Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG I: MÁY GIA TỐC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

CHƯƠNG I: MÁY GIA TỐC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

Tải bản đầy đủ - 0trang

Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



năng lượng như vậy, bước sóng của điện tử mới ở vào khoảng kích thước của

nucleon và như vậy mới nghiên cứu được cấu trúc của nucleon. [2].

Tóm lại, việc nghiên cứu thế giới vi mô và yêu cầu sản xuất đồng vị phóng

xạ đòi hỏi cần có các chủng loại hạt khác nhau với mật độ lớn và gia tốc đến năng

lượng cần thiết. Tùy thuộc vào những nghiên cứu cụ thể mà tạo ra loại hạt nào, mật

độ lớn hay nhỏ và năng lượng cần phải đạt được. Tất cả những vấn đề này có thể

giải quyết được nhờ vào máy gia tớc.

Trên thế giới, mợt thập kỷ trước khi lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được ra

đời, Ernest Lawrence đã phát mình ra máy gia tốc Cyclotron vào năm 1931. Sau đó,

một loạt các sự kiện quan trọng đã diễn ra xoay quanh việc sử dụng máy gia tốc để

sản xuất các đồng vị phóng xạ nhân tạo, trong đó có các thí nghiệm của Hamilton

và Stone áp dụng đồng vị Natri trong y học lâm sàng (1937), Hertz và cộng sự sử

dụng đồng vị I-ốt trong nghiên cứu về sinh lý tuyến giáp (1938), và các nghiên cứu

về bệnh bạch cầu sử dụng đồng vị Phốt pho của Lawrence et al. (1940). Năm 1941,

các máy gia tốc Cyclotron sử dụng trong y tế đầu tiên được lắp đặt tại Đại học

Washington ở St Louis, nơi các đồng vị phóng xạ của phớt pho, sắt, thạch tín, và lưu

huỳnh được sản xuất. Với việc nghiên cứu các quá trình phân hạch trong Thế chiến

II, hầu hết các đồng vị phóng xạ được quan tâm sử dụng trong y tế bắt đầu được sản

xuất tại các lò phản ứng hạt nhân. Sau chiến tranh, việc sử dụng rộng rãi các chất

phóng xạ trong y học dẫn đến việc thành lập lĩnh vực mới gọi là y học nguyên tử,

mà sau này được gọi là y học hạt nhân. [9]. Vào năm 2005, theo mợt báo cáo của

IAEA, ước tính trên toàn thế giới có khoảng 350 máy gia tốc Cyclotron, chủ yếu

được sử dụng cho sản xuất đồng vị phóng xạ, gần 50% trong số này là các máy có

dải năng lượng từ 10 – 20 MeV và khoảng 75% các Cyclotron được sử dụng để sản

xuất đồng vị 18F cho FDG. [10].

Việc sản xuất được Fluoro-deoxy-glucose (18F - FDG) vào giữa những năm

1970 và việc sử dụng nó để nghiên cứu sự chuyển hóa glucose là một bước đột phá

lớn, dẫn đến sự phát triển của các phương thức chuẩn đoán bằng hình ảnh được sử

dụng rộng rãi bây giờ, được gọi là chụp cắt lớp phát xạ positron (PET). Việc sử



Đinh Quang Huy



Trang 3



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



dụng 18F - FDG cùng với một máy chụp hình PET mang lại hình ảnh chất lượng

tuyệt vời của bộ não (để nghiên cứu các bất thường), của tim (để nghiên cứu chức

năng hoạt động) và các khối u (để phát hiện di căn). Ngày nay, máy gia tốc ngày

càng được ứng dụng nhiều trong sản xuất các đồng vị phóng xạ, phục vụ cho nghiên

cứu và ứng dụng vào trong cuộc sống nói chung cũng như y tế nói riêng.



1.2 Máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của Cyclotron

Nguyên lý chung của máy gia tớc dựa trên sự tương tác của hạt tích điện với

điện từ trường. Khi mợt hạt tích điện q chuyển động trong điện từ trường, sẽ có hai

lực tác động đồng thời lên nó. Lực thứ nhất là lực điện trường qE, lực thứ hai là lực

Lorent. Phương trình mô tả chuyển động của hạt được biểu diễn như sau:



(1.1)



Trong đó:



v : vận tốc hạt.

r

F : lực chung tác dụng lên hạt.

r

E : vecto điện trường.



c: tốc độ ánh sáng.

r

H : vecto từ trường.



Từ phương trình trên ta có thể thấy rằng lực mà điện trường tác dụng lên hạt

có hướng trùng với hướng của điện trường. Còn lực tác dụng của từ trường có

hướng vuông góc với vecto vận tốc của hạt và vecto từ trường. Lực này bằng 0 khi

hạt không chuyển động hoặc khi vecto vận tốc của nó song song với vecto từ

trường. [2].



Đinh Quang Huy



Trang 4



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Thông qua sự tương tác giữa điện từ trường và hạt tích điện, chúng ta đồng

thời có thể vừa gia tốc hạt, vừa có thể điều khiển hướng chuyển động của hạt. Đó

chính là nguyên lý chung và cơ sở của nguyên lý hoạt động trong các máy gia tốc.

Máy gia tốc Cyclotron đầu tiên do Lawrence và Livingstone xây dựng vào

năm 1931. Nó bao gồm một hình trụ rỗng bằng kim loại cắt thành hai phần theo

đường kính, mỡi phần được gọi là một duant của máy gia tốc. Các duant được đặt

gần nhau và để trong buồng kim loại chân không thường làm bằng vật liệu không

nhiễm từ. Cả buồng bao gồm các duant được đặt giữa hai cực của mợt nam châm

đờng nhất. Bán kính của b̀ng gia tớc và các cực của nam châm phải khác nhau và

năng lượng cuối cùng được gia tốc của hạt rất phụ thuộc vào chúng. Buồng gia tốc

được hút chân không đến áp suất 10-5 – 10-6 mmHg hoặc thấp hơn. Tại tâm của

buồng giữa các duant được đặt một nguồn ion đặc biết, các duant được nối với điện

thế hình sin tần số cao của máy phát công suất cao. Các ion được tạo thành ở tâm

buồng được gia tốc bằng điện áp và đi vào các duant rỗng. Bên trong các duant, các

ion được chuyển động với tốc độ không đổi theo quỹ đạo tròn, bởi vì chủn đợng

của chúng vuông góc với từ trường, trên hình 1.1 là sơ đờ ngun lý mợt Cyclotron.



Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý của Cyclotron



Như trên hình 1.1: A và B là 2 duant; S và N biểu thị cực Nam và cực Bắc

của nam châm; mũi tên biểu thị hướng của ion được gia tốc trong Cyclotron.

Bằng cách chọn tần số phù hợp của điện trường xoay chiều trên các duant,

chúng ta có thể luôn luôn đạt được rằng khi các ion đi từ duant này sang duant khác

thì điện thế giữa các duant có dấu sao cho các ion được gia tốc. Lúc đó, cứ mỗi lần



Đinh Quang Huy



Trang 5



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



đi từ duant này đến duant kia, năng lượng của chúng lại tăng lên và có thể đạt đến

giá trị lớn hơn nhiều so với điện thế gia tốc ở các duant.

Điều kiện cân bằng của lực ly tâm và lực hướng tâm:

(1.2)

Trong đó:



R: bán kính quỹ đạo.

v: vận tớc.

H: lực từ trường.



Từ đây, ta có biểu thức về thời gian để ion đi được mợt nửa vòng tròn với đợ

dài πR như sau:

T=

Biểu thức trên có nghĩa là thời gian ion đi được một nửa vòng tròn trong

Cyclotron khơng phụ tḥc vào bán kính và tốc độ của chúng. Mặt khác ta lại thấy

khi H = const, bán kính quỹ đạo tỷ lệ thuận với năng lượng của hạt. Từ đây có thể

rút ra rằng sau mỗi lần gia tốc, quỹ đạo được mở rộng và quỹ đạo chuyển động của

hạt trở thành đường xoáy ớc. Chính thực tế việc thời gian khơng phụ tḥc vào bán

kính tạo ra khả năng để hạt đi từ duant này sang duant kia đúng vào lúc nhận được

trường gia tốc cực đại giữa 2 duant tại một tần số lựa chọn phù hợp với điện thế gia

tốc. [2].



Đinh Quang Huy



Trang 6



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



1.2.2 Thông số kỹ thuật

Máy gia tốc Cyclone 30 (tên riêng của máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA)

là máy gia tớc vòng có tần sớ cớ định, trường khơng đổi, gia tớc ion H - tới năng

lượng 30 MeV.



Hình 1.2: Máy gia tốc Cyclone 30 tại trung tâm



Các hệ thống quan trọng cấu thành nên máy gia tốc Cyclotron:

-



Hệ thống chân không.



-



Hệ thống nam châm.



-



Hệ thống RF (radio frequency).



-



Nguồn ion.



-



Hệ thống bơm chùm ion dọc trục.



-



Hệ thống chiết.



Đảm bảo hoạt động an toàn là vấn đề được đặt lên hàng đầu, hệ thống khóa

liên động đảm bảo giám sát chặt chẽ các điều kiện an toàn phóng xạ, an toàn điện,

các điều kiện về chân khơng, khí nén, làm mát. Với nhiều đầu ra, Cyclone 30 có thể

đáp ứng tốt cho sản xuất nhiều loại đồng vị phóng xạ SPECT và tất cả các đồng vị

cho PET, cũng như phục vụ mục đích nghiên cứu.



Đinh Quang Huy



Trang 7



Đờ án tớt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Các đặc tính kỹ tḥt của hệ thống: [4]

 Chùm:

Ion

Năng lượng

Cường độ proton



Chiết

Gia tốc

Proton

Deuteron

Bảo đảm

Theo yêu cầu



Số cổng ra

Số chùm chiết đồng thời

Tiêu chuẩn phát của chùm chiết



Chiều ngang

Chiều dọc



H+ , D +

H -, D 18 – 30 MeV

9 – 15 MeV

350 µA

500 µA

10

2

< 10π mm.rad

< 5π mm.rad



 Tổng công suất tiêu thụ:

30 MeV không sử dụng đường chùm

30 MeV sử dụng 1 đường chùm

30 MeV sử dụng đồng thời 2 đường chùm



80 – 100 kW

90 – 125 kW

110 – 140 kW



 Cấu trúc nam châm:

Số sector

Góc sector

Bhill

Bvalley

Công suất một chiều ở các cuộn

Khối lượng sắt

Khối lượng đồng



4

540 – 580

1.7 T

0.12 T

7.2 kW

45 tấn

4 tấn



 Hệ thống RF:

Số máng D nối với nhau ở trung tâm

Góc của máng D

Chế độ Harmonic

Tần số (không đổi)

Điện thế máng D

Công suất RF bị tiêu hao



Đinh Quang Huy



Trên D

Gia tốc chùm



2

300

4

~ 65.5 MHz

50 kV

5.5 kW

15 kW



Trang 8



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



 Nguồn ion:

Loại nguồn (nguồn ngoài)

Công śt sợi đớt

Thời gian sớng của sợi đớt

Cơng śt Arc

Dòng H2

Ng̀n thiên áp

Dòng H- được bơm ra



Multicusp

1 kW

300 – 500 giờ

6.5 kW

10 – 20 st.cc/phút

28 – 30 kV

7 mA



1.2.3 Hoạt động của máy gia tốc Cyclotron 30

Các ion âm được bơm vào máy và được bơm tĩnh điện lái vào buồng gia tốc.

Tại đây, các ion âm này sẽ được chuyển qua các khe (khoảng cách giữa hai điện cực

gọi là khe gia tốc), qua các khe này, các hạt ion âm sẽ nhận thêm năng lượng qua

mỡi vòng, cho tới khi đạt được năng lượng mong muốn ở bán kính chiết.

Trong Cyclotron, các hạt điện tích chủn đợng theo hình xoắn ốc, càng xa

trung tâm động năng càng cao. Giá trị của từ trường được chọn sao cho đường đi

của các hạt vẫn nằm trong giới hạn của Cyclotron trong suốt quá trình gia tốc đến

khi đạt đến mức năng lượng mong muốn. Trong Cyclotron đẳng thời, từ trường

được chọn sao cho vận tốc góc của các hạt là như nhau ở bất kì mức năng lượng nào

của chúng (bất kì khoảng cách nào của chúng từ trung tâm). Sự gia tốc các hạt xảy

ra khi chúng đi qua khe hẹp giữa D (điện cực gia tốc) và D - ngược (điện cực đất). Dngược là những tấm gắn chặt với gơng cyclotron và có vai trò là đất. D trở thành

thiết bị cung cấp khuếch đại tín hiệu sóng hình sin từ bộ dao động, xoay chiều

dương và âm so với D - ngược. Tần số và pha dao động được chọn sao cho điện áp

của khe gia tốc gia tốc các hạt như đã định.



Đinh Quang Huy



Trang 9



Đờ án tớt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Hình 1.3: Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron



Trong đó:



1

2

3

4

5

Mũi tên



Sector

D (điện cực)

D- (điện cực ngược)

“Máng” trống để bơm chân không

Khe gia tốc

Chiều quay của hạt mang điện



Các ion âm bị chặn bởi lá carbon, tại đây, các electron được lấy ra khỏi chùm

ion H- để tạo thành chùm ion H+. Chùm hạt mang điện dương sau đó sẽ bị lái ra

ngoài bởi từ trường.



Đinh Quang Huy



Trang 10



Đồ án tớt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Hình 1.4: Giản đồ miêu tả dòng proton sau khi đi qua lá carbon và lái ra ngồi

bởi từ trường



Mỡi đường chiết có thể có 5 cổng ra lắp trên buồng chân không của nam

châm chuyển mạch. Vai trò của nam châm chuyển mạch là lái chùm tới mợt trong

các cổng đó.



Hình 1.5: Giản đồ miêu tả dòng proton có thể chuyển ra ở 5 cổng khác nhau.



Sau khi ra khỏi cyclotron, dòng proton này sẽ được truyền qua đường dẫn

chùm tia (beam line) đến kích hoạt bia để trở thành bia phóng xạ.

1.3 Ứng dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong y tế

Trong các ứng dụng y học hạt nhân, các đồng vị phóng xạ được kết hợp vào

trong các hợp chất để tạo nên các dược chất phóng xạ. Các chất phóng xạ có thể sản

xuất trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc trên các máy gia tốc. Về cơ bản, các hạt

nhân phóng xạ sản xuất dựa trên máy gia tớc có các tính chất phân rã phù hợp hơn

các đờng vị sản x́t trong lò phản ứng hạt nhân. Một điểm mấu chốt trong nhiều

ứng dụng đó là hoạt độ phóng xạ riêng của chất phóng xạ được sản xuất ra. Đối với

nhiều ứng dụng cần quan tâm, đặc biệt trong ứng dụng cho PET, hoạt độ phóng xạ

riêng của chất phóng xạ yêu cầu là lớn, điều này phù hợp khi sản xuất trên máy gia

tốc.



Đinh Quang Huy



Trang 11



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Y học hạt nhân ứng dụng các tính chất đặc trưng của phân rã phóng xạ để

chuẩn đoán hoặc điều trị ung thư. PET, PET kết hợp CT (PET/CT) và SPECT là các

kỹ thuật chuẩn đoán chủ yếu trong y học hạt nhân.

 Sản xuất các đồng vị cho SPECT

SPECT viết tắt của cụm từ Single Photon Emission Computed Tomography;

là một thiết bị ứng dụng kỹ thuật y học hạt nhân để chuẩn đoán hình ảnh chức năng

của các cơ quan trong cơ thể. Hình ảnh SPECT thu được không phải là hình thể giải

phẫu mà là hình ảnh phản ánh chức năng của cơ quan. Thông qua hình ảnh SPECT,

người bác sĩ có thể đánh giá được lượng máu/dược chất chuyển hóa đi đến các mô

và cơ quan, từ đó thu được thông tin về những sự bất thường của vùng cơ quan đó.

Hiện nay SPECT được sử dụng để ghi ảnh chức năng ở hầu hết các cơ quan trong

cơ thể như tim, gan, thận, tuyến giáp, khung xương, …

Chùm proton năng lượng từ 25 – 30 MeV được sử dụng để sản xuất các đồng

vị 201Tl, 67Ga, 111In và 123I.

Sản xuất 201Tl

Để sản xuất



201



Tl, bia được sử dụng là bia rắn



203



Tl làm giàu trên 90%, chùm



proton bắn phá có năng lượng 28.5 MeV. Phản ứng trên bia:

Tl203 (p,3n) Pb201

Sau khi thu hồi, 201Pb được cất giữ khoảng 30 giờ, thì 90%

thành 201Tl (có thời gian bán rã khoảng 74 giờ).



201



201



Pb phân rã



Tl phát 2 gamma năng lượng 135



và 167 keV (rất tốt cho ghi hình SPECT nhưng chỉ chiếm khoảng 10%) và tia X

năng lượng 71 – 80 keV, biến đổi thành



201



Hg, nó được sử dụng để đánh giá khả



năng sống của cơ tim, chuẩn đoán bệnh động mạch vành, ghi hình tuyến giáp …

Sản xuất 67Ga

Hạt nhân phóng xạ 67Ga thu được bằng cách phát chùm proton 25 MeV bắn

phá bia rắn 68Zn được làm giàu trên 98%. Phương trình phản ứng:

Zn68 (p,2n) Ga67

67

Ga có chu kỳ bán rã là 78.3 giờ. Khi phân rã nó sẽ phát ra các photon năng

lượng 94, 184 và 296 keV và biến đổi thành 67Zn. Trong y học, 67Ga được dùng ghi

hình khới u ác tính, ổ áp xe, vùng viêm nhiễm.

Đinh Quang Huy



Trang 12



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Sản xuất 111In

111



In (chu kỳ bán rã 76.2 giờ) là đồng vị rất đắt, nó liên kết với các kháng thể,



chuỗi polypeptide hoặc bạch cầu.



111



In phát ra hai photon có các mức năng lượng



173 và 247 keV có tổng phần trăm lớn và thích hợp cho ghi ảnh phóng xạ SPECT.

Để tạo ra 111In, người ta bắn phá chùm proton năng lượng 22 MeV vào bia rắn



112



Cd



đã được làm giàu trên 90%. Phương trình phản ứng:

Cd112 (p,2n) In111

Sản xuất

123



123



I



I phát photon năng lượng 159 keV và chu kỳ bán rã 13.3 giờ. Nó rất đặc



hiệu cho chụp hình tuyến giáp và các mô nội tiết thần kinh.

Sản xuất 123I với các số liệu như sau:

Phương trình phản ứng

Năng lượng photon

Loại bia

Vật liệu bia

Sáu giờ sau khi bắn,



Xe124 (p,2n) Cs123→Xe123→I123

30 MeV

Khí

Xe124 được làm giàu trên 99.8%

123

Xe được giữ trong bia để phân rã thành



khí Xe được bơm lạnh ra ngoài vào bình chứa.



123



123



I. Sau đó



I được hòa tan trong nước và đẩy



khỏi bia theo như sơ đồ sau:



 Sản xuất các đồng vị cho PET

Chụp Positron cắt lớp hay còn gọi là PET (Positron Emission Tomography)

là một kỹ thuật chuẩn đoán trong chuyên ngành Chuẩn đoán hình ảnh y học. Cũng



Đinh Quang Huy



Trang 13



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG I: MÁY GIA TỐC VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×