Φυσικά φαινόμενα στην Πυρηνική Ιατρική

Η Πυρηνική Ιατρική χρησιμοποιεί ραδιοφάρμακα που κατανέμονται σε συγκεκριμένα όργανα και εκπέμπουν φωτόνια γάμμα, τα οποία ανιχνεύονται από ειδικές κάμερες. Έτσι δεν βλέπουμε μόνο τη δομή, αλλά κυρίως τη λειτουργία οργάνων όπως η καρδιά ή τα οστά, με δόσεις προσεκτικά ελεγχόμενες ώστε να παραμένουν ασφαλείς για τον ασθενή.

Η ραδιενεργός διάσπαση είναι ο τρόπος με τον οποίο ένας ασταθής πυρήνας μετατρέπεται σε πιο σταθερό, εκπέμποντας σωματίδια ή φωτόνια γάμμα. Ο χαρακτηριστικός χρόνος ημιζωής κάθε ισότοπου καθορίζει για πόσο θα έχουμε χρήσιμο σήμα και πόσο γρήγορα θα μειωθεί η δόση στον οργανισμό, κάτι κρίσιμο για την επιλογή ραδιοφαρμάκων όπως το τεχνήτιο‑99m.

Τα φωτόνια γάμμα είναι υψηλής ενέργειας «δέσμες φωτός» που φεύγουν από το σώμα όταν διασπάται ένα ραδιοφάρμακο. Λόγω της μεγάλης διεισδυτικότητάς τους μπορούν να εξέλθουν από τους ιστούς και να φτάσουν στον ανιχνευτή, όπου η ενέργεια και η κατεύθυνσή τους μετατρέπονται σε πληροφορία εικόνας για τη λειτουργία του οργάνου.

Στον σπινθηρισμό τα φωτόνια γάμμα χτυπούν έναν ειδικό κρύσταλλο και η ενέργειά τους μετατρέπεται σε μικροσκοπικές λάμψεις φωτός. Αυτές οι λάμψεις λειτουργούν σαν «ίχνη» που δείχνουν πού και πόσα φωτόνια απορροφήθηκαν, και αποτελούν το πρώτο βήμα για να μετατραπεί η ακτινοβολία σε μετρήσιμο ηλεκτρικό σήμα.

Οι φωτοπολλαπλασιαστές παίρνουν τις αδύναμες λάμψεις φωτός από τον σπινθηριστή και τις μετατρέπουν σε ισχυρούς ηλεκτρικούς παλμούς. Με βάση το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ένα φωτόνιο απελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο στη συνέχεια πολλαπλασιάζεται σε διαδοχικά στάδια, ώστε ακόμη και πολύ λίγη φωτεινή ενέργεια να δώσει σαφές ηλεκτρικό σήμα.

Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φωτόνια με αρκετή ενέργεια χτυπούν ένα υλικό και αποσπούν ηλεκτρόνια από τα τροχιακά τους. Αυτή η διαδικασία είναι η βάση της λειτουργίας της καθόδου στους φωτοπολλαπλασιαστές, όπου τα φωτόνια από τον σπινθηριστή γίνονται ηλεκτρόνια, ξεκινώντας έτσι την αλυσίδα ενίσχυσης που οδηγεί στο τελικό σήμα της εικόνας.

Η σκέδαση Compton συμβαίνει όταν ένα φωτόνιο γάμμα συγκρούεται με σχεδόν ελεύθερο ηλεκτρόνιο, αλλάζει κατεύθυνση και χάνει μέρος της ενέργειάς του. Αυτά τα σκεδαζόμενα φωτόνια καταγράφονται σε λάθος θέση, προσθέτοντας «θόρυβο» και μειώνοντας την αντίθεση της εικόνας. Για τον περιορισμό τους χρησιμοποιούνται κολιματέρ και υπολογιστικοί αλγόριθμοι διόρθωσης.

Στο PET τα ραδιοφάρμακα εκπέμπουν ποζιτρόνια που, μόλις συναντήσουν ηλεκτρόνια, εξαφανίζονται παράγοντας δύο φωτόνια γάμμα 511 keV σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η ταυτόχρονη ανίχνευση αυτού του ζεύγους φωτονίων από το δαχτυλίδι των ανιχνευτών επιτρέπει τον ακριβή εντοπισμό της περιοχής όπου έγινε η εξάλειψη και έτσι τη λεπτομερή απεικόνιση μεταβολικών διεργασιών στον οργανισμό.

Ο χρόνος ημιζωής εκφράζει πόσος χρόνος χρειάζεται ώστε η ενεργότητα ενός ραδιοφαρμάκου να πέσει στο μισό της αρχικής της τιμής. Με αυτό το μέγεθος μπορούμε να προβλέψουμε πόσο θα διαρκεί το χρήσιμο σήμα και πότε η δόση θα έχει μειωθεί αρκετά, ώστε να σχεδιάζονται σωστά οι διαγνωστικές και θεραπευτικές εφαρμογές.

Η απορρόφηση περιγράφει πόση ενέργεια των φωτονίων γάμμα «χάνεται» μέσα στους ιστούς μέσω αλληλεπιδράσεων όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η σκέδαση Compton. Υλικά με μεγαλύτερη πυκνότητα ή ατομικό αριθμό, όπως τα οστά, απορροφούν περισσότερη ακτινοβολία, επηρεάζοντας την ένταση που τελικά φτάνει στον ανιχνευτή και συνεπώς την αντίθεση και την ποιότητα της εικόνας.

Η διείσδυση είναι η ικανότητα των φωτονίων γάμμα να περνούν μέσα από τους ιστούς χωρίς να αλληλεπιδρούν. Φωτόνια υψηλότερης ενέργειας έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να φτάσουν άθικτα στον ανιχνευτή, ενώ χαμηλότερης ενέργειας απορροφώνται ή σκεδάζονται πιο εύκολα. Η σωστή επιλογή ενέργειας και υλικών λαμβάνει υπόψη αυτή την ισορροπία, τόσο για την ποιότητα εικόνας όσο και για την ακτινοπροστασία.

Το κολιματέρ είναι μια μολύβδινη πλάκα με πολλές μικρές οπές που αφήνει να περάσουν μόνο φωτόνια που κινούνται σχεδόν ευθύγραμμα προς τον ανιχνευτή. Έτσι απορρίπτονται φωτόνια που έρχονται από λάθος κατευθύνσεις, μειώνεται η επίδραση της σκέδασης και βελτιώνεται η καθαρότητα της εικόνας. Ο σχεδιασμός του κολιματέρ καθορίζει το συμβιβασμό ανάμεσα σε ευαισθησία και χωρική ανάλυση.

Ο θόρυβος στην εικόνα προκύπτει κυρίως από τυχαίες διακυμάνσεις στον αριθμό φωτονίων που καταγράφονται, ειδικά όταν τα σήματα είναι λίγα. Προστίθεται επίσης σκέδαση και ατέλειες του ανιχνευτή, κάνοντας την εικόνα «κοκκώδη» και λιγότερο ευκρινή. Για να διατηρηθούν οι λεπτομέρειες, χρησιμοποιούνται φίλτρα και εξελιγμένοι αλγόριθμοι ανακατασκευής που μειώνουν τον θόρυβο χωρίς να θολώνουν υπερβολικά τα όρια.

Η δόση ακτινοβολίας εκφράζει πόση ενέργεια εναποτίθεται στους ιστούς και περιγράφεται με μεγέθη όπως ο Gray και το Sievert. Στην Πυρηνική Ιατρική οι δόσεις σχεδιάζονται ώστε να είναι όσο γίνεται χαμηλότερες, αλλά επαρκείς για να δώσουν αξιόπιστες εικόνες ή θεραπευτικό αποτέλεσμα. Εφαρμόζεται συστηματικά η αρχή ALARA, ώστε ο ασθενής και το προσωπικό να προστατεύονται χωρίς να θυσιάζεται η κλινική πληροφορία.

Κάθε ραδιοφάρμακο συγκεντρώνεται σε διαφορετικούς ιστούς ανάλογα με τις χημικές και φυσιολογικές του ιδιότητες, π.χ. στα οστά, στον καρδιακό μυ ή σε περιοχές με υψηλό μεταβολισμό. Η χωρική αυτή κατανομή αποτυπώνεται στις εικόνες και δείχνει πού υπάρχει φυσιολογική ή παθολογική λειτουργία. Παράλληλα, καθορίζει ποια όργανα λαμβάνουν μεγαλύτερη δόση ακτινοβολίας και πρέπει να παρακολουθούνται στενότερα.

Ο χρόνος παραμονής εκφράζει για πόσο διάστημα ένα ραδιοφάρμακο παραμένει ενεργό στον οργανισμό πριν αποβληθεί. Συνδυάζει τον φυσικό χρόνο ημιζωής του ισοτόπου με τον βιολογικό χρόνο ημιζωής του φαρμάκου και δίνει τον αποτελεσματικό χρόνο ημιζωής. Η σωστή εκτίμησή του εξασφαλίζει ότι έχουμε αρκετό σήμα για απεικόνιση ή θεραπεία, χωρίς να παρατείνεται άσκοπα η έκθεση σε ακτινοβολία.

Μετά την αρχική πρόσληψη, ένα ραδιοφάρμακο μπορεί να αλλάζει κατανομή μέσα στον χρόνο καθώς μεταφέρεται με το αίμα, δεσμεύεται σε υποδοχείς ή μεταβολίζεται. Αυτή η επανακατανομή επιτρέπει τη λήψη εικόνων σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, αποκαλύπτοντας πώς εξελίσσεται η λειτουργία ενός οργάνου. Σε μελέτες όπως η μυοκαρδιακή αιμάτωση, η σύγκριση πρώιμων και καθυστερημένων εικόνων βοηθά στη διάκριση ισχαιμικού από μη ισχαιμικό μυοκάρδιο.

Οι δευτερογενείς ακτινοβολίες δημιουργούνται όταν τα πρωτογενή φωτόνια γάμμα αλληλεπιδρούν με την ύλη και παράγουν φωτόνια μικρότερης ενέργειας ή άλλα σωματίδια. Αυτές οι ακτινοβολίες μπορούν να θολώσουν την εικόνα και να αυξήσουν την έκθεση του προσωπικού αν δεν αντιμετωπιστούν σωστά. Χρησιμοποιούνται φίλτρα ενέργειας, κολιματέρ και κατάλληλη θωράκιση ώστε να μειώνεται η επίδρασή τους τόσο στην εικόνα όσο και στη δόση.

Τα σωματίδια βήτα που εκπέμπονται από θεραπευτικά ραδιοϊσότοπα καταθέτουν την ενέργειά τους σε πολύ μικρό βάθος, λίγα χιλιοστά μέσα στον ιστό. Έτσι μπορούν να καταστρέφουν στοχευμένα καρκινικά κύτταρα με περιορισμένη βλάβη στους γύρω υγιείς ιστούς. Η επιτυχία θεραπειών με ισότοπα όπως το ιώδιο‑131 ή το ύττριο‑90 εξαρτάται από τον σωστό σχεδιασμό δόσης και τη γνώση της κατανομής του ραδιοφαρμάκου.

Η ακτινοπροστασία στηρίζεται στη δικαιολόγηση κάθε εξέτασης, στη βελτιστοποίηση της δόσης σύμφωνα με την αρχή ALARA και στον σεβασμό ορίων έκθεσης για ασθενείς και προσωπικό. Θωρακισμένοι χώροι, μολύβδινα μέσα προστασίας, δοσίμετρα και αυστηρές διαδικασίες χειρισμού και απόρριψης ραδιοφαρμάκων περιορίζουν την άσκοπη έκθεση. Με αυτόν τον τρόπο η Πυρηνική Ιατρική παραμένει αποτελεσματική διαγνωστικά και θεραπευτικά, χωρίς να θυσιάζει την ασφάλεια.