Nghiên cứu ảnh hưởng liều cơ quan trong chữa trị ung thư tuyến tiền liệt dùng nguồn 125i và 301pd

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM VĂN LỤC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LIỀU CƠ QUAN
TRONG CHỮA TRỊ UNG THƯ TUYẾN
TIỀN LIỆT DÙNG NGUỒN 125I VÀ 301Pd

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH NĂM 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM VĂN LỤC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LIỀU CƠ QUAN
TRONG CHỮA TRỊ UNG THƯ TUYẾN
TIỀN LIỆT DÙNG NGUỒN 125I VÀ 103Pd

Chuyên ngành: VẬT LÝ HẠT NHÂN
Mã số: 60 – 44 – 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN VĂN HÙNG

THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH NĂM 2008

1

MỞ ĐẦU
Trong những thập niên gần đây, việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân được
triển khai rộng rãi trong nhiều lónh vực và đã thu được những thành quả hết sức
quan trọng.
Trong công nghiệp dùng kỹ thuật truyền qua để nghiên cứu, phát hiện
các khuyết tật trong các bộ phận, chi tiết máy nằm sâu bên trong. Ứng dụng kỹ
thuật đánh dấu đồng vò phóng xạ trong thăm dò và khai thác dầu khí, kỹ thuật
phân tích kích hoạt hạt nhân cho phép xác đònh thành phần và hàm lượng các
chất một cách chính xác trong các mẫu vật nghiên cứu, dùng kỹ thuật hạt nhân
để tạo ra các loại vật liệu mới.
Trong sinh học và nông nghiệp kỹ thuật hạt nhân cũng có ý nghóa rất lớn.
Kỹ thuật đồng vò phóng xạ được dùng để nghiên cứu quy luật vận chuyển chất
trong cây trồng. Dùng các tia bức xạ với liều thích hợp để tạo ra các đột biến có
lợi, tạo ra các giống cây trồng mới, có năng suất và chất lượng. Dùng tia bức xạ
trong chiếu xạ thực phẩm và khử trùng các dụng cụ y tế.
Đặc biệt, kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng sâu rộng trong lónh vực y tế
và thu được những thành tựu hết sức to lớn, có ý nghóa đặc biệt quan trọng trong
chuẩn đoán và điều trò bệnh. Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong chẩn đoán có
thể phát hiện được các bệnh hiểm nghèo (ung thư, parkison,...) từ rất sớm để có
kế hoạch điều trò kòp thời. Trong điều trò mà nhất là điều trò ung thư thì kỹ thuật
hạt nhân đặc biệt chiếm ưu thế. Trong nhiều trường hợp, đây là phương pháp
duy nhất mang lại hy vọng cho bệnh nhân ung thư. Một số ứng dụng trong điều
trò ung thư như: dùng đồng vò

130

I trong điều trò ung thư tuyến giáp, dùng tia

gamma từ máy gia tốc để xạ tự nhiên loại khối u bằng xạ trị ngoài. Dùng nguồn


2

192

Ir hoặc

137

Cs trong xạ trò áp sát, bằng cách đặt nguồn tạm thời, ung thư tử

cung và một số loại ung thư trong các nội tạng khác.
Những năm gần đây các nước phương tây (điển hình như Mỹ, Canada,
EU…) đã dùng nguồn

125

I và

103

Pd đặt vónh viễn trong khối u, ứng dụng trong

điều trò ung thư tuyến tiền liệt. Phương pháp này được tiến hành bằng cách đặt
vónh viễn các hạt nguồn vào tuyến tiền liệt bò ung thư để diệt khối u. Đây là
một phương pháp mới, đã được tiến hành nhiều ở một số nước phương tây thu

được kết quả rất tốt. Theo báo cáo của ICRP-2005 [13] đến năm 2005 đã có
trên 50000 bệnh nhân xạ trò ung thư tuyến tiền liệt thành công bằng phương
pháp này trên toàn thế giới, con số này chắc chắn tăng lên nhiều hơn trong mấy
năm vừa qua và các năm tới. Chính vì vậy, việc nghiên cứu sâu, hiểu rõ đặc
biệt trong việc nghiên cứu ảnh hưởng liều lên các cơ quan là hết sức quan
trọng. Tại bệnh viện 108 đang xây dựng một máy gia tốc dùng để chế tạo nhiều
loại đồng vò phóng xạ dùng trong chẩn đoán và điều trò. Máy gia tốc này cũng
có thể tạo ra các đồng vò phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn ngày trong đó có 125I
và

103

Pd vì vậy phương pháp này chắc chắn sẽ được nghiên cứu áp dụng tại

Việt Nam trong tương lai gần. Đây cũng chính là lý do tôi chọn đề tài: “Nghiên
cứu ảnh hưởng liều cơ quan trong chữa trò ung thư tuyến tiền liệt dùng
nguồn

125

I và

103

Pd”. Việc tìm hiểu về phương pháp và nghiên cứu liều ảnh

hưởng lên các cơ quan trong suốt quá trình xạ trò này để đánh giá mức độ an
toàn, cũng như hiệu quả của phép điều trò. Trên cơ sở những đánh giá đó có thể
nghiên cứu và tiến hành triển khai ứng dụng phương pháp này vào xạ trò ung
thư tuyến tiền liệt ở Việt Nam trong tương lai.

3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1 Mục đích của đề tài
Một nguyên tắc cơ bản và hết sức quan trọng trong ứng dụng bức xạ là
phải đảm bảo an toàn. Điều này càng quan trọng trong việc ứng dụng bức xạ
trong chẩn đoán và điều trò bệnh. Chính vì thế việc tính toán và nghiên cứu liều
ảnh hưởng lên các cơ quan trong cơ thể là rất quan trọng. Trong suốt quá trình
điều trò phải đảm bảo nguyên tắc là diệt được các tế bào ung thư, nhưng đồng
thời vẫn đảm bảo an toàn cho các tế bào lành của các cơ quan trong cơ thể.
Nghóa là, trước khi tiến hành điều trò phải tiến hành tính liều tới hạn cho các cơ
quan, căn cứ vào đó lập kế hoạch điều trò với biên thích hợp.
Mục đích chính của đề tài này là xác đònh liều hấp thụ của các cơ quan
trong suốt quá trình xạ trò áp sát ung thư tuyến tiền liệt, bằng cách đặt vónh viễn
các hạt nguồn

125

I và

103

Pd bên trong tuyến tiền liệt. Để thực hiện được công

việc khó khăn và phức tạp đó, chúng tôi dùng kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo
N – Particle (MCNP) để tính năng lượng hấp thụ của các cơ quan, sau đó tính ra

liều hấp thụ thông qua thể tích và mật độ vật chất của các cơ quan đã biết. Từ
kết quả tính được đánh giá mức độ an toàn và các nguy cơ mà người bệnh có
thể gặp phải dựa trên các tiêu chuẩn của ICRP( International Commission on
Radiological Protection)[12].
1.2 Ý nghóa của đề tài
Ý nghóa quan trọng của đề tài này là có thể xác đònh được liều của các
cơ quan mà ta quan tâm trong cơ thể. Những cơ quan như bàng quang, bộ phận
sinh dục và trực tràng có khả năng nhận liều cao nhất từ phép điều trò này. Tuy


4

nhiên qua thực tế cho thấy những lợi ích của phương pháp điều trò này mang lại
có ý nghóa rất lớn so với những nguy cơ và các tác dụng phụ về sau.
Chính vì sự phức tạp của cấu trúc cơ thể nên không thể đưa các thiết bò
vào bên trong các cơ quan, bộ phận để đo liều được nên để xác đònh liều của
các cơ quan quan tâm có thể dùng chương trình MCNP để tính năng lượng bức
xạ hấp thụ trong các cơ quan, từ đó sẽ tính được liều mà các cơ quan đó nhận
trong suốt quá trình điều trò. Trên cơ sở liều tính toán được sẽ đánh giá được
mức độ an toàn của phương pháp điều trò này.
1.3 Lợi ích và những nguy cơ gặp phải khi xạ trò áp sát ung thư tuyến
tiền liệt
Trong nhiều thập niên gần đây việc ứng dụng bức xạ hạt nhân có ý nghóa
hết sức quan trọng cả về chẩn đoán và điều trò trong y học hạt nhân. Trong điều
trò, bức xạ hạt nhân chủ yếu được dùng để điều trò ung thư với nguyên tắc chung
là tia bức xạ phát ra chiếu vào tế bào ung thư, diệt tế bào ung thư làm cho khối
u ngừng phát triển, giảm thể tích và có thể tiêu diệt hoàn toàn khối u. Các
phương pháp thường dùng là sử dụng dược chất phóng xạ cho người bệnh uống
(dùng 131I trong xạ trò ung thư tuyến giáp), xạ trò áp sát bằng cách đặt nguồn vào
các kẽ sát khối u để bức xạ phát ra tác động trực tiếp và tập trung vào khối u,

hay dùng tia bức xạ phát ra từ máy gia tốc chiếu từ ngoài vào khối u.
Một trong những hiệu quả tốt nhất của bức xạ là ứng dụng trong xạ trò
ung thư tuyến tiền liệt. Xạ trò ung thư tuyến tiền liệt đã đạt được những thành
công quan trọng trong nhiều năm qua. Mặc dù có nhiều sự lựa chọn để xử lý
ung thư tuyến tiền liệt như phẫu thuật hay xạ trò ngoài, song xạ trò áp sát được
xem là ngăn ngừa tốt nhất sự phát triển của khối u tuyến tiền liệt.
Phương pháp xạ trò áp sát ung thư tuyến tiền liệt là đặt cố đònh nhiều hạt
nguồn bức xạ (125I hoặc 103Pd) vào tuyến tiền liệt. Các hạt nguồn bức xạ này sẽ


5

phát ra năng lượng bức xạ bằng cách bắt electron và phát photon, các tia bức xạ
phát ra sẽ chiếu trực tiếp vào các mô bên trong tuyến tiền liệt, làm giảm thể
tích khối u, diệt các tế bào ung thư và ngăn ngừa chúng phát triển trở lại. Sở dó
trong dùng nguồn
192

Ir hay

125

I và

103

Pd trong phương pháp xạ trò này mà không dùng

131

Cs vì năng lượng chúng phát ra thấp, chu kỳ bán rã tương đối ngắn

[19]. Chính ưu thế này đảm bảo được yêu cầu sau khi cấy nguồn vào thì năng
lượng bức xạ sẽ được hấp thụ hầu như toàn bộ trong tuyến tiền liệt, không gây
tổn hại cho các cơ quan lân cận và sau một thời gian điều trò nhất đònh nguồn
phân rã hết sẽ không còn ảnh hưởng đối với người bệnh.
Lợi ích lâu dài của phương pháp này là giảm được đến mức thấp nhất sự
tái phát trở lại của khối u, kéo dài tuổi thọ của bệnh nhân mà vẫn đảm bảo cho
họ hoạt động bình thường trong suốt quá trình xạ trò. Hơn nữa, bệnh nhân không
phải trải qua nhiều lần điều trò như phương pháp xạ trò áp sát bằng cách đặt
nguồn tạm thời. Mặc dù phương pháp xạ trò này mang lại những lợi ích hết sức
to lớn nhưng cũng như những phương pháp khác nó cũng có những tác hại tiềm
ẩn cần được xem xét kỹ lưỡng. Những vấn đề này gồm các tác dụng phụ và vấn
đề an toàn bức xạ.
Mục đích của đề tài này là nghiên cứu ảnh hưởng liều của các cơ quan
trong phép xạ trò này tính từ khi đặt các hạt nguồn bức xạ nằm vónh viễn vào
tuyến tiền liệt. Liều chiếu vào tuyến tiền liệt là khá lớn, trong suốt quá trình
điều trò liều mà tuyến tiền liệt nhận có thể đạt cỡ 145Gy.[28]
Nghiên cứu này là rất quan trọng vì chính liều chiếu vào tuyến tiền liệt
là khá cao nên các cơ quan gần nó như bàng quan, cơ quan sinh dục, trực tràng
cũng có nguy cơ nhận liều cao. Những cơ quan ở vùng khung xương chậu như:
thận, dạ dày, phổi và một số cơ quan ở phần thân trên cũng nhận một liền ý
nghóa nhất đònh trong suốt quá trình điều trò.


6

Một sự bất lợi nữa của quá trình xạ trò áp sát tuyến tiền liệt là các tế bào
tuyến tiền liệt khỏe mạnh cũng bò tiêu diệt cùng với tế bào ung thư. Tương tự
như các tế bào tuyến tiền liệt thì các tế bào của bàng quang, trực tràng và các

tế bào sinh dục cũng có khả năng bò tổn thương. Một nguy cơ cao đối với người
đàn ông điều trò bằng phương pháp này là sự chiếu xạ có thể làm tổn thương
tinh hoàn, làm hư hại mào tinh không có khả năng sản sinh tinh dòch dần đến vô
sinh. Ngoài ra còn có thể gây chứng tiểu không kiểm soát và rối loạn cường
dương. Đặc biệt các cơ quan nhận liều cao từ quá trình xạ trò có nguy cơ mắc
ưng thư thứ cấp nguy hiểm là rất cao. Mặc dù vậy, so với việc kéo dài sự sống
của người bệnh thì tác dụng phụ đó là không đáng quan tâm, mặt khác những
người đàn ông mắc ung thư tuyến tiền liệt phần lớn là cao tuổi nên hầu như
không còn hoạt động sinh sản nên việc tổn thương cơ quan sinh dục là không
quan trọng.


7

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Độ phóng xạ
Độ phóng xạ của một nguồn phóng xạ là số lượng hạt nhân phân rã
phóng xạ trong một đơn vò thời gian. Gọi Ao là hoạt độ ban đầu, At là hoạt độ
tại thời điểm t ta có:
At = -

Tong đó λ=

dN t
= A o .e-λt
dt

(2.1)

ln2
là hằng số phân rã, cho biết xác suất để một hạt nhân
T1/2

phóng xạ bò phân rã trong một đơn vò thời gian.
T1/2 của hạt nhân là khoảng thời gian cố đònh để số hạt nhân giảm xuống
còn một nửa gọi là chu kỳ bán rã
Còn τ =

1

λ

được gọi là thời gian sống trung bình của hạt nhân.

Trong hệ đơn vò SI, đơn vò của hoạt độ là Becquerel (Bq): 1 Bq = 1 phân
rã / giây
Người ta còn dùng một đơn vò khác là Curi ( Ci ) với: 1 Ci = 3,7.1010 Bq
2.2 Cơ sở của phép đo liều
Thực nghiệm cho thấy tác dụng sinh học của tia phóng xạ phụ thuộc chủ
yếu vào năng lượng mà chùm tia phóng xạ bỏ lại trong vật chất. Lượng năng
lượng hấp thụ này tùy thuộc loại tia phóng xạ, năng lượng của nó, thời gian
chiếu cũng như các tính chất của vật được chiếu. Để xác đònh một cách đònh
lượng tác dụng sinh học của tia phóng xạ ta dùng các đại lượng đo liều.


8

2.2.1 Liều chiếu và suất liều chiếu

Liều chiếu và suất liều chiếu là các đại lượng đặc trưng cho độ mạnh
phóng xạ của một chùm photon. Đại lượng này thể hiện qua khả năng ion hóa
không khí của chùm photon đó tại một điểm trong không gian.
Liều chiếu X được đònh nghóa là tỉ số:
X=

ΔQ
Δm

(2.2)

Trong đó ΔQ là tổng điện tích các ion cùng dấu được tạo ra (trực tiếp hay

gián tiếp) trong một thể tích không khí có khối lượng Δm bởi tia X hay tia γ khi
tất cả các electron được giải phóng hoàn toàn bò hấp thụ trong khối lượng không
khí đó.
Liều chiếu chỉ được dùng với môi trường là không khí và bức xạ chỉ là
photon có năng lượng dưới 3 MeV.
Đơn vò chuẩn của liều chiếu trong hệ SI là Culông/ kilôgam (Cu/kg).
Ngoài ra thường dùng đơn vò Rơnghen (R) :
1R = 2,58.10-4C/kg không khí

1C/kg = 3876R

Suất liều chiếu: X là liều chiếu trong một đơn vò thời gian:
 ΔX
X=
Δt

(2.3)

Đơn vò của suất liều chiếu trong hệ SI là C/kg/s hay A/kg. Ngoài ra
thường dùng R/s.
2.2.2 Liều hấp thụ – suất liều hấp thụ
2.2.2.1 Liều hấp thụ

Liều hấp thụ là năng lượng bò hấp thụ trên đơn vò khối lượng của đối
tượng bò chiếu xạ.


9

D=

ΔE
Δm

(2.4)

Trong đó ΔE (J) là năng lượng của bức xạ mất đi do sự ion hóa trong đối
tượng bò chiếu xạ, Δm (kg) là khối lượng của đối tượng bò chiếu xạ trong thể
tích ΔV.
Đơn vò liều hấp thụ trong hệ SI là Gray (Gy). Ngoài ra còn dùng đơn vò
rad:
1 Gy = 1J/kg = 100rad
1 rad = 100 erg/g
Tính chất: Giá trò liều hấp thụ phụ thuộc vào tính chất của bức xạ và môi
trường hấp thụ. Sự hấp thụ năng lượng của môi trường đối với tia bức xạ là do
tương tác của bức xạ với electron của nguyên tử vật chất. Do đó năng lượng hấp
thụ trong một đơn vò khối lượng phụ thuộc vào năng lượng liên kết của các

electron với hạt nhân nguyên tử và vào số nguyên tử có trong đơn vò khối lượng
của môi trường vật chất hấp thụ, nó không phụ thuộc vào trạng thái kết tụ của
vật chất.
2.2.2.2 Suất liều hấp thụ

Suất liều hấp thụ là liều hấp thụ tính trong 1 đơn vò thời gian.
 = ΔD
D
Δt

(2.5)

Với ΔD là liều hấp thụ trong khoảng thời gian Δt
Đơn vò của suất liều hấp thụ là (Gy/s) hoặc (rad/s)
2.2.3 Kerma

Đối với các bức xạ ion hóa gián tiếp như (photon, neutron…) quá trình
truyền năng lượng cho vật chất xảy ra theo hai bước. Giả sử với một chùm
photon truyền qua vật chất, sự tương tác giữa chúng sẽ xảy ra theo 2 bước: bước


10

thứ nhất (1) xảy ra khi photon (hạt ion hóa gián tiếp) giải phóng các hạt mang
điện như electron, positon ( hạt ion hóa trực tiếp ) có động năng khá lớn do các
hiệu ứng quang điện, compton hay sự hủy cặp. Bước thứ hai (2), xảy ra khi
những hạt mang điện thứ cấp này mất dần năng lượng trong môi trường do va
chạm (ion hóa hay kích thích) hay phát bức xạ (bức xạ hàm, hủy cặp). Tương
ứng với hai điều này, ngoài liều hấp thụ người ta đưa ra khái niệm Kerma.
Kerma là viết tắt của thuật ngữ động năng được truyền cho vật chất

(Kinetic Energy Released in the Material) là một đại lượng dùng để mô tả quá
trình truyền năng lượng trong bước một.
- Gọi dEK là năng lượng trung bình bức xạ truyền cho các hạt mang điện
thứ cấp (electron, positon) trong một khối lượng môi trường dm thì:
K=

dE K
dm

(2.6)

Kerma K cùng có đơn vò là Gy như liều hấp thụ D. Tuy nhiên liều hấp
thụ được xác đònh bởi quá trình truyền năng lượng trong bước hai (2), khi các
hạt mang điện thứ cấp bỏ động năng của nó trong môi trường vật chất.
2.2.4 Liều tương đương và suất liều tương đương
2.2.4.1 Liều tương đương

Về phương diện sinh học, người ta thấy rằng các loại bức xạ khác nhau,
dù được hấp thụ cùng một liều như nhau trong mô, cũng có các tác dụng khác
nhau. Trong an toàn phóng xạ, ngoài liều hấp thụ, người ta còn dùng đại lượng
liều tương đương. Nó được đo bằng tính số giữa liều hấp thụ trung bình trong
một mô hay một cơ quan và hệ số đặc trưng cho loại bức xạ trong việc gây nên
tác dụng sinh học.
Như vậy, liều tương đương HT (equivalent dose) gây bởi một bức xạ lên
cơ thể sống là:


11

HT = WR.D

(2.7)

Trong đó, WR gọi là hệ số chất lượng (xem bảng 2.1)
Bảng 2.1: Hệ số chất lượng của một số loại hạt (ICPR – 1990) [13], [1]

Loại bức xạ

WR

Photon có năng lượng bất kỳ

1

e+ và e- có năng lượng bất kỳ

1

Neutron

< 10keV

5

10 ÷ 100 keV

10

100 ÷ 2 MeV

20

2 MeV ÷ 20 MeV

10

32 MeV

5

Hạt alpha, nhân nặng

20

Proton

Đơn vò của liều tương đương trong hệ SI là sivert (Sv)
1 (Sv) = 1 Gy . WR
Ngoài ra còn dùng đơn vò rem: 1 Sv = 100 rems
1 rem = 1 rad. WR
2.2.4.2 Suất liều tương đương

Suất liều tương đương là liều tương đương được hấp thụ trong một đơn vò
thời gian. Đơn vò của suất liều tương đương là sivert/ giây (Sv/s) và (rem/s)
2.2.5 Liều hiệu dụng

Liều tương đương được dùng khi cơ quan hay một mô riêng rẽ bò chiếu
xạ. Các mô khác nhau nhận cùng một liều tương đương như nhau thì tổn thương
sinh học cũng khác nhau. Tức là chúng có độ nhạy bức xạ khác nhau. Độ nhạy
này được đặc trưng bởi một hệ số gọi là trong số mô WT (tisusue weighting

factor)


12

Trong trường hợp toàn thân bò chiếu người ta dùng liều hiệu dụng :
H = ΣWT.HT

(2.8)

Trong đó HT liều tương đương nhận được ở mô T và WT, là trọng số mô
đặc trưng cho cơ quan (mô) đó xem bảng (2.2):
Bảng 2.2: Các trọng số mô đặc trưng cho các cơ quan trong cơ thể (ICRP-1990)

Cơ quan hoặc mô

WT

Cơ quan sinh dục (gonad)

0.20

Tủy xương (bane marrow)

0.12

Ruột (colon)

0.12

Phổi (lung)

0.12

Dạ dày (stomach)

0.12

Bàng quan (bladder)

0.05

Vú (breast)

0.05

Gan (liver)

0.05

Thực quản (oesophagas)

0.05

Tuyến giáp (thysoid)

0.05

Da (skin)

0.01

Xương mặt (bone surface)

0.01

Các cơ quan khác

0.05

Tổng trọng số mô = 1

ΣWT = 1

2.3 Phương pháp tính liều chiếu trong MIRD (Medical Internal Radiation

Dose )
Trong trường hợp tổng quát, cơ quan hay mô được tính liều hấp thụ được
gọi là cơ quan hay mô “bia”, ký hiệu là T, còn cơ quan hay mô “nguồn”, ký
hiệu là S, chứa đồng vò phóng xạ phân bố đều. Phương pháp tính liều hấp thụ


13

theo mô hình này gọi là phương pháp MIRD, do Ủy ban đo liều bức xạ y tế
chiếu trong (Medical Internal Radiation Dose Committee ) của hiệp hội Y học
hạt nhân ( Society of Nuclear Medicine ) đề xuất. Phương pháp này tính phần
năng lượng hấp thụ bởi cơ quan bia trong toàn bộ năng lượng do cơ quan nguồn
phát ra. Cơ quan nguồn S và cơ quan bia T có thể cùng là một cơ quan hay là
hai cơ quan khác nhau.

2.3.1 Tính suất liều hấp thụ theo phương pháp MIRD.

Suất liều hấp thụ là lượng năng lượng hấp thụ trên một đơn vò thời gian
trong một đơn vò khối lượng của vật liệu. Nó được xác đònh trực tiếp cùng với
hoạt độ và khối lượng của vật liệu hấp thụ và lượng năng lượng phát ra trong
một biến đổi hạt nhân. Trong một thể tích mô cơ quan, tất cả năng lượng phát ra
được hấp thụ. Theo đó nếu ta biết năng lượng phát ra trong một giây, thì năng
lượng hấp thụ trên một đơn vò thời gian, được được diễn tả như sau: [23]

( năng lượng phát ra ) = ( số biến đổi ) ( năng lượng phát ra )
( thời gian )

( thời gian )

( số biến đổi )

- Vì hoạt độ là số biến đổi trên 1 đơn vò thời gian nên :

( năng lượng phát ra ) = hoạt độ ( năng lượng phát ra )
(
)
( thời gian )
( số biến đổi )
- Nếu tất cả năng lượng phát ra được hấp thụ trong vật chất thì:

( năng lượng phát ra )
Suất liều ∝ ( hoạt độ

)

( số biến đổi )
( khối lượng )

Nếu dùng D : suất liều hấp thụ, A: hoạt độ, m: khối lượng mô
A/m hoạt độ trên một đơn vò vật chất; E: năng lượng trung bình phát ra
trên một biến đổi hạt nhân ta sẽ có:


14

 ∝ AE
D
m

(2.9)

Do A là hằng số nên ta có thể viết lại :
 =kAE
D
m

(2.10)

Với k là hằng số chuyển đổi đơn vò suất liều mong muốn.
Ví dụ A (μCi), m (g), E (Mev) thì k được tính như sau :

⎛
⎞
 ⎛ rad ⎞ = A ⎜ μ Ci ⎟ ( 3,7.10 4 ) trans 3600s E ⎛ MeV ⎞ x1,6.10-6 MeV ⎛ 1rad ⎞
D

⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝ h ⎠ m ⎜⎝ g ⎟⎠
⎝ trans ⎠
μ Ci h
⎝ 100erg/g ⎠

 ⎛ rad ⎞ =2,13 A E
⇒D
⎜
⎟
m
⎝ h ⎠

(2.11)

Giá trò năng lượng cho bởi nhân bức xạ là không đổi, nhân với hệ số k ta
được hệ số mới, trong thuật toán MIRD gọi là hệ số hấp thụ năng lượng, bằng
⎛ rad g ⎞
cách đựa vào Δ ⎜
⎟ =2,13E
⎝ μ Cih ⎠

Do đó:

 ⎛ rad ⎞ = A Δ

D
⎜
⎟
⎝ h ⎠ m

(2.12)

Giá trò liều có thể được chuyển qua hệ SI như sau :
1 Gy = 100rad
1 rad = 1cGy
1 μCi = 3,7.104Bq
Hầu hết các phân rã phóng xạ, có số hạt bức xạ phát ra khác nhau do đó
ta có tổng suất liều hấp thụ của tất cả các loại hạt do nhân phóng xạ phát ra:
 ∑D
 = A ∑ Δ với Δi = kni Ei
D=
i
i
m 1
1
n

n

(2.13)


15

Khi bức xạ vào cơ thể sẽ bò hấp thụ bởi các mô nên cần đưa ra một hệ số

mới: hệ số suất liều cho số đếm năng lượng phát ra từ một nguồn trong cơ thể
(thường gọi là vùng nguồn hay cơ quan nguồn). Hệ số này chính là hệ số của
năng lượng phát ra từ một cơ quan nguồn được hấp thụ trong một cơ quan bia
gọi là hệ số hấp thụ, được diễn tả bởi phương trình sau:
Hệ số hấp thụ =

( năng lượng hấp thụ trong bia )

( năng lượng phát ra từ nguồn )

Trong thuật toán MIRD hệ số này được diễn tả bởi hai phương trình suất
liều cho một bia nhận bức xạ từ một nguồn:
A
D (rT ← rS) =

mT

Với

∑ Δ φ (rT ← rS)
i i

i

Δ i = 1,602.10-10 .E i .n i (

g.Gy
)
Bq.s

(2.14)
(2.15)

rT là vò trí vùng bia
rS là vò trí vùng nguồn
i là loại hạt bức xạ
Suất liều cho một bia từ tất cả các nguồn được tính bởi:
 )=∑ A ∑ Δ φ (rT ← rS)
D(r
T
i i
S mT i

(2.16)

Phần hấp thụ riêng biệt của một bia bởi một nguồn trong thuật toán
MIRD:
Φ (rT ← rS) = φ (rT ← rS).m-1
Phương trình suất liều cho 1 bia là:
D ( rT ← rS) = A

∑Δ Φ
i

i

i

(rT ← rS)

(2.17)

Hệ số hấp thụ thường được xác đònh bởi phương pháp Monte - Carlo vì
cấu trúc hình học của cơ quan là rất phức tạp cho việc tính toán. Mô phỏng


16

Monte Carlo thường dùng một chương trình máy tính chạy với số hạt lòch sử rất
lớn ( hàng triệu hạt ) của photon.
Khi photon truyền qua một khoảng cách vật chất chúng sẽ tương tác và
mất năng lượng trong vật chất bằng cách: tán xạ, hấp thụ hoàn toàn ngẫu nhiên.
Mỗi photon có thể bò hấp thụ hoàn toàn hoặc có thể thoát ra ngoài cơ thể. Tổng
năng lượng hấp thụ trong cơ quan bia được xác đònh và hệ số hấp thụ cũng được
tính
Nếu hoạt độ không được phân bố đều trong nguồn hoặc nguồn và bia là
hocmon đủ rộng thì hàm hấp thụ phụ thuộc vào cấu trúc của nguồn và bia.
Khi đó tổng suất liều hấp cho 1 bia có thể được tính như sau :
 )=∑ A
D(r
T
S

∑ Δ Φ (r
i

i

i

T

← rS )

Đối với một nhân phóng xạ và một loại nguồn–bia nhất đònh thì

(2.18)

∑Δ φ
i

i i

là một hằng số. Trong phương pháp MIRD gọi là hằng số S. Trong một phantom
người S được xác đònh như sau :
S(rT ← rS) =

∑ E .n .φ ( r
i

i

i

i

T

← rS )

(2.19)

Khi đó phương trình suất liều có thể được xác đònh lại như sau :
 )=1,602.10-10 ∑ A.S ( r ← r ).m −1
D(r
T
T
S
T

(2.20)

S

2.3.2 Liều hấp thụ trong phương pháp MIRD

Nếu hoạt độ nguồn là một hằng số trong khoảng thời gian quan tâm, thì
liều hấp thụ trong suốt thời gian quan tâm được tính như sau:

D=D.t

(2.21)

Khi cho thời gian t ta tính được liều tương ứng. Ví dụ nếu suất liều là
rad/h thời gian là giờ thì liều hấp thụ là rad.


17

Nếu hoạt độ của nguồn là hằng số trong suốt thời gian quan tâm thì liều

hấp thụ được xác đònh như sau:
 ( t ) .dt= A(t) .S.dt
D = ∫D
∫ m

(2.22)

Suất liều phụ thuộc vào hoạt độ, hoạt độ của một nguồn được xác đònh
bởi nguồn phóng xạ cụ thể được dùng. Hằng số S thường không thay đổi trong
suốt thời gian quan tâm do đó:
D = S∫ A ( t ) .dt

(2.23)

Thuật toán MIRD dùng hoạt độ tích lũy AS , được tính như sau:
∞

A S = ∫ A ( t ) .dt

(2.24)

0

Do đó liều hấp thụ của cơ quan T từ hoạt độ người S được viết lại như
sau:
D (rT) =1,602.10-10

∑ A S( r
T

S

T

← rS ) .m-1 (Gy)

(2.25)

Trong phân rã phóng xạ của nguồn cho trước, có hoạt động A0 thì hoạt
độ tại thời điểm t: A (t) = A0.e-λt
Khi t →∞ thì

AS =

A0

λ

(2.26)

2.4 Tương tác photon với vật chất

Khi chùm photon vào môi trường vật chất, các photon có thể tương tác
với electron quỹ đạo và hạt nhân của nguyên tử môi trường theo các loại tương
tác Rayleigh, hiệu ứng quang điện, tán xạ Compton, tạo cặp và quang hạt nhân.


18

2.4.1 Tán xạ Rayleigh

Các photon năng lượng Eγ rất thấp tán xạ với 2 quỹ đạo ngoài của
nguyên tử, photon lệch đi một góc nhỏ nhưng không mất năng lượng và nguyên
tử cũng bò ion hóa hay kích thích.
Xác suất tán xạ với nguyên tử được tính bằng tiết diện hiệu dụng σ R
σR ≅

Z2
(cm2/ nguyên tử)
2
Eγ

(2.28)

Tiết diện tương tác tính theo đơn vò khối lượng hay hệ số suy giảm khối
lượng :

σ R ⎛ NA ⎞
Z
⎛ NA Z ⎞ Z
2
≅⎜
⎟σ R ≅ ⎜
⎟ 2 ≅ CR 2 (cm /g)
Eγ
ρ ⎝ A ⎠
⎝ A ⎠ Eγ

(2.29)

Trong đó Z là số nguyên tử; ρ (g.cm3) là mật độ khối lượng của mỗi chất
NA=6,023.1023/mol là số Avogadro, A số khối nguyên tử; CR=
số đối với nguyên tố có Z nhỏ trong cơ thể vì
ngoại trừ hrogen có

NA Z
là một hằng
A

Z
gần bằng 1/2 (từ 0,4 đến 0,5),
A

Z
=1.
A

2.4.2 Hiệu ứng Quang điện

Một photon nguyên tử Eγ= hν tương tác với một electron quỹ đạo bên
trong nguyên tử, photon bò hấp thụ hoàn toàn và electron bay ra khỏi nguyên tử
với động năng EPC gọi là electron quang điện. EPC bằng hiệu số giữa Eγ và
năng lượng liên kết EB của e trong nguyên tử
EPC = Eγ - EB.

(2.30)

Tương tác chỉ xảy ra khi Eγ > EBC và dễ nhất với e quỹ đạo trong cùng khi
Eγ vừa đủ lớn thì xác suất tương tác tăng vọt do hiệu ứng bờ hấp thụ.

19

Với Eγ thấp, hướng bay của quang electron gần thẳng góc với hướng bay
của photon. Eγ thấp, hướng bay của quang electron quang điện càng hướng về
phía trước nhiều hơn.
Khi electron quỹ đạo bay ra, một electron từ quỹ đạo ngoài sẽ vào chiếm
chỗ trống và phát ra bức xạ tia X đặc trưng có năng lượng ECX:
ECX = EB1 – EB2

(2.31)

Chỗ trống ở quỹ đạo ngoài được electron từ quỹ đạo ngoài hơn vào
chiếm chỗ và phát ra bức xạ tia X đặc trưng thứ hai có năng lượng thấp hơn.
Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chỗ trống ở quỹ đạo ngoài cũng được lấp đầy
bởi một electron “tự do”.
ECX có thể được truyền cho một electron quỹ đạo kế cận có năng lượng
liên kết EB để giải phóng ra một electron, gọi là electron Auger, với năng
lượng:
EAu = ECX - EB

(2.32)

ECX phụ thuộc năng lượng quỹ đạo electron của nguyên tố.
Xác suất tương tác với nguyên tử tính bằng tiết diện hiệu dụng σ q như
sau:

σq = k

Zn

Eγm

(cm2/ nguyên tử)

(2.33)

n=4 tại Eγ=0,1 MeV và tăng dần lên tới 4.6 tại 3 MeV
m=3 tại Eγ=0,1 MeV và giảm dần lên đến 1 tại 5 MeV
m=5 và n=7/2 cho lớp k có năng lượng liên kết electron EK và khi Eγ>EK
m=5 và n=1 khi Eγ>>EK
m=4 và n=3 khi Eγ≤0,1 MeV là vùng tương tác quang điện chiếm ưu thế:
Z4
σq = k 3
Eγ

(cm2/ nguyên tử)

(2.34)


20

Tiết diện hiệu dụng tính theo đơn vò khối lượng hay hệ số suy giảm khối:
3
σ q ⎛ NA ⎞ a
Z3
⎛ NA Z ⎞ Z
2
=⎜
⎟γ q = k ⎜

⎟ 3 = Cq 3 (cm / nguyên tử)
Eγ
ρ ⎝ A ⎠
⎝ A ⎠ Eγ

(2.35)

⎛N Z⎞
Trong đó: Cq= k ⎜ A ⎟ là hằng số đối với nguyên tố có Z như trong cơ
⎝ A ⎠

thể.
2.4.3 Tán xạ compton

Một photon có năng lượng Eγ=hγ tương tác với một electron “tự do” ở
quỹ đạo ngoài của nguyên tử (năng lượng liên kết e rất nhỏ so với Eγ). Sau khi
tương tác photon lệch góc so với phương tới, năng lượng giảm thành Eγ' và
electron quỹ đạo bay ra khỏi nguyên tử với động năng ECE và góc lệch ϕ (gọi
là electron compton) xem hình 2.1
Electron compton (Ece)

Photon Eγ

ϕ

Photon tán xạ ( E ′γ )
Hình 2.1: Tán xạ compton
hv
=
Trong đó : Eγ =hv’ =

1 + α (1 − cosθ )
'

ECE = Eγ - Eγ' = hv

m 0 c2
⎛1
⎞
1 + ⎜ − cosθ ⎟
⎝α
⎠

hv
θ
và cosϕ = (1 + α) tan
2
1 + α (1 − cosθ )

(2.36)

(2.37)


21

Với α =

hv
và m0 là khối lượng nghỉ của electron.
mc2

Eγ càng lớn (α càng lớn) thì θ và ϕ càng nhỏ xác suất tương tác trên một
electron tính theo công thức Klein – Nishia – Tamm:
⎧⎪1 + α ⎡ 2 ⎡(1 + α ) ⎤ ln (1 + 2α ) ⎤ ln (1 + 2α )
1 + 3α ⎫⎪
⎣
⎦−
+
−
⎥
2⎬
2 ⎢
α
2α
(1 + 2α ) ⎪⎭
⎪⎩ α ⎣⎢ 1 + 2α
⎦⎥

σ ce = 2π re2 ⎨

Với re =

(2.38)

e2
là bán kính electron cổ điển
m 0 c2

α=

Eγ
m 0 c2

=

Eγ

(2.39)

0,511MeV

Khi Eγ << 0,511 MeV (α<<1) thì σ ce = σ Th (1-2α+
Với σ Th =

26 2
α +...)
5

8π 2
re là tất diện tán xạ Compton cổ điển
3

Khi Eγ >> 0,511 MeV (α >>1) thì σ c = π re2
Với σ ce ∝

1⎛1
⎞
+ ln 2α ⎟
⎜
α ⎝2

⎠

1
Eγ

Tiết diện cho một nguyên tử : σ c =Zσ ce →σ c ∝

Z
Eγ

(2.40)

Tiết diện cho 1 đơn vò khối lượng hay hệ số suy giảm khối
μ=

Trong đó : Cc =

σc
ρ

C
⎛N Z⎞
= ⎜ A ⎟ σ ce ≈ c (cm2/g)
Eγ
⎝ A ⎠

(2.41)

NA Z
là hằng số đối với nguyên tử Z nhỏ có trong cơ thể.

A

2.4.4 Hiệu ứng tạo cặp

Một photon năng lượng Eγ = hv tương tác với trường lực coulomb của hạt
nhân hoặc của electron để tạo ra một cặp electron (e-) – position (e+)


22

Khi Eγ >> 2m0c2, photon có thể tạo cặp trong trường hạt nhân và trao
toàn bộ năng lượng Eγ cho cặp ( e+ ) – ( e- ). Động năng trung bình của mỗi hạt
là:
EC

(E
=

γ

− 2m 0 c2
2

) = (E

γ

− 1,022MeV )
2

(2.42)

Khi Eγ >> 4m0c2, photon có thể tạo cặp trong trường Coulomb của
electron và chia năng lượng Eγ cho 3 hạt (e+), (e-) và electron bò tương tác. Động
năng trung bình của mỗi hạt là:
E

'
c

(E
=

γ

− 2m 0 c2
3

) = (E

γ

− 1,022MeV )
3

(2.43)

Xác suất tạo cặp trong trường hạt nhân cho 1 nguyên tử:
(2.44)

σ k ≅ kZ2 ln Eγ

Xác suất tạo cặp trong trường electron ( σ K”) tính so với trường hạt nhân
( σ K’) là:

σ k"
1
=
σ k' CZ

(2.45)

Trong đó C chỉ sự phụ thuộc vào EY. Khi EY tăng tới 5MeV thì C tăng
chậm tới 2. Khi EY → ∞ thì C =1. Trung bình C ≈ 4.
- Tiết diện tạo cặp trong trường hạt nhân theo đơn vò khối lượng (hệ số
suy giảm khối).

σ k' ⎛ N A ⎞ a ⎛ N A Z ⎞
=
J =k
ZlnEγ =Ck' ZlnEγ
ρ ⎜⎝ A ⎟⎠ k' ⎜⎝ A ⎟⎠
Có thể kết hợp 2 loại tiết diện σ K’ và σ

K”

(2.46)

thành tiết diện tạo cặp σ K, ta

có:
⎛σk
⎜
⎝ ρ

⎞ ⎛ σ k' ⎞ ⎛ σ k'' ⎞
⎟=⎜
⎟+⎜
⎟
⎠ ⎝ ρ ⎠ ⎝ ρ ⎠

(2.47)


23

Trong nước sự tạo cặp chiếm ưu thế với EY>10MeV
Sau khi tạo ra các positron thường tự hủy với electron tự do tạo ra cặp
photon có năng lượng 0,511MeV di chuyển ngược chiều nhau (bức xạ hủy cặp)
2.4.5 Hiệu ứng quang hạt nhân

Một photon năng lượng EY=hv lớn hơn năng lượng liên kết hạt nhân ( 810Mev ) có thể bò hạt nhân hấp thụ để chuyển qua trạng thái kích thích và
phóng ra newtron. Tương tác (γ;n) thường xảy ra khi Eγ≥ 10MeV và tăng tỉ lệ
với Eγ.
Tiết diện hiệu ứng quang hạt nhân có một cực đại rất rộng trong dải năng
lượng EY=10 - 20MeV cho hầu hết các hạt nhân. Tiết diện tích phân theo mọi
năng lượng như sau : σ N =B.10-26A.MeVCm2

(2.48)

Trong B=1,5 - 3 tùy thuộc vào hạt nhân, A là số khối hạt nhân.
Tiết diện theo đơn vò khối lượng hay độ giảm khối tương ứng với bề rộng
của cực đại thông khoảng 5 -10MeV

σN
≈ 0,001 ÷ 0,004 (cm2/g)
ρ

(2.49)

2.5 Sự suy giảm và truyền qua của chùm photon trong vật chất

Khi chùm photon đơn năng cường độ I0 qua một lớp môi trường vật chất
đồng nhất có bề dày x, một lượng photon dI sẽ bò loại khỏi chùm sơ cấp do các
tương tác khác nhau. Lượng photon còn lại sẽ tiếp tục qua lớp môi chất và được
tính theo quy luật.
I(x) = I0.e-μx

(2.50)

Trong đó μ là hệ số suy giảm tuyến tính của môi chất bằng tổng độ giảm
tán xạ Rayleigh (μR), quang điện (μq), compton (μC), tạo cặp (μK) và quang hạt
nhân (μN)
μ = μR + μq + μc + μK + μN

(2.51)