Tạo ảnh bằng đồng vị phóng xạ

1. TẠO ẢNH BẰNG
ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
1. Dẫn nhập: Tính phóng xạ và
y học
2. Cơ sở vật lý hạt nhân
3. Khái niệm thời gian bán hủy
4. Buồng gamma
5. SPECT và PET
6. SPECT và PET trong
nghiên cứu não

2. 1. Dẫn nhập: Tính phóng xạ và y học
• Cho đến rất gần đây, chỉ có thể
nghiên cứu não một cách gián tiếp
• Hiện tại SPECT và PET (và fMRI)
tạo cuộc cách mạng:
cấu trúc
chức năng
bệnh nhân
người bình thường
Kim Peek (1951-2009)

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

4. Ưu điểm chính:
• Độ tương phản tuyệt vời (độ phân giải kém)
• Thiên về chức năng hơn là cấu trúc

5. 2. Cơ sở vật lý hạt nhân:
• Vật chất cấu trúc từ các nguyên tử
Nguyên tử luận của Democritus
(Hy Lạp, TK 5 BC)
Nguyên tử
Khoảng không (void)
(Plato: đất, không khí, nước, lửa)
• Nguyên tử:
Vỏ điện tử (t/c hóa học)
Hạt nhân (tính phóng xạ)

6. * Hạt nhân: nucleons
Proton (p): mang điện dương
lực mạnh để thắng lực đẩy
tĩnh điện
Neutron (n): không mang điện

7. * Ký hiệu: zXA
Z: số nguyên tử (số p)
A: số khối (số p + số n)
A - Z: số n
• Đồng vị: các nhân cùng Z khác A
→ tính chất hóa học không thay đổi
• Đồng vị phóng xạ:
Do tỷ lệ giữa p và n thay đổi, nhân trở nên không bền và phát các
bức xạ hạt nhân alpha, beta, gamma (và có thể cả neutron)

8. * Các bức xạ hạt nhân
đều là bức xạ ion hóa
vì năng lương cực lớn:
keV ÷ MeV
→ chỉ một phân rã phóng xạ
cũng phá vỡ hàng triệu
liên kết hóa học, có năng
lượng chỉ cỡ eV
(1 eV = 1,6 x 10-19 J)

9. * Độ xuyên sâu:
• Sâu nhất: gamma
Trong nước:
hạt α 5 MeV: 0,01 cm
hạt β 1 MeV: 0,4 cm
bức xạ γ 1 MeV: nhiều cm
→ Bức xạ γ thường được
dùng trong y học:
chẩn đoán
điều trị

10. 3. Khái niệm thời gian bán hủy T1/2:
Quy luật phân rã phóng xạ:
N(t) = No exp (-λt)
trong đó:
N(t) số hạt nhân tại thời điểm t
No số hạt nhân tại thời điểm
ban đầu
λ hằng số phân rã phóng xạ
λ = ln2/T1/2 = 0,693/T1/2

11. Thời gian bán hủy của các đồng vị điển hình:
Đồng vị T1/2 Bức xạ phát ra
Carbon 11 20,4 phút Positron
Iodine 123 13 giờ Gamma
Iodine 131 8,05 ngày Gamma
Strontium 90 28,7 năm Electron
Carbon 14 5600 năm Electron
Plutonium 239 24.000 năm Alpha
Uranium 238 4,5 tỷ năm Gamma

12. Thời gian bán hủy của đồng vị dùng trong y học hạt nhân:
Đồng vị T1/2 Tia γ (keV)
Technetium 99 6 giờ 140
Galium 167 78,3 giờ 93, 184, 300
Iodine 123 13 giờ 159
Xenon 133 5,27 ngày 81
Thallium 201 73 giờ 68-80,3

13. Quá trình đánh dấu phóng xạ:
• Gắn đồng vị với một phân tử
hoặc một loại thuốc
• Ngoài T1/2 của đồng vị phóng xạ,
còn thời gian bán thải sinh học
của thuốc TB
• Thời gian bán hủy hiệu dụng TE:
1/ TE = 1/ T1/2 + 1/ TB
→ TE = (T1/2 x TB)/(T1/2 + TB) (*)

14. Minh họa thời gian hiệu dụng:
Iodine 131, loại đồng vị dùng
điều trị ung thư và bệnh tuyến giáp,
có T1/2 = 8,05 ngày và TB = 130 ngày.
Vậy: theo biểu thức (*)
TE = (8,05 x 130)/(8,05 + 130)
= 7,6 ngày

15. 4. Buồng gamma:
• Trong tạo ảnh bằng ĐVPX, nguồn
bức xạ ion hóa nằm trong cơ thể
• Bệnh nhân nuốt, hít hoặc chích loại
phân tử đã đánh dấu bằng ĐVPX
• Dược chất phóng xạ được thiết kế
phù hợp với quá trình sinh lý muốn
khảo sát hoặc tập trung ưu tiên tại
vùng nghiên cứu hoặc cấu trúc bệnh lý
(như khối u chẳng hạn)

16. Buồng gamma có 4 phần:
1. Ống chuẩn trực (collimator):
hệ lưới chì chặn tia tán xạ
Lựa chọn giữa độ nhạy cao (ghi
được nhiều bức xạ) và độ phân
giải (loại tia tán xạ không xuất
phát từ bộ phận khảo sát)
→ Có một số ống trực chuẩn cho các nhiệm vụ khác nhau

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

18. 3. Ống nhân quang
Ghi và khuếch đại các
bức xạ nhìn thấy do tia γ
tạo ra khi đi vào tinh thể
nhấp nháy

19. 4. Hệ thống xử lý tín hiệu:
Giải mã cường độ tín hiệu và vị trí phát tín hiệu

20. 5. Tạo ảnh bằng đồng vị phóng xạ: SPECT và PET
• Nhược điểm của buồng gamma
là chỉ tạo ảnh 2 chiều (tương tự
X quang thông thường)
• Khắc phục bằng cách cho buồng
gamma quay hoặc bố trí nhiều
đầu đo xếp theo vòng tròn (giống CT)

21. SPECT (single photon emission computed tomography):
• Có thiết kế đầu đo và dùng
cùng loại ĐVPX như buồng
gamma
→ khả năng ứng dụng tốt
• Ưu điểm: chụp não, tim, mạch máu,
u bướu và xương; đo chức năng
ba chiều; độ tương phản tốt
• Có hạn chế tương tự buồng gamma:
độ phân giải kém (1 cm
hoặc hơn)
lượng ĐVPX lớn vì ít photon tới
được đầu đo

22. PET (positron emission tomography)
• Dùng ĐVPX phát positron.
khi gặp electron, chúng hủy
nhau, tạo 2 tia gamma
0,511 MeV.
• Thường dùng các đồng vị:
oxy 15, carbon 11, nito 13,
fluorine 18, gallium 68 và
rubidium 82
• Đồng vị thường chế tạo từ máy
gia tốc vòng cyclotron

23. Ưu điểm của PET CT-Scanner
• Độ nhạy cao vì không dùng ống trực chuẩn (tối thiểu gấp 100
lần SPECT)

24. Ưu điểm của PET CT-Scanner
• Độ phân giải cao hơn SPECT

25. Ưu điểm của PET CT-Scanner
• Nhiều nguyên tố phát positron có nguyên tử số thấp, nên dễ
ghép với các hợp chất hoạt hóa về mặt sinh học, bao gồm các
đồng vị của oxy, carbon, ni-tơ hoặc fluorine.
Đồng vị T1/2
(phút)
Tạo positron
(%)
Emax
(MeV)
Cách chế tạo
11C 20,40 99,0 0,960 Cyclotron
13N 9,96 100,0 1,190 Cyclotron
18F 110,00 97,0 0,635 Cyclotron
15O 2,04 99,9 1,720 Cyclotron
82Rb 1,27 96,0 3,350 Máy tạo
62Cu 9,80 98,0 2,930 Máy tạo
68Ga 68,10 90,0 1,900 Máy tạo

26. Ưu điểm của PET (và SPECT):
• Đo đạc chức năng hơn là cấu trúc
→ Bổ sung cho các kỹ thuật mạnh về
cấu trúc như CT hoặc MRI
• Độ tương phản tốt

27. Hạn chế:
• Độ phân giải kém: 6 mm
• Chế tạo đồng vị khó

28. 6. SPECT và PET nghiên cứu não:
• Tia gamma truyền qua hộp sọ dễ dàng
→ SPECT và PET có ưu thế với não
• Theo dõi dòng máu và thể tích máu,
sự tiêu thụ glucose, chuyển hóa oxy
trong não
• Nghiên cứu chức năng hơn
là cấu trúc
• Theo dõi bộ não đang tư duy

29. Bộ não
đang hoạt động