Bài viết này trình bày cơ sở lý thuyết các thông số vật lý liên quan đến năng lực sản suất đồng vị 18F như tiết diện phản ứng hạt nhân phụ thuộc năng lượng chùm hạt tích điện, sự suy giảm bức xạ khi hạt tích điện tương tác với vật liệu trước khi tới bia, các điều kiện khác về hệ làm mát, hệ bia mẫu,...
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ LIÊN QUAN KHẢ NĂNG TẠO ĐỒNG VỊ PHĨNG XẠ 18F VÀ DỰ ĐỐN HOẠT ĐỘ PHĨNG XẠ ĐỒNG VỊ NÀY SAU MỖI MẺ BẮN TRÊN MÁY HIC-KOTRON13 THE STUDY OF PHYSICAL PARAMETERS RELATED TO THE PRODUCTION CAPABILITY OF RADIOISOTOPE 18F AND ESTIMATION OF THE RADIATION ACTIVITY EACH TIME SHOOTING FROM CYCLOTRON HIC-KOTRON13 Nguyễn Tiến Dũng1,*, Nguyễn Tuấn Anh1, Phạm Minh Đức1 TĨM TẮT Q trình sản suất đồng vị phóng xạ 18F, sử dụng chẩn đốn bệnh ung thư sớm thiết bị chụp hình PET/CT, dựa phản ứng hạt nhân hợp phần 18O(p,n)18F Đồng vị phóng xạ 18F sinh chủ yếu từ máy gia tốc vòng cyclotron lượng thấp từ khoảng đến 20MeV Các hạt ion âm H- sinh từ nguồn ion gia tốc tác dụng điện trường RF khe gia tốc máy cyclotron Năng lượng hạt ion H- tăng dần qua vòng gia tốc đến lượng định tùy thuộc vào loại máy gia tốc Sau hạt ion âm H- qua carbon mỏng bị điện tử lớp vỏ để tạo ion dương H+ Dưới tác dụng từ trường ion điều khiển chuyển động tới bia nước nặng H2O18 để gây phản ứng hạt nhân tạo đồng vị phóng xạ 18 F Bài báo trình bày sở lý thuyết thơng số vật lý liên quan đến lực sản suất đồng vị 18F tiết diện phản ứng hạt nhân phụ thuộc lượng chùm hạt tích điện, suy giảm xạ hạt tích điện tương tác với vật liệu trước tới bia, điều kiện khác hệ làm mát, hệ bia mẫu, Bài báo trình bày số liệu thực nghiệm đánh giá lực sản suất đồng vị 18F máy HIC-KOTRON13 sở giá trị đo suất bão hịa Ysat khoảng 94mCi/µA dịng bia 43 µA Với giá trị này, người vận hành dự đoán thời gian sản suất đồng vị 18F theo yêu cầu bệnh viện Từ khóa: Đồng vị phóng xạ 18F, HIC-KOTRON13, Ysat, PET/CT ABSTRACT The production of radioisotope 18F, which is used in early cancer diagnostic by Positron Emission Tomography and Computed Tomography (PET/CT), based on compound nuclear reaction 18O(p, n)18F This radioisotope is produced mainly from cyclotron with low energy of proton beam from to 20MeV The negative ions H-, which are produced from ion source, are accelerated by electric field at accelerated gap The energy of H- increase with each turn and reach fixed energy depend on type of cyclotron After that, negative ion H- goes through carbon foil and lose electrons in order to create positive H+ Magnetic field control the movement direction of ion H+ to water target H2O18, in which nuclear reaction create radioisotope 18 F This report present in theory of some physical parameters, which are related to production capability of radioisotope 18F such as the cross section of nuclear reaction depend on energy of beam, the attenuation of beam when ion go through the material before contact with water target, the effect of cooling system, the target system, The report also present experimental results in order to estimate the production capability of 18F of HIC-KOTRON13 based on the value of Ysat about 94mCi/µA at beam current on target 43µA With this value, the operators of HIC-KOTRON13 can estimate the time to produce radioisotope 18F with the order from hospitals Keywords: Isotope radiation 18F, HIC-KOTRON13, Ysat, PET/CT Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam Email: dungnt1234@yahoo.com Ngày nhận bài: 19/9/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/12/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 * Website: https://jst-haui.vn MỞ ĐẦU Máy HIC-KOTRON13 gia tốc hạt proton tới lượng 13MeV, thiết kế để sản suất đồng vị phóng xạ dùng cho thiết bị ghi hình PET/CT 18F, 11C, 13N, 15 O Hiện có hệ thiết bị sản suất dược chất phóng xạ 18FDG hoạt động bao gồm hệ bia mẫu, hệ tổng hợp dược chất phóng xạ 18 FDG, hệ chia liều, hệ kiểm tra chất lượng QC Việc tạo đồng vị phóng xạ 18F dựa sở phản ứng hạt nhân hợp phần 18 O(p,n)18F Để tiếp nối nghiên cứu thực nghiệm máy HICKOTRON13 đăng tải thời gian vừa qua [6, 7], báo trình bày sở lý thuyết thực nghiệm phương pháp đánh giá lực sản suất đồng vị 18F Năng lực sản xuất đồng vị phóng xạ 18F máy cyclotron tương ứng với giá trị cường độ dòng bia phụ thuộc Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 119 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ vào số thông số vật lý máy lượng chùm hạt, độ dày carbon, độ dày cửa sổ bia, cấu trúc hệ bia mẫu hệ thống làm mát, Để đánh giá khả sản suất đồng vị phóng xạ 18F máy gia tốc vào thông số vật lý nêu tốn kém, người ta đưa số liệu thực nghiệm chung có liên quan đến thơng số Ysat Phần trình bày cụ thể nội dung phương pháp máy HIC-KOTRON13 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 phía bia mẫu Khi hạt proton tương tác với hai lớp vật chất trên, hai hiệu ứng vật lý chủ yếu xảy tán xạ đàn hồi phi đàn hồi [3] Hạt proton bị lệch hướng bị phần lượng tới bia CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NĂNG LỰC SẢN XUẤT 18F 2.1 Tiết diện phản ứng hạt nhân phụ thuộc lượng chùm hạt tới bia Tiết diện phản ứng hạt nhân hợp phần 18O (p, n)18F mơ tả hình [1], xác suất xảy phản ứng hạt nhân chùm hạt tương tác với bia Trong trường hợp này, chùm hạt dòng hạt proton gia tốc bia nguyên tử 18O liên kết hóa học phân tử nước nặng H2O18 Hình Đồ thị thực nghiệm tiết diện phản ứng 18O (p, n)18F phụ thuộc lượng hạt proton Tại Việt Nam, máy PET cyclotron có lượng chùm hạt khoảng từ đến 20MeV Máy gia tốc PET, SPECT cyclotron IBA30 gia tốc hạt proton tới lượng 30MeV sử dụng lượng khoảng 18,8MeV để sản xuất đồng vị 18F Các máy PET cyclotron khác Việt Nam chuyên sử dụng để sản xuất đồng vị cho PET/CT có lượng nhỏ 20MeV Riêng trình sản suất đồng vị 18F, máy PET cyclotron sử dụng lượng từ đến 13MeV [2] Từ đồ thị hình cho thấy tiết diện phản ứng hạt nhân tạo 18F tốt nên sử dụng nhỏ 9MeV Máy gia tốc hãng GE, Siemens, sử dụng vùng lượng Máy HIC-KOTRON13 sử dụng lượng proton 13MeV 2.2 Hiệu ứng suy giảm xạ vật chất ảnh hưởng tới khả sản suất đồng vị phóng xạ 18F Trước hạt proton từ máy gia tốc tới bia, chùm hạt phải qua hai lớp vật chất carbon mỏng cửa sổ bia mẫu Tại carbon, hai điện tử lớp vỏ ion âm H- bị giữ lại để tạo thành ion dương H+ Dưới tác dụng từ trường nam châm, ion dương hướng chuyển động Hình Hình ảnh carbon cửa sổ bia mẫu Với máy gia tốc PET, SPECT cyclotron, hạt tích điện gia tốc ion âm H- Cấu trúc hạt gồm lõi hạt nhân hydro mang điện dương hai điện tử lớp vỏ mang điện âm Khi hạt H- tương tác với carbon, hiệu ứng suy giảm xạ hạt tích điện tương tác với vật chất cịn có số hiệu ứng vật lý khác xảy Về mặt điện tích, ion âm H- bay qua carbon, carbon giữ lại điện tử lớp vỏ Về mặt nhiệt, carbon bị nóng lên bị hạt H- bắn vào, Các kết luận hiệu ứng đưa sau [4]: Khi carbon kích thước dày, bị nóng, dễ bị vỡ, thời gian sử dụng ngắn Khi carbon mỏng, ion H- bay qua carbon Các tính tốn mơ cơng trình đưa kết với mật độ theo bề mặt carbon khoảng 12µg/cm2 hai điện tử lớp vỏ ion âm H- giữ lại Trên thực tế máy gia tốc HIC-KOTRON13 sử dụng carbon vơ định hình với mật độ theo bề mặt 50µg/cm2, loại mật độ thấp thị trường Bia máy KOTRON13 chế tạo vật liệu titanium có dạng hình trụ chứa 2,5ml nước H2O18 (hình 2) Cửa số vật liệu titanium với độ dày 120 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 75µm Phía trước cửa sổ giá đỡ bảo vệ nhơm với 97 lỗ thủng hình lục giác đường kính 1mm [5] Như chùm hạt proton sau khỏi carbonđi đến bia nước phần qua cửa sổ bia qua lỗ thủng giá đỡ nhôm trước bia phần bắn thẳng vào giá đỡ nhôm Tại phần chùm hạt proton bị suy giảm số lượng lượng hiệu ứng tán xạ Với thay đổi lượng hạt proton tới bia, tiết diện phản ứng hạt nhân tạo 18 F thay đổi nên khó tính tốn hiệu suất tạo đồng vị 18F 2.3 Hệ trao đổi nhiệt làm mát bia Hệ trao đổi nhiệt làm mát bia máy HIC-KOTRON13 thực nước lạnh tuần hoàn từ hệ làm mát Chiller Khi thực trình bắn hạt proton vào bia H2O18, nhiệt độ áp suất bia lên cao, nước bia hồn tồn bị hóa Các giá đỡ phía trước sau bia dùng để bảo vệ bia không bị vỡ áp suất cao Hệ trao đổi nhiệt làm mát bia thực qua giá đỡ với nước làm lạnh trì nhiệt độ 13OC ± 1OC Trong đó: + Ao: Hoạt độ phóng xạ thời điểm ban đầu + A: Hoạt độ phóng xạ cịn lại sau thời gian t + T1/2: Chu kỳ bán đồng vị phóng xạ Trong thực tế q trình sản xuất đồng vị phóng xạ, thời gian chiếu bia thường khơng lớn nhiều so với chu kỳ bán rã vật lý Khi thời gian chiếu lớn nhiều chu kỳ bán rã hiệu suất tạo đồng vị phóng xạ đạt giá trị bão hịa lượng phóng xạ tạo tăng lên không nhiều Để đánh giá khả tạo đồng vị phóng xạ từ máy gia tốc PET-Cyclotron, người ta đưa thông số giá trị bão hịa tạo đồng vị phóng xạ Ysat: ln YSat ( tirradiation ) ActivityEOB T1/ (1 (e )) 1 BeamCurrent(A) Trong đó: + Ysat: Được gọi suất bão hòa tạo đồng vị phóng xạ có thứ ngun mCi/µA + Activity EOB: Hoạt độ phóng xạ tạo bia sau kết thúc bắn + T1/2: Chu kỳ bán rã 18F + tirradiation: Thời gian bắn bia Hình Sơ đồ khối hệ trao đổi nhiệt làm mát bia Hiệu suất tạo đồng vị 18F bia phụ thuộc vào áp suất bia Áp suất bia phụ thuộc vào nhiệt độ bia tức phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng dòng nước làm mát, độ dẫn nhiệt vật liệu thân bia, Hiện chưa có số liệu thực nghiệm liên quan đến vần đề Tóm lại: Hiệu suất tạo đồng vị phóng xạ 18F máy cyclotron phụ thuộc vào nhiều yếu tố lượng chùm hạt tới, độ dày carbon, loại vật liệu độ dày số bia mẫu, cấu trúc hệ bia mẫu nói chung hệ làm mát Đánh giá riêng ảnh hưởng yếu tố đến khả tạo đồng vị 18F khó thực Một phương pháp thực nghiệm đánh giá chung lực sản suất đồng vị 18F xây dựng trình bày phần PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẠO ĐỒNG VỊ 18F 3.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp Để xác định giá trị Ysat cho máy PET-Cyclotron, người ta sử dụng phương pháp thực nghiệm Khi biết giá trị ActivityEOB, dòng bia, chu kỳ bán rã đồng vị phóng xạ thời gian chiếu bia tính giá trị Ysat Khi xác định Ysat cho máy gia tốc (với điều kiện biên khơng đổi) ta tính ngược lại giá trị hoạt độ phóng xạ ActivityEOB 3.2 Tính tốn suất bão hịa hoạt độ 18 F cyclotron KOTRON13 Thực nghiệm tiến hành điều kiện thông số hoạt động máy gia tốc HIC-KOTRON13 bảng Bảng Các thông số cài đặt cho máy Thông số Giá trị cài đặt Nhiệt độ nước làm mát 13OC Giá trị Duty Cycle RF 45% Dịng ni nguồn ion 1,2A Lưu lượng dịng khí Hydro lối vào 7sccm 18 Khi bắn chùm hạt proton vào bia nước nặng H2O , hai trình vật lý xảy đồng thời q trình tạo đồng vị phóng xạ 18F dựa phản ứng hạt nhân hợp phần: 18 18 8O + 1H → 9F + 0n Quá trình phân rã hạt nhân 18F với chu kỳ rã 18F 109,74 phút Hoạt độ phóng xạ suy giảm theo hàm mũ công thức sau: A A0e t T1/ ln Website: https://jst-haui.vn Dòng nam châm từ trường 145,240A Với thơng số trên, dịng bia đạt khoảng 43µA Tính tốn suất bão hịa hoạt độ phóng xạ 18F cho máy gia tốc HIC-KOTRON13 với số liệu thực nghiệm đưa bảng Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 121 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Kết hoạt độ phóng xạ bia Trong kết tính tốn giá trị trung bình Ysat, tạm thời không dùng giá trị Lần thử Dịng trung Thời gian Hoạt độ phóng Hoạt độ nghiệm bình bắn bia xạ đo (Ci) ngoại suy bia (phút) 43µA 126 2,020 2,222 70% hoạt độ phóng xạ dược chất 18FDG dự đốn sau 42µA 113 2,040 2,244 tổng hợp đạt bảng 43µA 126 2,020 2,222 43µA 120 1,960 2,156 3.3 Dự đốn hoạt độ phóng xạ 18F tạo thành với cường độ dịng proton 43µA theo thời gian bắn bia khác 42µA 123 1,945 2,136 Kết cuối cùng: Ysat = 94,24 ± 0,05 mCi/µA EOB (Ci) Với hiệu suất tạo 18FDG module tổng hợp khoảng từ Trên sở yêu cầu cung cấp hoạt độ dược chất phóng xạ từ sở sử dụng PET/CT, trung tâm HIC-KOTRON13 lập kế hoạch bắn bia với thời gian phù hợp theo phương Trong đó: - Hoạt độ phóng xạ đo giá trị hoạt độ đo máy đo liều sau khoảng thời gian 10 phút chuyển mẫu từ bia tới máy đo pháp tính sau: Tính tốn hoạt độ 18F tạo thành (EOB) kết đo sau 10 phút chuyển từ bia sang hotcell với dịng bắn 43µA với thời gian bắn 10, 30, 50, 70, 90, 110 150 - Hoạt độ phóng xạ ngoại suy EOB hoạt độ phóng xạ tính tốn sau dừng bắn bia phút bảng 5, hình Tính tốn suất bão hịa Ysat máy gia tốc HICKOTROPN13 trị hoạt độ EOB Điều kiện tính: Giá trị Ysat = 94,24 mCi/µA tính giá Bảng Kết tính hoạt độ phóng xạ theo thời gian bắn bia khác nha Từ công thức Ysat, với giá trị thực nghiệm dòng bia, thời gian chiếu bia, chu kỳ bán rã 18F hoạt độ ngoại suy EOB ta có kết Ysat theo bảng Bảng Tính tốn giá trị Ysat Dịng trung bình Thời gian bắn Chu kì bán rã bia (Phút) 18 F (Phút) Hoạt độ Suất bão hòa EOB (Ci) Ysat(mCi/µA) Thời gian bắn Hoạt độ EOB (mCi) (Phút) bia Hoạt độ sau 10 phút chuyển (mCi) 10 230,7 216,6 30 650,7 610,9 50 1020,8 958,3 43µA 126 109,74 2,222 94,16 70 1347,0 1264,6 42µA 113 109,74 2,244 104,72 90 1634,5 1534,5 1887,9 1772,3 2308,0 2166,7 43µA 126 109,74 2,222 94,16 110 43µA 120 109,74 2,156 94,36 150 42µA 123 109,74 2,136 94,28 18 Bảng Hoạt độ phóng xạ dược chất FDG sau mẻ thí nghiệm Hoạt độ phóng xạ EOB mẻ Hoạt độ P.X đo sau Hiệu suất tổng 10 phút chuyển (Ci) 18 hợp F (%) bắn (Ci) Hoạt độ P.X sau tổng hợp (Ci) 2,222 2,020 70 1,414 2,244 2,040 70 1,428 2,222 2,020 70 1,414 2,156 1,960 70 1,372 2,136 1,945 70 1,362 Với kết giá trị Ysat (bảng 3), kết thứ (Ysat = 104,72) lệch nhiều so với kết Ysat cịn lại thông số đầu vào thay đổi trình bắn bia Hình Đồ thị phụ thuộc hoạt độ phóng xạ 18F sau 10 phút chuyển thời gian bắn bi KẾT LUẬN Bài báo trình bày thơng số vật lý liên quan đến lực sản suất đồng vị phóng xạ 18F sở lý 122 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thuyết, thực nghiệm xác định giá trị suất bão hòa Ysat q trình tạo đồng vị phóng xạ 18F Thí nghiệm tiến hành cường độ dòng proton bia khoảng 43µA tính giá trị suất bão hịa khoảng 94,24mCi/µA Trong thời gian tiếp theo, nhóm nghiên cứu tiếp tục tiến hành thực nghiệm xác định suất bão hòa HICKOTRON13 với giá trị dòng proton khác bia Với giá trị Ysat tìm được, nhóm nghiên cứu xây dựng đường cong liên hệ hoạt độ phóng xạ sau 10 phút chuyển từ bia sang Hotcell thời gian bắn bia Trên sở đường cong này, nhóm vận hành lập kế hoạch bắn bia theo yêu cầu bệnh viện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www-nds.iaea.org/medical/o8p18f3.html [2] Technical Manual of KOTRON13, Samyuong 2014 [3] A.Lechner Particle interaction with matter CERN, Geneva, Switzerland [4] Dong Hyun An, Jong Seo Chai, 2004 The stripping extraction system in KIRAMS-13 cyclotron, Proceedings of APAC 2004, Gyeogju, Korea [5] Bong Hwan Hong, Dong Hyun An, Jong Seo Chai, 2004 KIRAMS13 target for 18F- Fluoride production Proceedings of APAC 2004, Gyeongju, Korea [6] Nguyen Tien Dung, Nguyen Tuan Anh, Pham Minh Duc, 2018 The principles of operation, installation and determination of technical parameters of internal pig ion source in Kotron-13 Cyclotron Journal of Science and Technology, Hanoi University of Industry, Vol 49 [7] Nguyen Tuan Anh, Nguyen Tien Dung, Pham Minh Duc, 2020 The study of impedance and reflection of rf resonance cavity of Cyclotron HIC-KOTRON13 Journal of Science and Technology, Hanoi University of Industry Vol 56, No [8] Mai Trong Khoa Ung dung ky thuat PET va PET/CT lam sang https://ungthubachmai.vn AUTHORS INFORMATION Nguyen Tien Dung, Nguyen Tuan Anh, Pham Minh Duc Hanoi Irradiation Center, Vietnam Atomic Energy Institute Website: https://jst-haui.vn Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 123 ... NGHỆ vào số thơng số vật lý máy lượng chùm hạt, độ dày carbon, độ dày cửa sổ bia, cấu trúc hệ bia mẫu hệ thống làm mát, Để đánh giá khả sản suất đồng vị phóng xạ 18F máy gia tốc vào thông số vật. .. 2,136 94,28 18 Bảng Hoạt độ phóng xạ dược chất FDG sau mẻ thí nghiệm Hoạt độ phóng xạ EOB mẻ Hoạt độ P.X đo sau Hiệu suất tổng 10 phút chuyển (Ci) 18 hợp F (%) bắn (Ci) Hoạt độ P.X sau tổng hợp (Ci)... số đầu vào thay đổi q trình bắn bia Hình Đồ thị phụ thuộc hoạt độ phóng xạ 18F sau 10 phút chuyển thời gian bắn bi KẾT LUẬN Bài báo trình bày thông số vật lý liên quan đến lực sản suất đồng vị