63873 (Устройства для гамма-интроскопии)

Устройства для гамма-интроскопии

1. Физические основы и средства радионуклидной интроскопии

1.1 Радионуклиды и радиоактивные фармакологические препараты

Задачей радионуклидной диагностики является исследование человеческого организма с помощью радиоактивных изотопов, или радионуклидов (РН). Они входят в состав специальных веществ – радиоактивных фармакологических препаратов (РФП), которые вводятся в организм через кровеносные сосуды (вены), дыхательные пути или пищеварительный тракт. РФП вместе с кровью, воздухом или пищей разносятся по организму и накапливаются в определенных местах. С помощью приборов определяют их место накопления и интенсивность излучения.

РН в медицинской радиологии используются для диагностики и терапии, причем, в первом случае применяют РН, дающие только -излучение, а во втором также и - или -излучение, которые имеют большую энергию и меньшую проникающую способность, чем -излучение.

Наиболее важными для диагностики параметрами РН являются энергия -кванта, активность РН и период полураспада. Энергия -кванта РН для диагностики обычно лежит в пределах 100 – 360 кэВ. Активность РН измеряется в беккерелях (1Бк равен одному распаду в секунду) и у диагностических РН имеет величину от единиц до нескольких десятков МБк. Разумеется, активность зависит от общего количества РФП. Для диагностики используют РФП в небольших количествах, содержащие короткоживущие изотопы с периодом полураспада несколько суток, часов и даже минут. Это позволяет проводить исследования с малыми дозами облучения. Кроме того, применяют такие РФП, которые быстро выводятся из организма естественным путем.

Результирующая скорость убывания активности зависит от скорости выведения РФП из организма и характеризуется эффективным периодом полувыведения

,

где Т – период полураспада радионуклида, Т_б – период полувыведения РФП биологическим путем.

Важным свойством РФП является тропность – способность проникать именно в те органы, которые собираются исследовать. К РФП предъявляют также требования по чистоте – химической, радиохимической и радионуклидной. Химическая чистота РФП определяется наличием в нем посторонних нерадиоактивных веществ. Особое внимание при этом уделяют примесям тяжелых металлов. Радиохимическая чистота определяется долей РН, находящегося в РФП в необходимой химической форме. Радиохимическая чистота – это доля общей активности препарата, обусловленная необходимым РН.

Наиболее широко в радионуклидной диагностике используются технеций ^99mTc, индий ^113mIn и йод ¹³¹I. Два первых радионуклида дают только -излучение. Главной областью их применения является визуализация -изображений. Индекс "m" означает "метастабильный". От обычных изотопов метастабильные отличаются более высокой внутриядерной энергией, которую они теряют вместе с

-квантом. Изотоп ¹³¹I кроме -излучения дает еще и -излучение и поэтому используется также и в лучевой терапии.

Источниками получения искусственных радионуклидов служат реакторы, циклотроны и специальные портативные генераторы. Последние являются основными источниками, поставляющими ^99mTc и ^113mIn. Короткоживущие нуклиды получают из первичных относительно долгоживущих изотопов, которые называют материнскими, а получаемые изотопы называют дочерними. В табл.1 приведены параметры ^99mTc и ^113mIn и их материнских РН.

Таблица 1 Параметры короткоживущих РН

Как видно из табл.1, дочерние изотопы весьма короткоживущие, и готовить их нужно непосредственно перед исследованием.

Раствор NH₄MoO₄ играет роль элюента 1. Он поступает в разделительную колонку 2, через которую пропускается хлорид натрия. В результате образуется элюат 3, который проходит через фильтр 4 и поступает в герметичный сосуд емкостью около 10 мл. В колонке происходит распад материнского РН. Изотоп ⁹⁹Мо захватывает электрон и перемещается из шестой группы таблицы Менделеева в седьмую, становясь технецием ^99mТс. При этом он входит в соединение Na(^99mТсО₄) – пертехнетат. Колонка находится в защитном корпусе из свинца 5, вся установка также закрыта защитным кожухом.

Материнские РН поставляют из реакторов в жидкой или газообразной форме, например, молибден ⁹⁹Мо – в виде раствора NH₄MoO₄. Схема генератора для получения ^99mТс из ⁹⁹Мо показана на рис 1. Он основан на хроматографическом методе разделения веществ.

Технеций ^99mТс применяется в 90% всех диагностических процедур в ядерной медицине. Это объясняется его короткоживучестью, малой энергией -кванта и относительной простотой получения. С помощью ^99mТс проводят распознавание опухолей мозга, исследование центральной и периферической гемодинамики, исследование щитовидной железы, костной системы. В 1990 г. было произведено 300000 генераторов технеция. Стоимость таких генераторов достаточно высока (около 300 долл.). Однако основной проблемой здесь является поставка исходного сырья – молибдена.

Кроме технеция ^99mТс и индия ^113mIn в ядерной медицине широко применяют и много других изотопов:

йод ¹³¹I, ¹³²I – для исследования йодного обмена, функции печени и почек;

хром ⁵¹Cr – в гематологии;

²⁴Na, ⁴²Ka, ⁸⁶Rb, ⁸²Br – изучение водно-солевого обмена;

¹⁹⁸Au, ¹¹¹In – легкие, печень, головной мозг;

газообразные нуклиды ¹³³Xe, ⁷⁵Kr – легкие, центральная и периферическая гемодинамика;

⁷⁵Se, ³²P – исследования в онкологии.

Широко применяются также короткоживущие и ультракороткоживущие изотопы с позитронным распадом. Речь о них пойдет ниже.

1.2 Параметры и технология сцинтилляторов

Качество работы гамма-камеры зависит прежде всего от детекторной системы и ее "сердца" - сцинтиллятора. Поэтому он заслуживает отдельного рассмотрения. Как уже отмечалось выше, в качестве сцинтилляторов детекторных систем применяют NaI(Tl). Однако в некоторых случаях применяют и другие соединения, например, CsI(Na), CsI(Tl) – для счета -частиц, LiF(W) и LiI(Eu) –для счета нейтронов. Параметры некоторых сцинтилляторов в сравнении с NaI(Tl) приведены в табл.3.

Таблица 3 Параметры сцинтилляторов.

Как видно из таблицы, самый большой световой выход имеет кристалл NaI(Tl). Однако он очень гигроскопичен и требует надежной герметизации. Кристаллы CsI и LiF(W) имеют малый световой выход, но в обоих случаях сцинтилляции вызываются -частицами, энергия которых велика ( во втором случае при поглощении нейтрона литий распадается с выделением -частицы). Все кристаллы существенно тяжелее стекла, а коэффициент преломления у них почти такой же.

Большинство кристаллов излучают синий свет, и только CsI дает УФ излучение. Сцинтилляция характеризуется временем основного свечения и послесвечения, которое составляет несколько процентов от основного. Этот параметр определяет максимально возможную скорость счета. Например, для кристалла NaI(Tl) она составляет около 410⁶ имп/с, что намного больше встречающейся на практике максимальной скорости счета.

Технология изготовления сцинтилляционных кристаллов весьма сложна, и поэтому стоят они дорого. Производство сцинтилляторов и детекторов для РН диагностики, и в частности, для гамма-камер – чрезвычайно наукоемкая отрасль. Выпуском таких детекторов уже давно занимается научно-производственное объединение НИИ монокристаллов (г. Харьков). Его продукция успешно конкурирует на мировом рынке и экспортируется во многие страны, в том числе, США, Японию и др.

Рассмотрим кратко технологию производства самых распространенных кристаллов NaI(Tl). Кристалл NaI(Tl) выращивают в специальной вакуумной печи (камере). Ее конструкция показана на рис.2.

Рисунок 2. Камера для выращивания кристаллов NaI(Tl).

Кристалл 1 вытягивают из расплава смеси 99% NaI и 1% Tl. Исходное сырье плавится в платиновом тигле 2. Применение такого дорогого материала объясняется чрезвычайной агрессивностью расплава NaI, которой не выдерживает никакой другой материал. Температура плавления 924 К, или 650^о С, указанная в табл.1, относится, вообще говоря, к NaI. Температура плавления таллия меньше. В процессе плавки он испаряется и его приходится постоянно добавлять.

Нагрев печи обеспечивается двумя нагревателями – боковыми 3 и нижним 4, вмонтированными в футеровку печи. Сырье поступает через питатель 5 в периферийную часть тигля, которая отделена от центральной части ситом 6, отсеивающим посторонние включения.

Для формирования кристалла используют затравку 7 – твердый кристалл NaI(Tl), прикрепляемый к держателю 8. Затравку приводят в соприкосновение с расплавом сырья в момент термодинамического равновесия (когда жидкая фаза не кристаллизуется, а твердая – не плавится). Кристаллодержатель и тигель вращаются в одну или в разные стороны для усреднения температурных полей. При этом кристалл медленно вытягивается из расплава.

После нахождения точки термодинамического равновесия управление передают системе автоматического регулирования. Она следит за тем, чтобы соблюдался баланс масс: масса сырья, поступившего в тигель должна быть равна приращению массы вытягиваемого кристалла, иначе говоря, уровень расплава в тигле должен оставаться постоянным. За этим следит датчик контроля уровня 9. Он представляет собой металлический электрод, нагретый до температуры расплава (чтобы при соприкосновении с расплавом не создавать температурной неоднородности). Этот электрод находится в непосредственной близости от поверхности расплава. Когда уровень расплава достигает электрода, прекращается подача сырья и наоборот – при снижении уровня подача сырья возобновляется.