Y học hạt nhân chọn những đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn, từ vài chục phút tới vài ngày, vì chúng đủ sống để làm xong việc chụp hay điều trị rồi tự tắt nhanh. Techneti-99m với chu kỳ khoảng 6 giờ là đồng vị dùng nhiều nhất: sau một ngày chỉ còn khoảng 6%, sau hai ngày còn chưa tới 0,5%. Chu kỳ bán rã ngắn cũng tạo ra cái khó riêng: không thể tích trữ, phải sản xuất gần như mỗi ngày.
Bài viết giải thích nguyên lý vật lý; chỉ định và liều lượng trong y học hạt nhân hoàn toàn do bác sĩ chuyên khoa quyết định.
Nguyên lý chất đánh dấu: theo dấu một lượng cực nhỏ
Ý tưởng đến từ George de Hevesy, nhà hoá học gốc Hungary, người nhận giải Nobel Hoá học năm 1943 cho việc dùng đồng vị phóng xạ làm "chất đánh dấu". Cơ thể không phân biệt được nguyên tử phóng xạ với nguyên tử thường của cùng một chất về mặt hoá học. Gắn một nguyên tử phóng xạ vào một phân tử mà cơ quan cần khảo sát hấp thu (iốt với tuyến giáp, một dạng đường với tế bào đang tiêu thụ nhiều năng lượng), rồi dùng máy đặt bên ngoài cơ thể bắt tia gamma phát ra là thấy phân tử ấy đi đâu, đọng lại ở đâu.
Lượng chất dùng nhỏ tới mức về khối lượng chỉ cỡ phần tỉ gam hoặc ít hơn. Thứ được đo không phải khối lượng mà là hoạt độ, tức số phân rã mỗi giây, tính bằng đơn vị megabecquerel (triệu phân rã mỗi giây).
Bài toán chọn chu kỳ bán rã: không dài, không ngắn
| Nếu chu kỳ bán rã... | Điều gì xảy ra |
|---|---|
| Quá ngắn (vài giây, vài phút) | Chất tắt trước khi kịp sản xuất, gắn vào thuốc, vận chuyển, đưa vào người và chụp xong |
| Vừa phải (khoảng thời gian làm thủ thuật) | Đủ tín hiệu để chụp, sau đó tự giảm nhanh |
| Quá dài (năm, thế kỷ) | Chất ở trong cơ thể lâu sau khi đã chụp xong, người bệnh nhận thêm liều bức xạ không cần thiết; với cùng số nguyên tử, tín hiệu mỗi giây lại yếu |
Ngoài chu kỳ bán rã, các nhà vật lý y học còn chọn theo loại tia: để chụp hình, tốt nhất là tia gamma năng lượng vừa phải, xuyên ra khỏi cơ thể dễ dàng và hợp với đầu dò; còn để điều trị thì ngược lại, cần hạt beta hay alpha đi ngắn, trao năng lượng ngay tại chỗ mô bệnh.
Bảng các đồng vị y học quen thuộc
| Đồng vị | Chu kỳ bán rã (khoảng) | Dùng để làm gì | Sản xuất ở đâu |
|---|---|---|---|
| Gali-68 | 68 phút | Chụp PET một số loại u | Bình sinh từ germani-68 |
| Flo-18 | 110 phút | Chụp PET, phổ biến nhất là dạng đường FDG | Máy gia tốc cyclotron |
| Techneti-99m | 6 giờ | Xạ hình xương, tim, thận, tuyến giáp… | Bình sinh từ molypden-99 |
| Iốt-123 | 13 giờ | Xạ hình tuyến giáp | Máy gia tốc |
| Molypden-99 | 66 giờ | Đồng vị mẹ của techneti-99m | Lò phản ứng nghiên cứu |
| Lutetium-177 | khoảng 6,7 ngày | Điều trị một số loại u | Lò phản ứng |
| Iốt-131 | 8 ngày | Điều trị cường giáp, ung thư tuyến giáp | Lò phản ứng |
Quy luật dễ thấy: đồng vị chụp hình thường sống vài phút tới nửa ngày; đồng vị điều trị sống vài ngày, đủ lâu để trao năng lượng cho mô bệnh nhưng không kéo dài hàng tháng.
Techneti-99m và chiếc bình "vắt sữa"
Techneti là nguyên tố đầu tiên con người tạo ra nhân tạo, năm 1937, do Carlo Perrier và Emilio Segrè tìm thấy trong một mẫu molypden bị bắn phá. Chữ "m" trong Tc-99m nghĩa là trạng thái kích thích bền tạm (metastable): hạt nhân chỉ nhả ra một tia gamma khoảng 140 keV rồi về trạng thái thường, gần như không phát hạt beta. Năng lượng ấy vừa khớp với máy chụp gamma, còn chu kỳ 6 giờ vừa đủ cho một buổi khám.
Nhưng 6 giờ thì không thể chở từ nước này sang nước khác. Lời giải xuất hiện cuối thập niên 1950 ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (Mỹ): chở đồng vị mẹ molypden-99, sống lâu hơn (66 giờ), trong một cột hấp phụ. Molypden phân rã liên tục sinh ra techneti; mỗi sáng, nhân viên khoa y học hạt nhân cho nước muối sinh lý chảy qua cột để "rửa" techneti ra, còn molypden ở lại. Giới trong nghề gọi vui chiếc bình sinh này là "con bò", việc rửa chiết mỗi ngày là "vắt sữa".
Phép tính của một tuần
- Bình sinh nhận về đầu tuần. Sau 7 ngày (168 giờ), molypden còn 2^(−168/66) ≈ 17%, lượng techneti rửa ra mỗi ngày cũng giảm theo, nên bình thường được thay hằng tuần.
- Techneti rửa ra lúc 8 giờ sáng. Tới 14 giờ (6 giờ sau) còn 50%. Tới 8 giờ sáng hôm sau còn khoảng 6%. Sau hai ngày còn khoảng 0,4%.
Vì cả chuỗi không thể tích trữ, nguồn cung molypden-99 phụ thuộc vào một số ít lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới. Năm 2009–2010, khi lò NRU ở Canada và lò Petten ở Hà Lan cùng ngừng để sửa chữa, nhiều bệnh viện ở châu Âu, Bắc Mỹ phải hoãn ca chụp. Bài học ấy cho thấy chu kỳ bán rã ngắn vừa là ưu điểm vừa là điểm yếu về hậu cần.
Flo-18: cuộc chạy đua 110 phút
Chụp PET dùng những đồng vị phát positron. Phổ biến nhất là flo-18 gắn vào phân tử FDG, một dạng đường glucose. Tế bào đang hoạt động mạnh hấp thu nhiều đường hơn nên hiện sáng trên ảnh. Flo-18 sinh ra trong máy gia tốc cyclotron, chu kỳ khoảng 110 phút.
Tính thử: nếu cơ sở sản xuất cách bệnh viện 2 giờ đường, khi tới nơi chỉ còn 2^(−120/110) ≈ 47% lượng ban đầu. Mỗi giờ chậm trễ là mất thêm khoảng một phần ba. Vì vậy nơi chụp PET thường đặt cyclotron ngay trong bệnh viện hoặc ở cơ sở gần, và lịch chụp được xếp chặt theo giờ sản xuất. Ở Việt Nam, một số bệnh viện lớn tại Hà Nội và TP.HCM đã có cyclotron và máy PET/CT; còn Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt từ lâu sản xuất một số đồng vị như iốt-131 cung cấp cho các khoa y học hạt nhân.
Chu kỳ bán rã hiệu dụng: cơ thể cũng góp phần thải
Một chất phóng xạ trong người giảm đi theo hai đường cùng lúc: tự phân rã (chu kỳ vật lý) và bị cơ thể thải qua nước tiểu, phân, mồ hôi (chu kỳ sinh học). Hai tốc độ cộng lại, nên chu kỳ thực tế, gọi là chu kỳ bán rã hiệu dụng, luôn ngắn hơn cả hai:
1 / Thiệu dụng = 1 / Tvật lý + 1 / Tsinh học
Ví dụ minh hoạ: nếu một chất có chu kỳ vật lý 8 ngày và cơ thể thải một nửa sau 24 ngày, thì 1/8 + 1/24 = 4/24, chu kỳ hiệu dụng là 6 ngày. Con số thật phụ thuộc chất, cơ quan và từng người; đây là lý do sau một số thủ thuật, nhân viên y tế dặn người bệnh uống nhiều nước, đi tiểu thường xuyên, và hạn chế tiếp xúc gần với trẻ nhỏ hay phụ nữ mang thai trong một khoảng thời gian nhất định. Lời dặn cụ thể luôn theo hướng dẫn của cơ sở điều trị.
Góc nhìn hôm nay: hiểu để bớt lo
Chữ "phóng xạ" dễ gây sợ, nhưng trong y học hạt nhân, chính chu kỳ bán rã ngắn là lớp bảo vệ quan trọng: chất được chọn để tắt nhanh. Liều bức xạ của một lần chụp được cân nhắc so với lợi ích chẩn đoán, và phần lớn hoạt độ đã mất đi trong vòng một ngày. Nếu có lịch chụp, hãy hỏi thẳng bác sĩ: dùng đồng vị gì, cần lưu ý gì sau khi về nhà, bao lâu thì sinh hoạt bình thường. Đó là những câu hỏi rất bình thường và được giải đáp rõ ràng.
Muốn tìm hiểu thêm, tài liệu phổ biến kiến thức của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) về y học hạt nhân viết dễ hiểu; trong nước, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt và các khoa y học hạt nhân của bệnh viện lớn thỉnh thoảng có hoạt động giới thiệu cho sinh viên.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao y học dùng đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn?
Vì chúng đủ sống để chụp hình hay điều trị xong rồi tự giảm nhanh, giúp người bệnh không phải mang chất phóng xạ lâu ngày. Đồng vị chu kỳ dài sẽ tiếp tục phát tia rất lâu sau khi đã hết tác dụng.
Techneti-99m là gì?
Là đồng vị phóng xạ dùng nhiều nhất trong chẩn đoán y học hạt nhân, chu kỳ bán rã khoảng 6 giờ, phát tia gamma khoảng 140 keV hợp với máy chụp. Nó được rửa chiết hằng ngày từ bình chứa đồng vị mẹ molypden-99.
Chất phóng xạ khi chụp xạ hình tồn tại trong người bao lâu?
Tuỳ đồng vị và cách cơ thể thải. Với techneti-99m, sau một ngày hoạt độ chỉ còn vài phần trăm do tự phân rã, chưa kể phần thải qua nước tiểu. Lời dặn cụ thể sau thủ thuật do cơ sở y tế đưa ra.
Chu kỳ bán rã hiệu dụng là gì?
Là chu kỳ thực tế của chất phóng xạ trong cơ thể, kết hợp cả tự phân rã và việc cơ thể đào thải. Nó tính theo công thức 1/T hiệu dụng = 1/T vật lý + 1/T sinh học, nên luôn ngắn hơn từng chu kỳ riêng.
Vì sao chụp PET cần máy gia tốc gần bệnh viện?
Vì flo-18 dùng trong chụp PET có chu kỳ bán rã chỉ khoảng 110 phút. Chở đi xa hai giờ đã mất hơn một nửa, nên đồng vị phải được sản xuất ngay tại hoặc gần nơi chụp.
