سیکلوترون ها و سینکروترون ها، انواع و کاربردهای آنها در پزشکی | تعبیرستان
سیکلوترون ها و سینکروترون ها، انواع و کاربردهای آنها در پزشکیپزشکی و بهداشتدانستنیها
×
بستن

سیکلوترون ها و سینکروترون ها، انواع و کاربردهای آنها در پزشکی

سیکلوترون یک شتاب دهنده ذرات باردار است که در سال ۱۹۲۹ توسط Ernesto Lawrence با کمک همکاران و دانشجویانش در دانشگاه کالیفرنیا طرحی کرد و در سال ۱۹۳۰ به ثمر رسید. این دستگاه از دو آهنربای مغناطیسی بزرگ و توخالی به شکل D برای تولید میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده می کند. دو مغناطیس نیم دایره به شکل D با کناره های وجوه مستقیم و موازی مقابل هم با مقداری فاصله قرار می گیرند. یک ولتاژ نوسانی برای تولید میدان الکتریکی بین شکاف دو D اعمال می شود. ذرات به درون میدان مغناطیسی یکی از Dها تزریق می شوند و شتاب می گیرند تا هنگامی که به شکاف بین Dها می رسند. این ذره توسط میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اعمالی بالا که نوسانی است، دریافت شده و این میدان موجب شتاب بیشتر ذره می شود. سپس ذره وارد فضای بین D مقابل می شود، در داخل این D باز هم ذره شتاب بیشتری پیدا می کند و از آنجا که انرژی آن بیشتر می شود در مسیر دایره ای با شعاع بزرگ تری حرکت می کند، تا دوباره به شکاف بین D ها می رسد.
فرکانس میدان الکتریکی به گونه ای تنظیم می شود که به محض رسیدن ذره به شکاف، جهت آن عوض می شود، به صورتی که همواره ذره شتاب افزاینده پیدا کند. بنابراین ذره در حال چرخش در هر دور انرژی را هم از میدان مغناطیسی درون Dها و هم از میدان الکتریکی درون شکاف Dها کسب می کند. بنابراین سرعت آن همواره افزایش می یابد ولی همواره زمان طی کردن مسیر حرکت آن ثابت است.
محدودیت انرژی ذره تنها به اندازه مغناطیس های تشکیل دهنده آن ( Dها) و شدت این میدان و جرم ذره مورد شتاب بستگی دارد. امروزه برای دستیابی به انرژی های بالاتر از سینکروترون ها استفاده می شود.
سینکروترون ( Cynchrotron )
یک سینکروترون که گاهی سینکرو-سیکلوترون نیز نامیده می شود، یک شتاب دهنده دایره ای است که از یک یا چند حفره رزونانس مغناطیسی (الکترومغناطیسی) برای شتاب دادن به ذرات استفاده می کند. حفره ها اطراف یک رینگ در فواصل معینی قرار دارند. ذرات عبوری از حفره شتاب پیدا کرده و هر ذره ورودی می تواند به دفعات اطراف رینگ دوران کند و هر بار شتاب آن و به تبع، انرژی آن افزایش یابد. به ازاء افزایش انرژی، شتاب سیر آن نیز افزایش می یابد. بنابراین هنگامی که انرژی ذره افزایش می یابد شدت میدان مغناطیسی مورد استفاده باید به گونه ای تغییر یابد که ذره در همان رینگ باقی بماند. تغییر میدان مغناطیسی دقیقاً با تغییر انرژی ذره همزمان است.
به همین دلیل آن را سینکروترون می نامند. گستره انرژی ذره و شتاب آن در یک رینگ با گستره میدان مغناطیسی با دقت بالایی تعیین می شود. برای رسیدن به انرژی های بالاتر می توان از سینکروترون های متوالی با اندازه های مختلف استفاده کرد که به طور افزایشی همدیگر را تقویت می کنند. ذره بایستی قبل از ورود به اولین رینگ با یک شتاب دنده کوچک یا وسیله ای دیگر شتاب پیدا کند.
تابش سینکروترون ( Cynchrotron Radiation )
با توجه به اصول الکترومغناطیس، ذره شتاب دار و باردار از خود نشر انرژی به شکل تابش های الکترومغناطیسی دارد. بنابراین در سینکروترون ذرات باردار شتاب دار قسمتی از انرژی خود را به صورت نشر الکترومغناطیسی منتشر می سازند. طول موج و شدت این انرژی به انرژی ذره و نوع آن بستگی دارد. بنابراین اگر این نشر انرژی زیاد باشد، از نظر کسب انرژی بیشتر توسط ذره با مشکل مواجه خواهیم شد. برای جلوگیری از این حالت، حفره ها را به گونه ای طراحی می کنند که به محض افزایش شتاب از یک حد خاص انرژی ذره کاهش می یابد. وقتی سرعت ذره به سرعت نور می رسد، این اثر به طور صعودی افزایش می یابد. میزان از دست دادن انرژی ذره با فاکتوری به نام گاما مشخص می شود. فاکتور گاما ( ? ) نسبت انرژی ذره به انرژی در حال سکون آن است و از دست دادن انرژی رای الکترون ها با ۳ ? متناسب است.
وابستگی این انرژی به انرژی ذره شتاب داده شده
برای الکترون ها با انرژی Gev ۵/۱ فاکتور گاما معادل ۳۰۰۰ است و برای یک الکترون با انرژی ۵۰ Gev این فاکتور به ۱۰۰۰۰ می رسد. پروتون از الکترون سنگین تر است. اگر برای یک الکترون و یک پروتون این فاکتور را با یکدیگر مقایسه کنیم، ملاحظه می شود که فاکتور گاما برای پروتون ها کمتر از الکترون ها است (در انرژی پروتون ۱۰۰۰Gev=۱ Tev این فاکتور ۱۰۰۰ است) بنابراین از پروتون در سیکلوترون برای شتاب دار شدن استفاده می شود و از الکترون ها استفاده نمی شود.
PET و سیکلوترون
سیستم تصویربرداری PET شدیداً به تولیدات رادیوایزوتوپ های با نیمه عمر کوتاه وابسته است. این رادیوایزوتوپ ها شامل F، O، N، Ga و Rb هستند. با افزایش تعداد سیستم های PET نصب شده و کاربرد آنها در سراسر دنیا، نیاز به ژنراتورهای تولید رادیوایزوتوپ مورد استفاده در PET روز به روز بیشتر می شود. اخیراً استفاده از سیکلوترون های کوچک که ماشین های یون منفی نامیده می شوند، مورد استفاده فراوانی در بیمارستان های مجهز به سیستم PET پیدا کرده اند. این ماشین ها یون های H و D را شتاب می دهند. با عبور این یون ها از ورقه های نازک کربنی بعد از شتاب دار شدن الکترون ها از آنها برهنه شده تا H+ و D+ به دست آید. تولیدات نوعی F از این سیکلوترون ها محدوده ای از ۱ تا ۶ کوری بر ساعت که بستگی به انرژی ذره دارد، خواهد بود.
علاوه بر سیکلوترون های کوچک برای تولید رادیوایزوتوپ های با نیمه عمر کوتاه از شتاب دهنده با انرژی کمتر نیز استفاده می شود.
اصول فیزیک حاکم بر عمل سیکلوترون
انرژی جنبشی ذرات باردار باید حداقل چند میلیون الکترون ولت ( Mev ) باشد تا بتواند بر نیروی دافعه کولتی هسته غلبه و واکنش های هسته ای را باعث شوند. روش های مختلفی برای انجام این کار موجود است. معمولی ترین آنها ماشین سیکلوترون است که برای تولید نوکلئیدهای پرتوزا از آن استفاده می شود. در زیر به بحث فیزیک پایه این ماشین می پردازیم.
یک میدان الکتریکی که به وسیله اختلاف پتانسیل دو سر الکترودها تولید می شود ذره باردار را شتاب می دهد. میدان مغناطیسی ذره باردار را در یک مسیر دایره ای به حرکت وامی دارد. هر ذره بارداری که در میدان مغناطیسی حرکت می کند نیرویی در جهت عمود بر میدان مغناطیسی و همچنین عمود بر جهت حرکت به آن وارد می شود.
در سیکلوترون الکترودهای D شکل میان تهی و تخلیه شده از هوا و سایر گازها، مسؤول دوران ذره با این فرکانس هستند. همچنان که ذره میان Dها می چرخد اختلاف پتانسیل میان Dها معکوس می شود و به محض خروج ذره در یک D توسط این مقیاس نوسانی دریافت و با شتاب وارد D بعدی می شود. این فرایند ادامه می یابد زیرا سرعت ذره با هر شتاب به طور یکنواخت افزایش می یابد ولی میدان مغناطیسی ثابت است. لذا مسیر حرکت ذره به جای دایره ای مسیری مارپیچ خواهد بود.
چشمه ذرات باردار می تواند یک لوله تخلیه ساده باشد که در آن یون ها توسط یک دستگاه الکترود خارج و به مرکز Dها وارد می شود. هدف یا داخل سیکلوترون قرار دارد یا یون ها پس از خارج شدن از سیکلوترون به وسیله یک مجموعه میدان الکتریکی به سوی هدف خارجی هدایت می شود.
فضای مسیر حرکت یون ها بایستی خلاء باشد و فرکانس اختلاف پتانسیل میدان Dها از مرتبه چندین MHz است. در هر سیکلوترون نوعی، شعاع Dها در حدود ۴۰ سانتی متر است. سنگین ترین قسمت سیکلوترون آهنربای الکتریکی آن است.
جدول فوق مشخصات یکی از سیکلوترون های تجاری به نام TR۳۰ که توسط شرکت TRIUMF طراحی و ساخته شده است، می باشد.
اجزاء اصلی یک سیکلوترون
قسمت های اساسی یک دستگاه سیکلوترون عبارتند از:
۱) منبع تولید یون و سیستم تزریق آن
۲) مجموعه شتاب دهنده فرکانس رادیویی
۳) سیستم خلاء
۴) مجموعه هدف یا هدف ها
۵) تولید رادیودارو و ملحقات مربوط به آن.
سیکلوترون یک شتاب دهنده ذرات اتمی و زیر اتمی است. وقتی ذره شتاب دار می شود انرژی کسب می کند. این در مراحل متعددی در یک حرکت مارپیچی به ذرات این عمل را انجام می دهد و در هر مرحله ذره مقداری انرژی کسب می کند. حرکت مارپیچ توسط مغناطیسی نسبتاً پرقدرت (حد ۱.۵ T تا ۲ T ) انجام می شود. انرژی اولیه برای شتاب دادن از طریق یک ولتاژ مشابه ولتاژهای اعمالی به تلویزیون ها تأمین می شود. عمل شتاب در خلأ انجام می شود تا برخورد با مولکول های هوا و سایر گازها به حداقل برسد. وقتی ذره انرژی لازم را کسب کرد آنها را به داخل اتم های هدف تزریق می کنند. اتمی که ذره تزریقی را جذب کرده باشد رادیواکتیو می شود و آن را رادیوایزوتوپ می نامند.
سیکلوترون WA PET :
این سیکلوترون قادر به شتاب یون های H? ( تشکیل شده از یک پروتون و دو الکترون) و دوترون ها (یک پروتون و یک نوترون همراه با یک الکترون) است. سیکلوترون برای تولید ایزوتوپ های مورد استفاده در PET به کار می رود. همچنین تولید رادیوایزوتوپ های مورد استفاده در رادیوشیمی و فیزیک نیز از توانایی های این سیستم است.
گرچه سیکلوترون ها مدل های مختلفی دارند (جدول ضمیمه) ولی همه آنها در چند جنبه با یکدیگر مشترک هستند که به توصیف کلی این اجزاء پرداخته می شود.
سیکلوترون های مورد استفاده در بیمارستان ها برای تولیدات رادیوایزوتوپ PET و رادیوشیمی دارای انرژی در حدود ۱۸ Mev است.
اجزاء مشترک همه سیکلوترون ها
۱) منبع تولید یون و سیستم تزریق آن: در سیکلوترون یون های متعددی شتاب داده می شوند. این یون عبارتند از : P+ ، H- ، He۲+ ، He۲+ ( ? )، D، D و برخی یون های سنگین که البته یون های سنگین در سیکلوترون های با مصرف بیمارستانی کاربردی ندارند. از بین این یون ها، یون H- جایگاه خاصی دارد، زیرا تا حدودی کار با این گونه سیستم ها راحت تر و خود حفاظی آنها بیشتر است. یون H- مورد استفاده برای شتاب دادن از گاز هیدروژن به دست می آید.
گاز به داخل اتاقکی چپ می شود که در آنجا با عبور جریان زیادی از الکترون گرم می شود، در عبور از اتاقک، الکترون ها با گاز هیدروژن برخورد می کند و تولید تعداد زیادی از یون های H- می کنند. یون های H- به داخل اتاقک خلأ تزریق می شوند. این کار با اعمال ولتاژ صورت می گیرد. تعداد زیادی از یون های تزریق شده در داخل محفظه شتاب تشکیل یک دسته اشعه را می دهند، که به این دسته اشعه، دسته اشعه سیکلوترون گفته می شود.
۲) مجموعه سیستم شتاب دهنده رادیوفرکانسی:
ذره باردار متحرک (مثبت یا منفی) در یک میدان مغناطیسی منحرف می شود. اگر میدان مغناطیسی ثابت باشد ذره فقط مسیرش تغییر و حرکت آن دایره ای است. مقدار سرعت و انرژی ذره در این حالت ثابت می ماند.
برای کسب انرژی، ذره بایستی شتاب پیدا کند. بنابراین به یک ولتاژ بالا برای این کار نیازمندیم. یک ولتاژ بالا ( ۳۰,۰۰۰ V ) با زاویه عمود بر میدان مغناطیسی بین دو الکترود به نام Dها اعمال می شود ولتاژ بالا موجب جذب ذره و در نتیجه موجب شتاب آن می شود. با تغییر سریع این ولتاژ شتاب ذره بارها تکرار می شود. فاز تغییر این ولتاژ با فاز حرکت ذره به گونه ای است که در هر یک چهارم سیکل شتاب افزایش پیدا می کند (در هر D )که این موجب حرکت مارپیچی ذره می شود. هنگامی که شتاب ذرات به حد کافی رسید، دسته اشعه شتاب دار را می توان به داخل ماده هدف تزریق کرد.
۳) سیستم خلأ
فضای بین Dها یا مسیر حرکت ذرات باردار توسط یک سیستم پمپینگ کاملاً از هوا و سایر گازها تخلیه می شود. یک پمپ معمولی (تا چندم میلی بار) این کار را انجام می دهد. ذره در هنگام شتاب دار شدن با هیچ عاملی برخورد ندارد و انرژی خود را از دست نمی دهد. معمولاً از سیستم پمپ های روغنی در سیستم های سیکلوترون استفاده می شود.
۴) مجموعه هدف
در سیکلوترون ها از ذرات پرانرژی استفاده می شود. این ذرات تشکیل یک دسته اشعه را می دهند. این ذرات بر روی ماده هدف کانونی می شوند. در سیستم WR PET، سیستم هدف حاوی انواع خاصی از گاز ( O، N یا Ne ) است، هنگامی که ذره بمباران کننده در ماده هدف جذب شد، تعداد زیادی از واکنش های زیر اتمی اتفاق می افتد و نتیجه آن تشکیل یک هسته مرکب است. این هسته مرکب در نهایت تلاشی یافته و در فرایند تلاشی، تولید انرژی به شکل تابشی ذره ای الکترومغناطیسی می کند.
تولید مداوم هسته های مرکب همراه با تولید گرما است، که این گرما بایستی از محیط هدف خارج شود. ترکیبی از گارهای سردکننده و آب سرد شده مجموعه سیستم سرمایی سیکلوترون را تشکیل می دهند.
۵) تولید رادیوداروهای PET
توموگرافی نشر پوزیترونی یک روش تصویربرداری غیرتهاجمی برای رویت عملکرد بافت ها و ارگان است. برای دستیابی به این هدف، بیمار نیاز به رادیوداروی ناشر پوزیترون دارد. رادیوداروها معمولاً حاوی مقدار کمی رادیوایزوتوپ هستند. عمده ترین این رادیوایزوتوپ در PET، ۱۸F با نیمه عمر ۱۱۰ دقیقه است که می تواند به داروهای متعددی باند شود. مهم ترین آن FDG است. سیکلوترون ها در بیمارستان مستقر هستند. پس از ساخت رادیوایزوتوپ آن را برای تولید رادیودارو به آزمایشگاه مجاور منتقل می کنند. در برخی سیستم ها کل فرایند به شکل اتوماسیون انجام می شود.



دکتر احمد بیطرفان رجبی، دکتر مجتبی صلوتی، مهندس فرانک سقطچی،
مجله مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی

تاریخ ارسال: 1390/01/11


نظر شما چیست؟

کد امنیتی شکل بالا در کادر زیر درج شود

برای مشاهده و استفاده از فرم می بایست جاوااسکریپت بر روی مرورگر شما فعال باشد.

 
تعبیر خواب
تعبیر با تقویم
روایتی از قول امام جعفر صادق (علیه السلام) هست که می‌فرمایند مثلاً اگر در روز یا شب اول ماه قمری خوابی را ببینید تعبیر ندارد و صحیح نیست، یا اگر  در دوم و سوم ماه خوابی را ببینید تعبیرش برعکس می‌شود و به همین ترتیب تمام روزهای ماه را فرموده‌اند و این روایت تا حدودی هم شایع شده و گسترش پیدا کرده است.
دقت کنید که چیز کمی نیست!... یعنی شما که دیشب خوابی را دیده‌اید با دانستن تاریخ دیشب، می‌توانید ادامه مطلب...
تعبیرها و اشتباه‌ها
همۀ ما در طول شب یا روز خواب‌هایی می‌بینیم که ممکن است درست و صادق بوده و معنایی را در خود داشته باشند یا اینکه بی‌معنا باشند.
علت خواب‌های بی‌معنا چیزهایی مثل ضعف یا پرخوری قبل از خواب و یا صدای محیط زمان خواب و یا حتی می‌تواند نتیجه تلقین شیطان باشد و فقط پیامبران و معصومین (علیهم السلام) هستند که تمام خواب‌هایشان درست و صادق بوده و حسابشان جدا است. حضرت امام صادق (علیه السلام) به مفضل که از ادامه مطلب...
تعبیر با کتاب
در این مقاله می‌خواهم در مورد این بنویسم که هر کسی می‌تواند بعضی از خواب‌ها را با کتاب تعبیر خواب، تعبیر کند. بنابراین اجازه دهید ابتدا تعریفی کلی و خلاصه از نحوۀ تعبیر خواب ارائه کنم.
خواب‌هایی که ما می‌بینیم یا می‌خواهند معنایی را به ما بفهمانند و یا خیر؛ حالا چرا بعضی از خواب‌ها می‌خواهند معنایی را بفهمانند ولی بعضی خیر؟... چون این سوال بحث دیگری است نمی‌خواهم دربارۀ آن صحبت کنم.
خود این خواب‌های بامعنا نیز اکثراً به صورت مثال ادامه مطلب...
مبارزه با فراموشی خواب
تحقیقات نشان داده است که همۀ افراد در طی خواب خودشان رویا می‌بینند (به جز در برخی بیماری‌های شدید روانی)، منتها خیلی‌ها آن‌ها را فراموش کرده و فکر می‌کنند که اصلاً رویایی ندیده‌اند. هر چند خیلی از این رویاها ممکن است جزء رویاهای بدون تعبیر باشند ولی به هر حال رویا بوده‌اند.
حال سوال این است که چطور خواب خود را فراموش نکنیم؟ چطور صحنه‌های خواب را خوب و روشن به یاد آوریم؟ برای رسیدن به این هدف راه‌های زیادی وجود ادامه مطلب...
دفع بلا با صدقه
احادیث و روایات و همچنین تجربیات بسیاری وجود دارد که خداوند متعال با صدقه قضا و قدر را تغییر می‌دهد. به عبارتی دیگر با صدقه می‌توان به خواست خدا از وقوع بلایا و حوادث جلوگیری کرد. زیرا خود خداوند قضا و قدر را معین کرده و فقط خود او می‌تواند آن را تغییر دهد (که یکی از عواملی که فرموده قضا و قدر را به خاطر آن تغییر می‌دهد همین صدقه دادن است). البته این یکی از آثار صدقه می‌باشد. ادامه مطلب...
رسیدن تعبیر به دیگری
این نکته را به خاطر داشته باشید که تعبیر خواب شما ممکن است به همان کسی که در خواب دیده‌اید نرسد و به شخص دیگری مربوط شود. در واقع تعبیر خواب شما کیلومترها با آن شخصی که در خواب دیده‌اید فاصله داشته باشد! تجربۀ خودم من از خواب‌هایم این بوده که در موارد خیلی خیلی خیلی کمی تعبیر خواب به همان افرادی رسیده که در خواب دیده‌ام (به طوریکه در اکثر موارد فقط یک درصد احتمال می دهم که تعبیر ادامه مطلب...
دفع بلا و گرفتاری
بعضی از خواب‌ها آینده را پیشگویی کرده و می‌گویند که بلا و مصیبت و گرفتاری در پیش است و یا اینکه عمل زشت یا گناهی را مرتکب خواهیم شد. اگر این خواب‌ها درست و اصطلاحاً صادقه باشند، در واقع از مقدرات الهی می‌گویند و چیزهایی که پیش‌بینی آن شده حتماً به وقوع می‌پیوندند.
ولی خداوند راه‌هایی را تعیین کرده که نگذارید آن بلایا به وقوع بپیوندند و در واقع مقدرات خدا تغییر کند. در اصل خود خدا مقدرات را بوجود آورده ادامه مطلب...
کلیپ و ویدیو
هشت لیوان آب در روز درسته؟؟؟ (دکتر میرغضنفری)
اشخاصی که در کلیپها مشاهده می کنید تعبیرگر خواب نیستند