Sơ lược về Y học hạt nhân. Ths.Ks. Phạm Thị Len – Trung tâm YHHN và Ung bướu BV Bạch Mai >> Tải về

+ điện tử (Auger, từ nguyên tử bị kích thích) có động năng được giải phóng và các lỗ trống xuất hiện trong nguyên tử chất, phát ra tia X đặc trưng hoặc điện tử Auger quá trình diễn ra đế[r]

SƠ LƯỢC VỀ Y HỌC HẠT NHÂN

KS Trần Văn Thống ThS Phạm Anh Tuấn ThS Phạm Thị Len

Cấu trúc hạt nhân nguyên tử

- Điện tử cũng như các điện tích của hạt nhân nguyên

tử đều có khối lượng > tuân theo định luật bảo toàn

 Nhảy mức năng lượng, phát bức xạ ở vòng ngoài

- Mức năng lượng khg ở trên cùng

- Vòng K dưới cùng

- Năng lượng liên kết âm

Cấu trúc hạt nhân nguyên tử

Hạt nhân nguyên tử

 Cấu trúc

- Bao gồm các proton và các neutron gọi chung lànucleon

 Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương

- Proton mang điện tích dưong, số lượng proton bằng số lượng điện tử bao quanh hạt nhân nguyên tử -

Ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hòa về điện

 Các nucleon có khối lượng:

- Khối lượng proton xấp xỉ neutron

- Khối lượng proton lớn hơn điện tử rất nhiều lần

mp=1836.me Do vậy khối lượng nguyên tử tập trung phầnlớn ở hạt nhân nguyên tử

Cấu trúc hạt nhân nguyên tử

- Qui ước

Ví dụ:

Cũng có thể sử dụng kí hiệuHoặc

Cấu trúc hạt nhân nguyên tử

Đồng vị của nguyên tố

 Định nghĩa đồng vị: Cùng một nguyên tố có thể có cấu

trúc số điện tích hạt nhân Z (proton) như nhau nhưng sốkhối A khác nhau, số neutron N khác nhau

- Đồng vị của Carbon: 12C, 13C, 14C

- 12C và 13C các đồng vị bền, 14C đồng vị phóng xạ

 Các đồng vị của nguyên tố có cùng vị trí duy nhất trong bảng tuần hoàn hóa học Mendeleev

 Định nghĩa phóng xạ: là hiện tượng một hạt nhân không bền

vững tự phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác gọi là hiện tượng phóng xạ.

- Quá trình này thường phát ra các tia gamma (γ), beta+ (β+), beta- (β -), anpha (α), sử dụng trong y tế.

- Phát tia nào tùy thuộc vào mỗi đồng vị.

Hoạt tính Phóng xạ (Radioactivity)

 Chất phóng xạ (rắn, lỏng, khí…), đồng vị phóng xạ,

gồm nhiều nhiều hạt nhân phóng xạ Từ hạt nhân mẹ

P phân rã thành các hạt nhân con D ở trạng thái bền(đồng vị không phóng xạ) hoặc không bền (đồng vị

phóng xạ)

 Số lượng hạt nhân phóng xạ mẹ tại thời điểm t

dNp(t)/dt = - Ap(t) = - λPNp(t) Ap(t): hoạt độ pxạ

Np(t) = Np(0) e-λt Np(0): lượng hạt nhân ban đầu (t=0).

 Hoạt độ pxa là hàm của thời gian

Ap(t) = λPNp(t) = λP Np(0) e-λt = Ap(0) e-λt

Hoạt độ px giảm theo hàm mũ của hằng số phân rã

λ P

P → D

λP đặc trưng cho thời gian phân

rã của mỗi đồng vị phóng xạ gọi

là hằng số phân rã

Hoạt tính Phóng xạ (Radioactivity)

 Thời gian sống nửa (T1/2): Thời gian số lượng hạt

nhân mẹ bị phân rã giảm số đi một nửa Thời gian lúcđầu t=0

- Các quá trình tự nhiên diễn ra trong lòng đất Uran, Radium

- Tạo ra phông (back ground) phóng xạ ở mọi nơi

 Do con người:

- Sử dụng đồng vị phóng xạ phục vụ hòa bình

+ năng lượng: nhà máy điện nguyên tử+ trong y tế: máy gia tốc tuyến tính, gia tốc vòng…

Các kiểu phân rã hạt nhân

(ứng dụng trong y học)

 Các hạt nucleon liên kết trong hạt nhân nguyên tử

bằng lực mạnh (lực hạt nhân)

- thắng được lực Coulomb (proton-proton)

- số lg proton cân bằng với neutron, hạt nhân ổn định Ngược lại sẽ phân rã thành hạt nhân trạng thái bền

Các kiểu phân rã hạt nhân

Một số bức xạ

ứng dụng trong y học

 Tia X đặc trưng: nguyên tử bị ion hóa hoặc bị kích

thích, lỗ trống được tạo ra, điện tử quỹ đạo vòng ngoàinhảy vào chiếm lỗ Bức xạ phát xạ phát ra (tia X), có

thể kèm theo điện tử quỹ đạo thoát ra (điện tử Auger)

 Bức xạ hãm:

Hạt tích điện (điện tử,beta-,beta+) giảm tốc độ do

tương tác với các hạt tích điện khác của môi trườngvật chất (hnhân nguyên tử)

- Động năng mất đi chuyển thành bức xạ điện từ

(định luật bảo toàn)

- Có phổ liên tục (tia X phổ gián đoạn) trải từ zero tớiđộng năng của hạt tới

Bức xạ ion hóa

 Định nghĩa: Phân rã phóng xạ phá ra các bức xạ, các

tia gamma (γ), photon, tia X (sóng điện từ) và các hạt beta+ (β+), beta- (β – điện tử)… Hiện tượng bức xạ ion hóa: khi một hạt hoặc một tia bất kỳ có đủ năng lượng để

bứt các điện tử ra khỏi nguyên tử hoặc các phân tử môi

trường vật chất

- Nếu các hạt hoặc sóng điện từ này, hoặc cả hai có đủ

năng lượng cần thiết khi đi vào môi trường vật chất nào đó

sẽ gây ra bức xạ ion hóa

Phân loại: bức xạ ion hóa trực tiếp và gián tiếp.

- Bức xạ ion hóa trực tiếp:

+ Gồm các hạt tích điện, β+ (positron), (electron-điện tử), proton, hạt α và các ion nặng

β-+ Truyền năng lượng vào môi trường vật chất qua tương tác Coulomb giữa hạt tích điện và các

electron quỹ đạo của các nguyên tử vật chất

- Bức xạ ion hóa gián tiếp:

+ Gồm các hạt không mang điện tích, gamma, tia

X đặc trưng, bức xạ hãm tạo ra trong máy CT và trong máy gia tốc tuyến tính (photon)

+ truyền năng lượng thông qua quá trình hai bước Bước đầu tiên, hạt trung hòa giải phóng hoặc

tạo ra một hạt tích điện trong môi trường vật chất

Bước thứ hai, tương tác Coulomb với các electron quỹ đạo như ion hóa trực tiếp

Phân loại bức xạ ion hóa

Trực tiếp Gián tiếp

Tương tác điện tử (electron) với môi

 Đại lượng đặc trưng cho tương tác giữa hạt tích điện và chất hấp thụ: tiết diện tương tác σ

 Mất năng lượng tia tới trên đường đi: Năng lượng dừng

- stot = scol + srad

- Phụ thuộc vào hạt tích điện tới (năng lượng, loại hạt) và chất hấp thụ (số Z, mật độ)

Tương tác điện tử với điện tử quỹ

đạo

 Tương tác Coulomb:

- Ion hóa nguyên tử: Bứt điện tử ra khỏi nguyên tử

- Kích thích nguyên tử: Chuyển điện tử ở quỹ đạo cónăng lượng thấp sang quỹ đạo có năng lượng cao hơn, làm cho nguyên tử ở trang thái bị kích thích

 Kết quả: Điện tử bị mất năng lượng để ion hóa hoặc

đưa nguyên tử lên trạng thái kích thích, đặc trưng bởiđại lượng năng lượng dừng do va chạm (ion hóa)

Tương tác điện tử với hạt

- Điện tử bị tán xạ và mất năng lượng do phát ra bức

xạ hãm, đặc trưng bằng đại lượng “năng lượng dừng(stopping power) do phát xạ”

Tương tác photon với vật chất

Hấp thụ chùm photon

 - Khi chùm photon đi xuyên qua môi trường vật chất

sẽ bị hấp thụ

 - μ: hệ số suy giảm tuyến tính, tham số đặc trưng quá

trình bị hấp thụ, phụ thuộc chất và E=ђν photon tới

 - Bề dầy môi trường (x) tăng lên, cường độ tín hiệu

sau khi ra khỏi môi trường chất giảm đi, phụ thuộc x

 - Chất hấp thụ có bề dầy dx làm giảm dI(x) cường độ ra

dI(x)/I(x) = - μdx I(x)= I(0)e –μx

μ: + đồng đều trong chất hấp thụ+ độc lập với chiều dầy x của chất hấp thụ

 Các bề dầy đặc biệt đặc trưng cho chùm photon:

- Chiều dầy một nửa (HVL hoặc X1/2)

+ Làm suy giảm ½ cường độ chùm photon

I(x1/2) = 0.5I(0) = I(0)e –μx1/2 HVL=X1/2=ln2/μ

- Quãng đường tự do trung bình (MFP hoặc x trung bình)

+ Bề dầy chất hấp thụ làm suy giảm cường độ chùmtia x còn 1/e = 36.8%

I(xtbinh) = (1/e)I(0) = I(0)e –μxtbinh MFP=Xtbinh=1/μ

- Chiều dầy phần chục (TVL hoặc X1/10)

+ Chiều dầy chất hấp thụ làm cường độ chùm tia chỉcòn 10% giá trị gốc

I(x1/10) = 0.1I(0) = I(0)e –μx1/10 TVL=X1/10=ln10/μ

Tương tác photon với vật chất

Bề dầy hấp thụ đặc trưng

Tương tác photon với vật chất

Hệ số suy giảm

 Ngoài hệ số suy giảm tuyến tính μ, mô tả đặc tính suy

giảm chùm photon trong chất hấp thụ,

- hệ số suy giảm khối lượng , hệ số suy giảm nguyên

tử , hệ số suy giảm điện tử mà có mối liên hệ với nhaubằng biểu thức toán học

μ═ρμm═n*aμ═Zn*eμρ: mật độ khối lượng

n* số lượng nguyên tử trên một đơn vị thể tích

- hệ số truyền năng lượng: μtr = μEtr,tbinh /ђν

- hệ số hấp thụ năng lượng μab = μEab,tbinh/ђν

Tương tác photon với vật chất

Nhận xét

 Khi photon đi vào môi trường chất hấp thụ, thông qua

các loại tương tác photon khác nhau, các hạt tích

điện nhẹ như điện tử và positron (beta- và beta+) xuấthiện trong chất hấp thụ Chúng sẽ:

- Mất năng lượng do tương tác Coulomb với điện tửquỹ đạo chất hấp thụ (mất năng lượng do va chạm

hoặc do ion hóa)

- Phát bức xạ photon, năng lượng Ek do tương tác với hạtnhân nguyên tử chất hấp thụ (mất năng lượng do

phát xạ)

Tương tác photon với vật chất

nhân (hiện tượng tạo cặp)

- Điện tử có liên kết yếu (Eb

<< Ept (ђν )):

+ điện tử xem là tự do + hiệu ứng Compton, sản phẩm cặp 3 (trường tĩnh điện của điện tử quỹ đạo)

- Điện tử liên kết chặt (Eb ≤ ђν):

+ tương tác với nguyên tử + hiệu ứng quang điện, tán xạ Rayleigh, tán xạ Thomson.

Tương tác photon với vật chất

 Năng lượng photon sử dụng trong y tế, hình ảnh y học

và y học hạt nhân thường nhỏ < MeV

- I-131 = 360keV, Tc-99m =140keV, Y-90 = 600keV

- Photon phát ra khỏi bóng x-quang 70keV<ђν< 140 keV

 Các tương tác phổ biến photon – môi trường vật chất

- Photon biến mất do bị hấp thu hoàn toàn: hiệu ứngquang điện, hiện tượng tạo cặp, tạo ba, phản ứng giữaphoton với hạt nhân nguyên tử

- Photon bị tán xạ, đổi phương, năng lương không

đổi(tán xạ Rayleigh) hoặc mất một phần năng lượng(hiệu ứng Compton)

Tương tác photon với vật chất

 Tương tác photon với nguyên tử

+ điện tử (Auger, từ nguyên tử bị kích thích) có độngnăng được giải phóng và các lỗ trống xuất hiện trongnguyên tử chất, phát ra tia X đặc trưng hoặc điện tửAuger quá trình diễn ra đến khi nguyên tử đạt đượctrạng thái cân bằng như hiệu ứng Compton, quang

điện tử, tạo cặp của điện tử quỹ đạo

+ tạo ra điện tử tự do và các positron trong hiện tượngtạo cặp của hạt nhân, phản ứng photon với hạt nhân.Các hat tích điện này đi qua môi trường chất hấp thụ

sẽ mất năng lượng hoặc chuyển hóa một phần nănglượng thành bức xạ, tạo ra bức xạ hãm

Tương tác photon với vật chất

Hiệu ứng Quang điện

 Mô tả: photon tới tg tác với điện tử liên kết, giải

phóng điện tử ra khỏi nguyên tử

 Photon biến mất sau tương tác.

 Eν = ђν ≥ EB điện tử quang điện

 điện tử quang điện có

động năng EK = ђν - EB

 Phát tia X đặc trưng

• Photon không mất năng

lượng

• Photon bị tán xạ, lệch khỏi

phương tới một góc nhỏ

Tương tác photon với vật chất

 Năng lượng photon tới

sau tán xạ giảm đi thành ђν’

 Điện tử bị bứt ra EK (điện tử lùi)

tạo thành góc φ với phương tới

Tương tác photon với vật chất

Hiện tượng Tạo cặp

 Photon năng lượng lớn hơn 1,02 MeV tg tác với

trường điên tích hạt nhân chất hấp thụ tạo thành

cặp e- và e+ còn photon biến mất

 Các điện tích e- và e+ tương tác với nhau bị hủy đi

và tạo ra hai tia gamma di chuyển cùng phương về

hai hướng ngược chiều nhau, năng lg mỗi photon

là 0.511MeV (phản ứng hủy cặp)

Tương tác photon với vật chất

Tạo cặp trong máy PET/CT

 Sự kiện hủy cặp được

ghi nhân lại bằng cách

bố trí hai đầu dò gamma

Tương tác photon với vật chất

- Hiệu ứng quang điện tử

chiếm ưu thế ở mức năng

lượng thấp của

- Hiệu ứng Compton chiếm

ưu thế ở mức năng lượng

trung bình

- Sản phẩm tạo cặp xảy ra ở

mức năng lượng thấp cao

Các đơn vị Đo bức xạ ion hóa

Các đơn vị đo bức xạ có chứa các yếu tố:

 Cường độ bức xạ phát ra

 Sự hấp thụ liều của vật chất

 Tác động sinh học của tia

 Hiệu ứng của vật chất khác nhau khi chiếu cùng loại

tia

 Hiệu ứng của toàn bộ chất liệu cấu trúc lên đối tg

Các đơn vị Đo bức xạ ion hóa

Các đơn vị Đo bức xạ ion hóa

Các đơn vị Đo bức xạ ion hóa

Liều tương đương

 Ht.r = Wr.Dt.r (J/kg)

W trọng số của tia bức xạ (đánh giá tác động của từngloại tia bức xạ), D liều hấp thu bức xạ trung bình của môchiếu

Trọng số photon = 1, proton = 5, anpha = 20

Đơn vị (Sv)

 Suất liều tương đương ht.r=dHt.r/dt

Liều hấp thụ của một loại bức xạ trung bình của một môtrong một đơn vị thời gian

Đơn vị Sv/s mSv/s μSv/s

 Nếu có nhiệu loại bức xạ cùng tham gia chiếu vào mô, tinh với các trọng số bức xạ khác nhau Ht = Σr Wr.Dt.r

Các đơn vị Đo Bức xạ ion hóa

Liều hiệu dụng

 Cùng một lượng phóng xạ các mô khác nhau hấp thu

được gây ra các tổn thương khác nhau Do đó trọng số

mô đặc trưng cho sự tổn thương sinh học cho mỗi

• Nguyên lý cấu tạo

•Máy chuẩn liều (Buồng ion hóa)

• Máy đếm xung

• Thiết bị rà phóng xạ (survey meter)

• Thiết bị kiểm soát phóng xạ môi trường ( inspector

và monitoring)

 Khuyếch đại tín hiệu.

 Lọc xung qua đo phổ năng

Thiết bị Ghi nhận Phóng xạ

Máy chuẩn liều (Buồng ion hóa)

 Buồng ion hóa

+ Biến tín hiệu phân rã

Thiết bị ghi các xung điện được tạo ra bởi các bức xạ có trong chất liệu khảo sát (bệnh phẩm, mô, tạng…) tác dụng với đầu đếm trong 1 đv thời gian.Nó còn được gọi là tộc độ đếm hay hoạt độ PX.

- Kết quả có thể được thể hiện bằng

tổng cộng các xung điện đó

Thiết bị Đảm bảo An toàn Phóng xạ

Kiểm soát môi trường (Inspector) Rà phóng xạ (survey meter)

• Ban An toàn bức xạ xây dựng kế hoạch ứng phó

sự cố

• Xin phế duyệt kê hoạch ứng phó sự cố cấp bệnh viện và cấp Bộ

• Liều giới hạn: 20 mSv/năm

• Liều hiệu dụng: 0,003 – 0,03 mSv/kỹ thuật xạ hình

+ Một ngày làm việc: 10 bệnh nhân: 0,3mSv/10 kỹ thuật xạ hình

Nguyên tắc: càng cách xa nguồn càng tốt, vìhoạt độ (cường độ, suất liều) của nguồn sẽgiảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách

Trường hợp phải làm việc ở gần nguồn phóng

xạ thì phải tìm cách che chắn để giảm liềuxuống dưới mức cho phép

Tuỳ theo loại tia, cường độ tia, năng lượng tia

mà chọn các vật liệu và bề dày thích hợp đểche chắn đảm bảo an toàn

Hình ảnh Che chắn

• Thiết bị YHHN thuần túy

• Thiết bị YHHN lai

Gamma Camera

SPECT: 1 đầu và 2 đầu

Máy PET

- Máy PET/CT - Máy SPECT/CT

PET/MRI

• Điều trị bệnh tuyến giáp bằng I-131, P-32 …

• Xạ phẫu gamma sử dụng nguồn Co-60

• Điều trị tuyến tiên liệt bằng I-125

• Điều trị gan bằng Vi cầu phóng xạ Y-90