Ядерная медицина

                   Радиационные величины и единицы   
 
Рентген – это количество излучения под действием которого в 1 см³ сухого воздуха при 0⁰ С
и давлении в 760 мм. рт. ст. образуются ионы, несущие по одной электростатической единице количества электричества каждого знака (таких знаков будет 2*10⁹ пар).
 
Единицей поглощённой дозы в Международной системе единиц является  1 грей (1 Гр).
При поглощении дозы 1 Гр облучаемому веществу массой 1 кг передаётся энергия величиной 1 Дж,
 т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг.
 
Мощность поглощённой дозы – доза, соотнесённая с единицей времени.
Единицей мощности дозы – является 1 Гр/с.
 
Экспозиционная доза – характеризует энергию фотонного излучения,
затраченную на ионизацию массы сухого воздуха.
 
Мощность экспозиционной дозы – экспозиционная доза, соотнесённая с единицей времени.
 
Активность радиоактивного вещества, характеризующая его количество, измеряется в беккерелях (Бк): 1 Бк – это активность источника, в котором за 1с происходит 1 акт распада.

Энергия ускоренного электрона измеряется в ЭВ – электрон-вольтах; 1эВ = 1.6·10¹⁹Дж.   

Дозиметрия.

Дозиметрия ионизирующих излучений – один из разделов радиационной физики, в котором рассматриваются характеристики полей ионизирующего излучения, закономерности его взаимодействия с веществом, принципы и методы определения эффектов передачи и поглощения энергии частиц в веществе.

    Особенно важной задачей является определение величин поглощенной энергии в отдельных тканях живого организма и в организме в целом. Первопричиной радиационных эффектов является поглощенная энергия в облучаемом объекте и доза как мера поглощенной энергии  является определяющей  величиной. Установление  величины дозы в живом организме необходимо для оценки и предупреждения возможной   радиационной опасности для человека.   

 Круг задач дозиметрии ионизирующих излучений:

1.     Обеспечение радиационной безопасности.

2.     Радиационно-физические и химические исследования.

3.     Радиобиологические исследования.

4.     Радиационная технология.

5.     Медицина.

    Результат воздействия ионизирующего излучения на облучаемые объекты заключается в физико-химических или биологических изменениях характеристик объектов, например, может иметь место нагрев тела,  изменение биологических показателей живого организма. Радиационный эффект ζ зависит от совокупности физических величин Х_i, характеризующих поле излучения и эффекты взаимодействия излучения с веществом:

                                                 ζ = F(Х_i)             

Величины Х_i,  функционально связанные с радиационными эффектами, называются дозиметрическими; цель дозиметрии – измерения, исследования и теоретические расчеты дозиметрических величин для оценки радиационного эффекта.

    Важная область дозиметрических исследований – охрана окружающей среды, компонентами которой являются рассеянные радионуклиды естественного и техногенного происхождения. 

Разделы дозиметрии:

1.     Дозиметрия альфа-, бета- , гамма-частиц и нейтронов с энергией до 10 МэВ.

2.     Дозиметрия инкорпорированных нуклидов.

3.     Индивидуальная дозиметрия.

4.     Аварийная дозиметрия.

5.     Внутриреакторная дозиметрия.

6.     Дозиметрия больших доз.

7.     Твердотельная дозиметрия.

8.     ЛПЭ – метрия.

9.     Микродозиметрия.

    Частицы ионизирующего излучения характеризуются способностью возбуждать и ионизировать атомы вещества. Энергия, необходимая для ионизации атома, порядка 4-25 эВ, так что энергия частиц должна превышать эту величину, чтобы отнести вид излучения к ионизирующему.

Основные виды ионизирующей радиации.

1.     Х-лучи – характеристическое или тормозное излучение. Энергетические диапазоны:

0.1÷20 кэВ – низкоэнергетическое излучение;

20÷120 кэВ – рентгеновское (диагностическое излучение);

120÷300 кэВ – жесткое рентгеновское излучение.

2.     γ- лучи (кванты, фотоны) – электромагнитная радиация; Е_γ= h·n= h·c/λ, где с – 

          скорость  света,nи λ – частота и длина волны кванта; h= 6.626·10^-34 Дж·сек,  

      Быстрые электроны (электроны - заряд “-“. позитроны- заряд “+“).

3.     Нейтроны.

4.     Тяжелые заряженные частицы (протоны, α– частицы, тяжелые ядра).

Основной признак перечисленных выше частиц – наличие или отсутствие электрического заряда. Заряженные и незаряженные частицы различным образом взаимодействуют с веществом. В веществе для заряженных частиц имеет место конечный пробег, в пределах  которого    происходят  эффекты передачи   и поглощения энергии. Это – непосредственно (или прямо) ионизирующее излучение, частицы которого передают свою энергию веществу в результате кулоновского взаимодействия. Косвенно ионизирующее излучение (γ-кванты, нейтроны) передает энергию веществу в результате двухэтапного процесса. Значительный объём проблем дозиметрии обусловлен большим разнообразием имеющихся в настоящее время видов ионизирующих излучений.

Различные величины пробегов частиц в веществе по отношению к размерам облучаемых объектов являются наиболее существенным фактором в проблеме определения величины энергии, поглощенной в данном объекте.             

Ядерная медицина

Ядерная медицина– направление современной медицины, использующее радиоактивные вещества и свойства атомного ядра для диагностики и терапии 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.

На нужды ядерной медицины расходуется более 50% годового производства радионуклидов во всем мире.

Радионуклиды для ядерной медицины и соответствующие радиофармацевтические препараты (РФП) на их основе классифицируют с точки зрения их применения на диагностические и терапевтические. При этом в зависимости от типа излучения радионуклиды диагностического назначения могут быть отнесены к двум группам:

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

Подавляющее большинство диагностических процедур ( 80 %) при помощи техники ОФЭКТ выполняется в течение последних 30 лет с препаратами ^99mTc, который называют “рабочей лошадью ядерной медицины”. Широко используются ¹²³I, ²⁰¹Tl, ¹¹¹In, в отдельных случаях при необходимости применяются диагностические методики с ⁵¹Cr, ⁶⁷Ga, ^81mKr, ¹³¹I и др.

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

Среди позитрон-излучающих радионуклидов в основном используются ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O и ¹⁸F. При этом последний радионуклид применяется наиболее широко. Значительное количество публикаций посвящено использованию генераторных ⁶⁸Ga и ⁸²Rb. По мнению экспертов следует ожидать увеличения использования и других позитрон-излучающих радионуклидов, поскольку, несмотря на достаточно высокую стоимость ПЭТ, это направление бурно развивается. Позитрон-излучающие радионуклиды используют в составе «модельных» РФП при дозиметрическом планировании лучевой терапии открытыми источниками радионуклидов (см. ниже), а также для изучения фармакокинетики общих лекарственных средcтв (в качестве радиоактивных индикаторов) в период их доклинических испытаний.

 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. В зависимости от характера и локализации патологического процесса для радиотерапии используют:

·        ^–-излучатели с энергиями ^–-частиц в области 200 – 2000 кэВ;

·        -излучатели с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ 100 кэВ/мкм) и коротким пробегом частиц (50 – 100 мкм);

·        радионуклиды, распад которых сопровождается электронным захватом  или внутренней электронной конверсией (ВЭК).

Получение радионуклидов:

Процесс получения радионуклида включает приготовление стартового материала (на основе природного или изотопно-обогащенного сырья), мишенного устройства, облучение, выделение и очистку целевого радионуклида.

Реакторные радионуклиды

         Для получения  радионуклидов с помощью реакторов используются тепловые и быстрые нейтроны с интенсивностями потока от 10¹² до 2.10¹⁵ нейтрон/(см².с), которые инициируют различные реакции: (n,) для получения ³²P,  ⁹⁰Y, ⁹⁹Mo/^99mTc, ¹⁶⁶Ho, ¹⁸⁶Reиз природного сырья; ⁵¹Cr, ⁵⁹Fe, ⁹⁹Mo/^99mTc, ¹¹³Sn/^113mIn, ¹⁵³Sm, ¹⁶⁹Yb, ¹⁹¹Os/^191mIr, ¹⁹⁷Hg из изотопно обогащенных мишеней.  Реакторный способ, как правило, является наиболее простым и экономичным для получения радионуклидов, однако многие ценные в практическом отношении изотопы в реакторе получить невозможно.

 Радионуклиды, получаемые на ускорителях

Нейтрондефицитные радионуклиды с оптимальными физическими характеристиками для ОФЭКТ, выделяют из мишеней, облученных заряженными частицами на циклотронах . Наиболее известные из них - ⁶⁷Ga, ¹⁰³Pd, ¹¹¹In, ¹²³I,  ²⁰¹Tl,  и др. Основная особенность реакций с заряженными частицами заключается в больших ионизационных потерях энергии частицей в веществе мишени, и поэтому малом ее пробеге. Это обстоятельство приводит к  большому тепловыделению в тонком слое облучаемого вещества, что требует интенсивного охлаждения мишени. Очень важны в этих случаях большие тугоплавкость и теплопроводность материала мишени.

Генераторы радионуклидов

Генераторы позволяют многократно получать препараты радионуклидов   непосредственно на месте их использования путем разделения генетически связанных между собой радионуклидов — материнского и дочернего. Последний (дочерний), как правило, имеет более короткий период полураспада и постоянно образуется (генерируется) из материнского.

Обычно метод разделения основывается на том, что дочерний и материнский радионуклиды являются различными химическими элементами. Разделение осуществляют с помощью методов хроматографии, экстракции или сублимации. Большинство коммерческих генераторов радионуклидов хроматографического типа и представляют собой стеклянную, металлическую или пластиковую колонку, помещенную в защитный кожух (см. рис. 2). Колонка заполнена сорбентом, содержащим материнский радионуклид. При этом сорбент не должен cвязывать дочерний радионуклид, который вымывают (элюируют) из генератора, прокачивая специальный раствор (элюент) через колонку с помощью шприца, вакуумированных флаконов или перистальтического насоса.

Лучевая терапия

   Основные этапы предлучевой подготовки и лучевой терапии:

     - диагностика;

     - выбор способа облучения: дистанционный или контактный;

     - получение анатомо-топографической информации о степени и объёме распространения опухолевого процесса с использованием компьютерных и магниторезонансных томографов, рентгеновских симуляторов, ультразвуковых и лазерных установок;

     - компьютерное дозиметрическое планирование сеансов облучения с выбором вида энергии излучения, способов подведения дозы;

     - укладка пациента на процедурном столе с использованием фиксирующих устройств, центраторов;

     - визуальная верификация зоны облучения и систематический мониторинг облучаемой мишени с возможной коррекцией плана облучения;

     - проведение систематической дозиметрии.

Техническое оборудование.

Используемые  в практике лучевой терапии с 1945 г. cверхвысоковольтные и изотопные установки к сегодняшнему дню претерпели коренные изменения. С 1951 г., когда впервые появились установки с источником  Co^60, они начали применяться во многих лечебных центрах. Конструкция этих установок непрерывно совершенствовалась, и  в настоящее время существует множество видов изотопных установок.

Виды установок для получения излучений и частиц большой энергии.