Διάλεξη 3. Γενήτριες Ραδιοϊσοτόποων

Transcript

1 Διάλεξη 3 Γενήτριες Ραδιοϊσοτόποων

2 Γεννήτριες Ραδιοϊσοτόπων Από τα γνωστά ραδιονουκλιδία, που χρησιμοποιούνται σήμερα για απεικόνιση οργάνων στην Πυρηνική Ιατρική, κανένα δεν θεωρείται ιδανικό και μόνο οι φυσικές ιδιότητες του 99m Tc, προσεγγίζουν κατά κάποιο τρόπο τα πλέον επιθυμητά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ένα ραδιονουκλίδιο για in vivo απεικονίσεις (Πίνακας 7-1) και γι'αυτό το 99m Tc χρησιμοποιείται ευρύτατα υπό μορφή επισημασμένων ενώσεων σαν in vivo διαγνωστικό. Το 99m Tc χρησιμοποιείται μαζικά στην Πυρηνική Ιατρική από τα μέσα του 1960, όταν αναπτύχθηκε η γεννήτρια (στήλη) 99 Μο- 99m Τc, πράγμα που έκανε δυνατή την χρησιμοποίηση του ακόμα και σε πολύ απομακρυσμένα, από τον τόπο παραγωγής, διαγνωστικά εργαστήρια.

3 Γενικά, οι γεννήτριες είναι ειδικές στήλες, τύπου χρωματογραφίας, στις οποίες συγκρατείται υπό ειδικές συνθήκες μετά την ακτινοβόληση, η μητρική πρώτη ύλη που περιέχει ένα σχετικά μακρόβιο ραδιονουκλίδιο, το οποίο διασπάται σε ένα πλέον βραχύβιο θυγατρικό ραδιονουκλίδιο το οποίο απομονώνεται μετά από έκλουση της στήλης σε επιθυμητή χρονική στιγμή και τόπο επιλογής π.χ. νοσοκομείο.

4

5

6 Comparison of the physical decay of 99mTc with its activity arising from 99Mo decay in a radioisotope generator with and without elution at 12 hour intervals.

7 Βασικά επιθυμητά χαρακτηριστικά ενός ραδιονουκλιδίου για απεικόνιση οργάνων 1. Εκπομπή ακτινοβολίας γάμα : Μία μόνο γάμμα ακτινοβολία (μία τιμή ενέργειας) Ενέργεια μεταξύ Kev Μεγάλη αφθονία Μικρή εσωτερική μετατροπή 2. Σειρά προτίμησης, μηχανισμός διάσπασης : Ισομερής μετάπτωση Διάσπαση με σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου Ποζιτρόνια Νεγκατρόνια 3. Χρόνος ημιζωής : Παρόμοιος με το χρόνο που απαιτείται για την ολοκλήρωση της μελέτης

8 Βασική προϋπόθεση για κάθε σύστημα γεννήτριας είναι ότι το θυγατρικό ραδιονουκλίδιο, που ενδιαφέρει, πρέπει να έχει μικρότερο χρόνο ημιζωής από το μητρικό από το οποίο διαχωρίζεται. Για το διαχωρισμό των ραδιονουκλιδίων μπορούν να χρησιμοποιηθούν φυσικές ή χημικές μέθοδοι, και αυτό γίνεται είτε συνεχώς, ή συνήθως όταν απαιτείται κάτι τέτοιο.

9 Οι γεννήτριες μπορεί να χωριστούν σε υγρές και ξηρές. Η σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο τύπων συνίσταται στο κατά πόσο μετά την έκλουση παραμένει η στήλη ξηρά ή υγρή. Στη πρώτη περίπτωση μετά την έκλουση το υπόλοιπο υγρό στη στήλη απομακρύνεται υπό κενό (χρησιμοποιείται κατάλληλο φιαλίδιο) και η στήλη παραμένει ξηρή μέχρι την νέα έκλουση. Η λογική πίσω από τις ξηρές στήλες συνδέεται με το γεγονός ότι η ραδιενέργεια μπορεί να προκαλέσει ραδιόλυση του νερού στις υγρές γεννήτριες με αποτέλεσμα το σχηματισμό υπεροξειδίου του υδρογόνου (H 2 O 2 ) και ελεύθερης ρίζας περιδροξυλίου (ΗΟ 2. ), που αμφότερα είναι οξειδωτικά και όταν υπάρχουν στο έκλουσμα, π.χ. του 99m Tc, μπορεί να τροποποιήσουν την χημεία σύμπλεξης αυτού. Η πιθανότητα για ραδιόλυση του νερού είναι μεγαλύτερη όσο αυξάνει η ραδιενέργεια των γεννητριών.

10 Στο εμπόριο υπάρχουν διάφορα συστήματα γεννητριών που ουσιαστικά στηρίζονται στην ίδια αρχή με μικρές τεχνολογικές διαφορές. Βασικά στοιχεία μιάς γεννήτριας είναι το ζεύγος ραδιοϊσοτόπων μητρικούθυγατρικού και ένα σύστημα διαχωρισμού αυτών. Ο διαχωρισμός μητρικού-θυγατρικού διευκολύνεται όταν τα ισότοπα αυτά ανήκουν σε διαφορετικό στοιχείο, οπότε επιλέγεται κατάλληλος διαλύτης για το θυγατρικό στον οποίο να μη διαλύεται το μητρικό. Το θυγατρικό πρέπει να διασπάται σε ένα μη τοξικό σταθερό ισότοπο ή μακρόβιο ραδιονουκλίδιο.

11 Γεννήτρια 99 Μο - 99m Tc. Δύο διαφορετικές τεχνικές, θετικής και αρνητικής πίεσης, χρησιμοποιούνται για την έκλουση της στήλης (Σχ.6-11). Συστήματα θετικής πίεσης λειτουργούν, είτε με χρήση μιας σύριγγας για έγχυση του φυσιολογικού ορού, ή με τη ροή του υγρού μέσω της στήλης λόγω βαρύτητας. Συστήματα αρνητικής πίεσης χρησιμοποιούν φιάλες υπό κενό για να αναρροφήσουν το έκλουσμα του ορού που προέρχεται από έναν υποδοχέα-δεξαμενή. Οι περισσότερες στήλες αποστειρώνονται σε αυτόκλειστα, και το έκλουσμα είναι στείρο όταν ακολουθούνται οι προδιαγραφές του παρασκευαστή. Ο φυσιολογικός ορός (NaCl 0,9%) χρησιμοποιείται συνήθως σαν μέσο έκλουσης σε όλους τους τύπους γεννητριών του τεχνητίου γιατί μπορεί να ενεθεί ενδοφλέβια χωρίς τροποποίηση.

12 Γεννήτρια 113 Sn- 113m In. Γεννήτρια 68 Ge- 68 Ga. Γεννήτρια 81 Rb- 81m Kr. Γεννήτρια 87 Y - 87m Sr. To μητρικό ραδιονουκλίδιο έχει περίπου Τ 1/2 80h, ενώ το θυγατρικό έχει Τ 1/2 2,8h και εκπέμπει 388 kev γάμμα. Το Yττριο-87 υπό μορφή ενώσεων χλωρίου απορροφάται σε στήλη ανιοανταλλακτικής ρητίνης Dowex-1x8 και το 87m Sr εκλούεται με 0,15 Μ διάλυμα διττανθρακικού νατρίου. Το έκλουμα οξυνίζεται, θερμαίνεται, οπότε απομακρύνεται το ανθρακικό, και τελικά το ph ρυθμίζεται στο 6 και χρησιμοποιείται για σπινθηρογράφημα οστών.

13 Απόδοση και Αθροιστική συγκέντρωση της ραδιενέργειας στή στήλη Η ραδιενέργεια του θυγατρικού ραδιονουκλιδίου στη κολόνα εξαρτάται από την ενέργεια του μητρικού, το ποσοστό μετατροπής του μητρικού στο θυγατρικό και το χρόνο από τη προηγούμενη έκλουση. Η ραδιενέργεια στη στήλη συνήθως αναφέρεται με όρους ραδιενέργεια του μητρικού ραδιονουκλιδίου. Για παράδειγμα, μια γεννήτρια 99 Mo - 99m Tc θα έχει μία ενέργεια 100 mci 99 Mo σε καθορισμένο χρόνο και ημερομηνία που αναφέρεται η μέτρηση (ημερομηνία και χρόνος διαβάθμισης).

14 Η μετατροπή του μητρικού στο θυγατρικό που ενδιαφέρει δεν είναι πάντα πλήρης. Για παράδειγμα, 8,6% από το 99 Mo διασπάται σε 99 Tc (Σχ.6-7) χωρίς να διέρχεται από το 99m Tc (μετασταθές στάδιο), με αποτέλεσμα, μετά την έκλουση της γεννήτριας 99 Mo - 99m Tc, η αθροιστική συγκέντρωση του 99m Tc μεταξύ εκλούσεων, να παρουσιάζει την εικόνα της καμπύλης με τις συνεχείς γραμμές, όπως στο Σχ.6-8 που είναι σε μικρότερο επίπεδο από εκείνη που θα προέκυπτε, εαν το 99 Μο διεσπάτο 100% μέσω του 99m Tc, οπότε όπως θα δειχθεί παρακάτω, η ραδιενέργεια του τελευταίου θα έφθανε σε επίπεδα όπως ορίζονται από τις εστιγμένες γραμμές.

15 Για να γίνει αντιληπτή η αθροιστική συσσώρευση ραδιενέργειας του θυγατρικού μετά την έκλουση, θα βοηθούσε να μελετηθούν οι εξισώσεις που συνδέονται με την ενέργεια μητρικού και θυγατρικού. Δηλαδή, θα μελετηθεί η συσσώρευση ραδιενέργειας σε ραδιονουκλίδιο Β στην περίπτωση όπου ραδιονουκλίδιο Α διασπάται σε Β το οποίο με τη σειρά του σε C, εξ λ Α λ Β Α Β C (6-24)

16 Εστω μία γενική κατάσταση, όπου το μητρικό, με αρχική ραδιενέργεια Α 1 και (Τ 1/2 0,693/λ 1 ) διασπάται σε ραδιενεργό θυγατρικό (Τ 1/2 0,693/λ 2 ), το οποίο έχει ραδιενέργεια Α 2 σε χρόνο t μετά την έκλουση. Η ραδιενέργεια του μητρικού υπακούει στη βασική εξίσωση (εξ.2-7) της ραδιενεργούς διάσπασης και έχει την μορφή της εξ Α 1 = Α 1ο e -λ 1 t (6-25) ενώ, η ραδιενέργεια του θυγατρικού εκφράζεται από την εξ.6-26 Α 2 = λ 2 Α ο 1 (e -λ 1 t - e -λ 2 t ) (6-26) λ 2 -λ 1 που, όπως φαίνεται εξαρτάται: a) από το ρυθμό σχηματισμού του θυγατρικού, που είναι ίσος με το ρυθμό διάσπασης του μητρικού (Α 1ο e -λ 1 t ), b) από το ρυθμό διάσπασης του θυγατρικού (ανάλογο του λ 2 ), c) από το χρόνο t μετά την έκλουση.

17 α) Εάν ο χρόνος ημιζωής του μητρικού είναι σημαντικά μεγαλύτερος (τουλάχιστο 100 φορές) εκείνου του θυγατρικού, δηλαδή λ1 << λ2, τότε η διάσπαση του μητρικού μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα συγκριτικά με εκείνη του θυγατρικού και να παραληφθεί, οπότε στην εξ.6-26 μπορεί να θεωρηθεί ότι e -λ 1 t =1 και λ 2 -λ 1 ~~ λ 2 πράγμα που οδηγεί στην Α 2 = Α 1 ο (1- e -λ 2 t ) (6-27) εξ.6-2. Γραφική παράσταση της εξ.6-27 φαίνεται στο Σχ.6-9. Μετά από χρονική περίοδο σημαντικά μεγαλύτερη από το χρόνο ημιζωής του θυγατρικού, ο παράγων e -λ 2 t θα τείνει προς το μηδέν και επομένως η εξ απλοποιείται και Α 2 =Α 1. Επομένως στην περίπτωση αυτή αμφότερα, μητρικό και θυγατρικό, έχουν την ίδια ραδιενέργεια και διασπώνται με τον ίδιο φαινομενικό χρόνο ημιζωής με εκείνο του μητρικού. Δηλαδή οι ραδιενέργειες μητρικού-θυγατρικού βρίσκονται σε ισορροπία κατά τρόπο ακριβώς ανάλογο με την ισορροπία που επιτυγχάνεται μετά από μακρά ακτινοβόληση στόχου κατά την παραγωγή ενός νουκλιδίου σε αντιδραστήρα με βομβαρδισμό νετρονίων. Στη μια περίπτωση η ροή νετρονίων είναι σταθερή και στην άλλη ο ρυθμός διάσπασης είναι ουσιαστικά σταθερός. Παραδείγματα ραδιοϊσοτόπων που εμπίπτουν στην κατηγορία αυτή είναι το 137 Cs (T 1/2 30 y) που διασπάται στο 137m Ba (T 1/2 2,6 min) και το 113 Sn (T 1/2 117d) που διασπάται στο 113m In (T 1/2 100 min).

18 β) Εάν ο χρόνος ημιζωής του θυγατρικού είναι μικρότερος από το μητρικό, αλλά όχι στο βαθμό της προηγούμενης περίπτωσης (π.χ.υπάρχει διαφορά κατά ένα παράγοντα 10-50), τότε λ 1 <λ 2. Στην περίπτωση αυτή δεν μπορεί να υποτεθεί ότι e -λ 1 t =1, γενικά δε πρέπει να χρησιμοποιείται όλη η εξ.6-26 για να υπολογιστεί η ραδιενέργεια του θυγατρικού. Στο Σχ.6-10 φαίνεται γραφική παράσταση της σχετικής ραδιενέργειας μητρικού και θυγατρικού σε συνάρτηση με το χρόνο, σύμφωνα με την εξ.6-26, κατά την διάσπαση του 99 Mo (T 1/2 67 h) σε 99m Tc (T 1/2 60 h). Οπως φαίνεται αρχικά αυξάνει η ραδιενέργεια του θυγατρικού νουκλιδίου και περίπου σε τέσσερες χρόνους ημιζωής αυτή αποκτά μεγίστη τιμή. Ο ακριβής χρόνος που απαιτείται για το σκοπό αυτό, δηλαδή για μεγίστη ραδιενέργεια του θυγατρικού, δίνεται από την εξ.6-28 t = 1 ln λ 2 (6-28) λ 2 -λ 1 λ 1

19 Οταν ο χρόνος t, γίνει αρκετά μεγάλος (μεγαλύτερος από πέντε χρόνους ημιζωής του θυγατρικού) ο παράγων e -λ 2 t την εξ.6-26 γίνεται μικρός συγκριτικά με το e -λ 1 t. Oπότε η εξ.6-26 μπορεί να απλοποιηθεί στην εξ Στη περίπτωση αυτή το θυγατρικό ραδιονουκλίδιο ακολουθεί τον φαινομενικό χρόνο ημιζωής του μητρικού, δηλαδή Α 2 = λ 2 λ 2 -λ 1 Α 1ο e -λ 2 t (6-29)

20 εμφανίζεται μία προσωρινή ισορροπία μεταξύ της ραδιενέργειας του μητρικού και του θυγατρικού. Εαν στην περίπτωση αυτή σε δεδομένη χρονική στιγμή ο παράγων Α 1 ο e -λ 1 t = A 1 τότε από την εξ.6-30 προκύπτει η εξ Α 2 = λ 2 Α 1 λ 2 -λ 1 (6-30) κατά την οποία η ραδιενέργεια του θυγατρικού θα είναι μεγαλύτερη από εκείνη του μητρικού κατά ένα παράγοντα λ 2 /(λ 2 -λ 1 ). Στη περίπτωση του συστήματος 99 Μο- 99m Tc η ραδιενέργεια του θυγατρικού είναι μικρότερη του μητρικού διότι μόνο τα 87% του 99 Μο διασπάται σε 99m Tc (σχ.6-13). Εάν το 99 Μο διασπάτο 100% σε 99m Tc τότε στην προσωρινή ισορροπία η ραδιενέργεια του θυγατρικού θα ήταν μεγαλύτερη εκείνης του μητρικού και μάλιστα σε επίπεδα που ορίζονται από τις εστιγμένες γραμμές.

21 Απόδοση έκλουσης του θυγατρικού Οταν η στήλη εκλούεται, δεν απομακρύνεται όλη η ποσότητα του θυγατρικού. Μία από τις αιτίες είναι η ραδιόλυση, που οφείλεται στην υψηλή ραδιενέργεια της στήλης, λόγω της οποίας σχηματίζονται χημικώς δραστικές ελεύθερες ρίζες που μπορούν να προκαλέσουν αναγωγή του θυγατρικού σε μικρότερο επίπεδο οξείδωσης. Ετσι, μερικοί παρασκευαστές, για να βελτιώσουν την απόδοση έκλουσης, προσθέτουν οξειδωτικά αντιδραστήρια στο έκλουσμα ή στη στήλη. Επίσης οι περισσότερες γεννήτριες έχουν ένα φίλτρο στην έξοδο του εκλούσματος, που εμποδίζει μικρά σωματίδια να διέλθουν από τη στήλη στο έκλουσμα. Η απόδοση σε ραδιενέργεια στο έκλουσμα, εξαρτάται από την ραδιενέργεια του θυγατρικού στη στήλη και από την απόδοση της έκλουσης. Η ραδιενέργεια του θυγατρικού στη στήλη εξαρτάται από εκείνη του μητρικού, από το ποσοστό της μετατροπής και από τον χρόνο από την προηγούμενη έκλουση. Η απόδοση έκλουσης είναι συνήθως περίπου 80% της θεωρητικής ολικής ραδιενέργειας του θυγατρικού.

22 Γενικές επιπλέον πληροφορίες Οι εμπορικές γεννήτριες έχουν σχεδιαστεί, για να αποδίδουν στείρο έκλουσμα. Είναι, επομένως, ουσιαστικό να τοποθετούνται σε καθαρό περιβάλλον (εστία laminar flow). να τοποθετούνται σε περιοχή μακριά από την καθημερινή κίνηση του εργαστηρίου, για λόγους ραδιοπροστασίας. μεγάλη ραδιενέργεια => πρέπει να τοποθετείται πίσω από επιπλέον θωράκιση μόλυβδου. Εάν τα προϊόντα της γεννήτριας είναι πτητικά, π.χ. γεννήτρια 132 Te- 132 I, η γεννήτρια πρέπει να τοποθετείται σε καλά αεριζόμενη εστία. να ακολουθούνται πιστά οι οδηγίες του κατασκευαστή σε όλα όσα αφορούν τη λειτουργία, φύλαξη και ελέγχους της γεννήτριας. Η ραδιενέργεια του εκλούσματος πρέπει πάντα να μετριέται πειραματικά και ο υπολογισμός της να μη βασίζεται μόνο σε μαθηματικές υποθέσεις. Οι ραδιονουκλιδικές προσμίξεις προσδιορίζονται με τη χρήση κατάλληλων μετρητών, όπως ανιχνευτές ημιαγωγού (semiconductor detectors), που έχουν μεγάλη διακριτική ικανότητα ενέργειας. Ενας απλός τρόπος για τον προσδιορισμό της παρουσίας 99 Mo στο έκλουσμα του 99m Tc είναι η μέτρηση του εκλούσματος με και χωρίς κατάλληλη θωράκιση μόλυβδου, οπότε οι ακτίνες γάμμα του 99m Tc (140 kev) θα απορροφηθούν μεγάλο ποσοστό, ενώ οι μεγαλύτερης ενέργειας του 99 Mo θα απορροφηθούν σε πολύ μικρότερο ποσοστό. Το μέγιστο ποσοστό 99 Mo που επιτρέπεται για ιατρικές εφαρμογές είναι 0,1% της συνολικής ραδιενέργειας.

23