Климанов Физика ядерной медицины Ч.1 2012

Предисловие

Ядерная медицина определяется как направление медицины, связанное с использованием радиоактивных материалов для диагностики и терапии пациентов и в определенной степени для изучения болезней человека. В настоящее время ее методы и инструментарий широко используются в различных областях научной и практической медицины – в онкологии, кардиологии, гепатологии, урологии, пульмонологии, иммунологии и др. На нужды ядерной медицины (ЯМ) расходуется более 50 % годового производства радионуклидов во всем мире. Чтобы лучше уяснить место ядерной медицины в современном мире, приведем некоторые цифры по США.

Более трети пациентам, направляемым в медицинские учреждения США, проводятся процедуры с использованием радиофармпрепаратов. У 28 % таких пациентов полученные результаты радионуклидных исследований вынуждают менять тактику дальнейшего лечения. Продажа радиофармацевтических препаратов (РФП) приносит около $500 млрд. дохода в год во всем мире, 70 % этих продаж совершается в США. По прогнозам Society of Nuclear Medicine (SNM) в течение последующих 10 лет ожидается прирост числа проводимых радионуклидных процедур на 7-16 % ежегодно. Сегодня в США сертифицировано 4000 врачей-специалистов по ядерной медицине, и 14000 технических специалистов, которые планируют и непосредственно проводят инструментальное обследование и лечение больных с помощью методов ядерной медицины.

Несмотря на богатейший потенциал в плане производства различных радионуклидов (р/н) и РФП, развитие ядерной медицины в России сильно отстало в последние десятилетия от мирового уровня. Однако недавние решения Президента и Правительства РФ свидетельствуют, что плачевное положение с ядерной медициной в нашей стране может в недалеком будущем существенно измениться. В разных регионах России планируется строительство нескольких крупных, хорошо оснащенных центров ядерной медицины и лучевой терапии (центр в г. Димитровграде уже строится) и более 100 центров позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Необходимым условием успешного функционирования этих центров явля-

11

ется наличие высококвалифицированных кадров как медицинского, так и физического профиля. Перед Высшей школы России встает ответственная задача быстрого увеличения количества специалистов разного профиля, всесторонне подготовленных для работы в области ядерной медицины в соответствии с современными стандартами образования. Возможность решения этой важнейшей задачи в существенной степени зависит от наличия качественной учебной литературы, отвечающей современному уровню развития ядерной медицины. К сожалению, в настоящее время таких учебников по ядерной медицине в России практически нет.

Внастоящем учебном пособии изложены физические основы, экспериментальные и расчетные методы и аппаратура современной ядерной медицины. Пособие разделено на две части. В часть 1 (автор: В.А. Климанов) включены следующие вопросы: физический фундамент ядерной медицины (ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом, методы, детекторы и статистика регистрации ионизирующих излучений); устройство и основные характеристики гамма-камеры и коллиматоров γ-излучения; система однофотонной эмиссионной томографии (ОФЭКТ); основные принципы и методы реконструкции пространственного плоскостного и объемного распределений активности радионуклидов в организме пациентов из экспериментальных данных; способы получения диагностических и терапевтических радионуклидов. В части 2 (авторы: В.Н. Беляев, В.А. Климанов) рассмотрено: устройство и основные характеристики позитронно-эмиссионных сканеров; принцип и методы реконструкции медицинских изображений в по- зитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), вопросы томографической визуализации для комбинированных систем ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ и ОФЭКТ/ПЭТ; способы получения основных радиофармпрепаратов (РФП) и их кинетика; внутренняя дозиметрия и основные принципы камерных моделей; радионуклидная терапия; проблемы радиационной безопасности в ядерной медицине.

Вметодическом плане пособие построено традиционным способом. В конце каждой главы приводится список контрольных вопросов, часть материала сопровождается конкретными, в том числе

ичисленными примерами. В пособии имеется большое количество рисунков и графических иллюстраций, помогающих усвоению материала. Пособие полностью отвечает современному состоянию

12

науки в области ядерной медицины, наиболее важные главы завершаются обсуждением нерешенных вопросов в рассматриваемых направлениях.

Содержание пособия полностью соответствует программе дисциплины "Ядерная медицина", и предназначено для студентов технических вузов, обучающиеся в специалитете по специальностям "Медицинская физика" и "Радиационная безопасность человека и окружающей среды (специализация "Медицинская радиационная физика") и по уровневой схеме обучения бакалавр-магистр в рамках направления "Медицинская физика". Пособие будет также полезным для аспирантов и научных работников, работающих в области ядерной медицины, и для студентов и выпускников медицинских вузов, решивших специализироваться в области радионуклидной диагностики или радионуклидной терапии.

В заключении автор выражает глубокую благодарность кандидатам физико-математических наук Петрову Д.Э. и Моисееву А.Н. за предоставленную возможность ознакомиться с зарубежными публикациями в области ядерной медицины.

13

Введение

Ядерная медицина является относительно молодым многодисциплинарным направлением современной науки и практической деятельности человека. Развитие ядерной медицины (ЯМ) все время осуществлялось совместными усилиями физиков, особенно ядерных физиков, химиков, математиков, специалистов по информационным технологиям и, конечно, медиков. Ее принципиальная особенность заключается в широком использовании радиоактивных материалов в виде радиофармпрепаратов (РФП) для диагностики и терапии болезней пациентов, а также для исследования самих заболеваний человека. Отличительной чертой методов диагностической ядерной медицины является их функциональность. Не обладая столь высоким пространственным разрешением, как изображения, получаемые с помощью рентгеновской компьютерной или магнитно-резонансной томографии, сцинтиграммы способны отражать физиологические и патофизиологические изменения, происходящие в организме. Это дает возможность выявлять отклонения от нормы на самых ранних стадиях и точно локализовать патологию.

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.

. Дату рождения ЯМ условно по предложению известного ученого C. Edwards [1] можно поместить где-то между изобретением циклотрона в 1930 г. (O. Lawrence) и открытием искусственной ра-

диоактивности в 1934 г. (F. Joliot and I. Curie). Уже в 1937 г. J. Lawrence впервые применил циклотрон для получения 32P, который он успешно использовал для лечения пациента, больного лейкемией. Хотя дату рождения ЯМ можно совместить и с другими более ранними знаменитыми открытиями в физике, химии и медицине, например, созданием атомной теории материи (J. Dalton, 1808 г.) или открытием рентгеновских лучей (W. Rontgen, 1895 г.) и эффекта их воздействия на биологические ткани и др.

14

Следующий мощный толчок развитию ЯМ дал процесс мирного использования атомной энергии, начавшийся в конце 40-х и начале 50-х годов прошлого века в США, СССР, Великобритании и Франции. Важной вехой на этом этапе можно считать директиву президента США Трумена (1946 г.) о производстве на реакторе Окриджской национальной лаборатории 131I с целью его использования квалифицированными медиками в лечебном процессе. Несколько позднее подобные решения были приняты и в СССР. Уже в декабре 1946 г. была опубликована знаменитая работа Seidlin в Журнале Американской Медицинской Ассоциации, в которой автор описывал полное исчезновение метастазов в щитовидной железе в результате лечения радиоактивным йодом [2]. Хотя первоначальное применение 131I произошло в терапии, очень скоро 131I стал использоваться и в диагностических целях. Для автоматизации и убыстрения процедуры радиоизотопной диагностики состояния щитовидной железы были созданы в 1950 г. первые подвижные сцинтилляционные сканеры [3]. В течение нескольких лет после этого события в научных лабораториях и клиниках наблюдалась высокая активность по изучению возможности применения радиоизотопного сканирования для решения других клинических проблем кроме болезней щитовидной железы.

Несмотря на успешное использование подвижных сцинтилляционных сканеров, молодой физик H.O. Anger, работавший в Калифорнийском университете, пришел к убеждению, что наилучшим подходом к визуализации является разработка неподвижного детекторного устройства. В результате своих исследований он создал свою стационарную сцинтилляционную камеру, которую описал в 1957 г. в работе [4]. Эта камера имела неподвижный кристалл NaI(Tl) диаметром 10 см и толщиной 6,2 мм. Используя один пинхольный коллиматор, H.O. Anger успешно визуализировал щитовидную железу. Так родилась знаменитая гамма-камера Ангера, сыгравшая выдающуюся роль в прогрессе ЯМ.

Выдающимся достижением этого периода является также открытие для медицины короткоживущего низкоэнергетического радионуклида 99mTc и разработка на его основе первых представителей этого семейства РФП, которые очень скоро стали самыми назначаемыми РФП в ЯМ. Сам радионуклид был открыт в 1937 г. C. Perrier и E. Segre, но так как он является радиоактивным и в приро-

15

де не существует, то его можно получить только искусственным путем. Отсюда и название этого изотопа, которое дали ему первооткрыватели, означающее в переводе с греческого "искусственный" (не существующий в природе). Доступным для использования в медицине этот радионуклид стал после того, как группа ученых под руководством P. Richards создала в 1960 г. 99Mo/99mTc генераторную систему. После нескольких лет интенсивных клинических

исследований свойств 99mTc, обобщенных в работе [5], генератор 99Mo/99mTc поступил в 1965 г. на рынок.

Первые попытки использовать радиоактивные индикаторы для исследования в области кардиологии относятся к 1927 г., когда H. Blumgart изобрел метод введения радона в кровеносную систему для измерения скорости крови [6]. Однако широкое применение радионуклидной диагностики началось значительно позднее (в 1975 г.), после работ E. Leibowitz с коллегами, которые продемонстрировали визуализацию системы кровоснабжения, используя РФП, меченный радионуклидом 201Tl [7].

Важнешим достижением 80-х годов прошлого века явилось внедрение в клиническую практику однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Возможность ОФЭКТ была продемонстрирована ранее в 1979 г. R. Jasczak, а "позитронная камера совпадений" была предложена создателем гамма-камеры H. Anger еще в 1957 г. Однако только через пять лет системы ОФЭКТ стали коммерчески доступными. Еще через несколько лет на рынок поступили 82Ru/82Kr генераторы, которые существенно облегчили проблему снабжения медицинских учреждений радионуклидами, излучающими позитроны. Это послужило сильным импульсом для начала широкого распространения позитронно-эмиссионной томографии в медицине. В последние десятилетия происходит энергичная разработка и выпуск на рынок комбинированных систем ПЭТ/КТ, ОФЭКТ/КТ и ОФЭКТ/ПЭТ, которые очень существенно подняли качество медицинских диагностических изображений за счет объединения изображений от разных модальностей. Таким образом, формирование ЯМ как высокотехнологичного направления современной медицины происходило с участием специалистов из разных областей знаний, которые активно внедряли важнейшие открытия

16

идостижения из своих областей в научную и практическую медицину.

Параллельно с развитием методов и инструментальной базы ЯМ происходило и организационное оформление специалистов в области ЯМ. Наиболее активные участники нарождающейся атомной медицины организовали в начале 1954 г. Общество Ядерной Медицины США. В 1972 г. специальность "ядерная медицина" получила в США официальный статус. Радиоизотопные методы диагностики

итерапии несколько позднее начали развиваться и в СССР, однако организационное оформление в виде общества произошло только в 1996 г. Первым президентом Общества ядерной медицины России стал д. м. н., профессор, заведующий отделом радиофармацевтических препаратов ФМБЦ им. А.И. Бурназяна В.Н. Корсунский.

Список литературы

1.Edwards C.L. Tumor localizing radionuclides in retrospect and prospect // Semin. Nucl. Med. V.3. 1979. P.186 – 189.

2.Brucer M. A chronology of nuclear medicine / Heritage. St. Louis. 1990.

3.Cassen B., Curtis L. The in vivo delineation of thyroid glands with automatically scanning recorder // UCLA report 130. 1951.

4.Anger H.O. A new instrument for mapping gamma-ray emitters // Biol. Med. Q. Rep. U. Cal. Res. Lab. 3653. 1957. P. 38 –42

5.Harper P.V. The use of 99mTc as pertechnetate for thyroid, liver and brain scanning // In: Med. Radioisotope. scanning. IAEA. Vienna. 1964.

6.Blumgart H.I., Weiss S. Studies on the velocity of blood flow. VII. The pulmonary circulation time in normal resting individuals // J. Clin. Invest. V. 4. 1927. P.399 – 425.

7.Thallium-201 for medical use / E. Leibowitz, M.W. Greene, R. Fairchild et al // J. Nucl. Med. V. 16. 1975. P. 151 – 155.

17

Глава 1. Ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом

1.Основные понятия

1.1.Физические величины и единицы их

измерения

Используемая в настоящее время метрическая система единиц,

известная в России как СИ (англ. SI – International System of units)

базируется на семи основных физических величинах:

Все остальные величины и единицы их измерения определяются из семи основных. В то же время на практике нередко используется ряд внесистемных единиц, причем применение некоторых из них разрешается действующими ГОСТами. Соотношение между этими единицами приводится в табл. 1.1.

1.2.Классификация излучений

Излучения в зависимости от их способности ионизировать вещество разделяются на две основных категории: неионизирующее и ионизирующее излучение (рис.1.1). Ионизационный потенциал атомов, т.е. минимальная энергия, требуемая для ионизации атома, находится в интервале от нескольких электронвольт для щелочных веществ до 24,5 эВ для гелия (благородный газ). Ионизирующее излучение, в свою очередь, подразделяется на непосредственно и косвенно ионизирующее.

Рис. 1.1. Классификация излучения

К непосредственно ионизирующему излучению относится излучение, состоящее из заряженных частиц (электроны, позитроны, протоны, α-частицы, тяжелые ионы). Это излучение передает свою энергию в среду, главным образом, через кулоновское взаимодействие между заряженными частицами и орбитальными электронами среды. Косвенно ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, например из фотонов или нейтронов, передает свою энергию в среду в два этапа:

на первом этапе оно в результате взаимодействия со средой создает заряженные частицы;

на втором этапе уже эти заряженные частицы передают свою энергию, производя ионизацию среды.

Фотоны или γ-излучение принято разделять в зависимости от способа их образования на следующие виды:

характеристическое излучение (или х-лучи), образующееся в результате перехода орбитальных электронов на другую орбиту атома;

тормозное излучение (или х-лучи), являющиеся результатом кулоновского взаимодействия электронов с ядрами атомов;

19

фотоны (или γ-кванты), образующиеся при ядерных превращениях;

аннигиляционное излучение (или аннигиляционные γ-кванты), образующиеся при аннигиляции позитрона с электроном.

Принято различать также первичное и вторичное ионизирующее излучение. Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное. Вторичное ионизирующее излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой. Вторичное ионизирующее излучение может также инициировать вторичное излучение по отношению к нему и третичное по отношению к первичному и т.д.

Распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде называется полем ионизирующего излучения. В зависимости от величины, характеризующей ионизирующее излучение, различают характеристики поля по плотности потока ионизирующих частиц, мощности поглощенной дозы, мощности кермы и др. (см. далее).

2.Строение атома и ядра

2.1.Основные определения атомной структуры

Основными элементарными частицами, из которых состоят атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны называют нуклонами и они образуют ядро атомов. Для характеристики атомов используются следующие понятия:

атомный номер, Z, равный числу протонов в ядре и числу электронов на орбитах атома;

атомный массовый номер (или массовое число), А, указывающий на суммарное количество нуклонов в ядре;

атомная масса, M, выражается в единицах атомной массы u, где 1 u равняется 1/12 от массы атома углерод-12 или 931,5 МэВ/с2. Атомная масса М немного меньше, чем сумма масс всех нуклонов ядра из-за внутренней энергии, связывающей все нуклоны внутри ядра;

атомный грамм-атом (г-атом) равен числу грамм, соответствующих NA элемента, где NA = 6,022×1023 атомов в г-атоме (число

20