BÁO CÁO MÔN HỌC CƠ SỞ VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI CAMERA NHẤP NHÁY

Hạt nhân phóng xạ phát ra tia gamma gần như được xem là một chất đánh dấu lý tưởng, vì chúng có thể được sử dụng với số lượng nhỏ nhưng vẫn có thể được phát hiện từ bên ngoài.. Đối với ứ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN KỸ THUẬT Y SINH

BÁO CÁO MÔN HỌC

CƠ SỞ VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ ỨNG DỤNG

ĐỀ TÀI: CAMERA NHẤP NHÁY

Sinh viên thực hiện

Giảng viên hướng dẫn:

TS Lý Anh Tú

MỤC LỤC

I Tổng quan 1

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 2

1 Sơ đồ cấu tạo camera nhấp nháy 2

2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của camera nhấp nháy 2

2.1 Cấu tạo 2

2.1.1 Ống chuẩn trực (Collimator) 2

2.1.2 Detector nhấp nháy 3

2.1.2.1 Chất nhấp nháy (Scitillator) 3

a) Tinh thể hữu cơ 3

b) Dung môi hữu cơ 3

c) Tinh thể vô cơ 3

d) Dạng khí 3

2.1.2.2 Ống nhân quang (Photomultiplier Tubes) 4

a) Photocathode 4

b) Dynodes 4

2.1.2.3 Ưu điểm của detector nhấp nháy 4

2.1.2 Bộ phận xử lí (Processing) 5

III ỨNG DỤNG CỦA CAMERA NHẤP NHÁY 7

1 Định nghĩa của chụp xạ hình 7

2 Đối tượng khảo sát 7

a) Xạ hình hệ thống mật 7

b) Xạ hình phổi 8

c) Xạ hình xương 8

d) Xạ hình tim 9

e) Xạ hình tuyến giáp 10

f) Xạ hình thận 11

g) Xạ hình toàn thân 11

3 Các dược chất phóng xạ thông dụng 12

a) Các chất phát ra positron 12

b) Các chất phát ra tia gamma 12

c) Các chất được tạo ra từ bình sinh xạ 13

d) Các chất là sản phẩm phụ của sự phân rã 235U từ lò phản ứng hạt nhân 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của camera nhấp nháy Error! Bookmark not defined Hình 2: Mô hình ống chuẩn trực Error! Bookmark not defined Hình 3: Quá trình khuếch đại tín hiệu ở ống nhân quang (PMT).Error! Bookmark not

defined

Hình 4: Hình ảnh xạ hình xương với 99mTc-MDP của bệnh nhân ung thư vú (a) và ung

thư tiền liệt tuyến (b) di căn xương Error! Bookmark not defined Hình 5: Hình ảnh xạ hình tưới máu cơ tim Error! Bookmark not defined

Hình 6: Xạ hình tuyến giáp bằng 131I Error! Bookmark not defined Hình 7: Xạ hình thận xác định hình dáng, kích thước từng thận riêng lẻ Error!

Bookmark not defined

Hình 8 Xạ hình toàn thân với 131I, liều 100mCi Error! Bookmark not defined

I Tổng quan

Trong y học hạt nhân, cụ thể là chẩn lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh Hạt nhân phóng xạ phát ra tia gamma gần như được xem là một chất đánh dấu lý tưởng, vì chúng có thể được sử dụng với số lượng nhỏ nhưng vẫn có thể được phát hiện từ bên ngoài Khi các hạt nhân phóng xạ được gắn với các hợp chất không gây hại cho cơ thể, phục vụ chẩn đoán, sự phân bố bên trong của các hợp chất này cung cấp thông tin quan trọng về chức năng cơ quan và sinh lý học của cơ thể

Camera nhấp nháy hay còn gọi là Gamma camera là camera dùng để thu nhận hình ảnh đồng vị phóng xạ phát ra tia Gamma Hal O Anger đã phát triển camera gamma đầu tiên vào năm 1957, chủ yếu phục vụ trong lĩnh vực y học hạt nhân và vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay Máy ảnh Anger sử dụng bộ nhân quang ống chân không (PMT) Nói chung mỗi ống có đường kính tiếp xúc khoảng 7,6 cm và các ống được sắp xếp theo hình lục giác, phía sau tinh thể hấp thụ Năm

1959, Anger đã ghi hình ảnh hạt nhân phóng xạ positron Đến năm 1963, hệ thống được cải tiến với trường quan sát 28 cm và 19 ống nhân quang Thiết bị này được thương mại hóa với tên gọi là máy ảnh ghi hình hạt nhân Chicago Những năm

1960 đến 1980, Anger vẫn hoạt động ở Phòng thí nghiệm Donner để phát triển nhiều thiết bị chụp ảnh hạt nhân phóng xạ khác Ông đã nhận được nhiều giải thưởng bao gồm Giải thưởng John Scott (1964), học bổng Guggenheim (1966), bằng Tiến sĩ Khoa học danh dự từ Đại học Bang Ohio (1972 và Giải thưởng của Hiệp hội Y học hạt nhân Benedict Cassen (1994)

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

1 Sơ đồ cấu tạo camera nhấp nháy

Gồm có 3 thành phần cơ bản, đó là: ống chuẩn trực (collimator), detector nhấp nháy (scintillation detector) và bộ phận xử lí (processing) Trong đó detector nhấp nháy bao gồm 2 thành phần đó là tinh thể nhấp nháy (scintillator crystal) và ống nhân quang (photomultiplier tubes)

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của camera nhấp nháy

2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của camera nhấp nháy

2.1 Cấu tạo

2.1.1 Ống chuẩn trực (Collimator)

Ống chuẩn trực thường được làm từ chì, có độ dày từ 2 cm đến 5 cm

Có chức năng cho phép các bức xạ gần như song song với ống (vuông góc với photocathode) đi qua, trong khi đó, hấp thụ phần còn lại (các tia tạo với photocathode góc xiên) Vì thế, hầu như 99% các bức xạ từ thuốc phóng xạ bị hấp thụ, chỉ 1% còn lại tạo thành hình ảnh

Hình II: Mô hình ống chuẩn trực.

2.1.2 Detector nhấp nháy

2.1.2.1 Chất nhấp nháy (Scitillator)

Một số loại vật liệu cấu thành nên chất nhấp nháy:

a) Tinh thể hữu cơ

Các loại phổ biến bao gồm anthracene (C14H10), stilbene (C10H8) Mặc dù chúng bền, nhưng khó gia công và không thể sản xuất ở kích thước lớn nên ít được sử dụng

b) Dung môi hữu cơ

Các dung môi được sử dụng rộng rãi nhất là toluen, xylen, benzen, phenylcyclohexan, trietylbenzen và decalin Đối với nhiều chất lỏng, oxy hòa tan

có thể làm giảm hiệu suất ánh sáng, do đó cần phải niêm phong dung dịch trong một hộp kín không chứa oxy

c) Tinh thể vô cơ

Thường là các tinh thể được chế tạo trong lò nhiệt độ cao Tinh thể được sử dụng rộng rãi nhất là NaI(Tl) (natri iotua pha tạp chất thallium), phát ra ánh sáng màu xanh lam Các tinh thể halogenua kiềm vô cơ khác là: CsI(Tl), CsI(Na), CsI (tinh khiết), CsF, KI(Tl), LiI(Eu) Một số tinh thể không kiềm bao gồm: BaF2, CaF2(Eu), ZnS(Ag), CaWO4, CdWO4, YAG(Ce), …

Nhược điểm của một số tinh thể vô cơ, ví dụ như NaI, là tính hút ẩm của chúng, đòi hỏi chúng phải được đặt trong một vật chứa kín khí để bảo vệ chúng khỏi độ

ẩm CsI (Tl) và BaF2 chỉ hút ẩm nhẹ và thường không cần bảo vệ CsF, NaI(Tl), LaCl3(Ce), LaBr3(Ce) hút ẩm, trong khi BGO, CaF2(Eu), LYSO và YAG(Ce) thì không Các tinh thể vô cơ có thể được cắt thành kích thước nhỏ và sắp xếp theo mảng để tạo ra độ nhạy vị trí Đối với ứng dụng hình ảnh, một trong những lợi thế của tinh thể vô cơ là năng suất phát quang rất cao

d) Dạng khí

Các chất nhấp nháy dạng khí bao gồm nitơ, heli, argon, krypton và xenon Quá trình nháp nháy là do các nguyên tử đơn lẻ bị kích thích bởi sự va chạm với hạt tới Quá trình khử kích thích này diễn ra rất nhanh (khoảng 1 ns) Nhìn chung cần phải phủ lên thành bình chứa chất chuyển bước sóng vì những khí đó thường phát

ra tia cực tím, trong khi đó, ống nhân quang hoạt động tốt hơn với vùng màu xanh

lam – lục Trong vật lý hạt nhân, khí nhấp nháy đã được sử dụng để phát hiện các mảnh phân hạch hoặc các hạt mang điện nặng

2.1.2.2 Ống nhân quang (Photomultiplier Tubes)

Ống nhân quang (PMT) là một thiết bị áp dụng hiệu ứng quang điện kết hợp với phát xạ thứ cấp để chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện Ống nhân quang hấp thụ ánh sáng phát ra từ tinh thể nhấp nháy và phát ra dưới dạng các electron thông qua hiệu ứng quang điện PMT có hiệu suất lượng tử cao và độ khuếch đại cao Ống nhân quang bao gồm 2 thành phần chính: photocathode và các tấm dynodes

a) Photocathode

Được làm bằng vật liệu có khả năng chuyển đổi photon thành electron thông qua hiệu ứng quang điện, ví dụ như Cs3Sb Kết quả là, ánh sáng được dẫn từ tinh thể nhấp nháy vào tế bào quang điện của ống nhân quang, giải phóng electron từ các photon

b) Dynodes

Áp vào một hiệu điện thế, để các electron được gia tốc tĩnh điện nhằm khiến chúng đập vào dynode đầu tiên với đủ năng lượng để giải phóng các electron thứ cấp Điện thế ở các điện cực ngày càng tăng (chênh lệch khoảng 100 – 200 V giữa các điện cực) Tại dynode, các electron được nhân lên bởi sự phát xạ thứ cấp Dynode tiếp theo có điện thế cao hơn khiến các electron được giải phóng từ dynode đầu tiên tiếp tục tăng tốc về phía nó Tại mỗi dynode, 3 – 4 electron được giải phóng cho mỗi electron tới, và với 6 đến 14 dynodes, hệ số khuếch đại electron là khoảng 104 – 107 lần khi chúng đến dynode đích Điện áp hoạt động phổ biến của PMT nằm trong khoảng 500 – 3000 V Tại dynode cuối cùng, xung điện được hình thành, xung này mang thông tin về năng lượng của bức xạ tới ban đầu Số lượng xung trên một đơn vị thời gian cho biết thông tin về cường độ của bức xạ tới

2.1.2.3 Ưu điểm của detector nhấp nháy

- Từ cường độ nhấp nháy cho ra biên độ tín hiệu lối ra tỉ lệ thuận với năng lượng của hạt bức xạ

- Mật độ tinh thể nhấp nháy lớn nên chúng hấp thụ mạnh cách hạt bức xạ, do đó có hiệu suất ghi lớn, hiệu dụng cao đối với tia gamma

- Thời gian đáp ứng nhanh, độ trễ thấp Thời gian thu góp nhấp nháy sáng ngắn hơn

so với việc thu góp các cặp ion trong detector khí Từ đó thường được sử dụng để đếm nhanh và trong các mạch trùng phùng nhanh

- Tinh thể nhấp nháy dễ dàng sản xuất theo các dạng hình học khác nhau, đáp ứng được nhiều nhu cầu

2.1.2 Bộ phận xử lí (Processing)

Bức xạ ion hóa đi vào ống chuẩn trực, chỉ có những tia bức xạ song song hoặc gần song song với ống chuẩn trực mới đi vào tinh thể nhấp nháy Sau đó, các tia này tương tác với vật liệu của tinh thể nhấp nháy Điều này làm cho các electron được nâng lên trạng thái kích thích:

• Đối với các hạt mang điện, đường đi là đường đi của chính hạt

• Đối với tia gamma (không tích điện), năng lượng được chuyển đổi thành một điện tử năng lượng thông qua hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton hoặc tạo cặp Các nguyên tử bị kích thích của tinh thể nhấp nháy khử kích thích và nhanh chóng phát ra một photon khả kiến (hoặc gần khả kiến) Photon được tạo ra đi vào

tế bào quang điện của ống nhân quang, giải phóng nhiều nhất một electron trên mỗi photon Áp hiệu điện thế vào các dynodes, nhóm các electron này được gia tốc tĩnh điện và đập vào dynode đầu tiên với năng lượng đủ để giải phóng các electron thứ cấp Các điện tử thứ cấp này bị hút và đập vào một dynode thứ hai giải phóng nhiều điện tử hơn Quá trình này xảy ra liên tục trong ống nhân quang Mỗi lần va chạm dynode tiếp theo sẽ giải phóng thêm các điện tử, và do đó có hiệu ứng khuếch đại dòng điện ở mỗi dynode Mỗi dynode kế tiếp có điện thế cao hơn dynode trước để cung cấp trường tăng tốc Tín hiệu sơ cấp được nhân lên và sự khuếch đại này tiếp tục 10 đến 12 lần Tại dynode cuối cùng, xung điện được tạo

ra đủ lớn để xử lí Xung này mang thông tin về năng lượng của bức xạ tới ban đầu

Số lượng xung như vậy trên một đơn vị thời gian cũng cho biết thông tin về cường

độ của bức xạ Thông tin được xử lí và truyền lên màn hình

Bức xạ phát ra từ bệnh nhân có thể đập vào máy dò ở bất kỳ góc độ nào, ở vị trí không tương quan với vị trí xuất phát của nó Để khắc phục điều này, ống bộ chuẩn trực được sử dụng trong đó chỉ các photon gamma truyền song song với bộ

chuẩn trực mới có thể đi vào chất nhấp nháy Những tia phương lệch sẽ va vào vách ngăn (thường là chì), bị hấp thụ và không làm nhiễu hình ảnh

Hình 3: Quá trình khuếch đại tín hiệu ở ống nhân quang (PMT).

III ỨNG DỤNG CỦA CAMERA NHẤP NHÁY

1 Định nghĩa của chụp xạ hình

Xạ hình là phương pháp ghi hình ảnh sự phân bố một cách đặc hiệu của các chất phóng xạ ở bên trong các cơ quan bằng cách đo hoạt độ phóng xạ của chúng

từ bên ngoài cơ thể Xạ hình không chỉ là phương pháp chẩn đoán hình ảnh đơn thuần về hình thái mà nó còn giúp đánh giá chức năng của cơ quan và một số biến đổi bệnh lí khác của chính cơ quan đó

Chụp xạ hình tạo ảnh thông qua việc sử dụng bức xạ phát ra từ các chất phóng

xạ (hiện tượng phân rã hạt nhân) Chất phóng xạ là một dạng đồng vị không ổn định, chúng trở nên ổn định hơn bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng bức

xạ Bức xạ này có thể gồm các photon trong tia gamma hoặc phát xạ hạt (ví dụ như positron được sử dụng trong PET) Chất phóng xạ thường được sử dụng là technetium-99m, nó sẽ được kết hợp với các hợp chất chuyển hóa hoạt động ổn định khác nhau, từ đó tạo ra một loại dược chất phóng xạ nhắm tới các cơ quan giải phẫu hoặc mô bệnh lý cụ thể (mô đích) Dược chất phóng xạ được sử dụng qua đường uống hoặc đường tiêm Sau khi chất phóng xạ tới mô đích, camera gamma sẽ tiến hành thu nhận hình ảnh Chất phóng xạ sẽ phát ra các tia gamma tương tác với các tinh thể nhấp nháy trong camera, tạo ra photon ánh sáng được đèn nhân quang điện chuyển đổi thành các tín hiệu điện Hệ thống máy tính tổng hợp và phân tích các tín hiệu, sau đó tích hợp chúng vào các hình ảnh 2 chiều Tuy nhiên, hệ thống chỉ có thể phân tích chính xác những tín hiệu gần tiết diện chụp camera; do đó, chất lượng hình ảnh sẽ bị giới hạn bởi độ dày của mô và phạm vi của camera

2 Đối tượng khảo sát

a) Xạ hình hệ thống mật

Xạ hình hệ thống mật được gọi là cholescintigraphy và được thực hiện để chẩn đoán tắc nghẽn đường mật do sỏi mật, khối u hoặc các nguyên nhân khác

Nó cũng có thể chẩn đoán các bệnh về túi mật, ví dụ như rò rỉ mật của lỗ rò đường mật Trong phương pháp xạ trị cholescintigraphy, hóa chất phóng xạ được tiêm vào sẽ được gan tiếp nhận và tiết vào mật Thuốc phóng xạ sau đó đi

vào đường mật, túi mật và ruột Máy ảnh gamma được đặt trên bụng để ghi hình các cơ quan được tưới máu này

b) Xạ hình phổi

Chỉ định phổ biến nhất cho xạ hình phổi là để chẩn đoán thuyên tắc phổi, ví

dụ như với chụp cắt lớp thông khí/truyền dịch Các chỉ định ít phổ biến hơn bao gồm đánh giá ghép phổi, đánh giá trước phẫu thuật

Trong giai đoạn thông khí của quá trình quét thông khí/truyền dịch, bệnh nhân hít vào một hạt nhân phóng xạ xenon hoặc technetium DTPA ở dạng khí dung qua ống ngậm hoặc mặt nạ che mũi và miệng Giai đoạn truyền dịch của xét nghiệm bao gồm việc tiêm vào tĩnh mạch hợp chất Tc99m-MAA [9]

c) Xạ hình xương

Xạ hình xương dựa trên nguyên lý là các vùng xương bị tổn thương hay vùng xương bị phá hủy thường đi kèm tái tạo xương mà hệ quả là tăng hoạt động chuyển hóa Nếu các dược chất phóng xạ có chuyển hóa tương đồng với calci thì chúng sẽ tập trung tại các vùng tái tạo xương, chỉ định để phát hiện vùng tăng sinh xương, gãy xương (gãy kín trên X quang không phát hiện được); u xương, cốt tuỷ viêm, khớp giả

Từ 1970 đến nay, 99mTc-phosphonates là sự lựa chọn phổ biến hàng đầu được sử dụng trong xạ hình xương Đáp ứng được những yêu cầu về giá thành,

độ ổn định, thời gian chụp hình, cho hình ảnh tốt về xương, mô mềm cũng như liều lượng, 99mTc kết hợp với phosphonates đã được sử dụng rộng rãi trong ghi hình hệ thống xương bằng gamma camera Đầu tiên là nhóm pyrophosphates, sau đó đã thay thế dần bằng diphosphonates như hiện nay: 99mTc-hydroxymethylene diphosphonate (HMDP hoặc HDP) và 99mTc-methylene diphosphonate (MDP) là những dược chất đã được nghiên cứu và cho chất lượng hình ảnh tốt nhất, thanh thải nhanh ra khỏi máu (3 - 4 giờ sau khi tiêm), cho hình ảnh xương rõ hơn, vì nồng độ phóng xạ trong máu và mô thấp Liều

xạ khoảng 20 - 30 mCi đối với người lớn, tiêm tĩnh mạch Đối với trẻ em liều

250 - 300 mCi/kg, tối thiểu 1- 2,5 mCi