Tải bản đầy đủ

CƠ SỞ VẬT LÝ BỨC XẠ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ

(Bài 1)

NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN VỀ XẠ TRỊ UNG THƯ
ThS-KS Nguyễn Xuân Kử
--------------------------------------------------------------I. GIỚI THIỆU
1-1. Xạ trị là gì ?
• Xạ trị là một trong ba phương pháp chính để điều trị bệnh ung thư (phẫu
thuật, xạ trị và hóa trị).
• Xạ trị là kỹ thuật mà trong đó sử dụng bức xạ ion hóa có năng lượng đủ
lớn, liều lượng thích hợp để tiêu diệt các tế bào ung thư.
• Nguyên tắc của xạ trị là bằng các nào đó phân bố liều hấp thụ cao một
cách hợp lý tại thể tích bia (khối u), đồng thời phải giảm thiểu liều có hại
cho các mô lành liên quan.
• Tùy theo loại bệnh, giai đoạn bệnh, tùy theo vị trí, kích thước khối u, tùy
theo thể giải phẫu bệnh… của tế bào người ta cóa thể dùng xạ trị đơn
thuần hay kết hợp hai trong ba hoặc cả ba phương pháp với nhau.
1-2. Bức xạ ion hóa
- Bức xạ điện từ (photon), gồm:
• Bức xạ Gamma ( ) từ các nguồn phóng xạ tự nhiên (Ra-226), nguồn
phóng xạ nhân tạo (C0-60, Cs-137, Ir-192 v.v..)
• Trong các máy phát tia-X

-

Bức xạ hạt, chẳng hạn:
• Hạt Alpha (  ), Beta (β),
• Hạt nặng: Proton (P) v.v..

Bức xạ Proton (hạt nặng) không xét đến trong tài liều này vì liên quan đến công
nghệ hạt nhân và máy gia tốc hết sức phức tạp và hiện đại mà chí có ở một số ít
quốc gia giàu có như Hoa Kỳ, Nhật Bản …
II. CƠ SỞ VẬT LÝ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ
1- Sự phát hiện ra tia Roentgen và tính phóng xạ
Vào ngày thứ Sáu, mồng 8 tháng 11 năm 1895, khi cho dòng điện chạy qua ống
Hittort-Crookes có độ chân không cao, Wilhelm Conrad Roentgen đã phát hiện thấy
có ánh sáng phát ra từ chiếc bàn làm việc cách đó gần một mét. Ông đã xác định
được vật phát sáng là một mẩu giấy có phủ chất xianuaplatin-barit. Ông đã nhận
thấy rằng ánh sáng này phải được sinh ra do một loại tia mới mà ông gọi là các tiaX và sau đó được mang tên Ông - tia Roengen. Ông đã tiếp tục nghiên cứu các tia
này và đã phát hiện thấy rằng khi ông thay thế màn huỳnh quang bằng những tấm
phim thì ông đã thu được các bức ảnh. Một trong những bức ảnh đáng ghi nhớ nhất
là tấm phim chụp xương bàn tay của vợ ông. Phim đó được chụp vào ngày 22 tháng
1


12, nghĩa là chỉ 6 tuần sau khi những tia không thể nhìn thấy này được tìm ra. Sự
khác nhau về mật độ ảnh thu được tuỳ thuộc vào các cấu trúc tế bào mà chùm tia đi
qua và giá trị của các bức ảnh chụp này đã gần như ngay lập tức mở ra ngành chẩn
đoán bằng tia phóng xạ.
Ngày 28 tháng 12 năm 1895 Roentgen đã viết một bài báo giới thiệu về phát
hiện của mình cho hội Y - Vật lý ở Wurzburg. Ít tuần sau, bài báo nhan đề “về một
loại tia mới” đã được dịch ra nhiều thứ tiếng. Vào ngày đầu tiên của năm mới 1896,
Ông đã gửi các bản sao bài báo của mình cùng một số bức ảnh tới các nhà Vật lý ở
Châu Âu mà ông quen biết. Tin tức về phát hiện này đã nhanh chóng lan truyền trên
khắp thế giới.
Chỉ ít tuần sau phát hiện của Roentgen, Henri Becquerel đã bắt đầu phát hiện ra
khả năng của loại tia tương tự được sinh ra từ một chất phát quang đã biết. Ông đã
quan sát thấy sự làm đen của các tấm phim ảnh do muối Uranium và đã nhận thấy
rằng các tia này đã được phát ra một cách liên tục và đồng thời từ Uranium; và thế
là hiện tượng phóng xạ đã được tìm ra.
Marie Cuirie là người mà cũng trong thời gian này đang nghiên cứu về các muối
mỏ ở Paris đã quan tâm đến hiện tượng phóng xạ và đã chọn đề tài này cho luận án
tiến sỹ của bà. Pierre Cuirie, chồng bà cũng tham gia vào việc nghiên cứu và đến


tháng 7 năm 1898 họ phát hiện ra Polonium và tháng 12 cùng năm, họ báo cáo về
việc đã phát hiện ra Radium.
Cả Becquerel và Pierre Cuirie đều bị viêm da ngực do mang một số mẫu nhỏ
radium trong túi áo vét của họ. Piere Cuirie đã dùng Radium làm thí nghiệm trên da
tay của mình để mô tả chi tiết những giai đoạn khác nhau về viêm da và sự thuyên
giảm của những vết thương đó. Ông cũng đã cung cấp một số nguồn Radium cho
các thầy thuốc để thử nghiệm trên bệnh nhân.
Tin tức về những phát hiện này được lan truyền nhanh chóng và cả những hiện
tượng làm đỏ da của những loại tia đó cũng đã được quan sát. Một số thầy thuốc đã
bắt đầu nghiên cứu tác dụng của loại bức xạ đó vào điều trị khối u ác tính. Và như
vậy đã mở ra một thời kỳ sử dụng bức xạ ion hoá trong điều trị bệnh ung thư.
2. Tính chất chung của một số loại bức xạ
2.1. Hạt Alpha (  )
Là hạt bao gồm 2 proton và 2 neutron. Hạt  bị hấp thụ hoàn toàn trong một
tấm mica hoặc bởi một tấm nhôm dày 0,05 mm hay một lớp không khí từ 3 cm - 7
cm tuỳ theo năng lượng của nó. Hạt  có thể xuyên qua lớp mô mềm dày khoảng
50-70  m. Người ta đã xác định được vận tốc của hạt  là vào αkhoảng 20.00025.000 km/giây, tùy thuộc vào động năng của hạt. Quãng chạy của hạt phụ thuộc
vào năng lượng của nó. Năng lượng của hạt  càng lớn, vận tốc của nó càng lớn và
do đó độ dài quãng chạy càng lớn. Năng lượng của hạt  sẽ giảm dần khi bề dầy
của lớp hấp thụ tăng lên nhưng số hạt của nó vẫn bảo toàn. Những hạt  này sẽ gây
nên tác dụng ion hoá vật chất . Khả năng gây ion hóa của hạt  gấp hàng trăm lần
so với hạt β. Giữa sự hấp thụ và khả năng ion hóa của các hạt  , β  tồn tại một
cách đơn trị. Những bức xạ gây ion hóa mạnh thì sẽ bị hấp thụ mạnh.
2


2.2. Hạt Bêta (β)
Nghiên cứu tính chất của hạt ß, người ta nhận thấy rằng, như hạt  , hạt β cũng
là những dòng hạt tự nhiên và là dòng (hạt) điện tử. Năng lượng của chúng biến
thiên từ 0 - 3 MeV hoặc có thể lớn hơn. Tốc độ của hạt ß gần bằng tốc độ ánh sáng.
Mật độ ion hoá của hạt õ nhỏ hơn hạt  hàng trăm lần. Nó có thể chuyển động
được 20 m trong không khí, 2,5 cm trong mô mềm và 1 cm trong chì. Hạt β bị lệch
đi trong trong điện trường dưới dạng phổ rộng. Điều đó nói lên rằng chùm hạt ß
mang những năng lượng khác nhau.
2.3. Các lượng tử Gamma ( )
Bức xạ  và bức xạ Rontghen thuộc loại bức xạ điện từ. Lượng tử  có thể có
năng lượng tới vài chục MeV, bước sóng rất nhỏ, được đo bằng phần trục hay phần
trăm của Ao (Ao = 10-8 cm) và có khả năng đâm xuyên lớn. Bức xạ  có thể truyền
trong không gian với vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng.
Nhờ khả năng đâm xuyên lớn, độ dài quãng chạy và cường độ của lượng tử
Gamma gây hiệu ứng rất mạnh trong môi trường vật chất.
Vì là bức xạ không mang điện nên khả năng gây ion hoá của chúng là thứ yếu.
Khả năng đâm xuyên lớn, bức xạ  gây hiệu ứng rất mạnh về mặt sinh học phóng
xạ. Các hiệu ứng về tương tác của bức xạ  với vật chất sẽ được xét đến trong phần
sau.
3. Tương tác của bức xạ ion hoá với vật chất
Khi chùm tia-X hay  (photon) truyền qua môi trường, tương tác giữa các
photon và môi trường có thể xảy ra với những hiệu ứng mà hệ quả là năng lượng
của chúng truyền cho môi trường. Giai đoạn đầu của sự truyền năng lượng bao gồm
sự làm bật các electron ra khỏi nguyên tử của môi trường hấp thụ. Những electron
có năng lượng cao này sẽ truyền năng lượng bằng cách tạo ra sự ion hoá hoặc kích
thích các nguyên tử dọc theo quỹ đạo tương tác của chúng. Nếu môi trường là mô
cơ thể thì chùm photon năng lượng thấp sẽ bị hấp thụ tại các tế bào và phá huỷ khả
năng sinh sản của tế bào. Tuy nhiên, hầu hết năng lượng bị hấp thụ được biến đổi
thành dạng nhiệt, không gây hiệu ứng sinh học.
2.1. Bức xạ ion hoá
Quá trình mà một nguyên tử trung hòa chuyển thành hạt tích điện âm hoặc
dương được gọi là sự ion hoá. Việc một electron rời khỏi quỹ đạo, nguyên tử sẽ tích
điện dương và tạo thành một cặp ion. Trong trường hợp nguyên tử nhận thêm
electron sẽ trở thành ion âm và nguyên tử mất electron sẽ trở thàng ion dương.
Trong một số trường hợp, một nguyên tử trung hòa nhận thêm electron và nguyên
tử tích điện âm sẽ trở thành ion âm.
Các hạt tích điện, chẳng hạn các electron, proton và hạt β được xem là những
bức xạ ion hoá trực tiếp nếu chúng có năng lượng đủ lớn để gây ra những va chạm
3


khi thâm nhập vào môi trường vật chất. Năng lượng của hạt tới bị hao phí tăng dần
trên mỗi khoảng cách gây ion hoá trong môi trường. Đôi khi những electron bị làm
bật ra nhận được năng lượng đủ lớn sẽ tham gia tương tác và tạo ra bức xạ thứ cấp
goi là các tia "delta"- ỏ. Mặt khác, nếu sự mất năng lượng của các hạt tới không đủ
lớn để làm bật electron ra khỏi nguyên tử nhưng lại tiếp thêm cho electron năng
lượng lên mức cao hơn, quá trình này được gọi là va chạm kích thích.
Những loại hạt không mang điện, chẳng hạn các neutron và photon cũng là
những bức xạ ion hoá trực tiếp vì khi tương tác chúng giải phóng trực tiếp các hạt
bị ion hoá khỏi vật chất. Các photon tương tác với nguyên tử của vật chất hoặc chất
hấp thụ để tạo ra những electron có vận tốc cao và theo 3 quá trình chủ yếu: hiệu
ứng quang điện; hiệu ứng Compton và hiện tượng tạo cặp. Trước khi xem xét chi
tiết từng quá trình chúng ta cùng thảo luận về những khía cạnh toán học của sự hấp
thụ bức xạ.
Chùm photon
Chùm tia-X được sinh ra từ một bia hay chùm tia  phát ra từ một nguồn phóng
xạ bao gồm số lượng rất lớn các photon và thường có nhiều mức năng lượng khác
nhau. Chùm photon có thể được mô tả theo nhiều thuật ngữ, trong đó một số được
định nghĩa như sau:
1) Thông lượng Φ của các photon là tỷ số của dN/da, ở đây dN là số lượng các
photon đi vào một khối cầu "ảo" có tiết diện da:
Φ = dN/da
(2.1)
2) Tốc độ dòng hay mật độ dòng Φ là lưu lượng dòng trên một đơn vị thời gian:
Φ = dΦ/dt
(2-2)
3) Thông năng Ψ là tỷ số của dEfl/da, ở đây dEfl là tổng các mức năng lượng
của tất cả các photon đi vào khối cầu "ảo":
Ψ = dEfl/da
(2.3)
Trường hợp với chùm photon đơn năng thì dEfl chính là tích số các photon
dN với năng lượng hν mà mỗi photon mang theo:
dEfl = dNx hν
4) Suất thông năng, mật độ thông năng hoặc cường độ Ψ là tỷ số của thông
năng trên một đơn vị thời gian:
Ψ = d Ψ/dt
(2.4)
Sự suy giảm chùm photon
Thực nghiệm đã xác định đặc tính suy giảm của chùm photon. Khi truyền
qua môI trường vật chất, chùm photon có thể bị tán xạ hoặc bị hấp thụ hoàn
toàn. Trong những điều kiện đó, sự suy giảm số lượng các tia photon (dN) sẽ tỷ
lệ với số lượng các photon tới (N) và độ dày lớp hấp thụ (dx). Nghĩa là:
4


dN ~ Ndx
hay: dN =- µNdx

(2.5)

Ở đây, µ là hằng số tỷ lệ và còn gọi là hằng số suy giảm. Dấu trừ (-) ở đây có
nghĩa là số lượng các photon giảm dần khi độ dày lớp hấp thụ tăng. Phương
trình trên có thể biểu diễn theo cách khác, chẳng hạn theo cường độ I, ta có:
dI = - µIdx
hay: dI/I = - µdx

(2.6)

Nếu độ dày x được biểu diễn theo độ dài, khi đó µ được gọi là hệ số suy
giảm tuyến tính. Chẳng hạn, nếu độ dày được đo theo cm thì đơn vị µ được tính
theo 1/cm hay cm-1.
Phương trình trên cũng giống như phương trình mô tả sự phân hủy bức xạ và
µ cũng tương tự như hằng số phân hủy λ. Do đó ta có thể biểu diễn phương trình
trên thành:
I(x)= I0e-μ x(2.7)
Ở đây I(x) là cường độ chùm photon truyền qua độ dày x và I0 là cường độ
của chùm photon tới. Tương tự như thuật ngữ chu kỳ bán hủy, lớp bán hấp thụ
(HVL) được xác định là độ dày của lớp vật chất làm suy giảm cường độ chùm
tia đi một nửa so với ban đầu.
2.2. Hệ số suy giảm
Như đã đề cập, hệ số suy giảm µ có đơn vị là cm-1. Nói chung, hệ số này phụ
thuộc vào năng lượng của chùm photon và bản chất của môi trường hấp thụ. Vì
sự suy giảm tùy thuộc độ dày x của lớp hấp thụ, nghĩa là số các electron có mặt
tại độ dày đó nên µ cũng sẽ phụ thuộc vào mật độ ρ của môi trường vật chất.
Nếu đem chia µ cho mật độ ρ (µ/ρ) ta có khái niệm hệ số suy giảm khối lượng.
Hệ số suy giảm khối lượng có thứ nguyên là cm2/g vì µ/ρ = cm-1/(g/cm3).
Tương tự hai hệ số trên, ta có hệ số suy giảm điện tử (eµ) và hệ số suy giảm
nguyên tử (aµ). Khi đó ta có:
2
eµ = µ /ρx1/N0cm /electron và


= µ /ρxZ/N0cm2/nguyên tử

Ở đây, Z là số nguyên tử và N0 là số các electron trên gam. N0 được tính
theo:
N0 = NA/AW
(2.8)
Ở đây, NA là số Avogadro và AW là khối lượng nguyên tử.
Hệ số truyền năng lượng
Khi một photon tương tác với nguyên tử vật chất thì một phần hoặc toàn bộ
năng lượng của nó được biến đổi thành động năng của các electron. Nếu chỉ một
phần năng lượng của photon truyền cho electron thì bản thân photon sẽ bị tán xạ và
hao phí năng lượng. Photon tán xạ có thể tiếp tục tương tác và lại truyền một phần
5


hoặc toàn bộ năng lượng của nó cho các electron. Vì vậy, một photon có thể trải
qua rất nhiều tương tác. Nếu ta xem chùm photon truyền trong môi trường vật chất
và một phần năng lượng hao phí được chuyển thành động năng của hạt tích điện
trên một đơn vị độ dài, khi đó hiện tượng sẽ được gọi là hệ số truyền năng lượng
(μtr). Hệ số này được tính theo:
μtr = µEtr(tb)/hν

(2.9)

Ở đây, Etr(tb) là năng lượng trung bình biến đổi thành động năng của hạt tích
điện tại mỗi lần tương tác. Hệ số truyền khối lượng được tính bằng: μtr/ρ.
Hệ số hấp thụ năng lượng
Hầu hết các electrron chuyển động và do tương tác cũng sẽ hao phí năng lượng
do va chạm không đàn hồi (kích thích hoặc ion hóa) với các eletron của nguyên tử
môi trường vật chất. Một số ít trường hợp, tuỳ thuộc số nguyên tử của vật chất mà
sự hao phí năng lượng do tương tác bremsstrahlung (bức xạ hãm) với hạt nhân
nguyên tử. Năng lượng bức xạ hãm được phát ra dước dạng các tia-X và không
được tính đến cho năng lượng bị hấp thụ tại chỗ.
Hệ số hấp thụ năng lượng (μen) được định nghĩa là sản phẩm của hệ số truyền
năng lượng và có giá trị bằng (1-g), ở đây, g là phần năng lượng của hạt mang điện
thứ cấp trong môi trường tương tác bị hao phí dưới dạng bức xạ hãm.
μen = μtr(1-g).

(2.10)

Như đã đề cập, hệ số hấp thụ năng lượng được tính bằng μen/ρ. Vì hầu hết mọi
tương tác trong môi trường mô cơ thể hoặc môi trường có nguyên tử số Z thấp,
trong đó các electron hao phí gần như toàn bộ năng lượng do va chạm ion hoá, còn
thành phần bức xạ hãm xem như không đáng kể. Vì vậy, kết quả sẽ là:
μen = μtr.

(2.11)

Những hệ quả này có thể sẽ khác nhau một cách đáng kể khi các hạt thứ cấp
mang điện có động năng lớn và môi trường vật chất có số nguyên tử cao. Hệ số hấp
thụ năng lượng là một đại lượng rất quan trọng trong lĩnh vực xạ trị, bởi vì nó cho
phép đánh giá năng lượng bị hấp thụ trong mô và cho phép tiên lượng được hiệu
quả sinh học của bức xạ.
3. Tương tác của bức xạ gamma ( ) với vật chất
Độ suy giảm của chùm photon ( ) truyền qua lớp vật liệu sẽ bị hấp thụ và gây
ra 5 loại tương tác khác nhau. Một trong số đó, hiệu ứng hủy photon chỉ xảy ra khi
năng lượng photon lớn hơn 10 MeV tương tác với hạt nhân nguyên tử vật chất, sinh
ra neutron. Còn 4 loại hiệu ứng khác là hiệu ứng tán xạ đàn hồi, hiệu ứng quang
điện, hiệu ứng khuếch tán Compton và hiện tượng tạo cặp phụ thuộc vào năng
lượng chùm photon và nguyên tử số của môi trường vật chất. Hệ số suy giảm toàn
6


phần trong quá trình tương tác của chùm photon là tổng của các suy giảm thành
phần, ta có:
μ/ρ = бcoh/ρ + τ/ρ + бc /ρ + π/ρ

(2.16)

Ở đây, бcoh, τ, бc và π là những hằng số của các hiệu ứng tán xạ đàn hồi, hiệu
ứng quang điện, hiệu ứng khuếch tán Compton và hiệu ứng tạo cặp.
3.1. Hiệu ứng tán xạ đàn hồi
Tán xạ đàn hồi (hình 2.1) còn được biết đến như là quá trình mà bức xạ sóng
điện từ truyền qua, gần với electron và làm cho electron bị dao động. Khi electron
dao động sẽ phát bức xạ có năng lượng đúng với tần số của chùm sóng tới. Chùm
tia-X tán xạ có cùng bước sóng của chùm tia tới. Do vậy sẽ không có sự thay đổi
năng lượng nào xảy ra với sự chuyển động của electron và cũng không có sự hấp
thụ năng lượng nào xảy ra trong môi trường. Chỉ có hiện tượng chùm photon bị tán
xạ theo một góc nhỏ. Tán xạ đàn hồi xảy ra khi chùm photon có năng lượng thấp và
môi trường vật chất có nguyên tử số cao.

Hình 2.1. Hiệu ứng tán xạ đàn hồi

3.2. Hiệu ứng hấp thụ quang điện
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng trong đó một photon tương tác với nguyên tử
vật chất và đẩy bật ra khỏi nguyên tử một trong những electron quỹ đạo (hình 2.2).
Trong quá trình này, toàn bộ năng lượng hν của photon được truyền cho electron
nguyên tử. Khi đó, động năng của electron bị bật ra (gọi là quang electron) có giá trị
là: hν – EB, ở đây, EB là năng lượng liên kết của electron. Tương tác loại này có thể
xảy ra với những electron trong các lớp vỏ K, L, M hoặc N.
Sau khi electron bị đánh bật ra khỏi nguyên tử sẽ tạo ra chỗ trống tại lớp vỏ và
nguyên tử sẽ nằm trong trạng thái bị kích thích. Chỗ trống này có thể được lấp đầy
bởi một electron ở quỹ đạo ngoài và kèm theo sự phát ra hoặc các bức xạ đặc trưng
(tia-X) hoặc các electron Auger. Những electron này được sinh ra do hấp thụ các
bức xạ đặc trưng nội tại, gần hạt nhân (các electrron bên trong nguyên tử). Vì năng
lượng liên kết của các electron tại lớp vỏ K trong mô mềm là rất nhỏ, chỉ khoảng
7


0,5 KeV nên năng lượng của các bức xạ đặc trưng sinh ra do hấp thụ về mặt sinh
học cũng sẽ rất thấp và có thể xem như sự hấp thụ tại chỗ.
Với chùm photon năng lượng cao hơn và nguyên tử số của môi trường lớn hơn
thì bức xạ đặc trưng sẽ có năng lượng cao hơn và có thể truyền năng lượng tới
khoảng cách xa hơn so với các photon electron. Trong trường hợp này, sự hấp thụ
năng lượng tại chỗ sẽ giảm đi do năng lượng phát ra dưới dạng các bức xạ đặc trưng
(còn gọi là bức xạ huỳnh quang) và được xem là sự hấp thụ từ xa.
Tia-X đặc
trưng

Auger
electron

Photon tới
(X,  )

photo electron

Hình 2.2. Hiệu ứng hấp thụ quang điện
3.3. Hiệu ứng tán xạ Compton
Trong hiệu ứng tán xạ Compton, các photon tương tác với electron "tự do" của
nguyên tử. Thuật ngữ "tự do" ở đây có nghĩa là năng lượng liên kết của electron nhỏ
hơn rất nhiều so với năng lương của photon tới. Trong tương tác này, eletron nhận
được một phần năng lượng của photon và bị bắn lệch ra một góc θ, còn bản thân
photon bị giảm năng lượng và lệch khỏi quỹ đạo một góc Φ (hình 2.3)
Quá trình xảy ra hiệu ứng Compton có thể được phân tích như va chạm của 2
hạt, một là photon và một là electron. Bằng cách áp dụng định luật bảo toàn năng
lượng và xung lượng ta có thể thu được mối quan hệ sau:
E = hν

 (1 − cos  )
1 +  (1 − cos  )

Trong đó hν0, hν' và E là năng lượng của photon tới, photon tán xạ và của
electron; còn α = hν0/m0c2 và m0c2 là năng lượng nghỉ của electron (0,511 MeV).

8


Hình 2.3. Hiệu ứng tán xạ Compton

3-4. Hiệu ứng tạo cặp e+ - e-.
Nếu năng lượng của photon lớn hơn 1,02 MeV thì photon có thể tương tác với
vật chất qua cơ chế tạo cặp. Trong quá trình này (hình 2.4) photon tương tác mạnh
với trường điện từ của hạt nhân nguyên tử và mất toàn bộ năng lượng của nó cho
quá trình tạo ra cặp electron (e-) và positron (e+). Vì khối lượng nghỉ của electron
tương đương với 0,51 MeV nên năng lượng tối thiểu đòi hỏi để sinh ra hiệu ứng tạo
cặp là 1,02 MeV. Vì vậy, năng lượng ngưỡng của hiệu ứng tạo cặp là 1,02 MeV.
Năng lượng photon vượt hơn ngưỡng này sẽ được chia cho các hạt và biến thành
động năng. Tổng động năng chứa trong cặp electron-positron là (hν- 1,02 MeV).
Quá trình tạo cặp là một ví dụ của hiện tượng năng lượng bị biến đổi thành khối
lượng, đúng như Eistein đã tiên đoán: E = mc2. Quá trình ngược, chủ yếu khối
lượng biến đổi thành năng lượng diễn ra khi một positron kết hợp với electron để
tạo ra 2 photon và gọi là bức xạ hủy positron.

Hình 2.4. Hiệu ứng tạo cặp

9


III. ĐO LIỀU VẬT LÝ TRONG XẠ TRỊ UNG THƯ
3.1. Giới thiệu
Trong những năm đầu ứng dụng các hiện tượng phóng xạ, một số phương pháp
đo chất lượng (còn gọi là khả năng đâm xuyên) và định lượng của các chùm tia-X
tỏ ra chưa thoả mãn. Các phương pháp đo trực tiếp phẩm chất chùm tia đã được tác
giả có tên Benoist tiến hành năm 1901, gọi là “penetrometer” - đo độ đâm xuyên.
Cũng vào đầu thế kỷ 20, một tác giả khác tên là Holzknecht đã chế tạo ra một loại
dụng cụ để đo liều lượng gọi là “choromoradiometer” - đồng hồ đo phóng xạ. Một
thiết bị tương tự khác đo phóng xạ được chế tạo năm 1904. Tuy nhiên, tất cả các
dụng cụ kể trên còn rất nhiều hạn chế. Trong suốt 50 năm sau đã có rất nhiều cố
gắng được thực hiện nhằm chế tạo những thiết bị đo liều chính xác và ổn định hơn.
Vào năm 1928, hai nhà khoa học là H. Geiger và W. Mueller đã cải tiến các dụng
cụ đếm phóng xạ từ năm 1906, gọi là ống đếm Geiger - Mueller và được sử dụng
cho đến tận ngày nay. Đáng chú ý hơn cả là dụng cụ buồng ion hoá được Glasser
chế tạo năm 1956. Các loại buồng ion hoá là loại đầu đo hiện được sử dụng hết sức
rộng rãi và tin cậy trong kỹ thuật đo liều xạ trị.
Một số nhà khoa học ở Paris là Antoine Beclere, ở Stockholm là Gosta Forssell,
và ở Liverpool là J.J. Thomson cùng với Goerge Pfahler ở Boston là những người
đặt nền móng cho ngành xạ trị. Họ cùng với một số các nhà khoa học khác trên thế
giới đề xuất những đơn vị và phương pháp đo liều lượng trong xạ trị. Vào năm 1923
đưa vào sử dụng khái niệm “lớp bán hấp thụ” - tức bề dầy làm suy giảm một nửa
cường độ chùm tia (half - value layer, HVL). Mãi đến năm 1928 đơn vị đo các
chùm photon, tia-X và tia Gamma mới được chấp nhận là Roentgen. Năm 1953, Ủy
ban Quốc tế về Đo lường và các Đơn vị Phóng xạ- ICRU, đã khuyến cáo đơn vị đo
liều hấp thụ là Rad. Ngày nay, đơn vị Quốc tế (SI) của liều hấp thụ là Gray (Gy). 1
Gy = 100 rad [1].
3.2. Đo liều lượng xạ trị từ xa
Để có thể đảm bảo liều lượng chính xác trong điều trị, mỗi cơ sở xạ trị phải
được trang bị đồng bộ các máy đo liều, hệ thống phantom (nước hay chất dẻo tương
đương mô), hệ thống máy tính lập kế hoạch điều trị v.v..
Nguyên tắc đo liều lượng đối với các máy xạ trị từ xa chủ yếu gồm 4 bước cơ
bản sau đây:
1. Xác định suất liều tại một điểm quan tâm trong phantom (thường dùng nước)
đối với mỗi chùm tia dùng trong điều trị, tức là tổng hợp các số liệu cho từng
kích thước trường chiếu. Bước này gọi là “Đo liều tuyệt đối”, được tuân theo
các phương pháp chuẩn quốc gia và quốc tế.
2. Trong mỗi chùm tia có liên quan, xác định sự phân bố tương đối của suất
liều tại tất cả các điểm trong phantom mà qua đó sẽ thu được các giá trị liều
sâu phần trăm, các bản đồ đồng liều cho bất kỳ chùm tia nào được sử dụng
trong thực tế điều trị.
3. Hiệu chỉnh các bước 1 và 2 để đánh giá độ lệch thực tế của các số liệu so với
điều kiện chuẩn. Những sai số này gồm cả hình dạng, kích thước chùm tia
v.v...
10


4. Bước cuối cùng gồm các số liệu về chùm tia đã hiệu chỉnh trong bước 3
được tổng hợp lại cùng với bảng các giá trị tỷ số mô - không khí (TAR) để
có thể sử dụng trong chiếu cố định hay chiếu quay, chiếu không nêm hay có
nêm, kỹ thuật từ nguồn đến mặt da (Source Skin Distance - SSD) hay từ
nguồn đến tâm u (Source Axis Distance - SAD) v.v..
3.3. Những khái niệm cơ bản về Vật lý xạ trị
Cân bằng điện tích (Build-Up): là hiện tượng vật lý, xảy ra khi các chùm
photon năng lượng cao tương tác với môi trường sinh ra các electron (điện
tử) thứ cấp. Tùy theo năng lượng photon và môi trường tương tác, những
electron này cũng sẽ tham gia tương tác với môi trường. Liều lượng cực đại
(Dmax) sẽ đạt được tại độ sâu nào đó trong môi trường khi các electron đạt
đến sự cân bằng. Miền giới hạn giữa bề mặt môi trường (mặt da) và độ sâu
đạt liều lượng cực đại rất có ý nghĩa trong xạ trị, thông qua việc lựa chọn
năng lượng chùm tia. Phân bố liều lượng cực đại của một số loại bức xạ và
năng lượng khác nhau của trường chiếu kích thước 10×10 cm2 được chỉ ra
trên hình 3.1.
Liều sâu phần trăm: là liều hấp thụ của một điểm nằm tại độ sâu nào đó được
biểu thị bằng phần trăm so với liều hấp thụ tại điểm tham khảo (thường là
điểm có liều lượng cực đại) nằm trên trục trung tâm của chùm tia.
Tỷ số mô - không khí (TAR): là tỷ số của liều lượng tại một điểm nào đó trong
môi trường (nước hoặc tương đương mô) so với liều lượng tại cùng điểm đó
được đo trong không khí, hình 3.2.
Hệ số tán xạ của collimator: là các giá trị liều bức xạ đo được trong không khí
và tăng lên theo sự tăng của độ mở collimator (tăng theo diện tích trường
chiếu).
Kích thước trường chiếu: là một kích thước hình học được xác định bởi giới
hạn của đường đồng liều 50% của trường chiếu đó (hình 3.3).
Vùng nửa tối - hay vùng bán dạ: là vùng nằm gần mép của biên các trường
chiếu (hình 3.4), ở đó liều lượng giảm một cách nhanh chóng. Độ rộng của
vùng bán dạ phụ thuộc vào kích thước của nguồn, vào khoảng cách từ nguồn
đến giới hạn cuối của collimator và vào khoảng cách từ nguồn đến bề mặt da
(bề mặt phantom).
Bản đồ đồng liều: là tập hợp một số các đường cong đồng liều của một trường
chiếu và chúng thường mô tả độ chênh lệch về liều lượng giữa các đường là
10%. Liều lượng tại các điểm trung gian khác có thể được xác định bằng
cách nội suy giữa các đường. Bản đồ đồng liều sẽ có hình dạng khác nhau
với các kích thước trường chiếu khác nhau, với nguồn bức xạ có các mức
năng lượng khác nhau (hình 3.5a; 3.5b)
Lọc, nêm: là một loại dụng cụ hấp thụ (thường dùng chì) được lồng vào chùm
tia, làm biến dạng chùm tia và vì vậy nó cũng làm giảm suất liều chùm tia
đó. Hệ số truyền qua nêm biểu thị tỷ số của suất liều trên trục trung tâm của
chùm tia khi có và khi không có nêm. Góc nêm (hình 3.6a; 3.6b) là góc tạo
bởi đường vuông góc trục trung tâm chùm tia và đường đồng liều 50% và tại
đểm giao nhau của chúng trên trục trung tâm.
11


Li
ều sâu phần trăm

Độ sâu (cm)

Hình 3.1. Liều sâu phần trăm của một số bức xạ với năng lượng khác nhau.

SAD

Phantom (nước)

Hình 3.2: Xác định tỷ số mô - không khí
(khoảng cách từ nguồn đến điểm đo không đổi)

12


Nguồn

Collimator

Hình 2.3. Kích thước trường chiếu

Hình 3.4. Vùng bán dạ (nửa tối)

Các biên trường chiếu

chiếu

Hình 3.5(a). Đường đồng liều

13


Hình 3.5(b). Bản đồ đồng liều

Hình 3.6 (a)

Hình 3.6 (b)

14


3.3. Các vùng thể tích liên quan trong xạ trị, (hình 3.7)
Trong quá trình lập kế hoạch điều trị tia xạ cho một bệnh ung thư nào đó, một số
loại thể tích cần được xác định mà qua đó ta có thể đưa ra được kỹ thuật điều trị tối
ưu.
Hai loại thể tích cần được xác định trước khi lập lập kế hoạch điều trị, đó là:
Thể tích khối u thô (Gross Tumor Volume - GTV).
Thể tích bia lâm sàng (Clinical Target Volume - CTV).
Ngoài ra, trong quá trình lập kế hoạch điều trị một số loại thể tích khác cần phải
được xác định, đó là:
Thể tích bia lập kế hoạch (Planning Target Volume - PTV).
Các tổ chức nguy cấp (Organ at Risk - OR).
Thể tích điều trị (Treatment Volumem - TV).
Thể tích chiếu xạ (Irradiated Volume - IV)
Chúng ta hãy lần lượt xem xét từng loại thể tích trên.
3.3.1. Thể tích khối u thô (GTV)
Là thể tích thể hiện sự lan rộng của các tế bào ác tính mà có thể sờ, nắn hay nhìn
thấy được bằng thăm khám. Thể tích khối u thô bao gồm cả khối u nguyên phát, các
hạch di căn hay những di căn khác. Thể tích khối u thô thường đúng với các phần
của sự phát triển ác tính, mà ở đó mật độ tế bào u là lớn nhất.
Hình dạng, kích thước và sự khu trú của thể tích u có thể được xác định bằng
nhiều cách khác nhau như kiểm tra lâm sàng (khám, sờ nắn, nội soi...) bằng các kỹ
thuật hình ảnh (chụp tia-X, cắt lớp vi tính CT, hay cộng hưởng từ-MRI, siêu âm
v.v..)
3.3.2. Thể tích bia lâm sàng (CTV)
Là thể tích tế bào và mô chứa thể tích khối u thô, ngoài ra còn bao gồm các tổ
chức rất nhỏ, liên quan phải được xét đến khi cần điều trị triệt để khối u đó.
Kinh nghiệm lâm sàng cho thấy rằng, quanh thể tích khối u thô thường có những
tổ chức liên quan, nghĩa là nó gồm bản thân các tế bào ác tính, các đám tế bào nhỏ
hay những lan rộng rất nhỏ, rất khó phát hiện. Thể tích bao quanh một khối u lớn
thường có mật độ tế bào u lớn. Gần kề với mép của thể tích khối u và đi về phía
ngoại vi thì mật độ tế bào giảm đi. Thông thường mép đường biên này khoảng 1
cm. Thể tích khối u thô, cùng với giới hạn bao quanh này của các tổ chức liên quan
tại chỗ được gọi là thể tích bia lâm sàng (CTV) và phải được tính đến trong mục
đích điều trị triệt căn. Trong thực tế thường có không phải là một, mà đôi khi hai thể
tích cận lâm sàng, gọi là thể tích bia lâm sàng bậc 1, bậc 2... Cũng có trường hợp, ta
có thể minh họa một khối u nguyên phát và hạch vùng của nó một cách riêng lẻ.
Chẳng hạn trường hợp điều trị ung thư vú bảo tồn, ở đó khối u vú và các hạch nách,
thượng đòn là tách rời nhau về mặt giải phẫu. Trong một số trường hợp, ta có thể
điều trị một trong hai thể tích bia lâm sàng với các liều lượng khác nhau. Trường
hợp thường gặp là khi điều trị tăng cường (“Boost”) tại chỗ, ở đó một thể tích liều
lượng cao nằm trong thể tích liều lượng thấp.
Các định nghĩa về thể tích khối u thô và thể tích bia lâm sàng này được dựa trên
các nguyên tắc chung về ung thư học và không chỉ giới hạn cho việc áp dụng trong
15


kỹ thuật điều trị bằng chùm tia ngoài. Vì vậy, về mặt phẫu thuật, một đường biên an
toàn quanh thể tích khối u cần phải được tính sao cho phù hợp với quy định lâm
sàng. Và điều này cũng phải được hiểu đúng như các khái niệm thể tích bia lâm
sàng khi điều trị bằng chùm tia ngoài. Cũng như vậy, khi điều trị tia xạ tại chỗ, các
thể tích điều trị được xác định và khái niệm thể tích bia lâm sàng là không thay đổi.
Hơn nữa, khái niệm này còn áp dụng cho phương thức điều trị khác như hoá chất ,
điều trị tăng nhiệt hay quang đông (photocuagulation) v.v.. Các thể tích này là cơ sở
của việc chỉ định điều trị và phải được xác định trước khi chỉ định liều lượng.
3.3.3. Thể tích bia lập kế hoạch (PTV)
Thể tích bia lập kế hoạch là một khái niệm hình học và được xác định để lựa
chọn kích thước chùm tia cho phù hợp. Trong đó cần tính đến hiệu quả cao nhất của
tất cả những thay đổi hình học có thể xảy ra, sao cho đảm bảo rằng liều lượng đã chỉ
định được phân bố tối ưu bên trong thể tích bia lâm sàng.
Để đảm bảo rằng tất cả các mô bên trong thể tích bia lâm sàng nhận được liều
lượng đã chỉ định, về nguyên tắc, người ta phải lập kế hoạch để chiếu xạ một thể
tích hình học lớn hơn thể tích bia lâm sàng. Một cách lý tưởng thì vị trí, kích thước
và hình dạng của thể tích bia lâm sàng và các chùm tia cần có quan hệ tọa độ cố
định chung trong một phương và có thể sao chép lại được. Tuy nhiên trong thực tế
điều này không thể thực hiện được. Có thể thấy sự khác nhau trong và giữa các đợt
phân chia liều lượng - thời gian từ những yếu tố sau:
Sự chuyển động của các thể tích bia (chẳng hạn sự hít thở, cử động... của bệnh
nhân).
Những khác nhau về kích thước hình dạng của các tổ chức chứa bia lâm sàng
(chẳng hạn sự chứa đầy hay vơi của bàng quang ...).
Những sự khác nhau về tính chất hình học của chùm tia (chẳng hạn kích thước,
hướng ... của (các) chùm tia.
Tùy theo hoàn cảnh lâm sàng (vị trí, kích thước khối u ...) và kỹ thuật đã chọn,
thể tích bia lập kế hoạch cũng có thể trùng với thể tích bia lâm sàng (chẳng hạn
những khối u nhỏ trên da, các khối u tuyến yên v.v..). Hay ngược lại, các thể tích
lập kế hoạch có thể lớn hơn (chẳng hạn khối u phổi).
Thể tích bia lập kế hoạch có thể lớn hơn biên giới giải phẫu bình thường (chẳng
hạn nó cần bao gồm cả các phần cấu trúc xương không ảnh hưởng về mặt lâm
sàng), hoặc thậm chí còn trải rộng ra ngoài cơ thể bệnh nhân như trong trường hợp
điều trị các trường chiếu tiếp tuyến cho ung thư vú.
Vì vậy, thể tích bia lập kế hoạch là một khái niệm hình học và cố định, được
dùng cho việc lập kế hoạch điều trị. Thực tế, thể tích bia lập kế hoạch không đại
diện cho các tổ chức mô đã xác định hay biên giới của các mô. Thật ra, các mô chứa
đựng về mặt hình học bên trong thể tích bia lập kế hoạch, có thể không hoàn toàn
nhận một sự phân bố liều lượng như đã lập kế hoạch, hay ít ra chúng cũng không
thuộc vào các thành phần nào đó gần với biên giới của chúng. Sở dĩ như vậy là do
có sự khác nhau về vị trí của các thể tích bia lâm sàng nằm trong ranh giới của thể
tích bia lập kế hoạch trong quá trình điều trị. Tuy nhiên, thể tích bia lập kế hoạch là
một thể tích được sử dụng để tính toán liều lượng và sự phân bố liều lượng bên
16


trong thể tích bia lập kế hoạch phải được cân nhắc sao cho thể hiện được sự phân bố
liều lượng đối với thể tích bia lâm sàng và các tổ chức nguy cấp.
Khi xác định thể tích bia lập kế hoạch đối với thể tích bia lâm sàng đã cho,
người ta phải đánh giá hết tầm quan trọng của những sự khác nhau có thể liên quan
đến sự phân bố chùm tia đã chọn, cân nhắc thêm về cấu trúc giải phẫu, về việc áp
dụng các dụng cụ cố định bệnh nhân v.v..
3.3.4. Các tổ chức nguy cấp (OAR)
Các tổ chức nguy cấp là các mô lành, nơi mà độ nhạy cảm tia xạ của chúng có
thể ảnh hưởng một cách có ý nghĩa đến việc lập kế hoạch điều trị và liều lượng
được chỉ định (chẳng hạn như tuỷ sống).
3.3.5. Thể tích điều trị (TV)
Thể tích điều trị là một thể tích được bao quanh bởi một đường đồng liều trên bề
mặt, đã được các nhà điều trị tia xạ lựa chọn và định rõ sao cho đạt được mục đích
điều trị.
Một cách lý tưởng, liều lượng chỉ phân bố trên thể tích bia lập kế hoạch. Tuy
nhiên, do những hạn chế của kỹ thuật điều trị mà mục đích này rất khó thực hiện
được một cách hoàn chỉnh. Điều này dẫn đến việc phải xác định một thể tích điều
trị. Khi một liều lượng tối thiểu đối với một thể tích bia lập kế hoạch đã được lựa
chọn một cách thích hợp thì trong một số trường hợp thể tích điều trị gần trùng với
thể tích bia lập kế hoạch.. Nhưng trong một số trường hợp thể tích điều trị thường
lớn hơn nhiều so với thể tích bia lập kế hoạch.
Có một vài cách thức nhận biết thể tích điều trị. Trước hết, kích thước, hình
dạng của một thể tích điều trị là một thông số hết sức quan trọng. Lý do khác là sự
tái phát nằm trong thể tích điều trị. Nhưng lại nằm ngoài thể tích bia lập kế hoạch có
thể coi là một thực tế. Sự tái phát bên trong trường chiếu là do không đủ liều lượng
đã chỉ định do thể tích đã xác định chưa thích hợp. Đó không phải là sự tái phát
đường biên.
3.3.6. Thể tích chiếu xạ (IV)
Thể tích chiếu xạ là một thể tích mà các mô nhận được một liều lượng được coi
là có nghĩa trong việc liên quan đến tổng liều chịu đựng của các mô lành.
Việc so sánh các thể tích điều trị và thể tích chiếu xạ đối với những phân bố
chùm tia khác nhau có thể được sử dụng để lựa chọn như một phần của quá trình
lập kế hoạch điều trị.

17


Thể tích lập kế hoạch.
Thể tích bia lâm sàng

Thể tích khối u thô
Thể tích điều trị
Thể tích chiếu xạ

Hình 3.7. Các vùng thể tích liên quan cần xác định.

18


4- Những bước phát triển về kỹ thuật xạ trị
Lịch sử phát triển Vật-lý xạ trị ung thư.
• Giai đoạn 1890 - 1900:
- Tháng 12-1895 Roentgent phát minh ra tia-X
- Tháng 3 - 1896 Lần đầu tiên, sử dụng chùm tia-X điều trị ung thư vòm họng.
- Tháng 4 - 1896 Sử sụng chùm tia -X điều trị ung thư dạ dày.
- Tháng 11-1896 Nhiều trường hợp ung thư da được điều trị bằng tia-X.
- Tháng 12-1898 Marie Curie tìm ra nguyên tố phóng xạ Ra- 226.
• Giai đoạn 1900 - 1910:
- Năm 1902, bệnh nhân ung thư cổ tử cung đầu tiên được điều trị bằng Ra- 226
tại New York.
- Năm 1905, các tấm áp Ra-226 điều trị tại một số bệnh viện ở London, Paris,
New York.
• Giai đoạn 1910 - 1920:
- Ra đời các máy tia-X hoạt động với điện áp 200 KV
• Giai đoạn 1920 - 1930:
- Các máy tia - X điện áp 180 - 250 KV được sử dụng rộng rãi
- 1922 người ta phát hiện các hiệu ứng quá liều.
- 1925 kỹ thuật chiếu tiếp tuyến được áp dụng.
928 các buồng Ion hoá được chế tạo và áp dụng đơn vị liều lượng
“Roentgen- R”.
• Giai đoạn 1930 - 1940:
- Nghiên cứu về xạ trị ung thư phát triển.
- Sinh học phóng xạ và hiệu ứng của bức xạ với tế bào.
- Các nguồn Ra được chế tạo dưới dạng kim, tube để phân bố đồng liều.
• Giai đoạn 1940 - 1950:
- Các máy gia tốc Betatron, Sychotrons được chế tạo.
- Một số đồng vị phóng xạ nhân tạo I131, Tc99m được sản xuất.
• Giai đoạn 1950 - 1960:
- Máy gia tốc 8.106 volt được ứng dụng trong lâm sàng.
- Các máy Cobalt-60 được chế tạo và ứng dụng tại Canada.
- Sinh học phóng xạ phát triển. Cơ chế nhạy cảm bức xạ được tìm ra.
- Computer được áp dụng trong tính toán phân bố tối ưu liều lượng.
• Giai đoạn 1960 - 1970:
Máy gia tốc được sử dụng rộng rãi hầu hết các trung tâm xạ trị.
- Computer phát triển.
- Kết hợp xạ trị, hoá trị và phẫu thuật...
• Giai đoạn 1970 đến nay:
- Nhiều thành tựu của công nghệ điện tử, tin học được áp dụng rộng rãi.
- Một số máy gia tốc các hạt nặng ra đời và được áp dụng trong xạ trị ung thư.
- Kỹ thuật xạ trị điều biến chùm tia (IMRT) trở nên phổ biến hơn.

19


IV. CƠ SỞ SINH HỌC TRONG XẠ TRỊ
4.1.

Cơ sở sinh học của điều trị tia xạ

Cách đây trên 70 năm (1943), tác giả Albert Bechem đã xuất bản cuốn sách
"Các nguyên tắc liều lượng Radium, và Tia X", được xem là cơ sở của sinh học
phóng xạ :
• Vùng tế bào có tỷ lệ máu lớn hơn, nhạy cảm tia xạ hơn.
• Các tế bào cơ thể trong giai đoạn phân chia nhạy cảm tia xạ nhất.
• Ngày nay người ta còn áp dụng phương pháp tăng Oxy, tăng nhiệt lên vùng
chiếu tia. Và vì thế người ta phải chia nhỏ liều lượng thành nhiều buổi
chiếu...
Để đề ra được các kỹ thuật chỉ định tia xạ, người ta đã dựa trên các "phase”
phân chia của tế bào, trên sự phản ứng của các chất gian bào, hình 4-1 (trong việc
bảo vệ các tổ chức lành).
Tất cả các kỹ thuật điều trị tia xạ đều nhằm đạt được một liều lượng tối đa tại
khối u, giảm đến tối thiểu liều ở các mô lành xung quanh. Muốn vậy phải dựa trên
sự khác nhau về độ nhạy cảm tia giữa các tế bào u, tế bào lành và vào loại tế bào cụ
thể.
Tế bào biệt hoá kháng tia hơn loại không biệt hoá.
Phân bố hợp lý tổng liều điều trị và liều lượng mỗi lần chiếu.
Chu kỳ sinh sản của tế bào:
- Sự tổng hợp S (Sythesis).
- Tiền phân chia G2(Genesis).
- Phân chia M (Mitotic).
S
- Sau phân chia G1:
+ S : Phase này kéo dài từ 1,5÷36h,
trung bình 8h , kháng tia.
+ G2: 30' ÷ 1,5h
+ M : 30' ÷ 2,5h Nhạy cảm tia nhất.
+ G1 : Kéo dài hàng tháng.

G1

G2

M
1

Hình 4-1: Chu kỳ sinh sản của tế bào.

4.2.

Tương tác của bức xạ ion hoá với cơ thể sống

Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng Ion hoá, tạo ra các cặp
ion có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào, làm tế bào bị biến đổi hay
hủy diệt. Trên cơ thể con người chủ yếu (>85% ) là H20. Khi bị chiếu xạ, H20 trong
tế bào bị phân chia thành H+ và 0H-. Bản thân các cặp H+, 0H- này tạo thành các bức
xạ thứ cấp, tiếp tục phá hủy tế bào, sự phân chia tế bào sẽ chậm đi hoặc dừng lại.
Tác dụng trực tiếp của tia xạ lên sự huỷ diệt tế bào chỉ vào khoảng 20%. Còn lại
chủ yếu là do tác dụng gián tiếp.
20


Năng lượng và cường độ bức xạ khi đi qua cơ thể con người nói riêng hay cơ
thể sinh vật nói chung bị giảm đi do sự hấp thụ năng lượng của các tế bào. Sự hấp
thụ năng lượng của các tế bào thường dẫn tới hiện tượng ion hoá các nguyên tử của
vật chất sống và hậu quả là tế bào bị phá hủy.
Nói chung năng lượng của bức xạ càng lớn, số cặp ion do chúng tạo ra càng
nhiều. Thông thường các hạt mang điện có năng lượng như nhau tạo ra một số cặp
ion bằng nhau. Tuy nhiên, tùy thuộc vào vận tốc của hạt nhanh hay chậm mà mật
độ ion hoá có thể khác nhau. Tia alpha thường có vận tốc nhỏ hơn tia bêta nhưng lại
có khả năng ion hoá mạnh hơn. Mật độ ion hoá do tia gamma và roentgen gây ra
tương đối nhỏ, nhưng độ thâm nhập lại lớn. Do đó chúng không phải chỉ tác dụng
lên các tế bào ở lớp ngoài cùng như tia alpha và bêta mà có thể tác dụng lên các tế
bào ở sâu trong cơ thể.
Đối với nơtron, ngoài hiện tượng ion hóa gián tiếp do các hạt nhân va vào chúng
thu được một động năng lớn gây ra, bức xạ nơtron còn có khả năng tạo ra các chất
phóng xạ ngay trong cơ thể sinh vật. Nguyên nhân của quá trình này là khi đi vào
cơ thể , nơtron chuyển động chậm lại và sau đó bị các hạt nhân của vật chất trong
cơ thể hấp thụ. Những hạt nhân ấy trở thành những hạt nhân phóng xạ phát ra tia
bêta và tia gamma. Chính những tia này lại có khả năng gây ra hiện tượng ion hóa
trong một thời gian nhất định.
Do nước là thành phần chủ yếu trong tế bào của cơ thể người, nên phần lớn năng
lượng thoạt đầu tích lũy trong phân tử nước và chỉ một phần nhỏ tích lũy trong các
phần tử sinh học khác. Các phân tử nước bị Ion hoá và kích thích gây ra một loạt
các phản ứng khác, trong đó có các phản ứng như:
H2O + hν -------> H2O+ + eElectron có thể bị các phân tử nước khác hấp thụ để tạo ra ion âm của nước.
H2O + e- --------> H2OCác ion H2O+ và H2O- đều không bền và phân huỷ ngay sau đó:
H2O+ -------> H+ + OH•
H2O-

------->

OH- + H•

Kết quả tạo ra hai gốc tự do H• và OH• và hai ion bền H+ và OH-; chúng có thể
kết hợp với nhau thành phân tử nước. Các phản ứng khác cũng có thể xảy ra:
H• + OH• --------->

H2O

H• + H• -------->

H2

OH• + OH• --------> H2O2
H• + O2

---------> HO2•

HO2• là gốc tự do peroxy được tạo ra với sự có mặt của oxy.
Các gốc tự do có một electron lẻ và không có cấu hình đòi hỏi đối với một phân
tử bền. Chúng là những thực thể gây phản ứng rất mạnh, có thời gian sống khoảng
microgiây và tác động trực tiếp tới các phân tử sinh học như protein, lipid, DNA
gây ra các hỏng hóc về cấu trúc và hoá học đối với các phần tử này. Những hỏng
21


hóc như vậy sẽ dẫn tới: (a) sự ngăn cản phân chia tế bào, (b) sự sai sót của những
nhiễm sắc thể, (c) đột biến gen, (d) làm chết tế bào. Trong khi quá trình hấp thụ
năng lượng xảy ra trong khoảnh khắc (10-10s), thì sự suất hiện của các hiệu ứng sinh
học có thể diễn ra trong vài giây thậm chí hàng nhiều năm.
Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các quá trình này.
a) Sự ngăn cản phân chia tế bào: Tế bào có thể sinh ra và nhân lên về số lượng
trong quá trình phân chia tế bào. Đây là một chức năng cơ bản của một cơ thể sống
bất kỳ. Ngay ở cơ thể người lớn, quá trình phân chia tế bào vẫn thường xuyên diễn
ra để thay thế cho các tế bào đã chết. Những chỗ tổn thương do bức xạ gây ra có thể
kìm hãm hoặc ngăn cản quá trình phân chia tế bào và như vậy làm suy yếu chức
năng của tế bào và cơ thể.
b) Sự sai sót của nhiễm sắc thể : Bức xạ có thể phá huỷ nhiễm sắc thể. Đa số các
trường hợp tổn thương thường được hàn gắn và không có hậu quả gì gây ra. Tuy
nhiên một số thương tổn có thể làm mất hoặc xắp xếp lại các vật chất di truyền,
những bộ phận này có thể quan sát được qua kính hiển vi. Những sự cố như vậy
được gọi là những sai sót của nhiễm sắc thể . Những sự sai sót xác định có thể làm
chết tế bào hoặc biến đổi chức năng của tế bào. Tần số xuất hiện kiểu sai sót của
nhiễm sắc thể có một mối tương quan xác định đối với liều lượng và do đó người
ta có thể sử dụng chúng như là những liều lượng kế sinh học.
c) Đột biến gen: Sự thay đổi lượng thông tin trong gen được biết với thuật ngữ
biến đổi gen. Sự hỏng hóc của nhiễm sắc thể có thể dẫn đến sự đột biến gen.
d) Sự chết của tế bào: Quá trình chiếu xạ có thể làm chết tế bào hoặc dẫn tới tất
cả các hiệu ứng trên. Quá trình chết của tế bào là quá trình quan trọng nhất trong
việc điều trị ung thư. Quá trình này thường được biểu diễn bằng tỷ lệ sống sót của tế
bào sau khi chiếu một liều xác định. Hiệu ứng – liều đối với tỷ lệ sống sót của tế
bào được biểu diễn trên hình 4-2. Ở mức liều thấp, đường cong có một đoạn suy
giảm chậm. Khoảng này tương ứng với khả năng tự phục hồi của tế bào khi bị tổn
thương.

22


1

T
ỷ lệ sống sót

0,1
0,01
0,001
0,0001

0

2

4

6

8

10

12

Liều, Gy

Hình 4-2: Mối tương quan giữa hiện tượng hấp thụ và tỷ lệ sống sót của tế bào

Tuy nhiên ở liều cao hơn, khả năng sửa chữa của tế bào đạt ở mức bão hoà, tỷ lệ
sống sót giảm rất nhanh theo quy luật hàm mũ. Hình 4-3 chỉ sự phụ thuộc độ sai sót
của nhiễm sắc thể vào liều lượng. Các mối tương quan hiệu ứng - liều tương tự
cũng quan sát thấy đối với hiệu ứng đột biến.
Tuỳ theo liều lượng bức xạ do cơ thể hấp thụ ít hay nhiều mà các biến đổi nói
trên có thể được phục hồi hoặc không thể phục hồi. Ngoài yếu tố liều lượng, tác hại
của bức xạ còn phụ thuộc vào yếu tố thời gian. Cùng một liều lượng bức xạ, nếu cơ
thể hấp thụ làm nhiều lần, thì các biến đổi về bệnh lý ít xảy ra hơn so với trường
hợp hấp thụ ngay một lúc. Nguyên nhân này liên quan tới khả năng tự phục hồi của
tế bào ở cơ thể sống.

23


S
ố sai sót cho một tế b

ào

1,0

0,5

0

1

2

3

4

5

6

Liều, Gy

Hình 4-3: Mối tương quan giữa liều lượng hấp thụ và số sai sót của nhiễm sắc thể

4.3. Các đặc trưng của quá trình truyền năng lượng của bức xạ cho vật chất.
4.3.1 Các đặc trưng cơ bản
- Hệ số truyền năng lượng tuyến tính
là hệ số truyền năng lượng tuyến tính (Linear nenergy transfer- LET) của hạt mang
điện trong môi trường vật chất L được xác định bằng công thức:

L

=

dE
dl

,

Trong đó dE - tổn hao năng lượng trung bình của hạt mang điện trên quãng
đường dl.Năng lượng của hạt được tiêu tốn cho quá trình ion hóa và kích thước các
nguyên tử của vật chất, phần khác tiêu tốn cho bức xạ hãm. Các điện tử bức xạ
trong quá trình ion hóa có thể có đủ năng lượng để gây ra quá trình ion hóa tiếp
theo, kết quả là trên đường đi của hạt mang điện xuất hiện các vết của ion hóa tầng.
24


Các điện tử thứ cấp có thể gây ra hiện tượng ion hóa tiếp theo được gọi là các điện
tử δ.
Hệ số truyền năng lượng tuyến tính phụ thuộc vào động năng của hạt sơ cấp và
quãng tuyến tính cuả hạt trong vật chất.
- Liều hấp thụ:
Liều hấp thụ D của một chất có khối lượng dm được xác định bẳng tỷ số
D ≈

dE
dm

=

dE
 dV

của số năng lượng dE được chất hấp thụ với khối lượng của chất đó:
trong đó ρ - mật độ vật chất, dV - đơn vị thể tích
Đơn vị của liều hấp thụ là Gray:
1Gy = 1J Kg-1
Đơn vị ngoài hệ SI là rad
1Gy = 100 rad = 104 erg/g
• Suất liều hấp thụ:
• Suất liều hấp thụ D' được xác định bằng liều hấp thụ trong một đơn vị thòi gian.
D '=

dD
dt

Đơn vị của suất liều là Gy s-1
1Gy.s-1 = 1J.s-1.kg-1=1wkg-1

4.4- Một số mô hình về sinh học phóng xạ.
Để cải thiện kết quả điều trị, bác sỹ xạ trị sẽ có hàng loạt các thông số cần điều
chỉnh: kỹ thuật điều trị, thể tích vùng điều trị , năng lượng và loại chùm tia bức xạ,
tổng liều điều trị, hóa chất kết hợp, sử dụng các chất nhạy cảm bức xạ, các phương
pháp tăng nhiệt tại chỗ và nhiều yếu tố khác có liên quan. Các mẫu về sinh học
phóng xạ sẽ giúp cho bạn đọc hiểu rõ thêm về ảnh hưởng đến kết quả điều trị của
các yếu tố khac nhau. Những yếu tố này cũng có thể giúp cho các nhà xạ trị có được
những quyết định đúng đắn khi điều trị cho từng bệnh nhân. Tuy nhiên, khi tính
toán về tác dụng sinh học phóng xạ cần phải tham khảo, cân nhắc đến những kết
quả mang tính kinh nghiệm trong thực tế lâm sàng.
Phạm vi rộng của các mẫu khác nhau đã được phát triển để mô tả hiệu ứng bức
xạ ion hoá trong các tế bào sống. Một số mẫu đầu tiên đã được phác thảo để làm mô
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×