Technecium 99m a jeho výroba

Na řadě výzkumných reaktorů po celém světě probíhá výroba lékařských radionuklidů používaných při diagnostice nádorů a dalších onemocnění. Práce s takovými látkami podléhá přísným regulím stejně jako jejich výroba. Navíc musí splňovat požadavky lékařů, aby byly v medicíně užitečné. Podíváme se poměrně stručně na použití technecia 99m (značí se 99mTc), které je zdaleka nejpoužívanějším lékařským radionuklidem. Dále si podrobně projdeme produkci molybdenu 99 (99Mo), který je polotovarem pro přípravu technecia 99m.

Užití 99mTc v medicíně

Technecium 99m je nejpoužívanějším lékařským radioizotopem. Každý rok je jako radio indikátor použito při desítkách milionů diagnostických zákroků. Nejdříve je radionuklid navázán na farmakum, jehož druh závisí na pozdějším použití. Radiofarmakum se poté vpraví pacientovi do těla a kumuluje se v oblasti zájmu. Oblast, kde se bude radiofarmakum kumulovat, je určena právě zvoleným farmakem, na nějž je 99mTc navázáno (například nádorové buňky mají větší tendenci propouštět velké molekuly, třeba polymerních nosičů léčiva, oproti zbytku těla). Následuje vyšetření pacienta na gama kameře nebo přístroji SPECT. Detekcí radionuklidu je možné zobrazit aktivní části nádorů, záněty, léze či cysty. Tímto způsobem lze zobrazit i oblasti, které by na CT nebyly dostatečně patrné. Velmi častá jsou i vyšetření ledvin a močových cest u malých dětí, dále vyšetření srdce a klasifikace nádorů. Příkladem je vyšetření celkového objemu krve.

Na radionuklid navázaný na farmakum jsou různé nároky. Musí mít například vhodný poločas rozpadu. Ten nesmí být ani příliš krátký (aby bylo možné jej přepravovat a aby pacient nedostal příliš velkou dávku najednou), ani příliš dlouhý (aby nedocházelo ke hromadění nuklidu v těle). Bývá to od dvou hodin až po několik desítek hodin. Se svými šesti hodinami sem technecium 99m výborně zapadá. Dále je potřeba, aby byl radionuklid při rozpadu zdrojem gama záření o energii řádově stovky keV (jednotka energie používaná v částicové fyzice a radiologii, více o těchto jednotkách je možné nalézt zde a zde). V případě nízké energie záření by ho bylo obtížné detekovat. A posledním z příkladů nároků je netoxičnost samotného radionuklidu a také produktů jeho přeměny. Ty by také měly být stabilní, resp. s poločasem rozpadu v řádu stovek let, aby byly z těla vyloučeny a nezatěžovaly organismus.

Zdroj 99mTc

Technecium 99m bylo objeveno v roce 1938 při ostřelování molybdenu 99. Tento způsob přípravy mu už v komerčních aplikacích zůstal, protože je nejekonomičtější. Zpravidla to ale není tak, že by se v jednom podniku ozářil uran a odváželo by se z něj rovnou radiofarmakum do nemocnice, kde potom bude použito. Celý proces výroby je komplikován krátkým poločasem rozpadu 99mTc, který činí 6 hodin. Kvůli tomu není možné technecium skladovat a přepravovat na velké vzdálenosti. Proto je nejdříve v reaktoru ozářen vysoce obohacený uran a vznikne 99Mo s poločasem rozpadu 66 hodin, což už v zásadě umožňuje transport a krátkodobé přechovávání. V jiném zařízení umístěném poblíž nemocnice potom probíhá přeměna molybdenu 99 na technecium 99m. Ta může díky poločasu rozpadu 2,75 dne probíhat jednou za dva dny, což stačí pro provádění diagnostiky po celý týden.

Výroba radionuklidů ve světě je podrobněji rozebrána v mém dalším blogu, který najdete zde. Dočtete se tam, na jakých reaktorech je vyráběno a další zajímavosti.

Technecium 99m v Čechách: Výroba v Centru výzkumu Řež

Byla by škoda nezmínit český přínos k výrobě lékařských radionuklidů. To souvisí s výpadky při výrobě 99Mo na evropských reaktorech. Kvůli jedné z takových krizí v červenci 2008 se rozhodlo Centrum výzkumu Řež, že zpracuje studii zaměřenou na technologii ozařování. V té době přerušil výrobu reaktor v holandském Pettenu, který představuje většinu evropské produkce lékařských radionuklidů. Studie Centra výzkumu Řež se povedla dovést až k realizaci výroby radionuklidových zářičů pro využití v průmyslu a zdravotnictví a jejich následné přepravy do Belgie. Vybraným pracovištěm je výzkumný reaktor LVR-15, z nějž je převážen 99Mo do ústavu Institute for Radio-Elements (IRE) ve Felurus. Tento reaktor představuje zálohu pro případ výpadku ozařování v některém z reaktorů ve Francii, Belgii či Holandsku.

Postup 

Ozařování čehokoliv v reaktoru není jednoduchý úkol, nemůžeme do něj nic jen tak hodit a zase vytáhnout. Je třeba pečlivě měřit dávky, abychom dostali ve výsledku to, co potřebujeme, proces musí být dostatečně rychlý (kvůli krátkým poločasům rozpadu), personál nesmí být ohrožen zářením. Navíc, jak už zde padla zmínka, při ozařování materiálu může dojít k tomu, že se z neradioaktivních jader atomů stanou jádra radioaktivní (například přechodem do vyššího excitovaného stavu – detaily jsou nad rámec tohoto blogu). Tomuto jevu se říká indukovaná radioaktivita. Celý proces má proto jasně daná pravidla a bezpečnostní opatření. Podívejme se na postup ozařování terčů z vysoce obohaceného uranu.

Jak vypadají terče a ozařovací pouzdra?

Terče z vysoce obohaceného uranu jsou vkládány do aktivní zóny reaktoru ve speciálních pouzdrech. Samotné terče mají tvar trubičky o vnějším průměru 2,2 cm a délce 16 cm. Během jedné provozní kampaně je do reaktoru umístěno maximálně 24 terčů, které dohromady představují 96 g U235. Ozařování trvá 144 – 180 hodin.

Příprava terčů v horké komoře. (Zdroj: Centrum výzkumu Řež)

Jak jsme si už řekli, terče jsou ozařovány v ozařovacích pouzdrech. V jednom pouzdře jsou umístěny 3 terče. Pouzdro je vyrobeno ze slitiny hliníku a je ukončeno výstupkem, který umožňuje uchopení zakládacím zařízením DORA 1 nebo manipulační tyčí. Pouzdra je možné používat vícekrát, ovšem ne ihned po předchozím použití kvůli skutečnosti, že ozařování někdy činí radioaktivním samotný materiál (takzvaná indukovaná radioaktivita). Nejdříve je potřeba počkat jeden rok, než poklesne radioaktivita pouzdra na úroveň umožňující přímou manipulaci obsluhy. Ozářená pouzdra jsou tedy po tuto dobu skladována. Během jednoho roku projde reaktorem až 360 pouzder.

Nákres ozařovacího pouzdra. (Zdroj: Centrum výzkumu Řež)

Ozařovací pouzdra v horké komoře. (Zdroj: www.cvrez.cz)

Vkládání pouzder

Vzorky vložené do pouzder jsou založeny do reaktoru pomocí manipulační tyče. Ta je standardním vybavením reaktoru sloužícím pro zakládání ozařovacích pouzder. Před vkládáním pouzder se musí reaktor zastavit. Až poté je možné pouzdra vložit do ozařovacích kanálů. Tyto smyčkové kanály procházejí vnitřním prostorem reaktoru mezi palivovými soubory a regulačními tyčemi. Nedosahují ovšem až na dno, končí kousek nad aktivní zónou. Takové kanály jsou v reaktoru LVR-15 k dispozici celkem čtyři a do každého z nich se vejdou dvě ozařovací pouzdra. Nyní je jasné, proč je do reaktoru založeno vždy maximálně 24 terčů v jedné provozní kampani.

Schéma výzkumného reaktoru LVR-15. (Zdroj: www.cvrez.cz)

Ozařování

Během ozařování, které trvá 6 – 7,5 dne, získá terč ohromnou aktivitu, a to 200 TBq. Případný kontakt obsluhy s takovou látkou je smrtící. Proto je nutné s ozářenými terči zacházet s velikou pečlivostí a především podle bezpečnostních předpisů.

Reaktorová hala výzkumného reaktoru LVR-15 (Zdroj: www.cvrez.cz)

Vyjmutí terčů z reaktoru

Po ozáření a odstavení reaktoru jsou terče dochlazovány po dobu šesti hodin. Po uplynutí této doby se pouzdra uchopí pomocí zakládacího zařízení DORA 1 a přenesou se nad kanál, jímž se spustí ho horké komory 1. Zařízení DORA 1 je umístěno na víku reaktoru. Víko je složeno z několika otáčivých kruhových segmentů. Jejich otáčením je možné přesouvat zařízení DORA 1 nad libovolné místo reaktoru, tedy i nad ozařovací kanály a transportní trubku ústící do horké komory 1. V této komoře probíhá pomocí manipulátoru vyjmutí terčů z pouzder. Poté jsou terče převezeny do horké komory 5.

Víko reaktoru LVR-15 se zakládacím zařízením DORA 1. (Zdroj: www.cvrez.cz)

Transport

Aby bylo možné po silnicích převážet takto vysoce radioatkivní látky, je potřeba použít speciální obalový soubor k tomu určený. Typ souborů používaných pro transport do Belgie se nazývá Agnes. Je to vlastně 110 cm vysoký válec s průměrem 77 cm. Ten je zevnitř vyložen olověným stíněním a uvnitř je udržován podtlak. Při pohledu zvenku si všimneme deformačních zón, které mají tlumit případný náraz. Bez nich váží obalový soubor 4,4 tuny a s nimi 5,4 tun, což představuje určitou komplikaci při manipulaci s ním.

Popsali jsme si cestu terčů až do horké komory 5. Nad touto horkou komorou je postaven přístavek, který slouží k ukládání ozářených materiálů do obalových souborů. Pod střechou tohoto přístavku se nachází jeřáb s nosností 5 tun. Z toho je jasné, že je potřeba manipulovat s obalovým souborem bez deformačních zón, které je nutné předem sejmout. Potom je možné spustit obalový soubor do horké komory 5, naložit do něj ozářené terče a vyzvednout jej opět do prostoru přístavku.

Pro odvezení plné produkce jedné provozní kampaně reaktoru, tedy 24 terčů, jsou potřeba celkem čtyři obalové soubory Agnes. To představuje další komplikaci, neboť všechny čtyři se do přístavku nevejdou. Proto jsou složeny ze dvou kamiónů v reaktorové hale a pak po jednom převáženy do přístavku. V této hale také probíhá kontrola těsnosti obalových souborů.

Celý průběh ozařování

Rozebrali jsme si jednotlivé kroky, tak si to pojďme shrnout.

Nejdříve jsou ze skladu dovezeny terče. Ty se vloží do ozařovacích pouzder. Poté jsou připraveny k ozáření a vloží se do ozařovacích kanálů. Po následném spuštění reaktoru začne probíhat vlastní ozařování, které trvá 6 až 7,5 dne. Potom je reaktor odstaven a začne dochlazování paliva. To trvá šest hodin. Po této době jsou ozařovací pouzdra vyjmuta a spuštěna do horké komory 1. V ní jsou vyjmuta z ozařovacích pouzder a převezena do horké komory 5. Zde jsou naložena do obalových souborů, které jsou vytaženy do přístavku. Z přístavku jsou převezeny do reaktorové haly, kde proběhne kontrola těsnosti. Potom se namontují deformační zóny a obalový soubor se naloží na tahač s návěsem. Následuje patnáctihodinová cesta do Belgie.

Jak jste si jistě všimli, celý proces trvá více jak týden. Proto je důležité všechny činnosti přesně plánovat podle požadavků ústavu IRE. Jedním z těchto požadavků je čas zahájení zpracování ozářených terčů. To je stanoveno na pondělí, středu či pátek v 6 hodin ráno. Od tohoto času se odvíjí veškeré plánování ozařování terčů, a to že transport začíná během odpoledne předchozího dne, tedy reaktor je odstaven chvíli po půlnoci předchozího dne. Pak je možné dodržet šestihodinové dochlazování terčů a paliva. Zpracování ozářených pouzder v horkých komorách začíná v sedm hodin ráno. A tak dále. Co se týče časového rozložení zbývá už jen zmínit, že reaktor může být znovu uveden na výkon po odeznění tzv. jodové jámy, což představuje 20 až 26 hodin.

Zdroje:

Centrum výzkumu Řež

učební materiály FJFI

www.en.wikipedia.com