Nuklearmedicinske isotoper og radioaktive lægemidler

1.3Nuklearmedicinske isotoper og radioaktive lægemidler

1. 
   diagnose: med hensyn til patientdosis og tidsskalaen af funktionen der skal undersøges, har disse isotoper en begrænsning fra deres fysiske egenskaber (T_½),
   
2. 
   stråleterapi: her er vi interesseret i isotoper der kan deponere høje doser i kræftceller, enten via høje energi gammas,  eller -partikler,
   
3. 
   kvalitetssikring af udstyr: for standarde kilder der anvendes til kvalitetssikring af udstyr, vil man helst have en isotop med en lang halveringstid, så at reference aktiviteten ikke ændres over en lang tidsperiode.
   

”Sporstofteknik ... bygger på anvendelsen af stabile eller ustabile (radioaktive) isotoper af et givet grundstof som markører for den naturligt forekommende form af grundstoffet. Sporstofisotopen (traceren) kan forekomme i fri form eller indbygget i kemiske forbindelser. Det er en betingelse for enhver anvendelse af sporstoffer, at det biologiske eller kemiske system, hvis egenskaber ønskes undersøgt, ikke er i stand til at skelne mellem den naturligt forekommende og den isotopberigede komponent”.

• 
  den radioaktive isotop skal have så kort som muligt halveringstid, der er kompatibel med det biologiske system der skal undersøges. Som tommelfinger regel bruger man en halveringstid 0.693T_obs, hvor T_obs er tidsrummet mellem injektion af midlet og når man laver optagelsen.
  
• 
  gammastrålingen udsendt fra den radioaktive isotop skal helst være monochromatisk, dvs. den skal have én energi, der ligger mellem E_= 100 – 300 keV²⁶. Den øverste grænse sættes af udstyret – jo højere energi en foton har, jo længere kan den trænger gennem udstyret før der sker en vekselvirkning med detektoren. Der er også mulighed for at den ikke bliver set af detektoren, og systemets følsomhed bliver lavere for højere energi fotoner. Den nederste grænse sættes fra absorption af strålingen i patienten selv. Radioaktivitetens kilde sidder inde i patienten, og derfor er de udsendte fotoner nødt til at have energi nok til at trænge gennem kroppens væv for at nå detektoren; hvis energien er for lav, vil alle fotoner blive absorberet i patienten, og der ses ingenting ved detektoren.
  
• 
  den skal have god ”biogenisk opførsel”, dvs. den skal nemt optages i væv, og
  
• 
  isotopen skal være hurtig disponibel, økonomisk og ren.
  

Overvejelser for biokemikaliet er:

• 
  den skal være ugiftig,
  
• 
  den skal fordeles i de relevante organer, eller en bestemt del i organet,
  
• 
  fordelingen i en normal patient skal være anderledes fra en patologisk fordeling, og
  
• 
  den skal have en højt kemisk renhed.
  

1.3.1General oversigt over isotoperne der bruges til nuklearmedicinske undersøgelser

Tc-99m er næsten den perfekte isotop til brug i diagnostisk nuklearmedicin, men den er ikke den eneste isotop der anvendes. Isotoper som I-131, Xe-133 og Th-201 blev brugt i mange år, og anvendes stadig på nogle afdelinger. Derudover omfatter nuklearmedicin ikke kun diagnose, den inkluderer også behandling af sygdomme med radioaktivitet. Her kan man ikke bruge Tc-99m. Anvendelige isotoper, og hvad de bruges til, vises i Tabel 16.

Indenfor de sidste 10-20 år, er der kommet en ny klinisk nuklearmedicinsk diagnostisk metode – PET (Positron Emission Tomograpy), som i dag udføres på flere og flere nuklearmedicinske afdelinger. Princippet er stadig detektering af fotoner, nu er man interesseret i registrering af høj energi (511 keV) fotoner, der bliver udsendt når en positron anihilerer med en elektron i kroppen. Derfor er vi i PET interesseret i isotoper der udsender positroner ( -stråling) når de henfalder. Isotoperne der udsender -stråling, og kan bruges til PET er markeret med blåt i Tabel 16. Til fremstilling af disse isotoper kræves en cyclotron på stedet, pga. isotopernes korte halveringstider. Undtagelsen er fluor-18 (¹⁸F), der har en halveringstid på T_½= 110 minutter, og som derfor kan produceres på et PET center, f.eks. Århus eller Odense, og transporteres til afdelingen hvor undersøgelserne udføres.

Tabel 17: radioaktive isotoper der findes på nuklearmedicinsk afdeling i Rinkjøbing amt (He – Herning; Ho – Holsebro)

Isotop	T½	Henfaldskanal og produkter	Fremstilling	Anvendes til	Hvor
241Am	432 å	: E=5,48 MeV : E = 59 keV	reactor	service DIACAM kameraer	He
133Ba	10,5 å	EC : 356 keV : 303 keV		attentuationskorrektion AXIS	He/Ho
57Co	271,7 d	EC : E = 120 keV	cyclotron	kvalitetssikring gammakameraer	He/Ho
51Cr	27,7 d	EC  320 keV	reactor	medicinsk forskning	Ho
137Cs	30,0 å	: E = 510 keV : E = 1,17 MeV	fission	kvalitetssikring Wallac -tæller	He/Ho
153Gd				attenuationskorrektion CardioMD	He
123I	13,2 t	EC : E = 159 keV	cyclotron	diagnostiske undersøgelser	He/Ho
125I	59,6 d	EC : E = 35 keV	reactor	medicinsk forskning	Ho
131I	8,02 d	: E = 610 keV : E = 364 keV	fission	jodbehandling	He
129I	1.7107 å			kvalitetssikring Wallac -tæller	He/Ho
111In	67,3 t	EC : E = 250 keV : E = 170 keV	cyclotron	diagnostiske undersøgelser	He/Ho
99Mo	65,9 t	: E = 1,21 MeV : E = 440 keV : E = 740 keV : E = 180 keV	fission	generator: fremstilling af Tc-99m	He/Ho
89Sr	50,5 d	: E = 1,49 MeV	reactor	behandling	He
99mTc	6,0 t	IT : E = 140 keV	fission	diagnostiske NM undersøgelser	He/Ho
133/133mXe	5,24-2,19 d	: E = 346 keV IT : E = 233 keV : E = 81 keV	fission	tidligere brugt til lungeskintigrafi	Ho
EC: ”electron capture” – en proton i kernen omdannes til en neutron ved at indfange en orbitalelektron. Når den nye kerne er eksiteret, udsendes gammafotoner fra kernen.
IT: ”isomeric transition” – udsendelse af en foton fra en langlivet eksiteret tilstand i kernen

I dag er der mindst 70 isotoper der anvendes indenfor nuklearmedicin. Der findes faktisk ikke særlig mange naturlige forekommende isotoper, der har de korrekte fysiske egenskaber, der kan anvendes til diagnostiske undersøgelser – enten er deres halverings tid for kort (man kan ikke nå at tage et billede før aktiviteten er væk, eller funktionen man er interesseret i har en længere tidsperiode), eller er T_½’en for lang (patienten får for meget dosis, og det tager for lang tid at optage et billede med tilstrækkeligt antal counts), eller den udsendte stråling er af den forkerte type/ energi. De fleste forskellige isotoper, der bruges i dag, er indenfor biomedicinsk forskning, for at opfinde nye og bedre isotoper til diagnose og behandling af sygdomme, imens en ”core”-gruppe (testet i mange år) bruges til daglig diagnostiske undersøgelser, f.eks ^99mTc, ¹³¹I, ¹¹¹In og ²⁰¹Tl.

Med hensyn til PET, for kun få år siden var det kun ¹⁸F der blev brugt til kliniske undersøgelser på få steder, og andre isotoper som ¹¹C, ¹³N og ¹⁵O fandtes kun ved de store forskningscentre med egen cyclotron til fremstilling af isotoperne. I dag er PET en godkendt undersøgelses metode indenfor nuklearmedicin, og der findes mange kliniske afdelinger med deres eget PET kamera, som får ¹⁸F leveret når de har brug for det. Der kommer snart også flere PET-centre som består af dedikerede PET-, og kombineret PET-CT kameraer, og en cyclotron, som kan levere de kortlivede isotoper, ¹¹C, ¹³N og ¹⁵O direkte til afdelingen når undersøgelserne skal udføres.

1.3.2Isotoper på vor afdeling

De fleste undersøgelser på vor afdeling er diagnostiske, og udføres med Tc-99m markerede lægemidler, men der findes også undersøgelser hvor der anvendes ¹³¹I, ¹¹¹In eller ⁵⁷Co. Derudover, laver vi behandling hvor der bruges ¹³¹I eller strontium (⁸⁹Sr). Alle undersøgelser, hvor der anvendes ¹³¹I eller ⁸⁹Sr, er samlet i Herning, og disse isotoper findes ikke i Holstebro. Til myokardie undersøgelser laver vi et transmissions scan for at få attenuationskorrektion information for individuelle patienter; der findes 2  barium (¹³³Ba) kilder på begge Axis gammakameraer²⁸, og 2  gadolinium (¹⁵³Gd) linjekilder monteret på CardioMD kammeraet. Der findes også ⁹⁹Mo i generatorerne til fremstilling af ^99mTc på begge afdelinger.

Udover isotoperne der bruges til medicinske undersøgelser, eller behandling, findes der langlivede isotoper til kvalitetssikring af vore gammakameraer og dosis måling udstyr; f.eks. ⁵⁷Co, ²⁴¹Am, ¹²⁹I og ¹³⁷Cs. Der findes også ¹²⁵I og ⁵¹Cr på afdelingen i Holstebro. Dem bruger vi ikke, men tager ansvar for opbevaring og affaldshåntering af disse isotoper for afdelingen for medicinsk forskning i Holstebro. Disse isotoper kræver alle særlig behandling med hensyn til affaldshåndtering, pga. deres længere (eller meget lange – århundreder) halveringstider. Isotoper som ⁵⁷Co, ⁵¹Cr og ¹²⁵I skal opbevares i rimelig lang tid, for at sikre at affaldet der smides væk har en aktivitet under grænsen for radioaktivt affald. Isotoper som ¹³⁷Cs, ²⁴¹Am, og ¹²⁹I som har halveringstider år / århunderede / millioner år henholdsvis, kræver særlig behandling for deres bortskaffelse.
En liste over alle isotoperne der bruges på afdelingen, deres halveringstid og hoved henfaldskanaler, hvad de anvendes til og hvor de findes, vises i Tabel 17. En oversigt over de vigtigste isotoper, inklusiv information om dosimetri, forurening og strålingsbeskyttelse, findes i Bilag 1.

1.3.2.1^99mTc henfald

Figur 1 23: radioaktivt beta-henfald af moder isotop 99Mo til datter isotop 99mTc. Metastabil Tc henfalder videre til dens grundtilstand ved at udsende 140keV gammafotoner.
Den mest brugte isotop på moderne nuklearmedicinske afdelinger er Tc-99m (metastabil technetium-99), som er datterproduktet af isotopen molybden-99. Den fremstilles lokalt på afdelingen i generatorer som indeholder Mo-99, der henfalder til stabil Tc-99 via den metastabil-isotop Tc-99m (Figure 1-23):
⁹⁹Mo  ()  ^99mTc^*  ()  ⁹⁹Tc .
⁹⁹Mo henfalder via ^--henfald (elektron) til en af tre eksiterede tilstande i ⁹⁹Tc (142 keV, 513 keV eller 922 keV). De fleste eksiterede Tc tilstande henfalder straks videre ved at udsende gammafotoner for at nå den mest stabile grundtilstand i technetium. Grundtilstanden har en meget lang halveringstid, derfor siger vi at henfaldsproduktet ⁹⁹Tc er stabilt²⁹, dvs. den henfalder ikke videre og udsender ikke yderligere stråling. Grundtilstanden er ikke nyttig for nuklearmedicinske undersøgelser.
Der findes dog én tilstand i ⁹⁹Tc der har en relativ lang halveringstid. Denne er ^99mTc – metastabil techetium. En metastabil tilstand er en eksiteret kerne der eksistere for en mærkbar tidsperiode før den henfalder. Halveringstiden for technetium i denne tilstand er cirka 6 timer, og den har en energi på 142 keV (se det forstørrede henfalds diagram, Figur 1-23). Det er henfaldet af denne tilstand at vi er interesseret i for at danne vore billeder. Heldigvis for os henfalder ⁹⁹Mo 80% af tiden til denne metastabile tilstand. Fra denne tilstand henfalder ^99mTc via to kanaler: enten i) direkte fra 142 keV energi-niveauet til grundtilstanden, ved at udsende 142 keV gammafotoner (₃) – det sker mindre end 2% af tiden eller, ii) i 98% tilfælde, henfalder ^99mTc ved at udsende en 2 keV foton (₁), så den bliver til den eksiterede tilstand ved 140 keV. Denne 140 keV tilstand eksisterer kun en meget kort tid (T_½ = 10^-9s), og straks henfalder ved udsendelsen af 140 keV gammafotoner. Det er disse 140 keV fotoner der er karakteristisk for technetium, og det er disse fotoner vi registrerer i vort gammakamera for at se isotopens fordeling i patienten.

1.3.2.2¹³¹I henfald

Figur 1 24: simplificeret henfaldsdiagram for I-131

Den ustabile radioaktive isotop ¹³¹I har en halveringstid T_½ = 8 dage, og den henfalder via -henfald til eksiterede tilstande i xenon (¹³¹Xe). Den eksiterede xenon henfalder videre ved at udsender gammafotoner med forskellige energier, til den når dens stabile grundtilstand:

¹³¹I  () ^131*Xe  ()  ¹³¹Xe.
Der findes mange henfaldskanaler for ¹³¹I. Figur 1-24 viser et simplificeret diagram for de vigtigste kanaler til produktionen af gammastråling. Vigtigst for os er, at ¹³¹I henfalder via ^-emission med 90% sandsynlighed (₃), til det eksiterede 364 keV energi-niveau i datterisotopen ¹³¹Xe. Denne tilstand har en meget kort halveringstid, derfor henfalder ¹³¹Xe straks (med 82% sandsynlighed) ved at udsende en 364 keV gammafoton (₃).

1.3.2.3¹²⁵I henfald

Figur 1 25: simpel henfaldsdiagram for I-125


¹²⁵I i grundstilstanden er ustabil med en halveringstid T_½=60 dage. Den henfalder via elektron-indfangning (se 1.1.6.1) til den eksiterede datter isotop telerium –125. ¹²⁵Te er også ustabil, og henfalder straks (T_½ = 1,48 ns (1ns = 10^-9s)) til stabil ¹²⁵Te ved at udsende gammafotoner, konversions-elektroner, auger elektroner og røntgen stråling fra forskellige elektron skaller:
¹²⁵I  (ec)  ^125*Te  ( / x / e^- / auger)  ¹²⁵Te.
Resultatet af ¹²⁵I henfaldet er udsendelsen af lav energi elektromagnetisk stråling (gamma, røntgen) i energi området 27-35 keV, men også elektroner i energi-området 22-35 keV. Selv om energierne er små, kan denne stråling være et stort problem i intern-forurenings tilfælde. Den lave energetiske stråling bliver totalt absorberet i kroppen, og medfører en høj intern strålingsdosis – især for auger elektroner. Det er derfor ¹²⁵I er klassificeret som en Gruppe 2 (høj radiotoksicitet) isotop, og der findes strenge krav om monitorering for internforurening i forhold til arbejde med denne isotop. På vor afdeling opbevares ¹²⁵I i Holstebro, og den bruges af afdelingen for medicinsk forskning.

1.3.2.4I-123 henfald

Ligesom ustabil ¹²⁵I, henfalder ¹²³I via elektron indfangning til en eksiteret tilstand i ¹²³Te. ¹²³I har en halveringstid T_½ = 13,2 timer. Tilstanden i telerium henfalder videre ved at udsende 159 keV gammafotoner (83%):

¹²³I  (ec)  ^123*Te  ()  ¹²³Te.

1.3.2.5Cr-51 henfald

Figur 1 26: henfalds diagram for Cr-51


⁵¹Cr henfalder via elektron indfangning til vanadium-51. Henfaldet kan foregå via en af to kanaler. 90% af tiden henfalder ⁵¹Cr direkte til den stabile grundtilstand ⁵¹Va, men 10% af tiden henfalder den til en eksiteret tilstand med energi 320 keV. Denne eksiterede vanadium henfalder ved at udsende 320 keV fotoner (karakteristisk gammastråling), auger elektroner og røntgen stråling fra forskellige elektronskaller:
⁵¹Cr  (ec)  ^51*V  ( / x / auger)  ⁵¹V.
⁵¹Cr findes stadig i Holstebro, og opbevares på vegne af afdelingen for medicinsk forskning.

En oversigt over de vigtigste henfaldskanaler og strålingsenergier, der bliver udsendt under henfald for de overnævnte eksempler findes i Tabel 18. I virkeligheden, findes der mange flere henfaldskanaler end de der listes her, dog kun med små sandsynlighed. Isotoperne vi bruger har deres karakteristiske gamma-energier, f.eks. 140 keV for ^99mTc, 364 keV for ¹³¹I, og 35 keV for ¹²⁵I osv.; fotonenergierne som vi er interesseret i. Men husk at der altid findes flere strålings typer / fotonenergier tilknyttet disse isotoper: f.eks. lavere/højere energi gamma-fotoner, røntgen fotoner, konversions-elektroner, auger-elektroner osv. Denne ”extra” stråling burde ikke glemmes – den kan være meget vigtigt med hensyn til strålings beskyttelse, personale dosis, og risiko for forurening, fordi lavenergi fotoner, elektroner, og især auger elektroner, bidrager til en høj absorberet dosis ved intern bestråling.

Tabel 18: henfalds produkter, deres energi og frekvens for radioaktive isotoper der anvendes typisk i NM

Isotop	Stråling	udsendelses frekvens (%)	energi (keV)
Tc-99m	1	18,5	Emid 140
(Figur 1-23)	2	1,4	Emid 298
	3	80	Emid 452
	1 (ce)	98,6	2
	2 (, IT)	88,3	140
	3 (ce)	1	122
	K1	4	18,4
	K2	2	18,3
I-131	1	2	Emid 69
(Figur 1-24)	3	6,6	Emid 96
	5	90	Emid 192
	1	2,4	80
	2	81,8	364
	3	5,9	284
	4	7,2	637
	5	1,8	723
I-123		83	159
	x-ray	87	27
I-125		7	35
(Figur 1-25)	e (ce)	93	4
	e (ce)		31
	x-ray (K1)	73	27
	x-ray (K2)	39	27
	x-ray (K2)	25	31
	auger elektroner	20	23-30
Cr-51		9,8	320
(Figur 1-26)	x-ray	2,6	5,4
	x-ray (K1)	13,1	4,9
	x-ray (K2)	6,6	4,9
(,IT): ”isomeric transition” – udsendelse af en foton fra en langlivet eksiteret tilstand i kernen
(ce): ”conversion electron” – se bilag 2
(K): energi fra en eksiteret kerne bliver overført til en atomar elektron i k-skallen. Medfører udsendelse af en foton fra omorganisering af de atomare elektroner.
auger elektroner: se bilag 2

Download 10,41 Mb.