tạo ảnh bằng đồng vị phóng xạ

TẠO ẢNH BẰNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

1. Dẫn nhập: Tính phóng xạ và y học

2. Cơ sở vật lý hạt nhân3. Khái niệm thời gian bán hủy4. Buồng gamma5. SPECT và PET6. SPECT và PET trong

nghiên cứu não

1. Dẫn nhập: Tính phóng xạ và y học

• Cho đến rất gần đây, chỉ có thể nghiên cứu não một cách gián tiếp

• Hiện tại SPECT và PET (và fMRI) tạo cuộc cách mạng:cấu trúcchức năngbệnh nhânngười bình thường

Kim Peek (1951-2009)

Megasavant:

Bộ não của Kim Peek: Không có thể chai nối hai bán cầu

Ưu điểm chính:

• Độ tương phản tuyệt vời (độ phân giải kém)• Thiên về chức năng hơn là cấu trúc

2. Cơ sở vật lý hạt nhân:

• Vật chất cấu trúc từ các nguyên tử

Nguyên tử luận của Democritus(Hy Lạp, TK 5 BC)Nguyên tửKhoảng không (void)

(Plato: đất, không khí, nước, lửa)

• Nguyên tử:Vỏ điện tử (t/c hóa học)Hạt nhân (tính phóng xạ)

* Hạt nhân: nucleons

Proton (p): mang điện dươnglực mạnh để thắng lực đẩy tĩnh điện

Neutron (n): không mang điện

* Ký hiệu: zXA

Z: số nguyên tử (số p)A: số khối (số p + số n)A - Z: số n

• Đồng vị: các nhân cùng Z khác A

→ tính chất hóa học không thay đổi

• Đồng vị phóng xạ:Do tỷ lệ giữa p và n thay đổi, nhân trở nên không bền và phát các bức xạ hạt nhân alpha, beta, gamma (và có thể cả neutron)

* Các bức xạ hạt nhân đều là bức xạ ion hóa

vì năng lương cực lớn: keV ÷ MeV

→ chỉ một phân rã phóng xạ cũng phá vỡ hàng triệu liên kết hóa học, có năng lượng chỉ cỡ eV(1 eV = 1,6 x 10-19 J)

* Độ xuyên sâu:

• Sâu nhất: gamma

Trong nước:hạt α 5 MeV: 0,01 cmhạt β 1 MeV: 0,4 cmbức xạ γ 1 MeV: nhiều cm

→ Bức xạ γ thường được dùng trong y học:

chẩn đoánđiều trị

3. Khái niệm thời gian bán hủy T1/2:

Quy luật phân rã phóng xạ:

N(t) = No exp (-λt)

trong đó:N(t) số hạt nhân tại thời điểm t No số hạt nhân tại thời điểm

ban đầu λ hằng số phân rã phóng xạ λ = ln2/T1/2 = 0,693/T1/2

Thời gian bán hủy của các đồng vị điển hình:

Đồng vị T1/2 Bức xạ phát ra Carbon 11 20,4 phút Positron Iodine 123 13 giờ Gamma Iodine 131 8,05 ngày Gamma Strontium 90 28,7 năm Electron Carbon 14 5600 năm Electron Plutonium 239 24.000 năm Alpha Uranium 238 4,5 tỷ năm Gamma

Thời gian bán hủy của đồng vị dùng trong y học hạt nhân:

Đồng vị T1/2 Tia γ (keV) Technetium 99 6 giờ 140 Galium 167 78,3 giờ 93, 184, 300 Iodine 123 13 giờ 159 Xenon 133 5,27 ngày 81 Thallium 201 73 giờ 68-80,3

Quá trình đánh dấu phóng xạ:

• Gắn đồng vị với một phân tử hoặc một loại thuốc

• Ngoài T1/2 của đồng vị phóng xạ,còn thời gian bán thải sinh họccủa thuốc TB

• Thời gian bán hủy hiệu dụng TE:

1/ TE = 1/ T1/2 + 1/ TB

→ TE = (T1/2 x TB)/(T1/2 + TB) (*)

Minh họa thời gian hiệu dụng:

Iodine 131, loại đồng vị dùng điều trị ung thư và bệnh tuyến giáp,có T1/2 = 8,05 ngày và TB = 130 ngày.

Vậy: theo biểu thức (*)

TE = (8,05 x 130)/(8,05 + 130)= 7,6 ngày

4. Buồng gamma:

• Trong tạo ảnh bằng ĐVPX, nguồnbức xạ ion hóa nằm trong cơ thể

• Bệnh nhân nuốt, hít hoặc chích loại phân tử đã đánh dấu bằng ĐVPX

• Dược chất phóng xạ được thiết kế phù hợp với quá trình sinh lý muốnkhảo sát hoặc tập trung ưu tiên tạivùng nghiên cứu hoặc cấu trúc bệnh lý (như khối u chẳng hạn)

Buồng gamma có 4 phần:

1. Ống chuẩn trực (collimator):hệ lưới chì chặn tia tán xạ

Lựa chọn giữa độ nhạy cao (ghiđược nhiều bức xạ) và độ phân giải (loại tia tán xạ không xuất phát từ bộ phận khảo sát)

→ Có một số ống trực chuẩn cho các nhiệm vụ khác nhau

2. Tinh thể nhấp nháy (tinh thể ghi)

• Nhạy với tia γ• Phát sáng khi hấp thụ bức xạ• Đủ rộng để ghi được toàn vùng ngực đồng thời• Độ dày phù hợp (cân đối giữa độ nhạy và độ phân giải)

3. Ống nhân quang

Ghi và khuếch đại các bức xạ nhìn thấy do tia γtạo ra khi đi vào tinh thể nhấp nháy

4. Hệ thống xử lý tín hiệu:

Giải mã cường độ tín hiệu và vị trí phát tín hiệu

5. Tạo ảnh bằng đồng vị phóng xạ: SPECT và PET

• Nhược điểm của buồng gammalà chỉ tạo ảnh 2 chiều (tương tự X quang thông thường)

• Khắc phục bằng cách cho buồnggamma quay hoặc bố trí nhiều đầu đo xếp theo vòng tròn (giống CT)

SPECT (single photon emission computed tomography):

• Có thiết kế đầu đo và dùng cùng loại ĐVPX như buồng gamma

→ khả năng ứng dụng tốt

• Ưu điểm: chụp não, tim, mạch máu,u bướu và xương; đo chức năngba chiều; độ tương phản tốt

• Có hạn chế tương tự buồng gamma:độ phân giải kém (1 cm hoặc hơn)lượng ĐVPX lớn vì ít photon tới được đầu đo

PET (positron emission tomography)

• Dùng ĐVPX phát positron. khi gặp electron, chúng hủy nhau, tạo 2 tia gamma 0,511 MeV.

• Thường dùng các đồng vị:oxy 15, carbon 11, nito 13,fluorine 18, gallium 68 và rubidium 82

• Đồng vị thường chế tạo từ máy gia tốc vòng cyclotron

Ưu điểm của PET CT-Scanner

• Độ nhạy cao vì không dùng ống trực chuẩn (tối thiểu gấp 100 lần SPECT)

Ưu điểm của PET CT-Scanner

• Độ phân giải cao hơn SPECT

Ưu điểm của PET CT-Scanner

• Nhiều nguyên tố phát positron có nguyên tử số thấp, nên dễ ghép với các hợp chất hoạt hóa về mặt sinh học, bao gồm các đồng vị của oxy, carbon, ni-tơ hoặc fluorine.

Đồng vị T1/2

(phút)

Tạo positron (%)

Emax(MeV)

Cách chế tạo

11C 20,40 99,0 0,960 Cyclotron

13N 9,96 100,0 1,190 Cyclotron

18F 110,00 97,0 0,635 Cyclotron

15O 2,04 99,9 1,720 Cyclotron

82Rb 1,27 96,0 3,350 Máy tạo

62Cu 9,80 98,0 2,930 Máy tạo

68Ga 68,10 90,0 1,900 Máy tạo

Ưu điểm của PET (và SPECT):

• Đo đạc chức năng hơn là cấu trúc→ Bổ sung cho các kỹ thuật mạnh về

cấu trúc như CT hoặc MRI

• Độ tương phản tốt

Hạn chế:

• Độ phân giải kém: 6 mm

• Chế tạo đồng vị khó

6. SPECT và PET nghiên cứu não:

• Tia gamma truyền qua hộp sọ dễ dàng→ SPECT và PET có ưu thế với não

• Theo dõi dòng máu và thể tích máu, sự tiêu thụ glucose, chuyển hóa oxy trong não

• Nghiên cứu chức năng hơn là cấu trúc

• Theo dõi bộ não đang tư duy

Bộ nãođang hoạt động