Ứng dụng máy gia tốc tập 2
Một số ứng dụng của máy gia tốc hạt (tiếp theo) − Trước đây việc xạ trị gamma chủ yếu dựa trên nguồn đồng vị phóng xạ 60 Co có năng lượng trong bình 1,25 MeV hoặc dùng các kim Ra phóng xạ với năng lượng trung bình khoảng 1 MeV. Do năng lượng gamma nhỏ nên việc điều trị thường là đối với các khối u nông trên mặt da. Muốn điều trị các khối u sâu hơn phải kéo dài thời gian chiếu tia. Riêng đối với 60 Co có thời gian sống tương đối ngắn do đó hoạt độ phóng xạ giảm đáng kể theo thời gian. Để đảm bảo điều trị cần tăng thời gian chiếu. Điều này dẫn đến ảnh hưởng xấu đối với bệnh nhân. − Xạ trị sử dụng máy gia tốc có ưu điểm đảm bảo liều chiếu ổn định, tạo ra các chùm hạt với các chủng loại, năng lượng và cường độ khác nhau, giảm được thời gian chiếu và có thể điều trị các loại khối u ở các vị trí khác nhau trong cơ thể. − Máy gia tốc trong y tế ngoài phần chính là máy gia tốc để tạo tia phóng xạ còn nhiều bộ phận khác nhằm đảm bảo việc điều trị có hiệu quả và an toàn. Những yêu cầu kỹ thuật đối với máy gia tốc trong xạ trị cũng đòi hỏi khắt khe hơn so với các lĩnh vực khác. − Có nhiều loại xạ trị trên máy gia tốc như xạ trị electron, photon, proton, nơtron, meson… II. ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC TRONG Y TẾ II.1. Xạ trị ung thư: Một số yêu cầu trong xạ trị sử dụng máy gia tốc: − Chùm bức xạ cần được xác định chính xác năng lượng, và có thể thay đổi kích thước và hướng chùm tia. − Liều lượng bức xạ trong chùm tia phải đồng đều và ổn định. − Đặc trưng phân bố liều theo bề dày khối u cần có một cực đại, tăng dần từng bước và suy giảm nhanh, trường chiếu có thể nhỏ nhất cả trước và sau khối u. − Năng lượng của hạt phải đảm bảo sự được khuếch tán trong toàn bộ khối u và có thể điều chỉnh năng lượng một cách dễ dàng. − Cường độ chùm hạt cần tương đối cao sao cho thời gian chiếu xạ ngắn và có thể thay đổi trong một giải rộng. − Cường độ chùm theo mặt cắt vuông góc với trục cần phải đồng nhất, chùm tia dễ dàng được chuẩn trực chính xác trong trường chiếu. − Khả năng thao tác dễ dàng của chùm tia sao cho có thể sử dụng cả chế độ xạ trị tĩnh và quay. 1. Phương pháp xạ trị electron và photon: − Giới hạn dưới của năng lượng electron khoảng 4 MeV và giới hạn trên phụ thuộc vào quãng chạy của hạt, với electron quãng chạy trong nước và các khối u mềm khoảng 0,5 cm/MeV. Quãng chạy trong xạ trị được định nghĩa là khoảng đẳng liều và bằng 2/3 quãng chạy cực đại. − Electron được sử dụng để chiếu xạ ngoài với các khối u nông như ung thư da. Khi đi sâu khoảng 5 cm thì liều lượng của chùm hạt electron gần như bằng không, do đó gây tổn hại rất ít tới các mô lành. − Tia X hay các photon bức xạ hãm được tạo thành khi bắn electron vào một bia hãm kim loại có số khối lớn. Các photon có quãng chạy lớn hơn và có thể điều chỉnh quãng chạy theo năng lượng. − Xạ trị photon được ứng dụng chủ yếu trong điều trị các khối u sâu. Người ta thường chia chùm tia thành nhiều chùm nhỏ chiếu theo các hướng khác nhau và hội tụ và khối u. − Một ưu điểm đặc biệt của xạ trị photon năng lượng cao là sự mệt mỏi của bệnh nhân ít hơn so với xạ trị tia X năng lượng thấp . − Ngày nay hầu hết các bệnh nhân được điều trị với các photon năng lượng cao và các electron nhanh. Máy gia tốc betatron, microtron hầu hết được thay thế bằng các máy gia tốc linac. Loại máy linac có ưu thế dễ sử dụng, nhỏ gọn hơn và cho liều chiếu cao hơn. + Phần gia tốc bao gồm: - Nguồn phát electron. - Hệ thống phát sóng cao tần dùng đèn magnetron hoặc klystron và ống dẫn sóng. - Bộ phận gia tốc. - Hệ thống phụ trợ như bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước… - Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia. - Hệ thông đèn Laser xác định trụ quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia. - Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân. - Hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và bệnh nhân. - Bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy. - Có hệ thống đo khoảng cách từ nguồn tới da bệnh nhân. - Có màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị. - Điều kiển thiết bị trên hệ thống máy tính. - Tự động ngắt máy khi có sự cố + Gường máy có thể điều khiển lên xuống, quay theo các góc. + Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị. + Hệ thống lưu giữ ảnh và in ảnh. + Hệ thống của che chắn nơtron. + Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ liều cao, máy đo phòng hộ tia xạ, hệ thống đo liều nơtron và cảnh báo nhiễm bẩn phóng xạ, hệ thống phantom, máy đo có hệ thống dây nối đồng trục dài để đo được từ ngoài vào buồng máy. Một số bộ phận chính trong thiết bị xạ trị electron và photon : Hình 1: Phân bố liều chiếu trong nước đối với electron (a) và photon (b) ở các năng lượng khác nhau. (a): electron (b): photon Hình 2 : Máy gia tốc linac xạ trị electron, photon Hình 3 : Máy gia tốc betatron xạ trị electron, photon 2. Phương pháp xạ trị proton và ion nặng: − Các hạt tích điện như proton hoặc ion nặng có hiệu quả hơn so với chùm photon trong việc tấn công phá hủy một số loại khối u, do chúng có những tính chất vật lý đặc biệt về phân bố liều cho phép thực hiện việc chiếu xạ chọn lọc lên các khối u và hạn chế mức độ thấp nhất ảnh hưởng của các mô lành xung quanh. − Khi tương tác với vật chất các loại bức xạ bị hấp thụ khác nhau. Từ hình 5 ta thấy sự phân bố liều của proton và ion nặng khắc hẳn với các loại bức xạ khác, chúng mất năng lượng chủ yếu bởi hiệu ứng ion hóa và kích thích các điện tử khi đi qua môi trường, đến cuối quãng chạy của hạt xuất hiện một đỉnh nhọn gọi là đỉnh bragg, sau đó liều giảm nhanh, có nghĩa là xung quanh đỉnh sự mất mát năng lượng là rất lớn. − Như vậy hiệu ứng bức xạ của các hạt tích điện lên các tế bào của cơ thể là rất thích hợp cho việc xạ trị các khối u. − Ngoài proton các ion nặng như heli, cacbon, oxy, nitơ… cũng được sử dụng nhiều trong xạ trị khối u. Hình 4: Phân bố liều chiếu đối với photon, proton và ion nặng - Đối với xạ trị proton ta có thể nhận được một suất liều cao với một dòng tương đối nhỏ. - Chùm proton với đường kính nhỏ được quét trên toàn bộ khối u và năng lượng liên lục được điều chỉnh bởi các chất hấp thụ sao cho quãng chạy của proton trùng với rìa của khối u. - Khối u được chiếu xạ với một liều phân bố đồng nhất. - Do có khối lượng tương đối lớn nên chùm proton ít bị phân tán bên trong tế bào. - Chùm proton có thể dễ dàng điều khiển một cách chính xác do đó chúng không hủy hoại những tế bào khỏe mạnh ở xung quanh khối u và ít gây ra tác động phụ cho bệnh nhân . - Chùm hạt proton hầu hết bị hấp thụ trong bia. - Xạ trị bằng proton đã chứng tỏ hiệu quả tốt hơn so với tia X thông thường trong việc chữa trị một số loại bệnh ung thư nhất định như ung thư đầu và cổ, ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt… - Hạn chế của xạ trị hạt tích điện là cần thiết bị gia tốc lớn, đắt tiền như các máy gia tốc cyclotron, synchrotron. [...]... tạo ra trên máy gia tốc Cyclotron Đồng vị Thời gian bán rã Phản ứng hạt nhân Năng lượng hạt, MeV Suất lượng mCi/h50 A 11C 20 ,5 phút 10B(d,n)11C 7,5 167 11C 20 ,5 phút 9Be(3He,n)11C 20 1800 13N 9,96 phút 12C(d,n)13N 7,5 5000 15O 2, 1 phút 15N(p,n)15O 7,5 1000 18F 110 phút 16O(3He,p)18F 20 450 24 Na 15 giờ 23 Na(d,p )24 Na 7,5 700 43K 22 ,4 giờ 43Ar(,p)43K 15 0.9 48V 16,1 ngày 48Ti(p,n)48V 15 6 52Fe 8,3 giờ... 8,3 giờ 50Cr(3He,n)52Fe 20 3,7 56Co 77,3 ngày 56Fe(p,n)56Co 15 6 57Co 26 7 ngày 57Fe(p,n)57Co 15 1 62Zn 9,3 giờ 60Ni(3He,n)62Zn 20 5 63Zn 38 phút 63Cu(p,n)63Zn 15 100 67Ga 78 giờ 65Cu(p,n)63Zn 20 3 74As 18 ngày 74Ge(p,n)74As 15 8 85Sr 64 ngày 85Rb(p,n)85Sr 15 2 87Sr 2, 8 giờ 87Rb(p,n)87Sr 15 80 87mY 14 giờ 87Sr(p,n)87mY 15 100 93mMo 6,9 giờ 93Nb(p,n)93Mo 15 40 123 I 13 giờ 123 Te(p,n) 123 I 15 50 Hình 8: Sơ... 15 50 Hình 8: Sơ đồ hệ sản suất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclotron II.3 Chụp ảnh y học 1 Ghi hình bằng máy PET − − − − − Một phương pháp hiện đại đang được sử dụng rất có hiệu quả trong y học là ứng dụng đồng vị phóng xạ trong việc chụp ảnh bằng phát xạ positron (PET-Positron Emission Tomography) Sử dụng máy gia tốc hạt để gây các phản ứng hạt nhân tạo ra các đồng vị phóng xạ có khả năng phát... cần ứng dụng những nguồn phóng xạ có năng lượng và cường độ lớn, thường là các nguồn từ máy gia tốc betatron, Van de Graaff và máy gia tốc thẳng − Betatron cho chùm với độ phân tán nhỏ (