Медицинские индикаторы в физике (или радиация в медицине)

Как врачи заглядывают внутрь нашего тела, когда нас сканирует машина? Это связано с радиоактивностью так называемых медицинских индикаторов. Некоторое радиоактивное вещество вводится в наш организм, и в результате излучение, испускаемое веществом, видно снаружи нашего тела с помощью специального оборудования. Затем врачи могут основывать свой диагноз на том, где они видят радиоактивность внутри нашего тела. Вы можете изучить основы медицинских индикаторов, прочитав эту статью.

Определение медицинских индикаторов

Медицинский индикатор - это химическое соединение, содержащее радиоактивный изотоп, который используется врачами для обнаружения внутренних органов путем обнаружения излучаемого им излучения.

Итак, для диагностики нас?

Диагностика с помощью медицинских индикаторов
Радиоактивные индикаторы используются для получения изображений участков тела во время тестов. Разные части нашего тела поглощают разные биохимические вещества. "Присоединяя" радиоактивный изотоп к такому веществу, мы создаем медицинский индикатор, и мы можем наблюдать, как наш организм обрабатывает медицинский индикатор, глядя на излучение, исходящее от него.

Вот почему радиоактивное вещество называется (медицинским) индикатором: оно отслеживает путь, который проходит нерадиоактивная версия вещества в организме.

Если это излучение представляет собой бета (?) или гамма (?) излучение, то оно может проходить через приличную толщину ткани (в отличие от альфа (?) излучения, частицы которого слишком велики, чтобы иметь возможность проходить намного дальше, чемчерез ткань). Таким образом, если медицинский индикатор содержит радиоактивные изотопы, которые испускают бета- или гамма-излучение, и оно поглощается органом, то мы можем увидеть этот орган, наблюдая излучение, исходящее от органа.

Оборудование, используемое для обнаружения гамма-излучения, представляет собой специализированную камеру, предназначенную для захвата гамма-спектра вместо видимого спектра света. Для обнаружения других типов излучения используются так называемые сцинтилляционные счетчики: эти устройства улавливают частицы излучения внутри камеры, что заставляет их излучать свет. Этот процесс называется сцинтилляцией, и мы можем использовать обычные (но чувствительные) камеры для обнаружения этого света.

Если у кого-то подозревается опасно увеличенная почка, мы можем найти биохимический агент, который поглощается почками, и присоединить к нему радиоактивный изотоп, так что вещество испускает бета- или гамма-излучение: теперь это медицинский индикатор. На практике изотоп технеций-99m часто используется в медицинских индикаторах для сканирования почек. Затем мы вводим медицинский индикатор в организм человека и немного ждем, пока почки не поглотят большую его часть. Теперь мы можем направить устройства обнаружения бета- или гамма-излучения на нашего пациента, эффективно увидеть его почки и либо диагностировать у него опухшую почку, либо нет.

Изотопы в медицинских индикаторах

Давайте посмотрим, что нам требуется от радиоактивного изотопа, который используется в медицинском индикаторе.

Излучаемое излучение должно быть способно перемещаться изнутри тела пациента к детектору излучения вне тела.
Излучение должно быть способно обнаруживаться детектором.
Излучаемое излучение не должно иметь такой высокой энергии, чтобы оно повреждало тело пациента.
Излучение должно находиться там достаточно долго, чтобы его можно было использовать для постановки диагноза, но достаточно короткое, чтобы пациент мог подвергаться облучению не намного дольше, чем необходимо.
Сам изотоп не должен наносить вред организму пациента каким-либо иным образом, кроме своей радиоактивности.
Это означает, что радиоактивный изотоп внутри медицинского индикатора должен обладать следующими характеристиками.

Изотоп испускает бета- или гамма-излучение.
Энергия на частицу излучения не должна быть слишком низкой.
Если изотоп испускает гамма-излучение, оно должно иметь достаточно низкую частоту, чтобы не повредить организм пациента.
Период полураспада изотопа должен составлять от минут до дней, и предпочтительно несколько часов.
Изотоп не должен быть токсичным.

Примеры изотопов, используемых в медицинских индикаторах

В медицинских индикаторах могут использоваться различные радиоизотопы. Для заинтересованного читателя мы собрали несколько примеров радиоактивных изотопов, которые могут быть использованы в медицинских индикаторах.

Технеций-99

Вариант технеция-99, который находится в возбужденном состоянии (технеций-99m), является наиболее широко используемым медицинским радиоактивным изотопом, поскольку он обладает множеством хороших свойств. Он испускает низкочастотное гамма-излучение в процессе перехода на более низкий энергетический уровень, имеет период полураспада 6 часов и не токсичен, поэтому он проверяет все флажки для использования в хорошем медицинском индикаторе.

Галлий-68

Галлий-68 испускает бета-излучение, имеет период полураспада 68 минут и не токсичен, так что это также хороший медицинский индикатор. Этот изотоп в основном используется для выявления некоторых вариантов рака.

Фтор-18

Фтор-18 испускает бета-излучение, имеет период полураспада 110 минут и не токсичен. Он широко используется при ПЭТ-сканировании, чтобы, среди прочего, мы могли наблюдать за мозгом, сердцем, щитовидной железой и костями.

Рубидий-82

Рубидий - это щелочной металл, характеристики которого очень похожи на характеристики калия. Следовательно, бета-распад рубидия-82 можно использовать для отслеживания движения калия: он может заменить калий во многих биологических процессах. Период полураспада составляет чуть более одной минуты, поэтому диагноз должен быть поставлен быстро, но пациент будет испытывать серьезные уровни радиации всего несколько минут.

Пример использования медицинского индикатора

Давайте рассмотрим пример процесса использования медицинского индикатора.

Известно, что мертвая или поврежденная клетка сердечной мышцы не очень хорошо удерживает калий, в то время как здоровые клетки сердечной мышцы это делают. Чтобы выяснить, повреждено ли чье-либо сердце (частично), мы можем использовать медицинский индикатор, как в следующей пошаговой процедуре.

Мы объединяем изотопы рубидия-82 с соответствующим биологическим веществом для создания индикатора medica.
Мы вводим это зараженное вещество пациенту.
Мы ждем несколько минут. В общем, время ожидания зависит от того, насколько легко вещество всасывается и период полураспада медицинского индикатора.
На этом этапе радиоактивный рубидий-82 должен был занять место некоторых атомов калия в клетках сердечной мышцы.
Если мы видим излучение, исходящее от сердечной ткани, мы знаем, что эта ткань содержит рубидий-82, поэтому она содержит калий, что означает, что это здоровый кусочек сердечной ткани. Если мы не видим излучения, исходящего от какой-либо части ткани сердечной мышцы, мы знаем, что эта часть должна быть повреждена или мертва. Таким образом, мы можем диагностировать нашего пациента на основе наших радиационных наблюдений, которые стали возможными благодаря медицинскому индикатору.

Использование радиоактивных индикаторов

Радиоактивные изотопы могут использоваться в индикаторах и в других контекстах, и в этом случае их называют радиоактивными индикаторами. Ниже приведен список применений радиоактивных индикаторов, помимо медицины.

Использование радиоактивных индикаторов: гидроразрыв пласта
Гидроразрыв - это процесс, при котором вы создаете трещины в горных породах. Вы можете ввести в эти трещины радиоактивный индикатор, чтобы вы могли наблюдать профиль созданных вами трещин.

Углерод каждого живого организма состоит из одного и того же процентного содержания изотопов углерода-14, но как только организм умирает, обмен атомов углерода с окружающей средой прекращается. Это означает, что процентное содержание изотопов углерода-14 медленно, но неуклонно уменьшается, потому что углерод-14 радиоактивен с периодом полураспада почти 6000 лет. Таким образом, измеряя процентное содержание изотопов углерода-14 в организме, мы можем выяснить, как давно он умер. В этом процессе вы можете рассматривать углерод-14 как индикатор, который естественным образом присутствует в каждом организме, и не точное местоположение радиоактивных изотопов имеет значение, а количество общего излучения имеет значение для "диагностики" того, как долго организм умер.

Медицинские индикаторы - ключевые выводы

Медицинский индикатор - это вещество, содержащее радиоактивный изотоп, которое используется врачами для осмотра внутренних органов.
"Прикрепляя" радиоактивный изотоп к биохимическому веществу, мы можем наблюдать это вещество, наблюдая за излучением, исходящим от него. Если это вещество поглощается органом, то мы можем увидеть этот орган, наблюдая излучение, исходящее от органа.
Медицинские индикаторы должны обладать следующими характеристиками.
Изотоп испускает бета- или гамма-излучение.
Энергия на частицу излучения не должна быть слишком низкой.
Если изотоп испускает гамма-излучение, оно должно иметь достаточно низкую частоту, чтобы не повредить организм пациента.
Период полураспада изотопа должен составлять от минут до дней, и предпочтительно несколько часов.
Изотоп не должен быть токсичным.
Принцип видения вещей с помощью радиоактивных индикаторов не ограничивается только медицинскими приложениями.