Dette blogginnlegget undersøker prinsippene og anvendelsene som ledet kjernefysikk – studiet av atomkjerner – til moderne medisinsk teknologi som strålebehandling og PET-skanning, via syklotroner og radioaktive isotoper.
Hvorfor førte kjernefysikk til medisin og eksperimentell vitenskap?
Kjernefysikk er studiet av atomkjerner. Mange har imidlertid en tendens til å oppfatte kjernefysikk utelukkende som feltet som omhandler kjernefisjonsfenomener som forekommer i kjernekraftverk. I motsetning til denne oppfatningen muliggjorde diverse biprodukter generert under kjernefysikkforskning eksperimenter som tidligere var umulige innen andre områder av kjemi eller fysikk, og de har også praktisk verdi innen det medisinske feltet.
Syklotron: Bare en enkel partikkelakselerator?
Tenk for eksempel på syklotronen, en akselerator utviklet for kjernefysiske eksperimenter. En syklotron er en partikkelakselerator som induserer partikler i sirkelbevegelse. Strukturelt sett er det en relativt enkel enhet som består av to D-formede vakuumkamre laget av kobberplater. Denne enheten bruker høyfrekvent vekselstrøm for å akselerere strømmen av ladede partikler.
De strukturelle egenskapene til syklotronen kan grovt sett deles inn i to hovedtrekk. Det første trekket er at syklotronen, i motsetning til konvensjonelle lineære partikkelakseleratorer, er en sirkulær partikkelakselerator med to D-formede halvsirkelformede plater plassert fra hverandre. Det andre trekket er at inne i syklotronen endres retningen på vekselspenningens frekvens hver gang partikler passerer gjennom en av de halvsirkelformede platene. For å akselerere partikkelstrømmen flyter vekselspenningen mellom to halvsirkelformede metallelektroder inne i vakuumkammeret. Disse halvsirkelformede platene er plassert med et fast mellomrom for å sikre at partikler som injiseres i midten av dette rommet, har plass til å bevege seg fritt. De halvsirkelformede platene er plassert mellom polene til en elektromagnet som genererer et elektromagnetisk felt vinkelrett på elektrodeplatene. Det resulterende magnetfeltet får partiklenes baner til å krumme seg til en sirkulær form på grunn av Lorentz-kraften som virker vinkelrett på bevegelsesretningen deres. Videre endres retningen på det elektriske feltfrekvensen hver gang partikler passerer gjennom gapet mellom de halvsirkelformede platene. Denne endringen sikrer at det elektriske feltet er orientert riktig for å akselerere partiklenes hastighet. Følgelig blir partiklene styrt til å følge sirkulære baner med gradvis større radier under påvirkning av den elektriske kraften.
Partikler som akselereres på denne måten kan brukes i eksperimenter når de forlater syklotronen, for eksempel ved å kollidere dem med forskjellige materialer eller indusere kjernefysiske reaksjoner for å observere dannelsen av nye partikler. Partikler som genereres i en syklotron tjener imidlertid ikke bare til enkel eksperimentering, men spiller også en avgjørende rolle innen det medisinske feltet. Med andre ord kan ionestrålen som sendes ut fra en syklotron brukes til kreftbehandling, i samsvar med kjerneprinsippet i en medisinsk teknologi som ofte kalles strålebehandling. Metoden med å bestråle en pasients svulststed med protoner akselerert til omtrent 60 prosent av lysets hastighet i en syklotron for å ødelegge kreftcelle-DNA gir fordelen av å minimere påvirkningen på sunt vev under dets passasje gjennom kroppen, sammenlignet med konvensjonell strålebehandling. Videre er behandlingsprosessen relativt rask og forårsaker mindre ubehag for pasienten, noe som er en annen viktig egenskap. Dermed viser anvendelsen av kjernefysikk at den ikke er begrenset til det begrensede feltet for elektrisitetsproduksjon, men kan strekke seg til forskjellige områder.
Kjernefysikk i medisinsk teknologi
Radioaktive isotoper, som ofte håndteres i kjernefysikkeksperimenter, brukes også aktivt i medisinsk teknologi. Innovative medisinske apparater har blitt utviklet som bruker radioaktive isotoper for å få mer detaljert informasjon om menneskekroppens indre funksjoner. Utover konvensjonell røntgenavbildning, computertomografi (CT) og magnetisk resonansavbildning (MR), har det dukket opp en teknologi kalt positronemisjonstomografi (PET) som kan visualisere hjernens funksjonelle aktivitet. PET er en enhet som bruker stoffer merket med radioaktive isotoper for å få bilder av ulike områder av hjernen. Prinsippet bak innsamling av PET-bilder utnytter det fysiologiske fenomenet at glukosemetabolismen øker i aktiverte hjerneområder, noe som fører til en tilsvarende økning i blodstrømmen. I denne prosessen brukes vannmolekyler som inneholder en isotop med en ekstremt kort halveringstid på omtrent to minutter for å måle endringer i blodstrømmen. Undersøkelsen sammenligner hjernens respons i en tilstand uten spesifikk stimulering med dens aktiveringstilstand når stimulering påføres, utført ved hjelp av en tomografisk avbildningsmetode. Slike eksempler viser tydelig hvordan kjernefysikk kan påvirke utviklingen av andre akademiske felt positivt.
Anvendeligheten av kjernefysikk
Både teknologien for å generere elektrisitet ved hjelp av kjernefysiske reaksjoner og den medisinske anvendelsen av partikkelakseleratorer kalt syklotroner er resultater av anvendelsen av vitenskapelige prinsipper oppdaget under utforskningen av atomkjerner. I denne forstand er kjernefysikk ikke bare en disiplin som fokuserer på å belyse egenskapene til partikler; det er et felt som driver fremskrittene til andre akademiske disipliner basert på kunnskapen som er samlet under forskningen. Avslutningsvis kan kjernefysikk oppsummeres som en allsidig disiplin som ikke bare utforsker atomkjerner, men også bidrar til fremskrittene innen vitenskap og teknologi som helhet ved å anvende prinsippene som avdekkes i prosessen på ulike felt.
