«Целый комплекс решений топового уровня»: российский физик — о работе над отечественным позитрон-эмиссионным томографом

Применение позитрон-эмиссионных томографов (ПЭТ) позволяет диагностировать патологические процессы в организме пациента на самых ранних стадиях, когда они ещё подлежат лечению. В России уже ведётся работа над созданием таких томографов собственного производства. Об этом в интервью RT рассказал директор Физико-технологического института, заведующий кафедрой экспериментальной физики Уральского федерального университета Владимир Иванов.

• Позитрон-эмиссионный томограф (ПЭТ)
• Gettyimages.ru
• © JohnnyGreig

— Владимир Юрьевич, ваша научная группа работает над исследованием сцинтилляционных кристаллов, которые могут применяться в современных позитрон-эмиссионных томографах. Расскажите, пожалуйста, что представляет собой процесс позитрон-эмиссионной томографии, чем ПЭТ отличается от МРТ и КТ и в чём преимущества этой технологии?

— Методы МРТ и КТ относятся к так называемым трансмиссионным методам диагностики. В случае КТ человек подвергается внешнему рентгеновскому облучению, которое в той или иной степени поглощается различными органами и тканями, а затем улавливается детектором. Процесс напоминает флюорографию, только с объёмным разрешением. В случае МРТ мы тоже помещаем пациента в специальное внешнее магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитовосприимчивыми структурными элементами органов и тканей человека, позволяет нам получить представление о его состоянии.

А когда проводится позитронно-эмиссионная томография, в организм пациента вводится радиофармпрепарат, который содержит короткоживущий медицинский изотоп и его носитель, который доставляет изотоп «к месту назначения». Например, для диагностики онкологических патологий массово применяется синтетический аналог глюкозы — фтордезоксиглюкоза, содержащая короткоживущий изотоп фтора-18. Известно, что раковые клетки быстро размножаются во многом за счёт способности активно поглощать естественную глюкозу из крови. Синтетическая глюкоза аналогичным образом быстро накапливается в патологических тканях, доставляя в них фтор-18.

• Gettyimages.ru
• © Morsa Images

Соответственно, в этих местах начинается процесс распада с испусканием позитронов. Позитроны за короткое время аннигилируют с электронами тканей человека, при этом происходит испускание двух гамма-квантов, которые движутся в строго противоположных направлениях. Они вылетают за пределы тела пациента и фиксируются специальными детекторами, основным элементом которых как раз и являются сцинтилляционные кристаллы. На основании этих данных мы можем локализовать места, где произошло накопление радиофармпрепарата, что и свидетельствует о происходящих там патологических процессах. Этот метод основан на эмиссии гамма-квантов.

Главное преимущество ядерно-медицинской диагностики в том, что она позволяет выявить онкологическую или иную патологию на самых ранних стадиях, когда она приводит лишь к незначительным изменениям физиологических процессов. Для сравнения, компьютерная томография позволяет диагностировать онкологию только тогда, когда уже можно визуализировать в определённой мере сформировавшуюся опухоль.

— Что такое сцинтилляционные кристаллы и какие функции они выполняют в составе позитрон-эмиссионных томографов?

— Проведу такую аналогию: человек может определить по запаху некоторые химические вещества, например хлор. Но у нас нет органов чувств, которые могли бы определять радиацию. Гамма-квант, вылетающий из тела пациента во время ПЭТ-диагностики, нужно не только уловить, но и преобразовать его энергию во вторичные возбуждения, которые способны стимулировать в объёме кристалла фотоны видимого диапазона. Затем с помощью фотоэлектрических устройств можно зафиксировать потоки фотонов и преобразовать их в импульсы электрического тока в регистрирующем тракте изделия.

• Gettyimages.ru
• © Solskin

— Верно ли, что сейчас всё оборудование для ПЭТ, включая кристаллы, импортное? Почему сложилась такая ситуация?

—  Смотрите, каждый из нас представляет себе, что такое хороший легковой автомобиль. И даже в целом понятно, как такая техника устроена. Но по ряду причин пока создать в России полный технологический цикл производства автомобилей, сопоставимых по характеристикам с зарубежными моделями, из отечественного сырья и комплектующих не удалось. Хотя работа в этом направлении, конечно, всегда велась и ведётся.

В случае со сцинтилляционными кристаллами аналогичная ситуация: известны основные методы выращивания кристаллов, они изложены в научных публикациях, защищены патентными решениями. Но до тех пор, пока были относительно легко доступны сцинтилляционные кристаллы зарубежного производства, развитию отечественных технологий не уделялось такого пристального внимания, как сейчас. Задача не только в том, чтобы получить опытные образцы, гораздо более сложный вызов — наладить не штучный, а массовый выпуск схожих по свойствам материалов. Это кропотливая работа по установлению и коррекции технологических режимов, подбору сырья требуемой чистоты и т. п. Этот процесс требует не разовой поддержки, а стабильного длительного финансирования. Примеры создания таких производств за границей есть. Определённые сцинтилляционные материалы получают и в России. Надо возрождать прежний опыт с учётом развитых за рубежом подходов к решению проблемы.

В России созданием ПЭТ-томографа занимается АО «НИИТФА», входящее в госкорпорацию «Росатом» и имеющее опыт разработки сложной высокотехнологичной медицинской аппаратуры. В 2016 году предприятие уже представило прототип ПЭТ-томографа. Над получением сцинтилляционных кристаллов надлежащего качества работает другое предприятие «Росатома» — АО «Гиредмет» им. Н.П. Сажина. Уральский федеральный университет, обладая многолетним опытом исследования сцинтилляционных материалов, взаимодействует с «Гиредметом» именно по части определения сцинтилляционных свойств вновь выращиваемых кристаллов.

• РИА Новости
• © Евгений Биятов

В последнее время в «Гиредмете» получены экспериментальные образцы кристаллов силиката лютеция с приемлемыми характеристиками. Теперь нужно растиражировать эту технологию, достичь воспроизводимости свойств кристаллов. Если решить эту задачу, то будет открыт путь к созданию отечественных детекторных компонентов для ПЭТ-томографов, в том числе и для модернизации уже имеющихся в России зарубежных ПЭТ-томографов.

— А есть ли в России необходимое для производства сцинтилляционных кристаллов сырьё?

— В целом да. Другое дело, что для получения кристалла высокого качества, помимо технологии и подбора режимов выращивания, нужно сырьё надлежащей чистоты. С моей точки зрения, для опытного производства в лабораторных условиях можно очистить до нужного состояния необходимый объём химикатов. Подобные задачи в АО «Гиредмет» им. Н.П. Сажина успешно решают, о чём свидетельствует получение кристаллов достойного качества. Но выращивание кристаллов в значительных объёмах может потребовать, в свою очередь, масштабирования технологии очистки сырья.

— Можно ли говорить, что создание такого томографа даст дополнительный импульс для развития смежных наукоёмких областей? Обычно о таком эффекте говорят применительно к оборонным технологиям — многие из них со временем перекочевали в гражданскую сферу.

— ПЭТ-томограф — это изделие, для создания которого нужно поднять до требуемого уровня ряд технологий в области фотоники, электроники, микромеханики и т. п. С моей точки зрения, аппаратура класса медицинских томографов сочетает целый комплекс решений топового уровня в области высоких технологий. Несомненно, задача по созданию отечественного ПЭТ-томографа может стать драйвером для их развития в России.

• Задние Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина в Екатеринбурге
• РИА Новости
• © Павел Лисицын

— Процедура ПЭТ считается одним из самых дорогостоящих диагностических исследований. Если в России получится наладить производство собственных позитронно-эмиссионных томографов, поможет ли это сделать такую диагностику более доступной?

— Стоимость томографа в определённой степени влияет на цену диагностики. Но нельзя забывать и о стоимости радиофармпрепарата, который применяется во время процедуры. Чтобы произвести его, нужен циклотрон — ускоритель заряженных частиц.

Также необходим радиохимический комплекс, который позволяет соединять изотопы с носителем, который определяет их путь в организме. Это достаточно сложное и затратное производство, связанное и с радиационным фактором, и с надлежащей культурой производства медицинских препаратов. Поэтому надеяться на то, что стоимость процедур заметно снизится, не стоит. Ведь и за рубежом ПЭТ-диагностика тоже недешёвая процедура.

— В каких ещё сферах применяются сцинтилляционные кристаллы, помимо медицины? Нужны ли для каждой области собственные типы кристаллов или они взаимозаменяемы?

— Сцинтилляционные кристаллы нужны везде, где необходимо определять не только интенсивность ионизирующего излучения, но и состав радиационных полей — то есть заниматься спектрометрией. Это те производства, которые так или иначе связаны с радиационными технологиями. К сожалению, на протяжении трёх последних десятилетий рыночные условия привели к тому, что изделия отечественных производителей замещались продукцией иностранных производителей. И здесь придётся восстанавливать статус-кво аппаратуры отечественного производства.

Источник