Šajā emuāra ierakstā tiek aplūkoti principi un pielietojumi, kas noveda kodolfiziku — atomu kodolu izpēti — līdz mūsdienu medicīnas tehnoloģijām, piemēram, staru terapijai un PET skenēšanai, izmantojot ciklotronus un radioaktīvos izotopus.
Kāpēc kodolfizika noveda pie medicīnas un eksperimentālās zinātnes attīstības?
Kodolfizika ir atomu kodolu izpēte. Tomēr daudzi cilvēki mēdz uztvert kodolfiziku tikai kā jomu, kas nodarbojas ar kodolu skaldīšanas parādībām, kas notiek atomelektrostacijās. Pretēji šim uzskatam, dažādi kodolfizikas pētījumu laikā radušies blakusprodukti ļāva veikt eksperimentus, kas iepriekš nebija iespējami citās ķīmijas vai fizikas jomās, un tiem ir arī praktiska vērtība medicīnas jomā.
Ciklotrons: tikai vienkāršs daļiņu paātrinātājs?
Piemēram, apsveriet ciklotronu — paātrinātāju, kas izstrādāts kodolfizikas eksperimentiem. Ciklotrons ir daļiņu paātrinātājs, kas izraisa daļiņas apļveida kustībā. Strukturāli tā ir relatīvi vienkārša ierīce, kas sastāv no divām D formas vakuuma kamerām, kas izgatavotas no vara plāksnēm. Šī ierīce izmanto augstfrekvences maiņstrāvas spriegumu, lai paātrinātu lādētu daļiņu plūsmu.
Ciklotrona strukturālās īpašības var plaši iedalīt divās galvenajās iezīmēs. Pirmā iezīme ir tāda, ka atšķirībā no parastajiem lineārajiem daļiņu paātrinātājiem ciklotrons ir apļveida daļiņu paātrinātājs ar divām D veida pusapļa plāksnēm, kas atrodas viena no otras. Otrā īpašība ir tāda, ka ciklotrona iekšpusē maiņstrāvas sprieguma frekvences virziens mainās katru reizi, kad daļiņas iziet cauri vienai no pusapļa plāksnēm. Lai paātrinātu daļiņu plūsmu, maiņstrāvas spriegums plūst starp diviem pusapļa metāla elektrodiem vakuuma kamerā. Šīs pusapļa plāksnes ir izvietotas viena no otras fiksētā intervālā, lai nodrošinātu, ka daļiņām, kas ievadītas šīs telpas centrā, ir vieta brīvai kustībai. Pusapļa plāksnes ir novietotas starp elektromagnēta poliem, radot elektromagnētisko lauku, kas ir perpendikulārs elektrodu plāksnēm. Iegūtais magnētiskais lauks izraisa daļiņu ceļu izliekšanos apļveida formā, pateicoties Lorenca spēkam, kas darbojas perpendikulāri to kustības virzienam. Turklāt katru reizi, kad daļiņas iziet cauri spraugai starp pusapļa plāksnēm, mainās elektriskā lauka frekvences virziens. Šīs izmaiņas nodrošina, ka elektriskais lauks ir orientēts atbilstoši, lai paātrinātu daļiņu ātrumu. Līdz ar to daļiņas elektriskā spēka ietekmē tiek virzītas pa apļveida orbītām ar pakāpeniski lielākiem rādiusiem.
Šādā veidā paātrinātas daļiņas pēc ciklotrona atstāšanas var tikt izmantotas eksperimentos, piemēram, sadursmēs ar dažādiem materiāliem vai kodolreakcijas izraisīšanā, lai novērotu jaunu daļiņu veidošanos. Tomēr ciklotronā ģenerētās daļiņas kalpo ne tikai vienkāršiem eksperimentiem, bet tām ir arī izšķiroša nozīme medicīnas jomā. Citiem vārdiem sakot, no ciklotrona izstaroto jonu staru kūli var izmantot vēža ārstēšanā, kas atbilst medicīnas tehnoloģijas, kas plaši pazīstama kā staru terapija, pamatprincipam. Pacienta audzēja vietas apstarošanas metode ar protoniem, kas ciklotronā paātrināti līdz aptuveni 60 procentiem no gaismas ātruma, lai iznīcinātu vēža šūnu DNS, piedāvā priekšrocību, samazinot ietekmi uz veseliem audiem to pārejas laikā caur ķermeni, salīdzinot ar parasto staru terapiju. Turklāt ārstēšanas process ir salīdzinoši ātrs un rada mazāku diskomfortu pacientam, kas ir vēl viena būtiska īpašība. Tādējādi kodolfizikas pielietojums parāda, ka tas neaprobežojas tikai ar elektroenerģijas ražošanas jomu, bet var paplašināties dažādās jomās.
Kodolfizika medicīnas tehnoloģijās
Radioaktīvie izotopi, ko parasti izmanto kodolfizikas eksperimentos, tiek aktīvi izmantoti arī medicīnas tehnoloģijās. Ir izstrādātas inovatīvas medicīnas ierīces, kas izmanto radioaktīvos izotopus, lai iegūtu detalizētāku informāciju par cilvēka ķermeņa iekšējo darbību. Papildus tradicionālajai rentgena attēlveidošanai, datortomogrāfijai (DT) un magnētiskās rezonanses attēlveidošanai (MRI) ir parādījusies tehnoloģija, ko sauc par pozitronu emisijas tomogrāfiju (PET), kas var vizualizēt pašu smadzeņu funkcionālo aktivitāti. PET ir ierīce, kas izmanto vielas, kas iezīmētas ar radioaktīviem izotopiem, lai iegūtu dažādu smadzeņu reģionu attēlus. PET attēlu iegūšanas princips izmanto fizioloģisko parādību, ka glikozes metabolisms palielinās aktivizētos smadzeņu reģionos, kā rezultātā palielinās asins plūsma. Šajā procesā ūdens molekulas, kas satur izotopu ar ārkārtīgi īsu pussabrukšanas periodu, aptuveni divas minūtes, tiek izmantotas, lai mērītu asins plūsmas izmaiņas. Izmeklēšanā tiek salīdzināta smadzeņu reakcija stāvoklī bez specifiskas stimulācijas ar to aktivācijas stāvokli, kad tiek pielietota stimulācija, ko veic, izmantojot tomogrāfisko attēlveidošanas metodi. Šādi piemēri skaidri parāda, kā kodolfizika var pozitīvi ietekmēt citu akadēmisko jomu attīstību.
Kodolfizikas pielietojamība
Gan elektroenerģijas ražošanas tehnoloģija, izmantojot kodolu dalīšanās reakcijas, gan daļiņu paātrinātāju, ko sauc par ciklotroniem, medicīniskais pielietojums ir atomu kodolu izpētes laikā atklāto zinātnisko principu piemērošanas rezultāts. Šajā ziņā kodolfizika nav tikai disciplīna, kas koncentrējas uz daļiņu īpašību noskaidrošanu; tā ir joma, kas veicina citu akadēmisko disciplīnu attīstību, pamatojoties uz pētījumu laikā uzkrātajām zināšanām. Noslēgumā kodolfiziku var apkopot kā daudzpusīgu disciplīnu, kas ne tikai pēta atomu kodolus, bet arī veicina zinātnes un tehnoloģiju progresu kopumā, piemērojot procesā atklātos principus dažādās jomās.
