Aplikace jaderné fyziky

Aplikace jaderné fyziky

Ing. Carlos Granja, Ph.D. Ustav technické a experimentální fyziky ČVUT v Praze

XI 2004

1


• lékařské aplikace (zobrazování, radioterapie) • výroba radioisotopů (nukleární medicína) • výroba energie (štěpení, fúze) • analýza materiálů (neutronová aktivační analýza, PIXE, radioaktivní datovaní, průzkum geologicky) • senzory a detektory požáru • radiační ochrana & dozimetrie

XI 2004

Carlos Granja, ÚTEF ČVUT Praha

2

Lékařské aplikace

zobrazování* •

•

diagnostická radiologie - filmová radiografie (screen-film) - mamografie - fluoroskopie - digitalní radiografie - počítačová tomografie (CT) nuclearní medicína - scintilační kamera - positronová emisní tomografie (PET) - jedno fotonová emisní tomografie (SPECT)

radioterapie •

urychlovače - fotonové svazky - elektronové svazky - svazky těžkých nabitých částic (p,d,He,C)

•

reaktory - neutronová terapie

•

radioaktivní zdroje - brachyterapie - teleterapie (60Co jednotky) - nuklearní medicína

* Techniky nepoužívající ionizující záření zahrnují: ultrazvuk, nukleární magnetické zobrazování (NMI)

XI 2004


3

Lékařské aplikace

zobrazování*

XI 2004


radioterapie

4

Filmová radiografie

XI 2004


5

Filmová radiografie

Diagnostické roentgenové záření je obvykle ~ 30 keV, které poskytuje optimální kontrast mezi měkkou tkání a kostí.

FLUOROSKOPIE Kontinuální akvizice sekvence roentgenových snímků v průběhu času (tzv. real – time rentgenografie; jakési roentgenové video). MAMOGRAFIE Je radiografie prsu. Používá roentgenové záření s nižší energií. Používá se pro monitorování a pro diagnostiku.

XI 2004


6

Digitalní radiografie

Pixelové detektory: vysoké prostorové rozlišení, velký kontrast, jedno – fotonová detekce.

XI 2004


7

Digitalní (dentalní) radiografie

XI 2004


8

Digitalní (dentalní) radiografie

XI 2004


9

Počítačová tomografie (CT) CAT = Computed Axial Tomography

Tomo = řezy (slices); Graph (obraz)

• první zobrazovací technika používající počítač.

Axial = rovina kolmá k centrální ose těla

• začátek v 70-tých letech

Fotografický film je nahrazen mnoha detektory záření

• hlavní výhoda je získávání obrazu jednotlivých rovin bez superpozice a narušení dalších vrstev.

V X-ray zobrazovaní je superpozice mnoha vrstev bez informace o jednotlivých vrstvách. Velký počet obrázků sbíraných pod různými úhly

XI 2004

• typické snímky mají tloušťku 5 mm (např. pro 30 cm hloubku je třeba 60 snímků) a trvají 10 sekund.


10

Počítačová tomografie

XI 2004


11

Počítačová tomografie

V protonové počítačové tomografie: energetické ztráty (absorpce rentgenového záření)

XI 2004


12

Nukleární medicína Nukleární medicína je samostatný lékařský obor, který se zabývá aplikacemi radiofarmak pro diagnostické a terapeutické účely. Oproti tradičním radiologickým a radioterapeutickým technikám, kde záření je aplikováno externím zdrojem, v nukleární medicíně je radioaktivní látka dávkována pacientům interně za účelem: • zobrazování (diagnostika, monitorování funkčnosti) • léčby (radioterapie, krevní cévy, atd. )

Nukleární medicína patří mezi druhu funkcionálního zobrazování, kde místo anatomických snímků se získává informace o fyziologické kondici pacienta. Např. talium (Tl) se koncentruje v zdravé srdeční tkáni, nikoliv v nemocné. U štítné žlázy se koncentruje jód (I). RADIOTERAPIE

DIAGNOSTIKA Nejčastěji používaná metoda

Používána méně často

Jisté složení, které má určité fyziologické vlastnosti, je využito jako „nosič“ za pomoci tzv. „radio-označování“ (radiolabelling).

Radioaktivní látka je použita jako léčebný element (ničení rakovinové tkáně, hyperaktivní orgány – žlázy)

Radioaktivní látka je použita jako stopový prvek ke sledování určitého fyziologického procesu (např. nemoci).

Určitá dávka radioaktivního preparátu je pacientovi stříknuta do těla

Distribuce radioaktivní látky v pacientovi je sledována buď průběžně v čase (dynamické zobrazování) nebo jen celkově (statické zobrazování).

Obvykle se užívá beta záření, které má krátký dosah (několik mm). Např. k léčbě rakoviny štítné žlázy se používá radioaktivní jód 131I

Nukleární medicína získává tzv. emisní snímky (oproti radiografii – zobrazování přes transmisi).

XI 2004


13

Nukleární medicína

NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA Diagnostika

Terapie

Vyšetřovací metody in vivo

Vyšetřovací metody in vitro

Aplikace radiofarmak se zářiči gama do organismu

Radiofarmakum se neaplikuje do organismu

Radiofarmaka se zářiči β (α ) se aplikují do organismu

Zobrazovací metody (SPECT, PET) Časové histogramy

Stanovení koncetrace sledovaných látek v séru

Léčba nádorových i jiných onemocnění

Radiofarmaka jsou léčivé přípravky obsahující chemickou sloučeninu, jejíž účinnou složkou je radionuklid. Používá se ke sledování příjmu, rozložení, metabolismu a vylučování RA detekcí a ke zničení cílové tkáně.

XI 2004


14

Nukleární medicína Poločasy rozpady zářičů jsou krátké, aby se snížila radiační zátěž pacientům.

Tím však tyto látky nemohou byt skladovány, ale musí byt vyráběné v závislosti na potřebě a to buď jaderným reaktorem, urychlovačem či generátorem. V generátoru mateřský zářič průběžně produkuje dceřiný zářič, který je pravidelně extrahován chemickými metodami a pak je inkorporován do požadované nosiče.

XI 2004


Technicium (99Tc) • dostupné & cenově výhodné • netoxické • možnost vázat ho do řadu sloučenin • optimální detekční energie (140 keV) • Gama zářič • optimální poločas rozpadu (6 hodin)

15

Nukleární medicína Radionuklidový generátor

Mo → 99mTc 81 Rb → 81mKr 113 Sn → 113mIn 195m Hg → 195mAu 90 Sr → 90Y

99m Mo

t ~ 2.5 d. & t ~ 6 h.

XI 2004


16

Jednofotonová tomografie (SPECT)

planární

XI 2004

tomografická


17

CT & SPECT

SPECT Emisní tomografie

CT Transmisní tomografie

XI 2004


18


XI 2004


19


Kolimátor gama – kamery

XI 2004


20


Detektor: scintilátor + fotonásobič

XI 2004


21

Pozitronová emisní tomografie (PET) Sloučeniny jako např. Glukóza jsou označené pomocí beta – plus (pozitronových) zářičů: Uhlík 11 [20 min]

Fluor 18 [110 min]

Dusík 13 [10 min]

Kyslík 15 [2 min]

• vyrobeny cyklotronem: 15O, 13N, 11C, 18F • vyrobeny generátorem: 82Rb, 62Cu, 68Ga

XI 2004


22

Pozitronová emisní tomografie (PET)

XI 2004


23

Pozitronová emisní tomografie (PET) Stacionární systém

Rotující systém

XI 2004


24

PET & SPECT

Kombinovaný PET a SPECT systém

XI 2004


25

Lekářské aplikace

radioterapie

lékařské zobrazování* •

•

diagnostická radiologie - filmová radiografie (screen-film) - mamografie - fluoroskopie - digitalní radiografie - počítačová tomografie (CT)

•

urychlovače - fotonové svazky - elektronové svazky - svazky těžkých nabitých částic (p,d,He,C)

•

reaktory - neutronová terapie

nuclearní medicína • - scintilační kamera - pozitronová emisní tomografie (PET) - jedno fotonová emisní tomografie (SPECT)

radioaktivní zdroje - brachyterapie - teleterapie (60Co jednotky) - nukleární medicína

* ultrazvuk, nuklearní magnetické zobrazování (NMI)

XI 2004


26

Radioterapie Interakce s tkání • dopadající záření ionizuje atomy molekul ozařované tkáně. čas ~ 10-16. fyzikální změny • ionizované molekuly se podílejí na chemických reakcích, které uvolňují volné radikály a další excitované molekuly. čas ~ 10-3. chemické změny. • Volné radikály jsou zachyceny v komplexní biologické složce na molekulární úrovni a narušují její biologické funkce. čas ~ hodiny až roky. biologické změny

Podíl přežití buněk z obnovitelné a neobnovitelné složky.

XI 2004

Lineární přenos energie • lineární přenos energie (LET) stanoví množství energie deponované na jednotku délky. • vysoký přenos: těžké ionty, alfa částice: ~ 100 keV/µm. Mají krátký dosah: ~ 0.1 – 1.0 mm. • nízký přenos: elektrony, fotony: ~ 1 keV/µm. Mají krátký dosah: ~ cm.

Přenos energie fotonů a elektronů v závislosti na hloubce


27

Fotonová a elektronová terapie Lineární urychlovače generují fotonové a elektronové svazky. Základní komponenty: elektronový zdroj, urychlovací komora (rezonanční komora – klystron) a terčík s materiálem s vysokým Z.

Svazek je modifikován pomocí vyrovnávacích filtrů (k získání uniformního svazku) a kolimatorů k tvarovaní příčného průřezu svazku (např. multileaf kolimátory)

XI 2004


28

Hadronová terapie Relativní distribuce dávky

Relativní distribuce dávky

neutrony • neutrony jsou případ nepřímo ionizujícího záření • interakce neutronů s látkou je prostřednictvím různých reakcí. Dominantní reakcí je pružný rozptyl na vodíku, kdy se produkuje vysokoenergetický – LET proton. Další reakce je (n,α) na 16O, která produkuje vysokoenergetické – LET α částice. Další pružné rozptyly na uhlíku a kyslíku produkují odražená těžká jádra C, O, která též mají vysoký – LET. piony v látce jsou zpomalované a zastavované. Jsou zachyceny jádra prostřednictvím jaderných reakcí.

XI 2004


29

Hadronová terapie

modulace: energie, intenzity

XI 2004


30

Hadronová terapie

XI 2004


31

Hadronová terapie Monitorování dávky

XI 2004


32


• lékařské aplikace (zobrazování, radioterapie) • výroba radioizotopů (nukleární medicína) • výroba energie (štěpení, fúze) • analýza materiálů (neutronová aktivační analýza, PIXE, radioaktivní datovaní, průzkum geologicky) • senzory a detektory požáru • radiační ochrana & dozimetrie

XI 2004


33

Příprava radionuklidů urychlovač

reaktor

Cyklotron U-120M v r.2003

67Ga, 201Tl, 123I, 111In, 81Rb, 57Co, 127Xe, 11C, 15O, 13N, 18F

reakce (p,n), (d,n), (d,2n), (d,α), (α,n), ...

štěpení (n,f) 99Mo, 131I, 132Te, 133Xe, 137Cs,… aktivace (n,γ) 59Fe, 60Co, 75Se, 99Mo, 113Sn, 131Te, 125I, 131I, 51Cr

XI 2004


34

Příprava radionuklidů urychlovač

XI 2004


35

Příprava radionuklidů Pomocí reaktoru

štěpení

aktivace

XI 2004


36

Aplikace jaderné fyziky

Recommend Documents