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

Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18F NaF ứng dụng trong y tế Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18F NaF ứng dụng trong y tế Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18F NaF ứng dụng trong y tế luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

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

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 18NaF được tạo ra

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

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do chính tôi hoàn 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 công bố

Ngoài các tài liệu đã liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo, tôi đảm bảo không sao chép các công trình hoặc thiết kế của người khác Nếu phát hiện có bất

kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Hà nội, ngày tháng năm 2018

Học Viên

Nguyễn Văn Sỹ

2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SPECT Single - Photon Emission

Computed Tomography

Thiết bị chụp ảnh cắt lớp đơn photon

PET Positron Emission Tomography Thiết bị chụp xạ hình cắt lớp

positron

FDA Food and Drug Administration Cục quản lý thực phẩm, dược

phẩm Hoa Kỳ PET-CT Positron Emission Tomography -

Computed Tomography

Thiết bị chụp ảnh cắt lớp positron

18F-FDG Fluoro-Deoxy-Glucose Dược chất phóng xạ có cấu

trúc tương tự Glucose

18F-NaF Natri Florua Dược chất phóng xạ chụp xạ

hình xương

QMA Quaternary Methyl Ammonium Cột trao đổi anion

ARM Advanced RISC Machine Cấu trúc vi xử lý kiểu RISC

3

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

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Module tổng hợp DCPX 18 F-NaF của Hãng TRASIS [6] 10

Hình 1-2: Module tổng hợp DCPX 18 F-NaF của Viện KIRAMS - 2012 10

Hình 1-3: Module tổng hợp DCPX 18 F-NaF của KIRAMS - 2014 11

Hình 1-4: Sơ đồ nguyên lý phương pháp tổng hợp DCPX 18 F-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 18 F-NaF hãng GE [19] 13

Hình 1-7: Sơ đồ tổng hợp DCPX 18 F-NaF của KIRAMS- Hàn Quốc năm 2014 13

Hình 1-8: Sơ đồ quy trình tổng hợp DCPX 18 F-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 18 F-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 dòng 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: Mô hình cơ khí hệ điều khiển xi lanh 24

Hình 2-9: Hệ cơ khí điều khiển xi lanh hoàn thiện 25

Hình 2-10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển xi lanh 25

Hình 2-11: Mô 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

5

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 không có nguồn phóng xạ 35

Hình 3-9: Xung tín hiệu mạch đo trường hợp có nguồn gamma 133 Ba 35

Hình 3-10: Xung tín hiệu mạch đo trường hợp có nguồn gamma 137 Cs 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 toán chương trình điều khiển van điện từ 41

Hình 4-4: Thuật toán chương trình điều khiển bơm hút xi lanh 42

Hình 4-5: Thuật toán chương trình đo hoạt độ phóng xạ và tính hiệu suất tổng hợp 43

Hình 4-6: Thuật toán 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 công 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 18 F-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 tuyên tính của số đếm và suất liều 54

6

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

18F-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 99mTc với SPECT, mặt khác hiện nay Việt Nam đang phải nhập khẩu 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 18F chỉ là 109,7 phút , dược chất phóng xạ 18F-NaF không thể nhập khẩu, không 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 không chủ động được việc bảo dưỡng bảo trì thiết bị Trong khi việc chế tạo thiết bị này ở trong nước là hoàn toàn có thể, do

đó đặt ra vấn đề “Nghiên cứu thiết kế module tổng hợp dược chất phóng xạ 18 NaF ứng dụng trong y tế” với mục tiêu là nội địa hóa thiết bị

F-Mục đích nghiên cứu của luận văn là thiết kế hệ điện tử thực hiện việc tự động hóa quá trình tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-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 ngôn ngữ lập trình Labview

Các van điện được điều khiển bởi các cổng vào ra GPIO của vi điều khiển STM32 thông 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

7

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 không 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 toán 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 18 F-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 soát quá trình tổng hợp dược chất

Để hoàn thành các nội dung trên tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô 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, cô giáo để tôi tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện

8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỔNG HỢP DƯỢC CHẤT

PHÓNG XẠ 18 F – NaF 1.1 Dược chất phóng xạ 18 F-NaF và các thiết bị tổng hợp trên thế giới

Dược chất phóng xạ (DCPX) 18F-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 quá 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 18F-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 99mTc [3] Do đó chính xác hơn trong việc xác định cả tổn thương lành tính và ác tính của xương, đặc biệt khi sử dụng 18F-NaF trên thiết bị PET-CT có thể nâng cao độ đặc hiệu và độ chính xác về tổng thể của xạ hình xương Ngoài ra chụp xạ hình bằng DCPX 18F-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 18 F-NaF trên PET-CT và 99m Tc trên SPECT

Tiêu chí so sánh 18 F-NaF trên PET-CT 99m Tc trên SPECT

Thời gian trước tiêm 1 giờ 2 - 4 giờ

Thời gian quét 25 phút 60 phút

Có thể thấy lượng phóng xạ trong trường hợp chụp bằng 18F-NaF trên PET-CT thấp hơn nhiều so với chụp bằng 99mTc trên SPECT, song do chi phí chụp PET-CT lớn hơn nhiều so với SPECT nên cho đến nay 99mTc vẫn được xem là DCPX chính trong xạ hình xương (~90%) Mặc dù vậy, việc chế tạo các dược chất phóng xạ mới như 18F-NaF để bổ sung cho chẩn đoán hình ảnh xương là vô cùng cần thiết, đặc

9

biệt trong trường hợp phải dừng lò phàn ứng hạt nhân, hoặc một số lý do khách quan khác dẫn đến thiếu hụt 99mTc, chẳng hạn như sự kiện dừng lò phản ứng hạt nhân Chalk River (Canada) năm 2009 sửa chữa đã làm cho hàng ngàn bệnh nhân không được xạ hình xương [19] Hiện nay việc nghiên cứu và sản xuất DCPX 18F-NaF 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 công 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 18F-NaF, 11Choline và 11C-Methionin Nhược điểm của module này là có giá thành cao, khó bảo dưỡng và không có đầu đo hoạt độ phóng xạ [24]

C-10

Hình 1-2: Module tổng hợp DCPX 18 F-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 thông 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 18 F-NaF của Viện KIRAMS - 2012

11

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 không có đầu đo hoạt độ phóng xạ

Hình 1-4: Module tổng hợp DCPX 18 F-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 18 F-NaF

Nguyên lý chung của quá trình tổng hợp dược chất phóng xạ 18F-NaF là dung dịch chứa đồng vị phóng xạ 18F được tạo ra từ máy gia tốc thông qua phản ứng

18O(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 18F, ion âm 18F cùng với H218O chưa phản ứng đi tới cột trao đổi anion QMA để bắt giữ 18F 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

12

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 18 F-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 18 F-NaF của hãng TRASIS [6]

13

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

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

14

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 18F-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…ngoài ra hệ thống còn 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 18 F-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

15

Hình 1-10: Các chu trình làm việc trong quá trình tổng hợp DCPX

Chu trình 1 - Đồng vị phóng xạ 18 F được đưa từ máy gia tốc tới cột QMA: Chu

trình này hoạt động nhờ vào bơm hút chân không 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 khô 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 thông qua

các van V7, V6, V4, V8, V10, V11, để đẩy toàn bộ DCPX vào lọ đựng sản phẩm

16

Tại chu trình này hiệu suất quá trình tổng hợp sẽ được tính toán thông 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 thông 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 còn lại

Chu trình 9 - Làm khô 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 khô 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 khô đường ống tới xi lanh 2: Xi lanh 2 được kéo lên và mở

các van V7, V6, để khí heli vào làm khô đoạn ống đó

Chu trình 12 - Làm khô 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 khô đoạn ống đó

Chu trình 13 - Làm khô đường ống tới bình nước muối: Khí heli được đẩy tới vị

trí bình nước muối thông qua các van V7, V6, V4, V2, để làm khô 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 ngôn ngữ lập trình LabView (Hình 1-11)

17

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

Theo sơ đồ khối được thiết kế như hình 1-11, hệ điện tử thực hiện việc tự động hóa quá 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 toán hiệu suất của quá 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 soát toàn bộ quá trình tổng hợp DCPX 18F-NaF

18

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 phòng thí nghiệm, y học và công 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,

19

- Nhiệt độ truyền dẫn: 0  60 o C,

- 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 dòng 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 thông qua các chân vào

ra GPIO của một bộ vi điều khiển STM32

Mỗi chu trình làm việc của hệ tổng hợp dược chất 18F-NaF được định sẵn số lượng van sẽ được đóng hay mở, do đó dòng 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 dòng điện cung cấp cho hệ thống van đó và nếu có sự sai khác giá trị dòng 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

20

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 dòng 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 đòi 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

21

Hình 2-4: Sơ đồ mạch điều khiển đóng mở van điện

2.2.2 Thiết kế mạch kiểm soát dòng điện

Hoạt động của 12 van điện được kiểm soát bởi một mạch đo dòng 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 thông số chính của IC cảm biến dòng 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

22

Với sơ đồ thiết kế như Hình 2-5, các thông số mạch được tính toán như sau:

- Dòng điện tổng cần đo Ip tối đa khi cả 12 van điện được cấp điện là (12 van

x 125 mA) = 1,5 A và lấy dư là 2 A,

- Điện áp đầu ra Vout tương ứng với dòng Ip bằng 2 A là (2,5 + 0,185 x 2) = 2,87 V,

- Như vậy điện áp đầu ra Vout tương ứng với dòng điện đầu vào Ip từ 0 ÷ 2 A

là từ 2,5 ÷ 2,87 V Trong khi bộ biến đổi ADC của vi điều khiển STM32 làm việc từ 0 ÷ 3,3 V, do đó cần sử dụng một mạch khuếch đại vi sai để điều chỉnh dải điện áp Vout về dải từ 0 ÷ 3,3 V,

- Mạch khuếch đại vi sai được thiết kế sử dụng IC khuếch đại Max4477, đây

là bộ khuếch đại có độ nhiễu thấp và dòng tiêu thụ rất nhỏ [9] Với thiết kế như hình 2-4, điện áp đầu ra bộ khuếch đại vi sai là từ 0 đến (2,87 - 2,5) x (50 / 10) = 1,85 V

Điện áp đầu ra bộ khuếch đại vi sai (0 ÷ 1,85 V) được đưa tới bộ biến đổi tương tự - số ADC 12 bit của vi điều khiển STM32F103C8 [23] để ghi nhận số liệu

- Khi thay đổi dòng 1 A ở đầu vào cảm biến dòng ACS712-05 thì điện áp đầu

ra khuếch đại sẽ thay đổi là (5 x 185 mV) = 925 mV,

- Khi 1 van điện được cấp điện nó sẽ thay đổi 125 mA, tương ứng đầu ra khuếch đại sẽ thay đổi là (125 x 925) / 1000 = 116 mV,

- Như vậy khi một van điện được cấp điện thì số liệu ADC ghi nhận được sẽ thay đổi là (0,116 x 4095) / 3,3 = 144 giá trị

Với sự thay đổi 144 giá trị khi đóng mở một van điện thì vi điều khiển hoàn toàn có thể nhận biết được sự thay đổi đó để kiểm soát quá trình điều khiển đóng

mở các van điện trong các chu trình làm việc của hệ tổng hợp DCPX Do đó trên hình 2-6 là sơ đồ thiết kế hoàn chỉnh mạch điều khiển đóng mở các van điện cho hệ tổng hợp DCPX 18F-NaF

23

Hình 2-6: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển các van điện

2.2 Thiết kế chế tạo hệ điều khiển xi lanh

2.2.1 Yêu cầu thiết kế

Do giới hạn thể tích dung dịch cần bơm hút và kích thước của đường ống dẫn dung dịch rất nhỏ (cỡ 0,5mm) [13] nên các yêu cầu thiết kế cho hệ điều khiển xi lanh được đặt ra như sau:

- Kích thước ống tiêm: 20 ml, đường kính trong 20 mm,

- Tốc độ truyền: 20 ml/phút – 80 ml/phút,

- Độ chính xác: ± 5%,

- Có thể điều chỉnh được thể tích dung dịch cần bơm hút,

- Yêu cầu ghép nối với vi điều khiển để điều khiển quá trình

Hình 2-8: Mô hình cơ khí hệ điều khiển xi lanh

Hệ cơ khí được thiết kế sử dụng vít me bi với bước ren 1 mm cùng với 2 thanh trượt, hệ thống giá đỡ và 2 công tắc hành trình Động cơ bước được lựa chọn sử

25

dụng là động cơ 2 pha đơn cực của hãng Minebea 17PM-J002 được sử dụng nhiều trong các máy in và hoạt động với điện áp 24V/1A và bước góc là 1,8o (Hình 2-9)

Hình 2-9: Hệ cơ khí điều khiển xi lanh hoàn thiện

2.2.3 Thiết kế hệ điều khiển xi lanh

Với hệ cơ khí điều khiển bơm hút xi lanh đã được thiết kế như Hình 2-9 thì hệ điều khiển xi lanh phải làm nhiệm vụ điều khiển động cơ bước để điều khiển chuyển động tịnh tiến của trục vít me và kéo theo chuyển động tịnh tiến của xi lanh Chuyển động tịnh tiến của xi lanh được tính toán dựa trên số bước điều khiển động

cơ, tuy nhiên để an toàn cho quá trình hoạt động hệ thống được thiết kế thêm 2 công tắc hành trình để giới hạn chuyển động ở ngưỡng trên và dưới của xi lanh trong trường hợp mất điều khiển từ hệ thống Với nguyên lý trên sơ đồ khối hệ điều khiển

xi lanh được thiết kế như trên hình 2-10

Hình 2-10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển xi lanh

26

Để đơn giản trong thiết kế và viết phần mềm điều khiển động cơ bước đơn cực 17PM-J002 sẽ được điều khiển theo kiểu động cơ lưỡng cực với mô đun điều khiển động cơ bước loại A4988 (Hình 2-11)

Hình 2-11: Mô đun điều khiển động cơ bước A4988 [5]

A4988 được thiết kế để điều khiển cho loại động cơ bước lưỡng cực với điện

áp điều khiển đạt tới 35V và dòng cực đại đạt 2A, có thể điều chỉnh dòng ra bằng chiết áp và tự động tắt nguồn khi nhiệt độ quá cao [5]

A4988 sẽ kết nối với vi điều khiển thông qua 3 chân cơ bản: ENABLE (bật tắt động cơ, bật là mức logic 0, tắt là mức logic 1), DIR (hướng quay của động cơ) và STEP (cấp xung để động cơ quay từng bước, mỗi xung là một bước) Các chân MS1, MS2 và MS3 phép chọn chế độ hoạt động theo độ phân giải mong muốn [5]

Bảng 2-1: Các chế độ hoạt động của mô đun điều khiển A4988

27

Hình 2-12: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển xi lanh

Với sơ đồ thiết kế mạch điều khiển xi lanh như trên Hình 2-12, các thông số của hệ thống được tính toán như sau:

- Với xi lanh loại có đường kính trong d là 20 mm, thì thể tích dung dịch trong

xi lanh phụ thuộc vào sự tịnh tiến của trục xi lanh h theo công thức:

- Với động cơ bước loại 1,8o nó sẽ quay 200 bước được 1 vòng và trục vít me tịnh tiến với bước ren 1 mm, thì mối liên hệ giữa số bước điều khiển động cơ với lượng dung dịch trong xi lanh được tính toán như sau: