Was sind Radioisotope?

Radioisotope

Unterschiedliche Isotope des gleichen Elements haben die gleiche Anzahl von Protonen in ihren Atomkernen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen.

Radioisotope sind radioaktive Isotope eines Elements. Sie können auch als Atome definiert werden, die eine instabile Kombination von Neutronen und Protonen oder überschüssige Energie in ihrem Kern enthalten.

Wie entstehen Radioisotope?

Der instabile Kern eines Radioisotops kann auf natürliche Weise oder durch künstliche Veränderung des Atoms entstehen. In manchen Fällen wird ein Kernreaktor zur Herstellung von Radioisotopen verwendet, in anderen ein Zyklotron. Kernreaktoren sind am besten geeignet, um neutronenreiche Radioisotope, wie z. B. Molybdän-99, zu erzeugen, während Zyklotrone am besten geeignet sind, um protonenreiche Radioisotope, wie z. B. Fluor-18, zu erzeugen.

Das bekannteste Beispiel für ein natürlich vorkommendes Radioisotop ist Uran. Bis auf 0,7 Prozent des natürlich vorkommenden Urans handelt es sich um Uran-238, der Rest ist das weniger stabile bzw. radioaktivere Uran-235, das drei Neutronen weniger im Kern hat.

Radioaktiver Zerfall

Atome mit einem instabilen Kern gewinnen an Stabilität, indem sie überschüssige Teilchen und Energie in Form von Strahlung abwerfen. Der Prozess des Abwerfens der Strahlung wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Der radioaktive Zerfallsprozess ist für jedes Radioisotop einzigartig und wird mit einer Zeitspanne gemessen, die als Halbwertszeit bezeichnet wird. Eine Halbwertszeit ist die Zeit, die es dauert, bis die Hälfte der instabilen Atome radioaktiv zerfallen ist.

Wie werden Radioisotope verwendet?

Radioisotope sind ein wesentlicher Bestandteil von Radiopharmazeutika. Tatsächlich werden sie seit mehr als 30 Jahren routinemäßig in der Medizin eingesetzt. Im Durchschnitt kann jeder zweite Australier damit rechnen, sich irgendwann in seinem Leben einem nuklearmedizinischen Verfahren zu unterziehen, bei dem ein Radioisotop zu diagnostischen oder therapeutischen Zwecken verwendet wird.

Einige der in der Nuklearmedizin verwendeten Radioisotope haben kurze Halbwertszeiten, was bedeutet, dass sie schnell zerfallen und für diagnostische Zwecke geeignet sind; andere mit längeren Halbwertszeiten brauchen mehr Zeit, um zu zerfallen, was sie für therapeutische Zwecke geeignet macht.

In der Industrie werden Radioisotope auf vielfältige Weise eingesetzt, um die Produktivität zu steigern und Informationen zu gewinnen, die auf andere Weise nicht gewonnen werden können.

Radioisotope werden häufig in der industriellen Radiographie eingesetzt, die eine Gammaquelle verwendet, um Belastungstests durchzuführen oder die Integrität von Schweißnähten zu überprüfen. Ein gängiges Beispiel ist die Prüfung von Flugzeugtriebwerksturbinen auf ihre strukturelle Integrität.

Radioisotope werden von der Industrie auch für Messungen verwendet (z. B. um den Füllstand von Flüssigkeiten in Behältern zu messen) oder um die Dicke von Materialien zu messen.

Radioisotope werden auch in der wissenschaftlichen Forschung weit verbreitet und in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, von der Verfolgung des Flusses von Verunreinigungen in biologischen Systemen bis zur Bestimmung von Stoffwechselprozessen in kleinen australischen Tieren.

Sie werden auch im Auftrag internationaler nuklearer Sicherheitsbehörden eingesetzt, um geheime nukleare Aktivitäten anhand der charakteristischen Radioisotope, die von Waffenprogrammen produziert werden, aufzuspüren.

Was ist eine radioaktive Quelle?

Eine umschlossene radioaktive Quelle ist eine eingekapselte Menge eines Radioisotops, die zur Erzeugung eines Strahls ionisierender Strahlung verwendet wird. Industrielle Quellen enthalten in der Regel Radioisotope, die Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen aussenden.

Was sind einige häufig verwendete Radioisotope?

Radioisotope werden in einer Vielzahl von Anwendungen in medizinischen, industriellen und wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt. Einige in der Industrie und Wissenschaft häufig verwendete Radioisotope finden Sie in den folgenden Tabellen. Medizinische Radioisotope werden im nächsten Abschnitt beschrieben.

Natürlich vorkommende Radioisotope in Industrie und Wissenschaft

Künstlich-hergestellte Radioisotope in Industrie und Wissenschaft

Radioisotope in der Medizin

Die Nuklearmedizin verwendet kleine Mengen an Strahlung, um Informationen über den Körper eines Menschen und die Funktion bestimmter Organe, laufende biologische Prozesse oder den Zustand einer bestimmten Krankheit zu erhalten. In den meisten Fällen werden die Informationen von Ärzten genutzt, um eine genaue Diagnose zu stellen. In bestimmten Fällen kann Strahlung zur Behandlung von erkrankten Organen oder Tumoren eingesetzt werden.

Wie werden medizinische Radioisotope hergestellt?

Medizinische Radioisotope werden aus Materialien hergestellt, die in einem Reaktor mit Neutronen oder in einem Zyklotron genannten Beschleuniger mit Protonen beschossen werden. ANSTO verwendet beide Methoden. Radioisotope sind ein wesentlicher Bestandteil von Radiopharmazeutika. Einige Krankenhäuser verfügen über eigene Zyklotrone, die in der Regel zur Herstellung von Radiopharmazeutika mit kurzen Halbwertszeiten von Sekunden oder Minuten verwendet werden.

Was sind Radiopharmazeutika?

Ein Radiopharmazeutikum ist ein Molekül, das aus einem Radioisotop-Tracer besteht, der an ein Arzneimittel gebunden ist. Nachdem es in den Körper gelangt ist, reichert sich das radioaktiv markierte Arzneimittel in einem bestimmten Organ oder Tumorgewebe an. Das Radioisotop, das an das zielgerichtete Pharmazeutikum gebunden ist, zerfällt und erzeugt eine bestimmte Menge an Strahlung, die zur Diagnose oder Behandlung menschlicher Krankheiten und Verletzungen verwendet werden kann. Die Menge des verabreichten Radiopharmazeutikums wird sorgfältig ausgewählt, um die Sicherheit jedes Patienten zu gewährleisten.

Gängige Radiopharmazeutika

In Australiens nuklearmedizinischen Zentren werden routinemäßig etwa 25 verschiedene Radiopharmazeutika verwendet.

Das häufigste ist Technetium-99m, das seinen Ursprung als Uransilizid hat, das in einen Aluminiumstreifen eingeschlossen und in das neutronenreiche Reflektorgefäß des OPAL-Reaktors, das den Kern umgibt, eingebracht wurde. Nach der Verarbeitung wird der resultierende Molybdän-99-Vorläufer entfernt und in Geräte, die Technetium-Generatoren genannt werden, gebracht, wo das Molybdän-99 zu Technetium-99m zerfällt. Diese Generatoren werden von ANSTO an medizinische Zentren in ganz Australien und dem nahen asiatisch-pazifischen Raum vertrieben.

Die kurze Halbwertszeit von 6 Stunden und die schwache Energie der emittierten Gammastrahlung machen Technetium-99m ideal für die Darstellung von Organen des Körpers zur Erkennung von Krankheiten, ohne dass der Patient eine signifikante Strahlendosis erhält. Der Generator bleibt mehrere Tage lang wirksam und wird dann zur Wiederauffüllung an ANSTO zurückgegeben.

Ein weiteres in OPAL produziertes Radiopharmazeutikum ist Jod-131. Mit einer Halbwertszeit von acht Tagen und einem energiereichen Betateilchen-Zerfall wird Jod-131 zur Behandlung von Schilddrüsenkrebs eingesetzt. Da die Schilddrüse den Jodvorrat des Körpers produziert, reichert sich das injizierte Jod-131 auf natürliche Weise in der Drüse an. Die Strahlung von Jod-131 greift dann nahe gelegene Krebszellen an, ohne gesundes Gewebe zu beeinträchtigen.

Weitere häufig verwendete Radiopharmaka finden Sie in den folgenden Listen.

Reaktor-produzierte medizinische Radioisotope

Cyclotron-produzierte medizinische Radioisotope

Nuklearmedizinische Bildgebung

Nuklearmedizinische Bildgebung ist ein diagnostisches Verfahren, das Radioisotope verwendet, die Gammastrahlen aus dem Körperinneren aussenden.

Wie unterscheidet sich die nuklearmedizinische Bildgebung von anderen bildgebenden Verfahren?

Es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen der nuklearen Bildgebung und anderen medizinischen Bildgebungssystemen wie CT (Computertomographie), MRT (Magnetresonanztomographie) oder Röntgenstrahlen.

Der Hauptunterschied zwischen nuklearer Bildgebung und anderen Bildgebungssystemen besteht darin, dass sich bei der nuklearen Bildgebung die Quelle der emittierten Strahlung im Körper befindet. Die nukleare Bildgebung zeigt die Position und Konzentration des Radioisotops. Wenn nur sehr wenig des Radioisotops aufgenommen wurde, erscheint auf dem Bildschirm ein „kalter Fleck“, der vielleicht anzeigt, dass kein Blut durchkommt. Ein „heißer Fleck“ hingegen kann auf eine übermäßige Aufnahme von Radioaktivität im Gewebe oder Organ hinweisen, die möglicherweise auf einen kranken Zustand, wie eine Infektion oder Krebs, zurückzuführen ist. Sowohl Knochen als auch Weichgewebe können mit diesem System erfolgreich abgebildet werden.

Wie funktioniert die nukleare Bildgebung?

Ein Radiopharmakon wird oral verabreicht, injiziert oder inhaliert und von einer Gammakamera erfasst, die ein computergestütztes Bild erstellt, das vom Arzt betrachtet werden kann.

Die nuklearmedizinische Bildgebung misst die Funktion eines Körperteils (durch Messung des Blutflusses, der Verteilung oder der Anreicherung des Radioisotops) und liefert keine hochaufgelösten anatomischen Bilder von Körperstrukturen.

Was kann die nuklearmedizinische Bildgebung uns sagen?

Die mit der nuklearmedizinischen Bildgebung gewonnenen Informationen sagen einem erfahrenen Arzt viel darüber, wie ein bestimmter Teil des Körpers einer Person funktioniert. Durch den Einsatz der nuklearen Bildgebung bei einem Knochenscan zum Beispiel können Ärzte das Vorhandensein einer sekundären Krebsausbreitung“ bis zu zwei Jahre früher als mit einem Standard-Röntgenbild erkennen. Es hebt die fast mikroskopischen Umbauversuche des Skeletts hervor, während es die eindringenden Krebszellen bekämpft.

Andere Arten der Bildgebung

Positronen-Emissions-Tomographie (PET)-Scans

Eine weit verbreitete nukleare Bildgebungstechnik zur Erkennung von Krebserkrankungen und zur Untersuchung der Stoffwechselaktivität bei Menschen und Tieren. Eine kleine Menge eines kurzlebigen, Positronen emittierenden radioaktiven Isotops wird auf einem Trägermolekül wie Glukose in den Körper injiziert. Die Glukose trägt den Positronenstrahler zu Bereichen mit hoher Stoffwechselaktivität, wie z. B. einem wachsenden Krebs. Die schnell emittierten Positronen bilden mit einem Elektron aus den Biomolekülen im Körper Positronium und annihilieren dann, wobei ein Gammastrahlenpaar entsteht. Spezielle Detektoren können diesen Prozess verfolgen und ermöglichen so die Erkennung von Krebs oder Anomalien in der Gehirnfunktion.

Computertomographie (CT)

Ein CT-Scan, manchmal auch CAT-Scan (Computerized Axial Tomography) genannt, verwendet spezielle Röntgengeräte, um Bilddaten aus Hunderten von verschiedenen Winkeln um den Körper herum und in „Schichten“ durch den Körper zu erhalten. Die Informationen werden dann verarbeitet, um einen 3-D-Querschnitt von Körpergeweben und Organen zu zeigen. Da sie den Körper Schicht für Schicht abbilden, liefern CT-Scans viel umfassendere Informationen als herkömmliche Röntgenaufnahmen. Die CT-Bildgebung ist besonders nützlich, weil sie mehrere Gewebearten – Lunge, Knochen, Weichteilgewebe und Blutgefäße – mit größerer Klarheit als Röntgenbilder zeigen kann.

Obwohl ein CT-Scan Strahlung verwendet, handelt es sich nicht um ein nukleares Bildgebungsverfahren, da die Strahlungsquelle – die Röntgenstrahlen – von Geräten außerhalb des Körpers kommt (im Gegensatz zu einem Radiopharmakon im Körper).

PET-Scans werden häufig mit CT-Scans kombiniert, wobei der PET-Scan funktionelle Informationen liefert (wo sich das Radioisotop angesammelt hat) und der CT-Scan den Ort verfeinert. Der primäre Vorteil der PET-Bildgebung ist, dass sie dem untersuchenden Arzt quantifizierte Daten über die Verteilung des Radiopharmakons im absorbierenden Gewebe oder Organ liefern kann.