Triển khai các nghiên cứu, ứng dụng máy gia tốc kotron 13 tại trung tâm chiếu xạ Hà Nội

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 1Số 51 - Tháng 6/2017 I. Giới thiệu về máy gia tốc cyclotron KOTRON13 Máy gia tốc cyclotron KOTRON13, do Công ty SAMYUONG cung cấp, thuộc loại máy có tần số RF và từ trường nam châm cố định. Nam châm bao gồm 4 sectors với góc của “Dee” là 43,5o. Điện áp gia tốc đạt tới 45 kV tại mỗi khe gia tốc. Sau mỗi vòng chuyển động, hạt proton nhận được năng lượng tăng thêm khoảng 180 keV. Nguồn ion tạo ra hạt điện tích H- chuyển động trong máy KOTRON13 được chế tạo theo công nghệ PIG. Năng lượng chùm hạt tại bia khoảng TRIỂN KHAI CÁC NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÁY GIA TỐC KOTRON 13 TẠI TRUNG TÂM CHIẾU XẠ HÀ NỘI Theo thỏa thuận hợp tác giữa Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam và Hàn Quốc, phía Hàn Quốc đã viện trợ cho Việt Nam một Trung tâm PET-Cyclotron (đặt tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội) bao gồm một máy gia tốc KOTRON13 gia tốc hạt proton tới năng lượng 13 MeV, hệ bia mẫu tạo đồng vị phóng xạ 18F và hotcell tổng hợp dược chất phóng xạ 18FDG cùng hệ chia liều. Chức năng chính của Trung tâm PET-Cyclotron này là sản xuất dược chất phóng xạ sử dụng cho thiết bị chụp ảnh phóng xạ PET như 18FDG, 11C,... Ngoài ra Trung tâm còn là nơi nghiên cứu về công nghệ gia tốc, hóa phóng xạ và đào tạo nhân lực về các lĩnh vực này cho Viện Năng lượng Nguyên tử Việt nam. Ngày 22 tháng 8 năm 2014, Trung tâm gia tốc KOTRON13 đã được nghiệm thu kỹ thuật và chính thức đưa vào hoạt động từ cuối năm 2014. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 2 Số 51 - Tháng 6/2017 13 MeV và dòng trên bia trong chế độ hoạt động thường xuyên đạt tới 50 µA. Hạt proton được đưa ra khỏi máy gia tốc và hướng tới bia theo công nghệ Stripper. Máy được sử dụng để sản xuất dược chất phóng xạ 18FDG dùng trong kỹ thuật chụp ảnh PET/CT nhằm chuẩn đoán bệnh ung thư sớm. Hình 1. Máy gia tốc cyclotron KOTRON13 II. Các nghiên cứu, triển khai hoạt động của KOTRON13 Các nghiên cứu triển khai được tiến hành tại Trung tâm gia tốc KOTRON13 với hai mục tiêu cơ bản: Triển khai các công việc nhằm đưa sản phẩm đầu ra của hệ thiết bị là dược chất phóng xạ 18FDG vào sử dụng cho thiết bị ghi hình PET/ CT và tiến hành các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực công nghệ gia tốc và hóa phóng xạ. 1. Hoàn thiện hệ thiết bị kiểm tra chất lượng dược chất phóng xạ 18FDG Dược chất phóng xạ 18FDG được kiểm tra chất lượng tại phòng thí nghiệm QA/QC Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội và được kiểm tra chéo tại phòng thí nghiệm QA/QC Bệnh viện Trung ương quân đội 108. Kết quả là chất lượng thuốc đảm bảo các chỉ tiêu theo tiêu chuẩn dược điển Anh. Quá trình thử nghiệm lâm sàng trên động vật và quét ảnh trên máy PET/CT tại Bệnh viện Trung ương quân đội 108 cho thấy hình ảnh phân bố rõ theo đặc điểm sinh lý. Hiện tại, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội đang tiến hành các thủ tục xin cấp phép cho hoạt động sản xuất 18FDG từ Bộ Y tế. Bảng 1. Kết quả kiểm tra chất lượng 18FDG với tổng số 12 chỉ tiêu 2. Đánh giá năng lực sản suất đồng vị phóng xạ 18F trên máy KOTRON13 Đặt vấn đề: Trong quá trình sản xuất đồng vị phóng xạ 18F sử dụng cho PET/CT trên máy gia tốc cyclotron, một vấn đề được quan tâm là dự đoán được cường độ dòng proton trên bia và thời gian bắn bia thích hợp để sản xuất ra một lượng phóng xạ vừa đủ cho nhu cầu thực tế. Khi bắn bia nước nặng H2O 18 tạo đồng vị 18F, hai quá trình vật lý chính xảy ra là quá trình tạo đồng vị phóng xạ 18F qua phản ứng hạt nhân hợp phần: 8 O18 + 1 H1  9F18 + 0n1 Và quá trình phân rã hạt nhân 18F với chu kỳ bản rã của Flo là 109,74 phút. Hoạt độ phóng xạ suy giảm theo công thức sau: 2ln 0 2/1T t eAA − = Trong đó : + A o : Hoạt độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu. + A: Hoạt độ phóng xạ còn lại sau thời gian t. + T 1/2 : Chu kỳ bán ra của đồng vị phóng xạ. Để đánh giá khả năng tạo đồng vị phóng TT Các chỉ tiêu Phương pháp Giá trị trên mẫu Tiêu chuẩn BP Kết luận 1 Cảm quan Quan sát qua kính chì Dung dịch trong suốt, không màu Dung dịch trong suốt, không màu hoặc vàng nhạt Đạt 2 Độ pH So màu 7 4,5 – 8,5 Đạt 3 Độ sạch hóa phóng xạ Radio- TLC 99,23 – 100% > 95% Đạt 4 Độ sạch hóa học Radio- HPLC 97,37 – 98,73% > 95% Đạt 5 Độ sạch hạt nhân phóng xạ Phổ gamma (MCA) 100% (511 KeV) > 99,95% (511 KeV hoặc 1022 KeV) Đạt 6 Thời gian bán rã Dose Calibrator 108,48 -110,94 phút 105 - 115 phút Đạt 7 Acetone GC Không phát hiện thấy < 5 mg/ml Đạt 8 Methanol GC Không phát hiện thấy < 5 mg/ml Đạt 9 Ethanol GC 0,0008 - 0,01 mg/ml < 5 mg/ml Đạt 10 Acetonitrile GC 0,008 - 0,018 mg/ml < 0,4 mg/ml Đạt 11 Endotoxin Endosafe PTS 1000 Hoạt độ mẫu 60 - 80 mCi/ml, Endotoxin có giá trị 0,050 EU/ml (0,014 - 0,15 EU/ liều tiêm) < 175 EU/ liều tiêm Đạt 12 Độ vô trùng Tiệt trùng 100% theo dược điển BP Tiệt trùng 100% theo dược điển BP Đạt THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 3Số 51 - Tháng 6/2017 xạ từ các máy gia tốc PET Cyclotron, người ta đã đưa ra thông số về giá trị bão hòa tạo đồng vị phóng xạ Y sat . Trong đó : + Y sat : Được gọi là suất bão hòa tạo đồng vị phóng xạ có thứ nguyên là mCi/µA. + Activity EOB: Hoạt độ phóng xạ được tạo ra tại bia sau khi kết thúc bắn. + T 1/2 : Chu kỳ bán rã của 18F + T irradiation : Thời gian bắn bia. Để xác định được giá trị Y sat cho mỗi máy PET Cyclotron, người ta đã sử dựng phương pháp bán thực nghiệm: Biết giá trị của ActivityEOB, dòng trên bia, chu kỳ bán rã của đồng vị phóng xạ và thời gian bắn bia có thể tính giá trị Y sat cho máy gia tốc. Tính toán suất bão hòa hoạt độ 18F của cyclotron KOTRON13 Bảng 2. Số liệu thực nghiệm liên quan giữa dòng trên bia, thời gian bắn bia và hoạt độ phóng xạ tạo ra trên bia Dòng trung bình trên bia (µA) Thời gian bắn bia (phút) Hoạt độ phóng xạ đo được (Ci) Hoạt độ ngoại suy EOB (Ci) 43 126 2,020 2,222 42 113 2,040 2,244 43 126 2,020 2,222 43 120 1,96 2,156 42 123 1,945 2,136 Tính toán suất bão hòa của máy gia tốc KOTRON13 Từ công thức Y sat , với các giá trị thực nghiệm của dòng trên bia, thời gian chiếu bia, chu kỳ bán rã của 18F và hoạt độ ngoại suy EOB ta có kết quả Y sat theo bảng sau: Bảng 3. Giá trị suất bão hòa Y sat Dòng trung bình trên bia (µA) Thời gian bắn bia (phút) Chu kì bán rã 18F (phút) Hoạt độ EOB (Ci) Suất bão hòa Ysat (mCi/µA) 43 126 109,74 2,222 94,16 42 113 109,74 2,244 104,72 43 126 109,74 2,222 94,16 43 120 109,74 2,156 94,36 42 123 109,74 2,136 94,28 Với 5 kết quả trên của giá trị Y sat , kết quả thứ 2 (Y sat =104,72) lệch nhiều so với 4 kết quả Y sat còn lại. Trong kết quả tính toán giá trị trung bình của Y sat , tạm thời bỏ giá trị này. Kết quả cuối cùng: Y sat = 94,24 ± 0,05. Giá trị này cũng tương đương với các máy PET cyclotron đang hoạt động tại Hàn Quốc do SAMYUONG chế tạo. Dự đoán hoạt độ phóng xạ 18F tạo thành với thời gian bắn bia khác nhau Tính toán hoạt độ 18F tạo thành (EOB) và kết quả đo sau 10 phút chuyển từ bia sang hotcell với dòng bắn 42 µA với thời gian bắn lần lượt là 10, 30, 50, 70, 90, 110 và 150 phút. Điều kiện tính: Giá trị Y sat = 94,24 và chỉ tính giá trị hoạt độ EOB. Kết quả: Sự phụ thuộc thời gian bắn và hoạt độ tại Hotcell sau 10 phút chuyển từ bia được mô tả trên hình 2. Từ đồ thị tính toán trên và thực tế sản suất đồng vị phóng xạ 18F, với dòng trên bia khoảng 40 µA, thời gian bắn 1,5 giờ có thể tạo ra một lượng phóng xạ với hoạt độ khoảng 1,5 Ci. Với hiệu suất tổng hợp 18FDG trung bình 40% thì lượng dược chất phóng xạ tạo ra khoảng 0,7 Ci đủ để dùng cho 2 máy PET/CT trong 1 ngày hoạt động. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 4 Số 51 - Tháng 6/2017 Hình 2. Đồ thị mô tả hoạt độ phóng xạ 18F tại Hotcell với dòng bắn 42 µA 3. Tiến hành các công việc về bảo dưỡng, sửa chữa nhỏ nhằm từng bước làm chủ hoạt động máy gia tốc KOTRON13 Hình 3. Các cán bộ tự bảo dưỡng, sửa chữa một số trường hợp tại KOTRON13 Thông thường với các máy gia tốc cyclotron, việc bảo dưỡng định kỳ cùng các công việc sửa chữa máy đều do các hãng chế tạo nước ngoài thực hiện. Kinh phí để thực hiện công việc này rất lớn từ 5 - 7% giá trị thiết bị hàng năm. Với kiến thức và kinh nghiệm của đội ngũ cán bộ khoa học tại KOTRON13, một phần lớn các công việc về bảo dưỡng, sửa chữa đã được tiến hành ngay tại Trung tâm. Một số công việc cơ bản về bảo dưỡng thiết bị có thể nêu ra như sau: - Điều chỉnh phối hợp trở kháng giữa khối công suất RF và buồng cộng hưởng gia tốc: Trở kháng lối ra của khối RF là 50 Ω. Khi có việc bảo dưỡng sửa chữa phải mở máy gia tốc, trở kháng buồng cộng hưởng phải điều chỉnh lại giá trị 50 Ω. Hệ số phản xạ RF từ buồng cộng hưởng về khối RF phải nhỏ hơn 3% trong chế độ hoạt động bình thường của máy. Khi phối hợp trở kháng giữa khối công suất RF và buồng cộng hưởng không tốt sẽ gây ra hiện tượng cháy nổ trong khối công suất RF. - Bảo dưỡng, vệ sinh nguồn ion theo công nghệ PIG trong máy gia tốc: Nguồn ion PIG có cấu tạo gồm một anode hình trụ và 2 cathode phẳng đặt tại hai đầu anode. Vùng Plasma được tạo ra tại vùng tâm của anode. Sau một thời gian hoạt động, anode, cathode và các vùng lân cận nguồn ion bị cháy và cần lau chùi, thay thế các linh kiện mới. Dòng ra của máy gia tốc phụ thuộc rất nhiều vào cấu hình của nguồn ion, vị trí các linh kiện khi lắp đặt nguồn ion và vị trí 3 chiều của nguồn ion trong vùng lõi của máy gia tốc. Nguồn ion sau khi được bảo dưỡng sửa chữa phải đạt được dòng ra trên bia khoảng 30 µA trong các điều kiện sau: Dòng Arc Current: 1,5 A; Lưu lượng dòng khí H2: 10 sccm; Giá trị Duty Cycle: 35%. Dòng nam châm tạo từ trường: 135,200 A. - Bảo dưỡng khối phát công suất RF: Phần điện tử tạo RF của KOTRON13 gồm các bộ phận chính sau. + Khối tạo dao động RF: Khối điện tử tạo dao động điện tần số 77,3 Mhz + Khối tiền khuếch đại: Đây là bộ khuếch đại dải băng thông hẹp với tần số trung tâm 77,3 Mhz, công suất 50 W. + Khối khếch đại trung gian (IPA): Tần số trung tâm 77,3 Mhz, công suất ra lên đến 1,5 kW. + Tầng khuếch đại lối ra PA: Tần số trung tâm 77,3 Mhz, công suất lên tới 20 kW. Đèn công suất ra loại Triode 3 cực nhãn hiệu EIMAQC 3CW20000A7. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 5Số 51 - Tháng 6/2017 + Toàn bộ hệ thống được điều khiển bởi một PLC. + Khối nguồn nuôi gồm 2 chức năng: Tạo thế cao áp nuôi điện cực Anode của đèn Triode (khoảng 8 kV) và thế thấp áp 5 V; 7,5 V nuôi sợi đốt đèn công suất khối IPA và PA. Hình 4. Sơ đồ khối phần phát công suất RF của KOTRON13 Ngoài ra còn một số công việc khác về bảo dưỡng đã được thực hiện bởi các cán bộ trung tâm như hệ chân không, hệ làm mát bằng nước, 4. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo từng phần máy gia tốc cyclotron KOTRON13 Phát triển công nghệ gia tốc là một lĩnh vực khó và tốn kém. Công nghệ này chỉ có thể phát triển tại các nước có nền kinh tế, kỹ thuật đủ mạnh. Các kiến thức về lý thuyết cơ bản có thể tiếp cận trong các tài liệu, các hội nghị khoa học,... song các số liệu thực nghiệm về thiết kế, chế tạo, lắp đặt là bí quyết và là quyền sở hữu trí tuệ riêng của các công ty sản xuất thiết bị. Các nước muốn phát triển công nghệ gia tốc phải tự đầu tư nghiên cứu chứ không có trợ giúp từ nước ngoài. Tại Việt Nam, trong thời gian 10 năm trở lại đây, các máy gia tốc đã được triển khai nhiều vào Việt Nam bao gồm các loại máy sau: - Máy gia tốc LINAC: Sử dụng nhiều trong y tế dùng để xạ trị các bệnh ung thư và trong chiếu xạ thực phẩm. - Máy gia tốc Cyclotron: Chủ yếu sản xuất các dược chất phóng xạ sử dụng chụp ảnh phóng xạ PET và SPECT. Các đồng vị phóng xạ sản xuất ra bao gồm 18F, 11C, 13N, 15O, 201Tl, 67Ga,.. - Ngoài ra còn một máy gia tốc tĩnh điện loại Tandem Pelletron gia tốc proton năng lượng thấp và một máy Microtron gia tốc hạt điện tử được sử dụng trong các nghiên cứu vật lý hạt nhân. Sau khi tiếp nhận máy gia tốc IBA30 tại Bệnh viện Trung ương quân đội 108 và máy gia tốc KOTRON13 tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội (thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam), một hướng nghiên cứu đã được hình thành là từng bước làm chủ công nghệ gia tốc cyclotron bằng cách nghiên cứu lắp đặt, thiết kế chế tạo từng phần máy gia tốc. Nguồn ion theo công nghệ PIG là khởi đầu hướng nghiên cứu này. Mục tiêu cần đạt được của đề tài có thể tóm tắt như sau: + Làm chủ công nghệ nguồn ion công nghệ PIG của máy gia tốc cyclotron KOTRON13. + Nghiên cứu thiết kế, chế tạo ra nguồn ion PIG nhằm thay thế cho nguồn ion nhập khẩu cùng loại của máy gia tốc KOTRON13. + Lắp đặt vận hành và đồng bộ hóa nguồn ion PIG với máy gia tốc KOTRON13. Nguyên lý cơ bản của nguồn ion Penning Ionization Gauges (PIG) Quá trình tạo ion hydro trong nguồn ion PIG dựa trên hiệu ứng bắn phá của các hạt điện tử vào nguyên tử khí hydro trung hòa. Cấu tạo nguồn ion PIG bao gồm 1 ống anode hình trụ rỗng cùng với 2 cathodes nằm ở mỗi đầu ống anode. Toàn bộ nguồn PIG được đặt trong từ trường B song song với trục của anode. Khi điện áp một chiều được cấp vào các điện cực anode và cathode, các điện tử phát ra từ bề mặt cathode được gia tốc THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 6 Số 51 - Tháng 6/2017 trong điện trường và chuyển động với động năng lớn về phía anode. Từ trường B làm các hạt điện tử chuyển động xoáy trôn ốc dọc theo ống anode và gây ra hiệu ứng ion hóa khí hydro. Trạng thái plasma được tạo ra tại vùng tâm của ống anode. Tại đây các điện tử chuyển động với động năng lớn gây ra các hiệu ứng ion hóa các phân tử khí H2 tạo ra các ion H + và tạo ra các nguyên tử hydro ở trạng thái kích thích H*, Hình 5. Cấu tạo cơ bản của nguồn ion theo công nghệ PIG Nguồn ion tạo ra trong máy KOTRON13 là nguồn ion âm H-. Trong vùng plasma của ống anode, với động năng của điện tử vào khoảng ~200 eV là điều kiện thuận lợi để tương tác sinh ra các nguyên tử khí kích thích H2 *. Các nguyên tử bị kích thích này dễ dàng kết hợp với các hạt điện tử lạnh (động năng khoảng 1 eV) để tạo ra các ion âm H-. Các ion H- chuyển động khuếch tán trong vùng plasma, được kéo ra khỏi nguồn ion PIG dưới tác dụng của điện trường và đi vào vùng gia tốc của cyclotron. Lắp đặt nguồn ion PIG Để lắp đặt nguồn ion PIG trong máy gia tốc cần phải có kinh nghiệm thực tế. Đây gần như là các bí quyết của các công ty cung cấp thiết bị. Sau một thời gian dài tham gia lắp đặt điều chỉnh máy gia tốc, các cán bộ tại Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội đã có thể tự thực hiện công việc này. Hình 6. Lắp đặt nguồn ion PIG Giải thích: L1: Khe trung tâm của buồng cộng hưởng; L2: Cạnh mép trái của nguồn ion; L3: Mặt phẳng có khe ra ion H- của anode; L4: Trục trung tâm của buồng cộng hưởng; L5: Mặt phẳng tạo bởi hai mép của điện cực puller hướng về anode; L6- L7: Khoảng cách giữa 2 khe của điện cực puler được cố định là 2,1 mm. Hình 7. Phổ cường độ dòng trên bia của KOTRON13 đạt 40 µA sau khi lắp đặt Các thông số về lắp đặt cũng như các thông số hoạt động nguồn ion đã được công bố trong báo cáo tổng kết nhiệm vụ cấp bộ 2014- 2015 “Nghiên cứu tiếp thu quy trình vận hành, bảo dưỡng các thiết bị máy gia tốc KOTRON13 và xác định các thông số tối ưu của thiết bị phục vụ quá trình sản xuất đồng vị phóng xạ 18F” và trong một số hội nghị khoa học do Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam tổ chức. Công việc tiếp theo trong các năm tới là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nguồn ion theo công nghệ PIG lắp đặt thành công trong máy THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 7Số 51 - Tháng 6/2017 KOTRON13. Đây là sự mở đầu cho các nghiên cứu thực nghiệm về công nghệ gia tốc tại Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam nhằm tiến tới từng bước làm chủ về công nghệ gia tốc phục vụ cho nhu cầu trước mắt là vận hành, sửa chữa máy KOTRON13 phục vụ quá trình sản suất đồng vị phóng xạ 18F. III. Kết luận Các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của cyclotron KOTRON13 là một nhiệm vụ được quan tâm tại Trung tâm Chiếu xạ Hà nội. Sau khi nhận bàn giao kỹ thuật máy KOTRON13 từ Công ty SAMYUONG Hàn Quốc, về cơ bản các cán bộ kỹ thuật của Trung tâm đã làm chủ được công việc vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa nhỏ thiết bị. Các công việc chuẩn bị đưa thiết bị đủ điều kiện để sản suất dược chất phóng xạ 18FDG cũng được đồng thời triển khai. KOTRON13 đã có giấy phép về an toàn bức xạ của Cục An toàn bức xạ và hạt nhân. Hiện tại Trung tâm đã gửi các hồ sơ xin cấp phép hoạt động lên Bộ Y tế và đang chờ kết quả cấp phép. Đồng thời với các công việc trên, hướng nghiên cứu chế tạo từng phần máy gia tốc cyclotron mà nguồn ion PIG là bước đi đầu tiên đang được triển khai. Mục tiêu trước mắt là từng bước làm chủ về công nghệ gia tốc phục vụ quá trình sản xuất dược chất phóng xa 18FDG dùng cho các máy PET/CT trên địa bàn Hà Nội. Nguyễn Tiến Dũng Nguyễn Tuấn Anh Phạm Minh Đức Phòng Gia tốc KOTRON13, Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội