tìm hiểu về spect (chụp cắt lớp máy tính phát xạ đơn photon) và ứng dụng trong y học

Đúng là tác dụng của năng lượng hạt nhân rất lớn nhưng khoa học kỹ thuật ngày nay đã cho phép con người tận dụng được mặt tốt, khắc phục mặt xấu để đảm bảo an toàn và kiểm soát được các

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÍ

TÌM HIỂU VỀ SPECT (Chụp cắt lớp máy tính phát xạ đơn photon)

VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

Luận văn tốt nghiệp

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ - CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Ths-GVC: Hồ Hữu Hậu Đào Chiến

Mã số SV: 1110265

Lớp: TL1192A1 Khóa: 37

Cần Thơ, 2015

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, hình ảnh trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày 24 tháng 04 năm 2015

Tác giả

Đào Chiến

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Giới hạn đề tài 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Các bước thực hiện 1

6 Các thuật ngữ viết tắt 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: TIA PHÓNG XẠ VÀ HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ 3

1.1 Y học hạt nhân 3

1.1.1 Tổng quan về y học hạt nhân 3

1.2 Lịch sử phát triển y học hạt nhân 3

1.3 Cơ sở vật lý của y học hạt nhân 4

1.3.1 Cấu tạo nguyên tử và hạt nhân nguyên tử 4

1.3.2 Tính phóng xạ và phản ứng hạt nhân 4

1.4 Các dạng phóng xạ 5

1.4.1 Phân rã bêta âm (negatron β - ) 5

1.4.2 Phân rã bêta dương (Pozitron) 5

1.4.3 Phân rã alpha (α) 6

1.4.4 Phát xạ tia gamma (γ) 6

1.4.5 Năng lượng tia γ 8

1.5 Tính chất của tia phóng xạ 8

1.5.1 Tính chất hạt α 8

1.5.2 Tính chất hạt β 8

1.5.3 Tính chất tia γ 9

1.6 Định luật phân rã phóng xạ 9

1.6.1 Tốc độ phân rã phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ 9

1.6.2 Mật độ bức xạ 9

1.6.3 Cường độ bức xạ 10

1.7 Liều lượng bức xạ 10

1.7.1 Liều hấp thụ Dh 10

1.7.2 Liều chiếu 10

1.7.3 Liều tương đương 10

1.7.4 Liều hiệu dụng 11

1.8 Tóm tắt chương 1 11

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT 12

2 Tương tác của tia gamma với vật chất .12

2.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường 12

2.2 Cơ chế tương tác của tia gamma với vật chất .12

2.2.1 Hiệu ứng quang điện 12

2.2.2 Hiệu ứng Compton 13

2.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron 14

2.3 Tóm tắt chương 2 15

3 Định nghĩa 16

3.1 Đồng vị phóng xạ 16

3.1.1 Tạo chế phẩm phóng xạ phục vụ chẩn đoán y tế 16

3.1.2 Các đồng vị phóng xạ thường dùng trong y học 17

3.2 Tóm tắt chương 3 18

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHI ĐO PHÓNG XẠ 19

4.1 Các dụng cụ ghi đo phóng xạ 19

4.1.1 Nguyên tắc chung 19

4.2 Detector 19

4.2.1 Cấu tạo và nguyên tác hoạt động Detecter chất khí 19

4.2.2 Buồng ion hóa 21

4.2.3 Ống đếm tỷ lệ 21

4.3 Ống đếm G.M (Geiger – Muller) 22

4.3.1 Ống đếm khí hữu cơ 22

4.3.2 Ống đếm Halogen 22

4.4 Ghi đo phóng xạ dựa vào đặc tính phát quang của tinh thể và dung dịch 22

4.5 Các loại máy và kỹ thuật ghi hình 24

4.5.1 Ghi hình nhấp nháy bằng máy vạch thẳng (Scintilation Rectilinear Scanner) 25

4.5.2 Ghi hình nhấp nháy bằng Gamma Camera (Scintillation Gamma Camera) .25

4.5.3 Camera nhấp nháy Anger (Anger Scintillation Camera) 25

4.5.4 Camera có trường nhìn lớn 26

4.5.5 Camera di động 27

4.5.6 Camera digital có hệ vi xử lí (microprocessor computer system) 27

4.6 Cơ sở chụp cắt lớp máy tính phát xạ 27

4.6.1 Giới thiệu chung 27

4.7 Nguyên tắc hoạt động của Gamma Camera và SPECT 30

4.7.1 Gamma cammera 30

4.7.2 SPECT 34

4.7.3 CT 35

4.7.4 Phần mềm tái tạo ảnh 35

4.7.5 Xử lý ảnh trong SPECT 36

4.8 Cấu tạo của máy SPECT 36

4.8.1 Đầu dò và bàn điều khiển (Control Console) 36

4.8.2 Khung máy (Gantry) 36

4.8.3 Hệ thống điện tử 36

4.8.4 Máy tính (PC) 37

4.8.5 Trạm hiển thị (Display Station) 37

4.9 Tóm tắt chương 4 37

CHƯƠNG 5: CẤU TẠO VÀ SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA MÁY SPECT 2 ĐẦU MEDISO 38

5 Tính năng kỹ thuật và đặc tính, cấu tạo, chức năng các thành phần cơ bản .38

5.1 Tính năng kỹ thuật 38

5.2 Đặc tính, cấu tạo, chức năng của các thành phần cơ bản 39

5.2.1 Bộ phát hiện 39

5.2.2 Workstation thu nhận tín hiệu và xử lý ảnh 41

5.2.3 Workstation xử lí lâm sàn 43

5.3 Gantry 43

5.3.1 Đặc tính 43

5.3.2 Cấu tạo và chức năng 43

5.4 Các ống chuẩn trực 45

5.5 Bàn bệnh nhân 46

5.5.1 Đặc tính 46

5.5.2 Cấu tạo và chức năng 46

5.5.3 Các phụ tùng tùy chọn 47

5.6 Phân tích hoạt động theo sơ đồ khối 48

5.7 Chức năng, thành phần và sơ đồ khối của bộ phận phát hiện 49

5.8 Tóm tắt chương 5 50

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG CỦA SPECT TRONG Y HỌC 51

6 Giới thiệu 51

6.1 Kỹ thuật SPECT và CT 51

6.2 Nguyên lí chung 51

6.2.1 Đối với CT 51

6.2.2 Đối với SPECT 52

6.3 Chẩn đoán bệnh lâm sàng 54

6.3.1 Xạ hình ung thư với Tc99m - sestamibi 54

6.3.2 Xạ hình SPECT gan với Tc99m - sestamibi 55

6.3.3 Xạ hình SPECT ung thư biểu mô tuyến giáp với I131 56

6.3.4 Xạ hình SPECT xương 57

6.4 Tóm tắt chương 6 58

PHẦN 3: KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nói tới năng lượng hạt nhân, tia phóng xạ, người ta thường hình dung ra các tổn thương ghê gớm do các quả bom nguyên tử và các sự cố như Trec-nô-bưn gây ra Đúng là tác dụng của năng lượng hạt nhân rất lớn nhưng khoa học kỹ thuật ngày nay đã cho phép con người tận dụng được mặt tốt, khắc phục mặt xấu để đảm bảo an toàn và kiểm soát được các bức xạ hạt nhân, mang lại lợi ích cho con người: trong công nghiệp, thuỷ văn khí tượng, địa chất tài nguyên, nông nghiệp và nhất là trong y sinh học

Y học là ngành khoa học quan trọng cùng với Vật lý đã có những đóng góp vô cùng to lớn trong lĩnh vực y tế nhằm bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cho con người Bằng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ với những liều lượng tuy rất nhỏ nhưng có thể ghi đo, theo dõi được các đồng vị phóng xạ đến tận cùng ở các mô và tế bào Y học hạt nhân đã sáng tạo ra nhiều phương pháp thăm dò chức năng, định lượng và ghi hình rất hữu ích Ghi hình phóng xạ đã

có những bước tiến vượt bậc và mang lại giá trị chẩn đoán rất sớm bởi vì (khác hẳn các phương pháp ghi hình y học khác như X quang, siêu âm, cộng hưởng từ) ghi hình phóng xạ mang đến không chỉ những thông tin về cấu trúc, hình thái mà còn những thông tin về chức năng Thật vậy, các dược chất phóng xạ được hấp phụ vào các mô, tạng để ghi hình đã tập trung vào đó theo các cơ chế về hoạt động chức năng, chuyển hoá Ta biết rằng các thay đổi chức năng thường xảy ra sớm hơn các thay đổi về cấu trúc Vì vậy ngày nay các kỹ thuật SPECT, PET hay hệ liên kết SPECT/CT và PET/CT đã trở thành nhu cầu rất bức thiết cho các cơ sở lâm sàng hiện đại Là một sinh viên chuyên ngành Vật lí với mong muốn được đi sâu tìm hiểu, thu nạp thêm kiến thức mới để phục vụ cho công tác giảng dạy của tôi trong

tương lai nên tôi chọn đề tài “ Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học”

2 Mục đích của đề tài:

- Tìm hiểu tính chất Vật lí của tia gamma trong y học

- Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SPECT hai đầu dò MEDISO trong y học

- Các ứng dụng khác của máy SPECT

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích, tìm kiếm, nghiên cứu tài liệu có liên quan

- Tổng hợp các tài liệu để viết đề tài

5 Các bước thực hiện:

- Bước 1: Nhận đề tài và tìm hiểu đề tài

- Bước 2: Lập đề cương cho đề tài

- Bước 3: Thu thập và tìm các tài liệu có liên quan

- Bước 4: Thực hiện đề tài và sửa chữa theo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn

- Bước 5: Báo cáo đề tài

- LEAP: Ống chuẩn trực đa năng năng lượng thấp

- LEHR: Ống chuẩn trực độ phân giải cao năng lượng thấp

- PHA: Pulse Height Analyzer (bộ phân tích chiều cao xung)

- PMT: Ống nhân quang

- RIA: (Radio Immuno Assay) định lượng phóng xạ miễn dịch học

nông nghiệp, y khoa, …

Y học là ngành khoa học quan trọng cùng với Vật lý đã có những đóng góp vô cùng to lớn trong lĩnh vực y tế nhằm bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cho con người Bằng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ với những liều lượng tuy rất nhỏ nhưng có thể ghi đo, theo dõi được các

1.2 Lịch sử phát triển y học hạt nhân

Sự ra đời và phát triển của YHHN gắn liền với thành tựu và tiến bộ khoa học trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là của vật lý hạt nhân, kỹ thuật điện tử, tin học và hóa dược phóng xạ Điểm qua các mốc lịch sử đó ta thấy:

- Năm 1896, Becquerel đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ qua việc phát hiện bức xạ từ quặng Uran Tiếp theo là các phát minh trong lĩnh vực vật lý hạt nhân của ông bà Marie và Pierre Curie và nhiều nhà khoa học khác

- Một mốc quan trọng trong kỹ thuật đánh dấu phóng xạ là năm 1913, George Hevesy bằng thực nghiệm trong hóa học đã dùng một ĐVPX để theo dõi phản ứng Từ đó có nguyên lý Hevesy: sự chuyển hóa của các đồng vị của một nguyên tố trong tổ chức sinh học

là giống nhau

- Năm 1934 được đánh giá như một mốc lịch sử của vật lý hạt nhân và YHHN Năm đó

2 nhà bác học Irena và Frederick Curie bằng thực nghiệm dùng hạt a bắn phá vào hạt nhân nguyên tử nhôm, lần đầu tiên tạo ra ĐVPX nhân tạo 30P và hạt nơtron :

13 Al 27 + 2 He 4 → 15 P 30 + 0 N 1

Với hạt nơtron, đã có được nhiều tiến bộ trong xây dựng các máy gia tốc, một phương tiện hiện nay có ý nghĩa to lớn trong việc điều trị ung thư và sản xuất các đồng vị phóng xạ ngắn ngày

- Thành tích to lớn có ảnh hưởng trong sử dụng ĐVPX vào chẩn đoán bệnh là việc tìm ra đồng vị phóng xạ 99mTc từ 99Mo của Segre và Seaborg (1938) Tuy vậy mãi 25 năm sau, tức

là vào năm 1963 người ta mới hiểu hết giá trị của phát minh đó.[1]

- Năm 1941 lần đầu tiên Hamilton dùng 131I để điều trị bệnh của tuyến giáp, mở đầu việc

sử dụng rộng rãi các ĐVPX nhân tạo vào điều trị bệnh

- Các kỹ thuật ghi đo cũng đã được phát triển dựa vào các thành tựu về vật lý, cơ học và điện tử Các máy đếm xung, ghi dòng, phân tích biên độ, các loại đầu đếm GeigerMuller (G.M) đến các đầu đếm số phát sáng, máy đếm toàn thân ngày càng được cải tiến và hoàn thiện

Đầu tiên YHHN chỉ có các hợp chất vô cơ để sử dụng Sự tiến bộ của các kỹ thuật sinh hóa, hóa dược làm xuất hiện nhiều khả năng gắn các ĐVPX vào các hợp chất hữu cơ phức tạp, kể cả các kỹ thuật sinh tổng hợp (Biosynthesis) 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

Việc ghi lại hình ảnh bằng bức xạ phát ra từ các mô, phủ tạng và tổn thương trong cơ thể bệnh nhân để đánh giá sự phân bố các dược chất phóng xạ (DCPX) cũng ngày càng tốt hơn nhờ vào các tiến bộ cơ học và điện tử, tin học

1.3 Cơ sở vật lý của y học hạt nhân

1.3.1 Cấu tạo nguyên tử và hạt nhân nguyên tử

Nguyên tử cấu tạo từ hạt nhân và các lớp vỏ điện tử bao quanh Các lớp vỏ điện tử trong nguyên tử của một chất chứa một số điện tử xác định: là các hạt cơ bản bền vững, có khối lượng me= 9,11.10-28g và mang một điện tích âm e-  -4,803.10-10

- Hạt nhân nguyên tử là một hệ gồm các proton và các nơtron Proton và nơtron có tên

chung là nuclon

+ Proton: ký hiệu p, mang điện tích dương, có khối lượng nghỉ mp= 1,67252.10-27 kg

+ Neutron: ký hiệu n, không mang điện tích, có khối lượng nghỉ mn= 1,67482.10-27 kg + Hạt nhân nguyên tử thường ký hiệu: hoăc ZXA (với X là tên của nguyên tố tương ứng)

+ A là số khối (tổng số nuclen trong nguyên tử)

+ Z là số proton hay số thứ tự của nguyên tố trong bản hệ thống tuần hoàn Mendeleep + Tổng số nơtron trong hạt nhân là N = A – Z

- Các nucleon liên kết với nhau bên trong hạt nhân bằng một lực đặc biệt gọi là lực hạt nhân

- Nguyên tử có điện tích giống nhau và các giá trị N khác nhau được gọi là đồng vị, ví dụ:

2He được gọi là các hạt alpha , thì điện tích nguyên tử bị giảm đi 2 đơn vị (

rã  trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep sẽ ở vị trí lệch đi 2 ô về phía trái so với

nguyên tố ban đầu Trong phân rã  kèm theo sự bay ra của các electron tích điện âm (các

hạt ), khối lượng số của nguyên tử không thay đổi, còn điện tích tăng lên 1 Kiểu phân rã

này được gọi là phân rã  Do đó, sản phẩm phân rã ở cách 1 ô về bên phải so với nguyên

tố ban đầu trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep

1.4 Các dạng phóng xạ

1.4.1 Phân rã bêta âm (negatron β - ):

Trong điều kiện nhất định, một số nguyên tốhoá học nhất định trong hạt nhân có số

nơtron nhiều hơn số proton có thể xảy ra hiện tượng biến một nơtron thành một proton đồng

1.4.2 Phân rã bêta dương (Pozitron): Hình 1.1 Phân rã β[2]

Trong những điều kiện nhất định, một số nguyên tố hoá học có số proton nhiều hơn số

nơtron có thể xảy ra hiện tượng biến một proton thành một nơtron đồng thời phát ra hạt

pozitron (β+) Hạt pozitron có khối lượng đúng bằng khối lượng của điện tử, điện tích bằng

điện tích của điện tử nhưng trái dấu, vì vậy nó được gọi là điện tử dương

ZXA 7N13(10 phút)

Các hạt alpha phát ra từ cùng một loại phân rã

của cùng một loại phân rã của cùng một hạt nhân

có năng lượng giống nhau Đó là đặc điểm đơn

năng của chùm tia alpha

H

ì

1.4.4 Phát xạ tia gamma (γ) Hình 1.2 Phân rã α[2]

Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cơ bản hay về trạng thái bị kích thích ứng với mức năng lượng thấp hơn, từ hạt nhân sẽ phát ra tia gamma Bản chất tia gamma là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn Vì vậy quá trình phát xạ tia gamma không làm thay đổi thành phần cấu tạo của hạt nhân mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó

Sơ đồ phân rã phóng xạ của Co và Th

Đa số các hạt nhân mới được tạo thành sau các phân rã β±, α… đều ở trạng thái bị kích

thích Vì vậy sau phân rã này thường có phát ra tia gamma Do đó cần lưu ý rằng khi có

hiện tượng phóng xạ xảy ra ở một hạt nhân, hạt nhân đó có thể bị biến đổi nhiều hơn một

lần, do đó có thể phát ra nhiều tia phóng xạ

Như vậy tia phóng xạ là những tia được phát ra từ hạt nhân bị biến đổi phóng xạ, có

năng lượng cao Bản chất tia phóng xạ có thể là hạt vi mô tích điện (có khối lượng tĩnh) như

Với Em, En là mức năng lượng đầu và cuối của hạt nhân

Bước sóng và động lượng của tia γ được xác định như các bức xạ điện từ khác, tức là:

Khả năng đâm xuyên của hạt α không cao Quãng chạy (đoạn đường thực hiện quá trình oxy hoá) trong chất khí khoảng 2,5-9 cm, trong cơ thể khoảng 0,04 mm Vì vậy chỉ cần một lớp giấy mỏng có thể cản lại tia α

Hạt α có khả năng ion hoá rất lớn, trên quãng chạy của nó trong chất khí có thể tạo ra từ

100000 đến 250000 cặp ion, trung bình tạo ra 40000 cặp ion/1 cm, càng về cuối quãng chạy khả năng ion hoá càng tăng lên

Năng lượng của hạt tới sẽ giảm đi sau mỗi lần ion hoá và cuối cùng nhận thêm 2 điện tử

để biến thành nguyên tử Heli

Hạt α là hạt mang điện nên quỹ đạo của nó trong từ trường là một đường cong

1.5.2 Tính chất hạt β

Hạt β có vận tốc khoảng (1-3).108 m/s, tia có năng lượng lớn nhất đạt tới 90% vận tốc ánh sáng Hạt β của các chất phóng xạ có giá trị năng lượng cực đại trong khoảng 1,1-3 Mev

Do khối lượng của hạt β nhỏ nên khi tương tác với vật chất quỹ đạo của hạt β là một đường gấp khúc Vì thế không xác định được quãng chạy của tia β mà chỉ xác định được chiều dày của lớp vật chất mà nó đi qua

Khả năng đâm xuyên của hạt β tốt hơn hạt α Trong không khí hạt β có quãng chạy từ 10

cm đến vài mét, trong cơ thể nó đi được khoảng 5 mm Do chùm β không đơn năng nên khi

sử dụng người ta chỉ cần dùng một miếng nhôm có độ dày mỏng khác nhau để lọc bớt nhằm thu được mức năng lượng mong muốn

Khả năng ion hoá môi trường kém hơn so với hạt α, trong không khí hạt β tạo ra từ

10000 đến 25000 ion, trung bình nó tạo ra khoảng 75 cặp ion/ 1 cm quãng chạy

Năng lượng của hạt tới sẽ giảm đi sau mỗi lần ion hoá và cuối cùng đạt tới mức năng lượng của chuyển động nhiệt thì không còn khả năng gây ion hoá và kích thích nguyên tử Hạt β- sẽ trở thành một điện tử tự do hoặc kết hợp với một ion dương hay một nguyên tử

nào đó trong vật chất Hạt β+ sẽ kết hợp với một điện tử tự do để biến thành 2 lượng tử gamma

Hạt β bị tác dụng trong từ trường, quỹ đạo của hạt β- là một đường cong ngược chiều với quỹ đạo của hạt β+ và hạt α

Khả năng ion hoá của tia γ không cao, trên quãng đường trong không khí chỉ tạo ra từ 10 đến 250 cặp ion

Khi tác động vào môi trường vật chất thì truyền hết năng lượng qua một lần tương tác, sản phẩm của quá trình tương tác là các hạt vi mô tích điện có năng lượng lớn lại tiếp tục ion hoá vật chất Vì vậy tia γ có tác dụng ion hoá gián tiếp vật chất

Tia γ có bản chất là sóng điện từ nên trong từ trường nó không bị tác dụng, đường đi của tia là một đường thẳng

1.6 Định luật phân rã phóng xạ[2]

Trong một nguồn phóng xạ số hạt nhân có tính phóng xạ sẽ giảm dần theo thời gian Số hạt nhân có tính phóng xạ ở thời điểm t là:

N = N o e -λ.t (1.9) Trong đó: N = số hạt nhân phóng xạ ở thời điểm t

No = số hạt nhân phóng xạ ở thời điểm ban đầu

λ = hằng số phân rã; t = thời gian

Người ta còn dùng một số đại lượng khác để biển diễn quy luật phân rã phóng xạ, như:

- Chu kỳ bán rã: chu kỳ bán rã của một nguồn phóng xạ, ký hiệu là T1/2 (thời gian bán rã), là thời gian cần thiết để số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó giảm xuống một nửa

so với ban đầu

T 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ (1.10) Như vậy, thời gian bán rã của nguồn chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó Ví dụ: T1/2 của 131I là 8,04 ngày, của 60Co là 5,26 năm, của 99m

Tc là 6,04 giờ…

1.6.1 Tốc độ phân rã phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ

Để biểu thị một cách định lượng về một chất đồng vị phóng xạ, người ta dùng khái niệm

hoạt độ (activity), thường ký hiệu bằng chữ A A = λN (1.11)

Đơn vị đo hoạt độ là curie (Ci), millicurie (mCi), microcurie (μCi) hoặc theo quy định của SI (system international), đơn vị đo là becquerel (Bq) Đơn vị Bq rất nhỏ, vì vậy thường dùng kilobecquerel (kBq), megabecquerel (MBq)

1Ci=3,7x1010 phân rã /giây; 1mCi=3,7x107 phân rã /giây

1μCi =3,7x104 phân rã /giây; 1Bq=1phân rã /giây

Cần lưu ý rằng A không phải là số tia phóng xạ phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian, vì khi một hạt nhân phân rã có thể phát ra nhiều hơn một tia phóng xạ

1.6.2 Mật độ bức xạ

Mật độ bức xạ tại 1 điểm trong không gian là số tia phóng xạ truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó trong một đơn vị thời gian

Giả sử rằng một nguồn phóng xạ nào đó cứ mỗi đơn vị thời gian phát ra n tia phóng xạ Nguồn phóng xạ là nguồn điểm Vì các tia phát đều trên mọi hướng nên mật độ tia phóng

xạ tại một điểm cách nguồn một khoảng R là:

Những biến đổi xảy ra trong môi trường vật chất nói chung và cơ thể sống nói riêng khi

bị chiếu xạ bởi các tia đều phụ thuộc vào năng lượng bức xạ bị hấp thụ, số điện tích được tạo ra trong quá trình ion hóa Để đặc trưng định lượng cho những thuộc tính này người ta đưa ra khái niệm liều bức xạ.[2]

1.7.1 Liều hấp thụ Dh

Liều hấp thụ Dh là một đại lượng vật lý cho biết năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trong một đơn vị khối lượng của môi trường bị chiếu xạ

D h = ΔE/Δm (1.15) Đơn vị đo liều hấp thụ là Jun/kilogam (J/kg) Một đơn vị khác đo liều hấp thụ là rad (Roentgen Absorbed Dose)

1 rad = 0,01 J/kg

Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ J/kg được gọi là Gray (Gy)

1 rad = 0,01Gy hay 1Gy = 100 rad

1.7.2 Liều chiếu

Chỉ áp dụng cho các bức xạ sóng điện từ (tia X và gamma), cho biết số điện tích cùng dấu của các ion được tạo ra trong một đơn vị khối lượng không khí khô dưới tác dụng của tia X hay tia gamma

D c = ΔQ/Δm (1.16)

ΔQ: tổng số điện tích cùng dấu sinh ra trong khối lượng Δm

Trong hệ SI, đơn vị đo liều chiếu là C/kg Đơn vị thông dụng là Roentgen (R) Giữa C/kg và R có mối liên hệ như sau: 1R = 2,58x10-4

C/kg hay 1C/kg = 3876R

Roentgen là liều chiếu của tia gamma hay tia X sinh ra trong 1cm3 không khí ở điều kiện tiêu chuẩn một lượng điện tích âm và dương bằng 1 đơn vị điện tích Ta biết điện tích của 1 ion bằng 4,8x10-10 đơn vị tĩnh điện, do đó muốn tạo 1 đơn vị tĩnh điện cần: 1/4,8x10-10 = 2.083x109 cặp ion Mối quan hệ giữa liều chiếu Dc (R) và liều hấp thụ Dn(rad) được thể hiện qua hệ thức:

D n = f D c (1.17)

f phụ thuộc vào nguyên tử số, mật độ chất bị chiếu xạ Với nước và mô tế bào cơ thể người

có thể lấy f = 1 Đối với mô xương f = 2 ÷ 5

1.7.3 Liều tương đương

Người ta quan sát thấy cùng một liều hấp thụ của các loại bức xạ khác nhau lại gây ra những tổn thương khác nhau Vì vậy đưa thêm hệ số chất lượng tia Q để nói trên đặc điểm này từ đó ta có liều tương đương

Liều tương đương = Liều hấp thụ x Q (1.18)

Trước đây liều tương đương có đơn vị thường dùng là Rem Nhưng hiện nay trong hệ SI liều tương đương tính bằng Sievert (viết tắt Sv) với các ướt số mSv, μSv

Dưới đây là giá trị Q của một vài loại bức xạ:

Liều hiệu dụng = Liều tương đương x W (1.19)

Đơn vị của liều hiệu dụng cũng là Sv Dưới đây là một vài giá trị W của các mô: Thận: 0,20; phổi: 0,12; gan: 0,05; da: 0,01…

1.8 Tóm tắt chương 1

Trong chương 1 chúng ta đã tìm hiểu về các vấn đề:

Một là y học hạt nhân bao gồm tổng quan về y học hạt nhân, lịch sử phát triển cũng như

cơ sở vật lý của y học hạt nhân

Hai là tổng quang về bức xạ hạt nhân

Ba là tính chất của các tia phóng xạ α,β và đặc biệt là tìm hiểu về phát xạ tia gamma ()

và năng lượng của nó

Liều lượng bức xạ hạt nhân

CHƯƠNG 2: TƯƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA

VỚI VẬT CHẤT

2 TƯƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT

2.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường

Tia gamma và tia X có cùng bản chất là sóng điện từ, đó là các photon năng lượng cao

Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là tương tác của tia gamma với vật chất Ở đây ta chỉ tập trung vào tia gamma Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất, nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn.[2,3]

Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I 0 Sự thay đổi cường

độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:

dI = - μ Idx (2.1)

Trong đó μ là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient) Đại lượng này có

thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1 Từ (2.1) có thể viết phương trình:

Giải phương trình ta được:

Hệ số suy giảm tuyến tính μ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật liệu môi trường μ = μ(E,ρ)

2.2 Cơ chế tương tác của tia gamma với vật chất

Tương tác của gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện Tuy nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử hay sinh ra các cặp electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện tính dương +e) Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia gamma năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh học phóng xạ Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp

2.2.1 Hiệu ứng quang điện

Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử Electron này được gọi là quang electron (photoelectron) Quang electron nhận được động năng Ee bằng hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron trên lớp vỏ trước khi bị bứt ra Hình 2.1a

Hình 2.1: (a) Hiệu ứng quang điện;

(b) Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma E.[2]

E e = E – E B (2.3) Theo công thức (2.3) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên kết

của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra Tương tác này ra với xác suất lớn nhất khi

năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp trong cùng

Hình 2.1b

Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm 1/E 3 Xác suất tổng cộng của

hiệu ứng quang điện đối với tất cảcác electron quỹ đạo E ≥ Ek trong đó Ek là năng lượng liên

kết của electron lớp K, tuân theo quy luật 1/E 7/2

còn khi E >> Ek theo quy luật 1/E

Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện

phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5 Nhưvậy tiết diện hiệu ứng quang điện:

ρ photo ~ Z 5 /E 7/2 khi E ≥ Ek và ρ photo ~ Z5/E khi E >> Ek

Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với các

nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử

nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng

lượng thấp

Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏnguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì

tại đó một lỗ trống được sinh ra Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp vỏ ngoài

chuyển xuống chiếm đầy Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng

2.2.2 Hiệu ứng Compton

Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo

ngoài Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải

phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 2.2a) Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình

gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 2.2b).[2]

Hình 2.2; (a) Hiệu ứng Compton (b) Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng gamma E’và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ 𝜑 gamma sau tán xạ:

2.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron

Electron có khối lượng bằng m e = 9,1.10 -19 kg hay năng lượng tĩnh của nó, theo công

thức Einstein, bằng Em = mc 2 = 0,51 MeV Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần

năng lượng tĩnh electron 2m e c 2 = 1,02 MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh

ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang điện tích dương +le) Đó là hiệu ứng sinh cặp electron - positron (Hình 3.3)

Hình 2.3; Hiệu ứng sinh cặp electron – positron

Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó để hạt này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn Quá trình tạo cặp xảy ra gần hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn

dư biến thành động năng của electron và positron Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân

2.3 Tóm tắt chương 2

Trong chương 2 chúng ta tìm hiểu về tương tác của tia gamma với vật chất thông qua 3 hiệu ứng vật lí

Là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp positron

Các tương tác này có ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng của tia gamma hay cách thức ghi nhận tia gamma

CHƯƠNG 3: ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC

3 ĐỊNH NGHĨA

Trong thiên nhiên, đa số các nguyên tố bao gồm không phải một loại nguyên tử mà là nhiều loại nguyên tử có số khối khác nhau Hạt nhân các nguyên tử này có cùng nguyên tử khối Z nhưng số neutron khác nhau, do đó số khối A khác nhau Ta gọi là các đồng vị (isotope)

3.1 Đồng vị phóng xạ

3.1.1 Tạo chế phẩm phóng xạ phục vụ chẩn đoán y tế

Có ba phương pháp tạo CPPX như sau:[1,2,3]

- Bắt nơtron hay kích hoạt nơtron

- Phân hạch hạt nhân (phân rã)

- Sử dụng máy gia tốc các hạt mang điện và bắn phá hạt nhân

Để chẩn đoán y tế người ta sử dụng các đồng vị phóng xạ có thời gian tồn tại ngắn được tách ra từ các sản phẩm phản ứng trong các thiết bị đặc biệt là các máy phát hạt phóng xạ

Số lượng chất phóng xạ cho phép khảo sát không gây hại đối với cơ thể sinh vật, phụ thuộc vào khối lượng nguyên tử và chu kỳ bán rã của chất phóng xạ và nằm trong vùng từ 10-3

đến

10-11 gram Do nguyên tố phóng xạ nhận được bằng cách này là đồng vị của chất ban đầu, nên không thể tách riêng chúng ra bằng các phương pháp và phương tiện hiện có trong y học hạt nhân Các đặc trưng năng lượng phát xạ trong các ví dụ vừa được dẫn ra có gía trị như sau:

- Đối với đồng vị Mo99, năng lượng của lượng tử  bằng 740 Kev, chu kỳ bán rã bằng 66,2 giờ

ITe

,n

kỳ bán rã bằng 8,05 ngày

Phản ứng phân hạch hạt nhân là quá trình mà kết quả là các hạt nhân nặng (uran U, Plutuni và ) sau khi hấp thụ nơtron sẽ phân ró thành 2 nguyên tố nhẹ có hình thành thêm các hạt nơtron Ví dụ của phản ứng này như sau:

n Sn

Mo U

và sản phẩm phản ứng Trong phản ứng (3.0) tạo thêm 4 nơtron, các nơtron này lại có thể tác động lên các hạt nhân khác gây ra sự phân rã chúng; quá trình được tiếp tục cho đến khi hết chất phân rã ban đầu Phương pháp tạo CPPX thứ ba là bắn phá các hạt nhân nguyên tử

ổn định bằng các hạt mang điện được gia tốc (   3

2He,D,

nhờ các máy gia tốc tuyến tính hay máy gia tốc cộng hưởng từ (xiclôtron) bằng điện trường Các ví dụ của phản ứng hạt nhân:

n2GaZn

npF

nhận được các đồng vị phóng xạ với độ tinh khiết và hoạt tính riêng cao Khi lựa chọn chất phát xạ cụ thể cho chẩn đoán y tế phải dựa trên những yêu cầu cơ bản sau:

- Chất phát xạ phải có chu kỳ bán rã cần thiết đủ để chẩn đoán, nhưng lại không gây ra mất an toàn phóng xạ

- Phân rã phải kèm theo bức xạ lượng tử 

- Năng lượng của các lượng tử  cần phải đủ để chẩn đoán và đáp ứng các yêu cầu nảy sinh do đặc thù của thiết bị đo

Khi lựa chọn chất phát xạ người ta cũng sử dụng cả tham số chu kỳ bán rã hiệu dụng TE

có khả năng vừa tính đến chu kỳ bán rã vật lý T1/2 lẫn thời gian thoát CPPX từ cơ thể TB Thông thường TB là thời gian thoát một nửa CPPX và được xác định theo công thức:

2 / 1 B

1 T

1 T

vị phóng xạ từ những nguyên tố tự nhiên sẽ đi vào cơ thể chúng ta một cách an toàn Chúng phát ra tia gamma và được phát hiện bởi SPECT Có rất nhiều loại thuốc và chất hóa học khác nhau có thể được đánh dấu, chuyển thành đồng vị phóng xạ mà không làm thay đổi đặt tính của nó Loại chất đánh dấu được sử dụng phụ thuộc vào những gì mà người bác sĩ muốn đo lường

Ví dụ như người bác sĩ muốn quan sát một khối u, ông ta có thể dùng chất phóng xạ có tính chất giống như đường fluodeoxyglucose (FDG), và theo dõi cách chúng được trao đổi với khối u.[3]

3.1.2 Các đồng vị phóng xạ thường dùng trong y học

Na24: thời gian sống ngắn, chu kỳ bán rã là 15 giờ, phóng xạ β với năng lượng 1,37 MeV

và các bức xạ γ với mức năng lượng 1,36; 2,75; 4,37 MeV, chuyển thành Mg24

bền Trong y học thường dùng Na24 dưới dạng NaCl không màu, vô trùng Dùng để chuẩn đoán tốc độ tuần hoàn và nghiên cứu chuyển hóa muối – nước

P32: chu kỳ bán rã 14,3 ngày, phát xạ tia β với năng lượng 1,7 MeV Sau khi phóng xạ,

P32 chuyển thành S31 bền Trong chuẩn đoán, thường dùng dưới dạng natriphotohat dung dịch không màu Dùng để chuẩn đoán ung thư và điều trị một số bệnh về máu

Ca47: chu kỳ bán rã 4,7 ngày, phát xạ tia β với năng lượng 0,66 MeV (83%) và 1,94 MeV (17%) Đồng thời, phát tia γ với năng lượng 0,48 MeV và 1,31 MeV chuyển thành

Sc47 là chất không bền Sc47 sẽ phóng xạ β với năng lượng 0,44 và 0,6 MeV và tia γ với năng lượng 0,159 MeV và chuyển thành đồng vị ổn định Ti47

I131: chu kỳ phân rã 8,1 ngày I131 phát ra tia β với năng lượng 0,2 MeV và tia γ với mức năng lượng 0,008; 0,282; 0,363; 0,637 MeV Sau khi phóng xạ I131 chuyển thành Xe131không phóng xạ Trong chuẩn đoán thường dùng dưới dạng dung dịch không màu, không mùi, không vị hoặc dưới dạng thyroxine I131 dung dịch trong, không màu Dùng để chuẩn đoán bệnh tuyến giáp

I132: chu kỳ bán rã 2,4 giờ Nơi sản xuất thường cung cấp cho các cơ sở sản xuất máy phóng xạ I131, trong đó chứa Te132, chất này sẽ chuyển thành I132 Dùng để chuẩn đoán bệnh

về tuyến giáp (dùng được cho trẻ em và phụ nữ có mang)

Xe133: chu kỳ bán rã 5,3 ngày, phát xạ tia β 0,34 MeV và tia γ là 0,081 MeV sản xuất dưới dạng khí hoặc dung dịch

Vàng phóng xạ - 198 (Au198): chu kỳ bán rã 2,7 ngày, phóng xạ tia β dưới dạng năng lượng 0,38 MeV và tia γ 0,42 MeV, chuyển thành Hg198 bền Trong chuẩn đoán thường dùng dưới dang dung dịch keo

Sắt – 59 (Fe59): chu kỳ bán rã 45,1 ngày, phóng xạ tia β và γ, thường dùng dưới dạng dung dịch trong, màu vàng, dùng để chuẩn đoán bệnh về máu

Technetium – 99m (Tc99m) được mệnh danh là chất đồng vị phóng xạ vạn năng trong chuẩn đoán Chu kỳ bán rã 6 giờ, và chỉ phóng xạ ra tia γ với năng lượng thấp 0,14 MeV Vì thời gian sống ngắn nên nơi sản xuất thương cung cấp cho các cơ sở chuẩn đoán các máy sinh xạ Tc99m, trong đó chủ yếu có Mo99 sẽ sản sinh ra Tc99m, dùng chủ yếu trong xạ hình tuyến giáp, tuyến nước bột, khối u não

3.2 Tóm tắt chương 3

Trong chương 3 chúng ta tìm hiểu về định nghĩa đồng vị phóng xạ, cách sản xuất chế phẩm phóng xạ (CPPX) và các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong y học

Các đồng vị sử dụng trong y học phải đảm bảo các yêu cầu về chu kì bán rã, dạng phóng

xạ phát ra khi phân rã, năng lượng của các tia phóng xạ và ứng dụng các đồng vị phóng xạ

đó trong điều trị

Khi lựa chọn đồng vị phóng xạ cần phải tính đến chu kỳ bán rã hiệu dụng

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT GHI ĐO PHÓNG XẠ

Mỗi máy đo phóng xạ hạt nhân điều có hai bộ phận cơ bản:[8]

+ Bộ phận phát hiện (còn gọi là detector)

+ Bộ phận đếm

Bộ phận phát hiện là bộ phận quang trọng nhất của máy ghi đo, làm nhiệm vụ chuyển tia phóng xạ (một photon hay một hạt) thành dạng có thể đo đếm được (thường là một xung điện) rồi chuyển sang bộ phận đếm.[8]

4.2 Detector

Có nhiều loại detector như detector chất khí, detector nhấp nháy, detector bán dẫn, các detector dùng trong y học chủ yếu thuộc loại detector chất khí, detector nhấp nháy

4.2.1 Cấu tạo và nguyên tác hoạt động Detecter chất khí

Hình 4.1.Sơ đồ nguyên tắc hoạt động detecter chất khí[4]

Detecter chất khí là dụng cụ đo phóng xạ mà môi trường vật chất của nó là môi trường khí Detecter gồm một hình trụ rỗng, trong đó có chứa khí, hai điện cực dương và âm của nguồn điện một chiều, mạch các tụ điện và điện trở lấy tín hiệu ra Detecter thường có hai điện cực hình trụ đồng trục cách điện với nhau rất tốt, điện cực ở giữa là điện thế từ một nguồn điện có thể điều chỉnh được

Ở trang thái bình thường, chất khí không dẫn điện và không có dòng điện chạy trong các điện cực Khi một tia phóng xạ đi qua môi trường khí của detector, chất khí bị ion hóa Các electron chuyển động tới anode, còn các ion dương chuyển động đên cathode tạo nên dòng điện qua chất khí gọi là dòng điện ion hóa Khảo sát hiện tượng này với các điện thế khác nhau, ta thu được đồ thị như sau:

Hình 4.2 Đường đặc trưng cho detecter chất khí[4]

Trên hình trên ta thấy, đường cong biểu diễn dòng điện I có 4 đoạn khác nhau

+ Đoạn I: điện thế ở hai điện cực còn quá yếu để cuốn hút các ion về đó Hầu hết chúng tái hợp với nhau để trở thành nguyên tử (hoặc phân tử) khí trung hòa về điện Điện thế càng tăng thì số lượng và vận tốc của các ion về điện cực càng lớn, càng làm tăng dòng điện I và làm giảm các nguyên tử được tái hợp trở lại Cường độ dòng điện lúc này còn rất nhỏ

+ Đoạn II: lúc này dù điện thế được tăng lên nhưng cường độ dòng điện không đổi, ta nói cường độ dòng điện I đạt giá trị bão hòa hay đồ thị ở dạng plateau (thẳng ngang) Sở dỉ thế là vì lúc đó, toàn bộ các electron và ion dương do tia phóng xạ tạo ra điều bị cuốn hút về các điện cực, không có sự tái hợp Người ta gọi miền II là miền ion hóa Độ lượng của dòng điện chỉ còn tỷ lệ với năng lượng do các tia phóng xạ chuyển giao cho các phân tử khí Các buồng ion hóa thường làm việc ở miền này

+ Đoạn III: điện thế được tăng lên nữa thì dòng điện I tiếp tục tăng, vì lúc này các electron có động năng rất lớn có thể gây ra hiện tượng ion hóa thứ cấp để tạo ra các electron

và ion dương mới Số electron và ion dương chuyển dịch về hai cực sẽ càng lớn hơn và phụ thuộc vào hiệu điện thế Miền này được gọi là miền tỷ lệ và thường được dùng để tạo ra các ống đếm tỷ lệ Độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào năng lượng của các tia phóng xạ khi tương tác với các phân tử chất khí Do vậy, ống đếm tỷ lệ có thể vừa dùng để đo năng lượng phóng xạ vừa dùng để đo cường độ phóng xạ

+ Đoạn IV: đến cuối đoạn III tất cả các ion sơ cấp và thứ cấp điều được cuốn hút về các điện cực Đồ thị có dạng plateau Thực nghiệm cho thấy, hai đường cong (1) và (2) ứng với mức năng lượng E1 và E2 của tia phóng xạ khác nhau có xu hướng trùng nhau Điều đó có

tia và hiệu điện thế nữa Đây là khu vực làm việc của ống đếm Geiger – Muller và miền IV được gọi là miền Geiger – Muller Tại đây, số cặp ion cuối cùng đến được các điện cực ít liên quan đến số cặp ion được tạo ra lúc ban đầu, tức là ít liên quan đến năng lượng phóng

xạ chiếu vào Vì vậy, ống Geiger – Muller chỉ đo được cường độ mà không đo được năng lượng của tia phóng xạ

4.2.2 Buồng ion hóa

Hình 4.3 Buồng ion hóa[4]

Các buồng ion hoá đều có cấu tạo như trong hình 4.3 Điện thế được cung cấp bằng pin, acquy hoặc điện lưới Trong bình chứa không khí khô ở áp suất bình thường Buồng ion hoá thường được dùng để đo liều lượng bằng các tĩnh điện kế có bảng thể hiện kết quả là R/h hoặc mR/s Mỗi loại buồng ion hoá có thể đo được một phạm vi liều lượng khác nhau và được chế tạo với nhiều dạng khác nhau: loại lớn đặt ở phòng thí nghiệm, loại xách tay đi dP ngoại, loại bút càiđể đo liều cá nhân v.v [4]

Một dụng cụ đo quan trọng thuộc loại này là buồng

chuẩn liều (Dose Calibrator) Đó là một buồng ion hoá có

điện kế chính xác và một bộ phận chứa đựng các ống

nghiệm cần xác định liều lượng phóng xạ

4.2.3 Ống đếm tỷ lệ

Cấu tạo của ống đếm tỉ lệ như hình 4.4 Có rất nhiều

loại ống đếm tỉ lệ và thường được dùng để đo các tia alpha

và beta Độ lớn của xung tỉ lệ với năng lượng và mật độ

bức xạ tới Loại đơn giản nhất gồm một vỏ bằng thuỷ tinh,

ở giữa có một sợi dây bằng vonfram làm cực dương, một

lớp kim loại tráng mặt trong ống làm cực âm Sau khi rút

hết không khí bên trong ống, người ta nạp khí metan

(CH4) với áp suất khoảng 10 mmHg ống đếm tỉ lệ để đo

nơtron chậm thường nạp khí BF3 Khi nơtron va chạm với

10B + n → 7Li + α (4.0)

Hạt alpha đó sẽ gây ra sự ion hoá để ghi đo được

Hình 4.5 Ống đếm tỷ lệ (đếm khí hữu cơ)[1]

4.3.2 Ống đếm Halogen:

Cực dương của ống đếm G.M loại Halogen ở giữa cũng là sợi dây Vonfram Cực âm là một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng kĩ thuật phun muối SnCl2vào mặt trong ống Các khí hữu cơ hoặc Halogen có tác dụng hấp thụ bớt năng lượng được sản sinh ra trong quá trình ion hoá để dập tắt nó, tạo ra các xung điện ngắn Một yếu tố quan trọng của ống đếm G.M là thời gian chết Thời gian giữa 2 lần ống đếm có thể ghi nhận được gọi là thời gian chết của ống đếm Nó có ý nghĩa là lúc này nếu có một tia khác lọt vào ống đếm thì sẽ không ghi nhận được Độ dài của nó khoảng 100 ÷ 300 μs đối với ống đếm G.M Một đặc trưng nữa của ống đếm G.M là hiệu suất đếm Đó là xác suất để một bức xạ lọt

và ống có thể được ghi nhận Hiệu suất đối với tia beta là 100% nhưng với tia gamma chỉ khoảng 1% Sở dĩ thế vì sự ion hoá trực tiếp các phân tử khí của tia gamma rất nhỏ

Đó là nguyên tắc chung về ghi đo phóng xạ Trong y tế thường có các trang bị đặc biệt

mà kết quả đo được thể hiện bằng con số, đồ thị, hình ảnh phân bố và mật độ phóng xạ tại các mô, phủ tạng hoặc các hệ thống hoạt động chức năng của cơ thể Các kỹ thuật giúp xác định sự có mặt (định tính) và sự biến đổi về liều lượng và mật độ phóng xạ (định lượng) Trên cơ sở các thông số đó người ta có thể suy đoán được các hoạt động chức năng sinh lí

và bệnh lí của tế bào, mô, phủ tạng trong cơ thể

4.4 Ghi đo phóng xạ dựa vào đặc tính phát quang của tinh thể và dung dịch

Khi hấp thụ năng lượng từ chùm tia phóng xạ, một số tinh thể có khả năng phát quang

đo được năng lượng chùm tia đã truyền cho tinh thể bằng cách đo năng lượng chùm tia thứ phát từ tinh thể đó

Hiện nay tinh thể có đặc tính phát quang thường dùng là:

- Tinh thể muối ZnS phát quang dưới tác dụng của tia X, tia gamma

- Tinh thể Antraxen phát quang khi hấp thụ năng lượng từ chùm tia beta

- Dung dịch hỗn hợp PPO (2,5 diphenil oxazol) và POPOP (2,5 phenyloxazol- benzen) hoà tan trong dung môi toluen hay dioxan, phát quang khi hấp thụ năng lượng yếu của các tia beta phát ra từ 3

H và 14C Dung dịch này là thành phần chính của kĩ thuật ghi đo đặc biệt gọi là kĩ thuật nhấp nháy lỏng, thường dùng trong các nghiên cứu y sinh học.[1,2]

- Tinh thể Iodua Natri (NaI) trong đó có trộn lẫn một lượng nhỏ Tali (Tl) hoặc tinh thể KI(Tl), CsI(Tl), LiI v.v có khả năng phát ra một photon thứ cấp (phát quang) khi có bức

xạ gamma tác dụng vào được dùng trong các thiết bị dựa vào đặc tính phát quang đặc biệt là ống đếm nhấp nháy Quan trọng nhất trong loại này là tinh thể muối NaI được hoạt hoá bằng Tl, phát quang dưới tác dụng của tia gamma Các tinh thể này thường được dùng

để tạo ra đầu dò Số lượng các photon phát quang (thứ cấp) đó tỉ lệ với năng lượng các tinh thể nhấp nháy hấp thụ được từ tia tới Trung bình cứ 30 ÷ 50 eV năng lượng hấp thụ được sẽ tạo ra một photon phát quang thứ cấp Như vậy, một tia gamma có năng lượng khoảng 0,5 MeV được hấp thụ sẽ tạo ra khoảng 104 photon thứ cấp trong tinh thể Vì năng lượng của chùm tia phát quang rất yếu nên phải được khuyếch đại bằng các ống nhân quang Nếu các photon huỳnh quang đó được tiếp xúc với bản photocatod thì sẽ tạo ra một chùm các điện tử (Hình 4.6) Bộ phận tiếp theo của đầu đếm nhấp nháy là ống nhân quang ống nhân quang được cấu tạo bởi nhiều bản điện cực có điện thế tăng dần để khuếch đại từng bước vận tốc của chùm điện tử phát ra từ photocatot Một ống nhân quang có 10 ÷ 14 đôi điện cực, có thể khuếch đại vận tốc điện tửlên 106

đến 109 lần Tuy vậy đó vẫn chỉ là những xung điện yếu cần phải khuếch đại nữa mới ghi đo được

Đầu dò nhấp nháy không những ghi đo được cường độ bức xạ mà còn cho phép ghi đo được phổ năng lượng của chất phóng xạ Muốn đo phổ năng lượng cần có thêm máy phân tích biên độ Đầu dò nhấp nháy dùng tinh thể vô cơ NaI (Tl) ngày nay được dùng rất phổ biến và đạt được hiệu suất đo 20% ÷ 30% đối với tia gamma và 100% với các hạt vi mô Thời gian chết của chúng cũng rất ngắn (khoảng vài μs) Kĩ thuật ghi đo bằng tinh thể phát quang có hiệu suất lớn, nên ngày càng được sử dụng rất rộng rãi Với các kĩ thuật hiện đại, người ta có thể tạo được các tinh thể nhấp nháy có kích thước lớn và những hình dạng thích hợp Từ đó có thể tạo ra các máy móc ghi đo hiện đại sử dụng cho các mục đích khoa học khác nhau Trong y sinh học có các máy đo bức xạ phát ra từ trong cơ thể, từ toàn thân, từ các phủ tạng sâu kể cả ghi hình hoặc từ các mẫu bệnh phẩm Trong y học có các loại máy ghi đo như sau:

Hình 4.6 Dectecter nhấp nháy[1]

- Máy ghi đo đối với tia beta, gamma các mẫu bệnh phẩm trong các xét nghiệm in vitro (trong ống nghiệm) Có thể đo riêng lẻ, chuyển mẫu bằng tay hoặc chuyển mẫu tự động, hàng loạt

- Hệ ghi đo tĩnh hay động học hoạt độ phóng xạ trong phép đo in vivo để thăm dò chức năng

- Hệ ghi đo chuyên dụng đối với tia gamma trong lâm sàng và nghiên cứu

- Máy ghi hình vạch thẳng (Scintigraphe)

- Gamma Camera để ghi đo sự phân bố tĩnh hoặc biến đổi động hoạt độ phóng xạ tại một mô tạng cụ thể

- Gamma Camera toàn thân, chuyên biệt

- Máy chụp cắt lớp bằng đơn quang tử (Single Photon Emision Computered Tomography: SPECT) và chụp cắt lớp bằng Positron (Positron Emission Tomography: PET)

4.5 Các loại máy và kỹ thuật ghi hình

Ghi hình là một cách thể hiện kết quả ghi đo phóng xạ Các xung điện thu nhận từ bức

xạ được các bộ phận điện tử, quang học, cơ học biến thành các tín hiệu đặc biệt Từ các tín hiệu đó ta thu được bản đồ phân bố mật độ bức xạ tức là sự phân bố DCPX theo không gian của mô, cơ quan khảo sát hay toàn cơ thể Việc thể hiện bằng hình ảnh (ghi hình) bức xạ phát ra từ các mô, phủ tạng và tổn thương trong cơ thể bệnh nhân ngày càng tốt hơn nhờ vào các tiến bộ cơ học và điện tử, tin học Ghi hình phóng xạ là áp dụng kỹ thuật đánh dấu, do

đó cần phải có các DCPX thích hợp để đánh dấu các mô tạng trước khi ghi hình Có các loại máy ghi hình sau đây:

4.5.1 Ghi hình nhấp nháy bằng máy vạch thẳng (Scintilation Rectilinear Scanner)

Hình 4.7 Máy xạ hình vạch thẳng (Rectilinear Scanner) với Collimator hội tụ và bộ bút ghi theo tín hiệu xung điện tỷ lệ với hoạt độ phóng xạ trên cơ quan cần ghi, kích thước hình theo tỷ lệ 1:1.[1]

Năm 1951, lần đầu tiên B Cassen đã chế tạo ra máy ghi hình cơ học (Rectilinear Scintigraphe) Trong YHHN thường dùng các loại máy quét thẳng theo chiều từ trên xuống, trái sang phải và ngược lại Người ta đã dùng các cách thể hiện trên giấy, trên phim sự phân

bố phóng xạ bằng mật độ nét gạch, con số, màu sắc hoặc độ sáng tối khác nhau Loại này có khả năng phân giải tốt đối với việc ghi hình những cơ quan nhỏ nhưng bị hạn chế khi dùng cho các cơ quan lớn Tuyến giáp đã được ghi hình đầu tiên bằng máy này Nowell đã thiết

kế một loại máy có đầu dò với tinh thể nhấp nháy làm bằng NaI(Tl) có kích thước lớn từ 3,5

÷ 8 inches và chiều dày 1 inch (hình 4.7) Độ phân giải tại tiêu điểm là tốt nhất Những điểm trên và dưới tiêu điểm có khả năng phân giải kém hơn, hình bị mờ Hình ảnh thu được so với cơ quan cần ghi có thể theo tỷ lệ 1:1 hay nhỏ hơn theo vị trí của đầu dò Scanner vạch thẳng bị hạn chế bởi thời gian ghi hình phải kéo dài Đây là loại máy ghi hình đơn giản trong YHHN

4.5.2 Ghi hình nhấp nháy bằng Gamma Camera (Scintillation Gamma Camera)

Ghi hình theo phương pháp quét thẳng thì phân bố hoạt độ phóng xạ được ghi lại theo thứ tự từng phần Ngược lại, ghi hình bằng phương pháp Gamma Camera thì mật độ phân

bố và các thông số khác được ghi lại cùng một lúc Nó còn được gọi là Planar Gamma Camera Lúc này độ nhạy tại mọi điểm sẽ như nhau trong toàn bộ trường nhìn của đầu dò ở cùng thời điểm Vì vậy, nó ghi lại được các quá trình động cũng như là sự phân bố tĩnh của DCPX trong đối tượng cần ghi hình.Có nhiều loại Camera khác nhau với các ưu, nhược điểm khác nhau và ngày càng được hoàn thiện.[2]

4.5.3 Camera nhấp nháy Anger (Anger Scintillation Camera)

Camera nhấp nháy Anger là camera cổ điển, đầu tiên Loại này vẫn còn được áp dụng rộng rãi hiện nay ở những nước còn kém phát triển Mặc dù các bộ phận quan trọng của máy đã được cải tiến nhiều trong những năm gần đây, nhưng tên gọi vẫn còn được giữ lại để

kỷ niệm người sáng chế ra nó vào năm 1957 là H.O Anger [1] Camera nhấp nháy như mô

tả trong hình 4.8 bao gồm những thành phần chính như bao định hướng, đầu dò phóng xạ, dòng điện vào bộ phận khuyếch đại và bộ phận biểu diễn hình ghi được Đầu đếm phóng

xạ của Camera nhấp nháy cổ điển ban đầu bao gồm một đơn tinh thể NaI(Tl) có đường kính

25 cm nối với 19 ống nhân quang điện Các photon từ mô tạng đánh dấu phát ra lọt vào ống định hướng đến tác dụng vào tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) sẽ gây ra hiện tượng phát quang Các photon thứ cấp này sẽ đập vào ống nhân quang Cường độ chùm photon đó giảm dần do hiện tượng hấp thụ, phụ thuộc vào cự li của điểm phát sáng đến ống nhân quang Thông tin

đó là cơ sở để xác định vị trí phát ra các tín hiệu (mạch định vị) Tín hiệu từ ống nhân quang lại được chuyển vào hệ xử lý (logic system) của đầu dò Tại đây mỗi tín hiệu được phân thành 2 giá trị x và y trên trục toạ độ của một điểm Dòng điện tổng ở đầu ra gọi là xung điện z, được sử dụng để phân biệt mức năng lượng bằng bộ phận phân tích biên độ Nếu tổng tín hiệu của x và y đủ lớn, vượt qua một ngưỡng nhất định sẽ kích thích màn hình và tạo ra một chấm sáng trên dao động ký điện tử (oscyloscope) Thông thường chấm sáng đó kéo dài khoảng 0,5 giây Dĩ nhiên tập hợp nhiều điểm sáng (khoảng 500.000 điểm) sẽ tạo ra trên màn hình ảnh của đối tượng quan sát Người ta chụp hình ảnh đó bằng các phim Polaroid cực nhạy Hình ảnh này cho ta thấy sự phân bố tĩnh cũng như quá trình động của thuốc phóng xạ di chuyển trong cơ thể

Có một mâu thuẫn là nếu tăng tốc độ đếm lên thì thời gian chết của máy bị kéo dài nên hiệu suất đếm giảm đi Độ phân giải không gian của nó cũng kém, vì vậy nó không phù hợp với ghi hình tĩnh có độ phân giải cao Để khắc phục điều này cần có Collimator với độ phân giải cao và một giá đỡ di động điều khiển bằng máy vi tính tự động Trong ghi hình bằng Gamma Camera nhấp nháy, các tia phóng xạ xuyên qua tất cả cấu trúc ở phía trước Camera

để tạo thành hình ảnh Hình ảnh này phản ánh toàn bộ hoạt độ phóng xạ của mô tạng quan sát mà không cho phép xác định theo từng lát cắt Đó là yếu điểm của các loại Camera đã dùng với các Collimator có tiêu cự

Hình 4.8 Sơ đồ khối của Camera nhấp nháy Anger cho thấy những phần chính của hệ thống ghi hình.[1]

Nhờ các tiến bộ của nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác nhau càng về sau càng có nhiều cải tiến để có nhiều loại Camera khác nhau như :

4.5.4 Camera có trường nhìn lớn:

Đường kính tinh thể nhấp nháy là 28 ÷ 41cm, có chiều dày 0,64 ÷ 1,25 cm Tiếp sau tinh

được các tạng lớn như phổi, tim, lách đồng thời, thậm chí còn dùng để quan sát sự biến đổi hoạt độ phóng xạ toàn thân Nhưng trường nhìn rộng kéo theo sự suy giảm độ phân giải

Để cải thiện nhược điểm đó thường sử dụng các ống định hướng nhiều lỗ và chụm (hội tụ) để khắc phục.[1,2]

4.5.5 Camera di động

Để tăng cường các kỹ thuật chẩn đoán bệnh tim, phổi người ta đã tạo ra Camera có trường nhìn nhỏ khoảng 25 cm, dùng năng lượng bức xạ thấp khoảng 70 ÷ 140 keV (thường dùng 201Tl và 99mTc) và dễ di chuyển tới các nơi trong bệnh viện Vì năng lượng thấp như vậy nên bao định hướng của đầu đếm Camera được làm với chì mỏng hơn, giảm trọng lượng Camera Trọng lượng loại này chỉ khoảng 550 kg so với 1300 kg của Camera cổ điển Kích thước máy do vậy giảm nhiều, chỉ còn khoảng 160 x 83 cm.[1]

4.5.6 Camera digital có hệ vi xử lí (microprocessor computer system)

Hệ thống xử lý phân tích các tín hiệu dựa vào kỹ thuật số (digital) để xác định vị trí xuất phát tín hiệu thu được Kỹ thuật số giúp cho lưu giữ và lấy các thông số ra tốt hơn Bộ phận điều khiển của máy Camera thường được thay thế bằng bảng kiểm định (calibration) hoặc bảng tra tìm cho mỗi vị trí Hình ảnh trên màn hình là do kết hợp giữa Camera và Computer Nó không những chỉ thu thập các thông số mà còn làm giảm những tín hiệu nhiễu khác Những Camera này không những có khả năng ghi hình tĩnh mà còn tiến hành ghi hình động như hoạt động của tim

4.6 Cơ sở chụp cắt lớp máy tính phát xạ

4.6.1 Giới thiệu chung

Khả năng của máy vi tính (PC) và

các tiến bộ về tin học đã tạo ra kỹ

Kuhl và Edwards chế tạo hệ SPECT

đầu tiên là MARK – I vào năm 1963

Kỹ thuật SPECT phát triển trên cơ sở

Nhưng trong SPECT không có chùm tia X nữa mà là các photon gamma của các ĐVPX

đã được đưa vào cơ thể bệnh nhân dưới dạng các DCPX để đánh dấu đối tượng cần ghi hình