Scientia

Procesul de anihilare a pozitronilor cu electroni este folosit pentru identificarea şi localizarea cu succes a tumorilor. Metoda, denumită tomografie cu emisie de pozitroni, foloseşte instrumente preluate direct din laboratoarele de fizică nucleară.

Fenomene precum  dezintegrarea elementelor radioactive cu emisie de pozitroni, anihilarea particulă-antiparticulă în interiorul ţesuturilor vii şi folosirea detectoarelor de fotoni sunt astăzi o practică curentă.

Scurtă introducere

Cercetarea fundamentală este motivată de curiozitate, de dorinţa de a cunoaşte mai bine Universul din care facem parte şi, implicit, pe noi înşine. Dar o parte din metodele dezvoltate în fizica nucleară, precum şi descoperirile în acest domeniu, se regăsesc din ce în ce mai des în viaţa de zi cu zi.

Articolul de faţă prezintă, pe scurt, una din aplicaţiile recente ale cercetării fundamentale în medicină. Este vorba de o aplicaţie care foloseşte tehnici avansate ale fizicii particulelor elementare şi ale fizicii nucleare, combinate cu acceleratoare de particule şi cu detectoare de fotoni folosite pentru identificarea tumorilor.  

Pozitronul

Antielectronul (numit şi pozitron) este antiparticula asociată electronului. Acesta are sarcină electrică pozitivă, masă egală cu cea a electronului şi are acelaşi spin (1/2). Pozitronii au fost descoperiţi în 1932 de către Carl D.Andersen în radiaţiile cosmice care traversează atmosfera Pământului, descoperire pentru care Andersen a luat premiul Nobel în 1936. De atunci pozitronii, prima dovadă a antimateriei, au fost studiaţi şi folosiţi în nenumărate experimente de fizică fundamentală. La întâlnirea pozitronilor cu electronii au loc procese de anihilare – procese în urma cărora energia celor două particule se poate transforma în alte particule sau în fotoni.

Folosirea pozitronilor în medicină

Anihilarea pozitronilor cu electronii este însă folosită şi în medicină, în aşa-numita tehnică a tomografiei cu emisie de pozitroni (Positron Emission Tomography, PET), în special pentru localizarea tumorilor sau verificarea eficienţei metodelor de tratament.

Metoda constă de obicei în injectarea endovenoasă în pacient a unei substanţe active din punct de vedere metabolic, de exemplu o substanţă asemănătoare cu glucoza, care conţine un element chimic radioactiv ce emite pozitroni în urma dezintegrării şi care are o viaţă medie relativ scurtă (de ordinul zecilor de minute). Aceste elemente pot fi, de exemplu, carbon 11 sau flor 18. Carbonul 11 nu este un nucleu stabil şi se dezintegrează, cu o perioadă de înjumătăţire de circa 20 de minute, în bor 11 emiţând un pozitron şi un neutrino.

Aceste elemente radioactive (radioizotopi), datorită duratei lor de viaţă relativ scurte, sunt produse la ciclotroane aflate în apropierea spitalelor în care se aplică tehnicile PET. Ciclotroanele sunt acceleratoare de particule în cadrul cărora fascicule de protoni bombardează diverse ţinte, transformându-le în elemente radioactive care sunt folosite în cadrul tehnicii PET.

Substanţa introdusă în pacient (uneori pe cale bucală sau prin inhalare) ajunge în ţesuturile analizate, în diverse concentraţii. Ţesuturile tumorale, care se caracterizează printr-un metabolism mai accentuat, absorb mai multă substanţă radioactivă şi ajung astfel să aibă o concentraţie mai mare din acest element radioactiv decât zonele neafectate. În ţesuturi, substanţa radioactivă emite pozitroni, care se anihilează practic imediat cu electronii prezenţi în atomii ţesuturilor, emiţând cei doi fotoni rezultaţi în direcţii opuse. Procesul despre care vorbim este: electron+pozitron -> 2 fotoni în domeniul radiaţiilor gama.

Aplicarea tomografiei cu emisie de pozitroni

Pacientul este poziţionat într-un scanner, un aparat care măsoară fotonii emişi în urma anihilării; acest aparat este de fapt un detector de particule specializat pentru fotonii gama. Din măsurarea şi analiza acestor fotoni se poate reconstrui regiunea tumorii, cu precizie de ordinul milimetrilor, ceea ce permite practic „fotografierea” tridimensională a tumorii, deoarece în acea zonă anihilarea pozitron-electron este mai intensă. Această tehnică oferă, pe lângă posibilitatea de a stabili localizarea şi dimensiunile tumorii şi capacitatea de a determina activitatea sa metabolică – ajutând medicii să stabilească cea mai adecvată metodă de tratament.

Tehnicile PET sunt folosite în medicină şi pentru măsurarea fluxului de sânge sau a modului în care oxigenul este folosit de către organism. 

Concluzii

Aplicaţiile fizicii fundamentale în viaţa de zi cu zi sunt din ce în ce mai importante şi contribuie la îmbunătăţirea calităţii vieţii. Am exemplificat în articolul de faţă o tehnică modernă pentru diagnosticarea tumorilor. Există însă multe alte aplicaţii, atât în medicină cât şi în multe alte domenii (artă, prospecţiuni geologice, noi surse de energie, comunicaţii, securitatea aeroporturilor, identificarea explozibililor şi altele).

Autoarea mulţumeşte dlui. Paul Fogarassy pentru colaborare.