Y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị

Y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị được khởi đầu bằng phát hiện của Becquelrel

B Khái niệm cơ bản trong y học hạt nhân: 7

B.1.Các loại bức xạ ion hoá: 7

B.2.Tơng tác của bức xạ với vật chất: 9

B.3 ảnh hởng của bức xạ đối với cơ thể sống: 15

A.1.2.Các thiết bị đo dùng detector ion hoá khí cụ thể: 22

A.1.2.1 Bút đo liều bằng trờng ion hoá kiểu điện kế tĩnh điện: 22

A.1.2.2.Bút đo liều bằng buồng ion hoá kiểu tụ điện: 23

A.1.2.3.Đo suất liều bằng buồng ion hoá ở chế độ dòng: 23

A.1.2.4.Đo suất liều chiếu xạ bằng ống đếm Geiger-Muller: 24

A.2 Xác định liều lợng bức xạ dựa trên cơ sở hiệu ứng phát quang: 26

A.2.1 Cơ sở vật lí: 26

A.2.2.Xác định liều hấp thụ bằng phơng pháp huỳnh quang: 27

A.2.3.Xác định suất liều hấp thụ bằng phơng pháp nhấp nháy: 28

A.2.3 Phơng pháp đo liều bức xạ bằng phim ảnh (nhũ tơng ảnh): 28

A.2.4 Xác định liều lợng bức xạ bằng các phơng pháp khác: 30

B Đo liều cá nhân: 30

C Máy cảnh báo bức xạ hạt nhân: 31

D Máy kiểm tra môi trờng bức xạ: 32

E Chuẩn dụng cụ đo liều lợng bức xạ: 32

Phần 4: Một số thiết bị chẩn đoán bằng phơng pháp hạt nhân 33

A Đầu dò bức xạ trong thiết bị chẩn đoán: 33

A.1 Sơ lợc về vai trò của đầu dò bức xạ: 33

A.2 Đầu dò nhấp nháy: 33

B Thiết bị đo độ phóng xạ của mẫu chứa trong ống nghiệm

C.2 Máy quét Gamma: 38

C.3 Máy ảnh Gamma (Gamma Camera): 39

D Một số thiết bị chẩn đoán bằng phơng pháp hạt nhân khác : 39

D.1 Chụp ảnh cắt lớp sử dụng phát xạ từng lợng tử : 39

D.2 Chụp ảnh cắt lớp nhờ phát xạ Pozitron: 39

D.3 Chụp ảnh cắt lớp với sự trợ giúp của máy tính 40

1

B Qui trình điều trị : 41

Phần 6: Các thiết bị chiếu xạ điều trị bệnh u bớu 41

Phần 7: An toàn trong bức xạ y tế 42

A Những nguyên tắc bảo vệ an toàn bức xạ cơ bản trong y tế: 42

B Các phơng pháp bảo vệ chiếu xạ trong y tế: 43

C Nguyên tắc kiểm soát sự nhiễm bẩn phóng xạ: 44

D Hệ thống liều giới hạn 44

Phần 8: Tổng kết 45

1.Những kiến thức thu đợc của bản thân khi kết thúc môn học 45

2.Liên hệ thực tiễn y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị ở Việt Nam 45

3.Nhận định về thành tựu và hớng phát triển của chẩn trị bệnh bằng chiếu xạ 45

Tài liệu tham khảo: 46

Mở đầu

Môn học y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị là một môn học đòi hỏi kiến thức rộng Ngời học cần có kiến thức cơ bản cả về vật lí lẫn kiến thức y sinh Đây là hai mảng kiến thức rất phức tạp nếu muốn nghiên cứu sâu

Mặt khác, đây là một môn học mới, ngoài bài giảng trên lớp, các tài liệu tham khảo manh mún và không trọng tâm Đó là những khó khăn khi học môn học này.

Trớc khi bắt tay vào viết báo cáo thu hoạch môn học, em rất boăn khoăn Báo cáo đòi hỏi sự tổng quát vấn đề, nhng nếu viết quá tổng quan thì chỉ đơn giản là bản báo cáo, không tơng xứng với mức độ học tập Nếu viết sâu, thì gặp rất nhiều hạn chế về mặt thời gian và tài liệu, kiến thức

Trong bài báo cáo thu hoạch môn học, phần kiến thức, em bám sát theo khung bài giảng của thầy Ngoài ra, em cũng mạnh dạn trình bày một số vấn đề theo nhận thức của mình Em đã cố gắng trong việc tiếp cận vấn đề, tuy nhiên chắc chắn còn những chỗ thiếu sót, rất mong thầy thông cảm.

3

A Lịch sử y học hạt nhân và kĩ thuật xạ trị:

Có thể nói, y học hạt nhân đợc khởi đầu bằng phát hiện của Becquelrel về hiện tợng phóng xạ vào năm 1896

Năm 1895,Roetngen (ngời Đức ) phát hiện ra tia X Đây là loại sóng điện từ có bớc sóng ngắn nằm trong khoảng 1-100pm, năng lợng cao và có các hiệu ứng vật lí, sinh học rõ rệt.

Lí thuyết về hiện tợng phóng xạ là do sự phân rã tự động của hạt nhân đợc phát triển bởi Soddy vào năm 1903

Năm 1919, Rutherford bắt đầu các thí nghiệm về hiện tợng phát sáng “nhấp nháy”(kích thích)

Năm 1931, Lawrence chế tạo ra máy cyclotron Phát minh này của ông đã mở đờng cho việc tạo ra nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo

Năm 1934, Irene Curie (con gái Pierre và Marie Curie) cùng chồng, trong khi đang làm việc tại Viện nghiên cứu Radium Pari đã phát hiện ra đồng vị phóng xạ nhân tạo Sau khi họ công bố phát hiện này, nhiều nhà vật lí đã chú tâm nghiên cứu đồng vị phóng xạ và chỉ trong vòng 12 tháng, đã có hơn 100 loại phóng xạ nhân tạo mới đợc phát hiện

Năm 1943, Hevesy, ngời đi tiên phong trong trong ứng dụng khoa học hạt nhân trong y học đã phát minh ra kĩ thuật đánh dấu phóng xạ trong tế bào sống

Đầu thập niên 60, kĩ thuật “scan” đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán lâm sàng đợc đa vào sử dụng rộng rãi.

Năm1972, CT scanner đợc sáng chế bởi một kĩ s ngời Anh tên là Godgray Housefield Đây là kĩ thuật ứng dụng kĩ thuật chụp ảnh X và khoa học máy tính tạp ra lớp cắt ngang của cơ thể.

Hình minh hoạ: Những con tem ấn hành để tởng niệm Rutherford và vợ chồng Irene Curie với công trình của họ

B Nhận diện vấn đề

Kiến thức về:

-Các loai bức xạ ion hoá và nguồn gốc, bản chất của nó -T ơng tác với vật chất của

Phần 2: Những kiến thức cơ bản về y học hạt nhân và kĩthuật xạ trị

A Tìm hiểu về hạt nhân nguyên tử:

Thế giới đợc cấu tạo từ vật chất Toàn bộ vật chất đợc cấu tạo từ một sốchất đơn giản gọi là nguyên tố

Một nguyên tố là một chất không thể biến đổi thành các chất khác đơn giản hơn bằng các quá trình hoá học bình thờng.

Vật chất đợc cấu tạo từ các nguyên tử và mỗi nguyên tố có một loại

nguyên tử đặc trng.

Khoa học hiện đại đã chứng minh rằng: nguyên tử không phải là những vật thể không thể phân chia mà ngợc lại, chúng đợc cấu tạo từ những hạt còn nhỏ hơn Những hạt này bao gồm: proton, nơtron, và electron

-Proton: mang một đơn vị điện tích nguyên tố, khối lợng xấp xỉ bằng đơn vị khối lợng nguyên tử (u)

5

1/1840 (u ).

Các nơtron và proton của một nguyên tử liên kết với nhau rất mạnh tạo

thành một hạt nhân, các electron quay quanh nó theo các quĩ đạo khác nhau.

hình vẽ: nguyên tử Neon-20

B Khái niệm cơ bản trong y học hạt nhân:

B.1.Các loại bức xạ ion hoá:

Có hai loại bức xạ ion hoá chủ yếu là: bức xạ ion hoá trực tiếp và gián tiếp Bức xạ ion hoá trực tiếp Bức xạ ion hoá gián tiếp

Các phần tử có thể làm ion hoá trực

tiếp các phần tử của môi trờng Phải thông qua các thành phần khácmới gây ra ion hoá

-Bức xạ alpha () :

Là hạt nhân Heli ( 4He

2 :2 proton và 2 notron).Một hạt alpha có khối lợng 4u và mang hai đơn vị điện tích dơng Cả bốn hạt này liên kết với nhau chặt chẽ đến mức, trong nhiều trờng hợp alpha có tính chất nh một hạt cơ bản

Hình vẽ: minh hoạ một quá trình bức xạ alpha

-Bức xạ Beta():gồm có hai loại:

+ :là các điện tử có vận tốc cao có nguồn gốc từ hạt nhân Các điện tử này có khối lợng bằng 1/1840u và mang một đơn vị điện tích âm.

+ (poziton) :là các hạt có khối lợng bằng khối lợng của điện tử nhng mang một đơn vị điện tích dơng.

-Bức xạ Gamma ():

+Có bản chất là sóng điện từ

+Gồm các lợng tử (quantum) Năng lợng mang trong mỗi lợng tử (photon) phụ thuộc vào bớc sóng theo quan hệ tỉ lệ nghịch: E=1/.

Hình vẽ: Minh hoạ quá trình bức xạ beta, gamma

-Bức xạ Notron(n):

+gồm các hạt nơtron

+Trong tự nhiên rất hiếm các nguồn phát ra bức xạ phát ra nơtron +Cách tạo nguồn bức xạ notron:

.Sử dụng máy gia tốc để gia tốc các hạt điện tích tới vận tốc cực lớn, đến đập vào bia (là vật liệu thích hợp), làm xảy ra phản ứng hạt nhân, phát ra các tia trong đó có nơtron.

.Sử dụng các nguồn ,  thích hợp tạo phản ứng hạt nhân (,n), (,n).

7

(Nguån TL:Modern Physics-Frank J.Blatt-1992-th viÖn KHKT)

B¶ng 3: Mét sè nguån Beta-Gamma trong tù nhiªn

(Nguån TL:Radiation Protection-Jacob Shapiro-Havard University Press-1972)

B.2.Tơng tác của bức xạ với vật chất:

-Tơng tác của các hạt mang điện tích với vật chất:

Các hạt mang điện tích (, ) khi tơng tác với vật chất bị mất năng lợng chủ yếu do tơng tác với các điện tử nguyên tử của vật chất Năng lợng bị mất đó truyền cho các điện tử làm cho chúng bị kích thích và chuyển nên mức cao hơn (kích thích nguyên tử ) hoặc làm cho chúng bị tách hoàn toàn khỏi nguyên tử mẹ (ion hoá nguyên tử)

Hình vẽ: Sự ion hoá nguyên tử Helium do hạt 

+tơng các của các hạt nặng có điện tích với vật chất: Điển hình là hạt

alpha, hạt alpha là một hạt nặng (4u), nó di chuyển chậm trong môi trờng vật chất Vì thế, khả năng tơng tác, trao đổi năng lợng của nó với các phần tử của môi trờng vật chất cao Do đó nó mất năng lợng một cách nhanh chóng, và chỉ đi đợc khoảng cách rất ngắn trong môi trờng đặc

+tong tác của electron với vật chất: Các hạt beta có kích thớc và khối

l-ợng nhỏ nên tính linh động cao Do đó trên cùng một chiều dài đờng đi, số lần va chạm với các phần tử vật chất nhỏ hơn, và do đó sự suy hao năng lợng nhỏ hơn so với hạt alpha

+Một vấn đề quan trọng là : khi các hạt mang điện bị làm chậm lại rất

nhanh do tơng tác với vật chất thì chúng phát ra năng lợng dới dạng tia X, quá

trình này gọi là sự bức xạ hãm (Bremstralung) Điều này chỉ có ý nghĩa thực

tế với bức xạ Beta.

-Tơng tác của bức xạ lợng tử với vật chất:

Các bức xạ lợng tử đợc đề cập ở đây là gamma, bức xạ hãm, và bức xạ Roentgen đặc trng.

Các bức xạ lợng tử này tơng tác với vật chất theo một loạt các cơ chế khác nhau Nhng có ba cơ chế quan trọng nhất là : Hiệu ứng hấp thụ quang điện, hiệu ứng tán xạ Compton, hiệu ứng tạo cặp pozitron-electron.

+Hiệu ứng quang điện:

Là quá trình tơng tác của lợng tử (photon) với một điện tử liên kết mà mà toàn bộ năng lợng của lợng tử truyền cho liên kết này, kết quả là điện tử liên kết đó bứt ra khỏi nguyên tử.

Hiện tợng quang điện chỉ xảy ra khi photon tới có năng lợng  A (công thoát của electron khỏi nguyên tử đó).

-Hình vẽ minh hoạ hiệu ứng quang điện

+Hiệu ứng tán xạ Compton: Photon bức xạ tới tơng tác với lớp vỏ nguyên

tử, một phần năng lợng của nó truyền cho một điện tử nguyên tử làm cho điện tử đó bị đánh bật khỏi quĩ đạo, mặt khác hớng của photon cũng thay đổi (tán xạ)

Hình vẽ minh hoạ hiệu ứng tán xạ Compton

+Hiệu ứng tạo cặp electron-pozitron:

Trong một trờng điện từ mạnh xung quanh một hạt mang điện, ví dụ nh hạt nhân, một lợng tử  có thể bị hoán đổi thành một cặp pozitron-electron Năng lợng của lợng tử đợc phân bổ giữa hai hạt tạo thành.

Điều kiện năng lợng lợng tử gamma để xảy ra hiệu ứng này là E 1.002MeV

Mặt khác, một cặp electron-pozitron có thể kết hợp lại và biến mất, đồng thời tạo ra một cặp lợng tử gamma có năng lợng bằng nhau (0,511 MeV) và ngợc chiều.

Hình vẽ minh hoạ hiệu ứng tạo cặp

+Qui luật làm yếu của bức xạ lợng tử :

Bức xạ lợng tử bị suy giảm theo hàm số mũ khi khi chúng đi qua một lớp

I=I0.e.x

: hệ số làm yếu

Công thức này chỉ đúng khi : - chùm hạt hẹp - đơn năng

-vật liệu không quá dầy

Thực tế, trong trờng hợp một trong ba điều kiện trên không thoả mãn thì công thức tổng quát là:

I=I0.ehd.x

Hoặc I=I0.B x

e B: Hệ số tích luỹ

-Tơng tác của Nơtron với vật chất:

Nơtron đợc chia thành các nhóm khác nhau dựa vào chính động năng của chúng

Khi tơng tác với vật chất, nơtron bị mất năng lợng thông qua một loạt các tơng tác khác nhau mà vai trò tơng đối của chúng lại phụ thuộc nhiều vào năng lợng của nơtron

Các nơtron có khả năng đâm xuyên rất lớn và đi đợc quãng đờng dài trong môi trờng đặc.

 Một số đai lợng đặc trng cho tơng tác của nơtron với môi trờng: -tiết diện tán xạ đàn hồi: txđh

-tiết diện tán xạ không đàn hồi: txkđh

-tiết diện tán xạ chung: tx=txđh+txkđh

Các hạt nơtron va chạm với hạt nhân bia và bị thay đổi chuyển động Sau va chạm, nơtron bị mất một phần năng lợng cho hạt nhân bia Phần năng lợng năng lợng này đợc thể hiện dới dạng động năng hạt nhân bia.

Kết luận: Trong va chạm đàn hồi nơtron, nếu hạt nhân môi trờng càng nhẹ bao nhiêu thì năng lợng bị mất càng nhiều

b Tán xạ không đàn hồi:

Các hạt nơtron đến va chạm với hạt nhân bia, truyền một phần năng lợng cho hạt nhân bia và khiến cho hạt nhân bia chuyển đến trạng thái bị kích thích Hạt nhân bia bị kích thích sẽ quay về trạng thái cơ bản và chúng phát ra phát ra bức xạ gamma trễ.

Eno=En+EA+ *

Trong tán xạ không đàn hồi, động năng của hệ bị giảm đi Sự va chạm không đàn hồi này xảy ra chủ yếu đối với các hạt nhân nặng.

-NL nơtron mất đi đợc truyền cho hạt nhân bia dới dạng động năng

-Hạt nhân bị kích thích phát xạ gamma

B.3 ảnh hởng của bức xạ đối với cơ thể sống:

ảnh hởng của bức xạ ion hoá đối với cơ thể con ngời, gây bởi các nguồn phóng xạ bên ngoài hoặc các chất phóng xạ bị nhiễm vào bên trong cơ thể, đều gây ra các hiệu ứng sinh học Bản chất và mức độ trầm trọng, thời điểm xuất hiện của các triệu trứng sinh học này phụ thuộc vào liều lợng và tốc độ hấp thụ bức xạ.

Có thể chia chia thơng tổn bức xạ ra làm hai loại:

-hiệu ứng Soma (somatic): gây hậu quả thấy đợc trên cơ thể ngời bị chiếu

-hiệu ứng Di truyền (hereditary): gây hậu quả cho các thế hệ về sau của

ngời bị chiếu xạ do các tế bào sinh dục bị bức xạ làm tổn thơng.

Sơ đồ minh hoạ quá trình diễn biến do do ảnh hởng của bức xạ ion hoá:

hoạt động chức năng Tổn th ơng các cấu trúc đảm bảo hoạt độngdi truyền

Rối loạn hình thái hoạt

B.4 Các đại lợng và đơn vị cơ bản trong bức xạ:

-Liều hấp thụ bức xạ (D):

-khái niệm: Liều hấp thụ bức xạ là năng lợng hấp thụ trong một đơn vị

khối lợng của vật chất bị chiếu xạ.

-đơn vị: trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị của liều hấp thụ đợc gọi là Gray(Gy) và đợc định nghĩa là sự tích tụ một năng lợng 1J/kg.

1Gy=1J/kg

Ngoài ra có đơn vị ngoại hệ khác là Rad: 1Rad=102Gy

-Suất liều hấp thụ bức xạ (P):

Sử dụng các đơn vị Gray và Sievert, ta mới biết đợc độ tích tụ năng lợng bức xạ trong một khoảng thời gian bất kì Tuy nhiên, để kiểm soát các mối nguy hại do bức xạ gây ra, cần phải biết tốc độ tích tụ năng lợng bức xạ đó.

Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ bức xạ tính cho một đơn vị thời gian.

-Trọng số của bức xạ ion hoá:

Liều hấp thụ cha phản ánh đợc mức độ phá huỷ tế bào sinh học của các bức xạ khác nhau Ngời ta thấy rằng, cùng một liều hấp 0,05Gy (5Rad) của nơtron nhanh có thể gây hại về mặt sinh học tơng ứng với 1Gy (100Rad) của bức xạ gamma.

Nh vậy, sự khác nhau về hiệu ứng sinh học của mỗi bức xạ cần đợc tính đến khi đánh giá liều hiệu dụng sinh học tổng cộng của các liều bức xạ khác nhau Ngời ta đa ra trọng số Q để phản ánh khả năng gây hại sinh học của một loại bức xạ cụ thể.

Bảng giá trị Q của các bức xạ thờng gặp

-Liều hiệu dụng tơng đơng (Hhd):

Cùng một loại bức xạ, nhng có thể gây ra mức độ tổn hại khác nhau trên

các cơ quan khác nhau Ngời ta đa ra khái niệm trọng số cơ quan (w) của mỗi

cơ quan để phản ánh mức độ tổn hại khi so sánh do chiếu xạ trên cơ quan đó so với toàn thân là 1,0.

Liều tơng đơng hiệu dụng Hhd đợc định nghĩa là tổng các liều tơng đơng

trên từng cơ quan nhân với trọng số cơ quan của cơ quan tơng ứng để đánh giá

mức độ tổn hại của bức xạ với cơ thể.

Đơn vị của liều tơng đơng hiệu dụng là Sievert.

Bảng trọng số của các cơ quan / tổ chức trong cơ thể

-Khái niệm KERMA:

KERMA là động năng đợc giải phóng trong một đơn vị khối lợng vật chất KERMA thờng đợc dùng cho bức xạ ion hoá gián tiếp.

Trong hệ SI : [J/kg]

Nói chung, ý nghĩa của liều hấp thụ và KERMA là khác nhau, giá trị của chúng chỉ bằng nhau khi trạng thái cân bằng điện tử trong vật chất đợc thoả mãn.

Suất KERMA: là KERMA tính trong một đơn vị thời gian Trong SI: [kgJ .1s ], [w/kg]

-Liều chiếu bức xạ lợng tử:

-Khái niệm này chỉ dùng cho bức xạ lợng tử (,X)

-Liều chiếu bức xạ lợng tử thể hiện những bức xạ lợng tử đợc biến đổi thành động năng của các hạt tích điện sinh ra trong một đơn vị khối lợng chất mẫu (không khí ở điều kiện tiêu chuẩn).

-Đơn vị: +SI: [C/kg]

+Ngoại hệ: Roentgen [R]

Một Roentgen là liều chiếu bức xạ lợng tử mà các hạt tích điện đợc tạo thành trong 1cm3 của không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn thì nó có điện

-Hiệu suất sinh học tơng đối của bức xạ:

-Hiệu suất sinh học tơng đối của bức xạ đợc định nghĩa là tỉ số giữa liều bức xạ chuẩn gây ra một hiệu ứng sinh học trên liều bức xạ loại X gây ra cùng

Phần 3 :Thiết bị đo liều lợng bức xạ A Các phơng pháp đo liều lợng bức xạ:

-Nguyên lí: Cơ thể con ngời không thể cảm nhận đợc các bức xạ ion hoá, mà phải phụ thuộc vào các thiết bị phát hiện Các thiết bị này dựa trên các hiệu ứng vật lí và hoá học của bức xạ khi tơng tác với vật chất.

Các hiệu ứng ở đây gồm: -Sự ion hóa trong chất khí

-Sự ion hoá và kích thích một số chất rắn -Làm thay đổi các liên kết hoá học

-Kích hoạt bởi các Nơtron.

Đa số các thiết bị phát hiện và đo liều bức xạ có detector đợc chế tạo dựa trên nguyên lí ion hoá chất khí Ngoài ra, còn có các detector sử dụng chất rắn dựa trên hiệu ứng tăng độ dẫn điện, gây kích thích nh chất nhấp nháy, nhiệt huỳnh quang, hiệu ứng quang ảnh Các detector sử dụng hiệu ứng hoá học độ nhạy không cao Phơng pháp phát hiện nơtron dựa vào các phản ứng kích hoạt

Các detector ion hoá chất khí gồm có hai điện cực: Cathode(+), Anot(-) đặt trong một thể tích chứa đầy một chất khí Các bức xạ hạt mang điện tích sẽ kích thích và ion hoá các phần tử khí, tạo nên các cặp ion âm (-) và d ơng (+).

Điện trờng giữa hai điện cực sẽ làm cho cho các ion âm và dơng bị hút về các bản cực trái dấu với nó Đo độ giảm điện tích trên hai điện cực hoặc dòng ion có thể suy ra đợc số hạt bức xạ, mức liều, hoặc năng lợng của bức xạ tuỳ theo mục đích và cách thiết kế của máy đo.

+độ giảm điện thế giữa hai bản tụ là:

+Điện áp đặt vào hai điện cực quyết định chế độ làm việc của detector khí.

A.1.2.Các thiết bị đo dùng detector ion hoá khí cụ thể:

A.1.2.1 Bút đo liều bằng tr ờng ion hoá kiểu điện kế tĩnh điện: