Ứng dụng máy gia tốc 2

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

60Co có năng lượng trong bình 1,25 MeV hoặc dùng các kim Ra phóng xạvới năng lượng trung bình khoảng 1 MeV Do năng lượng gamma nhỏ nênviệc điều trị thường là đối với các khối u nông trên mặt da Muốn điều trị cáckhối u sâu hơn phải kéo dài thời gian chiếu tia Riêng đối với 60Co có thờigian sống tương đối ngắn do đó hoạt độ phóng xạ giảm đáng kể theo thờigian Để đảm bảo điều trị cần tăng thời gian chiếu Điều này dẫn đến ảnhhưởng xấu đối với bệnh nhân

− Xạ trị sử dụng máy gia tốc có ưu điểm đảm bảo liều chiếu ổn định, tạo racác chùm hạt với các chủng loại, năng lượng và cường độ khác nhau, giảmđược thời gian chiếu và có thể điều trị các loại khối u ở các vị trí khác nhautrong cơ thể

− Máy gia tốc trong y tế ngoài phần chính là máy gia tốc để tạo tia phóng xạcòn 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 khắtkhe 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 đổikích 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 dầntừng bước và suy giảm nhanh, trường chiếu có thể nhỏ nhất cả trước vàsau 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, chùmtia 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

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 vớichùm 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 hiệnviệc chiếu xạ chọn lọc lên các khối u và hạn chế mức độ thấp nhấtảnh hưởng của các mô lành xung quanh

− Khi tương tác với vật chất các loại bức xạ bị hấp thụ khác nhau Từhình 5 ta thấy sự phân bố liều của proton và ion nặng khắc hẳn vớicác loại bức xạ khác, chúng mất năng lượng chủ yếu bởi hiệu ứng ionhóa và kích thích các điện tử khi đi qua môi trường, đến cuối quãngchạy của hạt xuất hiện một đỉnh nhọn gọi là đỉnh bragg, sau đó liềugiảm nhanh, có nghĩa là xung quanh đỉnh sự mất mát năng lượng làrất lớn

− Như vậy hiệu ứng bức xạ của các hạt tích điện lên các tế bào của cơthể 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

Hình 5: Máy gia tốc cyclotron xạ trị proton

3 Phương pháp xạ trị sử dụng nơtron:

− Trong xạ trị photon, electron, proton sự phá hủy các thế bào ung thư bởi

sự tương tác với các nguyên tử Các loại bức xạ này có tốc độ truyềnnăng lượng tuyến tính thấp (low LET- linear energy transfer)

− Nơtron là bức xạ có độ truyền năng lượng tuyến tính cao Hiệu ứng sinhhọc rất mạnh Các tế bào bị chiếu xạ bởi nơtron khó có khả năng hồiphục

− Xạ trị nơtron thường được sử dụng để điều trị các loại tế bào kháng lạicác bức xạ thông dụng như photon, electron

− Xạ trị nơtron có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các dạng xạ trị khác

Do đó liều lượng chiếu xạ chỉ cần bằng khoảng 1/3 liều lượng đối vớichiếu xạ photon, electron hoặc proton 14,4 Gy liều tích lũy nơtron tươngđương với 43,2 Gy suất liều tia X và 63 Gy suất liều từ nguồn 60Co

− Nơtron nhanh có thể dùng điều trị các khối u lớn Các khối u nhỏ thườngđược sử dụng các bức xạ có LET thấp

− Thời gian điều trị đối với xạ trị nơtron khoảng 12 lần trong 4 tuần so với 30đến 40 lần trong 8 tuần với các loại xa trị thông dụng khác

- Một nguyên tắc xạ trị nơtron được sử dụng rất có hiệu quả là dựa trênkhả năng bắt đồng vị 7B bởi tế bào ung thư, các đồng vị7B khi đưa vào

cơ thể sẽ tập trung trong các khối u

- Khi ta bắn các khối u bằng một chùm nơtron nhiệt thì các nơtron này sẽ

bị hấp thụ bởi các đồng vị 7B qua phản ứng hạt nhân: 7B(n,)4He

- Các hạt  được tạo thành là hạt mang điện và có khả năng phá hủy các

tế bào ung thư trong các khối u

- Để có chùm nơtron năng lượng thấp cần làm chậm các nơtron nănglượng cao qua các vật liệu có khả năng nhiệt hóa cao như paraffin,nước,…

- Phương pháp điều trị bắt nơtron thực chất là xạ trị bằng hạt tích điện.Đây là phương pháp có nhiều triển vọng

− Phần lớn các máy xạ trị nơtron là Cyclotron Nơtron được tạo ra bằngcách bắn phá chùm đơteron đã được gia tốc vào bia thường là Be Máyphát nơtron với phản ứng D-T, D-D cũng được sử dụng nhiều trong xạ trịnơtron

Hình 6: Phân bố liều chiếu đối với nơtron, electron, tia X và proton

Hình 7: Máy gia tốc cyclotron dùng trong xạ trị nơtron

II.2 Sản xuất đồng vị phục vụ chẩn đoán và chữa bệnh

− Một trong những ứng dụng quan trọng của chất phóng xạ là kỹ thuật đánhdấu Nếu ta thay một đồng vị bền của một nguyên tố hóa học nào đó trongmột hợp chất bằng một đồng vị phóng xạ (còn gọi là đồng vị đánh dấu) thìquá trình hóa lý xảy ra trong hợp chất đó có thể xác định được qua việcnghiên cứu chuyển động của các đồng vị phóng xạ

− Các đồng vị đánh dấu được sử dụng trong y học phục vụ mục đích chẩnđoán và điều trị Thông thường các đồng vị đánh dấu được sản xuất trongcác lò phản ứng hạt nhân và phần lớn là các đồng vị sống dài Trong chẩnđoán và điều trị người ta thường dùng các đồng vị sống ngắn và chủ yếuđược sản xuất trên các máy gia tốc

− Ví dụ: Việc lưu thông máu của bệnh nhân được kiểm tra bằng cách đưamột lượng nhỏ Natri phóng xạ vào mạch máu Natri sẽ chuyển động trongcác mạch máu và được phân bố trong khắp cơ thể người Phát xạ củađồng vị Natri được đo bằng các ống đếm gamma đặt gần bệnh nhân Nếu

hệ thông lưu thông máu không tốt số đếm tia xạ sẽ tăng chậm, có bấtthường ở một số điểm nào đó Như vậy bằng cách đo tia xạ ở những phầnkhác nhau của cơ thể bệnh nhân chúng ta có thể ghi được tốc độ tích lũycủa các đồng vị đánh dấu và từ đó có thể xác định được vị trí của nơi mạchmáu bị tắc

− Ở các bệnh nhân bị bệnh bứu cổ (badơđô) lượng hấp thụ iốt ở tuyến giáptrạng sẽ tăng Để nghiên cứu chức năng của tuyến giáp trạng người tađưa vào cơ thể bệnh nhân đồng vị phóng xạ iot Thông qua việc đo số đếmcủa tia xạ trong khu vực tuyến giáp trạng, người ta có thể chẩn đoán đượcmức độ của căn bệnh này.

− Để không gây nguy hại cho cơ thể con người khi đưa đồng vị phóng xạvào cơ thể, người ta thường sử dụng các đồng vị có thời gian sống ngắn,

để có thể phân rã hết trong một thời gian ngắn…

− Một ứng dụng quan trọng của các đồng vị phóng xạ sống ngắn được sửdụng trong chụp ảnh bằng phát xạ positron, (PET - positron emissiontomography), phục vụ cho việc chẩn đoán sớm và chính xác các khối ucũng như các bệnh về tim mạch…

− Việc sản suất đồng vị được thực hiện chủ yếu trên máy gia tốc Cyclotronvới các hạt gia tốc như proton, đơteron, anpha Bia có thể ở các dạng khí,lỏng hoặc rắn Quy trình cơ bản trong sản xuất đồng vị trên cyclotron baogồm:

+ Lựa chọn loại bia và điều kiện chiếu xạ,

+ Thiết kế và chế tạo bia thích hợp,

+ Chiếu bia tạo đồng vị phóng xạ,

+ Tách chiết đồng vị và tạo dạng hóa học cần thiết,

+ Kiểm tra chất lượng đồng vị ở dạng thuốc phóng xạ chữa bệnh

Đồng vị Thời gian bán rã Phản ứng hạt nhân Năng lượng hạt, MeV Suất lượng

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 positron (e + ) Các positron khi đi vào cơ thể gây hiện tượng hủy cặp với các electron và phát ra hai tia gamma có năng lượng 511 keV và góc tương quan giữa chúng là 180 0

− Bằng việc ghi nhận cường độ của hai tia gamma 511 keV theo phương pháp trùng phùng kết hợp với các phần mềm xử lý người ta có thể xây dựng ảnh của các bộ phận cơ thể.

− PET có thể đo và chụp ảnh mạch máu và chức năng trao đổi chất của các cơ quan trong cơ thể con người Vì vậy có thể sử dụng trong việc chẩn đoán ung thư, kiểm tra chức năng của não, tim PET có vai trò đặc biệt quan trọng trong phát hiện khối

u ung thư cũng như theo dõi đánh giá kết quả của các phương pháp điều trị.

− Nếu như CT, MRT cho hình ảnh giải phẫu rõ nét thì PET vừa cho hình ảnh giải phẫu vừa cho hình ảnh chức năng chuyển hoá của khối u (ghi hình ở mức độ tế bào) Do vậy, ghi hình khối u bằng PET có độ nhạy và độ đặc hiệu cao hơn nhiều so với các phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác, đặc biệt là khả năng phát hiện các khối u ở giai đoạn rất sớm khi mà các phương pháp chẩn đoán khác chưa phát hiện thấy.

- Về mặt kỹ thuật PET có thể ghi lại và tái tạo ảnh theo 3 chiều không gian Độ dày một lớp cắt khoảng 3 - 4mm và có thể cắt theo 3 chiều (nằm ngang, chiều đứng trước - sau và phải - trái) PET có thể ghi hình toàn thân (quét toàn thân) hoặc từng

+ Hệ tổng hợp thành phần hóa học chứa đồng vị phóng xạ đánh dấu.

Đồng vị Thời gian bán rã Phản ứng hạt nhân

Hình 9: Sơ đồ của một hệ quét PET A: các nguồn hiệu chỉnh sự tắt dần; B: vách ngăn làm giảm sự tán xạ;

C: các khối đầu dò bao gồm các tinh thể; D: ống nhân quang điện; E: hệ che chắn.

- Gần đây người ta đã nghiên cứu tạo ra hệ thống kết hợp PET với CT - Scanner tức là ghép 2 loại đầu dò trên một máy và dùng chung hệ thống ghi nhận lưu giữ

số liệu, các kỹ thuật của PC Hệ thống này cho ta hình ảnh như ghép chồng hình của CT và xạ hình lên nhau nên có thể xác định chính xác vị trí giải phẫu (do hình

CT là chủ yếu) các tổn thương chức năng (do xạ hình là chủ yếu) Hệ thống này mang lại nhiều màu sắc phong phú cho kỹ thuật ghi hình phóng xạ nói riêng và ghi hình y học nói chung.

Hình 10: Thiết bị kết hợp PET/CT

b Sử dụng bức xạ đồng bộ để chụp ảnh CT-X

− Bức xạ đồng bộ (synchrotron radiation) được sử dụng rộng rãi trong nghiêncứu khoa học cơ bản và ứng dụng Khi các điện tử tương đối tính chuyểnđộng theo quỹ đạo tròn phát ra bức xạ đồng bộ với một góc rất nhỏ vớihướng chuyển động của điện tử

− Những đặc trưng chính của bức xạ đồng bộ là cường độ cao, giải phổ rộng,

độ phân cực cao, có chế độ xung và chuẩn trực tự nhiên Bức xạ đồng bộ

có giải phổ rộng từ tia gamma đến sóng vô tuyến

− Bức xạ đồng bộ được sử dụng để quan sát các vi cấu trúc vật chất, các viảnh, chẩn đoán và điều trị bệnh, nghiên cứu sinh học và phân tích hóa họcvới độ chính xác cao

− Bức xạ đồng bộ có thể được đơn sắc hóa qua các tinh thể đặc biệt Có thểnhận được những chùm tia X có độ chuẩn trực tự nhiên với cường độ gấphàng ngàn lần các nguồn tia X mạnh nhất

− Bức xạ đồng bộ có thể dùng để chụp ảnh CT (computer tomography) cáckhối U có kích thước rất nhỏ, phục vụ việc phát hiện sớm ung thư cũng nhưcác khối u còn lại sau điều trị

Một trong những phương pháp kiểm tra không phá mẫu được sử dụngrộng rãi nhất là phương pháp chụp ảnh phóng xạ ( RT Radiographictesting) Phương pháp này thường sử dụng các tia X và tia gamma đểtạo ra ảnh một mẫu vật, chỉ ra những thay đổi ở độ sâu, các khuyết tật,những thay đổi trong cấu trúc, các chi tiết Hiện có rất nhiều loại thiết bị

và kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ Do đó cần có những kỹ năng và kinhnghiệm trong việc lựa chọn những kỹ thuật thích hợp nhất đối với cácứng dụng cụ thể trên quan điểm về thao tác kỹ thuật, tốc độ, kinh tế, độnhạy

Nguyên lý chụp ảnh phóng xạ:

− Trong chụp ảnh phóng xạ công nghiệp, quy trình thông thường để tạo ramột ảnh phóng xạ là đặt một nguồn bức xạ có khả năng đâm xuyên cao(tia X và tia gamma) ở một phía của mẫu kiểm tra và phía bên kia đặtmột đầu dò bức xạ (thường là phim ảnh) để ghi nhận bức xạ truyền qua.Năng lượng của bức xạ phải chọn sao cho có đủ lượng bức xạ vào đầu

dò Đầu dò thường là một tấm phim ảnh đựng trong một caset có mặttrước rất mỏng để cho phép bức xạ đi qua

III ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC TRONG CÔNG NGHIỆP

III.1 Chụp ảnh công nghiệp: