Изотопы в медицине и промышленности: от диагностики до дефектоскопии

• ≈6 чпериод полураспада технеция-99m
• ≈110 минпериод полураспада фтора-18 для ПЭТ
• ≈74 сутпериод полураспада иридия-192
• 25 кГртипичная доза радиационной стерилизации

Зачем изотопы вне энергетики

Радиоактивный изотоп может служить меткой, источником излучения и источником тепла. Его излучение регистрируют, даже когда атомов ничтожно мало, — детекторы замечают отдельные распады. Оно проходит сквозь вещество и позволяет заглянуть внутрь металла или человеческого тела, а достаточно сильное — убивает клетки и микробы. Тепло же распада способно годами питать электрический генератор.

Химически радиоактивный изотоп ведёт себя почти так же, как стабильные атомы того же элемента. На этом основан метод меченых атомов: добавив в вещество немного радиоактивного изотопа, можно проследить его путь в организме, трубопроводе или химической реакции. Метод разработал венгерский химик Дьёрдь де Хевеши, получивший за него Нобелевскую премию по химии за 1943 год.

Изотоп подбирают под задачу по периоду полураспада, виду и энергии излучения, химическим свойствам. Слишком короткоживущий распадётся раньше, чем его довезут, а слишком долгоживущий продолжал бы облучать пациента и после обследования.

Откуда берутся изотопы

Нужных медицине и промышленности радиоактивных изотопов в природе почти нет — их получают искусственно.

• В ядерных реакторах. Мишень облучают нейтронами, и её ядра, захватив нейтрон, превращаются в нужный изотоп: так из кобальта-59 получают кобальт-60, из иридия-191 — иридий-192, из теллура — йод-131. Кобальт-60 нарабатывают и в энергетических реакторах, помещая кобальтовые стержни в активную зону. Другие изотопы — продукты деления урана: молибден-99, например, выделяют из специально облучённых урановых мишеней.
• На ускорителях. В медицинском циклотроне протоны разгоняют обычно до 10–20 МэВ и направляют на мишень. Так получают ядра с недостатком нейтронов, которые в реакторе почти не образуются, — прежде всего излучатели позитронов для ПЭТ. Фтор-18, например, рождается при облучении протонами воды, обогащённой кислородом-18. Компактные циклотроны часто стоят прямо при крупных клиниках.

Генератор технеция

Самый востребованный диагностический изотоп, технеций-99m, имеет период полураспада около 6 часов, и возить его издалека бессмысленно. Выручает цепочка распада: молибден-99 с периодом полураспада около 66 часов сам превращается в технеций-99m. Молибден закрепляют на колонке с оксидом алюминия внутри защитного контейнера — генератора технеция. Технеций на колонке не держится, и его вымывают физиологическим раствором; по-английски генератор в шутку зовут «коровой», которую «доят».

После вымывания технеций снова накапливается и примерно через сутки достигает максимума. Генератор служит около недели — за это время активность молибдена падает почти в шесть раз. Запасти молибден-99 впрок нельзя, поэтому его производят и доставляют непрерывно. Так же устроен генератор германий-68 → галлий-68: галлий-68 с периодом полураспада около 68 минут применяют в ПЭТ.

Откуда берутся радиоактивные изотопы и где работают. В реакторах облучают мишени нейтронами и выделяют продукты деления, на циклотронах получают короткоживущие изотопы для ПЭТ. Дальше — диагностика и лечение, контроль сварных швов, стерилизация медицинских изделий.

Диагностика: увидеть работу органа

Изотоп сам по себе не знает, куда идти. Его соединяют с молекулой-носителем, которая накапливается в нужной ткани, — получается радиофармпрепарат. Препарат вводят пациенту, чаще всего в вену, а выходящее из тела гамма-излучение регистрируют детекторы. В отличие от рентгеновского снимка, такое исследование показывает не столько форму органа, сколько его работу: как он накапливает и выводит вещество.

Сцинтиграфия и ОФЭКТ

Технеций-99m испускает гамма-кванты с энергией 140 кэВ: они легко выходят из тела и удобны для регистрации. Их улавливает гамма-камера — кристалл-сцинтиллятор превращает каждый квант во вспышку света, а электроника определяет, где она произошла. Плоское изображение называют сцинтиграфией. Если детекторы вращаются вокруг пациента и строят объёмную картину, это ОФЭКТ — однофотонная эмиссионная компьютерная томография.

С разными носителями технеций-99m показывает скелет, кровоснабжение сердечной мышцы, работу почек, лёгких, щитовидной железы; это самый распространённый изотоп ядерной медицины. Короткий период полураспада здесь — достоинство: через сутки, то есть через четыре периода, от введённой активности остаётся около 6 %, а часть препарата к тому же выводится из организма.

ПЭТ

В позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) используют изотопы, ядра которых испускают позитроны. Позитрон, пролетев в ткани порядка миллиметра, встречается с электроном, и обе частицы аннигилируют — превращаются в два гамма-кванта по 511 кэВ, разлетающихся в противоположные стороны. Кольцо детекторов вокруг пациента отбирает пары квантов, пришедших одновременно, и каждая пара указывает линию, на которой произошёл распад. Из миллионов таких линий компьютер восстанавливает объёмное изображение.

Как ПЭТ находит место распада

1. Ядро испускает позитроннапример, фтор-18 в главном препарате ПЭТ
2. Позитрон встречает электронпролетев в ткани порядка миллиметра
3. Аннигиляциярождаются два гамма-кванта по 511 кэВ — в противоположные стороны
4. Кольцо детекторовотбирает пары квантов, пришедших одновременно: каждая указывает линию распада
5. Объёмное изображениекомпьютер восстанавливает его из миллионов таких линий

Главный препарат ПЭТ — фтордезоксиглюкоза, аналог глюкозы с фтором-18. Её активнее всего поглощают клетки с интенсивным обменом веществ: многие опухоли, работающий мозг, сердечная мышца. Период полураспада фтора-18 — около 110 минут: этого хватает, чтобы синтезировать препарат, проверить его и довезти до клиник в нескольких часах пути. Более короткоживущие изотопы, например углерод-11 с периодом полураспада около 20 минут, используют только там, где циклотрон рядом.

Терапия: излучение против болезни

Для лечения нужно выделить энергию излучения там, где она нужна, и пощадить остальные ткани. Поэтому в терапии ценятся бета- и альфа-излучатели, чьи частицы теряют энергию на коротком пути, и мощные гамма-источники, пучки которых точно направлены на мишень.

Три способа направить излучение на опухоль

Радионуклидная терапия

Самый давний пример — йод-131. Щитовидная железа сама накапливает йод, поэтому введённый в организм йод-131 собирается в основном в ней, а его бета-частицы, пролетающие в ткани порядка миллиметра, облучают прежде всего саму железу. С 1940-х годов йод-131 применяют при повышенной функции щитовидной железы и при некоторых формах её рака.

Современные препараты работают по тому же принципу адресной доставки. Лютеций-177 присоединяют к молекулам, которые связываются с белками на поверхности опухолевых клеток, — так лечат, например, нейроэндокринные опухоли и рак предстательной железы. Нередко одну и ту же молекулу-носитель метят галлием-68 для ПЭТ и лютецием-177 для лечения: сначала видят, где накапливается препарат, затем облучают те же очаги. Такой подход называют тераностикой.

Радий-223 химически похож на кальций и накапливается там, где костную ткань перестраивают метастазы. Его альфа-частицы пролетают в ткани меньше десятой доли миллиметра, поэтому облучение сосредоточено в очагах.

Брахитерапия

В брахитерапии (от греческого «брахис» — «короткий») закрытый источник помещают внутрь опухоли или вплотную к ней. Доза резко спадает с расстоянием, поэтому опухоль получает много, а окружающие ткани — заметно меньше. Чаще всего используют иридий-192: источник длиной в несколько миллиметров на гибком тросике аппарат сам проводит по катетерам к заданным точкам и после сеанса возвращает в защитный контейнер. При раке предстательной железы применяют и постоянные имплантаты — капсулы с йодом-125 меньше рисового зерна, которые остаются в тканях, пока их излучение не затухнет.

Гамма-нож и дистанционная терапия

С начала 1950-х годов источники кобальта-60 используют для дистанционной лучевой терапии: пучок гамма-излучения направляют на опухоль снаружи с разных сторон, чтобы здоровые ткани облучались меньше. Сегодня эту задачу чаще решают медицинские ускорители электронов, но кобальтовые аппараты по-прежнему работают во многих странах.

В гамма-ноже около двухсот источников кобальта-60 расположены так, что их узкие пучки сходятся в одной точке. Каждый пучок по отдельности слаб, а в точке схождения доза велика — так облучают небольшие очаги в головном мозге без вскрытия черепа. Первая такая установка заработала в Швеции в 1968 году.

Ядерная физика лечит и без изотопов: в протонной терапии протоны разгоняют на циклотроне или синхротроне. Основную энергию они отдают в конце пробега, на глубине, которую задают энергией пучка, и ткани за опухолью почти не облучаются.

Промышленность: контроль, стерилизация, датчики

Гамма-дефектоскопия

Гамма-дефектоскопия — тот же рентгеновский снимок, только источником служит радиоактивный изотоп. Излучение проходит через сварной шов или отливку и ослабляется меньше там, где внутри пора, трещина или непровар, — на плёнке такой дефект виден как более тёмный участок.

Гамма-дефектоскоп — защитный контейнер с источником и привод, который на время снимка выдвигает источник по гибкому шлангу к месту просвечивания, а затем возвращает обратно. Электропитание ему не нужно, он компактен, а источник можно завести внутрь трубы и просветить кольцевой шов за один снимок. Поэтому метод незаменим на монтаже трубопроводов и в цехах крупногабаритных изделий.

Как делают снимок гамма-дефектоскопом

1. Источник в контейнередефектоскоп — защитный контейнер с источником и привод
2. Источник выдвигаютпривод подаёт его по гибкому шлангу к месту просвечивания
3. Излучение проходит шовтам, где пора, трещина или непровар, оно ослабляется меньше
4. Дефект на снимкена плёнке он виден как более тёмный участок
5. Источник возвращаютпривод убирает его обратно в контейнер

Самый распространённый источник — иридий-192. Для тонких стенок берут селен-75 с более мягким излучением, для самых толстых — кобальт-60, который просвечивает сталь толщиной до 150–200 мм. В атомном машиностроении радиографический контроль — один из основных методов проверки сварных соединений; о нормах и приёмке оборудования — в статье «Оборудование для АЭС».

Радиационная стерилизация

Шприцы, катетеры, перчатки, системы для переливания крови и многие другие медицинские изделия стерилизуют излучением прямо в герметичной упаковке. Коробки на конвейере проходят мимо мощных источников кобальта-60, которые в нерабочем положении обычно опускают в бассейн с водой, или под пучком ускорителя электронов. Типичная стерилизующая доза — 25 кГр, в тысячи раз больше смертельной для человека: микроорганизмы гораздо устойчивее. Процесс холодный, подходит для пластмасс и не оставляет химических остатков.

Приборы, извещатели, генераторы

Источник с одной стороны ёмкости и детектор с другой — это радиоизотопный уровнемер: когда вещество поднимается выше линии просвечивания, сигнал резко падает. Прибор работает сквозь стальные стенки и не касается среды, поэтому его ставят на ёмкости с горячими, агрессивными или находящимися под давлением веществами. По тому же принципу плотномеры измеряют плотность пульпы в трубопроводах, а толщиномеры — толщину проката, бумаги и плёнки. Источники для них — обычно цезий-137 и кобальт-60, для тонких материалов — бета-излучатели. Америций-241 в паре с бериллием служит источником нейтронов для влагомеров и исследования скважин.

В ионизационном дымовом извещателе стоит крошечный источник америция-241 активностью порядка десятков килобеккерелей. Его альфа-частицы ионизируют воздух в небольшой камере, и через неё течёт слабый ток; частицы дыма связывают ионы, ток падает, и извещатель подаёт сигнал. Сами альфа-частицы за пределы корпуса не выходят.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) превращают тепло распада в электричество с помощью термопар. В СССР генераторы на стронции-90 годами без обслуживания питали маяки и навигационные знаки, в том числе на арктическом побережье. С 2000-х годов их выводят из эксплуатации, заменяя солнечными и ветровыми установками, а источники вывозят на переработку. Генераторы на плутонии-238 питают космические аппараты, улетающие далеко от Солнца.

Наука: метки и часы

Метод меченых атомов по-прежнему служит науке и технике. Радиоактивные метки помогают найти утечку в подземном трубопроводе, проследить движение подземных вод или износ деталей двигателя: если облучить поршневое кольцо, по активности масла судят о скорости износа. В нейтронно-активационном анализе образец облучают нейтронами в реакторе и по излучению образовавшихся изотопов определяют его состав вплоть до следовых количеств элементов.

Радиоактивный распад служит и часами: по углероду-14 датируют органические находки возрастом до 50 тысяч лет, по распаду урана в свинец и калия в аргон — горные породы возрастом в миллиарды лет. Как работает радиоуглеродный метод, рассказано в статье «Изотопы и радиоактивность».

Безопасность: закрытые источники и строгий учёт

Промышленные и многие медицинские источники — закрытые: радиоактивное вещество заключено в герметичную, часто двойную стальную капсулу, испытанную на прочность и герметичность. При нормальной работе вещество наружу не выходит, и опасность представляет только излучение, от которого защищают контейнер, расстояние и время, — подробнее в статье «Радиация и защита от неё».

С открытыми радиоактивными веществами, например радиофармпрепаратами, работают в специальных лабораториях с защитными боксами и вентиляцией. Отходы с короткоживущими изотопами выдерживают, пока активность не спадёт до установленных уровней, а затем утилизируют как обычные.

Работа с радиоактивными источниками в России лицензируется, а сами источники учитываются в государственной системе учёта и контроля радиоактивных веществ. МАГАТЭ делит источники на пять категорий по потенциальной опасности: к первой относятся РИТЭГи, промышленные облучатели и аппараты дистанционной гамма-терапии, ко второй — гамма-дефектоскопы. Отработавший источник не выбрасывают: его возвращают изготовителю или передают специализированной организации для переработки и захоронения — подробнее в статье «Радиоактивные отходы и ОЯТ».

Термины

• РадиофармпрепаратЛекарственный препарат с радиоактивным изотопом, который накапливается в определённом органе или ткани; применяется для диагностики и терапии.
• Генератор технецияЗащитный контейнер с колонкой, на которой распадается молибден-99; образующийся технеций-99m вымывают раствором прямо в клинике.
• ОФЭКТОднофотонная эмиссионная компьютерная томография: объёмное изображение распределения гамма-излучающего препарата в организме.
• ПЭТПозитронно-эмиссионная томография: метод, который регистрирует пары гамма-квантов от аннигиляции позитронов и строит объёмное изображение.
• БрахитерапияЛучевая терапия, при которой закрытый источник излучения помещают внутрь опухоли или вплотную к ней.
• Гамма-дефектоскопияРадиографический контроль сварных швов и отливок с помощью гамма-излучения радионуклидного источника.
• Радиационная стерилизацияУничтожение микроорганизмов в изделиях гамма-излучением или пучком электронов, обычно в готовой упаковке.
• Закрытый источникРадиоактивное вещество в герметичной капсуле, которая исключает его выход наружу при нормальной эксплуатации.

Частые вопросы

Что такое радиофармпрепарат?

Это лекарственный препарат, в котором радиоактивный изотоп соединён с молекулой-носителем, накапливающейся в нужном органе или ткани. По излучению изотопа видно, как распределился препарат, а в терапии то же излучение прицельно облучает ткань.

Почему в диагностике чаще всего используют технеций-99m?

Он испускает гамма-кванты с энергией 140 кэВ, удобной для гамма-камер, а период полураспада около 6 часов позволяет провести исследование и быстро снижает активность. Получают его на месте из генератора, в котором распадается молибден-99.

Чем ПЭТ отличается от сцинтиграфии?

В ПЭТ используют изотопы, испускающие позитроны, например фтор-18: при аннигиляции позитрона рождаются два гамма-кванта, разлетающихся в противоположные стороны, и их одновременная регистрация указывает линию, на которой произошёл распад. В сцинтиграфии и ОФЭКТ регистрируют отдельные гамма-кванты, чаще всего от технеция-99m.

Становятся ли радиоактивными шприцы после радиационной стерилизации?

Нет. Энергии гамма-квантов кобальта-60 и электронов стерилизационных ускорителей не хватает, чтобы вызвать в материале ядерные реакции и заметную наведённую активность.

Как работает гамма-дефектоскоп?

Источник излучения, чаще всего иридий-192, хранится в защитном контейнере и на время снимка выдвигается к контролируемому изделию. Излучение проходит через металл, и на плёнке или цифровом детекторе становятся видны поры, трещины и непровары.