Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET

Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của cyclotron dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán YHHN với máy PET

VỊ PHÓNG XẠ TRONG CHUẨN ĐOÁN

YHHN VỚI MÁY PET

SVTH: Ngô Văn Cát CBHD: TS Nguyễn Đông Sơn CBPB: ThS Lê Công Hảo

-

Tp HỒ CH MINH – 2009

Em xin cảm ơn tới quý thầy cô trong khoa Vật Lý và quý thầy cô trong bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, đã truyền đạt những kiến thức hết sức quý báu để tạo hành trang cho

em bước vào đời

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đông Sơn, thầy đã trực tiếp hướng dẫn em, để em thực hiện và hoàn thành khóa luận này

Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Lê Công Hảo, thầy đã truyền đạt kiến thức

và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận

Tôi cũng cảm ơn tới tất cả các bạn trong lớp 05VLHN, đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi theo học và làm đề tài khóa luận

Kính chúc quý thầy cô và các bạn cùng gia quyến dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và đạt nhiều thành công trên con đường đã chọn

Ngô Văn Cát

Trang

Mục lục……… 1

Danh mục chữ viết tắt……… 3

Danh mục kí hiệu……… 4

Danh mục bảng biểu, hình vẽ……… 5

Tổng quan………6

CHƯƠNG 1 ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ DÙNG VỚI MÁY PET……… 7

1.1 Nguyên tắc ghi ảnh của máy PET……… 7

1.2 Một số đồng vị dùng trong máy PET……… 9

1.3 Một số yêu cầu về đồng vị……… 9

1.4 Cách tạo nguồn đồng vị trong y học……… 10

1.4.1 Chế tạo bằng lò phản ứng………10

1.4.1.1 Tách lọc từ các sản phẩm phân hạch trong lò phản ứng…….10

1.4.1.2 Kích hoạt Neutron……… 11

1.4.1.3 Chế tạo bằng đồng vị phóng xạ khác……… 12

1.4.2 Sản xuất bằng máy gia tốc……… 13

CHƯƠNG 2 VIỆC SẢN XUẤT CÁC ĐỒNG VỊ BẰNG MÁY CYCLOTRON 14

2.1 Sản xuất các đồng vị bằng máy Cyclotron……… 14

2.2 Giới thiệu Cyclotron……… 14

2.2.1 Nguyên lý Cyclotron………14

2.2.2 Nguyên lý cấu tạo máy Cyclotron………22

2.2.3 Nguyên lý hoạt động máy Cyclotron……… 23

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU MÁY RDS111………26

3.1 Tóm lược lý thuyết vận hành……… 26

3.2 Cấu tạo máy RDS111……… 27

3.2.1 Hệ thống chân không………28

3.2.2 Hệ thống nam châm……… 29

3.2.3 Hệ thống tần số RF……….……… 31

3.2.4 Hệ thống nguồn Ion……….……… 32

3.2.5 Hệ thống tách……….………….………… 33

3.2.6 Tổng quan hệ thống bia……….……… 34

3.2.6.1 Ống chuẩn trực……… ……… 36

3.2.6.2 Bộ phận thay đổi bia……… ……… 36

3.2.6.3 Bia……… ……… 37

3.2.6.4 Thiết bị hỗ trợ bia……… ……… 38

3.2.7 Hệ thống hóa học……… ……… 38

3.2.7.1 GPU……… ……… 39

3.2.7.2 Bia [O15]……… ……… 39

3.2.7.3 CPCU……… ………39

3.2.7.4 FDG 4-RX ……… ……… 40

3.2.8 Sự che chắn……….……… 40

3.2.8.1 Hệ điều khiển che chắn……… ……… 41

3.2.8.2 Khóa an toàn……… ……… 41

3.3 Về người sử dụng……… … 43

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

Danh mục chữ viết tắt

Chữ viết tắt Ý nghĩa

RDS111 Hệ thống cấp liều bức xạ PIG Nguồn ion

PET Máy ghi ảnh cắt lớp

LOR Sự trùng phùng ghi được

Danh mục kí hiệu

Eamu Năng lượng tương đương của đơn vị

khối lượng nguyên tử

RF

Rextr eff Bán kính phóng hạt hiệu dụng

Danh mục bảng biểu và hình vẽ

Bảng 1.1 Một số nguồn đồng vị và phản ứng kích hoạt……… 11

Bảng 1.2 Một số đồng vị phóng xạ……… 12

Hình 1.1 Xác định tọa độ phân hủy positron trong máy PET……… 8

Hình 1.2 Nhiều LOR đi qua nhiều điểm……… 9

Hình 2.1 Mô hình đơn giản về Cyclotron……… 22

Hình 2.2 Dạng khác của các Dee trong máy gia tốc hiện đại……… 23

Hình 2.3 Mặt cắt nhìn từ phía trên vùng gia tốc cho thấy Cyclotron với một Dee và một mặt phẳng……… 24

Hình 2.4 Cyclotron dùng vách ngăn tĩnh điện để chiết các ion năng lượng cao ……… 25

Hình 3.1 Hệ thống chân không……… 29

Hình 3.2 Hệ thống cực nam châm……… 30

Hình 3.3 Hệ thống bia……… 36

Hình 3.4 Bộ phận xử lý khí……… 39

Hình 3.5 Bộ phận xử lí hóa học……… 40

Hình 3.6 Hệ thống che chắn……… 41

TỔNG QUAN

Máy PET dùng để ghi ảnh cắt lớp dùng đồng vị phát positron Việc tạo ra các đồng vị phát positron hiện nay chỉ sản xuất được với máy gia tốc Cyclotron

Trong khóa luận này, chúng tôi tìm hiểu về nguyên lý cấu tạo, hoạt động của một

hệ máy Cyclotron cụ thể là RDS111, dùng để sản xuất nguồn đồng vị phóng xạ trong chuẩn đoán YHHN với máy PET

Chương 1: Nguyên tắc ghi ảnh của máy PET Một số yêu cầu về nguồn đồng vị Các phương pháp tạo nguồn đòng vị phóng xạ dùng trong YHHN, bằng lò phản ứng và bằng máy gia tốc

Chương 2: Sản xuất các đồng vị phóng xạ phát positron bằng Cyclotron Tìm hiểu

về nguyên lý cấu tạo và nguyên lý hoạt của Cyclotron

Chương 3: Giới thiệu cụ thể về hệ thống cấp liều bức xạ hạt nhân RDS111

CHƯƠNG 1 ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ DÙNG VỚI MÁY PET

1.1 Nguyên tắc ghi ảnh của máy PET

Máy PET (positron emission tomography) là máy ghi ảnh cắt lớp dùng đồng vị phát positron

Đồng vị phóng xạ phát ra một positron (β+) thay vì một photon (gamma)

Trong chuẩn đoán với máy PET, người ta lợi dụng cặp gamma sinh ra từ sự hủy cặp positron-electron để xác định vị trí có nguồn phát bức xạ Do các hạt hạt nhân được

sử dụng phải là những chất phát positron (β+) [1]

Các hạt nhân phát (β+) là những hạt nhân có số lượng proton thừa so với neutron

Để tạo ra các hạt nhân có số lượng proton thừa, người ta bắn proton (1p), hạt deutron (2H, bao gồm một protron và một neutron) hay hạt anpha (4α) vào hạt nhân khác (phản ứng hạt nhân)

Muốn lọt vào hạt nhân bị bắn, các hạt (p, d, α) phải có động năng đủ lớn (khoảng trên 10 MeV)

Cách thức máy PET xác định tọa độ phân hủy của positron được miêu tả trong hình 1.1 Theo đó trong máy PET, các detector được bố trí thành vòng tròn, mẫu được đặt ở giữa Khi ghi nhận hai gamma phát ra có phương gần như ngược chiều nhau và xác nhận sự trùng phùng, máy PET sẽ xác nhận vị trí phát ra của hai tia gamma

Hình 1.1 Xác định tọa độ phân hủy positron trong máy PET

Mỗi sự kiện trùng phùng ghi được tương ứng với một LOR (light of response) xác định

Mỗi LOR đặc trưng cho tọa độ hủy của positron trong mô Trong tọa độ cực LOR tương ứng với một góc nghiêng θ và một khoảng cách r đến gốc tọa độ

Gọi n là số detector trên một vòng tròn, thì số LOR tối đa giữa các cặp detector trên cùng vòng tròn sẽ là n2/2

Các máy PET hiện đại có nhiều vòng tròn, và các detector của các vòng tròn khác nhau cũng có thể ghi nhận trùng phùng, do đó số LOR tổng cộng là khá lớn, có thể đến hàng triệu LOR

Detector

Tia gamma tạo ra

Sự va chạm positron-electron

Hình 1.2 Nhiều LOR đi qua nhiều điểm

1.2 Một số đồng vị dùng trong máy PET

Đồng vị Chu kỳ bán rã C-11 20 phút N-13 10 phút O-15 2 phút F-18 110 phút

1.3 Một số yêu cầu về đồng vị phóng xạ

Nguồn phóng xạ dùng làm chất đánh dấu cho chuẩn đoán hình ảnh YHHN phải là nguồn cho phép ghi ảnh chất lượng tốt và ít gây nguy hiểm cho bệnh nhân

Một nguồn phóng xạ lý tưởng cần thỏa mãn những yêu cầu sau:

- Có thể dùng để đánh dấu nhiều hợp chất thích hợp với cơ quan (cho phép

kiểm tra bằng nhiều cách)

- Không phát bức xạ dạng hạt (β, α, Neutron, v.v…), chỉ phát photon (ít gây

nguy hiểm cho bệnh nhân)

- Chu kỳ bán rã xấp xỉ bằng thời gian chuẩn đoán (thuận tiện)

- Photon phát ra phải có năng lượng đủ cao để có thể xuyên qua cơ thể nhưng phải đủ nhỏ để có thể được bắt bởi detector Tốt nhất là một loại năng lượng (ghi ảnh

tốt)

- Có thể sản xuất với hoạt độ riêng lớn để chỉ cần đưa một lượng nhỏ vào cơ

thể, không ảnh hưởng đến quá trình sinh hóa của bệnh nhân (ghi ảnh đúng)

- Dễ sản xuất tại bệnh viện

236U sau đó có thể bị phân rã thành nhiều sản phẩm khác nhau, người ta thấy rằng

có hơn 100 hạt nhân đại diện cho hơn 20 nguyên tố khác nhau là sản phẩm của quá trình phân rã trên Thông thường các sản phẩm phân hạch này có số khối từ 85 đến

105, và một nhánh có số khối từ 130 đến 150

Các sản phẩm phân hạch gồm n các hạt nhân phát β- và các hạt nhân bền Trong

số đó có một số hạt nhân phóng xạ có chu kỳ phân rã đặc biệt có thể tách ra từ các sản phẩm phân hạch Mo99 có chu kỳ phân rã 65.9h, là sản phẩm phân hạch được tách ra phổ biến nhất ngoài ra còn có I131 Dưới đây là phản ứng tạo ra Mo99

trong lò phản ứng

U235 + 1n → Cs137 + Mo99 (1.2)

Mo99 sau đó phân rã tạo Mo99→ Tc 99m+β-+ ν (1.3)

Tc 99m là đồng vị phổ biến dùng trong máy Spect

Chế độ phản ứng chính trong phân tích kích hoạt neutron là  n, Đặc biệt nồng

độ hạt nhân bị kích hoạt rất thấp cho dù thông lượng neutron rất cao đi nữa Một số trường hợp kích hoạt neutron thực hiện theo phương thức phân tử nhân con phân rã theo hình thức bắt electron, hoặc phát β+, song nhiều trường hợp phân tích kích hoạt neutron theo hướng phức tạp hơn

Bảng 1.1 trình bày một số nguồn đồng vị được dùng trong y học và phản ứng kích hoạt neutron tạo ra chúng

-, γ ) 41K(n, γ )42K 6.7 51

Cr (EC, γ) 51Cr(n, γ )52Cr 4.3

59Fe (β- , γ ) 58Fe(n γ 59Fe 0.3

1.4.1.3 Chế tạo bằng đồng vị phóng xạ khác

Một số đồng vị phóng xạ phân hủy tạo ra sản phẩm con cũng phân rã phóng xạ

Các sản phẩm là con cháu này một số được dùng trong các ứng dụng y học

Trong bảng 1.2 cặp đồng vị cha con quan trọng nhất là cặp Mo99- Tc 99m bởi khả năng ứng dụng rộng rãi của Tc 99m

1.4.2 Sản xuất đồng vị bằng máy gia tốc

Các hạt mang điện được gia tốc trong các máy gia tốc đến năng lượng đủ cao để bắn phá các hạt nhân làm cho các hạt nhân này trở thành hạt nhân phóng xạ Sau khi được gia tốc động năng của các hạt mang điện tăng lên đến giá trị nhất định năng lượng

có thể đạt được của hạt sau khi gia tốc được cho bởi công thức

E(MeV) = 4.8x10-3(H x R x Z) /A 2 (1.4) Trong đó:

H là độ lớn của từ trường

R là bán kính của quỹ đạo gia tốc trong máy gia tốc

Z, A là số thứ tự và số khối của hạt được gia tốc

Bởi tác dụng của hiệu ứng tương đối tính nên ít ứng dụng gia tốc electron trong các máy Cyclotron, mà chủ yếu gia tốc các hạt mang điện nặng như p, α… Trong máy gia tốc Cyclotron, hạt p có thể được gia tốc đến 30 MeV, α có thể được gia tốc đến 15 MeV và hạt Deuterons có thể được gia tốc đến 8 MeV

Các phân rã chủ yếu của hạt nhân phóng xạ được tạo ra bằng máy gia tốc thường

là bắt electron

CHƯƠNG 2 VIỆC SẢN XUẤT CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

BẰNG MÁY CYCLOTRON 2.1 Sản xuất các đồng vị bằng máy Cyclotron

Các đồng vị chủ yếu dùng trong chuẩn đoán PET: F-18 (T = 110 phút), C-11 (T =

Một máy Cyclotron có thể cung cấp dược chất cho khoảng 5 máy PET

2.2 Giới thiệu Cyclotron

 Xét trường hợp hạt phi tương đối tính

Với m = mo, trong từ trường đồng nhất và đối xứng trục Để thuận tiện, ta xét Botheo chiều âm của trục z, nghĩa là Bz B0, sẽ cho ta một sự quay phải Phương trình khi đó được rút gọn thành

pRqB

0

qBm

Với e là điện tích electron và Eamu là năng lượng tương đương của đơn vị khối

lượng nguyên tử được định nghĩa là 1

Đối với sự gia tốc lặp lại, chúng ta cần sự cộng hưởng giữa tần số quỹ đạo và điện

áp gia tốc RF Điều kiện cộng hưởng được thỏa mãn nếu tần số gia tốc của hệ f bằng RFvới tần số quay của hạt chuyển động, hoặc là điều hòa h cao hơn của nó

số lượt n và số điều hòa h Nếu từ trường thay đổi so với từ trường đồng nhất Bo một lượng  B (B B ) 0 , thì sự tăng pha  giữa chùm tia và tần số điều khiển RF được cho bởi

0

B(sin ) 2 hn

B



Hạt bị giảm vận tốc và mất đi nếu pha của chúng vượt quá +90o hoặc -90o

 Xét trường hợp tương đối tính:

Phương trình tổng quát của Cyclotron p qRB nhận được ở trên miêu tả mối liên

hệ giữa cảm ứng từ B và chuyển động của hạt (động lượng p và bán kính quỹ đạo)

trong toàn bộ quá trình gia tốc Nó vẫn đúng ngay cả trong trường hợp hạt có vận tốc tương đối tính, bởi vì sự tăng khối lượng tương đối tính đã được tính đến Viết lại phương trình kèm theo các tham số  và  ta có:

Với  và  được định nghĩa trong biểu thức theo vận tốc hạt v, vận tốc ánh sáng

c và năng lượng tổng của hạt Etot (tổng của năng lượng nghỉ m0c2 và động năng)

vc

2 tot

Chúng ta thấy rằng vận tốc góc  chỉ có thể là hằng số nếu độ mạnh của trường

thay đổi theo sự gia tăng khối lượng tương đối tính trong suốt quá trình gia tốc Cảm ứng từ B vì vậy phải là hàm theo bán kính



3 amu

c

C 0,32184T m E

Trong isochronous Cyclotron, bán kính quỹ đạo R tỷ lệ với  Nó có thể được viết theo R, bán kính quỹ đạo tuyệt đối của một hạt với  1

R là một tham số rất thuận tiện cho việc tính toán Các giá trị đặc biệt là

R=3,130m cho proton trong trường B0 = 1T ở tâm nam châm, R=1,70mm cho electron trong từ trường B0=1 T Tuy nhiên, chú ý rằng B B0 trở nên vô hạn khi

Vì vậy, nói chung, từ trường Cyclotron là không đồng nhất như giả định ban đầu nhưng là một hàm của bán kính r và phương vị  Bởi vì dạng tổng quát của cảm ứng

từ B(r, ) là một hàm đối xứng theo  và chuyển động của hạt là khép kín, các phương trình cho ở trên vẫn còn đúng nếu giá trị trung bình Bav và Rav được sử dụng Ở đây Bavđược lấy là trung bình của từ trường trong một chu kỳ khép kín Rav được định nghĩa

av

LR2



Với L là độ dài quãng đường trong suốt chu kỳ

 Động lượng và năng lượng của chùm tia phát ra

Sự hiệu chỉnh tương đối cũng phải được tính đến nếu động năng của hạt được tính từ động lượng p hay từ các tham số tương ứng đã biết của Cyclotron Dạng tương đối tính tổng quát của động lượng p và động năng E là:

0

2 2

Khi những biểu thức này được sử dụng để tính năng lượng của một chùm tia phát

ra, ta phải tính đến yếu tố phụ thuộc của năng lượng vào bán kính hạt lúc phát ra Rất quan trọng để nhấn mạnh rằng chúng ta phải phân biệt giữa bán kính quỹ đạo của hạt gia tốc và tọa độ r trong nam châm Cyclotron Chỉ trong trường hợp quỹ đạo tròn có tâm ở từ trường, thì R mới bằng tọa độ r trong nam châm Hơn thế nữa, những chuyển động không có tâm sẽ khiến cho hạt với bán kính quỹ đạo R nào đó tiến đến vùng mà

chùm tia bị kéo khỏi quỹ đạo Cyclotron, trước khi động lượng của chúng đạt đến giá trị tương ứng với vị trí tọa độ của hệ thống phóng hạt ra Vì vậy, bán kính phóng hạt hiệu dụng, Rextr eff, hay bán kính xác định năng lượng, phụ thuộc vào tâm của quỹ đạo liên quan đến chất lượng chùm tia Nó cũng bị ảnh hưởng bởi sự điều chỉnh của quá trình phóng hạt Trong trường hợp tổng quát của một Cyclotron với từ trường biến đổi phương vị, R = Rav phải được sử dụng

Đối với một từ trường cho trước, năng lượng trên đơn vị khối lượng nguyên tử tỷ

lệ với (Z/A)2

2

EK(Z / A)

Với hệ số K được xem như giá trị K của nam châm Cyclotron Ngược với máy gia tốc thẳng (mà vận tốc được xác định bởi thiết kế), Cyclotron có thể đạt đến mức năng lượng cao hơn nếu hạt ion ở trạng thái tích điện cao hơn được gia tốc

Đối với hầu hết Cyclotron, sự hiệu chỉnh tương đối tính là không lớn :  1,05 ở năng lượng proton 50MeV, và hệ số 2

2 / (  1) 1,08 gần bằng đơn vị

Ở vận tốc tương đối tính, chùm tia thường được miêu tả trong biểu thức của pc

2 0

Để tính được tác động của các thiết bị hội tụ từ trường, độ cứng của từ trường Bđược sử dụng Nó được định nghĩa như sau:

RF 6

(f / h)p

2.2.2 Nguyên lý cấu tạo máy Cyclotron

Một Cyclotron đơn giản được mô tả ở hình 2.1.[1]

Hình 2.1 Mô hình đơn giản về Cyclotron

- Gồm một nguồn phát ion (ion source), bộ phận gia tốc ion và bia (target)

- Một số máy gia tốc ion âm Khi đó nguồn phát ion tạo ra các ion âm (chẳng hạn như –H)

- Bộ phận gia tốc thường gồm hai hộp có dạng hình chữ D (Dee) cách nhau một khe hở

- Hai Dee được nối với nguồn điện xoay chiều

- Có một từ trường đặt vuông góc với mặt phẳng của hai Dee

- Trong các máy hiện đại, các Dee có thể có dạng khác chữ D

Điện từ

Cực nam

Cực bắc Các cuộn

Cường độ từ trường Dee

Tia Dee

Điện trường xoay chiều