Y học hạt nhân là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phạm vi của y học hạt nhân

Y học hạt nhân là chuyên ngành y khoa sử dụng các đồng vị phóng xạ (radionuclide) để khảo sát chức năng sinh học và điều trị bệnh. Không giống như chụp hình ảnh giải phẫu truyền thống, y học hạt nhân tập trung vào việc đo lường hoạt động sinh lý ở cấp phân tử—từ chuyển hóa glucose, lưu lượng máu, đến thải trừ các chất trong cơ thể. Thông tin này hỗ trợ phát hiện bệnh sớm, đánh giá mức độ tiến triển và theo dõi đáp ứng điều trị.

Các kỹ thuật chính bao gồm SPECT (Single-Photon Emission Computed Tomography) và PET (Positron Emission Tomography). SPECT ghi nhận photon gamma đơn lẻ phát ra từ thuốc phóng xạ, trong khi PET đo cặp photon đồng thời phát sinh từ quá trình tương tác positron–electron. Kết quả hình ảnh cho phép bác sĩ phân tích bản đồ chức năng, đo lượng chất mang và định lượng hoạt động mô—điều không thể thực hiện bằng CT hay MRI thông thường.

Phạm vi ứng dụng của y học hạt nhân rất rộng, từ chẩn đoán sớm các bệnh lý mạch vành, đánh giá chức năng tuyến giáp, khảo sát bệnh lý thần kinh đến điều trị nhắm đích trong ung thư. Nhờ khả năng định lượng chính xác, phương pháp này còn dùng để đánh giá dược động học, phát triển thuốc mới và nghiên cứu lâm sàng. Thông tin chức năng kết hợp với hình ảnh giải phẫu (PET/CT, SPECT/CT) tạo nên công cụ toàn diện cho chẩn đoán và theo dõi điều trị.

Lịch sử phát triển

Khái niệm sử dụng phóng xạ trong y khoa xuất phát từ các nghiên cứu của Henri Becquerel và Marie Curie cuối thế kỷ 19. Song phải đến giữa thế kỷ 20, khi Hal Anger phát minh ra máy gamma camera năm 1950, y học hạt nhân mới bắt đầu đi vào thực hành lâm sàng. Gamma camera cho phép thu nhận hình ảnh phân bố thuốc phóng xạ trong cơ thể theo thời gian thực.

Đến thập niên 1970, phát triển của PET giúp đánh dấu các phân tử sinh học bằng positron-emitter (như ^18F). Công nghệ này ghi nhận hai photon 511 keV phát ra ngược chiều, cho phép tái tạo ảnh chức năng với độ phân giải không gian cao hơn SPECT. PET nhanh chóng được ứng dụng trong chẩn đoán ung thư, tim mạch và thần kinh.

Từ những năm 2000 đến nay, kỹ thuật hybrid PET/CT và SPECT/CT ra đời, kết hợp chức năng và giải phẫu trong cùng một lần chụp. Gần đây, hệ thống PET/MRI đã mở ra hướng mới với ưu điểm không dùng bức xạ tia X trong phần giải phẫu. Sự tiến bộ liên tục của detector, thuật toán tái tạo ảnh và thuốc phóng xạ hướng đích đã đưa y học hạt nhân trở thành lĩnh vực mũi nhọn trong chẩn đoán và điều trị hiện đại.

Nguyên lý vật lý cơ bản

Y học hạt nhân khai thác các quá trình phóng xạ của đồng vị không ổn định. Mỗi radionuclide có bán rã (half-life) và chu kỳ phóng xạ đặc trưng, theo phương trình:

$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$

trong đó $N_0$ là số hạt nhân ban đầu, $\lambda$ là hằng số phóng xạ. Sự phân rã tạo ra photon gamma hoặc positron, được hệ thống detector ghi nhận để tái tạo ảnh.

• Photon gamma: thường dùng trong SPECT, năng lượng từ 50–200 keV.
• Positron: tán xạ nhanh, kết hợp với electron tạo cặp photon 511 keV được PET phát hiện đồng thời.

Đặc tính	SPECT	PET
Loại photon	Gamma đơn lẻ (50–200 keV)	Cặp photon 511 keV
Độ phân giải không gian	~8–12 mm	~4–6 mm
Định lượng	Khó hơn, phụ thuộc hiệu chỉnh	Chính xác cao

Thuốc phóng xạ (Radiopharmaceuticals)

Thuốc phóng xạ gồm radionuclide gắn với chất mang sinh học đặc hiệu mô, tế bào. Chất mang có thể là peptide, kháng thể, đồng phân glucose hay hỗn hợp thuốc tổng hợp, đem lại khả năng nhắm đích cao. Sau khi tiêm, thuốc phân bố theo cơ chế sinh lý hoặc gắn thụ thể đặc hiệu, thể hiện chức năng mô cần khảo sát.

Ví dụ tiêu biểu:

• ⁹⁹ᵐTc-MDP: Khảo sát quá trình tạo xương, dùng rộng rãi trong SPECT.
• ¹⁸F-FDG: Phân tích chuyển hóa glucose, ứng dụng chủ yếu trong PET chẩn đoán ung thư.

Radionuclide	Thời gian bán rã	Năng lượng phát xạ	Ứng dụng chính
⁹⁹ᵐTc	6 giờ	140 keV (gamma)	Xương, tim mạch, thận
¹⁸F	110 phút	511 keV (positron)	Ung thư, thần kinh
¹³¹I	8 ngày	364 keV (beta & gamma)	Tuyến giáp, điều trị Basedow

Việc lựa chọn radionuclide dựa trên thời gian bán rã, loại bức xạ, đặc tính sinh học và độ nhạy của thiết bị. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh, liều bức xạ và an toàn cho bệnh nhân.

Kỹ thuật hình ảnh

SPECT (Single-Photon Emission Computed Tomography) sử dụng gamma camera quay quanh cơ thể bệnh nhân, thu nhận photon gamma đơn lẻ phát ra từ thuốc phóng xạ. Hình ảnh SPECT thường được ghi nhận dưới dạng các lát cắt (slice) đại diện cho các mặt phẳng khác nhau—trước-sau, trái-phải, trên-dưới. Quá trình tái tạo ảnh thường dùng thuật toán Filtered Back Projection (FBP) hoặc Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) để nâng cao độ phân giải và giảm nhiễu.

PET (Positron Emission Tomography) khai thác quá trình annihilation: positron do đồng vị phóng xạ phát ra va chạm với electron, tạo ra hai photon năng lượng 511 keV phát ngược chiều nhau. Hệ thống detector vòng quanh cơ thể bắt đồng thời hai photon, xác định đường truyền thẳng Line of Response (LOR). Nhờ vậy, PET đạt độ nhạy và độ phân giải định lượng cao, đặc biệt khi phân tích chuyển hóa glucose với ¹⁸F-FDG.

• Điểm mạnh SPECT: chi phí thấp hơn, phổ dụng rộng rãi.
• Điểm mạnh PET: độ phân giải ~4 mm, định lượng chính xác hơn.
• Hạn chế: SPECT dễ nhiễu tán xạ; PET đòi hỏi cyclotron gần để sản xuất radionuclide ngắn thời gian bán rã.

Ứng dụng điều trị

Liệu pháp y học hạt nhân (radionuclide therapy) dùng các đồng vị phát beta hoặc alpha nhằm tiêu diệt tế bào ung thư hoặc điều hòa chức năng mô. Ví dụ tiêu biểu là ¹³¹I điều trị Basedow (Graves’) và ung thư tuyến giáp. ¹³¹I tích lũy chủ yếu ở tuyến giáp, phát beta phá hủy tế bào tăng sinh, đồng thời gamma cho phép theo dõi phân bố và liều bức xạ.

Theranostics—kết hợp diagnosis và therapeutics—đang mở rộng nhanh chóng. Cặp đồng vị như ⁶⁸Ga-DOTATATE (PET chẩn đoán) và ¹⁷⁷Lu-DOTATATE (liệu pháp) dùng trong u carcinoid và các khối u thần kinh nội tiết. Phương pháp này tối ưu hóa liều điều trị, giảm tác dụng phụ và cải thiện chất lượng cuộc sống bệnh nhân.

1. ¹³¹I: Tuyến giáp, Basedow, ung thư.
2. ¹⁷⁷Lu-DOTATATE: Neuroendocrine tumors.
3. ²²⁵Ac-PSMA: Ung thư tuyến tiền liệt tiến triển.

Thiết bị và công nghệ hỗ trợ

Hệ thống gamma camera của SPECT bao gồm scintillator (NaI(Tl) hoặc CZT) ghép với photomultiplier tubes (PMT) hoặc solid-state detector, tạo thành pixel ảnh theo năng lượng và vị trí. Máy PET sử dụng detector tinh thể LYSO hoặc BGO kết hợp với photodiode trạng thái rắn, cho khả năng bắt photon nhanh và độ phân giải cao.

Phần mềm tái tạo ảnh (reconstruction) và xử lý hậu kỳ (post-processing) đóng vai trò then chốt: hệ thống OSEM cho PET, FBP/OSEM cho SPECT; tính năng chỉnh tán xạ (scatter correction), hiệu chỉnh suy giảm (attenuation correction) và đồng bộ hóa với CT/MRI (co-registration). Phần mềm phân tích định lượng (quantification) cung cấp giá trị SUV (Standardized Uptake Value) trong PET và các chỉ số phân bố trong SPECT.

Thiết bị	Detector	Ứng dụng	Thuật toán
SPECT gamma camera	NaI(Tl) + PMT	Hình ảnh chức năng đa dạng	FBP, OSEM
PET scanner	LYSO + APD	Chẩn đoán ung thư, thần kinh	OSEM
PET/CT, SPECT/CT	Hybrid	Kết hợp chức năng – giải phẫu	Attenuation & scatter correction

An toàn bức xạ và bảo vệ

Quy tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) là nền tảng bảo vệ bức xạ: giảm liều, tăng khoảng cách và tối ưu thời gian. Nhân viên và bệnh nhân đều cần đeo dosimeter để giám sát liều tích lũy. Phòng chụp phải sử dụng vật liệu chắn chì (lead) dày tối thiểu 2,5 cm, hoặc bê tông chứa chì để ngăn chặn tia gamma lan tỏa.

Các biện pháp khác gồm giám sát môi trường (radiation survey), quy trình khử nhiễm (decontamination) khi có rò rỉ radionuclide, và huấn luyện nhân viên thường xuyên để chắc chắn tuân thủ quy định quốc tế (IAEA) và quốc gia. Hồ sơ liều cá nhân cần lưu trữ ít nhất 30 năm để theo dõi nguy cơ lâu dài.

• Đeo dosimeter cá nhân (film badge, TLD).
• Phòng chắn chì, vùng an toàn.
• Quy trình xả thải radionuclide theo ISO và IAEA.

Hướng nghiên cứu và xu hướng tương lai

Theranostics tiếp tục phát triển với radionuclide α-emitter (²¹³Bi, ²²⁵Ac) nhắm đích tế bào ung thư bằng năng lượng cao, bán rã ngắn giúp giảm liều toàn thân. Các hạt alpha có khả năng phá hủy DNA đích chính xác hơn, hạn chế di chứng trên mô lành.

Tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) trong tái tạo ảnh giúp giảm nhiễu, tăng tốc độ chụp và cải thiện độ phân giải. Mạng nơ-ron tích chập (CNN) được dùng để tự động hóa phát hiện tổn thương, phân vùng mô và đưa ra chẩn đoán hỗ trợ.

Nghiên cứu đồng vị mới như ⁶⁴Cu, ⁸⁹Zr mở rộng khả năng đánh dấu kháng thể, peptide và các phân tử lớn, phục vụ chẩn đoán và điều trị cá thể hóa (precision medicine). Công nghệ microfluidics sản xuất radionuclide tại giường bệnh (bedside cyclotron) cũng đang được thử nghiệm, nhằm giảm chi phí và thời gian vận chuyển.

Tài liệu tham khảo

• International Atomic Energy Agency. “Nuclear Medicine.” IAEA, 2024. www.iaea.org/topics/nuclear-medicine
• Society of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. “What Is Nuclear Medicine?” SNMMI, 2024. www.snmmi.org
• Cherry, Simon R., et al. Physics in Nuclear Medicine. Elsevier, 2012.
• World Health Organization. “Ionizing Radiation, Health Effects and Protective Measures.” WHO, 2023. www.who.int/ionizing-radiation
• Radiopaedia. “Artificial Intelligence in Nuclear Medicine.” Radiopaedia, 2024. radiopaedia.org