Giáo trình Y học hạt nhân - PGS. TSKH. Phan Sỹ An

pdf

189 trang phuongnguyen 7870

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Y học hạt nhân - PGS. TSKH. Phan Sỹ An", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_y_hoc_hat_nhan_pgs_tskh_phan_sy_an.pdf

Nội dung text: Giáo trình Y học hạt nhân - PGS. TSKH. Phan Sỹ An

Bộ môn Y học hạt nhân Y học hạt nhân Tr−ờng Đại học y h nội 2005
Chủ biên PGS. TSKH. Phan Sỹ An Nh giáo −u tú Tham gia biên soạn: PGS. TSKH. Phan Sỹ An PGS. TS. Trần Xuân Tr−ờng PGS. TS. Mai Trọng Khoa Ths. GVC. Nguyễn Đắc Nhật Ths. GVC. Nguyễn Thị The Ths. GV. Nguyễn Thnh Ch−ơng BS CK I.GV. Đo Thị Bích Thuỷ TS. Trần Đình H (BV. Bạch Mai) Th− ký biên soạn: Ths. GVC. Nguyễn Thị The
Lời Giới thiệu Nói tới năng l−ợng hạt nhân, tia phóng xạ, ng−ời ta th−ờng hình dung ra các tổn th−ơng ghê gớm do các quả bom nguyên tử v các sự cố nh− Trecnôb−n gây ra. Đúng l tác dụng của năng l−ợng hạt nhân rất lớn nh−ng khoa học kỹ thuật ngy nay đ cho phép con ng−ời tận dụng đ−ợc mặt tốt, khắc phục mặt xấu để đảm bảo an ton v kiểm soát đ−ợc các bức xạ hạt nhân, mang lại lợi ích cho con ng−ời: trong công nghiệp, thuỷ văn khí t−ợng, địa chất ti nguyên, nông nghiệp v nhất l trong y sinh học. Bằng kỹ thuật đánh dấu phóng xạ với những liều l−ợng tuy rất nhỏ nh−ng có thể ghi đo, theo dõi đ−ợc các đồng vị phóng xạ đến tận cùng ở các mô v tế bo. Y học hạt nhân đ sáng tạo ra nhiều ph−ơng pháp thăm dò chức năng, định l−ợng v ghi hình rất hữu ích. Ghi hình phóng xạ đ có những b−ớc tiến v−ợt bậc v mang lại giá trị chẩn đoán rất sớm bởi vì (khác hẳn các ph−ơng pháp ghi hình y học khác nh− X quang, siêu âm, cộng h−ởng từ) ghi hình phóng xạ mang đến không chỉ những thông tin về cấu trúc, hình thái m còn những thông tin về chức năng. Thật vậy, các d−ợc chất phóng xạ đ−ợc hấp phụ vo các mô, tạng để ghi hình đ tập trung vo đó theo các cơ chế về hoạt động chức năng, chuyển hoá. Ta biết rằng các thay đổi chức năng th−ờng xảy ra sớm hơn các thay đổi về cấu trúc. Vì vậy ngy nay các kỹ thuật SPECT, PET hay hệ liên kết SPECT/CT v PET/CT đ trở thnh nhu cầu rất bức thiết cho các cơ sở lâm sng hiện đại. Các kỹ thuật điều trị bằng các nguồn phóng xạ hở cũng đang phát huy nhiều hiệu quả, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho bệnh nhân. Chính vì vậy, môn YHHN đ−ợc đ−a vo giảng dạy ở bậc đại học v trên đại học ở các tr−ờng đại học trên thế giới. ở n−ớc ta, do các khó khăn khách quan v chủ quan, chuyên ngnh ny ch−a phát triển đồng đều v sâu rộng theo yêu cầu. Tuy nhiên, đ từ lâu nó l môn học chính thức trong ch−ơng trình đại học v sau đại học của Tr−ờng Đại học Y H Nội. Biên soạn giáo trình “Y học hạt nhân” lần ny, chúng tôi muốn đạt mục tiêu l lm cho sinh viên y khoa có đ−ợc: Hiểu biết nội dung cơ bản của YHHN. Nắm vững nguyên lý v −u điểm của một số ph−ơng pháp định l−ợng miễn dịch phóng xạ RIA, IRMA v ứng dụng của chúng. Hiểu kỹ cơ chế, nguyên lý v −u điểm chẩn đoán YHHN th−ờng dùng. Biết cách sử dụng các kỹ thuật YHHN thích hợp trong công tác NCKH chuyên ngnh của mình. Nắm vững cơ chế, nguyên lý v khả năng ứng dụng một số ph−ơng pháp điều trị phổ biến bằng YHHN. Hiểu biết nguyên lý, cơ chế, các biện pháp kiểm soát an ton bức xạ. Từ đó họ cũng học hỏi đ−ợc một số kỹ năng cần thiết: Biết chỉ định đúng v chống chỉ định lm xét nghiệm in vitro, in vivo, điều trị bằng kỹ thuật YHHN đối với một số bệnh th−ờng gặp. Phân tích, đánh giá đúng kết quả xét nghiệm YHHN đối với chẩn đoán, theo dõi sau điều trị một số bệnh thông th−ờng.
Biết xây dựng mô hình nghiên cứu với việc sử dụng các kỹ thuật YHHN thích hợp để giải quyết các vấn đề chuyên môn của ngnh mình. Biết phòng tránh, giữ vệ sinh an ton phóng xạ cho bản thân, đồng nghiệp, bệnh nhân v môi tr−ờng đối với bức xạ ion hoá. Hơn thế nữa, chúng tôi hi vọng sau khi học xong, các bác sỹ đa khoa t−ơng lai sẽ có một thái độ: Trân trọng, yêu thích môn YHHN. Có thái độ v hnh vi đúng đắn khi lm việc tiếp xúc với các nguồn phóng xạ. Có thể tiếp tục tự học thêm YHHN v biết cách tìm đến YHHN trong NCKH khi cần thiết. Giải thích cho bệnh nhân v mọi ng−ời những kiến thức về YHHN cơ bản khi họ đề cập đến. Do thời l−ợng có hạn, nội dung lại phong phú nên chúng tôi chỉ lựa chọn những vấn đề cơ bản nhất của YHHN. Để hiểu đ−ợc thấu đáo, các sinh viên cần ôn tập lại một số kiến thức vật lý hạt nhân ở các ch−ơng trình tr−ớc đây v tham khảo một số ti liệu liên quan. Chúng tôi chân thnh cảm ơn sự góp ý của các đồng nghiệp để cuốn sách giáo khoa đ−ợc hon thiện hơn. H nội , tháng 4 năm 2005 Tr−ởng Bộ môn Y học hạt nhân Kiêm Tr−ởng Bộ môn Y vật lý Tr−ờng Đại học Y H Nội PGS. TSKH. Phan Sỹ An
Y Học Hạt Nhân 2005 Ch−ơng I: mở đầu Mục tiêu: 1. Nêu đ−ợc định nghĩa, nội dung chủ yếu của chuyên ngnh y học hạt nhân. 2. Biết đ−ợc những −u điểm chính của 2 kỹ thuật đánh dấu phóng xạ v chiếu xạ m một bác sĩ đa khoa cần biết để vận dụng khi cần thiết. 1. Định nghĩa v lịch sử phát triển 1.1. Định nghĩa Việc ứng dụng bức xạ ion hóa vo y sinh học đ có từ lâu nh−ng thuật ngữ y học hạt nhân (Nuclear Medicine) mới đ−ợc Marshall Brucer ở Oak Ridge (Mỹ) lần đầu tiên dùng đến vo năm 1951 v sau đó chính thức viết trong tạp chí Quang tuyến v Radium trị liệu của Mỹ (The American Journal of Roentgenology and Radium Therapy). Ngy nay ng−ời ta định nghĩa y học hạt nhân (YHHN) l một chuyên ngnh mới của y học bao gồm việc sử dụng các đồng vị phóng xạ (ĐVPX), chủ yếu l các nguồn phóng xạ hở để chẩn đoán, điều trị bệnh v nghiên cứu y học. Việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ ny chủ yếu dựa theo hai kỹ thuật cơ bản: kỹ thuật đánh dấu phóng xạ hay chỉ điểm phóng xạ (Radioactive Indicator, Radiotracer) v dùng bức xạ phát ra từ các ĐVPX để tạo ra các hiệu ứng sinh học mong muốn trên tổ chức sống. 1.2. Lịch sử phát triển Sự ra đời v phát triển của YHHN gắn liền với thnh tựu v tiến bộ khoa học trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt l của vật lý hạt nhân, kỹ thuật điện tử, tin học v hóa d−ợc phóng xạ. Điểm qua các mốc lịch sử đó ta thấy: Năm 1896, Becquerel đ phát minh ra hiện t−ợng phóng xạ qua việc phát hiện bức xạ từ quặng Uran. Tiếp theo l các phát minh trong lĩnh vực vật lý hạt nhân của ông b Marie v Pierre Curie v nhiều nh khoa học khác. Một mốc quan trọng trong kỹ thuật đánh dấu phóng xạ l năm 1913, George Hevesy bằng thực nghiệm trong hóa học đ 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 l giống nhau. Năm 1934 đ−ợc đánh giá nh− một mốc lịch sử của vật lý hạt nhân v YHHN. Năm đó 2 nh bác học Irena v Frederick Curie bằng thực nghiệm dùng hạt α bắn phá vo hạt nhân nguyên tử nhôm, lần đầu tiên tạo ra ĐVPX nhân tạo 30 P v hạt nơtron : 27 4 → 30 1 13 Al + 2He 15 P + 0N Với hạt nơtron, đ có đ−ợc nhiều tiến bộ trong xây dựng các máy gia tốc, một ph−ơng tiện hiện nay có ý nghĩa to lớn trong việc điều trị ung th− v sản xuất các đồng vị phóng xạ ngắn ngy. Thnh tích to lớn có ảnh h−ởng trong sử dụng ĐVPX vo chẩn đoán bệnh l việc tìm ra đồng vị phóng xạ 99m Tc từ 99 Mo của Segre v Seaborg (1938). Tuy vậy mi 25 năm sau, tức l vo năm 1963 ng−ời ta mới hiểu hết giá trị của phát minh đó. Năm 1941 lần đầu tiên Hamilton dùng 131 I để điều trị bệnh của tuyến giáp, mở đầu việc sử dụng rộng ri các ĐVPX nhân tạo vo điều trị bệnh.
Y Học Hạt Nhân 2005 Các kỹ thuật ghi đo cũng đ đ−ợc phát triển dựa vo các thnh tựu về vật lý, cơ học v điện tử. Các máy đếm xung, ghi dòng, phân tích biên độ, các loại đầu đếm Geiger Muller (G.M) đến các đầu đếm nhấp nháy, máy đếm ton thân ngy cng đ−ợc cải tiến v hon thiện. Đầu tiên YHHN chỉ có các hợp chất vô cơ để sử dụng. Sự tiến bộ của các kỹ thuật sinh hóa, hóa d−ợc lm xuất hiện nhiều khả năng gắn các ĐVPX vo các hợp chất hữu cơ phức tạp, kể cả các kỹ thuật sinh tổng hợp (Biosynthesis). Ngy nay chúng ta đ có rất nhiều các hợp chất hữu cơ với các ĐVPX mong muốn để ghi hình v điều trị kể cả các enzym, các kháng nguyên, các kháng thể phức tạp Việc thể hiện bằng hình ảnh (ghi hình phóng xạ) bằng bức xạ phát ra từ các mô, phủ tạng v tổn th−ơng trong cơ thể bệnh nhân để đánh giá sự phân bố các d−ợc chất phóng xạ (DCPX) cũng ngy cng tốt hơn nhờ vo các tiến bộ cơ học v điện tử, tin học. 2. Hệ ghi đo phóng xạ v thể hiện kết quả trong y học Để chẩn đoán v điều trị bệnh cần phải ghi đo bức xạ. Một hệ ghi đo bình th−ờng cần có các bộ phận nh− sau: 1 2 3 4 Nguồn cao áp Hình 1.1 : Hệ ghi đo phóng x ạ 1) Đầu đếm; 2) Bộ phận khuếch đại; 3) Phân tích phổ v lọc xung; 4) Bộ phận thể hiện kết quả: xung, đồ thị, hình ảnh. 2.1. Đầu dò (Detector) Đây l bộ phận đầu tiên của hệ ghi đo. Tuỳ loại tia v năng l−ợng của nó, đặc điểm của đối t−ợng đ−ợc đánh dấu v mục đích yêu cầu chẩn đoán m ta lựa chọn đầu đếm cho thích hợp. Nếu tia beta có năng l−ợng mạnh hơn hoặc nếu l tia gamma, có thể dùng ống đếm G.M lm đầu đếm. Đầu đếm ny thấy ở các thiết bị cảnh báo hoặc r ô nhiễm phóng xạ. Các ống đếm tỷ lệ, các buồng ion hoá cũng th−ờng đ−ợc dùng nh− một Detector để tạo nên liều l−ợng kế. Hiện nay trong lâm sng, hầu hết các thiết bị chẩn đoán đều có các đầu đếm bằng tinh thể phát quang rắn INa(Tl). Tinh thể đó có thể có đ−ờng kính nhỏ nh− máy đo độ tập trung iốt tuyến giáp, hình giếng trong các liều kế hoặc máy đếm xung riêng rẽ hay trong máy đếm tự động các mẫu của xét nghiệm RIA v IRMA. Đầu đếm cũng có thể l một tinh thể nhấp nháy lớn có đ−ờng kính hng chục cm hoặc đ−ợc ghép nối lại để có đ−ờng kính đến 40 ữ 60 cm trong các máy ghi hình phóng xạ . 2.2. Nguồn cao áp (Hight voltage) Các đầu đếm hoạt động d−ới một điện thế nhất định. Đa số đầu đếm cần đến nguồn cao áp v đ−ợc gọi l nguồn nuôi. Điện thế hoạt động của chúng có khi lên đến hng nghìn vôn. Vì vậy trong hệ ghi đo cần có bộ phận để tăng điện thế từ nguồn điện l−ới lên đến điện thế hoạt động xác định riêng cho mỗi loại đầu đếm.
Y Học Hạt Nhân 2005 2.3. Bao định h−ớng (Collimators) Gắn liền với đầu dò l hệ thống bao định h−óng. Có thể coi nó nh− một phần không thể thiếu đ−ợc của đầu dò. Mục đích của bao định h−ớng l chọn lựa tia, chỉ cho một số tia từ nguồn xạ lọt qua tr−ờng nhìn của bao vo đầu dò v ngăn các tia yếu hơn hoặc lệch h−ớng (tia thứ cấp) bằng cách hấp thụ chúng. Nhờ vậy hiệu suất đo, độ phân giải của hình ảnh thu đ−ợc sẽ tốt hơn v xác định rõ tr−ờng nhìn của đầu dò. Do vậy nó đặc biệt quan trọng trong ghi đo in vivo. Tuỳ thuộc năng l−ợng bức xạ v độ sâu đối t−ợng quan tâm (tổn th−ơng bệnh lí) m lựa chọn bao định h−ớng. Hình dạng có thể l cửa sổ tròn, sáu cạnh hoặc vuông. Chiều dy của vách ngăn phụ thuộc vo năng l−ợng bức xạ γ cần định h−ớng để đo. Vách ngăn rất mỏng thích hợp cho đo các bức xạ có năng l−ợng thấp của 125 I, 197 Hg, 99m Tc. Góc nghiêng của vách ngăn với bề mặt tinh thể của đầu dò đ−ợc lm theo chiều di của tiêu cự. Bao định h−ớng đ−ợc cấu tạo tuỳ thuộc vo từng máy. Hầu hết các phép đo phóng xạ đếu cần đến bao định h−ớng nh−ng đặc biệt quan trọng trong ghi hình phóng xạ. Có 4 loại bao định h−ớng : Loại một lỗ, hình chóp cụt (loe tròn) dùng trong các nghiệm pháp thăm dò chức năng. Loại nhiều lỗ tròn chụm dần ( hội tụ), th−ờng dùng trong ghi hình vạch thẳng. Loại nhiều lỗ tròn thẳng (song song) hoặc loe dùng cho Gamma Camera. Loại đặc biệt, có chóp nhọn một lỗ tròn, gọi l "pinhole" . Việc chọn bao định h−ớng phụ thuộc vo mức năng l−ợng của các photon sẽ đo ghi v tuỳ thuộc vo từng máy. Bao định h−ớng th−ờng lm bằng chì vì ngăn tia tốt v dễ dát mỏng, dễ đúc khuôn. Chúng đ−ợc gọi tên theo số cửa sổ: một cửa hay nhiều cửa. Độ nhạy chúng khác nhau. Độ phân giải t−ơng đối của chúng cũng cao thấp khác nhau. Mức năng l−ợng thích hợp với chúng đ−ợc quy định l cao, trung bình v thấp. Khoảng cách tiêu cự th−ờng l 3 ữ 5 inches. Góc nghiêng của vách ngăn với bề mặt tinh thể của đầu dò phụ thuộc chiều di của tiêu cự. 2.4. Bộ phận khuếch đại (Amplifier) Xung điện đ−ợc tạo ra qua đầu đếm th−ờng rất bé, khó ghi nhận. Do vậy cần phải khuếch đại chúng. Có thể có nhiều tầng khuếch đại v cũng có nhiều kỹ thuật để khuếch đại. Nhờ các tiến bộ về điện tử học, các kỹ thuật khuếch đại bằng đèn điện tử thông th−ờng ngy nay đ đ−ợc thay thế bằng các bóng bán dẫn v các kỹ thuật vi mạch có nhiều −u điểm hơn. Bộ phận khuếch đại ny không những lm tăng điện thế v biên độ của xung m còn lm biến đổi hình dạng xung cho sắc nét để dễ ghi đo hơn. 2.5. Máy phân tích phổ năng l−ợng bức xạ (Spectrometer) Chùm bức xạ phát ra từ nguồn phóng xạ th−ờng bao gồm nhiều tia với những năng l−ợng khác nhau. Mỗi một ĐVPX có một phổ xác định với những đặc điểm của giải năng l−ợng, đỉnh (peak) của phổ. Một thiết bị đặc biệt để phân biệt năng l−ợng tia beta hoặc gamma v xác định phổ của chùm tia đ−ợc gọi l máy phân tích phổ. Nhờ máy phân tích phổ chúng ta có thể xác định đ−ợc đồng vị qua dạng phổ năng l−ợng. Kèm theo máy phân tích phổ có thể có bộ phận chọn xung trong hệ ghi đo. Bộ chọn xung (dyscriminator) l thiết bị điện tử để cho những xung điện có biên độ nhất định lọt qua v đi vo bộ phận đếm. Tùy yêu cầu có thể chúng ta chỉ chọn những xung có biên độ nhất định, không quá lớn v không quá bé. Vì vậy có thể xác định ng−ỡng trên hoặc ng−ỡng d−ới của biên độ xung. Trong các máy đếm xung thông th−ờng ng−ời ta chỉ sử dụng một ng−ỡng d−ới nghĩa l cắt bỏ những xung quá yếu có biên độ quá thấp. Giá trị ng−ỡng ny phải lựa chọn tuỳ theo năng l−ợng phát ra của từng ĐVPX.
Y Học Hạt Nhân 2005 2.6. Thể hiện kết quả 2.6.1. Đếm xung: Yêu cầu lâm sng trong YHHN rất phong phú. Để ghi đo hoạt độ phóng xạ trong phần tủa (B) v phần tự do (F) khác nhau trong định l−ợng RIA, ng−ời ta đo các ống nghiệm v kết quả đ−ợc thể hiện bằng số xung (imp/min). Những mẫu bệnh phẩm trong nghiên cứu huyết học, hấp thu qua đ−ờng ruột, chuyển hoá các chất trong cơ thể cũng th−ờng đ−ợc đo bằng xung. Trong môi tr−ờng xung quanh chúng ta bao giờ cũng có một số bức xạ nhất định đang tồn tại. Chúng tác động vo các hệ ghi đo v tạo nên một số xung nhất định đ−ợc gọi l phóng xạ nền (phông). Hoạt độ phóng xạ nền đó cao thấp tuỳ nơi, tuỳ lúc v tuỳ thuộc loại bức xạ. Cần lựa chọn thời gian đo thích hợp tuỳ theo độ lớn của phông so với hoạt độ phóng xạ có trong mẫu để đạt độ tin cậy v độ chính xác nhất định của phép ghi đo. Vì vậy phải xử lý số liệu đo theo thuật toán thống kê. Những máy móc hiện đại có thể kèm theo những ch−ơng trình phần mềm chuyên dụng để xử lý tự động. Có thể xác định thời gian cần đo hoặc dung l−ợng xung tối đa muốn có rồi máy tự động dừng lại khi đạt yêu cầu. Máy đếm xung rất cần trong các Labo nghiên cứu v mong muốn độ chính xác cao với hng loạt các ĐVPX khác nhau. Kỹ thuật đếm xung có thể áp dụng cho cả tia beta v tia gamma. Nó th−ờng đ−ợc dùng trong các kỹ thuật in vitro, nghĩa l đo các mẫu bệnh phẩm. 2.6.2. Đo dòng trung bình: Bức xạ tác dụng vo vật chất gây nên các phản ứng tại đó m tr−ớc hết l kích thích hoặc ion hoá vật chất. Tuỳ theo cấu trúc của đầu đếm m tác dụng đó tạo ra xung điện v đếm xung nh− vừa nêu ở trên. Cũng có thể tạo ra thiết bị để ghi tổng cộng hiệu quả các tác dụng. Nếu tính theo một đơn vị thời gian đó l đo dòng trung bình. Ví dụ điển hình của kỹ thuật đo ny l thiết bị ion hoá các chất khí. Khi có bức xạ tác dụng vo không khí, các phân tử khí bị ion hoá tạo ra các cặp ion âm v d−ơng. D−ới tác động của điện tr−ờng trong buồng, các ion đó dịch chuyển về 2 cực. Tại cực chúng trung ho bớt điện tích của 2 điện cực v gây nên sự sụt giảm điện thế. Đo độ giảm điện thế hay đo c−ờng độ dòng điện của các ion chuyển dịch chính l đo liều l−ợng phóng xạ. Vì vậy chúng ta gọi đó l đo tốc độ đếm trung bình hay đo c−ờng độ dòng điện trung bình (dòng trung bình). Để ghi đo dòng trung bình th−ờng có một bộ phận tích phân (ratemeter). Mỗi ratemeter có một hằng số thời gian nhất định tùy thuộc giá trị điện dung của tụ điện C v điện trở R trong đó. Kết quả dòng trung bình đo đ−ợc thể hiện trên một đồng hồ chia độ với kim chỉ thị. Giá trị đọc đ−ợc l giá trị về liều l−ợng chùm tia. Nếu nó đ−ợc tiếp nối với bộ phận vẽ đồ thị trên giấy, trên mn hình thì chúng ta có đồ thị. Nếu không có thiết bị vẽ đồ thị, ta có thể đo bằng kim chỉ thị tại từng điểm riêng biệt hoặc tại một vị trí nhất định trên cơ thể nh−ng theo những mốc thời gian (thời điểm) khác nhau. Từ đó kết nối các kết quả thu đ−ợc để có đồ thị biểu diễn sự biến đổi hoạt độ theo không gian (vị trí) hoặc thời gian. Chính vì thế kỹ thuật đo dòng trung bình có ích lợi nhiều trong việc theo dõi sự biến đổi hoạt độ phóng xạ theo thời gian hoặc không gian. Các máy đo đồ thị phóng xạ của thận, tim v.v đ−ợc cấu tạo theo kỹ thuật ny. Kỹ thuật đo dòng trung bình th−ờng đ−ợc áp dụng đối với tia gamma, có khả năng đâm xuyên lớn. Vì vậy thiết bị ny đ−ợc dùng trong các nghiệm pháp thăm dò in vivo, tức l đánh dấu phóng xạ bằng cách đ−a vo trong cơ thể v khi đo ta đặt đầu đếm từ bên ngoi cơ thể. 2.6.3. Đo ton thân (Whole body counting):
Y Học Hạt Nhân 2005 Trong YHHN v an ton bức xạ, nhiều lúc cần biết hoạt độ phóng xạ chứa đựng trong ton cơ thể, chứ không phải chỉ riêng một mô hay phủ tạng. Đó l các tr−ờng hợp sau: Theo dõi sự biến đổi hoạt độ phóng xạ sau khi đ−ợc đ−a vo cơ thể. Thông tin đó có thể giúp để tính toán sự hấp thu v sự đo thải của hợp chất đánh dấu. Thiết bị ny vừa chính xác vừa đỡ phiền h hơn cách đo hoạt độ phóng xạ ở n−ớc tiểu, phân, mồ hôi thải ra v các mẫu bệnh phẩm nh− máu, huyết t−ơng, x−ơng v.v Theo dõi liều điều trị thực tế đang tồn tại trong cơ thể sau khi nhận liều. Xác định liều nhiễm phóng xạ vo bên trong cơ thể qua các đ−ờng khác nhau (ống tiêu hoá, hô hấp, da ). Xác định một số yếu tố cần thiết với độ chính xác cao nh− thuốc, vitamin, protein, các chất điện giải trao đổi (exchangeable) v đặc biệt l hm l−ợng Kali trong ton cơ thể. Năm 1956, Marinelli lần đầu tiên đ tạo ra máy đo ton thân bằng cách ghép nhiều đầu đếm lại với nhau. Chúng đ−ợc kết nối với nhau v sắp xếp sao cho tr−ờng nhìn khắp ton cơ thể v có khoảng cách t−ơng đ−ơng nhau. Để đạt đ−ợc độ chính xác cao, các Detector phải đặt trong một phòng có hoạt độ nền thấp (che chắn kỹ). Độ nhạy của máy phụ thuộc vo tinh thể, độ cao của phông, sự đồng nhất của các tín hiệu từ các đầu đếm khác nhau. Do đó có nhiều loại máy đo ton thân với các độ nhạy khác nhau. Hình 1.2: Nhân độc tự trị tr−ớc v sau điều trị. Xạ hình thu đ−ợc trên cùng một bệnh nhân bằng máy quét thẳng tại bệnh viện Bạch Mai. 2.6.4. Ghi hình: Ghi hình l một cách thể hiện kết quả ghi đo phóng xạ. Các xung điện thu nhận từ bức xạ đ−ợc các bộ phận điện tử, quang học, cơ học biến thnh các tín hiệu đặc biệt. Từ các tín hiệu đó ta thu đ−ợc bản đồ phân bố mật độ bức xạ tức l sự phân bố đồng thời DCPX theo không gian của mô, cơ quan khảo sát hay ton cơ thể. Vai trò v ứng dụng kỹ thuật ghi hình trong y học sẽ đ−ợc đề cập kỹ ở các phần sau. 3. Các kỹ thuật cơ bản trong áp dụng đvpx vo yhhn 3.1. Kỹ thuật đánh dấu phóng xạ Cho đến nay việc ứng dụng ĐVPX vo chẩn đoán v điều trị đ khá phát triển, bao gồm nhiều kỹ thuật. ứng dụng rộng ri nhất vẫn l kỹ thuật đánh dấu phóng xạ. Kỹ thuật ny dựa vo những đặc điểm sau đây: Đồng vị phóng xạ v đồng vị bền chịu mọi quá trình sinh lý v sinh hóa nh− nhau trong tổ chức sống. Nói một cách khác l tổ chức sống từ mức độ phân tử đến ton cơ thể hay cả quần thể nhiều vi sinh vật cũng không phân biệt đ−ợc đồng vị bền v ĐVPX trong hoạt động sinh học của mình. Khối l−ợng các chất đánh dấu th−ờng rất nhỏ v không gây nên một ảnh h−ởng no đến hoạt động của tổ chức sống. Các kỹ thuật áp dụng trong YHHN th−ờng l không gây th−ơng tổn (Noninvasive) bởi vì cao nhất cũng chỉ l thủ thuật tiêm tĩnh mạch.
Y Học Hạt Nhân 2005 Liều chiếu xạ cho bệnh nhân th−ờng l nhỏ hơn hoặc bằng của nghiệm pháp t−ơng đ−ơng khi dùng tia X. Hơn thế nữa với một liều chiếu nhất định từ ĐVPX chúng ta có thể khảo sát hoặc ghi hình nhiều lần trong khi dùng tia X liều xạ sẽ tăng lên theo số lần chiếu chụp. Chất đánh dấu (Tracer) lý t−ởng nhất cần có các đặc điểm sau: + Có tính chất hon ton giống nh− đối t−ợng cần khảo sát. + Chất đánh dấu đ−ợc hấp thụ hon ton, nhanh chóng v chỉ riêng ngay tại cơ quan, mô cần khảo sát (Target Organ). + Nồng độ ít thay đổi tại chỗ trong suốt quá trình khảo sát. + Sau khi khảo sát xong, nhanh chóng v hon ton đ−ợc đo thải ra khỏi cơ thể. + Bức xạ phát ra (loại tia, năng l−ợng tia) từ chất đánh dấu dễ dng ghi đo đ−ợc bằng các ph−ơng tiện sẵn có . + Tạo ra liều hấp thụ thấp nhất. Phải hiểu sự đánh dấu ở đây tuy giống nhau về nguyên lý nh−ng khác nhau về mục đích so với sự đánh dấu trong sản xuất DCPX. Đánh dấu trong ghi hình l đ−a DCPX vo tận các phần tử của tế bo, mô, tạng, hệ thống hoặc ton bộ cơ thể sinh vật. 3.2. Kỹ thuật dùng nguồn chiếu xạ để chẩn đoán v điều trị 3.2.1.Chiếu xạ để tạo ra các phản ứng hạt nhân thích hợp: Cũng có thể coi kỹ thuật định l−ợng kích hoạt bằng nơtron (Neutron Activization Analysis) l một kỹ thuật YHHN bởi vì bằng kỹ thuật đó chúng ta có thể định l−ợng các yếu tố vi, đa l−ợng trong các mẫu sinh học (máu, da, tóc ) để chẩn đoán bệnh. Nguyên lý của kỹ thuật ny l có thể biến một đồng vị bền thnh ĐVPX bằng cách bắn các nơtron thích hợp vo hạt nhân của đồng vị bền. Ng−ời ta xác định hm l−ợng đồng vị bền bằng cách đo đếm phóng xạ phát ra từ ĐVPX mới đ−ợc tạo ra sau khi chiếu nơtron: Ví dụ: 55 Mn (n, γ) 56 Mn 16 O (n, P) 16 N trong đó: 55 Mn, 16 O l những đồng vị bền (đồng vị mẹ), 56 Mn v 16 N l những ĐVPX (đồng vị con). Tất nhiên hoạt độ phóng xạ thu đ−ợc phụ thuộc nhiều yếu tố nh−: Nồng độ của đồng vị mẹ có trong mẫu. Thông l−ợng v đặc điểm của chùm nơtron. Che chắn bức xạ nơtron rất phức tạp vì dải năng l−ợng của nó rất rộng, có khả năng đâm xuyên lớn v gây hiệu ứng sinh học cao. Tiết diện của hiệu ứng. Thời gian chiếu. Khi chiếu nơtron vo mẫu có thể xảy ra nhiều loại phản ứng v có nhiều ĐVPX con đ−ợc tạo ra. Vì vậy cần phải phân tách, tinh sạch bằng các kỹ thuật hóa học v vật lý khác nhau. Tuy vậy nó cho phép xác định rất chính xác những yếu tố vi l−ợng trong cơ thể nh−: Fe, Sc, Zn, Rb, Mn, Cr, Co, Cu, Cs, K, Th, Au, Mg, Na, Br, As, I hoặc những yếu tố đa l−ợng nh− C, O, N, Ca 3.2.2. Chiếu xạ để điều trị: Từ lâu ng−ời ta đ thấy rõ tác dụng diệt tế bo của bức xạ ion hóa v sử dụng nó trong nhiều phân ngnh khác nhau của sinh học v y học (diệt khuẩn v diệt tế bo bệnh). Với những hiểu biết ngy cng sâu sắc về cơ chế truyền năng l−ợng, cơ chế diệt bo, các đặc điểm vật lý của bức xạ, các yếu tố ảnh h−ởng của môi tr−ờng (nhiệt độ, nồng độ ôxy ) ngy cng có nhiều cải tiến về kỹ thuật xạ trị. Đây l sử dụng tác dụng sinh học các bức xạ ion hóa lên các mầm bệnh, tế bo bệnh. Nội dung ny đ lm cho
Y Học Hạt Nhân 2005 YHHN nh− một khoa lâm sng, bởi vì có thể có bệnh nhân điều trị ngoại trú nh−ng hầu hết đòi hỏi gi−ờng bệnh nội trú cho bệnh nhân. Nó cũng tạo ra những lợi ích thiết thực v luôn luôn đổi mới trong y học . 4. Nội dung của y học hạt nhân Từ hai kỹ thuật đánh dấu v chiếu xạ dùng trong YHHN, có 4 nội dung lớn sau đây: 4.1. Thăm dò chức năng tế bo, mô, cơ quan hay hệ thống trong cơ thể bao gồm cả: Chức năng hấp thụ, chuyển hóa, đo thải Động học của các quá trình nh− hệ tuần hon, tiết niệu. Hm l−ợng v nồng độ của các yếu tố thnh phần, các hợp chất sinh học trong một đối t−ợng khảo sát no đó nh− hm l−ợng các chất điện giải, nồng độ các enzym, các hormon, thể tích các dịch trong cơ thể, thể tích máu, thể tích hồng cầu hoặc nồng độ các d−ợc chất đ−a vo trong máu, trong mô. Từ các giá trị v nồng độ đó ta có thể đánh giá đ−ợc các chức năng cơ bản của tổ chức sống. Các giá trị thu đ−ợc có thể l các đồ thị, biểu đồ, số xung hoặc giá trị tuyệt đối của hm l−ợng. Để thu đ−ợc các nồng độ đó có thể đo từng mẫu ở từng thời điểm khác nhau, đếm xung hoặc đo hoạt độ tổng cộng; có thể đo ở mẫu rời (in vitro) hoặc đo ngay trên cơ thể bệnh nhân (in vivo), có thể bằng những phép so sánh đối chiếu hoặc xác định giá trị tuyệt đối từ các mẫu đo. 4.2. Ghi hình phóng xạ Ghi hình phóng xạ đ có những b−ớc tiến di: Khởi đầu l ghi lại bằng hình ảnh sự phân bố phóng xạ tại tuyến giáp hoặc lớp cắt của nó bằng kỹ thuật tự chụp hình phóng xạ (Autoradiography). Về sau kỹ thuật ny phát triển đến mức có thể theo dõi sự nắm bắt phóng xạ của các tế bo trên các tiêu bản mô học v vì vậy đ−ợc chia ra chụp hình vĩ mô v vi mô (Microautoradiography v Macroautoradiography). Tiếp theo l các máy móc v kỹ thuật ghi hình tĩnh, động v cắt lớp. Muốn ghi hình phóng xạ khâu đầu tiên l phải đánh dấu các đối t−ợng ghi hình (mô, cơ quan, hệ thống ) bằng các DCPX thích hợp. Các hợp chất thích hợp có thể nhanh chóng tập trung về các đối t−ợng ghi hình, l−u lại đó đủ lâu để ghi hình, không gây phản ứng phụ v tạo ra đ−ợc một tỷ số chênh lệch cao về mức độ phóng xạ giữa tổ chức đích v tổ chức xung quanh hoặc ton cơ thể. Sau đây l các đặc điểm cần l−u ý của ĐVPX dùng để ghi hình :
Y Học Hạt Nhân 2005 Hình 1.3 : Hình chụp PET Hình chụp CT Scanner Hình chụp PET + CT Phát ra bức xạ gamma với năng l−ợng thích hợp. Với các đầu dò nhấp nháy thì năng l−ợng tốt nhất l 100 ữ 300 KeV. Tốt nhất l không phát ra bức xạ beta v tuyệt đối không phát ra bức xạ alpha. Các bức xạ đó không giúp ích gì cho ghi hình với các đầu dò in vivo m có thể lm cho liều hấp thụ tăng lên. Có thời gian bán r sinh học (T 1/2 ) đủ để ghi hình v theo dõi m không gây nên liều chiếu cao v khó khăn trong xử lý chất thải. Không độc, có độ sạch cao. Liên kết phóng xạ v hoá họcvững bền trong cấu trúc phân tử của d−ợc chất đ−ợc sử dụng. Dễ đ−ợc cung cấp v giá rẻ. Ta biết rằng thông th−ờng các ĐVPX đ−ợc sản xuất từ lò phản ứng rẻ hơn các ĐVPX đ−ợc sản xuất bằng Cyclotron. 4.3. Định l−ợng bằng kỹ thuật RIA v IRMA Hình 1.4 : Một số thiết bị ghi đo theo ph−ơng pháp RIA v IRMA tại BV Bạch mai. Kỹ thuật ny cũng l để đánh giá v thăm dò chức năng của các tuyến nội tiết, mô hay phủ tạng v sự biến đổi của một số chất nh− chất chỉ điểm ung th− (tumor marker) chẳng hạn. Tuy vậy do cơ sở khoa học của kỹ thuật v khả năng ứng dụng rộng ri của nó trong chẩn đoán v nghiên cứu của kỹ thuật ny, ng−ời ta đặt riêng thnh một nội dung của YHHN. Ngy nay nhiều cơ sở y học v khoa học có thể chỉ xây dựng riêng Labo RIA v IRMA để phục vụ cho công việc của mình. 4.4. Điều trị bằng bức xạ ion hóa Một ứng dụng nữa trong YHHN l tác dụng sinh học của tia phóng xạ khi đ−ợc hấp thụ vo tổ chức sinh học. Chúng bao gồm:
Y Học Hạt Nhân 2005 4.4.1. Điều trị chiếu ngoi (Teletherapy): Với việc sử dụng các tia X, tia gamma cứng v cả các máy gia tốc để diệt các tế bo ung th−. 4.4.2. Điều trị áp sát (Brachytherapy): Bao gồm cả l−ỡi dao gamma (Gamma Knife), các nguồn kín (kim, hạt ) v tấm áp (Applicator) phủ nguồn hở với các ĐVPX phát ra beta cứng hoặc gamma mềm. Nó bao gồm cả kỹ thuật đơn giản để điều trị bệnh ngoi da hoặc kỹ thuật phức tạp nh− đ−a cả nguồn 90 Y vo khối u tuyến yên hay kết hợp với phẫu thuật để đ−a các nguồn xạ kín vo tận các hốc tự nhiên. Kỹ thuật điều trị áp sát đ đ−ợc cải tiến rất nhiều lm xuất hiện các ph−ơng pháp mới nh− điều trị nạp nguồn sau (After Loading Therapy), lập kế hoạch điều trị theo kích th−ớc khối u (Dimentional Treatment Planing) hoặc dùng thiết bị đắt tiền (Gamma Knife) để chữa các bệnh về mạch máu trong hộp sọ. Ngoi các ĐVPX cổ điển nh− 222 Ra, 60 Co, 90 Y ngy nay ng−ời ta còn dùng nhiều ĐVPX mới trong điều trị áp sát nh− Palludium 107, Samarium 145, Americum 241, Yterbrium 169. 4.4.3. Điều trị bằng các nguồn hở (Curietherapy): Đây thực sự l một b−ớc tiến di v lm thay đổi về bản chất kỹ thuật xạ trị. Dựa vo các hoạt động chuyển hóa bình th−ờng (tế bo tuyến giáp hấp thụ iốt) hoặc thay đổi bệnh lý (khối ung th− hấp thụ những phân tử hữu cơ đặc hiệu), ng−ời ta cho các nguồn hở phóng xạ vo đến các tổ chức đích (target tissue) bị bệnh để điều trị. Các ĐVPX còn đ−ợc đ−a vo các tổ chức đích nhờ vo quá trình cơ học nh− đ−a vo khí phế quản v phổi nhờ sự thông khí (ventilation), vo dạ dy (nhờ động tác nuốt), vo các tế bo máu (nhờ tuần hon máu) Bằng các nguồn phóng xạ hở thích hợp ngy nay chúng ta có thể điều trị đ−ợc một số bệnh tuyến giáp, bệnh máu, cơ x−ơng khớp, tắc mạch vnh v nhiều bệnh ung th− cùng di căn của nó. Đây l sử dụng tác dụng sinh học các bức xạ ion hóa lên các mầm bệnh, tế bo bệnh. 5. Vai trò YHHN trong các chuyên khoa khác Với 4 nội dung chủ yếu đ nêu ở trên, kỹ thuật YHHN có thể đóng góp vo chẩn đoán v điều trị của hầu hết các chuyên khoa của y học. Tuy nhiên nó phát huy mạnh mẽ vai trò của mình trong chẩn đoán bệnh do rối loạn chức năng, thay đổi trên hình ảnh ghi đ−ợc v trong điều trị của các chuyên khoa sau đây: Nội tiết, đặc biệt l tuyến giáp. Tim mạch, nhất l chẩn đoán sớm thiếu máu cơ tim từ khi đang l tạm thời v cục bộ. Ung th− học. Hoạt động chức năng v động học của hệ tiết niệu. Tiêu hoá: Các bệnh rối loạn về hấp thụ v các khối u. Các bệnh máu v hệ thống tạo máu. Thần kinh v tâm thần. Ngoi các bệnh về mạch máu, chấn th−ơng v khối u trong no bộ, kỹ thuật ghi hình PET cho phép đánh giá hoạt động của các tế bo thần kinh thông qua việc đánh giá khả năng sử dụng Glucoza (dùng DCPX 18FDG) của các tế bo đó. Vì vậy các bi giảng về YHHN có thể phân chia theo các hệ thống đó. 6. Tình hình y học hạt nhân ở n−ớc ta v trên thế giới Bức xạ gamma v tia X đ đ−ợc ứng dụng vo ngnh y tế n−ớc ta từ lâu khi hình thnh ngnh quang tuyến y học v thnh lập viện Radium ở H Nội. Các nguồn đồng vị phóng xạ hở đ−ợc đ−a vo sử dụng ở n−ớc ta từ những năm 1970 với các cơ sở ở H
Y Học Hạt Nhân 2005 Nội v Si Gòn cũ. Từ đó đến nay chuyên ngnh YHHN đ−ợc phát triển khá nhanh. Cho đến nay n−ớc ta có hơn 20 cơ sở YHHN với các quy mô khác nhau. Tuy ch−a đ−ợc trang bị đầy đủ nh−ng họ đ góp phần chẩn đoán cho hng chục ngn bệnh nhân v điều trị cho hng ngn bệnh nhân trong một năm. Hiện có hơn 10 cơ sở trong cả n−ớc dùng các nguồn phóng xạ hở v hng chục cơ sở khác dùng nguồn phóng xạ kín trong điều trị. Chúng ta có Hội chuyên khoa YHHN kết hợp với Hội chẩn đoán hình ảnh y học. Trên thế giới mức độ phát triển của YHHN các n−ớc tuỳ thuộc vo trang bị ghi đo phóng xạ, khả năng cung cấp DCPX v cán bộ chuyên môn. Trong chẩn đoán, việc ghi hình phát triển mạnh, định l−ợng miễn dịch phóng xạ phát huy rộng ri. Ngy nay việc phát triển điều trị ung th− không thể không sử dụng bức xạ ion hóa. Tuy nhiên trình độ phát triển chuyên ngnh YHHN các n−ớc rất khác nhau: Mức độ cao ở các n−ớc tiên tiến. Mức độ trung bình ở các n−ớc đang phát triển. Mức độ thấp hoặc ch−a sử dụng các nguồn phóng xạ hở ở các n−ớc nghèo v khó khăn. Tuy vậy tình hình đó sẽ thay đổi nhanh chóng theo sự phát triển của kinh tế v khoa học kỹ thuật ở từng n−ớc. Việc sử dụng bức xạ ion hóa luôn luôn cần phải gắn liền với an ton bức xạ (ATBX). Mục đích của công tác ATBX l để không gây nên những bệnh tật, th−ơng tổn hoặc giảm sức khoẻ cho bệnh nhân, nhân viên sử dụng bức xạ, dân c− v môi tr−ờng. Phải đảm bảo không xảy ra các sự cố tr−ớc mắt v lâu di. Từ đó đòi hỏi có các quy định pháp lý, các quy chế lm việc chặt chẽ v cụ thể. Con ng−ời cần đ−ợc đo tạo để có các kiến thức cần thiết không những cho nghiệp vụ chuyên môn m cả về ATBX. Cơ sở vật chất v trong thiết bị chuyên dùng của YHHN, ph−ơng tiện đảm bảo ATBX cũng có những đòi hỏi riêng biệt. Nếu tuân thủ tốt công việc an ton v kiểm soát bức xạ, với những tiến bộ không ngừng của khoa học v kỹ thuật, chuyên ngnh YHHN sẽ ngy cng phát triển v đóng góp lớn cho việc nâng cao v bảo vệ sức khoẻ con ng−ời 6.1. Các ph−ơng h−ớng phát triển chính của YHHN hiện nay * Ghi hình phóng xạ: - Planar Gamma Camera - SPECT - PET - CT scanner của tia X kết hợp với PET, SPECT trên cùng một máy. * Thăm dò chức năng (ghi đo in vivo). * Định l−ợng bằng kỹ thuật RIA v IRMA (ghi đo in vitro). * Điều trị : Các bệnh tuyến giáp. Ung th− v di căn. Bệnh x−ơng khớp. Một số bệnh tim mạch. 6.2. Đặc điểm tình hình Y học hạt nhân Việt nam hiện nay 1. Có vai trò v hoạt động tốt ở một số bệnh viện lớn. 2. Có một đội ngũ cán bộ chuyên khoa tuy ch−a nhiều. 3. Trang bị ch−a đồng bộ v còn nghèo. 4. D−ợc chất phóng xạ phải nhập l chủ yếu. 5. Kiểm chuẩn, sửa chữa, sản xuất trang thiết bị còn yếu.
Y Học Hạt Nhân 2005 Câu hỏi ôn tập: 1. Y học hạt nhân l gì ? Nêu vai trò v giá trị của nó trong y sinh học ? 2. Một hệ ghi đo phóng xạ trong YHHN có những bộ phận gì ? Nêu công dụng của các bộ phận đó ? 3. Nêu ý nghĩa của kết quả đo hoạt độ phóng xạ bằng xung ? Cho ví dụ. 4. Nêu ý nghĩa của các đồ thị phóng xạ ghi đo trong lâm sng ? 5. Tại sao cần ghi đo phóng xạ ton thân ? 6. Hai kỹ thuật cơ bản của y học hạt nhân áp dụng trong lâm sng l gì ? Cho ví dụ. 7. Các chất đánh dấu có những đặc điểm gì ? Vì sao cần có các đặc điểm đó ? 8. Định l−ợng kích hoạt nơtron l gì ? Ng−ời ta th−ờng áp dụng kỹ thuật đó để định l−ợng gì ? 9. Các nội dung chính của chuyên khoa y học hạt nhân ? 10. Mối liên quan của y học hạt nhân v các chuyên khoa khác của y học ?
Y Học Hạt Nhân 2005 ch−ơng 2 : ghi đo phóng xạ trong y học hạt nhân Mục tiêu: 1. Hiểu đ−ợc nguyên lý cấu tạo v hoạt động một số loại đầu dò phóng xạ. 2. Vẽ v hiểu sơ đồ cấu tạo một hệ ghi đo phóng xạ trong y học hạt nhân, các bộ phận chính v công dụng của chúng. 3. Phân biệt đ−ợc 4 loại máy ghi hình phóng xạ v nguyên lý hoạt động của chúng: vạch thẳng, Gamma Camera, SPECT v PET. 1. Nguyên lý v các thiết bị ghi đo bức xạ ion hóa Cơ sở của việc ghi đo bức xạ ion hoá l các phản ứng hoá học hoặc hiệu ứng vật lí của sự t−ơng tác giữa bức xạ v vật chất hấp thụ. Về ph−ơng diện vật lí, khi khảo sát hệ ghi đo, ng−ời ta l−u ý 3 yếu tố sau đây: Dạng của vật chất hấp thụ (đặc, lỏng, khí). Bản chất của các hiệu ứng vật lí: kích thích hay ion hoá. Cách thể hiện kết quả ghi đo, nếu l xung điện thì biên độ xung l cố định hay tỉ lệ với năng l−ợng hấp thụ đ−ợc. D−ới tác dụng của tia phóng xạ, các nguyên tử v phân tử của vật chất bị kích thích v ion hoá, từ đó gây ra các hiệu ứng khác nhau. Mức độ các hiệu ứng đó xảy ra tuỳ thuộc vo bản chất v năng l−ợng chùm tia. Vì vậy chúng ta có thể dựa vo các hiệu ứng đó để ghi v đo bức xạ ion hoá. 1.1. Ghi đo phóng xạ dựa vo sự biến đổi hoá học v tạo quang ảnh trên phim Đặc tính của một số hoá chất bị biến đổi khi chịu tác dụng của bức xạ ion hoá. Hiện t−ợng đó ngy nay ít đ−ợc áp dụng vì kém nhạy ngoại trừ việc áp dụng rộng ri các phim ảnh để ghi đo phóng xạ. Tia phóng xạ gây các biến đổi ở tinh thể muối Halogen bạc trong nhũ t−ơng. Cấu tạo của phim v nhũ t−ơng ảnh bao gồm các tinh thể muối Halogen bạc phân bố đều trong nhũ t−ơng. Độ nhạy của phim phụ thuộc vo mật độ v kích th−ớc của tinh thể muối v bề dy của nhũ t−ơng Khi tia phóng xạ t−ơng tác vo nhũ t−ơng, các điện tử có thể bị bứt ra khỏi nguyên tử cấu tạo. Các điện tử ny có xu h−ớng tập trung về một điểm trong mạng tinh thể muối bạc. Sau đó các ion Ag + cũng bị lôi cuốn về các điểm ny v nhận các điện tử để trở thnh nguyên tử bạc Ag. Số l−ợng nguyên tử Ag trong điểm đó phụ thuộc vo số điện tử có mặt tức l phụ thuộc vo c−ờng độ chùm tia. Sau khi tráng rửa, có thể quan sát đ−ợc quá trình đó bằng các dụng cụ đo mật độ quang học. Ngy nay ng−ời ta dùng các loại phim v nhũ t−ơng trong công việc đo liều hấp thụ cá nhân bằng test phim, trong kĩ thuật phóng xạ tự chụp (autoradiography), ghi hình phóng xạ v.v 1.2. Ghi đo dựa vo hiện t−ợng nhiệt huỳnh quang v đặc tính của chất bán dẫn Một số chất nh− Liti Florid (LiF), Canci Sunfat (CaSO 4), Canci Florid (CaF 2) hoạt hoá bằng Mn, Liti Borat có cấu trúc đặc biệt trong mạng tinh thể. Chúng sẽ trở thnh trung tâm phát huỳnh quang d−ới tác dụng của bức xạ ion hoá khi đ−ợc kích thích bằng nhiệt. C−ờng độ chùm photon huỳnh quang đó tỷ lệ với liều bức xạ đ−ợc hấp thụ. Đó l nguyên lý của kỹ thuật ghi đo nhiệt huỳnh quang (TLD).
Y Học Hạt Nhân 2005 Tính chất đặc biệt của một số chất bán dẫn l tạo ra miền điện kép ở bề mặt tiếp xúc giữa 2 tấm bán dẫn p v n, nghĩa l có 1 cực d−ơng v 1 cực âm. Do vậy khi môi tr−ờng giữa 2 tấm đó có tia phóng xạ đi qua sẽ gây ra một dòng các ion chuyển dịch về 2 bản đó nh− trong buồng ion hoá. Do đó có thể ghi đo đ−ợc chùm tia phóng xạ. Đầu đếm bán dẫn có độ phân giải cao, tiêu thụ năng l−ợng ít v có thể tạo ra các đầu dò rất nhỏ để đ−a vo bên trong cơ thể. 1.3. Ghi đo dựa vo sự ion hoá các chất khí Đây l kĩ thuật ghi đo quan trọng nhất. Có các loại thiết bị sau đây: Buồng ion hoá dùng để đo liều cá nhân, chuẩn liều (Calibrator) v báo hiệu phóng xạ (Laboratory Monitor). ống đếm tỉ lệ. ống đếm Geiger Muller (G.M). Sau đây l một vi dung cụ ghi đo phóng xạ th−ờng dùng: 1.3.1. Buồng ion hoá: Các buồng ion hoá đều có cấu tạo nh− trong hình 2.1b. Điện thế đ−ợc cung cấp bằng pin, acquy hoặc điện l−ới. Trong bình chứa không khí khô ở áp suất bình th−ờng. Buồng ion hoá th−ờng đ−ợc dùng để đo liều l−ợng bằng các tĩnh điện kế có bảng thể hiện kết quả l R/h hoặc mR/s. Mỗi loại buồng ion hoá có thể đo đ−ợc một phạm vi liều l−ợng khác nhau v đ−ợc chế tạo với nhiều dạng khác nhau: loại lớn đặt ở phòng thí nghiệm, loại xách tay đi d ngoại, loại bút ci để đo liều cá nhân v.v Một dụng cụ đo quan trọng thuộc loại ny l buồng chuẩn liều (Dose Calibrator). Đó l một buồng ion hoá có điện kế chính xác v một bộ phận chứa đựng các ống nghiệm cần xác định liều l−ợng phóng xạ. 1.3.2. ống đếm tỉ lệ: Cấu tạo của ống đếm tỉ lệ nh− hình 2.2. Có rất nhiều loại ống đếm tỉ lệ v th−ờng đ−ợc dùng để đo các tia alpha v beta. Độ lớn của xung tỉ lệ với năng l−ợng v mật độ bức xạ tới. Loại đơn giản nhất gồm một vỏ bằng thuỷ tinh, ở giữa có một sợi dây bằng vonfram lm cực d−ơng, một lớp kim loại tráng mặt trong ống lm cực âm. Sau khi rút hết không khí bên trong ống, ng−ời ta nạp khí metan (CH 4) với áp suất khoảng 10 mmHg. ống đếm tỉ lệ để đo nơtron chậm th−ờng nạp khí BF 3. Khi nơtron va chạm với nguyên tử Bor sẽ gây ra phản ứng sau: 10 B + n  7Li + α Hạt alpha đó sẽ gây ra sự ion hoá để ghi đo đ−ợc. 1.3.3. ống đếm G.M: Hình 2.1a: ống đếm G.M M: cực âm; E: cực d−ơng S:thnh thuỷ tinh AB: cửa sổ mỏng Hình 2.1b : Buồng ion hoá
Y Học Hạt Nhân 2005 ống đếm G.M l dụng cụ ghi đo phóng xạ đ−ợc sử dụng rất rộng ri. Có nhiều loại ống đếm G.M với công dụng v tính chất khác nhau nh−ng nguyên tắc lm việc đều giống nhau. Có hai loại thông dụng l ống đếm khí hữu cơ v ống đếm khí Halogen. a) ống đếm khí hữu cơ: Vỏ ngoi ống đếm hữu cơ th−ờng bằng thuỷ tinh, hình chuông, đ−ờng kính khoảng 20 mm. Chính giữa có một cực d−ơng lm bằng sợi Vonfram rất mảnh với đ−ờng kính khoảng 0,1mm. Cực âm l một lá đồng cuộn ở trong lòng ống thủy tinh nối với một sợi Vonfram ra ngoi. Đáy ống lm bằng lá mica mỏng th−ờng đ−ợc gọi l cửa sổ để cho các bức xạ beta yếu có thể lọt qua. Sau khi hút hết không khí bên trong, ng−ời ta nạp các khí hữu cơ (hơi r−ợu Etylic, Benzen, Isopentan v.v ) với áp suất khoảng 1 mmHg v khí trơ (th−ờng l Argon) áp suất khoảng 9 mmHg. Các khí Halogen nh− Brom, Clo v.v đ−ợc bơm vo trong ống thay cho khí hữu cơ ở loại trên. Loại ống đếm Halogen để đo tia beta v gamma. b) ống đếm Halogen: Cực d−ơng của ống đếm G.M loại Halogen ở giữa cũng l sợi dây Vonfram. Cực âm l một ống thép không gỉ cuộn bên trong hoặc dùng kĩ thuật phun muối SnCl 2 vo mặt trong ống. Các khí hữu cơ hoặc Halogen có tác dụng hấp thụ bớt năng l−ợng đ−ợc 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 l thời gian chết. Thời gian giữa 2 lần ống đếm có thể ghi nhận đ−ợc gọi l thời gian chết của ống đếm. Nó có ý nghĩa l lúc ny nếu có một tia khác lọt vo ống đếm thì sẽ không ghi nhận đ−ợc. Độ di của nó khoảng 100 ữ 300 às đối với ống đếm G.M. Hình2.2 : ống đếm tỷ lệ Một đặc tr−ng nữa của ống đếm G.M l hiệu suất đếm. Đó l xác suất để một bức xạ lọt v ống có thể đ−ợc ghi nhận. Hiệu suất đối với tia beta l 100% nh−ng với tia gamma chỉ khoảng 1%. Sở dĩ thế vì sự ion hoá trực tiếp các phân tử khí của tia gamma rất nhỏ. 1.4. Ghi đo phóng xạ dựa vo đặc tính phát quang của tinh thể v dung dịch Khi hấp thụ năng l−ợng từ chùm tia phóng xạ, một số tinh thể có khả năng phát quang. Mật độ v năng l−ợng bức xạ phát ra phụ thuộc vo năng l−ợng hấp thụ đ−ợc. Do vậy có thể đo đ−ợc năng l−ợng chùm tia đ truyền cho tinh thể bằng cách đo năng l−ợng chùm tia thứ phát từ tinh thể đó. Hiện nay tinh thể có đặc tính phát quang th−ờng dùng l: Tinh thể muối ZnS phát quang d−ới tác dụng của tia X, tia gamma. Tinh thể Antraxen phát quang khi hấp thụ năng l−ợng từ chùm tia beta. Dung dịch hỗn hợp PPO (2,5 diphenil oxazol) v POPOP (2,5 phenyloxazol benzen) ho tan trong dung môi toluen hay dioxan, phát quang khi hấp thụ năng l−ợng yếu của các tia beta phát ra từ 3H v 14 C. Dung dịch ny l thnh phần chính của kĩ thuật ghi đo đặc biệt gọi l kĩ thuật nhấp nháy lỏng, th−ờng dùng trong các nghiên cứu y sinh học. Tinh thể Iodua Natri (NaI) trong đó có trộn lẫn một l−ợng 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
Y Học Hạt Nhân 2005 bức xạ gamma tác dụng vo đ−ợc dùng trong các thiết bị dựa vo đặc tính phát quang đặc biệt l ống đếm nhấp nháy. Quan trọng nhất trong loại ny l tinh thể muối NaI đ−ợc hoạt hoá bằng Tl, phát quang d−ới tác dụng của tia gamma. Các tinh thể ny th−ờng đ−ợc dùng để tạo ra đầu dò. Số l−ợng các photon phát quang (thứ cấp) đó tỉ lệ với năng l−ợng các tinh thể nhấp nháy hấp thụ đ−ợc từ tia tới. Trung bình cứ 30 ữ 50 eV năng l−ợng hấp thụ đ−ợc sẽ tạo ra một photon phát quang thứ cấp. Nh− vậy, một tia gamma có năng l−ợng khoảng 0,5 MeV đ−ợc hấp thụ sẽ tạo ra khoảng 10 4 photon thứ cấp trong tinh thể. Vì năng l−ợng của chùm tia phát quang rất yếu nên phải đ−ợc khuyếch đại bằng các ống nhân quang. Nếu các photon huỳnh quang đó đ−ợc tiếp xúc với bản photocatod thì sẽ tạo ra một chùm các điện tử (Hình 2.3). Bộ phận tiếp theo của đầu đếm nhấp nháy l ống nhân quang. ống nhân quang đ−ợc cấu tạo bởi nhiều bản điện cực có điện thế tăng dần để khuếch đại từng b−ớc vận tốc của chùm điện tử phát ra từ photocatot. Một ống nhân quang có 10 ữ 14 đôi điện cực, có thể khuếch đại vận tốc điện tử lên 10 6 đến 10 9 lần. Tuy vậy đó vẫn chỉ l những xung điện yếu cần phải khuếch đại nữa mới ghi đo đ−ợc. Hình 2.3 : ống nhân quang điện tử ( MPT ) Đầu dò nhấp nháy không những ghi đo đ−ợc c−ờng độ bức xạ m còn cho phép ghi đo đ−ợc phổ năng l−ợng của chất phóng xạ. Muốn đo phổ năng l−ợng cần có thêm máy phân tích biên độ. Đầu dò nhấp nháy dùng tinh thể vô cơ NaI (Tl) ngy nay đ−ợc dùng rất phổ biến v đạt đ−ợc hiệu suất đo 20% ữ 30% đối với tia gamma v 100% với các hạt vi mô. Thời gian chết của chúng cũng rất ngắn (khoảng vi às). Kĩ thuật ghi đo bằng tinh thể phát quang có hiệu suất lớn, nên ngy cng đ−ợc sử dụng rất rộng ri. Với các kĩ thuật hiện đại, ng−ời ta có thể tạo đ−ợc các tinh thể nhấp nháy có kích th−ớc lớn v 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 ton 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 nh− sau: Máy ghi đo đối với tia beta, gamma các mẫu bệnh phẩm trong các xét nghiệm in vitro. Có thể đo riêng lẻ, chuyển mẫu bằng tay hoặc chuyển mẫu tự động, hng 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 sng v nghiên cứu. Máy xạ 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 ton thân, chuyên biệt. Máy chụp cắt lớp bằng đơn quang tử (Single Photon Emision Computered Tomography: SPECT) v chụp cắt lớp bằng Positron (Positron Emission Tomography: PET).
Y Học Hạt Nhân 2005 2. Các loại máy v kỹ thuật ghi hình Ghi hình l một cách thể hiện kết quả ghi đo phóng xạ. Các xung điện thu nhận từ bức xạ đ−ợc các bộ phận điện tử, quang học, cơ học biến thnh các tín hiệu đặc biệt. Từ các tín hiệu đó ta thu đ−ợc bản đồ phân bố mật độ bức xạ tức l sự phân bố DCPX theo không gian của mô, cơ quan khảo sát hay ton cơ thể. Việc thể hiện bằng hình ảnh (ghi hình) bức xạ phát ra từ các mô, phủ tạng v tổn th−ơng trong cơ thể bệnh nhân ngy cng tốt hơn nhờ vo các tiến bộ cơ học v điện tử, tin học. Ghi hình phóng xạ l áp dụng kỹ thuật đánh dấu, do đó cần phải có các DCPX thích hợp để đánh dấu các mô tạng tr−ớc khi ghi hình. Có các loại máy ghi hình sau đây: 2.1. Ghi hình nhấp nháy bằng máy vạch thẳng (Scintilation Rectilinear Scanner) Hình 2.4 : Máy xạ hình vạch thẳng (Rectilinear Scanner) với Collimator hội tụ v bộ bút ghi theo tín hiệu xung điện tỷ lệ với hoạt độ phóng xạ trên cơ quan cần ghi, kích th−ớc hình theo tỷ lệ 1:1. Năm 1951, lần đầu tiên B. Cassen đ chế tạo ra máy ghi hình cơ học (Rectilinear Scintigraphe). Trong YHHN th−ờng dùng các loại máy quét thẳng theo chiều từ trên xuống, trái sang phải v ng−ợc lại. Ng−ời ta đ dùng các cách thể hiện trên giấy, trên phim sự phân bố phóng xạ bằng mật độ nét gạch, con số, mu sắc hoặc độ sáng tối khác nhau. Loại ny có khả năng phân giải tốt đối với việc ghi hình những cơ quan nhỏ nh−ng bị hạn chế khi dùng cho các cơ quan lớn. Tuyến giáp đ đ−ợc ghi hình đầu tiên bằng máy ny. Nowell đ thiết kế một loại máy có đầu dò với tinh thể nhấp nháy lm bằng NaI(Tl) có kích th−ớc lớn từ 3,5 ữ 8 inches v chiều dy 1 inch (hình 2.4). Độ phân giải tại tiêu điểm l tốt nhất. Những điểm trên v d−ới tiêu điểm có khả năng phân giải kém hơn, hình bị mờ. Hình ảnh thu đ−ợc 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 di. Đây l loại máy ghi hình đơn giản trong YHHN. 2.2. Ghi hình nhấp nháy bằng Gamma Camera (Scintillation Gamma Camera) Ghi hình theo ph−ơng pháp quét thẳng thì phân bố hoạt độ phóng xạ đ−ợc ghi lại theo thứ tự từng phần. Ng−ợc lại, ghi hình bằng ph−ơng pháp Gamma Camera thì mật
Y Học Hạt Nhân 2005 độ phân bố v các thông số khác đ−ợc ghi lại cùng một lúc. Nó còn đ−ợc gọi l Planar Gamma Camera. Lúc ny độ nhạy tại mọi điểm sẽ nh− nhau trong ton bộ tr−ờng nhìn của đầu dò ở cùng thời điểm. Vì vậy, nó ghi lại đ−ợc các quá trình động cũng nh− l sự phân bố tĩnh của DCPX trong đối t−ợng cần ghi hình. Có nhiều loại Camera khác nhau với các −u nh−ợc điểm khác nhau v ngy cng đ−ợc hon thiện. 2.2.1. Camera nhấp nháy Anger (Anger Scintillation Camera): Camera nhấp nháy Anger l camera cổ điển, đầu tiên. Loại ny vẫn còn đ−ợc áp dụng rộng ri hiện nay ở những n−ớc còn kém phát triển. Mặc dù các bộ phận quan trọng của máy đ đ−ợc cải tiến nhiều trong những năm gần đây, nh−ng tên gọi vẫn còn đ−ợc giữ lại để kỷ niệm ng−ời sáng chế ra nó vo năm 1957 l H.O. Anger. Camera nhấp nháy nh− mô tả trong hình 2.5. bao gồm những thnh phần chính nh− bao định h−ớng, đầu dò phóng xạ, dòng điện vo bộ phận khuyếch đại v bộ phận biểu diễn hình ghi đ−ợc. Đầu đếm phóng xạ của Camera nhấp nháy cổ điển ban đầu bao gồm một đơn tinh thể NaI(Tl) có đ−ờng kính 25 cm nối với 19 ống nhân quang điện. Các photon từ mô tạng đánh dấu phát ra lọt vo ống định h−ớng đến tác dụng vo tinh thể nhấp nháy NaI(Tl) sẽ gây ra hiện t−ợng phát quang. Các photon thứ cấp ny sẽ đập vo ống nhân quang. C−ờng độ chùm photon đó giảm dần do hiện t−ợng hấp thụ, phụ thuộc vo cự li của điểm phát sáng đến ống nhân quang. Thông tin đó l cơ sở để xác định vị trí phát ra các tín hiệu (mạch định vị). Tín hiệu từ ống nhân quang lại đ−ợc chuyển vo hệ xử lý (logic system) của đầu dò. Tại đây mỗi tín hiệu đ−ợc phân thnh 2 giá trị x v y trên trục toạ độ của một điểm. Dòng điện tổng ở đầu ra gọi l xung điện z, đ−ợc sử dụng để phân biệt mức năng l−ợng bằng bộ phận phân tích biên độ. Nếu tổng tín hiệu của x v y đủ lớn, v−ợt qua một ng−ỡng nhất định sẽ kích thích mn hình v tạo ra một chấm sáng trên dao động ký điện tử (oscyloscope). Thông th−ờng chấm sáng đó kéo di khoảng 0,5 giây. Dĩ nhiên tập hợp nhiều điểm sáng (khoảng 500.000 điểm) sẽ tạo ra trên mn hình ảnh của đối t−ợng quan sát. Ng−ời ta chụp hình ảnh đó bằng các phim Polaroid cực nhạy. Hình ảnh ny cho ta thấy sự phân bố tĩnh cũng nh− quá trình động của thuốc phóng xạ di chuyển trong cơ thể. Có một một mâu thuẫn l nếu tăng tốc độ đếm lên thì thời gian chết của máy bị kéo di 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 ny cần có Collimator với độ phân giải cao v 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 tr−ớc Camera để tạo thnh hình ảnh. Hình ảnh ny phản ánh ton bộ hoạt độ phóng xạ của mô tạng quan sát m không cho phép xác định theo từng lát cắt. Đó l yếu điểm của các loại Camera đ dùng với các Collimator có tiêu cự.
Y Học Hạt Nhân 2005 Hình 2.5 : Sơ đồ khối của Camera nhấp nháy Anger cho thấy những phần chính của hệ thống ghi hình. Nhờ các tiến bộ của nhiều ngnh khoa học kỹ thuật khác nhau cng về sau cng có nhiều cải tiến để có nhiều loại Camera khác nhau nh− : a) Camera có tr−ờng nhìn lớn: Đ−ờng kính tinh thể nhấp nháy l 28 ữ 41cm, có chiều dy 0,64 ữ 1,25 cm. Tiếp sau tinh thể l từ 37 ữ 91 ống nhân quang. Do vậy tr−ờng nhìn đ−ợc mở rộng nên có thể ghi hình đ−ợc các tạng lớn nh− phổi, tim, lách đồng thời, thậm chí còn dùng để quan sát sự biến đổi hoạt độ phóng xạ ton thân. Nh−ng tr−ờng nhìn rộng kéo theo sự suy giảm độ phân giải. Để cải thiện nh−ợc điểm đó th−ờng sử dụng các ống định h−ớng nhiều lỗ v chụm (hội tụ) để khắc phục. b) Camera di động Để tăng c−ờng các kỹ thuật chẩn đoán bệnh tim, phổi ng−ời ta đ tạo ra Camera có tr−ờng nhìn nhỏ khoảng 25 cm, dùng năng l−ợng bức xạ thấp khoảng 70 ữ 140 keV (th−ờng dùng 201 Tl v 99m Tc) v dễ di chuyển tới các nơi trong bệnh viện. Vì năng l−ợng thấp nh− vậy nên bao định h−ớng của đầu đếm Camera đ−ợc lm với chì mỏng hơn, giảm trọng l−ợng Camera. Trọng l−ợng loại ny chỉ khoảng 550 kg so với 1300 kg của Camera cổ điển. Kích th−ớc máy do vậy giảm nhiều, chỉ còn khoảng 160 x 83 cm . c) Camera digital có hệ vi xử lí (microprocessor computer system) Hệ thống xử lý phân tích các tín hiệu dựa vo kỹ thuật số (digital) để xác định vị trí xuất phát tín hiệu thu đ−ợc. Kỹ thuật số giúp cho l−u giữ v lấy các thông số ra tốt hơn. Bộ phận điều khiển của máy Camera th−ờng đ−ợc thay thế bằng bảng kiểm định (calibration) hoặc bảng tra tìm cho mỗi vị trí. Hình ảnh trên mn hình l do kết hợp giữa Camera v Computer. Nó không những chỉ thu thập các thông số m còn lm giảm những tín hiệu nhiễu khác. Những Camera ny không những có khả năng ghi hình tĩnh m còn tiến hnh ghi hình động nh− hoạt động của tim. 2.3. Ghi hình cắt lớp cổ điển (Tomography) Chụp cắt lớp l ghi hình ảnh phân bố phóng xạ của một lớp vật chất trong mô tạng no đó của cơ thể. Điều đó có nghĩa l phải dùng các kỹ thuật loại bỏ các tín hiệu ghi nhận từ các tổ chức trên v d−ới lớp cắt đó. Khởi đầu cũng giống nh− trong chụp cắt
Y Học Hạt Nhân 2005 lớp cổ điển bằng tia X, ng−ời ta tìm cách lm rõ hình ảnh mặt phẳng tiêu cự v lm mờ các mặt phẳng khác nhờ vo sự di chuyển tiêu điểm của ống định h−ớng. Nhờ ống định h−ớng chụm, ng−ời ta đặt sao cho tiêu điểm của nó nằm đúng vo mặt phẳng lát cắt cần quan sát rồi di chuyển đầu dò. Nh− vậy các tín hiệu của lát cắt trên v d−ới cũng đ−ợc ghi nhận đồng thời nh−ng chỉ tạo ra các xung điện yếu hơn v đ−ợc gọi l nhiễu (noise). Các nhiễu ny lm giảm độ t−ơng phản v độ phân giải của ảnh. Vì vậy, kỹ thuật ny tr−ớc đây chỉ áp dụng với các máy ghi hình vạch thẳng, dùng các ống định h−ớng chụm v hiện nay ít đ−ợc sử dụng. Qua nhiều b−ớc cải tiến đ tạo ra nhiều máy ghi hình cắt lớp phóng xạ cổ điển khác nhau. 2.4. Ghi hình cắt lớp vi tính bằng đơn photon (Single Photon Computed Tomography SPECT) Camera quét cắt lớp dọc, ngang cổ điển chỉ dựa vo tính chất quang hình học thuần tuý ch−a loại trừ đ−ợc triệt để các xung phát ra ở vùng ngoi mặt phẳng tiêu cự. Chúng giống nh− những bức xạ nền (phông) cao lm mờ hình ảnh các lớp ở mặt phẳng quan tâm. Khả năng của máy vi tính (PC) v các tiến bộ về tin học đ tạo ra kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính bằng tia X v chụp cắt lớp vi tính bằng đơn photon. Kỹ thuật tia X thực chất l chụp cắt lớp truyền qua (Transmission Computered Tomography: TCT) còn SPECT l chụp cắt lớp phát xạ (Emission Computered Tomography: ECT). Kuhl v Edwards chế tạo hệ SPECT đầu tiên l MARK – I vo năm 1963. 2.4.1. Nguyên lí chụp cắt lớp vi tính bằng tia X (CT Scanner) v SPECT: Kỹ thuật SPECT phát triển trên cơ sở CT Scanner. Nh−ng trong SPECT không có chùm tia X nữa m l các photon gamma của các ĐVPX đ đ−ợc đ−a vo cơ thể bệnh nhân d−ới dạng các DCPX để đánh dấu đối t−ợng cần ghi hình. Trong SPECT các tín hiệu cũng đ−ợc ghi nhận nh− trong đầu dò của Planar Gamma Camera v đầu dò các kỹ thuật YHHN thông th−ờng khác, nh−ng trong SPECT đầu dò đ−ợc quay xoắn với góc nhìn từ 180 °ữ360 ° (1/2 hay ton vòng tròn cơ thể), đ−ợc chia theo từng bậc ứng với từng góc nhỏ (thông th−ờng khoảng 3 °). Tuy mật độ chùm photon đ−ợc phát ra khá lớn, nh−ng đầu dò chỉ ghi nhận đ−ợc từng photon riêng biệt nên đ−ợc gọi l chụp cắt lớp đơn photon. Tia X hoặc photon tr−ớc khi đến đ−ợc đầu dò bị các mô tạng của cơ thể nằm trên đ−ờng đi hấp thụ. Do vậy năng l−ợng của chúng bị suy giảm tuyến tính. à.x à Công thức chung về định luật hấp thụ đ−ợc biểu diễn : I = I 0. e , với l hệ số hấp thụ, có giá trị phụ thuộc vo năng luợng chùm tia v bản chất, mật độ lớp vật chất hấp thụ. Sự hấp thụ lm cho c−ờng độ chùm tia giảm dần v có thể tính ra hệ số suy giảm đó (attenuation coefficient) của chùm tia. Giá trị đó ng−ợc với giá trị truyền qua. à.x. Gọi T l độ truyền qua thì I/I 0 = T. Từ công thức trên ta có thể tính đ−ợc l T = e . Giá trị T có thể biết đ−ợc bởi vì ứng với một cấu trúc vật chất nhất định (mô, tạng) có độ dầy x no đó sẽ có một giá trị à xác định. Nếu hiệu chỉnh đ−ợc độ suy giảm sẽ có đ−ợc giá trị thật c−ờng độ chùm tia truyền qua hoặc hấp thụ. Nếu không hiệu chỉnh đ−ợc hệ số suy giảm thì số liệu thu đ−ợc từ một góc nhìn sẽ l tổng cộng số liệu của tất cả các đơn vị thể tích nằm trên đ−ờng đi của tia. Cho máy quét trên cơ thể hoặc bệnh nhân quay thì góc quay v góc nhìn của chùm tia quyết định h−ớng, mật độ chùm tia đến đầu dò v giá trị hấp thụ của nó. Ta hình dung giả sử chia lát cắt thnh nhiều đơn vị vật chất với kích th−ớc nhất định. Khi chùm tia X hoặc photon quét qua lớp vật chất đó (ngang hoặc dọc) thì nó sẽ lần l−ợt xuyên qua các đơn vị vật chất. Tín hiệu phát ra từ mỗi đơn vị vật chất sẽ khác nhau do có độ suy giảm tuyến tính khác nhau, tuỳ thuộc vo góc quay, độ lớn của góc nhìn trong mặt phẳng quét v khoảng
Y Học Hạt Nhân 2005 cách của nó tới đầu dò. PC với các phần mềm thích hợp có khả năng hiêụ chỉnh hệ số suy giảm đó v loại bỏ cả các bức xạ từ các mặt phẳng khác gọi l lọc nền (filtered back projection). Nh− thế nghĩa l PC loại bỏ các tín hiệu tạo ra từ các lớp vật chất tr−ớc, sau (hoặc trên, d−ới) đối với mặt phẳng lát cắt. Các tín hiệu đó gọi l xung nhiễu. Vì vậy sẽ thu nhận đ−ợc hng loạt các tín hiệu của từng đơn vị thể tích một lớp vật chất nhất định (ta hình dung nh− một lát cắt). Do vậy, các tín hiệu chỉ đ−ợc ghi nhận theo từng thời điểm một. Số l−ợng góc nhìn cần chọn đủ để tái tạo ảnh một cách trung thực tuỳ thuộc vo độ phân giải của đầu dò. Các tín hiệu đó đ−ợc đ−a vo hệ thống thu nhận dữ liệu (Data Acquisition System: DAT) để m hoá v truyền vo PC. Khi chuyển động quét kết thúc, bộ nhớ đ ghi nhận đ−ợc một số rất lớn những số đo t−ơng ứng với những góc khác nhau trong mặt phẳng t−ơng ứng. Các tín hiệu thu đ−ợc l cơ sở để tái tạo hình ảnh. Việc tái tạo ảnh dựa vo các thuật toán phức tạp m PC có khả năng giải quyết nhanh chóng. Đó l các thuật toán về ma trận (matrix). Các số liệu ghi đo đ−ợc từ các lớp cắt tạo ra ma trận ny. Hiểu đơn giản ra, ma trận l một tập hợp số đ−ợc phân bổ trên một cấu trúc gồm các dy v cột. Mỗi ô nh− vậy l một đơn vị của ma trận v đ−ợc gọi l đơn vị thể tích cơ bản (volume element, sample element) hay l Voxel. Chiều cao của mỗi Voxel phụ thuộc vo chiều dy lớp cắt. Từ mỗi Voxel sẽ tạo ra một đơn vị ảnh cơ bản (picture element) gọi l Pixel. Tổng các ảnh cơ bản đó tạo ra một quang ảnh (Photo Image). Các Voxel có mật độ hay tỷ trọng quang tuyến (Radiologic Density) khác nhau do tr−ớc đó tia đ bị hấp thụ bớt năng l−ợng. Cấu trúc hấp thụ tia cng nhiều thì mật độ quang tuyến cng cao. Ma trận tái tạo có đơn vị thể tích cơ bản cng lớn thì kích th−ớc lát cắt cng mỏng cho ảnh cng chi tiết. Thông th−ờng trong CT Scanner ng−ời ta dùng các ma trận: (64x64), (128x128), (252 x 252) hoặc lớn hơn nữa, còn trong SPECT th−ờng dùng ma trận 64x64 l đủ vì năng l−ợng các photon gamma cao hơn. Công thức cho biết số l−ợng các lát cắt N p cần có l ≥ π : Np M / 2. M l số l−ợng thể tích cơ bản (sample element) trong lát cắt (ví dụ: 64, 128 ). Nếu lớp cắt đ−ợc chia ô nhiều hơn (128 thay vì 64) thì số l−ợng lớp cắt sẽ nhiều lên nghĩa l lát cắt mỏng hơn v phát hiện đ−ợc các chi tiết nhỏ hơn; N p còn đ−ợc tính π ∆ ∆ theo công thức: N p = . D / ( x/2); D l kích th−ớc lớp cắt (field); x l độ phân giải của máy. 2.4.2. Cấu tạo của máy SPECT : Máy SPECT bao gồm các bộ phận chính nh− trong hình 2.6, mô hình SPECT 2 đầu (dual head) a. Đầu dò v bn điều khiển (Control Console): Cấu tạo v hoạt động của đầu dò giống nh− một Planar Gamma Camera đ mô tả ở trên. Từ tr−ớc đến nay các đầu dò của SPECT vẫn th−ờng dùng tinh thể NaI(Tl). Bức xạ phát ra từ tinh thể phát quang đ−ợc khuếch đại bởi ống nhân quang v các mạch điện tử khác. Để có đ−ợc hình ảnh tốt, đầu dò cần có độ phân giải cao, đo trong thời gian ngắn (độ nhậy lớn), ống định h−ớng thích hợp v khoảng cách từ đầu dò đến mô tạng ghi hình ngắn nhất. SPECT hiện đại dùng hệ đầu dò ghép bởi nhiều tinh thể cho hình ảnh tốt hơn. Để tăng độ phân giải v tốc độ đếm (giảm thời gian ghi hình) ng−ời ta tạo ra loại SPECT 2 hoặc 3 đầu dò. Gắn liền với đầu dò l ống định h−ớng. b. Khung máy (Gantry): Các đầu dò đ−ợc lắp đặt trên một giá đỡ (khung máy) thích hợp có các môtơ cho phép điều khiển đầu dò quay đ−ợc góc 180 ữ 360 ° quanh bệnh nhân theo những góc nhìn thích hợp (khoảng 36°).
Y Học Hạt Nhân 2005 c. Hệ thống điện tử : Các tín hiệu thu đ−ợc từ tinh thể nhấp nháy, đ−ợc đ−a vo mạch điện tử để lựa chọn, khuếch đại v ghi nhận. Hệ thống điện tử, ghi đo của SPECT phức tạp hơn ở Gamma Camera nhấp nháy nhiều. Trên Gamma Camera hình ảnh đ−ợc tạo ra nhờ tập hợp một loạt các chấm sáng còn ở đây cần phải phân tích, chuyển đổi sang tín hiệu số (digital) để l−u giữ. Có thế PC mới lm đ−ợc chức năng lọc v tái tạo ảnh. d. Máy tính (PC) với các phần mềm thích hợp, bn điều khiển (Computer Console) v Bộ nhớ các dữ liệu: Các kỹ thuật lọc v hiệu chỉnh dựa trên các thuật toán tin học (algebric recontruction technique) nh− lọc nền (back projection technique), xoá bỏ nhiễu (substraction) do một phần tr−ờng chiếu trùng lặp đè lên nhau (star artifact) khi thu nhận tín hiệu theo từng đơn vị thể tích. Từ đó cho phép ghi hình cắt lớp . e. Trạm hiển thị (Display Station ): Cho thấy hình ảnh cụ thể v l−u giữ. Hình 2.6: Mô hình máy SPECT 2 đầu. 2.4.3. Một số chi tiết về kỹ thuật SPECT: Tr−ớc khi tiến hnh ghi hình với từng loại ống định h−ớng, DCPX hoặc bệnh mới, các thông số kỹ thuật trên bn điều khiển của máy cần thử trên các mẫu hình nộm (phantom) để có đ−ợc kinh nghiệm v các hình ảnh tối −u. Luôn luôn cần một sự phối hợp lựa chọn tốt giữa tốc độ đếm, thời gian đo, kích th−ớc ma trận v dung l−ợng bộ nhớ. Có khi chúng mâu thuẫn nhau v không đáp ứng tối −u cho tất cả các thông số kỹ thuật. Thời gian ghi hình cho mỗi bệnh nhân không nên quá 30 phút. Muốn có tốc độ đếm nhanh, dung l−ợng lớn nh−ng không muốn dùng liều phóng xạ cao cần lựa chọn các thông số kỹ thuật trên máy kể cả kích th−ớc ma trận thích hợp để cho hình ảnh đẹp nhất. Tăng kích th−ớc ma trận cho hình ảnh tốt hơn nh−ng kèm theo đòi hỏi tăng thời gian v dung l−ợng l−u trữ (tăng từ ma trận 64x64 lên 128x128 phải tăng gấp 4 lần dung l−ợng đĩa từ). Trong SPECT ma trận 64 x 64 th−ờng l đủ vì đ t−ơng ứng với pixel của lát cắt l 6 x 10 mm. Góc quay của đầu dò rất quan trọng cần lựa chọn cho thích hợp. Ghi hình những tạng sâu đòi hỏi quay 360 độ. Điều đó lm giảm chất l−ợng ảnh so với quay 180 độ (vì chu vị thân ng−ời không tròn m hình ellip). Thông th−ờng góc quay 180 ° cho kết quả tốt hơn 360 °, nh−ng hình ảnh có thể có nhiều lỗi (artefact) hơn. Góc nhìn của mỗi phép đo (b−ớc dịch chuyển của đầu dò khi quay) cần phải < 6 °. Góc nhìn lớn dễ tạo ra các hình ảnh giả (artifact). Cần chú ý rằng nếu giảm độ lớn của góc nhìn sẽ dẫn đến tăng thời gian thu thập số liệu để có đ−ợc độ phân giải tốt nhất. Muốn có độ phân giải tốt cần l−u ý các b−ớc sau đây: + Tăng thời gian đo hoặc tăng liều phóng xạ để có số xung lớn. Số xung lớn giảm bớt các sai số thống kê. + Xác định khoảng cách tối −u giữa đầu dò v đối t−ợng ghi hình phù hợp với ống định h−ớng.
Y Học Hạt Nhân 2005 + Giảm thiểu sự tái xuất hiện vì các DCPX quay vòng do các hoạt động chức năng sinh lý, bệnh lý bằng cách đo đếm trong từng thời gian ngắn nhất. + Hạn chế sự dịch chuyển của bệnh nhân. + Chọn đúng các ống định h−ớng để có kết quả đo tốt nhất. L−u ý rằng thông th−ờng loại ống định h−ớng no cho số xung lớn nhất (độ nhạy cao nhất) thì lại có độ phân giải kém nhất. Trong thực hnh, để có đ−ợc hình ảnh với độ t−ơng phản tốt nhất còn phải chọn số xung sao cho hệ số của tỉ lệ xung/nhiễu (signaltonoise rate: NSR) thích hợp với độ phân giải của đầu dò v cửa sổ ma trận tái tạo hình ảnh. Ng−ời ta gọi đó l kỹ thuật khuếch đại tín hiệu (signal amplication technique: SAT). Gần đây khó khăn đó đ−ợc khắc phục phần no bằng các máy nhiều đầu dò (multihead). Với máy đa đầu có thể thu đ−ợc số xung lớn trong thời gian ngắn ở một độ phân giải nhất định hoặc đạt đ−ợc số xung lớn v độ phân giải cao m không cần tăng thời gian đếm. 2.5. Ghi hình cắt lớp bằng positron (positron Emission Tomography: PET) 2.5.1. Nguyên lí: Một Positron phát ra từ hạt nhân nguyên tử tồn tại rất ngắn, chỉ đi đ−ợc một qung đ−ờng cực ngắn rồi kết hợp với một điện tử tự do tích điện âm trong mô v ở vo một trạng thái kích thích gọi l positronium. Positronium tồn tại rất ngắn v gần nh− ngay lập tức chuyển hoá thnh 2 photon có năng l−ợng 511 keV phát ra theo 2 chiều ng−ợc nhau trên cùng một trục với điểm xuất phát. Ng−ời ta gọi đó l hiện t−ợng huỷ hạt (annihilation). Nếu đặt 2 detector đối diện nguồn phát positron v dùng mạch trùng phùng (coincidence) thì có thể ghi nhận 2 photon γ đồng thời đó (hình 2.7). Do vậy các đầu đếm nhấp nháy có thể xác định vị trí phát ra positron (cũng tức l của các photon đó). Vị trí đó phải nằm trên đ−ờng nối liền 2 detector đ ghi nhận chúng. Ng−ời ta gọi đó l đ−ờng trùng phùng (coincidence line). Trong cùng một thời điểm máy có thể ghi nhận đ−ợc hng triệu dữ liệu nh− vậy, tạo nên hình ảnh phân bố hoạt độ phóng xạ trong không gian của đối t−ợng đ đánh dấu phóng xạ tr−ớc đó (thu thập dữ liệu v tái tạo hình ảnh) theo nguyên lí nh− trong SPECT. Sự tái tạo các hình ảnh ny đ−ợc hon thnh bởi việc chọn một mặt phẳng nhất định (độ sâu quan tâm trong mô, tạng). Vì vậy đ−ợc gọi l chụp cắt lớp bằng Positron (Positron Emission Tomography: PET). Nguyên lí v kỹ thuật giống nh− trong SPECT nh−ng các photon của các ĐVPX trong SPECT không đơn năng m trải di theo phổ năng luợng của nó, còn trong PET l các photon phát ra từ hiện t−ợng huỷ hạt của positron v electron, đơn năng (511 keV). Hình 2.7 : Sơ đồ ghi hình Positron bằng cặp đầu đếm trùng phùng với các tia γ 511 keV.
Y Học Hạt Nhân 2005 2.5.2. Cấu tạo: Nhìn chung cấu tạo của PET cũng có các bộ phận nh− SPECT nh−ng phức tạp hơn. Sự khác nhau chủ yếu l đầu dò v từ đó kéo theo các đòi hỏi hon thiện hơn ở các bộ phận khác. Khởi đầu phần lớn các loại PET đều có detector thẳng, đơn tinh thể v độ phân giải thấp. Về sau loại đầu đếm đa tinh thể đ−ợc ra đời, gồm 18 detector có tinh thể nhấp nháy NaI(Tl), tạo thnh 2 cột, mỗi cột có 9 tinh thể. Loại ny ghi đ−ợc 36 hình, mỗi hình rộng 20 x 25cm. Muốn quét một hình rộng hơn với thời gian ngắn phải có Camera đa tinh thể gồm 127 tinh thể NaI(Tl). Mỗi tinh thể đ−ợc tạo thnh cặp với một tinh thể đối diện. Hình 2.8 cho thấy một số đầu đếm khác nhau về hình dạng. Ng−ời ta có thể sắp xếp đ−ợc 2549 cặp tinh thể trên một đầu máy có đ−ờng kính 50 cm. Nó có độ phân giải khoảng 1cm. Máy có độ nhạy khá lớn, có thể đo đ−ợc 1000 xung/ phút trên 1 àCi. Cả 2 dạng detector giới thiệu trong phần C v D l loại có độ nhạy cao hơn. Dạng có 6 góc tạo thnh vòng khép kín nh− hình C l kiểu ghi hình cắt lớp bức xạ Positron theo trục dọc của cơ thể (Positron Emission Transaxial Tomography: PETT). Mỗi băng của đầu đếm gồm 44 ữ 70 tinh thể NaI(Tl). Hình 2.8 : Bốn dạng Detector dùng trong ghi hình cắt lớp Positron. Một kiểu detector thứ 4, phổ biến nhất hiện nay l detector vòng tròn hon chỉnh nhất (D). Kiểu đầu tiên chứa 32 detector NaI(Tl) trong một vòng tròn. Hệ ny đ ghi hình cắt lớp no v tái tạo đ−ợc hình trong vòng 5 giây nếu dùng 68 Ga đánh dấu vo EDTA. Gần đây Brooks đ mô tả một loại detector gồm 128 detector tinh thể Bismuth Germanate (Bi 4Ge 3O12 viết tắt l GBO) đ−ợc tạo thnh 4 vòng, có đ−ờng kính bên trong l 38cm (hình 2.9). Hệ thống ny có tốc độ đếm cực đại l 1,5 x 10 6 xung/giây v chụp đ−ợc bảy lát cắt chỉ trong 1 giây. Đây l loại máy PET hiện đại thông dụng nhất. Gần đây tinh thể nhấp nháy mới l Lutetium Oxyorthosilicate (LSO) đ đ−ợc phát hiện. GBO v LSO có nhiều tính chất −u việt hơn so với NaI. Hình 2.9 : Đầu dò máy PET hiện đại: Các tinh thể GBO ghép thnh 4 vòng tròn bao quanh bệnh nhân khi ghi hình.
Y Học Hạt Nhân 2005 2.5.3. −u nh−ợc điểm nổi bật của PET so với SPECT : PET không cần bao định h−ớng bởi vì chùm tia ở đây có năng l−ợng lớn v đơn năng (511 keV) nên độ nhạy của máy ghi hình rất lớn, tốc độ đếm cao do đó không cần dùng liều phóng xạ cao m vẫn có độ phân giải tốt so với kỹ thuật SPECT. Sự ghi nhận bức xạ thực hiện trên 2 mặt phẳng đối xứng lm cho có thể sử dụng đ−ợc nhiều loại đầu đếm khác nhau về hình dạng v việc ghi hình cắt lớp đ−ợc thuận tiện hơn. PET cho hình ảnh chức năng, độ phân giải v độ t−ơng phản cao, rõ nên mang lại rất nhiều ích lợi trong chẩn đoán v theo dõi, đánh giá đáp ứng v kháng thuốc trong điều trị ung th− Nó giúp ích rất nhiều trong hầu hết các chuyên khoa lâm sng nh− tim mạch, ung th−, nội, ngoại khoa Vì vậy những năm gần đây số l−ợng PET tăng nhanh trên thế giới nhất l ở các n−ớc phát triển. Tuy nhiên cấu trúc của PET phức tạp hơn, dữ liệu nhiều hơn nên quá trình xử lí v dung l−ợng l−u giữ cũng lớn hơn. Đặc biệt kỹ thuật PET cần phải dùng các ĐVPX phát positron. D−ới đây l các ĐVPX với các đặc điểm vật lý v các phản ứng xẩy ra trong Cyclotron khi sản xuất chúng: 18 18 18 18 F (t 1/2 = 109,7 min) O(p,n) F [ F] F 18 20 18 18 F (t 1/2 = 109,7 min) Ne(d,a) F [ F] F 2 11 14 11 11 C (t 1/2 = 20,4 min) N(p,a) C [ C]CO 2 13 16 13 13 N (t 1/2 = 9,96 min) O(p,a) N [ N] NO x 15 14 15 15 O (t 1/2 = 2,07 min) N(d,n) O [ O] O 2 Các DCPX th−ờng dùng trong ghi hình PET l: a. Ghi hình theo cơ chế chuyển hoá: Glucose : [ 18 F] FDG Acid Amin : [ 11 C] methionine, [ 18 F] fluorotyrosine Nucleosides : [ 18 F] FLT, [ 11 C] thymidine Choline : [ 11 C] choline, [ 18 F] fluorocholine TCA vòng : [ 11 C] acetate Hypoxia : [ 18 F] FMISO, [ 18 F] FETNIM b. Các Receptor đánh dấu: Estrogen : [ 11 C, 18 F] estrogen derivatives, [ 18 F] tamoxifen Somatostatin : [ 18 F] octreotide c. Các thuốc chống ung th−: Cisplatin v.v. Trong số các ĐVPX trên, 18 F l quan trong nhất vì thời gian bán r khá di của nó so với các ĐVPX phát positron khác v vì khả năng gắn tốt của nó vo phân tử Desoxyglucose để tạo ra 18 FDG, một DCPX rất hữu ích trong lâm sng v nghiên cứu y sinh học.
Y Học Hạt Nhân 2005 Tuy nhiên các ĐVPX ny có thời gian bán r ngắn nên bên cạnh máy PET phải có Cyclotron để sản xuất ĐVPX. Điều đó gây thêm khó khăn cho việc phổ cập PET cả về kỹ thuật v ti chính. Vì vậy hiện nay số l−ợng PET không nhiều nh− SPECT. Kết luận lại có thể nói −u điểm nổi bật của SPECT v PET l cho những thông tin về thay đổi chức năng nhiều hơn l những hình ảnh về cấu trúc ở các đối t−ợng ghi hình. Chúng ta biết rằng sự thay đổi về chức năng th−ờng xảy ra sớm hơn nhiều tr−ớc khi sự thay đổi về cấu trúc đ−ợc phát hiện. Vì vậy không những nó góp phần cùng các kỹ thuật phát hiện bằng hình ảnh của tia X, siêu âm hay cộng h−ởng từ để chẩn đoán các thay đối về kích th−ớc, vị trí, mật độ cấu trúc của các đối t−ợng bệnh lý m còn cho ng−ời thầy thuốc các thông tin về thay đổi chức năng tại đó nh− t−ới máu ở cơ tim, khả năng thải độc của tế bo gan, thận, tốc độ sử dụng v chuyển hóa glucose ở các tế bo no Từ đầu những năm 1980 việc ghi hình phóng xạ chung đ chiếm đến 60 ữ 70% khối l−ợng công việc chẩn đoán bằng kỹ thuật YHHN ở các cơ sở tiên tiến. Gần đây ng−ời ta đ nghiên cứu tạo ra hệ thống kết hợp PET với SPECT tạo ra máy PET/SPECT lai ghép (Hybrid). Máy ny dùng tinh thể NaI dy hơn hoặc LSO cho PET v YSO (Ytrium Orthosilicate) cho SPECT. Hệ thống kết hợp PET với CT Scanner hoặc SPECT/CT tức l ghép 2 loại đầu dò trên một máy v dùng chung hệ thống ghi nhận l−u giữ số liệu, các kỹ thuật của PC. Hệ thống ny cho ta hình ảnh nh− ghép chồng hình của CT v xạ hình lên nhau nên có thể xác định chính xác vị trí giải phẫu (do hình CT l chủ yếu) các tổn th−ơng chức năng (do xạ hình l chủ yếu). Hệ thống ny mang lại nhiều mu sắc phong phú cho kỹ thuật ghi hình phóng xạ nói riêng v ghi hình y học nói chung. Câu hỏi ôn tập: 01. Giải thích cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá lên phim ảnh, từ đó có thể dùng phim để ghi đo phóng xạ nh− thế no ? 02. Kỹ thuật ghi đo phóng xạ nhiệt huỳnh quang l gì ? 03. Mô tả cấu tạo v giải thích cơ chế hoạt động của buồng ion hoá ? 04. Mô tả cấu tạo v giải thích cơ chế hoạt động của một loại ống đếm Geiger Muller (G.M) ? 05. Nguyên lý hoạt động của đầu dò phóng xạ bằng tinh thể nhấp nháy ? 06. Thnh phần cấu tạo chính v cơ chế khuếch đại tín hiệu của ống nhân quang điện trong đầu dò nhấp nháy ? 07. Mô tả cách thức hoạt động của máy ghi hình vạch thẳng ? 08. Ưu, nh−ợc điểm của máy ghi hình vạch thẳng ? 09. Giải thích cơ chế ghi hình phóng xạ bằng Gamma Camera nhấp nháy ? Ưu, nh−ợc điểm của nó ? 10. Cấu tạo của máy chụp cắt lớp bằng đơn photon (SPECT) ? 11. Giải thích cơ chế hoạt động của máy SPECT ? Ưu, nh−ợc điểm của nó ? 12. Giải thích cơ chế hoạt động của máy ghi hình cắt lớp bằng Positron (PET) ? Ưu, nh−ợc điểm của nó ?
Y Học Hạt Nhân 2005 ch−ơng 3: Hoá d−ợc phóng xạ Mục tiêu: 1. Nhớ các ph−ơng pháp điều chế các hạt nhân phóng xạ: điều chế từ tự nhiên, từ lò phản ứng, từ máy gia tốc v từ nguồn sinh đồng vị phóng xạ (Generator).Nắm đ−ợc nguyên lý các cách thức chính để sản xuất các hợp chất đánh dấu phóng xạ. 2. Biết các đặc tr−ng quan trọng của d−ợc chất phóng xạ (DCPX) v cơ chế tập trung DCPX trong chẩn đoán v điều trị. 3. Biết cách kiểm tra đánh giá DCPX tr−ớc khi sử dụng cho bệnh nhân. Mở đầu Hoá d−ợc phóng xạ (Radiopharmachemistry) đ−ợc hình thnh từ những năm 1910 do A. Cameron sáng lập. Ban đầu, chuyên ngnh ny mới chỉ nghiên cứu điều chế một số hợp chất vô cơ đánh dấu đồng vị phóng xạ d−ới dạng đơn giản. G.Henvesy v F. Paneth l những ng−ời đầu tiên ứng dụng các hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ nghiên cứu in vitro v in vivo ngay từ đầu những năm 1913. Sau đó, nhiều nh y học đ dùng thuốc phóng xạ, hoá chất phóng xạ lm chẩn đoán v điều trị bệnh. Mi đến những năm 1950, chuyên ngnh hoá d−ợc học phóng xạ mới phát triển ton diện, nhanh v mạnh. Các trung tâm nghiên cứu hoá d−ợc phóng xạ luôn tìm ra các hợp chất đánh dấu mới ngy cng đáp ứng theo yêu cầu của y học hạt nhân. Ngy nay, nội dung chính của hoá d−ợc học phóng xạ l nghiên cứu sản xuất hạt nhân phóng xạ, hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ, hoá chất v d−ợc chất phóng xạ theo mong muốn của y học hạt nhân. Phần I: Hoá phóng xạ 1. Các ph−ơng pháp điều chế hạt nhân phóng xạ 1.1. Điều chế từ tự nhiên Có nhiều hạt nhân phóng xạ sẵn có trong tự nhiên đ đ−ợc phát hiện v đ−a vo ứng dụng trong nhiều ngnh khoa học. Trong y học cũng đ ứng dụng một số đồng vị phóng xạ lấy từ quặng có trong bề mặt trái đất. Nhờ những kỹ thuật vật lý, hoá học ng−ời ta đ lm "phong phú" các mẫu quặng phóng xạ. Sau đó, các mẫu quặng ny đ−ợc tách chiết, tinh chế ra các mẫu đồng vị phóng xạ có độ tinh khiết cao. Các hạt nhân phóng xạ đó th−ờng l Radium, Uranium đ−ợc lm thnh dạng kim dùng trong điều trị các khối u nông. Ph−ơng pháp điều chế ny vẫn không giải quyết đ−ợc những yêu cầu đa dạng trong y học hạt nhân. 1.2. Điều chế từ lò phản ứng hạt nhân 1.2.1. Tinh chế từ sản phẩm do phân hạch hạt nhân Trong buồng lò phản ứng hạt nhân có chứa những thanh nhiên liệu phân hạch, th−ờng l 238 U v 235 U. Thông th−ờng ng−ời ta dùng 235 U, có chu kỳ phân huỷ T1 /2 = 7 x 108 năm. Trong quá trình phân hạch sẽ tạo ra nhiều hạt nhân phóng xạ khác nhau. Những sản phẩm do phân hạch còn đ−ợc gọi l "tro" của lò phản ứng hạt nhân. Sau khi phân lập v tinh chế theo ý định cần lấy, ta thu đ−ợc một số hạt nhân phóng xạ
Y Học Hạt Nhân 2005 cần dùng trong y học hạt nhân nh− 90 Sr, 99 Mo , 131 I v cả dạng khí 133 Xe. Điều chế hạt nhân phóng xạ theo ph−ơng pháp ny vẫn bị hạn chế bởi hiệu suất thấp v vẫn không đủ loại hạt nhân theo yêu cầu. 1.2.2. Điều chế bằng ph−ơng pháp bắn phá hạt nhân bia Nh− đ biết trong quá trình phân hạch của những thanh nhiên liệu trong lò sẽ sinh ra những tia nơtron. Những nơtron ny lại kích thích những mảnh phân hạch mới sinh tạo ra phản ứng dây chuyền. Những bức xạ nơtron sinh ra có năng l−ợng rất lớn nên có vận tốc rất nhanh. Để hạn chế tốc độ phải dùng các thanh điều khiển. Các thanh điều khiển ny có chứa các nguyên liệu hấp thụ nơtron cao nh− Boron, Cadmiam v một số chất khí nhẹ. Các thanh điều khiển ny có tác dụng lm cho nơtron đi chậm lại thnh chuyển động nhiệt với năng l−ợng khoảng 0,3 eV. Với tốc độ ny sẽ lm giảm tốc độ phân hạch. Những chùm tia nơtron nhiệt ny đ−ợc ứng dụng vo mục đích bắn phá các hạt nhân bia bền để tạo ra các hạt nhân phóng xạ mới. Quá trình bắn phá bằng nơtron vo nhân hạt nhân bia sẽ xảy ra những phản ứng sau: a. Phản ứng nhận neutron phát tia gamma: Gọi X l hạt nhân bia ( hạt nhân bền ); A l số khối; Z l số electron ( hay số thứ tự ). Ta có phản ứng tóm tắt sau: A X ( n , γ ) → A + 1 X * Z Z Trong phản ứng ny, hạt nhân bia nhận thêm một nơtron chuyển sang trạng thái kích thích : A+1 X *. Từ trạng thái kích thích chuyển sang trạng thái cân bằng, hạt nhân ny phải phát ra tức thời một hạt nhân phóng xạ mới v th−ờng có phân r beta. Sản phẩm ny không có chất mang vì nó không phải l đồng vị của hạt nhân bia. Dùng ph−ơng pháp tách chiết hoá học sẽ thu đ−ợc hạt nhân phóng xạ tinh khiết. Bằng ph−ơng pháp điều chế ny chỉ thu đ−ợc hoạt tính riêng thấp m thôi. Ví dụ: I 131 đ−ợc điều chế theo phản ứng nhận nơtron sau: 130 γ 131 → 131 52 Te (n, ) 52 Te (*) 53 I b. Phản ứng neutron phát proton: Trong phản ứng ny, nơtron phải có năng l−ợng từ 2 MeV đến 6 MeV. Trong phản ứng (n, p) nguyên tử số của hạt nhân tạo thnh giảm đi một, số khối vẫn giữ nguyên. Công thức tóm tắt của phản ứng : A A Z X (n, p) Z −1X Ví dụ một số hạt nhân đ−ợc điều chế theo phản ứng ny : 14 N ( n, p ) 14 C hoặc 32 S ( n, p ) 32 P. c. Phản ứng nhận neutron phát tia alpha Phản ứng ny hạt nhân tạo thnh có nguyên tử số giảm đi 2 v khối l−ợng giảm đi 3. Ta có công thức: A α A−3 Z X (n, ) Z −2 X Ph−ơng pháp ny ít đ−ợc sử dụng. 1.3. Điều chế hạt nhân phóng xạ từ máy gia tốc hạt Các máy gia tốc các hạt tích điện đ−ợc chia thnh hai nhóm l gia tốc thẳng v gia tốc vòng.
Y Học Hạt Nhân 2005 a. Máy gia tốc thẳng có các đoạn ống gia tốc xếp thẳng hng di tuỳ ý. Nguồn điện xoay chiều tần số cao cung cấp cho từng đoạn ống. Các đoạn gần kề tích điện trái dấu nhau. Khi các hạt tích điện đ−ợc phun vo ống gia tốc sẽ đ−ợc tăng tốc dần do các đầu ống tích điện trái dấu kéo đi v tăng tốc theo lực hút tĩnh điện quy định. Quá trình cng kéo di thì có gia tốc cng lớn. Máy gia tốc thẳng có thể lm tăng tốc hạt ρ đến mức năng l−ợng 800 MeV. b. Máy gia tốc vòng có cấu tạo hình xoắn ốc. Các đoạn ống vòng chứa các đĩa hình bán nguyệt, tích điện trái dấu. Các hạt tích điện cần tăng tốc đi qua mỗi đĩa cực ny lại đ−ợc tăng tốc một lần. Ví dụ, năng l−ợng hạt ρ có thể tăng tốc 30 MeV với bán kính quỹ đạo nhỏ hơn 40 cm. Các hạt tích điện α, ρ, d đ−ợc tăng tốc tới mức đủ năng l−ợng để bắn phá các hạt nhân bia để tạo ra các hạt nhân phóng xạ mới. Phản ứng bắn phá hạt nhân bia trong máy gia tốc hạt đ−ợc ký hiệu nh− sau: A A−1 A A−2 Z X ( p 2, n) Z X hoặc Z X ( p 3, n) Z X Ví dụ một số hạt nhân điều chế từ máy gia tốc hạt: 11 B ( p, n ) 11 C ; 14 N ( d, n ) 15 O ; 16 O ( α, pn ) 18 F ; 12 C ( d, n ) 13 N. 1.4. Sản xuất hạt nhân phóng xạ bằng Generator (nguồn sinh đồng vị phóng xạ) a. Nguyên lý cấu tạo v hoạt động của một nguồn sinh đồng vị phóng xạ (Radioisotope Generator) l: hạt nhân phóng xạ cần điều chế đ−ợc chiết ra từ cột sắc ký, trong đó hạt nhân phóng xạ “mẹ” hấp phụ lên chất giá sắc ký trong cột sắc ký, hạt nhân phóng xạ "con" sinh ra trong quá trình phân r của "mẹ" tan vo dung môi sắc ký trong cột. Dùng dung môi sắc ký chiết ra ta thu đ−ợc hạt nhân phóng xạ cần dùng. b. Những yêu cầu cơ bản của một hệ Generator: 1. Hạt nhân "con" đ−ợc sinh ra với độ tinh khiết phóng xạ v tinh khiết hạt nhân phóng xạ cao. 2. Phải an ton, đơn giản trong thao tác. 3. Sản phẩm chiết ra phải thuận tiện trong điều chế d−ợc chất phóng xạ. 4. Hệ Generator phải vô khuẩn, không có chất gây sốt, gây sốc. 5. Khả năng tách chiết phải đa dạng, dễ dng. 6. Đời sống hạt nhân phóng xạ con phải ngắn hơn 24 giờ. Trong ứng dụng hng ngy tại các khoa y học hạt nhân th−ờng dùng các loại Generator 99 Mo 99m Tc, 113 Sn 113m In, 68 Ge 68 Ga, 83 Y 87m Sr Generator đ−ợc dùng nhiều nhất hiện nay l 99 Mo 99m Tc. 2. Hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ Định nghĩa Hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ (HCĐD) l một hợp chất vô cơ hay hữu cơ đ−ợc đánh dấu với một hay nhiều hạt nhân phóng xạ cùng loại hay nhiều loại khác 131 99m 131 nhau d−ới dạng liên kết hoá học bền vững. Ví dụ: NaI , NaTc O4 , albuminI , 99m 90 14 3 14 3 MIBITc , DTPAY , aa C H v R CH 2 =C H2 . Các ph−ơng pháp điều chế 2.1. Tổng hợp hoá học 2.1.1. Đánh dấu 14 C
Y Học Hạt Nhân 2005 14 Từ hợp chất ban đầu lấy từ lò phản ứng hạt nhân l Ba CO 3 điều chế ra 5 chất 14 14 14 14 chính lm nguyên liệu tổng hợp một số HCĐD với C. Đó l CO 2, CN, CNNH 2, 14 14 C2H2 v CH 3OH. 2.1.2. Đánh dấu 3H 3 3 3 0 Dùng H d−ới dạng H2 hay dạng H mới sinh để tham gia vo phản ứng cộng h−ởng với các nối đôi hoặc nối ba của các hợp chất hữu cơ cần đánh dấu. 2.1.3. Đánh dấu với 35 S Nguyên liệu xuất phát để tổng hợp chất đánh dấu với 35 S l dùng d−ới dạng nguyên tố hoặc hợp chất acid sulfuric 35 S. Từ đây, tùy theo hợp chất cần đánh dấu m biến đổi 35 S ở các dạng hợp chất thích hợp dùng lm nguyên liệu tổng hợp ra HCĐD 35 35 35 có chứa S. Ví dụ: CNNH 2 + H 2 S H2N SCNH 2 2.1.4. Đánh dấu các hạt nhân phóng xạ nhóm halogen Để điều chế các HCĐD với 36 Cl, 82 Br v 131 I có thể đi từ phản ứng halogen hoá với các hợp chất hữu cơ. Nguyên liệu ban đầu có thể l phân tử halogen hay dạng acid halogen, dạng nguyên tử v dạng mang điện tích d−ơng. Ví dụ: 82 Br 82 C6H5 C6H5 Br Trong nhóm halogen phóng xạ, có iốt phóng xạ l những đồng vị đ−ợc dùng nhiều nhất trong điều chế các thuốc phóng xạ v các hoá chất phóng xạ trong y học hạt nhân. Phản ứng đánh dấu của các hạt nhân phóng xạ ny có thể thực hiện các phản ứng thế ái nhân, trao đổi đồng vị, cộng hợp với các hợp chất cần đánh dấu. Ví dụ: - Trao đổi đồng vị: 131 I triiodothyronin 127 I triiodothyronin 131 I - Thế nhân: iod phóng xạ thế một ion H + trong nhân của axit amin tyrosin. Các chất kháng nguyên, kháng thể, các hormon có cấu trúc peptid đều đ−ợc đánh dấu iốt phóng xạ theo ph−ơng pháp ny. 2.1.5. Đánh dấu với 32 P Nguyên liệu ban đầu có thể l 32 P hoặc bắn phá hạt nhân bia 31 P (hạt nhân bền) trong các hợp chất. Thông th−ờng có thể dùng 32 P ở dạng hợp chất ion. 32 32 Ví dụ: ROH + H 3 PO 4 ROH 2 PO 4 2.2. Tổng hợp HCĐD bằng ph−ơng pháp sinh học Ph−ơng pháp tổng hợp sinh học hay còn gọi l sinh tổng hợp chỉ dùng cho những HCĐD không thực hiện đ−ợc bằng ph−ơng pháp tổng hợp hoá học. Dựa vo phản ứng tạo chất trong cơ thể động vật, thực vật hay vi khuẩn để thực hiện đánh dấu. Ví dụ: 14 14 Đánh dấu C vo carbonhydrat hay các acid amin, ng−ời ta cho CO 2 vo trong môi tr−ờng trao đổi chất, môi tr−ờng nuôi cấy. Sản phẩm sinh tổng hợp của thực vật hay vi khuẩn trong môi tr−ờng trên sẽ có chứa 14 C trong cấu trúc phân tử. Lm tách chiết v tinh chế ta sẽ thu đ−ợc HCĐD 14 C tinh khiết. 58 58 Đánh dấu Co vo vitamin B 12 . Cho nguyên liệu có chứa Co vo môi tr−ờng nuôi cấy của vi khuẩn tổng hợp B 12 . Sau quá trình tách chiết v tinh chế ta thu đ−ợc 58 B12 Co. 2.3. Tổng hợp HCĐD bằng ph−ơng pháp kích hoạt Dùng ph−ơng pháp chiếu tia phóng xạ thích hợp nh− nơtron hay tia X vo các hợp chất trong ống nghiệm hoặc trong cơ thể sống có thể tạo ra các hợp chất đánh dấu phóng xạ theo mong muốn. Cơ chế của ph−ơng pháp ny l chuyển dạng hạt nhân hay các điện tử qũy đạo do t−ơng tác bức xạ. −u điểm của ph−ơng pháp l có thể sản xuất
Y Học Hạt Nhân 2005 bất kỳ HCĐD no bằng 14 C với tốc độ nhanh v không có chất mang. Nh−ng nh−ợc điểm l không đánh dấu đ−ợc ở vị trí mong muốn. 2.4. Tổng hợp HCĐD bằng phân r beta Các hạt nhân phóng xạ "mẹ" có phân r beta th−ờng sinh ra các hạt nhân phóng xạ con. Dựa theo tính chất ny có thể điều chế đ−ợc một số HCĐD đặc biệt. Ph−ơng pháp ny ít đ−ợc ứng dụng. 3. ứng dụng các HCĐD Các HCĐD hạt nhân phóng xạ đ−ợc dùng lm thuốc phóng xạ (xem phần thuốc phóng xạ) v hoá chất phóng xạ. Hoá chất phóng xạ l các HCĐD phóng xạ đ−ợc điều chế d−ới dạng thuốc thử trong một số phân tích định l−ợng hoá phóng xạ, vật lý phóng xạ. Đặc biệt, HCĐD d−ới dạng tracer để dùng trong định l−ợng miễn dịch phóng xạ (Radioimmunoassay: RIA), trong ph−ơng pháp đo phóng xạ miễn dịch (Immunoradiometricassay: IRMA) hay ph−ơng pháp đo chất nhận đặc hiệu phóng xạ (Radioreceptorassay: RRA). Phần II: D−ợc phóng xạ Định nghĩa D−ợc chất phóng xạ hay thuốc phóng xạ l những hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ đ−ợc điều chế d−ới dạng thuốc uống hoặc tiêm dùng trong chẩn đoán v điều trị bệnh. Phân loại: thuốc phóng xạ đ−ợc điều chế d−ới nhiều dạng khác nhau. Dạng khí: Khí 85 Kr v 133 Xe. Dạng 133 Xe hay đ−ợc dùng trong thông khí phổi. 133 0 Dạng khí hòa tan trong dung dịch: Khí Xe ho tan trong dung dịch NaCl 9 / 00 d−ới áp suất cao. Dạng dung dịch thực: Các hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ ho tan hon ton vo dung dịch, tạo thnh một môi tr−ờng trong suốt. Ví dụ: dung dịch Na 131 I, dung 58 dịch vitamin B 12 Co. Dạng keo hạt: l dạng keo hạt của các muối vô cơ. Các phân tử muối vô cơ tụ lại bền vững có kích th−ớc cỡ àm. Ví dụ: keo vng phóng xạ ( 198 Au colloid) dùng trong ghi hình lách v điều trị các khoang ảo hoặc hệ bạch huyết. Dạng huyền phù, nhũ t−ơng: L dạng đông vón của các phân tử hữu cơ. Thông th−ờng l dạng đông vón của các phân tử albumin huyết thanh ng−ời. D−ới điều kiện pH, nhiệt độ thích hợp lm biến tính protein tạo ra những thể tụ tập kích th−ớc nhỏ cỡ d−ới 20 àm, gọi l các microspheres (dạng vi cầu). Với kích th−ớc lớn hơn 20 àm, gọi l các macroaggregate (thể tụ tập). Các chất ny th−ờng dùng ghi hình t−ơi máu các hệ nhiều vi mạch. Dạng viên nang: Giống nh− các dạng viên nang trong thuốc tân d−ợc. Bao nang đ−ợc lm bằng gelatin. Các thuốc phóng xạ có thể l dạng bột hoặc dạng dẫu chứa trong bao nang viên. Ví dụ: dung dịch Na 131 I trộn trong bột tinh thể anhydratdisodium phosphat. Dùng viên nang 131 I trong điều trị bệnh basedow hay ung th− tuyến giáp thể biệt hoá sau mổ. 1. Các đặc tr−ng của thuốc phóng xạ Thuốc phóng xạ khác với thuốc thông th−ờng bởi các khái niệm đặc tr−ng sau đây:
Y Học Hạt Nhân 2005 1.1. Đơn vị liều l−ợng Đơn vị tính liều của thuốc phóng xạ dùng trong chẩn đoán v điều trị không giống nh− thuốc th−ờng. Thuốc phóng xạ đ−ợc tính liều l−ợng bằng hoạt độ phóng xạ. Đơn vị hoạt độ phóng xạ đ−ợc ký hiệu l Ci (viết tắt của chữ Curie, tên của Marie Curie, ng−ời tìm ra Radium phóng xạ). Một Ci có hoạt tính phóng xạ nh− sau: Ci = 3,7 x 10 10 phân huỷ / giây (hay Bq/s) L−ợng hoạt tính phóng xạ ny t−ơng đ−ơng với 1 gam Radium phân r trong thời gian 1 giây. Để kỷ niệm ng−ời tìm ra nguyên tố phóng xạ đầu tiên trên thế giới l Hanrie Becquerel (phát hiện ra Uranium năm 1896), ng−ời ta đ thay “phân huỷ trong một giây” bằng Becquerel, do đó ta có: Ci = 3,7 x 10 10 Becquerel ( Bq ) mCi = 37 x 10 7 MBq MBq = 27 àCi 1.2. Không có d−ợc tính Thuốc phóng xạ l một hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ. Hợp chất đó phải đảm bảo một số tính chất sau: - Không có tác dụng lm thay đổi chức năng của các cơ quan trong cơ thể. - Không có tác dụng phụ nguy hiểm. - Mục đích sử dụng thuốc phóng xạ trong chẩn đoán hay điều trị l chỉ dùng hợp chất đánh dấu nh− một chất mang (chuyên chở) hạt nhân phóng xạ tới nơi cần chẩn đoán hay điều trị. Do đó, thuốc phóng xạ th−ờng l không có tác dụng nh− thuốc thông th−ờng hay “không có d−ợc tính”. 1.3. Nồng độ hoạt độ Đơn vị đo liều l−ợng l hoạt độ phóng xạ cho nên nồng độ thuốc phóng xạ đ−ợc tính từ hoạt độ phóng xạ trong một đơn vị thể tích dung dịch, hoặc nói cách khác l l−ợng hoạt độ phóng xạ có trong một đơn vị thể tích. Ví dụ: nồng độ hoạt độ phóng xạ của dung dịch Na 131 I l 5 mCi /ml. Ký hiệu tổng quát của nồng độ hoạt độ phóng xạ l: NĐHĐ = HĐPX / V Nồng độ hoạt độ phóng xạ có ý nghĩa quan trọng trong một số ph−ơng pháp chẩn đoán v điều trị. Vì trong một số tr−ờng hợp cần phải đ−a vo cơ thể một l−ợng thể tích rất nhỏ m lại có một l−ợng hoạt độ phóng xạ rất lớn mới đạt đ−ợc mục đích chẩn đoán hay điều trị, cho nên cần phải có một nồng độ hoạt độ thích hợp. 1.4. Hoạt độ riêng Hoạt độ riêng (specific activitive) l hoạt độ phóng xạ có trong một đơn vị khối l−ợng hợp chất đánh dấu. Gọi m l khối l−ợng của hợp chất đ−ợc đánh dấu hạt nhân phóng xạ. Ta có: HĐ PX HĐ R = m Trong cùng một hợp chất đánh dấu, nếu biết HĐR v NĐHĐ, có thể tính đ−ợc nồng độ HCĐD có trong dung dịch chứa nó: NĐ HĐ H Đ PX H Đ PX H Đ PX m m HCĐ D = = : = x = (g / l) HĐ R V m V H Đ PX V Vậy nồng độ HCĐD l:
Y Học Hạt Nhân 2005 m HCĐ D = (g / l) V Khái niệm HĐR v giá trị của nó rất có ý nghĩa trong chẩn đoán v điều trị. Trong một số nghiệm pháp chẩn đoán bằng thuốc phóng xạ, rất cần phải quan tâm đến l−ợng hợp chất đánh dấu đ−a vo cơ thể. Nếu l−ợng HCĐD đ−a vo cơ thể quá lớn có thể lm nhiễu kết quả của nghiệm pháp, hoặc không có khả năng đ−a thuốc vo cơ quan cần chẩn đoán hay điều trị. 1.5. Tinh khiết hoá phóng xạ Đại l−ợng đánh giá l−ợng hạt nhân phóng xạ tách ra khỏi thuốc phóng xạ ở dạng tự do trong dung dịch đ−ợc gọi l độ tinh khiết hoá phóng xạ. Độ tinh khiết hoá phóng xạ đ−ợc quy định phải đạt từ 98% theo cách tính sau: − * = S X ≥ TKHPX − x 100 98 % S − X * + X * Trong đó: S l hợp chất đ−ợc đánh dấu. X* l hạt nhân phóng xạ đánh dấu. 1.6. Tinh khiết hạt nhân phóng xạ Hạt nhân phóng xạ dùng trong đánh dấu th−ờng hay bị lẫn một số các loại hạt nhân phóng xạ t−ơng tự nh− cùng đồng vị hoặc cùng nhóm. Các hạt nhân ny có thể tham gia vo phản ứng đánh dấu hoặc ở dạng tự do. Đánh giá về tạp chất ny đ−ợc gọi l độ tinh khiết hạt nhân phóng xạ. Tinh khiết hạt nhân phóng xạ đ−ợc tính nh− sau: S − X * TKHNPX = x100 ≥ 98 % S − X * + S −Y * + Z * Trong đó: Y *, Z * l các hạt nhân không mong muốn. 1.7. Tinh khiết hoá học Hợp chất dùng trong đánh dấu thông th−ờng không hon ton tinh khiết. Tạp chất khó tách ra l những đồng đẳng, đồng phân của hợp chất đánh dấu. Do đó, các tạp chất ny rất dễ tham gia vo phản ứng đánh dấu. Độ tinh khiết hoá học đ−ợc quy định v tính toán nh− sau: S − X * TKHH = x100 ≥ 98 % S − X * + S ' − X * + S " − X * Trong đó: S’, S” l các tạp chất hoá học. 1.8. Năng l−ợng phóng xạ thích hợp Hạt nhân phóng xạ trong thuốc phóng xạ phải có năng l−ợng v bản chất của tia phóng xạ thích hợp với mục đích ghi đo v điều trị. Thuốc phóng xạ chẩn đoán th−ờng dùng các hạt nhân phóng xạ đánh dấu phát tia gamma có mức năng l−ợng từ 100 ữ 200 keV. Nếu SPECT thì thuốc phóng xạ phát tia gamma đơn thuần l tốt nhất. Nếu PET dùng thuốc phóng xạ phát tia positron l tối −u. Trong điều trị, thuốc tốt nhất l phát tia beta thuần tuý. 1.9. Đời sống thực thích hợp Đời sống thực của một thuốc phóng xạ phụ thuộc vo các thời gian đặc tr−ng sau: - Chu kỳ bán huỷ vật lý (T p) của hạt nhân phóng xạ đánh dấu. - Chu kỳ bán thải sinh học (T b) của thuốc trong cơ thể.
Y Học Hạt Nhân 2005 - Thời gian phân huỷ hoá học (hay phân ly phóng xạ) của thuốc, hay gọi l độ bền vững thuốc phóng xạ (Ts). - Thời gian hiệu ứng (T ef ) của thuốc phóng xạ. Do đó ta có: T thực thích hợp = f ( T p, T b, T s, Tef ) Đời sống thực của thuốc phóng xạ phải thích hợp với mục đích chẩn đoán v điều trị. 1.10. Tập trung đặc hiệu Tập trung đặc hiệu của thuốc phóng xạ vo nơi chẩn đoán v điều trị l một đặc tr−ng quan trọng đầu tiên trong yêu cầu của thuốc phóng xạ. Để chẩn đoán v điều trị bằng y học hạt nhân có hiệu quả, các thuốc phóng xạ phải có tính tập trung đặc hiệu cao. Nói cách khác, không có “tính chất tập trung đặc hiệu” thì không phải l thuốc phóng xạ. 2. Cơ chế tập trung thuốc phóng xạ trong chẩn đoán v điều trị Y học hạt nhân ghi hình hay điều trị tại một cơ quan bị bệnh hoặc một hệ thống sinh học nh− máu, dịch no tuỷ, dịch trong ngoi tế bo, cơ x−ơng khớp đòi hỏi phải có những thuốc phóng xạ tập trung đặc hiệu vo đó. Cơ chế tập trung vo những đích trên có thể l một trong những cơ chế sau đây: 2.1. Chuyển vận tích cực Trong cơ thể sống, sự phân bố nồng độ một số ion vật chất trong v ngoi tế bo có thể có sự chênh lệch rất khác nhau. Đó chính l do cơ chế "chuyển vận tích cực". Dựa vo cơ chế ny để đ−a iốt phóng xạ tập trung cao hơn hng trăm lần vo tế bo tuyến giáp lm chẩn đoán v điều trị. 2.2. Khuyếch tán Ngoi cơ chế vận chuyển tích cực l cơ chế khuyếch tán. Thông th−ờng, sự cân bằng nồng độ chất l do khuyếch tán từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp. Riêng ở no, mạch máu có một hng ro sinh học ngăn cản sự khuyếch tán những chất không cần cho no từ mạch vo tế bo no. Nh−ng khi no có tổn th−ơng, hng ro sinh học bị phá vỡ, thuốc phóng xạ có thể khuyếch tán từ hệ vi mạch vo vùng no tổn th−ơng. Nhân cơ hội ny, y học hạt nhân có thể ghi hình khối u no, thiểu năng tuần hon no. 131 99m Ví dụ: dùng albumin huyết thanh ng−ời đánh dấu I hoặc Na TcO 4 2.3. Chuyển hoá Một số nguyên tố phóng xạ ở dạng muối vô cơ hoặc hữu cơ d−ới dạng thuốc phóng xạ có tham gia vo chuyển hoá trong một số loại tế bo của một số tổ chức trong cơ thể. Dựa vo cơ chế ny, y học hạt nhân đ dùng những thuốc phóng xạ để ghi hình những tổn th−ơng đang tăng sinh nh− đang bị viêm, đang có khối u phát triển hoặc đang cần nhiều năng l−ợng. Ví dụ: những hạt nhân phóng xạ tham gia chuyển hoá x−ơng (hoặc giống nh− Ca) nh− 32 P, 81 Sr, 67 Ga. Những nguyên tố phóng xạ ny dùng trong ghi hình x−ơng hoặc điều trị giảm đau trong ung th− di căn vo x−ơng. Một số hợp chất hữu cơ nh− deoxyglucose đánh dấu 18 F dùng trong ghi hình cắt lớp no, các khối u trong cơ thể bằng PET dựa trên cơ chế chuyển hoá đ−ờng giải phóng năng l−ợng. 2.4. Lắng đọng Một số thuốc phóng xạ dạng keo hạt có trọng l−ợng phân tử v hạt keo rất nặng. Khi các hạt keo ny đi từ động mạch vo vi mạch trong gian bo, do nặng nên bị đọng lại ở đó. Trong thời gian lắng đọng ở các tổ chức liên võng nội mô, ta có thể ghi hình
Y Học Hạt Nhân 2005 chẩn đoán hoặc có thể dùng điều trị một số bệnh ác tính. Ví dụ: keo vng phóng xạ (198 Au colloid) dùng trong ghi hình lách, hệ bạch mạch, điều trị ung th− bạch mạch 2.5. Đo thải Trong cơ thể có hai cơ quan lm chức năng đo thải lớn nhất l gan v thận. Dựa vo chức năng ny, y học hạt nhân dùng những thuốc phóng xạ thải qua gan để chẩn đoán chức năng gan nh− Rosebengal 131 I. Những thuốc phóng xạ thải qua thận để chẩn đoán chức năng thận nh− Hippural 131 I. 2.6. Thực bo Các tổ chức liên võng nội mô trong cơ thể có nhiệm vụ thực bo. Khi có các chất lạ xâm nhập vo gian bo, các tế bo liên võng giữ các chất lạ lại v ăn theo cơ chế tự tiêu. Y học hạt nhân đ sử dụng cơ chế ny để ghi hình chẩn đoán chức năng, vị trí, kích th−ớc v các tổn th−ơng của gan, lách bằng microaggregates 131 I hoặc microspheres 99m Tc. 2.7. Tắc nghẽn vi mạch tạm thời Trong ghi hình t−ới máu phổi để thăm dò vị trí tắc nghẽn động mạch phổi, tắc nghẽn hệ vi mạch phổi bằng macroaggregates131 I. Thể tụ tập macroaggregates đ−ợc điều chế từ albumine huyết thanh với kích th−ớc hạt khá lớn (khoảng trên 20 àm). Khi các đám hạt ny vo hệ vi mạch trong phổi lm tắc nghẽn tạm thời hệ vi động mạch phổi, do đó có thể ghi hình phổi bằng Scanner, SPECT trên phổi bình th−ờng v bệnh lý. Do hiện t−ợng các đám hạt protein lm nhồi, tắc vi mạch phổi nên khi ghi hình bệnh phổi nặng phải chuẩn bị cấp cứu hô hấp, phòng khi bệnh nhân bị ngạt thở. 2.8. Chỉ l−u thông trong máu tuần hon Để ghi hình các khối u máu, các khoang, vũng máu lớn, y học hạt nhân dùng các thuốc phóng xạ chỉ l−u thông trong hệ mạch máu tuần hon. Cơ chế ny rất có hiệu quả trong chẩn đoán phân biệt với u ngoi mạch, không phải u máu. Các thuốc phóng xạ th−ờng dùng l albumin 131 I ( hoặc 99m Tc ), hồng cầu đánh dấu 51 Cr 2.9. Chỉ l−u thông trong dịch no tuỷ, dịch sinh học Các thuốc phóng xạ có kích th−ớc phân tử lớn hoặc nhỏ đều có thể dùng đ−ợc nếu nh− chúng không thoát ra ngoi hệ dịch cần ghi hình. Ví dụ: ghi hình dịch no tuỷ để chẩn đoán tắc hay bán tắc do u, chèn ép khác, ng−ời ta tiêm thuốc phóng xạ vo vị trí thích hợp để thăm dò. Ví dụ: dùng dung dịch Na 131 I tiêm buồng no thất thăm dò chẩn đoán no úng thuỷ. Hoặc albumin 131 I ghi hình no tuỷ cột sống. 2.10. Miễn dịch Một số bệnh tự miễn hoặc một số khối u có các kháng nguyên đặc hiệu, ta có thể đánh dấu hạt nhân phóng xạ vo các kháng thể t−ơng ứng dùng trong ghi hình chẩn đoán. Cơ chế ny dựa trên phản ứng kết hợp đặc hiệu giữa kháng nguyên kháng thể trên bề mặt của khối u, do đó ta có đ−ợc hình ảnh d−ơng tính hơn các ph−ơng pháp ghi hình khác. Ví dụ: dùng kháng thể CEA đánh dấu phóng xạ ghi hình ung th− trực trng. 2.11. Chất nhận đặc hiệu (receptor) Dựa theo cơ chế chất nhận đặc hiệu của các phân tử sinh học trong cơ thể m d−ợc học phóng xạ đ đánh dấu phóng xạ vo một số hormon lm thuốc phóng xạ ghi hình đặc hiệu. Mỗi loại tế bo đều có các receptor trên bề mặt của chúng để nhận tất cả những vật chất chuyển hoá hoặc thực hiện chức năng của tế bo. Hiện nay, ng−ời ta đ tổng hợp đ−ợc một chất có cấu trúc peptid, chất ny v dẫn chất của nó có thể kết hợp
Y Học Hạt Nhân 2005 đ−ợc với các receptor của rất nhiều loại khối u. Đó l octreotid v dẫn xuất đ−ợc đánh dấu với một số hạt nhân phóng xạ dùng trong ghi hình chẩn đoán v điều trị khối u. 2.12. Tập trung đặc hiệu không rõ cơ chế Có một số chất tập trung vo khối u không theo cơ chế đặc hiệu no m lại rất đặc hiệu để phát hiện khối u đó. Những phát hiện ny đều l do tình cờ thực nghiệm v thực hnh, về cơ chế vẫn ch−a giải thích đ−ợc. Ví dụ: một số ion kim loại nh− 67 Ga, 201 Tl hoặc một số hợp chất hữu cơ nh− DMSA 99m Tc, MIBG 131 I ghi hình thận v ung th− giáp thể tuỷ 3. Kiểm tra chất l−ợng d−ợc chất phóng xạ Chất l−ợng thuốc phóng xạ quyết định chất l−ợng chẩn đoán v điều trị trong y học hạt nhân. Chất l−ợng thuốc phóng xạ phụ thuộc chủ yếu vo một số đặc tr−ng của thuốc nh− tinh khiết hoá phóng xạ, tinh khiết hạt nhân phóng xạ, tinh khiết hoá học, hoạt tính riêng (chính l hiệu suất đánh dấu). Do đó, tr−ớc khi dùng thuốc phóng xạ trong chẩn đoán hay điều trị phải tiến hnh kiểm tra chất l−ợng của thuốc phóng xạ. Ph−ơng pháp kiểm tra thông th−ờng v đơn giản l ph−ơng pháp sắc ký giấy, sắc ký lớp mỏng lm kiểm tra tinh khiết hoá phóng xạ, tinh khiết hạt nhân phóng xạ, tinh khiết hoá học. Muốn kiểm tra tinh khiết hoá học đối với phân tử vô cơ có trọng l−ợng phân tử, độ tích điện gần giống nhau thì phải kiểm tra bằng điện di cao áp. Để kiểm tra tinh khiết hạt nhân phóng xạ phải dùng máy đa kênh để đo các phổ bức xạ đặc tr−ng của từng loại hạt nhân phóng xạ có trong thuốc phóng xạ cần định l−ợng. Đối với các hệ generator cần phải kiểm tra l−ợng hạt nhân mẹ thoát ra trong dịch chiết ở mẻ chiết đầu tiên. Nếu có di chuyển generator đi nơi khác thì cũng phải định l−ợng lại nh− mẻ chiết ban đầu. Ví dụ generator Mo99/Tc99m, tr−ớc khi sử dụng phải định l−ợng Mo99 thoát ra trong mẻ chiết đầu tiên. Nếu l−ợng Mo99 thoát ra v−ợt quá 5% tổng hoạt tính phóng xạ của lần chiết thì không thể chấp nhận đ−ợc. Các loại thuốc phóng xạ dạng hạt keo (colloid) hay thể tụ tập (aggregate), tr−ớc khi dùng cần phải kiểm tra kích th−ớc hạt. Kiểm tra độ đồng đều v cần phải loại bỏ những cục đông vón lớn. Ph−ơng pháp kiểm tra th−ờng l soi trên kính hiển vi sau đó dùng mng lọc nếu cần. Ngoi ra cần phải kiểm tra các chất giá hấp phụ các hạt nhân phóng xạ mẹ bị thoát ra khỏi cột sắc ký trong mỗi lần chiết. Các ion ny nếu nhiều có thể gây nhiễm độc hoặc lm ảnh h−ởng đến chất l−ợng đánh dấu. Độ pH của các generator trong cùng một loại cũng có thể thay đổi theo từng lô sản xuất. pH có thể thay đổi từ 4 ữ 8, do đó phải kiểm tra ngay ở mẻ chiết đầu tiên.
Y Học Hạt Nhân 2005 Câu hỏi ôn tập: 01. Nguyên lý điều chế hạt nhân phóng xạ từ máy gia tốc ? 02. Nguyên lý điều chế hạt nhân phóng xạ từ Generator v tiêu chuẩn của một Generator lý t−ởng ? 03. Nguyên lý điều chế hạt nhân phóng xạ từ lò phản ứng hạt nhân ? 04. Thế no l một hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ ? Ví dụ ứng dụng một số HCĐD th−ờng dùng ? 05. Trình by nguyên lý ph−ơng pháp đánh dấu tổng hợp hoá học ? Cho ví dụ. 06. Định nghĩa thuốc phóng xạ, phân tích sự khác biệt thuốc phóng xạ với thuốc th−ờng ? 07. Trình by các khái niệm tinh khiết hoá phóng xạ, tinh khiết hạt nhân phóng xạ, tinh khiết hoá học, cách tính các độ tinh khiết v cho ví dụ ? 08. Các đặc tr−ng chung của thuốc phóng xạ ? Cho ví dụ. 09. Cơ chế tập trung thuốc phóng xạ trong YHHN chẩn đoán v điều trị ? 10. Các chỉ tiêu kiểm tra chất l−ợng DCPX v các ph−ơng pháp kiểm tra thông th−ờng?
Y Học Hạt Nhân 2005 Ch−ơng 4: Y học hạt nhân chẩn đoán Cách đây gần 60 năm, các đồng vị phóng xạ (ĐVPX) đ đ−ợc sử dụng cho mục đích chẩn đoán v điều trị. Hiện nay các nghiệm pháp chẩn đoán bệnh bằng ĐVPX đ−ợc chia thnh 3 nhóm chính: - Các nghiệm pháp thăm dò chức năng. - Ghi hình nhấp nháy các cơ quan, tổ chức hoặc ton cơ thể. - Các nghiệm pháp in vitro (không phải đ−a các ĐVPX vo cơ thể). Nguyên tắc chung của chẩn đoán bệnh bằng đồng vị phóng xạ nh− sau: Để đánh giá hoạt động chức năng của một cơ quan, phủ tạng no đó ta cần đ−a vo một loại ĐVPX hoặc một hợp chất có gắn ĐVPX thích hợp, chúng sẽ tập trung đặc hiệu tại cơ quan cần khảo sát. Theo dõi quá trình chuyển hoá, đ−ờng đi của ĐVPX ny ta có thể đánh giá tình trạng chức năng của cơ quan, phủ tạng cần nghiên cứu qua việc đo hoạt độ phóng xạ ở các cơ quan ny nhờ các ống đếm đặt ngoi cơ thể t−ơng ứng với cơ quan cần khảo sát. Ví dụ ng−ời ta cho bệnh nhân uống 131 I rồi sau những khoảng thời gian nhất định đo hoạt độ phóng xạ ở vùng cổ bệnh nhân, từ đó có thể đánh giá đ−ợc tình trạng chức năng của tuyến giáp Để ghi hình nhấp nháy (xạ hình) các cơ quan ng−ời ta phải đ−a các ĐVPX vo cơ thể ng−ời bệnh. Xạ hình (Scintigraphy) l ph−ơng pháp ghi hình ảnh sự phân bố của phóng xạ ở bên trong các phủ tạng bằng cách đo hoạt độ phóng xạ của chúng từ bên ngoi cơ thể. Ph−ơng pháp xạ hình đ−ợc tiến hnh qua hai b−ớc: Đ−a d−ợc chất phóng xạ (DCPX) vo cơ thể v DCPX đó phải tập trung đ−ợc ở những mô, cơ quan định nghiên cứu v phải đ−ợc l−u giữ ở đó một thời gian đủ di. Sự phân bố trong không gian của DCPX sẽ đ−ợc ghi thnh hình ảnh. Hình ảnh ny đ−ợc gọi l xạ hình đồ, hình ghi nhấp nháy (Scintigram, Scanogram, Scan). Xạ hình không chỉ l ph−ơng pháp chẩn đoán hình ảnh đơn thuần về hình thái m nó còn giúp ta hiểu v đánh giá đ−ợc chức năng của cơ quan, phủ tạng v một số biến đổi bệnh lí khác. Để ghi hình các cơ quan, có thể sử dụng 2 loại máy xạ hình: xạ hình với máy có đầu dò (detector) di động (hay còn gọi l máy Scanner) v xạ hình với máy có đầu dò không di động (Gamma Camera). Với các máy Scanner, ng−ời ta căn cứ vo độ mau th−a của vạch ghi v sự khác nhau của mu sắc để có thể nhận định đ−ợc các vùng, các vị trí phân bố nhiều hoặc ít phóng xạ. Đối với các máy Gamma Camera do có đầu dò lớn, bao quát đ−ợc một vùng rộng lớn của cơ thể nên có thể ghi đồng thời hoạt độ phóng xạ của ton phủ tạng cần nghiên cứu, không phải ghi dần dần từng đoạn nh− với máy Scanner (đầu dò di động). Việc ghi hình lại đ−ợc thực hiện với các thiết bị điện tử nên nhanh hơn ghi hình bằng máy cơ của các máy xạ hình (Scanner). Hiện nay, ngoi Gamma Camera, SPECT, ng−ời ta còn dùng kỹ thuật PET (Positron Emission Tomography) để ghi hình.