Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất đồng vị phóng xạ 18F-FDG là một trong những bước quan trọng trong kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và theo dõi điều trị ung thư. Theo báo cáo của ngành, có khoảng 350 máy gia tốc cyclotron được sử dụng toàn cầu để sản xuất các đồng vị phóng xạ, trong đó 75% phục vụ sản xuất 18F-FDG tại chỗ. Tại Trung tâm máy gia tốc Cyclone® 30 MeV, Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Hà Nội, việc sản xuất 18F-FDG được thực hiện bằng cách bắn phá chùm proton năng lượng cao vào bia nước làm giàu 18O, tạo ra đồng vị 18F qua phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30, bao gồm hiệu suất tạo đồng vị 18F và hiệu suất tổng hợp FDG. Mục tiêu cụ thể là xác định bộ thông số vận hành tối ưu cho máy gia tốc, từ đó nâng cao hiệu suất truyền chùm tia và hiệu suất tổng hợp dược chất phóng xạ. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 5/2021 đến tháng 4/2022, tại Trung tâm máy gia tốc Bệnh viện 108, với dữ liệu thực nghiệm từ hơn 100 mẻ sản xuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất sản xuất, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng độ ổn định của chùm tia proton, góp phần nâng cao chất lượng dược chất phóng xạ 18F-FDG phục vụ y học hạt nhân, đồng thời đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí vận hành máy gia tốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phản ứng hạt nhân và lý thuyết thống kê phân bố chuẩn.

  1. Lý thuyết phản ứng hạt nhân: Tốc độ sản sinh đồng vị phóng xạ 18F được mô tả qua phương trình tích phân hàm tiết diện phản ứng hạt nhân 18O(p,n)18F theo năng lượng chùm proton, kết hợp với công suất dừng của proton trong vật liệu bia. Phương trình hoạt độ phóng xạ tại thời điểm kết thúc chiếu tia được tính bằng tích phân số theo phương pháp Newton-Cotes, điều chỉnh cho sự phân rã phóng xạ trong quá trình tổng hợp.

  2. Lý thuyết thống kê phân bố chuẩn (Gauss): Được áp dụng để mô hình hóa phân bố tần suất các thông số vận hành máy gia tốc (SA, SM, QA, QB, QC, QD). Việc làm khớp dữ liệu với phân bố chuẩn giúp xác định giá trị trung bình và độ lệch chuẩn, từ đó đề xuất bộ thông số vận hành tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: tiết diện phản ứng hạt nhân, công suất dừng (dE/dx), hiệu suất truyền chùm tia, hiệu suất tổng hợp FDG, và phân bố chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các số liệu vận hành và hoạt độ đồng vị 18F thu thập từ hơn 100 mẻ sản xuất tại Trung tâm máy gia tốc Cyclone® 30 MeV trong khoảng thời gian một năm (5/2021 - 4/2022). Cỡ mẫu lớn đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán xuất lượng đồng vị 18F: Sử dụng chương trình lập trình trên Visual Basic 6, nhập các thông số đầu vào như cường độ chùm tia (μA), thời gian chiếu (phút), năng lượng chùm tia (MeV), thời gian tổng hợp (phút). Kết quả đầu ra là hoạt độ 18F tại thời điểm kết thúc tổng hợp và hiệu suất tổng hợp FDG.

  • Phân tích thống kê: Thu thập và phân tích tần suất xuất hiện của các thông số vận hành (SA, SM, QA, QB, QC, QD) và hiệu suất truyền chùm tia. Dữ liệu được biểu diễn qua biểu đồ tần suất và làm khớp với phân bố chuẩn để xác định giá trị tối ưu.

  • Đo hoạt độ thực nghiệm: Sử dụng thiết bị CURIMENTOR-4 (độ phân giải 0.001 MBq, độ tuyến tính ≤ 2%, độ tin cậy 5%) để đo hoạt độ đồng vị 18F ngay sau khi kết thúc chiếu bia.

Timeline nghiên cứu bao gồm thu thập số liệu vận hành và hoạt độ trong suốt năm, phân tích dữ liệu, lập trình tính toán, và đề xuất bộ thông số vận hành tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất truyền chùm tia: Phân bố hiệu suất truyền chùm tia tập trung quanh giá trị trung bình 84%, phù hợp với yêu cầu tối thiểu 80% cho kênh bia lỏng. Tuy nhiên, có một số ca sản xuất có hiệu suất truyền thấp hơn 80%, cho thấy sự mất mát chùm tia do va đập vào thành phần máy gia tốc.

  2. Hiệu suất tổng hợp FDG: Giá trị hiệu suất tổng hợp FDG trên một đơn vị dòng tích phân dao động từ 30 đến hơn 50 mCi/μAh, với giá trị trung bình 40.8 mCi/μAh và độ lệch chuẩn 2 mCi/μAh. Hiệu suất này bị giới hạn bởi bản chất vật lý của quá trình tạo đồng vị 18F và hiệu suất hóa học của bộ tổng hợp.

  3. Bộ thông số vận hành tối ưu: Qua làm khớp phân bố chuẩn, bộ thông số vận hành tối ưu được xác định với các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn như sau: SA = 2131 ± 394, SM = 1199 ± 512, QA = 9941 ± 413, QB = 12224 ± 180, QC = 12046 ± 420, QD = 8461 ± 829. Các thông số này đảm bảo hiệu suất truyền chùm tia cao và ổn định.

  4. Ảnh hưởng của sai lệch thông số vận hành: Sai lệch và thăng giáng các thông số vận hành sau hơn 10 năm sử dụng máy gia tốc gây khó khăn trong việc hiệu chỉnh, làm giảm hiệu suất truyền chùm tia và có thể gây hư hỏng thiết bị, tăng mức bức xạ và giảm an toàn vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động hiệu suất truyền chùm tia là do sự sai lệch các thông số vận hành như từ trường nam châm chính, góc lệch lá tách điện tử và các nam châm tứ cực kép. Việc áp dụng phương pháp thống kê và làm khớp phân bố chuẩn giúp xác định bộ thông số vận hành tối ưu, từ đó cải thiện hiệu suất truyền chùm tia lên trung bình 84%, cao hơn mức tối thiểu 80% khuyến cáo.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, hiệu suất tổng hợp FDG trung bình 40.8 mCi/μAh tương đương hoặc vượt mức công bố của nhà cung cấp bộ tổng hợp Synthera, chứng tỏ khả năng hoạt động tốt của hệ thống tại thời điểm nghiên cứu. Biểu đồ phân bố tần suất và biểu đồ hiệu suất truyền chùm tia minh họa rõ sự tập trung của các thông số vận hành trong vùng giá trị tối ưu, hỗ trợ trực quan cho việc điều chỉnh máy gia tốc.

Ý nghĩa của kết quả là giúp nâng cao hiệu quả sản xuất đồng vị phóng xạ 18F-FDG, giảm tổn thất năng lượng và tăng độ ổn định của quá trình sản xuất, đồng thời đảm bảo an toàn bức xạ cho nhân viên vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ thông số vận hành tối ưu: Căn chỉnh các thông số SA, SM, QA, QB, QC, QD theo giá trị tối ưu đã xác định để duy trì hiệu suất truyền chùm tia trên 84%, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu quả sản xuất. Thời gian thực hiện: ngay trong các ca sản xuất tiếp theo. Chủ thể thực hiện: kỹ sư vận hành máy gia tốc.

  2. Đào tạo và nâng cao kỹ năng vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo định kỳ cho nhân viên vận hành về kỹ thuật căn chỉnh chùm tia và xử lý sự cố để đảm bảo vận hành máy gia tốc ổn định và an toàn. Thời gian: hàng quý. Chủ thể: Trung tâm đào tạo và quản lý chất lượng.

  3. Bảo trì và kiểm tra định kỳ thiết bị: Thiết lập lịch bảo trì, kiểm tra các bộ phận nam châm, lá tách điện tử và hệ thống đo dòng chùm tia để phát hiện và khắc phục kịp thời các sai lệch thông số vận hành. Thời gian: hàng tháng. Chủ thể: bộ phận kỹ thuật bảo trì.

  4. Phát triển phần mềm hỗ trợ tối ưu hóa vận hành: Nâng cấp chương trình tính toán xuất lượng đồng vị 18F và hiệu suất tổng hợp FDG, tích hợp dữ liệu vận hành thực tế để tự động đề xuất điều chỉnh thông số vận hành phù hợp. Thời gian: 6-12 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành máy gia tốc hạt nhân: Nắm bắt quy trình tối ưu hóa thông số vận hành, nâng cao hiệu suất truyền chùm tia và đảm bảo an toàn trong sản xuất đồng vị phóng xạ.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển dược chất phóng xạ: Áp dụng phương pháp tính toán xuất lượng đồng vị và đánh giá hiệu suất tổng hợp FDG để cải tiến quy trình sản xuất.

  3. Quản lý trung tâm y học hạt nhân: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất 18F-FDG, từ đó xây dựng kế hoạch vận hành và bảo trì thiết bị hiệu quả.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật hạt nhân: Tham khảo mô hình nghiên cứu thực tiễn, phương pháp phân tích số liệu và ứng dụng lý thuyết phản ứng hạt nhân trong sản xuất đồng vị phóng xạ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiệu suất truyền chùm tia là gì và tại sao quan trọng?
    Hiệu suất truyền chùm tia là tỷ lệ giữa cường độ chùm proton tại vị trí bia so với cường độ tại lá tách điện tử. Nó phản ánh mức độ tổn thất chùm tia trong quá trình dẫn truyền. Hiệu suất cao giúp tăng xuất lượng đồng vị 18F, tiết kiệm năng lượng và giảm hư hỏng thiết bị.

  2. Làm thế nào để xác định hiệu suất tổng hợp FDG?
    Hiệu suất tổng hợp FDG được tính bằng tỷ số giữa hoạt độ FDG thu được sau tổng hợp và hoạt độ đồng vị 18F sinh ra trong quá trình chiếu bia, điều chỉnh theo thời gian phân rã. Ví dụ, hiệu suất trung bình trong nghiên cứu là khoảng 40.8 mCi/μAh.

  3. Tại sao cần tối ưu hóa các thông số vận hành máy gia tốc?
    Các thông số vận hành ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất sản xuất đồng vị phóng xạ. Sai lệch thông số có thể làm giảm hiệu suất truyền chùm tia, gây tổn thất năng lượng, tăng bức xạ và hư hỏng thiết bị, ảnh hưởng đến an toàn và chi phí vận hành.

  4. Phương pháp tính toán xuất lượng đồng vị 18F dựa trên cơ sở nào?
    Phương pháp dựa trên lý thuyết phản ứng hạt nhân, tích phân tiết diện phản ứng theo năng lượng chùm proton, kết hợp với công suất dừng của proton trong vật liệu bia và điều chỉnh cho sự phân rã phóng xạ trong quá trình tổng hợp.

  5. Làm thế nào để đo hoạt độ đồng vị 18F thực nghiệm?
    Sử dụng thiết bị đo hoạt độ phóng xạ CURIMENTOR-4 với buồng ion hóa khí Argon áp suất cao, có độ phân giải 0.001 MBq và độ tuyến tính ≤ 2%. Thiết bị đo hoạt độ ngay sau khi kết thúc chiếu bia để xác định hoạt độ thực tế của đồng vị 18F.

Kết luận

  • Đã xác định được bộ thông số vận hành tối ưu cho máy gia tốc Cyclone® 30 nhằm nâng cao hiệu suất truyền chùm tia và hiệu suất tổng hợp 18F-FDG.
  • Hiệu suất truyền chùm tia trung bình đạt 84%, vượt mức tối thiểu khuyến cáo 80%, góp phần tăng xuất lượng đồng vị 18F.
  • Hiệu suất tổng hợp FDG trung bình là 40.8 mCi/μAh, phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
  • Phương pháp tính toán xuất lượng đồng vị 18F dựa trên lý thuyết phản ứng hạt nhân và tích phân số đã được xác nhận bằng số liệu thực nghiệm.
  • Đề xuất áp dụng bộ thông số vận hành tối ưu, đào tạo nhân viên và bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất và an toàn trong sản xuất.

Next steps: Triển khai áp dụng bộ thông số tối ưu trong vận hành hàng ngày, phát triển phần mềm hỗ trợ tự động điều chỉnh thông số, và mở rộng nghiên cứu đánh giá hiệu suất trên các loại máy gia tốc khác.

Call-to-action: Các trung tâm sản xuất đồng vị phóng xạ và kỹ sư vận hành nên tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo an toàn bức xạ.