, E + dE) tại điểm M thì phổ thông lượng năng lượng là tỉ số: Ψ E (E) = dψ(E)/dE. (1.5) Đơn vị thường dùng của ψ E (E) là (1/cm 2 ). Đối với chùm hạt đơn năng, mỗi hạt có năng lượng E, ta có: Ψ = Φ.E. (1.6) Tương tự, đối với chùm đa năng, phổ thông lượng năng lượng cũng tỉ lệ với phổ thông lượng hạt. ψ E (E) = ϕ E (E).E (1.7) 6 1.2.3. Liều chiếu và suất liều chiếu Liều chiếu và suất liều chiếu là các đại lượng đặc trưng cho độ mạnh phóng xạ của một chùm photon (tia X hay tia gamma). Độ mạnh này thể hiện qua khả năng ion hóa không khí của chùm photon đó tại một điểm trong không gian [17].  Liều chiếu (exposure) Liều chiếu X được định nghĩa là tỉ số: X = ΔQ/Δm (1.8) Trong đó ΔQ là tổng điện tích của các ion cùng dấu được tạo ra (trực tiếp hay gián tiếp) trong một thể tích không khí có khối lượng Δm bởi tia X hay tia gamma khi tất cả các electron được giải phóng hoàn toàn bị hấp thụ trong khối lượng không khí đó. Do những khó khăn về thực nghiệm khi đo liều chiếu, nên định nghĩa này chỉ dùng được cho photon có năng lượng dưới 3 MeV. Đơn vị chuẩn của liều chiếu trong hệ SI là Culông/kilogam (C/kg). Ngoài ra người ta cũng thường dùng đơn vị Rơnghen (R), giữa hai đơn vị này có các quan hệ sau: 1(R) = 2,58.10 -4 (C/kg) không khí, 1(C/kg) = 3876 (R). Điện tích của mỗi cặp ion là e = 1,6.10 -19 (C), như vậy một liều chiếu có giá trị bằng 1(C/kg) sẽ tạo ra trong không khí 6,25.10 18 (cặp ion/kg). Tương ứng, 1(R) là liều chiếu của tia X hay tia γ có thể tạo ra 1,61.10 12 (cặp ion trong một gam không khí) hay 2,08.10 19 (cặp ion trong 1 cm 3 không khí) ở điều kiện tiêu chuẩn (760 mmHg, 0 0 C).  Suất liều chiếu (exposure rate) Suất liều chiếu là liều chiếu tính trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của suất liều chiếu là Culông/kg.giây (C/kg.s) hay Rơnghen/giây (R/s). 7 1.2.4. Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ Liều hấp thụ và suất liều hấp thu là các đại lượng đặc trưng cho lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong vật chất. Khái niệm này được định nghĩa chung cho mọi môi trường và cho mọi loại bức xạ, có khả năng ion hóa trực tiếp (hạt mang điện) hay gián tiếp (photon, neutron) [14], [22], [26].  Liều hấp thụ Liều hấp thụ là lượng năng lượng được hấp thụ trong một đơn vị khối lượng vật chất: D = ΔE/Δm = ΔE/(ρ.ΔV). (1.9) Trong đó ΔE là lượng năng lượng được hấp thụ trong thể tích ΔV của vật chất và Δm là khối lượng của thể tích ΔV đó. Định nghĩa trên có thể áp dụng cho mọi loại vật chất hấp thụ và mọi loại tia bức xạ, có năng lượng tùy ý. Đơn vị của liều lượng hấp thụ trong hệ SI là Gray: 1 Gray (Gy) = 1 J/kg. Trong thực tế, người ta còn sử dụng đơn vị rad (radiation absorbed dose): 1(rad) = 10 -2 (Gy) = 1(cGy) Giá trị liều hấp thụ phụ thuộc vào tính chất bức xạ và môi trường hấp thụ. Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất hấp thụ. Do đó năng lượng hấp thụ trong một đơn vị khối lượng hay thể tích vật chất phụ thuộc vào năng lượng liên kết của electron với hạt nhân và vào mật độ electron trong khối vật chất.  Suất liều hấp thụ Suất liều hấp thụ là liều lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của nó là Gray/giây (Gy/s) hay (rad/s). 8  Quan hệ giữa liều hấp thụ và thông lượng hạt của các hạt mang điện Đối với một chùm hạt mang điện đơn năng E, khi biết thông lượng hạt ϕ tại một điểm, ta có thể tính được liều hấp thụ D tại điểm đó, theo biểu thức: Liều hấp thụ = (thông lượng hạt) x (năng suất hãm khối do va chạm) D = ϕ . (S col /ρ) (1.10) Với: S col = -dE/dx: năng suất hãm tuyến tính do va chạm, đơn vị thường dùng là (keV/µm). Còn ρ là khối lượng riêng của môi trường. Đơn vị của D là Gy = J/kg, của ϕ là (1/m 2 ) và của (S col /ρ) là (J.m 2 /kg). Vậy đối với hạt mang điện (electron, positron), liều hấp thụ tỉ lệ năng suất hãm khối do va chạm. Trong hầu hết các trường hợp thực tế, chùm hạt mang điện là đa năng. Đối với một chùm đa năng, được đặc trưng bởi phổ thông lượng hạt ϕ E (E) tại một điểm trong môi trường, liều hấp thụ D tại điểm đó được tính theo biểu thức: max E col col E 0 S S D (E). (E).dE .   = φ = φ  ÷ ρ ρ   ∫ (1.11) max E E 0 (E).dEφ = φ ∫ Trong đó ϕ là thông lượng hạt của bức xạ (1.12) Còn năng suất hãm khối do va chạm trung bình, được lấy trung bình cho toàn bộ phổ năng lượng của chùm bức xạ đang xét 9 max E col col E 0 S 1 S . (E) (E)dE   = φ  ÷ ρ φ ρ   ∫ (1.13) 1.2.5. Kerma – Khái niệm cho bức xạ ion hoá gián tiếp Đối với các bức xạ ion hóa gián tiếp (photon, neutron), quá trình truyền năng lượng cho vật chất xảy ra theo hai bước (trình bày trong mục 1.2.5.1). Tương ứng với điều này, ngoài liều hấp thụ, người ta còn dùng khái niệm kerma. Sau đây chúng ta sẽ xét trường hợp của photon [9]. 1.2.5.1. Cơ chế truyền năng lượng trong tương tác của photon với vật chất Khi một chùm photon truyền qua vật chất, sự tương tác giữa chúng sẽ xảy ra theo hai bước sau: • Bước thứ nhất xảy ra khi photon (hạt ion hóa gián tiếp) giải phóng một trong các hạt mang điện như electron, positron (các hạt ion hóa trực tiếp) có động năng khá lớn do các hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton hay hiệu ứng tạo cặp; (1). • Bước thứ hai xảy ra khi những hạt mang điện thứ cấp này mất dần năng lượng trong môi trường do va chạm (ion hóa hay kích thích) hay do phát bức xạ (bức xạ hãm, hủy cặp); (2). 1.2.5.2. Kerma (Kinetic Energy Released in unit Mass, K) Quá trình truyền năng lượng trong bước (1) được mô tả bởi một đại lượng có tên là kerma. Gọi dE k là năng lượng trung bình bức xạ truyền cho các hạt mang điện thứ cấp (electron, positron) trong một khối lượng môi trường dm. K = dE k /dm (1.14) Kerma cũng có cùng đơn vị là gray như liều hấp thụ D. Tuy nhiên, liều hấp thụ D được xác định bởi quá trình truyền năng lượng trong bước (2), khi các hạt mang điện thứ cấp bỏ động năng của nó trong môi trường. 10 [...]... 2.3.3 Máy xạ hình Máy xạ hình dùng để ghi sự phân bố dược chất phóng xạ (DCPX) của cơ quan nào đó theo không gian Tùy theo sự phát triển của kỹ thuật mà hiện nay có các loại máy xạ hình sau đây:  Xạ hình vạch thẳng Xạ hình vạch thẳng dùng để ghi sự phân bố theo không gian cường độ phóng xạ, chẳng hạn hình ảnh tuyến giáp, gan, thận Các khối chính của máy xạ hình vạch thẳng bao gồm: • Ống đếm phóng xạ. .. máy mới, người ta đưa vào các màu biểu hiện cho cường độ phóng xạ, thường là 6 hoặc 9 màu Xạ hình vạch thẳng cho kết quả sự phân bố phóng xạ theo không gian hai chiều trên giấy Kết quả không lưu được và máy tính không xử lý định lượng Xạ hình vạch thẳng làm việc chậm, để quét một cơ quan lớn như gan có thể mất hàng giờ  Gamma camera Gamma camera cho phép ghi hình ảnh hai chiều sự phân bố đồng vị phóng. .. bức xạ ion hoá lên tế bào sinh vật cũng như định nghĩa một số đại lượng mô tả chùm tia bức xạ giúp ta có cái nhìn tổng quan về ảnh hưởng của chùm tia bức xạ khi đi vào cơ thể sống Phương pháp tính liều MIRD đã đem lại những hiệu quả nhất định trong việc xác định sự phân bố DCPX tập trung ở các cơ quan và cách tính định lượng liều hấp thụ tại các vị trí khác nhau trong cơ thể Ngoài ra để xác định sự phân. .. nghèo 2.3 Các loại máy ghi đo phóng xạ trong y học hạt nhân 2.3.1 Máy đếm phóng xạ Máy đếm phóng xạ dùng để ghi số bức xạ phát ra từ cơ quan, tổ chức hay từ mẫu đo theo thời gian Đơn vị đo thời gian có thể là phút, giây, hoặc phép đo có thể kéo dài hàng giờ Về cấu tạo máy đếm phóng xạ gồm: • Ống đếm bức xạ, chủ yếu dùng trong YHHN là đầu dò nhấp nháy • Bộ khuếch đại tín hiệu • Bộ phân tích tín hiệu:... tính liều Các đồng vị phóng xạ được đưa vào cơ thể người qua đường tiêm hay uống, đến tập trung tại các cơ quan và phát bức xạ Tác dụng sinh học của bức xạ tại các mô trong cơ thể được quyết định bởi liều hấp thụ của bức xạ tại các mô đó Mục đích của việc tính liều là xác định liều hấp thụ tại các vị trí trong cơ thể (gọi là cơ quan bia, target) khi biết sự phân bố các đồng vị phóng xạ tại vị trí khác... những máy gamma camera đầu tiên người ta cho chụp ảnh lấy ngay để đưa ra kết quả Hiện nay các thiết bị như in phim, in màu ra giấy hoặc hoà mạng được sử dụng để các thầy thuốc trong khoa, trong viện, các cơ sở khác có thể cùng tham khảo kết quả chẩn đoán  Máy cắt lớp phóng xạ Nguyên tắc cắt lớp: các máy ghi hình phẳng chỉ ghi được hình ảnh hai chiều trong khi đồng vị phóng xạ trong cơ thể phân bố theo... 2.3.2 Máy xạ ký Máy xạ ký là loại máy dùng để theo dõi liên tục sự thay đổi cường độ phóng xạ của một cơ quan nào đó theo thời gian Thông qua các chỉ tiêu như thời gian hoạt độ phóng xạ đạt cực đại, thời gian bán thải để đánh giá chức năng Máy xạ ký bao gồm các bộ phận sau đây: • Ống đếm bức xạ, thường là loại tinh thể, có thể hai hay ba kênh tùy mục đích của phép đo • Các bộ khuếch đại • Các bộ phân. .. khuếch đại Nguồn phóng xạ Đầu dò Cao thế Ống chuẩn trực Hiển thị Bàn điều khiển Cấu hình chung của một thiết bị y học hạt nhân (YHHN) gồm các khối: Hình 2.3: Sơ đồ khối thiết bị ghi đo  Nguồn phóng xạ Đây là đối tượng cần đo, có thể là nguồn xạ, một vật phẩm đánh dấu phóng xạ, hoặc trong chẩn đoán hình ảnh thì dược chất phóng xạ được đưa vào người bệnh, cơ thể người bệnh là nguồn phát xạ  Đầu dò Đầu... ô nhiễm phóng xạ Các ống đếm tỷ lệ, buồng ion hoá cũng thường được dùng như một đầu dò trong máy đo liều [7] Hiện nay trong các thiết bị chẩn đoán thường dùng đầu đếm bằng tinh thể phát quang rắn NaI(Tl) Tinh thể có thể có đường kính nhỏ như trong máy ghi đo độ tập trung iôt ở tuyến giáp, có hình giếng trong các liều kế hoặc máy đếm xung riêng rẽ hay trong máy đếm mẫu tự động của xét nghiệm định lượng... nhận bức xạ phát ra từ đồng vị phóng xạ trong bệnh nhân, chuyển chúng thành tín hiệu điện  Ống chuẩn trực: Dùng để định hướng các bức xạ trong các phép đo khác nhau, có tác dụng tạo ra sự tương quan chính xác giữa vị trí phát tia gamma và vị trí của tia gamma đó tương tác với tinh thể khối phát hiện, hạn chế các bức xạ không cần thiết của những tổ chức nằm ngoài vùng cần nghiên cứu, các bức xạ phông . nghĩa liều hấp thụ ta có: Δm ΔE D ht = (1.19) Và suất liều hấp thụ: ( ) dt ΔEd Δm 1 dt )d(D D ht == • (1.20) ( ) dΔE dt là tốc độ hấp thu năng lượng bức xạ. Tốc độ hấp thu năng lượng bức xạ. phân của suất liều theo thời gian: ∫ ∑ ∫ ∞∞ • ∆ ∆ϕ == 0 h i ii 0 dtA m dtDD (1.27) Hay ∑ ∆ϕ ∆ = i ii m A ~ D (1.28) Với ∫ ∞ = 0 h dtAA ~ (1.29) Được gọi là hoạt độ tích luỹ (cumulated activity). có năng lượng i E trong một phân rã ( ) ( ) 13 e i h i i i i i dΔE X × = 1,6 10 ×A E ×n × J/s dt − = ϕ × ϕ ∑ ∑ (1.22) φ i là hệ số hấp thụ năng lượng i E của cơ quan bia. Ta có thể viết