ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OLINDA ĐỂ TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN

m Khối lượng cơ quan N Số hạt nhân phân rã trong cơ quan nguồn ∆ Năng lượng trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích luỹ TR b Thời gian bán rã sinh học... Những tính toán này phụ thuộc:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN ĐÔNG SƠN

Thành phố Hồ Chí Minh – 2011

m Khối lượng cơ quan

N Số hạt nhân phân rã trong cơ quan nguồn

∆ Năng lượng trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích luỹ

TR b Thời gian bán rã sinh học

IAEA International Atomic Energy Agency

ICRP International Commission on Radiological Protection

MIRD Medical International Radiation Dose

RIDIC Radiation Internal Dose Information Center

YHHN Y H ọc Hạt Nhân

MỞ ĐẦU

Y học hạt nhân là chuyên ngành nghiên cứu, ứng dụng các đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị bệnh Nó phát triển cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đặc biệt là vật lý hạt nhân, bắt nguồn từ sự kiện Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ năm 1896, Pierre và Marie Curie tách được hai chất phóng xạ tự nhiên Radium và Polonium vào năm 1898, sau đó là việc tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo từ khoảng 1940 đã tạo tiền đề cho việc chẩn đoán và điều trị bằng đồng vị phóng xạ dựa trên nguyên lý đánh dấu Hesevy [3,40]: “cơ thể sống không có khả năng phân biệt các đồng vị của cùng một nguyên tố nên khi đưa vào cơ thể sống các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố thì chúng tham gia vào các phản ứng sinh học và chịu sự chuyển hóa như nhau”

Hơn nửa thế kỉ phát triển, Y học hạt nhân đã chứng minh được hiệu quả, độ an toàn và lợi ích kinh tế của nó Trên thế giới, mỗi ngày có hàng ngàn bệnh nhân được điều trị bằng đồng vị phóng xạ với tỷ lệ thành công cao so với các phương pháp khác Đóng góp của Y học hạt nhân trong chẩn đoán

là rất đáng kể với con số 40 ngàn bệnh nhân mỗi ngày [26], và đang có xu hướng tăng lên khá nhiều cùng với sự tiến bộ của các kĩ thuật ghi đo SPECT, PET hay liên kết giữa SPECT/CT và PET/CT

Ở nước ta, Y học hạt nhân hình thành và phát triển bắt đầu từ những năm 1960 với việc thành lập

“Đơn vị nghiên cứu phóng xạ” tại bệnh viện Bạch Mai và “Khoa phóng xạ y học” tại học viện Quân y Đến nay chúng ta đưa vào hoạt động lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cung cấp dược chất phóng xạ, đồng thời có thêm khoa Y học hạt nhân của bệnh viện Chợ Rẫy và khoảng 20 cơ sở trong cả nước thực hiện chẩn đoán cho khoảng 500 nghìn bệnh nhân [5,52], và điều trị cho hàng ngàn bệnh nhân bị các bệnh về tuyến giáp, ung thư và khối u mỗi năm Chúng ta có nhiều thuận lợi là được hỗ trợ từ các nước phát triển cùng với tiến bộ của khoa học kĩ thuật, nên ngành Y học hạt nhân phát triển nhanh chóng Tuy nhiên những trở ngại chúng ta gặp phải là không nhỏ Đó là nguồn dược chất phóng xạ không đủ cung cấp trong nước nên phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao, vận chuyển và bảo quản khó khăn, điều kiện để đảm bảo an toàn phóng xạ chưa đáp ứng đủ, hạn chế về nguồn tài chính, nguồn nhân lực cũng như thiếu cơ sở có tính đồng bộ để thực hiện hết chức năng của ngành Y học hạt nhân [2]

Mục tiêu của Y học hạt nhân trong chẩn đoán là dùng đồng vị phóng xạ với vai trò là chất đánh dấu để thăm dò, đánh giá hoạt động chức năng của các cơ quan trong cơ thể, từ đó phát hiện bệnh lý

mà không gây tác hại nào lên bệnh nhân Còn trong điều trị, ta phải dùng liều phóng xạ tương đối lớn dựa trên tác dụng tiêu diệt tế bào của bức xạ lên cơ thể sống để làm thay đổi chức năng hay hủy diệt tổ

chức bệnh Tuy nhiên, tổ chức lành cũng có thể bị ảnh hưởng gây tổn hại đáng kể đến bệnh nhân nếu việc tính toán liều không chính xác Do đó cần tính liều cung cấp cho bệnh nhân sao cho tất cả các tổ chức trong cơ thể tác hại không đáng kể trong chẩn đoán và các tổ chức lành không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi điều trị mà vẫn đạt được hiệu quả tối ưu

Hiện nay phương pháp tính liều chiếu trong MIRD được sử dụng bởi Ủy Ban Quốc Tế về An Toàn Phóng Xạ ICRP là phương pháp được đánh giá cao và ngày càng phổ biến Bên cạnh đó những phần mềm tính liều được phát triển để giảm thiểu thời gian và độ phức tạp trong tính toán liều như MIRDOSE, OLINDA/EXM Trong đó OLINDA là phần mềm được tổ chức Quản lý thuốc và thực phẩm FDA khuyến cáo sử dụng để tham khảo giá trị liều chiếu trong, từ đó đưa ra quyết định cung cấp liều phù hợp với bệnh nhân trong chẩn đoán và điều trị Phần mềm này hiện nay được sử dụng rộng rãi

vì những tiện ích của nó như thời gian tính liều nhanh, nhiều đồng vị phóng xạ và mô hình được đưa vào, đồng thời cho kết quả tính liều với khá phù hợp với phần mềm tính liều MIRDOSE, đồng thời khắc phục một số hạn chế của MIRDOSE [35]

Một vấn đề đặt ra cho nhân viên Vật lý khi tham gia vào Y học hạt nhân là tìm hiểu, áp dụng, cải tiến các phương pháp tính liều một cách khoa học, chính xác và phù hợp với từng đối tượng bệnh nhân Điều này hết sức cần thiết vì việc áp dụng Y học hạt nhân trong chẩn đoán, điều trị ở Việt Nam và thế giới còn nhiều hạn chế, vì nhiều lý do như chi phí, công sức và độ phức tạp trong việc tính liều chiếu trong nên việc cấp liều cho bệnh nhân là theo hoạt độ cố định, mà không tính riêng cho từng trường hợp Điều đó sẽ dẫn tới tình trạng bệnh nhân có thể nhận một liều lớn hơn cần thiết gây ra những tổn hại không đáng có cho các mô lành và những hậu quả lâu dài cho sức khỏe của bệnh nhân Hoặc bệnh nhân có thể nhận một liều thấp hơn cần thiết không mang lại hiệu quả tốt nhất trong điều trị và chẩn đoán dẫn tới nhiều hệ lụy

Trong điều kiện có thể, luận văn sẽ tìm hiểu và ứng dụng phần mềm OLINDA để tính liều trong chẩn đoán, điều trị bằng đồng vị phóng xạ sao cho chính xác và khả thi nhất với đối tượng là bệnh nhân Việt Nam, cụ thể là tính liều với dược chất P

18

PF-FDG trong chẩn đoán và theo dõi tiến triển của bệnh ung thư – một căn bệnh đe dọa mọi quốc gia, mọi đối tượng và là nguyên nhân gây tử vong cao thứ hai trong nhóm bệnh không lây nhiễm

Từ mục tiêu trên, nội dung của luận văn sẽ bao gồm 3 chương Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết, bao gồm những vấn đề như nguyên lý sử dụng đồng vị phóng xạ và phương pháp MIRD tính liều chiếu trong Y học hạt nhân, đó là các kiến thức cơ bản để khảo sát chương 2 và 3 Chương 2 sẽ tìm

hiểu phần mềm tính liều chiếu trong OLINDA/EXM với các chức năng, mô hình, giao diện và cách sử dụng Chương cuối cùng – chương 3, sẽ trình bày ứng dụng của phần mềm OLINDA tính liều chiếu trong khi tiêm dược chất phóng xạ P

18

PF-FDG vào cơ thể bệnh nhân để chẩn đoán và theo dõi tiến triển của bệnh ung thư với dữ liệu động học từ các nghiên cứu của Mĩ và Nhật Bản, từ đó hiệu chỉnh liều cho đối tượng là người Việt Nam

đó được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ và đưa vào cơ thể Chất này sẽ di chuyển tới và tập trung tại

vị trí cần chẩn đoán, điều trị

Các ĐVPX rất ít khi dùng dưới dạng nguyên tố mà phần lớn ở dưới dạng hợp chất hữu cơ hoặc vô

cơ Dược chất phóng xạ là những hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ được điều chế dưới dạng thuốc uống hoặc tiêm dùng trong chẩn đoán và điều trị Như vậy DCPX gồm hai thành phần: dược chất dùng

để đánh dấu và nhân phóng xạ

Việc đưa DCPX vào trong cơ thể bệnh nhân có thể thực hiện bằng hai cách:

Tiêm vào tĩnh mạch hay cho uống DCPX Do quá trình chuyển hóa trong cơ thể, DCPX sẽ tập trung tại cơ quan đích

Tiêm trực tiếp vào các hốc trong cơ thể (khớp xương, hốc trong phổi,…) Dược chất phóng xạ sẽ nằm trong các hốc đó và không tan vào máu, tức không tham gia vào quá trình trao đổi chất

DCPX có đầy đủ tính chất và yêu cầu của một loại dược chất thông thường ngoài đặc tính phóng

xạ của nó

Đặc điểm của một DCPX lý tưởng:

Vô khuẩn, không gây sốt

Cấu trúc ít bị phân hủy do thời gian và do pha chế

Được hấp thụ hoàn toàn, nhanh chóng và chỉ riêng cơ quan đích

Nhanh chóng và hoàn toàn đào thải ra khỏi cơ thể

Có đặc tính vật lý phù hợp với chỉ tiêu và kĩ thuật ghi đo

Tiện sử dụng và độ an toàn cao, tính kinh tế cao

Được cung cấp thuận lợi, nhanh chóng, nồng độ ít thay đổi

Khi đưa dược chất phóng xạ vào cơ thể, bức xạ do nó phát là một con dao hai lưỡi Một mặt nó gây ra những hiệu ứng sinh học mong muốn lên tổ chức sống như tiêu diệt các tổ chức bệnh lý trong cơ thể khi điều trị; hay hấp thụ mạnh trong cơ quan cần chẩn đoán, trải qua quá trình sinh hóa để xác định

cơ quan đó có bị rối loạn chức năng hay không Mặt khác nó gây ra những ảnh hưởng nhất định lên các

tổ chức lành và gây ra những hiệu ứng lâu dài làm tổn hại sức khỏe của bệnh nhân Do đó cần có phương pháp xác định liều cấp cho bệnh nhân, đặc biệt là liều hấp thụ để vừa đảm bảo hiệu quả chẩn đoán, điều trị, vừa đảm bảo an toàn cho bệnh nhân Liều hấp thụ gây bởi nguồn đặt bên trong cơ thể được gọi là liều chiếu trong (internal dose)

1

1.2 Phương pháp MIRD tính liều chiếu trong

Hiện nay việc tính liều chiếu trong trong YHHN chủ yếu sử dụng các kĩ thuật, phương trình và các nguồn dữ liệu được phát triển bởi Ủy ban MIRD (Medical Internal Radiation Dose) của Mỹ [32, 33]

MIRD sử dụng hệ thống các kí hiệu và đại lượng để tính liều hấp thụ trong cơ quan bia từ phân rã phóng xạ trong cơ quan nguồn Những tính toán này phụ thuộc:

Năng lượng phát ra trong mỗi phân rã phóng xạ

Khối lượng của các cơ quan

Chu kì phân rã vật lý và sinh học

Mô hình toán học chuẩn (phantom) và mô hình sinh – động học chuẩn

Phần mềm máy tính, trước đây là MIRDOSE, hiện giờ dùng OLINDA

Bảng tính liều ứng với một đơn vị hoạt độ ban đầu của các DCPX khác nhau

Để đảm bảo an toàn trong sử dụng dược chất phóng xạ đưa vào cơ thể, điều cần thiết là cần xác định liều hấp thụ mà bệnh nhân nhận được bao nhiêu Nó không được đo trực tiếp mà được tính toán từ những giả định và những quy trình chuẩn, dựa trên các phantom (vật giả người) hay các mô hình toán học mô tả cơ thể người

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản, phương trình cơ bản và các kỹ thuật sử dụng trong phương pháp MIRD

2

1.2.1.Các khái niệm cơ bản

Phương pháp MIRD được sử dụng để tính liều hấp thụ của vùng hay cơ quan nhận bức xạ từ cơ

quan hoặc vùng phát bức xạ Vùng hay cơ quan nhận bức xạ được gọi là vùng bia hay cơ quan bia, kí

hiệu rR k R, gọi tắt là bia Vùng hay cơ quan phát bức xạ được gọi là vùng nguồn hay cơ quan nguồn, kí

hiệu rR h R, gọi tắt là nguồn [31] Bia và nguồn có thể là hai cơ quan riêng biệt và cũng có thể trùng nhau

Các DCPX được đưa vào cơ thể người qua đường chích hay uống, đến tập trung tại các cơ quan và phát bức xạ Mục đích của việc tính liều là xác định liều hấp thụ tại các cơ quan bia khi biết sự phân bố DCPX tại các cơ quan nguồn

Dạng hình học của các cơ quan bia và cơ quan nguồn được mô phỏng bằng mô hình giải phẫu chuẩn gọi là phantom MIRD

Hình 1.1 Hình ảnh bên ngoài của phantom MIRD [32]

Liều hấp thụ tại bia phụ thuộc vào các tính chất của bức xạ như năng lượng, khối lượng, điện tích

và quan trọng nhất là quãng chạy trong mô Để đơn giản, bức xạ được chia làm 2 loại [32]:

Loại bức xạ xuyên thấu là những bức xạ có khả năng đi được quãng đường dài trước khi tương tác

và mất năng lượng, nghĩa là có quãng chạy dài Những bức xạ được xem là bức xạ xuyên thấu là photon có năng lượng lớn hơn 10 keV

Loại bức xạ không xuyên thấu là những bức xạ bị suy giảm dễ dàng, năng lượng của nó bị hấp thụ

ở khoảng cách ngắn so với nơi nó phát ra, nghĩa là có quãng chạy ngắn Loại này gồm bức xạ alpha, bêta, electron và photon năng lượng nhỏ hơn 10 keV

Bảng 1.1 Tính chất của các bức xạ phát ra từ dược chất phóng xạ [39]

Loại bức xạ Khối

lượng tương đối

Điệ

n tích

Loại năng lượng

0

0

8MeV

Bảng 1.2 Những kí hiệu, đại lượng và đơn vị sử dụng trong MIRD [39]

S Liều trung bình trên một đơn vị

hoạt độ tích lũy

rad/µ −Ci h Gy/Bq-s

∆ Năng lượng trung bình trên một

đơn vị hoạt độ tích lũy

- T và λ có thể là thời gian bán rã và hằng số phân rã vật lý, sinh học hoặc hiệu dụng

Ý nghĩa của một số đại lượng:

Hoạt độ phóng xạ A là đại lượng đặc trưng cho mỗi loại hạt nhân về tốc độ phân rã

Hoạt độ tích lũy A%tại một cơ quan nguồn trong khoảng thời gian từ tR 1 Rđến tR 2 Rđược xác định bởi:

2 1

Với tR 1 R, tR 2 Rlà thời điểm bắt đầu và kết thúc của khoảng thời gian quan tâm

Hình 1.2 Đường cong hoạt độ thời gian [31]

Hoạt độ tích lũy là đại lượng phụ thuộc quá trình trao đổi chất của cơ thể và đặc điểm của đồng vị phóng xạ, tức phụ thuộc vào cả hai yếu tố vật lý và sinh học

Liều hấp thụ D là lượng năng lượng được hấp thụ từ bức xạ ion hóa trong một đơn vị khối lượng

vật chất :

Trong đó, E là năng lượng hấp thụ trong khối vật chất quan tâm, m là khối lượng của khối vật chất đó

Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là gray (Gy): 1Gy = 1J/kg

Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị rad: 1 rad = 10P

-2

P

Gy

Suất liều hấp thụ D&là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian Đơn vị là Gy/s hay rad/s

Liều tương đương H gây bởi một loại bức xạ lên cơ thể sống là tích số giữa liều hấp thụ và một

hệ số đặc trưng cho loại bức xạ đó, hệ số này không có đơn vị và được gọi là hệ số chất lượng WR R R

trong hệ SI là sievert (Sv) hoặc rem: 1Sv = 100 rems

Suất liều tương đương H&là liều tương đương hấp thụ trong một đơn vị thời gian Đơn vị là Sv/s

hoặc rem/s

Năng lượng trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích lũy ∆ : trong quá trình phân rã hạt nhân có

nhiều loại hạt được phát ra, tần suất phát mỗi loại hạt trên một phân rã là nR i R, với năng lượng trung bình

Thời gian lưu trú τ của mỗi nhân phóng xạ ở một cơ quan nguồn được định nghĩa là tỉ số giữa

hoạt độ tích lũy tại cơ quan nguồn đó và hoạt độ ban đầu AR 0 R :

Hoạt độ tích lũy trong cơ quan nguồn rR h R bằng tích của hoạt độ ban đầu AR 0 R và thời gian lưu trú τ , tức bằng với hoạt độ tích lũy tới thời điểm τ khi AR 0 Rkhông bị suy giảm do quá trình phân rã vật lý hay sinh học, nên τ còn được gọi là là thời gian sống hiệu dụng hay thời gian sống trung bình của hoạt độ ban đầu AR 0 R

Vì hoạt độ tích lũy phụ thuộc hai yếu tố phân rã vật lý và phân rã sinh học nên thời gian lưu trú cũng phụ thuộc hai yếu tố này

Tỉ lệ hấp thụ ϕ đối với một cơ quan bia là tỉ số giữa phần năng lượng hấp thụ trong cơ quan bia

và toàn bộ năng lượng phát ra từ cơ quan nguồn

Tỉ lệ hấp thụ riêngφ là hệ số hấp thụ trên một đơn vị khối lượng của cơ quan bia

Chu kì bán rã T và hằng số phân rã λ : dược chất phóng xạ khi đưa vào cơ thể, ngoài quá trình

phân rã vật lý, còn có thể bị mang đi khỏi mô do quá trình trao đổi chất của cơ thể, nghĩa là bị phân rã sinh học Vì thế ta trong tính toán ta phải dùng hằng số phân rã hiệu dụngλ , là tổng của hằng số phân e

2

1.2.2 Phương pháp MIRD cơ bản

Trong phương pháp MIRD, người ta giả thiết rằng sự phân bố dược chất phóng xạ trong cơ quan nguồn là đồng nhất [39] Các đồng vị phóng xạ tập trung trong cơ thể phát ra bức xạ đẳng hướng, những vị trí gần nơi tập trung nhân phóng xạ sẽ nhận được liều cao hơn những vị trí xa

Để tính liều hấp thụ ta dựa vào lượng dược chất phóng xạ cung cấp cho cơ thể bệnh nhân, loại phóng xạ, đặc điểm nguồn và bia Ta xét trường hợp đơn giản nhất, khi nguồn và bia trùng nhau và thể tích bia lớn so với quãng chạy của bức xạ đủ để bia hấp thụ hết năng lượng bức xạ do nguồn phát ra Đầu tiên ta sẽ tính suất liều hấp thụ

Suất liều hấp thụ

Vì suất liều hấp thụ là năng lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian của một đơn vị khối lượng vật chất, nó thay đổi theo hoạt độ phóng xạ trong một đơn vị khối lượng của vật chất hấp thụ và năng lượng phát ra do sự biến đổi hạt nhân Chẳng hạn một mô có kích thước rất lớn, tất cả năng lượng phát

ra đều được hấp thụ, vì vậy nếu chúng ta xác định được năng lượng phát ra trong một đơn vị thời gian,

chúng ta sẽ biết được năng lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian

Năng lượng phát xạ trong một đơn vị thời gian được tính bằng công thức:

'

px

Trong đó ER px R/t là năng lượng phát xạ trên một đơn vị thời gian

n/t là số phân rã hạt nhân trên một đơn vị thời gian

E = E’/n là năng lượng trên một phân rã

Vì hoạt độ phóng xạ là số dịch chuyển hạt nhân trên một đơn vị thời gian, nên công thức trên được viết lại thành:

Với k là hệ số tỉ lệ, có giá trị phụ thuộc vào đơn vị sử dụng Ví dụ, để tính suất liều theo đơn vị rad/h nếu A có đơn vị là μCivà m là g, E là MeV trên một phân rã, thì k sẽ có giá trị là 2,13 và được xác định như sau:

được ký hiệu là Δ trong công thức của MIRD: i

Suất liều hấp thụ trong trường hợp này được xác định như sau:

D r & ← r là suất liều hấp thụ tại cơ quan bia rk từ cơ quan nguồn rh,

AR h Rlà hoạt độ tại cơ quan nguồn,

mR k Rlà khối lượng bia,

∆i là năng lượng trung bình trên một phân rã của loại bức xạ thứ i,

i R(rR k R←rR h R) là tỉ lệ hấp thụ riêng đối với loại bức xạ thứ i,

(rR k R← rR h R) để chỉ rằng bức xạ từ nguồn rR h Rđến bỏ năng lượng trong bia rR k R

Thông tin về loại bức xạ và năng lượng phát ra từ các nhân phóng xạ dùng trong YHHN thường được biết rất rõ, do đó ΔR i Rthường được xem như đã biết, khối lượng của cơ quan bia mR k Rcó thể được đo hay ước lượng dựa trên các phép chẩn đoán hình ảnh, hoạt độ AR h Rtrong các cơ quan nguồn cũng có thể được xác định từ các phép chẩn đoán hình ảnh YHHN Việc tính các hệ số tỉ lệ hấp thụ φRiRlà một trong những nhiệm vụ chính của phương pháp MIRD

Tỉ lệ hấp thụ và tỉ lệ hấp thụ riêng ứng với từng mức năng lượng của từng loại bức xạ và ứng với cặp nguồn bia xác định được tính và cho ở bảng dữ liệu của MIRD5 [32] Đối với bức xạ không xuyên thấu, tất cả năng lượng được xem như hấp thụ hết trong cơ quan chứa nguồn và không gây ảnh hưởng tới các cơ quan khác, nên tỉ lệ hấp thụ tại bia khi nguồn và bia trùng nhau là φ =1, khi nguồn và bia không trùng nhau là φ =0 Đối với bức xạ xuyên thấu, chỉ một phần năng lượng bức xạ từ cơ quan nguồn được hấp thụ trong cơ quan bia, một phần sẽ thoát ra khỏi cơ thể, nên tỉ lệ hấp thụ sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 1

Hình 1.3 Tính hấp thụ trong mô khác nhau giữa photon và electron, alpha [39]

Đối với đồng vị phóng xạ cho trước và cặp nguồn – bia cho trước thì i (i k h)

Đa số các trường hợp liều hấp thụ mà một cơ quan bia nhận được là do năng lượng bức xạ từ một

số cơ quan nguồn phát tới Khi có nhiều nguồn h phát bức xạ tới bia ta có công thức tổng quát:

Đây là hai công thức dùng để xác định suất liều hấp thụ tại cơ quan bia r k do năng lượng từ một

số cơ quan nguồn chiếu tới khi biết hoạt độ phóng xạ tại nguồn A h và tỉ lệ hấp thụ riêng φ hay hệ số S Sau khi xác định được suất liều hấp thụ, ta đi thiết lập công thức tính liều hấp thụ

Nếu hoạt độ của nguồn thay đổi, liều hấp thụ sẽ được tính bằng cách lấy tích phân suất liều hấp

thụ theo thời gian:

Phương trình liều hấp thụ tại cơ quan bia k do nhận được bức xạ phát ra từ tất cả các cơ quan nguồn h có thể được viết là:

Thời gian lưu trú của một đồng vị phóng xạ trong cơ quan nguồn có thể được dùng để thay thế cho hoạt độ tích lũy khi tính liều hấp thụ cho cơ quan bia

h

A A

τ = %

Thời gian lưu trú phụ thuộc vào cả phân rã vật lý và phân rã sinh học Khi sử dụng đại lượng này, công thức tính liều hấp thụ trở thành:

Liều tương đương và liều hiệu dụng

Liều tương đương H là tích số giữa liều hấp thụ D trong mô và một hệ số đặc trưng cho loại bức

xạ đó được gọi là hệ số chất lượng,WR R R :

Liều tương đương được dùng khi khi một cơ quan hay một mô riêng rẽ bị chiếu xạ Khi chịu cùng

một liều tương đương, các cơ quan và mô khác nhau trong cơ thể có thể chịu những mức độ tổn thương khác nhau, do đó độ nhạy bức xạ sẽ khác nhau Độ nhạy này được đặc trưng bởi một hệ số gọi là trọng

1.3 Nguồn dữ liệu tính liều chiếu trong

Từ công thức tổng quát tính liều hấp thụ MIRD, ta thấy liều hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: yếu

tố động học và yếu tố vật lý Do đó để tính liều hấp thụ cần xác định đầy đủ hai yếu tố này:

( ) R ( )

Yếu tố động học, đây là yếu tố phụ thuộc thời gian, được thể hiện trong đại lượng hoạt độ tích lũy hoặc thời gian lưu trú Yếu tố này phụ thuộc vào đặc điểm của quá trình tích tụ và phân rã hoạt độ phóng xạ trong vùng nguồn, nghĩa là phụ thuộc vào thời gian bán rã vật lý và thời gian bán hủy sinh học

Yếu tố vật lý, đây là yếu tố độc lập thời gian, thể hiện trong giá trị S Yếu tố này phụ thuộc vào loại bức xạ và năng lượng bức xạ phát ra; kích cỡ, hình dạng và khoảng cách của vùng nguồn và bia; thành phần cấu tạo của môi trường hấp thụ và môi trường trung gian

2

1.3.1 Tỉ lệ hấp thụ riêng và giá trị S

Để tính tỉ lệ hấp thụ riêng φ hay giá trị S, người ta sử dụng ba kĩ thuật chính: các code vận chuyển Monte Carlo, kĩ thuật tính tổng nhân liều tại một điểm và kĩ thuật xác định giá trị S voxel Áp dụng các

kĩ thuật tính này MIRD đã đưa ra các bảng giá trị cho φ và S (MIRD5 và MIRD11) [32,33]

Tuy nhiên hạn chế của giá trị S là chỉ cho phép tính liều trung bình của một cơ quan bia trên một đơn vị hoạt độ tích lũy của nhân phóng xạ phân bố đồng đều trong một cơ quan nguồn Khi nguồn không được xem là phân bố đồng đều thì những đánh giá này chỉ gần đúng Ngoài ra, những giá trị tính toán của S cho ở bảng dữ liệu của MIRD11 [33] là đối với các cơ quan của của một người có khối lượng 70 kg Đối với trường hợp khối lượng khác thì cần phải có cách tính thích hợp, gọi là kỹ thuật

tính theo tỉ lệ (scaling) Kĩ thuật này sẽ được sử dụng trong chương trình OLINDA sẽ trình bày ở

chương sau

Khi áp dụng các giá trị S của MIRD, cần chú ý những tính toán này được thiết lập dựa trên một phantom chuẩn đại diện cho một người duy nhất, nên một bệnh nhân cụ thể nào cũng có sự khác biệt ít nhiều so với phantom Do đó cần có sự hiệu chỉnh để tính liều chính xác hơn

2

1.3.2.H oạt độ tích lũy

Lựa chọn dữ liệu đầu vào có chất lượng cho mô hình động học của dược chất phóng xạ là rất quan trọng vì nó quyết định đến tính xác của việc tính liều chiếu trong

Dữ liệu nghiên cứu động học thường lấy từ hai nguồn:

Những nghiên cứu trên động vật

Những nghiên cứu trên con người

Để thiết kế và thực hiện tốt một nghiên cứu động học, cần thu thập những dữ liệu chính xác và đầy đủ, đồng thời trình bày dữ liệu theo những đơn vị thích hợp Dữ liệu cơ bản cần thiết đó là: tỷ lệ hoạt độ ban đầu trong những cơ quan nguồn quan trọng và các mẫu chất bài tiết (phân/nước tiểu) Những dữ liệu này được thu thập từ những nghiên cứu động vật và con người Trong cả hai nghiên cứu trên cần phải lấy đủ mẫu để đặc trưng cho việc phân phối và tích tụ dược chất phóng xạ trong cơ thể

Nghiên cứu động vật

Trong một nghiên cứu động vật, dược chất phóng xạ được đưa vào một số động vật, mà sau đó

sẽ chết ở những thời điểm khác nhau, các cơ quan hấp thụ dược chất phóng xạ và được tính hoạt độ (hoặc được ghi hình) Một phương pháp của phép ngoại suy từ dữ liệu động vật ra con người là phương pháp % kg/g của Kirschner và đồng sự [35] Trong phương pháp này, dữ liệu cần xác định trong các cơ quan bộ phận là % hoạt độ tiêm trong mỗi gam mô, và phải biết khối lượng toàn cơ thể của động vật Sau đó ngoại suy ra cho con người tương ứng với khối lượng các cơ quan và khối lượng toàn cơ thể con người, như sau:

(1.34)

Với cq là cơ quan, gR cq Rlà khối lượng cơ quan tính theo g, kgR t Rlà khối lượng toàn thân tính theo kg,

v ứng với động vật , n ứng với con người [35]

Nghiên cứu con người

Trong các nghiên cứu con người, dữ liệu được thu thập từ thiết bị ghi hình định lượng như Gamma Camera, PET, SPECT sử dụng trong YHHN

Ngay khi cung cấp dược chất phóng xạ vào cơ thể phải thực hiện đo lường hoạt độ trong vùng nguồn máy ghi đo Kết quả thu được của đường cong hoạt độ đối với mỗi vùng nguồn có thể được phân tích bằng những kĩ thuật khác nhau để xác định hoạt độ tích lũy hay thời gian lưu trú của dược chất phóng xạ ở vùng nguồn

Quá trình này ngoài việc sử dụng các thiết bị ghi đo còn phải kết hợp với một số phương pháp để tính hoạt độ tích lũy

1.3.2.1 Các thiết bị ghi đo

Các thiết bị ghi đo sử dụng trong YHHN gồm các thiết bị ghi hình và không ghi hình, các thiết bị này nhằm cung cấp dữ liệu hoạt độ trong vùng nguồn và hình ảnh phân bố của vùng nguồn, tùy mục đích sử dụng để lựa chọn máy ghi đo phù hợp

Các máy đo không ghi hình như buồng ion hóa, ống đếm Geiger – Muller, detector nhấp nháy NaI Các máy ghi hình định lượng như máy ghi hình nhấp nháy Gamma Camera, máy ghi hình cắt lớp phát xạ đơn photon SPECT, máy ghi hình cắt lớp phát xạ positron PET [7,40,28] Sau đây chúng ta tìm hiểu một số kĩ thuật ghi hình định lượng:

Ghi hình nhấp nháy Gamma Camera: là phương pháp ghi hình phẳng thông thường nhất dùng

để định lượng hoạt độ phóng xạ là ghi hình ở hai phía đối diện nhau kết hợp với dữ liệu truyền qua đối tượng và một hệ số chuẩn hệ thống Phương pháp này chính xác nhất đối với sự phân bố DCPX trong một vùng hoặc trong những vùng phân biệt, không chồng lên nhau Để xác định hoạt độ tuyệt đối cần phải xác định những vùng quan tâm tương ứng của các vùng nguồn và phải phân biệt chúng với những vùng lân cận hoặc hoạt độ phông

Ghi hình cắt lớp phát xạ đơn photon SPECT: trong ghi ảnh phẳng, hoạt độ tích lũy ở những

vùng nằm sau hay những vùng nằm trước vùng quan tâm cũng như sự phân bố không đồng nhất của phông nền có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo Phép ghi hình cắt lớp SPECT cho phép khắc phục nhược điểm này Kĩ thuật ghi ảnh SPECT có thể xác định độ tập trung hoạt độ ở các vùng khác nhau trong cơ thể Mặc dù có một vài nguyên nhân làm cho độ chính xác bị hạn chế, nhưng nói chung kĩ thuật SPECT là ưu việt hơn so với việc ghi cặp ảnh phẳng trong việc phân biệt hoạt độ trong vùng nguồn và trong các vùng lân cận

Ghi hình cắt lớp phát xạ positron PET: định lượng thường chính xác hơn SPECT, chủ yếu là do

có thể hiệu chỉnh suy giảm dễ hơn PET còn được dùng để đo hoạt độ của những nguồn phát positron, nhằm mô phỏng những nhân phóng xạ khác có số nguyên tử cùng loại để phục vụ cho việc đánh giá liều với giả định rằng các đồng vị thì có cùng hoạt động sinh động học

3

1.3.2.2 Phương pháp tính hoạt độ tích lũy

Phải thu thập một hệ các phép đo đặc trưng cho quá trình tích tụ và bài tiết sau đó phân tích các phép đo này để xây dựng một mô hình động học khả thi – dùng để ước lượng hoạt độ tích lũy à cho từng khu vực nguồn quan trọng Các phương pháp phân tích để xác định à như [35]:

Tích phân trực tiếp

Có thể lấy tích phân trực tiếp những giá trị đo lường hoạt độ thực bằng một số phương pháp, nó không cho nhiều thông tin nhưng cho phép tính τ dễ dàng hơn Phương pháp thông thường được sử dụng đó là phương pháp hình thang

Phân tích bình phương tối thiểu

Đường cong đặc trưng cho dữ liệu được biểu diễn bằng các biểu thức toán học mà có thể được lấy tích phân trực tiếp Cách tiếp cận phổ biến nhất là biểu diễn một tập các dữ liệu bằng các số hạng

mũ, các số hạng mũ này có thể dễ dàng lấy tích phân Nói chung, phương pháp tiếp cận này là để giảm thiểu tổng khoảng cách giữa các điểm dữ liệu bằng các đường cong đã được làm khớp Đường cong này sẽ có dạng:

t c t

b t

a

Ce Be

Ae t

c

C b

B a

A dt

Đường cong hoạt độ theo thời gian là tổng của các số hạng mũ, nhưng không thu được bằng phương pháp bình phương tối thiểu ứng với mỗi buồng mà bằng cách thay đổi hệ số tốc độ chuyển hóa giữa các

buồng cho đến khi dữ liệu khớp với mô hình

Một mô hình buồng bao gồm một số buồng giới hạn ứng với tốc độ chuyển hóa vật chất giữa các buồng Hình sau là một mô hình buồng cụ thể gồm 4 buồng, mỗi buồng được đại diện bằng một hình tròn Sự chuyển hóa của vật chất giữa các buồng được biểu diễn bằng mũi tên, có thể hai buồng trao đổi qua lại với nhau như buồng 1 và buồng 2, hay buồng 2 và buồng 3; cũng có thể các buồng trao đổi một chiều với nhau như giữa buồng 1 và buồng 3, hay buồng 3 và buồng 4; buồng 1 với môi trường bên ngoài

Hình 1.4 Mô hình buồng gồm các buồng khác nhau, mỗi buồng được đại diện bằng một hình tròn [29]

Mô hình buồng được mô tả bằng một hệ các phương trình vi phân Mỗi phương trình mô tả tốc độ chuyển hóa của các hạt trong một buồng, nó là một hàm theo thời gian Chẳng hạn với mô hình buồng đang xét, ta có một hệ phương trình vi phân:

fR i R(i= 1, 2, 3,…) đặc trưng cho lượng chất đánh dấu trong buồng thứ i, nó là hàm theo thời gian

fR i R(t), thường được xem là tỉ lệ của lượng chất đánh dấu ban đầu

λR ij R là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho tốc độ chuyển hóa, nó là tỉ lệ chất đánh dấu được chuyển hóa từ buồng thứ i sang buồng thứ j trong một đơn vị thời gian, có đơn vị là sP

-1

P

λR 0j R là hệ số tỉ lệ đặc trưng cho tốc độ chuyển hóa bên ngoài mô hình

Như vậy λR ij R.fR i Rđặc trưng cho lượng chất đánh dấu được chuyển từ buồng thứ j sang buồng thứ i tại thời điểm t

Từ trường hợp trên, có thể đưa ra một phương trình tổng quát:

(1.41) (i = 1, 2, 3…, n)

Hệ phương trình vi phân trên phụ thuộc vào điều kiện ban đầu fR i R(0), là lượng chất đánh dấu trong mỗi buồng tại thời điểm ban đầu đặc trưng cho động học của chất đánh dấu trong mô hình Ví dụ trên ứng với điều kiện ban đầu fR 1 R(0)=1, fR 2 R(0)=0, fR 3 R(0)=0, fR 4 R(0)=0 Giải hệ phương trình vi phân trên ta được

fR 1 R(t), fR 2 R(t), …, fR n R(t), các đại lượng này là hàm phụ thuộc thời gian, xác định lượng chất đánh dấu trong mỗi buồng

Giả sử quá trình động học giữa các buồng là tuyến tính, nghĩa là lượng chất đánh dấu di chuyển ra

ngoài buồng bằng một phần không đổi chất đánh dấu chứa trong buồng đó Giải hệ phương trình vi phân trên tìm được fi(t) là hàm gồm n số hạng mũ:

Với λR j Rlà hằng số phân rã sinh học và fR ij R là hệ số hằng số

Nếu là chất đánh dấu nhân phóng xạ, hệ phương trình vi phân trên có thể được viết theo số hạng hoạt độ bằng cách thêm vào yếu tố phân rã vật lý Khi đó ta thu được phương trình:

S cũng như hoạt độ tích lũy Một công cụ khá hữu hiệu để tính liều chiếu trong dựa trên phương MIRD, đó là phần mềm OLINDA/EXM Sau đây luận văn sẽ tìm hiểu về phần mềm này

2.1 Giới thiệu chung

OLINDA 1.0 là phần mềm tính liều chiếu trong trong YHHN, viết bằng ngôn ngữ lập trình Java phát triển từ phần mềm tính liều MIRDOSE Nhiều tính năng của MIRDOSE được viết lại trong code này

và đồng thời thêm vào một số tính năng quan trọng như:

Một số mô hình mới về các cơ quan như tuyến tiền liệt, khoang phúc mạc, đầu/não và thận

Mô hình xương và tủy được phát triển để điều trị chính xác hơn cho vùng năng lượng electron thấp Nhiều nuclide hơn so với MIRDOSE, khoảng trên 800 so với 240 có sẵn trong MIRDOSE, vì thế

mô hình liều phát anpha được thêm vào

Chức năng hiệu chỉnh hàm mũ phức tạp để người sử dụng hiệu chỉnh dữ liệu sinh - động học cũng được thêm vào

Chức năng hiệu chỉnh khối lượng cơ quan và trọng số bức xạ cũng được bổ sung Nếu khối lượng một cơ quan thay đổi, đóng góp của hạt anpha, bêta và electron cấu thành liều sẽ tỷ lệ tuyến tính với khối lượng cơ quan, còn photon tỷ lệ với căn bậc ba của khối lượng cơ quan

OLINDA sử dụng để tính liều chiếu trong trong YHHN, dùng các phantom cho phép tính liều cho các cá nhân trong các độ tuổi khác nhau, với các kích cỡ khác nhau, đồng thời cho cả phụ nữ ở những giai đoạn khác nhau của thai kì

Ngoài ra OLINDA còn tính các giá trị DF – giống như giá trị S trong MIRD cho tất cả các nguồn bia ứng với phantom và nuclide được chọn, để người sử dụng có thể thực hiện các tính toán khác hay kiểm tra các tính toán mà OLINDA thực hiện

Chương trình này không có thư viện dữ liệu động học cho được chất phóng xạ trong YHHN Người

sử dụng phải tính toán những giá trị hoặc dò tìm trong sách, tài liệu

Nh ững hạn chế của code OLINDA/EXM

Để liều ước lượng tính bằng OLINDA chính xác thì dữ liệu động học phải được nghiên cứu cẩn thận, chính xác trước khi sử dụng trong y học và các mục đích khác

Một số giả định quan trọng và hạn chế của OLINDA:

Chất phóng xạ con không liên quan đến chất phóng xạ mẹ trong bất cứ dữ liệu phân rã nào, nghĩa

là liều ước lượng cho một nhân phóng xạ không bao gồm nhân con Sự đóng góp của nhân con vào

tổng liều phải được tính riêng

Liều ước lượng tính từ code này không được sử dụng để đánh giá rủi ro cho một bệnh nhân riêng

biệt mà được áp dụng cho phantom chuẩn đại diện cho người Châu Âu – Châu Mĩ

Trong mô hình cầu, sự nội suy tuyến tính giữa các khối lượng hình cầu nhưng không liên quan đến kích thước của chúng, do đó có thể không đưa ra một kết quả chính xác cho những kích thước hình

cầu trung gian

1

2.2 Sử dụng chương trình OLINDA

Sử dụng code OLINDA để tính liều, thực hiện các bước sau:

Chọn một đồng vị phóng xạ

Chọn một hay nhiều phantom

Nhập một tập các giá trị số phân rã (trên môt đơn vị hoạt độ ban đầu) để tính liều ước lượng

Để tránh nhầm lẫn trong quá trình nhập dữ liệu, đầu vào của OLINDA được chia làm ba form riêng: Một form chọn đồng vị phóng xạ

Một form để chọn mô hình

Một form để nhập dữ liệu động học

Để nhập một tập các dữ liệu động học, sử dụng form thứ tư Ngoài ra OLINDA còn có chức năng

‘Help’ đưa ra những chỉ dẫn ngắn gọn cho việc sử dụng

Nếu người sử dụng cẩu thả trong quá trình nhập dữ liệu, chương trình sẽ ngừng hoạt động và thông báo cho người sử dụng biết dữ liệu đang bị lỗi hoặc cần nhập thêm thông tin bị thiếu nào

Hai trường hợp chương trình sẽ dừng hoạt động và yêu cầu người sử dụng kiểm tra lại dữ liệu khả nghi đã nhập vào:

Trường hợp 1: Nếu thời gian lưu trú nhập vào vượt quá 1,443.TR p R, người sử dụng sẽ được thông báo nên tiếp tục chạy chương trình hay dừng Nếu hợp lệ, nghĩa là tổng thời gian lưu trú có thể lớn hơn giá trị 1,443.TR p Rđơn giản là do lỗi làm tròn, thì chương trình sẽ tiếp tục nếu người sử dụng muốn

Trường hợp 2: Nếu tổng tỷ lệ của hoạt độ ban đầu đi qua đường tiêu hóa và đường tiết niệu vượt quá

1,0 Ví dụ, khi sử dụng mô hình đường tiêu hóa, nhập tỉ lệ hoạt độ 1,0 vào dạ dày và tỉ lệ hấp thụ từ ruột non vào máu là 0,4, tỉ lệ hoạt độ 0,6 sẽ tiếp tục đi qua đường tiêu hóa, nếu nhập tỉ lệ hoạt độ lớn hơn 0,4 vào mô hình bàng quang (chỉ có tỉ lệ hoạt độ nhỏ hơn 0,4 trong máu sẽ được bài tiết qua bàng quang), thì người sử dụng sẽ được cảnh báo để kiểm tra lại dữ liệu

Sau khi dữ liệu đầu vào thích hợp được chọn, ấn nút DOSEs để tính liều, hoặc DFs để tính các giá trị

DF Liều ước lượng trong hệ SI và các đơn vị khác được cho dưới dạng bảng, bao gồm sự đóng góp liều của hạt anpha, bêta, electron, photon cho tất cả các cơ quan bia Đồng thời hiển thị đóng góp của các cơ quan bia đến liều hiệu dụng ED và liều hiệu dụng tương đương EDE Những dữ liệu động học nhập vào cũng được hiển thị

1

2.3 Các tính năng của OLINDA

Giao diện chính

Input Form Tabs – thay đổi giữa các form

Nuclide Input – chọn nuclide

Models Input – chọn một hay nhiều mô hình

Kinetics Input – định thông số động học cho cơ quan nguồn

Help Form – gọi trợ giúp về chức năng của Olinda

Main Info Box - hướng dẫn chung, hiển thị tên nuclide and mô hình được chọn

Calculate Doses: sau khi

Save Case: bất cứ lúc nào cũng có thể lưu dữ liệu đầu vào để sau đó

có thể sửa đổi và tái sử dụng

Retrieve Case: lấy lại các file đã lưu

About OLINDA: mô tả

Exit: thoát khỏi chương trình

Hình 2.1 Giao diện chính của chương trình OLINDA

Form chọn mô hình

Hình 2.3 Form chọn mô hình

Whole Body Phantoms – dùng với nuclide được chọn, và dữ liệu động từ Kinetics Input Form Có thể chọn một hoặc nhiều phantom

Special Organ Phantoms – dùng với nuclide được chọn, sẽ cho kết quả trực tiếp, với đầu vào riêng của dữ liệu động học chỉ ứng với mô hình được chọn Bấm nút này, một hộp thoại mới sẽ xuất hiện

Ví dụ này cho mô hình tuyến tiền liệt, những form đầu vào khác tương tự Nuclide được biết rồi, chỉ nhập

số phân rã cho tuyến tiền liệt và bấm nút tính liều Chú ý, trong

ví dụ này nhập số phân rã/A0, sẽ cho kết quả tính DF, theo đơn

vị mGy/MBq

Form nhập dữ liệu động học

Hình 2.4 Form nhập dữ liệu động học

General Information Box – một số chú thích ngắn gọn

Number of Disintegrations in the Organs –

số phân rã trong mỗi cơ quan nguồn được

nhập vào bằng tay, hoặc tính bằng chương

trình, từ module ‘Fit data to Model’, ‘ICRP

GI Model’, hay ‘Voiding Bladder Model’

Get setup file – gọi lại file stp

đã lưu trước đó

Voiding Bladder Model – gọi mô hình bàng quang động học

ICRP GI Model – gọi

mô hình ICRP

GI Fractions and Half-times – Xác định số phân rã cho một cơ quan bằng cách chỉ

rõ tỷ lệ hoạt độ ban đầu và thời gian bán rã sinh học hoặc thời gian bán rã hiệu dụng

Fit data to Model – gọi code EXM

để hiệu chỉnh dữ liệu sinh - động học

Show me some examples – mở một cửa sổ hiển thị một

số ví dụ tính số phân rã

Kết quả tính liều

Hình 2.5 Giao diện kết quả tính liều

Bảng kết quả – liều ước lượng cơ quan và liều hiệu dụng

Dữ liệu mô hình đầu vào

và những giả định cũng hiển thị

Phân phối của các cơ

quan nguồn tới tổng liều

của các cơ quan bia được

hiển thị ở cửa sổ này

Trở lại Main Input Form Dữ liệu đã nhập trước đó vẫn được ghi nhớ

Có thể nhân kết quả tính liều theo mSv/MBq, với hoạt độ ban đầu theo MBq, sẽ được mSv/hoạt độ ban đầu cho một nghiên cứu, giá trị tính theo rem/mCi cũng được nhân

Chuyển đổi từ mCi sang MBq

Hiệu chỉnh dữ liệu đầu vào

Hình 2.6 Giao diện hiệu chỉnh dữ liệu đầu vào

Khối lượng tất cả các cơ quan được đưa về mặc định

Quay trở lại Doses Output Form

Nếu chọn nhiều hơn một phantom, chọn Next hay Previous phantom

để hiệu chỉnh lần lượt