Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) Nasıl Çalışır?

Antimadde üreten parçacık hızlandırıcılarının hastanelerde ne işi var? Bu bağlamda Pozitron Emisyon Tomografisi veya kısaca PET tıbbı görüntüleme cihazı vücuttaki tümörleri nasıl görüyor? Kalp hastalıkları ile beyin aktivitesini nasıl tespit ediyor? Peki pozitron parçacıkları ile nötron ışınları nedir? Proton ışınları ve antimadde kiklotron hızlandırıcısıyla nasıl üretilir? Antimadde insan vücuduna zararlı mıdır? Hastanelerde radyoaktif maddelerin nasıl üretildiğini görelim.

Pet cihazı nasıl çalışıyor?

Doktorlar tümörleri, kalp hastalıklarını ve beynimizin nasıl çalıştığını görüntülemek için radyoaktif izotopların beta bozunumuyla üretilen antimadde parçacıklarını kullanırlar. PET tıbbi görüntüleme cihazında kullanılan antimadde parçacığına pozitron diyoruz ki bu da pratikte antielektrondur. Normalde elektron ve pozitron gibi eş antimadde–madde parçacıkları temas ettiğinde birbirini yok eder. Oysa doktorlar pozitron yayan radyoaktif molekülleri vücuda sokarak canlı dokuların nasıl çalıştığını ve tümör olup olmadığını görüyor.

Öte yandan pozitronların normal maddeyle temas edince yok olduğunu unutmayın. Zaten PET tarayıcıları da antimadde–madde yok oluşunda yayılan gama ışınlarını tespit ediyor. Vücuttaki olası tümörleri bu şekilde görüntülüyor. Gama ışınlarını algılamak için ışık çoklayıcı tüplere (PMT) takılı olan ışıltı tespit kristallerini kullanıyor. İnsan bedeninin pozitronlarla nasıl görüntülendiğine birazdan geleceğiz ama önce pozitron yok oluşuna bakalım:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

PET cihazındaki pozitronlar nedir?

Mademki görüntüleme sırasında pozitronlar yok oluyor, öyleyse yeni hastaları taramak için gereken pozitronlar nereden geliyor? Bunları güvenlik açısından hastanenin bodrumunda yer alan nükleer cihazlar her gün yeniden üretiyor. Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) cihazının kalbinde bu teknoloji yatıyor. Bunun için de pozitron yayacak olan radyoaktif atom çekirdeklerini radyoaktif işaretleyici dediğimiz kimyasal bileşiklere ekliyorlar. Bunu da pozitron yayılmaya başlamadan önce hızlıca yapıyorlar. Gerçi radyoaktif boyaları vücuda aldığımızda zararlı olduğunu düşünebilirsiniz.

Oysa düşük dozda bunlar X-ışınıyla röntgen çekmekten daha sağlıklılar. Nitekim radyoaktif boya kısa bir süre için çok az radyasyon yayıyor. Pekala buraya kadar kolay… Radyoaktif boya içeren şurup içiyor ya da damardan alıyoruz. Peki radyoaktif boya vücudun her yerini boyamak yerine neden sadece tümörleri veya bakmak istediğimiz başka dokuları boyuyor? Aslında radyoaktif işaretleyiciler özellikle tümörlerin olduğu yerde toplanıyor.

Bunun sebebi tümörlerin metabolizma hızının sağlıklı hücrelerden yüksek olmasıdır. Tümörler büyümek için şeker yerine radyo işaretleyicileri, yani radyoaktif şekeri yuttuğunda bu şeker tümörde daha çabuk birikir. Dolayısıyla bunları PET cihazının ekranında gayet net görürüz. Öte yandan laboratuarda radyo işaretleyici üretmek zamana karşı yarıştır. Radyoaktif moleküller kısa sürede normal moleküllere dönüşür.

PET taramasında genellikle florodeoksiglikoz kullanılır veya kısa adıyla FDG… 110 dakikalık, yani 2 saatten kısa yarı ömrüyle FDG şekeri kısa sürede gama ışınları saçarak etkisini yitirir. FDG şekerindeki radyoaktif flor 18 pozitron antimadde parçacığı yayar. Pozitronlar elektronlarla temas edince gama ışını saçarak yok olur. Bu bağlamda yarı ömür FDG’nin yarısının radyoaktif olmayan moleküle dönüşme süresidir. Peki FDG şekerini nasıl üretiriz?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

PET cihazı ve radyoaktif şeker

FDG şekeri laboratuarda üretildiği andan itibaren geri sayım başlar. Molekülleri hızla yan ürünlerden temizlemek gerekir. Bu sırada ürünün yüksek radyasyon yaymadığını test eder ve halk sağlığını güvenceye alırız. Ardından radyoaktif molekülleri bir çözeltiye koyarak radyoaktif boyamızı elde ederiz. Sonuçta her iki saatte radyoaktivite yarı yarıya azalacaktır. Peki radyoaktif FDG moleküllerini nasıl üretiriz? Bu yolculuk hastanenin bodrumunda, kiklotron denilen özel bir parçacık hızlandırıcıda başlar. Kiklotron arıza durumunda tehlikeli radyasyon yayabileceği için kalın duvarlarla izole edilmiştir.

Peki bu son derece gelişmiş cihaz ne yapar? Öncelikle hidrojen atomu çekirdeklerinden, yani protonlardan oluşan bir parçacık ışını üretir. Bilim insanları kiklotronun içindeki elektromıknatısları kullanarak negatif yüklü hidrojen atomlarını iyice hızlandırır. Bunlar fazladan elektron içeren atomlardır. Teknisyenler manyetik alanın hidrojen atomlarını itmesi için bunlara fazladan elektron ekler. Atomlar hızlandıkça elektronlar soğan kabuğu gibi soyulur ve geriye çıplak çekirdeklerden oluşan proton ışını kalır. Şimdi gelelim proton ışınlarıyla radyoaktif FDG boyası üretimine:

İlgili yazı: İnsanlar Neden Genellikle Sağ Elini Kullanır?

 

Flor 18 radyoaktif şeker

Bilim insanları bunun için oksijen 18 atomlarından yararlanır. Bu izotoplar normal oksijen 16’dan iki fazla nötron içerir. Önce kiklotronda ürettiğimiz proton ışınıyla oksijen 18’i bombalarız ve bir nötronu sökerek yerine proton ekleriz. Nitekim bir atom çekirdeğindeki proton sayısını değiştirirseniz yeni bir element üretirsiniz. Bu durumda oksijen 18, flor 18’e dönüşür. Öte yandan flor 18, oksijen 18’den daha kararsızdır. Bu yüzden çekirdekteki ekstra proton zamanla nötrona dönüşür.

Bu sırada ekstra enerji açığa çıkar. Proton bu enerjiyi bir pozitron yayarak boşaltır. Böylece flor 18, oksijen 18’e geri dönüşür. Her durumda kiklotronda kısa süre için flor 18 oluşur. Biz de bunu hızla FDG şekerine ekleriz. Radyoaktif FDG üretimine gelince… Önce şekeri birçok kimyasal tepkimeye maruz bırakırız. Böylece radyoaktif flor 18, şeker molekülündeki belirli bir bölgeye yapışır. Daha sonra FDG’yi hızla arıtıp test eder ve üst katlarda PET görüntüsünü çekeceğimiz hastaya yetiştiririz. FDG’yi hastanın bedenine enjekte ettikten sonra farklı organlar ve dokular şekeri farklı hızlarda tüketir.

Tümörler şekeri o kadar hızlı tüketir ki tümör varsa radyoaktif flor 18’le floresan ışıkla parlar. Doktorlar birkaç dakika içinde harekete geçer. Hastanın pozitron emisyon tomografisi (PET) görüntüsünü çekip olası tümörleri saptar. Böylece kansere ek olarak kalp hastalıkları ve Alzheimer hastalığı gibi rahatsızlıkları tespit ederiz. Pet cihazı kullanan hastanelerde veya hemen yakınındaki bir binada antimadde üreten kiklotron parçacık hızlandırıcı bulunması kulağa garip gelebilir. Oysa tümör saptayan radyoaktif FDG boyası üretmek için bu şarttır. Boyanın ömrü de kısa olduğu için kiklotronu tercihen hastaneye koyarsınız.

Parçacık hızlandırıcısı için sonsöz

Böylece PET tıbbı cihazıyla insan vücudunu nasıl görüntülediğimizi görmüş olduk. Siz de doğadaki en güçlü 4 parçacık hızlandırıcısına şimdi bakabilir ve saç telinden ince mini parçacık hızlandırıcıları görebilirsiniz. CERN parçacık hızlandırıcısı nasıl 10 kat hızlı çalışacağına bakıp CERN’de inşa edilmesi düşünülen yeni parçacık çarpıştırıcısının fizikte devrim yapıp yapmayacağını araştırabilirsiniz. Sonuçta milyarlarca dolarlık bu yatırım yeni parçacık bulamazsak boşa çıkabilir. Hızınızı alamayarak dünyanın tek doğal nükleer reaktörü Oklo ile kozmik lazerleri de hemen görebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Pet cihazı nasıl çalışıyor?

¹Automated microfluidic chip system for radiosynthesis of PET imaging probes
²Review of ¹⁸F-FDG Synthesis and Quality Control
³Preparation of radiopharmaceuticals