CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LIỀU HIỆN TẠI TRONG Y HỌC HẠT NHÂN Những lợi ích và rủi ro của phương pháp chẩn đoán và điều trị bằng YHHN đặt ra một nhiệm vụ quan trọng trong Y học, đó là tính phân bố liều trong cơ thể. Chương này trình bày cơ sở lý thuyết cũng như tình hình nghiên cứu liên quan đến việc tính liều cho bệnh nhân và người tiếp xúc với bệnh nhân, đặc biệt là các hạn chế liên quan đến việc tính liều ở mức voxel. Cơ sở lý thuyết của việc tính liều 1. Giới thiệu về Y học hạt nhân Y học hạt nhân là một chuyên ngành có những đóng góp lớn cho việc chẩn đoán và điều trị bệnh nói chung và đặc biệt cho việc điều trị ung thư nói riêng.
Phương pháp này dựa trên kỹ thuật sử dụng bức xạ ion hóa phát ra từ các đồng vị phóng xạ (ĐVPX) để thu nhận thông tin về hoạt động sinh hóa của cơ quan cần quan tâm, hay tạo ra hiệu ứng sinh học mong muốn [1]. Theo nguyên lý Hevesy [83], cơ thể sống không có khả năng phân biệt các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố. Do đó, khi đưa các đồng vị này vào cơ thể, chúng sẽ tham gia vào các quá trình sinh học và chuyển hóa như nhau. Dựa vào nguyên lý này, khi biết một nguyên tố nào đó tham gia vào quá trình chuyển hóa ở cơ quan quan tâm, ta có thể đưa ĐVPX của nguyên tố đó vào cơ thể.
Trong chẩn đoán, để theo dõi quá trình chuyển hóa, người ta quan tâm đến hoạt độ phóng xạ tại các cơ quan cần thăm khám. Từ đó, có thể đánh giá được tình trạng, hoạt động chức năng của cơ quan và phát hiện sớm các bất thường. Hoạt độ của thuốc phóng xạ đưa vào cơ thể thường rất nhỏ, cỡ 50-100 µCi [1]. Trong điều trị, người ta cần dùng năng lượng của các tia bức xạ để làm thay đổi chức năng (ức chế quá trình phát triển của tế bào ung thư) hay tiêu diệt tổ chức bệnh.
Liều trong điều trị cao hơn nhiều lần so với trong chẩn đoán (chẳng hạn, trong điều trị ung thư tuyến giáp hoạt độ có thể lên đến 250 mCi) [1]. Bên cạnh những lợi ích trong chẩn đoán và điều trị, khi bức xạ ion hóa đi vào cơ thể sống sẽ tạo ra hiệu ứng sinh học, gây ra những rủi ro cho sức khỏe. Hiệu ứng 7 luan an sinh học mà bức xạ gây ra phụ thuộc vào loại bức xạ, năng lượng của bức xạ và bộ phận bị chiếu [36]. Phần tiếp theo trình bày về cơ chế tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất và các tác động của chúng lên tế bào.
Tương tác của bức xạ ion hóa với vật chất Như đã trình bày ở mục trên, khi bức xạ ion hóa đi vào cơ thể, chúng sẽ tương tác với các vùng mô, gây ra sự hấp thụ năng lượng, từ đó gây ra các hiệu ứng sinh học. Phần này sẽ trình bày về các tương tác (có bỏ lại năng lượng) của electron và photon khi tương tác với vật chất và tác dụng của chúng lên cơ thể. Tương tác giữa electron và vật chất Electron là bức xạ ion hóa trực tiếp, ion hóa nhiều nguyên tử do tương tác Coulomb trực tiếp. Sự kích thích và ion hóa xảy ra cho những nguyên tử nằm dọc theo quỹ đạo của hạt.
Các electron có thể tham gia các loại tương tác khác nhau với nguyên tử của môi trường. Các tương tác có bỏ lại năng lượng: - Kích thích hay ion hóa vỏ nguyên tử. Hạt tương tác Coulomb với electron trong nguyên tử, sự tương tác đó làm hạt mất năng lượng. - Tán xạ không đàn hồi trên nhân: hạt chuyển động chậm dần và phát bức xạ hãm.
Trung bình khoảng một nửa năng lượng mất mát của các bức xạ mang điện là dành cho việc ion hóa, nửa còn lại dành cho sự kích thích. Trong mỗi va chạm gây kích thích hay ion hóa nguyên tử, các electron sơ cấp thường chỉ mất một năng lượng rất bé. Có thể xem rằng electron mất dần năng lượng một cách liên tục dọc theo quãng đường đi [7]. Tương tác giữa photon và vật chất Photon là bức xạ không mang điện, là bức xạ ion hóa gián tiếp.
Trước hết, chúng sẽ tương tác và giải phóng hạt mang điện thứ cấp (thường là electron), sau đó hạt mang điện tương tác Coulomb với electron của nguyên tử của môi trường và kích thích hay ion hóa chúng. Các tương tác của photon là: 8 luan an - Hiệu ứng quang điện: Là sự tương tác của photon và nguyên tử. Toàn bộ năng lượng của photon (h𝜗) được chuyển thành năng lượng dùng để bứt electron (A) và động năng electron (K): h𝜗=A+Ke (1.1) Hiệu ứng này thường xảy ra với electron ở những lớp trong cùng của nguyên tử. - Hiệu ứng Compton: Photon tán xạ trên electron liên kết yếu của nguyên tử, truyền bớt năng lượng cho electron và bay lệch so với hướng cũ.
Tán xạ Compton phụ thuộc vào mật độ electron. Mật độ càng lớn, cường độ tán xạ càng mạnh. Mối quan hệ giữa năng lượng ban đầu (h𝜗), năng lượng tán xạ (h𝜗′) và góc tán xạ (θ) như sau: hϑ hϑ′ = hϑ (1.2) 1+ (1−cosθ) E0 trong đó E0 là năng lượng nghỉ của electron. Trên đây vừa trình bày các quá trình tương tác có bỏ lại năng lượng giữa electron và photon khi tương tác với vật chất.
Khi mô phỏng chúng bằng phương pháp MC, người ta sử dụng các hàm mật độ xác suất. Đối với electron, số tương tác trong vật chất là rất lớn, do đó để tiết kiệm thời gian mô phỏng, người ta dùng kỹ thuật “lịch sử cô đọng” (condense history), nhóm nhiều tương tác nhỏ thành một tương tác lớn. Chi tiết sẽ được trình bày trong Chương 2. Mục tiếp theo trình bày về tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên tế bào.
Tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa lên cơ thể Khi đi vào vật chất, mức độ ion hóa tùy thuộc vào loại bức xạ, năng lượng bức xạ và bản chất vật chất. Photon có tính đâm xuyên mạnh hơn electron, nên chúng không những tác dụng lên các tế bào ở ngoài, mà còn tác dụng lên các tế bào các lớp sâu bên trong cơ quan [93]. Do thành phần chủ yếu của tế bào là nước, nên bức xạ chủ yếu ion hóa các phân tử nước, một phần nhỏ ion hóa các phân tử sinh học. Hiện tượng ion hóa tạo ra các biến đổi phân tử, làm biến đổi cấu trúc và chức năng của tế bào, gây ra các bệnh liên quan bức xạ (ung thư, đục thủy tinh thể…).
9 luan an Một sự tiếp xúc nhất định đối với bức xạ có thể có hoặc có thể không gây tổn hại gen để dẫn đến nguy cơ gây bệnh ung thư. Nhờ có cơ chế tự sửa chữa ADN của tế bào, nên không nhất thiết mọi ảnh hưởng của bức xạ lên gen sẽ gây ung thư. Tác động của bức xạ lên tế bào thường được diễn tả bằng tỷ lệ sống sót của tế bào sau khi bị chiếu bằng một liều bức xạ xác định. Khi xét một số lớn cá thể cùng chịu chiếu xạ như nhau, thì sẽ có một tỉ lệ cá thể chịu tác dụng.
Do tác động ngẫu nhiên của bức xạ gây ung thư nên không có liều ngưỡng, nghĩa là không thể khẳng định rằng liều dưới một mức độ nào đó là an toàn. Đây gọi là hiệu ứng ngẫu nhiên [55]. Với trường hợp liều cao, hiệu ứng chắc chắn sẽ xảy ra khi liều vượt quá một ngưỡng nào đó. Mức độ trầm trọng càng tăng khi liều càng lớn.
Đây gọi là hiệu ứng tất nhiên [55]. Như vậy, ngoài tác dụng tích cực của bức xạ là chẩn đoán và trị bệnh, khi bức xạ đi qua vùng mô lành của bệnh nhân thì vẫn gây ảnh hưởng lên vùng mô này tương tự như vùng mô bệnh lý [60]. Ngoài ra, khi bệnh nhân tiếp xúc với người bên cạnh như nhân viên y tế, gia đình hay người ở nơi công cộng, lượng thuốc phóng xạ còn lại trong cơ thể của bệnh nhân khiến họ trở thành một nguồn phóng xạ, có thể gây rủi ro cho những người mà họ tiếp xúc. Trong nghiên cứu của Ủy ban Nghiên cứu Quốc gia (Mỹ) về tác dụng sinh học của bức xạ ion hóa (Beir) [81] trên 100.000 người nhận liều chiếu gamma là 0,1 Gy trong duy nhất một lần chiếu xạ, sẽ có thêm 800 ca tử vong do ung thư.
Do những rủi ro mà bức xạ có thể gây ra cũng như những nguy cơ tiềm ẩn từ việc chưa hiểu rõ chính xác cơ chế gây ung thư của bức xạ, nhiệm vụ quan trọng được đặt ra là phải hạn chế đến mức thấp nhất liều cho vùng mô lành của bệnh nhân và người tiếp xúc với những bệnh nhân đã sử dụng dược phẩm phóng xạ. Đồng thời, liều cấp cho bệnh nhân cũng phải đủ lớn để tiêu diệt vùng mô bệnh lý. Do không thể đặt các dụng cụ đo liều trong các cơ quan nội tạng cũng như xương, mạch máu, mắt. do đó việc đo liều được thay thế bằng phương pháp tính liều dựa trên những mô hình [34, 41, 99].
Để đánh giá rủi ro cho người tiếp xúc phóng xạ một cách toàn diện hơn, bao gồm tác động của loại bức xạ đến các loại mô khác nhau, 10 luan an người ta sử dụng đồng thời các khái niệm “liều hấp thụ”, “liều tương đương” và “liều hiệu dụng”. Phần tiếp theo trình bày về các đại lượng liều lượng học bức xạ cũng như cách tính phân bố liều. Các đại lượng và đơn vị đo liều bức xạ Liều hấp thụ Khi bất kỳ một vật nào bị chiếu xạ, liều hấp thụ mà vật nhận được được định nghĩa là năng lượng hấp thụ trong vật chia cho khối lượng của vật [55]: E D= (1.3) m Trong đó: D: liều hấp thụ trong vật được chiếu (Gy hay J/kg), E: năng lượng hấp thụ trong vật (J), m: khối lượng của vật (kg). Liều hấp thụ được sử dụng để đánh giá các hiệu ứng tất nhiên.
Liều tương đương Cùng một giá trị liều, các loại bức xạ khác nhau gây ra các hiệu ứng sinh học khác nhau. Ủy ban Quốc tế về An toàn Bức xạ (ICRP) đã đưa ra khái niệm về trọng số bức xạ (WR), như một thước đo tác dụng sinh học của từng loại bức xạ. Liều tương đương được định nghĩa là tích số liều hấp thụ và trọng số tương ứng của từng loại bức xạ [55]: HT = ∑R DT,R WR (1.4) Trong đó: HT: liều tương đương cho một cơ quan T (Sv), DT, R: liều hấp thụ cho một cơ quan T (Gy) đối với bức xạ R, WR: trọng số của bức xạ R.