Одно из самых новых направлений развития отечественного здравоохранения – ядерная медицина. В последнее время ядерные медицинские центры строятся с нуля, одновременно идет переоснащение уже действующих медицинских центров новым диагностическим оборудованием, активно развивается производство и применение радиофармпрепаратов (РФП). Пациентом медицинских заведений становится каждый из нас – медики все больше уделяют внимание профилактике, в фокус внимания входит стремление “поймать” онкологические заболевания на как можно более ранних стадиях. Изменения происходят настолько стремительно, что нам далеко не всегда понятно, какие именно процедуры с нами проводят, какое именно оборудование используется при диагностике и терапии. Ну, а то, что нам не до конца понятно, всегда невольно вызывает опасение: вот сейчас меня чем-то облучат, в одном месте что-то вылечат, зато во всех прочих местах будет нехорошо, придется лечиться и дальше. Мне кажется, что есть необходимость в “ядерно-медицинском путеводителе”, общий обзор всех медицинских новинок в этой отрасли.
Прогулка по атому
Освежить школьные знания без подробной детализации – точно не вредно, для этого нет необходимости использовать сложные формулы и графики. Собственно говоря, необходимый набор знаний укладывается в несколько коротких абзацев.
Атом состоит из ядра, в котором расположены электрически нейтральные частицы – нейтроны и электрически положительно заряженные частицы – протоны. Вокруг ядра на орбиталях вращаются электрически отрицательно заряженные частицы – электроны, масса которых в тысячи раз меньше масс протонов и нейтронов.
Все это очень сильно напоминает Солнечную систему: массивная звезда, вокруг которой по орбитам несутся планеты. Практически один в один, но электроны – не на орбитах, а именно на орбиталях, этот термин подсказывает специалистам, что ни в коем случае нельзя забывать о всевозможных квантовых эффектах, которые, впрочем, нас практически не интересуют.
Важно только помнить, что чем ближе электрон к ядру, то есть чем меньше радиус его орбитали – тем более жестко такой электрон связан с ядром. Ничего неожиданного – “плюс” и “минус” притягиваются. Соответственно, чем больше радиус орбитали, то есть чем дальше электрон от ядра – тем легче такой электрон готов вступать во взаимодействие с частицами, не входящими в состав ядра его “родного” атома.
Атомы способны связываться в молекулы, такая связь осуществляется за счет обобщения электронов на самых дальних орбиталях – эти электроны способны испытывать связь сразу с двумя, а иногда больше, ядрами.
Атом в обычном, нормальном, состоянии электрически нейтрален – количество протонов в ядре равно количеству электронов на орбитали. Если “потерялся” электрон – атом становится положительно заряженным ионом, если ядро умудрилось притянуть дополнительный электрон – атом становится отрицательно заряженным ионом. Вот на этом и все, мы полностью “упакованы” для того, чтобы начать ликбез по ядерной медицине.
В начале была катодная трубка
Начать предлагаю с методов диагностики – по той простой причине, что именно с ней мы сталкиваемся прежде всего. Ядерно-медицинская терапия – процесс более сложный, и очень хочется надеяться, что близко познакомиться с ней никому из нас не придется.
Абсолютно убежден, что каждый из нас знаком с рентгеновским аппаратом – наиболее распространенное устройство для диагностических обследований. Максимально упрощая: рентгеновское исследование позволяет медикам обнаружить заболевание без использования скальпеля. Не “у вас вот тут, под кожей, что-то болит, давайте-ка я вас порежу, чтобы рассмотреть”, а “пройдите в кабинку, давайте быстро посмотрим”.
Полторы сотни лет тому назад такая возможность для медиков была заветной мечтой, превратившейся в реальность стараниями Вильгельма Конрада Рентгена, немецкого физика XIX века, совершившего крупнейшее в его жизни открытие 8 ноября 1895 года. Ни о какой медицине он, конечно, в тот день не думал – он занимался изучением так называемых катодных лучей, которые физики научились создавать благодаря катодной трубке. Сейчас о таком названии уже и не помнят, вторую сотню лет это рентгеновская трубка и рентгеновские лучи.
Кстати, если подходить к терминологии максимально строго, то рентгеновское излучение вообще никакого отношения к ядерной медицине не имеет. Удивлены? Но это факт – не используются при рентгеновских обследованиях никакие свойства ядер атомов, но, тем не менее, ядерная медицина как отрасль знания начиналась именно с рентгеновского излучения.
Катодная трубка – это фактически первая модель ускорителя электронов, хотя в позапрошлом веке никто ее так не называл. Трубка, из которой откачан воздух, дабы не мешал движению электронов. Катод выполнен из специально подбираемых материалов, на него подается значительное отрицательное напряжение, в результате чего температура катода повышается до уровня, на котором начинается термическая эмиссия электронов. При нагреве атом получает энергию, её оказывается достаточно для того, чтобы электроны с внешних орбиталей, то есть расположенных на максимально большом расстоянии от ядра, отправились в свободный полет.
Чтобы электроны летели в заданном направлении, на противоположном конце трубки установлен анод, на который подается значительное положительное напряжение. Чем выше это положительное напряжение – тем больше скорость электронов, “плюс” притягивает “минус”.
Любой мужчина, и ученый-физик в том числе – это, как известно, случайно выживший мальчик: “Давайте машинку разгоним как следует и об стенку хрястнем – посмотреть, что получится”. Это я не шутку пошутил, это – описание экспериментов с катодными трубками, если что. Ученые меняли материал анода: а что будет, если электроны будут колотить по железу? А по никелю? А по свинцу?
Рентген в тот вечер, который вошел в историю, использовал медную мишень. В той же лаборатории на соседнем столе лежал, никого не трогал, бумажный экран, покрытый кристаллами платиноцианистого бария – один из первых образцов люминесцентного слоя, который начинает светиться при попадании на него даже слабого света. Рентген свои эксперименты закончил, накрыл установку с катодной трубкой кожухом из черного картона, и по дороге к выключателю обнаружил свечение люминесцентного экрана.
Рентгеноскопия
Пропускаем последовавшие исследования, важен результат: если анод выполнен из меди, вольфрама или молибдена, то поток электронов выбивает из этого материала поток фотонов очень высокой энергии. Фотон – это частица света, который имеет и свойства частицы, и свойства волны: чем выше его энергия, тем короче длина волны. И ничто не запрещает фотону иметь дину волны, которую человеческий глаз – а это ведь оптический прибор – не улавливает.
“Х-лучи” — такое название им дал Вильгельм Рентген – длину волны имеют настолько маленькую, что фотоны спокойно проходят сквозь предметы, непрозрачные для человеческого глаза. Мягкие ткани организма для рентгеновских лучей прозрачны, значительно более плотные сухожилия, кости скелета – нет. Исследования шли без особой спешки, медики постепенно осваивали новый метод обследования, а потом война как двигатель прогресса: не просто найти застрявший в теле раненного осколок или пулю, но и определить, как добраться до “железки”, не повредив аорты, нервы, сухожилия. Цинично, но из песни слова не выкинешь.
Рентгеноскопия – первый этап становления ядерно-медицинской диагностики. Пациент – в специальной кабинке, которая защищает медицинского работника от излучения, за ее пределами – специальный экран, на котором врач наблюдает “теневое” изображение организма, на основании которого делает выводы о функционировании органов человека. “Минусы” вполне очевидны: пациент получает изрядную дозу рентгеновского излучения, изображение не фиксируется, что может привести к ошибкам диагностирования.
Вред человеческому организму рентгеновское излучение способно принести весьма существенный: фотоны с такой энергией, проходя сквозь ткани организма ведут себя с электронами атомов, как наждачная бумага, “сдирает” их с внешних орбиталей. Но, как уже сказано, именно электроны внешних орбиталей отвечают за химическую связь атомов в составе молекул – следовательно, нарушения происходят вот на этом уровне.
Большие дозы рентгеновского излучения – это ожоги на коже и на внутренних тканях, вплоть до образования язв. По этой причине и время, отводимое на рентгеноскопию, стараются делать минимальным, и количество таких процедур на протяжении года допустимо в ограниченных количествах. И эти же требования – причина возможных ошибок при диагностике: не успел врач рассмотреть что-то сложное, а повторить процедуру он имеет право только через месяц-другой. В результате физики получили ощутимый посыл от медиков – в каком именно направлении необходимо вести новые исследования.
Флюорография
Следующим шагом на пути прогресса стало изобретение флюорографии: медики при помощи физиков научились делать снимки с полупрозначного экрана. Точность диагностики резко выросла: снимки можно изучать без спешки, обсуждать запечатленное с коллегами, уточняя каждый фрагмент и коллективно подбирать методы лечения.
В настоящее время обработка полученных данных осуществляется цифровыми методами, поэтому результаты возможно хранить в базах данных, обсуждать на коллоквиумах и симпозиумах, проводимых в интернете со специалистами любой, даже самой высокой квалификации.
Еще одно современное изменение – использование вместо рентген-пленки ПЗС-матрицы. ПЗС-матрица или CCD-матрица (charge-coupled device, прибор с зарядовой связью) – специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных диодов.
С учетом вот такой эволюции флюорографическое обследование используется и в наше время – как первичный метод оно дает вполне приемлемые результаты. Но медики требовали от физиков дальнейшего совершенствования рентгеновских обследований, ставя целью улучшение диагностики.
Рентгенография
Третий этап развития в этом направлении — рентгенография: рентгеновские лучи уже не подаются на люминесцентный экран, а сразу фиксируются на специальной фотопленке. Пройдя через органы пациента, рентгеновские лучи поступают на усилитель рентгеновского излучения (УРИ), в состав которого входит электронно-оптический преобразователь.
ЭОП – это прибор, способный преобразовывать невидимое человеческим глазом изображение в изображение видимое. Дальше уже понятно: преобразованное изображение поступает на экран монитора, где спокойно изучается, обрабатывается и в виде файлов хранится в медицинской базе данных.
Рентгенография, в отличие от флюорографии, позволяет исследовать органы человека в режиме реального времени, со всеми смешениями, сокращениями и расширениями и прочими нюансами, важными для нас самих и для господ медиков. Совершенно логично, что для получения таких данных исследуемый орган “просвечивается” рентгеновскими лучами как минимум в двух направлениях, ведь медики должны понимать, что происходит в объемном, трехмерном объекте.
Остановились ли медики и физики на этом? Нет, становление отрасли только начиналось. Да, рентгенография позволяет снизить дозу получаемого пациентом излучения, но медики требовали еще более щадящего режима. Логика незамысловата, проще всего пояснить на совершенно условном, выдуманном примере. Пациента беспокоила печень, потребовалось рентгенографическое обследование, но в результате облучения, которое идет на весь организм, у пациента обострилась язва в желудке.
Не нравится рентгенография медикам и с сугубо утилитарной точки зрения: им нужен снимок беспокоящих пациента почек, а не рентгенографическое изображение всего тела целиком от макушки до пяток. Вот, собственно, и очередное техническое задание от медиков физикам: обеспечьте возможность исследовать конкретный орган и за счет такой избирательности обеспечьте дальнейшее снижение дозы излучения.
Рентгеноскопия, флюорография и рентгенография в наши дни – далеко не весь имеющийся у медицины набор для высокоточной диагностики. Обзор будет продолжен.
Оригинал статьи:
https://itek.ru/analytics/nachalo-mirnogo-medicinskogo-atoma
