ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 7, с. 1042-1044
УДК 621.039.83
ВОЗМОЖНОСТЬ НАРАБОТКИ РАДИОНУКЛИДОВ ДЛЯ ПЭТ-ДИАГНОСТИКИ И БРАХИТЕРАПИИ НА ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ ПРОТОНОВ ИЯИ РАН
© 2008 г. С. В. Акулиничев, C. И. Бакланов, Ю. К. Гаврилов, В. М. Скоркин
Институт ядерных исследований РАН, Москва E-mail: akulinic@inr.ru
Рассматривается технология производства ПЭТ-радиоиуклидов иа линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН. Представлен прототип комбинированного мишенного устройства для наработки пози-тронно-излучающих радионуклидов nC, 13N, 18F на пучке протонов линейного ускорителя. Кратко обсуждается производство медицинских радионуклидов 103Pd, 124 125I, 131Cs.
Онкологические заболевания занимают второе место среди причин смертности в России после сердечно-сосудистых заболеваний. При этом в большинстве случаев (до 70%) онкологическое заболевание диагностицируется в поздних стадиях, что резко снижает вероятность излечения. В то же время высокотехнологичные методы, например конформная дистанционная лучевая терапия и брахитерапия, позволяют излечивать рак на ранних стадиях в подавляющем большинстве случаев.
Одно из направлений работы для улучшения сложившейся ситуации - создание в России центров ранней диагностики онкологических заболеваний, базирующихся на применении позитронно-эмиссионной томографии в сочетании с компьютерной томографией (ПЭТ/КТ). Это наиболее современный, надежный и точный метод ранней диагностики и контроля лечебного процесса в онкологии. Метод ПЭТ предполагает наработку на пучке протонов позитронно-излучающих радионуклидов и мечение ими туморотропных радиофармпрепаратов (РФП) для внутривенного введения пациентам. Визуализация процессов накопления этих препаратов в организме обеспечивается регистрацией аннигиляционного у-излучения с энергией 511 кэВ. В состав современного диагностического комплекса должны входить ускоритель протонов, мишенное устройство с блоком управления, радиохимический блок для синтеза РФП, аналитическая лаборатория для контроля РФП и ПЭТ/КТ-сканер. Наиболее часто в ПЭТ используются короткоживущие радионуклиды (11С, 13К, 18Б), имеющие период полураспада от 10 мин (азот-13) до 110 мин (фтор-18). Брахитерапия использует низкоэнергетическое у-излучение радионуклидов 103Рё, 1251, 131Св, содержащихся в микроисточниках, имплантированных в ткань. В последнее время в мире ведется создание технологий производства перспективного радионуклида 1241 и РФП на его ос-
нове для наногибридной радионуклидной терапии и ПЭТ-диагностики.
В настоящей работе рассматривается возможность наработки медицинских диагностических и терапевтических радионуклидов 11С, 13К, 18Б, 103Рё, 124, 1251, 131Св на пучке протонов линейного ускорителя ИЯИ РАН в Троицке. В состав начальной части линейного ускорителя (ЛУ) входят два параллельных инжектора, создающих пучки протонов или отрицательных ионов водорода с импульсным током до 50 мА и частотой до 100 Гц, и первый резонатор, обеспечивающий ускорение пучка протонов до энергии 20 МэВ. Стенд для наработки радионуклидов для ПЭТ предполагается разместить между первым и вторым резонаторами. В качестве мишени для наработки радионуклидов 18Б предполагается использовать воду, обогащенную изотопом 180, а для 13К - обычную воду. При наработке 13^ и 18Б используются ядерные реакции на кислороде с образованием 13К и 18Б: 160(р, а)13К, 180(р, п)18Е Сечение этих реакций имеет максимальное значение в интервале энергий протонов от 4 до 12 МэВ [1]. Зависимости сечений 160(р, а)13К и 180(р, п)18Б реакций от энергии вблизи порога представлены на рис. 1. Активность радионуклидов можно оценить по их выходу [2]. Для мишени из природной воды толщиной, соответствующей полному поглощению пучка протонов, выход радионуклидов имеет значения Б(13К) = 2.4 мБк ■ мкА-1 ■ с-1; Б(18Б) = = 0.004 мБк ■ мкА-1 ■ с-1. Активность в конце облучения определяется по формуле
А = 1.443Б1Т1/2( 1-ехр (-0.693г/Т1/2)), (1)
где Б - выход радионуклидов, пропорциональный числу атомов активирующегося изотопа кислорода и сечению реакции; I - ток пучка протонов на мишени; г - время облучения; Т1/2 - период полураспада образующегося радионуклида, равный ~10 мин для 13К и ~110 мин для 18Б. Если время облучения значительно больше периода полураспада радионук-
ВОЗМОЖНОСТЬ НАРАБОТКИ РАДИОНУКЛИДОВ ДЛЯ ПЭТ-ДИАГНОСТИКИ
1043
Сечение, мб
50 40 30 20 10
♦ ♦ ♦
Ч
♦
0
500 400 300 200 100
0
10
15
♦ ♦ ♦
♦ ♦ ♦ ♦
10
15 Е, МэВ
Рис. 1. Сечение взаимодействия протонов с кислоро-
16 13 18 18
дом: а - реакция 0(р, а)К, б - реакция 0(р, п)Б.
лида, то активность выходит на насыщение. При токе пучка 20 мкА и времени облучения 2 ч для активности радионуклидов 13К и 18Ё получим значения 1.1 кюри и 0.012 кюри соответственно. При наработке 18Ё в качестве мишени используется вода, обогащенная 180. Природная смесь изотопов кислорода содержит 99.8% 160 и 0.02% 180, поэтому для пересчета на обогащенную воду необходимо полученные активности умножить на коэффициенты, учитывающие изотопный состав обогащенной воды. Для 20% обогащения получим активность 0.88 кюри (13!Ч) и 1.2 кюри (18Б).
Эскиз стенда для наработки радионуклидов 13К и 18Б показан на рис. 2. Стенд состоит из мишенного устройства, системы вывода облученной воды, гелиевой и водяной систем охлаждения, датчика положения пучка, вакуумного затвора и длинноходового сильфона. В мишенном устройстве происходит наработка радионуклидов. Система вывода обеспечивает фиксацию радиоактивной воды, охлаждение и вывод ее в радиохимический блок после облучения. Вакуумный затвор и сильфоны обеспечивают поддержание вакуума в канале ускорения протонного пучка. Длинноходовой сильфон позволяет выводить мишенное устройство из пучка для беспрепятственного дальнейшего ускорения пучка протонов линейного ускорителя. Объем облучаемой обогащенной воды составляет около 1 мл. Стальные мембраны системы охлаждения (толщина около
Рис. 2. Стенд для наработки ПЭТ радионуклидов: 1 -мишенное устройство, 2 - трубки системы ввода/вывода воды, контуров водяного и гелиевого охлаждения, 3 - датчик положения пучка, 4 - вакуумный затвор, 5 -сильфонные фланцы, 6 - длинноходовой сильфон, 7 -датчик тока пучка.
Рис. 3. Мишенное устройство для наработки ПЭТ радионуклидов: 1 - облучаемая вода, 2 - мембраны из нержавеющей стали, 3 - контур охлаждения гелием, 4 -канал ввода облучаемой воды, 5 - канал вывода облученной воды, 6 - контур водяного охлаждения.
0.5 мм), расположенные перед мишенью, обеспечивают замедление протонов до энергии максимального выхода радионуклидов (~12 МэВ). Основным элементом стенда является мишенное устройство (рис. 3.) Облучаемая обогащенная вода поступает в мишенное устройство через канал ввода облучаемой воды и удерживается азотным замком.
а
4
2
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 72 < 7 2008
1044
АКУЛИНИЧЕВ и др.
Наработка 11С может производиться в реакции 14К(р, а)11С на специальном мишенном устройстве с газообразным азотом. За полчаса облучения активность 11С может составить ~0.5 кюри.
Наработанные радионуклиды применяются для получения диагностических ПЭТ РФП: фтор-диок-си-глюкоза ФДГ, 11С-метионин, 11С-холин, 11С-бути-рат, 13К-аммиак и других - в блоке синтеза РФП. За полчаса облучения протонным пучком с током 20 мкА стенд позволяет наработать количество радионуклидов, достаточное для диагностицирова-ния более 10 пациентов, что соответствует дневной пропускной способности томографа при максимальной активности одной вводимой дозы около 20 мкюри.
Радионуклид 1241 (Т1/2 = 4.18 сут) может быть получен в реакции 124Те(р, п)1241 при энергии ~12 МэВ. При наработке используется мишенное устройство, содержащее коллоидную смесь наночастиц из 124Те, циркулирующую в замкнутом охлаждаемом контуре. За 10 ч облучения при токе пучка протонов 20 мкА можно наработать ~0.1 кюри 1241.
При брахитерапии для лечения простаты используется низкоэнергетическая компонента у-излучения (20-40 кэВ) радионуклидов 103Рё, 1251 и 131Св, имеющих период полураспада Т1/2, равный 17, 60.2 и 9.7 сут соответственно. Радионуклид 103Рё может быть получен в реакции перезарядки 103КЪ(р, п)103Рё при энергии протонов <20 МэВ на
стенде для наработки ПЭТ-радионуклидов. Другой, более дешевый, способ наработки 103Pd использует взаимодействие пучка протонов с энергией ~70 МэВ с мишенью из натурального серебра [3]. Однако при этом образуются примеси других радионуклидов, которые создают высокоэнергетическую компоненту у-излучения, что снижает эффективность их применения. Для наработки 125I может использоваться реакция 127I(p, 3n)125Xe (Г1/2 = = 16.8 ч) ^ 125I, сечение которой составляет около 0.9 при энергии ~30 МэВ [4]. Радионуклид 131Cs может быть получен в реакции 133Cs(p, p2n)131Cs при энергии свыше 30 МэВ. При облучении мишеней в течение суток могут быть наработаны микроисточники с радионуклидами 103Pd и 125I общей активностью 0.5 кюри, что достаточно для проведения процедур брахитерапии 10 пациентам при необходимой активности одного микроисточника ~0.5 мкюри.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www-nds.iaea.or.at/
2. Дмитриев П.П. Выходы радионуклидов в реакциях с протонами, дейтронами, альфа-частицами и гелием-3. М.: Энергоатомиздат, 1986. 114 с.
3. Sudar S., Cserpak F., Qaim S.M. // Appl. Rad. Isot. 2002. V. 56. P. 821.
4. Takacs S., Tarkanyi F., Hermanne A. // Nucl. Instrum. Methods. B. 2005. V. 240. P. 790.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 72 < 7
2008
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.