Nghiên ứu, tính toán vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sản xuất fdg trên hệ thống cyclotron

62 Trang 11 PHẦN MỞ ĐẦU Trong nh ững năm qua, cùng v i sự phát triển nhanh chóng của khoa ớhọc kỹ thuật, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật trong lĩnh v c y ựsinh cũng không

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ

trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH S N XU T FẢ Ấ 18-FDG TRÊN BIA LỎNG 34

Synthera 41

2.2.5 Chia liều, kiểm nghi m và v n chuy n tệ ậ ể ới các cơ sở ử ụ s d ng PET 46

nước giàu H2O18 bằng chùm proton 46

2.3.1 Xuất lượng đ ng vị Fồ 18 theo thời gian chiếu: 46

2.3.2 Xuất lượng F18 theo năng lượng chùm tia 47

2.3.3 Xuất lượng F18 theo cường đ chùm tia 48ộ CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN V TRÍ D NG C A CHÙM PROTON Ị Ừ Ủ TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT F 18-FDG 49

3.1 Lý thuyết năng suất hãm và quãng chạy của chùm ion trong vật liệu 49

3.1.1 Năng suất hãm 49

3.1.2 Quãng chạy 51

3.2 Giớ thiệu về phần mềm SRIM-i CODE 51

3.3 Năng xuất hãm và quãng chạy của chùm proton trong bia lỏng s n xuả ất F18-FDG 55

3.3.1 Mô hình hóa lớp v t liậ ệu khi chiếu chùm proton lên bia lỏng H2O18 55

3.3.2 Xác định tỷ ọng các lớp vật liệu 56tr 3.3.3 Mô hình mô phỏng bằng SRIM 58

3.3.4 Kết quả mô phỏng bằng SRIM 59

3.3.5 Nhận xét và đánh giá 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH M C CÁC KÝ HI U, CÁC CHỤ Ệ Ữ VIẾT T T Ắ

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ , Đ TH Ồ Ị

Hình 1.1 C u t o cấ ạ ủa Cyclone 30 6

Hình 1.2 Nguồn Culham S4/3N 7

Hình 1.3 Sơ đồ ngu n ion 8ồ Hình 1.4 Dòng arc 10

Hình 1.5 Điện áp arc 10

Hình 1.6 Dòng khí 11

Hình 1.7 Điện áp triệt tiêu 12

Hình 1.8 Hệ thống dẫn chùm dọc trục 12

Hình 1.9 Nam châm lái 13

Hình 1.10 Thấu kính tĩnh điện Einzell 13

Hình 1.11 Th u kính solenoid (Glazer)ấ 14

Hình 1.12 Bộ gom h t (Buncher) 14ạ Hình 1.13 Giản đ mồ ặt c t ngang cắ ủa mặt ph ng trung tuyến Cyclotron 16ẳ Hình 1.14 Sơ đồ ệ ố h th ng RF 17

Hình 1.15 Hình dạng từ trường đ ng thời của cyclotron 30MeV 18ẳ Hình 1.16 Phân bố ừ trườ t ng trên các cực từ ủ c a Cyclotron 30MeV 19

Hình 1.17 Mô hình chiết dùng lá carbon 20

Hình 1.18 Mô hình chiết dùng lá carbon 21

Hình 1.19 Hệ ố th ng dẫn chùm 21

Hình 1.20 Kênh bia lỏng- khí sản xu t đ ng v ấ ồ ị cho PET 24

Hình 1.21 Kênh bia r n sắ ản xuấ ồt đ ng b cho SPECT 25ị Hình 1.22 Bơm chân không cho nguồn ion 26

Hình 1.23 Bơm chân không cho khoang gia tốc 26

Hình 1.24 Sơ đồ ệ ố h th ng đi u khiển cyclotron 30MeV 27ề

Hình 1.25 Màn hình SCADA điều khiển và theo dõi hoạt động của Cyclotron 28

Hình 1.26 Hệ ố th ng bơm làm mát cho Cyclotron 29

Hình 1.27 Giao diện hệ ố th ng theo dõi an ninh và an toàn vận hành 30

Hình 2.1 Hình dạng bia lỏng 34

Hình 2.2 Bộ chuẩn trực bia 35

Hình 2.3 Cửa sổ bia (Spacer, Titalium, Havar foil) 35

Hình 2.4 Thân bia 36

Hình 2.5 So sánh cấu tạo của F18-FDG và Glucose 38

Hình 2.6 Nguyên lý sản xuất F18-FDG bằng phản ứng thế ái nhân 38

Hình 2.7 Nạp nguyên liệu bia đ sảể n xu t đ ng v phóng x Fấ ồ ị ạ 18 39

Hình 2.8 Cường đ chùm tại các vị trí trong quá trình bắn bia Hộ 2O18 40

Hình 2.9 Kit IFP sử dụng trong s n xuất Fả 18-FDG của module IBA Synthera 41

Hình 2.10 Bộ ổ t ng hợp F18-FDG của IBA 42

Hình 2.11 Hoạ ột đ ng thường qui t ng hợp Fổ 18-FDG 42

Hình 2.12 Sơ đồ ổ t ng h p Fợ 18-FDG trên IBA Synthera 43

Hình 2.13 Xuất lư ng sinh ra đợ ồng v Fị 18 theo khoảng thời gian chiếu 47

Hình 2.14 Xuất lượng đ ng v Fồ ị 18theo năng lượng chùm tia 47

Hình 2.15 Xuất lượng F18 theo cường đ chùm 48ộ Hình 3.1 Năng suất dừng c a chùm proton trong nước giàu Hủ 2O18 50

Hình 3.2 Quãng chạy của proton trong nư c giàu Hớ 2O18 51

Hình 3.3 Giao diện phần mềm SRIM 53

Hình 3.4 Giao diện cài đ t l p vặ ớ ật li u bia và ionệ 54

Hình 3.5 Giao di n mô phệ ỏng quãng chạy của ion trong vật liệu 54

Hình 3.6 Kích thước bia l ng s n xuất Fỏ ả 18 56

Hình 3.10 Mô phỏng đâm xuyên của chùm proton trong bia 60

Hình 3.16 Suy giảm năng lượng chùm proton trong quá trình chiếu xạ 63

PHẦN MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: ỔT NG QUAN VỀ Ệ H THỐNG MÁY GIA TỐC

CYCLOTRON 30MEV

MeV rồi hàng trăm MeV

Chúng ta có thể phân chia máy gia tốc theo các loại khác nhau dựa trên

Trong đó:

những hạt nặng

a.Máy gia tốc hạt nặng

các máy gia tốc Cyclotron, Walton – Cockroft, Van De Graaff, máy gia tốc thẳng, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron

b Máy gia tốc hạt nhẹ

tốc thẳng, Betatron, Microtron, Synchrotron, Phasotron và Synchrophasotron

Walton – Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng

các loại máy gia tốc như:

Bao gồm các máy gia tốc Walton – Cockroft, Van De Graaff và máy gia tốc thẳng

b Máy gia tốc quỹ đạ o tròn

Tandem Van De Graaff

Bao gồm Cyclotron, Synchrotron, Phasotron, Synchrophasotron,

thiên

Phân loại theo năng lư ợ ng c a hạ ủ t đư ợc gia t c ố

máygia tốc như sau:

a Máy gia tốc phi tương đối

gia tốcWalton – Cockroft, Van De Graaff và Cyclotron

ánh sáng.Ví dụ: Máy gia tốc thẳng, Betatron, Synchrotron, Phasotron,

Hình 1.1 Cấu tạo của Cyclone 30

Trong đó:

Multicusp ion source: Nguồn ion multicusp

t Buncher: Bộ gom hạ

Inflector: Bộ lái tia

Solid copper dees: Các D đồng

Stripper probe positioning system: Hệ thống định vị lá stripper (carbon foil)

Exit ports: Các cổng ra chùm proton

trong nguồn là:

H

Hình 1.2 Nguồn Culham S4/3N

Hình 1.3 Sơ đồ nguồn ion

tiêu electron bắn ra cùng với các ion âm

chính xác

Bản chất của sự phóng plasma và cơ chế hình thành ion H- hay hiệu

• Dòng khí

Dòng arc (hồ quang điện)

dòng hồ quang điện bằng không

Hình 1.4 Dòng arc

Điện áp hồ quang điện

Hình 1.5 Điện áp arc

Dòng khí

Hình 1.6 Dòng khí

phá hủy bẫy

Hình 1.7 Điện áp triệt tiêu

Nam châm lái

Hình 1.9 Nam châm lái

Thấ u kính tĩnh đi n Einzell ệ

Hình 1.10 Thấu kính tĩnh điện Einzell

Thấu kính solenoid (Glazer)

B ộ gom hạt (Buncher)

Khoảng cách trung tâm trung tâm c a hai l– ủ ỗ trống là khoảng cách hạt

Bơm tĩnh điện

máy

tới năng lượng mong muốn ở bán kính chiết

như đã định

Hình 1.13 ảGi n đ m t cắ ồ ặ t ngang c a m t ph ng trung tuyến Cyclotron ủ ặ ẳ

(1) Sector, (2) Dees, (3) Dees ngược, (4) hai “máng” trống dành cho

mang điện

Để ngăn ch n phá h y do hiặ ủ ệu ứng multipactor, tín hiệu đư c đi u ợ ề

3 hoặc 5 KV

d H ệ thống nam châm

Hình 1.16 Phân ố ừ trường trên các cự ừ ủ b t c t c a Cyclotron 30MeV

giá thành rẻ

Magnet)

Hình 1.17 Mô hình chiết dùng lá carbon

lá thực hiện bên ngoài cyclotron Một carousel chứa 12 stripper fork cũng như

hàng yêu cầu

một trong các cổng đó

Hình 1.18 Mô hình chiết dùng lá carbon

1 Nam châm chuyển mạch

chùm bởi van cửa (3)

Colimator đường chùm là một c p hình trụặ quay trên các tr c không ụ

trống đôi được làm nguội bằng nước

các bơm khuếch tán dầu

Đường chùm đư c n p trên giá đ (17) đ m báo s c nh và s ợ ắ ỡ ể đả ự ố đị ự

Hình 1.21 Kênh bia rắn s ản xuấ ồ t đ ng bị cho SPECT

mBar Do vậy việc bơm chân không cho hệ thống được sử dụng các bơm chân không cao cấp như: bơm lạnh (Cryopump), bơm khuếch tán dầu (DOP), bơm

Penning

Hình 1.22 Bơm chân không cho nguồn ion

i H ệ thố ng đi u khiể ề n:

thông qua hệ thống máy chủ, truyền thông ethenet và profibus

Hình 1.25 Màn hình SCADA điều khiển và theo dõi hoạ ộ t đ ng c a Cyclotron ủ

h

phóng xạ

Hình 1.26 H ệ ống bơm làm mát cho Cyclotron th

Hình 1.27 Giao diện hệ ố th ng theo dõi an ninh và an toàn vận hành

1.2.2 Ứng dụng của máy gia tốc Cyclone 30 trong y tế

khác như công nghiệp, nông nghiệp

Sản xuấ t các đ ng vị cho SPECT ồ

hình ảnh chức năng của các cơ quan trong cơ thể Hình ảnh mà SPECT thu

năng ở ầ h u hết các cơ quan trong cơ th ể như tim, gan, thận, tuyến giáp, khung

Sản xuấ Tlt 201:Để ả s n xuất Tl201, bia được s dụng là bia rắn Tlử 203 làm

bia:

giáp

nhiễm

Sản xuất In111: In111(chu kỳ bán rã 76,2h) là đồng v rị ất đắt, nó liên kết

trình phản ứng:

mô nội tiết thần kinh Phương trình phản ứng:

Sản xuấ t các đ ng vị cho PET ồ

Chụp Positron cắt lớp hay còn gọi là PET (Positron emission tomography) là một kỹ thuật chẩn đoán trong chuyên ngảnh Chẩn đoán hình ảnh y học Cũng 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 chẩn đoán, xác định giai đoạn ung thư, theo dõi sau điều trị và phát hiện tái phát, chẩn đoán di căn

Sản xuất F18 : F18 là một trong những đồng vị phóng xạ quan trọng

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 Vì có thể gắn với glucose nên đi

hình chẩn đoán phát hiện ung thư sớm, ghi hình các khối u, đánh giá hiệu quả

95% Năng lượng chùm proton bắn phá là 18 MeV

Sản xuất C11 : C11 là đồng vị phóng xạ của nguyên tố Carbon, phân rã

khoảng 20,334 phút Bia sử dụng để bắn phá bằng chùm proton năng lượng

tuyến tiền liệt

lượng proton: 16 MeV

Sản xuất O15:O15 phát xạ position ở mức năng lượng 1.73KeV và là đồng vị rất có giá trị đối với chụp não bằng PET Tuy nhiên chu kỳ bán rã chỉ

2 phút nên chỉ được sử dụng tại nơi đặt máy gia tốc

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XU T FẤ 18-FDG TRÊN BIA LỎNG

chùm tia

Hình 2.2 B ộ chuẩn trực bia + Target Window (Spacer, Titalium, Havar foil): Target Window có tác dụng cách ly giữa vùng chứa vật liệu bia (target body) và khoang chân không

+ Target body: Target body hay thân bia là vùng chứa vật liệu bia, ở

động

2.1.2 Các loại bia lỏng

bia và vùng xung quanh

Bảng 2.1: Các loại bia sử ụ d ng đ s n xuất F ể ả 18-FDG

Tên Dung lượng

não…

Hình 2.5 So sánh cấu tạo của F18-FDG và Glucose

Các bước chuẩn b và th c hành s n xu t Fị ự ả ấ 18-FDG

2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu và kiểm tra hệ thống

Helium sạch

nạp vào là 1.85ml

2.2.2 Tiến hành bắn bia, hiệu chỉnh và theo dõi chùm tia, áp suất bia

Điều kiện làm mát cho bia bao gồm làm mát cho thân bia (dòng nước

15-30bar

2.2.3. Lắp kit tổng hợ Fp 18-FDG trên module tổng hợp t ự động IBA Synthera

Hình 2.10 B tộ ổng hợp F18-FDG của IBA

2.2.4. Tổng hợ Fp 18-FDG bằng module IBA Synthera

Bước 1 Tách F18 t ừ nước giàu O18 thu được từ bia sau khi bắ n

QMA (Quaternary Ammonium Anion Exchange - cột trao đổi amoni âm bậc

ứng trao đổi ion còn nư c H2O18 dư s đi vào bình thu hớ ẽ ồi F18 sau đó được rửa giải bằng dung dịch acetonitrile có chứa Kryptofix và K2CO3

phức với Kryptofix 222TM có cấu trúc vòng lớn hoặc muối Tetrabutylammonium Kryptofix 222TM có cấu trúc vòng ete, cấu trúc này

vào quá trình tổng hợp

Kryptofix 222TM

Bướ c 2 Bay hơi nư c giàu H ớ 2O18 dư với acetonitrile

vì nó tạo thành cấu trúc đẳng phí với hơi nước Quá trình bay hơi của

Bước 3 Thêm manose triflate vào bình phản ứng chứa dung dịch

-FDG

ứng thủy phân xảy ra trên b m t cột Sảề ặ n phẩm cuối cùng F18-FDG có thể ị b

PET/CT Hiện nay Trung tâm Máy gia tốc là đơn vị duy nhất cung cấp dược

PET/CT

bia nước giàu H2O18 bằng chùm proton

Hình 2.13 Xuấ t lư ng sinh ra đồ ợ ng v Fị 18 theo khoảng thời gian chiếu

Bằng cách thiết lập thời gian chiếu (Irradiation Time) bằng 100.000

2.3.3 Xuất lượng F18 theo cườ ng đ ộchùm tia

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN V TRÍ D NG C A CHÙM PROTON Ị Ừ Ủ

liệu

Lý thuyết năng suất hãm (stopping power) và quãng chạy (stopping

phóng xạ nói riêng

3.1.1 Năng suất hãm

Công thức Bethe – Bloch:

β=v/c

Có 2 loại năng xuất hãm:

hóa và sự kích thích nguyên tử

Năng suất hãm toàn phần: tổng năng suất hãm do va chạm và năng suất hãm do phát xạ

3.1.2 Quãng chạy

(3.2)

thực nghiệm như hình dưới

thuyết “ Stopping & Range of Heavy Ion ” được Lindhard, Scharff and

Schiott nghiên cứu và t ng hổ ợp năm 1963 và được g i là lý thuy t LSS Cho ọ ế

hay GEANT

SRIM cho phép tính toán năng suất hãm và quãng chạy của các hạt

the stopping and range of ions in solids” của Ziegler và Biersack năm 1985

nghiệm đã có cho ion H và He vào tất cả các bia

hóa, và sự ả s n sinh phonon Tấ ảt c các b c nguyên tử ủậ c a bia đư c theo dõi ợ

Hình 3.3 Giao diện phần mềm SRIM

Hình 3.4 Giao diện cài đặt lớp vậ ệt li u bia và ion

3.3 Năng xuất hãm và quãng chạ y c a chùm proton trong bia lỏng sản ủ

Hình 3.6 Kích thướ c bia l ng sả ỏ n xu t Fấ 18

trong phần mềm SRIM cũng tự động b sung tổ ỷ ọ tr ng khi lựa chọn l p vớ ật liệu

1bar

3.3.3 Mô hình mô phỏng bằng SRIM

Cài đặ t các l p vật liệu của Window: Đây là lớp phía trước mà chùm ớ

Carbon, Crom, Mangan, Coban…được lấy từ trong thư viện hợp chất

trọng của Havar (hình bên dưới)

Phầ n cài đ t v t li ặ ậ ệu bia: Đố ới v i vật liệu bia là nư c giàu Hớ 2O18 có tỷ

Hình 3.10 Mô phỏng đâm xuyên của chùm proton trong bia

Hình 3.12 V ịtrí dừng của chùm proton trong bia khi bắ ầ t đ u bắn

Hình 3.14 Vùng ion hóa khi bắ ầ t đ u bắn bia

Hình 3.15 Vùng ion hóa trong quá trình bắn bia

Hình 3.16 Suy giả m năng lư ng chùm proton trong quá trình chi u x ợ ế ạ

3.3.5 Nhận xét và đánh giá

bia

do vậy hiệu quả làm mát bia tốt hơn Tuy nhiên Havar là hợp kim của nhiều

các kim loại này

Chùm proton bị m t đi kho ng 5% năng lư ng (t 18MeV xu ng còn ấ ả ợ ừ ố

dày (50um) Tổn hao năng lượng khi đi qua Havar là 0.8MeV

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

hoàn thành được các nội dung sau:

bắn bia

Kh ả năng ứ ng d ng và phát triển củ ụ a đ tài ề

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Cyclone C30 operation guide

2 IBA PET Targetry- IBA Technical Information

Liquid Targets of Cyclotron, IAEA 2012, page 30-31

6 www.srim.org