Optimization of 99mTc proton-induced production by means of cross-section measurements of technetium radioisotopes from molybdenum targets
تعمل هذه الدراسة على تحسين الإنتاج القائم على المسرع للنظير المشع الطبي 99mTc من خلال قياس المقاطع العرضية المستحثة بالبروتونات على أهداف الموليبدينوم، حيث حددت أن بروتونات بقوة 16 ميجا إلكترون فولت وأهداف 100Mo المخصبة بسمك 0.5 ملم هي الظروف المثالية لتحقيق عائد قدره 1.7 جيجابكريل/μA مع نقاء نظائري مطابق لمعايير دستور الأدوية الأوروبي.
في عالم التصوير الطبي، يوجد عنصر مشع واحد يعمل كدليل موثوق للأطباء. يُسمى "تكنشيوم-99m"، وهذا المادة هي العمود الفقري للطب النووي، حيث تُستخدم في ملايين الفحوصات كل عام للمساعدة في تصور القلب والعظام والأعضاء داخل جسم الإنسان. تكمن قيمتها في توازن مثالي: فهي تبعث نوعاً معيناً من الطاقة يمكن للكاميرات اكتشافه بسهولة، ومع ذلك تختفي من الجسم بسرعة كافية للحفاظ على انخفاض التعرض للإشعاع للمريض. لعقود من الزمن، تم توريد هذه الأداة الحيوية عبر سلسلة هشة من الأحداث. تتلقى المستشفيات المادة من "المولدات"، وهي في الأساس بطاريات مشعة مشحونة بعنصر أم يسمى "موليبدينوم-99". يتم إنشاء هذا العنصر الأم عن طريق شطر ذرات اليورانيوم داخل مفاعلات نووية ضخمة. ومع ذلك، فإن هذه المفاعلات تشيخ، وقد أدت الأعطال المتكررة إلى تاريخ من النقص، مما ترك المستشفيات دون الفحوصات التي تحتاجها. وقد دفع هذا الضعف العلماء للبحث عن طريقة مختلفة لصنع الدواء، لا تعتمد على المفاعلات المتقادمة أو شطر الذرات الثقيلة.
يتضمن الحل الذي يتم استكشافه استخدام مسرعات الجسيمات، وتحديداً "السيكلوترونات" الطبية، وهي آلات موجودة بالفعل في العديد من المستشفيات لإنتاج أنواع أخرى من علاجات السرطان. فبدلاً من شطر الذرات، يمكن لهذه الآلات صدم البروتونات بهدف مصنوع من نسخة محددة من الموليبدينوم لإنشاء التكنشيوم المطلوب مباشرة. ويتمثل التحدي في العث de على الإعدادات الدقيقة للقيام بذلك بكفاءة؛ فإذا كانت الطاقة منخفضة جداً، فلن يحدث شيء، وإذا كانت عالية جداً، فستنتج نواتج ثانوية مشعة غير مرغوب فيها قد تجعل الدواء غير آمن للمرضى. وقد سعى فريق من الباحثين من سويسرا وأوكرانيا لحل هذا اللغز من خلال قياس كيفية تفاعل نسخ مختلفة من الموليبدينوم بدقة عند اصطدامها ببروتونات ذات سرعات متفاوتة. لم يعتمدوا على التخمينات الحاسوبية أو البيانات القديمة، التي غالباً ما كانت متضاربة فيما بينها. بدلاً من ذلك، قاموا ببناء أهداف صلبة وصغيرة من الموليبدينوم، بعضها مصنوع من الخليط الطبيعي الموجود في الطبيعة والبعض الآخر من نسخ منقاة للغاية من نظائر محددة. لقد أطلقوا حزمًا من البروتونات على هذه الأهداف داخل منشأة متخصصة في جامعة برن، مع التحكم بدقة في سرعة الجسيمات ومدة التعرض.
بعد القصف، قام الباحثون بقياس الإشعاع الصادر عن الأهداف بدقة متناهية. لقد تتبعوا إنشاء التكنشيوم وأشقائه المشعين المختلفين، ملاحظين بدقة كمية إنتاج كل منها عند مستويات طاقة مختلفة. كانت هذه العملية تشبه ضبط راديو للعثور على أوضح إشارة مع تقليل الضجيج؛ فقد كانوا بحاجة إلى إيجاد طاقة البروتون المحددة التي تنتج أكبر قدر من التكنشيوم-99m المفيد مع إنتاج أقل قدر من الشوائب غير المرغوب فيها. كشفت قياساتهم أن البيانات السابقة في المكتبات العلمية كانت غالباً ما تقلل أو تبالغ في تقدير كيفية عمل هذه التفاعلات. ومن خلال استخدام نهج رياضي لفصل مساهمات المواد الأولية المختلفة، رسموا خريطة للسلوك الحقيقي للتفاعلات حتى طاقة تصل إلى 18 مليون إلكترون فولت. ووجدوا أن التفاعل يعمل بشكل أفضل عندما يتم إبطاء حزمة البروتونات قليلاً قبل اصطدامها بالهدف، بدلاً من اصطدامها بأقصى سرعة للآلة.
حددت الدراسة "النقطة المثالية" للإنتاج. فقد قرروا أن استخدام هدف مصنوع من موليبدينوم-100 عالي النقاء، بسمك حوالي نصف مليمتر، وقصفه ببروتونات عند طاقة تبلغ حوالي 16 ميجا إلكترون فولت، يقدم أفضل النتائج. وتحت هذه الظروف، يمكن لتشغيل لمدة عشر ساعات في سيكلوترون طبي أن ينتج حوالي 1.7 جيجا بيكريل من التكنشيوم المفيد لكل ميكرو أمبير من تيار الحزمة. والأهم من ذلك، أن هذا الإعداد يبقي مستويات الشوائب المشعة أقل بكثير من الحدود الصارمة للسلامة التي وضعتها السلطات الصحية الأوروبية. إن الشائبة الأكثر أهمية، وهي نسخة قصيرة العمر من التكنشيم، تتلاشى بسرعة، بينما تظل الملوثات طويلة العمر عند مستويات ضئيلة. ولإثبات أن نتائجهم لم تكن مجرد نظرية، أجرى الفريق عمليات إنتاج فعلية باستخدام هذه الإعدادات المحسنة. وقد طابقت النتوتج حساباتهم بشكل مثالي تقريباً، مما أكد أن هذه الطريقة موثوقة وقابلة للتطبيق.
يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة ومختبرة للمستشفيات لإنتاج إمداداتها الخاصة من هذا النظير الطبي الضروري. وهو يثبت أنه مع المعدات المناسبة والإعدادات الدقيقة، يمكن جعل الإمداد العالمي من التكنشيوم-99m أكثر أماناً واستقلالية عن شبكة المفاعلات النووية المتقادمة. لقد أظهر الباحثون أن الطريق إلى الأمام ليس حلماً بعيد المنال، بل هو واقع عملي، قائم على بيانات صلبة ومتحقق منه من خلال الاختبارات الواقعية. ومن خلال تحديد الطاقة الدقيقة وسماكة الهدف المطلوبة، فقد أزالوا عنصر التخمين، مما يسمح للمراكز الطبية بالتخطيط لمستقبل يكون فيه هذا الأداة التشخيصية المنقذة للحياة متاحة دائماً، بغض النظر عن حالة محطات الطاقة البعيدة.
ملخص تقني: تحسين إنتاج 99mTc المستحث بالبروتونات عبر قياسات المقطع العرضي
بيان المشكلة يعتمد الإمداد العالمي من التكنيشيوم-99م (99mTc)، وهو النظير المشع الأكثر استخداماً في التصوير المقطعي بحساب الأشعة السينية (SPECT)، بشكل كبير على مولدات 99Mo/99mTc الناتجة عن انشطار اليورانيوم-235 (235U) في المفاعلات النووية المتقادمة. يواجه هذا السلسلة من التوريد مخاطر كبيرة بسبب توقف المنشآت ومشاءات الصيانة، مما يستلد ضرورة إيجاد استراتيجيات بديلة للإنتاج تعتمد على المعجلات. وبينما يعد الإنتاج المباشر لـ 99mTc من أهداف الموليبدينوم-100 (100Mo) المخصبة باستخدام حزم بروتونية منخفضة الطاقة (أقل من 18 ميجا إلكترون فولت) مساراً واعداً، إلا أن تحسينه يعوقه وجود تباينات كبيرة في الأدبيات الحالية المتعلقة بالمقاطع العرضية النووية. إن البيانات الدقيقة للمقاطع العرضية للتفاعلات ضرورية لتعظيم عائد الإنتاج مع ضمان مطابقة النقاء النويدي للمعايير السريرية، مثل تلك التي يضعها دستور الأدوية الأوروبي.
المنهجية أُجريت الدراسة من خلال تعاون بين مختبر فيزياء الطاقات العالية (LHEP) في جامعة برن وجامعة تاراس شيفتشينكو الوطنية في كييف. استخدم البحث مسرع السيكلوترون IBA Cyclone 18/18 في مستشفى جامعة برن، والذي يوفر حزم بروتونية تصل طاقتها إلى 18.24(25) ميجا إلكترون فولت.
مواد الهدف: تم إجراء عمليات التشعيع على ثلاثة أنواع من أهداف الموليبدينوم: الموليبدينوم الطبيعي، والموليبدينوم-97 المخصب بنسبة 89.86%، والموليبدينوم-100 المخصب بنسبة 92.43% أو 99.73%. وقد تم التحقق من التركيبات النظائرية عبر مطيافية الكتلة بالبلازما المقترنة حثياً (ICP-MS).
التشعيع والقياس: تم تشعيع أهداف رقيقة (رقائق صلبة أو مساحيق متبخرة) باستخدام تيارات حزمة محكومة. وبعد التشعيع، تم قيال الأنشطة باستخدام كاشف جرمانيوم عالي النقاء (HPGe) من النوع (N-type).
تحليل البيانات:
حُسبت المقاطع العرضية باستخدام معادلات التنشيط القياسية، مع تصحيح التحلل أثناء التشعيع وتقلبات تيار الحزمة.
بالنسبة للنظائر المشعة المنتجة عبر مسارات تفاعل متعددة (مثل 93Tc و 94Tc)، تم استخدام طريقة قلب النظام الخطي لفك مساهمات التفاعل الفردية بناءً على القياسات من أهداف ذات تركيبات نظائرية متميزة.
تمت نمذجة عوائد الهدف السميك (TTY) والنقاء النويدي باستخدام المقاطع العرضية المقاسة، وقدرات إيقاف الطاقة الكتليّة (المحسوبة عبر SRIM-2013)، ومحاكاة FLUKA لتدهور الطاقة.
التحقق من الصحة: أُجري اختبارا إنتاج باستخدام معاملات محسنة للتحقق من صحة بيانات المقطع العرضي والتنبؤات النظرية للعائد.
المساهمات والنتائج الرئيسية تقدم الورقة مجموعة شاملة من قياسات المقطع العرضي التجريبية للتفاعلات المستحثة بالبروتونات على الموليبدينوم حتى 18 ميجا إلكترون فولت، تغطي إنتاج 93Tc، و 94Tc، و 95Tc، و 96Tc، و 97mTc، و 99mTc، و 101Tc، و 99Mo.
بيانات المقطع العرضي: تقدم الدراسة بيانات جديدة أو منقحة للمقاطع العرضية لعدة قنوات تفاعل، بما في ذلك 92Mo(p,γ) و 94Mo(p,2n) و 100Mo(p,2n). وتظهر النتائج عموماً توافقاً جيداً مع الأدبيات التجريبية المتاحة، لكنها تختلف غالباً عن تنبؤات مكتب البيانات النووية TENDL، التي تميل إلى التقليل من القيم أو المبالغة فيها اعتماداً على التفاعل المحدد ونطاق الطاقة.
تحسين معاملات الإنتاج:
الطاقة: تم تحديد طاقة بروتونية تبلغ حوالي 16 ميجا إلكترون فولت كطاقة مثالية. وبينما توفر طاقة 18 ميجا إلكترون فولت أعلى عائد نظري، فإن طاقة 16 ميجا إلكترون فولت توفر عوائد مماثلة لهدف بسمك 500 ميكرومتر مع مراعاة فقدان الطاقة في نقل الحزمة ونوافذ الهدف.
سمك الهدف: تم اختيار سمك هدف يبلغ حوالي 0.5 ملم (500 ميكرومتر). وبينما تزيد الأهداف الأكثر سمكاً (حتى 900 ميكرومتر) من العائد المطلق، فإن سمك 500 ميكرومتر يوفر نسبة أفضل من حيث الكفاءة مقابل التكلفة (العائد لكل وحدة تكلفة من الموليبدينوم-100 المخصب) وإدارة حرارية أفضل للتشغيل بتيار عالٍ.
العائد والنقاء: لعملية تشعيع لمدة 10 ساعات باستخدام حزمة 16 ميجا إلكترون فولت على هدف 100Mo مخصب بسمك 500 ميكرومتر، يبلغ عائد 99mTc المحسوب حوالي 1.7 جيجابكري/ميكرو أمبير.
الشوائب: قيمت الدراسة النقاء النويدي مقابل حدود دستور الأدوق الأوروبي. الشوائب الرئيسية تشمل 94mTc و 95Tc و 101Tc. ويظهر التحليل أنه مع تشعيع لمدة 10 ساعات ووقت تبريد يبلغ حوالي 3 ساعات، ينخفض نشاط 94mTc إلى ما دون حد 0.02%. كما يظل 95Tc تحت حد 0.07% لأكثر من 12 ساعة بعد نهاية التشعيع (EOB). أما الشوائب طويلة العمر (95mTc، 97mTc) فتنتج بكميات ضئيلة جداً.
التحقق من الصحة أكد اختبارا الإنتاج جدوى المسار المقترح:
أكد اختبار عند 10.4 ميجا إلكترون فولت صحة قياسات المقطع العرضي لمختلف نظائر التكنيشيوم.
أدى اختبار عند 16.1 ميجا إلكترون فولت باستخدام هدف 100Mo مخصب بنسبة 99.73% إلى عائد قدره 271(14) ميجابكري/ميكرو أمبير.ساعة مع نقاء نويدي بنسبة 99.941(4)% (مقاس بعد ساعتين من نهاية التشعيع). وتوافقت هذه النتائج التجريبية بشكل وثيق مع التنبؤات النظرية المستمدة من المقاطع العرضية المقاسة.
الأهمية تدعي الورقة أن أهميتها الأساسية تكمن في توفير بيانات مقطع عرضي عالية الجودة ومحققة تجريبياً تحل التناقضات في الأدبيات الموجودة. تتيح هذه البيانات تحسيناً دقيقاً لعملية إنتاج 99mTc، وتحدد تكويناً محدداً (بروتونات 16 ميجا إلكترون فولت، هدف 100Mo مخصب بسمك 500 ميكرومتر، تشعيع لمدة 10 ساعات) الذي يعظم العائد مع الالتزام الصارم بمعايير النقاء النويدي السريرية. إن النجاح في التحقق من الصحة من خلال اختبارات الإنتاج يثبت الجدوى العملية لإنتاج 99mTc عالي النقاء باستخدام السيكلوترونات الطبية، مما يوفر بديلاً قابلاً للتطبيق لسلاسل التوريد القائمة على المفاعلات. ويشير المؤلفون إلى أنه بينما أُجريت الاختبارات الحالية عند تيارات منخفضة، فإن النتائج توفر أساساً تجريبياً صلباً لرفع مستوى الإنتاج إلى تيارات حزمة ذات صلة سريرية.