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: + ® g + g. 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 g-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 g -діапазону, або g -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 g -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 g -квантів, оскільки маса спокою g -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 (m ₀ = 9.1×10^–31 кг, або в енергетичних одиницях
Е ₀ = m ₀ c ²» 0.51 МеВ) та масами спокою протона і нейтрона (m _{0 прот} » m _{0 нейтр} » 1.66×10^–27 кг, Е _{0 прот} = 938.2 МеВ, Е _{0 нейтр} =
= 939.5 МеВ). Так, для p -мезонів маса спокою (в енерге­тич­них одиницях) дорівнює Е ₀ = m ₀ c ²» 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 Т _1/2 (типово Т _1/2» 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 b -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 (g -кванти) з енергією 511 кеВ кожний. Згідно з законом збереження імпульсу, обидва g -кванти розлітаються під кутом 180^о 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 Т _1/2 » 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 g -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.

10.7. Практичне заняття “Рентгенівське випромінювання, його застосування”

Мета заняття: Вивчити природу, механізм і засоби отримання рентгенівських променів, взаємодію рентгенівсь­кого випромінювання з речовиною, використання рентге­нівсь­кого випромінювання в медицині.

Контрольні питання для підготовки до заняття

1. Поняття і властивості рентгенівського випромінювання.

2. Отримання рентгенівського випромінювання. Рентгенівська трубка.

3. Гальмівне випромінювання. Спектр гальмівного випромінюван­ня, його короткохвильова границя.

4. Потік рентгенівського випромінювання.

5. Характеристичне рентгенівське випромінювання. Серії характе­ристич­ного спектру.

6. Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною.

7. Закон послаблення потоку рентгенівського випромінювання.

8. Використання рентгенівського випромінювання в медицині.