С. Е. УЛИН, В. В. ДМИТРЕНКО, З. М. УТЕШЕВ, В. М. ГРАЧЕВ, К. Ф. ВЛАСИК, А. С. НОВИКОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
КСЕНОНОВЫХ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРОВ В МЕДИЦИНЕ
В данной работе рассмотрена возможность применения ксеноновых гамма-спектрометров (КГС) в медицине. В частности, для измерения поглощенной дозы в биологических тканях при проведении нейтрон-захватной терапии, для определения активности и изотопного состава радиофармпрепаратов, которые вводятся в организм пациента при проведении диагностики и терапии различных заболеваний, а также для томографических исследованиях.
Для успешного развития современной радиомедицины необходимо применение более совершенной детектирующей аппаратуры, которая во многом определяет результат медицинских обследований. Детектирующая аппаратура должна обеспечивать высокую эффективность регистрации различных излучений, иметь хорошее энергетическое разрешение, светосилу и т. д. Для ряда задач радиомедицины целесообразно использовать новые модели ксеноновых гамма-спектрометров (КГС), которые отличаются от ранее созданных улучшенными физико-техническими характеристиками: энергетическим разрешением и диапазоном регистрируемых гамма-квантов.
Нейтрон-захватная терапия (НЗТ) является одним их перспективных методов лечения онкологических заболеваний. В основе НЗТ лежит отличие сечений захвата ядерных реакций при взаимодействии тепловых нейтронов с различными ядрами. К числу ядер, обладающих существенно бóльшим сечением захвата, чем у составляющих основу биологических тканей 12С, 14N, 16O, 1H, относятся стабильные изотопы 10B, 7Li, 157Gd. В настоящее время для НЗТ наиболее широко применяются фармпрепараты на основе изотопа 10В. Данные препараты различными методами вводятся в организм пациента и постепенно накапливаются в онкологических образованиях, которые затем облучаются интенсивными потоками тепловых нейтронов [1].
Взаимодействие изотопа 10В с тепловыми нейтронами осуществляется в соответствии с реакцией 10В(n,α)7Li. Особенность данной реакции заключается в том, что она имеет высокое сечение захвата нейтронов (~103 барн). Кроме того, образованные возбужденные ядра 7Li практически мгновенно с вероятностью 94 % излучают гамма-кванты с энергией 480 кэВ, которые можно использовать в качестве индикатора данной реакции. Образованная в данной реакции альфа-частица имеет короткий пробег (5–9 мкм), сопоставимый с размером клеточного ядра, и огромную энергию (1,47 МэВ), что обеспечивает большую вероятность повреждения клеток непосредственно в зоне локализации ядра бора.
В данной работе предлагается метод определения дозовой нагрузки на пациента путем измерения потока гамма-квантов с энергией 480 кэВ, сопровождающих реакцию 10В(n,α)7Li. Зная общее количество этих гамма-квантов и кинетическую энергию продуктов данной реакции можно найти величину поглощенной энергии в области локализации радиофармпрепарата, а следовательно, и поглощенную дозу. Расчеты можно проводить по формуле:
,
где Nγ – число зарегистрированных гамма-квантов; Eα – энергия альфа-частицы (1,47 МэВ); ELi – энергия ядра 7Li (0,84 МэВ); En – энергия нейтронов, поглощенная в биологической ткани; Eγ – энергия гамма-квантов, поглощенных в биологической ткани; k – вероятность образования гамма-кванта с энергией 480 кэВ; k = 0,94.
В приведенной формуле величинами En и Eγ можно пренебречь, так как их вклад в общую дозовую нагрузку на несколько порядков меньше, чем вклад продуктов реакции 10В(n,α)7Li.
Для регистрации гамма-излучения, сопровождающего процесс НЗТ, предлагается использовать ксеноновый гамма-детектор (КГД), общая схема и фотография которого показаны на рис. 1 [2].
Рис. 1. Общая схема и вид КГД:
1 – зарядочувствительный усилитель; 2 – кран для наполнения детектора газом; 3 – блок высоковольтного питания; 4 – керамический гермоввод; 5 – цилиндрическая ионизационная камера; 6 – анод;
7 – термоизоляция; 8 – экранирующая сетка; 9 – металлический корпус
Основные технические характеристики КГД
Энергетический диапазон регистрируемых γ-квантов………… Чувствительный объем…………………………………………… Масса ……………………………………………………………… Габариты: диаметр…………………………………………………… длина……………………………………………………… Энергетическое разрешение при энергии гамма-квантов 662 кэВ Напряжение питания……………………………………………… Потребляемая мощность не более ……………………………… Гарантийный срок годности аппаратуры не менее …………… | 0,05–5 МэВ 2000 см3 5 кг 120 мм 320 мм ≈ (1,7±0,3) % + (24–27) В 15 Вт 10 лет |
Измерение поглощенной дозы в исследуемом объекте при НЗТ планируется проводить на медицинском пучке исследовательского реактора (ИРТ МИФИ). Общая схема измерений показана на рис. 2. Биологический объект размещается в специально оборудованном помещении и облучается пучком тепловых нейтронов, идущим из активной зоны реактора через коллиматор и слой полиэтилена, которые формируют поток тепловых нейтронов. КГД, окруженный гамма-нейтронной защитой, устанавливается напротив облучаемого биологического объекта вне пучка тепловых нейтронов. Гамма-кванты, возникающие в исследуемом биологическом объекте, под действием тепловых нейтронов попадают в КГД через отверстие в блоке защиты, расположенное напротив чувствительного объема КГД. Детектор подключается к персональному компьютеру (РС). С помощью специально разработанного программного обеспечения осуществляется накопление, обработка и анализ гамма-спектрометрической информации в процессе проведения НЗТ.
 |
Рис. 2. Схема проведения эксперимента на ИРТ МИФИ
На дисплее PC выводится текущая информация об измеряемом гамма-спектре, а также величина поглощенной дозы.
Следует отметить, что данный измерительный комплекс позволяет обеспечить контроль дозовой нагрузки на пациента в режиме реального времени независимо от концентрации введенного в онкологическое образование фармпрепарата, а также определять интегральную дозу, полученную в течение терапевтического сеанса НЗТ. Таким образом, использование КГД при проведении НЗТ позволит осуществить количественный контроль данной процедуры с необходимой точностью и, тем самым, будет способствовать успешному лечению различных онкологических заболеваний.
КГД можно также использовать для определения активности радиофармпрепаратов и их изотопного состава перед вводом их в организм пациента. Данная информация является необходимой для планирования соответствующих медицинских процедур. На рис. 3 приведена общая схема измерения активности радиофармпрепарата и его изотопного состава при помощи КГД колодезного типа, изображенного на рис. 4.
|
|
|
|
Рис. 3. Схема измерения активности радиофармпрепарата Рис. 4. КГД колодезного типа
Гамма-спектрометрические измерения проводятся следующим образом: радиофармпрепарат помещается в центральную часть КГД, с помощью которого осуществляется регистрация гамма-излучения от исследуемого объекта. Накопление, обработка измеренных спектров гамма-излучения, идентификация радионуклида и его активности осуществляются с помощью персонального компьютера.
Для подобных измерений предпочтительнее использовать гамма-спектрометры, имеющие высокое энергетическое разрешение, обеспечивающее надежную идентификацию радиофармпрепаратов, а также высокую чувствительность, позволяющую проводить измерения за достаточно небольшой промежуток времени (10–15 с). На сегодняшний день для измерения активности фармпрепарата обычно используются сцинтилляционные детекторы (NaI(Tl)), у которых есть ряд достоинств и недостатков. К достоинствам относятся низкая стоимость и высокая эффективность регистрации. Основным недостатком является низкое энергетическое разрешение ((8–10) % при энергии гамма-квантов ~1 МэВ), а также старение кристалла со временем, что приводит к изменению его спектрометрических характеристик.
Для определения активности радиофармпрепаратов применяется также полупроводниковый детектор на основе сверхчистого Германия (Ge), который обеспечивает сегодня наилучшее энергетическое разрешение (0,3 % – 1 МэВ). Однако германиевые полупроводниковые гамма-детекторы имеют высокую стоимость, и для их функционирования необходимо использование различных систем охлаждения.
Что касается КГД, то они свободны от указанных недостатков, но в то же время обладают достаточно хорошим энергетическим разрешением (1,5 % – 1 МэВ) и не требуют использования систем охлаждения. При этом КГД способен работать на протяжении более десяти лет без изменения своих спектрометрических характеристик.
В радиационной лаборатории кафедры «Экспериментальной ядерной физики и космофизики» НИЯУ МИФИ был разработан КГД колодезного типа (см. рис. 4), который можно использовать в различных медицинских учреждениях для измерения активности радиофармпрепаратов. Исследуемый образец помещается в отверстие, расположенное в центральной части детектора, которое со всех сторон окружено чувствительным объемом гамма-детектора. В настоящее время данный детектор находится на стадии изготовления. Помимо медицинских приложений, КГД колодезного типа можно использовать для радиационного контроля различных строительных материалов (песок, щебень, цемент и т. д.), продуктов питания (молоко, мясо, овощи и пр.) и других образцов.
Кроме НЗТ и измерений активности радиофармпрепаратов, КГС можно также применять для решения задач гамма-томографии. Существует ряд медицинских процедур, при которых в организм пациента вводится радиофармпрепарат, а затем изучается его дальнейшее распространение. Для данных целей может использоваться так называемый сканер. Принцип работы сканера основан на последовательном «просмотре» исследуемого объекта и регистрации гама-излучения в узком телесным угле, определяемом коллиматором (рис. 5) [3]. Для получения более точного изображения распределения фармпрепаратов в организме пациента необходимы гамма-детекторы, обладающие высоким пространственным разрешением и достаточно хорошей чувствительностью. В настоящее время в качестве детектирующих устройств используются сцинтилляционные кристаллы (NaI(Tl)), которые, как отмечалось выше, обладают определенными недостатками.
Для гамма-томографии представляет интерес использование позиционно-чувствительных КГД, с помощью которых в процессе измерений формируется пространственная картина распределения радиофармпрепаратов в организме пациента. Общая схема ксенонового позиционно-чувствительного детектора изображена на рис. 6.
|
|
|
|
|
Рис. 5. КГД в гамма-томографии Рис. 6. Позиционно-чувствительный детектор
Позиционно-чувствительный детектор представляет собой многопроволочную ионизационную камеру (расстояние между проволоками ~ 1 мм), наполненную ксеноном. Образовавшиеся в результате взаимодействия гамма-кванта с ксеноном электроны создают сигнал на одной из ближайших проволок, что позволяет определить координату по оси Х. Вторая координата (Y) определяется путем сравнения времени прихода сигнала на противоположные концы данной проволоки. В результате определяются координаты взаимодействия гамма-кванта внутри ионизационной камеры. Для получения изображения перед камерой обычно помещается коллиматор или кодирующая решетка. Пространственное (томографическое) изображение исследуемого объекта создается при регистрации гамма-излучения позиционно-чувствительным КГД с разных сторон. Пространственная точность томографических исследований с помощью КГД может составить около 1 мм.
В заключение следует отметить, что на кафедре «Экспериментальной ядерной физики и космофизики» НИЯУ МИФИ ведутся работы по созданию новых типов КГС, которые в перспективе найдут широкое применение как в радиомедицине, так и в атомной промышленности. Дальнейшее развитие этих детекторов связано, прежде всего, с улучшением их энергетического разрешения и расширением энергетического диапазона регистрируемых гамма-квантов, особенно в сторону низких энергий. Для этих целей корпус КГД планируется изготавливать из бериллия, а обработку электрических сигналов с КГД осуществлять с помощью цифровых методов в режиме реального времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , , М. и др. // Научная сессия МИФИ-2009. Сборник научных трудов. Т. 2: Ядерная физика и энергетика. М.: НИЯУ МИФИ, 2009. С. 64.
2. Гамма-спектрометры на сжатом ксеноне (разработка, исследование характеристик и применение) / Диссертация на соискание степени доктора физико-математических наук. М.: МИФИ, 1999.
3. , , и др. Физические методы медицинской интроскопии. М.: МИФИ, 2009.
