Nghiên cứu tính toán vị trí dừng của chùm proton trong bia lỏng sản xuất FDG trên hệ thống cyclotron

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT FDG TRÊN HỆ THỐNG CYCLOTRON LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH Hà Nội – Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT FDG TRÊN HỆ THỐNG CYCLOTRON Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT Y SINH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÁI HÀ Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc rõ ràng phép công bố Hà nội, ngày tháng năm 2018 Học viên thực Nguyễn Hữu Sơn i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY GIA TỐC CYCLOTRON 30MEV 1.1 Lịch sử phát triển phân loại máy gia tốc 1.1.1 Lịch sử phát triển máy gia tốc 1.1.2 Phân loại máy gia tốc 1.2 Hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV 1.2.1 Nguyên lý cấu tạo hoạt động Cyclotron 30MeV 1.2.2 Ứng dụng máy gia tốc Cyclone 30 y tế 30 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SẢN XUẤT F18-FDG TRÊN BIA LỎNG 34 2.1 Cấu tạo hệ thống bia lỏng sản xuất F18-FDG 34 2.1.1 Cấu tạo bia lỏng 34 2.1.2 Các loại bia lỏng 36 2.2 Quy trình sản xuất F18-FDG máy gia tốc Cyclotron 30MeV 37 2.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu kiểm tra hệ thống 39 2.2.2 Tiến hành bắn bia, hiệu chỉnh theo dõi chùm tia, áp suất bia 39 2.2.3 Lắp kit tổng hợp F18-FDG module tổng hợp tự động IBA Synthera 41 2.2.4 Tổng hợp F18-FDG module IBA Synthera 43 ii 2.2.5 Chia liều, kiểm nghiệm vận chuyển tới sở sử dụng PET 46 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới xuất lượng đồng vị phóng xạ F18 sau bắn bia nước giàu H2O18 chùm proton 46 2.3.1 Xuất lượng đồng vị F18 theo thời gian chiếu: 46 2.3.2 Xuất lượng F18 theo lượng chùm tia 47 2.3.3 Xuất lượng F18 theo cường độ chùm tia 48 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT F18-FDG 49 3.1 Lý thuyết suất hãm quãng chạy chùm ion vật liệu 49 3.1.1 Năng suất hãm 49 3.1.2 Quãng chạy 51 3.2 Giới thiệu phần mềm SRIM-CODE 51 3.3 Năng xuất hãm quãng chạy chùm proton bia lỏng sản xuất F18-FDG 55 3.3.1 Mơ hình hóa lớp vật liệu chiếu chùm proton lên bia lỏng H2O18 55 3.3.2 Xác định tỷ trọng lớp vật liệu 56 3.3.3 Mơ hình mơ SRIM 58 3.3.4 Kết mô SRIM 59 3.3.5 Nhận xét đánh giá 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT - FDG: fluorodeoxyglucose - PET: positron emission tomography - SPECT: single-photon emission computed tomography - PET/CT: positron emission tomography/ computed tomography - SRIM: The Stopping and Range of Ions in Matter - TRIM: The Transport of Ions in Matter - RF: Radio Frequency - D: Dee - MeV: mega electronvolt - μA: micro ampere - mCi: mili Curie - IAEA: International Atomic Energy Agency iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các loại bia sử dụng để sản xuất F18-FDG 37 Bảng 3.1: Bảng giá trị kích thước tỷ trọng 57 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu tạo Cyclone 30 Hình 1.2 Nguồn Culham S4/3N Hình 1.3 Sơ đồ nguồn ion Hình 1.4 Dịng arc 10 Hình 1.5 Điện áp arc 10 Hình 1.6 Dịng 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 Thấu kính solenoid (Glazer) 14 Hình 1.12 Bộ gom hạt (Buncher) 14 Hình 1.13 Giản đồ mặt cắt ngang mặt phẳng trung tuyến Cyclotron 16 Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống RF 17 Hình 1.15 Hình dạng từ trường đẳng thời cyclotron 30MeV 18 Hình 1.16 Phân bố từ trường cực từ Cyclotron 30MeV 19 Hình 1.17 Mơ hình chiết dùng carbon 20 Hình 1.18 Mơ hình chiết dùng carbon 21 Hình 1.19 Hệ thống dẫn chùm 21 Hình 1.20 Kênh bia lỏng- khí sản xuất đồng vị cho PET 24 Hình 1.21 Kênh bia rắn sản xuất đồng bị cho SPECT 25 Hình 1.22 Bơm chân khơng cho nguồn ion 26 Hình 1.23 Bơm chân không cho khoang gia tốc 26 vi Hình 1.24 Sơ đồ hệ thống điều khiển cyclotron 30MeV 27 Hình 1.25 Màn hình SCADA điều khiển theo dõi hoạt động Cyclotron 28 Hình 1.26 Hệ thống bơm làm mát cho Cyclotron 29 Hình 1.27 Giao diện hệ thống theo dõi an ninh an tồn 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 F18-FDG Glucose 38 Hình 2.6 Nguyên lý sản xuất F18-FDG phản ứng nhân 38 Hình 2.7 Nạp nguyên liệu bia để sản xuất đồng vị phóng xạ F18 39 Hình 2.8 Cường độ chùm vị trí q trình bắn bia H2O18 40 Hình 2.9 Kit IFP sử dụng sản xuất F18-FDG module IBA Synthera 41 Hình 2.10 Bộ tổng hợp F18-FDG IBA 42 Hình 2.11 Hoạt động thường qui tổng hợp F18-FDG 42 Hình 2.12 Sơ đồ tổng hợp F18-FDG IBA Synthera 43 Hình 2.13 Xuất lượng sinh đồng vị F18 theo khoảng thời gian chiếu 47 Hình 2.14 Xuất lượng đồng vị F18theo lượng chùm tia 47 Hình 2.15 Xuất lượng F18 theo cường độ chùm 48 Hình 3.1 Năng suất dừng chùm proton nước giàu H2O18 50 Hình 3.2 Quãng chạy proton nước giàu H2O18 51 Hình 3.3 Giao diện phần mềm SRIM 53 Hình 3.4 Giao diện cài đặt lớp vật liệu bia ion 54 Hình 3.5 Giao diện mơ quãng chạy ion vật liệu 54 vii Hình 3.6 Kích thước bia lỏng sản xuất F18 56 Hình 3.7 Cấu trúc lớp vật liệu chiếu xạ proton vào bia lỏng 56 Hình 3.8 Tỷ lệ chất giá trị tỷ trọng Havar 58 Hình 3.9 Cài đặt vật liệu bia 59 Hình 3.10 Mơ đâm xun chùm proton bia 60 Hình 3.11 Chiều sâu vị trí dừng chùm proton bia 60 Hình 3.12 Vị trí dừng chùm proton bia bắt đầu bắn 61 Hình 3.13 Vị trí dừng chùm proton trình bắn bia áp suất >1bar 61 Hình 3.14 Vùng ion hóa bắt đầu bắn bia 62 Hình 3.15 Vùng ion hóa q trình bắn bia 62 Hình 3.16 Suy giảm lượng chùm proton q trình chiếu xạ 63 viii hóa, sản sinh phonon Tất bậc nguyên tử bia theo dõi chi tiết Chương trình tạo cho phép ngắt lúc khởi động lại sau Biểu đồ tính tốn lưu hiển thị cần (mất giây để bắt đầu xem lưu q trình tính tốn) Hình 3.3 Giao diện phần mềm SRIM 53 Hình 3.4 Giao diện cài đặt lớp vật liệu bia ion Hình 3.5 Giao diện mơ quãng chạy ion vật liệu 54 3.3 Năng xuất hãm quãng chạy chùm proton bia lỏng sản xuất F18-FDG Như nêu trên, quãng chạy chùm proton vật liệu khả đâm xuyên chùm proton bia Quãng chạy chùm proton ngắn tức dừng bề mặt bia dẫn tới lượng chiếu xạ tập trung chủ yếu bền mặt bia, nơi đặt Havar hợp kim nhiều kim loại khác dẫn tới khả tạo nhiều đồng vị kim loại không mong muốn, hiệu suất phản ứng 18O(p,n)18F thấp Mặt khác quãng chạy chùm proton dài (chùm proton dừng sâu bia, sát thành thân bia vật liệu Niobium) làm giảm thiết diện phản ứng (cross section) làm giảm hiệu suất chiếu xạ Để tính tốn vị trí dừng chùm proton bia lỏng H2O18 cần xác định rõ lớp vật liệu mà chùm proton qua lượng chùm bắt đầu chiếu vào Target 3.3.1 Mơ hình hóa lớp vật liệu chiếu chùm proton lên bia lỏng H2O18 Dựa cấu trúc thiết kế bia Tác giả thực đánh giá tổn hao lượng đường truyền chùm proton xác định quãng chạy chùm proton bia nước giàu H2O18 thực sản xuất F18-FDG chùm proton lượng 18MeV dựa sở lý thuyết suất hãm (Stopping Power) thực mô phần mềm SRIM codes 2008 55 Hình 3.6 Kích thước bia lỏng sản xuất F 18 Hình 3.7 Cấu trúc lớp vật liệu chiếu xạ proton vào bia lỏng 3.3.2 Xác định tỷ trọng lớp vật liệu Tỷ trọng lớp vật liệu Titalium, Havar, Helium không đổi trình chiếu xạ Tỷ trọng vật liệu tra theo tài liệu chuẩn, 56 phần mềm SRIM tự động bổ sung tỷ trọng lựa chọn lớp vật liệu Riêng H2O18, bắt đầu chiếu xạ chùm proton 18MeV vào bia H2O18 dạng lỏng có tỷ trọng 1.11g/cm3 Trong trình bắn bia, áp suất tăng dần nhiệt độ tăng Khi áp suất lên 1bar, nhiệt độ cao 100 độ C toàn H2O18 hóa q trình bắn bia áp suất cao 1bar Do thể tích khoang bia khơng đổi (loại LV 2.4ml), lượng H2O18 nạp vào 1.85ml nên hóa hồn tồn, tỷ trọng vật liệu bia lúc tính theo cơng thức: ρ= (1.85/2.4)x1.11= 0.8556 g/cm3 Bảng 3.1: Bảng giá trị kích thước tỷ trọng Tỷ trọng STT Tên lớp Bề dày (μm) Titalium 12 4.506 Kim loại Helium 10000 0.178.10-3 Khí Havar 50 8.3 Hợp kim H2O18 24500 1.11 Lỏng (20 độ C) H2O18 24500 0.8556 Hóa bia 57 (g/cm3) Loại vật chất 3.3.3 Mơ hình mơ SRIM Khởi động phần mềm SRIM: Lựa chọn TRIM Calculation sau tiến hành cài đặt ion Ở thực mô chùm proton (H) có mức lượng 18MeV, theo giá trị lượng tiến hành bắn bia sản xuất F18-FDG Cài đặt lớp vật liệu Window: Đây lớp phía trước mà chùm proton qua trước tới bắn phá vào vật liệu bia Điền bề dày, tỷ trọng lớp vật liệu tương ứng Riêng vật liệu Havar hợp kim Carbon, Crom, Mangan, Coban…được lấy từ thư viện hợp chất (Compound Dictionary), hệ thống tự động đưa tỷ lệ chất giá trị tỷ trọng Havar (hình bên dưới) Hình 3.8 Tỷ lệ chất giá trị tỷ trọng Havar 58 Phần cài đặt vật liệu bia: Đối với vật liệu bia nước giàu H2O18 có tỷ trọng 1.11g/cm3 20 độ C Việc tiến hành mô chia làm hai trường hợp bắt đầu bắn (H2O18 dạng lỏng) trình bắn bia, nhiệt độ cao nên tồn nước giàu bị hóa thể tích bia Tỷ trọng nước hóa tính bảng 3.1 Hình 3.9 Cài đặt vật liệu bia 3.3.4 Kết mô SRIM Giả sử chùm proton đơn lượng (18MeV) phát từ máy gia tốc tới vị trí sát phía trước Window Chùm proton có kích thước nhỏ Tiến hành mô TRIM thu kết sau: 59 Hình 3.10 Mơ đâm xun chùm proton bia Hình 3.11 Chiều sâu vị trí dừng chùm proton bia 60 Hình 3.12 Vị trí dừng chùm proton bia bắt đầu bắn Hình 3.13 Vị trí dừng chùm proton trình bắn bia áp suất >1bar 61 Hình 3.14 Vùng ion hóa bắt đầu bắn bia Hình 3.15 Vùng ion hóa q trình bắn bia 62 Hình 3.16 Suy giảm lượng chùm proton trình chiếu xạ 3.3.5 Nhận xét đánh giá Từ kết vị trí dừng chùm proton đơn lượng 18MeV vào bia lỏng H2O18 lúc bắt đầu bắn bia 13.7mm chiều sâu vào vùng vật liệu bia ~2.9mm, kết mô tương đồng với nghiên cứu thực nghiệm nêu Trong thời gian bắn bia, áp suất bia cao 1bar, tức nhiệt độ lớn 100 độ C, tồn nước giàu hóa bia vị trí dừng hồn tồn chùm proton 3.7mm Cả vị trí nằm gần vùng nguyên liệu phía trước chùm tia khơng bị chiếu lên thành thân bia Phân bố vùng ion hóa proton bắn vào bia tập trung chủ yếu phía trước sát vào vị trí Havar Vị trí nằm sát vùng làm mát Helium hiệu làm mát bia tốt Tuy nhiên Havar hợp kim nhiều nguyên tố kim loại nên dễ dẫn đến sinh tạp chất phóng xạ dẫn xuất từ kim loại 63 Chùm proton bị khoảng 5% lượng (từ 18MeV xuống 17.1MeV) qua vùng cửa sổ trước chiều vào vật liệu bia Đây tổn hao lượng chùm proton đường truyền tới vật liệu bia Trong chủ yếu tổn hao qua Havar có tỷ trọng lớn (8.3g/cm3) dày (50um) Tổn hao lượng qua Havar 0.8MeV Trong thực tế chùm proton có kích thướng lớn hơn, vùng ion hóa bao phủ gần toàn bề mặt bia, chiều sâu dừng lại vị trí dừng chùm tia, tức sâu vào bia 3.7cm 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với mục đích đề tài nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng máy gia tốc Cyclotron 30MeV sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y tế Nghiên cứu quy trình sản xuất cấu tạo bia lỏng (Liquid Target) sản xuất dược chất phóng xạ F18-FDG, từ dựa vào phần mềm SRIM để xác định vị trí dừng chùm proton thơng qua lý thuyết suất hãm quãng chạy chùm ion vật liệu Đề tài hoàn thành nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan cấu tạo, nguyên lý hoạt động thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV Bệnh viện 108 sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y tế - Tìm hiểu phương pháp sản xuất đồng vị phóng xạ sử dụng hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV - Tìm hiểu nguyên lý sản xuất dược chất phóng xạ F18-FDG từ quy trình chuẩn bị vật liệu, quy trình bắn bia chùm proton 18MeV, quy trình tổng hợp dược chất phóng xạ F18-FDG từ đồng vị phóng xạ F18 thu sau bắn bia - Tìm hiểu cấu tạo hệ thống bia lỏng từ xây dựng mơ hình hóa dạng lớp vật liệu mà chùm proton qua trình bắn bia - Khai thác ứng dụng phần mềm SRIM việc xác định xuất hãm quãng chạy chùm ion vật liệu, từ ứng dụng vào mơ xác định vị trí dừng, vùng ion hóa thực bắn bia nước giàu H2O18 chùm proton lượng 18MeV 65 Khả ứng dụng phát triển đề tài Trên sở nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ thống Cyclotron 30MeV, đề tài tài liệu tham khảo cho nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống máy gia tốc Cyclotron 30MeV, hệ thống phức tạp đại ứng dụng lĩnh vực y tế Việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động làm mát bia lỏng sở để nghiên cứu, thiết kế, phát triển hệ thống bia sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ khác Khai thác ứng dụng phần mềm SRIM việc mô quãng chạy, vùng ion hóa chùm ion qua lớp vật liệu sở để tính toán chiều sâu khoang chứa vật liệu bia (đối với vật liệu bia dạng lỏng) tính tốn chiều dày lớp mạ (đối với vật liệu bia dạng rắn) tiến hành chuẩn bị bia sản xuất đồng bị phóng xạ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cyclone C30 operation guide IBA PET Targetry- IBA Technical Information Nghiên cứu xuất lượng đồng vị phóng xạ F18 trình sản xuất FDG máy gia tốc Cyclotron 30MeV, Đàm Nguyên Bình, trang 22-26 Cyclotron Produced Radionuclides: Operation and Maintenance of Gas and Liquid Targets of Cyclotron, IAEA 2012, page 30-31 Hướng dẫn thực hành sản xuất F18-FDG mô đun IBA Synthera, Trung tâm Máy gia tốc- Bệnh viện 108 www.srim.org 67 ... ? ?Nghiên cứu, tính tốn vị trí dừng chùm proton bia lỏng sản xuất FDG hệ thống Cyclotron? ?? để hiểu biết sâu máy gia tốc, đặc biệt cấu tạo bia lỏng làm sở phát triển hệ thống bia sản xuất đồng vị. .. xuyên chùm proton bia 60 Hình 3.11 Chiều sâu vị trí dừng chùm proton bia 60 Hình 3.12 Vị trí dừng chùm proton bia bắt đầu bắn 61 Hình 3.13 Vị trí dừng chùm proton q trình bắn bia áp... BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỮU SƠN NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VỊ TRÍ DỪNG CỦA CHÙM PROTON TRONG BIA LỎNG SẢN XUẤT FDG TRÊN HỆ THỐNG CYCLOTRON Chuyên ngành: KỸ THUẬT Y SINH LUẬN VĂN THẠC