Синхротрон випромінювання: з рук фізиків - в руки
лікарів
В.Г. Недорезов, д.ф.-м.н., зав. лаб. фотоядерних
реакцій Ін-ту ядерних досліджень РАН.
Назва
"Синхротроном випромінювання" (СІ) пов'язане з його джерелом-кільцевих прискорювачем
електронів (синхротроном), у якому електрони рухаються по колу в
магнітному полі. Круговий рух приводить до того, що електрон відчуває
доцентровий прискорення, за рахунок чого і виникає СІ, яке можна
одержувати в інфрачервоному та видимому діапазонах, а можна в рентгенівському. Це
залежить від енергії електронів і величини магнітного поля.
Про користь синхротронного випромінювання
Перший
в Європі синхротрон був створений у Фізичному інституті АН СРСР під керівництвом
академіка В. І. Векслера в 1946 р. Наступний важливий крок був зроблений в 1960-х роках
(і теж в Росії) академіком Г. І. Будкерам із співробітниками, які створили
електронний накопичувач, здатний працювати без інжекції пучка протягом
тривалого часу. Спочатку синхротроном випромінювання розглядалося як
шкідливий ефект, який заважає прискорення частинок високих енергій (втрати на
синхротроном випромінювання - близько одного відсотка від повної потужності пучка
електронів у накопичувачі). Однак незабаром (приблизно в 70-х роках) на
базі електронних накопичувачів високих енергій з'явилися спеціалізовані
джерела СІ, і, як це часто бувало, фундаментальні розробки дали потужний
імпульс різних прикладних застосувань, зокрема в медицині. Електронні
накопичувачі привабливі також своєї відносної екологічної
безпекою. Тут справа в тому, що основну небезпеку в плані радіації несуть
частинки високої енергії (електрони), які випромінюють СІ. А у накопичувачі
електрони залишаються всередині замкнутого вакуумного об'єму і не виходять назовні,
тому їх радіаційна небезпека мінімальна. Саме по собі СІ в рентгенівському,
а тим більше у видимому діапазонах небезпечно не більше, ніж випромінювання від
рентгенівської трубки, з якої лікарі вже давно навчилися працювати.
Незважаючи
на повсюдне розвиток рентгенівських методів діагностики, слід визнати,
що вони не позбавлені недоліків. По-перше, якість рентгенівських знімків (їх
контраст) не завжди задовольняє лікаря. Контраст визначається розходженням
щільності і атомної ваги досліджуваних об'єктів, яке для біологічних
тканин порівняно невелике. Тому, наприклад, розпізнати пухлину в організмі
людини на ранній стадії її утворення зовсім непросто.
По-друге,
доза опромінення при ретельному обстеженні може виявитися досить
значною. Це пов'язано з тим, що звичайне рентгенівське випромінювання має
безперервний спектр, а для просвічування бажані монохроматичні фотони з
певною енергією, яка відповідає товщині і щільності об'єкта. У підсумку
більша частина фотонів не приносить користі, а тільки збільшує дозу опромінення.
Спроби монохроматізіровать спектр за допомогою фільтрів або монохроматоров
призводять до зменшення інтенсивності пучка фотонів і, відповідно, до
збільшення часу експозиції. При цьому рентгенівські трубки стають дуже
громіздкими і важкими в експлуатації. Більшість перерахованих проблем можна
вирішити, якщо скористатися джерелами СІ в рентгенівському діапазоні.
Гідність
СІ полягає не тільки у високій інтенсивності, але й у тому, що воно має
малу кутову розбіжність. Тому, крім звичайного методу поглинання, для
отримання зображень можна використовувати рефракцію (заломлення) або розсіювання
фотонів на межах розділу середовищ. При цьому виявляється, що рефракція більше
чутлива до зміни щільності середовища, ніж поглинання. Завдяки цим
унікальним параметрам використання СІ дуже ефективно в різних
діагностичних процедурах, наприклад в ангіографії, мамографії, денситометрії,
- Тобто там, де потрібна висока якість знімків. У результаті стає
можливої діагностика онкологічних захворювань на ранній стадії їх розвитку.
Крім
діагностики, в медицині важливе значення мають терапевтичні методи
використання випромінювань, особливо при лікуванні онкологічних захворювань. Але не
секрет, що звичайні електронні або рентгенівські гармати вражають не тільки
хворі, а й здорові тканини. Використання СІ, як буде показано нижче, може
суттєво допомогти вирішенню цієї проблеми.
В
2001 введено в дію перший в Росії спеціалізований джерело СІ. Він
знаходиться в Російському науковому центрі "Курчатовський інститут" (РНЦ КІ) і
призначений для досліджень в області рентгенівського випромінювання з енергією до
30-40 кеВ. На його базі в 2004 р. під керівництвом члена-кореспондента РАН
М. В. Ковальчука створено центр колективного користування - Курчатовський центр
синхротронного випромінювання і нанотехнологій, у завдання якого входить проведення
досліджень на СІ з багатьох напрямків науки і технології, у тому числі і
розвиток медичних програм.
Для
того, щоб отримати синхротроном випромінювання в рентгенівському діапазоні, енергія
електронів повинна бути досить велика (декілька мільярдів електронвольт).
Діаметр кільця в такому випадку становить сто і більше метрів. Наприклад, на
Курчатовський джерелі СІ, який відноситься до джерел 2-го покоління,
енергія електронів дорівнює 2.5 ГеВ. У світі вже побудовані джерела третій
покоління (European SYNchrotron Radiation Facility, ESRF, у Франції, Sрring-8
в Японії), які в кілька разів перевершують його за часом життя пучка, по
енергії та інтенсивності, а також кутовий розбіжність. Поділ на покоління
досить умовне, але за основними параметрами джерела різних поколінь
розрізняються приблизно на порядок. Наприклад, у першому джерел час життя
електронів в кільці становило близько години, у другого покоління - 10 годин, у
третій наближається до 100 ч.
Тематика
робіт з медицини з використанням СІ значно ширше, ніж буде розглянуто
тут. Сюди можна віднести різноманітні біологічні дослідження, розшифровку
структури білка, створення нових лікарських препаратів і багато іншого.
Однак ми опускаємо ці питання, наголосивши на застосуванні СІ в практичній
медицині. Більш того, зосередимося на тих завданнях, вирішення яких найкраще
відповідають можливості першого в Росії спеціалізованого синхротронного
джерела в РНЦ КИ.
Промені діагностують ...
Відразу
після відкриття К. Рентгеном Х-променів (1895) почалося їх практичне
використання в медицині, головним чином для отримання зображень внутрішніх
органів. Пізніше дуже важливу роль зіграло поява комп'ютерів,
здатних обробляти великий обсяг інформації, яка укладена в
рентгенівських знімках, а також детекторів для реєстрації рентгенівських
квантів. У результаті були створені рентгенівські комп'ютерні томографи,
що дозволили отримувати тривимірні зображення з високим просторовим
роздільною здатністю.
Клінічні
застосування рентгенівського випромінювання різноманітні [1]. До них відносяться
коронарна ангіографія та мікроангіографія, лімфографія, томографія мозку і
судин, денситометрія кісток, мікроелементний аналіз і багато іншого. Ці ж
напрямку, але на більш високому по відношенню до сучасної практиці рівні,
розвиваються на джерелах синхротронного випромінювання в Брукхевене (США), КЕК в
Цукубі (Японія) та інших центрах [1]. Більш високий рівень забезпечується
головним чином тим, що крім звичайного методу поглинання застосовуються інші
фізичні принципи отримання зображень, такі як рефракція або малоугловое
розсіювання, про що буде сказано нижче.
Методично
представлені на рис.1 напрямки можна розділити на три основні типи.
По-перше, отримання зображень внутрішніх органів і оцінка на цій основі
різних патологій. По-друге, мікроелементний аналіз біорідинами, біоптатів
та ін По-третє - мікролучевая терапія.
Рис.
1. Схема установки на Курчатовський джерелі СІ, що ілюструє метод рефракційної
контрасту. 1 - падає пучок СІ, 2 - кристал-монохроматор, налаштований на
відбиття (511), 3 - кристал-аналізатор, що реєструє відображення (333), 4 --
досліджуваний об'єкт, 5 - реєструючий пристрій (детектор на основі
ПЗЗ-матриці).
М'які тканини
Мета
мамографічного обстеження - виявлення і спостереження за локальними
змінами щільності в м'якої тканини молочних залоз. При цьому бажано
виявляти пухлини з малим зміною щільності (порядку декількох
відсотків) і малим розміром (менше 0.1 мм), що необхідно для ранньої
діагностики та лікування захворювання. Для існуючих методів, включаючи звичайний
рентгеноскопію, це виявляється практично нездійсненним завданням.
Уявімо
тепер, що замість звичайного методу поглинання буде використаний метод рефракції
випромінювання на кордонах об'єктів з різною щільністю. Таким чином, ми будемо
вимірювати зміна (градієнт) щільності на межі розділу середовищ шляхом
реєстрації переломленому хвилі. Нові методи отримання зображень, які отримали
назву фазового контрасту, якщо використовується зміна фази, або
рефракційної інтроскопії, якщо вимірюється заломлення, вже широко використовуються
на різних джерелах СІ у світі. У нас в Росії основними по
рефракційної інтроскопії стали досліди В. А. Соменкова, С. А. Шільштейна з
співробітниками [2]. Перші роботи з біології з використанням СІ з цієї
тематики виконувалися в Новосибірському інституті ядерної фізики спільно з
Вазін А.А. та іншими біофізикам з Пущино [3].
Для
отримання зображень за методом рефракційної інтроскопії об'єкт зберігається
всередину спеціального приладу, що складається з двох скоєних кремнієвих
кристалів (рис.1). Перший кристал служить монохроматором випромінювання, другий --
аналізатором.
mag /
відхилення пучка на границі повітря-об'єкт у наближенні геометричної оптики
одно
da
= (1 - n) · ctga. (1)
Зміна
коефіцієнта заломлення на межі органічної тканини з повітрям задається
формулою
(1
- N) = 1.5 • 10-6l2, (2)
де
a - кут між пучком і заломлюючої поверхнею, n - показник заломлення,
l - довжина хвилі, виражена в ангстрема. Величина рефракційної контрасту
визначається відносним локальним зміною інтенсивності пучка,
зазнав відхилення на кут a. Для циліндричного об'єкта найбільший
контраст виникає на його краях, тому зображення здаються об'ємними (див.,
наприклад, рис.2). Докладний розрахунок контрасту і дози опромінення для рефракційної
інтроскопії можна знайти в [4].
Рис.
2. Зображення деревного листа,
отримане
методом рефракційної інтроскопії.
Для
кількісних оцінок параметрів маммографічних діагностичних апаратів
використовуються спеціально розроблені фантоми, які представляють собою
воскову пластину з різними включеннями, що імітують пухлини. На
Курчатовський джерелі СІ К. М. Подурець з співробітниками виконав експеримент [5],
використовуючи сертифікований фантом RM156, і показав, що використання
рефракційної методу значно підвищує чутливість методу і дозволяє
виявляти такі об'єкти, як мікрокальцінати, кальциновані судини і
пухлини в кілька разів меншого розміру, ніж при стандартній, абсорбційної
зйомці (див. рис.3). Новий тип контрасту в поєднанні з високою якістю пучка
синхротронного випромінювання дає можливість не тільки підвищити інформативність
зображень, але і значно знизити дозову навантаження на пацієнта. Було також
встановлено, що якщо злегка пожертвувати інформативністю зображень за рахунок
зменшення часу експозиції, вдається при стандартному рівні виявлення
ознак захворювання додатково знизити дозу опромінення при обстеженні.
Рис.
3. Зображення фрагментів фантома, моделюючих мікрокальцінати (а),
кальцинований посудину (б) і пухлина (в).
Важлива
частина цієї роботи - розробка і створення детекторів нового типу для отримання
зображень, тому що звичайна рентгенівська плівка неадекватна новим
діагностичним методам. І справа тут не тільки в тому, що рентгенівська плівка
створює деякі незручності в роботі, пов'язані з проявом і ін Для отримання
більш якісних зображень, особливо тривимірних, необхідні більше
досконалі пристрої, що дозволяють відразу вводити інформацію в комп'ютер і
виконувати обробку даних. Тому спеціально для таких завдань Н. К. Кононовим і
ін в РНЦ КИ спільно з Інститутом ядерних досліджень (ІЯД) РАН були
розроблені детектуючі системи на основі ПЗЗ-матриць [6].
мамографічний
дослідження з використанням синхротронного випромінювання ведуться на різних
джерелах СІ в різних країнах, наприклад в Трієст (Італія) [7], в Брукхевене
(США) [8] та інші, причому за допомогою різних модифікацій методу рефракційної
інтроскопії. Наприклад, замість двухкрісталльной схеми застосовують однокрісталльную
(без кристала-аналізатора). У цьому випадку зображення за методом поглинання
виходить при мінімальній відстані між об'єктом і детектором, а
рефракційної - при значній відстані детектора від зразка.
В
даний час не можна сказати, що діагностичні методики в мамографії з
використанням фазового контрасту або рефракційної інтроскопії повністю
відпрацьовані. Існують невирішені проблеми, пов'язані як з формуванням
пучків, так і з аналізом і інтерпретацією отримуваних зображень. Однак з
точки зору можливостей джерела СІ в РНЦ "Курчатовський інститут" дане
напрямок є одним з найбільш перспективних.
... Кісткові структури
В
останні роки кісткові захворювання, пов'язані з втратою маси кісткової тканини або
зменшенням її щільності, вийшли на четверте місце в світі за
поширеності. Особливо це стосується людей похилого віку, у яких ймовірність
переломів кістки дуже велика. Не дивно, що проблеми остеопорозу в
розвинених країнах зараз приділяється велика увага.
Остеопороз
в буквальному перекладі з давньогрецької мови означає отвір, або дірка
( "Порозов") в кості ( "остео"). Тому до цих пір діагностика остеопорозу
проводиться в основному за допомогою вимірювання маси кісткової тканини (денситометрії)
за допомогою рентгенівських апаратів. Використання синхротронного випромінювання
дозволяє не тільки якісно поліпшити метод денситометрії (що в основному
пов'язане зі зменшенням дози на кожну експозицію), а й розробити інші,
більш надійні методики для ранньої діагностики захворювань кісток.
Рис.
4. Схема "триколірної" оптики, що забезпечує одночасне отримання
зображення за методом фазового контрасту (область Р1, Р2), рефракції (An) і
поглинання (Ab). М - монохроматор, S - спліттер, MI, MII - кристали, що змінюють
напрям променів, А - аналізатор.
Перехід
від простих (з точки зору структури) маммографічних об'єктів до більш
складним, наприклад кістках людини, супроводжується як вдосконаленням
рентгено-оптичних методів, так і розробкою алгоритмів для обробки та
аналізу одержуваних зображень. У роботі М. Андо зі співробітниками [9] запропоновано
новий метод отримання зображень ( "триколірна оптика"), що дозволяє
одночасно вивчати об'єкт у трьох видах: у звичайному поглинанні, в
фазово-інтерференційної контрасті і за методом рефракції. Ідею експерименту
можна зрозуміти за допомогою мал.4. Перший кристал - монохроматор - використовується для
того, щоб з падаючого вузького пучка СІ створити пучок певної енергії з
максимально можливої світлосилою. Половина цього пучка (i) направляється
безпосередньо на об'єкт, а друга половина (iў) розщеплюється на кристалі S
( "Спліттер") ще на два промені. Перший промінь (i), зазнавши поглинання, але не змінивши
напрямки, створює абсорбційні зображення в області Ab. Переломлені на кордоні
об'єкта промені від сплітера потрапляють в область An, де формується рефракційної
зображення. Щоб забезпечити їх попадання в цю область, необхідний ще один
кристал MII, який відхиляє їх потрібним чином. Третє зображення
виходить за допомогою двох променів від сплітера: один з них змінює фазу при
взаємодії з об'єктом, а інший промінь, який через об'єкт не проходить (його
напрям змінюється кристалом МI), - ні. Зображення в області Р1 і P2
виходить в результаті інтерференції цих двох пучків після проходження
аналізатора А. Такий спосіб отримання зображення називається методом фазового
контрасту. Як показано в роботі [9], комбінація різних методів підвищує
надійність діагностики та істотно зменшує помилки вимірювань.
На
Курчатовський джерелі СІ були проведенідослідження біоптатів кісткової тканини
людини, надані Центральним інститутом травматології та ортопедії
ім.Н.Н.Пріорова (ЦИТО). Біоптату являють собою невеликі фрагменти,
об'ємом менше одного кубічного сантиметра, добуті за допомогою операції
з кістки і поміщені в формалін. На рис.5 показані знімки, зроблені методом
рефракції (а) і поглинання (б). Видно, що структура кістки на рис.5, а
проявляється значно краще, ніж на малюнку 5, б. На верхньому малюнку добре
видно зовнішній (кортикальний шар) кістки, а також внутрішній, який складається з
поздовжніх шарів (трабекул) розміром до кількох сотень мікрон. Тут
використання синхротронного випромінювання набуває особливого значення, тому що
інші методи для оцінки міцності кістки виявляються малопріменіми. Хоча з
допомогою електронного мікроскопа, що дає дуже високе просторове
дозвіл, можна побачити в кості кристали кальциту розміром близько 1 мкм, але в
практичній медицині це поки що не знайшло широкого застосування. На синхротронах
пучках розміри і орієнтацію таких кристалів вдається визначати за допомогою
електронної спектроскопії.
Рис.
5. Зображення біоптату кістки людини, отримане методом рефракції (а) і
поглинання (б) на Курчатовський джерелі СІ.
Таким
чином, використання СІ дозволяє зробити якісно новий крок у
експериментальних і клінічних дослідженнях фізіологічних і патологічних
процесів, що відбуваються в кісткової тканини. Зокрема, це стосується вивчення
механізмів формування переломів кортикальної і губчастої кісткової тканини
внаслідок травматичного впливу на тлі захворювань опорно-рухового
апарату, пухлин і пухлиноподібних захворювань. Представляють інтерес вивчення
механізмів формування зон перебудови в кісткової тканини при різних
порушення її метаболізму, моніторинг процесів зрощення переломів у
фізіологічних умовах на тлі порушеного ремоделювання (оновлення),
аналіз поведінки імплантатів та трансплантатів в кісткової тканини при різних
патологічних і фізіологічних станах. Використання СІ дозволить у
клінічних умовах виявляти мікропереломів і вивчати структуру кісток, не
визначається іншими методами, а отже, підвищити якість обстеження та
лікування пацієнтів. При цьому можливий перехід від дослідження біоптатів до живих
кісток, оскільки дози опромінення порівняно малі і діагностику можна буде
проводити на живих об'єктах.
Слід
відзначити, що синхротрон методи дослідження структури кісток не виключають,
а доповнюють звичайні рентгенівські методи. Можливості цифрової рентгенівської
діагностики для лікування кісткових захворювань вивчалися в останні роки в ЦИТО з
допомогою денситометра, розробленого в Інституті ядерних досліджень РАН [10].
У приладі використана поліхромна рентгенівська трубка і фільтри, обрізають
низькоенергетичне частину спектру рентгенівського випромінювання. Він дозволяє
визначати щільність кістки, точніше кажучи, масу кісткової тканини, в шийці стегна
людини, якій зроблено операцію ендопротезування. Прилад може використовуватися
і для поліклінічної діагностики остеопорозу.
З
допомогою приладу було проведено близько 1000 обстежень більш 100 пацієнтів в
протягом півтора року. На рис.6 наведені результати порівняння зміни
мінеральної щільності кісткової тканини в різних зонах навколо ендопротеза у
чоловіків і жінок у залежності від часу, що пройшов після операції. Видно, що
втрата кісткової маси в перші місяці після операції у жінок відбувається
інтенсивніше, ніж у чоловіків. У міру накопичення статистичної інформації будуть отримані
нові дані про залежність маси кісткової тканини від різних чинників, що дозволить
більш ефективно використовувати лікарські препарати.
Рис.
6. Порівняння мінеральної щільності кісткової тканини (МПК) в різних зонах шийки
стегна навколо ендопротеза у чоловіків і жінок у залежності від часу, що пройшов
після операції.
На зміну біохімічної лабораторії
З
плином часу кістка людини, так само як і внутрішні органи, постійно
оновлюється, і найчастіше хвороба пов'язана з тим, що порушено баланс між
процесами старіння і новоутворення. Наприклад, вага не тільки
зменшується маса кісткової тканини, але також змінюється структура і елементний
склад кістки [11].
За
хімічним складом кістки складаються з органічних (колагени і білки) і
мінеральних (кристалічний гідроксіаппатіт) компонентів. Відношення між
цими компонентами дуже важливо для ремоделювання кістки. Молода кістка має
недолік мінеральної речовини, і розмір кристалів в ній малий. Зі зростанням
кристалів гідроксіаппатіта можливе заміщення іонів кальцію на іони натрію,
калію, магнію, стронцію і навіть свинцю; можливо також і заміщення аніонів. У
Значною мірою це може бути пов'язано з екологічними умовами життя
людини, різними професійними чинниками шкідливості та ін Результатом
стає зміна фізичних властивостей кістки, таких як міцність, гнучкість,
пружність. Тому вимірювання елементного складу кістки або виявлення рідкісних
елементів в ній може бути корисним у ранній діагностиці остеопорозу.
Зазвичай
неінвазивний (неруйнівний) елементний аналіз проводиться за флюоресцентної
методикою (коли під впливом зовнішнього випромінювання збуджуються і
флюоресцирующим атоми речовини). Збуджені атоми або ядра випромінюють
характеристичні рентгенівські або гамма-промені, за якими можна визначити
склад зразка. До теперішнього часу такі методики дослідження елементного
складу для аналізу кісток застосовувалися мало, тому що вимоги до них дуже
високі. По-перше, такі дослідження бажано робити на живому організмі, і,
отже, дози опромінення повинні бути дуже низькими. По-друге, точність
вимірювань повинна бути висока, тому що відсоток містяться шкідливих домішок,
як правило, дуже малий. Цим вимогам можна задовольнити за рахунок
використання СІ.
Відомо
величезний вплив макроелементів (кальцій, натрій, магній тощо) та
мікроелементів (цинк, мідь, кобальт та ін) на функціонування організму і на
стан здоров'я. Як тепер з'ясовано, при виникненні багатьох патологій, в
тому числі і пухлинних, виникає дисбаланс у розподілі цих фізіологічно
значущих елементів. З іншого боку, в даний час достовірно встановлено,
що забруднення навколишнього середовища різними токсикантами, серед яких особливе
місце займають важкі метали, приводить до істотного збільшення ймовірності
виникнення певних захворювань. При попаданні в організм людини
важких металів, особливо через органи травлення і дихання, відбувається
безсимптомне накопичення цих елементів у певних органах, в тому числі і в
біорідинами. Зв'язок процесу накопичення важких металів з хронічним стресом
і трансформацією в різноманітні нозологічні патології особливо очевидна при
спостереженні за розвитком онкологічних захворювань. Клінічно ідентифікувати
вплив навколишнього середовища в конкретний момент і на конкретну людину
вельми складно і не завжди є можливим. У зв'язку з цим особливу
значення набуває розробка методів ранньої діагностики накопичення і
розподілу деяких хімічних елементів в організмі людини.
Рис.7.
Спектр, отриманий на пучку СІ за методом рентгенівського аналізу флюоресцентного
для біорідинами, взятої у хворого (пухлина) в порівнянні з фоном (плівка).
Було
показано [12], що мікроскопічний елементний аналіз дегідратірованной
біорідинами (кров, сеча, плазма) може вирішити проблему екологічного
моніторингу професійних захворювань. Надлишок тих чи інших мікроелементів,
в основному важких металів, служить міткою різних, особливо професійних
захворювань, пов'язаних з роботою у шкідливих умовах. На рис.7. показаний спектр
флюоресцентного випромінювання, отриманий за допомогою Ge-детектора на пучку СІ. У
як зразок використовувалася біорідинами проба, взята у онкологічного
хворого. Тут видно широка підкладка, пов'язана з розсіяним випромінюванням, на
якої виділяються піки (характеристичні лінії), що відповідають
певним елементам. Завдяки використанню СІ вдається вимірювати домішки
мікроелементів до однієї мільйонної частки (1 ppm) в біоптату і біорідинами.
Ці
перші результати були отримані співробітниками Всеросійського
науково-дослідного інституту експериментальної фізики (г.Саров)
спільно з ІЯД РАН і РНЦ КИ на пучку синхротронного випромінювання РНЦ КИ за методом
рентгенівського флюоресцентного аналізу для різних медико-біологічних проб.
Вони показали перспективність запропонованого методу.
У глиб судин
Роботи
з отримання зображень коронарних судин і серця зайняли одне з провідних
місць на багатьох джерелах синхротронного випромінювання (КЕК в Японії, ESRF під
Франції, ВЕПП-4 в Новосибірську і ін), тому що потреба в них
виключно велика. Так, на джерелі ESRF в Греноблі вже кілька років
ведуться регулярні обстеження пацієнтів [13].
Основний
недолік звичайної рентгенівської діагностики серця пов'язаний з необхідністю
введення контрастної речовини в вену для отримання контрастного зображення.
Введення контрастної речовини в кровоносні судини здійснюється за допомогою
катетера, що є досить ризикованою операцією і потребує додаткового
опромінення пацієнта для її контролю (операція проводиться під рентгеном). Принцип
використання контрастної речовини заснований на тому, що в спектрі поглинання
рентгенівських квантів є верхня межа по енергії (К-край, відповідний
порушення К-оболонки), вище якої ймовірність поглинання різко падає. Це
пояснюється структурою електронної оболонки даного елементу (К-оболонка --
сама нижня оболонка, для порушення її потрібна максимальна енергія). Роблячи
два знімки при двох енергіях пучка (трохи вище і трохи нижче К-краю) і віднімаючи
потім один з іншого, ми отримали зображення з високим контрастом. Зазвичай в
ангіографії як контрастної речовини використовується йод, у якого
К-край рентгенівського випромінювання дорівнює 33.17 кеВ. В останні роки розроблений
метод просвічування з використанням гадолінію, у якого К-край відповідає
більш високої енергії (50.24 МеВ), що підвищує точність вимірювань.
Використання
СІ дозволило спростити процедуру введення контрастної речовини і знизити
кількість цього препарату. У результаті при введенні контрастних речовин в
дуже невеликих кількостях за допомогою звичайного шприца отримують якісну
зображення артеріальних судин. Нагадаємо ще один важливий момент: завдяки
монохроматичністю випромінювання СІ дози опромінення виявляються мінімальними.
На допомогу терапевта
Сучасні
методи променевої терапії для лікування онкологічних захворювань різноманітні, але
всі вони мають великий недолік: під дією випромінювання виявляються не тільки
ракові клітини, але й здорові, через що виникають негативні побічні
явища. З цим недоліком борються різними способами, наприклад, використовуючи
пучки іонізуючих частинок, які виробляють іонізацію головним чином у кінці
треку (протони). Але протонна терапія дуже дорога, тому що вимагає створення
протонних прискорювачів досить високої енергії.
Принципово
новий терапевтичний підхід (мікролучевая терапія) з використанням СІ був
запропонований в Брукхевене близько 10 років тому і отримав розвиток на ESRF [14].
Ідея нового методу заснована на використанні пучка спеціальної форми (у вигляді
безлічі планарних, вузьких пучків - типу гребінці). Експериментально показано,
що завдяки такій структурі пучка після опромінення можлива регенерація
здорової тканини. Інакше кажучи, мікропораженія здорової тканини зникають завдяки
швидкому впливу крові, яка сама по собі є менш чутливою до дозі опромінення.
Уражені раком клітини при цьому руйнуються і не відновлюються. Якщо до
того ж звести пучки локально в місце розташування пухлини, то терапевтичний
ефект ще більше зросте. В результаті за допомогою таких пучків можна
ефективно підвищувати дозу опромінення (в сотні і тисячі разів), не руйнуючи здорові
тканини. При цьому лікуванню піддаються пухлини самих різних органів, включаючи
головний мозок, який зараз опромінюють в основному на кобальтових гарматах,
викликають на відміну від мікролучевой терапії більш значні негативні
побічні явища.
Синхротрон
випромінювання оптимально підходить для використання в мікролучевой терапії, тому
що воно володіє високою інтенсивністю, досить високої проникаючої
здатністю і легко формується за допомогою коліматорів. Модельні розрахунки і
експериментальні дослідження показали [12], що оптимальною структурою
володіє пучок шириною в кілька сантиметрів у вигляді гребінця з "зубами"
шириною до 40 мкм, якщо відстань між ними близько 75 мкм.
Перспективи
Використання
синхротронного випромінювання в медицині має гарні перспективи не тільки в
області рентгенівської діагностики та терапії, але і в більш широкому плані,
який спочатку може здатися фантастичним. Наприклад, за допомогою ЗІ можна
створити мікропристроїв (капсули з дистанційно керованими мікродвигуни),
які, рухаючись по судинах, доставлятимуть лікарські препарати в потрібне
місце та в необхідних кількостях. Метод створення подібних мікропристроїв вже
досить добре розроблений (глибока рентгенівська літографія); він дозволяє
виготовляти мікродвигуни, хімічні мікрореактори та іншу мікротехніки.
Вигоди від застосування такої техніки досить очевидні. У медицині це може
призвести до принципово нових методів лікування. І справа не тільки в тому, що
ліки будуть використані більш ефективно і їх буде потрібно набагато менше,
ніж при пероральному введенні або ін'єкціях. Одне з можливих застосувань може
бути пов'язано з генної інженерії.
Дослідження
в області генотерапіі хвороб людини показують перспективність введення
ДНК-конструкцій у стовбурові кістково-мозкові клітини [15]. Проведення подібних
досліджень наштовхується на значні труднощі, оскільки використовувані в
даний час хірургічні методи проникнення в порожнину гомілкової кістки
травматичні, викликають велику кількість ускладнень і вимагають тривалого
перебування хворих у клініці. Точність введення генетичних конструкцій при
це сильно знижена. Тому використання досягнень мікромеханіки для
створення пристроїв, здатних забезпечити Мікроінвазивний доставку ліків за
кровоносних судинах, стає актуальними.
В
останні роки генетика все частіше вторгається в область практичної медицини,
що дає досить вражаючі результати. Роботи в цьому напрямку,
природно, знаходять своїх послідовників і серед фахівців синхротронах
центрів. Поки використання пучків СІ в генетичних дослідженнях можна
розглядати лише як пропозицію, тому що воно ще перебуває в самій
початковій стадії. Проте розвиток даного підходу не тільки можливо, але
і цілком реально в найближчому часі.
Робота
виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень. Проект 04-02-16996.
Список літератури
1. Medical Applications of
SYNchrotron Radiation/Eds M. Ando, C. Uyama. Tokyo, 1998.
2.
Шільштейн С.Ш., Подурець К.М., Соменка В.А., Манушкін А.А.// Поверхность:
рентгенівські, синхротрон і нейтронні дослідження. 1996. № 3-4. С.231-241.
3. Gerasimov V.S., Korneev V.N.,
Kulipanov G.N. et al.// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1998.
V.A405. P.525-531.
4.
Артем'єв А.Н., Манушкін А.А., Недорезов В.Г. и др.// Препринт ІАЕ. 1998. Т.6065/15. С.1-20.
5. Podurets K.M., Pogorelyi D.K.,
Manushkin A.A. et al.// Crystallography Reports. 2004. V.49. Suppl.1.
P.50-54.
6.
Кононов Н.К., Бєляєв А.Д., Ігнатов С.М. и др.// Прилади й техніка
експерименту. 2004. № 5. С.123-125.
7. Arfelli F., Barbiellini G.,
Bernstoff S. et al.// Reviews of Scientific Instruments. 1995. V. 66.
P.1325-1328.
8. Johnston R.E., Washburh D.,
Pisano E. et al.// Proceedings of International Society for Optical Engine.
1995. V.2432. P.434-441.
9. Ando M., Sugiyama H., Maksimenko
A. et al.// Jap. J. Appl. Phys. 2001. V.40. P.L298-L301.
10.
Кононов Н.К., Бєляєв А.Д., Грішкін Ю.Л. и др.// Тези доповіді на конференції
"Медична фізика-2005" (2-й Євразійський конгрес), М., 21-24 червня 2005
11. World Health Organization.
Assessment of Fracture Risk and its Application to Screenung for Postmenopausal
Osteoporosis. Geneva, 1994.
12. Шабалін В.Н., Шатохина С.Н.// Бюлетень РАМН. 2000. № 3. P.45-49.
13. Elleaume H., Charvet A.M.,
Berkvens P. et al.// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.
1999. V.A428. P.513-527.
14. Charvet А.М. et al.// Proc. of Int. Sch. of Physics
"Enrico Fermi", CXVIII. 1996.
15.
Сергієнко В.І. и др.// Патент РФ 99122938.
