Новітні технології в ядерній медицині

Ядерна медицина – галузь не нова, але життєво важлива, адже за допомогою радіофармацевтичних препаратів та систем візуалізації їх накопичення та розподілу (поєднані технології ПЕТ-КТ та ПЕТ-МРТ), лікарі мають точні інструменти для діагностики та лікування в кардіології, онкології, неврології та інших галузях медицини.

Проте варто розрізняти поняття ядерної медицини, радіології, рентгенології та променевої терапії. Ядерна медицина для діагностики та лікування використовує ізотопи, які вводяться в організм у вигляді радіофармпрепаратів. До радіології належить і МРТ, і УЗД, і рентген, оскільки у цих дослідженнях використовується електромагнітне хвильове випромінювання. Рентгенологія – це підрозділ діагностики, в якій використовуються виключно рентгенівські промені. Натомість променева терапія використовує як рентгенівські промені, тільки більш потужні, ніж в діагностиці, так і гамма-випромінювання високої потужності (4-25 МеВ, згенероване лінійним прискорювачем, 1,25 МеВ від ізотопу Co-60), і терапію протонами та нейтронами. Брахітерапія також належить  до променевої терапії.

За інформацією Річного звіту Агентства з постачання Євратома (Euratom Supply Agency) за 2022 рік, медичні заклади по всьому світу, включаючи понад 10 000 лікарень, використовують радіоізотопи у майже 100 різних процедурах ядерної медицини. Щорічно це призводить до проведення майже 49 мільйонів медичних процедур у всьому світі. Лише в Європейському Союзі понад 1 500 центрів ядерної медицини щороку надають допомогу приблизно 10 мільйонам пацієнтів. Очікується, що ринок нових радіофармацевтичних препаратів значно зросте в найближчі роки, адже застосування медичних радіоізотопів у лікуванні раку швидко розширюється.

Нові технології в медицині відповідають кожному етапу промислової революції. Під час першої промислової революції стався перехід від ручного до механізованого виробництва, а у медицині Рене Лаеннеком винайдено стетоскоп у 1816 році. Друга промислова революція відбулася внаслідок появи електрики, комерційної лампочки, телеграфу та сучасної фабричної виробничої лінії. У медицині ж вона знаменувалася винайденням електрокардіограми Августом Воллером у 1887 році, який спроєктував серцебиття, зафіксоване капілярним електрометром Ліппмана, на фотопластинку, що дозволило записувати серцебиття в реальному часі.

Рушійною силою третьої промислової революції, відомої як цифрова революція, стало поширення та широке застосування обчислювальної техніки, зокрема персональних комп’ютерів. Натомість у медичній галузі у 1960-х роках Девід Куль і Рой Едвардс розробили поперечну комп’ютерну томографію і реалізували її в ОФЕКТ-сканері, який пізніше взяли за основу Годфрі Хаунсфілд і Аланом Кормак у 1972 році. Четвертій промисловій революції, яка відбувається нині, притаманні великі обсяги даних, гіперзв’язок, нейронні мережі, що призвело до створення самокерованих автомобілів і розвитку штучного інтелекту, зокрема в ядерній медицині.

Використання штучного інтелекту в ядерній медицині

Минулого, 2023, року вперше відбулася конференція «Штучний інтелект та інформатика в ядерній медицині», присвячена обговоренню поточних досягнень, викликів і майбутнього штучного інтелекту та інформатики в ядерній медицині. Відповідно до інформації, озвученої під час конференції, ядерна медицина на кілька кроків відстає від радіології в розвитку комерційно доступних алгоритмів. Хоча перспективність штучного інтелекту (ШІ) і технологій на основі нейронних мереж в ядерній медицині для обробки зображень і розпізнавання образів була визнана ще на початку 1990-х років, проте для впровадження цієї технології у ядерній медицині знадобилося більше 20 років.

Інструменти ШІ, машинного навчання та дистанційного навчання можуть використовуватися для вдосконалення програмного забезпечення, обладнання, що сприятиме скороченню тривалості зйомки, зменшенню кількості введеної дози і отриманню більш точної просторової і часової роздільної здатності, що призведе до створення чітких зображень.

Використання ШІ також змінить спосіб зчитування та інтерпретації зображень в ядерній медицині. Виснажливі і трудомісткі завдання, такі як виділення необхідних структур, незабаром будуть повністю автоматизовані завдяки алгоритмам ШІ. Знімки відображатимуться з попередньо визначеними підозрілими областями, що значно прискорить їх візуальний аналіз фахівцями з ядерної медицини та радіологами. Крім того, ШІ зможе виявляти захворювання, робити прогнози і класифікувати їх на основі молекулярних особливостей зображень з низьким рівнем помилок. Проте, перш ніж ШІ набуде широкого застосування, необхідно продемонструвати їхню надійність і клінічну або економічну цінність для пацієнтів.

Також ШІ необхідний для того, щоб допомогти в процесі інтеграції даних. Автоматизований аналіз складних даних необхідний, щоб обробляти велику кількість складних даних різного типу і виділяти закономірності, які потім стануть основою для біологічних гіпотез.

Управління з санітарного нагляду за якістю харчових продуктів і медикаментів США (FDA) оприлюднило у 2021 році перший план дій з розробки програмного забезпечення на основі штучного інтелекту та машинного навчання для медичного обладнання, який окреслює цілісний підхід, заснований на повному нагляді за життєвим циклом продукту, для подальшого розвитку величезного потенціалу, який ці технології мають для покращення догляду за пацієнтами, забезпечуючи при цьому безпечну та ефективну функціональність програмного забезпечення, що підвищує якість медичної допомоги, яку отримують пацієнти.

План дій окреслює п’ять заходів, які FDA має намір вжити, зокрема:

1. Оновлення нормативної бази шляхом розробки проєкту керівництва щодо заздалегідь визначеного плану управління змінами (для машинного навчання програмного забезпечення);
2. Підтримку розвитку належних практик машинного навчання для оцінки та вдосконалення алгоритмів машинного навчання;
3. Сприяння пацієнтоорієнтованому підходу, включаючи забезпечення прозорості роботи пристроїв для користувачів;
4. Розробку методів оцінки та вдосконалення алгоритмів машинного навчання;
5. Просування пілотних проєктів з моніторингу ефективності в реальних умовах.

Отже, наразі штучний інтелект використовується у обладнанні і програмному забезпеченні для автоматизації деяких параметрів отримання зображень (наприклад, позиціонування пацієнта і часу сканування); створення високоякісних кількісних зображень (наприклад, використання ШІ для корекції розсіювання, загасання та руху, реконструкції зображень або усунення шуму); аналізу та інтерпретації зображень.

Роботи змінять виробництво радіоактивних ізотопів

У США дослідження і виробництво медичних ізотопів проводяться в національних лабораторіях і університетських прискорювачах. Вчені створюють потрібні радіоізотопи шляхом ядерної трансмутації, опромінюючи мішені, що складаються зі збагачених стабільних ізотопів. Однак після опромінення мішеней вченим необхідно хімічно відокремити маленьку кількість вироблених радіоізотопів від основної маси матеріалу мішені і домішок.

Радіохімічне відокремлення може здійснюватися у два способи:

• настільна ручна обробка в рукавицях, що загрожує опроміненням дослідників, які беруть участь у процесі, та обмежує пропускну здатність виробничих партій;
• обробка в добре захищених спеціальних гарячих камерах, проте вони досі використовують механічні маніпулятори 1940-х років, які потребують значних витрат на технічне обслуговування, дорогі і мають обмежені механічні можливості.

З метою модернізації та вдосконалення виробництва медичних ізотопів, вчені Аргонської національної лабораторії Міністерства енергетики США розпочали проєкт, у межах якого буде створено телекомунікаційну роботизовану систему, що запровадить новий тип станції обробки радіоізотопів. З цією метою вчені розробляють дворучний робот, який виконуватиме операції в гарячих камерах. Система використовуватиме систему віртуальної реальності, яка дозволить вченим бачити внутрішній простір боксів. Крім того, точна візуалізація в реальному часі віддаленої радіохімічної обробки в гарячому боксі вимагає складного 3D робочого процесу, інтегрованого з робототехнічною системою.

Розроблена технологія дозволить безпечно працювати зі зразками, які в 10 разів радіоактивніші, не використовуючи при цьому гарячі камери та підвищить здатність виробляти необхідні ізотопи.

Вдосконалення способів доставки радіофармпрепаратів

За інформацією ДП «УДВП ІЗОТОП», майже всі радіофармпрепарати (за винятком незначної частини діагностичних) та 100% відповідного обладнання постачаються з-за кордону, проте повномасштабне вторгнення рф в Україну призвело до закриття авіапростору, що ускладнило шляхи постачання й збільшило час очікування пацієнтами на ліки й препарати для діагностики.

Щоб спростити шляхи постачання радіофармпрепаратів та пришвидшити отримання їх лікарнями та пацієнтами, у світі, окрім традиційних способів авіатранспортом, автівкою тощо, застосовують спосіб доставки трубами, дронами.

Спосіб постачання радіоізотопів трубами не новий, проте зазвичай труби використовуються в менших масштабах, наприклад у лікарнях або поштових системах.

У Канаді цей спосіб, так звана «кроляча лінія», застосовується з початку 1980-х років. Це пневматична труба протяжністю близько 2,5 км, що пролягає між канадським центром прискорювачів елементарних частинок TRIUMF та лікарнею Університету Британської Колумбії та доставляє ізотопи (вуглець-11, фтор-18 і азот-13) з центру до лікарні для подальшого використання в медичній візуалізації, зокрема ПЕТ-скануванні. Труба розташована на глибині 1,5 км під землею, над якою знаходиться 0,5 м радіаційно-захисного бетону.

Технологія використовує стиснене повітря для доставки ізотопів з центру до лікарні. Коли пакунок відправляється з TRIUMF, повітряний клапан залишається відкритим близько хвилини, щоб прогнати його по трубі. З середньою швидкістю 60 км/год капсула долає відстань приблизно за 2,5 хвилини, наприкінці сповільнюється та прибуває у вертикальному положенні на приймальну станцію, розташовану під лікарнею.

Важливо зазначити, що технологія дотримується суворих обмежень Комісії з ядерної безпеки, в яких чітко визначено, які саме ізотопи та в якій кількості можна доставляти у такий спосіб.

Найголовнішою перевагою цієї технології є швидкість доставки, крім того цей метод є безпечнішим та існує низька ймовірність виникнення аварійної ситуації чи радіаційного опромінення або забруднення.

Доставка радіоізотопів дронами може бути перспективним напрямком в ядерній медицині, особливо в ситуаціях, коли швидкість поставки та доступ до препаратів є критичними. Хоча, звісно ж, використання дронів для постачання радіофармпрепаратів має як переваги, так і виклики, що можуть виникнути в процесі.

Серед переваг використання дронів варто відзначити швидку доставку до лікарень, особливо в віддалених важкодоступних районах, де доступ для людей може бути обмеженим. Також, порівняно з методом доставки автотранспортом, дрони можуть облітати перешкоди та змінювати маршрути, залежно від умов, що дозволяє їм доставляти радіофармпрепарати навіть в умовах непередбачуваних ситуацій. Крім того, використання дронів може зменшити транспортні витрати та мінімізувати трафік на дорогах.

Проте під час використання дронів компанії можуть зіштовхнутися з такими викликами як забезпечення безпеки під час доставки радіоізотопів дронами та потенційний вплив на здоров’я людей та навколишнє середовище, оскільки радіоактивні матеріали можуть бути небезпечними за умови неправильного використання або у випадку аварій; технічні обмеження дронів, зокрема вантажопідйомність та дальність польоту, що зменшить ефективність для доставки великих обсягів радіоізотопів на великі відстані.

Першою країну, яка апробувала використання дронів для постачання радіоізотопів, стала Канада. Так, у 2023 році компанія «Drone Delivery Canada» отримала дозвіл від Міністерства транспорту Канади на польоти за межами прямої видимості і перевезення небезпечних вантажів, зокрема медичних радіоізотопів, за допомогою дронів. Це стало можливим завдяки реалізації проєкту «Care by Air» – комерційного маршруту відстанню 13,4 км для перевезення медичних радіоізотопів за допомогою дронів. Перший тестовий політ в межах проєкту з використанням безпілотника «Sparrow» відбувся в жовтні 2022 року. Перед цим процедури, практика та персонал компанії були перевірені Канадською комісією з ядерної безпеки та Міністерством транспорту Канади, щоб гарантувати дотримання суворих вимог безпеки, необхідних як для виконання польотів за межами візуальної видимості, так і для транспортування медичних радіоізотопів.

За Канадою технологію доставки радіофармпрепаратів дронами почала апробувати Велика Британія. У цьому, 2024, році фінансування від Інституту фізики та інженерії в медицині отримав проєкт Pioneering, що передбачає використання дронів для доставки радіофармацевтичних препаратів між лікарнями в Західному Мідленді. Наразі понад 59 радіофармацевтичних аптек надають послуги установам ядерної медицини у Великій Британії, які можуть використовувати дрони для забезпечення відділень в радіусі 80 км. Дрони також можуть розширити доступ до таких мішеней, як галій-68, які наразі обмежені автомобільним транспортом, тим самим розширюючи можливості ядерної медицини на загальнонаціональному рівні. Транспортування радіофармацевтичних препаратів за допомогою дронів у Великій Британії раніше не здійснювалося, тому Управління цивільної авіації ще не пройшло відповідного процесу сертифікації.

Отже, хоча доставка радіоізотопів дронами має значний потенціал, важливо ретельно враховувати всі переваги та виклики для забезпечення безпеки, ефективності та дотримання регуляторних вимог.

Замість висновків

Ядерна медицина має величезний потенціал для діагностики та лікування пацієнтів. Однак, за інформацією Європейської промислової асоціації ядерної медицини та молекулярної охорони здоров’я (Nuclear Medicine Europe), перед ядерною медициною постають виклики, важливі для подальшого розвитку та пов’язані з безпечним та надійним постачанням наявних та майбутніх радіоізотопів, регулюванням галузі, підтримкою інновацій та технічного розвитку; підвищенням обізнаності та розумінням переваг ядерної медицини серед медичних працівників, пацієнтів та громадськості.

Та це не всі виклики, які доводиться долати фахівцям галузі ядерної медицини. Зокрема, в ЄС наразі найбільше уваги потребує подолання залежності від росії у ланцюжку постачання медичних радіоізотопів.

По-перше, деякі дослідницькі реактори ЄС, що виробляють життєво важливі медичні радіоізотопи, залежать від російського палива та матеріалів. Високопробний низькозбагачений уран (HALEU) наразі не виробляється в ЄС, а імпортується із США та росії. Однак запасів США, за оцінками, вистачить до 2035-2040 року, залежно від фактичного споживання наявних запасів. Наразі деякі оператори дослідницьких реакторів ЄС, які вже отримали ліцензії на альтернативне паливо, поступово припинили поставки палива з росії. Деякі беруть активну участь у дослідницьких проектах Євратома з розробки альтернативного палива та руйнування російської монополії на постачання палива для дослідницьких реакторів.

По-друге, ЄС також залежить від росії у збагаченні стабільних ізотопів, необхідних для виробництва кількох важливих медичних радіоізотопів, зокрема ітербію-176, необхідного для виробництва лютецію-177. Збагачені ізотопи також знадобляться в довгостроковій перспективі для розробки альтернативних шляхів виробництва технецію-99m, молібдену-98 і молібдену-100.

Та незважаючи на це, Єврокомісія продовжує підтримувати безпечне, високоякісне та надійне використання радіаційних і ядерних технологій у сфері охорони здоров’я. У 2022 році було закладено основу для реалізації плану дій SAMIRA у трьох пріоритетних сферах:

• забезпечення постачання медичних радіоізотопів;
• покращення радіаційного захисту та безпеки в медицині;
• сприяння інноваціям і технологічному розвитку застосування іонізуючого випромінювання в медицині.

Редакція вебсайту Uatom.org