Cơ sở vật lý của y học hạt nhân
NHẮC LẠI VÀI NÉT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ
Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố chẳng thể chia bóc tách được bằng phương thức hoá học.
Bạn đang xem: Hạt neutron
Theo tế bào hình kết cấu của BOHR-RUTHERFORD nguyên tử gồm có nhân và lớp vỏ năng lượng điện tử bao quanh.
p: điện tích +1 tương tự 1,6.10-19C; mp = 938,2 Mev, hay 1,007276u, = 1836 me (u: 1-1 vị trọng lượng nguyên tử).
n: được phát hiện nay năm 1932, điện tích = 0; mn = 939,5 Mev; (khối lượng tuyệt vời và hoàn hảo nhất = 1,6747.10-27 kg); = 1,008665u = 1838 me
Trong nhân neutron rất có thể chuyển thành proton và proton rất có thể chuyển thành neutron:
n → phường + e- + g
p → n + e+ + g
e: electron là phân tử cơ phiên bản được THOMPSON phát hiện tại năm 1897, bao gồm điện tích âm = 1,602x10-19C (Coulomb); me = 9,108.10-31kg tốt 0,000548u tốt 0,511Mev (1u = 1,66.10 -27kg = 931,4 Mev).
Mỗi nhân nguyên tử có một vài lượng độc nhất vô nhị định p. Bằng số đồ vật tự Z, tổng số n+p = A call là số khối. Để ký hiệu một yếu tắc X, viết như sau: ZXA (chẳng hạn 2He4; 3Li7) hoặc thông dụng là: AX . Thí dụ: 131I 99mTc.
Các đồng vị tương tự nhau về tính chất hoá học nhưng khác nhau về đặc tính vật lý, được xếp vào cùng một ô trong bảng tuần trả Menđêlêep. Chẳng hạn carbon tất cả 3 đồng vị: 6C12, 6C13 6C14 ; Oxy bao gồm 3 đồng vị 8O16, 8O17, 8O18...
Điện tử được phân bổ và vận động trên hành trình với tỷ lệ nhất định. Quỹ đạo gần nhân nhất được hotline là tiến trình K, kế tiếp là tiến trình L, M, N...Mỗi quy trình chỉ chứa một vài lượng năng lượng điện tử nhất định, quỹ đạo K chỉ chứa tối đa là 2, tiến trình L buổi tối đa là 8. Sự phân bố số lượng điện tử tuân thủ theo đúng quy dụng cụ 2n2.
Trong nguyên tử, điện tử bao gồm hai dạng năng lượng: đụng năng bằng tích điện của tốc độ trên quỹ đạo, vậy năng bằng năng lượng do vị trí của năng lượng điện tử đối với nhân, càng biện pháp xa nhân thì núm năng càng lớn. Điện tử ở quỹ đạo ngoài sẽ sở hữu thế năng to hơn (và cả rượu cồn năng) so với điện tử quỹ đạo trong. Năng lượng điện tử được xem bằng đơn vị điện tử vôn (electronvolt, eV). Ví như giữa nhì điện cực chênh nhau một điện vậy là 1000V thì điện tử vẫn có năng lượng là 1000 eV, hoặc viết là 1keV. 1eV=1,602x10 ‑19J.
HIỆN TƯỢNG PHÓNG XẠ
Không bao thọ sau sáng tạo của Roentgen về các tia sở hữu tên ông, năm 1896 Becquerel đang tìm ra hiện tượng kỳ lạ phóng xạ thoải mái và tự nhiên khi quan liền kề thấy muối hạt uran và đông đảo hợp hóa học của nó bao gồm tính vạc ra rất nhiều tia không bắt gặp được và gồm sức đâm xuyên tương đối mạnh. Năm 1902 Curi tìm thấy đồng vị phóng xạ Radi, năm 1932 người ta chứng thực sự lâu dài của neutron và sử dụng neutrron bắn phá các hạt nhân khác vẫn thu được các hạt nhân phóng xạ mới.
Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng lạ hạt nhân nguyên tử biến đổi để phát triển thành một phân tử nhân nguyên tử khác hoặc làm việc trạng thái tích điện khác, trong quá trình biến hóa đó phân tử nhân phạt ra gần như tia có năng lượng lớn điện thoại tư vấn là các tia phóng xạ hay phản xạ hạt nhân.
Hiện nay tín đồ ta đã tìm được trên 300 đồng vị bền, 60 đồng vị phóng xạ sẵn có trong tự nhiên, sát 3000 đồng vị phóng xạ nhân tạo.
Người ta đang tìm ra 3 hàng nguyên tố phóng xạ: Thorium; Uranium; Actinium; và tìm ra bằng phương thức nhân tạo thành dãy Neptunium.
Thorium 232Th → 208Pb
Actinium 235U → 207Pb
Uranium 238U → 206Pb
Neptunium 241Pu → 209Bi
Các dạng phân chảy phóng xạ.
Có nhiều phương pháp phân tung phóng xạ, tuỳ ở trong vào tâm lý nguyên thuỷ của nhân không ổn định, tức thị tuỳ ở trong vào nhân thiếu hụt p xuất xắc n.
Phân tung alpha (α ): thường xảy ra ở hầu như nguyên tố nặng, gồm số khối mập (Z>83). Trong quá trình hạt nhân thay đổi phát ra 1 hạt chính là hạt nhân nguyên tử He: AX → 4 α + A-4Y
Thí dụ: 238U → 4 α + 234Th
Để trình diễn ngắn gọn hiện tượng lạ phóng xạ, người ta cần sử dụng sơ vật dụng phân rã phóng xạ. Trên sơ đồ người ta ghi kí hiệu của phân tử nhân trước và sau khoản thời gian xảy ra phân chảy phóng xạ, chu kỳ luân hồi bán tung của quá trình và phần trăm xác suất của mỗi dạng phân rã. Tâm trạng cơ phiên bản của hạt nhân trước và sau khi phân tan được màn trình diễn bằng vạch rõ nét nằm ngang. Quá trình phân chảy dẫn đến tạo ra thành hạt nhân mới có điện tích to hơn hạt nhân ban sơ được kí hiệu bởi mũi thương hiệu đi xuống và hướng lịch sự phải. Ví như hạt nhân mới tất cả điện tích nhỏ dại hơn phân tử nhân lúc đầu thì quá trình phân rã được cam kết hiệu bằng mũi tên trở lại hướng về bên cạnh trái. Còn quá trình phân rã mà lại không làm biến đổi điện tích của hạt nhân được ký hiệu bởi mũi tên hình sóng, trở lại thẳng đứng.
Chẳng hạn Radi phân rã chuyển thành radon theo sơ đồ gửi mức tích điện như sau:
Phân tan beta (β): là quy trình hạt nhân đổi khác để biến một phân tử nhân khác gồm cùng số khối mà lại điện tích thay đổi D Z = ±1 với phát ra một phân tử là pozitron tốt electron.
Phân rã β -: Khi gồm dư neutron, nhân không đúng định, đề xuất tìm biện pháp giải phóng neutron dư kia mới ổn định được. Làm nhảy neutron thoát ra khỏi nhân là khó vì không được năng lượng, bởi vì vậy thường thì theo cách thức tương tác những lực yếu, nhân sẽ đưa neutron thành proton và giải phóng ra một điện tử (beta âm) và phản neutrino. Phản bội neutrino là 1 phản phân tử của neutrino. Cả hai đều không tồn tại trọng khối và gồm vận tốc cân đối tốc ánh sáng.
n → p. + e- + g (phản neutrino)
Nhân bắt đầu tạo thành đạt thêm proton, sẽ di chuyển sang bên nên 1ô trong bảng tuần hoàn của Menđêlêep, biến đổi nhân không giống so cùng với ban đầu:
ZXA →Z+1YA
ví dụ: 15P32 →16S32
Số Z tăng 1, số A ko đổi, hạt phản neutrino không tồn tại trọng lượng, không có điện tích, không tồn tại vai trò gì vào y học hạt nhân phải không cần ân cần đến.
32P phạt xạ beta đơn thuần được dùng trong mục tiêu điều trị, liều hấp phụ khủng để khử tế bào ung thư.
Phân tan beta âm hoàn toàn có thể kèm theo phản xạ gamma. Trường thích hợp này xẩy ra khi nhân new tạo thành không thật bình ổn (cận bền vững). Ví dụ nổi bật là 60Co, một nguồn phóng xạ hay được dùng trong y học:
Phân rã β+: Hiện tượng này xảy ra khi nhân có vô số p, có nghĩa là thiếu hụt neutron với như vậy yêu cầu chuyển 1 proton thành neutron, 1 positron (β +) và 1 neutrino.
Sơ đồ vật phân tung beta dương là sơ đồ đưa trái. Nhân con được tạo nên sẽ ít hơn nhân bà bầu 1 proton, buộc phải sẽ di chuyển 1 ô về bên trái của bảng tuần hoàn.
Các hạt beta dương cũng có thể có phổ năng lượng liên tục. Positron tất yêu tồn tại khi ở tâm trạng tĩnh, vì vậy lúc hết đụng năng nó sẽ kết hợp với 1 năng lượng điện tử chuyển từ hạt sang sóng năng lượng điện từ dưới dạng 2 bức xạ gamma 0,511 MeV theo 2 phía khác nhau.
Năng lượng cần để sở hữu phân rã β + tối thiểu là 1,022MeV. Vào phân rã β +, năng lượng dư có thể phát gamma kèm theo. Phân tan beta dương thường xảy ra với hầu hết nuclit có Z thấp, có trong thành phần khung hình người như Carbon, Oxygen, Nitrogen là phần đa chất dễ tạo thành các nuclit beta dương. Những chất này được sử dụng nhiều vào chẩn đoán bởi PET.
15O vạc β+ (99,9%), Emax = 1,72MeV
13N phát β + (100%), Emax = 1,19MeV
11C vạc β + (99%), Emax = 0,96MeV
Phân rã phát xạ tia gamma:
Một nhân bị kích ưa thích sẽ gấp rút trở về tâm lý cơ sở, thời gian thường là 10-15 đến 10-20giây. Người ta sử dụng khái niệm nửa đời (half life) để chỉ thời gian tồn tại một ít của tâm trạng nhân bị kích thích, thời gian ấy vào thời gian 10-15 giây. Mặc dù vậy cũng đều có một số ít trường vừa lòng nửa đời kéo dãn hàng giây, hàng tiếng đồng hồ hoặc mặt hàng ngày. Trạng thái này được gọi là tinh thần cận bình ổn (metastable). Một trong những trường thích hợp này, nhân bị kích thích dừng lại ở nút 2 rồi bắt đầu trở về trạng thái cơ sở. Technetium-99m (99mTc) hay dùng trong y học tập là điển hình của nhóm các hóa học cận ổn định định.
QUY LUẬT PHÂN RÃ PHÓNG XẠ
Trong một nguồn phóng xạ, số hạt nhân phóng xạ bớt dần theo thời gian. Ta tùy chỉnh cấu hình quy công cụ đó.
Giả sử ở thời gian t, số hạt nhân phóng xạ chưa phân chảy là N. Sau thời gian dt, số đó biến N – doanh nghiệp vì có doanh nghiệp hạt nhân vẫn phân rã. Độ giảm số hạt nhân không phân tung - doanh nghiệp tỉ lệ cùng với N và dt.
- dn = lNdt
Trong đó hệ số tỉ lệ l tuỳ trực thuộc vào hóa học phóng xạ với được gọi là hằng số phân rã. Theo định nghĩa, l là phần trăm phân tan của từng phân tử nhân vào một đơn vị chức năng thời gian. Bởi vì đó: dN/N = - ldt.
Thực hiện tại phép tích phân ta được: N = Noexp (-lt).
Trong đó: N = số nhân phóng xạ ở thời gian t.
N0 = số nhân phóng xạ ở thời gian ban đầu.
l = hằng số phân rã; t = thời gian.
Để phân biệt vận tốc phân tung nhanh, chậm của những chất phóng xạ, tín đồ ta giới thiệu khái niệm T1/2 (thời gian bán rã), là thời hạn mà N0 giảm đi một nửa.
N = No/2 = Noexp (-lT1/2).
T1/2 = ln2/l = 0,693/l
Để biểu thị một phương pháp định lượng về một chất đồng vị phóng xạ, người ta dùng khái niệm hoạt độ (activity), thường ký kết hiệu bằng văn bản A.
A = lN
Đơn vị đo hoạt độ là curie (Ci), millicurie (mCi), microcurie (mCi) hoặc theo nguyên tắc của tê mê (system international), đơn vị đo là becquerel (Bq). Đơn vị Bq rất nhỏ, vì chưng vậy hay sử dụng kilobecquerel (kBq), megabecquerel (MBq).
1Ci=3,7x1010phân chảy /giây; 1mCi=3,7x107phân tung /giây.
1mCi =3,7x104phân tung /giây; 1Bq=1phân tung /giây.
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO HẠT NHÂN PHÓNG XẠ.
Hầu hết các hạt nhân phóng xạ tự nhiên và thoải mái đã được kiếm tìm thấy. Những hạt nhân này thông thường có đời sống vượt dài phải không tương thích cho áp dụng trong y học hạt nhân. Những hạt nhân phóng xạ thực hiện trong y học cần có thời gian bán huỷ thiết bị lý đủ ngắn, năng lượng vừa phải đặt tránh liều dung nạp không hữu ích cho bệnh dịch nhân. Hồ hết hạt nhân này hầu hết được cấp dưỡng bằng phương pháp nhân tạo.
Hệ thống sinh xạ.Chất đồng vị phóng xạ nào tất cả đời sống tương đối ngắn sẽ tiến hành áp dụng dễ dãi trong chẩn đoán. Nhưng câu hỏi chuyên chở chất phóng xạ đời sống ngắn từ nơi chế tạo tới các đại lý y học phân tử nhân sẽ rất khó khăn. Bởi vậy fan ta phải sản xuất ra những bình sinh xạ (generator), chúng được di chuyển một cách dễ ợt đến khu vực tiêu dùng, khi nào cần thì tách bóc chiết để đưa ra chất phóng xạ cần sử dụng cho chẩn đoán hoặc điều trị. Bình sinh xạ hay cần sử dụng trong y học hạt nhân là 99Mo/99mTc. Molybden-99 là chất bao gồm T1/2=66h, khi phân rã beta vẫn thành 99mTc ở các trạng thái khác nhau, trong đó có trạng thái ổn định muộn, ký kết hiệu là 99mTc. Chất 99mTc gồm T1/2 =6h, được dùng nhiều vào y học phân tử nhân, bởi đời sống không quá dài, cũng không thật ngắn và năng lượng 140 keV đủ nhằm ghi hình giỏi mà không thực sự mạnh, không khiến tổn sợ đến các mô trong khung người như một trong những chất đồng vị phóng xạ khác.
Những đặc điểm cơ bạn dạng của một hệ sinh xạ:
Hạt nhân con được sinh ra với độ tinh khiết hoá phóng xạ và hạt nhân phóng xạ cao.
Phải an toàn, đơn giản trong thao tác
Vô khuẩn, không có pyrogen
Khả năng tách bóc chiết dễ, đa dạng.
Đời sống phân tử nhân phóng xạ bé phải ngắn lại hơn 24 giờ.
Thời gian đạt tới mức tối đa (Tmax) của hóa học con được tính theo công thức:
Tmax = <3,312xT1T2/(T1-T2)> log(T1/T2) = <2,303/(l2 -l1)> log (l2/l1)
Trong bình sinh xạ Mo-Tc, người ta cho 99Mo hấp thụ vào cột alumina (Al2O3), tự đó sử dụng dung dịch nước muối sinh lý bóc chiết ra Tc, hóa học chiết ra có Tc trạng thái bình ổn muộn, Tc tinh thần kích ham mê khác cùng cả Tc làm việc trạng thái cơ bạn dạng ổn định. Sau khi đã phân tách ra, hàm vị Tc vào cột alumina giảm đi 80%, rồi lại tăng đột biến lên và đạt buổi tối đa vào mức 23h sau (thấp rộng lần thứ nhất) cùng cứ do đó sau mỗi chu kỳ 23h lại rước được Tc ở tại mức cao nhất, nhưng sút dần.
Lò bội nghịch ứng lúc nào cũng có một số trong những lượng lớn neutron, vì chưng vậy rất dễ tạo nên các nuclit phóng xạ gồm dư neutron (phân rã beta âm). Đại đa phần các nhân phóng xạ hay được dùng trong YHHN là các chất được chế tự lò phản ứng.
Chế chế tạo từ máy tốc độ vòng.Các máy vận tốc hạt tích điện được phân thành hai nhóm dựa trên cách thức gia tốc, đó là vận tốc thẳng và vận tốc vòng. Tốc độ hạt trong cả hai nhóm được tiến hành do lực hút tĩnh điện giữa các hạt tích điện cùng ống tích điện trái lốt được phân làn nhau bằng thành phần cách điện.
Máy gia tốc vòng rất có thể bắn những proton, deutron hoặc hạt alpha vào vào nhân và bởi vậy sẽ tạo nên được đầy đủ nuclit gồm dư proton, những chất phân chảy beta dương hoặc bắt điện tử. Ví dụ: nuclide 127I lúc được bắn vào một trong những proton 60 MeV, nó sẽ phóng ra 5 neutron chuyển thành 123Xe, tiếp nối qua phân chảy beta dương và bắt điện tử chuyển thành 123I, được dùng làm ghi hình rất tốt trên lắp thêm SPECT. Phương trình diễn biến như sau:
127I (p,5n) →123Xe → 123 I
Hoặc đối với 67Ga: 68Zn (p, 2n)→ 67Ga
TƯƠNG TÁC CỦA BỨC XẠ ION HOÁ VỚI VẬT CHẤT
Với phần lớn photon hay được sử dụng trong y học, mức năng lượng từ 50 keV mang lại 5 MeV, sẽ sở hữu ba quy trình tương tác xảy ra: tán xạ compton, hấp thụ quang điện cùng hiệu ứng chế tạo cặp.
Hiệu ứng quang đãng điện.Photon liên tưởng với điện tử quỹ đạo phần trong (K hoặc L), truyền toàn thể năng lượng (hn) mang lại điện tử, công dụng điện tử bị bắn thoát ra khỏi nguyên tử (gọi là quang năng lượng điện tử) với rượu cồn năng Ed:
E g = hà nội = Eq - Ed (Eq là công thoát; Ed là đụng năng).
Hiệu ứng quang quẻ điện chẳng thể xảy ra so với điện tử trường đoản cú do.
Hấp thu quang điện là hiện tượng kỳ lạ rất thuận tiện cho bài toán ghi hình YHHN, vì hoàn toàn có thể chặn các photon kia để tạo nên dòng năng lượng điện tử một giải pháp dễ dàng. Tinh thể NaI, các collimator chì...đều có tác dụng dừng các photon, các điện tử nhảy ra được thu nhận và khuếch đại trong hệ thống ghi hình của sản phẩm SPECT.
Tán xạ Compton.Năng lượng photon tán xạ cùng electron đồ vật cấp được tính theo công thức:
Eg2 = Eg1/<1 + (1- cosq) Eg1/511> (keV)
Ee = Eg1 - Eg2
Tán xạ compton tạo nhiều có hại cho chẩn đoán YHHN vị những tán xạ đó làm nhiễu, khó xác định nơi xuất phát, đồng thời làm mờ hình ảnh ghi được. Fan ta hoàn toàn có thể khống chế tán xạ compton bằng cách giới hạn trong một khung hành lang cửa số nhất định, không cho những bức xạ yếu lọt qua, mặc dù cũng không thể sa thải được trả toàn.
Sự tạo cặp.Khi photon lấn sân vào vùng năng lượng điện trường của nhân nguyên tử, sẽ chuyển từ dạng sóng sang dạng hạt cùng hạt sẽ tiến hành tạo thành là: electron, positron, gồm động năng: E e+p = hn - 2m0C2.
Khi positron gặp gỡ một electron trong môi trường thiên nhiên sẽ xẩy ra hủy cặp, tạo ra thành 2 photon, từng photon có năng lượng E = m0C2 = 511keV. Theo định cách thức bảo toàn năng lượng, muốn tạo ra cặp photon 511keV, photon ban đầu phải có năng lượng >1022 keV. Hầu hết nuclit dùng để ghi hình vào YHHN đều sở hữu năng lượng nhỏ hơn 1022keV phải không xẩy ra hiện tượng này.
Xem thêm: 968 Cách Mạng Tháng 8, P.5 Q.Tân Bình, Hcm, Ba Lô Hàng Hiệu
Tài liệu tham khảo
Giáo trình Y học hạt nhân, học viện Quân y, 2010.
Brenda Walker, Peter Farritt: Basic physics of nuclear medicineIn Basic science, section 8, p. 1279 - 1289