GIỚI THIỆU VỀ YHHN I Định nghĩa YHHN Việc ứng dụng bức xạ ion hóa vào y sinh học đã có từ lâu và từng được gọi là y học phóng xạ Nhưng thuật ngữ y học hạt nhân (Nuclear Medicine) mới được Marshall Bru[.]
Trang 1GIỚI THIỆU VỀ YHHN
I Định nghĩa YHHN:
Việc ứng dụng bức xạ ion hóa vào y sinh học đã có từ lâu và từng được gọi là y học phóng xạ Nhưng thuật ngữ y học hạt nhân (Nuclear Medicine) mới được 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 Roentgennology and Radium Therapy)
Ngày nay người ta định nghĩa YHHN là một chuyên ngành mới của y học bao gồm tất cả mọi quá trình
áp dụng các chất đồng vị phóng xạ (radioisotop) trong chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu y học (trừ việc dùng các nguồn phóng xạ kín vào mục đích điều trị)
Việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ này chủ yếu dựa theo hai kỹ thuật cơ bản là kỹ thuật đánh dấu phóng xạ hay chỉ điểm phóng xạ (Radioactive Indicator, radiotracer) và dùng bức xạ phát ra từ các đồng vị phóng xạ để tạo ra các hiệu ứng sinh học mong muốn trên tổ chức sống (kỹ thuật chiếu xạ)
II Lịch sử phát triển:
- 1896 Becquerel đã phát minh ra hiện tượng phóng xạ qua việc phát hiện bức xạ từ quặng U ran
- Marie Curie người đầu tiên dùng chữ ‘’chất phóng xạ- radioactive’’ và cùng chồng Pierre Curie đưa ra các khái niệm về định luật phóng xạ
- 1903 ông bà Currie và nhà vật lý học người Pháp Henri Becquerel nhận giải thưởng Nobel về phát minh chất phóng xạ
- 1913, George Hevesy bằng thực nghiệm trong hóa học đã dùng một đvpx để theo dõi phản ứng Từ đó chúng ta có nguyên lý Hevesey: sự chuyển hóa của các đồng vị của cùng một nguyên tố trong tổ chức sinh học là giống nhau
- 1934 Irena và Frederick Curie nhận giải thưởng Nobel hóa học về việc phát minh ra đồng vị phóng xạ nhân tạo (artificial radioisotope)mốc lịch sử của vật lý hạt nhân và YHHN
- 1938 Segre và Seaborg tìm ra đồng vị phóng xạ 99mTc từ 99Mo
- 1941 Hamilton dùng I-131để điều trị bệnh tuyến giáp mở đầu việc sử dụng rộng rãi các ĐVPX nhân tạo vào điều trị bệnh
- 1942 xây dựng các lò phản ứng hạt nhân (Reactor)
- Năm 1951 B Cassen đã chế tạo ra máy ghi hình cơ học (Rectilinear Scintigraphe)
- 1958 Hal Anger đã sản xuất một phương tiện ghi hình thuận lợi hơn được gọi là Planar Gamma Camera.
- 1976 máy SPECT ra đời ứng dụng những thành tựu của máy chụp cắt lớp vi tính CT scan
- 1983 Dr Henry Wagner, người tiên phong trong lĩnh vực YHHN, lần đầu tiên ghi hình trên máy PET
- Song song với sự phát triển của thiết bị ghi hình phóng xạ trong YHHN là sự tiến bộ của các kỹ thuật sinh hóa , hóa dược làm xuất hiện nhiều khả năng gắn các ĐVPX vào các chất hữu cơ phức tạp, kể cả các kỹ thuật sinh tổng hợp Ngày nay chúng ta đã 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
Trang 2III Nguyên lý cơ bản:
Có hai loại hình ảnh chẩn đoán: hình giải phẫu và hình chức năng Hình giải phẫu cung cấp thông tin chính xác về mặt giải phẫu của các cấu trúc trong cơ thể Hình chức năng cho thông tin về các quá trình sinh lý xảy ra bên trong cơ thể Trong chẩn đoán YHHN, hình ảnh thu được là hình chức năng Nguyên tắc chính trong YHHN là sự xác định các quá trình sinh lý theo phương thức không xâm lấn Dược chất phóng xạ là những thuốc phóng xạ được dùng trong chẩn đoán và điều trị dưới dạng chất đánh dấu mà không có ảnh hưởng đến dược động học của thuốc Chất đánh dấu này được phân bố, chuyển hóa và bài tiết tùy theo cấu trúc hóa học của chúng Chức năng sinh lý của cơ thể sẽ được trình bày dưới dạng hình ảnh, dữ liệu số hay đường biểu diễn hoạt độ phóng xạ theo thời gian Tùy mục đích ghi hình cơ quan nào, chúng sẽ được gắn với các chất hóa học khác nhau có sẵn, thường được gọi là KIT- chất dùng để gắn với đồng vị phóng xạ
IV Tìm hiểu các khái niệm trong YHHN:
1 Đồng vị (isotope):
- Là những nguyên tử có cùng nguyên tử số Z nhưng trong hạt nhân có số nơtron khác nhau
do đó số khối A khác nhau
- Trong thiên nhiên có trên 20 nguyên tố là không đồng vị gọi là nguyên tố đơn hạt nhân Những nguyên tố khác còn lại đều có đồng vị đa số ở dạng bền gọi là đồng vị bền
- Đồng vị phóng xạ (radioisotope) là những đồng vị có hạt nhân ở trạng thái không ổn định về mặt năng lượng có khuynh hướng thâu đoạt hoặc mất bớt điện tích giải phóng năng lượng thừa
để đạt trạng thái ổn định hơn Bằng cách đó, đồng vị của nguyên tố này sẽ chuyển thành đồng vị của nguyên tố khác; cũng có trường hợp chuyển thành đồng phân (isomer) của cùng nguyên tố
đó Những chất đồng vị này được gọi là ĐVPX thiên nhiên, và người ta gọi hiện tượng này là phóng xạ thiên nhiên Đặc điểm của chúng là hoạt tính phóng xạ yếu, thời gian bán rã dài hàng triệu năm, lượng ít, không thoả mãn yêu cầu sử dụng
- Đồng vị phóng xạ nhân tạo là đồng vị phóng xạ trong y học do con người tạo ra
- Trong y học, ta thường dùng ĐVPX với hai mục đích khác nhau:
Làm chất đánh dấu, hay còn gọi là chất chỉ điểm (tracer) đó là cơ sở của các nghiệm pháp chẩn đoán và nghiên cứu y sinh học dùng phương pháp đánh dấu, trong mục đích này ta dùng ĐVPX với lượng càng ít càng tốt, nguyên tắc phải hầu như vô hại cho bệnh nhân
Làm nguồn phát tia γ hay β; các tia này tác dụng lên tổ chức tế bào, làm thay đổi chức năng tế bào hay huỷ diệt tế bào bệnh (thí dụ: ung thư) Trong y học đó là cơ
sở của điều trị bằng tia phóng xạ
- Khi chọn sử dụng ĐVPX ta cần lưu ý:
Thời gian bán rã vật lý của nguyên tố phóng xạ: thời gian này cần đủ dài để một
mặt kịp chuyển chất đồng vị từ nơi sản xuất đến cơ sở sử dụng, mặt khác đủ cho việc theo dõi nghiệm pháp và đo đạc Các ĐVPX thông dụng nhất trong chẩn đoán bệnh, có thời gian bán rã khoảng vài ba tuần thí dụ 131I, chất phổ biến nhất trong YHHN: 8 ngày, 32P : 14,3 ngày
Thời gian bán rã hiệu ứng: Khi đưa một chất ĐVPX vào cơ thể sống thì nồng độ
của nó trong cơ thể giảm dần, do phân rã phóng xạ và do loại trừ ra khỏi cơ thể Nếu chúng ta cho việc loại trừ các nguyên tử của cùng một nguyên tố ra ngoài cơ thể là như nhau và xảy ra theo kiểu hàm mũ thì chúng ta có thể đưa ra khái niệm
Trang 3về thời gian bán rã sinh học (Tb) Thời gian bán rã sinh học là thời gian mà trong
đó một nữa lượng của chất được đưa vào được loại ra ngoài cơ thể.Như thế khi tính nồng độ của một chất ĐVPX trong cơ thể sống, ngoài thời gian bán rã vật lý(Tp), ta còn phải xét đến thời gian bán rã sinh học (Tb) dẫn tới khái niệm thời gian bán rã hiệu ứng (Tef) : là khoảng thời gian trong đó các nguyên tử đồng vị phóng xạ đưa vào cơ thể giảm đi một nữa (vừa do phân rã vật lý, vừa do loại trừ sinh học) Tef = Tp.Tb / (Tp+Tb)
2 Hoạt độ phóng xạ (radioactivity):
- Hoạt độ phóng xạ là sự phân rã tạm thời của nhân phóng xạ Trong quá trình này, nhân phát
ra tia α, tia ß hay tia điện từ (electromagnetic ray)
- Hoạt độ A của một lượng ĐVPX được xác định bằng số phân rã hạt nhân diễn ra trong một đơn vị thời gian:
A= λ.N = λN0.e-γt
Trong đó: λ= hằng số phân rã
N= số nguyên tử hiện diện ở thời điểm t
N0 = số nguyên tử hiện diện ở thời điểm t0
- Hoạt độ của một lượng nguyên tố phóng xạ cũng chính bằng số hạt α hay β phát ra trong một đơn vị thời gian nhưng nhìn chung không bằng số photon γ hay X phát ra; bởi vì số trung bình các bức xạ γ hay X ứng với một phân rã thường khác 1
- Đơn vị hoạt độ là curi (kí hiệu Ci), đó là hoạt độ của một lượng nguyên tố phóng xạ có số
phân rã trong một giây là 3,7 x 1010
- Trong hệ thống đơn vị quốc tế (SI units) đơn vị hoạt độ là Becquerel (kí hiệu Bq)
1 Bq = 1 phân rã S-1
= 2.703 x 10-11 Ci
1 Ci = 3,7 x 1010 Bq
3 Phân rã (desintegration):
- là sự chuyển hạt nhân nguyên tử của 1 đồng vị này thành hạt nhân của một đồng vị khác
- Sự phân rã này có kèm theo tác dụng phát ra các tia hạt và sóng → phân rã phóng xạ (radioactive desintegration)
- Trong một khoảng thời gian nhất định, số phân rã đặc hiệu cho một chất ĐVPX nào đó tỷ lệ với
số lượng các nguyên tử ĐVPX hiện diện với thời gian:
dN = - λ Ndt
N = N0.e- λt
N0 = số nguyên tử phóng xạ hiện diện ở thời điểm ban đầu (t =0)
N = số nguyên tử phóng xạ hiện diện ở thời điểm t
λ = hằng số phân rã.
- Qui luật phân rã theo thời gian là qui luật giảm theo hàm số mũ
Khi t = 0 thì N = N0
Khi t → ∞ thì N → 0
Trang 44 Thời gian bán rã (half life):
- (còn gọi là chu kỳ bán rã hay “nữa đời sống” vật lý), ký hiệu là Tp Đó là khoảng thời gian cần thiết để diễn ra sự phân rã của một nữa số nguyên tử ban đầu
- Tp được tính theo đơn vị thời gian: giây, phút, giờ, ngày hay năm
- Ví dụ Tp của 131I là 8 ngày
- Lượng ĐVPX sau 1Tp: còn ½ trị số ban đầu
sau 2Tp: còn ¼ trị số ban đầu
sau nTp: còn 1/2n trị số ban đầu
III Sản xuất hạt nhân phóng xạ:
Hạt nhân phóng xạ được xem là chất đánh dấu cho phép chúng ta định lượng những quá trình sinh lý đặc hiệu xảy ra trong cơ thể Hạt nhân phóng xạ được tạo ra bằng cách dùng hạt neutron, proton hay alpha… (sub-nuclear particles) bắn phá hạt nhân của những nguyên tử bền để tạo ra những phản ứng hạt nhân chuyển những nhân bền thành nhân không bền Những cách khác
để tạo ra hạt nhân phóng xạ có thể từ nguồn ban đầu như lò phản ứng (Reactor-production) và máy gia tốc (Accelerator-production) hay từ nguồn gián tiếp như máy phát đồng vị hạt nhân còn gọi là bò đồng vị (Radionuclide Generators)
Trong nhiều năm người ta dùng lò phản ứng như là nguồn chủ yếu để sản xuất ĐVPX nhưng ngày nay trong các khoa YHHN người ta dễ dàng tìm thấy máy gia tốc hay máy phát đồng vị như là nguồn chủ yếu sản xuất ĐVPX
Máy gia tốc được dùng phổ biến cho sản xuất ĐVPX trong YHHN là cyclotron Nó bao gồm một cặp điện cực chì, có hình bán khuyên, gọi là ‘’dees’’ (hình chữ D) do hình dáng của nó, nằm giữa những cực của điện trường lớn Hai nữa ‘’dees’’ ngăn cách nhau bởi khoảng hẹp (narrow gap) Nguyên tắc vận hành của nó là dùng nguồn từ trường để hướng những điện cực đang di chuyển chuyển động theo hướng bán khuyên giữa máy gia tốc bởi một trường điện ghép vào Trường điện ghép vào này gia tốc những electron giữa ‘’dees’’ của diện từ trường Diện này bị đảo ngược ở tần số cyclotron để gia tốc những electron quay ngược lại ngang qua ‘’gap’’ Khi đó proton được bắn vào bia (target) Do chúng ta dùng proton để bắn phá, chúng ta đã làm thay đổi nguyên tố và làm chúng nằm dưới đường cân bằng Vì thế phân rã này phát tia positron Cyclotron có thể nằm ngay tại khoa YHHN
vì vậy cho phép dùng được những đồng vị có thời gian bán rã ngắn, giảm liều cho bệnh nhân Tuy nhiên, giá thành để xây dựng và vận hành cyclotron rất đắt
Máy phát đồng vị bao gồm cặp đồng vị phóng xạ mẹ-con được chứa trong thiết bị cho phép phân lập và lấy ra đồng vị phóng xạ con trong dung dịch sinh lý Do tính chất có sẵn dưới dạng generator, sự phát tia gamma 140 keV đơn năng lượng, thời gian bán rã lý tưởng 6 giờ, nó cho phép chuẩn bị tại chỗ nhiều dược chất phóng xạ Hạt nhân phóng xạ được dùng phổ biến trong YHHN là technetium 99m Những đặc điểm nổi bật của generator là nó dễ vận chuyển, dễ dàng tách lấy ĐVPX con từ ĐVPX mẹ, vô trùng, không lẫn tạo chất hạt nhân phóng xạ ĐVPX mẹ phải có thời gian bán rã hợp lý ĐVPX con phải có thời gian bán rã và mức năng lượng gamma lý tưởng và điều rất quan trọng
là tính chất hóa học của ĐVPX con cho phép sự chuẩn bị tại bệnh viện Một số hạt nhân phóng xạ được sản xuất theo phương thức này:
Phương thức phân rã
Sản phẩm sau cùng
Trang 5Ge 288 ngày EC Ga 68,3 phút ß+, EC Zn
IV Phương thức phân rã:
Quan sát bảng trên ta thấy để đạt đến trạng thái ổn định, hạt nhân phóng xạ phân rã theo nhiều cách khác nhau lần lượt là: phân rã α, phân rã ß, phân rã positron (ß+), quá độ đồng phân (isomeric transition -phân rã Ɣ), chuyển đổi nội tại (IC), thâu đoạt electron (EC) và phân hạch hạt nhân Trong ứng dung ghi hình chẩn đoán YHHN, phân rã α và phân hạch hạt nhân tương đối ít quan trọng nên không đề cập ở đây
1 Quá độ đồng phân (isometric transition):
Sau một phản ứng phân rã, hạt nhân thường trong trạng thái kích thích - ở trạng thái á vững bền (metastable) Điều này có nghĩa là sau khi phân rã nhân vẫn còn thừa năng lượng Năng lượng thừa này sẽ chuyển thành bức xạ điện từ gọi là tia gamma (Ɣ), thấy trong ánh sáng tự nhiên hoặc vi sóng nhưng ở mức năng lượng rất cao Trong quá trình này hạt nhân nguyên tử phân rã bằng cách chuyển năng lượng đến electron quĩ đạo và phát tia Ɣ có năng lượng xác định để chuyển thành một đồng phân của nó (nghĩa là có cùng số khối và số nguyên tử giống như nó) Chất đồng phân này
có thể vững bền hoặc tiếp tục phân rã
Tia gamma không có khối lượng hay điện tích Nó tương tác với vật chất thông qua va chạm với những điện tử của những lớp của nguyên tử Chúng mất dần năng lượng trong vật chất, đi được một khoảng đáng kể trước khi dừng lại Dựa trên mức năng lượng ban đầu của nó, tia gamma
có thể đi được một đoạn từ 1 đến hàng trăm mét trong không khí và dễ dàng xuyên qua người Tc-99m phát tia gamma được dùng rộng rãi trong YHHN
2 Phân rã positron ( β+ ) :
Trong kiểu phân rã β+, hạt nhân nguyên tử thừa proton, nó chuyển sang trạng thái ổn định bằng cách chuyển 1 proton thành nơtron kèm theo hiện tượng phát ra từ hạt nhân nguyên tử 1 electron dương (hạt β+) và 1 nơtron Electron dương (hay positron), so với electron, thì rất không bền; chỉ tồn tại trong khoảng thời gian hết sức ngắn (khoảng 10-8 giây) Sau đó kết hợp với electron quĩ đạo nào đó, để rồi chuyển từ dạng hạt sang dạng sóng điện từ bằng cách làm xuất hiện 2 lượng
tử (quanta) bức xạ γ với năng lượng 0,51 MeV; đó là năng lượng tương đương với khối lượng nghỉ
mo của electron hay positron
Sự phát positron hữu ích trong YHHN do hai photon hay lượng tử được tạo ra trên cùng một sự kiện phân rã hạt nhân Mối quan hệ định hướng chính xác giữa hai photon hủy diệt (annihilation photon) cho phép ứng dụng kỹ thuật đếm trùng phùng (coincidence counting)
3 Thâu đoạt electron (electron capture; ký hiệu:”EC”):
Trong kiểu phân rã này, 1 proton của hạt nhân nguyên tử chuyển thành nơtron bằng cách thâu đoạt 1 electron của quỹ đạo trong cùng (K) (đôi khi cả của quỹ đạo L hay M) Nguyên tố mới tạo thành có số khối không đổi, nhưng nguyên tử số giảm 1, giống như trong trường hợp phân rã β+ Việc thâu đoạt electron đi kèm với việc phát tia X đặc hiệu do electron ở các quỹ đạo ngoài vào thế chỗ
Trong phân rã positron và EC có cùng ảnh hưởng lên hạt nhân mẹ Cả hai đều là phương thức phân rã đẳng áp (isobaric decay) làm số nguyên tử giảm 1 Trong số hạt nhân phóng xạ, những nguyên tố nhẹ hơn thường xảy ra phân rã β+ trong khi những nguyên tố nặng hơn có phân rã theo phương thức thâu đoạt electron EC, do trong những nguyên tố nặng, electron quĩ đạo có khuynh hướng gần nhân hơn nên dễ bị bẫy hơn Ví dụ đối với 18F thì 3% là phân rã EC và 97% là phân rã β+
Trang 6Khả năng đâm xuyên của các hạt trong mô theo bảng sau:
Loại và mức năng lượng hạt nhân phóng xạ xác định tiện ích của photon cho việc đo đạc
và ghi hình
V Tương tác của bức xạ với vật chất:
1 Tương tác của bức xạ α với vật chất :
- Khi một hạt α đi qua môi trường vật chất va chạm với nguyên tử của vật chất, thì truyền năng lượng cho electron trong nguyên tử, làm cho electron thoát khỏi nguyên tử và trở thành electron tự do (mang điện âm) Phần còn lại của nguyên tử thì trở thành một ion dương Đó là
hiện tượng in hoá.
- Nếu năng lượng của hạt α truyền cho electron thấp hơn giá trị đó thì electron không bị văng
khỏi nguyên tử mà chỉ bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn Đó là hiện tượng kích thích.
- Bức xạ α có khả năng gây ion hoá cao
- Khi truyền trong môi trường vật chất (môi chất) do quá trình ion hoá và kích thích, năng lượng của hạt α giảm dần; tốc độ của hạt giảm dần và cuối cùng dừng lại quãng đường hạt α đi từ nguồn bức xạ đến điểm dừng hẳn lại, gọi là “tầm” của hạt α; ứng với năng lượng Eα xác định,
ta có tầm R xác định
2 Tương tác của bức xạ β với vật chất:
a Ion hoá và kích thích :
- Cũng như bức xạ α, bức xạ β khi đi qua môi trường vật chất thì gây ra các hiện tượng ion hoá và kích tích nguyên tử
- Khả năng ion hoá của bức xạ β nhỏ hơn rất nhiều so với bức xạ α
b Bức xạ hãm :
- Khi năng lượng hạt β đủ lớn (nhiều MeV), nó có thể đến gần hạt nhân, do tác dụng của trường tĩnh điện hạt nhân, electron lệch qũi đạo và phát ra photon Các photon này tạo thành bức xạ hãm (bremstrahlung) Bức xạ hãm chính là nguyên lý hoạt động của các bóng phát tia X
- khi bức xạ β truyền trong môi trường vật chất, quá trình ion hoá và quá trình tạo bức xạ hãm sẽ cạnh tranh nhau
c Hiệu ứng Mallei- Trêrencôp :
- Khi hạt β có vận tốc trong chân không khá lớn (gần bằng vận tốc ánh sáng trong chân không), nếu đi vào một môi chất có chiết suất lớn thì vận tốc của hạt có thể lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi chất ấy Trong trường hợp này, một phần năng lượng electron chuyển thành ánh sáng khả kiến (nhìn thấy) hay tia tử ngoại: ta có hiện tượng phát quang màu xanh
- Các trường hợp tương tác kể trên giữa bức xạ β với các nguyên tử của môi chất, tạo hiệu ứng tán xạ (diffusion, scattering) Hiệu ứng này càng lớn khi chùm β có năng lượng càng nhỏ và nguyên tử của môi chất càng nặng Hiệu ứng này cũng tăng lên với độ dày của môi chất Electron sau nhiều lần va chạm có thể văng ngược trở lại Đó là hiện tượng tán xạ ngược (retro diffusion), hiệu ứng này rất lớn đối với môi chất là kim loại nặng
- Chùm tia β phát ra do phân rã phóng xạ không phải là đơn năng để chịu một sự hấp thu tuyến tính trong môi chất; trái lại, chúng là đa năng (năng lượng các hạt β rải từ 0 đến trị số Emax), nên qua các tương tác với vật chất, chúng bị hấp thu kiểu hàm mũ:
Trang 7I = I o e-μd
I o = cường độ ban đầu của chùm hạt β
I = cường độ sau khi đi qua môi chất có bề dày d
μ = hệ số hấp thu, có thứ nguyên là [cm]-1
Cùng một năng lượng thì bức xạ β có tầm đi lớn hơn rất nhiều so với bức xạ α Tầm đi này tỷ lệ nghịch với tỷ trọng của môi chất
3 Tương tác của bức xạ γ với vật chất:
Bức xạ γ về bản chất, không khác tia X nhưng có năng lượng cao hơn, rãi ra từ nhiều KeV đến nhiều MeV Khi tương tác với môi trường vật chất mà nó truyền qua, bức xạ này gây nên 3 hiệu ứng sau đây:
a Hiệu ứng quang điện :
- Chủ yếu bức xạ có năng lượng từ 0,01 đến 0,1 MeV
- Photon va chạm với nguyên tử, truyền toàn bộ năng lượng Eγ = hν cho một electron quĩ đạo chuyển nó thành một electron tự do gọi là quang electron (photoelectron) Quang electron đi trong môi trường vật chất, lại bị tán xạ mất dần năng lượng
b Hiệu ứng Compton :
- Chủ yếu cho Eγ từ 0,1 đến 5 MeV
- Trong hiệu ứng Compton, 1 photon năng lượng Eγ = hν va chạm với electron của nguyên tử và truyền một phần năng lượng cho electron này, làm electron thoát khỏi nguyên tử (gọi là eletron compton); còn bản thân photon thì bị lệch hướng với một góc tán xạ q và năng lượng của nó sụt xuống Đối với các tổ chức cơ thể, hiệu ứng Compton có vị trí chủ yếu Đối với chì, hiệu ứng Compton chiếm ưu thế khi năng lượng Eγ = 1-3 MeV và với nhôm khi Eγ = 0,1-10MeV
c Hiệu ứng vật chất hoá hay tạo cặp:
- Với Eγ > 1,022MeV
- Khi Eγ của photon tới lớn hơn hai lần năng lượng ứng với khối lượng nghỉ của electron tức là lớn hơn 1,022 MeV thì photon sẽ biến thành 1 electron với động năng Ee- và 1 positron với động năng Ee+
- Khi bức xạ γ truyền qua môi chất, do sinh ra 3 hiệu ứng trên, số photon bị hấp thu dần (hấp thu thực sự trong hiệu ứng quang điện và hiệu ứng vật chất hoá, hấp thu do khuếch tán trong hiệu ứng Compton)
- Đối với chùm tia γ song song và đơn năng, cường độ bức xạ I giảm theo hàm mũ trên đường
đi của nó:
I = Io.e-μd
- Suy ra:
I / Io = e-μd
- Độ dày d làm cường độ bức xạ giảm đi một nữa, nghĩa là để cho I / Io = ½ được gọi là lớp nữa hấp thu, kí hiệu là d1/2
VI Đường vào của dược chất phóng xạ:
Bất kỳ phương thức YHHN nào, lượng phóng xạ đưa vào nhỏ và sẽ không ảnh hưởng đến bất kỳ quá trình chuyển hóa bình thường nào Lượng nhỏ như thế được gọi là chất đánh dấu (tracer) Thông thường liều bức xạ nhận được từ bệnh nhân (liều hiệu dụng) (trong kỹ
Trang 8thuật YHHN) là 1-4mSv Điều này có thể so sánh với liều hiệu dụng trung bình mỗi người nhận được từ bức xạ thiên nhiên là 2mSv/ năm
Phát hiện bức xạ phát ra chứng tỏ có sự hiện diện của phóng xạ khi nó phân rã Nếu cần tính hoạt độ phóng xạ trong mẫu máu hay nước tiểu, khi đó ta dùng ĐVPX phát tia ß hoặc Ɣ Hạt ß có khả năng đâm xuyên trong mô hay nước 10mm trong khi tia Ɣ là vài cm Nếu chúng ta cần hình ảnh phân bố phóng xạ trong cơ thể khi đó chúng ta chỉ có thể dùng đồng vị phát tia Ɣ
do khả năng đâm xuyên sâu do đó chúng ta có thể phát hiện chúng từ ngoài cơ thể Đồng vị được dùng phổ biến nhất là 99mTc có T1/2 là 6 giờ và phát tia gamma 140keV
Nếu chúng ta muốn kiểm tra chức năng của các cơ quan bên trong cơ thể, chúng ta lợi dụng những cơ chế sinh học tự nhiên khác nhau để đưa phóng xạ vào trong cơ quan Ví dụ đối với tuyến giáp chúng ta lợi dụng quá trình vận chuyển chủ động (active transport) của tế bào tuyến giáp nằm cạnh mạch máu để vận chuyển iode ngang qua màng tế bào từ máu vào trong
tế bào và cuối cùng vào trong tuyến giáp
Cơ chế khác là tắc nghẽn mao mạch (capillary blockage) là cơ chế được dùng để đưa phóng xạ vào phổi Nếu chúng ta tiêm phóng xạ vào tĩnh mạch cánh tay, máu có phóng xạ sẽ được mang trở về tim, sau đó bơm lên phổi để trao đổi oxy và CO2 Nếu hạt phóng xạ có đường kính ≥ 20 microns chúng sẽ bị kẹt ở mao mạch của phổi Đây là quá trình chuyển hóa nghiêm ngặt và cuối cùng những hạt phóng xạ này sẽ vỡ ra và được thải ra khỏi phổi Tuy nhiên, tận dụng ngay lúc mao mạch phổi bị tắc nghẽn chúng ta có thể dùng gamma camera đo
sự phân bố phóng xạ tương ứng với dòng máu đến phổi Sự phân bố như thế sẽ thay đổi ngoạn mục khi có thuyên tắc phổi hay ung thư phổi
Cơ chế được lợi dụng thứ ba là thực bào (phagocytosis) Một trong những chức năng của gan là lấy đi những chất keo từ dòng máu Vì vậy khi chúng ta đưa phóng xạ gắn kết với chất keo (kích thước ~ 50nm) vào máu, gan sẽ chiết xuất chất này để tạo nên hình ảnh trên máy gamma camera
Sự định ra những chất đi đến những ngăn giải phẫu (the localization of materials to an anatomical compartment) có thể được dùng cho mục đích chẩn đoán Ví dụ có thể trộn phóng
xạ với thức ăn, sau đó đo hoạt độ phóng xạ ở dạ dày để đánh giá khả năng co bóp của dạ dày,
sự làm trống thức ăn từ dạ dày Khi đó có thể phát hiện bất thường liên quan sự làm trống dạ dày trì hoãn Nó cũng hạn chế chất đánh dấu đến những ngăn cơ thể như máu, huyết tương, dịch ngoại bào hay nước toàn cơ thể Những chất đánh dấu như thế có thể được dùng để đo thể tích dịch trong mỗi khoang
Một số nguyên tố tự nhiên hóa học có vị trí đặc hiệu trong cơ thể Ví dụ, thông thường một số ion tồn tại ngoài tế bào (sodium) trong khi các ion khác tồn tại trong tế bào (potassium) Một số nguyên tố được gắn kết chủ yếu tại xương (calcium) Cơ chế đáp ứng cho những phân bố này có thể được tận dụng để đưa phóng xạ đến cơ quan là sự trao đổi khuếch tán (exchange difusion) Ví dụ thallium là một chất đồng đẳng của potassium Sau tiêm, một số thallium sẽ hiện diện trong cơ tim và sẽ phát hiện được những vùng chức năng khiếm khuyết
do nhồi máu đặc biệt khi thực hiện ngay sau khi bệnh nhân gắng sức
Cuối cùng, một chất như pyrophotphate đóng vai trò trong điều hòa quá trình vôi hóa trong xương Lượng phóng xạ gắn pyrophotphate được chuyển đến vùng xương dựa trên lượng máu đến xương và tỉ lệ hấp thu phóng xạ từ xương Ghi hình xương dựa trên quá trình chuyển hóa quan trọng Nếu lượng máu đến xương hoặc hoạt động tế bào xương tăng khi đó lượng phóng xạ đến xương nhiều hơn và những vùng bất thường như vậy sẽ được phát hiện
Trang 9Những bất thường như tổn thương xương, ung thư xương hay bệnh Paget cũng sẽ được nhận
ra trên xạ hình xương
Các đường đưa phóng xạ vào cơ thể:
1 Tiêm tĩnh mạch:
- DCPX được tiêm vào tĩnh mạch
- Ví dụ: Tc-99m MDP trong xạ hình xương
2 Tiêm dưới da:
- DCPX được tiêm vào dưới da
- Phương pháp này dùng trong ghi hình hệ thống Lympho
3 Tiêm trong bao hoạt dịch:
- DCPX được tiêm trực tiếp vào khớp
- Ví dụ ghi hình khớp gối dùng Yttrium-90
4 Dạng hít:
- Một số DCPX và ĐVPX được bệnh nhân hít vào, điển hình trong đánh giá chức năng phổi dùng Krypton-81m và acrosole chứa Tc-99m
5 Đường tiêu hoá:
- Có thể đưa DCPX qua đường miệng
- Ví dụ Tc-99m được cho vào trứng ghi hình dạ dày
6 Tiêm vào khoang dưới nhện : ghi hình dịch não tuỷ
VII KỸ THUẬT GHI ĐO BỨC XẠ:
Mỗi máy đo bức xạ hạt nhân đều có hai bộ phận cơ bản:
1 Bộ phận phát hiện (detector):
- Làm nhiệm vụ chuyển tia phóng xạ thành dạng có thể đo đếm được (thường là một xung điện)
- Để phát hiện ĐVPX, người ta thường dựa trên những thay đổi hoá lý gây ra bởi tương tác giữa bức xạ và vật chất: ion hoá, nhấp nháy, hoá học, nhiệt học, bức xạ thứ phát Các dụng cụ phát hiện dùng trong YHHN, chủ yếu thuộc loại ion hoá chất khí và loại dùng các chất nhấp nháy
2 Bộ phận đếm:(các thiết bị điện tử đi kèm với detector):
Bộ phận khuếch đại (Amplificator)
Bộ phận cắt ngưỡng (Discriminator)
Nguồn cao áp cho detector
Bộ phận ghi nhận xung
Đo trên cơ thể sống có 7 phương pháp khác nhau thường được sử dụng:
Đo từng thời điểm
Ghi đồ thị phóng xạ
Ghi hình hay rà hình phóng xạ (Scinti scanning)
Chụp hình bằng Gamma-camera
Chụp hình cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT)
Chụp hình cắt lớp phát xạ positron (PET)
Trang 10Đếm phóng xạ toàn thân (whole body counting)
Bức xạ phát ra từ hạt nhân phóng xạ bên trong cơ thể thường được phát hiện dùng máy chụp hình phóng xạ (Gammacamera viết tắt GC.) cho hình ảnh tức thì của cơ quan có tập trung ĐVPX
VIII Thiết bị ghi hình:
1 Gamma camera GC:
- Bức xạ γ được thu nhận bởi một tinh thể nhấp nháy (scintillation crystal) (12mm) có đường kính lớn (290-400mm) Sau đó các photon phát ra được thu nhận bởi một tập hợp ống nhân quang (photomultiplier) (19-37 ống) bố trí thành hình 6 cạnh Bộ phận phát hiện tia γ trạng thái rắn (solid-state ) thì có sẵn nhưng chưa được ghi nhận
- GC dùng bao định hướng chì (lead collimators) để tăng độ phân giải hình ảnh bằng cách giới hạn những tia γ không mong muốn Việc dùng các bao định hướng (BĐH) tuỳ thuộc vào năng lượng bức xạ γ Với tia γ cứng và trung bình dùng BĐH 1000 lỗ, với tia γ năng lượng dưới 250keV dùng BĐH 4000 lỗ Dầu sao, hiệu suất của các máy chụp hình chỉ chấp nhận được đối với bức xạ γ năng lượng từ 70-700 keV Vượt giới hạn trên, tác dụng định hướng của bao chì trở nên khó khăn: còn thấp hơn giới hạn dưới thì độ phân giải kém, hình ảnh không trung thành Hạt nhân phóng xạ được sử dụng phổ biến trong hình chụp hiện nay có năng lượng γ bằng 140 keV, rất thuận lợi cho việc chụp hình với máy GC GC thường là sự cân bằng độ phân giải không gian chống lại độ nhạy
- Một GC điển hình có độ phân giải 4-6mm và có thể bắt giữ hàng trăm ngàn chuỗi tia gamma trên giây GC phát hiện vị trí X, Y của mỗi tia γ, dùng những toạ độ này để đặt một pixel trong một ma trận hình ảnh để xây dựng nên hình ảnh thấy được Những đơn vị của hình ảnh YHHN thô là “counts” hay “kilocounts”, phản ảnh số tia γ được phát hiện TrongYHHN, giá trị của một pixel hình ảnh là tích phân của chuỗi tia γ ở vị trí pixel đó theo thời gian Điều này có nghĩa là, pixel xuất hiện sáng hơn khi số counts được phát hiện nhiều hơn ở vị trí đó Trong ghi hình tĩnh, pixel cũng có thể được nghĩ như là tích phân vạch (line integral) của sự phân bố hạt nhân phóng xạ của đường vuông góc kéo dài từ vị trí pixel xuyên qua cơ thể bệnh nhân
- Vì mỗi hạt nhân phóng xạ YHHN có phổ năng lượng (energy spectrum) phát tia γ duy nhất, và
do năng lương tia γ được phát hiện trong GC bởi chấm sáng do số nhấp nháy truyền tới, GC dùng cửa sổ năng lượng energy winhdows như là cổng vào hoặc để chỉ xử lý giới hạn đối với những tia γ có mức năng lượng đặc biệt Một cửa sổ năng lượng thường được đặt ở đỉnh của phổ năng lượng của hạt nhân phóng xạ đặc biệt, và nó phớt lờ những tia γ khác mà có thể làm
mờ đi hình ảnh
- Với các máy GC ta có thể theo dõi các quá trình diễn biến nhanh thường gọi là chụp hình động (dynamic imaging) Ví dụ như theo dõi lúc máu tĩnh mạch về tim phải, lúc nó rời tim phải và trở
về tim trái…
2 SPECT ( Chụp hình cắt lớp phát xạ đơn photon có máy tính (single-photon emission computed tomography)
- Cách chụp này được thực hiện bằng cách quay một GC theo đường tròn quanh bệnh nhân giữ camera song song với trục quay Chụp cắt lớp quay tròn (rotational tomography) như vậy mô tả được đầy đủ không gian 3 chiều của sự phân bố chất phóng xạ đưa vào cơ thể bệnh nhân vì nó cung cấp đồng thời các lát cắt ngang, cắt đứng dọc, và cắt đứng ngang (transversal, sagital, and frontal slice) Đọc hình bằng cách xem trực tiếp các lát cắt được tái hiện nhờ máy tính