- •351 Рентгенівські промені розділ 10. Іонізуюче випромінювання та його дія на медико-біологічні об’єкти
- •Рентгенівські промені
- •10.1.1. Історія відкриття рентгенівських променів, праці і. Пулюя
- •10.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання
- •10.1.3. Гальмівне рентгенівське випромінювання
- •10.1.4. Характеристичне рентгенівське випромінювання, його природа. Закон Мозлі.
- •Радіоактивне випромінювання
- •10.2.1. Радіоактивність, її властивості
- •10.2.2. Основний закон радіоактивного розпаду, період напіврозпаду, активність
- •10.2.3. Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді
- •Основи дозиметрії іонізуючого випромінювання
- •10.3.1. Експозиційна доза, її потужність, одиниці
- •10.3.2. Поглинена доза, її потужність, одиниці
- •10.3.3. Еквівалентна доза, її потужність, одиниці
- •10.3.4. Дозиметри іонізуючого випромінювання
- •Взаємодія іонізуючого Випромінювання з речовиною
- •10.4.1. Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною
- •10.4.2. Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину
- •10.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень
- •10.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання
- •Застосування рентгенівського випромівання в медицині
- •10.5.1. Методи рентгенодіагностики
- •10.5.2. Рентгенотерапія
- •10.5.3. Рентгенівський структурний аналіз в медико-біологічних дослідженнях
- •10.5.4. Променеві навантаження на медичний персонал при рентгенодіагностичних дослідженнях
- •10.5.5. Деякі факти реакції крові на опромінення
- •10.5.6. Опромінення малими дозами великих груп людей
- •10.5.7. Латентний період – час виявлення в організмі порушень, викликаних радіацією
- •10.5.8. Проблеми ризику, пов’язаного із радіаційною дією
- •Комп’ютерна томографія
- •10.6.1. Рентгенівська томографія
- •10.6.3. Позитронна емісійна томографія
- •Практичне заняття “Рентгенівське випромінювання, його застосування”
- •Контрольні питання для підготовки до заняття
- •Приклади задач та їх розв’язки
- •Контрольні запитання та завдання для самостійної роботи
- •Практичне заняття “Радіоактивне випромінювання та його дія на біооб’єкти”
- •Контрольні питання для підготовки до заняття
- •Приклади задач та їх розв’язки
- •Контрольні запитання та завдання для самостійної роботи
- •Лабораторна робота “Визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання”
- •Питання для підготовки до лабораторної роботи
- •Додаткова література
- •Додаткові теоретичні відомості
- •Лабораторна установка для визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання
- •Порядок виконання роботи
- •Завдання для самостійної роботи та самоконтролю
- •2. Склад приладу
- •3. Характеристики дозиметра дргз-04.
- •4. Управління роботою дозиметра дргз-04
- •Порядок виконання роботи
- •Завдання для самостійної роботи та самоконтролю
10.6.3. Позитронна емісійна томографія
Мета позитронної емісійної томографії (ПЕТ) базується на явищі анігіляції електрона і позитрона, тобто частинки та античастинки. Реакція, що характеризує це явище, вже згадувалася раніше і має вигляд: + + . Схематично цю реакцію можна зобразити так:
|
Мал. 10.23. Реакція анігіляції електрона і позитрона: 2 прямі зустрічні лінії позначають зіткнення пари електрон і позитрон а 2 хвилясті лінії – два -кванти, що розлітаються під кутом 180о. |
Реакція анігіляції пари електрон-позитрон була відкрита в 1933 р., вже через рік після експериментального відкриття позитрона в космічних променях. Сам термін “анігіляція” в перекладі з латинської мови означає “зникнення, перетворення в ніщо”. Звичайно, цей термін в буквальному його розумінні є невірним, оскільки при взаємодії частинки та античастинки, зокрема електрона і позитрона виконуються всі фундаментальні закони природи – закони збереження енергії, імпульсу, електричного заряду, спіна тощо. При цьому матерія не зникає і лише перетворюється в інші її види, а саме – в фотони електромагнітного випромінювання -діапазону, або -кванти. Слід зазначити, що через закон збереження так званої зарядової парності при зникненні (анігіляції) електрона і позитрона, які мають нульовий сумарний спін, може виникнути лише парне число -квантів (частіше за все їх буде 2).
При відносно низьких енергіях пари частинка-античастинка процес анігіляції супроводжується народженням більш легких частинок. Прикладом такої реакції анігіляції є саме реакція з утворенням 2 -квантів, оскільки маса спокою -кванта дорівнює нулю. У протилежному випадку, тобто при значних енергіях, легкі частинка-античастинка можуть анігілювати з утворенням пари більш важких частинки і античастинки. Прикладом подібної реакції є наступна реакція утворення з електрона і позитрона двох мезонів:
. (10.44)
Мезони (цей термін означає “проміжний, середній”) мають маси спокою, які знаходяться між масою спокою електрона (m0 = 9.110–31 кг, або в енергетичних одиницях Е0 = m0c2 0.51 МеВ) та масами спокою протона і нейтрона (m0 прот m0 нейтр 1.6610–27 кг, Е0 прот = 938.2 МеВ, Е0 нейтр = = 939.5 МеВ). Так, для -мезонів маса спокою (в енергетичних одиницях) дорівнює Е0 = m0c2 140 МеВ, тобто приблизно в 275 разів більша за масу спокою електрона і в 6.7 рази менша за масу спокою протона. Складні процеси перетворення частинок, подібні до реакції (10.44), вивчає сучасна теорія сильних ядерних взаємодій – квантова хромодинаміка.
Суть методу ПЕТ можна сформулювати наступним чином: перш за все, на спеціальних пристроях виробляються радіоактивні ізотопи, які мають досить короткий період напіврозпаду Т1/2 (типово Т1/2 декілька годин). Частіше за все це є ізотопи так званих “автентичних елементів” (кисню, азоту, вуглецю) – тих елементів, що містяться в тілі людини. Так, наприклад, у відділенні медичної фізики Університету Вісконсін-Медісон (США) для реалізації методу ПЕТ використовують ізотопи та інші, які виробляються на циклотроні1). Як згадувалося раніше, для радіоактивних ізотопів подібних легких ядер, де кількість протонів і нейтронів в ядрі приблизно однакова, є притаманним позитронний -розпад, внаслідок якого з атомного ядра випромінюється позитрон.
Наступний етап методу ПЕТ полягає в тому, що короткоживучі ізотопи, нароблені на циклотроні або іншій спеціальній апаратурі, дуже швидко переправляються у шпиталі (як правило, до відділень радіаційної онкології). Тут ці препарати вводяться в пухлину, де позитрони анігілюють з електронами. Внаслідок реакції анігіляції народжуються 2 фотони (-кванти) з енергією 511 кеВ кожний. Згідно з законом збереження імпульсу, обидва -кванти розлітаються під кутом 180о по відношенню один до одного (мал. 10.23). Саме ця обставина використовується для їх виявлення (детектування) за допомогою електротехнічної схеми збіжності та подальшої візуалізації об’єкту дослідження, де відбулися акти анігіляції пар електрон-позитрон, за допомогою спеціальних комп’ютерних програм.
Метод ПЕТ дозволяє отримувати дуже корисну і точну інформацію щодо процесів, які відбуваються в головному мозку людини та в інших органах при діагностиці нейропсихічних порушень, при вивченні досить тонких особливостей діяльності центральної нервової системи тощо. Сучасні модифікації методу ПЕТ використовують нові радіоактивні ізотопи (наприклад, позитронно-активний ізотоп фтору з періодом напіврозпаду Т1/2 107 хвилин). За його допомогою в Університеті Вісконсін-Медісон було отримане, зокрема, ПЕТ-зображення розподілу флуродіоксіглюкози [ ] ФДГ у головному мозку людини. Цей розподіл дає змогу зробити висновки відносно процесів засвоєння глюкози і є чудовим індикатором необхідних енергетичних потреб головного мозку людини. На мал. 10.24 наведені два зображення головного мозку, що накладені одне на друге. Вони отримані у відділенні медичної фізики Університету Вісконсін-Медісон за допомогою кореляції методів ПЕТ і ЯМР-томографії. При цьому ПЕТ дає кращу інформацію щодо процесів метаболізму, тоді як ЯМР-томографія дозволяє детально вивчати анатомічні особливості досліджуваного біооб’єкту.
|
|
Мал. 10.24. Зображення головного мозку людини, отримане за допомогою методів ПЕТ і ЯМР-томографії. |
Мал. 10.25. Вітчизняний комп’ютерний томограф ГКС-301Т. |
На закінчення цього параграфу підкреслимо, що в Україні завдяки спільним зусиллям вчених та інженерів Національного медичного університету імені О.О. Богомольця, Інституту монокристалів НАН України (м. Харків) та Спеціального конструкторського бюро СКТБ-Оризон (м. Суми) розроблені та вже втілені в медичну практику оригінальні вітчизняні емісійні комп’ютерні томографи типу ГКС-301Т (мал. 10.25).
Цей емісійний комп’ютерний томограф складається з таких основних частин: 1 – позитронно-чутливий детектор -квантів, 2 – ліжко пацієнта, переміщення апаратури відносно якого керується спеціальною комп’ютерною програмою, 3 – система для отримання, обробки та візуалізації радіологічної інформації. Об’єктивні характеристики комп’ютерного томографу ГКС-301Т демонструють той факт, що цей вітчизняний томограф не поступається, а по деяким параметрам переважає подібні закордонні зразки томографів, що виготовлені відомими фірмами Siemens, Picket, Trionix та іншими.