Chẩn đoán Hình ảnh Nhập môn: Các Nguyên lý và Dấu hiệu Nhận biết, Ấn bản thứ 5
Tác giả: William Herring, MD, FACR – © 2024 Nhà xuất bản Elsevier
Ths.Bs. Lê Đình Sáng (Chủ biên Bản dịch tiếng Việt)

PHỤ LỤC ĐIỆN TỬ A. Y học hạt nhân: Hiểu rõ Nguyên lý và Nhận biết những điều cơ bản

Nuclear Medicine: Understanding the Principles and Recognizing the Basics
William Herring, MD, FACR
Learning Radiology, e-Appendix A, e1-e20

Cơ chế hoạt động

Một đồng vị phóng xạ (radioisotope) là một dạng không bền của một nguyên tố, phát ra bức xạ từ hạt nhân của nó trong quá trình phân rã. Cuối cùng, sản phẩm cuối cùng là một đồng vị bền, không có tính phóng xạ của một nguyên tố khác.

• Các đồng vị phóng xạ có thể được sản xuất nhân tạo, thường xuyên nhất bằng cách làm giàu neutron trong lò phản ứng hạt nhân hoặc trong cyclotron, hoặc có thể tồn tại trong tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên bao gồm uranium và thorium. Phần lớn các đồng vị phóng xạ được sản xuất nhân tạo.
• Dược chất phóng xạ là sự kết hợp của các đồng vị phóng xạ được gắn (cho mục đích của chương này) vào một dược chất có đặc tính liên kết cho phép nó tập trung vào các mô cơ thể nhất định như phổi, tuyến giáp hoặc xương. Các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong y học hạt nhân lâm sàng còn được gọi là hạt nhân phóng xạ (radionuclide), chất đánh dấu phóng xạ (radiotracer), hoặc đôi khi chỉ đơn giản là chất đánh dấu (tracer).

Các cơ quan khác nhau trong cơ thể có ái lực hoặc khả năng hấp thụ riêng biệt đối với các hóa chất có hoạt tính sinh học khác nhau. Ví dụ, tuyến giáp hấp thụ iốt, não sử dụng glucose, xương sử dụng phốt phát, và các hạt có kích thước nhất định có thể bị giữ lại trong các mao mạch phổi (xem Hình 1.12).

Sau khi dược chất phóng xạ được đưa đến một mô hoặc cơ quan trong cơ thể, các phát xạ phóng xạ của nó cho phép nó được đo lường và ghi hình bằng một thiết bị phát hiện gọi là gamma camera.

Bảng eA.1 phác thảo các đồng vị phóng xạ và dược chất khác nhau được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh hạt nhân.

Bảng eA.1 Dược chất phóng xạ sử dụng trong Y học hạt nhân

Phân rã phóng xạ

Các đồng vị không bền cố gắng đạt đến trạng thái bền bằng một hoặc nhiều quá trình. Chúng có thể trải qua quá trình phân tách (phân hạch), hoặc chúng có thể phát ra các hạt (ví dụ: hạt alpha hoặc beta) và/hoặc năng lượng (ví dụ: tia gamma) dưới dạng bức xạ.

• Phân hạch (Fission) là một quá trình phá hủy chủ yếu xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân.
• Hạt alpha có năng lượng tương đối cao, kích thước lớn, bị hấp thụ mạnh bởi các mô lân cận và có thể gây tổn thương đáng kể cho các phân tử gần đó. Chúng không được sử dụng trong chẩn đoán y khoa.
• Hạt beta là các electron hoặc positron (electron dương) có năng lượng cao, tốc độ cao, có khả năng xuyên thấu nằm giữa hạt alpha và tia gamma. Nhược điểm chính của chúng trong chẩn đoán là liều bức xạ tương đối cao mà chúng truyền cho bệnh nhân.
• Phân rã gamma liên quan đến việc phát ra năng lượng từ một hạt nhân không bền dưới dạng bức xạ điện từ. Tia gamma giống hệt tia X ngoại trừ việc tia gamma bắt nguồn từ hạt nhân trong khi tia X phát ra từ bên ngoài hạt nhân.
• Các đồng vị phóng xạ trải qua quá trình phân rã gamma ở các mức năng lượng riêng biệt. Những năng lượng này thường được biểu thị dưới dạng electron volt (eV). Hầu hết các đồng vị phóng xạ tạo ra năng lượng trong khoảng hàng nghìn (keV) đến hàng triệu (MeV) electron volt.

Bảng eA.2 mô tả một số thuật ngữ được sử dụng phổ biến nhất trong y học hạt nhân.

Bảng eA.2 Thuật ngữ

Chu kỳ bán rã

Để một đồng vị phóng xạ hữu ích cho chẩn đoán y khoa, nó phải có khả năng phát ra tia gamma có năng lượng đủ để có thể đo được từ bên ngoài cơ thể.

Nó cũng phải có chu kỳ bán rã đủ dài để vẫn còn hoạt tính phóng xạ sau khi vận chuyển và chuẩn bị, nhưng đủ ngắn để phân rã ngay sau khi được sử dụng để ghi hình.

• Chu kỳ bán rã vật lý của một đồng vị phóng xạ là thời gian cần thiết để số lượng nguyên tử phóng xạ trong một mẫu giảm đi 50%. Chu kỳ bán rã vật lý là một thuộc tính cố hữu của đồng vị phóng xạ. Hầu hết các đồng vị phóng xạ dùng trong y tế phải có chu kỳ bán rã tính bằng giờ hoặc ngày.

Bảng eA.3 phác thảo chu kỳ bán rã vật lý của một số đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến nhất.

Bảng eA.3 Chu kỳ bán rã vật lý của các đồng vị phóng xạ thường dùng

• Chu kỳ bán rã sinh học tính đến sự thanh thải sinh học của một dược chất phóng xạ ra khỏi một cơ quan hoặc mô. Nếu một dược chất phóng xạ được thải ra khỏi cơ thể qua thận, nhưng chức năng thận bị suy giảm, dược chất phóng xạ sẽ có chu kỳ bán rã sinh học dài hơn so với khi chức năng thận bình thường.
• Chu kỳ bán rã hiệu dụng phụ thuộc vào cả chu kỳ bán rã vật lý và sự thanh thải sinh học.

Trang thiết bị Y học hạt nhân

• Cho đến nay, đồng vị phóng xạ được sử dụng rộng rãi nhất là technetium-99m (viết tắt là Tc-99m, chữ m là viết tắt của metastable – siêu bền). Nó có chu kỳ bán rã là 6 giờ, nghĩa là nó mất khoảng một nửa hoạt độ phóng xạ trong thời gian đó. Nó phân rã bằng cách phát ra tia gamma năng lượng thấp thay vì phát xạ beta năng lượng cao hơn và dễ dàng kết hợp với nhiều loại chất có hoạt tính sinh học.
• Liều đồng vị phóng xạ trong xạ hình hạt nhân thường rất nhỏ, ở mức microcurie hoặc millicurie.

Phát hiện và Đo lường hoạt độ phóng xạ của một đồng vị

• Máy đếm Geiger
  • Máy đếm Geiger được sử dụng chủ yếu để phát hiện ô nhiễm (ví dụ, sự cố tràn vô ý hoặc không rõ) và đặc biệt tốt trong việc phát hiện các mức độ phóng xạ thấp. Tính di động và độ nhạy của chúng cho phép khảo sát các khu vực tương đối rộng để tìm sự hiện diện hoặc không có bức xạ.
• Đầu dò nhấp nháy (Scintillation detectors)
  • Nhấp nháy là quá trình một vật liệu gọi là chất nhấp nháy (hợp chất phổ biến nhất là natri iodua trộn với thallium) phát quang khi bị kích thích bởi bức xạ ion hóa. Sự phát quang này ở dạng một tia sáng cực nhỏ. Một đầu dò nhấp nháy nhận ánh sáng phát ra, khuếch đại tín hiệu của nó trong một thiết bị gọi là ống nhân quang (photomultiplier), và chuyển đổi tín hiệu đó thành một xung điện để máy tính phân tích thêm.
  • Các đầu dò nhấp nháy có khả năng chuyển đổi bức xạ ion hóa thành năng lượng điện với lượng tương ứng với năng lượng lắng đọng trong tinh thể, đây là chìa khóa cho khả năng tạo ra hình ảnh chẩn đoán của chúng.
• Gamma camera
  • Gamma camera sử dụng một hoặc nhiều đầu dò nhấp nháy làm bằng các tinh thể phát sáng để phản ứng với tia gamma phát ra từ bệnh nhân. Một máy tính tái tạo hình ảnh dựa trên sự phân bố và nồng độ của đồng vị phóng xạ lắng đọng trong cơ quan đích.
  • Hình ảnh có thể được thu nhận dưới dạng hình ảnh tĩnh, toàn thân, hình ảnh động (tức là sự thay đổi hoạt độ ở cùng một vị trí được đo trong một khoảng thời gian) hoặc hình ảnh chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT).
• Chụp hình SPECT (SPECT imaging) là một kỹ thuật y học hạt nhân được thực hiện bằng cách sử dụng gamma camera để thu nhận nhiều hình ảnh hai chiều (2D) từ nhiều góc độ, sau đó được máy tính tái tạo thành một bộ dữ liệu ba chiều (3D) có thể được xử lý thêm để hiển thị các lát cắt mỏng ở bất kỳ hình chiếu nào.
  • Để thu được hình ảnh SPECT, gamma camera quay quanh bệnh nhân.
  • Chụp SPECT sử dụng cùng loại dược chất phóng xạ như hình ảnh 2D (phẳng).
  • Bất kỳ loại kỹ thuật y học hạt nhân nào cũng có thể được thực hiện bằng SPECT. SPECT đặc biệt được sử dụng trong xạ hình tưới máu cơ tim, xạ hình xương và xạ hình chức năng não.
• Hầu hết các kỹ thuật xạ hình y học hạt nhân có độ phân giải khoảng 1 cm, nghĩa là chúng không thể phát hiện chính xác các tổn thương nhỏ hơn kích thước đó.

An toàn trong Y học hạt nhân

• Dược chất phóng xạ là thuốc kê đơn, cần được cấp phát bởi bác sĩ.
• Mỗi liều phải được kiểm tra hoạt độ phóng xạ trước khi tiêm cho bệnh nhân. Việc hiệu chuẩn liều là rất cần thiết để đảm bảo rằng một lượng dược chất phóng xạ an toàn và hiệu quả được sử dụng. Điều này thường được thực hiện bằng cách đưa một ống tiêm chứa dược chất phóng xạ vào một buồng ion hóa để chuyển đổi sự ion hóa của một mẫu thành một liều có thể đo được, tùy thuộc vào đồng vị phóng xạ được sử dụng.
• Hiệu suất của chính máy hiệu chuẩn liều phải được đánh giá theo các khoảng thời gian đã định bằng một loạt các bài kiểm tra để đảm bảo rằng máy hiệu chuẩn là chính xác và đáng tin cậy.
• Cần có một khu vực được khóa và kiểm soát để lưu trữ và chuẩn bị dược chất phóng xạ. Cần phải có các kỹ thuật để đảm bảo vật liệu được tiêm là vô trùng và không có chất gây sốt.
• Sự cố tràn dược chất phóng xạ dạng lỏng đôi khi xảy ra một cách vô ý và có các phương pháp được quy định để ngăn chặn và làm sạch sự cố tràn cũng như xử lý vật liệu được sử dụng để dọn dẹp. Khu vực xảy ra sự cố tràn có thể được theo dõi bằng máy đếm Geiger.
• Mặc dù không có chống chỉ định tuyệt đối nào đối với việc sử dụng dược chất phóng xạ trong thai kỳ, một số đồng vị phóng xạ, ví dụ như iốt phóng xạ, có thể đi qua nhau thai và tập trung ở tuyến giáp của thai nhi. Tương tự, phụ nữ đang cho con bú có thể phải tạm ngưng cho con bú trong một khoảng thời gian sau khi sử dụng một số dược chất phóng xạ vì dược chất có thể đi qua sữa mẹ sang con. Sự bài tiết qua thận của một số đồng vị phóng xạ có nghĩa là chúng tích tụ và cô đặc trong bàng quang của người mẹ và có thể gây ra nguy cơ tiềm ẩn do sự gần gũi của chúng với thai nhi đang phát triển.
• Phản ứng có hại đối với chính dược chất phóng xạ là cực kỳ hiếm và liên quan đến dược chất, chẳng hạn như những chất được cấu tạo từ albumin huyết thanh người, hơn là đồng vị phóng xạ.
• Một số loại xạ trị, sử dụng dược chất phóng xạ được dùng với liều cao hơn nhiều so với các kỹ thuật chẩn đoán, có thể yêu cầu bệnh nhân phải nhập viện để đảm bảo an toàn bức xạ. Bệnh nhân có thể được bố trí ở phòng riêng mà không có người ngoài thăm trong 24 giờ. Ủy ban Điều tiết Hạt nhân không còn yêu cầu nhập viện để điều trị tuyến giáp bằng iodine-131.
• Bệnh nhân được điều trị bằng iốt phóng xạ (một lần nữa với liều lượng lớn hơn nhiều so với mục đích chẩn đoán) có thể được cảnh báo mang theo giấy chứng nhận về việc điều trị của họ vì họ có thể kích hoạt các cảnh báo an ninh bức xạ tại sân bay và những nơi khác trong tối đa 4 tháng sau khi điều trị.
• Bệnh nhân đang điều trị bằng dược chất phóng xạ phải tuân theo các hướng dẫn để phơi nhiễm cho những người khác có thể được duy trì ở mức thấp nhất có thể một cách hợp lý.

Các kỹ thuật Y học hạt nhân thường được sử dụng

• Các kỹ thuật y học hạt nhân thường được sử dụng bao gồm:
  • Xạ hình xương
  • Xạ hình thông khí/tưới máu
  • Xạ hình tim
  • Xạ hình tuyến giáp
  • Xạ hình HIDA
  • Xạ hình xuất huyết tiêu hóa (mất máu)

Xạ hình xương

• Xạ hình xương là phương pháp sàng lọc được lựa chọn để phát hiện bệnh di căn xương và để chẩn đoán gãy xương trước khi chúng có thể nhìn thấy bằng X-quang quy ước.
• Xạ hình xương có ưu điểm là phổ biến rộng rãi, không tốn kém và có khả năng ghi hình toàn bộ bộ xương cùng một lúc. Mặc dù chụp MRI có thể nhạy hơn trong việc phát hiện di căn xương, nhưng chúng ít phổ biến hơn và thường đắt hơn. Nhược điểm của xạ hình xương là độ phân giải không gian và độ phân giải tương phản kém hơn.
• Technetium-99m (Tc99m) methylene diphosphonate (MDP) là dược chất phóng xạ được sử dụng thường xuyên nhất cho xạ hình xương. Nó kết hợp một đồng vị phóng xạ, technetium-99m, với một dược chất (MDP) hướng đồng vị đến xương. Diphosphonate nhanh chóng được loại bỏ khỏi tuần hoàn và tạo ra ít nhiễu nền từ sự hấp thu trong các mô mềm.
• Sau khi tiêm tĩnh mạch dược chất phóng xạ, phần lớn liều được xương hấp thu nhanh chóng. Dược chất phóng xạ còn lại được bài tiết qua thận và sau đó tích tụ trong bàng quang. Ít hơn 5% liều tiêm còn lại trong máu 3 giờ sau khi tiêm.
• Trong hầu hết các trường hợp, toàn bộ cơ thể được ghi hình khoảng 2 đến 4 giờ sau khi tiêm, bằng cách tạo ra một hình ảnh toàn thân, nhiều hình ảnh khu trú của các bộ phận cơ thể cụ thể, hoặc cả hai. Các hình chiếu trước và sau thường được thực hiện, vì mỗi hình chiếu đưa các cấu trúc khác nhau đến gần gamma camera hơn để ghi hình tối ưu, ví dụ, xương ức trên hình chiếu trước và cột sống trên hình chiếu sau.
• Không giống như quy ước được sử dụng để xem các kỹ thuật khác trong chẩn đoán hình ảnh, phía bên phải của bệnh nhân không phải lúc nào cũng ở bên trái của bạn trong các bản xạ hình. Điều này có thể gây nhầm lẫn, vì vậy hãy chắc chắn rằng bạn tìm các nhãn trên bản xạ hình (Hình eA.1).

Hình eA.1 Xạ hình xương bình thường. Các hình chiếu trước và sau thường được thực hiện vì mỗi hình chiếu đưa các cấu trúc khác nhau đến gần gamma camera hơn để ghi hình tối ưu (ví dụ, xương ức trên hình chiếu trước [mũi tên liền] và cột sống trên hình chiếu sau [mũi tên đứt]). Lưu ý rằng thận thường có thể nhìn thấy trên hình chiếu sau (hình bầu dục). Không giống như quy ước được sử dụng trong việc xem các kỹ thuật khác trong chẩn đoán hình ảnh, phía bên phải của bệnh nhân không phải lúc nào cũng ở bên trái của bạn. Trên các hình chiếu sau, phía bên phải của bệnh nhân ở bên phải của bạn. Điều này có thể gây nhầm lẫn, vì vậy hãy chắc chắn rằng bạn tìm các nhãn trên bản xạ hình. Trong nhiều trường hợp, một dấu chấm trắng sẽ được đặt ở phía bên phải của bệnh nhân (các vòng tròn).

Di căn xương

• Tc99m MDP lắng đọng với nồng độ cao nhất ở những vùng có chu chuyển xương lớn nhất. Xạ hình xương bằng hạt nhân phóng xạ có độ nhạy cao (60-90%) đối với di căn, nhưng không đặc hiệu. Nhiều tổn thương lành tính cũng tạo ra sự gia tăng chu chuyển xương và hấp thu chất đánh dấu phóng xạ, bao gồm gãy xương, viêm khớp và viêm tủy xương.
• Tc99m MDP thường được thải qua thận và tích tụ trong bàng quang. Do đó, thận thường sẽ cho thấy sự hấp thu tăng lên, đặc biệt là nhìn rõ trên các hình chiếu sau do vị trí phía sau của thận trong cơ thể.
• X-quang quy ước của các vùng dương tính sau đó được thực hiện để mô tả rõ hơn các tổn thương được thấy trên xạ hình xương. Nếu X-quang cho thấy một nguyên nhân lành tính cho sự hấp thu tăng lên (ví dụ, một vết gãy đang lành) hoặc một tổn thương xương ác tính rõ ràng, thì không cần thực hiện thêm các kỹ thuật khác.
• Nếu X-quang quy ước bình thường hoặc không kết luận được, thì có thể cần một phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác như chụp MRI của khu vực hoặc có thể là sinh thiết tổn thương.
• Bệnh di căn xương thường biểu hiện với một dạng nhiều vùng khu trú, không đối xứng có sự hấp thu tăng lên (điểm nóng) trên xạ hình xương. Ngay cả các di căn tiêu xương (ví dụ, những di căn do ung thư biểu mô phế quản gây ra) thường tạo ra đủ phản ứng tạo xương để dương tính trên xạ hình xương (Hình eA.2).

Hình eA.2 Di căn xương. Bệnh di căn xương thường biểu hiện với một dạng nhiều vùng khu trú không đối xứng có sự hấp thu tăng lên (điểm nóng) trên xạ hình xương (các mũi tên). Ngay cả các di căn tiêu xương (ví dụ, những di căn do ung thư biểu mô phế quản gây ra) thường tạo ra đủ phản ứng tạo xương để dương tính trên xạ hình xương. Bệnh nhân này bị ung thư biểu mô vú và di căn xương lan tỏa bao gồm xương sườn, xương chậu và cột sống.

• Một ngoại lệ quan trọng là đa u tủy. Xạ hình xương có thể âm tính do bản chất gần như hoàn toàn tiêu xương của các tổn thương đa u tủy trừ khi có gãy xương bệnh lý đi kèm. X-quang quy ước của bộ xương trục và phần gần của xương chi (được gọi là khảo sát xương hoặc khảo sát di căn) có thể hữu ích hơn trong bệnh này so với xạ hình xương (Hình eA.3).

Hình eA.3 Đa u tủy trên X-quang quy ước. Xạ hình xương thường sẽ âm tính trong đa u tủy do bản chất gần như hoàn toàn tiêu xương của các tổn thương (mũi tên) trừ khi có gãy xương bệnh lý đi kèm. X-quang quy ước của bộ xương trục và phần gần của xương chi (thường được gọi là khảo sát xương hoặc khảo sát di căn) có thể có giá trị chẩn đoán cao hơn trong bệnh này so với xạ hình xương.