Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Ứng dụng phần mềm Olinda để tính liều trong y học hạt nhân

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn tham khảo luận văn Thạc sĩ Vật lí: Ứng dụng phần mềm Olinda để tính liều trong y học hạt nhân sau đây để nắm bắt được những nội dung về phương pháp Mird tính liều chiếu trong trong y học hạt nhân; phần mềm Olinda/Exm tính liều chiếu trong trong y học hạt nhân; ứng dụng phần mềm Olinda để tính liều chiếu trong với dược chất phóng xạ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lí: Ứng dụng phần mềm Olinda để tính liều trong y học hạt nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH LÊ THỊ BÍCH HỒNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OLINDA ĐỂ TÍNH LIỀU TRONG Y HỌC HẠT NHÂN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao Mã số: 60 44 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN ĐÔNG SƠN Thành phố Hồ Chí Minh – 2011
LỜI CẢM ƠN B 0 Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiều của các thầy cô, gia đình và bạn bè. Đó là nguồn động lực lớn cho tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Đông Sơn, thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy tôi tận tình trong suốt thời gian qua, các thầy cô trong hội đồng phản biện đã dành thời gian đọc và góp ý cho luận văn được hoàn chỉnh hơn. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh và ủng hộ tôi.
MỤC LỤC B 1 LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... 2 3T T 3 MỤC LỤC ................................................................................................................................ 3 3T T 3 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... 5 3T T 3 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1 3T T 3 CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP MIRD TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG TRONG Y HỌC 3T HẠT NHÂN .............................................................................................................................. 4 T 3 1.1.Nguyên lý đánh dấu phóng xạ ................................................................................................................. 4 3T 3T 1.2.Phương pháp MIRD tính liều chiếu trong ................................................................................................ 5 3T T 3 1.2.1.Các khái niệm cơ bản ....................................................................................................................... 6 T 3 3T 1.2.2.Phương pháp MIRD cơ bản............................................................................................................ 12 T 3 3T 1.3.Nguồn dữ liệu tính liều chiếu trong ....................................................................................................... 18 3T 3T 1.3.1.Tỉ lệ hấp thụ riêng và giá trị S ........................................................................................................ 19 T 3 3T 1.3.2.Hoạt độ tích lũy ............................................................................................................................. 19 T 3 3T 1.3.2.1.Các thiết bị ghi đo ..................................................................................................................... 21 T 3 3T 1.3.2.2.Phương pháp tính hoạt độ tích lũy ............................................................................................. 21 T 3 T 3 CHƯƠNG 2: PHẦN MỀM OLINDA/EXM TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG TRONG Y 3T HỌC HẠT NHÂN [35,36].......................................................................................................26 3T 2.1.Giới thiệu chung .................................................................................................................................... 26 3T 3T 2.2.Sử dụng chương trình OLINDA ............................................................................................................ 27 3T 3T 2.3. Các tính năng của OLINDA ................................................................................................................. 28 3T 3T 2.4. Phương pháp tính liều trong OLINDA .................................................................................................. 35 3T 3T 2.5.Đầu ra của OLINDA ............................................................................................................................. 48 3T 3T 2.6. Sử dụng các file có sẵn trong OLINDA ................................................................................................ 49 3T T 3 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM OLINDA ĐỂ TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG VỚI 3T DƯỢC CHẤT PHÓNG XẠ 18F-FDG ....................................................................................50 P P 3T
3.1.Đặc điểm dược chất phóng xạ 18F-FDG [14,48,49] ................................................................................ 50 3T P P T 3 3.2.Dữ liệu động học của 18F-FDG [13,14,24] ............................................................................................ 51 3T P P T 3 3.2.1. Dữ liệu động học FDG từ nghiên cứu của T. Hays (Mĩ) [13,14] .................................................... 51 T 3 T 3 3.2.2.Dữ liệu động học từ nghiên cứu của Mejia (Nhật Bản) [24]............................................................ 58 T 3 T 3 3.3.Tính liều hấp thụ 18F-FDG bằng OLINDA............................................................................................. 66 3T P P T 3 3.3.1.Tính liều từ dữ liệu động học của T. Hays (Mĩ) .............................................................................. 66 T 3 T 3 3.3.1.1.So sánh kết quả tính liều bằng OLINDA với các nguồn khác ..................................................... 66 T 3 T 3 3.3.1.2.Đánh giá đóng góp của beta và photon tới tổng liều ................................................................... 70 T 3 T 3 3.3.1.3.So sánh liều hiệu dụng trong chẩn đoán YHHH dùng FDG với chẩn đoán CT và X quang ........ 73 T 3 T 3 3.3.2.Tính liều từ dữ liệu động học của Nhật Bản (Mejia) ....................................................................... 74 T 3 T 3 3.3.2.1.Vai trò của việc hiệu chỉnh khối lượng trong tính liều bằng OLINDA phù hợp với từng đối tượng T 3 bệnh nhân ............................................................................................................................................. 74 T 3 3.3.2.2.Tính liều hấp thụ cho đối tượng bệnh nhân Châu Âu - Châu Mĩ, Nhật Bản và Việt Nam............ 78 T 3 T 3 3.3.3.Tính liều từ dữ liệu động học của ICRP ......................................................................................... 86 T 3 T 3 KẾT LUẬN .............................................................................................................................91 3T T 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................93 3T 3T PHỤ LỤC ................................................................................................................................97 3T T 3
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2B Các kí hiệu A Hoạt độ phóng xạ A% Hoạt độ tích luỹ D Liều hấp thụ & D Suất liều hấp thụ DF Hệ số liều E Năng lượng f Tỉ lệ hoạt độ hấp thụ HT R Liều tương đương k Hằng số tỉ lệ m Khối lượng cơ quan N Số hạt nhân phân rã trong cơ quan nguồn S Giá trị S SAF Tỉ lệ hấp thụ riêng SEE Năng lượng hấp thụ hiệu dụng φ Tỉ lệ hấp thụ riêng ϕ Tỉ lệ hấp thụ ∆ Năng lượng trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích luỹ Tb R Thời gian bán rã sinh học Tp R Thời gian bán rã vật lý Te R Thời gian bán rã hiệu dụng λb Hằng số bán rã sinh học λp Hằng số bán rã vật lý λe Hằng số bán rã hiệu dụng WR Trọng số bức xạ WT Trọng số mô Các chữ viết tắt CT Computed Tomography DCPX Dược Chất Phóng Xạ ĐVPX Đồng Vị Phóng Xạ EDE Effective Dose Equivalent
ED Effective Dose FDG Fluorodeoxyglucose (18F-FDG) P P GI Gastrointestinal tract IAEA International Atomic Energy Agency ICRP International Commission on Radiological Protection LET Linear Energy Transfer MIRD Medical International Radiation Dose PET Positron Emission Tomography RIDIC Radiation Internal Dose Information Center YHHN Y Học Hạt Nhân
MỞ ĐẦU B 3 Y học hạt nhân là chuyên ngành nghiên cứu, ứng dụng các đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Nó phát triển cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật đặc biệt là vật lý hạt nhân, bắt nguồn từ sự kiện Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ năm 1896, Pierre và Marie Curie tách được hai chất phóng xạ tự nhiên Radium và Polonium vào năm 1898, sau đó là việc tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo từ khoảng 1940 đã tạo tiền đề cho việc chẩn đoán và điều trị bằng đồng vị phóng xạ dựa trên nguyên lý đánh dấu Hesevy [3,40]: “cơ thể sống không có khả năng phân biệt các đồng vị của cùng một nguyên tố nên khi đưa vào cơ thể sống các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố thì chúng tham gia vào các phản ứng sinh học và chịu sự chuyển hóa như nhau”. Hơn nửa thế kỉ phát triển, Y học hạt nhân đã chứng minh được hiệu quả, độ an toàn và lợi ích kinh tế của nó. Trên thế giới, mỗi ngày có hàng ngàn bệnh nhân được điều trị bằng đồng vị phóng xạ với tỷ lệ thành công cao so với các phương pháp khác. Đóng góp của Y học hạt nhân trong chẩn đoán là rất đáng kể với con số 40 ngàn bệnh nhân mỗi ngày [26], và đang có xu hướng tăng lên khá nhiều cùng với sự tiến bộ của các kĩ thuật ghi đo SPECT, PET hay liên kết giữa SPECT/CT và PET/CT. Ở nước ta, Y học hạt nhân hình thành và phát triển bắt đầu từ những năm 1960 với việc thành lập “Đơn vị nghiên cứu phóng xạ” tại bệnh viện Bạch Mai và “Khoa phóng xạ y học” tại học viện Quân y. Đến nay chúng ta đưa vào hoạt động lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cung cấp dược chất phóng xạ, đồng thời có thêm khoa Y học hạt nhân của bệnh viện Chợ Rẫy và khoảng 20 cơ sở trong cả nước thực hiện chẩn đoán cho khoảng 500 nghìn bệnh nhân [5,52], và điều trị cho hàng ngàn bệnh nhân bị các bệnh về tuyến giáp, ung thư và khối u mỗi năm. Chúng ta có nhiều thuận lợi là được hỗ trợ từ các nước phát triển cùng với tiến bộ của khoa học kĩ thuật, nên ngành Y học hạt nhân phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên những trở ngại chúng ta gặp phải là không nhỏ. Đó là nguồn dược chất phóng xạ không đủ cung cấp trong nước nên phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao, vận chuyển và bảo quản khó khăn, điều kiện để đảm bảo an toàn phóng xạ chưa đáp ứng đủ, hạn chế về nguồn tài chính, nguồn nhân lực cũng như thiếu cơ sở có tính đồng bộ để thực hiện hết chức năng của ngành Y học hạt nhân [2]. Mục tiêu của Y học hạt nhân trong chẩn đoán là dùng đồng vị phóng xạ với vai trò là chất đánh dấu để thăm dò, đánh giá hoạt động chức năng của các cơ quan trong cơ thể, từ đó phát hiện bệnh lý mà không gây tác hại nào lên bệnh nhân. Còn trong điều trị, ta phải dùng liều phóng xạ tương đối lớn dựa trên tác dụng tiêu diệt tế bào của bức xạ lên cơ thể sống để làm thay đổi chức năng hay hủy diệt tổ
chức bệnh. Tuy nhiên, tổ chức lành cũng có thể bị ảnh hưởng gây tổn hại đáng kể đến bệnh nhân nếu việc tính toán liều không chính xác. Do đó cần tính liều cung cấp cho bệnh nhân sao cho tất cả các tổ chức trong cơ thể tác hại không đáng kể trong chẩn đoán và các tổ chức lành không bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi điều trị mà vẫn đạt được hiệu quả tối ưu. Hiện nay phương pháp tính liều chiếu trong MIRD được sử dụng bởi Ủy Ban Quốc Tế về An Toàn Phóng Xạ ICRP là phương pháp được đánh giá cao và ngày càng phổ biến. Bên cạnh đó những phần mềm tính liều được phát triển để giảm thiểu thời gian và độ phức tạp trong tính toán liều như MIRDOSE, OLINDA/EXM. Trong đó OLINDA là phần mềm được tổ chức Quản lý thuốc và thực phẩm FDA khuyến cáo sử dụng để tham khảo giá trị liều chiếu trong, từ đó đưa ra quyết định cung cấp liều phù hợp với bệnh nhân trong chẩn đoán và điều trị. Phần mềm này hiện nay được sử dụng rộng rãi vì những tiện ích của nó như thời gian tính liều nhanh, nhiều đồng vị phóng xạ và mô hình được đưa vào, đồng thời cho kết quả tính liều với khá phù hợp với phần mềm tính liều MIRDOSE, đồng thời khắc phục một số hạn chế của MIRDOSE [35]. Một vấn đề đặt ra cho nhân viên Vật lý khi tham gia vào Y học hạt nhân là tìm hiểu, áp dụng, cải tiến các phương pháp tính liều một cách khoa học, chính xác và phù hợp với từng đối tượng bệnh nhân. Điều này hết sức cần thiết vì việc áp dụng Y học hạt nhân trong chẩn đoán, điều trị ở Việt Nam và thế giới còn nhiều hạn chế, vì nhiều lý do như chi phí, công sức và độ phức tạp trong việc tính liều chiếu trong nên việc cấp liều cho bệnh nhân là theo hoạt độ cố định, mà không tính riêng cho từng trường hợp. Điều đó sẽ dẫn tới tình trạng bệnh nhân có thể nhận một liều lớn hơn cần thiết gây ra những tổn hại không đáng có cho các mô lành và những hậu quả lâu dài cho sức khỏe của bệnh nhân. Hoặc bệnh nhân có thể nhận một liều thấp hơn cần thiết không mang lại hiệu quả tốt nhất trong điều trị và chẩn đoán dẫn tới nhiều hệ lụy. Trong điều kiện có thể, luận văn sẽ tìm hiểu và ứng dụng phần mềm OLINDA để tính liều trong chẩn đoán, điều trị bằng đồng vị phóng xạ sao cho chính xác và khả thi nhất với đối tượng là bệnh nhân Việt Nam, cụ thể là tính liều với dược chất 18 P F-FDG trong chẩn đoán và theo dõi tiến triển của bệnh P ung thư – một căn bệnh đe dọa mọi quốc gia, mọi đối tượng và là nguyên nhân gây tử vong cao thứ hai trong nhóm bệnh không lây nhiễm. Từ mục tiêu trên, nội dung của luận văn sẽ bao gồm 3 chương. Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết, bao gồm những vấn đề như nguyên lý sử dụng đồng vị phóng xạ và phương pháp MIRD tính liều chiếu trong Y học hạt nhân, đó là các kiến thức cơ bản để khảo sát chương 2 và 3. Chương 2 sẽ tìm
hiểu phần mềm tính liều chiếu trong OLINDA/EXM với các chức năng, mô hình, giao diện và cách sử dụng. Chương cuối cùng – chương 3, sẽ trình bày ứng dụng của phần mềm OLINDA tính liều chiếu trong khi tiêm dược chất phóng xạ 18F-FDG vào cơ thể bệnh nhân để chẩn đoán và theo dõi tiến triển P P của bệnh ung thư với dữ liệu động học từ các nghiên cứu của Mĩ và Nhật Bản, từ đó hiệu chỉnh liều cho đối tượng là người Việt Nam.
CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP MIRD TÍNH LIỀU CHIẾU TRONG TRONG 4B Y HỌC HẠT NHÂN Chương này giới thiệu nguyên lý đánh dấu phóng xạ sử dụng trong YHHN; phương pháp MIRD tính liều chiếu trong, cách xác định hệ số hấp thụ riêng và giá trị S, đồng thời tìm hiểu các kĩ thuật ghi đo và phương pháp xác định hoạt độ tích lũy. 1.1.Nguyên lý đánh dấu phóng xạ 10B YHHN là một chuyên ngành của y học bao gồm việc sử dụng các đồng vị phóng xạ để chẩn đoán, điều trị bệnh và nghiên cứu y học. Việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ này chủ yếu dựa trên hai kĩ thuật cơ bản: kĩ thuật đánh dấu phóng xạ và dùng bức xạ phát ra từ đồng vị phóng xạ để tạo ra các hiệu ứng sinh học mong muốn lên tổ chức sống. Kĩ thuật trên dựa trên nguyên lý đánh dấu Hevesy [3,40]: “cơ thể sống không có khả năng phân biệt các đồng vị của cùng một nguyên tố nên khi đưa vào cơ thể sống các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố thì chúng tham gia vào các phản ứng sinh học và chịu sự chuyển hóa như nhau”. Vì vậy khi biết một nguyên tố hóa học hay một chất nào đó tham gia vào quá trình chuyển hóa ở một tổ chức hoặc cơ quan nào đó cần chẩn đoán, điều trị, có thể dùng đồng vị của nguyên tố hóa học đó hoặc chất đó được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ và đưa vào cơ thể. Chất này sẽ di chuyển tới và tập trung tại vị trí cần chẩn đoán, điều trị. Các ĐVPX rất ít khi dùng dưới dạng nguyên tố mà phần lớn ở dưới dạng hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ. Dược chất phóng xạ là những hợp chất đánh dấu hạt nhân phóng xạ được điều chế dưới dạng thuốc uống hoặc tiêm dùng trong chẩn đoán và điều trị. Như vậy DCPX gồm hai thành phần: dược chất dùng để đánh dấu và nhân phóng xạ. Việc đưa DCPX vào trong cơ thể bệnh nhân có thể thực hiện bằng hai cách: Tiêm vào tĩnh mạch hay cho uống DCPX. Do quá trình chuyển hóa trong cơ thể, DCPX sẽ tập trung tại cơ quan đích. Tiêm trực tiếp vào các hốc trong cơ thể (khớp xương, hốc trong phổi,…). Dược chất phóng xạ sẽ nằm trong các hốc đó và không tan vào máu, tức không tham gia vào quá trình trao đổi chất. DCPX có đầy đủ tính chất và yêu cầu của một loại dược chất thông thường ngoài đặc tính phóng xạ của nó. Đặc điểm của một DCPX lý tưởng:
Vô khuẩn, không gây sốt Cấu trúc ít bị phân hủy do thời gian và do pha chế Được hấp thụ hoàn toàn, nhanh chóng và chỉ riêng cơ quan đích Nhanh chóng và hoàn toàn đào thải ra khỏi cơ thể Có đặc tính vật lý phù hợp với chỉ tiêu và kĩ thuật ghi đo Tiện sử dụng và độ an toàn cao, tính kinh tế cao Được cung cấp thuận lợi, nhanh chóng, nồng độ ít thay đổi. Khi đưa dược chất phóng xạ vào cơ thể, bức xạ do nó phát là một con dao hai lưỡi. Một mặt nó gây ra những hiệu ứng sinh học mong muốn lên tổ chức sống như tiêu diệt các tổ chức bệnh lý trong cơ thể khi điều trị; hay hấp thụ mạnh trong cơ quan cần chẩn đoán, trải qua quá trình sinh hóa để xác định cơ quan đó có bị rối loạn chức năng hay không. Mặt khác nó gây ra những ảnh hưởng nhất định lên các tổ chức lành và gây ra những hiệu ứng lâu dài làm tổn hại sức khỏe của bệnh nhân. Do đó cần có phương pháp xác định liều cấp cho bệnh nhân, đặc biệt là liều hấp thụ để vừa đảm bảo hiệu quả chẩn đoán, điều trị, vừa đảm bảo an toàn cho bệnh nhân. Liều hấp thụ gây bởi nguồn đặt bên trong cơ thể được gọi là liều chiếu trong (internal dose). 1.2.Phương pháp MIRD tính liều chiếu trong 1B Hiện nay việc tính liều chiếu trong trong YHHN chủ yếu sử dụng các kĩ thuật, phương trình và các nguồn dữ liệu được phát triển bởi Ủy ban MIRD (Medical Internal Radiation Dose) của Mỹ [32, 33]. MIRD sử dụng hệ thống các kí hiệu và đại lượng để tính liều hấp thụ trong cơ quan bia từ phân rã phóng xạ trong cơ quan nguồn. Những tính toán này phụ thuộc: Năng lượng phát ra trong mỗi phân rã phóng xạ Khối lượng của các cơ quan Chu kì phân rã vật lý và sinh học Mô hình toán học chuẩn (phantom) và mô hình sinh – động học chuẩn Phần mềm máy tính, trước đây là MIRDOSE, hiện giờ dùng OLINDA Bảng tính liều ứng với một đơn vị hoạt độ ban đầu của các DCPX khác nhau
Để đảm bảo an toàn trong sử dụng dược chất phóng xạ đưa vào cơ thể, điều cần thiết là cần xác định liều hấp thụ mà bệnh nhân nhận được bao nhiêu. Nó không được đo trực tiếp mà được tính toán từ những giả định và những quy trình chuẩn, dựa trên các phantom (vật giả người) hay các mô hình toán học mô tả cơ thể người. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu những khái niệm cơ bản, phương trình cơ bản và các kỹ thuật sử dụng trong phương pháp MIRD. 1.2.1.Các khái niệm cơ bản 2B Phương pháp MIRD được sử dụng để tính liều hấp thụ của vùng hay cơ quan nhận bức xạ từ cơ quan hoặc vùng phát bức xạ. Vùng hay cơ quan nhận bức xạ được gọi là vùng bia hay cơ quan bia, kí hiệu r k , gọi tắt là bia. Vùng hay cơ quan phát bức xạ được gọi là vùng nguồn hay cơ quan nguồn, kí R R hiệu r h , gọi tắt là nguồn [31]. Bia và nguồn có thể là hai cơ quan riêng biệt và cũng có thể trùng nhau. R R Các DCPX được đưa vào cơ thể người qua đường chích hay uống, đến tập trung tại các cơ quan và phát bức xạ. Mục đích của việc tính liều là xác định liều hấp thụ tại các cơ quan bia khi biết sự phân bố DCPX tại các cơ quan nguồn. Dạng hình học của các cơ quan bia và cơ quan nguồn được mô phỏng bằng mô hình giải phẫu chuẩn gọi là phantom MIRD.
Hình 1.1. Hình ảnh bên ngoài của phantom MIRD [32] Liều hấp thụ tại bia phụ thuộc vào các tính chất của bức xạ như năng lượng, khối lượng, điện tích và quan trọng nhất là quãng chạy trong mô. Để đơn giản, bức xạ được chia làm 2 loại [32]: Loại bức xạ xuyên thấu là những bức xạ có khả năng đi được quãng đường dài trước khi tương tác và mất năng lượng, nghĩa là có quãng chạy dài. Những bức xạ được xem là bức xạ xuyên thấu là photon có năng lượng lớn hơn 10 keV. Loại bức xạ không xuyên thấu là những bức xạ bị suy giảm dễ dàng, năng lượng của nó bị hấp thụ ở khoảng cách ngắn so với nơi nó phát ra, nghĩa là có quãng chạy ngắn. Loại này gồm bức xạ alpha, bêta, electron và photon năng lượng nhỏ hơn 10 keV. Bảng 1.1. Tính chất của các bức xạ phát ra từ dược chất phóng xạ [39]
Loại bức xạ Khối Điệ Loại Quãng lượng n tích năng lượng chạy trong mô tương đối mềm α 7,400 +2 4- µm β+ 1 +1 8MeV P P mm β- 1 -1
Bảng 1.2. Những kí hiệu, đại lượng và đơn vị sử dụng trong MIRD [39] Kí Đại lượng Đơn vị thường Đơn vị trong hiệu dùng hệ SI A Hoạt độ phóng xạ Ci Bq % A Hoạt độ tích lũy Ci-h Bq-s D Liều hấp thụ rad (100erg/s) Gy (1J/kg) & D Suất liều hấp thụ rad/s Gy/s H Liều tương đương Rem Sv & H Suất liều tương đương rem/s Sv/s S Liều trung bình trên một đơn vị rad/ µ Ci − h Gy/Bq-s hoạt độ tích lũy ∆ Năng lượng trung bình trên một g-rad/ µ Ci − h kg-Gy/Bq-s đơn vị hoạt độ tích lũy τ Thời gian lưu trú h s Ei Năng lượng ứng với hạt i eV J (cả eV) ni Tần suất phát hạt i ϕ Tỷ lệ hấp thụ φ Tỷ lệ hấp thụ riêng g-1 P kg-1 P m Khối lượng cơ quan g kg T* Thời gian bán rã h s
λ∗ Hằng số phân rã h-1 P s-1 P ∗ - T và λ có thể là thời gian bán rã và hằng số phân rã vật lý, sinh học hoặc hiệu dụng. Ý nghĩa của một số đại lượng: Hoạt độ phóng xạ A là đại lượng đặc trưng cho mỗi loại hạt nhân về tốc độ phân rã. Hoạt độ tích lũy A%tại một cơ quan nguồn trong khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 được xác định bởi: R R R R t2 ∫ A(t )dt A%(t1 − t2 ) = t1 (1.1) Hoạt độ tích lũy là tổng số phân rã xảy ra trong khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 trong cơ quan R R R R nguồn mà ta quan tâm. Nó tương ứng với phần diện tích dưới đường cong diễn tả hoạt độ A(t) theo thời gian. Với t 1 , t 2 là thời điểm bắt đầu và kết thúc của khoảng thời gian quan tâm. R R R R Hình 1.2. Đường cong hoạt độ thời gian [31] Hoạt độ tích lũy là đại lượng phụ thuộc quá trình trao đổi chất của cơ thể và đặc điểm của đồng vị phóng xạ, tức phụ thuộc vào cả hai yếu tố vật lý và sinh học. Liều hấp thụ D là lượng năng lượng được hấp thụ từ bức xạ ion hóa trong một đơn vị khối lượng vật chất : D = E/m (1.2) Trong đó, E là năng lượng hấp thụ trong khối vật chất quan tâm, m là khối lượng của khối vật chất đó.
Đơn vị liều hấp thụ trong hệ SI là gray (Gy): 1Gy = 1J/kg Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị rad: 1 rad = 10-2Gy. P P Suất liều hấp thụ D &là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là Gy/s hay rad/s. Liều tương đương H gây bởi một loại bức xạ lên cơ thể sống là tích số giữa liều hấp thụ và một hệ số đặc trưng cho loại bức xạ đó, hệ số này không có đơn vị và được gọi là hệ số chất lượng W R . R R H = W R .DR R (1.3) Đơn vị của H trong hệ SI là sievert (Sv) hoặc rem: 1Sv = 100 rems. Suất liều tương đương H &là liều tương đương hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là Sv/s hoặc rem/s Năng lượng trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích lũy ∆ : trong quá trình phân rã hạt nhân có nhiều loại hạt được phát ra, tần suất phát mỗi loại hạt trên một phân rã là n i, với năng lượng trung bình R R là E i, khi đó ta có: R R R ∆ i =k .ni Ei R (1.4) Với k là hệ số phụ thuộc đơn vị, trong hệ SI, k = 1. Và E = ∑ ni .Ei i (1.5) Suy ra ∆= ∑ ∆= i i k .E Liều trung bình trên một đơn vị hoạt độ tích lũy S là một đại lượng không phụ thuộc thời gian, được xác định bởi: = S ∑∆ φ i i i (1.6) Thời gian lưu trú τ của mỗi nhân phóng xạ ở một cơ quan nguồn được định nghĩa là tỉ số giữa hoạt độ tích lũy tại cơ quan nguồn đó và hoạt độ ban đầu A0 : R R A% τ= A0 (1.7)
Hoạt độ tích lũy trong cơ quan nguồn r h bằng tích của hoạt độ ban đầu A 0 và thời gian lưu trú τ , R R R R tức bằng với hoạt độ tích lũy tới thời điểm τ khi A0 không bị suy giảm do quá trình phân rã vật lý hay R R sinh học, nên τ còn được gọi là là thời gian sống hiệu dụng hay thời gian sống trung bình của hoạt độ ban đầu A0 . R R Vì hoạt độ tích lũy phụ thuộc hai yếu tố phân rã vật lý và phân rã sinh học nên thời gian lưu trú cũng phụ thuộc hai yếu tố này. Tỉ lệ hấp thụ ϕ đối với một cơ quan bia là tỉ số giữa phần năng lượng hấp thụ trong cơ quan bia và toàn bộ năng lượng phát ra từ cơ quan nguồn. Tỉ lệ hấp thụ riêng φ là hệ số hấp thụ trên một đơn vị khối lượng của cơ quan bia. Chu kì bán rã T và hằng số phân rã λ : dược chất phóng xạ khi đưa vào cơ thể, ngoài quá trình phân rã vật lý, còn có thể bị mang đi khỏi mô do quá trình trao đổi chất của cơ thể, nghĩa là bị phân rã sinh học. Vì thế ta trong tính toán ta phải dùng hằng số phân rã hiệu dụng λe , là tổng của hằng số phân rã sinh học λb , và hằng số phân rã vật lý λ p : λ= e λb + λ p (1.8) Do đó chu kì bán hủy hiệu dụng T e sẽ là: R R 1 1 1 = + Te Tb Tp (1.9) Tb × Tp Hay Te = Tb + Tp Với T b là chu kì bán rã sinh học và T p là chu kỳ bán rã vật lý. R R R R 1.2.2.Phương pháp MIRD cơ bản 23B Trong phương pháp MIRD, người ta giả thiết rằng sự phân bố dược chất phóng xạ trong cơ quan nguồn là đồng nhất [39]. Các đồng vị phóng xạ tập trung trong cơ thể phát ra bức xạ đẳng hướng, những vị trí gần nơi tập trung nhân phóng xạ sẽ nhận được liều cao hơn những vị trí xa.
Để tính liều hấp thụ ta dựa vào lượng dược chất phóng xạ cung cấp cho cơ thể bệnh nhân, loại phóng xạ, đặc điểm nguồn và bia. Ta xét trường hợp đơn giản nhất, khi nguồn và bia trùng nhau và thể tích bia lớn so với quãng chạy của bức xạ đủ để bia hấp thụ hết năng lượng bức xạ do nguồn phát ra. Đầu tiên ta sẽ tính suất liều hấp thụ. Suất liều hấp thụ Vì suất liều hấp thụ là năng lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian của một đơn vị khối lượng vật chất, nó thay đổi theo hoạt độ phóng xạ trong một đơn vị khối lượng của vật chất hấp thụ và năng lượng phát ra do sự biến đổi hạt nhân. Chẳng hạn một mô có kích thước rất lớn, tất cả năng lượng phát ra đều được hấp thụ, vì vậy nếu chúng ta xác định được năng lượng phát ra trong một đơn vị thời gian, chúng ta sẽ biết được năng lượng hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Năng lượng phát xạ trong một đơn vị thời gian được tính bằng công thức: E pxn E' = . (1.10) t t n Trong đó E px/t là năng lượng phát xạ trên một đơn vị thời gian R R n/t là số phân rã hạt nhân trên một đơn vị thời gian E = E’/n là năng lượng trên một phân rã Vì hoạt độ phóng xạ là số dịch chuyển hạt nhân trên một đơn vị thời gian, nên công thức trên được viết lại thành: E px = A.E (1.11) t Vì đang xét trường hợp năng lượng phát xạ được hấp thụ hết trong vật chất nên năng lượng hấp thụ bằng năng lượng phát xạ, suy ra suất liều hấp thụ: Eht A = k . .E (1.12) t.m m Trong đó E ht /t.m chính là suất liều hấp thụ R R A Suy ra D& = k . .E (1.13) m
Với k là hệ số tỉ lệ, có giá trị phụ thuộc vào đơn vị sử dụng. Ví dụ, để tính suất liều theo đơn vị rad/h nếu A có đơn vị là μCi và m là g, E là MeV trên một phân rã, thì k sẽ có giá trị là 2,13 và được xác định như sau:    rad  A  µ Ci   4 s −1   3600 s   −6 erg   1rad  D&     3, 7.10   × E ( MeV ) 1, 6.10    h  m  g  µ Ci   h   MeV   100 erg     g  & rad  = ⇔D A   2,13. .E  h  m (1.14) Như đã biết ở trên, năng lượng trung bình phát ra trong mỗi phân rã là một hằng số, tích số k.E được ký hiệu là Δ trong công thức của MIRD: ∆= k .E= ∑∆ i i A A = & Suy ra D .∆= .∑ ∆ i (1.15) m m i Công thức này được áp dụng trong trường hợp nguồn và bia trùng nhau và bia có kích thước đủ lớn để có thể hấp thụ hết năng lượng do nguồn phát ra. Từ công thức tính suất liều cho trường hợp đơn giản nguồn trùng bia, ta cần thiết lập một công thức tính suất liều tổng quát hơn cho cả trường hợp nguồn và bia không trùng nhau hoặc khi nguồn và bia trùng nhau nhưng thể tích của bia không đủ lớn để hấp thụ hết năng lượng bức xạ do nguồn phát ra. Khi đó ta mở rộng công thức ở trên bằng cách bổ sung vào công thức một hệ số tỉ lệ hấp thụ ϕ - cho biết tỉ lệ giữa phần năng lượng hấp thụ tại bia so với toàn bộ năng lượng phát ra từ nguồn. Suất liều hấp thụ trong trường hợp này được xác định như sau: A A D&(rk ← rh ) = h .∆.ϕ (rk ← rh ) = h .∑ ∆ i .ϕi (rk ← rh ) (1.16) mk mk i Có thể biểu diễn qua hệ số tỉ lệ hấp thụ riêng φ : ) Ah .∑ ∆ i .φi (rk ← rh ) D&(rk ← rh = (1.17) Với i D&(rk ← rh ) là suất liều hấp thụ tại cơ quan bia r k từ cơ quan nguồn r h , R R R R