Tiểu Luận - Vật Lý Y Sinh - Đề Tài - Ứng Dụng Hạt Nhân Trong Y Sinh

ỨNG DỤNG HẠT NHÂN TRONG Y SINH

I Nghiên cứu định hướng trong vật liệu nhấp nháy.

Nội dung

Định hướng hiện tại và tương lai

Các giới hạn cơ sở của chất nhấp nháyLịch sử phát triển

I Nghiên cứu đinh hướng trong vật liệu nhấp nháy

1 Lịch sử phát triển

• 15 năm qua, sử dụng rộng rãi để kích thích nhấp nháy Lý do bởi vì thời gian phân rã nội tại từ mức 5d xuống 4f nhỏ hơn nhiều chất khác Thời gian phân rã của biến thiên từ 17 tới 60 ns trong khi đó của trong NaI khoảng 230 ns

• Trong vòng 10 năm qua, nhóm nghiên cứu ở đại học công nghệ Delft bắt đầu nghiên cứu dạng hợp chất mới, ban đầu là clo-rua, tiếp theo là brom-mua và giờ là i-ốt-đua Cuối cùng những nghiên cứu ấy cũng đưa ra năm 2000, năm 2001.

2 Các giới hạn cơ sở của chất nhấp nháy

B Những giới hạn của ánh sáng phát ra.

Giới hạn cơ bản của ánh sáng phát ra

trong chất nhấp nháy được xác định bởi số cặp electron-lỗ trống được tạo ra trong vết ion hóa của tia gamma.

Giới hạn này tỷ lệ nghịch với độ rộng vùng cấm của hợp chất.

B Những giới hạn của ánh sáng phát ra.

C Những giới hạn cho độ phân giải năng lượng.

3 Định hướng nghiên cứu chất nhấp nháy

Ngày nay: Chất nhấp nháy phổ biến và kinh tế nhất là

Trường photon cao nhất 75.000photons/MeV.

Độ phân giải năng lượng nhỏ nhất ở 662keV với hiệu

suất đọc 2,8% với PMT và 2.5% với APD.

Thời gian phân rã ngắn nhất 16ns và mật độ

 Không nghi ngờ gì khi nó sẽ được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị xác định tia gamma trong tương lai cho các chẩn đoán y khoa.

3 Định hướng nghiên cứu chất nhấp nháy

Tương lai: theo lý thuyết người ta thấy rằng hợp

chất còn có thể tốt hơn nữa với

Trường photon cỡ 150.000/MeV Ghi được ở độ phân giải 2%

Thời gian sống cỡ 20s Mật độ cỡ

Do đó thời gian tới vẫn còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu để đưa tới một hợp chất nhấp nháy hiệu quả hơn nữa.

DETECTOR NHẤP NHÁY TRONG Y HỌC

Giới thiệu tổng quan

ứng dụng trong y học

2

II.1 Giới thiệu tổng quan

Bản chất

DETECTO

Cấu tạo

A.Cấu tạo

Gồm có 3 phần chính: phần dẫn quang, chất nhấp nháy và nhân quang

- Phần dẫn quang: dược chế tạo từ thạch anh, polisterol, hoặc thủy tinh hữu cơ,.

- Chất nhấp nháy: Có hiệu suất biến đổi cao, tỳ số năng lượng photon đi ra từ chất nhấp nháy này trên năng lượng mà hạt mất mát trong thể tích chất nhấp nháy gọi là hiệu suất kĩ thuật , thời gian phát sáng của chất nhấp nháy phải tốt ( độ kéo dài của xung ánh sáng phải tương đối nhỏ Gồm 2 loại: vô cơ và hữu cơ

+ Vô cơ: Chất nhấp nháy thường là muối vô cơ.Thời gian phát sáng của chất nhấp nháy vô cơ lớn hơn chất nhấp nháy hữu cơ hàng trăm, hàng nghìn lần

+ Hữu cơ : Thời gian sáng rất nhỏ hiệu suất ghi gamma thấp chỉ thích hợp trong việc ghi các hạt tích điện.

BẢN CHẤT: chuyển từ trạng thái kích thích của phần tử chất Qúa trình huỳnh quang :trường hợp các dịch nhấp nháy về trạng thái cơ bản

Xày ra nhanh

B.Nguyên tắc hoạt động

Khi 1 bức xạ ion hóa đi vào khối nhấp nháy sẽ kích thích nguyên tử hay phân tử tạo ra photon ánh sáng Qua lớp dẫn sáng các photon đập vào photocatode của NQĐ và ở lối ra của NQĐ xuất hiện 1 tín hiệu điện với biên độ khá lớn.

CT: là máy mô phỏng bằng tia lazer

- Để định vị chính xác vị trí, tư thế và tọa độ khi chụp ảnh, có khả năng tái tạo lại không gian phân bố mật độ của một đối tượng được kiểm tra (nội tạng của con người và động vật hay các mô),bằng sự phân phối các tín hiệu ở đầu ra của một mảng các tinh thể nhấp nháy nhỏ nằm ngang bằng cách quét các đối tượng được kiểm tra bằng một chùm tia X-quang song song và hẹp - Giúp tạo ảnh dạng thực của các cơ quan bị tổn thương phương pháp cổ

II.2 Ứng dụng

II.2 Ứng dụng

PET là một kỹ thuật hình ảnh phân tử minh họa chức năng, hoặc chuyển hóa, ở bác sĩ kiểm soát bệnh nhân trong các khoa ung thư, thần kinh và tim mạch Hitachi chịu trách nhiệm

sự hấp thụ tia X khác nhau của các mô trong cơ thể tùy theo tỷ trọng

của chính nó và trên các đo lường tính toán sự khác nhau về tỉ trọng nhờ máy tính điện tử.  Sự tái hiện hình ảnh lên màn hình hoặc trên phim, khi Gantry quét vòng tròn cho những hình ảnh cắt lớp ngang qua cơ thể

Cụm phát (bóng phát tia X) và thu tín hiệu tia X (detector): gọi là

Cụm đo lường, tính toán, xử lý, lưu trữ dữ liệu số hóa: Máy vi tính

Cụm tạo ảnh (tái cấu trúc hình ảnh - Imaging Reconstruction): Màn

hình (Monitor, display), máy in Laser, các ổ đĩa từ, đĩa quang

II.2 Ứng dụng

Gamma camera: là kỹ thuật xạ hình dùng khảo sát các chức năng hoạt động của những

cơ quan trong cơ thể, phát hiện sớm những thương tổn – điều mà các phương tiện chẩn đoán khác không làm được, ví dụ như khảo sát sự di căn của bệnh ung thư xương

Gamma Camera có Cấu tạo gồm 4 phần chính: Ống chuẩn trực Collimator, tinh thể phát sáng (scintillation crystal), ống nhân quang (PM – Photomultiplier tube), bộ phân tích chiều cao xung (PHA – Pulse height analyzer ) Mỗi thành phần này sẽ thực hiện một chức năng riêng trong việc chuyển ảnh gamma thành ảnh ánh sáng và truyền nó tới các thiết bị quan sát thích hợp hoặc tới phim

3.1.X-quang cắt lớp

Định nghĩa

Cung cấp khả năng tái tạo lại không gian

phân bố mật độ của một đối tượng kiểm tra (nội tạng con người hoặc động vật hay các mô)

Quét các đối tượng được kiểm tra bởi một chùm tia song song hẹp của X-quang.

Đặc điểm

Các Detector thu X-quang ở trạng thái rắn được nối quang học cùng với quang điốt silicon,cái mà chuyển đổi các tín hiệu ánh sáng nhấp nháy trong khỏang 300- 1100 nm vào

tín hiệu điện Một trong những yêu cầu quan trọng cho các vật liệu nhấp nháy là thời gian phân rã phát quang ngắn của nó (trong một máy tomograph, đảm bảo được tốc độ

3.1.X-quang cắt lớp

3.2.Máy phát positron

Định nghĩa đo lường

phân bố không gian của một nuclide giới thiệu đặc biệt phát ra positron bên trong cơ thể con người Điều này được thực hiện thông qua phát hiện

có mật độ cao và một số nguyên tử có hiệu quả cao thời gian phân rã nhấp nháy nên đủ ngắn

3.2.Máy phát positron

Vật liệu detector

nhấp nháy cho PET.gần đây đã tìm ra được chất nhấp nháy mới phù hợp hơn cho PET,kết quả đó là sự phát hiện tinh thể oxit nặng kích thích các ion hiếm trong đất(đa số là hợp chất cerium):

Lu2S3:Ce,LuAlO3:Ce, Lu2SiO5:Ce, Lu2Si2O7:Ce, LuF3:Ce, LuBO3:Ce16.

Trong số các vật liệu oxit được nghiên cứu chủ động, một số nhấp nháy xuất hiện

đặc biệt tạo ra nhiều triển vọng cho chụp cắt lớp positron, cụ thể hơn, các tinh thể oxit nặng dựa vào Lutetium Được sử dụng rộng rãi nhất là Lutetium

orthosilicate17 và orthoaluminate18, đã được phát hiện vào đầu những năm

3.2.Máy phát positron

bị chẩn đóan

CT

bị chẩn đóan

III.3.Xu hướng mới trong phát triển thiết bị chẩn đóan

Vật liệu detector

Việc phát hiện ra vật liệu nhấp nháy nặng mới, kết hợp phản ứng đủ nhanhvới ánh sáng có năng suất cao, kích thích tối ưu hóa thiết kế

cắt lớp X-quang và máy quét PET Có khả năng phát triển để tạo racác thiết bị đa chức năng và các công cụ cầm tay.

Bước tiếp theo phát triển hệ thống quét đa chức năng bằng cách kết hợpmột đơn photon phát từ tomograph máy tính (SPECT) với X-quang

tomograph máy tính (CT) hoặc tomograph phát xạ positron (PET) với CT.Trong hệ thống , dectector Germanium được sử dụng, được tạo thành từ hai hoặc

ba chất nhấp nháy, phân biệt mạnh ở độ sâu thâm nhập X-quang và

thời gian phân rã nhấp nháy Điều này cung cấp khả năng để tách ánh sáng

3.4.Máy gamma-camera

Đặc điểm, nguyên tắc hoạt động

Y tế gamma-camera được dành cho chẩn đoán bệnh mà

biểu hiện rõ ràng trong sự hình thành của các bất thường trong con người hay

mô động vật Các nguyên tắc hoạt động phổ biến cho tất cả các gammacameras,

bao gồm những điều sau đây: Một lượng nhỏ của một hạt nhân phóng xạ phát ra năng lượng thấp gamma-bức xạ được đưa vào cơ thể con người, cường độ phát quang được ghi lại bằng một hệ thống photomultipliers không phải là các nơi

bình thường trong cơ thể con người, bởi vì nuclide có xu hướng tích lũy trong dày đặc hơn (nhiều) mô (ví dụ, trong các khối u) Sử dụng tín hiệu phát ra từ photomultipliers, việc bất thường của các cơ quan chi tiết được

xây dựng lại.

Gần đây, các nỗ lực đã được thực hiện để tạo ra một máy gamma – camera nhỏ trên

cơ sở của một tinh thể bán dẫn CdZnTe

3.4.Máy gamma-camera

3.4.Máy gamma-camera

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

Phát hiện sự thâm nhập của các hạt

Ứng dụng

Phát hiện các neutron trong các hạt khác Kiểm tra sự phát xạ các hạt

Vi cắt lớp sinh học

1 Hướng đi tia X4 YAG không pha tạp dày 1mm

Ảnh minh hoạ nguyên lý vi chụp cắt lớp

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

Chất lượng ảnh tốt đạt được khi độ sâu của tiêu điểm (depth of focus) của hệ thống quang học được làm khớp với bề dày hấp thụ tia X hoặc bề dày của chấy nhấp nháy.

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

Trong ứng dụng này, xét các phim đơn tinh thể mỏng

Độ phân giải không gian (spatial resolution) của màn hình chụp vi cắt lớp được xác định thông qua bề dày phim YAG(Ce)

 5μm ứng với năng lượng 10 – 50 KeV.

Độ phân giải dựa trên bề dày phim YAG:Ce bị hạn chế Để cung cấp đủ sự hấp thụ tia X thì vùng năng lượng phải đạt 60KeV  đòi hỏi độ phân giải không gian phải thấp  bề dày phim phải giảm còn 1 – 2 μm  vì vậy người ta đề xuất đưa vào một nguyên tố nặng – Lutetium (Z=71), Lu3Al5O12 :Ce.

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

Tuy nhiên, khi làm thực nghiệm thì việc đưa vào nguyên tố nặng này gặp phải khó khăn về bản chất: một phim gồm nguyên tố

nặng sẽ có sự sai khác về chu kỳ mạng (lattice period) so với chất

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

Cụ thể, tấm phim mỏng được phát triển dựa trên cơ sở sự cấu thành với Lutetium (Z=71) Lu3Al5O12:Ce và YAG Trong đó, Cerium được pha tạp vào bằng cách thêm

Thay thế thành , , Thay thế thành

Nhưng gặp phải sự sai khác về chu kỳ mạng giữa Lu3Al5O12:Ce và YAG là quá lớn đối với sự nuôi tinh thể ổn đinh (stable epitaxial growth).

Vì vậy, giảm bằng 2 cách:

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp

Hình biểu diễn sự phân phối biên độ xung nhấp nháy đối với hạt alpha 5.15 MeV (Pu239) trong phim

Biên độ xung được đo bởi phương pháp chuẩn bằng cách sử dụng PMT Hamamatsu R 1307 và máy phân tích đa kênh MCA-03F.

Ngoài ra, để có một tấm ảnh hoản chỉnh, có thể nhắc đến các phim đa tinh thể (polycrystalline films) của các nguyên tố nặng có hiệu suất sáng dưới mức kích thích tia X, có thể sử dụng trong hệ thống ảnh tia X độ phân giải cao

Ví dụ, có thể nói đến phim đa tinh thể của Europium có pha tạp Gadolinium và Lutetium oxit được pha chế bằng phương pháp sol – gel

Ưu điểm quan trọng của chất nhấp nháy Gadolinium và Lutetium là cường độ vừa đủ của ánh sáng đỏ đối với đầu dò

IV Phim nhấp nháy mỏng trong vi cắt lớp