43.5 Tác dụng sinh học của bức xạ

Bức xạ hạt nhân và bức xạ điện từ tương tác với các sinh vật sống theo những cơ chế vật lý phức tạp. Khái niệm bức xạ ở đây bao gồm các bức xạ phát ra từ hạt nhân (hạt alpha, hạt beta, hạt gamma và neutron) cùng bức xạ điện từ tần số cao như tia X. Khi các hạt hoặc này truyền qua vật chất, chúng mất dần do làm đứt gãy các liên kết phân tử và tạo ra các ion. Vì lý do đó, chúng được gọi chung là bức xạ ion hóa (ionizing radiation).

Các hạt mang điện như alpha và beta tương tác tĩnh điện trực tiếp với các electron trong nguyên tử của vật chất. Tia X và tia gamma tương tác chủ yếu qua hiệu ứng quang điện (khi một electron nguyên tử hấp thụ và bứt ra ngoài) hoặc qua tán xạ Compton. Hạt neutron không mang điện nên gây ra hiện tượng ion hóa một cách gián tiếp thông qua các va chạm cơ học với hạt nhân nguyên tử, hoặc bị hạt nhân hấp thụ rồi kích thích hạt nhân đó phát ra các bức xạ ion hóa tiếp theo.

Các tương tác này rất phức tạp. Việc phơi nhiễm quá mức với bức xạ, từ ánh sáng mặt trời, tia X cho đến các bức xạ hạt nhân, đều có thể phá hủy các mô sinh học. Ở mức độ nhẹ, bức xạ gây bỏng rát bề mặt tương tự hiện tượng cháy nắng thông thường. Ở mức độ nặng hơn, bức xạ có thể dẫn tới bệnh tật nghiêm trọng hoặc tử vong thông qua nhiều cơ chế tổn thương: Phá hủy ồ ạt các tế bào mô, làm biến đổi vật chất di truyền DNA, và phá hủy các tế bào gốc trong tủy xương có chức năng sinh ra hồng cầu.

Tính toán liều bức xạ

Khoa học định lượng liều bức xạ (radiation dosimetry) nghiên cứu và đo lường tác động định lượng của bức xạ lên các mô sống. (absorbed dose) của bức xạ được định nghĩa là bức xạ truyền cho mô trên một đơn vị khối lượng mô. Trong hệ đơn vị quốc tế SI, đơn vị của liều hấp thụ là joule trên kilogam, được đặt tên là gray, ký hiệu là $\mathrm{Gy}$:

$$1\text{ Gy}=1\text{ J/kg}$$

Một đơn vị truyền thống khác vẫn thường được sử dụng là rad, được định nghĩa như sau:

$$1\text{ rad}=0,01\text{ J/kg}$$

Mối liên hệ giữa rad và gray:

$$1\text{ rad}=0,01\text{ Gy}$$

đơn thuần chưa phản ánh đầy đủ mức độ tổn thương sinh học thực tế, bởi vì các loại bức xạ khác nhau mang cùng một mức lại gây ra mức độ tổn thương sinh học rất khác nhau. Sự khác biệt này được lượng hóa bằng một hệ số số học gọi là (RBE) của bức xạ trong mô và năng lượng đang xét. Bảng minh họa dùng hệ số này trong phép quy đổi liều. Không được đồng nhất mọi giá trị RBE thực nghiệm với mọi hệ số chất lượng quy ước trong các hệ thống đánh giá bức xạ khác nhau.

Trong mô hình so sánh này, tia X có mức $200\text{ keV}$ được chọn làm chuẩn và có giá trị RBE bằng đúng 1. Tác động của các loại bức xạ khác được so sánh thực nghiệm với bức xạ chuẩn này. Giá trị RBE phụ thuộc một phần vào loại mô hấp thụ và năng lượng cụ thể của bức xạ.

Loại bức xạ	RBE ($\mathrm{Sv}/\mathrm{Gy}$ hoặc $\mathrm{rem}/\mathrm{rad}$)
Tia X và tia gamma ($\gamma$)	$1$
Electron	$1,0-1,5$
Neutron chậm	$3-5$
Proton	$10$
Hạt alpha ($\alpha$)	$20$
Các ion nặng	$20$

Tác động sinh học thực tế lên cơ thể sống được mô tả bằng tích số giữa và hệ số RBE của loại bức xạ tương ứng. Đại lượng này được gọi là sinh học (biologically equivalent dose), hay gọi ngắn gọn là liều tương đương (equivalent dose).

Trong hệ đơn vị quốc tế SI, đơn vị đo đối với cơ thể người là sievert, ký hiệu là $\mathrm{Sv}$:

$$H(\text{Sv})=\text{RBE}\cdot D(\text{Gy})$$

(43.20)

Một đơn vị thông dụng khác tương ứng với rad là rem (viết tắt của cụm từ tiếng Anh röntgen equivalent for man):

$$H(\text{rem})=\text{RBE}\cdot D(\text{rad})$$

(43.21)

Trong đó $H$ tính bằng rem và $D$ tính bằng rad.

Từ các định nghĩa trên, đơn vị của hệ số RBE là $1\text{ Sv/Gy}$ hoặc $1\text{ rem/rad}$. Mối liên hệ chuyển đổi giữa hai đơn vị là:

$$1\text{ rem}=0,01\text{ Sv}$$

Tương đương với:

$$1\text{ Sv}=100\text{ rem}$$

Đơn vị nhỏ hơn thường gặp trong y tế là:

$$1\text{ mSv}=100\text{ mrem}$$

Ví dụ 43.10: Liều bức xạ từ chụp X-quang y tế

Trong một lần chụp X-quang chẩn đoán, một phần xương cẳng chân bị gãy có khối lượng $1,2\text{ kg}$ nhận một là $0,40\text{ mSv}$.

a) này bằng bao nhiêu mrem?

b) tương ứng bằng bao nhiêu mrad và bao nhiêu mGy?

c) Nếu mỗi tia X có là $50\text{ keV}$, có bao nhiêu photon tia X đã bị phần cơ thể đó hấp thụ?

Bài giải

Xác định và Thiết lập: Bài toán yêu cầu liên hệ giữa (mức độ ảnh hưởng sinh học của bức xạ, tính bằng sievert hoặc rem) và ( hấp thụ trên một đơn vị khối lượng, tính bằng gray hoặc rad). Trong phần (a), ta sử dụng hệ số chuyển đổi $1\text{ rem}=0,01\text{ Sv}$ cho liều tương đương. Bảng RBE cho thấy đối với tia X thì $\text{RBE}=1$, ta dùng giá trị này ở phần (b) để xác định liều hấp thụ. Trong phần (c), từ khối lượng mô bị chiếu xạ và định nghĩa của liều hấp thụ, ta tính tổng năng lượng hấp thụ rồi chia cho năng lượng của một để tìm tổng số photon.

Thực hiện:

A) quy đổi sang đơn vị mrem là:

$$H=\frac{0,40\text{ mSv}}{0,01\text{ Sv/rem}}$$

Kết quả thu được:

$$H=40\text{ mrem}$$

b) Đối với tia X, hệ số $\text{RBE}=1\text{ Sv/Gy}$ (tương đương $1\text{ rem/rad}$). Do đó, theo đơn vị mrad là:

$$D=\frac{40\text{ mrem}}{1\text{ rem/rad}}$$

Giá trị theo mrad:

$$D=40\text{ mrad}$$

tính theo đơn vị mGy là:

$$D=\frac{0,40\text{ mSv}}{1\text{ Sv/Gy}}$$

Giá trị theo mGy:

$$D=0,40\text{ mGy}$$

Quy đổi ra đơn vị joule trên kilogam:

$$D=4,0\times {10}^{-4}\text{ J/kg}$$

c) Tổng bức xạ bị phần xương chân khối lượng $m=1,2\text{ kg}$ hấp thụ là:

$$E_{\text{tổng}}=mD$$

Thay các giá trị số $m=1,2\text{ kg}$ và $D=4,0\times {10}^{-4}\text{ J/kg}$:

$$E_{\text{tổng}}=4,8\times {10}^{-4}\text{ J}$$

Đổi này sang đơn vị electron-volt, với $1\text{ eV}=\mathrm{1,602}\times {10}^{-19}\text{ J}$:

$$E_{\text{tổng}}=3,0\times {10}^{15}\text{ eV}$$

Mỗi mang $50\text{ keV}=5,0\times {10}^4\text{ eV}$. Tổng số photon tia X bị hấp thụ là:

$$N_{\text{photon}}=\frac{E_{\text{tổng}}}{E_{\text{photon}}}$$

Thay số tính toán:

$$N_{\text{photon}}=6,0\times {10}^{10}$$

Như vậy có $6,0\times {10}^{10}$ tia X đã bị hấp thụ trong mô.

Đánh giá: này có giá trị số học tương đối lớn vì tia X có hệ số RBE thấp ($\text{RBE}=1$). Nếu nguồn bức xạ ion hóa là một chùm hạt alpha với $\text{RBE}=20$, liều hấp thụ cần thiết để gây ra cùng một $0,40\text{ mSv}$ chỉ là $\mathrm{0,020}\text{ mGy}$, tương ứng với tổng hấp thụ nhỏ hơn nhiều là $2,4\times {10}^{-5}\text{ J}$.

Khái niệm quan trọng: đối với một mẫu mô phơi nhiễm bức xạ là lượng truyền vào mỗi kilogam mô. bằng liều hấp thụ nhân với hiệu quả sinh học tương đối (RBE), phụ thuộc vào bản chất vật lý của loại bức xạ được sử dụng.

Nguy cơ bức xạ trong đời sống

Để đối chiếu bậc độ lớn, phần này xét một bộ số liệu minh họa về các tình huống phơi nhiễm: Để đổi từ đơn vị sievert sang rem, ta nhân giá trị bằng sievert với 100. Một lần chụp X-quang lồng ngực thông thường truyền khoảng $0,20-0,40\text{ mSv}$ cho khoảng $5\text{ kg}$ mô cơ thể. Mức phơi nhiễm bức xạ nền tự nhiên từ tia vũ trụ và phóng xạ trong đất đá, vật liệu xây dựng vào khoảng $2-3\text{ mSv}$ mỗi năm ở mực nước biển, và tăng gấp đôi ở độ cao $1500\text{ m}$ ($5000\text{ ft}$).

Một liều bức xạ chiếu toàn thân ngắn hạn lên đến khoảng $0,20\text{ Sv}$ ($20\text{ rem}$) thường chưa gây ra tổn thương lâm sàng phát hiện được tức thời. Một liều chiếu ngắn hạn toàn thân từ $5\text{ Sv}$ trở lên ($500\text{ rem}$) thường dẫn tới tử vong trong vòng vài ngày hoặc vài tuần. Một liều chiếu tập trung cục bộ $100\text{ Sv}$ sẽ phá hủy hoàn toàn phần mô bị chiếu xạ.

Bộ số liệu lịch sử được xét so sánh các mức kiểm soát tại Mỹ. Mức dành cho phơi nhiễm hàng năm từ nguồn nhân tạo, ngoại trừ y tế và nền tự nhiên, được đặt trong khoảng $2-5\text{ mSv/năm}$. Mức trung bình dùng để so sánh phơi nhiễm nghề nghiệp trong bộ dữ liệu này là $20\text{ mSv/năm}$. Các nghiên cứu sau đó gợi ý rằng những giới hạn này vẫn có thể tiềm ẩn rủi ro do ngay cả liều chiếu rất nhỏ cũng có thể gây tác hại, tuy việc thu thập số liệu thống kê tin cậy về tác động của liều thấp là hết sức phức tạp. Do đó, việc chỉ định chụp tia X trong chẩn đoán y khoa luôn đòi hỏi sự cân nhắc cẩn trọng giữa nguy cơ và lợi ích điều trị.

Một vấn đề khác được quan tâm là nguy cơ bức xạ từ các nhà máy điện hạt nhân. Mức độ bức xạ từ các nhà máy này không phải là con số không đáng kể. Tuy nhiên, khi so sánh đối chứng với các phương án thay thế như nhà máy nhiệt điện đốt than: Tác hại của khói than đối với sức khỏe đã được chứng minh rõ ràng, và lượng phóng xạ tự nhiên có trong khói thải của một nhà máy điện đốt than ước tính cao gấp khoảng 100 lần so với một nhà máy điện hạt nhân vận hành bình thường có cùng công suất. Dẫu vậy, phép so sánh không chỉ đơn giản dừng lại ở đó, bởi nguy cơ xảy ra sự cố rò rỉ hạt nhân cùng bài toán xử lý an toàn chất thải phóng xạ lâu dài vẫn là những thách thức nghiêm trọng cần được xem xét đầy đủ.

Hình 43.9: Đóng góp của các nguồn bức xạ khác nhau vào tổng liều phơi nhiễm bức xạ trung bình của dân số Mỹ, tính theo tỉ lệ phần trăm.

Chú thích:

• Nguồn tự nhiên 82% (Natural 82%)
• Từ hoạt động của con người 18% (From human activity 18%)
• Tia vũ trụ 8% (Cosmic 8%)
• Đất đá và môi trường đất 8% (Terrestrial 8%)
• Nội tại bên trong cơ thể 11% (Internal 11%)
• Tia X y tế 11% (Medical x rays 11%)
• Y học hạt nhân 4% (Nuclear medicine 4%)
• Sản phẩm tiêu dùng 3% (Consumer products 3%)
• Nguồn khác (Other)
• Nghề nghiệp 0,3% (Occupational 0.3%)
• Bụi phóng xạ <0,3% (Fallout)
• Chu trình nhiên liệu hạt nhân 0,1% (Nuclear fuel cycle 0.1%)
• Hỗn hợp khác 0,1% (Miscellaneous 0.1%)

Tác hại lâu dài của việc phơi nhiễm liều thấp trong cộng đồng chủ yếu là nguy cơ gây ung thư hoặc đột biến gen. Mức độ nguy cơ gia tăng tỉ lệ thuận với liều tích lũy. Các nguồn bức xạ tự nhiên chiếm phần lớn liều phơi nhiễm hàng năm của con người.

Ứng dụng Sinh học: Tòa nhà Quốc hội Mỹ tại Washington được xây dựng bằng đá granite có chứa một lượng nhỏ uranium tự nhiên.

Tòa nhà Quốc hội Mỹ ở thủ đô Washington được xây dựng bằng đá granite chứa một lượng nhỏ khoáng vật uranium tự nhiên. Do đó, một người làm việc thường xuyên bên trong tòa nhà nhận một liều bức xạ tăng thêm khoảng $0,85\text{ mSv}$ mỗi năm. Ảnh hưởng sức khỏe từ mức tăng thêm này là không đáng kể: Ước tính một người sống và làm việc suốt 20 năm liên tục bên trong tòa nhà chỉ làm tăng thêm khoảng $0,1\mathrm{\%}$ nguy cơ mắc ung thư, bên cạnh tỉ lệ nền $10\mathrm{\%}$ do tất cả các nguyên nhân tự nhiên khác trong cùng thời kỳ 20 năm đó.

Bức xạ ion hóa là một con dao hai lưỡi: Nó đặt ra những nguy cơ nghiêm trọng đối với sức khỏe nếu không được kiểm soát chặt chẽ, nhưng đồng thời cũng đem lại những lợi ích to lớn cho nhân loại trong chẩn đoán y tế, điều trị bệnh tật và các ngành công nghệ hiện đại.

Các ứng dụng có lợi của bức xạ

Bức xạ ion hóa được ứng dụng rộng rãi trong y học để phá hủy có chọn lọc các mô bệnh lý như tế bào ung thư. Mặc dù bức xạ mang lại những mối nguy hại nhất định cho các tế bào khỏe mạnh lân cận, nhưng trong trường hợp các bệnh nan y đe dọa tính mạng nếu không được chữa trị, việc chấp nhận rủi ro bức xạ có kiểm soát là phương án tối ưu.

phóng xạ nhân tạo thường được ưu tiên sử dụng làm nguồn bức xạ hơn so với các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Chúng có những ưu thế vượt trội: có thể được lựa chọn đủ ngắn để tạo ra hoạt độ mạnh trong thời gian điều trị mà không để lại dư lượng phóng xạ lâu dài trong cơ thể. Ngoài ra, chùm hạt bức xạ có thể được tạo ra từ các máy gia tốc hạt thẳng (linac) bắn phá chùm electron, proton hoặc tia X với được kiểm soát chuẩn xác.

Y học hạt nhân là một lĩnh vực ứng dụng đang phát triển mạnh. phóng xạ có cùng cấu hình vỏ electron và tính chất hóa học giống hệt các đồng vị bền của cùng một nguyên tố. Tuy nhiên, vị trí và nồng độ của chúng trong các cơ quan cơ thể có thể được nhận biết dễ dàng nhờ các đầu dò đo bức xạ phát ra.

Ví dụ kinh điển là việc sử dụng phóng xạ của iodine trong khảo sát chức năng tuyến giáp. Hầu hết lượng iodine đưa vào cơ thể đều tập trung tích tụ tại tuyến giáp. Các phản ứng sinh hóa của cơ thể không phân biệt giữa đồng vị không bền ${}^{131}\text{I}$ và đồng vị bền tự nhiên ${}^{127}\text{I}$. Một lượng rất nhỏ đồng vị ${}^{131}\text{I}$ được đưa vào cơ thể người bệnh qua đường uống hoặc tiêm. Tốc độ tập trung của iodine tại tuyến giáp phản ánh trực tiếp chức năng hoạt động của tuyến này. Đồng vị ${}^{131}\text{I}$ có vật lý là $8,02\text{ ngày}$. Mức độ rủi ro bức xạ và liều tích lũy thực tế đối với cơ thể phụ thuộc vào hoạt độ đưa vào cùng tốc độ đào thải sinh học của từng bệnh nhân. Bằng các thiết bị quét hiện đại, bác sĩ có thể ghi lại hình ảnh phóng xạ tự ghi (autoradiography) của tuyến giáp nhằm phát hiện các phì đại hoặc khối u bất thường. Nếu phát hiện các khối u ác tính, một lượng lớn hơn của ${}^{131}\text{I}$ sẽ được đưa vào để tiêu diệt tế bào ung thư tuyến giáp bằng chính bức xạ beta và gamma phát ra tại chỗ.

Hình 43.10: Ảnh xạ hình màu ghi nhận sự hấp thụ hóa chất chứa đồng vị phóng xạ technetium-99m trong hai lá phổi của bệnh nhân. Vùng khuyết xạ ở phổi bên phải hình chụp chỉ ra hiện tượng tắc mạch phổi do cục máu đông.

Chú thích:

• Thuyên tắc mạch (Embolism)

Một khác rất thông dụng trong y học hạt nhân là technetium-99m (${}^{99\text{m}}\text{Tc}$). Đồng vị này được sinh ra ở trạng thái kích thích đồng phân (isomer) từ phân rã ${\beta }^{-}$ của hạt nhân molybdenum ${}^{99}\text{Mo}$. Sau đó, ${}^{99\text{m}}\text{Tc}$ chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một tia gamma có $143\text{ keV}$. của trạng thái kích thích này là $6,01\text{ giờ}$, dài bất thường đối với quá trình phát bức xạ gamma (trạng thái cơ bản của ${}^{99}\text{Tc}$ sau đó cũng không bền với chu kỳ $2,11\times {10}^5\text{ năm}$, phân rã ${\beta }^{-}$ về đồng vị ruthenium bền ${}^{99}\text{Ru}$).

Tính chất hóa học linh hoạt của technetium cho phép gắn kết nó vào nhiều hợp chất hữu cơ đặc hiệu có ái lực tập trung tại các cơ quan khác nhau trong cơ thể. Một lượng nhỏ phân tử gắn technetium được tiêm vào cơ thể bệnh nhân, và một máy ảnh gamma (gamma camera) sẽ ghi lại bức xạ để tái tạo hình ảnh xạ hình (scintigram). Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong việc xác định vị trí các khối u, phát hiện tắc mạch phổi (embolism) hoặc các tổn thương nội tạng khác.

Phương pháp đánh dấu phóng xạ còn có nhiều ứng dụng ngoài y tế: tritium (${}^3\text{H}$) được dùng để đánh dấu các phân tử trong phản ứng hữu cơ phức tạp, theo dõi đường truyền của thuốc trừ sâu qua chuỗi thức ăn. Trong kỹ thuật cơ khí, các hạt nhân sắt phóng xạ được đưa vào chế tạo xéc-măng piston để theo dõi sự mài mòn kim loại trong động cơ. Các nhà sản xuất bột giặt thậm chí sử dụng chất bẩn có pha chất phóng xạ để kiểm tra chính xác khả năng giặt tẩy của sản phẩm.

Các tác động ion hóa trực tiếp của bức xạ cũng được khai thác trong công nghiệp: Tạo liên kết chéo làm tăng độ bền nhiệt và độ dai của polymer, khử trùng dụng cụ phẫu thuật đóng gói kín, khử tĩnh điện không mong muốn trong không khí nhà xưởng, và tạo ion hóa dẫn điện trong buồng cảm biến của các đầu báo khói gia đình. Tia gamma liều cao còn được sử dụng để tiệt trùng và bảo quản nông sản thực phẩm lâu hỏng mà không cần dùng hóa chất độc hại.

Kiểm tra hiểu biết 43.5

Hạt alpha có hệ số RBE lớn gấp 20 lần so với tia X có $200\text{ keV}$. Bức xạ nào sau đây sẽ thích hợp hơn khi cần chiếu xạ điều trị các mô bệnh lý nằm sâu bên trong cơ thể người?

(i) Chùm hạt alpha.

(ii) Chùm tia X $200\text{ keV}$.

(iii) Cả hai chùm bức xạ đều có hiệu quả tương đương nhau.

::: Details Giải thích Đáp án đúng: (ii).

Mặc dù hạt alpha có hệ số RBE rất lớn ($\text{RBE}=20$), hạt alpha mang điện tích lớn ($+2e$) và khối lượng nặng nên tương tác ion hóa rất mãnh liệt với các electron nguyên tử ngay trên lớp bề mặt ngoài cùng. Hạt alpha bị mất toàn bộ động năng và dừng lại sau một quãng đường di chuyển ngắn (chỉ vài micromet trong mô mềm hoặc bị chặn lại hoàn toàn bởi lớp da ngoài). Chúng không thể thâm nhập sâu vào các cơ quan nội tạng từ bên ngoài.

Ngược lại, các tia X $200\text{ keV}$ không mang điện và có khả năng đâm xuyên rất mạnh qua các lớp mô dày, cho phép truyền sâu vào các khối u nằm bên trong cơ thể. Do đó, chùm tia X thích hợp hơn nhiều cho việc chiếu xạ mô sâu. :::

Tài liệu tham khảo

Young & Freedman, University Physics with Modern Physics, ấn bản 15, mục 43.5, trang 1463–1466.