Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18f naf ứng dụng trong y tế

NGUYỄN VĂN SỸ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN SỸ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MODULE TỔNG HỢP DƯỢC
CHẤT PHÓNG XẠ 18F – NaF ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CH2016A

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN SỸ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MODULE TỔNG HỢP DƯỢC CHẤT
PHÓNG XẠ 18F – NaF ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. BÙI ĐĂNG THẢNH

Hà Nội – 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Sỹ
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18F - NaF
ứng dụng trong y tế
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CA160373
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả
đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 31/10/2018 với các
nội dung sau:
- Sửa lỗi chính tả tại các trang số 40 và trang 53.
- Việt hóa các hình vẽ: Hình 3-1 (trang 30), Hình 3-3 (trang 31), Hình 3-4 (trang32)
- Phân tích rõ hơn về sơ đồ khối tổng thể ở cuối chương 1 (trang 17).
- Phân tích về độ chính xác và tính pháp quyền của module tổng hợp và DCPX 18FNaF được tạo ra.

Ngày tháng
Giáo viên hướng dẫn

năm 2018

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................2
DANH MỤC CÁC BẢNG ..............................................................................................3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .........................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỔNG HỢP DƯỢC CHẤT PHÓNG
XẠ 18F – NaF ...................................................................................................................8
1.1.

Dược chất phóng xạ 18F-NaF và các thiết bị tổng hợp trên thế giới...............8

1.2.

Phương pháp và quy trình tổng hợp dược chất 18F-NaF ..............................11

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁC VAN ĐIỆN VÀ XI
LANH ............................................................................................................................18
2.1.

Thiết kế chế tạo mạch điều khiển các van điện ............................................18

2.2.

Thiết kế chế tạo hệ điều khiển xi lanh ..........................................................23

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐO HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ ................29
3.1.

Yêu cầu và phương án thiết kế .....................................................................29

3.2.

Sử dụng PIN photodiode đo phóng xạ .........................................................29

3.3.

Thiết kế mạch đo hoạt độ phóng xạ..............................................................32

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM VI ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM TRÊN
MÁY TÍNH ...................................................................................................................37
4.1.

Xây dựng phần mềm cho vi điều khiển ........................................................37

4.2.

Xây dựng phần mềm trên máy tính ..............................................................43

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...................................................................48
5.1.

Chế tạo phần cứng thiết bị ............................................................................48

5.2.

Phần mềm điều khiển thiết bị .......................................................................50

5.3.

Các kết quả đo đạc khảo sát .........................................................................51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................56


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do chính tơi hồn thành dưới sự
hướng dẫn của PGS. TS. Bùi Đăng Thảnh. Kết quả nghiên cứu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai sử dụng để cơng bố.
Ngồi các tài liệu đã liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo, tôi đảm bảo
khơng sao chép các cơng trình hoặc thiết kế của người khác. Nếu phát hiện có bất
kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của
mình.
Hà nội, ngày

tháng

Học Viên

Nguyễn Văn Sỹ

1

năm 2018


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
SPECT

PET

Tên Tiếng Anh

Tên Tiếng việt

Single - Photon Emission

Thiết bị chụp ảnh cắt lớp đơn

Computed Tomography

photon

Positron Emission Tomography

Thiết bị chụp xạ hình cắt lớp
positron
Dược chất phóng xạ

DCPX
FDA

Food and Drug Administration

Cục quản lý thực phẩm, dược
phẩm Hoa Kỳ

PET-CT
18

F-FDG

Positron Emission Tomography -

Thiết bị chụp ảnh cắt lớp

Computed Tomography

positron

Fluoro-Deoxy-Glucose

Dược chất phóng xạ có cấu
trúc tương tự Glucose

18

F-NaF

Dược chất phóng xạ chụp xạ

Natri Florua

hình xương
CM

CarboxyMethyl

Cột trao đổi cation

QMA

Quaternary Methyl Ammonium

Cột trao đổi anion

ARM

Advanced RISC Machine

Cấu trúc vi xử lý kiểu RISC

2


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2-1: Các chế độ hoạt động của mô đun điều khiển A4988 ..............................26
Bảng 2-2: Hệ số A theo các chế độ điều khiển động cơ ...........................................28
Bảng 4-1: Cấu hình bộ đếm Timer 2 và Timer 3 ......................................................39
Bảng 4-2: Cấu hình bộ định thời Timer 1 và Timer 4 ..............................................40
Bảng 4-3: Bảng cấu hình bộ ADC 1 kênh 0 ..............................................................40

Bảng 4-4: Bảng cấu hình bộ giao tiếp USB ..............................................................40
Bảng 5-1: Các nội dung thử nghiệm quá trình điều khiển........................................51
Bảng 5-2: Giá trị ADC tương ứng với tổng số van điều khiển .................................52
Bảng 5-3: Bảng khảo sát xác định lỗi van điện ........................................................53
Bảng 5-4: Bảng số liệu kết quả đo ............................................................................53

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của Hãng TRASIS [6] ........................10
Hình 1-2: Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của Viện KIRAMS - 2012 ...................10
Hình 1-3: Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của KIRAMS - 2014 ...........................11
Hình 1-4: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tổng hợp DCPX 18F-NaF .........................12
Hình 1-5: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX

18

F-NaF của hãng TRASIS [6] ............12

Hình 1-6: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX 18F-NaF hãng GE [19] .........................13
Hình 1-7: Sơ đồ tổng hợp DCPX 18F-NaF của KIRAMS- Hàn Quốc năm 2014. .....13
Hình 1-8: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX 18F-NaF ................................................14
Hình 1-9: Các chu trình làm việc trong quá trình tổng hợp DCPX .........................15
Hình 1-10: Sơ đồ khối hệ thiết bị tổng hợp DCPX 18F-NaF .....................................17
Hình 2-1: Van điện từ Burker 0127 2/2 và 0127 3/2 [2] ..........................................18
Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch điều khiển các van điện ................................................19
Hình 2-3: Sơ đồ chân và cấu tạo của transistor 2N3904 [22] .................................20
Hình 2-4: Sơ đồ mạch điều khiển đóng mở van điện ................................................21
Hình 2-5: Sơ đồ mạch đo dịng điện tổng cung cấp cho các van điện......................21

Hình 2-6: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển các van điện ............................................23
Hình 2-7: Xi lanh bơm hút và đường ống dẫn dung dịch .........................................24
Hình 2-8: Mơ hình cơ khí hệ điều khiển xi lanh .......................................................24
Hình 2-9: Hệ cơ khí điều khiển xi lanh hồn thiện ...................................................25
Hình 2-10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển xi lanh ..................................................25
Hình 2-11: Mơ đun điều khiển động cơ bước A4988 [5]..........................................26
Hình 2-12: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển xi lanh ...................................................27
Hình 2-13: Thiết kế mạch in và lắp ráp linh kiện cho hệ điều khiển ........................28
Hình 3-1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của PIN photodiode ................................30
Hình 3-2: Cấu tạo PIN photodiode BPW34..............................................................30
Hình 3-3: Sự phụ thuộc của dòng dò và điện dung vào hiệu điện thế 2 cực BPW34
...................................................................................................................................31

4


Hình 3-4: Phổ đặc trưng của BPW34 theo bước sóng và theo góc của photon tới..32
Hình 3-5: Sơ đồ khối sử dụng PIN photodiode để ghi nhận bức xạ. ........................33
Hình 3-6: Sơ đồ mạch ghi nhận bức xạ gamma........................................................33
Hình 3-7: Sơ đồ mạch in và lắp ráp linh kiện mạch ghi nhận bức xạ. .....................34
Hình 3-8: Xung tín hiệu của mạch đo trường hợp khơng có nguồn phóng xạ. ........35
Hình 3-9: Xung tín hiệu mạch đo trường hợp có nguồn gamma 133Ba.....................35
Hình 3-10: Xung tín hiệu mạch đo trường hợp có nguồn gamma 137Cs. ..................36
Hình 4-1: Cấu hình ngoại vi và kết nối trong vi điều khiển .....................................38
Hình 4-2: Cấu hình các bộ chia tần trong vi điều khiển...........................................39
Hình 4-3: Thuật tốn chương trình điều khiển van điện từ ......................................41
Hình 4-4: Thuật tốn chương trình điều khiển bơm hút xi lanh ...............................42
Hình 4-5: Thuật tốn chương trình đo hoạt độ phóng xạ và tính hiệu suất tổng hợp
...................................................................................................................................43
Hình 4-6: Thuật tốn chương trình phần mềm trên máy tính ...................................44

Hình 4-7: Phần mềm chọn chế độ điều khiển ...........................................................45
Hình 4-8: Phần mềm chế độ điều khiển thủ cơng .....................................................45
Hình 4-9: Phần mềm đọc dữ liệu từ vi điều khiển ....................................................46
Hình 4-10: Phần mềm chỉ thị màn hình ....................................................................46
Hình 4-11: Tên nhận dạng thiết bị trên máy tính .....................................................47
Hình 4-12: Giao diện chương trình tổng hợp ...........................................................47
Hình 5-1: Hình ảnh thiết bị tổng hợp DCPX 18F-NaF..............................................48
Hình 5-2: Mạch điều khiển các van điện từ và điều khiển xi lanh ...........................49
Hình 5-3: Vị trí đo phóng xạ và khối chì chứa mạch đo ...........................................49
Hình 5-4: Giao diện phần mềm điều khiển quá trình tổng hợp DCPX ....................50
Hình 5-5: Đồ thị hàm tun tính của số đếm và suất liều .........................................54

5


LỜI MỞ ĐẦU
Từ trước đến nay, 99mTc là sự lựa chọn phổ biến hàng đầu được sử dụng trong
xạ hình xương trên thiết bị chụp cắt lớp đơn photon (SPECT). Hiện nay với sự phát
triển của y học hạt nhân và các thiết bị y tế người ta đã chụp xạ hình xương bằng
18

F-NaF trên thiết bị chụp xạ hình cắt lớp positron (PET). Phương pháp này có thời

gian quét ngắn nhưng cho độ nhạy cao hơn và hình ảnh rõ nét hơn so với hình ảnh
thu được từ

Tc với SPECT, mặt khác hiện nay Việt Nam đang phải nhập khẩu

99m

100% 99mTc cho chụp xạ hình xương bằng SPECT, do đó việc bổ sung phương pháp
xạ hình xương bằng 18F-NaF trên PET là một hướng đi chủ động và cần thiết.
Do thời gian bán rã của

18

F chỉ là 109,7 phút , dược chất phóng xạ

18

F-NaF

khơng thể nhập khẩu, khơng thể vận chuyển đi xa. Vì vậy lựa chọn duy nhất để có
được dược chất này là phải có các thiết bị tổng hợp tại các nơi cần sử dụng nó. Trên
thế giới hiện nay có rất nhiều các thiết bị tổng hợp này đến từ các hãng khác nhau
như TRASIS - Bỉ, SIEMENS - Đức, KIRAMS - Hàn Quốc…tuy nhiên giá thành
của các thiết bị này là tương đối cao và khơng chủ động được việc bảo dưỡng bảo
trì thiết bị. Trong khi việc chế tạo thiết bị này ở trong nước là hồn tồn có thể, do
đó đặt ra vấn đề “Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18FNaF ứng dụng trong y tế” với mục tiêu là nội địa hóa thiết bị.
Mục đích nghiên cứu của luận văn là thiết kế hệ điện tử thực hiện việc tự động
hóa q trình tổng hợp dược chất phóng xạ

18

F-NaF, bao gồm điều khiển các van

điện 2 chiều và 3 chiều, điều khiển động cơ bước để bơm hút xi lanh, và thiết kế
mạch đo hoạt độ phóng xạ sử dụng PIN photodiode để tính hiệu suất quá trình tổng
hợp. Tất cả các mạch đo và điều khiển này được tự động hóa bởi bộ vi điều khiển
STM32 ghép nối với máy tính PC qua giao tiếp USB và phần mềm được viết trên

ngơn ngữ lập trình Labview.
Các van điện được điều khiển bởi các cổng vào ra GPIO của vi điều khiển
STM32 thơng qua khóa transistor. Hoạt động của các van điện này được kiểm soát
bởi một mạch đo dòng điện tổng cung cấp cho các van điện trong mỗi một chu trình

6


điều khiển. Động cơ bước được điều khiển bởi các cổng vào ra GPIO của vi điều
khiển thông qua vi mạch A4988 với nhiều lựa chọn chế độ làm việc khác nhau.
Hoạt độ phóng xạ tại hai điểm đo tương đối lớn (cỡ 2 Ci), với kích thước thiết
bị tổng hợp bị giới hạn bởi khơng gian che chắn phóng xạ (Hot cell), do đó mạch đo
phóng xạ được thiết kế sử dụng PIN photodiode để ghi nhận với một bộ khuếch đại
và hình thành xung tín hiệu dạng TTL đưa tới bộ đếm của vi điều khiển, số đếm thu
được sẽ tỉ lệ với hoạt độ phóng xạ cần đo. Mạch đo được thiết kế nhỏ gọn và trong
khối chì được tính tốn che chắn để hai vị trí đo không bị ảnh hưởng lẫn nhau
Nội dung luận văn sẽ tập trung vào 4 chương trong đó:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-NaF.
Nội dung giới thiệu tổng quan về các thiết bị tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-NaF
và giới thiệu phương pháp, quy trình tổng hợp dược chất 18F-NaF.
Chương 2: Thiết kế chế tạo mạch điều khiển các van điện và xi lanh. Nội
dung chương này nói về việc thiết kế chế tạo mạch điều khiển các van điện và thiết
kế chế tạo mạch điều khiển xi lanh.
Chương 3: Thiết kế chế tạo mạch đo hoạt độ phóng xạ. Nội dung chương
này nói về việc sử dụng PIN photodiode để đo phóng xạ và thiết kế chế tạo một
mạch đo hoạt độ phóng xạ.
Chương 4: Xây dựng phần mềm vi điều khiển và phần mềm trên máy
tính. Nội dung chương này nói về việc xây dựng phần mềm cho vi điều khiển và
phần mềm trên máy tính để điều khiển và kiểm sốt q trình tổng hợp dược chất.
Để hồn thành các nội dung trên tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của

các thầy, cơ giáo trong Viện Điện của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đặc biệt
là sự hướng dẫn và góp ý của PGS. TS. Bùi Đăng Thảnh và sự cộng tác của nhóm
các thành viên thực hiện đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ của Trung tâm Chiếu xạ
Hà Nội. Do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề tài khó tránh
khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy, cơ giáo để tơi tiếp
tục nghiên cứu và hoàn thiện.

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỔNG HỢP DƯỢC CHẤT
PHĨNG XẠ 18F – NaF
1.1. Dược chất phóng xạ 18F-NaF và các thiết bị tổng hợp trên thế giới
Dược chất phóng xạ (DCPX)

18

F-NaF được chấp nhận bởi Cục quản lý thực

phẩm, dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) từ năm 1972 như là thuốc xạ hình xương để xác
định các khu vực thay đổi hoạt chất Osteogen (mô sụn hay mô mềm mà cuối cùng
sẽ hóa xương trong q trình phát triển xương), các vị trí tổn thương ở xương đặc
biệt là ung thư xương và ung thư di căn vào xương [11, 15, 16, 20]. Các nghiên cứu
lâm sàng đã chỉ ra rằng chụp hình

18

F-NaF trên thiết bị PET có khả năng hỗ trợ

trong quản lý, chăm sóc bệnh nhân di căn xương.

Nghiên cứu của Bridges và các cộng sự cho thấy hình ảnh chụp PET dùng
DCPX 18F-NaF rõ ràng hơn, độ nhạy cao hơn và hình ảnh có độ phân giải cao hơn
so với hình ảnh chụp SPECT với

Tc [3]. Do đó chính xác hơn trong việc xác

99m

định cả tổn thương lành tính và ác tính của xương, đặc biệt khi sử dụng

18

F-NaF

trên thiết bị PET-CT có thể nâng cao độ đặc hiệu và độ chính xác về tổng thể của xạ
hình xương. Ngồi ra chụp xạ hình bằng DCPX

18

F-NaF trên thiết bị PET-CT có

nhiều ưu điểm hơn chụp bằng 99mTc trên SPECT, cụ thể như so sánh ở bảng sau:
Bảng 1.1: So sánh DCPX 18F-NaF trên PET-CT và 99mTc trên SPECT
Tiêu chí so sánh

18

Chu kỳ bán rã

110 phút

6 giờ

Thời gian trước tiêm

1 giờ

2 - 4 giờ

Liều tiêm

5 - 10 mCi

25 - 50 mCi

Thời gian quét

25 phút

60 phút

F-NaF trên PET-CT

99m

Tc trên SPECT

Có thể thấy lượng phóng xạ trong trường hợp chụp bằng 18F-NaF trên PET-CT
thấp hơn nhiều so với chụp bằng

Tc trên SPECT, song do chi phí chụp PET-CT

99m

lớn hơn nhiều so với SPECT nên cho đến nay

Tc vẫn được xem là DCPX chính

99m

trong xạ hình xương (~90%). Mặc dù vậy, việc chế tạo các dược chất phóng xạ mới
như

18

F-NaF để bổ sung cho chẩn đốn hình ảnh xương là vô cùng cần thiết, đặc

8


biệt trong trường hợp phải dừng lò phàn ứng hạt nhân, hoặc một số lý do khách
quan khác dẫn đến thiếu hụt

Tc, chẳng hạn như sự kiện dừng lò phản ứng hạt

99m

nhân Chalk River (Canada) năm 2009 sửa chữa đã làm cho hàng ngàn bệnh nhân
khơng được xạ hình xương [19]. Hiện nay việc nghiên cứu và sản xuất DCPX 18FNaF đang phát triển ở nhiều nước trong đó có Hoa Kỳ.
Tại thời điểm hiện nay, DCPX 18F-NaF đã được FDA xác định hiệu quả và an

toàn trong lĩnh vực xác định di căn xương và đang được sản xuất, phân phối để sử
dụng lâm sàng trên người với liều dùng được quy định theo tiêu chuẩn dược phẩm.
Do vậy, hiện nay có rất nhiều cơng ty trên thế giới cũng đang nghiên cứu và hoàn
thiện module tổng hợp DCPX 18F-NaF và một số công ty đưa sản phẩm vào thương
mại như Eckert & Ziegler, TRASIS, GE, IBA... Dưới đây là một số module tổng
hợp dược chất phóng xạ của các hãng uy tín trên thế giới:

Hình 1.1: Module tổng hợp của hãng Eckert & Ziegler [24]
Với module của hãng Eckert & Ziegler hiệu suất tổng hợp 18F-NaF đạt > 90%.
Ưu điểm của module này là module tổng hợp đa sản phẩm bao gồm
Choline và

11

18

F-NaF, 11C-

C-Methionin. Nhược điểm của module này là có giá thành cao, khó

bảo dưỡng và khơng có đầu đo hoạt độ phóng xạ [24].

9


Hình 1-2: Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của Hãng TRASIS [6]
Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của hãng TRASIS - Bỉ có hiệu suất tổng hợp
là 97% và thời gian tổng hợp 4 phút [6]. Như vậy thời gian tổng hợp của module
này rất ngắn vì thơng thường các module tổng hợp khác thời gian thường khoảng 15
phút và hiệu suất của quá trình tổng hợp rất cao so với các hãng khác hiệu suất tổng

hợp chỉ đạt ≥ 90%.

Hình 1-3: Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của Viện KIRAMS - 2012

10


Đây là module tổng hợp DCPX 18F-NaF của KIRAMS - Hàn Quốc phiên bản
năm 2012. Module này là module sơ khai của KIRAMS sau đó vào năm 2014
KIRAMS đã đưa ra module tổng hợp DCPX 18F-NaF mới. Ưu điểm của phiên bản
2014 là thiết bị được thiết kế gọn nhẹ, hình thức đẹp, chi phí chế tạo thấp hơn
module trên, tuy nhiên module này cũng khơng có đầu đo hoạt độ phóng xạ.

Hình 1-4: Module tổng hợp DCPX 18F-NaF của KIRAMS - 2014
Tại thời điểm hiện nay, DCPX 18F-NaF đã được FDA xác định hiệu quả và an
toàn trong lĩnh vực xác định di căn xương và đang được sản xuất, phân phối để sử
dụng lâm sàng trên người với liều dùng được quy định theo tiêu chuẩn dược phẩm.
1.2. Phương pháp và quy trình tổng hợp dược chất 18F-NaF
Nguyên lý chung của q trình tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-NaF là dung
dịch chứa đồng vị phóng xạ
18

18

F được tạo ra từ máy gia tốc thông qua phản ứng

O(p,n)18F sẽ được chuyển qua cột trao đổi cation CM để bắt giữ các cation có thể

có trong dung dịch trong quá trình sản xuất

18

F, ion âm

phản ứng đi tới cột trao đổi anion QMA để bắt giữ

18

18

F cùng với H218O chưa

F. Một lượng nước cất pha

tiêm sẽ được chuyển qua cột QMA để rửa các tạp chất tan trong nước. Tiếp theo
nước muối sinh lý 0,9% NaCl sẽ được đưa qua cột QMA để rửa giải 18F, phản ứng

11


trao đổi giữa nước muối NaCl và 18F sẽ diễn ra trên cột QMA và đưa qua phin lọc
khuẩn cỡ 0,22μm ta sẽ thu được sản phẩm là DCPX 18F-NaF [18, 19].

Hình 1-5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tổng hợp DCPX 18F-NaF
Với nguyên lý chung như vậy một số hãng trên thế giới đã đưa ra các quy trình
tổng hợp DCPX 18F-NaF để chế tạo thiết bị của mình, đại diện như sau:

Hình 1-6: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX

12

18

F-NaF của hãng TRASIS [6]


Hình 1-7: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX 18F-NaF hãng GE [19]

Hình 1-8: Sơ đồ tổng hợp DCPX 18F-NaF của KIRAMS- Hàn Quốc năm 2014.

13


Từ nguyên lý chung và dựa vào các ưu nhược điểm các module của các hãng
nêu trên cũng như xuất phát từ nhu cầu thực tế tại Việt Nam, đề tài này đã đề xuất
một phương án thiết kế module tổng hợp DCPX

18

F-NaF (Hình 1-9). Theo sơ đồ

này thiết bị tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-NaF được thiết kế bao gồm các đường
ống dẫn dung dịch, các van điện 2 chiều và 3 chiều, cột trao đổi cation CM, cột trao
đổi anion QMA, hai xi lanh để bơm hút nước cất và nước muối…ngồi ra hệ thống
cịn tích hợp hai đầu đo hoạt độ phóng xạ của 18F đầu vào và 18F-NaF đầu ra để tính
hiệu suất của quá trình tổng hợp.

Hình 1-9: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX 18F-NaF
Quá trình tổng hợp DCPX của thiết bị sẽ tuần tự theo 14 chu trình, 5 chu trình
đầu để tạo ra sản phẩm DCPX 18F-NaF và 9 chu trình sau để vệ sinh đường ống sau

khi tổng hợp.

14


Hình 1-10: Các chu trình làm việc trong quá trình tổng hợp DCPX
Chu trình 1 - Đồng vị phóng xạ 18F được đưa từ máy gia tốc tới cột QMA: Chu
trình này hoạt động nhờ vào bơm hút chân khơng tạo chênh lệch áp suất thông qua
các van V1, V8, V10 và V9. Song song với việc bắt giữ 18F vào QMA, hai xi lanh
làm nhiệm vụ hút nước muối và nước cất thông qua việc mở các van V2, V3, V5 để
phục vụ cho chu trình sau. Tại chu trình này đầu đo phóng xạ tại cột QMA sẽ được
kích hoạt để đo hoạt độ của 18F.
Chu trình 2 - Thực hiện việc rửa QMA bằng nước: Nước cất trong xi lanh 2
được đẩy qua QMA tới bình thài thông qua các van V4, V8, V10, V11 và V12.
Chu trình 3 - Thổi khí Heli làm khơ QMA: Khí heli được thổi tới QMA thông
qua các van V7, V6, V4, V8, V10, V11 và V12.
Chu trình 4 - Phản ứng trao đổi ion tạo DCPX: Nước muối được xi lanh 1 đưa
qua QMA tạo phản ứng sinh ra 18F-NaF đưa vào lọ đựng sản phẩm thông qua các
van V3, V8, V10, V11. Đầu đo phóng xạ tại vị trí sản phẩm được kích hoạt để đo
hoạt độ phóng xạ của 18F-NaF.
Chu trình 5 - Thu hồi sản phẩm DCPX: Khí heli được thổi vào QMA thơng qua
các van V7, V6, V4, V8, V10, V11, để đẩy toàn bộ DCPX vào lọ đựng sản phẩm.

15


Tại chu trình này hiệu suất quá trình tổng hợp sẽ được tính tốn thơng qua số liệu
đo được từ 2 đầu đo hoạt độ phóng xạ.
Chu trình 6 - Xi lanh 2 hút nước cất để chuẩn bị rửa đường ống: Nước cất sẽ
được hút vào xi lanh 2 thơng qua van V5.

Chu trình 7 - Rửa đường ống: Nước cất từ xi lanh 2 được đẩy qua các van V4,
V2, V1, V8 V10, V11, để rửa đoạn ống này đưa vào bình thải.
Chu trình 8 - Rửa đường ống: Xi lanh 1 sẽ hút nước cất từ bình nước thông qua
các van V5, V4, để rửa đoạn ống cịn lại.
Chu trình 9 - Làm khơ đường ống tới bình nước cất: Khí heli được đẩy tới vị trí
bình nước cất thông qua các van V7, V6, V5, để làm khơ đoạn ống này.
Chu trình 10 – Tạo áp suất âm trong xi lanh 1 và 2: Xi lanh 1 và 2 được kéo lên
tạo áp suất âm trong nó.
Chu trình 11 - Làm khơ đường ống tới xi lanh 2: Xi lanh 2 được kéo lên và mở
các van V7, V6, để khí heli vào làm khơ đoạn ống đó.
Chu trình 12 - Làm khơ đường ống tới xi lanh 1: Xi lanh 1 được kéo lên và mở
các van V7, V6, V4, V3, để khí heli vào làm khơ đoạn ống đó.
Chu trình 13 - Làm khơ đường ống tới bình nước muối: Khí heli được đẩy tới vị
trí bình nước muối thơng qua các van V7, V6, V4, V2, để làm khơ đoạn ống này.
Chu trình 14 - Đưa hệ thống về trạng thái ban đầu: Ngừng cấp điện tất cả các
van điện, đưa hệ thống về trạng thái chuẩn bị.
Theo các quá trình hoạt động như vậy, một hệ điện tử cần được thiết kế để
thực hiện việc tự động hóa thiết bị tổng hợp trên bao gồm các mạch điều khiển van
điện, mạch điều khiển động cơ bước để bơm hút xi lanh, mạch đo hoạt độ phóng
xạ…tất cả các mạch đo và điều khiển này được tự động hóa bởi bộ vi điều khiển
STM32 ghép nối với máy tính PC qua cổng USB và phần mềm được viết trên ngơn
ngữ lập trình LabView (Hình 1-11).

16


Hình 1-11: Sơ đồ khối module tổng hợp DCPX 18F-NaF

Theo sơ đồ khối được thiết kế như hình 1-11, hệ điện tử thực hiện việc tự
động hóa q trình tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-NaF bao gồm thành phần

chính là bộ vi điều khiển trung tâm ARM STM32 có nhiệm vụ:
Điều khiển các van điện đóng mở theo thời gian và chu trình đặt trước
qua cổng vào ra GPIO, kết hợp với một mạch đo dòng tổng cung cấp cho các
van điện để xác định trạng thái đóng mở của chúng; Điều khiển động cơ bước
qua cổng vào ra GPIO và mô đun điều khiển A4988 để điều khiển bơm hút xi
lanh với thể tích từ 5 ml đến 20 ml với sai số ±0,5 ml; Thu thập số liệu từ hai
mạch đo hoạt độ phóng xạ qua hai bộ đếm, hiệu chuẩn và tính tốn hiệu suất
của q trình tổng hợp.
Vi điều khiển trung tâm được kết nối với máy tính qua giao thức USB
với một phần mềm điều khiển giao diện người dùng sẽ được thiết kế trên
LabView có nhiệm vụ điều khiển và kiểm sốt tồn bộ quá trình tổng hợp
DCPX 18F-NaF.

17


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÁC VAN ĐIỆN
VÀ XI LANH
2.1. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển các van điện
2.2.2.Yêu cầu thiết kế:
Thiết bị tổng hợp DCPX 18F-NaF được thiết kế trong đề tài này có sử dụng 12
van điện (V1 đến V12), bao gồm 10 van điện ba cửa và 2 van điện hai cửa. Tùy
theo mỗi chu trình mà các van này sẽ được đóng hay mở để cho chất lỏng đi qua các
đường ống theo chiều nào đó, việc điều khiển này phải được thực hiện tự động
thông qua mạch điều khiển các van điện.
Do tính chất của thiết bị tổng hợp, các van điện được lựa chọn phải đáp ứng
được thời gian đóng mở nhanh và độ bền cơ học cao. Sau khi tìm hiểu một số loại
van điện, trong thiết kế sẽ lựa chọn sử dụng van điện từ loại hai cửa loại 0127 2/2
và ba cửa loại 0127 3/2 của hãng Burkert. Đây là loại van điện từ được sử dụng rất
rộng rãi trong các phịng thí nghiệm, y học và cơng nghệ phân tích cũng như trong

các hệ tổng hợp FDG hay NaF trên thế giới. Van điện từ này được chế tạo từ nhựa
với khả năng kháng hóa chất ăn mòn, thiết kế nhỏ gọn với bề rộng 16mm và được
chứng minh về độ tin cậy từ năm 1993 với độ kín áp lực cao [2].

Hình 2-1: Van điện từ Burker 0127 2/2 và 0127 3/2 [2]
Hai van điện từ này về cơ bản là giống nhau, chỉ khác về số lượng cổng vào và
ra, một số thông số đáng lưu ý về hai loại van điện từ này [2]:
- Kích thước ống dẫn: 1,6 mm, kiểu lắp ren,
- Vật liệu chế tạo: PVDF, ETFE, PEEK,
- Môi trường truyền dẫn: chịu được chất lỏng và khí có độ đặc trưng cao,

18


- Nhiệt độ truyền dẫn: 0  60 oC,
- Điện áp hoạt động: 24 VDC,
- Công suất: 3 W,
- Tiêu chuẩn bảo vệ: IP54.
Như vậy trong thiết kế này cần phải điều khiển 12 van điện, trong đó có 10
van điện ba cực loại 0127 3/2 và 2 van điện hai cực loại 0127 2/2. Các van điện này
hoạt động nhờ điện áp cung cấp một chiều 24 V với dịng cỡ 125 mA. Do đó để
đảm bảo chính xác và bền bỉ trong thiết kế sẽ sử dụng các bóng bán dẫn làm khóa
điện tử để cung cấp điện áp 24 V đóng mở các van điện này thơng qua các chân vào
ra GPIO của một bộ vi điều khiển STM32.
Mỗi chu trình làm việc của hệ tổng hợp dược chất

18

F-NaF được định sẵn số

lượng van sẽ được đóng hay mở, do đó dịng điện cung cấp cho hệ thống van điện
trong mỗi chu trình là được biết trước. Như vậy có thể xác định lỗi xảy ra khi đóng
mở các van điện trong mỗi chu trình bởi một bộ đo dịng điện cung cấp cho hệ
thống van đó và nếu có sự sai khác giá trị dịng điện từ hệ đo này với giá trị lý
thuyết thì hệ thống sẽ dừng làm việc và phát thông báo lỗi cho người sử dụng biết.

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch điều khiển các van điện

19


2.2.2.Thiết kế mạch điều khiển van điện
Với thông số của van điện như trên thiết kế sẽ lựa chọn bóng bán dẫn loại
2N3904 để làm khóa điện tử điều khiển cấp nguồn 24 V cho các van điện. Các
thông số chính của 2N3904 này như sau [22]:
- Loại transistor phân cực ngược NPN,
- Dòng điện cực đại Ic là 200 mA,
- Hệ số khuếch đại dịng 80 ÷ 300,
- Điện áp cực đại Vce là 40 V,
- Điện áp cực đại Vcb là 60 V,
- Điện áp cực đại Veb là 6 V.

Hình 2-3: Sơ đồ chân và cấu tạo của transistor 2N3904 [22]
Muốn transistor làm việc như một khóa điện tử địi hỏi nó phải hoạt động ở
chế độ bão hòa, nghĩa là Ib > Ic/β.
Với Ic =125 mA là dòng cần cung cấp cho các van điện, và hệ số khuếch đại
dòng của transistor bé nhất là 80, thì cần Ib > 1,6 mA.
Tín hiệu điều khiển được nối với các chân GPIO của vi điều khiển STM32
cung cấp điện áp mức cao là 3,3 V, do đó điện trở Rb cần để transistor dẫn bão hòa
là: Rb < (3,3 – 0,6)/1,6 = 1,7 KΩ.

Với các thông số như vậy, sơ đồ điều khiển đóng mở 12 van điện được thiết kế
giống nhau như trên hình 2-4. Các van điện này sẽ được điều khiển đóng mở bởi 12
chân vào ra GPIO của vi điều khiển thông qua khóa điện tử 2N3904.

20


Hình 2-4: Sơ đồ mạch điều khiển đóng mở van điện
2.2.2.Thiết kế mạch kiểm sốt dịng điện
Hoạt động của 12 van điện được kiểm sốt bởi một mạch đo dịng điện tổng
cung cấp cho chúng trong mỗi một chu trình điều khiển, sử dụng vi mạch đo dòng
ACS712-05 nối với đầu vào bộ biến đổi tương tự - số (ADC) của vi điều khiển.
ACS712-05 là một IC cảm biến dòng dựa trên hiệu ứng Hall, đầu ra là một tín hiệu
điện áp Vout biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện IP được lấy từ mẫu
sơ cấp DC (hoặc AC) trong phạm vi cho phép của IC. Những thơng số chính của IC
cảm biến dịng ACS712-05 như sau [17]:
- Thời gian biến đổi dòng thành điện áp lối ra là 5s,
- Điện áp hoạt động VCC là 5 VDC-10 mA,
- Điện áp ra khi dòng vào 0 A là VCC/2,
- Độ phân giải từ 185 mV/A,
- Dòng đo tối đa 5 A.

Hình 2-5: Sơ đồ mạch đo dòng điện tổng cung cấp cho các van điện

21