Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
3 Ứng dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong y tế

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

Tải bản đầy đủ - 0trang

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



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



như SPECT, PET cho chúng ta biết thêm về chức năng chuyển hóa trao đổi chất của

các mô và cơ quan. Do đó, PET rất có giá trị trong chuẩn đoán, xác định giai đoạn

ung thư, theo dõi sau điều trị và phát hiện tái phát, chuẩn đoán di căn. Xạ hình PET

dựa trên cơ sở ghi nhận trùng phùng bức xạ gamma hủy cặp phát ra từ các đồng vị

phóng xạ phát tia β+ khi chúng đập vào các tinh thể nhấp nháy. Tia β + sau khi phát ra

từ đồng vị phóng xạ sẽ trải qua quá trình hủy cặp khi va chạm với mợt điện tử trên

chính lớp vỏ điện tử của mình hoặc các điện tử trong môi trường xung quanh và tạo

ra hai lượng tử hủy cặp chuyển động ngược hướng nhau có cùng năng lượng 511

keV, tương đương với năng lượng nghỉ của một điện tử.

Có 4 loại đồng vị phát β + có tầm quan trọng chủ yếu được sử dụng cho xạ

hình PET, đó là 18F, 11C, 13N và 15O. Các đặc trưng vật lý cơ bản về các đồng vị

phóng xạ này được đưa ra trong bảng 1.1:



Đồng vị



Thời gian bán



Loại phân rã



Phản ứng



rã (phút)

11



C



20.4



sản xuất (MeV)

100% β+



14



N(p,α)

O(p,α)



16

13



N



9.98



100% β+



13



O



18



F



2.03



109.8



100% β+

97% β



+



11-17

19



C(p,n)

N(p,n)



11

11



14



N(d,2n)



6



16



>26

11-17



15

15



Năng lượng để



O(p,pn)

O(p,n)



18



20

3% EC

Ne(d,α)

8-14

Bảng 1.1: Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET



Sản xuất 11C

11



C là đồng vị phóng xạ của nguyên tố Carbon, phân rã thành 11B phát ra



positron năng lượng 0.96 MeV. Chu kỳ bán rã của nó khoảng 20.334 phút. Bia sử

dụng để bắn phá bằng chùm proton năng lượng 16 MeV là bia khí N 2 + 0.5% O2.

Đinh Quang Huy



Trang 14



Đờ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Phản ứng trên bia: N14(p,α) C11. Bổ sung hạn chế của chụp PET với 18F, 11C rất có

giá trị trong chụp hình chuẩn đoán tuyến tiền liệt.

Sản xuất 13N

13



N có chu kỳ bán rã 10 phút, phát xạ positron 1.19 MeV. Được sử dụng dưới



dạng NH3 để chụp hình tưới máu cơ tim bằng PET.

Phản ứng trên bia

Vật liệu bia

Năng lượng proton

Thời gian chiếu xạ

Sản xuất 15O



O16 (p,α) N13

H20 tự nhiên + 5 mM Ethanol

16 MeV

~15 phút



T1/2

2 phút

Dạng hóa học

O15, H2O15

Phản ứng trên bia

O16 (p,pn) O15

16

Vật liệu bia

O2 tự nhiên

Năng lượng proton

30 MeV

Do não hoạt động cần phải có máu mang oxi đến cung cấp nên 15O là đồng vị

rất có giá trị đối với chụp não bằng PET.

Sản xuất 18F

18



F có chu kỳ bán rã là 110 phút và phát xạ positron năng lượng khoảng 65



keV, các positron này tạo phản ứng hủy cặp với các electron trong mô tạo thành 2

photon ngược chiều có năng lượng 511 keV. 18F được tạo ra từ phản ứng hạt nhân

O18 (p,n) F18. Vật liệu làm bia thường dùng là H 2O18 (được làm giàu cỡ 95%). Vì có

thể gắn với glucose (tạo 18F – FDG) nên đi tới được nhiều cơ quan trong cơ thể, ứng

dụng lâm sàng của 18F là để chụp hình chuẩn đoán phát hiện ung thư sớm, ghi hình

các khối u, đánh giá hiệu quả điều trị ung thư.

So sánh các ưu điểm của các đồng vị phù hợp cho PET, 18F là đồng vị được

ưu tiên lựa chọn trong thực tế (được sử dụng nhiều nhất (80 đến 95%)) do nó có các

tính chất vật lý bức xạ (năng lượng cực đại của positron và thời gian bán rã) cũng

như các tính chất hóa học (F là chất mơ phỏng sinh học của các nhóm –H, -OH và

là tác nhân điều biến của các liên kế hóa học với C trong các phân tử sinh học)

thuận lợi nhất.



Đinh Quang Huy



Trang 15



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Tại Trung tâm máy gia tốc – Bệnh viện TWQD 108, 18F - FDG được sản xuất

trên máy gia tốc Cyclotron 30 MeV IBA, đồng vị phóng xạ 18F dùng để tổng hợp 18F

- FDG được sinh ra thông qua phản ứng hạt nhân O18(p,n)F18 khi chiếu chùm tia

proton được gia tốc vào bia nước được làm giàu 18O.

Quá trình sản xuất 18F - FDG tại Trung tâm máy gia tốc được tiến hành qua

các bước sau:

- Chiếu xạ bia nước làm giàu 18O bằng chùm proton được gia tốc trong máy

Cyclotron tạo ra 18F là nhân phóng xạ phát positron với chu kỳ bán rã 110 phút.

- Tách 18F khỏi nước giàu 18O chưa phản ứng, tổng hợp và tinh chế



18



F -



FDG.

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm 18F - FDG.

Sản lượng 18F - FDG của một mẻ sản xuất chủ yếu phụ thuộc vào suất lượng

đồng vị phóng xạ 18F sinh ra sau quá trình chiếu chùm proton vào bia và hiệu suất

tổng hợp FDG bao gồm cả hiệu suất tách chiết 18F - FDG khỏi các tạp chất. Hiệu

suất tổng hợp FDG được quyết định bởi phẩm chất của bộ KIT tổng. Suất lượng của

18



F biến thiên theo năng lượng chùm tia proton được quyết định bởi sự phụ thuộc



của tiết diện phản ứng hạt nhân O18(p,n)F18 theo năng lượng. [3].

Bên cạnh việc sản xuất 18F – FDG theo như nhu cầu thực tế, với khả năng gia

tốc proton từ 15 MeV đến 30 MeV và dòng chùm 350 µA (có thể nâng cấp tới 700

µA), Cyclone 30 khơng những cho phép sản xuất hầu hết các đồng vị cho chụp hình

SPECT và PET với lượng sản phẩm đầu ra lớn, mà còn có thể phục vụ cho mục

đích nghiên cứu, ứng dụng cho các ngành khác như công nghiệp, nông nghiệp.



Đinh Quang Huy



Trang 16



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phản ứng hạt nhân

Quá trình va chạm hạt nhân, hay thường gọi là phản ứng hạt nhân, là hiện

tượng biến đổi các hạt nhân khi có va chạm giữa hai hạt nhân với nhau, giữa hạt

nhân với nucleon hay sự biến đổi của hạt nhân do ảnh hưởng của trường bức xạ

gamma, trường Coulomb, … thông thường phản ứng hạt nhân xảy ra do chùm các

hạt neutron, proton, hạt anpha, … bắn phá hạt nhân. Do sự va chạm mạnh giữa các

hạt vào hạt nhân bia mà sau phản ứng xuất hiện hai hạt hay một số lớn hạt bay theo

các phương khác nhau. Để đơn giản, ta xét phản ứng hạt nhân tạo nên hai hạt sau

phản ứng.

Ta ký hiệu quá trình va chạm của hạt tới a với hạt nhân bia A tạo nên hạt b và

hạt nhân B là:

a+A=b + B

Hay gọn hơn là:

A (a,b) B

Trong quá trình va chạm có hai trạng thái là trạng thái đầu a + A hay còn gọi

là kênh lới vào và trạng thái ći b + B hay còn gọi là kênh lới ra. Quá trình va

chạm chuyển từ kênh lối vào sang kênh lối ra.

Thông thường, va chạm giữa hạt a và hạt nhân A xảy ra theo một trong các

quá trình sau:

-



Tán xạ đàn hồi.



-



Tán xạ không đàn hồi.



-



Phản ứng hạt nhân thực sự (phản ứng hạt nhân sinh ra các đồng vị mới).



Bên cạnh đó, phản ứng hạt nhân a + A = b + B cũng tuân thủ các định ḷt

bảo toàn về: điện tích, sớ nucleon, năng lượng, đợng lượng, mômen động lượng

toàn phần, độ chẵn lẻ, spin đồng vị. [1].



Đinh Quang Huy



Trang 17



Đồ án tốt nghiệp



KTHN & VLMT – K54



Theo quan điểm cổ điển, phản ứng giữa một hạt mang điện và một hạt nhân

không thể xảy ra nếu năng lượng trong hệ khối tâm của hai hạt nhỏ hơn hàng rào

Coulomb. Trong trường hợp áp dụng vào sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia

tốc, điều này có nghĩa rằng hạt mang điện phải có năng lượng lớn hơn:

B=



(2.1)



Trong đó:

Z và z là số nguyên tử số của hai loại hạt tham gia phản ứng.

e là điện tích của điện tử.

R là khoảng cách giữa hai hạt nhân tham gia phản ứng.

Tuy nhiên thực tế, phản ứng hạt nhân xảy ra ở mức năng lượng thấp hơn

hàng rào thế Coulomb này nhờ vào hiệu ứng xuyên hầm lượng tử. Trong trường hợp

này, phản ứng thường được giải thích theo cơ chế hạt nhân hợp phần. Theo cơ chế

này, phản ứng hạt nhân xảy ra theo hai quá trình tách biệt.

Quá trình đầu tiên, hạt nhân đi tới và bị hấp thụ vào trong hạt nhân bia để

hình thành hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích có thời gian sớng rất ngắn.

Năng lượng toàn phần của hạt nhân hợp phần thu được từ tất cả các hạt nhân tới và

hạt nhân bia tuân theo quy ḷt bảo toàn đợng lượng, điện tích, mơ-ment góc, spin

và năng lượng. Theo mô hình hạt nhân hợp phần, giả sử hạt nhân a chuyển động tới

va chạm vào hạt nhân A để gây ra phản ứng hạt nhân, năng lượng kích thích toàn

phần trong hạt nhân hợp phần được cho bởi phương trình sau:



U=



(2.2)



Trong đó:

U: năng lượng kích thích.



Ta: động năng của hạt nhân tới.



MA: khối lượng của hạt nhân bia.



Ma: khối lượng của hạt nhân tới.



Sa: năng lượng liên kết của hạt tới trong hạt nhân hợp phần.

Quá trình tiếp theo trong phản ứng hạt nhân là sự phân rã của hạt nhân hợp

phần theo một số cách tạo thành các sản phẩm phản ứng khác nhau, gọi là các kênh

ra của phản ứng, thể hiện như trên hình 2.1.



Đinh Quang Huy



Trang 18



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

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

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×