Nuklearna medicina - uvod

Građa atoma i osnove nuklearne fizike

• Definicija atoma: Atom predstavlja najmanji dio hemijskog elementa koji zadržava hemijska i fizikalna svojstva tog elementa.

• Dimenzije atoma: Dijaemtar atoma ($2r$) iznosi približno $10^{-10}\,m$.

• Struktura atoma:

  • Jezgra (Nucleus): Dimenzija oko $10^{-14}\,m$. Sadrži protone i neutrone (nukleone).

  • Omotač: Sadrži elektrone koji kruže oko jezgre.

• Karakteristični brojevi:

  • Atomski broj ($Z$): Predstavlja broj protona u jezgri i određuje mjesto elementa u periodnom sistemu.

  • Maseni broj ($A$): Predstavlja zbir broja protona i neutrona u jezgri.

• Sile u jezgri:

  • Između protona djeluju elektrostatičke odbojne sile koje teže da razore jezgru.

  • Na okupu ih drže znatno jače nuklearne sile, koje su vrlo kratkog dosega i djeluju isključivo između nukleona.

• Defekt mase: Masa jezgre je uvijek manja od zbira masa njenih pojedinačnih elemenata. Ova razlika u masi predstavlja ekvivalent energije veze prema formuli $E=mc^2$.

Nuklidi i klasifikacija izotopskih stanja

• Nuklid: Atom definiran karakterističnim brojem protona, neutrona i specifičnim nuklearnim energetskim stanjem.

• Nestabilnost jezgre: Pojavljuje se kod nuklida zbog nesklada u broju protona i neutrona ili viška energije.

• Podjela nuklida prema sličnosti:

  • Izotopi: Atomi istog elementa koji imaju isti broj protona ($Z$), ali različit broj neutrona.

  • Izotoni: Nuklidi koji imaju isti broj neutrona.

  • Izobari: Nuklidi koji imaju isti maseni broj ($A$) (ukupan broj nukleona).

  • Izomeri: Nuklidi sa istim $A$ i $Z$, ali različitim nivoom nuklearne energije (npr. metastabilna stanja).

Osobine i statistika nuklida

• Statistika nuklida:

  • Ukupno postoji $83$ hemijska elementa.

  • Poznato je oko $280$ stabilnih nuklida.

  • Postoji oko $1.500$ nestabilnih (radioaktivnih) nuklida koji podliježu radioaktivnom raspadu.

• Fizičke osobine radionuklida:

  • Nepromjenjive (fiksne): Vrsta zračenja, vrijeme poluraspada i energija zračenja.

  • Promjenjive: Aktivnost radionuklida.

Proizvodnja radionuklida

• Metoda bombardovanja: Stabilni atomi se u akceleratorima ili reaktorima bombarduju elementarnim česticama kako bi postali nestabilni.

• Nuklearni reaktori:

  • U njima nastaju radionuklidi putem lančane fisije urana $^{235}U$.

  • Primjeri proizvoda: $^{99}Mo$, $^{32}P$, $^{14}C$.

• Ciklotroni:

  • Stabilni elementi se bombarduju pozitivno naelektrisanim česticama (protoni, deutroni, helioni).

  • Nastaju radionuklidi kao što su $^{18}F$, $^{15}O$, $^{13}N$, $^{11}C$.

• Generatori:

  • Služe za dobijanje kratkoživućih radionuklida iz dugoživućih "roditelja".

  • Primjeri: $^{99m}Tc$ (dobijen iz $^{99}Mo$), $^{111}In$.

Nuklearna fisija

• Definicija: Spontano ili inducirano cijepanje teške jezgre u dvije lakše jezgre.

• Karakteristike procesa:

  • Emituju se $2$ do $3$ neutrona po fisiji.

  • Oslobađa se ogromna energija od nekoliko stotina $MeV$ po svakoj fisiji.

  • Temelj rada reaktora: Kontrolirana fisija uranovih jezgri $U-235$ i $U-238$.

Radioaktivno zračenje i raspadi

• Uzrok zračenja: Nestabilni nuklidi emituju višak energije u vidu čestica ili elektromagnetnih talasa da bi postigli stabilnost.

• Metastabilno stanje: Atomi koji i nakon primarne emisije zadržavaju višak energije koji se postepeno oslobađa kao elektromagnetno zračenje.

• Alfa ($\alpha$) raspad:

  • Karakterističan za teške, prirodne radionuklide.

  • Emituje se jezgra helija ($He$) koja se sastoji od $2$ protona i $2$ neutrona.

  • Osobine: Velika masa, snažan jonizirajući efekat, ali vrlo mali domet u tkivu (nekoliko desetina mikrona).

  • Energija: $4-8\,MeV$.

  • Primjena: Koristi se u terapiji, ali ne i u dijagnostici.

• Beta-minus ($\beta^-$) raspad:

  • Dešava se kod nuklida sa viškom neutrona.

  • Neutron se transformiše: $n \rightarrow p^+ + e^- + \text{energija}$.

  • Emituje se elektron (negatron) iz jezgre.

• Beta-plus ($\beta^+$) raspad:

  • Dešava se kod nuklida sa viškom protona.

  • Proton se transformiše: $p \rightarrow n + e^+ + \text{energija}$.

  • Emituje se pozitron ($e^+$).

  • Anihilacija: Pozitron se sudara sa elektronom iz okoline, pri čemu se njihove mase pretvaraju u dva fotona energije od po $0,511\,MeV$ koji se kreću u suprotnim smjerovima.

• Gama ($\gamma$) zračenje:

  • Elektromagnetni talasi visoke energije.

  • Emituju se kada je jezgra-potomak u uzbuđenom stanju nakon beta raspada.

  • Imaju slabu jonizacijsku moć, ali veliku prodornost, što ih čini idealnim za dijagnostiku.

Specifični procesi: Elektronski uhvat i metastabilnost

• Elektronski uhvat (Electron Capture):

  • Višak protona u jezgri privlači i "hvata" elektron iz unutrašnje orbite (obično K-ljuske).

  • Proces stvara novi neutron uz emisiju gama i X-zračenja.

  • Šupljina u omotaču popunjava se elektronima iz viših nivoa uz emisiju karakterističnog X-zračenja ili Augerovih elektrona.

• Gama emiteri u NM:

  • Iz ciklotrona: $^{123}I$, $^{67}Ga$, $^{111m}In$.

  • Iz generatora: $^{99m}Tc$ kao proizvod raspada $^{99}Mo$.

Domet i prodornost zračenja

• Alfa čestice ($\alpha$):

  • U zraku: $3-9\,cm$.

  • U mekom tkivu: $0-1\,mm$ (zaustavlja ih list papira).

  • Opasnost: Vanjska je zanemariva, ali je unutrašnja kontaminacija ekstremno opasna zbog velike gustine jonizacije.

• Beta čestice ($\beta$):

  • U zraku: $0-10\,m$.

  • U tkivu: $0-1\,mm$.

  • Zaustavlja ih nekoliko milimetara plastike ili aluminijuma.

• Gama ($\gamma$) i X-zrake:

  • Jako promjenjiv domet.

  • U zraku: Gama do $100\,m$, X-zrake do $20\,m$.

  • U tkivu: Gama do $10\,cm$, X-zrake do $1\,cm$.

  • Zaustavlja ih olovo (nekoliko cm), beton ili voda.

Vrijeme poluraspada i energija

• Vrijeme poluraspada:

  • Fizičko ($T_f$): Vrijeme potrebno da se raspadne polovina početne aktivnosti.

  • Biološko ($T_b$): Vrijeme potrebno da organizam izluči polovinu unesene tvari.

  • Efektivno ($T_e$): Ukupno vrijeme eliminacije koje uzima u obzir i fizički raspad i biološku ekskreciju.

• Energija zračenja ($eV$): Energija koju elektron dobije pri prolasku kroz potencijalnu razliku od $1\,V$.

  • Monoenergetski radionuklidi: Emituju fotone samo jedne energije (npr. $^{99m}Tc$).

  • Polienergetski radionuklidi: Emituju fotone različitih energija (npr. $^{67}Ga$, $^{111}In$).

Aktivnost i interakcija s materijom

• Apsolutna aktivnost: Broj raspada u sekundi, mjeri se doznim kalibratorima.

• Relativna aktivnost: Broj registrovanih impulsa u vremenu, mjeri se gama kamerom ili scintilacionim brojačem.

• Efekti u materiji:

  • Ekscitacija: Elektron prelazi u višu orbitu. Prilikom povratka (deekscitacija) oslobađa se foton, što koriste scintilacioni detektori.

  • Jonizacija: Elektron potpuno napušta atom. Izbačeni elektroni stvaraju sekundarnu jonizaciju. U terapiji se koristi za uništavanje patološkog tkiva.

• Interakcije gama fotona:

  • Fotoelektrični efekat: Foton predaje svu energiju unutrašnjem elektronu i nestaje. Karakterističan za niskoenergetske fotone i gustu materiju (detektor).

  • Komptonov efekat: Foton predaje dio energije elektronu i mijenja putanju (raspršenje). Karakterističan za srednje energije i tkiva organizma ($0,5 - 5\,MeV$).

  • Stvaranje parova: Dešava se pri energijama većim od $1,02\,MeV$, gdje foton u blizini jezgre prelazi u par elektron-pozitron.

Biološki efekti i primjena u medicini

• Djelovanje na DNK:

  • Direktno: Zračenje direktno kida lance DNK.

  • Indirektno: Radioliza vode stvara slobodne radikale (ROS - Active oxygens) koji hemijski oštećuju DNK.

• Specifičnost nuklearne medicine:

  • Radioaktivni izotopi imaju ista hemijska svojstva kao stabilni, pa se u tijelu ponašaju identično (obilježivači/indikatori).

  • Scintigrami: Omogućavaju vizualizaciju nakupljanja radiofarmaka.

  • Morfologija i funkcija: NM je jedinstvena jer istovremeno ispituje i izgled organa i njegovu funkciju (brzinu metabolizma, eliminacije itd.).

• Izvori zračenja:

  • Otvoreni izvori (Radiofarmaci): Tekućine ili gasovi koji se daju pacijentu; postoji rizik od kontaminacije okoline putem izlučevina.

  • Zatvoreni izvori: Trajno zatvoreni u kapsule (npr. Kobalt-60 u teleterapiji).

Definicija nuklearne medicine

• Nuklearna medicina je specijalistička medicinska grana koja primjenjuje otvorene radionuklide (radiofarmake), znanja o njihovoj biodistribuciji i specijaliziranu detekcijsku opremu u svrhu dijagnostike, liječenja i naučnog istraživanja bolesti.