Nghiên Cứu Đánh Giá Hiệu Suất Sản Xuất 18F-FDG Trên Máy Gia Tốc Cyclone® 30

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18f fdg trên máy gia tốc cyclone® 30, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Hồ Trọng Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Đàm Nguyên Bình
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân
• Đề tài: Nghiên cứu đánh giá hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Máy gia tốc Cyclone® 30 tại Trung tâm Máy gia tốc
• 1.2. Đồng vị phóng xạ dùng cho PET
• 1.3. Lý thuyết tính xuất lượng phản ứng hạt nhân
• 1.4. Tối ưu hóa thông số chùm tia
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương pháp tính tốc độ phản ứng hạt nhân
• 2.2. Phương pháp tính độ mất năng lượng của chùm tia proton trong vật chất
• 2.3. Phương pháp nội suy
• 2.4. Phương pháp tích phân số
• 2.5. Phương pháp xác định hiệu suất tạo đồng vị phóng xạ 18F
• 2.6. Thu thập số liệu
• 2.6.1. Bộ số liệu cho tối ưu hóa các thông số vận hành
• 2.6.2. Bộ số liệu hoạt độ đồng vị 18F thực nghiệm tạo ra trong quá trình bắn phá bia
• 2.6.3. Số liệu cho tính hiệu suất tổng hợp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Phần mềm tính toán
• 3.2. Tính toán và đánh giá đưa ra bộ thông số vận hành tối ưu
• 3.3. Khảo sát xuất lượng đồng vị theo thời gian chiếu
• 3.4. Khảo sát xuất lượng theo năng lượng chùm tia
• 3.5. Khảo sát xuất lượng theo cường độ chùm tia
• 3.6. Xác định Hiệu suất truyền đồng vị phóng xạ 18F
• 3.7. Đánh giá hiệu suất tổng hợp 18F-FDG theo các số liệu thu được trong quá trình sản xuất
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hiệu Suất Sản Xuất 18F FDG

Nghiên cứu hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30 là một lĩnh vực quan trọng trong y học hạt nhân. 18F-FDG là một dược chất phóng xạ được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật chụp PET. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình sản xuất. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về quy trình sản xuất và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.

1.1. Định Nghĩa 18F FDG và Vai Trò Trong Y Học

18F-FDG là một đồng vị phóng xạ quan trọng trong chẩn đoán y học. Nó được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật PET để phát hiện các bệnh lý như ung thư. Việc hiểu rõ về 18F-FDG giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán và điều trị.

1.2. Giới Thiệu Về Máy Gia Tốc Cyclone 30

Máy gia tốc Cyclone® 30 là thiết bị tiên tiến được sử dụng để sản xuất 18F. Với khả năng gia tốc chùm tia proton đến 30 MeV, máy này cho phép sản xuất đồng vị phóng xạ với hiệu suất cao. Sự phát triển của công nghệ này đã mở ra nhiều cơ hội trong nghiên cứu y học.

II. Thách Thức Trong Quy Trình Sản Xuất 18F FDG

Quy trình sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30 gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như độ chính xác trong điều chỉnh thông số vận hành và sự ổn định của chùm tia proton ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sản xuất. Việc nhận diện và khắc phục những vấn đề này là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1. Ảnh Hưởng Của Thông Số Vận Hành Đến Hiệu Suất

Các thông số như năng lượng, cường độ và kích thước chùm tia proton có ảnh hưởng trực tiếp đến xuất lượng đồng vị 18F. Việc tối ưu hóa các thông số này là cần thiết để đạt được hiệu suất sản xuất tối ưu.

2.2. Vấn Đề An Toàn Trong Quy Trình Sản Xuất

An toàn trong quá trình sản xuất 18F-FDG là một yếu tố quan trọng. Cần có các biện pháp bảo đảm an toàn cho nhân viên và môi trường trong suốt quá trình sản xuất và vận chuyển dược chất phóng xạ.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hiệu Suất Sản Xuất 18F FDG

Nghiên cứu hiệu suất sản xuất 18F-FDG được thực hiện thông qua các phương pháp thống kê và thực nghiệm. Việc thu thập và phân tích dữ liệu từ các mẻ sản xuất trước đó giúp xác định bộ thông số vận hành tối ưu. Các phương pháp này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo tính chính xác trong sản xuất.

3.1. Phương Pháp Thu Thập Dữ Liệu

Dữ liệu được thu thập từ các mẻ sản xuất trước đó, bao gồm các thông số vận hành và hoạt độ của 18F. Việc phân tích dữ liệu này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất.

3.2. Phương Pháp Tính Toán Xuất Lượng Đồng Vị

Sử dụng các tính toán phản ứng hạt nhân để xác định xuất lượng đồng vị 18F sinh ra trong quá trình bắn phá bia. Phương pháp này giúp đánh giá chính xác hiệu suất sản xuất.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Suất Sản Xuất 18F FDG

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất sản xuất 18F-FDG có thể được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa các thông số vận hành. Các số liệu thu được từ thực nghiệm cho thấy sự gia tăng đáng kể trong xuất lượng đồng vị 18F và hiệu suất tổng hợp FDG. Những kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn trong ứng dụng thực tiễn.

4.1. Đánh Giá Hiệu Suất Tổng Hợp FDG

Hiệu suất tổng hợp FDG được tính toán dựa trên hoạt độ của sản phẩm 18F. Kết quả cho thấy hiệu suất tổng hợp đạt mức cao, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong y học.

4.2. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Trong Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để cải thiện quy trình sản xuất 18F-FDG tại các cơ sở y tế. Việc áp dụng các thông số tối ưu sẽ giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Hiệu Suất Sản Xuất 18F FDG

Nghiên cứu hiệu suất sản xuất 18F-FDG trên máy gia tốc Cyclone® 30 đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số vận hành là rất cần thiết. Những kết quả đạt được không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo an toàn trong quy trình. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học hạt nhân.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Hiệu Suất Sản Xuất

Nghiên cứu sẽ tiếp tục được mở rộng để tìm kiếm các phương pháp mới nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất 18F-FDG. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong sản xuất đồng vị phóng xạ. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong quy trình sản xuất 18F-FDG.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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”. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 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.

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. 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.

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.

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.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.

Sơ đồ miêu tả đường dẫn truyền chùm tia (beam line).