tìm hiểu về spect (chụp cắt lớp máy tính phát xạ đơn photon) và ứng dụng trong y học

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƢ PHẠM
BỘ MÔN SƢ PHẠM VẬT LÍ

TÌM HIỂU VỀ SPECT
(Chụp cắt lớp máy tính phát xạ đơn photon)

VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƢ PHẠM VẬT LÍ - CÔNG NGHỆ

Giáo viên hƣớng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths-GVC: Hồ Hữu Hậu

Đào Chiến
Mã số SV: 1110265
Lớp: TL1192A1
Khóa: 37

Cần Thơ, 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
hình ảnh trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ
công trình nghiên cứu nào trước đây.
Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo

của luận văn.

Cần Thơ, ngày 24 tháng 04 năm 2015
Tác giả

Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU .......................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................1
2. Mục đích của đề tài ....................................................................................................1
3. Giới hạn đề tài ............................................................................................................1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...........................................................................................1
5. Các bƣớc thực hiện ....................................................................................................1
6. Các thuật ngữ viết tắt .................................................................................................2
PHẦN 2: NỘI DUNG ....................................................................................................3
CHƢƠNG 1: TIA PHÓNG XẠ VÀ HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ...............................3
1.1 Y học hạt nhân .........................................................................................................3
1.1.1 Tổng quan về y học hạt nhân ................................................................................3
1.2 Lịch sử phát triển y học hạt nhân.........................................................................3
1.3 Cơ sở vật lý của y học hạt nhân ..............................................................................4
1.3.1 Cấu tạo nguyên tử và hạt nhân nguyên tử.............................................................4
1.3.2 Tính phóng xạ và phản ứng hạt nhân ....................................................................4
1.4 Các dạng phóng xạ ...................................................................................................5
1.4.1 Phân rã bêta âm (negatron β - ) .............................................................................5

1.4.2 Phân rã bêta dƣơng (Pozitron) ..............................................................................5
1.4.3 Phân rã alpha (α) ...................................................................................................6
1.4.4 Phát xạ tia gamma (γ) ..........................................................................................6
1.4.5 Năng lƣợng tia γ ....................................................................................................8
1.5 Tính chất của tia phóng xạ .......................................................................................8
1.5.1 Tính chất hạt α ......................................................................................................8
1.5.2 Tính chất hạt β ......................................................................................................8
1.5.3 Tính chất tia γ........................................................................................................9
1.6 Định luật phân rã phóng xạ ......................................................................................9
1.6.1 Tốc độ phân rã phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ ...................................................9
1.6.2 Mật độ bức xạ .......................................................................................................9
1.6.3 Cƣờng độ bức xạ ...................................................................................................10
1.7 Liều lƣợng bức xạ ....................................................................................................10
1.7.1 Liều hấp thụ Dh ....................................................................................................10
1.7.2 Liều chiếu.............................................................................................................10
1.7.3 Liều tƣơng đƣơng..................................................................................................10
1.7.4 Liều hiệu dụng .....................................................................................................11
1.8 Tóm tắt chƣơng 1 ....................................................................................................11
CHƢƠNG 2: TƢƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA
VỚI VẬT CHẤT ...........................................................................................................12
2. Tƣơng tác của tia gamma với vật chất. ......................................................................12
2.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trƣờng .................................................12
2.2. Cơ chế tƣơng tác của tia gamma với vật chất. ........................................................12
2.2.1 Hiệu ứng quang điện .............................................................................................12
2.2.2 Hiệu ứng Compton ................................................................................................13
2.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron .....................................................................14
2.3 Tóm tắt chƣơng 2 .....................................................................................................15
CHƢƠNG 3: ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC ..............................................16
GVHD: Ths. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

i

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

3. Định nghĩa ..................................................................................................................16
3.1 Đồng vị phóng xạ .....................................................................................................16
3.1.1 Tạo chế phẩm phóng xạ phục vụ chẩn đoán y tế ..................................................16
3.1.2 Các đồng vị phóng xạ thƣờng dùng trong y học ...................................................17
3.2 Tóm tắt chƣơng 3 .....................................................................................................18
CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT GHI ĐO PHÓNG XẠ .......................................................19
4.1 Các dụng cụ ghi đo phóng xạ ...................................................................................19
4.1.1 Nguyên tắc chung .................................................................................................19
4.2 Detector ....................................................................................................................19
4.2.1. Cấu tạo và nguyên tác hoạt động Detecter chất khí .............................................19
4.2.2 Buồng ion hóa .......................................................................................................21
4.2.3 Ống đếm tỷ lệ ........................................................................................................21
4.3 Ống đếm G.M (Geiger – Muller) .............................................................................22
4.3.1 Ống đếm khí hữu cơ.............................................................................................22
4.3.2 Ống đếm Halogen ................................................................................................22
4.4 Ghi đo phóng xạ dựa vào đặc tính phát quang của tinh thể và dung dịch ..............22
4.5 Các loại máy và kỹ thuật ghi hình ...........................................................................24
4.5.1 Ghi hình nhấp nháy bằng máy vạch thẳng
(Scintilation Rectilinear Scanner) ..................................................................................25
4.5.2 Ghi hình nhấp nháy bằng Gamma Camera (Scintillation Gamma Camera)
........................................................................................................................................25

4.5.3 Camera nhấp nháy Anger (Anger Scintillation Camera) ......................................25
4.5.4 Camera có trƣờng nhìn lớn ...................................................................................26
4.5.5 Camera di động .....................................................................................................27
4.5.6 Camera digital có hệ vi xử lí (microprocessor computer system) ........................27
4.6 Cơ sở chụp cắt lớp máy tính phát xạ........................................................................27
4.6.1 Giới thiệu chung....................................................................................................27
4.7 Nguyên tắc hoạt động của Gamma Camera và SPECT ...........................................30
4.7.1 Gamma cammera ..................................................................................................30
4.7.2 SPECT...................................................................................................................34
4.7.3 CT .........................................................................................................................35
4.7.4 Phần mềm tái tạo ảnh ............................................................................................35
4.7.5 Xử lý ảnh trong SPECT ........................................................................................36
4.8 Cấu tạo của máy SPECT ..........................................................................................36
4.8.1 Đầu dò và bàn điều khiển (Control Console) .......................................................36
4.8.2 Khung máy (Gantry) .............................................................................................36
4.8.3 Hệ thống điện tử....................................................................................................36
4.8.4 Máy tính (PC) .......................................................................................................37
4.8.5 Trạm hiển thị (Display Station) ............................................................................37
4.9 Tóm tắt chƣơng 4 .....................................................................................................37
CHƢƠNG 5: CẤU TẠO VÀ SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA MÁY
SPECT 2 ĐẦU MEDISO...............................................................................................38
5. Tính năng kỹ thuật và đặc tính, cấu tạo, chức năng các thành phần cơ bản
........................................................................................................................................38
5.1 Tính năng kỹ thuật ....................................................................................................38
GVHD: Ths. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

ii

SVTH: Đào Chiến

Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

5.2 Đặc tính, cấu tạo, chức năng của các thành phần cơ bản.........................................39
5.2.1 Bộ phát hiện ..........................................................................................................39
5.2.2 Workstation thu nhận tín hiệu và xử lý ảnh ..........................................................41
5.2.3 Workstation xử lí lâm sàn ....................................................................................43
5.3 Gantry ......................................................................................................................43
5.3.1 Đặc tính .................................................................................................................43
5.3.2 Cấu tạo và chức năng ............................................................................................43
5.4 Các ống chuẩn trực ..................................................................................................45
5.5 Bàn bệnh nhân..........................................................................................................46
5.5.1 Đặc tính .................................................................................................................46
5.5.2 Cấu tạo và chức năng ............................................................................................46
5.5.3 Các phụ tùng tùy chọn ..........................................................................................47
5.6 Phân tích hoạt động theo sơ đồ khối ........................................................................48
5.7 Chức năng, thành phần và sơ đồ khối của bộ phận phát hiện ..................................49
5.8 Tóm tắt chƣơng 5 .....................................................................................................50
CHƢƠNG 6: ỨNG DỤNG CỦA SPECT TRONG Y HỌC .........................................51
6. Giới thiệu ...................................................................................................................51
6.1 Kỹ thuật SPECT và CT ...........................................................................................51
6.2 Nguyên lí chung .......................................................................................................51
6.2.1 Đối với CT ...........................................................................................................51
6.2.2 Đối với SPECT ....................................................................................................52
6.3 Chẩn đoán bệnh lâm sàng ........................................................................................54
6.3.1 Xạ hình ung thƣ với Tc99m - sestamibi ...............................................................54
6.3.2 Xạ hình SPECT gan với Tc99m - sestamibi .........................................................55
6.3.3 Xạ hình SPECT ung thƣ biểu mô tuyến giáp với I131 ...........................................56

6.3.4 Xạ hình SPECT xƣơng ........................................................................................57
6.4 Tóm tắt chƣơng 6 ....................................................................................................58
PHẦN 3: KẾT LUẬN ....................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................60

GVHD: Ths. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

iii

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nói tới năng lượng hạt nhân, tia phóng xạ, người ta thường hình dung ra các tổn thương
ghê gớm do các quả bom nguyên tử và các sự cố như Trec-nô-bưn gây ra. Đúng là tác dụng
của năng lượng hạt nhân rất lớn nhưng khoa học kỹ thuật ngày nay đã cho phép con người
tận dụng được mặt tốt, khắc phục mặt xấu để đảm bảo an toàn và kiểm soát được các bức xạ
hạt nhân, mang lại lợi ích cho con người: trong công nghiệp, thuỷ văn khí tượng, địa chất tài
nguyên, nông nghiệp và nhất là trong y sinh học.
Y học là ngành khoa học quan trọng cùng với Vật lý đã có những đóng góp vô cùng to
lớn trong lĩnh vực y tế nhằm bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cho con người. Bằng kỹ thuật
đánh dấu phóng xạ với những liều lượng tuy rất nhỏ nhưng có thể ghi đo, theo dõi được các
đồng vị phóng xạ đến tận cùng ở các mô và tế bào. Y học hạt nhân đã sáng tạo ra nhiều
phương pháp thăm dò chức năng, định lượng và ghi hình rất hữu ích. Ghi hình phóng xạ đã
có những bước tiến vượt bậc và mang lại giá trị chẩn đoán rất sớm bởi vì (khác hẳn các

phương pháp ghi hình y học khác như X quang, siêu âm, cộng hưởng từ) ghi hình phóng xạ
mang đến không chỉ những thông tin về cấu trúc, hình thái mà còn những thông tin về chức
năng. Thật vậy, các dược chất phóng xạ được hấp phụ vào các mô, tạng để ghi hình đã tập
trung vào đó theo các cơ chế về hoạt động chức năng, chuyển hoá. Ta biết rằng các thay đổi
chức năng thường xảy ra sớm hơn các thay đổi về cấu trúc. Vì vậy ngày nay các kỹ thuật
SPECT, PET hay hệ liên kết SPECT/CT và PET/CT đã trở thành nhu cầu rất bức thiết cho
các cơ sở lâm sàng hiện đại. Là một sinh viên chuyên ngành Vật lí với mong muốn được đi
sâu tìm hiểu, thu nạp thêm kiến thức mới để phục vụ cho công tác giảng dạy của tôi trong
tương lai nên tôi chọn đề tài “ Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học”.

2. Mục đích của đề tài:
-

Tìm hiểu tính chất Vật lí của tia gamma trong y học.
Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SPECT hai đầu dò MEDISO trong y học.
Các ứng dụng khác của máy SPECT.

3. Giới hạn đề tài:
-

Đề tài chỉ nằm trong việc tìm hiểu sơ lược về cấu tạo, nguyên lí hoạt động của máy
SPECT và giới thiệu một số máy được sử dụng trong nước.
Ứng dụng các hiện tượng vật lí về tia phóng xạ và đồng vị phóng xạ đặc biệt là tia
Gamma(γ).

4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
-

Phân tích, tìm kiếm, nghiên cứu tài liệu có liên quan.
Tổng hợp các tài liệu để viết đề tài.

5. Các bƣớc thực hiện:
-

Bước 1: Nhận đề tài và tìm hiểu đề tài.
Bước 2: Lập đề cương cho đề tài.
Bước 3: Thu thập và tìm các tài liệu có liên quan.
Bước 4: Thực hiện đề tài và sửa chữa theo sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
Bước 5: Báo cáo đề tài.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

1

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

6. Các thuật ngữ viết tắt:
- SPECT: Single Photon Emission Computed Tomography (chụp cắt lớp máy tính
phát xạ đơn photon)
- CT: Computed Tomography ( chụp cắt lớp)
- DCPX: Dược chất phóng xạ
- ĐVPX: Đồng vị phóng xạ
- CPPX: Chế phẩm phóng xạ
- LEAP: Ống chuẩn trực đa năng năng lượng thấp.
- LEHR: Ống chuẩn trực độ phân giải cao năng lượng thấp.

- PHA: Pulse Height Analyzer (bộ phân tích chiều cao xung).
- PMT: Ống nhân quang.
- RIA: (Radio Immuno Assay) định lượng phóng xạ miễn dịch học.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

2

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: TIA PHÓNG XẠ VÀ HIỆN TƢỢNG PHÓNG XẠ
1. Y HỌC HẠT NHÂN.
1.1 Tổng quan về y học hạt nhân.
Vật lý học nghiên cứu về vật chất và sự tương tác. Đây là ngành khoa học cơ bản vì các
định luật vật lý chi phối tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác như hóa học, sinh vật,
nông nghiệp, y khoa, ….
Y học là ngành khoa học quan trọng cùng với Vật lý đã có những đóng góp vô cùng to
lớn trong lĩnh vực y tế nhằm bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cho con người. Bằng kỹ thuật
đánh dấu phóng xạ với những liều lượng tuy rất nhỏ nhưng có thể ghi đo, theo dõi được các
đồng vị phóng xạ đến tận cùng ở các mô và tế bào.
Ngày nay Y hoc hạt nhân được xem như là một cuộc cách mạng trong cả lĩnh vực chẩn
đoán và điều trị. Việc ứng dụng bức xạ ion hóa vào y sinh học đã có từ lâu nhưng thuật ngữ
y học hạt nhân (Nuclear Medicine) mới được Marshall Brucer ở Oak Ridge (Mỹ) lần đầu
tiên dùng đến vào năm 1951 và sau đó chính thức viết trong tạp chí Quang tuyến và Radium

trị liệu của Mỹ (The American Journal of Roentgenology and Radium Therapy). Ngày nay
người ta định nghĩa y học hạt nhân (YHHN) là một chuyên ngành mới của y học bao gồm
việc sử dụng các đồng vị phóng xạ (ĐVPX), chủ yếu là các nguồn phóng xạ hở để chẩn
đoán, điều trị bệnh và nghiên cứu y học. Việc ứng dụng các đồng vị phóng xạ này chủ yếu
dựa theo hai kỹ thuật cơ bản: kỹ thuật đánh dấu phóng xạ hay chỉ điểm phóng xạ
(Radioactive Indicator, Radiotracer) và dùng bức xạ phát ra từ các ĐVPX để tạo ra các hiệu
ứng sinh học mong muốn trên tổ chức sống.[1].
1.2 Lịch sử phát triển y học hạt nhân
Sự ra đời và phát triển của YHHN gắn liền với thành tựu và tiến bộ khoa học trong nhiều
lĩnh vực, đặc biệt là của vật lý hạt nhân, kỹ thuật điện tử, tin học và hóa dược phóng xạ.
Điểm qua các mốc lịch sử đó ta thấy:
- Năm 1896, Becquerel đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ qua việc phát hiện bức xạ từ
quặng Uran. Tiếp theo là các phát minh trong lĩnh vực vật lý hạt nhân của ông bà Marie và
Pierre Curie và nhiều nhà khoa học khác.
- Một mốc quan trọng trong kỹ thuật đánh dấu phóng xạ là năm 1913, George Hevesy
bằng thực nghiệm trong hóa học đã 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
là giống nhau.
- Năm 1934 được đánh giá như một mốc lịch sử của vật lý hạt nhân và YHHN. Năm đó
2 nhà bác học Irena và Frederick Curie bằng thực nghiệm dùng hạt a bắn phá vào hạt nhân
nguyên tử nhôm, lần đầu tiên tạo ra ĐVPX nhân tạo 30P và hạt nơtron :
27
+ 2He4 → 15P30 + 0N1
13Al
Với hạt nơtron, đã có được nhiều tiến bộ trong xây dựng các máy gia tốc, một phương
tiện hiện nay có ý nghĩa to lớn trong việc điều trị ung thư và sản xuất các đồng vị phóng xạ
ngắn ngày.
- Thành tích to lớn có ảnh hưởng trong sử dụng ĐVPX vào chẩn đoán bệnh là việc tìm ra
đồng vị phóng xạ 99mTc từ 99Mo của Segre và Seaborg (1938). Tuy vậy mãi 25 năm sau, tức
là vào năm 1963 người ta mới hiểu hết giá trị của phát minh đó.[1].

- Năm 1941 lần đầu tiên Hamilton dùng 131I để điều trị bệnh của tuyến giáp, mở đầu việc
sử dụng rộng rãi các ĐVPX nhân tạo vào điều trị bệnh.
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

3

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

- Các kỹ thuật ghi đo cũng đã được phát triển dựa vào các thành tựu về vật lý, cơ học và
điện tử. Các máy đếm xung, ghi dòng, phân tích biên độ, các loại đầu đếm GeigerMuller
(G.M) đến các đầu đếm số phát sáng, máy đếm toàn thân ngày càng được cải tiến và hoàn
thiện.
Đầu tiên YHHN chỉ có các hợp chất vô cơ để sử dụng. Sự tiến bộ của các kỹ thuật sinh
hóa, hóa dược làm xuất hiện nhiều khả năng gắn các ĐVPX vào các hợp chất hữu cơ phức
tạp, kể cả các kỹ thuật sinh tổng hợp (Biosynthesis). Ngày nay chúng ta đã có rất nhiều các
hợp chất hữu cơ với các ĐVPX mong muốn để ghi hình và điều trị kể cả các enzym, các
kháng nguyên, các kháng thể phức tạp...
Việc ghi lại hình ảnh bằng bức xạ phát ra từ các mô, phủ tạng và tổn thương trong cơ
thể bệnh nhân để đánh giá sự phân bố các dược chất phóng xạ (DCPX) cũng ngày càng tốt
hơn nhờ vào các tiến bộ cơ học và điện tử, tin học.
1.3 Cơ sở vật lý của y học hạt nhân
1.3.1 Cấu tạo nguyên tử và hạt nhân nguyên tử.
Nguyên tử cấu tạo từ hạt nhân và các lớp vỏ điện tử bao quanh. Các lớp vỏ điện tử
trong nguyên tử của một chất chứa một số điện tử xác định: là các hạt cơ bản bền vững, có
khối lượng me= 9,11.10-28g và mang một điện tích âm e-  -4,803.10-10.

- Hạt nhân nguyên tử là một hệ gồm các proton và các nơtron. Proton và nơtron có tên
chung là nuclon.
+ Proton: ký hiệu p, mang điện tích dương, có khối lượng nghỉ mp= 1,67252.10-27 kg
+ Neutron: ký hiệu n, không mang điện tích, có khối lượng nghỉ mn= 1,67482.10-27 kg
+ Hạt nhân nguyên tử thường ký hiệu:
hoăc ZXA (với X là tên của nguyên tố tương
ứng).
+ A là số khối (tổng số nuclen trong nguyên tử).
+ Z là số proton hay số thứ tự của nguyên tố trong bản hệ thống tuần hoàn Mendeleep.
+ Tổng số nơtron trong hạt nhân là N = A – Z
- Các nucleon liên kết với nhau bên trong hạt nhân bằng một lực đặc biệt gọi là lực hạt
nhân.
- Nguyên tử có điện tích giống nhau và các giá trị N khác nhau được gọi là đồng vị, ví
dụ:
• Z=1, N=0, 1 electron: Hyđrô.
• Z=1, N=1, 1 electron: Hyđrô nặng.
• Z=1, N=2, 1 electron: Triti.
• Z=2, N=2, 2 electron: Heli.
Các nguyên tử có cùng khối lượng số nhưng điện tích hạt nhân Z khác nhau được gọi là
đồng khối.
1.3.2 Tính phóng xạ và phản ứng hạt nhân
Hiện tượng phóng xạ được gọi là sự chuyển đổi tự phát của đồng vị một chất này sang
đồng vị của cùng chất hay chất khác kèm theo bức xạ các hạt cơ bản và/hoặc các lượng tử.
Phóng xạ là tự nhiên, khi ta nói về các chuyển hoá của các nguyên tố tự nhiên, và là nhân
tạo khi đề cập đến các nguyên tố nhận được trong các phản ứng hạt nhân hay máy gia tốc
các hạt cơ bản (với sự bắn phá bia). Nếu phóng xạ kèm theo sự bay ra của hạt nhân điện tích
dương Hêli 2 He 4 được gọi là các hạt alpha , thì điện tích nguyên tử bị giảm đi 2 đơn vị (
theo đơn vị điện tích có bản ), còn khối lượng số bị giảm đi 4 đơn vị. Do đó, sản phẩm phân
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

4

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

rã  trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep sẽ ở vị trí lệch đi 2 ô về phía trái so với
nguyên tố ban đầu. Trong phân rã  kèm theo sự bay ra của các electron tích điện âm (các
hạt  ), khối lượng số của nguyên tử không thay đổi, còn điện tích tăng lên 1. Kiểu phân rã
này được gọi là phân rã   . Do đó, sản phẩm phân rã ở cách 1 ô về bên phải so với nguyên
tố ban đầu trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep.
1.4 Các dạng phóng xạ
1.4.1 Phân rã bêta âm (negatron β - ):
Trong điều kiện nhất định, một số nguyên tốhoá học nhất định trong hạt nhân có số
nơtron nhiều hơn số proton có thể xảy ra hiện tượng biến một nơtron thành một proton đồng
thời phát ra một hạt electron (hạt β-).
Sơ đồ phân rã negetron βA
32
ZX
15P (14,2 ngày)
β-

Z+1 Y

β- (1,71MeV)
100%

A

32
16S

Phương trình biến đổi của phân rã β-:
A
A
(1.1)
ZX → Z+1 Y + β + Q
Bản chất của phân rã này là:
n → p + β- + Q
(1.2)
Bức xạ β- (negatron) dẫn đến việc tăng
điện tích hạt nhân lên một đơn vị nhưng
không làm thay đổi số khối của nó.

1.4.2 Phân rã bêta dƣơng (Pozitron):
Hình 1.1 Phân rã β[2]
Trong những điều kiện nhất định, một số nguyên tố hoá học có số proton nhiều hơn số
nơtron có thể xảy ra hiện tượng biến một proton thành một nơtron đồng thời phát ra hạt
pozitron (β+). Hạt pozitron có khối lượng đúng bằng khối lượng của điện tử, điện tích bằng
điện tích của điện tử nhưng trái dấu, vì vậy nó được gọi là điện tử dương.
Sơ đồ phân rã β+
A
ZX

Sơ đồ phân rã N13
13
7N (10 phút)

β+

Z-1 Y

β+ (1,20MeV)
100%

A

Phương trình biến đổi phân rã β+:
A
ZX →
Bản chất của phân rã này là:

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

13
6C
Z-1 Y

A

+ β+ + Q
5

(1.3)
SVTH: Đào Chiến

Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

p →n + β+ + Q
(1.4)
Bức xạ β dẫn đến việc giảm điện tích hạt nhân đi một đơn vị nhưng không làm thay đổi
số khối của nó.
1.4.3 Phân rã alpha (α)
Loại phân rã này chỉ xảy ra trong phạm vi các hạt nhân của nguyên tố có khối lượng
nguyên tử lớn. Trong quá trình này từ hạt nhân phát ra hạt alpha (α). Hạt α là hạt nhân của
nguyên tử Heli đươc tạo thành bởi mối liên kết mạnh giữa một cặp proton và một cặp
notron. Bởi vậy sự phân rã này dẫn đến việc làm giảm khối lượng và điện tích của hạt nhân
một cách đáng kể (khối lượng giảm 4, điện tích giảm 2).
Sơ đồ phân rã α
Sơ đồ phân rã α của 88Ra226
A
226
ZX
88Ra
α
α1
α2
4,79MeV
4,61MeV
γ
6,5%
93,5%
0,18MeV
+

Z-2 Y

A-4

222
86Rn

Phương trình biến đổi của phân rã α:
A
A-4
+ 2He4 + Q (1.5)
ZX → Z-2 Y
Các hạt alpha phát ra từ cùng một loại phân rã
của cùng một loại phân rã của cùng một hạt nhân
có năng lượng giống nhau. Đó là đặc điểm đơn
năng của chùm tia alpha.
H
ì
1.4.4 Phát xạ tia gamma (γ)
Hình 1.2 Phân rã α[2]
Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cơ bản hay về trạng
thái bị kích thích ứng với mức năng lượng thấp hơn, từ hạt nhân sẽ phát ra tia gamma. Bản
chất tia gamma là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn. Vì vậy quá trình phát xạ tia gamma
không làm thay đổi thành phần cấu tạo của hạt nhân mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng
lượng của nó.
Sơ đồ phân rã phóng xạ của Co và Th.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

6

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

60

27Co

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

228
(1,9
90Th

(5,2 năm)
β-(0,31MeV)
100%
2,5MeV

α1

năm)
α2(5,21MeV)
0,4%

5,17MeV
(0,2%)

0,25MeV
γ1

1,33MeV
γ2
0MeV

0,22MeV
γ2

α3 (5,34MeV)
88%

γ3

α4 (5,42MeV)

0,08MeV

60
28Ni

γ4

71%

0MeV
88Ra

224

Hình 1.3 Dãy bước sóng ánh sáng
Đa số các hạt nhân mới được tạo thành sau các phân rã β±, α… đều ở trạng thái bị kích
thích. Vì vậy sau phân rã này thường có phát ra tia gamma. Do đó cần lưu ý rằng khi có
hiện tượng phóng xạ xảy ra ở một hạt nhân, hạt nhân đó có thể bị biến đổi nhiều hơn một
lần, do đó có thể phát ra nhiều tia phóng xạ.
Như vậy tia phóng xạ là những tia được phát ra từ hạt nhân bị biến đổi phóng xạ, có
năng lượng cao. Bản chất tia phóng xạ có thể là hạt vi mô tích điện (có khối lượng tĩnh) như
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

7

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

các tia β± hay α, có thể là lượng tử năng lượng cao - sóng điện từ với bước sóng cực ngắn
như tia gamma.
1.4.5 Năng lƣợng tia γ
Năng lượng tia γ bằng hiệu số các mức năng lượng đầu và cuối của mỗi dịch chuyển γ.
E = E m - En
(1.6)
Với Em, En là mức năng lượng đầu và cuối của hạt nhân.
Bước sóng và động lượng của tia γ được xác định như các bức xạ điện từ khác, tức là:
(1.7)
(1.8)
Từ (1.6) ta nhận thấy phổ năng lượng của tia γ là phổ gián đoạn.

1.5 Tính chất của tia phóng xạ
Tia phóng xạ bao gồm những hạt vi mô tích điện (hạt α, hạt β+, β-) và bức xạ điện từ (tia
γ) được sinh ra do sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử.
1.5.1 Tính chất hạt α
Chùm hạt α phát ra từ một chất phóng xạ thì có năng lượng như nhau, nên người ta nói
chùm hạt α có tính chất đơn năng, hạt α phát ra từ các nguyên tố phóng xạ khác nhau có
năng lượng từ 4-9 Mev.
Khả năng đâm xuyên của hạt α không cao. Quãng chạy (đoạn đường thực hiện quá trình
oxy hoá) trong chất khí khoảng 2,5-9 cm, trong cơ thể khoảng 0,04 mm. Vì vậy chỉ cần một
lớp giấy mỏng có thể cản lại tia α.
Hạt α có khả năng ion hoá rất lớn, trên quãng chạy của nó trong chất khí có thể tạo ra từ
100000 đến 250000 cặp ion, trung bình tạo ra 40000 cặp ion/1 cm, càng về cuối quãng chạy
khả năng ion hoá càng tăng lên.
Năng lượng của hạt tới sẽ giảm đi sau mỗi lần ion hoá và cuối cùng nhận thêm 2 điện tử
để biến thành nguyên tử Heli.
Hạt α là hạt mang điện nên quỹ đạo của nó trong từ trường là một đường cong.
1.5.2 Tính chất hạt β
Hạt β có vận tốc khoảng (1-3).108 m/s, tia có năng lượng lớn nhất đạt tới 90% vận tốc
ánh sáng. Hạt β của các chất phóng xạ có giá trị năng lượng cực đại trong khoảng 1,1-3
Mev.
Do khối lượng của hạt β nhỏ nên khi tương tác với vật chất quỹ đạo của hạt β là một
đường gấp khúc. Vì thế không xác định được quãng chạy của tia β mà chỉ xác định được
chiều dày của lớp vật chất mà nó đi qua.
Khả năng đâm xuyên của hạt β tốt hơn hạt α. Trong không khí hạt β có quãng chạy từ 10
cm đến vài mét, trong cơ thể nó đi được khoảng 5 mm. Do chùm β không đơn năng nên khi
sử dụng người ta chỉ cần dùng một miếng nhôm có độ dày mỏng khác nhau để lọc bớt nhằm
thu được mức năng lượng mong muốn.
Khả năng ion hoá môi trường kém hơn so với hạt α, trong không khí hạt β tạo ra từ
10000 đến 25000 ion, trung bình nó tạo ra khoảng 75 cặp ion/ 1 cm quãng chạy.
Năng lượng của hạt tới sẽ giảm đi sau mỗi lần ion hoá và cuối cùng đạt tới mức năng

lượng của chuyển động nhiệt thì không còn khả năng gây ion hoá và kích thích nguyên tử.
Hạt β- sẽ trở thành một điện tử tự do hoặc kết hợp với một ion dương hay một nguyên tử

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

8

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

nào đó trong vật chất. Hạt β+ sẽ kết hợp với một điện tử tự do để biến thành 2 lượng tử
gamma.
Hạt β bị tác dụng trong từ trường, quỹ đạo của hạt β- là một đường cong ngược chiều
với quỹ đạo của hạt β+ và hạt α.
1.5.3 Tính chất tia γ
Tia γ là dòng photon có năng lượng lớn, bước sóng ngắn. Năng lượng cực đại trong
khoảng 1,1-3,5 Mev.
Tia γ có khả năng đâm xuyên rất lớn, trong không khí có thể đi được từ 10 đến hàng trăm
mét, trong chất hữu cơ nó xuyên vào được rất sâu, nó dễ dàng xuyên qua cơ thể con người.
Thực tế người ta dùng vật liệu là chì và bêtông có độ dày lớn để cản lại tia γ.
Khả năng ion hoá của tia γ không cao, trên quãng đường trong không khí chỉ tạo ra từ 10
đến 250 cặp ion.
Khi tác động vào môi trường vật chất thì truyền hết năng lượng qua một lần tương tác,
sản phẩm của quá trình tương tác là các hạt vi mô tích điện có năng lượng lớn lại tiếp tục
ion hoá vật chất. Vì vậy tia γ có tác dụng ion hoá gián tiếp vật chất.
Tia γ có bản chất là sóng điện từ nên trong từ trường nó không bị tác dụng, đường đi của

tia là một đường thẳng.
1.6 Định luật phân rã phóng xạ[2]
Trong một nguồn phóng xạ số hạt nhân có tính phóng xạ sẽ giảm dần theo thời gian. Số
hạt nhân có tính phóng xạ ở thời điểm t là:
N = No. e-λ.t
(1.9)
Trong đó: N = số hạt nhân phóng xạ ở thời điểm t.
No = số hạt nhân phóng xạ ở thời điểm ban đầu.
λ = hằng số phân rã; t = thời gian.
Người ta còn dùng một số đại lượng khác để biển diễn quy luật phân rã phóng xạ, như:
- Chu kỳ bán rã: chu kỳ bán rã của một nguồn phóng xạ, ký hiệu là T1/2 (thời gian bán
rã), là thời gian cần thiết để số hạt nhân có tính phóng xạ của nguồn đó giảm xuống một nửa
so với ban đầu.
T1/2 = ln2/λ = 0,693/λ
(1.10)
Như vậy, thời gian bán rã của nguồn chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân có tính
phóng xạ của nguồn đó. Ví dụ: T1/2 của 131I là 8,04 ngày, của 60Co là 5,26 năm, của 99mTc là
6,04 giờ…
1.6.1 Tốc độ phân rã phóng xạ hay hoạt độ phóng xạ
Để biểu thị một cách định lượng về một chất đồng vị phóng xạ, người ta dùng khái niệm
hoạt độ (activity), thường ký hiệu bằng chữ A. A = λN
(1.11)
Đơn vị đo hoạt độ là curie (Ci), millicurie (mCi), microcurie (μCi) hoặc theo quy định
của SI (system international), đơn vị đo là becquerel (Bq). Đơn vị Bq rất nhỏ, vì vậy thường
dùng kilobecquerel (kBq), megabecquerel (MBq).
1Ci=3,7x1010 phân rã /giây; 1mCi=3,7x107 phân rã /giây.
1μCi =3,7x104 phân rã /giây; 1Bq=1phân rã /giây.
Cần lưu ý rằng A không phải là số tia phóng xạ phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời
gian, vì khi một hạt nhân phân rã có thể phát ra nhiều hơn một tia phóng xạ.
1.6.2 Mật độ bức xạ

Mật độ bức xạ tại 1 điểm trong không gian là số tia phóng xạ truyền qua một đơn vị diện
tích đặt vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó trong một đơn vị thời gian.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

9

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Giả sử rằng một nguồn phóng xạ nào đó cứ mỗi đơn vị thời gian phát ra n tia phóng xạ.
Nguồn phóng xạ là nguồn điểm. Vì các tia phát đều trên mọi hướng nên mật độ tia phóng
xạ tại một điểm cách nguồn một khoảng R là:
J = n/S = n/4πR2
(1.12)
Ta thấy ngay là mật độ bức xạ tỉ lê nghịch với bình phương khoảng cách tới nguồn.
1.6.3 Cƣờng độ bức xạ
Cường độ bức xạ tại một điểm nào đó trong không gian là năng lượng bức xạ truyền qua
một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền của tia tại điểm đó trong một đơn vị thời
gian. Ký hiệu cường độ bức xạ là I, ta có:
I = J.E
(1.13)
Trong đó E là năng lượng của mỗi tia phóng xạ. Tất nhiên, nếu các tia phóng xạ có năng
lượng không đồng nhất thì I được tính theo công thức:
I = ΣEi
(1.14)

2
Đơn vị cường độ bức xạ là oát trên mét vuông (W/m ).
1.7 Liều lƣợng bức xạ
Những biến đổi xảy ra trong môi trường vật chất nói chung và cơ thể sống nói riêng khi
bị chiếu xạ bởi các tia đều phụ thuộc vào năng lượng bức xạ bị hấp thụ, số điện tích được
tạo ra trong quá trình ion hóa. Để đặc trưng định lượng cho những thuộc tính này người ta
đưa ra khái niệm liều bức xạ.[2]
1.7.1 Liều hấp thụ Dh
Liều hấp thụ Dh là một đại lượng vật lý cho biết năng lượng của bức xạ bị hấp thụ trong
một đơn vị khối lượng của môi trường bị chiếu xạ.
Dh = ΔE/Δm
(1.15)
Đơn vị đo liều hấp thụ là Jun/kilogam (J/kg). Một đơn vị khác đo liều hấp thụ là rad
(Roentgen Absorbed Dose).
1 rad = 0,01 J/kg.
Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ J/kg được gọi là Gray (Gy).
1 rad = 0,01Gy hay 1Gy = 100 rad
1.7.2 Liều chiếu
Chỉ áp dụng cho các bức xạ sóng điện từ (tia X và gamma), cho biết số điện tích cùng
dấu của các ion được tạo ra trong một đơn vị khối lượng không khí khô dưới tác dụng của
tia X hay tia gamma.
Dc = ΔQ/Δm
(1.16)
ΔQ: tổng số điện tích cùng dấu sinh ra trong khối lượng Δm
Trong hệ SI, đơn vị đo liều chiếu là C/kg. Đơn vị thông dụng là Roentgen (R). Giữa
C/kg và R có mối liên hệ như sau: 1R = 2,58x10-4 C/kg hay 1C/kg = 3876R.
Roentgen là liều chiếu của tia gamma hay tia X sinh ra trong 1cm3 không khí ở điều kiện
tiêu chuẩn một lượng điện tích âm và dương bằng 1 đơn vị điện tích. Ta biết điện tích của 1
ion bằng 4,8x10-10 đơn vị tĩnh điện, do đó muốn tạo 1 đơn vị tĩnh điện cần: 1/4,8x10-10 =
2.083x109 cặp ion. Mối quan hệ giữa liều chiếu Dc (R) và liều hấp thụ Dn(rad) được thể

hiện qua hệ thức:
Dn = f. Dc
(1.17)
f phụ thuộc vào nguyên tử số, mật độ chất bị chiếu xạ. Với nước và mô tế bào cơ thể người
có thể lấy f = 1. Đối với mô xương f = 2 ÷ 5.
1.7.3 Liều tƣơng đƣơng

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

10

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Người ta quan sát thấy cùng một liều hấp thụ của các loại bức xạ khác nhau lại gây ra
những tổn thương khác nhau. Vì vậy đưa thêm hệ số chất lượng tia Q để nói trên đặc điểm
này từ đó ta có liều tương đương.
Liều tƣơng đƣơng = Liều hấp thụ x Q
(1.18)
Trước đây liều tương đương có đơn vị thường dùng là Rem. Nhưng hiện nay trong hệ SI
liều tương đương tính bằng Sievert (viết tắt Sv) với các ướt số mSv, μSv.
Dưới đây là giá trị Q của một vài loại bức xạ:
- Tia X, γ, điện tử: 1
- Nơtron nhiệt: 5
- Proton và neutron nhanh: 20
- Các hạt anpha: 20

1.7.4 Liều hiệu dụng
Các mô khác nhau nhận cùng một liều tương đương như nhau lại có tổn thương sinh học
khác nhau. Đó là do độ nhạy cảm phóng xạ của các mô khác nhau, để đặc trưng cho tính
chất này người ta đưa ra khái niệm trọng số của mô. Liều hiệu dụng được tính:
Liều hiệu dụng = Liều tƣơng đƣơng x W
(1.19)
Đơn vị của liều hiệu dụng cũng là Sv. Dưới đây là một vài giá trị W của các mô: Thận:
0,20; phổi: 0,12; gan: 0,05; da: 0,01…
1.8 Tóm tắt chƣơng 1
Trong chương 1 chúng ta đã tìm hiểu về các vấn đề:
Một là y học hạt nhân bao gồm tổng quan về y học hạt nhân, lịch sử phát triển cũng như
cơ sở vật lý của y học hạt nhân.
Hai là tổng quang về bức xạ hạt nhân.
Ba là tính chất của các tia phóng xạ α,β và đặc biệt là tìm hiểu về phát xạ tia gamma ()
và năng lượng của nó.
Liều lượng bức xạ hạt nhân.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

11

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

CHƢƠNG 2: TƢƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA
VỚI VẬT CHẤT

2. TƢƠNG TÁC CỦA TIA GAMMA VỚI VẬT CHẤT
2.1 Sự suy giảm bức xạ gamma khi đi qua môi trƣờng
Tia gamma và tia X có cùng bản chất là sóng điện từ, đó là các photon năng lượng cao.
Do sự tương tác của các tia này với vật chất có tính chất chung nên để đơn giản ta gọi là
tương tác của tia gamma với vật chất. Ở đây ta chỉ tập trung vào tia gamma. Sự suy giảm
bức xạ gamma khi đi qua môi trường khác với sự suy giảm của các bức xạ alpha và beta.
Bức xạ alpha và beta có tính chất hạt nên chúng có quãng chạy hữu hạn trong vật chất,
nghĩa là chúng có thể bị hấp thụ hoàn toàn, trong khi đó bức xạ gamma chỉ bị suy giảm về
cường độ chùm tia khi tăng bề dày vật chất mà không bị hấp thụ hoàn toàn.[2,3].
Ta xét một chùm tia hẹp gamma đơn năng với cường độ ban đầu I0 . Sự thay đổi cường
độ khi đi qua một lớp mỏng vật liệu dx bằng:
dI = - μ Idx
(2.1)
Trong đó μ là hệ số suy giảm tuyến tính (linear attenuation coeficient). Đại lượng này có
thứ nguyên (độ dày)-1 và thường tính theo cm-1 . Từ (2.1) có thể viết phương trình:
Giải phương trình ta được:
(2.2)
Hệ số suy giảm tuyến tính μ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma và mật độ vật
liệu môi trường μ = μ(E,ρ).
2.2. Cơ chế tƣơng tác của tia gamma với vật chất.
Tương tác của gamma không gây hiện tượng ion hóa trực tiếp như hạt tích điện. Tuy
nhiên, khi gamma tương tác với nguyên tử, nó làm bứt electron quỹ đạo ra khỏi nguyên tử
hay sinh ra các cặp electron - positron (là hạt có khối lượng bằng electron nhưng mang điện
tính dương +e). Đến lượt mình, các electron này gây ion hóa và đó là cơ chế cơ bản mà tia
gamma năng lượng cao có thể ghi đo và cũng nhờ đó chúng có thể gây nên hiệu ứng sinh
học phóng xạ. Có ba dạng tương tác cơ bản của gamma với nguyên tử là hiệu ứng quang
điện, tán xạ Compton và hiệu ứng tạo cặp.
2.2.1 Hiệu ứng quang điện.
Khi gamma va chạm với electron quỹ đạo của nguyên tử, gamma biến mất và năng
lượng gamma được truyền cho electron quỹ đạo để nó bay ra khỏi nguyên tử. Electron này

được gọi là quang electron (photoelectron). Quang electron nhận được động năng E e bằng
hiệu số giữa năng lượng gamma tới E và năng lượng liên kết EB của electron trên lớp vỏ
trước khi bị bứt ra. Hình 2.1a.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

12

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Hình 2.1: (a) Hiệu ứng quang điện;
(b) Tiết diện hiệu ứng quang điện phụ thuộc năng lượng gamma E.[2].
Ee = E – EB
(2.3)
Theo công thức (2.3) năng lượng của gamma tới ít nhất phải bằng năng lượng liên kết
của electron thì hiệu ứng quang điện mới xảy ra. Tương tác này ra với xác suất lớn nhất khi
năng lượng gamma vừa vượt qua năng lượng liên kết, đặc biệt là đối với các lớp trong cùng.
Hình 2.1b
Khi năng lượng tăng, xác suất tương tác giảm dần theo hàm 1/E3. Xác suất tổng cộng của
hiệu ứng quang điện đối với tất cảcác electron quỹ đạo E ≥ Ek trong đó Ek là năng lượng liên
kết của electron lớp K, tuân theo quy luật 1/E7/2 còn khi E >> Ek theo quy luật 1/E.
Do năng lượng liên kết thay đổi theo số nguyên tử Z nên tiết diện tương tác quang điện
phụ thuộc vào Z, theo quy luật Z5. Nhưvậy tiết diện hiệu ứng quang điện:
ρphoto ~ Z 5/E7/2 khi E ≥ Ek và ρphoto ~ Z5/E khi E >> Ek.
Các công thức trên cho thấy hiệu ứng quang điện xảy ra với tiết diện rất lớn đối với các

nguyên tử nặng (chẳng hạn chì) ngay cả ở vùng năng lượng cao, còn đối với các nguyên tử
nhẹ (chẳng hạn cơ thể sinh học) hiệu ứng quang điện chỉ xuất hiện đáng kể ở vùng năng
lượng thấp.
Khi electron được bứt ra từ một lớp vỏnguyên tử, chẳng hạn từ lớp vỏ trong cùng K, thì
tại đó một lỗ trống được sinh ra. Sau đó lỗ trống này được một electron từ lớp vỏ ngoài
chuyển xuống chiếm đầy. Quá trình này dẫn tới bức xạ ra các tia X đặc trưng.
2.2.2 Hiệu ứng Compton.
Trong quá trình Compton, gamma năng lượng cao tán xạ đàn hồi lên electron ở quỹ đạo
ngoài. Gamma thay đổi phương bay và bị mất một phần năng lượng còn electron được giải
phóng ra khỏi nguyên tử (Hình 2.2a). Quá trình tán xạ Compton có thể coi như quá trình
gamma tán xạ đàn hồi lên electron tự do (Hình 2.2b).[2].

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

13

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Hình 2.2; (a) Hiệu ứng Compton
(b) Sơ đồ tán xạ gamma lên electron tự do
Trên cơ sở tính toán động học của quá trình tán xạ đàn hồi của hạt gamma chuyển động
với năng lượng E lên electron đứng yên ta có các công thức sau đây đối với năng lượng
gamma E’và electron Ee sau tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ 𝜑 gamma sau tán xạ:
(2.4)

2

-31

(2.5)
kg là khối lượng electron và c = 3.108 m/s là vận

Trong đó: α = E/mec ; me= 9,1.10
tốc ánh sáng; mec2 = 0,51 MeV.
Góc tán xạ θ của electron sau tán xạ liên hệ với góc 𝜑 như sau:

(2.6)
Theo (3.6) góc tán xạ của gamma sau tán xạ càng lớn thì E′càng bé. Nghĩa là gamma
càng mất nhiều năng lượng. Gamma chuyển phần năng lượng lớn nhất cho electron sau tán
xạ bay ra một góc 1800, tức là khi tán xạ giật lùi. Góc tán xạ của gamma tán xạ có thể thay
đổi từ 00 đến 1800 trong lúc electron chủ yếu bay về phía trước, nghĩa là góc tán xạ θ của nó
thay đổi từ 00 đến 900.
Tiết diện quá trình tán xạ Compton tỉ lệ thuận với điện tích Z của nguyên tử và tỷ lệ
nghịch với năng lượng gamma.
σCompt ~ Z/E
2.2.3 Hiệu ứng sinh cặp electron-positron.
Electron có khối lượng bằng me = 9,1.10-19 kg hay năng lượng tĩnh của nó, theo công
thức Einstein, bằng Em = mc2 = 0,51 MeV. Nếu gamma vào có năng lượng lớn hơn hai lần
năng lượng tĩnh electron 2mec2 = 1,02 MeV thì khi đi qua điện trường của hạt nhân nó sinh
ra một cặp electron - positron (positron có khối lượng bằng khối lượng electron nhưng mang
điện tích dương +le). Đó là hiệu ứng sinh cặp electron - positron (Hình 3.3).

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

14

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Hình 2.3; Hiệu ứng sinh cặp electron – positron
Sự biến đổi năng lượng thành khối lượng như trên phải xảy ra gần một hạt nào đó để hạt
này chuyển động giật lùi giúp tổng động lượng được bảo toàn. Quá trình tạo cặp xảy ra gần
hạt nhân, do động năng chuyển động giật lùi của hạt nhân rất bé nên phần năng lượng còn
dư biến thành động năng của electron và positron. Quá trình tạo cặp cũng có thể xảy ra gần
electron nhưng xác suất rất bé so với quá trình tạo cặp gần hạt nhân.
2.3 Tóm tắt chƣơng 2
Trong chương 2 chúng ta tìm hiểu về tương tác của tia gamma với vật chất thông qua 3
hiệu ứng vật lí.
Là hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và hiệu ứng tạo cặp positron.
Các tương tác này có ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu ứng dụng của tia gamma
hay cách thức ghi nhận tia gamma.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

15

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

CHƢƠNG 3: ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TRONG Y HỌC
3. ĐỊNH NGHĨA
Trong thiên nhiên, đa số các nguyên tố bao gồm không phải một loại nguyên tử mà là
nhiều loại nguyên tử có số khối khác nhau. Hạt nhân các nguyên tử này có cùng nguyên tử
khối Z nhưng số neutron khác nhau, do đó số khối A khác nhau. Ta gọi là các đồng vị
(isotope).
3.1 Đồng vị phóng xạ
3.1.1 Tạo chế phẩm phóng xạ phục vụ chẩn đoán y tế
Có ba phương pháp tạo CPPX như sau:[1,2,3].
- Bắt nơtron hay kích hoạt nơtron.
- Phân hạch hạt nhân (phân rã).
- Sử dụng máy gia tốc các hạt mang điện và bắn phá hạt nhân.
Để chẩn đoán y tế người ta sử dụng các đồng vị phóng xạ có thời gian tồn tại ngắn được
tách ra từ các sản phẩm phản ứng trong các thiết bị đặc biệt là các máy phát hạt phóng xạ.
Số lượng chất phóng xạ cho phép khảo sát không gây hại đối với cơ thể sinh vật, phụ thuộc
vào khối lượng nguyên tử và chu kỳ bán rã của chất phóng xạ và nằm trong vùng từ 10-3 đến
10-11 gram. Do nguyên tố phóng xạ nhận được bằng cách này là đồng vị của chất ban đầu,
nên không thể tách riêng chúng ra bằng các phương pháp và phương tiện hiện có trong y
học hạt nhân. Các đặc trưng năng lượng phát xạ trong các ví dụ vừa được dẫn ra có gía trị
như sau:
- Đối với đồng vị Mo99, năng lượng của lượng tử  bằng 740 Kev, chu kỳ bán rã bằng
66,2 giờ.
- Đối với phản ứng Te130 n,  Te131  I131 năng lượng của lượng tử  bằng 364Kev, chu
kỳ bán rã bằng 8,05 ngày.
Phản ứng phân hạch hạt nhân là quá trình mà kết quả là các hạt nhân nặng (uran U,
Plutuni và...) sau khi hấp thụ nơtron sẽ phân ró thành 2 nguyên tố nhẹ có hình thành thêm
các hạt nơtron. Ví dụ của phản ứng này như sau:
235

266
99
133
(3.0)
U 92
 n  U 92
 Mo42
 Sn50
 4n
Do đó, một cách tự nhiên, các đồng vị phóng xạ Mo 99
42 và các đồng vị khác nhận được
bằng cách này sẽ có cùng các đặc trưng năng lượng và cùng chu kỳ bán rã. Điều này giống
như trong phương pháp trước, nhưng ở đây có ưu điểm là khả năng tách riêng chất ban đầu
và sản phẩm phản ứng. Trong phản ứng (3.0) tạo thêm 4 nơtron, các nơtron này lại có thể
tác động lên các hạt nhân khác gây ra sự phân rã chúng; quá trình được tiếp tục cho đến khi
hết chất phân rã ban đầu. Phương pháp tạo CPPX thứ ba là bắn phá các hạt nhân nguyên tử
ổn định bằng các hạt mang điện được gia tốc ( H  , D  , He 32 ). Việc gia tốc được thực hiện
nhờ các máy gia tốc tuyến tính hay máy gia tốc cộng hưởng từ (xiclôtron) bằng điện trường.
Các ví dụ của phản ứng hạt nhân:
(3.1)
p  Zn 68  Ga 67  2n

  O16  F18  p  n

(3.2)
Cũng giống như phản ứng phân hạch hạt nhân, ưu điểm của phương pháp này là sự khác
biệt của khối lượng nguyên tử giữa chất ban đầu và sản phẩm cuối cùng; điều này cho phép
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

16

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

nhận được các đồng vị phóng xạ với độ tinh khiết và hoạt tính riêng cao. Khi lựa chọn chất
phát xạ cụ thể cho chẩn đoán y tế phải dựa trên những yêu cầu cơ bản sau:
- Chất phát xạ phải có chu kỳ bán rã cần thiết đủ để chẩn đoán, nhưng lại không gây ra
mất an toàn phóng xạ.
- Phân rã phải kèm theo bức xạ lượng tử  .
- Năng lượng của các lượng tử  cần phải đủ để chẩn đoán và đáp ứng các yêu cầu nảy
sinh do đặc thù của thiết bị đo.
Khi lựa chọn chất phát xạ người ta cũng sử dụng cả tham số chu kỳ bán rã hiệu dụng TE
có khả năng vừa tính đến chu kỳ bán rã vật lý T1/2 lẫn thời gian thoát CPPX từ cơ thể TB.
Thông thường TB là thời gian thoát một nửa CPPX và được xác định theo công thức:

1
1
1


TE TB T1/ 2

(3.3)

Ngày nay trong hầu hết các nghiên cứu y học hạt nhân sử dụng nguyên tố phóng xạ
Tecniti Tc99

m . Chu kỳ bán rã vật lý của Tecniti là 6,02 giờ, khi phân rã xuất hiện đồng vị
99
Tc và lượng tử  với năng lượng 140Kev. Độ dày của lớp giảm bức xạ  xuống còn một
nửa bằng 4,6cm là hoàn toàn đủ để chẩn đoán và đáp ứng các yêu cầu về thiết bị. Ngoài ra,
trong y học hạt nhân các đồng vị I123, In111, Ga67, Tl201, Kr81 cũng được sử dụng. Chất đồng
vị phóng xạ từ những nguyên tố tự nhiên sẽ đi vào cơ thể chúng ta một cách an toàn. Chúng
phát ra tia gamma và được phát hiện bởi SPECT. Có rất nhiều loại thuốc và chất hóa học
khác nhau có thể được đánh dấu, chuyển thành đồng vị phóng xạ mà không làm thay đổi đặt
tính của nó. Loại chất đánh dấu được sử dụng phụ thuộc vào những gì mà người bác sĩ
muốn đo lường.
Ví dụ như người bác sĩ muốn quan sát một khối u, ông ta có thể dùng chất phóng xạ có
tính chất giống như đường fluodeoxyglucose (FDG), và theo dõi cách chúng được trao đổi
với khối u.[3].
3.1.2 Các đồng vị phóng xạ thƣờng dùng trong y học
Na24: thời gian sống ngắn, chu kỳ bán rã là 15 giờ, phóng xạ β với năng lượng 1,37 MeV
và các bức xạ γ với mức năng lượng 1,36; 2,75; 4,37 MeV, chuyển thành Mg24 bền. Trong y
học thường dùng Na24 dưới dạng NaCl không màu, vô trùng. Dùng để chuẩn đoán tốc độ
tuần hoàn và nghiên cứu chuyển hóa muối – nước.
P32: chu kỳ bán rã 14,3 ngày, phát xạ tia β với năng lượng 1,7 MeV. Sau khi phóng xạ,
P32 chuyển thành S31 bền. Trong chuẩn đoán, thường dùng dưới dạng natriphotohat dung
dịch không màu. Dùng để chuẩn đoán ung thư và điều trị một số bệnh về máu.
Ca47: chu kỳ bán rã 4,7 ngày, phát xạ tia β với năng lượng 0,66 MeV (83%) và 1,94
MeV (17%). Đồng thời, phát tia γ với năng lượng 0,48 MeV và 1,31 MeV chuyển thành
Sc47 là chất không bền. Sc47 sẽ phóng xạ β với năng lượng 0,44 và 0,6 MeV và tia γ với
năng lượng 0,159 MeV và chuyển thành đồng vị ổn định Ti47.
I131: chu kỳ phân rã 8,1 ngày. I131 phát ra tia β với năng lượng 0,2 MeV và tia γ với mức
năng lượng 0,008; 0,282; 0,363; 0,637 MeV. Sau khi phóng xạ I131 chuyển thành Xe131
không phóng xạ. Trong chuẩn đoán thường dùng dưới dạng dung dịch không màu, không
mùi, không vị hoặc dưới dạng thyroxine I131 dung dịch trong, không màu. Dùng để chuẩn
đoán bệnh tuyến giáp.

I132: chu kỳ bán rã 2,4 giờ. Nơi sản xuất thường cung cấp cho các cơ sở sản xuất máy
phóng xạ I131, trong đó chứa Te132, chất này sẽ chuyển thành I132. Dùng để chuẩn đoán bệnh
về tuyến giáp (dùng được cho trẻ em và phụ nữ có mang).
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

17

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Xe133: chu kỳ bán rã 5,3 ngày, phát xạ tia β 0,34 MeV và tia γ là 0,081 MeV sản xuất
dưới dạng khí hoặc dung dịch.
Vàng phóng xạ - 198 (Au198): chu kỳ bán rã 2,7 ngày, phóng xạ tia β dưới dạng năng
lượng 0,38 MeV và tia γ 0,42 MeV, chuyển thành Hg198 bền. Trong chuẩn đoán thường
dùng dưới dang dung dịch keo.
Sắt – 59 (Fe59): chu kỳ bán rã 45,1 ngày, phóng xạ tia β và γ, thường dùng dưới dạng
dung dịch trong, màu vàng, dùng để chuẩn đoán bệnh về máu.
Technetium – 99m (Tc99m) được mệnh danh là chất đồng vị phóng xạ vạn năng trong
chuẩn đoán. Chu kỳ bán rã 6 giờ, và chỉ phóng xạ ra tia γ với năng lượng thấp 0,14 MeV. Vì
thời gian sống ngắn nên nơi sản xuất thương cung cấp cho các cơ sở chuẩn đoán các máy
sinh xạ Tc99m, trong đó chủ yếu có Mo99 sẽ sản sinh ra Tc99m, dùng chủ yếu trong xạ hình
tuyến giáp, tuyến nước bột, khối u não.
3.2 Tóm tắt chƣơng 3
Trong chương 3 chúng ta tìm hiểu về định nghĩa đồng vị phóng xạ, cách sản xuất chế
phẩm phóng xạ (CPPX) và các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong y học.
Các đồng vị sử dụng trong y học phải đảm bảo các yêu cầu về chu kì bán rã, dạng phóng

xạ phát ra khi phân rã, năng lượng của các tia phóng xạ và ứng dụng các đồng vị phóng xạ
đó trong điều trị.
Khi lựa chọn đồng vị phóng xạ cần phải tính đến chu kỳ bán rã hiệu dụng.

GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

18

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT GHI ĐO PHÓNG XẠ
4. CÁC DỤNG CỤ GHI ĐO PHÓNG XẠ
4.1 Nguyên tắc chung
Cơ sở của việc ghi đo phóng xạ là các phản ứng hóa học hoặc hiệu ứng vật lí của sự
tương tác giữa tia phóng xạ và vật chất hấp thụ.[1,3].
Về phương diện vật lí, khi khảo sát sự ghi đo phóng xạ, người ta lưu ý 3 yếu tố sau:
- Dạng của vật chất hấp thụ (rắn, lỏng, khí).
- Bản chất của hiệu ứng vật lí.
- Cách thể hiện kết quả ghi đo, nếu là xung điện thì biên độ xung là cố định hay tỷ lệ
với năng lượng hấp thụ được.
Dưới tác dụng của tia phóng xạ, các nguyên tử và phân tử cấu tạo nên vật chất được kích
thích và ion hóa, từ đó gây ra các hiệu ứng khác nhau. Mức độ các hiệu ứng đó xảy ra tùy
thuộc vào bản chất và năng lượng của chùm tia. Vì vậy, chúng ta có thể dựa vào các hiệu
ứng đó để ghi và đo các tia phóng xạ.
Mỗi máy đo phóng xạ hạt nhân điều có hai bộ phận cơ bản:[8]

+ Bộ phận phát hiện (còn gọi là detector).
+ Bộ phận đếm.
Bộ phận phát hiện là bộ phận quang trọng nhất của máy ghi đo, làm nhiệm vụ chuyển tia
phóng xạ (một photon hay một hạt) thành dạng có thể đo đếm được (thường là một xung
điện) rồi chuyển sang bộ phận đếm.[8]
4.2 Detector
Có nhiều loại detector như detector chất khí, detector nhấp nháy, detector bán dẫn, các
detector dùng trong y học chủ yếu thuộc loại detector chất khí, detector nhấp nháy.
4.2.1. Cấu tạo và nguyên tác hoạt động Detecter chất khí

Hình 4.1.Sơ đồ nguyên tắc hoạt động detecter chất khí[4]
Detecter chất khí là dụng cụ đo phóng xạ mà môi trường vật chất của nó là môi trường
khí. Detecter gồm một hình trụ rỗng, trong đó có chứa khí, hai điện cực dương và âm của
nguồn điện một chiều, mạch các tụ điện và điện trở lấy tín hiệu ra. Detecter thường có hai
điện cực hình trụ đồng trục cách điện với nhau rất tốt, điện cực ở giữa là điện thế từ một
nguồn điện có thể điều chỉnh được.
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

19

SVTH: Đào Chiến


Luận văn đại học

Tìm hiểu về SPECT và ứng dụng trong y học

Ở trang thái bình thường, chất khí không dẫn điện và không có dòng điện chạy trong các
điện cực. Khi một tia phóng xạ đi qua môi trường khí của detector, chất khí bị ion hóa. Các
electron chuyển động tới anode, còn các ion dương chuyển động đên cathode tạo nên dòng

điện qua chất khí gọi là dòng điện ion hóa. Khảo sát hiện tượng này với các điện thế khác
nhau, ta thu được đồ thị như sau:

Hình 4.2. Đường đặc trưng cho detecter chất khí[4]
Trên hình trên ta thấy, đường cong biểu diễn dòng điện I có 4 đoạn khác nhau.
+ Đoạn I: điện thế ở hai điện cực còn quá yếu để cuốn hút các ion về đó. Hầu hết chúng
tái hợp với nhau để trở thành nguyên tử (hoặc phân tử) khí trung hòa về điện. Điện thế càng
tăng thì số lượng và vận tốc của các ion về điện cực càng lớn, càng làm tăng dòng điện I và
làm giảm các nguyên tử được tái hợp trở lại. Cường độ dòng điện lúc này còn rất nhỏ.
+ Đoạn II: lúc này dù điện thế được tăng lên nhưng cường độ dòng điện không đổi, ta
nói cường độ dòng điện I đạt giá trị bão hòa hay đồ thị ở dạng plateau (thẳng ngang). Sở dỉ
thế là vì lúc đó, toàn bộ các electron và ion dương do tia phóng xạ tạo ra điều bị cuốn hút về
các điện cực, không có sự tái hợp. Người ta gọi miền II là miền ion hóa. Độ lượng của dòng
điện chỉ còn tỷ lệ với năng lượng do các tia phóng xạ chuyển giao cho các phân tử khí. Các
buồng ion hóa thường làm việc ở miền này.
+ Đoạn III: điện thế được tăng lên nữa thì dòng điện I tiếp tục tăng, vì lúc này các
electron có động năng rất lớn có thể gây ra hiện tượng ion hóa thứ cấp để tạo ra các electron
và ion dương mới. Số electron và ion dương chuyển dịch về hai cực sẽ càng lớn hơn và phụ
thuộc vào hiệu điện thế. Miền này được gọi là miền tỷ lệ và thường được dùng để tạo ra các
ống đếm tỷ lệ. Độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào năng lượng của các tia phóng xạ khi
tương tác với các phân tử chất khí. Do vậy, ống đếm tỷ lệ có thể vừa dùng để đo năng lượng
phóng xạ vừa dùng để đo cường độ phóng xạ.
+ Đoạn IV: đến cuối đoạn III tất cả các ion sơ cấp và thứ cấp điều được cuốn hút về các
điện cực. Đồ thị có dạng plateau. Thực nghiệm cho thấy, hai đường cong (1) và (2) ứng với
mức năng lượng E1 và E2 của tia phóng xạ khác nhau có xu hướng trùng nhau. Điều đó có
nghĩa là độ lớn của cường độ dòng điện không phụ thuộc vào năng lượng ban đầu của chùm
GVHD: ThS. GVC Thầy Hồ Hữu Hậu

20

SVTH: Đào Chiến