Ứng dụng máy gia tốc 2

Một số ứng dụng của máy
gia tốc hạt
(tiếp theo)
− Trước đây việc xạ trị gamma chủ yếu dựa trên nguồn đồng vị phóng xạ
60
Co có năng lượng trong bình 1,25 MeV hoặc dùng các kim Ra phóng xạ
với năng lượng trung bình khoảng 1 MeV. Do năng lượng gamma nhỏ nên
việc điều trị thường là đối với các khối u nông trên mặt da. Muốn điều trị các
khối u sâu hơn phải kéo dài thời gian chiếu tia. Riêng đối với
60
Co có thời
gian sống tương đối ngắn do đó hoạt độ phóng xạ giảm đáng kể theo thời
gian. Để đảm bảo điều trị cần tăng thời gian chiếu. Điều này dẫn đến ảnh
hưởng xấu đối với bệnh nhân.
− Xạ trị sử dụng máy gia tốc có ưu điểm đảm bảo liều chiếu ổn định, tạo ra
các chùm hạt với các chủng loại, năng lượng và cường độ khác nhau, giảm
được thời gian chiếu và có thể điều trị các loại khối u ở các vị trí khác nhau
trong cơ thể.
− Máy gia tốc trong y tế ngoài phần chính là máy gia tốc để tạo tia phóng xạ
còn nhiều bộ phận khác nhằm đảm bảo việc điều trị có hiệu quả và an toàn.
Những yêu cầu kỹ thuật đối với máy gia tốc trong xạ trị cũng đòi hỏi khắt
khe hơn so với các lĩnh vực khác.
− Có nhiều loại xạ trị trên máy gia tốc như xạ trị electron, photon, proton,
nơtron, meson…
II. ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC TRONG Y TẾ
II.1. Xạ trị ung thư:
Một số yêu cầu trong xạ trị sử dụng máy gia tốc:
− Chùm bức xạ cần được xác định chính xác năng lượng, và có thể thay đổi
kích thước và hướng chùm tia.
− Liều lượng bức xạ trong chùm tia phải đồng đều và ổn định.
− Đặc trưng phân bố liều theo bề dày khối u cần có một cực đại, tăng dần

từng bước và suy giảm nhanh, trường chiếu có thể nhỏ nhất cả trước và
sau khối u.
− Năng lượng của hạt phải đảm bảo sự được khuếch tán trong toàn bộ khối
u và có thể điều chỉnh năng lượng một cách dễ dàng.
− Cường độ chùm hạt cần tương đối cao sao cho thời gian chiếu xạ ngắn và
có thể thay đổi trong một giải rộng.
− Cường độ chùm theo mặt cắt vuông góc với trục cần phải đồng nhất, chùm
tia dễ dàng được chuẩn trực chính xác trong trường chiếu.
− Khả năng thao tác dễ dàng của chùm tia sao cho có thể sử dụng cả chế độ
xạ trị tĩnh và quay.
1. Phương pháp xạ trị electron và photon:
− Giới hạn dưới của năng lượng electron khoảng 4 MeV và giới hạn trên phụ thuộc
vào quãng chạy của hạt, với electron quãng chạy trong nước và các khối u mềm
khoảng 0,5 cm/MeV. Quãng chạy trong xạ trị được định nghĩa là khoảng đẳng liều
và bằng 2/3 quãng chạy cực đại.
− Electron được sử dụng để chiếu xạ ngoài với các khối u nông như ung thư da. Khi
đi sâu khoảng 5 cm thì liều lượng của chùm hạt electron gần như bằng không, do
đó gây tổn hại rất ít tới các mô lành.
− Tia X hay các photon bức xạ hãm được tạo thành khi bắn electron vào một bia hãm
kim loại có số khối lớn. Các photon có quãng chạy lớn hơn và có thể điều chỉnh
quãng chạy theo năng lượng.
− Xạ trị photon được ứng dụng chủ yếu trong điều trị các khối u sâu. Người ta
thường chia chùm tia thành nhiều chùm nhỏ chiếu theo các hướng khác nhau và
hội tụ và khối u.
− Một ưu điểm đặc biệt của xạ trị photon năng lượng cao là sự mệt mỏi của bệnh
nhân ít hơn so với xạ trị tia X năng lượng thấp .
− Ngày nay hầu hết các bệnh nhân được điều trị với các photon năng lượng cao và
các electron nhanh. Máy gia tốc betatron, microtron hầu hết được thay thế bằng
các máy gia tốc linac. Loại máy linac có ưu thế dễ sử dụng, nhỏ gọn hơn và cho
liều chiếu cao hơn.

+ Phần gia tốc bao gồm:
- Nguồn phát electron.
- Hệ thống phát sóng cao tần dùng đèn magnetron hoặc klystron và ống dẫn sóng.
- Bộ phận gia tốc.
- Hệ thống phụ trợ như bơm chân không, hệ thống làm lạnh bằng nước…
- Hệ thống theo dõi và chuẩn trực chùm tia.
- Hệ thông đèn Laser xác định trụ quay của máy, trục thẳng đứng của chùm tia.
- Hệ thống camera theo dõi bệnh nhân.
- Hệ thống đàm thoại giữa thầy thuốc và bệnh nhân.
- Bộ hiển thị chùm tia bằng ánh sáng nhìn thấy.
- Có hệ thống đo khoảng cách từ nguồn tới da bệnh nhân.
- Có màn hình thông báo các số liệu liên quan tới việc điều trị.
- Điều kiển thiết bị trên hệ thống máy tính.
- Tự động ngắt máy khi có sự cố
+ Gường máy có thể điều khiển lên xuống, quay theo các góc.
+ Hệ thống tính liều lượng và lập kế hoạch điều trị.
+ Hệ thống lưu giữ ảnh và in ảnh.
+ Hệ thống của che chắn nơtron.
+ Hệ thống đo liều: máy đo tia phóng xạ liều cao, máy đo phòng hộ tia xạ, hệ thống đo liều
nơtron và cảnh báo nhiễm bẩn phóng xạ, hệ thống phantom, máy đo có hệ thống dây nối
đồng trục dài để đo được từ ngoài vào buồng máy.
Một số bộ phận chính trong thiết bị xạ trị electron và photon :
Hình 1: Phân bố liều chiếu trong nước đối với electron (a) và
photon (b) ở các năng lượng khác nhau.
(a): electron
(b): photon
Hình 2 : Máy gia tốc linac xạ trị electron,
photon
Hình 3 : Máy gia tốc betatron xạ trị
electron, photon

2. Phương pháp xạ trị proton và ion nặng:
− Các hạt tích điện như proton hoặc ion nặng có hiệu quả hơn so với
chùm photon trong việc tấn công phá hủy một số loại khối u, do chúng
có những tính chất vật lý đặc biệt về phân bố liều cho phép thực hiện
việc chiếu xạ chọn lọc lên các khối u và hạn chế mức độ thấp nhất
ảnh hưởng của các mô lành xung quanh.
− Khi tương tác với vật chất các loại bức xạ bị hấp thụ khác nhau. Từ
hình 5 ta thấy sự phân bố liều của proton và ion nặng khắc hẳn với
các loại bức xạ khác, chúng mất năng lượng chủ yếu bởi hiệu ứng ion
hóa và kích thích các điện tử khi đi qua môi trường, đến cuối quãng
chạy của hạt xuất hiện một đỉnh nhọn gọi là đỉnh bragg, sau đó liều
giảm nhanh, có nghĩa là xung quanh đỉnh sự mất mát năng lượng là
rất lớn.
− Như vậy hiệu ứng bức xạ của các hạt tích điện lên các tế bào của cơ
thể là rất thích hợp cho việc xạ trị các khối u.
− Ngoài proton các ion nặng như heli, cacbon, oxy, nitơ… cũng được
sử dụng nhiều trong xạ trị khối u.
Hình 4: Phân bố liều chiếu đối với photon, proton và ion nặng
- Đối với xạ trị proton ta có thể nhận được một suất liều cao với một dòng
tương đối nhỏ.
- Chùm proton với đường kính nhỏ được quét trên toàn bộ khối u và năng
lượng liên lục được điều chỉnh bởi các chất hấp thụ sao cho quãng chạy
của proton trùng với rìa của khối u.
- Khối u được chiếu xạ với một liều phân bố đồng nhất.
- Do có khối lượng tương đối lớn nên chùm proton ít bị phân tán bên trong
tế bào.
- Chùm proton có thể dễ dàng điều khiển một cách chính xác do đó chúng
không hủy hoại những tế bào khỏe mạnh ở xung quanh khối u và ít gây ra
tác động phụ cho bệnh nhân .
- Chùm hạt proton hầu hết bị hấp thụ trong bia.

- Xạ trị bằng proton đã chứng tỏ hiệu quả tốt hơn so với tia X thông
thường trong việc chữa trị một số loại bệnh ung thư nhất định như ung thư
đầu và cổ, ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt…
- Hạn chế của xạ trị hạt tích điện là cần thiết bị gia tốc lớn, đắt tiền như
các máy gia tốc cyclotron, synchrotron.
Hình 5: Máy gia tốc cyclotron xạ trị proton
3. Phương pháp xạ trị sử dụng nơtron:
− Trong xạ trị photon, electron, proton sự phá hủy các thế bào ung thư bởi
sự tương tác với các nguyên tử. Các loại bức xạ này có tốc độ truyền
năng lượng tuyến tính thấp (low LET- linear energy transfer).
− Nơtron là bức xạ có độ truyền năng lượng tuyến tính cao. Hiệu ứng sinh
học rất mạnh. Các tế bào bị chiếu xạ bởi nơtron khó có khả năng hồi
phục.
− Xạ trị nơtron thường được sử dụng để điều trị các loại tế bào kháng lại
các bức xạ thông dụng như photon, electron.
− Xạ trị nơtron có ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các dạng xạ trị khác.
Do đó liều lượng chiếu xạ chỉ cần bằng khoảng 1/3 liều lượng đối với
chiếu xạ photon, electron hoặc proton. 14,4 Gy liều tích lũy nơtron tương
đương với 43,2 Gy suất liều tia X và 63 Gy suất liều từ nguồn
60
Co.
− Nơtron nhanh có thể dùng điều trị các khối u lớn. Các khối u nhỏ thường
được sử dụng các bức xạ có LET thấp.
− Thời gian điều trị đối với xạ trị nơtron khoảng 12 lần trong 4 tuần so với 30
đến 40 lần trong 8 tuần với các loại xa trị thông dụng khác.
- Một nguyên tắc xạ trị nơtron được sử dụng rất có hiệu quả là dựa trên
khả năng bắt đồng vị
7
B bởi tế bào ung thư, các đồng vị
7

B khi đưa vào
cơ thể sẽ tập trung trong các khối u.
- Khi ta bắn các khối u bằng một chùm nơtron nhiệt thì các nơtron này sẽ
bị hấp thụ bởi các đồng vị
7
B qua phản ứng hạt nhân:
7
B(n,)
4
He .
- Các hạt  được tạo thành là hạt mang điện và có khả năng phá hủy các
tế bào ung thư trong các khối u.
- Để có chùm nơtron năng lượng thấp cần làm chậm các nơtron năng
lượng cao qua các vật liệu có khả năng nhiệt hóa cao như paraffin,
nước,…
- Phương pháp điều trị bắt nơtron thực chất là xạ trị bằng hạt tích điện.
Đây là phương pháp có nhiều triển vọng.
− Phần lớn các máy xạ trị nơtron là Cyclotron. Nơtron được tạo ra bằng
cách bắn phá chùm đơteron đã được gia tốc vào bia thường là Be. Máy
phát nơtron với phản ứng D-T, D-D cũng được sử dụng nhiều trong xạ trị
nơtron.
Hình 6: Phân bố liều chiếu đối với nơtron, electron, tia X và proton
Hình 7: Máy gia tốc cyclotron dùng trong xạ trị nơtron
II.2. Sản xuất đồng vị phục vụ chẩn đoán và chữa bệnh
− Một trong những ứng dụng quan trọng của chất phóng xạ là kỹ thuật đánh
dấu. Nếu ta thay một đồng vị bền của một nguyên tố hóa học nào đó trong
một hợp chất bằng một đồng vị phóng xạ (còn gọi là đồng vị đánh dấu) thì
quá trình hóa lý xảy ra trong hợp chất đó có thể xác định được qua việc
nghiên cứu chuyển động của các đồng vị phóng xạ.
− Các đồng vị đánh dấu được sử dụng trong y học phục vụ mục đích chẩn

đoán và điều trị. Thông thường các đồng vị đánh dấu được sản xuất trong
các lò phản ứng hạt nhân và phần lớn là các đồng vị sống dài. Trong chẩn
đoán và điều trị người ta thường dùng các đồng vị sống ngắn và chủ yếu
được sản xuất trên các máy gia tốc.
− Ví dụ: Việc lưu thông máu của bệnh nhân được kiểm tra bằng cách đưa
một lượng nhỏ Natri phóng xạ vào mạch máu. Natri sẽ chuyển động trong
các mạch máu và được phân bố trong khắp cơ thể người. Phát xạ của
đồng vị Natri được đo bằng các ống đếm gamma đặt gần bệnh nhân. Nếu
hệ thông lưu thông máu không tốt số đếm tia xạ sẽ tăng chậm, có bất
thường ở một số điểm nào đó. Như vậy bằng cách đo tia xạ ở những phần
khác nhau của cơ thể bệnh nhân chúng ta có thể ghi được tốc độ tích lũy
của các đồng vị đánh dấu và từ đó có thể xác định được vị trí của nơi mạch
máu bị tắc.
− Ở các bệnh nhân bị bệnh bứu cổ (badơđô) lượng hấp thụ iốt ở tuyến giáp
trạng sẽ tăng. Để nghiên cứu chức năng của tuyến giáp trạng người ta
đưa vào cơ thể bệnh nhân đồng vị phóng xạ iot. Thông qua việc đo số đếm
của tia xạ trong khu vực tuyến giáp trạng, người ta có thể chẩn đoán được
mức độ của căn bệnh này.
− Để không gây nguy hại cho cơ thể con người khi đưa đồng vị phóng xạ
vào cơ thể, người ta thường sử dụng các đồng vị có thời gian sống ngắn,
để có thể phân rã hết trong một thời gian ngắn…
− Một ứng dụng quan trọng của các đồng vị phóng xạ sống ngắn được sử
dụng trong chụp ảnh bằng phát xạ positron, (PET - positron emission
tomography), phục vụ cho việc chẩn đoán sớm và chính xác các khối u
cũng như các bệnh về tim mạch…
− Việc sản suất đồng vị được thực hiện chủ yếu trên máy gia tốc Cyclotron
với các hạt gia tốc như proton, đơteron, anpha. Bia có thể ở các dạng khí,
lỏng hoặc rắn. Quy trình cơ bản trong sản xuất đồng vị trên cyclotron bao
gồm:
+ Lựa chọn loại bia và điều kiện chiếu xạ,

+ Thiết kế và chế tạo bia thích hợp,
+ Chiếu bia tạo đồng vị phóng xạ,
+ Tách chiết đồng vị và tạo dạng hóa học cần thiết,
+ Kiểm tra chất lượng đồng vị ở dạng thuốc phóng xạ chữa bệnh.
Đồng vị Thời gian bán rã Phản ứng hạt nhân Năng lượng hạt, MeV Suất lượng
mCi/h50 A
11
C 20,5 phút
10
B(d,n)
11
C 7,5 167
11
C 20,5 phút
9
Be(
3
He,n)
11
C 20 1800
13
N 9,96 phút
12
C(d,n)
13
N 7,5 5000
15
O 2,1 phút
15
N(p,n)

15
O 7,5 1000
18
F 110 phút
16
O(
3
He,p)
18
F 20 450
24
Na 15 giờ
23
Na(d,p)
24
Na 7,5 700
43
K 22,4 giờ
43
Ar(,p)
43
K 15 0.9
48
V 16,1 ngày
48
Ti(p,n)
48
V 15 6
52
Fe 8,3 giờ

50
Cr(
3
He,n)
52
Fe 20 3,7
56
Co 77,3 ngày
56
Fe(p,n)
56
Co 15 6
57
Co 267 ngày
57
Fe(p,n)
57
Co 15 1
62
Zn 9,3 giờ
60
Ni(
3
He,n)
62
Zn 20 5
63
Zn 38 phút
63
Cu(p,n)

63
Zn 15 100
67
Ga 78 giờ
65
Cu(p,n)
63
Zn 20 3
74
As 18 ngày
74
Ge(p,n)
74
As 15 8
85
Sr 64 ngày
85
Rb(p,n)
85
Sr 15 2
87
Sr 2,8 giờ
87
Rb(p,n)
87
Sr 15 80
87m
Y 14 giờ
87
Sr(p,n)

87m
Y 15 100
93m
Mo 6,9 giờ
93
Nb(p,n)
93
Mo 15 40
123
I 13 giờ
123
Te(p,n)
123
I 15 50
Bảng 1: Một số đồng vị phóng xạ được tạo ra trên máy gia tốc Cyclotron
Hình 8: Sơ đồ hệ sản suất đồng vị phóng xạ trên máy gia tốc cyclotron
II.3. Chụp ảnh y học
1. Ghi hình bằng máy PET
− Một phương pháp hiện đại đang được sử dụng rất có hiệu quả trong y học là ứng
dụng đồng vị phóng xạ trong việc chụp ảnh bằng phát xạ positron (PET-Positron
Emission Tomography).
− Sử dụng máy gia tốc hạt để gây các phản ứng hạt nhân tạo ra các đồng vị phóng xạ
có khả năng phát positron (e
+
). Các positron khi đi vào cơ thể gây hiện tượng hủy
cặp với các electron và phát ra hai tia gamma có năng lượng 511 keV và góc tương
quan giữa chúng là 180
0
.
− Bằng việc ghi nhận cường độ của hai tia gamma 511 keV theo phương pháp trùng

phùng kết hợp với các phần mềm xử lý người ta có thể xây dựng ảnh của các bộ
phận cơ thể.
− PET có thể đo và chụp ảnh mạch máu và chức năng trao đổi chất của các cơ quan
trong cơ thể con người. Vì vậy có thể sử dụng trong việc chẩn đoán ung thư, kiểm
tra chức năng của não, tim PET có vai trò đặc biệt quan trọng trong phát hiện khối
u ung thư cũng như theo dõi đánh giá kết quả của các phương pháp điều trị.
− Nếu như CT, MRT cho hình ảnh giải phẫu rõ nét thì PET vừa cho hình ảnh giải phẫu
vừa cho hình ảnh chức năng chuyển hoá của khối u (ghi hình ở mức độ tế bào). Do
vậy, ghi hình khối u bằng PET có độ nhạy và độ đặc hiệu cao hơn nhiều so với các
phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác, đặc biệt là khả năng phát hiện các khối u ở
giai đoạn rất sớm khi mà các phương pháp chẩn đoán khác chưa phát hiện thấy.
- Về mặt kỹ thuật PET có thể ghi lại và tái tạo ảnh theo 3 chiều không gian. Độ dày
một lớp cắt khoảng 3 - 4mm và có thể cắt theo 3 chiều (nằm ngang, chiều đứng
trước - sau và phải - trái). PET có thể ghi hình toàn thân (quét toàn thân) hoặc từng
bộ phận cơ thể.
- Để chẩn đoán bằng PET ngoài buồng PET cần có hệ sản suất đồng vị bao gồm:
+ Máy gia tốc cyclotron tạo ra chùm ion thường là proton và đơteron.
+ Hệ sản xuất đồng vị phóng xạ có thể cung cấp các hạt nhân phóng xạ phát
positron.
+ Hệ tổng hợp thành phần hóa học chứa đồng vị phóng xạ đánh dấu.
Đồng vị Thời gian bán rã Phản ứng hạt nhân
11
C 20 phút
11
B(p,n)
11
C
14
N(p,)
11

C
13
N 10 phút
12
C(d,n)
13
N
16
O(p,)
13
N
15
O 2 phút
14
N(d,n)
15
O
15
N(p,n)
15
O
18
F 110 phút
18
O(p,n)
18
F
20
Ne(d,)
18

F
Bảng 2: Một số đồng vị phóng xạ phát positron dùng trong PET
Hình 9: Sơ đồ của một hệ quét PET
A: các nguồn hiệu chỉnh sự tắt dần; B: vách ngăn làm giảm sự tán xạ;
C: các khối đầu dò bao gồm các tinh thể; D: ống nhân quang điện; E: hệ che chắn.
- Gần đây người ta đã nghiên cứu tạo ra hệ thống kết hợp PET với CT - Scanner
tức là ghép 2 loại đầu dò trên một máy và dùng chung hệ thống ghi nhận lưu giữ
số liệu, các kỹ thuật của PC. Hệ thống này cho ta hình ảnh như ghép chồng hình
của CT và xạ hình lên nhau nên có thể xác định chính xác vị trí giải phẫu (do hình
CT là chủ yếu) các tổn thương chức năng (do xạ hình là chủ yếu). Hệ thống này
mang lại nhiều màu sắc phong phú cho kỹ thuật ghi hình phóng xạ nói riêng và ghi
hình y học nói chung.
Hình 10: Thiết bị kết hợp PET/CT
b. Sử dụng bức xạ đồng bộ để chụp ảnh CT-X
− Bức xạ đồng bộ (synchrotron radiation) được sử dụng rộng rãi trong nghiên
cứu khoa học cơ bản và ứng dụng. Khi các điện tử tương đối tính chuyển
động theo quỹ đạo tròn phát ra bức xạ đồng bộ với một góc rất nhỏ với
hướng chuyển động của điện tử.
− Những đặc trưng chính của bức xạ đồng bộ là cường độ cao, giải phổ rộng,
độ phân cực cao, có chế độ xung và chuẩn trực tự nhiên. Bức xạ đồng bộ
có giải phổ rộng từ tia gamma đến sóng vô tuyến.
− Bức xạ đồng bộ được sử dụng để quan sát các vi cấu trúc vật chất, các vi
ảnh, chẩn đoán và điều trị bệnh, nghiên cứu sinh học và phân tích hóa học
với độ chính xác cao.
− Bức xạ đồng bộ có thể được đơn sắc hóa qua các tinh thể đặc biệt. Có thể
nhận được những chùm tia X có độ chuẩn trực tự nhiên với cường độ gấp
hàng ngàn lần các nguồn tia X mạnh nhất.
− Bức xạ đồng bộ có thể dùng để chụp ảnh CT (computer tomography) các
khối U có kích thước rất nhỏ, phục vụ việc phát hiện sớm ung thư cũng như
các khối u còn lại sau điều trị.

Một trong những phương pháp kiểm tra không phá mẫu được sử dụng
rộng rãi nhất là phương pháp chụp ảnh phóng xạ ( RT Radiographic
testing). Phương pháp này thường sử dụng các tia X và tia gamma để
tạo ra ảnh một mẫu vật, chỉ ra những thay đổi ở độ sâu, các khuyết tật,
những thay đổi trong cấu trúc, các chi tiết Hiện có rất nhiều loại thiết bị
và kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ. Do đó cần có những kỹ năng và kinh
nghiệm trong việc lựa chọn những kỹ thuật thích hợp nhất đối với các
ứng dụng cụ thể trên quan điểm về thao tác kỹ thuật, tốc độ, kinh tế, độ
nhạy
Nguyên lý chụp ảnh phóng xạ:
− Trong chụp ảnh phóng xạ công nghiệp, quy trình thông thường để tạo ra
một ảnh phóng xạ là đặt một nguồn bức xạ có khả năng đâm xuyên cao
(tia X và tia gamma) ở một phía của mẫu kiểm tra và phía bên kia đặt
một đầu dò bức xạ (thường là phim ảnh) để ghi nhận bức xạ truyền qua.
Năng lượng của bức xạ phải chọn sao cho có đủ lượng bức xạ vào đầu
dò. Đầu dò thường là một tấm phim ảnh đựng trong một caset có mặt
trước rất mỏng để cho phép bức xạ đi qua.
III. ỨNG DỤNG CỦA MÁY GIA TỐC TRONG CÔNG NGHIỆP
III.1. Chụp ảnh công nghiệp: