Sự hiểu biết cơ bản về vật lý bức xạ đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý bức xạ và giải thích các ảnh hưởng của bức xạ đến sức khỏe. Nguyên tử là khối xây dựng cơ bản của vật chất và bao gồm các proton, neutron và electron. Một nguyên tố hóa học có số proton tương ứng với số nguyên tử của nó. Tuy nhiên, tùy thuộc vào số lượng neutron trong hạt nhân, khối lượng nguyên tử của nguyên tố có thể thay đổi. Sự khác biệt này là thứ tạo ra đồng vị của một nguyên tố. Các electron quay quanh hạt nhân và được sắp xếp thành các lớp gọi là vỏ. Việc loại bỏ một trong các electron bên ngoài khỏi nguyên tử sẽ phát ra năng lượng, thường ở dạng photon. Hiện tượng này có thể được gọi là bức xạ ion hóa.
Nguyên tắc quan trọng trong bức xạ ion hóa là tính ổn định của các đồng vị và hạt nhân. Khi một đồng vị của một nguyên tố có quá ít hoặc quá nhiều neutron trong hạt nhân, nó sẽ trở nên không ổn định. Hạt nhân ổn định nhất khi các proton và neutron cộng lại bằng những số bao gồm 2, 8, 20, 82 và 126. Vật lý cho thấy số neutron và proton lẻ kém ổn định hơn số chẵn. Trong quá trình phân rã phóng xạ, các hạt nhân phóng xạ và không ổn định này có thể biến đổi thành hạt nhân ổn định hơn mà cuối cùng phát ra hạt beta, hạt alpha hoặc photon bao gồm tia X và tia gamma. Các hạt phát ra là một dạng bức xạ.
Đồng vị phóng xạ có những đặc điểm độc đáo được xác định bởi loại hạt, mức năng lượng phát ra và tốc độ phân rã của nó. Các loại hạt đó bao gồm alpha, beta và photon. Điều quan trọng là phải đánh giá các tính chất khác nhau của từng hạt để hiểu tác động lên các nguyên tử mà nó tương tác. Tùy thuộc vào khối lượng, vận tốc, điện tích và mật độ electron của vật liệu mục tiêu, mức động năng bị mất và sự truyền năng lượng tiếp theo sang các môi trường nhất định sẽ khác nhau.
Hạt alpha gồm có hai proton và hai neutron. Sự phát xạ của hạt này làm khối lượng nguyên tử của nó giảm đi 4 và số nguyên tử của nó giảm đi 2. Sự phát xạ của các hạt alpha thường là kết quả của sự phân rã phóng xạ của các nguyên tố nặng như plutoni, urani và radi. Các hạt alpha có điện tích dương +2 và có khả năng ion hóa lớn. Tuy nhiên, do điện tích và mật độ lớn, chúng thường mất năng lượng nhanh chóng trong theo thời gian và trong khoảng cách ngắn. Khoảng cách trung bình mà hạt alpha di chuyển là khoảng 3 đến 5 cm và thường không thể xuyên qua quần áo hoặc da. Do những đặc điểm này, để gây ra ảnh hưởng hay thiệt hại, các hạt alpha phải được phát ra gần mục tiêu của chúng.
Các hạt beta chia thành phát xạ âm và dương. Phát xạ beta âm có một điện tích âm và nó làm tăng số lượng proton lên một và giảm số lượng neutron đi một. Phát xạ beta dương chứa một điện tích dương duy nhất và nó làm giảm số lượng proton đi một và tăng số lượng neutron lên một. Trong cả hai trường hợp, khối lượng nguyên tử không đổi nhưng nó tạo thành một nguyên tố khác. Không giống như hạt alpha, hạt beta có thể di chuyển xa và xuyên qua nước, mô với năng lượng cao.
Khi quá trình phân rã phóng xạ xảy ra trong một nguyên tố, năng lượng dư tạo ra từ quá trình biến đổi thường được lưu trữ bên trong hạt nhân của nó và do đó sẽ kích thích hạt nhân. Vì trạng thái năng lượng cao gây ra sự mất ổn định nên hạt nhân giải phóng năng lượng này để trở về mức năng lượng cơ bản. Năng lượng được giải phóng thường ở dạng photon. Photon bao gồm tia gamma và tia X. Tia gamma truyền đi rất xa và có thể đọng lại hoặc truyền qua các chất như sắt, khăn giấy và thậm chí cả bê tông. Sự tạo ra tia X diễn ra theo kiểu tương tự, nhưng thay vì tạo ra năng lượng trong hạt nhân, sự tạo ra năng lượng lại xảy ra ở các electron xung quanh. Quá trình này được gọi là chuyển đổi nội bộ. Khi hạt nhân ở trạng thái kích thích sẽ phát ra photon. Tia photon này tương tác với một trong các electron quỹ đạo, thường ở lớp K trong cùng. Tia photon bị hấp thụ hoàn toàn và nguyên tử còn lại một khoảng trống trong lớp nơi ban đầu có electron. Chỗ trống sau đó được lấp đầy bởi một electron ở lớp vỏ ngoài dẫn đến việc tạo ra tia X. Tia X cũng có thể được tạo ra nhờ sự gia tốc của một electron. Cơ chế này được thể hiện trong việc tạo ra các hình ảnh X-quang sử dụng tia X.
Bức xạ có thể độc hại khi tiếp xúc với số lượng lớn và do đó việc đo lường là rất quan trọng. Quá trình phân rã phóng xạ là ngẫu nhiên và rất khó dự đoán khi nào một nguyên tử cụ thể sẽ bắt đầu phân rã. Tuy nhiên, có thể định lượng số lượng đồng vị trong một nhóm phân rã trong một khoảng thời gian. Tốc độ phân rã này được gọi là độ phóng xạ và nó tỷ lệ thuận với số lượng nguyên tử của một chất phóng xạ nhất định trong chu kỳ bán rã của nó. Chu kỳ bán rã của một đồng vị là thời gian để 50% hạt nhân trong một nhóm phân rã. Đại lượng đo độ phóng xạ là Becquerels (Bq) theo đơn vị quốc tế hoặc Curies (Ci), được sử dụng ở Hoa Kỳ. Bằng cách phát ra các hạt, độ phóng xạ của một nguyên tố có thể tạo ra bức xạ. Bức xạ được đo lâm sàng bằng liều hấp thụ, tương đương với lượng năng lượng tích tụ ở một vùng cụ thể. Nó được tính bằng năng lượng hấp thụ trung bình chia cho khối lượng của vật liệu mục tiêu. Trong thực hành xạ trị ung thư, liều hấp thụ được đo bằng Gray (Gy), với liều lượng được biểu thị bằng phân số trong một khoảng thời gian.
Tác động của bức xạ về mặt lâm sàng
Bức xạ có thể được tiếp xúc bên trong hoặc bên ngoài. Phơi nhiễm bức xạ có thể xảy ra bên trong khi các hạt nhân phóng xạ xâm nhập vào cơ thể qua đường ăn uống, hô hấp hoặc da. Khi các hạt nhân lắng đọng vào da, chúng sẽ trải qua quá trình phân rã phóng xạ và phát ra bức xạ. Phơi nhiễm bức xạ bên ngoài xảy ra thông qua các nguồn trong môi trường xung quanh, chẳng hạn như nước gần đó, bề mặt đất, không khí hoặc thậm chí cả ống tia X. Đối với bức xạ bên ngoài, bức xạ đi vào cơ thể và xuyên qua các cơ quan, như bức xạ mặt đất và bức xạ vũ trụ. Mặt trời liên tục phát ra các hạt trong không gian, cuối cùng chạm tới bề mặt trái đất và khiến con người tiếp xúc với bức xạ. Những phơi nhiễm tự nhiên này thường xảy ra trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta và thường không mang tính hủy diệt do khả năng sửa chữa tổn thương DNA của cơ thể rất hiệu quả. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là một số mô và cơ quan nhạy cảm với bức xạ hơn những mô và cơ quan khác.
Các tế bào phân chia nhanh như tế bào ở niêm mạc ruột và tủy xương là những tế bào dễ bị tổn thương nhất trước bức xạ. Các vấn đề đáng quan tâm khác liên quan đến vị trí địa lý, môi trường nhà ở và nơi làm việc cũng như thời gian phơi nhiễm. Khai thác urani tự nhiên là một ví dụ về tác hại của bức xạ. Urani được biết là có chu kỳ bán rã rất dài và phát ra các hạt alpha mạnh khi phân rã. Urani tiếp tục phân rã, hình thành các nguyên tố khác nhau trong suốt quá trình cho đến khi đạt đến nguyên tố chì ổn định. Trong quá trình phân rã này, khí phóng xạ không ổn định được tạo ra, khí này có thể lơ lửng trong không khí; điều này gây ra vấn đề tiềm ẩn cho các thợ mỏ do khả năng tiếp xúc các hạt này. Khí thải alpha chứa một lượng lớn năng lượng nhưng chỉ có thể truyền đi những quãng đường ngắn. Khi thợ mỏ hít phải, những hạt này có thể lắng đọng vào mô phổi và gây ra những ảnh hưởng có hại trực tiếp đến các tế bào phế nang. Khái niệm này áp dụng tương tự cho mọi bức xạ chiếu vào mô người.
Sự phát triển của ung thư luôn là vấn đề được quan tâm khi nói đến việc tiếp xúc với bức xạ. Trong cả bức xạ bên trong và bên ngoài, bức xạ ion hóa có thể làm hỏng DNA một cách gián tiếp hoặc trực tiếp. Tác hại trực tiếp thường xảy ra với các hạt có khả năng ion hóa cao như hạt alpha hoặc beta. Những hạt này có thể tương tác và truyền năng lượng trực tiếp đến DNA của tế bào, gây ra sự đứt gãy chuỗi đơn hoặc chuỗi kép hoặc tổn thương nhiễm sắc thể. Bức xạ cũng có thể gây ra tác hại gián tiếp do sự hình thành các gốc tự do được tạo ra thông qua quá trình ion hóa nước xung quanh. Cơ chế này hiện diện ở khoảng 2/3 tổng số tổn thương tế bào do bức xạ gây ra. Điều quan trọng cần lưu ý là nguy cơ phát triển ung thư ngày càng tăng do đột biến DNA xảy ra với bức xạ ion hóa.
Ý nghĩa của bức xạ về mặt lâm sàng
Các nguyên tắc vật lý bức xạ áp dụng cho lĩnh vực ung thư bức xạ và bức xạ ion hóa rất hữu ích trong điều trị nhiều loại bệnh khác nhau. Xạ trị sử dụng bức xạ có mục tiêu, liều cao để tiêu diệt gián tiếp hoặc trực tiếp hoặc ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư. Cơ chế gây tổn hại DNA tương tự cũng được thấy rõ trong xạ trị. Vì tế bào ung thư có tỷ lệ phân bào cao nên xạ trị rất hiệu quả trong điều trị ung thư. Để dễ hình dung, 1-2 Gy bức xạ thường gây ra 40 đứt gãy sợi đôi trong DNA. Bức xạ chùm tia bên ngoài là một hình thức xạ trị sử dụng bức xạ ion hóa để nhắm mục tiêu vào các khối u từ các nguồn bên ngoài cơ thể. Tương tự như việc tạo ra hình ảnh tia X phóng xạ, một electron được gia tốc bằng máy gia tốc tuyến tính và dẫn đến việc tạo ra các photon. Chùm tia bên ngoài này đi xuyên qua cơ thể và năng lượng được tích tụ trên đường đi của chùm tia, nhắm vào khối u nguyên phát. Do tác hại của bức xạ và sự gần gũi của khối u với các cơ quan khỏe mạnh xung quanh, các chùm tia này có thể được điều khiển để giảm thiểu tác hại của chúng.
Trong liệu pháp xạ trị phù hợp 3D, bức xạ có thể được phát từ nhiều hướng khác nhau để chùm tia hội tụ vào khối u mục tiêu và điều chỉnh tốt hơn kích thước, hình dạng theo khối u. Với liệu pháp xạ trị điều biến cường độ hoặc IMRT, liều lượng của chùm tia được điều chỉnh để giảm liều tới các mô khỏe mạnh xung quanh và tăng liều tới khối u mục tiêu. Các khối u được lập bản đồ cẩn thận bằng cách sử dụng hình ảnh CT hoặc MRI và liều lượng thích hợp cho khối u cũng như các mô xung quanh được tính toán trong quá trình lập kế hoạch. Những phương pháp này cuối cùng sẽ giảm thiểu tác động của bức xạ lên các tế bào bình thường xung quanh khối u. Thời gian là một yếu tố khác có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào loại bệnh và cơ quan đích. Liệu pháp xạ trị được chia nhỏ để cung cấp một lượng nhỏ phóng xạ trong khoảng thời gian vài tuần hoặc vài ngày. Ví dụ, Xạ phẫu định vị là một thủ thuật thường được thực hiện trong một đến năm buổi, tùy thuộc vào cơ quan được điều trị. Nó có lợi ích trong nhiều tình trạng như dị tật động tĩnh mạch, đau dây thần kinh sinh ba, u dây thần kinh thính giác và ung thư não, gan, tuyến tiền liệt, phổi, vú và cột sống.
Ung thư cũng có thể được điều trị bằng cách sử dụng bức xạ chùm proton, trong đó proton được sử dụng thay vì photon và electron. Nguyên tử hydro đầu tiên phân chia thành các proton tích điện dương và các electron tích điện âm. Sau đó, các proton được bắn qua ống chân không vào máy gia tốc tuyến tính, nơi năng lượng của chúng tích lũy thêm khi chúng tăng tốc cùng với hệ thống phân phối. Một khi đạt đến mức năng lượng mong muốn khoảng 100 triệu đến 200 triệu electron volt (eV), những proton này có thể xuyên qua bất kỳ độ sâu nào bên trong cơ thể và được điều khiển về hình dạng, hướng bằng nam châm. Để tùy chỉnh thêm và tăng độ chính xác của quá trình phân phối, độ mở của máy gia tốc proton có thể được thay đổi để định hình chùm tia khi nó thoát ra khỏi máy. Khi sử dụng photon hoặc tia X trong xạ trị, năng lượng sẽ được tích tụ trên đường đi của chùm tia. Kết quả là ảnh hưởng đến mô trước và sau khi chạm vào khối u. Liệu pháp chùm tia proton có lợi ở chỗ các bác sĩ có thể kiểm soát nơi chùm tia tập trung phần lớn năng lượng của nó. Các proton di chuyển khắp cơ thể, giải phóng năng lượng trong suốt đường đi, nhưng khi đạt đến một điểm nhất định, gọi là đỉnh Bragg, chúng sẽ tích tụ phần lớn năng lượng. Do đó, loại xạ trị này tập trung nhiều năng lượng hơn vào khối u và hạn chế các mô xung quanh.
Xạ trị áp sát là một phương pháp xạ trị khác trong đó bác sĩ lâm sàng cấy chất phóng xạ tạm thời hoặc vĩnh viễn gần hoặc bên trong vật thể mục tiêu. Nó là loại bức xạ trong và được sử dụng để cung cấp liều bức xạ cao hơn trong một khu vực cụ thể hơn và nhỏ hơn mà bức xạ chùm tia bên ngoài không thể thực hiện được. Việc phân loại xạ trị áp sát phụ thuộc vào loại dụng cụ, vị trí giải phẫu, loại nguồn, loại mô cấy hoặc tỷ lệ liều lượng. Cấy ghép là nguồn phóng xạ được bọc trong hạt hoặc dây và chúng được đưa vào khối u. Cấy ghép sử dụng khuôn hoặc mảng thường được dùng cho các tổn thương bề mặt nơi nguồn phóng xạ đặt trực tiếp trên da. Các nguồn phóng xạ đặt bên trong cơ thể như âm đạo hoặc cổ tử cung được gọi là cấy ghép nội bào.
Cấy ghép tỷ lệ liều cao là ở mức liều lớn hơn 20 cGy/phút và thường chỉ được tiêm trong vài phút. Các thiết bị cấy ghép với liều lượng thấp vẫn tồn tại bên trong cơ quan hoặc khối u mục tiêu trong vài ngày hoặc để vĩnh viễn. Định luật bình phương nghịch đảo là nguyên tắc cơ bản của phương pháp xạ trị áp sát. Định luật này phát biểu rằng năng lượng nhận được ở một khoảng cách nhất định tính từ nguồn tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tính từ nguồn, ký hiệu là 1/R^2. Nói cách khác, cường độ năng lượng tăng lên khi khoảng cách từ nguồn đến mục tiêu giảm đi và ngược lại. Nếu nguồn ở xa gấp ba lần thì cường độ hoặc độ phơi sáng bằng một phần chín. Liệu pháp áp sát áp dụng quy luật này để cho phép truyền liều cao hơn đến các khu vực lân cận. Việc cung cấp bức xạ chính xác và hiệu quả của nó trong điều trị khối u đã cách mạng hóa lĩnh vực điều trị ung thư và trở thành một phần của phương pháp điều trị chính cho vô số bệnh ung thư.
Sự tham gia của bác sỹ, kỹ thuật viên, nhân viên y tế khác
Việc sử dụng bức xạ phải được thực hiện thận trọng vì nó có thể gây ra những tác động bất lợi trong thời gian dài. Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ hay ICRP đã đề xuất ba khuyến nghị trước khi sử dụng bức xạ ion hóa. Nguyên tắc biện minh việc sử dụng bức xạ luôn mang lại nhiều lợi ích hơn là có hại. Nguyên tắc tối ưu hóa việc bảo vệ khi sử dụng liều phóng xạ thấp nhất có thể cho mọi trường hợp. Nguyên tắc áp dụng giới hạn liều chỉ ra rằng liều đưa ra không bao giờ được vượt quá liều khuyến cáo cho một cá nhân. Cơ quan bảo vệ môi trường hoặc EPA và CDC cũng đã khuyến nghị các cách để bảo vệ khỏi việc tiếp xúc quá nhiều với bức xạ thông qua nguyên tắc ALARA (Thấp nhất có thể đạt được một cách hợp lý): khuyến nghị giảm thiểu lượng thời gian tiếp xúc với bức xạ, tăng khoảng cách từ nguồn bức xạ và che chắn chống lại bức xạ. Những nguyên tắc này được tất cả các chuyên gia chăm sóc sức khỏe liên quan đến bức xạ chú ý để giúp bảo vệ bản thân và bệnh nhân của họ. Nhân viên y tế làm việc với bức xạ phải được tư vấn bởi các chuyên gia an toàn bức xạ và nhân viên an toàn bức xạ khi sử dụng thiết bị bảo vệ cá nhân và dụng cụ phù hợp để bảo vệ bản thân khỏi bức xạ.
Do sự nguy hiểm của việc sử dụng bức xạ năng lượng cao để điều trị, cần phải lập kế hoạch cẩn thận để giảm thiểu việc tiếp xúc với bức xạ ở những vùng khỏe mạnh trên cơ thể. Bác sĩ ung thư bức xạ làm việc với bác sĩ đo liều và nhà vật lý y tế để tính toán và đề xuất liều lượng, kế hoạch điều trị tốt nhất cho bệnh nhân. Có thể mất vài ngày để tạo ra một phác đồ điều trị và được cá nhân hóa cho căn bệnh hoặc khối u cụ thể. Sự đóng góp của bác sĩ đo liều cho quá trình điều trị liên quan đến việc tạo ra các phép tính liều và phân bổ liều của chùm tia bức xạ. Sau khi bác sĩ chuyên khoa ung thư bức xạ kê đơn liều cho thể tích khối u xác định, bác sĩ đo liều sẽ thiết kế và xác định lĩnh vực điều trị, kỹ thuật và thiết lập bệnh nhân để cung cấp chính xác liều lượng quy định đồng thời tránh các cấu trúc quan trọng.
Các nhà vật lý y khoa đóng góp vào việc điều trị bằng cách áp dụng kiến thức vật lý của họ vào thực hành y học. Một trong những nhiệm vụ chính của họ là tính toán chính xác lượng bức xạ phát ra trong quá trình điều trị bằng chùm bức xạ bên ngoài hoặc nguồn bức xạ bên trong. Các nhà vật lý y tế sử dụng các phép tính mở rộng để xác định liều lượng và dự báo bức xạ tốt nhất trong khi đánh giá các biến số sinh lý khác như lưu lượng máu và tốc độ trao đổi chất. Mặc dù họ đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị bệnh nhân, nhưng họ cũng hỗ trợ đảm bảo chất lượng, an toàn bức xạ và tư vấn kỹ thuật cho thiết bị và cơ sở y tế. Để đội ngũ điều trị chẩn đoán và điều trị bệnh nhân một cách hiệu quả và chính xác, tất cả các thiết bị đều phải trải qua quá trình thử nghiệm rộng rãi. Điều cần thiết nữa là phải giải quyết vấn đề an toàn, xử lý, lưu trữ và tiêu hủy các chất phóng xạ.
Từ khóa: phóng xạ; bức xạ; bảo vệ; kiểm soát; ALARA; vật lý y khoa; xạ trị;
– CMD&DND –
