Позитронна емісійна томографія

Принцип 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 такий вигляд: Схематично ця реакція зображена на рис. 8.23.

Реакція анігіляції пари електрон-позитрон була відкрита в 1933 p., 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 - у фотони електромагнітного випро­мінювання діапазону або 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 квантів (частіше за все їх буде два).

При відносно низьких енергіях пари частинка-анти-частинка процес анігіляції супроводжується народженням більш легких частинок. Прикладом такої реакції анігіляції є саме реакція з утворенням двох квантів, оскільки маса спокою кванта дорівнює нулю. У протилежному випадку, тобто при значних енергіях, легкі частинка-античастинка можуть анігілювати з утворенням пари більш важких частинки-античастинки. Прикладом подібної реакції є наступна реакція утворення з електрона і позитрона двох мезонів:

(8.44)

Мезони (цей термін означає "проміжний, середній") мають маси спокою, які знаходяться між масою спокою електрона ( або в енергетичних одиницях ) та масами спокою протона і нейтрона

( ). Так, для мезонів маса спокою (в енергетичних одиницях) становить , тобто приблизно в 275 разів більша за масу спокою електрона і в 6.7 раза менша за масу спокою протона. Складні процеси перетворення частинок, подібні до реакції (8.44), вивчає сучасна теорія сильних ядерних взаємодій - квантова хромодинаміка.

Суть методу ПЕТ можна сформулювати таким чином: насамперед, на спеціальних пристроях виробляються радіоактивні ізотопи, які мають досить короткий період напіврозпаду (типово кілька 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 циклотроні. Як згадувалось раніше, для радіоактивних ізотопів подібних легких ядер, де кількість протонів і нейтронів в ядрі приблизно однакова, є притаманним позитронний 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 два фотони ( кванти) з енергією кожний. Згідно з законом збереження імпульсу, обидва кванти розлітаються під кутом 180° стосовно один до одного (див. рис. 8.23). Саме ця обставина використовується для їх виявлення (детектування) за допомогою електротехнічної схеми збіжності та подальшої візуалізації об'єкта дослід­ження, де відбулися акти анігіляції пар електрон-позитрон, за допомогою спеціальних комп'ютерних програм.

Рис. 8.23.Реакція анігіля­ції електрона і позитрона: дві прямі зустрічні лінії позначають зіткнення пари електрон і позитрон а дві хвилясті лінії -два кванти, що розліта­ються під кутом

Метод ПЕТ дає змогу отримувати дуже корисну і точну інформацію щодо процесів, що відбуваються в головному мозку людини та в інших органах при діагностиці нейропсихічних порушень, під час вивчення досить тонких особливостей діяльності центральної нервової системи тощо. Сучасні модифікації методу ПЕТ використовують нові радіоактивні ізотопи (наприклад, позитронно-активний

ізотоп фтору з періодом напіврозпаду хвилин). За його допомогою в Університеті Вісконсін-Медісон було отримано, зокрема, ПЕТ-зображення розподілу флуродіоксіглюкози ФДГ у головному мозку людини. Цей розподіл дає змогу зробити висновки щодо процесів засвоєння глюкози і є чудовим індикатором необхідних енергетичних потреб головного мозку людини. На рис. 8.24 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 дає змогу детально вивчати анатомічні особли­вості досліджуваного біооб'єкта.

Рис. 8.24.Зображення головного мозку людини, отримане за допомогою методів ПЕТ і ЯМР-томографії.

Рис. 8.25.Вітчизняний комп'ютерний томограф ГКС-301Т.

У закінченні цього параграфа зазначимо, 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 (рис. 8.25).

Цей емісійний комп'ютерний томограф складається з таких основних частин: 1 - позитронно-чутливий детектор γ-квантів; 2 - ліжко пацієнта, переміщення апаратури сто­совно 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 деяких параметрах переважає подібні закордонні зразки томогра­фів, що виготовлені відомими фірмами Siemens, Picket, Trionix та ін.

8.7. 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 спектра.

6. Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною.

7. Закон послаблення потоку рентгенівського випромінювання.

8. Використання рентгенівського випромінювання в медицині.