Использование ускорителей для наработки изотопов медицинского назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Историческая справка

2. Пример ускорителя

3. Преимущества использования протонов для облучения опухолей

4. Применение ускорителей в медицине

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Сегодня радионуклидные методы исследования и лечения широко применяются в различных областях научной и практической медицины - в онкологии, кардиологии, гепатологии, урологии и нефрологии, пульмонологии, эндокринологии, травматологии, неврологии и нейрохирургии, педиатрии, аллергологии, гематологии, клинической иммунологии и др.

Радионуклиды для ядерной медицины и соответствующие РФП (радиофармацевтические препараты) на их основе с точки зрения области их применения классифицируют по отдельным группам как диагностические и терапевтические.

В РФП диагностического назначения радионуклид является информационным носителем, излучение которого, проникающее за пределы организма, регистрируется внешними детекторами. При этом в зависимости от типа излучения радионуклиды диагностического назначения могут быть отнесены к двум группам:

Радионкулиды для ОФЭКТ (SPECT в английской аббревиатуре) - однофотонная эмиссионная компьютерная томография; к оптимальным радионуклидам для ОФЭКТ относятся г-излучатели с энергией г-квантов в пределах 100-200 кэВ и периодами полураспада от нескольких минут до нескольких дней.

Радионуклиды для ПЭТ (PET) - позитронно-эмиссионнная томография - в+ - излучатели с периодами полураспада от нескольких секунд до нескольких часов.

В РФП терапевтического назначения радионуклид является основным лечебным началом, позволяющим локализовать лечебную дозу излучения непосредственно в органе-мишени или, иногда, в пораженных клетках, и, соответственно, обеспечить минимальное облучение окружающих здоровых клеток органов и тканей.

1. Историческая справка

С 50-х годов прошлого столетия было известно, что фотоядерные реакции могут приводить к генерации большей части известных изотопов. Для этого необходимо создать мощный источник фотонов с энергией 15-25 MэВ. В то время (как и сейчас) фотоны обычно производились как тормозное излучение высокоэнергетичных электронов. Эффективность превращения енергии электронов в такие фотоны высокой энергии обычно низкая и не превышает 15%. Кроме того, сечения фотоядерных реакций также небольшие. Поэтому, генерация полезных радиоизотопов для практического использования могла бы быть реализована только на базе мощных сильноточных линейных ускорителей электронов (I>100mkA), которые не были созданы на тот момент, в то время как более мощный источник получения изотопов - ядерные реакторы имели существенно большую эффективность в получении новых ядер как продуктов деления и радиационного захвата. Кроме того, развитие ускорителей заряженых частиц дало новый источник для производства радиоизотопов. Эти два метода, основанных на ядерных реакциях (ядерные методы), являются в настоящее время основными при производстве радионуклидов, а практическое использование фотоядерных реакций в течении долгого времени было ограничено преимущественно активационным анализом.

Технические аспекты

Детальный анализ фотоядерных методов, с учетом перспектив и проблем развития ядерной технологии, показал, что в некоторых случаях фотоядерные методы, принимая во внимание экономический, технический и экологический факторы, могут конкурировать с ядерными методами получения радиоизотопов медицинского назначения. Вопросы использования этих методов для производства медицинских изотопов привлекли внимание исследователей и в других странах. Так, например, в США в середине 90-х годов под руководством проф. L. M. Lidsky были проведены исследования по возможности коммерческого производства медицинских изотопов, в частности 99mТс, с использованием линейного ускорителя электронов. На основании полученных оценок был сделан вывод, что в условиях США производство 99mТс фотоядерным методом не может конкурировать с реакторным способом. Хотя производство других радионуклидов может быть привлекательным. Более поздние детальные расчеты показали, что при значительных объемах производства и оптимизации параметров ускорителей и в условиях США получение 99mТс может быть коммерчески выгодным. Вместе с этим, она, является болем привлекательной с точки зрения экологической чистоты, так как, сопровождается наработкой меньшего количества радиоактивных отходов. Кроме того, фотоядерные технологии, в отличие от ядерных, реализуются на оборудовании, которое не может использоваться для производства оружия.

Багатый опыт сотрудников НИК «Ускоритель» (ХФТИ) и создание сильноточной ускорительной техники позволили в середине 90-х годов прошлого века начать в подразделении исследования в области использования фотоядерных методов для производства медицинских изотопов. Главной задачей этих исследований было изучение условий фотоядерного производства медицинских радиоизотопов, с тем чтобы определить номенклатуру изотопов, производство которых данным методом может быть экономически еффективным. Такое изучение включало в себя не только определение условий максимального увеличения выхода изотопа, но и оценку этапов извлечения и использования.

2. Пример ускорителя

протон облучения опухоль

Медицинский линейный ускоритель электронов СЛ-75-5-МТ

Максимальная энергия фотонов - 6 МВ.

Максимальная мощность дозы в изоцентре -5 Гр/мин.

Поле облучения в изоцентре - 40х40см.

Пропускная способность до 50 человек в день.

Использование СЛ-75-5-МТ для сочетанного облучения позволит увеличить эффективность работы ускорителя протонов.

3. Преимущества использования протонов для облучения опухолей

Конформность облучения протонами позволяет разрушить опухоль без повреждения здоровых тканей.

Облучение гамма-лучами (конвенциальная терапия) :

Протонная (адронная) терапия не имеет альтернативы, если опухоль находится вблизи критических органов.

Протоны обеспечивают снижение лучевой нагрузки на здоровые ткани минимум в 2раза.

4. Применение ускорителей в медицине

Из примерно 17 тысяч существующих сейчас ускорителей лишь около сотни используются в научных целях. Остальные - это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины.

Например, пучки протонов определенной энергии позволяют с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли.

Другое применение ускорителей в онкологии - нейтронная борозахватная терапия. В организм пациента вводится фармпрепарат с изотопом бора-10, который сильнее накапливается в клетках опухоли, чем в здоровых клетках. Ядра бора-10 обладают очень высокой вероятностью захватывать пролетающие мимо тепловые нейтроны, поэтому если пациента облучить нейтронным пучком, то нейтроны будут поглощаться преимущественно клетками опухоли и разрушать их. В этом состоит отличие этой методики от протонной терапии - ведь протоны выделают свою энергию одинаково и в больных, и здоровых клетках. Поэтому с помощью нейтронной терапии можно эффективно воздействовать на злокачественные образования, которые не локализованы в виде отдельной опухоли, а распределены по всему пораженному органу.

Ускорители применяют и для создания прямо в медицинском центре короткоживущих ядер-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей. Благодаря сверхнизкой концентрации радиоизотопов такая диагностика заболеваний довольно безопасна. Основанная на этой идее позитронно-эмиссионная томография используется сейчас во многих клиниках мира.

Наконец, многие электронные ускорители работают как источники синхротронного излучения - яркого и узконаправленного рентгеновского луча, которым «светят» электроны в магнитном поле. Такой луч используется как для диагностики заболеваний (например, для получения четких снимков сети мелких кровеносных сосудов), так и для терапевтического воздействия. Кстати, для детектирования рентгеновских лучей сейчас широко используют не пленки, а цифровые рентгенографические установки. Это потомки детекторов высокоэнергетических фотонов, применявшихся в ускорительных экспериментах. Их чувствительность во много раз выше, чем у пленки, и, кроме того, они обладают очень высоким пространственным разрешением и совершенно недостижимым на обычных пленках количеством градаций яркости. Благодаря этому на одном и том же снимке, подобрав правильный контраст, можно изучать структуру и костей, и мягких тканей.

Заключение

Первые шаги в этом направлении были сделаны много лет назад. Первый циклотрон, построенный на самой заре ускорительной техники, предназначался не только для физики, но и для медицины. Его сооружение велось братьями Лоуренс, один из которых - изобретатель циклотрона - был физиком, а другой - врачом. Однако серьезное применение ускорителей в медицине и в промышленности началось всего 10-15 лет назад. Сейчас на каждый ускоритель, установленный в физических лабораториях, приходится около 100 установок, работающих в народном хозяйстве.

Радиоактивные нуклиды с каждым годом все шире применяются в медицине. Современная диагностика столь сильно опирается на радиоактивные вещества, что появилась даже новая наука, получившая название ядерной медицины. С помощью радионуклидов можно изучать метаболизм (обмен веществ) тканей. Радионуклиды широко используются также для обнаружения злокачественных опухолей.

При поиске опухолей в организм человека вводится (чаще всего внутривенно) радиоактивный препарат (например радиоактивный технеций 99тТс - изомерное состояние Тс с периодом полураспада 6 ч, или радиоактивный йод 131I с периодом полураспада 8 суток). Обмен веществ в опухолях происходит быстрее, чем в окружающих тканях, поэтому радиоактивные нуклиды быстрее всего накапливаются именно в опухолях. Через некотороевремя тело человека сканируется: небольшой датчик последовательно устанавливается над различными участками тела и исследуется кривая зависимости скорости счета от положения датчика, Устройство для сканирования схематически изображено на рис. 45. Счетчик, установленный на пантографе, перемещается над больным. Справа видна карта, на которой изображается распределение активности в теле больного. Над опухолью скорость счета увеличивается.

Иногда вместо сканирования к человеку приставляют один большой кристалл или систему кристаллов из йодистого натрия, йодистый натрий, активированный таллием, при прохождении гамма-квантов или электронов дает световую вспышку. Место появления этой вспышки может быть обнаружено специальными устройствами (фотоумножителями). Картина распределения света от вспышек, вызванных гамма-лучами, испускаемыми пациентом, анализируется с помощью электронно-вычислительной машины, которая строит на экране осциллографа картину распределения радиоактивности в организме. Такой прибор называется гамма-камерой.

Особенно много возможностей дает применение радиоактивных нуклидов, испускающих позитроны, которые аннигилируют с электронами, входящими в состав человеческого тела, и превращаются в два гамма-кванта. Если

Рис. 45. Сканирование больного

Импульс позитрона при аннигиляции невелик, то система электрон - позитрон обладает нулевым - или почти нулевым - суммарным импульсом; не должна его иметь и система, состоящая из двух рождающихся гамма-квантов. Гамма-кванты разлетаются поэтому в противоположные стороны и регистрируются детекторами, включенными «на совпадения», т. е. срабатывающими лишь в том случае, если кванты попали в них одновременно, а значит, принадлежат к одной паре. Таким образом, оказывается известна линия, на которой находился позитрон в момент аннигиляции. На этой линии располагается распавшееся ядро. Регистрируя кванты, вылетающие по разным направлениям, можно надежно обрисовать область, занимаемую опухолью. Для регистрации таких совпадающих во времени квантов выпускаются специальные устройства, называемые позитронными камерами.

Список литературы

1. Cockroft J. D., Walton E. T. S. Experiments with High Velocity Ions // Proc. Roy. Soc. A. London. 1932. V. 137. P. 229.

2. Allibone T. E., Bancroft F. E., Innes G. S. The St. Bartholomew's Hospital X-ray Tube for One Million Volts // Electrical Engineers.

3. Davisson C., Germer L. H. Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel // Nature. 1927. V. 119. P. 558Д560.

4. http://www.customs.ru/

5. http://sochipravda.ru/

Размещено на Allbest.ru