Κύκλοτρο εναντίον καρκίνου

Το νοσοκομειακό κύκλοτρο “Baby Cyclotron BG-75”

Πριν από μερικούς μήνες σύμφωνα με τα μέσα ενημέρωσης ανακοινώθηκε ότι στο Νοσοκομείο «Μεταξά» εγκαταστάθηκε ένας επιταχυντής σωματιδίων – ένα κύκλοτρο που θα συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη καταπολέμηση του καρκίνου. Έτσι, το νοσοκομείο θα είναι σε θέση να παράγει αυτόνομα το απαραίτητο ραδιοφάρμακο FDG για την διεξαγωγή εξετάσεων με την τεχνική της τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (ΡΕΤ=Positron Emmision Tomography).

Η παραγωγή του ραδιενεργού18F

Το κύκλοτρο που εγκαταστάθηκε μπορεί να δημιουργήσει δέσμη πρωτονίων ενέργειας 7,5 MeV. Τι χρειάζεται μια δέσμη πρωτονίων υψηλής ενέργειας μέσα σε ένα νοσοκομείο; Για την παραγωγή του ραδιενεργού ισοτόπου φθόριο-18 (18F) με χρόνο ημίσειας ζωής περίπου 110 λεπτά. Η δέσμη των πρωτονίων θα βομβαρδίζει στόχο νερού Η2Ο (εμπλουτισμένου με το σταθερό ισότοπο 18Ο) και διαμέσου της πυρηνικής αντίδρασης 18O(p,n)18F θα παράγεται το φθόριο-18.

Το 18F διασπάται εκπέμποντας ποζιτρόνια προς το σταθερό (άρα ακίνδυνο) ισότοπο του οξυγόνου 18Ο. Tα ποζιτρόνια είναι αντιύλη – τα αντισωματίδια των ηλεκτρονίων. Σε σχέση με τα ηλεκτρόνια έχουν την ίδια μάζα, ίδιο σπιν και ίδια μεν ποσότητα αλλά θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Όταν τα ποζιτρόνια συναντήσουν ηλεκτρόνια τότε εξαϋλώνονται παράγοντας δυο φωτόνια υψηλής ενέργειας – στην ενεργειακή περιοχή των ακτίνων γ. Και σ’ αυτό βασίζεται η τεχνική της τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (PET).

Η ραδιενεργή διάσπαση του 18F προς 18Ο με εκπομπή ποζιτρονίου, το οποίο στη συνέχεια αλληλεπιδρώντας με ηλεκτρόνιο εξαϋλώνεται παράγοντας ζεύγος φωτονίων (ακτίνες γάμμα)

Το κύκλοτρο που εγκαταστάθηκε στο Γ.Ν.Π. «Μεταξά» μπορεί να παράγει άμεσα το ραδιοφάρμακο 18F-FDG (φθόριο-2-δεόξυ-γλυκόζη) που περιέχει ραδιενεργό φθόριο και είναι απαραίτητο στην μέθοδο απεικόνισης PET. Το 18F-FDG αποτελεί διεθνώς το πιο συχνά χρησιµοποιούµενο ραδιοφάρµακο στην απεικόνιση ογκολογικών ασθενών. Είναι ανάλογο της γλυκόζης και εισάγεται ενδοφλεφίως στο σώμα του ασθενούς, µεταφέρεται στο εσωτερικό των κυττάρων µε πρωτεΐνες της κυτταρικής µεµβράνης και φωσφορυλιώνεται. Στη συνέχεια όµως το φωσφορυλιωµένο µόριο παραµένει αδιάσπαστο και παγιδευµένο εντός του κυττάρου. Εποµένως, τα κύτταρα µε αυξηµένο µεταβολισµό, όπως τα καρκινικά κύτταρα, έχουν αυξηµένη συγκέντρωση του 18F-FDG. Η τεχνική ακτινοδιάγνωσης ΡΕΤ μπορεί να εντοπίσει τα ζεύγη των ακτίνων γ που παράγονται κατά την εξαΰλωση των ποζιτρονίων που εκπέμπει το φθόριο-18. Έτσι παρατηρούνται οι καρκινικοί όγκοι και μεταβολικές διαδικασίες στο σώμα.

Σάρωση PET ολόκληρου του σώματος με χρήση του ραδιοφαρμάκου 18F-FDG

Η δυνατότητα παραγωγής ανά πάσα στιγμή του ραδιοφαρμάκου FDG εντός του νοσοκομείου, εξασφαλίζει την ευέλικτη λειτουργία του συστήματος PET και επιτυγχάνει την αυτονομία του, καθώς αποδεσμεύεται από εξωτερικούς προμηθευτές και τυχόν καθυστερήσεις. Πρέπει να σημειωθεί ότι το FDG είναι ένα ραδιοφάρμακο με μικρή χρονική διάρκεια και κατ’ επέκταση είναι ιδιαίτερης σημασίας η ελαχιστοποίηση του χρόνου μεταξύ της παραγωγής και της χορήγησής του. Οι δυνατότητες του κυκλότρου μπορούν να ενισχυθούν αναβαθμίζοντάς το, έτσι ώστε να παράγει ένα ευρύτερο φάσμα ραδιοφαρμάκων για απεικονιστικές εξετάσεις PET περισσότερων ανατομικών περιοχών και νόσων. 

Πως λειτουργεί το κύκλοτρο;

Το κύκλοτρο είναι ένας κυκλικός επιταχυντής σωματιδίων που εφηύρε το 1930, ο Ernest Lawrence (*). Πρόκειται για έναν πανέξυπνο σχεδιασμό επιταχυντή σωματιδίων, καθώς είναι σε θέση να επαναχρησιμοποιεί το ίδιο ηλεκτρικό πεδίο ξανά και ξανά, αντί να δημιουργεί ένα ενιαίο, πολύ ισχυρό, ηλεκτρικό πεδίο.

Το πρώτο κύκλοτρο του Lawrence (πάνω) και ένα απόσπασμα από την αίτησή του για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του 1932, που δείχνει την βασική γεωμετρία του επιταχυντή και την διαδρομή ενός φορτισμένου σωματιδίου μέσα σε αυτό.

Για παράδειγμα, αν ένα σωματίδιο μπορεί να περάσει από ηλεκτρικό πεδίο 100 kV 10 φορές, αυτό ισοδυναμεί με μία διέλευση από ομογενές ηλεκτρικό πεδίο έντασης 1 MV. Αυτό μειώνει την απαιτούμενη ηλεκτρική τάση στον επιταχυντή.

Το κύκλοτρο αποτελείται από δύο κοίλα ημικυλινδρικά τμήματα σχήματος D (ηλεκτρόδια) που συνδέονται με τους πόλους μιας πηγής εναλλασσόμενης τάσης πολύ μεγάλης συχνότητας. Μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων υπάρχει διάκενο και στο κέντρο του Κ βρίσκεται η πηγή παραγωγής των σωματιδίων που θέλουμε να επιταχύνουμε. Η διάταξη των δυο ηλεκτροδίων βρίσκεται μέσα σε ένα ισχυρό ομογενές μαγνητικό πεδίο \vec{B}, που παράγεται από έναν ηλεκτρομαγνήτη, έτσι ώστε το επίπεδό τους να είναι κάθετο στις δυναμικές γραμμές.

Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο περιορίζεται στο διάκενο ανάμεσα στα δυο ηλεκτρόδια, αφού στο εσωτερικό τους η έντασή του είναι μηδέν. Για να αποφεύγεται το φρενάρισμα των επιταχυνόμενων σωματιδίων, λόγω των κρούσεων με τα μόρια του αέρα, το όλο σύστημα βρίσκεται σε χαμηλή πίεση 10-6 torr περίπου.

Το κύκλοτρο ως άσκηση Φυσικής

Ας υποθέσουμε ότι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο, π.χ. ένα πρωτόνιο εκπέμπεται από την πηγή Κ. Αν την στιγμή αυτή το ηλεκτρικό πεδίο ανάμεσα στα δυο ηλεκτρόδια D1 και D2 είναι όπως εμφανίζεται στο πάνω σχήμα, το σωματίδιο θα επιταχυνθεί από το ηλεκτρικό πεδίο προς το ηλεκτρόδιο D2. Στο εσωτερικό του ηλεκτροδίου D2 το σωματίδιο δέχεται μόνο την επίδραση του μαγνητικού πεδίου, που το αναγκάζει να κάνει ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας R1=mυ1/Βq, όπου m και q η μάζα και το φορτίο του σωματιδίου και υ1 η ταχύτητα εισόδου του στο ηλεκτρόδιο D2. Την στιγμή που το σωματίδιο βγαίνει από το ηλεκτρόδιο D2 θα επιταχυνθεί κατά μήκος της διαδρομής β->γ. Μέσα στο ηλεκτρόδιο D2 το σωματίδιο με την επίδραση της δύναμης Laplace θα κάνει πάλι ομαλή κυκλική κίνηση ακτίνας R2=mυ2/Βq. Από τις παραπάνω σχέσεις και δεδομένου ότι υ21 προκύπτει R2>R1.

Η κίνηση του σωματιδίου συνεχίζεται και κάθε φορά που αυτό διέρχεται από το διάκενο η ταχύτητα μεγαλώνει, προκαλώντας έτσι αύξηση και στις ακτίνες των κυκλικών τροχιών που διαγράφει μέσα στα ηλεκτρόδια. Οι διαδοχικές επιταχύνσεις του σωματιδίου κάθε φορά που περνάει από το διάκενο, επιτυγχάνονται μόνο αν η ταχύτητά του και η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου έχουν την ίδια φορά. Για να συμβαίνει αυτό, θα πρέπει η περίοδος της εναλλασσόμενης τάσης να είναι ίση με την περίοδο της περιστροφής του σωματιδίου, δηλαδή

T_{\epsilon \nu a \lambda.} = \frac{2 \pi m}{qB}

Εύκολα μπορεί κανείς να υπολογίσει και την κινητική ενέργεια με την οποία τα σωματίδια εξέρχονται από το κύκλοτρο:

K=\frac{q^{2}B^{2}R^{2}_{max}}{2m} ,

όπου Rmax η ακτίνα των ηλεκτροδίων D.

πηγές: 1. Βλάχος Ι, Ζάχος Κ, Κόκκοτας Π, Τιμοθέου Γ, Φυσική Γ’ Λυκείου (1982-1996) ΟΕΔΒ 2. Don Lincoln, ‘Particle Accelerators: Their Triumphant History and Uncertain Future3. Wikipedia

(*) Ο πρώτος που συνέλαβε την ιδέα του κυκλότρου ήταν ο Ούγγρος φυσικός Leo Szilard ο οποίος είχε υποβάλλει αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για το κύκλοτρο το 1929.



Κατηγορίες:ΙΑΤΡΙΚΗ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

Ετικέτες: , , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: