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
bệnh nhân ............................................................................................................................................. 74
T
3

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

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

Thời gian bán rã sinh học

Tp

Thời gian bán rã vật lý

Te

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

R

R

R

R

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)

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

P

P


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
Y HỌC HẠT NHÂN
4B

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

lượng

Điệ
n tích

Loại
năng lượng

tương đối
α

+2

1

+1

β-

1

-1

<2MeV

Electron biến hoán

1

-1

<2MeV

Electron auger

1

-1

<2MeV

Tia X

0

0

<50Ke

P

P

P

0

µm

48MeV

V
Tia gamma

chạy trong mô
mềm

7,400

β+

Quãng

mm
mm
mm
mm
mm

đến

cm

0
<80Ke
V
<2MeV

cm đến m

Bảng 1.2. Những kí hiệu, đại lượng và đơn vị sử dụng trong MIRD [39]
Kí

Đại lượng

hiệu

Đơn vị thường
dùng

Đơn vị trong
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

g-rad/ µ Ci − h

kg-Gy/Bq-s

hoạt độ tích lũy
∆

Năng lượng trung bình trên một
đơn vị hoạt độ tích lũy

τ

Thời gian lưu trú

h

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

kg-1

m

Khối lượng cơ quan

g

kg

T*

Thời gian bán rã

h

s

P

s

P


λ∗
∗

h-1

Hằng số phân rã

s-1

P

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%(t1 − t2 ) =
∫ A(t )dt

(1.1)

t1

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

&là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là Gy/s hay rad/s.
Suất liều hấp thụ D

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

H = W R .D
R

Đơn vị của H

(1.3)

R

R

trong hệ SI là sievert (Sv) hoặc rem: 1Sv = 100 rems.
&là liều tương đương hấp thụ trong một đơn vị thời gian. Đơn vị là Sv/s
Suất liều tương đương H

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

∆ i =k .ni Ei

R

(1.4)

Với k

R

là hệ số phụ thuộc đơn vị, trong hệ SI, k = 1.

E = ∑ ni .Ei

Và

(1.5)

i

Suy ra ∆=

∑ ∆=
i

k .E

i

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

(1.6)

i i

i

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

τ=

A%
A0

(1.7)

R

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=
λb + λ p
e

(1.8)

Do đó chu kì bán hủy hiệu dụng T e sẽ là:
R

R

1
1
1
=
+
Te Tb Tp
(1.9)
Hay Te =

Tb × Tp
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 px

n E'
= .
t
t n

(1.10)

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
t

= A.E

(1.11)

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
t.m
m

(1.12)

Trong đó E ht /t.m chính là suất liều hấp thụ
R

R

Suy ra

A
D& = k . .E
m

(1.13)


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 
D&

 h 

  3600 s 
A  µ Ci  

4 s
−6


  3, 7.10

 × E ( MeV ) 1, 6.10
µ Ci   h 
m  g 

−1

A
& rad  =
⇔D

 2,13. .E
m
 h 


erg   1rad

MeV   100 erg

g









(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

&
=
Suy ra D

A
A
.∆=
.∑ ∆ i
m
m i

(1.15)

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 )
mk
mk i

(1.16)

Có thể biểu diễn qua hệ số tỉ lệ hấp thụ riêng φ :

D&(rk ← rh =
) Ah .∑ ∆ i .φi (rk ← rh )

(1.17)

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

Với

A h là hoạt độ tại cơ quan nguồn,
R

R

m k là khối lượng bia,
R

R

∆i là năng lượng trung bình trên một phân rã của loại bức xạ thứ i,

ϕ i (r k ←r h ) là tỉ lệ hấp thụ đối với loại bức xạ thứ i,
R

R

R

R

R

R

φ i (r k ←r h ) là tỉ lệ hấp thụ riêng đối với loại bức xạ thứ i,
R

R

R

R

R

R

(r k ← r h ) để chỉ rằng bức xạ từ nguồn r h đến bỏ năng lượng trong bia r k .
R

R

R

R

R

R

R

R

Thông tin về loại bức xạ và năng lượng phát ra từ các nhân phóng xạ dùng trong YHHN thường
được biết rất rõ, do đó Δ i thường được xem như đã biết, khối lượng của cơ quan bia mk có thể được đo
R

R

R

R

hay ước lượng dựa trên các phép chẩn đoán hình ảnh, hoạt độ A h trong các cơ quan nguồn cũng có thể
R

R

được xác định từ các phép chẩn đoán hình ảnh YHHN. Việc tính các hệ số tỉ lệ hấp thụ φ i là một trong
R

R

những nhiệm vụ chính của phương pháp MIRD.
Tỉ lệ hấp thụ và tỉ lệ hấp thụ riêng ứng với từng mức năng lượng của từng loại bức xạ và ứng với
cặp nguồn bia xác định được tính và cho ở bảng dữ liệu của MIRD5 [32]. Đối với bức xạ không xuyên
thấu, tất cả năng lượng được xem như hấp thụ hết trong cơ quan chứa nguồn và không gây ảnh hưởng
tới các cơ quan khác, nên tỉ lệ hấp thụ tại bia khi nguồn và bia trùng nhau là φ = 1 , khi nguồn và bia
không trùng nhau là φ = 0 . Đối với bức xạ xuyên thấu, chỉ một phần năng lượng bức xạ từ cơ quan
nguồn được hấp thụ trong cơ quan bia, một phần sẽ thoát ra khỏi cơ thể, nên tỉ lệ hấp thụ sẽ nằm trong
khoảng từ 0 đến 1.


Hình 1.3. Tính hấp thụ trong mô khác nhau giữa photon và electron, alpha [39]

Đối với đồng vị phóng xạ cho trước và cặp nguồn – bia cho trước thì

∑ ∆ .φ (r

i

i

k

← rh ) là hằng số,

i

khi đó ta đặt S =

∑ ∆ .φ (r
i

i

← rh ) , và công thức tính suất liều hấp thụ có thể viết gọn hơn:

k

i

&(r ← r =
D
Ah .∑ ∆ i .φi (rk ← rh =
) Ah .S (rk ← rh )
k
h)

(1.18)

i

Đa số các trường hợp liều hấp thụ mà một cơ quan bia nhận được là do năng lượng bức xạ từ một
số cơ quan nguồn phát tới. Khi có nhiều nguồn h phát bức xạ tới bia ta có công thức tổng quát:

∑ A .∑ ∆ .φ (r

&(r =
D
k)

h

h

D(rk )
Hay=
&

∑ A .S (r
h

i

i

k

← rh )

(1.19)

i

k

← rh )

(1.20)

h

Đây là hai công thức dùng để xác định suất liều hấp thụ tại cơ quan bia rk do năng lượng từ một
số cơ quan nguồn chiếu tới khi biết hoạt độ phóng xạ tại nguồn Ah và tỉ lệ hấp thụ riêng φ hay hệ số S.
Sau khi xác định được suất liều hấp thụ, ta đi thiết lập công thức tính liều hấp thụ.
Liều hấp thụ
Nếu hoạt độ của nguồn không đổi trong suốt thời gian mà ta quan tâm, liều hấp thụ có thể được
tính:

D= D&× t

(1.21)

Với t là thời gian tình liều. Nếu suất liều có đơn vị là rad/h, thời gian có đơn vị là h, thì liều hấp
thụ sẽ có đơn vị là rad.
Nếu hoạt độ của nguồn thay đổi, liều hấp thụ sẽ được tính bằng cách lấy tích phân suất liều hấp
thụ theo thời gian:
∞

&(t )dt
D= ∫D
0

(1.22)


∞

=
D

∫ A (t )∑ ∆ .φ (r
h

i

i

∞

k

∫ ∑ A (t ).S.dt

← rh ).dt
=

h

i

0

(1.23)

0 h

Thường thì S không thay đổi trong khoảng thời gian quan tâm, nên:
∞

D = S ∫ ∑ Ah (t ).dt
0 h

(1.24)

∞

A%= ∫ A(t ).dt

Đồng thời ta có

(1.25)

0

Vì tích phân của một đường cong liên tục sẽ bằng diện tích của phần dưới cong, nên hoạt độ tích

%có thể được tính trực tiếp bằng việc đo phần diện tích phía dưới đường cong hoạt độ theo thời

lũy A
gian. Tích phân này cũng có thể được tính xấp xỉ bằng phương pháp hình thang hay bằng một đường
cong làm khớp khác.
Phương trình liều hấp thụ tại cơ quan bia k do nhận được bức xạ phát ra từ tất cả các cơ quan
nguồn h có thể được viết là:

=
D(rk )

∑ A%.S (r
h

k

← rh )

(1.26)

h

Khi xác định được liều hấp thụ ước lượng cho các cơ quan và liều cần thiết để chẩn đoán hoặc
điều trị, ta tính được lượng dược chất phóng xạ (hoạt độ ban đầu A 0 ) cần cung cấp sao cho đạt được
R

R

hiệu quả sử dụng dược chất phóng xạ cao nhất mà vẫn đảm bảo an toàn phóng xạ cho bệnh nhân.
Thời gian lưu trú của một đồng vị phóng xạ trong cơ quan nguồn có thể được dùng để thay thế
cho hoạt độ tích lũy khi tính liều hấp thụ cho cơ quan bia.

τ =

%
A
h
A0

(1.27)

Thời gian lưu trú phụ thuộc vào cả phân rã vật lý và phân rã sinh học. Khi sử dụng đại lượng này,
công thức tính liều hấp thụ trở thành:


=
Dk (rk ) A0 ∑τ h S (rk ← rh )

(1.28)

h

Có thể tính liều hấp thụ trên một đơn vị hoạt độ ban đầu cung cấp cho bệnh nhân:

Dk
=
A0

=
D
k

∑τ .S (r
h

k

← rh )

(1.29)

h

Liều tương đương và liều hiệu dụng
Liều tương đương H là tích số giữa liều hấp thụ D trong mô và một hệ số đặc trưng cho loại bức
xạ đó được gọi là hệ số chất lượng,W R :
R

H = WR .D

R

(1.30)

Đơn vị của liều tương đương trong hệ SI là Sievert (Sv):

H ( Sv) = WR .D (Gy )

(1.31)

Ngoài ra người ta cũng thường dùng đơn vị rem (1Sv = 100rem):

H (rem) = WR .D (rad )
(1.32)
Liều tương đương được dùng khi khi một cơ quan hay một mô riêng rẽ bị chiếu xạ. Khi chịu cùng
một liều tương đương, các cơ quan và mô khác nhau trong cơ thể có thể chịu những mức độ tổn thương
khác nhau, do đó độ nhạy bức xạ sẽ khác nhau. Độ nhạy này được đặc trưng bởi một hệ số gọi là trọng
số mô, W T .
R

R

Trong trường hợp toàn thân bị chiếu, người ta dùng liều hiệu dụng:

ED = ∑ WT .H T
T

(1.33)

Liều hiệu dụng và liều tương đương có cùng thứ nguyên với liều hấp thụ nhưng người ta dùng
đơn vị Sievert để tránh nhầm lẫn.

1.3.Nguồn dữ liệu tính liều chiếu trong
12B

Từ công thức tổng quát tính liều hấp thụ MIRD, ta thấy liều hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố: yếu
tố động học và yếu tố vật lý. Do đó để tính liều hấp thụ cần xác định đầy đủ hai yếu tố này:


Yếu tố động học, đây là yếu tố phụ thuộc thời gian, được thể hiện trong đại lượng hoạt độ tích lũy
hoặc thời gian lưu trú. Yếu tố này phụ thuộc vào đặc điểm của quá trình tích tụ và phân rã hoạt độ
phóng xạ trong vùng nguồn, nghĩa là phụ thuộc vào thời gian bán rã vật lý và thời gian bán hủy sinh

học.
Yếu tố vật lý, đây là yếu tố độc lập thời gian, thể hiện trong giá trị S. Yếu tố này phụ thuộc vào
loại bức xạ và năng lượng bức xạ phát ra; kích cỡ, hình dạng và khoảng cách của vùng nguồn và bia;
thành phần cấu tạo của môi trường hấp thụ và môi trường trung gian.

1.3.1.Tỉ lệ hấp thụ riêng và giá trị S
24B

Để tính tỉ lệ hấp thụ riêng φ hay giá trị S, người ta sử dụng ba kĩ thuật chính: các code vận chuyển
Monte Carlo, kĩ thuật tính tổng nhân liều tại một điểm và kĩ thuật xác định giá trị S voxel. Áp dụng các
kĩ thuật tính này MIRD đã đưa ra các bảng giá trị cho φ và S (MIRD5 và MIRD11) [32,33] .
Tuy nhiên hạn chế của giá trị S là chỉ cho phép tính liều trung bình của một cơ quan bia trên một
đơn vị hoạt độ tích lũy của nhân phóng xạ phân bố đồng đều trong một cơ quan nguồn. Khi nguồn
không được xem là phân bố đồng đều thì những đánh giá này chỉ gần đúng. Ngoài ra, những giá trị tính
toán của S cho ở bảng dữ liệu của MIRD11 [33] là đối với các cơ quan của của một người có khối
lượng 70 kg. Đối với trường hợp khối lượng khác thì cần phải có cách tính thích hợp, gọi là kỹ thuật
tính theo tỉ lệ (scaling). Kĩ thuật này sẽ được sử dụng trong chương trình OLINDA sẽ trình bày ở
chương sau.
Khi áp dụng các giá trị S của MIRD, cần chú ý những tính toán này được thiết lập dựa trên một
phantom chuẩn đại diện cho một người duy nhất, nên một bệnh nhân cụ thể nào cũng có sự khác biệt ít
nhiều so với phantom. Do đó cần có sự hiệu chỉnh để tính liều chính xác hơn.

1.3.2.Hoạt độ tích lũy
25B

Lựa chọn dữ liệu đầu vào có chất lượng cho mô hình động học của dược chất phóng xạ là rất quan
trọng vì nó quyết định đến tính xác của việc tính liều chiếu trong.
Dữ liệu nghiên cứu động học thường lấy từ hai nguồn:
Những nghiên cứu trên động vật
Những nghiên cứu trên con người