Tomografia per emissió de positrons
1997/03/01 Campillo Robles, Jose Miguel - Fisika SailaZientzia eta Teknologia Fakultatea (EHU) | Urzelai Pinedo, Ainhoa Iturria: Elhuyar aldizkaria
Per a això, explicarem una tècnica nuclear utilitzada en medicina per a la recerca i l'estudi: Tomografia per emissió de positrons (PIT), popularment coneguda com Positron Emission Tomography. Aquesta tècnica va començar a desenvolupar-se en la medicina l'any 1953, amb la finalitat d'observar el funcionament del cos mitjançant imatges. La base física de la tècnica radica en la física dels positrons, per la qual cosa començarem a estudiar la física de la positró, per a després aclarir els detalls de la tècnica.
Què és el positró?
Positró és l'antipartícula de l'electró. En tractar-se d'una antipartícula, conté càrrega i energia contra la partícula corresponent. Per això, en tenir per definició una càrrega negativa, el positró té una càrrega positiva. Quant a la massa, el positró té la mateixa massa en repòs que l'electró. En la taula 1 es resumeixen les característiques del pas de l'electró i positró.
Descobriment del positró
Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) va realitzar el descobriment teòric de la positró en 1928. En aquella època, Dirac investigava l'equació quàntica relativista de l'electró, obtenint entre els seus resultats dues solucions per al valor de l'energia, una positiva i una altra negativa:
on m o i p són la massa en repòs i el moment lineal de l'electró i c la velocitat de la llum. Al principi refà els càlculs realitzats, amb la sospita que estaven mal realitzats. Finalment es va adonar que estaven bé i llavors la solució de signe positiu es va assignar a l'electró, però no se sabia a què corresponia la de signe negatiu. Posteriorment, els científics es van adonar que aquesta resolució era d'una nova partícula i la nova partícula oposada va ser denominada positró. La teoria dels forats és la que va desenvolupar Dirac per a explicar el sistema d'electrons/positrons. Per a conèixer l'energia en repòs d'aquestes dues partícules s'ha d'utilitzar l'equació anterior obtenint els valors que es mostren en la Taula 1.
La primera observació experimental la va realitzar Carl David Anderson (1905-1991) en 1932. Aquesta observació va tenir lloc en la cambra de boira Wilson, situada en un camp magnètic. Anderson va voler analitzar la interacció entre els raigs còsmics i la matèria a través d'aquesta cambra. No obstant això, durant l'observació del positró, ell no coneixia els treballs de Dirac. Per això, no va saber què era aquesta partícula que va trobar. Fins a 1939 no es va demostrar que les propietats de la nova partícula observada experimentalment eren les mateixes que predicava la teoria de Dirac. Una vegada aclarit, Anderson va donar nom als positrons. Aquest descobriment li va valer el Premi Nobel de Física en 1936, sent la primera antipartícula positron observada.
En 1934 Irene Curie (1897-1956) i el seu marit, Jean Frédéric Joliot (1900-1958), van trobar el seu primer positró en condicions de laboratori. Les parelles van bombardejar els nuclis lleugers amb partícules a i després van observar la b + desintegració en les mostres. En concret, després del xoc amb les partícules Al, B i Mg, a, es van crear els elements radioactius artificials P, N i Si. Així, pel descobriment de la radioactivitat artificial, aquests científics van obtenir el Premi Nobel de Química en 1935.
Electró - e -. | Positró - e+ | |
| Càrrega (C) | -1.60219x10 -19 | + 1.60219x10 -19 |
| Energia (keV) | + 511 | - 511 |
| Massa (g) | 9.1095x10 -28 | 9.1095x10 -28 |
| Spin | 1 de 2 | 1 de 2 |
positró.
Com es produeixen els positrons?
El nostre Univers, almenys aquest trosset conegut, està format principalment per matèries. Per tant, en tractar-se de positrons antimatería, no podem trobar-los en qualsevol lloc. Sent això així, com apareixen? Els positrons es poden produir per dues vies, una de la radiació d'alta energia mitjançant la formació de parells e – /e + i una altra mitjançant la desintegració b +. Per a avançar en les nostres explicacions analitzarem aquestes dues vies.
La font de positró que analitzarem en primer lloc és la formació de parells de partícules/antipartícules. Aquestes parelles procedeixen d'un fotó d'alta energia. Per a això, l'energia del fotó ha de ser almenys major que l'energia del parell en repòs. Aquesta afirmació s'expressa matemàticament mitjançant la següent fórmula.
on " La constant de Planck, la freqüència del fotó n, m o la massa en repòs de la partícula (antipart) i c la velocitat de la llum.
La segona font de positrons consisteix en la desintegració b +. Els positrons utilitzats en la tècnica PIT es generen a través d'aquest procés. b + utilitzarem un exemple per a veure què és la desintegració. Suposem que tenim àtoms d'oxigen. El nucli d'un àtom d'oxigen té 8 protons i 10 neutrons (18O). Si bombardegem els àtoms que tenim per protons (p+), el nucli d'un oxigen pot prendre un protó. Si això ocorre, l'àtom serà un altre element, el fluoro, que alliberarà un neutre (n).
18O + p + 18F + n
Aquest isòtop del fluoro té 9 protons i 9 neutrons. No obstant això, perquè un àtom de fluoro sigui estable ha de tenir 10 neutrons, és a dir, 19 F. 18 El nucli de F té un neutró menys, per la qual cosa no és estable. Llavors, per a arribar a l'estabilitat, un protó del nucli es convertirà en neutró i en aquest procés s'emetran un prositroi i un neutrí (n), com podem observar en la següent fórmula.
p + n + e + n
D'aquesta forma, l'isòtop del fluoro es torna a transformar en oxigen. En aquest exemple s'han utilitzat protons per al bombardeig, però es poden utilitzar altres tipus de partícules, com les partícules a o el deuteri.
Com desapareixen?
Quan la positró es genera mitjançant b + desintegració té una gran energia cinètica (entorn de MeV). El positró s'acompanya d'un neutrí. Això té molt poca massa (si té massa, ja que actualment no es coneix) i no té càrrega. Per això, la interacció entre neutrí i matèria és molt petita i no la tenim en compte.
La seva energia cinètica quan es genera positró es va perdent a causa del procés que denominem termalización, fins que es deté. La longitud del recorregut mitjà que realitza depèn sobretot del material en el qual es troba. Per exemple, en l'aigua és d'uns mil·límetres; com el 75% del pes del cos de les persones és aigua, la longitud del recorregut mitjà d'un positró és també mil·limètrica en el cos. Un altre factor que influeix en la longitud del recorregut mitjà és la naturalesa de l'isòtop emprat. 18 En el cas de l'isòtop F, la trajectòria mitjana és de 1,2 mm i en el cas de 82 Rb és de 12,4 mm.
Després de la termalización, el positró està llest per a la seva eliminació. L'eliminació es produeix quan el positró es troba amb un electró. Llavors, la teoria de forats de Dirac explica que l'electró ja baixa positró fins al nivell d'energia, alliberant tota l'energia del sistema en massa. En concret, després de la destrucció de l'electró i positró, apareixen dos fotons arrossegant tota l'energia. En aquest procés també és necessari conservar l'energia cinètica, per la qual cosa en l'energia dels dos fotons hi haurà les dues contribucions anteriors. Si se suposa que l'electró està parat com a aproximació, els fotons són de 511 keV, és a dir, són fotons gamma (g).
En l'eliminació, a més de l'energia, cal conservar el moment lineal. Si continuem suposant que l'electró està parat, el moment lineal del sistema dels dos fotons que es generen després de l'eliminació serà també nul. Perquè això sigui possible, els fotons es desplaçaran en la mateixa direcció i en sentit contrari (veure figura 2).
Fins ara hem parat l'electró, però això no és del tot cert. Abans de produir-se l'eliminació, l'electró té energia cinètica i el seu efecte és que l'angle entre les trajectòries dels fotons no és exactament 180° i la seva energia s'allunya lleugerament del valor ideal 511 keV.
En què s'utilitza el PIT?
En medicina moltes vegades ens interessa saber on van les substàncies dins del cos, com arriben als òrgans o quant triguen a arribar o sortir. En molts casos no és fàcil obtenir aquesta informació. El PIT que aquí analitzem es va desenvolupar per a poder conèixer tota aquesta tècnica. L'objectiu d'aquesta tomografia és veure com funcionen els processos químics i fisiològics que es produeixen dins del nostre cos. És a dir, amb el PIT es pot estudiar el metabolisme o moltes funcions del cos diferents. Aquesta tècnica s'ha aplicat en molts camps de la medicina, com la neurologia o la cardiologia.
En què consisteix el PIT?
Per a començar, es marca la substància que volem seguir a través del cos, fixant els isòtops emissors de positrons a aquesta substància. Els marcadors utilitzats en la tècnica PIT són les molècules presents en el cos. Per això, el comportament físic-químic de les substàncies marcades és igual al de les substàncies no marcades.
Els marcadors se seleccionen en funció de la part i funció del cos que volem estudiar i l'isòtop que es col·loca en ells. Per exemple, si l'isòtop 15 O (2,2 minuts de vida mitjana) s'adhereix a les molècules d'aigua, es pot utilitzar per a veure el transport de sang cerebral, però si s'utilitza en les molècules d'oxigen es pot analitzar l'ús de l'oxigen en el metabolisme; de la mateixa manera, l'isòtop 18 F (vida mitjana 110 minuts) s'utilitza pegat a la fluorodeoxicosa per a veure el metabolisme cerebral regional.
Quan la substància marcada es troba dins del malalt, aquest s'introdueix dins d'uns anells estrellantes. La funció d'aquests anells és la detecció de fotons. Se suposa que les trajectòries dels fotons són de 180°. Per tant, analitzant els llocs d'arribada dels dos fotons i la diferència de temps que han tingut a la seva arribada, es pot saber on ha ocorregut l'eliminació d'electrons/positrons. Com l'eliminació es produeix “a prop” de l'isòtop emissor, tindrem informació sobre la localització de l'isòtop, tal com es pot observar en la Figura 3.
A mesura que l'isòtop es mou dins del cos, els fotons es detectaran en diferents llocs, la qual cosa ens permetrà seguir el moviment de la substància que ens interessa, observant fins a on arriba.
Les dades obtingudes es processen adequadament i, finalment, es realitza una interpretació dels resultats utilitzant programari preparat a aquest efecte. En la figura 4 es pot observar la importància de la manipulació de les dades. En la figura anterior es manipulen les mateixes dades de diferents formes per a obtenir tres imatges aparentment diferents.
Avantatges i problemes
La tècnica PIT té molts avantatges que altres procediments no tenen. La majoria de les malalties ataquen el cos bioquímicament abans de danyar-lo. Per això és convenient estudiar la química del cos. La tècnica PIT pot realitzar mesuraments quantitatius in vivo dels processos funcionals del cos. D'aquesta forma pot completar la informació que proporcionen altres tècniques. Per exemple, la ressonància magnètica produeix imatges de major precisió i a vegades s'utilitza juntament amb les imatges de la tècnica PIT (veure figura 6)
Una altra dels principals avantatges és que els isòtops utilitzats són els elements que hi ha en el cos. I és que les substàncies que poden ser estranyes per al cos no s'utilitzen i això, per descomptat, en benefici del nostre cos. A més, a causa de l'alta sensibilitat de la tècnica, aquests compostos s'utilitzen en quantitats molt petites (menor que el nanomolar), amb el que el metabolisme del pacient no varia.
D'altra banda, la curta vida mitjana dels isòtops fa que la recerca sigui ràpida i el pacient rebi petites dosis de radiació. Aquesta dosi de radiació és similar a la que s'ha de suportar en la fabricació de dues plaques de raigs X en el pit.
Al costat dels avantatges, cal esmentar els problemes. Una d'elles és la precisió. Com s'ha esmentat anteriorment, l'angle entre els recorreguts dels fotons no és exactament 180°. Això redueix la precisió, però no obstant això, el major error generador és el recorregut del positró abans de la seva eliminació. Mitjançant la tècnica sabem on es produeix l'eliminació, però l'isòtop es troba a uns mil·límetres d'aquí.
L'últim desavantatge que esmentarem no té relació directa amb la ciència, però pot ser important. Cal parlar del problema econòmic. Aquesta tècnica és molt costosa, ja que els isòtops es formen mitjançant un ciclotró. El preu del ciclotró és molt baix, per la qual cosa la tècnica PIT no està molt estesa. Per exemple, a Euskal Herria encara no s'aplica.
Finalment, convé tenir en compte que totes les tècniques que utilitzen radiació són perilloses, per la qual cosa la tècnica PIT no és una excepció. Només quan sigui estrictament necessari.
MÉS INFORMACIÓ http://www.topo.ucl.ac.be http://laxmi.nuc.ucla.edu:8000/lpp Iñigo Alonso, “Partícules bàsiques”, XXI UEU. Xerrada en els Cursos d'Estiu impartida en 1993 a Pamplona (sense publicar) Departament de Física de la UEU, “Breu història de la Física”, Departament d'Heda 9, Universitat Basca d'Estiu, Pamplona, 1990. |
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
