- LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU Khi nói đến bức xạ nói chung và bức xạ hạt nhân nói riêng mọi người thường nghĩ ngay đến tác hại của nó. - Tác hại của bức xạ hạt nhân được thể hiện rõ rệt qua hậu quả hai quả bom nguyên tử mà Mỹ thả xuống Nhật Bản trong chiến tranh thế giới thứ II. - Bức xạ hạt nhân khi sử dụng với mục đính phá hoại hoặc trong những sự cố không kiểm soát thì nó có tác hại vô cùng to lớn. - Nhưng khi sử dụng với mục đích cải thiện, nâng cao chất lượng và giúp ích cuộc sống thì bức xạ hạt nhân có rất nhiều ứng dụng quan trọng. - Bức xạ được sử dụng để phục vụ cuộc sống trong chiếu xạ, trong việc tạo giống mới và trong điều trị ung thư. - Cơ sở vật lý và sinh học của việc sử dụng chùm bức xạ hạt nhân nói chung và chùm photon Gamma nói riêng trong xạ trị là. - Mục đích của đề tài đặt ra: Tìm hiểu cơ chế tương tác của chùm bức xạ với vật chất Tìm hiểu phương pháp dùng chùm Photon trong xạ trị và những ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp xạ trị khác. - Chương 1: Cơ sở của phương pháp xạ trị dùng chùm Photon đề cập đến cơ sở vật lý và cơ sở sinh học của việc sử dụng chùm Photon trong xạ trị, quá trình tương tác của photon với vật chất và với cơ thể sống, tác dụng sinh học của bức xạ và các đơn vị đo liều lượng bức xạ. - Tương tác của bức xạ gamma với vật chất [7]. - Bức xạ gamma là chùm hạt photon có năng lượng lớn. - Hiện tượng hấp thụ quang điện Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng lên, lớn hơn thế năng ion hóa nguyên tử, hiện tượng tán xạ Rayleigh không còn, xác suất xảy ra hiện tượng hấp thụ quang điện bắt đầu tăng. - MA: nguyên tử gam của chất hấp thụ. - NA: Số Avogadro Mặt khác để đặc trưng cho khả năng hãm bức xạ hạt nhân của một môi trường, người ta thường dùng hệ số suy giảm khối. - Mặt khác, khi năng lượng của bức xạ gamma tăng thì tiết diện hấp thụ quang điện giảm theo hàm ɛ-3 . - Theo sự tăng năng lượng của bức xạ gamma, khi tiết diện xảy ra hấp thụ quang điện giảm thì tiết diện tán xạ Compton tăng lên, đây là quá trình chủ yếu làm suy giảm năng lượng của bức xạ gamma đi trong môi trường vật chất. - Tán xạ Compton xảy ra mạnh khi năng lượng của bức xạ gamma lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết của electron. - Khi năng lượng của bức xạ gamma tăng, các electron tán xạ bay theo hướng ưu tiên về phía trước (nghĩa là góc tán xạ nhỏ). - Năng lượng của bức xạ gamma tán xạ phụ thuộc vào góc tán xạ và năng lượng của bức xạ gamma tới theo công thức: trong đó ɛtx là năng lượng của bức xạ gamma tán xạ ɛt là năng lượng của bức xạ gamma tới. - Vì tán xạ Compton xảy ra trên electron tự do nên năng lượng của bức xạ gamma tán xạ không phụ thuộc vào chất tán xạ mà chỉ phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới và góc tán xạ. - Khi xảy ra tán xạ, photon bị tán xạ có thể bay theo góc tán xạ bất kỳ, nhưng xác suất tán xạ theo một góc nào đó lại phụ thuộc vào năng lượng của bức xạ gamma tới và bản thân góc đó.. - Đối với năng lượng của bức xạ gamma nhỏ, phân bố góc của bức xạ có tính đối xứng qua góc tán xạ 90o . - Năng lượng của bức xạ gamma càng tăng thì các bức xạ gamma tán xạ càng có xu hướng ưu tiên về phía trước.. - k là năng lượng tương đối của bức xạ gamma. - Khi năng lượng của bức xạ gamma tiếp tục tăng lên, có thể xảy ra hiện tượng tạo cặp. - Người ta thấy rằng, khi năng lượng lớn hơn ngưỡng tạo cặp, tiết hiện tạo cặp sẽ tăng nhanh khi năng lượng của bức xạ gamma tăng. - Hiệu ứng sinh học của bức xạ 1.2.1. - Tương tác giữa các bức xạ và cơ thể sống sẽ gây nên những thay đổi trong tế bào hay gây đột biến dẫn đến hoạt động bất bình thường, chẳng hạn phát triển nhanh chóng một cách hỗn loạn dẫn đến ung thư. - Tác dụng của sinh học chính của bức xạ là sự phá hỏng ADN của tế bào.. - Khi bức xạ xuyên vào trong các mô tế bào của cơ thể sống, nó tương tác chủ yếu thông qua các quá trình ion hóa. - Khi bị chiếu xạ, phân tử H2O bị ion hóa, phân chia thành các cặp H+ và OH-, các ion này bị kích thích lại tạo ra các ion khác,… năng lượng của bức xạ khi đi qua cơ thể người càng lớn thì số lượng ion tạo ra càng nhiều. - Tương tác của bức xạ ion hóa với cơ thể sống. - Khi bức xạ tác dụng lên cơ thể, chủ yếu gây ra tác dụng ion hóa, tạo ra các cặp ion hóa có khả năng phá hoại cấu trúc phân tử của các tế bào làm cho các tế bào bị biến đổi hay hủy diệt. - Bản thân các cặp H+, OH- 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. - Năng lượng và cường độ bức xạ khi đi qua cơ thể con người nói riêng hay đi qua cơ thể sinh vật nói chung giảm đi do sự hấp thụ năng lượng của các tế bào. - Nói chung năng lượng của bức xạ càng lớn, số cặp ion hóa do chúng tạo ra càng nhiều. - Những chỗ tổn thương do bức xạ 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. - Sự sai sót của nhiễm sắc thể: Bức xạ có thể phá hủy nhiễm sắc thể. - Tùy theo liều lượng bức xạ do cơ thể hấp thụ ít hay nhiều mà các biến đổi nói trên có thể được phục hồi. - Ngoài các yếu tố liều lượng, tác hại của bức xạ còn phụ thuộc vào yếu tố thời gian. - Các đơn vị đo liều bức xạ. - Liều chiếu Liều chiếu chỉ áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X, còn môi trường chiếu xạ là không khí. - (1.15) Trong đó: dm là khối lượng không khí tại đó chùm tia X hoặc chùm bức xạ gamma bị hấp thụ hoàn toàn, kết quả tạo ra trên dm tổng các điện tích cùng dấu là dQ. - Coulomb trên kilôgam được định nghĩa như sau: "1 C/kg là liều bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1kilôgam không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó 1 Coulomb ion cùng dấu". - Theo định nghĩa Rơnghen là một lượng bức xạ gamma hoặc tia X khi bị dừng lại toàn bộ trong 1kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ tạo ra trong đó tổng điện tích của các ion cùng dấu là 2,58.10-4C. - Liều hấp thụ và suất liều hấp thụ a. - Liều hấp thụ. - Với khái niệm liều hấp thụ và liều tương đương, cho phép mở rộng đối tượng bức xạ nghiên cứu và môi trường chiếu xạ. - Liều chiếu chỉ có thể áp dụng cho bức xạ gamma hoặc tia X và môi trường chiếu xạ là không khí. - Còn liều hấp thụ và liều tương đương sẽ áp dụng cho các loại bức xạ ion hóa khác nhau và môi trường được chiếu xạ khác nhau. - Liều hấp thụ ký hiệu là D, được định nghĩa là thương số , trong đó dE là năng lượng trung bình mà bức xạ ion hóa truyền cho vật chất môi trường có khối lượng là dm [7,8]. - Trong hệ SI, đơn vị đo liều hấp thụ là June/kilôgam, viết tắt là J/kg. - 1 J/kg là lượng bức xạ chiếu vào môi trường chiếu xạ sao cho chúng truyền cho 1kg môi trường vật chất đó một năng lượng là 1J. - Với loại bức xạ ion hóa xác định, môi trường chiếu xạ cho trước, thì liều hấp thụ tỷ lệ thuận với liều chiếu. - Liều hấp thụ và liều chiếu có mối liên hệ nhau theo công thức sau: D = f.X. - Giá trị của f tùy thuộc vào môi trường chiếu xạ và đơn vị đo liều hấp thụ và liều chiếu tương ứng. - Suất liều hấp thụ. - chính là liều hấp thụ trong một đơn vị thời gian. - Suất liều hấp thụ được [8] xác định theo công thức:. - (1.18) Trong đó D là liều hấp thụ trong thời gian t. - Đơn vị đo suất liều hấp thụ là Gy/s hay rad/s. - Đối với sinh vật và cơ thể sống, dưới tác dụng của bức xạ hạt nhân có thể dẫn đến hiện tượng làm biến đổi hoặc gây tổn thương nào đó cho đối tượng được chiếu xạ. - Với liều hấp thụ D cho trước, hiệu ứng sinh học còn phụ thuộc vào loại bức xạ được sử dụng, điều kiện chiếu xạ, khoảng thời gian chiếu xạ. - Khi đánh giá ảnh hưởng của bức xạ đến hiệu ứng sinh học, thay cho liều hấp thụ ta dùng liều tương đương, ký hiệu là H. - Với một loại bức xạ và môi trường sống xác định, liều tương đương tỷ lệ với liều hấp thụ. - Liều tương đương và liều hấp thụ liên hệ với nhau theo công thức sau [8]: H = QND. - Q là hệ số phẩm chất của bức xạ còn N là hệ số tính đến các yếu tố khác nhau như sự phân bố của liều chiếu. - Hệ số phẩm chất Q dùng trong an toàn bức xạ đánh giá ảnh hưởng của các loại bức xạ lên đối tượng sinh học, cho biết mức độ nguy hiểm của từng loại bức xạ đối với cơ thể sống. - Hệ số phẩm chất Q cho biết sự phụ thuộc của quá trình truyền năng lượng tuyến tính của bức xạ trong vật chất. - Ủy ban An toàn Phóng xạ Quốc tế (International Commission on Radiological Protection - ICRP) đã khuyến cáo hệ số phẩm chất đối với các bức xạ thông thường ứng với năng lượng khác nhau. - Giá trị của hệ số phẩm chất đối với các loại bức xạ Loại bức xạ và năng lượng. - Hệ số phẩm chất Q Bức xạ gamma và tia X với mọi năng lượng. - 1 Electrôn với mọi năng lượng. - 1 Nơtrôn năng lượng nhỏ hơn 10keV. - Đối với bức xạ gamma, tia X và electron nếu liều tương đương là 1Sv. - Như vậy, với cùng một đối tượng chiếu xạ và liều hấp thụ như nhau chẳng hạn D = 100 rad, khi bức xạ chiếu là tia gamma liều hiệu ứng sinh học tương đương là 100rem, còn với nơtron nhanh liều tương đương sẽ là 1000 rem [8].. - Liều giới hạn Khi tiếp xúc với chất phóng xạ hoặc các nguồn phóng xạ và các bức xạ ion hóa, nhân viên công tác bị chiếu xạ nhận được một liều hấp thụ nào đó. - Tùy thuộc vào liều hấp thụ mà nhân viên nhận được, bức xạ hạt nhân xẽ ảnh hưởng khác nhau đến họ. - Để đảm bảo sức khỏe cho nhân viên làm việc với chất phóng xạ cần phải giảm ảnh hưởng của các bức xạ đến nhân viên. - Về mặt an toàn bức xạ hạt nhân, cần phải đưa ra những quy định cụ thể về liều hấp thụ cho phép mà người nhân viên còn có thể làm việc trực tiếp với nguồn phóng xạ hay bức xạ ion hóa. - Liều giới hạn được hiểu là giá trị lớn nhất của liều hấp thụ tích lũy trong một năm mà người làm việc trực tiếp với bức xạ hạt nhân có thể chịu được, sao cho nếu bị chịu một liều hấp thụ tích lũy liên tục như vậy trong nhiều năm liên tục vẫn không ảnh hưởng đến sức khỏe của bản thân. - Liều hấp thụ cho phép còn phụ thuộc vào độ tuổi. - theo quy định chung về luật lao động, người có độ tuổi từ 18 tuổi trở nên mới được làm việc trong cơ sở sử dụng bức xạ hạt nhân. - 19, D là liều hấp thụ tích lũy trong một năm. - Đối với các đối tượng khác liều hấp thụ cho phép giảm 10 lần. - Bảng 1.2 Giới hạn liều hấp thụ tích lũy cho phép những người làm việc với bức xạ tại thời điểm khác nhau. - Theo Pháp lệnh An toàn và Kiểm soát Bức xạ hạt nhân Việt Nam, liều hấp thụ tường đương cho toàn thân đối với nhân viên làm việc với nguồn phóng xạ và bức xạ hạt nhân là 20mSv trong một năm. - Quy định này phù hợp với quy định của Ủy ban An toàn Bức xạ Quốc tế. - Tuy nhiên các cơ quan trong cơ thể người có mức nhạy cảm khác nhau đối với bức xạ hạt nhân, nên có giới hạn cho phép tối đa đối với một số bộ phận có giá trị khác nhau. - Xạ trị là quá trình điều trị sử dụng các bức xạ ion hóa hay các tia xạ với liều lượng thích hợp chiếu tới khối u nhằm tiêu diệt các tế bào ung thư đồng thời gây ra tổn thương nhỏ nhất cho các tế bào lành xung quanh. - Các thiết bị xạ trị từ xa Các thiết bị cung cấp chùm bức xạ trong phương pháp xạ trị từ xa gồm có: máy Cobal 60, máy phát tia X và máy gia tốc [1,4,5]. - Có độ rò rỉ bức xạ từ đầu nguồn. - Suất liều bức xạ thấp và giảm theo thời gian. - Có thể điều khiển được năng lượng chùm tia phát ra từ máy gia tốc. - Kích thước của vùng bán dạ chùm tia nhỏ, suất liều bức xạ cao. - Không cần thay thế nguồn bức xạ như trường hợp máy Cobalt. - Chùm bức xạ phát ra từ máy gia tốc phải được xác định rõ năng lượng và có thể thay đổi được kích thước. - Liều lượng bức xạ của chùm tia phải đồng đều. - Liều lượng bức xạ phát ra từ thiết bị phải ổn định trong suốt thời gian sử dụng. - Hướng của chùm tia bức xạ có thể thay đổi được để có thể điều chỉnh được đến mọi vị trí khác nhau. - là năng lượng của lượng tử gamma