1. CIKLOTRONS; PET DIAGNOSTIKA; JONU PAĀTRINĀTĀJU IZMANTOŠANA BIOLOĢIJĀ
I. Muižnieks, gada septembris

3. Atomu veidojošās elementārdaļiņas
Protoni + neitroni = atoma kodols, pozitīvs elektriskais lādiņš.
Elektroni veido atoma apvalku, negatīvs elektriskais lādiņš.

4. Atoma skaitlis – protonu vai elektronu skaits atomā
Atoma masas skaitlis – protonu un neitronu kopskaits atoma kodolā

5. Viena un tā paša elementa atomu masas varianti
Izotopi
Viena un tā paša elementa atomu masas varianti
Nestabilo izotopu kodoli spontāni sabrūk, izstarojot enerģiju (radioaktivitāte). Dabā sastopamie radioktīvie izotopi sabrūk, izstarojot elektronus (b-), g starus vai alfa (2p2n, He atoma kodols) daļiņas

6. Pussabrukšanas periods ir laiks, kurā sabrūk tieši puse no vielā esošo radioaktīvo izotopu kodolu sākotnējā skaita. Nuklīdu pussabrukšanas periodu diapazons ir no sekundes miljonajām daļām līdz miljoniem gadu.

7. Attēlojot vienkāršotā veidā
Elektronu orbitāles
ATOMA UZBŪVES SHĒMA
Mazs, blīvs kodols, kurā koncentrēta gandrīz visa atoma masa
Attēlojot vienkāršotā veidā
Oglekļa atoma diametrs ir nanometri (1 nm = 10-9 m). Atomu kodolu izmēra dimensija ir m (10 femtometri; 1 fm = m)
Ja atoma diametrs būtu 1 m, tā kodola diametrs būtu 0,1 mm.
Lai iegūtu izotopus, t.i. mainītu atoma kodola sastāvu, protoniem jābūt ar pietiekami lielu enerģiju, lai pārvarētu vienādas polaritātes lādiņu atgrūšanās spēkus kodolā, neitroniem jāveido pietiekami intensīva plūsma, lai veidotos mijiedarbība ar mērķa kodolu.

8. Ciklotrons ir protonu vai citu lādētu daļiņu (jonu), paātrinātājs kurā izmanto spēcīga pastāvīga magnētiskā lauka, un vairāku simtu kHz frekvences maiņstrāvas lauka mijiedarbību.
Ciklotrona uzbūves shēma
Apstarošanas kanāla izvads
D-formas elektrodi ar dzesēšanas šķidruma caurulēm no Livermoras (ASV) laboratorijā būvētā ciklotrona

9. Attēli no E.Lorensa ciklotrona patenta:
att. Daļiņas kustība D-formas elektrodos.
att. Magnētiskā lauka spēka līnijas D-elektrodu šķērsgriezumā.
att. Jonu avota novietojums starp D-elektrodiem.

10. Pēc paātrināšanas daļiņas tiek izvadītas no ciklotrona pa vienu vai vairākiem apstarošanas kanāliem, lai izmantotu dažādiem medicīnas, zinātnes, rūpniecības un izotopu iegūšanas mērķiem. Katram starojuma izmantošanas veidam nepieciešams īpašs papildu aprīkojums.

11. Zinātniskās institūcijas Salaspilī
Fizikas institūts
Neorganiskās ķīmijas institūts
Atomreaktors
Silava
Bioloģijas institūts

12. Zinātniskās institūcijas Salaspilī
Atomreaktors

13. LATVIJAS NACIONĀLAIS CIKLOTRONA CENTRS
Salaspils
ATOMREAKTORS ( )
Protonu paātrinātājs – CIKLOTRONS (2011 -)

14. Latvijas un Starptautiskās atomenerģijas aģentūras (SAEA) kopīgā projekta LAT/4/007 “Establishment of a Multiporpose National Cyclotron Facility” ietvaros Salaspils atomreaktora vietā paredzēts izbūvēt ciklotronu, lai to izmantotu gan medicīnā, gan zinātniskajam darbam (Ar LR MK 2006.g. 31.augusta rīkojumu apstiprinātā “Nacionālā daudzfunkcionālā ciklotrona centra izveidošanas koncepcija ( gads)”.

15. 32 MeV četru kanālu ciklotrona shēma (plānots Salaspiī):
kanālos tiek novirzīti dažādas enerģijas joni noteiktu sintēzes vai analīzes uzdevumu izpildei,
piem.:
viens kanāls ar gala aparatūru PET izotopu sintēzei;
viens kanāls ar gala aparatūru citu (piem., SPECT) izotopu sintēzei;
viens kanāls protonu mikrolitogrāfijai;
viens kanāls PIXE analīzei

16. PET (Pozitronu Emisijas Tomogrāfijas) izotopu sintēze ciklotronā
Reakcija: 18O (p,n) 18F

17. Pozitrons vai anti-elektrons ir elektrona antivielas pāris
Pozitrons vai anti-elektrons ir elektrona antivielas pāris. Pozitrona lādiņš ir +1e, tā masa ir vienāda ar elektrona masu. Kad pozitrons saduras ar elektronu, notiek anihilācija un veidojas divu g fotonu pāris, kas tiek izstaroti apm. 180o leņķī viens pret otru.

18. Fluora -18 radioaktīvās sabrukšanas galvenie dati

19. Citi PET izotopi
Ogleklis 11; [14N(p,α)11C] pussabrukšanas periods: min.; veidojas 100% β+, max. starojuma enerģija: 960 keV Skābeklis 15; [15N(p,n)15O] pussabrukšanas periods: 2.04 min.; veidojas 100% β+, max. starojuma enerģija: 1740 keV

20. PET izotopu priekšrocības diagnostikā
Ar PET izotopiem iespējams iezīmēt metabolismā aktīvi izmantojamus savienojumus, piem. glikozi, serotonīnu, hormonus un tml. PET izotopi veido viegli detektējamu starojumu, kas atļauj lokalizēt orgānu un audu rajonus ar mainītu metabolisma aktivitāti PET izotopi ātri sadalās, neatstājot nevēlamus blakusiedarbības efektus organismā

22. Vienas 18-FDG dozas cena atkarībā no ražošanas apjomiem un piegādes:
150 USD EUR

25. 18-F FDG izmantošana klīnikā
1. Onkoloģijas pirmsoperācijas identificēšana un raksturojums (stadijas noteikšana): plaušu, krūts, zarnu, galvas/kakla, aizkuņģa dziedzera ļaundabīgie audzēji, melanomas.
2. Recidīvu atklāšana: limfomas, galvas/kakla, vairogdziedzera ļaundabīgie audzēji.
3. Recidīvu diferencēšana, pēcoperācijas stāvokļa raksturošana: zarnu un smadzeņu ļaundabīgie audzēji.
4. Terapeitiskās atbildes novērtējums : galvas/kakla, smadzeņu, krūts, sarkomas.
5. Biopsijas vietu identificēšana: galvas/kakla, smadzeņu audzēji.
6. Grūti ārstējamas lēkmes, smadzeņu metaboliskā aktivitāte.
7. Miokarda stāvoklis.
Nepieciešamie priekšnosacījumi:
FDG dozu pieejamība;
2. veselības apdrošināšanas sistēmas atbalsts;
3. aparatūras nodrošinājums: CT/PET

27. PET diagnostikas izšķirtspēju ievērojami palielina tās izmantošana kopā ar datortomogrāfiju (CT, rentgenstari)

29. Pilnas diagnostikās procedūras izmaksas: 600 – 1000 EUR
PET/CT kamera
64 detektoru sistēma ~ 1,5 - 2,3 M USD, gadā iespējams apkalpot līdz pacientu. Kopējais PET analīžu skaits Eiropā g. ~ 2 miljoni.
Pilnas diagnostikās procedūras izmaksas: 600 – 1000 EUR

30. Ciklotrona / PET diagnostikas centra minimālais iekārtojums:
(1) pacientu pieņemšanas telpas; (2) darbinieku ģērbtuves; (3) ciklotrons; (4) sintēzes laboratorija; (5) kvalitātes kontrole un dozēšana; (6) pacientu īslaicīgas uzturēšanās un procedūru telpas; (7) PET/CT kamera.

31. SPECT (Single Photon Emission Computer Tomography) izotopi
99Tc T1/2 = 6h, g =140 keV
111In T1/2 = 67h, g =172, 245 keV
123I T1/2 = 13h, g =159 keV
201Tl T1/2 = 73h, g =167 keV, rentgenstari 70 keV
Priekšrocības, salīdzinājumā ar PET:
lētāki, ilgāk uzglabājami, lielāks iezīmējamo metabolītu klāsts;
apm. 3 x lētāka skenēšanas iekārta;
ilgāka lietošanas pieredze.
Trūkumi, salīdzinājumā ar PET:
mazāka precizitāte, vairāk kļūdaini pozitīvu signālu;
ilgāks skenēšanas laiks (vairākas stundas)

32. Ciklotrona starojuma izmantošana bioloģijā un citās zinātnes nozarēs

33. ATOMA ELEKTRONU APVALKA UZBŪVE
Elektroni ap atoma kodolu izvietoti noteiktos enerģijas līmeņos, kurus apzīmē ar burtiem: K; L; M, utt.
Vienu enerģijas līmeni veido viens vai vairāki apakšlīmeņi, kurus apzīmē ar burtiem: s; p; d, utt.
Katru enerģijas apakšlīmeni aizpilda raksturīgas un noteikta skaita formas elektronu orbitāles (čaulas).

34. PIXE – Proton-Induced X-ray Emission (protonu inducēta rentgenstaru emisija)
Fizikālais princips
Lādēta daļiņa, mijiedarbojoties ar jebkādu materiālu, zaudē enerģiju, atdodot to apkārt esošo atomu elektroniem. Atomu iekšējo, lielākoties K un L līmeņu, elektroni saņem pietiekami daudz enerģijas, lai pārvietotos uz ārējIiem līmeņiem,veidojot nestabilu elektronu sakārtojumu atomā.

35. Elementu sadalījums PIXE analīzē
Atjaunojot stabilu stāvokli, elektroni no ārējiem līmeņiem atgriežas zemākā enerģētiskā līmenī un atbrīvo enerģiju rentgenstarojuma veidā. Rentgenstaru enerģija ir atšķirīga katram elementam un to var izmantot elementu identificēšanai. Savukārt, mērot atbilstošo rentgenstaru spektra līniju intensitāti iespējams noteikt gandrīz visu elementu koncentrāciju paraugā līdz apm. 0,00001% (1ppm vai pat 0,1 ppm) koncentrācijai.
Elementu sadalījums PIXE
analīzē

36. Mākslas priekšmeta elementu sastāva PIXE analīze
Konfokālā mikro PIXE ģeometriskā shēma

37. Dažas PIXE izmantošanas priekšrocības
Iespējams analizēt visus elementus, kam atoma skaitlis > 14 (Si). Bioloģiskos objektos vienlaikus iespējams noteikts apm. 15 elementu koncentrāciju.
Metode ir ātra, parauga apstarošanas laiks parasti nepārsniedz 10 min., kas dod iespēju analizēt daudz paraugus un ievākt pietiekami daudz datu nopietnai statistiskai analīzei.
Metode ir jutīga: iespējams mērīt 1,0 – 0,1 ppm koncentrācijas
Jonu stara telpiskā izšķirtspēja ir 1 mm (mikroPIXE – 10 mm), iespiešanās dziļums cietā paraugā: apm. 0,1 mm (mikroPIXE – 20 mm). šīs īpašības dod iespēju noteikt elementu sadalījuma profilu uz parauga virsmas rajonā, piem., koka gadskārtās vai minerālu slāņos.
Metode ir precīza, parasti kļūda variē 1 – 10% robežās, atkarībā no pētāmā elementa vai parauga sastāva.
Analīzei pietiek ar dažiem miligramiem parauga, kas nav iepriekš jāapstrādā
Metode ir nedestruktīva, jonu stars neizraisa paliekošas izmaiņas vairumā materiālu un paraugi pēc analīzes nav izmainījušies. Iespējams analizēt unikālus, arī kultūrvēsturiski nozīmīgus objektus.

38. Accelerator mass spectrometry

39. Protonu stara litogrāfija: jaunas iespējas liela blīvuma detektoru/sensoru/biočipu veidošanai
: 1 mēroga Stounhedžas modelis, izveidots PMMA ar protonu litogrāfijas metodi

40. Apstrādājot ar ciklotronā iegūto jonu staru cietus vai šķidrus metālu mērķus var iegūt atskaldīto neitronu starojumu
Neitronu starojuma izmantošana paver jaunas perspektīvas bioloģijas, medicīnas, materiālzinātnes, enerģētikas u.c. pētījumos
Viens no lielākiem ES zinātniskās infrastruktūras attīstības projektiem: European Spalliation Source Lundā, Zviedrijā (apm. divi miljardi EUR) ; tā efektīvai izmantošanai nepieciešama sinerģija ar mazāk jaudīgiem, piloteksperimentiem un apmācībai paredzētiem neitronu starojuma avotiem.
"Latvijas un Zviedrijas saprašanās memorands par Starptautisku platformu Eiropas infrastruktūru neitronu atskaldīšanai"

41. Uzbūvēsim paši savu ciklotronu ?