Máy gia tốc Cyclotron được phát minh vào năm 1930 bởi Nhà khoa học hạt nhân Mỹ là Ernest Orlando Lawrence, người mà sau đó đã dành được giải Nobel Vật lý vào năm 1939 cho phát minh của mình. Tới năm 1941, máy gia tốc Cyclotron đầu tiên ứng dụng trong y tế đã được lắp đặt tại Đại học Washington ở St. Louis, để sản xuất các đồng vị phóng xạ phốt pho, sắt, asen và lưu huỳnh.
Máy gia tốc Cyclotron là loại máy gia tốc giúp tăng vận tốc của hạt mang điện bằng cách kết hợp điện trường và từ trường. Máy gia tốc Cyclotron cũng như nhiều loại máy gia tốc khác ra đời vì nhu cầu nghiên cứu của các nhà khoa học. Đó là để tìm hiểu cấu trúc của vật chất với yêu cầu cần có các hạt có vận tốc lớn. Máy cyclotron xuất hiện từ ý tưởng của Ernest Orlando Lawrence, nhà vật lý người Mỹ. Theo ông, máy cyclotron sẽ giúp các hạt mạng điện tăng tốc bởi cơ chế phối hợp của điện trường và từ trường. Phiên bản máy Cyclotron ra đời vào năm 1931. Từ khi ra đời, máy đã chứng tỏ sự hữu ích của mình.
Đồng vị và dược chất phóng xạ sản xuất trên cyclotron
Việc sử dụng phóng xạ trong y tế được chia thành hai loại chung: xạ hình và xạ trị. Xạ hình được chia thành loại chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) và chụp cắt lớp phát xạ đơn photon (SPECT). Các đồng vị phóng xạ phát bức xạ positron dùng trong ghi hình PET được sản xuất từ các máy gia tốc vòng (cyclotron) như 18F, 11C, 15O, 13N hoặc từ các generator như 82Rb, 68Ga… Các đồng vị phóng xạ hay được sử dụng hiện nay gồm 18F, 11C, 13N, 15O, 82Rb. Các đồng vị phóng xạ này có các đặc điểm sinh học, chuyển hóa giống như trong tự nhiên. Điều đặc biệt của đồng vị phóng xạ dùng trong PET là chỉ dùng một lượng rất nhỏ dưới mức sinh lý vào mục đích chẩn đoán. Một lượng chất tiêm vào ở mức nanomoles đến picomoles, như vậy các nồng độ sinh lý sẽ không bị tác động hoặc bị thay đổi. Các đồng vị phóng xạ không có dược tính và không gây tác dụng phụ ở mức nồng độ rất thấp đó.
Máy gia tốc Cyclotron
Mỗi năm, có hàng triệu ca chẩn đoán sử dụng đồng vị phóng xạ tạo ra từ các cyclotron. Ước tính hiện nay, trên thế giới có khoảng hơn 1000 cyclotron, trong đó, phần lớn được sử dụng để sản xuất 18F-FDG. Cyclotron lớn nhất được biết cho tới nay có đường kính thân máy là 18 m ở TRIUMF, Canada vận hành từ năm 1974. Bên trong máy gia tốc này hành trình của hạt được gia tốc là 45 km, năng lượng cực đại của hạt được gia tốc đầu ra là 520 MeV.
Nguyên lý sản xuất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclotron
Máy gia tốc Cyclotron có hai hộp rỗng hình chữ D làm bằng đồng ghép với nhau thành một hình tròn được đặt trong chân không. Hai cạnh thẳng của các hộp ấy không đặt sát nhau hoàn toàn mà cách nhau một khoảng hẹp. Hai hộp được nối với hai cực của nguồn điện có chiều thay đổi một cách tuần hoàn theo thời gian. Vì vây, trong khoảng hẹp của chúng có điện trường luôn thay đổi một cách tuần hoàn. Hộp đặt trong từ trường đều của một nam châm điện, vectơ cảm ứng từ vuông góc với mặt hộp.
Máy gia tốc Cyclotron gia tốc chùm hạt tích điện bằng cách sử dụng điện áp xoay chiều tần số cao được đặt giữa hai điện cực kim loại hình chữ “D” rỗng gọi là “Dees” bên trong buồng chân không. Các Dees được đặt đối diện trong một khe hẹp, tạo ra một không gian hình trụ bên trong chúng để các hạt điện tích di chuyển. Các hạt điện tích được bơm vào trung tâm của không gian này. Các vị trí nằm giữa hai cực của một nam châm điện lớn đặt một từ trường tĩnh B vuông góc với mặt phẳng điện cực. Từ trường làm cho quỹ đạo của các hạt uốn cong thành một vòng tròn do lực Lorentz vuông góc với hướng chuyển động của chúng.
Nếu tốc độ của các hạt không đổi, chúng sẽ di chuyển theo một đường tròn dưới tác dụng của từ trường. Tuy nhiên, điện áp xoay chiều tần số vô tuyến (RF) vài nghìn volt được đặt giữa các Dees. Điện áp tạo ra một điện trường dao động trong khoảng cách giữa các Dees làm tăng tốc các hạt. Tần số được đặt vào sao cho các hạt tạo thành một mạch của chu kỳ điện áp. Để đạt được điều này, tần số phải đồng bộ với tần số cộng hưởng cyclotron của hạt: f = qB/2πm, trong đó B là cường độ từ trường, q là điện tích của hạt và m là khối lượng tương đối tính của hạt tích điện.
Sau mỗi lần các hạt chuyển sang điện cực Dee khác, cực tính của điện áp RF đảo ngược. Do đó, mỗi lần các hạt vượt qua khoảng cách từ điện cực Dee này sang điện cực Dee khác, điện trường sẽ đi đúng hướng để gia tốc chúng. Tốc độ tăng dần của các hạt do các lực đẩy này làm cho chúng di chuyển trong một vòng tròn bán kính lớn hơn với mỗi vòng quay, do đó các hạt di chuyển theo một đường xoắn ốc hướng ra ngoài từ tâm đến vành của các Dees. Khi chúng chạm tới vành, một điện áp nhỏ trên một tấm kim loại làm lệch chùm tia để nó thoát ra khỏi các lỗ thông qua một khe nhỏ giữa chúng và chạm vào tấm bia nằm ở điểm ra ở rìa buồng hoặc để cyclotron đi qua một ống chùm tia di tản để bắn một tấm bia từ xa. Các vật liệu khác nhau có thể được sử dụng cho các bia và các phản ứng hạt nhân do va chạm sẽ tạo ra các hạt thứ cấp có thể được dẫn hướng bên ngoài cyclotron và vào các thiết bị để phân tích. Có thể thấy rằng các đồng vị phóng xạ được tạo ra trên cyclotron chủ yếu phụ thuộc vào năng lượng chùm hạt và vật liệu làm bia.
Một mô hình máy gia tốc Cyclotron
Hiện có khoảng 1000 cyclotron trên thế giới, khoảng chủ yếu trong số đó được sử dụng trong chăm sóc sức khỏe và khoa học đời sống. Các ứng dụng của cyclotron y tế trong chăm sóc sức khỏe chủ yếu liên quan đến sản xuất đồng vị phóng xạ và xạ trị. Phần lớn các cyclotron y tế được sử dụng trong sản xuất các loại đồng vị vô tuyến khác nhau để chẩn đoán và điều trị. Các đồng vị vô tuyến đơn photon cổ điển thường từ phản ứng (p, 2n) và (p, 3n), với yêu cầu năng lượng 20–30 MeV cho chùm proton. Các đồng vị sống siêu ngắn được áp dụng trong PET thường từ quá trình (p, n) với yêu cầu năng lượng ~ 15 MeV cho chùm proton. Đối với việc sản xuất máy phát 82Sr / 82Rb trong Chụp PET tim, 149Tb trong liệu pháp α nhắm mục tiêu, 73A làm nguyên tố vi lượng trong điều tra độc chất, v.v., cần khoảng 50–100 MeV chùm proton cường độ cao.
Từ năm 2009, các hệ thống Cyclotron được lắp đặt và đi vào sử dụng ở Việt nam. Về mặt lý thuyết, các hệ thống Cyclotron có thể sản xuất các DCPX từ các nhân phóng xạ như C-11, N-13, O-15 và F-18 sử dụng chụp hình PET và PET/CT. Bên cạnh đó, các hệ thống Cyclotron với mức năng lượng từ 30 MeV trở lên có thể sản xuất các loại nhân phóng xạ khác nhau sử dụng chụp hình photon đơn bằng máy gamma camera SPECT như Tl-201 và Ga-67, In-111, I-123 … Tính đến tháng 9/2018, ở Việt nam có 5 hệ thống cyclotron và 12 PET/CT đã được triển khai. Tính đến tháng 9/2019 tổng lượng đồng vị sản xuất tại các cơ sở cyclotron tại Việt Nam trung bình khoảng 300 Ci, bao gồm cả sử dụng tại các cơ sở sản xuất và cung cấp cho các đơn vị khác.
Từ khóa: Xạ hình; Cyclotron; máy gia tốc; sản xuất đồng vị; dược chất phóng xạ
– CMD&DND –
