Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18f fdg trên máy gia tốc cyclone® 30
- 69 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG
trên máy gia tốc Cyclone® 30
HỒ TRỌNG TÙNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật hạt nhân
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đàm Nguyên Bình ______________
Chữ ký của GVHD
Đơn vị: Trung tâm máy gia tốc C30 MeV
Bệnh viện Trung ương Quân đội 108
Hà Nội, tháng 9/2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Hồ Trọng Tùng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG
trên máy gia tốc Cyclone® 30
Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân
Mã số SV: 20211157M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
- Bổ sung thêm phần mở đầu (trang 1) của luận văn.
- Thêm từ viết tắt và lập bảng ở mục các chữ viết tắt.
- Cân đối lại bố cục của luận văn, căn chỉnh đúng định dạng ở phần mục
lục, mục tham khảo tài liệu.
- Chỉnh sửa lỗi chính tả và lược bớt từ “trong nghiên cứu” nội dung luận
văn.
- Bổ sung thông tin chi tiết hệ đo, sơ đồ bố thí nghiệm đo hoạt độ (trang
27), chữ viết đầy đủ của các từ viết tắt MCF, SA, SM, QA, QB, QC, QD (trang
16).
- Chỉnh sửa lỗi “Tần xuất” thành “Tần suất” ở nhãn của trục tung từ hình
3.2-1 cho đến hình 3.2-8.
Ngày 18 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy
gia tốc Cyclone® 30” là đề tài nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
Đàm Nguyên Bình, được thực hiện tại trung tâm máy gia tốc 30 MeV bệnh viện
108. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là khách quan và
trung thực.
Tôi xin cam đoan luận văn được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc,
số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tất cả những tham
khảo, kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những cam đoan trên.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2022
Học viên
Hồ Trọng Tùng
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, trước hết cho tôi xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến:
- Toàn thể giảng viên, cán bộ công nhân viên Bộ Môn Kỹ Thuật Hạt Nhân
và Vật Lý Môi Trường, Viện Vật lý kỹ thuật đã tận tình truyền đạt kiến thức,
hướng dẫn, rèn luyện tôi trong suốt quá trình học tập.
- Ts. Đàm Nguyên Bình, Ts. Nguyễn Văn Thái, đã tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
- Chỉ huy và toàn thể các anh, chị em tại trung tâm máy gia tốc, bệnh viện
TWQĐ 108 đã tạo điều kiện, giúp đỡ trong thời gian thực nghiệm số liệu.
- Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và tập thể lớp cao
học kỹ thuật hạt nhân khoá CH2021A đã ủng hộ, khích lệ tinh thần và động viên
tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Tóm tắt nội dung luận văn
18
F-FDG là dược chất phóng xạ được sử dụng phổ biến cho kỹ thuật chụp
PET. Nghiên cứu, thực hiện sản xuất đồng vị phóng xạ 18F trên máy gia tốc
Cyclone 30 MeV bằng cách bắn phá chùm tia proton năng lượng cao vào bia
nước làm giàu 18O thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F. Hiệu suất sản xuất
dược chất phóng xạ FDG được quyết định bởi hai yếu tố chính: xuất lượng đồng
vị 18F sinh ra trong quá trình chiếu bia và hiệu suất tổng hợp FDG của bộ tổng
hợp. Luận văn áp dụng phương pháp xử lý thống kê trên số liệu các thông số vận
hành đã được ghi lại trong các mẻ sản xuất từ trước để đưa ra bộ thông số vận
hành tối ưu, áp dụng các tính toán phản ứng hạt nhân để tính toán xuất lượng
đồng vị 18F sinh ra, xác định thực nghiệm hiệu suất truyền đồng vị 18F thông qua
việc đo hoạt độ của 18F truyền tới hotcell sau khi chiếu bia. Từ các kết quả thu
được cùng với hoạt độ sản phẩm FDG có thể tính được hiệu suất tổng hợp của bộ
tổng hợp. Giá trị hiệu suất tổng hợp của bộ tổng hợp được so sánh với giá trị hiệu
suất công bố bởi nhà cung cấp để đánh giá khả năng hoạt động của bộ tổng hợp
tại thời gian hiện tại.
Học viên
Hồ Trọng Tùng
MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ...
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... .
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ .
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... .
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 3
1.1. Máy gia tốc Cyckotron@ 30 tại trung tâm máy gia tốc ........................................... 3
1.2. Đồng vị phóng xạ dùng cho PET ............................................................................. 7
1.3. Lý thuyết tính xuất lượng phản ứng hạt nhân ........................................................ 11
1.4 Tối ưu hóa thông số chùm tia .................................................................................. 15
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 18
2.1 Phương pháp tính tốc độ phản ứng hạt nhân ........................................................... 18
2.2. Phương pháp tính độ mất năng lượng của chùm tia proton trong vật chất. ........... 21
2.3. Phương pháp nội suy .............................................................................................. 24
2.4. Phương pháp tích phân số ...................................................................................... 25
2.5. Phương pháp xác định hiệu suất tạo đồng vị phóng xạ 18F ................................... 26
2.6. Thu thập số liệu ..................................................................................................... 29
2.6.1 Bộ số liệu cho tối ưu hóa các thông số vận hành ......................................... 29
2.6.2. Bộ số liệu hoạt độ đồng vị 18F thực nghiệm tạo ra trong quá trình bắn
phá bia. .................................................................................................................. 29
2.6.3 Số liệu cho tính hiệu suất tổng hợp .............................................................. 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................ 31
3.1. Phần mềm tính toán ................................................................................................ 31
3.2. Tính toán và đánh giá đưa ra bộ thông số vận hành tối ưu .................................... 32
3.3. Khảo sát xuất lượng đồng vị theo thời gian chiếu ................................................. 43
3.4. Khảo sát xuất lượng theo năng lượng chùm tia ..................................................... 44
3.5. Khảo sát xuất lượng theo cường độ chùm tia ........................................................ 45
3.6. Xác định Hiệu suất truyền đồng vị phóng xạ 18F ................................................... 46
3.7. Đánh giá hiệu suất tổng hợp 18F-FDG theo các số liệu thu được trong quá
trình sản xuất. ................................................................................................................ 48
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 51
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 52
DANH MỤC CÁC TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT
STT Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ
1 CT Computed Tomography
2 Cyclone 30 Cyclotron 30 MeV IBA
3 FDG Fluorodeoxyglucose
4 MCF Main Coil Fine
5 QA Quadrupole magnets A
6 QB Quadrupole magnets B
7 QC Quadrupole magnets C
8 QD Quadrupole magnets D
9 SA Stripper Azimuth
10 SM Switching Magnet
11 SRIM Stopping and Range of Ions in Matter
12 SPECT Single-Photon Emission Computed
Tomography
13 PET Positron Emission Tomography
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1-1. Máy gia tốc cyclotron 30 MeV tại Trung tâm MGT gia tốc,
Bệnh viện TƯQĐ 108. ............................................................................... 4
Hình 1.1-2. Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron.
.................................................................................................................... 5
Hình .1.1-3. Giản đồ miêu tả dòng proton sinh sau khi chùm i-ôn H- đi
qua lá các-bon và được lái ra ngoài bởi từ trường trên bộ nam châm lái
hướng.......................................................................................................... 6
Hình 1.1-4. Sơ đồ miêu tả đường dẫn truyền chùm tia (beam line)........... 6
Hình 1.3. Biểu đồ biến đổi của hoạt độ phóng xạ theo thời gian trong quá
trình sản xuất đồng vị phóng xạ. .............................................................. 15
Hình 2.1-1. Hàm kích thích của phản ứng 18O(p,n)18F [7] ...................... 19
Hình 2.1-2. Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân 18O(p,n) 18F đo thực
nghiệm bởi S. Takacs và các đồng nghiệp[8]. ......................................... 20
Hình 2.2-1. Công suất dừng của proton trong nước làm giàu 18O. .......... 22
Hình 2.2-2. Làm khớp công suất dừng của proton trong nước làm giàu
18
O theo hàm số giải tích. ......................................................................... 23
Hình 2.2-3. Số liệu tầm chuyển động proton trong nước làm giàu 18O và
đường cong làm khớp............................................................................... 24
Hình 2.5 Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm ............................. 28
Hình 3.1. Cửa sổ chương trình tính toán xuất lượng. .............................. 31
Hình 3.2-1. Biểu đồ của thông số SA. ..................................................... 32
Hình 3.2-2. Biểu đồ của thông số SM. ..................................................... 33
Hình 3.2-3. Biểu đồ của thông số QA. ..................................................... 33
Hình 3.2-4. Biểu đồ của thông số QB. ..................................................... 34
Hình 3.2-5. Biểu đồ của thông số QC. ..................................................... 34
Hình 3.2-6. Biểu đồ của thông số QD. ..................................................... 35
Hình 3.2-7. Biểu đồ hiệu suất truyền chùm tia. ....................................... 35
Hình 3.2-8. Biểu đồ hiệu suất tổng hợp FDG trên một đơn vị ................ 36
dòng tích phân. ......................................................................................... 36
Hình 3.2-9. Kết quả làm khớp thông số SM. ........................................... 37
Hình 3.2-10. Kết quả làm khớp thông số SA. .......................................... 38
Hình 3.2-11. Kết quả làm khớp thông số QA. ......................................... 38
Hình 3.2-12. Kết quả làm khớp thông số QB. ......................................... 39
Hình 3.2-13. Kết quả làm khớp thông số QC. ......................................... 39
Hình 3.2-14. Kết quả làm khớp thông số QD. ......................................... 40
Hình 3.3. Xuất lượng bão hòa của đồng vị 18F theo khoảng thời gian
chiếu. ........................................................................................................ 43
Hình 3.4. Xuất lượng đồng vị 18F theo năng lượng chùm tia. ................. 44
Hình 3.5. Xuất lượng 18F theo cường độ chùm tia. .................................. 45
Hình 3.6-1 Xuất lượng lý thuyết 18F theo dòng tích hợp. ........................ 47
Hình 3.6-2 Xuất lượng thực nghiệm 18F theo dòng tích hợp. .................. 47
Hình 3.7. Hiệu suất tổng hợp đối với 106 mẻ sản xuất từ tháng 5/2021
đến tháng 4/2022. ..................................................................................... 48
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.2-1. Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET
.............................................................................................................................. 10
Bảng 1.2.2 Sơ đồ qui trình sử dụng chùm dòng Proton bắn phá bia chứa nước
làm giàu 180 tạo đồng vị phóng xạ 18F để điều chế dược chất phóng xạ 18F-FDG
tại trung tâm máy gia tốc – bệnh viện 108 ........................................................... 11
Bảng 2.6-1 Số liệu cho tối ưu hóa các thông số vận hành ................................... 29
Bảng 2.6-2 Bảng kết quả hoạt độ 18F tạo ra trong quá trình bắn phá bia ............ 29
Bảng 2.6-3 Số liệu cho tính hiệu suất tổng hợp ................................................... 30
Bảng 3.2-1. Các thông số vận hành quý II năm 2022 sau khi áp dụng bộ thông số
vận hành của đề tài. .............................................................................................. 42
Bảng 3.6. Kết quả Hiệu suất truyền đồng vị phóng xạ 18F ở thời điểm kết thúc
bắn bia. ................................................................................................................. 46
MỞ ĐẦU
Việc phát minh ra máy ghi hình nhấp nháy gamma (gamma scintillation
camera) bởi kỹ sư người Mỹ, Hal Anger, vào những năm 1950 đã mang lại nhiều
thuận lợi cho kỹ thuật ghi hình y học hạt nhân và dẫn đến các đồng vị phóng xạ
sử dụng trong y học được tăng lên nhanh chóng. Các đồng vị phóng xạ sử dụng
trong y học có thể được phân chia thành hai loại chính: dùng trong ghi hình và
trong xạ trị. Các đồng vị phóng xạ này có thể được sản xuất thông qua các phản
ứng hạt nhân trong các lò phản ứng gây ra bởi chùm nơtron hoặc từ quá trình bắn
phá bởi chùm hạt mang điện được gia tốc trên máy gia tốc. Với ưu thế có thể sản
xuất các đồng vị phóng xạ có hoạt độ riêng lớn và tạo ra lượng chất thải phóng xạ
ít, cùng với sự phát triển của công nghệ máy gia tốc, đặc biệt là công nghệ máy
gia tốc i-ôn âm, và sự mở rộng ứng dụng của kỹ thuật xạ hình PET và SPECT,
ngày nay máy gia tốc cyclotron đã trở thành một trong các công nghệ chủ đạo để
sản xuất các đồng vị phóng xạ dùng trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong
y học. Theo điều tra năm 2007 của Cơ quan Năng lượng Nguyên Tử Quốc tế, có
khoảng 350 máy gia tốc cyclotron được sử dụng cho mục đích sản xuất các đồng
vị phóng xạ, và trong 261 trung tâm mà IAEA đến khảo sát thì có đến 75% các
máy gia tốc cyclotron được sử dụng để sản xuất FDG tại chỗ và để cung cấp cho
các cơ sở khác.
Hệ thống máy gia tốc cyclotron tại trung tâm máy gia tốc của Bệnh viện
TƯQĐ 108 được cung cấp bởi hãng IBA, Bỉ có thể gia tốc chùm tia proton đến
năng lượng lớn nhất 30 MeV với mục đích sản xuất các đồng vị phóng xạ dùng
cho cả PET và SPECT, cũng như dùng trong nghiên cứu khoa học. Đồng vị
phóng xạ 18F có thể được sản xuất với xuất lượng lớn bằng cách bắn phá chùm tia
proton được gia tốc vào bia nước làm giàu 18O thông qua phản ứng hạt nhân
18
O(p,n)18F. Sau khi được tạo ra, 18F được chuyển đến phòng thí nghiệm sản xuất
dược chất phóng xạ để tổng hợp thành hợp chất FDG. Đồng vị phóng xạ 18F
được sinh ra bằng cách bắn phá chùm tia proton năng lượng cao vào bia nước
làm giàu 18O thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F. Sau khi được tạo ra, 18F
được chuyển đến đến hotcell tổng hợp thông qua đường ống truyền để tổng hợp
dược chất FDG. Hiệu suất sản xuất dược chất phóng xạ FDG được quyết định
1
bởi hai yếu tố chính: xuất lượng đồng vị 18F sinh ra trong quá trình chiếu bia và
hiệu suất tổng hợp FDG của bộ tổng hợp. Xuất lượng của đồng vị 18F phụ thuộc
vào các thông số vật lý của chùm tia proton tới (như năng lượng, cường độ, kích
thước, ...). Luận văn đã áp dụng các tính toán phản ứng hạt nhân để tính toán
xuất lượng đồng vị 18F sinh ra trong quá trình bắn bia, xác định thực nghiệm hiệu
suất truyền đồng vị 18F thông qua việc đo hoạt độ của 18F truyền tới hotcell sau
khi chiếu bia, từ các kết quả thu được cùng với hoạt độ sản phẩm FDG có thể
tính được hiệu suất tổng hợp của bộ tổng hợp.
Ngoài xuất lượng đồng vị 18F sinh ra và hiệu suất tổng hợp của bộ tổng
hợp, luận văn cũng nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành (thông số kỹ
thuật được thiết lập bởi người vận hành máy gia tốc cho máy gia tốc và các thành
phần cấu thành nên hệ thống tách-dẫn chùm tia) để tạo ra chùm tia gia tốc có
cường độ ổn định, kích thước hay độ hội tụ phù hợp và có hiệu suất truyền cao để
đảm bảo quá trình vận hành máy gia tốc an toàn và tiết kiệm. Tuy nhiên, sự sai
lệch, thăng giáng các tham số vận hành sau khoảng thời gian hơn 10 năm máy
gia tốc Cyclotron đưa vào sử dụng đã gây ảnh hưởng lớn và khó khăn trong việc
hiệu chỉnh tinh vi các thông số trên hệ điều khiển máy gia tốc và hệ thống dẫn
truyền chùm tia. Sự sai lệch và thăng giáng các tham số vận hành này ảnh hưởng
đến quá trình bắn phá bia để tạo xuất lượng đồng vị phóng xạ 18F cũng như quá
trình tổng hợp tạo sản phẩm 18F-FDG cuối cùng. Do vậy, mỗi cơ sở sản xuất
đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc đều phải tự xây dựng bộ các thông số này và
chọn lựa điều kiện chiếu tối ưu của riêng hệ máy gia tốc đang vận hành. Điều
kiện chiếu tối ưu sẽ giúp cho việc tính toán và đánh giá được hiệu suất tạo xuất
lượng đồng vị phóng xạ 18F và từ đó có thể ước lượng và tính toán giá trị hiệu
suất tổng hợp thực tế. Đây chính là lý do cần thiết tiến hành đề tài và mục tiêu
đặt ra của đề tài là “Đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc
Cyclone®30”.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Máy gia tốc Cyclone® 30 tại Trung tâm Máy gia tốc
Máy gia tốc là thiết bị để tăng năng lượng cho các hạt cần gia tốc. Một
trong những phương tiện để nghiên cứu cấu trúc vật chất ở trạng thái vi mô là sử
dụng các hạt bắn phá vào vật chất bao gồm các hạt cơ bản cũng như các ion của
các nguyên tử. Ernest Lawrence là người phát minh ra máy gia tốc vòng
(cyclotron) đầu tiên vào năm 1929. Nguyên lý hoạt động của nó là các hạt mang
điện tích trong buồng máy chuyển động theo các đường vòng. Có 2 loại máy gia
tốc vòng.
Kiểu cyclotron : Quỹ đạo của các hạt điện tích là đường xoáy ốc phẳng
Kiểu Synchrotron : Quỹ đạo của các hạt theo đường tròn phẳng
Các máy cyclotron được sử dụng nhiều trong các thí nghiệm vật lý hạt nhân
và nhiều ứng dụng trong y học, sinh học, công nghiệp, nông nghiệp và các ngành
kỹ thuật khác. Hiện nay máy gia tốc Cyclotron đóng vai trò chính trong sản xuất
đồng vị phóng xạ cho tổng hợp các dược chất phóng xạ cho PET và PET/CT.
Trung tâm máy gia tốc - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 được trang
bị một máy gia tốc cyclotron với mục đích để sản xuất các dược chất phóng xạ sử
dụng trong y tế và để kết hợp nghiên cứu khoa học. Máy gia tốc cyclotron này do
hãng IBA của Bỉ cung cấp và lắp đặt. Đây là máy gia tốc vòng có từ trường, tấn
số cố định, có thể gia tốc ion H- tới năng lượng cao nhất 30 MeV, cường độ dòng
rất lớn có thể lên đến 400 A, có thể tách chùm tia từ buồng gia tốc đồng thời
trên 2 kênh ra và số kênh ra có thể lên đến 10. Năng lượng chùm tia chiết ra khỏi
buồng gia tốc có thể thay đổi từ 15 đến 30 MeV bằng cách thay đổi vị trí đặt lá
tách điện tử (stripper foil) tại đường kính tương ứng với năng lượng yêu cầu.
Hình ảnh mô tả về máy gia tốc này được đưa ra trên Hình 1.1.
Với công suất sản xuất 18F-FDG lên đến 3.5-4 Ci/ngày, trung tâm máy gia
tốc, Bệnh viện TƯQĐ 108 có khả năng để cung cấp đủ dược chất phóng xạ 18F-
FDG cho các máy PET ở Hà Nội và các vùng lân cận.
3
Hình 1.1-1. Máy gia tốc cyclotron 30 MeV tại Trung tâm MGT gia tốc, Bệnh
viện TƯQĐ 108.
Cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron tại Trung tâm máy gia tốc bao gồm 6
bộ phân chính, đó là hệ thống nam châm từ trường, hệ thống điện trường gia tốc,
nguồn i-ôn, hệ thống bơm i-ôn đồng trục, bộ phận tách chiết chùm tia, và hệ
thống dẫn truyền chùm tia.
Chùm tia i-ôn H- tạo ra bởi nguồn i-ôn được phun xuống buồng gia tốc và
uốn lệch hướng chùm tia tại tâm buồng thông qua hệ thống bơm i-ôn đồng trục.
Buồng gia tốc cấu tạo gồm hệ nam châm chính theo kiểu cấu trúc lồi-lõm như
trên Hình 1.1-2 tạo ra các khối nam châm hình quạt (sector) và các vùng lõm để
lắp đặt các khoang tạo xung điện trường dao động (Dee). Các khoang này kết
hợp với điện cực đối diện tạo ra các khe gia tốc, mà mỗi lần đi qua các i-ôn sẽ
được gia tốc.
Điện trường gia tốc được cung cấp vào Dee dưới dạng tín hiệu sóng hình
sin được khuếch đại từ bộ dao động. Để thực hiện được chức năng gia tốc, tần số
và pha dao động cần được chọn sao có sự đồng bộ giữa cho điện áp của khe gia
tốc gia tốc thời điểm với các i-ôn đi qua khe này.
4
Hình 1.1-2. Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron.
Trong đó, (1) Sector;
(2) Các Dee;
(3) Điện cực;
(4) Hai khoang trống dành cho bơm chân không, hai
khoang chứa Dee;
(5) Khe gia tốc. Mũi tên xanh chỉ chiều chuyển động của
chùm i-ôn.
Dưới tác động của từ trường sinh ra bởi các khối nam châm và của điện
trường trên khe gia tốc, các i-ôn H- sẽ chuyển động theo hình xoắn ốc trong
buồng gia tốc, năng lượng của các i-ôn tỷ lệ thuận với khoảng cách từ quỹ đạo
của i-ôn tới tâm buồng gia tốc. Chùm i-ôn được gia tốc tới năng lượng mong
muốn sẽ được tách chiết ra bằng cách sử dụng lá các-bon mỏng. Các ion H- khi
xuyên qua lá này sẽ bị mất các điện tử để trở thành i-ôn H+ (hay proton).
H- H+ + 2e-
Dưới tác dụng của từ trường trong buồng gia tốc, quỹ đạo của chùm
proton mang điện dương bị lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu trước khi đi
qua lá tách điện tử và được lái ra ngoài bởi từ trường của khối nam châm lái
hướng của hệ thống tách chiết chùm tia. Mô tả quá trình tách chiết chùm i-ôn gia
tốc được đưa ra trên Hình 1.1-3.
5
Hình .1.1-3. Giản đồ miêu tả dòng proton sinh sau khi chùm i-ôn H- đi qua lá
các-bon và được lái ra ngoài bởi từ trường trên bộ nam châm lái hướng.
Mỗi cổng tách chiết có thể có đến 5 cổng đầu ra lắp trên buồng chân
không của nam châm lái hướng.
Sau khi ra khỏi cyclotron, chùm proton này sẽ được truyền qua đường dẫn
chùm tia (beam line) đến bắn vào bia nước làm giàu 18O để sinh ra đồng vị phóng
xạ F18 thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F. Hình 1.1-4 mô tả cấu hình
đường dẫn truyền chùm tia điển hình cho kênh bia lỏng. Đường dẫn truyền chùm
tia bao gồm các bộ phận chính như sau:
Hình 1.1-4. Sơ đồ miêu tả đường dẫn truyền chùm tia (beam line).
Hai bộ đo dòng Faraday đặt ở đầu và ngay trước bia trên đường dẫn
truyền chùm tia để đo cường độ chùm tia tại vị trí của Faraday;
6
Khối nam châm điều chỉnh vị trí X-Y của chùm với tác dụng để dịch
chuyển chùm tia vào đúng tâm của hệ thống dẫn truyền chùm tia;
Hai khối nam châm tứ cực kép dùng để điểu chỉnh hội tụ chùm tia tại vị trí
đặt bia chiếu xạ. Các khối nam châm này cũng cho phép thay đổi dễ dàng phân
bố không gian của chùm hạt tích điện tùy theo yêu cầu của thí nghiệm;
Khối nam châm lái hướng để lái chùm tia tới bia cần bắn;
Ngoài ra, trên đường dẫn truyền chùm tia còn có các bộ phận khác như
các van đóng mở để ngăn cách đường dẫn truyễn với buồng gia tốc cũng như các
vùng khác nhau trên đường truyền và buồng bia, bộ chuẩn trực chùm tia, bộ chắn
nơtron và bộ phận quan sát hình dạng chùm tia. Tuy nhiên, các bộ phận này sẽ
không ảnh hưởng đến quá trình cận chuyển của chùm tia trong khi vận hành.
Tất cả hệ thống máy gia tốc được đặt ở mức chân không cao rất cần thiết
để tránh sự trung hòa của các ion âm với phân tử khí. Cụ thể, buồng ion và hệ
thống dẫn chùm tia được hút chân không đến , buồng gia tốc
được hút chân không đến cỡ .
Quá trình dịch chuyển của chùm tia trên hệ thống đường dẫn truyền chủ
yếu phụ thuộc vào các thông số thiết lập cho các bộ phận: khối nam châm chính,
góc lệch của lá các-bon, khối nam châm lái hướng của hệ thống tách chiết chùm
tia và hai khối nam châm tứ cực kép.
1.2. Đồng vị phóng xạ dùng cho PET
Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để tạo ra lợi ích cho xã hội là một trong
những phát triển quan trọng của thế kỷ 20. Với việc phát minh ra máy gia tốc hạt
vào những năm đầu của thế kỷ này, con người đã có thể sản xuất ra các đồng vị
phóng xạ có thời gian sống ngắn. Các đồng vị này được tạo ra bằng cách bắn các
hạt được gia tốc có năng lượng cao vào bia các đồng vị bền. Các tính chất phân
rã của đồng vị phóng xạ đã dẫn đến nhiều ứng dụng trong nghiên cứu cơ bản,
nghiên cứu ứng dụng, y học, công nghiệp, nông nghiệp và các lĩnh vực khác.
Trong các ứng dụng y học hạt nhân, các đồng vị phóng xạ được kết hợp vào
trong các hợp chất để tạo nên các dược chất phóng xạ. Trong công nghiệp và các
lĩnh vực nghiên cứu khác, các đồng vị phóng xạ chủ yếu được sử dụng như là các
chất đánh dấu để theo dõi quá trình và như là các đầu dò để đo đạc từ trường và
7
điện trường trong vật liệu nhiệt độ thấp. Các chất phóng xạ có thể sản xuất trong
các lò phản ứng hạt nhân hoặc trên các máy gia tốc. Về cơ bản, các hạt nhân
phóng xạ sản xuất dựa trên máy gia tốc có các tính chất phân rã phù hợp hơn các
đồng vị sản xuất trong lò phản ứng hạt nhân. Một điểm mấu chốt trong nhiều ứng
dụng đó là hoạt độ phóng xạ riêng của chất phóng xạ được sản xuất ra. Đối với
nhiều ứng dụng cần quan tâm, đặc biệt trong ứng dụng cho PET, hoạt độ phóng
xạ riêng của chất phóng xạ yêu cầu là lớn, điều này phù hợp khi sản xuất trên
máy gia tốc. Hơn nữa, các lò phản ứng hạt nhân thường bị hạn chế nằm cách xa
khu dân cư nên việc vận chuyển của các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn
đến các cơ sở y tế cũng là một vấn đề trở ngại. Máy gia tốc vùng hoặc các máy
gia tốc nhỏ đặt trong bệnh viện có thể sản xuất nhiều loại đồng vị phóng xạ cần
thiết. Có một số loại máy gia tốc hạt, như là cyclotron, tuyến tính, đồng bộ, ...
Ngày nay, cyclotron đã trở thành công cụ được lựa chọn hàng đầu để sản xuất
các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn sử dụng trong các ứng dụng sinh
học, y học. Cyclotron đầu tiên được lắp đặt ở Đại học Washington ở St. Louis
vào năm 1941 để sản xuất các đồng vị phóng xạ Phốtpho, sắt, asen và lưu huỳnh.
Giữa thập niên 50, máy gia tốc cyclotron đầu tiên được lắp đặt tại bệnh viện
Hammersmith, Luân Đôn hoàn toàn dùng để sản xuất các đồng vị phóng xạ phục
vụ y tế. Với sự phát triển của y học, số lượng kiểu loại hiện có của máy gia tốc
với các hạt đặc trưng khác nhau dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ cho y học
hạt nhân cũng tăng lên. Có hai loại máy gia tốc chính là cyclotron ion dương và
cyclotron ion âm. Y học hạt nhân ứng dụng các tính chất đặc trưng của phân rã
phóng xạ hoặc để chẩn đoán hoặc để điều trị ung thư. PET, PET kết hợp CT
(PET/CT) và SPECT là các kỹ thuật chẩn đoán chủ yếu trong y học hạt nhân.
Nguyên lý ghi hình PET dựa trên cơ sở ghi nhận trùng phùng bức xạ gamma hủy
cặp phát ra từ các đồng vị phóng xạ phát tia β+ khi chúng đập vào các tinh thể
nhấp nháy. Tia β+ sau khi phát ra từ đồng vị phóng xạ sẽ trải qua quá trình hủy
cặp khi va chạm với một điện tử trên chính lớp vỏ điện tử của mình hoặc các điện
tử trong môi trường xung quanh và tạo ra hai lượng tử hủy cặp chuyển động
ngược hướng nhau có cùng năng lượng 511 keV, tương đương với năng lượng
nghỉ của một điện tử. Sau đây là danh sách các đồng vị phóng xạ có thể sử dụng
trong PET:
8
Đồng vị Thời gian bán rã (T1/2) Ứng dụng
As-73 80.3 ngày Đánh dấu và chụp hình
PET
As-74 18 ngày Ghi hình PET các tế bào
ung thư
C-11 20 phút Xạ hình các khối u và xạ
trị
Cu-64 13 giờ Nghiên cứu trao đổi chất
đồng, để xạ hình PET
khối u và xạ trị
F-18 110 phút Phát hiện ung thu và theo
dõi tiến trình điều trị
Ga-68 68 phút Xạ hình y sinh
N-13 10 phút Dùng với PET để theo
dõi dòng chảy của máu
Có 4 loại đồng vị phát β+ có tầm quan trọng chủ yếu được sử dụng cho xạ
hình PET, đó là F-18, C-11, N-13 và O-15. Tuy nhiên, những đồng vị này có thời
gian bán rã ngắn, nên chúng thường được sản xuất trên máy gia tốc dựa trên phản
ứng hoặc với proton hoặc với đơ-tơ-ri chủ yếu dưới dạng các phản ứng (p,n),
(p,2n), (p,α) và (p,xn), và các máy gia tốc thường được đặt không quá xa hoặc
trong các cơ sở y tế sử dụng các đồng vị này. Cũng chính vì các lý do này mà
ngày càng có nhiều sự chú ý đến các đồng vị phát positron có thời gian sống
ngắn nhưng chúng có thể sinh ra từ một chất phát, ở đây đặc biệt là đồng vị Ga-
68 (T1/2 = 68 phút) sinh ra từ đồng vị Ge-68 có thời gian bán rã dài 271 ngày. Với
chất phát 68Ge/68Ga như thế đã tạo ra thuận lợi lớn là có thể sử dụng trong
khoảng thời gian vài tháng trong khoa y học hạt nhân, nhưng Ge-68 chỉ có thể
sản xuất trên máy gia tốc có cường độ chùm tia lớn do nó có hiệu suất tương đối
thấp. Các đặc trưng vật lý cơ bản về các đồng vị phóng xạ này được đưa ra trong
Bảng 1.2-1.
9
Bảng 1.2-1. Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET
Thời gian bán Năng lượng để
Đồng vị Loại phân rã Phản ứng
rã (phút) sản xuất (MeV)
C-11 20.4 100% β+ 14N(p,α) 11-17
16O(p,α) 19
N-13 9.98 100% β+
13C(p,n) 11
15N(p,n) 11
O-15 2.03 100% β+ 14N(d,2n) 6
16O(p,pn) >26
97% β+ 3% 18O(p,n) 11-17
F-18 109.8
EC 20Ne(d,α) 8-14
Trong đó, F-18 là đồng vị được ưu tiên lựa chọn trong thực tế do nó có
các tính chất vật lý bức xạ (năng lượng cực đại của positron và thời gian bán rã)
cũng như các tính chất hóa học (F là chất mô phỏng sinh học của các nhóm –H
và –OH và là tác nhân điều biến của các liên kế hóa học với C trong các phân tử
sinh học) thuận lợi nhất.
10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG
trên máy gia tốc Cyclone® 30
HỒ TRỌNG TÙNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật hạt nhân
Giảng viên hướng dẫn: TS. Đàm Nguyên Bình ______________
Chữ ký của GVHD
Đơn vị: Trung tâm máy gia tốc C30 MeV
Bệnh viện Trung ương Quân đội 108
Hà Nội, tháng 9/2022
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Hồ Trọng Tùng
Đề tài luận văn: Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG
trên máy gia tốc Cyclone® 30
Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân
Mã số SV: 20211157M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
- Bổ sung thêm phần mở đầu (trang 1) của luận văn.
- Thêm từ viết tắt và lập bảng ở mục các chữ viết tắt.
- Cân đối lại bố cục của luận văn, căn chỉnh đúng định dạng ở phần mục
lục, mục tham khảo tài liệu.
- Chỉnh sửa lỗi chính tả và lược bớt từ “trong nghiên cứu” nội dung luận
văn.
- Bổ sung thông tin chi tiết hệ đo, sơ đồ bố thí nghiệm đo hoạt độ (trang
27), chữ viết đầy đủ của các từ viết tắt MCF, SA, SM, QA, QB, QC, QD (trang
16).
- Chỉnh sửa lỗi “Tần xuất” thành “Tần suất” ở nhãn của trục tung từ hình
3.2-1 cho đến hình 3.2-8.
Ngày 18 tháng 11 năm 2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy
gia tốc Cyclone® 30” là đề tài nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
Đàm Nguyên Bình, được thực hiện tại trung tâm máy gia tốc 30 MeV bệnh viện
108. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là khách quan và
trung thực.
Tôi xin cam đoan luận văn được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc,
số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, tất cả những tham
khảo, kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những cam đoan trên.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2022
Học viên
Hồ Trọng Tùng
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận văn này, trước hết cho tôi xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến:
- Toàn thể giảng viên, cán bộ công nhân viên Bộ Môn Kỹ Thuật Hạt Nhân
và Vật Lý Môi Trường, Viện Vật lý kỹ thuật đã tận tình truyền đạt kiến thức,
hướng dẫn, rèn luyện tôi trong suốt quá trình học tập.
- Ts. Đàm Nguyên Bình, Ts. Nguyễn Văn Thái, đã tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
- Chỉ huy và toàn thể các anh, chị em tại trung tâm máy gia tốc, bệnh viện
TWQĐ 108 đã tạo điều kiện, giúp đỡ trong thời gian thực nghiệm số liệu.
- Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và tập thể lớp cao
học kỹ thuật hạt nhân khoá CH2021A đã ủng hộ, khích lệ tinh thần và động viên
tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Tóm tắt nội dung luận văn
18
F-FDG là dược chất phóng xạ được sử dụng phổ biến cho kỹ thuật chụp
PET. Nghiên cứu, thực hiện sản xuất đồng vị phóng xạ 18F trên máy gia tốc
Cyclone 30 MeV bằng cách bắn phá chùm tia proton năng lượng cao vào bia
nước làm giàu 18O thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F. Hiệu suất sản xuất
dược chất phóng xạ FDG được quyết định bởi hai yếu tố chính: xuất lượng đồng
vị 18F sinh ra trong quá trình chiếu bia và hiệu suất tổng hợp FDG của bộ tổng
hợp. Luận văn áp dụng phương pháp xử lý thống kê trên số liệu các thông số vận
hành đã được ghi lại trong các mẻ sản xuất từ trước để đưa ra bộ thông số vận
hành tối ưu, áp dụng các tính toán phản ứng hạt nhân để tính toán xuất lượng
đồng vị 18F sinh ra, xác định thực nghiệm hiệu suất truyền đồng vị 18F thông qua
việc đo hoạt độ của 18F truyền tới hotcell sau khi chiếu bia. Từ các kết quả thu
được cùng với hoạt độ sản phẩm FDG có thể tính được hiệu suất tổng hợp của bộ
tổng hợp. Giá trị hiệu suất tổng hợp của bộ tổng hợp được so sánh với giá trị hiệu
suất công bố bởi nhà cung cấp để đánh giá khả năng hoạt động của bộ tổng hợp
tại thời gian hiện tại.
Học viên
Hồ Trọng Tùng
MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... ...
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... .
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ .
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... .
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 3
1.1. Máy gia tốc Cyckotron@ 30 tại trung tâm máy gia tốc ........................................... 3
1.2. Đồng vị phóng xạ dùng cho PET ............................................................................. 7
1.3. Lý thuyết tính xuất lượng phản ứng hạt nhân ........................................................ 11
1.4 Tối ưu hóa thông số chùm tia .................................................................................. 15
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 18
2.1 Phương pháp tính tốc độ phản ứng hạt nhân ........................................................... 18
2.2. Phương pháp tính độ mất năng lượng của chùm tia proton trong vật chất. ........... 21
2.3. Phương pháp nội suy .............................................................................................. 24
2.4. Phương pháp tích phân số ...................................................................................... 25
2.5. Phương pháp xác định hiệu suất tạo đồng vị phóng xạ 18F ................................... 26
2.6. Thu thập số liệu ..................................................................................................... 29
2.6.1 Bộ số liệu cho tối ưu hóa các thông số vận hành ......................................... 29
2.6.2. Bộ số liệu hoạt độ đồng vị 18F thực nghiệm tạo ra trong quá trình bắn
phá bia. .................................................................................................................. 29
2.6.3 Số liệu cho tính hiệu suất tổng hợp .............................................................. 30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................ 31
3.1. Phần mềm tính toán ................................................................................................ 31
3.2. Tính toán và đánh giá đưa ra bộ thông số vận hành tối ưu .................................... 32
3.3. Khảo sát xuất lượng đồng vị theo thời gian chiếu ................................................. 43
3.4. Khảo sát xuất lượng theo năng lượng chùm tia ..................................................... 44
3.5. Khảo sát xuất lượng theo cường độ chùm tia ........................................................ 45
3.6. Xác định Hiệu suất truyền đồng vị phóng xạ 18F ................................................... 46
3.7. Đánh giá hiệu suất tổng hợp 18F-FDG theo các số liệu thu được trong quá
trình sản xuất. ................................................................................................................ 48
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 51
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 52
DANH MỤC CÁC TỪ TIẾNG ANH VIẾT TẮT
STT Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ
1 CT Computed Tomography
2 Cyclone 30 Cyclotron 30 MeV IBA
3 FDG Fluorodeoxyglucose
4 MCF Main Coil Fine
5 QA Quadrupole magnets A
6 QB Quadrupole magnets B
7 QC Quadrupole magnets C
8 QD Quadrupole magnets D
9 SA Stripper Azimuth
10 SM Switching Magnet
11 SRIM Stopping and Range of Ions in Matter
12 SPECT Single-Photon Emission Computed
Tomography
13 PET Positron Emission Tomography
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1-1. Máy gia tốc cyclotron 30 MeV tại Trung tâm MGT gia tốc,
Bệnh viện TƯQĐ 108. ............................................................................... 4
Hình 1.1-2. Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron.
.................................................................................................................... 5
Hình .1.1-3. Giản đồ miêu tả dòng proton sinh sau khi chùm i-ôn H- đi
qua lá các-bon và được lái ra ngoài bởi từ trường trên bộ nam châm lái
hướng.......................................................................................................... 6
Hình 1.1-4. Sơ đồ miêu tả đường dẫn truyền chùm tia (beam line)........... 6
Hình 1.3. Biểu đồ biến đổi của hoạt độ phóng xạ theo thời gian trong quá
trình sản xuất đồng vị phóng xạ. .............................................................. 15
Hình 2.1-1. Hàm kích thích của phản ứng 18O(p,n)18F [7] ...................... 19
Hình 2.1-2. Hàm kích thích của phản ứng hạt nhân 18O(p,n) 18F đo thực
nghiệm bởi S. Takacs và các đồng nghiệp[8]. ......................................... 20
Hình 2.2-1. Công suất dừng của proton trong nước làm giàu 18O. .......... 22
Hình 2.2-2. Làm khớp công suất dừng của proton trong nước làm giàu
18
O theo hàm số giải tích. ......................................................................... 23
Hình 2.2-3. Số liệu tầm chuyển động proton trong nước làm giàu 18O và
đường cong làm khớp............................................................................... 24
Hình 2.5 Một số hình ảnh trong quá trình thí nghiệm ............................. 28
Hình 3.1. Cửa sổ chương trình tính toán xuất lượng. .............................. 31
Hình 3.2-1. Biểu đồ của thông số SA. ..................................................... 32
Hình 3.2-2. Biểu đồ của thông số SM. ..................................................... 33
Hình 3.2-3. Biểu đồ của thông số QA. ..................................................... 33
Hình 3.2-4. Biểu đồ của thông số QB. ..................................................... 34
Hình 3.2-5. Biểu đồ của thông số QC. ..................................................... 34
Hình 3.2-6. Biểu đồ của thông số QD. ..................................................... 35
Hình 3.2-7. Biểu đồ hiệu suất truyền chùm tia. ....................................... 35
Hình 3.2-8. Biểu đồ hiệu suất tổng hợp FDG trên một đơn vị ................ 36
dòng tích phân. ......................................................................................... 36
Hình 3.2-9. Kết quả làm khớp thông số SM. ........................................... 37
Hình 3.2-10. Kết quả làm khớp thông số SA. .......................................... 38
Hình 3.2-11. Kết quả làm khớp thông số QA. ......................................... 38
Hình 3.2-12. Kết quả làm khớp thông số QB. ......................................... 39
Hình 3.2-13. Kết quả làm khớp thông số QC. ......................................... 39
Hình 3.2-14. Kết quả làm khớp thông số QD. ......................................... 40
Hình 3.3. Xuất lượng bão hòa của đồng vị 18F theo khoảng thời gian
chiếu. ........................................................................................................ 43
Hình 3.4. Xuất lượng đồng vị 18F theo năng lượng chùm tia. ................. 44
Hình 3.5. Xuất lượng 18F theo cường độ chùm tia. .................................. 45
Hình 3.6-1 Xuất lượng lý thuyết 18F theo dòng tích hợp. ........................ 47
Hình 3.6-2 Xuất lượng thực nghiệm 18F theo dòng tích hợp. .................. 47
Hình 3.7. Hiệu suất tổng hợp đối với 106 mẻ sản xuất từ tháng 5/2021
đến tháng 4/2022. ..................................................................................... 48
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.2-1. Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET
.............................................................................................................................. 10
Bảng 1.2.2 Sơ đồ qui trình sử dụng chùm dòng Proton bắn phá bia chứa nước
làm giàu 180 tạo đồng vị phóng xạ 18F để điều chế dược chất phóng xạ 18F-FDG
tại trung tâm máy gia tốc – bệnh viện 108 ........................................................... 11
Bảng 2.6-1 Số liệu cho tối ưu hóa các thông số vận hành ................................... 29
Bảng 2.6-2 Bảng kết quả hoạt độ 18F tạo ra trong quá trình bắn phá bia ............ 29
Bảng 2.6-3 Số liệu cho tính hiệu suất tổng hợp ................................................... 30
Bảng 3.2-1. Các thông số vận hành quý II năm 2022 sau khi áp dụng bộ thông số
vận hành của đề tài. .............................................................................................. 42
Bảng 3.6. Kết quả Hiệu suất truyền đồng vị phóng xạ 18F ở thời điểm kết thúc
bắn bia. ................................................................................................................. 46
MỞ ĐẦU
Việc phát minh ra máy ghi hình nhấp nháy gamma (gamma scintillation
camera) bởi kỹ sư người Mỹ, Hal Anger, vào những năm 1950 đã mang lại nhiều
thuận lợi cho kỹ thuật ghi hình y học hạt nhân và dẫn đến các đồng vị phóng xạ
sử dụng trong y học được tăng lên nhanh chóng. Các đồng vị phóng xạ sử dụng
trong y học có thể được phân chia thành hai loại chính: dùng trong ghi hình và
trong xạ trị. Các đồng vị phóng xạ này có thể được sản xuất thông qua các phản
ứng hạt nhân trong các lò phản ứng gây ra bởi chùm nơtron hoặc từ quá trình bắn
phá bởi chùm hạt mang điện được gia tốc trên máy gia tốc. Với ưu thế có thể sản
xuất các đồng vị phóng xạ có hoạt độ riêng lớn và tạo ra lượng chất thải phóng xạ
ít, cùng với sự phát triển của công nghệ máy gia tốc, đặc biệt là công nghệ máy
gia tốc i-ôn âm, và sự mở rộng ứng dụng của kỹ thuật xạ hình PET và SPECT,
ngày nay máy gia tốc cyclotron đã trở thành một trong các công nghệ chủ đạo để
sản xuất các đồng vị phóng xạ dùng trong các ứng dụng thực tế, đặc biệt là trong
y học. Theo điều tra năm 2007 của Cơ quan Năng lượng Nguyên Tử Quốc tế, có
khoảng 350 máy gia tốc cyclotron được sử dụng cho mục đích sản xuất các đồng
vị phóng xạ, và trong 261 trung tâm mà IAEA đến khảo sát thì có đến 75% các
máy gia tốc cyclotron được sử dụng để sản xuất FDG tại chỗ và để cung cấp cho
các cơ sở khác.
Hệ thống máy gia tốc cyclotron tại trung tâm máy gia tốc của Bệnh viện
TƯQĐ 108 được cung cấp bởi hãng IBA, Bỉ có thể gia tốc chùm tia proton đến
năng lượng lớn nhất 30 MeV với mục đích sản xuất các đồng vị phóng xạ dùng
cho cả PET và SPECT, cũng như dùng trong nghiên cứu khoa học. Đồng vị
phóng xạ 18F có thể được sản xuất với xuất lượng lớn bằng cách bắn phá chùm tia
proton được gia tốc vào bia nước làm giàu 18O thông qua phản ứng hạt nhân
18
O(p,n)18F. Sau khi được tạo ra, 18F được chuyển đến phòng thí nghiệm sản xuất
dược chất phóng xạ để tổng hợp thành hợp chất FDG. Đồng vị phóng xạ 18F
được sinh ra bằng cách bắn phá chùm tia proton năng lượng cao vào bia nước
làm giàu 18O thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F. Sau khi được tạo ra, 18F
được chuyển đến đến hotcell tổng hợp thông qua đường ống truyền để tổng hợp
dược chất FDG. Hiệu suất sản xuất dược chất phóng xạ FDG được quyết định
1
bởi hai yếu tố chính: xuất lượng đồng vị 18F sinh ra trong quá trình chiếu bia và
hiệu suất tổng hợp FDG của bộ tổng hợp. Xuất lượng của đồng vị 18F phụ thuộc
vào các thông số vật lý của chùm tia proton tới (như năng lượng, cường độ, kích
thước, ...). Luận văn đã áp dụng các tính toán phản ứng hạt nhân để tính toán
xuất lượng đồng vị 18F sinh ra trong quá trình bắn bia, xác định thực nghiệm hiệu
suất truyền đồng vị 18F thông qua việc đo hoạt độ của 18F truyền tới hotcell sau
khi chiếu bia, từ các kết quả thu được cùng với hoạt độ sản phẩm FDG có thể
tính được hiệu suất tổng hợp của bộ tổng hợp.
Ngoài xuất lượng đồng vị 18F sinh ra và hiệu suất tổng hợp của bộ tổng
hợp, luận văn cũng nghiên cứu tối ưu hóa các thông số vận hành (thông số kỹ
thuật được thiết lập bởi người vận hành máy gia tốc cho máy gia tốc và các thành
phần cấu thành nên hệ thống tách-dẫn chùm tia) để tạo ra chùm tia gia tốc có
cường độ ổn định, kích thước hay độ hội tụ phù hợp và có hiệu suất truyền cao để
đảm bảo quá trình vận hành máy gia tốc an toàn và tiết kiệm. Tuy nhiên, sự sai
lệch, thăng giáng các tham số vận hành sau khoảng thời gian hơn 10 năm máy
gia tốc Cyclotron đưa vào sử dụng đã gây ảnh hưởng lớn và khó khăn trong việc
hiệu chỉnh tinh vi các thông số trên hệ điều khiển máy gia tốc và hệ thống dẫn
truyền chùm tia. Sự sai lệch và thăng giáng các tham số vận hành này ảnh hưởng
đến quá trình bắn phá bia để tạo xuất lượng đồng vị phóng xạ 18F cũng như quá
trình tổng hợp tạo sản phẩm 18F-FDG cuối cùng. Do vậy, mỗi cơ sở sản xuất
đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc đều phải tự xây dựng bộ các thông số này và
chọn lựa điều kiện chiếu tối ưu của riêng hệ máy gia tốc đang vận hành. Điều
kiện chiếu tối ưu sẽ giúp cho việc tính toán và đánh giá được hiệu suất tạo xuất
lượng đồng vị phóng xạ 18F và từ đó có thể ước lượng và tính toán giá trị hiệu
suất tổng hợp thực tế. Đây chính là lý do cần thiết tiến hành đề tài và mục tiêu
đặt ra của đề tài là “Đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc
Cyclone®30”.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Máy gia tốc Cyclone® 30 tại Trung tâm Máy gia tốc
Máy gia tốc là thiết bị để tăng năng lượng cho các hạt cần gia tốc. Một
trong những phương tiện để nghiên cứu cấu trúc vật chất ở trạng thái vi mô là sử
dụng các hạt bắn phá vào vật chất bao gồm các hạt cơ bản cũng như các ion của
các nguyên tử. Ernest Lawrence là người phát minh ra máy gia tốc vòng
(cyclotron) đầu tiên vào năm 1929. Nguyên lý hoạt động của nó là các hạt mang
điện tích trong buồng máy chuyển động theo các đường vòng. Có 2 loại máy gia
tốc vòng.
Kiểu cyclotron : Quỹ đạo của các hạt điện tích là đường xoáy ốc phẳng
Kiểu Synchrotron : Quỹ đạo của các hạt theo đường tròn phẳng
Các máy cyclotron được sử dụng nhiều trong các thí nghiệm vật lý hạt nhân
và nhiều ứng dụng trong y học, sinh học, công nghiệp, nông nghiệp và các ngành
kỹ thuật khác. Hiện nay máy gia tốc Cyclotron đóng vai trò chính trong sản xuất
đồng vị phóng xạ cho tổng hợp các dược chất phóng xạ cho PET và PET/CT.
Trung tâm máy gia tốc - Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 được trang
bị một máy gia tốc cyclotron với mục đích để sản xuất các dược chất phóng xạ sử
dụng trong y tế và để kết hợp nghiên cứu khoa học. Máy gia tốc cyclotron này do
hãng IBA của Bỉ cung cấp và lắp đặt. Đây là máy gia tốc vòng có từ trường, tấn
số cố định, có thể gia tốc ion H- tới năng lượng cao nhất 30 MeV, cường độ dòng
rất lớn có thể lên đến 400 A, có thể tách chùm tia từ buồng gia tốc đồng thời
trên 2 kênh ra và số kênh ra có thể lên đến 10. Năng lượng chùm tia chiết ra khỏi
buồng gia tốc có thể thay đổi từ 15 đến 30 MeV bằng cách thay đổi vị trí đặt lá
tách điện tử (stripper foil) tại đường kính tương ứng với năng lượng yêu cầu.
Hình ảnh mô tả về máy gia tốc này được đưa ra trên Hình 1.1.
Với công suất sản xuất 18F-FDG lên đến 3.5-4 Ci/ngày, trung tâm máy gia
tốc, Bệnh viện TƯQĐ 108 có khả năng để cung cấp đủ dược chất phóng xạ 18F-
FDG cho các máy PET ở Hà Nội và các vùng lân cận.
3
Hình 1.1-1. Máy gia tốc cyclotron 30 MeV tại Trung tâm MGT gia tốc, Bệnh
viện TƯQĐ 108.
Cấu tạo của máy gia tốc Cyclotron tại Trung tâm máy gia tốc bao gồm 6
bộ phân chính, đó là hệ thống nam châm từ trường, hệ thống điện trường gia tốc,
nguồn i-ôn, hệ thống bơm i-ôn đồng trục, bộ phận tách chiết chùm tia, và hệ
thống dẫn truyền chùm tia.
Chùm tia i-ôn H- tạo ra bởi nguồn i-ôn được phun xuống buồng gia tốc và
uốn lệch hướng chùm tia tại tâm buồng thông qua hệ thống bơm i-ôn đồng trục.
Buồng gia tốc cấu tạo gồm hệ nam châm chính theo kiểu cấu trúc lồi-lõm như
trên Hình 1.1-2 tạo ra các khối nam châm hình quạt (sector) và các vùng lõm để
lắp đặt các khoang tạo xung điện trường dao động (Dee). Các khoang này kết
hợp với điện cực đối diện tạo ra các khe gia tốc, mà mỗi lần đi qua các i-ôn sẽ
được gia tốc.
Điện trường gia tốc được cung cấp vào Dee dưới dạng tín hiệu sóng hình
sin được khuếch đại từ bộ dao động. Để thực hiện được chức năng gia tốc, tần số
và pha dao động cần được chọn sao có sự đồng bộ giữa cho điện áp của khe gia
tốc gia tốc thời điểm với các i-ôn đi qua khe này.
4
Hình 1.1-2. Giản đồ mặt cắt ngang của mặt phẳng trung tuyến Cyclotron.
Trong đó, (1) Sector;
(2) Các Dee;
(3) Điện cực;
(4) Hai khoang trống dành cho bơm chân không, hai
khoang chứa Dee;
(5) Khe gia tốc. Mũi tên xanh chỉ chiều chuyển động của
chùm i-ôn.
Dưới tác động của từ trường sinh ra bởi các khối nam châm và của điện
trường trên khe gia tốc, các i-ôn H- sẽ chuyển động theo hình xoắn ốc trong
buồng gia tốc, năng lượng của các i-ôn tỷ lệ thuận với khoảng cách từ quỹ đạo
của i-ôn tới tâm buồng gia tốc. Chùm i-ôn được gia tốc tới năng lượng mong
muốn sẽ được tách chiết ra bằng cách sử dụng lá các-bon mỏng. Các ion H- khi
xuyên qua lá này sẽ bị mất các điện tử để trở thành i-ôn H+ (hay proton).
H- H+ + 2e-
Dưới tác dụng của từ trường trong buồng gia tốc, quỹ đạo của chùm
proton mang điện dương bị lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu trước khi đi
qua lá tách điện tử và được lái ra ngoài bởi từ trường của khối nam châm lái
hướng của hệ thống tách chiết chùm tia. Mô tả quá trình tách chiết chùm i-ôn gia
tốc được đưa ra trên Hình 1.1-3.
5
Hình .1.1-3. Giản đồ miêu tả dòng proton sinh sau khi chùm i-ôn H- đi qua lá
các-bon và được lái ra ngoài bởi từ trường trên bộ nam châm lái hướng.
Mỗi cổng tách chiết có thể có đến 5 cổng đầu ra lắp trên buồng chân
không của nam châm lái hướng.
Sau khi ra khỏi cyclotron, chùm proton này sẽ được truyền qua đường dẫn
chùm tia (beam line) đến bắn vào bia nước làm giàu 18O để sinh ra đồng vị phóng
xạ F18 thông qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F. Hình 1.1-4 mô tả cấu hình
đường dẫn truyền chùm tia điển hình cho kênh bia lỏng. Đường dẫn truyền chùm
tia bao gồm các bộ phận chính như sau:
Hình 1.1-4. Sơ đồ miêu tả đường dẫn truyền chùm tia (beam line).
Hai bộ đo dòng Faraday đặt ở đầu và ngay trước bia trên đường dẫn
truyền chùm tia để đo cường độ chùm tia tại vị trí của Faraday;
6
Khối nam châm điều chỉnh vị trí X-Y của chùm với tác dụng để dịch
chuyển chùm tia vào đúng tâm của hệ thống dẫn truyền chùm tia;
Hai khối nam châm tứ cực kép dùng để điểu chỉnh hội tụ chùm tia tại vị trí
đặt bia chiếu xạ. Các khối nam châm này cũng cho phép thay đổi dễ dàng phân
bố không gian của chùm hạt tích điện tùy theo yêu cầu của thí nghiệm;
Khối nam châm lái hướng để lái chùm tia tới bia cần bắn;
Ngoài ra, trên đường dẫn truyền chùm tia còn có các bộ phận khác như
các van đóng mở để ngăn cách đường dẫn truyễn với buồng gia tốc cũng như các
vùng khác nhau trên đường truyền và buồng bia, bộ chuẩn trực chùm tia, bộ chắn
nơtron và bộ phận quan sát hình dạng chùm tia. Tuy nhiên, các bộ phận này sẽ
không ảnh hưởng đến quá trình cận chuyển của chùm tia trong khi vận hành.
Tất cả hệ thống máy gia tốc được đặt ở mức chân không cao rất cần thiết
để tránh sự trung hòa của các ion âm với phân tử khí. Cụ thể, buồng ion và hệ
thống dẫn chùm tia được hút chân không đến , buồng gia tốc
được hút chân không đến cỡ .
Quá trình dịch chuyển của chùm tia trên hệ thống đường dẫn truyền chủ
yếu phụ thuộc vào các thông số thiết lập cho các bộ phận: khối nam châm chính,
góc lệch của lá các-bon, khối nam châm lái hướng của hệ thống tách chiết chùm
tia và hai khối nam châm tứ cực kép.
1.2. Đồng vị phóng xạ dùng cho PET
Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để tạo ra lợi ích cho xã hội là một trong
những phát triển quan trọng của thế kỷ 20. Với việc phát minh ra máy gia tốc hạt
vào những năm đầu của thế kỷ này, con người đã có thể sản xuất ra các đồng vị
phóng xạ có thời gian sống ngắn. Các đồng vị này được tạo ra bằng cách bắn các
hạt được gia tốc có năng lượng cao vào bia các đồng vị bền. Các tính chất phân
rã của đồng vị phóng xạ đã dẫn đến nhiều ứng dụng trong nghiên cứu cơ bản,
nghiên cứu ứng dụng, y học, công nghiệp, nông nghiệp và các lĩnh vực khác.
Trong các ứng dụng y học hạt nhân, các đồng vị phóng xạ được kết hợp vào
trong các hợp chất để tạo nên các dược chất phóng xạ. Trong công nghiệp và các
lĩnh vực nghiên cứu khác, các đồng vị phóng xạ chủ yếu được sử dụng như là các
chất đánh dấu để theo dõi quá trình và như là các đầu dò để đo đạc từ trường và
7
điện trường trong vật liệu nhiệt độ thấp. Các chất phóng xạ có thể sản xuất trong
các lò phản ứng hạt nhân hoặc trên các máy gia tốc. Về cơ bản, các hạt nhân
phóng xạ sản xuất dựa trên máy gia tốc có các tính chất phân rã phù hợp hơn các
đồng vị sản xuất trong lò phản ứng hạt nhân. Một điểm mấu chốt trong nhiều ứng
dụng đó là hoạt độ phóng xạ riêng của chất phóng xạ được sản xuất ra. Đối với
nhiều ứng dụng cần quan tâm, đặc biệt trong ứng dụng cho PET, hoạt độ phóng
xạ riêng của chất phóng xạ yêu cầu là lớn, điều này phù hợp khi sản xuất trên
máy gia tốc. Hơn nữa, các lò phản ứng hạt nhân thường bị hạn chế nằm cách xa
khu dân cư nên việc vận chuyển của các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn
đến các cơ sở y tế cũng là một vấn đề trở ngại. Máy gia tốc vùng hoặc các máy
gia tốc nhỏ đặt trong bệnh viện có thể sản xuất nhiều loại đồng vị phóng xạ cần
thiết. Có một số loại máy gia tốc hạt, như là cyclotron, tuyến tính, đồng bộ, ...
Ngày nay, cyclotron đã trở thành công cụ được lựa chọn hàng đầu để sản xuất
các đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn sử dụng trong các ứng dụng sinh
học, y học. Cyclotron đầu tiên được lắp đặt ở Đại học Washington ở St. Louis
vào năm 1941 để sản xuất các đồng vị phóng xạ Phốtpho, sắt, asen và lưu huỳnh.
Giữa thập niên 50, máy gia tốc cyclotron đầu tiên được lắp đặt tại bệnh viện
Hammersmith, Luân Đôn hoàn toàn dùng để sản xuất các đồng vị phóng xạ phục
vụ y tế. Với sự phát triển của y học, số lượng kiểu loại hiện có của máy gia tốc
với các hạt đặc trưng khác nhau dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ cho y học
hạt nhân cũng tăng lên. Có hai loại máy gia tốc chính là cyclotron ion dương và
cyclotron ion âm. Y học hạt nhân ứng dụng các tính chất đặc trưng của phân rã
phóng xạ hoặc để chẩn đoán hoặc để điều trị ung thư. PET, PET kết hợp CT
(PET/CT) và SPECT là các kỹ thuật chẩn đoán chủ yếu trong y học hạt nhân.
Nguyên lý ghi hình PET dựa trên cơ sở ghi nhận trùng phùng bức xạ gamma hủy
cặp phát ra từ các đồng vị phóng xạ phát tia β+ khi chúng đập vào các tinh thể
nhấp nháy. Tia β+ sau khi phát ra từ đồng vị phóng xạ sẽ trải qua quá trình hủy
cặp khi va chạm với một điện tử trên chính lớp vỏ điện tử của mình hoặc các điện
tử trong môi trường xung quanh và tạo ra hai lượng tử hủy cặp chuyển động
ngược hướng nhau có cùng năng lượng 511 keV, tương đương với năng lượng
nghỉ của một điện tử. Sau đây là danh sách các đồng vị phóng xạ có thể sử dụng
trong PET:
8
Đồng vị Thời gian bán rã (T1/2) Ứng dụng
As-73 80.3 ngày Đánh dấu và chụp hình
PET
As-74 18 ngày Ghi hình PET các tế bào
ung thư
C-11 20 phút Xạ hình các khối u và xạ
trị
Cu-64 13 giờ Nghiên cứu trao đổi chất
đồng, để xạ hình PET
khối u và xạ trị
F-18 110 phút Phát hiện ung thu và theo
dõi tiến trình điều trị
Ga-68 68 phút Xạ hình y sinh
N-13 10 phút Dùng với PET để theo
dõi dòng chảy của máu
Có 4 loại đồng vị phát β+ có tầm quan trọng chủ yếu được sử dụng cho xạ
hình PET, đó là F-18, C-11, N-13 và O-15. Tuy nhiên, những đồng vị này có thời
gian bán rã ngắn, nên chúng thường được sản xuất trên máy gia tốc dựa trên phản
ứng hoặc với proton hoặc với đơ-tơ-ri chủ yếu dưới dạng các phản ứng (p,n),
(p,2n), (p,α) và (p,xn), và các máy gia tốc thường được đặt không quá xa hoặc
trong các cơ sở y tế sử dụng các đồng vị này. Cũng chính vì các lý do này mà
ngày càng có nhiều sự chú ý đến các đồng vị phát positron có thời gian sống
ngắn nhưng chúng có thể sinh ra từ một chất phát, ở đây đặc biệt là đồng vị Ga-
68 (T1/2 = 68 phút) sinh ra từ đồng vị Ge-68 có thời gian bán rã dài 271 ngày. Với
chất phát 68Ge/68Ga như thế đã tạo ra thuận lợi lớn là có thể sử dụng trong
khoảng thời gian vài tháng trong khoa y học hạt nhân, nhưng Ge-68 chỉ có thể
sản xuất trên máy gia tốc có cường độ chùm tia lớn do nó có hiệu suất tương đối
thấp. Các đặc trưng vật lý cơ bản về các đồng vị phóng xạ này được đưa ra trong
Bảng 1.2-1.
9
Bảng 1.2-1. Các đồng vị phóng xạ phát positron chủ yếu được sử dụng trong PET
Thời gian bán Năng lượng để
Đồng vị Loại phân rã Phản ứng
rã (phút) sản xuất (MeV)
C-11 20.4 100% β+ 14N(p,α) 11-17
16O(p,α) 19
N-13 9.98 100% β+
13C(p,n) 11
15N(p,n) 11
O-15 2.03 100% β+ 14N(d,2n) 6
16O(p,pn) >26
97% β+ 3% 18O(p,n) 11-17
F-18 109.8
EC 20Ne(d,α) 8-14
Trong đó, F-18 là đồng vị được ưu tiên lựa chọn trong thực tế do nó có
các tính chất vật lý bức xạ (năng lượng cực đại của positron và thời gian bán rã)
cũng như các tính chất hóa học (F là chất mô phỏng sinh học của các nhóm –H
và –OH và là tác nhân điều biến của các liên kế hóa học với C trong các phân tử
sinh học) thuận lợi nhất.
10