Bài giảng Bức xạ ion hóa và kĩ thuật xạ trị

ử dương. Sơ đồ phân rã + Sơ đồ phân rã N13 zX A 7N 13 (10 phót) Z-1Y A + 6C 13 + (1,20MeV) 100% Phương trình biến đổi: zX A z-1Y A + + + Q Bản chất phân rã: p n + + + Q * Phân rã anpha (). - Loại phân rã này chỉ xảy ra trong phạm vi các hạt nhân của những nguyên tố có khối lượng nguyên tử lớn. Trong quá trình này, hạt nhân phát ra hạt anpha (hạt nhân của nguyên tử Heli). Sự phân rã này làm khối lượng giảm 4, điện tích giảm 2. Sơ đồ phân rã  Sơ đồ phân rã của 88Ra 226 zX A Z-2Y A-4  88Ra 226 1 (4,61 MeV) 6,5%  (0,18 MeV) 2 (4,79 MeV) 93,5% 86Rn 222 Phương trình biến đổi: zX A  z-2Y A-4 + 2He 4 + Q Rn* * Phát xạ tia gamma () từ hạt nhân. - Trường hợp hạt nhân chuyển từ trạng thái bị kích thích về trạng thái cơ bản, từ hạt nhân sẽ phát ra tia gamma. - Bản chất tia gamma là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn. - Sơ đồ phân rã phóng xạ của Co và Th. Ghi chó: 2 (5,21MeV) 0,4% 3 (5,34MeV) 88% 4 (5,42 MeV) 71% 27Co 60 (5,2 n¨m) 28Ni 60 - (0,31MeV) 100% 2,50 MeV 1,33 MeV 0 MeV 90Th 228 (1,9 n¨m) 88Ra 224 1 (5,17MeV) 0,2% 0,25MeV 0,22MeV 0,08MeV 0 MeV 2 3 4 1 2 1 2 3 4 Lưu ý: - Quá trình phát tia  không làm thay đổi cấu tạo của hạt nhân mà chỉ làm thay đổi trạng thái năng lượng của nó. - Khi có hiện tượng phóng xạ xảy ra ở 1 hạt nhân, hạt nhân đó có thể bị biến đổi nhiều hơn 1 lần, do đó có thể phát ra nhiều tia phóng xạ. Ví dụ: (, ), (, ) 1.3. Tính chất của tia phóng xạ  Tính chất hạt anpha  Tính chất hạt bêta  Tính chất tia gamma Tính chất của hạt alpha Hạt alpha có khối lượng lớn. Hạt alpha phát ra từ 1 chất phóng xạ thì có năng lượng như nhau. Hạt alpha có hai đơn vị điện tích dương, năng lượng giảm đI sau mỗi lần ion hoá, cuối cùng nhận thêm 2 điện tử để trở thành nguyên tử Heli. Có khả năng ion hoá rất lớn, trung bình tạo ra 40000 cặp ion/1cm quãng chạy trong chất khí. Có khả năng đâm xuyên kém nhất, quãng chạy trong không khí 2,5-9 cm; trong cơ thể  0,04 mm Tính chất của các hạt bêta • Hạt bêta là hạt có khối lượng nhỏ, khi tương tác với vật chất quĩ đạo là đường gấp khúc. • Hạt bêta có một đơn vị điện tích, bị tác dụng trong từ trường, quĩ đạo là một đường cong. • Khả năng ion hóa trực tiếp kém hơn hạt alpha, trung bình tạo ra 75 cặp ion/1cm quãng chạy. • Hạt bêta 3.5MeV đi được gần 11m trong không khí hoặc 17mm trong tế bào • Khả năng đâm xuyên của hạt bêta lớn hơn hạt alpha Tính chất tia Gamma Ě Tia gamma là dòng photon năng lượng lớn, Bản chất là sóng điện từ có bước sóng ngắn, Emax= 1,1-3,5 Mev. Ě Khả năng đâm xuyên lớn, trong không khí đi được từ 1 có 0m đến hàng trăm mét, dễ dàng xuyên qua cơ thể người . Ě Khả năng ion hoá không cao. Ě Khi tác động vào môi trường vật chất sẽ truyền hết năng lượng qua một lần tương tác, sản phẩm là các hạt vi mô tích điện lại tiếp tục ion hoá vật chất tia gamma có tác dụng ion hoá gián tiếp vật chất. 2. Bức xạ Rơnghen (PHáT Xạ TIA X) 2.1. Nguyên lý phát xạ tia X - Năm 1895 nhà bác học Rơnghen người Đức tình cờ tìm ra tia X khi tiến hành thí nghiệm về sự bức xạ của điện từ trường mạnh. - Khi Katot bị đốt nóng sẽ sinh ra nhiệt điện tử. Dưới tác dụng của điện trường mạnh giữa Anot và Katot các nhiệt điện tử có động năng lớn, sẽ chuyển động về phía Anot với gia tốc rất lớn, và tương tác với các quang điện tử ở các lớp vỏ của hạt nhân, kết quả là bức xạ ra một loại sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, có năng lượng và khả năng đâm xuyên lớn đó chính là tia X (Hay tia Rơnghen). 2.2. Tính chất của tia X. - Bản chất của tia X là một loại sóng điện từ có bước sóng  = 10-12 10-8m => Nó có đấy đủ tính chất như các sóng điện từ ánh sáng khác (hồng ngoại, khả kiến, tử ngoại), ngoài ra, tia X còn có những đặc tính sau: - Có cường độ lớn, có khả năng đâm xuyên cao - Có khả năng ion hoá các chất khí. - Có khả năng gây phát quang một số muối. - Có khả năng gây ra các phản ứng hỗn hợp làm biến màu một số muối. SO SÁNH KHẢ NĂNG ĐÂM XUYÊN CỦA CÁC DẠNG BỨC XẠ TỜ GIẤY TẤM NHÔM TẤM CHÌ BÊ TÔNG A B  VÀ TIA X N 16 1. Một số thông số cơ bản: Liều chiếu: là đại lượng đo của bức xạ dựa vào khả năng ion hóa của bức xạ. Đơn vị đo là R (Rơnghen) hay C/kg (Culong/kg) Liều hấp thụ: là năng lượng mà bức xạ nhường cho một đơn vị khối lượng chất hấp thụ tại thời điểm khảo sát.Đơn vị đo liều liều hấp thụ là Rad (Radiation absorbed dose) hay Gy (Gray) Liều hiệu ứng sinh học (liều tương đương): với cùng một năng lượng hấp thụ như nhau (liều hấp thụ như nhau) các tia khác nhau gây ra HưSH khác nhau. VD: 1Rad tia alpha gây HUSH gấp 10-20 lần so với 1Rad tia X hoặc gamma. Đơn vị đo liều HUSH là Rem (Ronghen equivalent man) hay Sv (Sievert) 1C/kg = 3780 R; Gy = 100 Rad; 1 Sv = 100Rem 2. Cơ chế tác dụng của bức xạ ion hoá 17 Bức xạ K.thích và ion hoỏ các N.tử và P.tử Các phản ứng hóa lí, hóa sinh MôI trường sống ( tổ chức, tế bào sống) Tổn thương quá trình chuyển hóa và chức năng Hiệu ứng sinh học24 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 13 ADN thay ®æi pD  a D 3)TÕ bµo sèng nh­ng §B H/­ ngÉu nhiªn 1)§B ®­îc phôc håi Ho¹i tö TÕ bµo sèng 2)Ho¹i tö Tác dụng trực tiếp Tác dụng gián tiếp Giai H2O đoạn O2 hoá lý Các ion, gốc tự do, phân tử bị kích thích Các PTSH quan trọng và các cấu trúc của tế bào Rối loạn chuyển hoá và chức năng tế bào Giai đoạn sinh Hiệu ứng sinh học học 18 3. Tác dụng của bức xạ ion hoá lên cơ thể sống 19 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học của bức xạ . Liều chiếu: là yếu tố quan trọng nhất quyết định tính chất và các tổn thương sau chiếu xạ. Liều càng lớn, tổn thương càng nặng và xuất hiện càng sớm. . Suất liều chiếu: Với cùng một liều hấp thụ như nhau, thời gian chiếu kéo dài sẽ làm giảm hiệu ứng sinh học của bức xạ. . Diện tích chiếu : Mức độ tổn thương sau chiếu xạ còn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích chiếu, chiếu một phần (chiếu cục bộ) hay toàn bộ cơ thể. 20 . HiÖu øng nhiÖt ®é : Gi¶m nhiÖt ®é sÏ lµm gi¶m t¸c dông cña bøc x¹ ion ho¸. . HiÖu øng «xy: §é nh¹y c¶m phãng x¹ cña sinh vËt t¨ng theo nång ®é «xy, . Khi t¨ng nång ®é «xy, lîng HO2, H2O2 t¹o ra cµng nhiÒu lµm t¨ng sè c¸c PTSH bÞ tæn th¬ng do chiÕu x¹. . Hµm lîng níc: Hµm lîng níc cµng lín th× c¸c gèc tù do ®îc t¹o ra cµng nhiÒu, sè c¸c gèc tù do t¸c ®éng lªn ph©n tö sinh häc cµng t¨ng do ®ã HUSH còng t¨ng lªn. . C¸c chÊt b¶o vÖ: Mét sè chÊt khi ®a vµo c¬ thÓ bÞ chiÕu cã t¸c dông lµm gi¶m hiÖu øng cña bøc x¹ ion ho¸: thiourª, cystein, MEA (mercaptoethylamin), mét sè chÊt cã nguån gèc tõ ®éng, thùc vËt  ChÊt b¶o vÖ 21 4. C¸c tæn th¬ng do phãng x¹ 4.1. Tæn th¬ng ë møc ph©n tö §Æc ®iÓm cña c¸c ph©n tö sinh häc (PTSH) lµ c¸c ph©n tö lín (®¹i ph©n tö) thêng cã rÊt nhiÒu mèi liªn kÕt ho¸ häc VD: 1 PTSH cã träng lîng ph©n tö lµ 100.000 cã thÓ cã 10.000 mèi liªn kÕt ho¸ häc). Khi chiÕu x¹, n¨ng lîng cña chïm tia truyÒn trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp cho c¸c PTSH cã thÓ lµm:  MÊt thuéc tÝnh sinh häc  Ph¸ vì mét sè lîng nhÊt ®Þnh c¸c mèi liªn kÕt ho¸ häc  Ph©n li c¸c ph©n tö sinh häc. 22 4.2.Các tổn thương phóng xạ lên tế bào: Tế bào chết do tổn thương nặng ở nhân và nguyên sinh chất. Tế bào không chết nhưng không phân chia được. Tế bào không phân chia được nhưng số nhiễm sắc thể vẫn tăng lên gấp đôi và trở thành tế bào khổng lồ. Tế bào vẫn phân chia thành hai tế bào mới nhưng có sự rối loạn trong cơ chế di truyền. 2 4 S e p t e m b e r , 2 0 0 5 IR P A 1 1 : S ie v e r t L e c t u r e 1 8 T Õ b µ o c h Õ t /h o ¹ i t ö  N h ÷ n g h i Ö u ø n g tÊ t ® Þ n h : b á n g , t æ n t h ­ ¬ n g t æ c h ø c , t ö v o n g L iÒ u c Ê p X ¸ c s u Ê t > ~ 1 0 0 0 m S v 1 0 0 % 23 5. NHƯNG HIỆU ỨNG BỨC XẠ ĐẶC TRƯNG ĐỐI VỚI CƠ THỂ SỐNG Liều (mSv) Khả năng xảy ra >103 Mức chắc chắn (100%) Dịch tễ Lâm sàng Ngẫu nhiên (xác suất) Tất định Sinh học 24 0,1 Gy: Không có dấu hiệu tổn thương trên lâm sàng. Tăng sai lạc nhiễm sắc thể có thể phát hiện được. 1 Gy: Xuất hiện nhiễm xạ trong số 5-7% cá thể sau chiếu xạ. 2-3 Gy: Rụng lông, tóc, đục thuỷ tinh thể, giảm bạch cầu, xuất hiện ban đỏ trên da. Nhiễm xạ gặp ở hầu hết các đối tượng bị chiếu. Tử vong 10-30% số cá thể sau chiếu xạ. 3-5 Gy: Giảm bạch cầu nghiêm trọng, ban xuất huyết, xuất huyết, nhiễm khuẩn, rụng lông, tóc. Tử vong 50% sau chiếu xạ. Gy: Vô sinh lâu dài ở cả nam và nữ. Tử vong > 50%. 25 6. Biểu hiện của các tổn thương trên một số cơ quan:  Máu và cơ quan tạo máu: Mô lympho và tuỷ xương là những tổ chức nhạy cảm cao với bức xạ. Biểu hiện lâm sàng: xuất huyết, phù nề, thiếu máu. Xét nghiệm thấy số lượng lympho giảm sớm nhất, sau đó là bạch cầu hạt, tiểu cầu và hồng cầu. tuỷ xương giảm sinh sản cả 3 dòng, sớm nhất là dòng hồng cầu.  Hệ tiêu hoá: Chiếu xạ liều cao làm tổn thương niêm mạc ống vị tràng có thể gây rối loạn tiết dịch, xuất huyết, loét, thủng ruột với các triệu chứng như ỉa chảy, sút cân, nhiễm độc máu, giảm sức đề kháng của cơ thể. 26  Phổi: Pha sớm :ho, khó thở, sốt. Trên phim chụp Xquang có biểu hiện viêm phổi. Pha muộn:phổi bị xơ hóa.  Bàng quang: với các triệu chứng: đái nhiều lần, đái khó. Soi bàng quang thái có dấu hiệu giông như viêm bàng quang cấp tính.  Da: Sau chiếu xạ liều cao thường thấy xuất hiện các ban đỏ trên da, bong da, viêm da, xạm da. Các tổn thương này có thể dẫn tới viêm loét, thoái hoá, hoại tử hoặc phát triển các khối u ác tính ở da. Cơ quan sinh dục: Các tuyến sinh dục có độ nhạy cảm cao với bức xạ. Liều chiếu 1Gy lên cơ quan sinh dục nam có thể gây vô sinh tạm thời, liều 6 Gy gây vô sinh lâu dài ở cả nam và nữ. Phôi thai: Những bất thường có thể xuất hiện trong quá trình phát triển phôi và thai nhi khi người mẹ bị chiếu xạ trong thời gian mang thai, đặc biệt trong giai đoạn đầu. Các tổn thương có thể là: sẩy thai, thai chết lưu, quái thai, hoặc sinh ra những đứa trẻ bị dị tật bẩm sinh. 28 7. Độ nhạy cảm của tế bào đối với bức xạ  Trên cùng một cơ thể, các tế bào khác nhau có độ nhạy cảm phóng xạ khác nhau. Độ nhạy cảm của tế bào thường không cố định mà thay đổi tuỳ thuộc vào rất nhiều yếu tố.  Định luật Bergonie và Tribondeau: “ Độ nhạy cảm của tế bào trước bức xạ tỉ lệ thuận với khả năng sinh sản và tỉ lệ nghịch với mức độ biệt hoá của chúng’’. (1902) 1. Tế bào lympho 2. Hồng cầu non, bạch cầu hạt 3. Tuỷ bào 4. Liên bào 5. - Tế bào nền của tinh hoàn 6. - Tế bào nền của ruột non 7. - Tế bào nền của buồng trứng 8. - Tế bào nền của da 9. Tế bào nền của các tuyến 10. Tế bào phế nang 11. Nội bào 12. Tế bào của tổ chức liên kết 13. Tế bào ống thận 14. Tế bào xương 15. Tế bào thần kinh 16.Tế bào não 17.Tế bào cơ Xếp loại tế bào theo thứ tự độ nhạy cảm bức xạ giảm dần: 30 8. Nh÷ng rñi ro do hiÖu øng chiÕu x¹ ~100% trêng hîp ph¶i chÞu tæn th¬ng khi liÒu chiÕu >1000mSv  ~ 0.05 %/mSv cã hiÖu øng ®èi víi bµo thai  ~ 0.005 %/mSv ®èi víi ung th  ~ 0.0005 %/mSv ®èi víi hiÖu øng di truyÒn. 31 23 September, 2005 IRPA11: Sievert Lecture 21 Quan ®iÓm chung vÒ ung th­ do chiÕu x¹ ChiÕu x¹ lµm biÕn ®æi ADN Söa ch÷a sai lÖch trong ADN kh«ng thùc hiÖn ®­îc TÕ bµo sèng sãt nh­ng nhiÔm mÇm g©y ung th­ KÝch thÝch sinh khèi u ChuyÓn thÓ (sang ¸c tÝnh) Di c¨n nh÷ng khèi ¸c tÝnh 1. Nguån ph¸t x¹ tia X 1.1. CÊu t¹o cña m¸y ph¸t tia X Gåm 4 bé phËn chÝnh nh sau : - Bãng ph¸t tia. - Nguån ®iÖn. - Bé phËn ®iÒu khiÓn. - Bé phËn läc, ®Þnh híng. AK Läc-®Þnh híng Chủ đề 3. Kĩ thuật chiếu xạ rơnghen và ứng dụng trong Y học 1.1.1.Bóng phát tia X - Là một bóng thuỷ tinh đã rút gần hết không khí (chân không P 1./106 mmHg), trong bóng có: + Katot (K): là một sợi dây Vonfram nằm trong 1 phễu (ống), sẽ được đốt nóng bằng dòng điện hạ thế có I= 3-5A, khi Katot nóng  20000 C thì sẽ trở thành nguồn phát nhiệt điện tử . + Đối âm cực (A) : là một tấm kim loại nhỏ kích thước = 2-4 mm gắn vào khối đồng (A), thường làm bằng Tungsten có nhiệt độ nóng chảy cao 33500, có vai trò kìm hãm các điện tử đã được gia tốc từ Katot bắn sang. + Bóng phát tia X được đựng trong một vỏ bằng chì, chỉ có một “cửa sổ’’ để cho chùm tia X cần dùng đi qua. Ngoài ra vỏ bóng chứa dầu (tác dụng làm nguội và cách điện). Phân loại: - Bóng khí kém (Crookes): điện tử phát sinh do một số ion khí còn lại trong bóng đánh vào âm cực. Nhược điểm: + Cường độ của bóng này thấpđộ đâm xuyên kém. + Khi hết khí thì phải bơm khí vào. - Bóng chân không (Cooligde): âm cực cháy đỏ  nhiệt điện tử (hiệu ứng Edison) Ưu điểm: + Điều chỉnh được cường độ chùm tia. + Điều chỉnh được độ đâm xuyên của tia X. 1.1.2.Nguồn điện Nguồn điện là một máy biến thế gồm 2 phần: + Cuộn sơ cấp : nối vào điện lưới 220v + Cuộn thứ cấp : gồm 2 cuộn, một cuộn tạo nên điện thế  6v dùng để đốt nóng Katot, một cuộn tăng thế  100 kv ( có thể đến 300kv ) tác dụng vào Anot và Katot. 1.1.3 Các thiết bị điều khiển điện thế và cường độ dòng điện + K1 : điều chỉnh cường độ dòng điện đốt nóng Katot. + K2 : điều chỉnh điện áp tác dụng vào Anot và Katot. 1.1.4. Bộ phận lọc và định hướng tia X - Bộ phận lọc tia X : + Cấu tạo: tấm kim loại pha chì gắn vào bóng X quang, phía trước cửa sổ có tia X phát ra. + Tác dụng: để có chùm tia X tương đối đơn sắc. - Bộ phận định hướng tia X : + Cấu tạo: ống kim loại có hình trụ hoặc hình nón, thường được kết hợp với bộ phận lọc tia X đặt trong một hộp trước bóng X quang. + Tác dụng : khu trú, hướng chùm tia X vào đúng bộ phận cần chụp và giảm diện tích của cơ thể bị chiếu. 2. ứng dụng của tia X trong y học 2.1. Trong chẩn đoán : * Có 2 phương pháp : - Chiếu X quang : hình ảnh của tổ chức được phản ánh trên màn huỳnh quang. - Chụp X quang : hình ảnh của tổ chức được phản ánh trên phim X quang. * Nguyên tắc tạo hình ảnh: Trong đó : (1) là máy phát tia X. (2) là bộ phận cần chụp chiếu. (3) là bộ phận hiện hình ảnh. 31 2 * NGUYÊN TẮC: - CHÙM TIA X DO MÁY (1) PHÁT RA XUYÊN QUA MỘT BỘ PHẬN CỦA NGƯỜI BỆNH (2) SẼ ĐẬP VÀO MÀN CHẮN (3) (MÀN HUỲNH QUANG HOẶC TẤM PHIM ). - DO HIỆN TƯỢNG HẤP THỤ, KHI QUA (2) CHÙM TIA X SẼ BỊ TỔ CHỨC HẤP THỤ KHÔNG ĐỒNG ĐỀU KẾT QUẢ LÀ CÁC ĐIỂM KHÁC NHAU TRÊN MÀN CHẮN (3) SẼ BỊ CHÙM TIA X TÁC ĐỘNG VỚI MỘT CƯỜNG ĐỘ KHÁC NHAU DO VẬY SẼ TẠO NÊN NHỮNG VÙNG SÁNG TỐI KHÁC NHAU. =>Từ nguyên tắc trên ta thấy : + Trong chiếu X quang : khối (3) là màn huỳnh quang thì vùng nào hấp thụ nhiều tia X ảnh vùng đó sẽ tối; cụ thể xương, tim đen hơn vùng phổi, cơ. + Trong chụp X quang : khối (3) là tấm phim chụp được kẹp giữa hai màn tăng quang trong một hộp dẹt được gọi là Cát- xét. Trên phim chụp X quang, những vùng hấp thụ nhiều tia X sẽ có hình trắng (như xương, tim) còn những vùng hấp thụ ít tia X sẽ có hình đen (như phổi, cơ). 2.2. Trong điều trị : - Tia X được ứng dụng chủ yếu trong điều trị những bệnh nhân bị ung thư. Dựa vào tác dụng của tia X có khả năng diệt bào mà người ta áp dụng vào một phương pháp điều trị có tên : Xạ trị. Cụ thể người ta chiếu tia X (tạo ra từ máy gia tốc) vào tổ chức bị u