Zastosowanie promieniowania jądrowego i izotopów promieniotwórczych w medycynie

Transkrypt

1 Wykład 6 Zastosowanie promieniowania jądrowego i izotopów promieniotwórczych w medycynie A Zastosowania diagnostyczne - zewnętrzne źródła promieniowania - preparaty promieniotwórcze umieszczone w organizmie człowieka Pierwsze zastosowanie diagnostyczne związane było z wykorzystaniem do prześwietleń ciała człowieka promieni Roentgena X. Co prawda promienie X nie pochodzą z procesów jądrowych ale z punktu widzenia diagnostyki i ochrony radiologicznej wliczamy tą dziedzinę badań do diagnostyki z użyciem promieniowania jonizującego. 1

2 Promieniowanie rentgenowskie ev hc min Energia W wyniku bombardowania elektronami przyspieszanymi w polu elektrycznym wzbudzają się charakterystyczne linie atomowe oraz powstaje ciągłe widmo promieniowania hamowania. 2

3 Promieniowanie rentgenowskie przechodząc przez tkanki organizmu ulega pochłanianiu w stopniu zależnym od gęstości i rodzaju ośrodka. Po przejściu przez ośrodek np. tkanki materiału biologicznego promieniowanie pierwotnie było rejestrowane na błonach rentgenowskich. Obecnie przy zastosowaniu ruchomych źródeł promieniowanie X jest rejestrowane przez system detektorów, też ruchomych i przy wykorzystaniu różnych metod tomografia CT - zamieniane w obraz radiograficzny badanego narządu lub obszaru. Często dla poprawy jakości obrazu podaje się do jam ciała lub dożylnie kontrast substancję, która ma inny współczynnik pochłaniania promieniowania niż tkanka. tomos graphein - zapisywanie warstw Pierwszy tomograf r. Hounsfield i Cormack 1979 r. nagroda Nobla za wynalezienie i zbudowanie tomografu komputerowego 3

4 Źródło promieniowania i detektory (nieliczne) w pierwotnej wersji poruszały się wokół pacjenta, który był przesuwany wzdłuż osi obrotu. Obecnie stosowane są pierścienie nieruchomych detektorów (do kilku tysięcy). W wyniku analizy komputerowej uzyskuje się dwu i trój wymiarowe obrazy badanego obiektu. Typowe dawki efektywne podczas takich badań wynoszą 1-10 msv, porównaj z normalnym prześwietleniem rentgenowskim msv i dawką pochodzącą od naturalnego tła otoczenia wynoszącą około 0.01 msv/dzień Różnice we współczynnikach pochłaniania promieniowania pozwalają obrazować stan tkanki, w tym istnienie zwyrodnień brak tkanki lub istnienie guzów jak również wyniki stosowanych uprzednio terapii, np. przeprowadzonych operacji chirurgicznych, zrastanie się kości itp.. 4

5 Tomografia SPECT (tomografia emisyjna pojedynczego fotonu) w tej metodzie badań pacjentowi dozuje się preparaty zawierające nuklidy gamma promieniotwórcze w związkach chemicznych umieszczających się w badanym narządzie. Promieniowanie radioaktywnych izotopów zastępuje tu promieniowanie rentgenowskie. Metoda rejestracji kwantów gamma - pierścienie liczników i analiza komputerowa, są podobne jak w poprzedniej metodzie badań. Radiofarmaceutyki znakowane 99 Tc stosuje się do diagnostyki mózgu, nerek, izotopy jodu do diagnozowania tarczycy, 18 F i 47 Ca do diagnozowania układu kostnego, izotopy potasu 42 K, 43 K do diagnozowania serca i naczyń krwionośnych. Aktywność preparatów używanych podczas pojedynczego badania wynosi od 400 do 1000 MBq 5

6 Tomografia pozytonowa PET System liczników do rejestracji promieniowania jest podobny do przedstawianych poprzednio. Pacjentowi podaje się preparaty znakowane izotopami β + promieniotwórczymi. Emitowany w tym procesie pozyton anihiluje w ośrodku po czym następuje emisja dwóch kwantów gamma rejestrowanych przez dwa liczniki. Warunek jednoczesnej rejestracji dwóch kwantów gamma pozwala na znaczące obniżenie tła w tych pomiarach. e - + e + γ 1 + γ 2 m m MeV e e E E MeV 1 2 Do badań aktywności mózgu (w tym identyfikacji nowotworów) używa się 18 F wbudowanego w cząsteczkę glukozy. Typowe aktywności preparatu to MBq. Całkowita dawka otrzymana podczas badań wynosi około 10 msv. 6

7 Badania diagnostyczne wykorzystujące techniki fizyki jądrowej wymagają istnienia zespołu specjalistów z różnych dziedzin: fizyki, biologii, chemii, medycyny i technik komputerowych. Należy: - wyprodukować preparaty promieniotwórcze. Czas połowicznego zaniku powinien być na tyle długi aby nastąpiło osadzenie się radioizotopów w odpowiednim miejscu organizmu, a na tyle krótki aby większość nuklidów rozpadła się wkrótce po badaniach. Typowe czasy połowicznych zaników mieszczą się w przedziałach kilku minut kilkunastu godzin. Wymaga to posiadania na miejscu odpowiednich akceleratorów do produkcji izotopów nietrwałych w reakcjach jądrowych. - produkty reakcji należy oczyścić chemicznie i osadzić w związkach które będą kumulować się w badanym organie. Należy dobrać odpowiednią aktywność próbki i monitorować ich czystość metodami chemicznymi i jądrowymi. - należy dobrać aktywność preparatu i czas skanowania do osiągnięcia najlepszego efektu diagnostycznego przy jak najmniejszym narażeniu pacjenta. - sposoby gromadzenia się radioizotopów i ich przepływ dają pożądaną informację diagnostyczną. - oczekiwania diagnostyczne wymagają często obserwacji zmian w czasie rzeczywistym, co oznacza stosowanie dużych aktywności lub posiadania układów o dużej wydajności rejestracji kwantów gamma i bardzo wydajnych technik komputerowych. 7

8 8

9 9

10 B zastosowania terapeutyczne - podobnie jak w diagnostyce w zastosowaniach leczniczych ( do zniszczenia niepożądanej tkanki) stosuje się promieniowanie pochodzące z : - naświetlania promieniowaniem z zewnętrznych źródeł - osadzanie źródeł promieniotwórczych w odpowiednim organie człowieka Zewnętrznymi źródłami promieniowania mogą być: - akceleratory przyspieszające cząstki wykorzystywane do naświetlań bezpośrednio lub przez wywoływane efekty wtórne np.. promieniowanie hamowania, - zewnętrzne źródła promieniotwórcze emitujące promieniowanie beta lub gamma Źródła osadzane w organizmie człowieka na ogół inne niż do diagnostyki emitujące promieniowanie beta lub alfa o niskiej energii i krótkim zasięgu niszczące lokalnie chorą tkankę. Chociaż czasem stosuje się źródła promieniotwórcze pozwalające na jednoczesną terapię i lokalizację radionuklidu. 10

11 Naświetlanie promieniowaniem emitowanym z zewnątrz przez nietrwałe nuklidy Do naświetlań powierzchniowych stosuje się izotopy emitujące promieniowanie beta lub kwanty gamma o stosunkowo niskiej energii. Szczególnie do zniszczenia pozostałości tkanki obcej po zabiegach chirurgicznych. Często stosowany jest do tych celów izotop 137 Cs mino że emituje również kwanty gamma. Do naświetlań organów wewnętrznych powszechnie stosuje się 60 Co (bomba kobaltowa) emitujący kwanty gamma o energii 1172 i 1332 kev. 60 Co Powinniśmy mieć możliwość obracania źródłem lub pacjentem aby w kolejnych naświetlaniach koncentrować się na obszarze poddanym terapii a obszary zewnętrzne powinny być jak najmniej narażone na naświetlanie. obszar naświetlany 11

12 12

13 13

14 Naświetlanie jonami przyspieszanymi w akceleratorach Ostatnio coraz więcej znaczenia nabiera terapia prowadzona przy pomocy ciężkich jonów przyspieszanych w akceleratorach do wysokich energii. Rysunek obok pokazuje dawki (straty energii) deponowane w wodzie (symulującej organizm człowieka) dla kwantów gamma o różnej energii i dla jonów jąder węgla przyspieszonych do dwóch energii (krzywe Bragga). względna dawka Widać tu jednoznacznie, że jeżeli mamy obiekt naświetlań na głębokości 12 cm kwanty gamma niszczą znacznie więcej po drodze natomiast ciężkie jony o odpowiednio dobranej energii deponują większość energii właśnie na tej głębokości. głębokość warstwy wody 14

15 15

16 Jednoczesna terapia i diagnozowanie efektów Podczas hamowania w tkance część jonów 12 C ulega przemianie wskutek reakcji jądrowych Powstają wtedy m.in. izotopy + promieniotwórcze 10 C (T 1/2 =19 s) i 11 C (T 1/2 = 20 min), których zasięg i działanie są prawie takie same jak jonów 12 C Tomografia PET pozwala na bieżąco kontrolować proces naświetlania 16

17 Naświetlanie pacjentów w GSI-Darmstadt 17

18 Wynik obrazowania PET w trakcie naświetlania Planowany rozkład dawki 18

19 Radioterapia cząstkami naładowanymi (p, ciężkie jony) daje szanse wyleczenia w przypadku nowotworów trudno operowalnych, położonych blisko delikatnych organów Testy kliniczne wykazują przewagę radioterapii jonami nad metodami konwencjonalnymi w przypadku wielu nowotworów W GSI od 1997 r. naświetlono ok. 170 osób jonami 12 C wyniki są bardzo obiecujące : w 94 % brak nawrotu choroby przez 3 lata; do pełnej oceny potrzebna większa statystyka i dłuższy czas obserwacji W Niemczech, Japonii i w Chinach planuje się budowę nowych klinik wykorzystujących radioterapię ciężkojonową 19

20 Chemiczne i biologiczne efekty napromieniowania Efekty działania promieniowania na poziomie molekularnym - bezpośrednie uszkodzenie DNA - wytworzenie wolnych rodników radioliza wody, które uszkadzają DNA Względne występowanie tych efektów zależy od rodzaju promieniowania powodowanej gęstości jonizacji. Komórki mają wbudowane mechanizmy naprawcze ale naprawa nie jest procesem przebiegającym bezbłędnie. Wtedy prowadzi to do śmierci komórki lub transformacji nowotworowej. Efekty działania promieniowania na poziomie komórki - śmierć mitotyczna związana z zaburzeniami morfologii chromosomów następuje podczas podziału komórki - śmierć interfazalna następuje w dowolnej fazie cyklu poprzez - śmierć apoptotyczną samozatrucie komórki - śmierć nekrotyczna utrata równowagi wodno-elektrolitowe 20

21 Efekty działania promieniowania na poziomie organizmu - efekty deterministyczne zmiany w tkankach lub narządach wynikające ze śmiertelnego uszkodzenia pewnej liczby komórek związane z dużą dawka i ich nasilenie wzrasta wraz z dawką. Efekty choroba popromienna, rumień, zaćma, wypadanie włosów. Skutki nie są dziedziczne, objawy mijają, efekt występuje powyżej pewnej dawki progowej. - efekty stochastyczne natura i stopień nasilenia efektu stochastycznego wynika wyłącznie z rodzaju uszkodzenia materiału genetycznego komórki i jej funkcji w organizmie. Ich prawdopodobieństwo wystąpienia a nie stopień nasilenia jest wprost proporcjonalny do dawki. Dlatego efekty stochastyczne charakteryzuje bezprogowa zależność od dawki. 21

22 22

23 23

24 Zastosowanie technik fizyki jądrowej i izotopów promieniotwórczych w nauce i przemyśle Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w biologii, geologii, archeologii i historii sztuki - znaczniki izotopowe do badań metabolizmu i mechanizmów reakcji chemicznych - datowanie obiektów przy pomocy izotopów promieniotwórczych istniejących w przyrodzie - radiografia (badanie wewnętrznej struktury) - analiza składu atomowego - analiza aktywacyjna Zastosowanie w technice i przemyśle - określanie i monitorowanie grubości warstw - defektoskopia rentgenowska i gamma - badanie stopnia zużycia elementów - określanie szybkości przepływu cieczy, badanie wycieków - sterylizacja i utrwalenie żywności, zabezpieczenie przed kiełkowaniem, niszczenie insektów, sztuczne wywoływanie mutacji - sterylizacja sprzętu medycznego - czujniki dymu, czujki poziomu 24

25 Datowanie węglem 14 C Jest to metoda określania wieku przedmiotów na podstawie stosunku zawartości radioaktywnego izotopu węgla 14 C do izotopów stabilnych 12 C, 13 C. Radioaktywny izotop jest wytwarzany przez promieniowanie kosmiczne w górnych warstwach atmosfery w reakcji n 7N 6C 1H następnie po równomiernym wymieszaniu w atmosferze wchodzi pod postacią dwutlenku węgla do metabolizmu żywych organizmów. W żyjącym organizmie utrzymuję się ta sama proporcja izotopów jak w powietrzu ( około 1 : ). Ta dynamiczna równowaga przestaje istnieć po śmierci organizmu dwutlenek węgla z atmosfery przestaje być przyswajany, a istniejący w organizmie rozpada się 14 6 C 14 7 N e Czas połowicznego zaniku tego izotopu wynosi 5730 lat. Z ilości 14 C w próbce znając czas połowicznego zaniku możemy określić kiedy nastąpiło przerwanie dostarczania dwutlenku węgla do organizmu. W tej metodzie możemy sięgnąć wstecz w datowaniu do około 10 czasów połowicznego zaniku. Wcześniejsze próbki mają zbyt mało radioaktywnego węgla. 25 e

26 Najbardziej spektakularne (a często kontrowersyjne) osiągnięcia tej metody datowania to: - wiek całunu Turyńskiego - wiek człowieka lodowego (Otzi) znalezionego w Alpach - wiek malowideł naskalnych w jaskiniach w Altamirze Datowanie wieku skał i minerałów Skały i minerały które zachowały swoją strukturę od momentu powstania możemy datować sprawdzając proporcje zawartości różnych izotopów ołowiu. Jeżeli te minerały zawierają długożyciowe izotopy uranu i toru, ich łańcuchy promieniotwórcze kończą się na stabilnych izotopach ołowiu. Znając pierwotne proporcje izotopów ołowiu i czasy połowicznego zaniku izotopów uranu i toru możemy ocenić wiek obiektów w skali milionów lat. 26

27 Analiza składu atomowego i analiza aktywacyjna proton Protony o energii kilku MeV padające na próbkę powodują wzbudzenie stanów atomowych a następnie zachodzi ich deekscytacja z emisją charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego Jest to bardzo czuła i nie niszcząca metoda analizy składu atomowego materiału próbki. charakterystyczne promieniowanie X Znajduje zastosowanie w biologii, geologii, archeologii, fizyce środowiska (zanieczyszczenia), historii sztuki (badanie pigmentów farb fałszerstwa dzieł sztuki) 27

28 28

29 29

30 30

31 Analiza aktywacyjna n X X Y A A 1 A 1 Z Z z 1 1 e Naświetlanie obiektów neutronami termicznymi z reaktora jądrowego powoduje wytworzenie niestabilnych nuklidów ulegających rozpadowi beta do stanów wzbudzonych jądra końcowego. Emitowane promieniowanie gamma identyfikuje dany rozpadający się nuklid. Na rysunku przedstawiono analizę aktywacyjną pigmentów farb z badanego obrazu. 31