Tento blogový příspěvek zkoumá principy a aplikace, které vedly jadernou fyziku – studium atomových jader – k moderním lékařským technologiím, jako je radioterapie a PET vyšetření, a to prostřednictvím cyklotronů a radioaktivních izotopů.
Proč jaderná fyzika vedla k medicíně a experimentální vědě?
Jaderná fyzika je obor studia atomových jader. Mnoho lidí však má tendenci vnímat jadernou fyziku výhradně jako obor zabývající se jevy štěpení jader, ke kterým dochází v jaderných elektrárnách. Na rozdíl od tohoto vnímání umožnily různé vedlejší produkty vznikající během výzkumu v jaderné fyzice experimenty, které byly dříve v jiných oblastech chemie nebo fyziky nemožné, a mají také praktickou hodnotu v lékařství.
Cyklotron: Jen jednoduchý urychlovač částic?
Vezměme si například cyklotron, urychlovač vyvinutý pro experimenty v jaderné fyzice. Cyklotron je urychlovač částic, který uvádí částice do kruhového pohybu. Konstrukčně se jedná o relativně jednoduché zařízení sestávající ze dvou vakuových komor ve tvaru D vyrobených z měděných desek. Toto zařízení využívá vysokofrekvenční střídavý proud k urychlení toku nabitých částic.
Strukturální charakteristiky cyklotronu lze obecně rozdělit na dva hlavní rysy. Prvním rysem je, že na rozdíl od konvenčních lineárních urychlovačů částic je cyklotron kruhový urychlovač částic se dvěma půlkruhovými deskami ve tvaru D, které jsou od sebe vzdáleny. Druhou charakteristikou je, že uvnitř cyklotronu se směr frekvence střídavého napětí mění pokaždé, když částice procházejí jednou z půlkruhových desek. Pro urychlení toku částic protéká střídavé napětí mezi dvěma půlkruhovými kovovými elektrodami uvnitř vakuové komory. Tyto půlkruhové desky jsou od sebe vzdáleny v pevném intervalu, aby se zajistilo, že částice vstřikované do středu tohoto prostoru mají prostor pro volný pohyb. Půlkruhové desky jsou umístěny mezi póly elektromagnetu generujícího elektromagnetické pole kolmé k elektrodám. Výsledné magnetické pole způsobuje, že se dráhy částic zakřivují do kruhového tvaru v důsledku Lorentzovy síly působící kolmo na směr jejich pohybu. Navíc pokaždé, když částice projdou mezerou mezi půlkruhovými deskami, změní se směr frekvence elektrického pole. Tato změna zajišťuje, že elektrické pole je vhodně orientováno pro urychlení rychlosti částic. V důsledku toho jsou částice pod vlivem elektrické síly vedeny k sledování kruhových drah s postupně se zvětšujícími poloměry.
Částice urychlené tímto způsobem lze po opuštění cyklotronu využít v experimentech, například srážením s různými materiály nebo vyvoláním jaderných reakcí za účelem pozorování vzniku nových částic. Částice generované v cyklotronu však neslouží jen k jednoduchým experimentům, ale hrají také klíčovou roli v lékařské oblasti. Jinými slovy, iontový paprsek vypouštěný z cyklotronu lze využít k léčbě rakoviny, což je v souladu se základním principem lékařské technologie běžně známé jako radioterapie. Metoda ozařování nádorového místa pacienta protony urychlenými na přibližně 60 procent rychlosti světla v cyklotronu za účelem zničení DNA rakovinných buněk nabízí výhodu minimalizace dopadu na zdravou tkáň během průchodu tělem ve srovnání s konvenční radioterapií. Proces léčby je navíc relativně rychlý a způsobuje pacientovi menší nepohodlí, což je další významná vlastnost. Aplikace jaderné fyziky tak ukazuje, že se neomezuje pouze na omezenou oblast výroby elektřiny, ale může se rozšířit do různých oblastí.
Jaderná fyzika v lékařské technologii
Radioaktivní izotopy, s nimiž se běžně pracuje v experimentech v jaderné fyzice, se aktivně využívají i v lékařské technologii. Byly vyvinuty inovativní zdravotnické přístroje, které využívají radioaktivní izotopy k získání podrobnějších informací o vnitřním fungování lidského těla. Kromě konvenčního rentgenového zobrazování, počítačové tomografie (CT) a magnetické rezonance (MRI) se objevila technologie zvaná pozitronová emisní tomografie (PET), která dokáže vizualizovat samotnou funkční aktivitu mozku. PET je zařízení, které využívá látky značené radioaktivními izotopy k získání snímků různých oblastí mozku. Princip sběru PET snímků využívá fyziologický jev, že se v aktivovaných oblastech mozku zvyšuje metabolismus glukózy, což vede k odpovídajícímu zvýšení průtoku krve. V tomto procesu se k měření změn v průtoku krve používají molekuly vody obsahující izotop s extrémně krátkým poločasem rozpadu přibližně dvě minuty. Vyšetření porovnává reakci mozku ve stavu bez specifické stimulace s jeho aktivačním stavem při aplikaci stimulace, a to pomocí tomografické zobrazovací metody. Takové příklady jasně ukazují, jak může jaderná fyzika pozitivně ovlivnit rozvoj dalších akademických oborů.
Použitelnost jaderné fyziky
Technologie výroby elektřiny pomocí štěpných reakcí jader i lékařské využití urychlovačů částic zvaných cyklotrony jsou výsledkem aplikace vědeckých principů objevených během výzkumu atomových jader. V tomto smyslu není jaderná fyzika pouze oborem zaměřeným na objasňování vlastností částic; je to obor, který pohání rozvoj dalších akademických oborů na základě znalostí nashromážděných během svého výzkumu. Závěrem lze jadernou fyziku shrnout jako všestranný obor, který nejen zkoumá atomová jádra, ale také přispívá k pokroku vědy a techniky jako celku aplikací principů odhalených v tomto procesu v různých oblastech.
