Одинадцять сюжетів про ядерну фізику в медицині

У масовій свідомості ядерна фізика асоціюється з чимось небезпечним і вже у всякому разі шкідливим для здоров’я. На жаль, така точка зору не позбавлена підстав. Однак, будучи застосовуваною з розумом і відповідальністю, ядерна фізика (крім іншої користі) здатна надати відчутну допомогу медицині, в тому числі в боротьбі з такою важкою недугою, як рак.

Особливо підкреслимо, що в медицині знаходить застосування практично весь арсенал концепцій, результатів і методів ядерної фізики: радіоактивність, ядерні реакції, взаємозернення елементарних частинок, прискорювачі, детектори. Завдяки високій кваліфікації вітчизняних ядерників наша країна цілком може стати одним зі світових лідерів у відповідних областях.

1. Якщо препарат, що містить гамма-випромінюючий радіонуклід, має тенденцію накопичуватися в тому чи іншому органі, то реєстрація гамма-квантів дозволяє візуалізувати цей орган і його фізіологічну активність, не порушуючи цілісності організму. Найпростішим прикладом може служити використання йоду-131 (період напіврозпаду — близько 8 діб). Введений пацієнту радіоактивний йод має тенденцію накопичуватися в щитовидній залозі (що містить близько 20% всього йоду організму людини). Ще в передвоєнні роки таким методом вимірювалася її фізіологічна активність [1].
2. З появою сцинтиляційних детекторів випромінювання (більш чутливих порівняно з лічильниками Гейгера) були створені спеціальні сканери, що дозволяють отримувати зображення щитовидної залози, на яких видно ділянки підвищеної і зниженої фізіологічної активності. Їх наявність дозволяє запідозрити патологічні зміни. В останні десятиліття на зміну сканерам прийшли позиційно-чутливі гамма-камери.
3. В даний час в ядерній діагностиці широко використовуються фармпрепарати, що містять технецій-99m — довгоживучий (період напіврозпаду — близько 6 годин) ізомерний стан технеція-99. Одна з переваг цього нукліда полягає в тому, що він є майже чистим гамма-випромінювачем (період напіврозпаду основного стану технеція-99 становить близько 2· 1⁰⁵ років, тому сумарна активність в організмі пацієнта буде набагато меншою від активності введеного технеція-99m). У свою чергу технецій-99m утворюється в результаті розпаду молібдену-99 (період напіврозпаду — 66,7 години). На американському жаргоні генератори технеція-99m називають «молібденовими коровами», а отримання кінцевого продукту — дійкою [2].
4. Гамма-камера дозволяє отримати лише проекцію розподілу радіонукліда в організмі на задану площину. Але виявляється, що реєстрація фотонів, що вилітають у всіх напрямках, дозволяє після відповідної обробки даних відновити тривимірний розподіл радіонукліда в тілі пацієнта. Ця методика має назву однофотонної емісійної комп’ютерної томографії (ОФЕКТ, англ. SPECT).
5. Деякі радіоактивні ядра при розпаді випускають позитрони. Такий позитрон швидко гальмується в речовині і анігілює з одним з електронів середовища, утворюючи два гамма-кванти, що розлітаються в протилежних напрямках (рис. 1). Тому одночасне спрацювання двох з оточуючих пацієнта детекторів означатиме, що радіоактивне ядро, яке розпалося, перебувало на лінії, що з’єднує ці два детектори. Ця заснована на методі збігів (розробленому у фізиці космічних променів) діагностична методика носить назву позитронно-емісійної томографії (ПЕТ, англ. PET). Радіонукліди, що випускають позитрони, мають, як правило, короткий час життя (наприклад, період напіврозпаду фтора-18 становить 109,7 хвилини). Тому такі нукліди напрацьовуються на циклотроні, встановленому безпосередньо в клініці, там же вони витягуються з опроміненої мішені і вводяться до складу хімічної сполуки, що активно бере участь в обміні речовин в організмі (наприклад, фтордеоксиглюкози).

Ріс. 1. Схема позитронно-емісійної томографії. Зображення: «Троїцький варіант»

6. Ядерні випромінювання широко використовуються не тільки для діагностики, але і для терапії ряду захворювань, і насамперед злоякісних пухлин. В основі променевої терапії лежить підвищена чутливість ракових клітин до іонізуючого випромінювання. Історично першою стала застосовуватися терапія жорсткими фотонами — рентгенівськими і гамма-квантами. Однак висока проникаюча здатність гамма-випромінювання призводить до того, що значного опромінення піддаються також і здорові тканини. Приблизно до такого ж результату буде приводити і опромінення пучком електронів.
7. Обнадійливі результати показує терапія швидкими нейтронами. Нейтрони не є безпосередньо іонізуючими частинками, проте вони можуть розсіюватися на ядрах, передаючи їм енергію та імпульс віддачі, а також викликати ядерні реакції. Ядра віддачі та продукти реакцій створюють у речовині високу щільність іонізації поблизу своїх траєкторій, що призводить до руйнування тих різновидів пухлинних клітин, які мають підвищену стійкість до слабоіонізуючих фотонного та електронного випромінювання.

Ріс. 2. Встановлення для терапії пухлин голови та шиї швидкими нейтронами на циклотроні НДІЯФ ТПУ. Зображення: «Троїцький варіант»

8. Можна створити фармпрепарат, здатний вибірково накопичуватися в пухлині і містить стабільний ізотоп бору-10, що володіє великим перерізом резонансного захоплення теплових нейтронів. В результаті реакції утворюються ядра літію-7 і гелію-4, пробіг яких становить близько 10 мікрон. Таким чином, вражатися буде саме та клітина, яка містила атом бору. Така бір-нейтрон-захоплююча терапія (БНЗТ) у поєднанні з хірургічним лікуванням показала обнадійливі результати. Однією з проблем, що стоять на шляху широкого впровадження методу, є необхідність створення компактного і недорогого джерела надтеплових нейтронів. Такі нейтрони, гальмуючись в організмі, досягали б теплових швидкостей на глибині залягання пухлини, що дозволило б уникнути хірургічного втручання [3-5].

Ріс. 3. Доза, передана речовині різними видами випромінювання. Зображення з сайту www.ihep.ru

9. Величезним потенціалом володіє терапія пучком важких заряджених частинок — протонів або легких ядер. Перевага цього методу полягає не тільки у високій щільності іонізації середовища поблизу траєкторій частинок. Відомо, що максимум іонізаційного гальмування заряджена частинка відчуває на останніх міліметрах свого пробігу, перед зупинкою (відповідний максимум на кривий іонізаційних втрат носить назву брегівського піку, рис. 3, 4). Це дозволяє, підбираючи відповідним чином енергію пучка, локалізувати виділення енергії частинками безпосередньо в пухлини [6-10]. Додаткового зменшення дозового навантаження на навколишні здорові тканини можна домогтися, опромінюючи пухлину кількома пучками з різних напрямків. Це особливо важливо в тих випадках, коли пухлина безпосередньо примикає до життєво важливих органів.

Ріс. 4. Висота і положення брегівського піку для ядер вуглецю-12 різних енергій. Зображення з сайту www.ihep.ru

10. Використання замість пучка протонів пучка ядер вуглецю-12 має кілька додаткових переваг [10]. Більш висока щільність іонізації в треку дозволяє краще справлятися з резистентними пухлинами. Велика висота брегівського піку по відношенню до іонізації у вхідному каналі дозволяє зменшити загальну дозу опромінення. Велика маса частинок зменшує поперечне розмиття пучка за рахунок багаторазового розсіювання. Частина ядер пучка перетворюється на нестабільні ядра вуглецю-11, що розпадаються з випусканням позитронів, що дозволяє оперативно контролювати якість проведеної терапії за допомогою позитронно-емісійної томографії.
11. Найбільш екзотичною ідеєю є використання для терапії пухлин пучка негативно заряджених пі-мезонів. Негативний піон, що зупинився в речовині, захоплюється атомним ядром і викликає його розпад на кілька фрагментів з малим пробігом і великою питомою іонізацією (на жаргоні експериментаторів, «дає зірку»), що дозволяє ефективно «випалювати» пухлини [7]. Однак через відсутність відповідних пучків пі-мезонів цей метод поки не знайшов клінічного застосування.

1. Франк Г.М. Застосування штучно-радіоактивних речовин у біології та медицині//УФН 25 (1941), 179-189.2.

Hendee W.R., Ritenour E.R. Medical Imaging Physics. — Wilew-Liss, New York, 2002. — Р. 37.3.

Проект Борнейтронзахватная терапия рака.4.

Сергій Таскаєв (ІЯФ) про бір-нейтронозахватну терапію .5.

Сергій Таскаєв (ІЯФ) про бір-нейтронозахватну терапію (частина 2) .6

. Лоуренс Дж. та ін. Важкі частинки та Брегговський пік для променевої терапії//УФН 92 (1967) 527-533.7.

Гольдін Л. Л. та ін. Застосування важких заряджених частинок високої енергії в медицині//УФН 110 (1973), 77-99.8. Фл

еров Г.М., Барашенков В.С. Практичні застосування пучків важких іонів//УФН 114 (1974), 351-373.9. Крав

чук Л.В. Розвиток ядерно-фізичної медицини в Інституті ядерних досліджень РАН//УФН 180 (2010), 665-670.10. Центр

протон-іонної променевої терапії.