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Optimization of 99mTc proton-induced production by means of cross-section measurements of technetium radioisotopes from molybdenum targets

यह अध्ययन मोलिब्डेनम लक्ष्यों पर प्रोटॉन-प्रेरित क्रॉस-सेक्शन को मापकर चिकित्सा रेडियोन्यूक्लाइड $^{99m}$ Tc के त्वरक-आधारित उत्पादन को अनुकूलित करता है, जिसमें 16 MeV प्रोटॉन और 0.5 mm समृद्ध $^{100}$ Mo लक्ष्यों को 1.7 GBq/ $\mu$ A की प्राप्ति के लिए आदर्श स्थितियों के रूप में पहचाना गया है, जो यूरोपीय फार्माकोपिया मानकों के अनुरूप रेडियोन्यूक्लाइडिक शुद्धता सुनिश्चित करता है।

मूल लेखक: Dellepiane Gaia, D'Uva Sofia, Eggimann Lars, Gottstein Alexander, Juillerat Samuel, Kasanda Eva, Mateu Isidre, Scampoli Paola, Kadenko Ihor, Braccini Saverio

प्रकाशित 2026-10-28

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Dellepiane Gaia, D'Uva Sofia, Eggimann Lars, Gottstein Alexander, Juillerat Samuel, Kasanda Eva, Mateu Isidre, Scampoli Paola, Kadenko Ihor, Braccini Saverio

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

मेडिकल इमेजिंग की दुनिया में, एक अकेला रेडियोधर्मी तत्व है जो डॉक्टरों के लिए एक भरोसेमंद मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है। टेक्नेटियम-99m (technetium-99m) कहलाने वाला यह पदार्थ परमाणु चिकित्सा का कार्यबल है, जिसका उपयोग मानव शरीर के भीतर हृदय, हड्डियों और अंगों को देखने में मदद करने के लिए हर साल लाखों स्कैन में किया जाता है। इसका मूल्य एक सटीक संतुलन में निहित है: यह एक विशिष्ट प्रकार की ऊर्जा उत्सर्जित करता जिसे कैमरे आसानी से पहचान सकते हैं, फिर भी यह रोगी के लिए रेडिएशन एक्सपोजर को कम रखने के लिए शरीर से इतनी जल्दी गायब हो जाता है कि जोखिम न्यूनतम रहता है। दशकों से, इस महत्वपूर्ण उपकरण की आपूर्ति घटनाओं की एक नाजुक श्रृंखला द्वारा की जाती रही है। अस्पतालों को यह "जनरेटरों" से प्राप्त होता है, जो अनिवार्य रूप से मोलिब्डेनम-99 (molybdenum-99) नामक मूल तत्व द्वारा चार्ज की गई रेडियोधर्मी बैटरियां हैं। वह मूल तत्व विशाल परमाणु रिएक्टरों के भीतर यूरेनियम परमाणुओं को विभाजित करके बनाया जाता है। हालांकि, ये रिएक्टर पुराने हो रहे हैं, और बार-बार होने वाली खराबी ने संकटों का एक इतिहास बना दिया है, जिससे अस्पताल उन स्कैन के बिना रह जाते हैं जिनकी उन्हें आवश्यकता होती है। इस भेद्यता ने वैज्ञानिकों को इस दवा को बनाने के लिए एक अलग तरीका खोजने के लिए प्रेरित किया है, जो पुराने रिएक्टरों या भारी परमाणुओं को विभाजित करने पर निर्भर न हो।

इस समाधान में पार्टिकल एक्सेलेरेटर्स (particle accelerators), विशेष रूप से मेडिकल साइक्लोट्रॉन (medical cyclotrons) का उपयोग करने की खोज की जा रही है, जो कैंसर के अन्य उपचारों को बनाने के लिए कई अस्पतालों में पहले से ही मौजूद मशीनें हैं। परमाणुओं को विभाजित करने के बजाय, ये मशीनें एक विशिष्ट संस्करण के मोलिब्डेनम से बने लक्ष्य (target) में प्रोटॉन को टकरा सकती हैं ताकि सीधे आवश्यक टेक्नेटियम बनाया जा सके। चुनौती इस प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक करने के लिए सटीक सेटिंग्स खोजने की रही है। यदि ऊर्जा बहुत कम है, तो कुछ नहीं होता; यदि यह बहुत अधिक है, तो यह अवांछित रेडियोधर्मी उपोत्पाद (byproducts) बनाता है जो दवा को रोगियों के लिए असुरक्षित बना सकते हैं। स्विट्जरलैंड और यूक्रेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए हाथ मिलाया, जिसमें उन्होंने विभिन्न प्रकार के मोलिब्डेनम के अलग-अलग वेगों से टकराने पर उनकी प्रतिक्रिया को सटीक रूप से मापा। वे कंप्यूटर के अनुमानों या पुराने डेटा पर निर्भर नहीं थे, जो अक्सर आपस में भिन्न होते थे। इसके बजाय, उन्होंने मोलिब्डेनम के छोटे, ठोस लक्ष्यों का निर्माण किया, जिनमें से कुछ प्रकृति में पाए जाने वाले प्राकृतिक मिश्रण से बने थे और अन्य विशिष्ट आइसोटोप के अत्यधिक शुद्ध संस्करणों से बने थे। उन्होंने बर्न विश्वविद्यालय (University of Bern) के एक विशेष सुविधा के भीतर इन लक्ष्यों पर प्रोटॉन की बीमों को दागा, और कणों की गति और एक्सपोजर की अवधि को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया।

बमबारी के बाद, शोधकर्ताओं ने अत्यधिक सटीकता के साथ लक्ष्यों से आने वाले रेडिएशन को मापा। उन्होंने टेक्नेटियम और उसके विभिन्न रेडियोधर्मी भाई-बहनों के निर्माण को ट्रैक किया, और विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर प्रत्येक की सटीक मात्रा दर्ज की। यह प्रक्रिया रेडियो को उस स्पष्ट सिग्नल को खोजने जैसा था जो 'स्टैटिक' (शोर) को कम से कम रखे; उन्हें उस विशिष्ट प्रोटॉन ऊर्जा को खोजने की आवश्यकता थी जो अवांछित अशुद्धियों को कम से कम बनाते हुए उपयोगी टेक्नेटियम का अधिकतम उत्पादन करे। उनके मापन से पता चला कि वैज्ञानिक पुस्तकालयों में मौजूद पिछला डेटा अक्सर यह कम आंकता था या अधिक आंकता था कि ये प्रतिक्रियाएं कैसे काम करती हैं। विभिन्न शुरुआती सामग्रियों के योगदान को अलग करने के लिए एक गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग करके, उन्होंने 18 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा तक प्रतिक्रियाओं के वास्तविक व्यवहार का मानचित्र तैयार किया। उन्होंने पाया कि यह प्रतिक्रिया सबसे अच्छा काम करती है जब प्रोटॉन बीम को लक्ष्य से टकराने से पहले थोड़ा धीमा कर दिया जाता है, न कि मशीन की अधिकतम गति पर टकराने दिया जाता है।

अध्ययन ने उत्पादन के लिए एक "स्वीट स्पॉट" (इष्टतम बिंदु) की पहचान की। उन्होंने निर्धारित किया कि लगभग आधे मिलीमीटर की मोटाई वाले, अत्यधिक समृद्ध मोलिब्डेनम-100 से बने लक्ष्य का उपयोग करना, और उसे लगभग 16 MeV की प्रोटॉन ऊर्जा के साथ बमबारी करना, सर्वोत्तम परिणाम देता है। इन परिस्थितियों में, एक मेडिकल साइक्लोट्रॉन पर दस घंटे का रन प्रति माइक्रोएम्पीयर बीम करंट के लिए लगभग 1.7 गीगाबेकरल (gigabecquerels) उपयोगी टेक्नेटियम का उत्पादन कर सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह सेटअप रेडियोधर्मी अशुद्धियों के स्तर को यूरोपीय स्वास्थ्य अधिकारियों द्वारा निर्धारित सख्त सुरक्षा सीमाओं से काफी नीचे रखता है। सबसे महत्वपूर्ण अशुद्धि, एक अल्पकालिक संस्करण वाला टेक्नेटियम है, जो जल्दी समाप्त हो जाता है, जबकि लंबे समय तक रहने वाले दूषित पदार्थ नगण्य स्तर पर रहते हैं। अपने निष्कर्षों को केवल सैद्धांतिक साबित करने के लिए, टीम ने इन अनुकूलित सेटिंग्स का उपयोग करके वास्तविक उत्पादन रन किए। परिणाम उनके गणनाओं से लगभग पूरी तरह मेल खा गए, जिससे पुष्टि हुई कि यह विधि विश्वसनीय और व्यवहार्य है।

यह कार्य अस्पतालों को इस आवश्यक चिकित्सा आइसोटोप की अपनी आपूर्ति बनाने के लिए एक स्पष्ट, परीक्षित रोडमैप प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि सही उपकरणों और सटीक सेटिंग्स के साथ, टेक्नेटियम-99m की वैश्विक आपूर्ति को अधिक सुरक्षित और पुराने परमाणु रिएक्टर नेटवर्क से स्वतंत्र बनाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि आगे का रास्ता कोई दूर का सपना नहीं है बल्कि एक व्यावहारिक वास्तविकता है, जो ठोस डेटा और वास्तविक दुनिया के परीक्षणों द्वारा सत्यापित है। सटीक ऊर्जा और लक्ष्य की मोटाई को परिभाषित करके, उन्होंने अनिश्चितता को दूर कर दिया है, जिससे चिकित्सा केंद्रों को एक ऐसे भविष्य की योजना बनाने की अनुमति मिलती है जहाँ यह जीवन रक्षक नैदानिक उपकरण हमेशा उपलब्ध रहे, चाहे दूर स्थित बिजली संयंत्रों की स्थिति कुछ भी हो।

तकनीकी सारांश: क्रॉस-सेक्शन मापन के माध्यम से 99mTc प्रोटॉन-प्रेरित उत्पादन का अनुकूलन

समस्या विवरण
टेक्नेटियम-99m ( $^{99m}\text{Tc}$ ) की वैश्विक आपूर्ति, जो SPECT इमेजिंग के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला रेडियोन्यूक्लाइड है, $^{235}\text{U}$ के विखंडन से उत्पादित $^{99}\text{Mo}/^{99m}\text{Tc}$ जनरेटरों पर निर्भर करती है, जो पुराने परमाणु रिएक्टरों द्वारा संचालित होते हैं। यह आपूर्ति श्रृंखला सुविधा बंद होने और रखरखाव संबंधी समस्याओं के कारण महत्वपूर्ण जोखिमों का सामना कर रही है, जिससे वैकल्पिक, त्वरक-आधारित (accelerator-based) उत्पादन रणनीतियों की आवश्यकता उत्पन्न हुई है। जबकि निम्न-ऊर्जा प्रोटॉन बीम (<18 MeV) का उपयोग करके समृद्ध (enriched) $^{100}\text{Mo}$ लक्ष्यों से $^{99m}\text{Tc}$ का प्रत्यक्ष उत्पादन एक आशाजनक मार्ग है, इसका अनुकूलन मौजूदा साहित्य में मौजूद महत्वपूर्ण विसंगतियों के कारण बाधित है। परमाणु क्रॉस-सेक्शनों पर सटीक डेटा उत्पादन प्राप्ति (yield) को अधिकतम करने और यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि रेडियोन्यूक्लाइडिक शुद्धता यूरोपीय फार्माकोपिया जैसे नैदानिक मानकों को पूरा करती हो।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन बर्न विश्वविद्यालय के उच्च ऊर्जा भौतिकी प्रयोगशाला (LHEP) और तारास शेवचेंको नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ कीव के बीच एक सहयोग के माध्यम से आयोजित किया गया था। इस शोध में बर्न यूनिवर्सिटी अस्पताल में स्थित IBA साइक्लोन 18/18 साइक्लोट्रॉन का उपयोग किया गया, जो 18.24(25) MeV तक प्रोटॉन बीम प्रदान करता है।

लक्ष्य सामग्री (Target Materials): प्राकृतिक Mo, 89.86% समृद्ध $^{97}\text{Mo}$ , और 92.43% या 99.73% समृद्ध $^{100}\text{Mo}$ के तीन प्रकार के मोलिब्डेनम लक्ष्यों पर विकिरण (irradiations) किया गया। आइसोटोपिक संरचनाओं को इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री (ICP-MS) के माध्यम से सत्यापित किया गया था।
विकिरण और मापन: क्रॉस-सेक्शनों की गणना मानक सक्रियण समीकरणों (activation equations) का उपयोग करके की गई, जिसमें विकिरण के दौरान क्षय और बीम करंट के उतार-चढ़ाव के लिए सुधार किया गया।
डेटा विश्लेषण:
- कई प्रतिक्रिया मार्गों (जैसे, $^{93}\text{Tc}$ , $^{94}\text{Tc}$ ) के माध्यम से उत्पादित रेडियोन्यूक्लाइड्स के लिए, अलग-अलग आइसोटोपिक संरचनाओं वाले लक्ष्यों से प्राप्त मापों के आधार पर व्यक्तिगत प्रतिक्रिया योगदानों को अलग करने के लिए एक रैखिक प्रणाली व्युत्क्रम विधि (linear system inversion method) का उपयोग किया गया।
- थिक टारगेट यील्ड (TTY) और रेडियोन्यूक्लाइडिक शुद्धता को मापे गए क्रॉस-सेक्शनों, द्रव्यमान स्टॉपिंग पावर (SRIM-2013 के माध्यम से गणना की गई), और ऊर्जा क्षरण के लिए FLUKA सिमुलेशन का उपयोग करके मॉडल किया गया।
सत्यापन: क्रॉस-सेक्शन डेटा और सैद्धांतिक यील्ड भविष्यवाणियों को मान्य करने के लिए अनुकूलित मापदंडों का उपयोग करके दो उत्पादन परीक्षण किए गए।

प्रमुख योगदान और परिणाम
यह शोध पत्र मोलिब्डेनम पर प्रोटॉन-प्रेरित प्रतिक्रियाओं के लिए प्रायोगिक क्रॉस-सेक्शन मापन का एक व्यापक सेट प्रस्तुत करता है, जिसमें $^{93}\text{Tc}$ , $^{94}\text{Tc}$ , $^{95}\text{Tc}$ , $^{96}\text{Tc}$ , $^{97m}\text{Tc}$ , $^{99m}\text{Tc}$ , $^{101}\text{Tc}$ , और $^{99}\text{Mo}$ का उत्पादन शामिल है।

क्रॉस-सेक्शन डेटा: यह अध्ययन कई प्रतिक्रिया चैनलों के लिए नए या परिष्कृत क्रॉस-सेक्शन डेटा प्रदान करता है, जिसमें $^{92}\text{Mo}(p,\gamma)$ , $^{94}\text{Mo}(p,2n)$ , और $^{100}\text{Mo}(p,2n)$ शामिल हैं। परिणाम आम तौर पर उपलब्ध प्रयोगात्मक साहित्य के साथ अच्छा तालमेल दिखाते हैं, लेकिन अक्सर TENDL परमाणु डेटा लाइब्रेरी भविष्यवाणियों से विचलित होते हैं, जो विशिष्ट प्रतिक्रिया और ऊर्जा सीमा के आधार पर मानों को कम या अधिक आंकते हैं।
उत्पादन मापदंडों का अनुकूलन:
- ऊर्जा: लगभग 16 MeV की प्रोटॉन ऊर्जा को इष्टतम पाया गया। जबकि 18 MeV उच्चतम सैद्धांतिक यील्ड प्रदान करता है, 16 MeV एक 500 µm लक्ष्य के लिए तुलनीय यील्ड प्रदान करता है और बीम परिवहन एवं लक्ष्य खिड़कियों (target windows) में ऊर्जा हानि को समायोजित करता है।
- लक्ष्य की मोटाई (Target Thickness): लगभग 0.5 mm (500 µm) की लक्ष्य मोटाई का चयन किया गया। हालांकि मोटे लक्ष्य (900 µm तक) पूर्ण यील्ड बढ़ाते हैं, लेकिन 500 µm की मोटाई बेहतर लागत-दक्षता अनुपात (समृद्ध $^{100}\text{Mo}$ की प्रति इकाई लागत के प्रति यूनिट यील्ड) और उच्च-कर संचालन के लिए बेहतर थर्मल प्रबंधन प्रदान करती है।
- यील्ड और शुद्धता: 16 MeV बीम पर एक 500 µm समृद्ध $^{100}\text{Mo}$ लक्ष्य के लिए 10-घंटे के विकिरण के साथ, गणना की गई $^{99m}\text{Tc}$ यील्ड लगभग 1.7 GBq/µA है।
- अशुद्धियाँ: अध्ययन ने यूरोपीय फार्माकोपिया सीमाओं के विरुद्ध रेडियोन्यूक्लाइडिक शुद्धता का मूल्यांकन किया। प्रमुख अशुद्धियों में $^{94m}\text{Tc}$ , $^{95}\text{Tc}$ , और $^{101}\text{Tc}$ शामिल हैं। विश्लेषण दर्शाता है कि 10-घंटे के विकिरण और लगभग 3 घंटे के कूलिंग समय के साथ, $^{94m}\text{Tc}$ की गतिविधि 0.02% की सीमा से नीचे गिर जाती है। $^{95}\text{Tc}$ EOB (end of beam) के 12 घंटों के बाद भी अपने 0.07% की सीमा से नीचे रहता है। दीर्घकालिक अशुद्धियाँ ( $^{95m}\text{Tc}$ , $^{97m}\text{Tc}$ ) नगण्य मात्रा में उत्पन्न होती हैं।

सत्यापन
दो उत्पादन परीक्षणों ने प्रस्तावित मार्ग की व्यवहार्यता की पुष्टि की:

10.4 MeV पर एक परीक्षण ने विभिन्न Tc आइसोटोप के लिए क्रॉस-सेक्शन मापन को मान्य किया।
99.73% समृद्ध $^{100}\text{Mo}$ लक्ष्य का उपयोग करके 16.1 MeV पर एक परीक्षण ने 271(14) MBq/µAh की यील्ड और 99.941(4)% की रेडियोन्यूक्लाइडिक शुद्धता (EOB के 2 घंटे बाद मापा गया) प्रदान की। ये प्रयोगात्मक परिणाम मापे गए क्रॉस-सेक्शनों से प्राप्त सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ निकटता से मेल खाते हैं।

महत्व
यह शोध पत्र दावा करता है कि इसका प्राथमिक महत्व उच्च-गुणवत्ता वाले, प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित क्रॉस-सेक्शन डेटा प्रदान करने में निहित है जो मौजूदा साहित्य की विसंगतियों को हल करता है। यह डेटा $^{99m}\text{Tc}$ उत्पादन प्रक्रिया के कठोर अनुकूलन को सक्षम बनाता है, एक विशिष्ट विन्यास (16 MeV प्रोटॉन, 500 µm समृद्ध $^{100}\text{Mo}$ लक्ष्य, 10-घंटे का विकिरण) की पहचान करता है जो नैदानिक रेडियोन्यूक्लाइडिक शुद्धता मानकों का सख्ती से पालन करते हुए यील्ड को अधिकतम करता है। उत्पादन परीक्षणों के माध्यम से सफल सत्यापन चिकित्सा साइक्लोट्रॉन का उपयोग करके उच्च-शुद्धता वाले $^{99m}\text{Tc}$ के उत्पादन की व्यावहारिक व्यवहार्यता को प्रदर्शित करता है, जो रिएक्टर-आधारित आपूर्ति श्रृंखलाओं के लिए एक व्यवहार्य विकल्प प्रदान करता है। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि वर्तमान परीक्षण निम्न धाराओं (low currents) पर किए गए थे, फिरपि परिणाम नैदानिक रूप से प्रासंगिक बीम धाराओं तक उत्पादन को स्केल करने के लिए एक ठोस प्रयोगात्मक आधार प्रदान करते हैं।

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