Современные технологии в ядерной медицине

Ядерная медицина – отрасль не новая, но жизненно важная, ведь с помощью радиофармацевтических препаратов и систем визуализации их накопления и распределения (объединенные технологии ПЭТ-КТ и ПЭТ-МРТ), врачи имеют точные инструменты для диагностики и лечения в кардиологии, онкологии, неврологии и других областях медицины.

Однако следует различать понятия ядерной медицины, радиологии, рентгенологии и лучевой терапии. Ядерная медицина для диагностики и лечения использует изотопы, которые вводятся в организм в виде радиофармпрепаратов. К радиологии относится и МРТ, и УЗИ, и рентген, поскольку в этих исследованиях используется электромагнитное излучение волн. Рентгенология – это подразделение диагностики, в котором используются исключительно рентгеновские лучи. Зато лучевая терапия использует как рентгеновские лучи, только более мощные, чем в диагностике, так и гамма-излучение высокой мощности (4-25 МэВ, сгенерированное линейным ускорителем, 1,25 МэВ от изотопа Co-60), и терапию протонами и нейтронами. Брахитерапия также относится к лучевой терапии.

По информации Годового отчета Агентства по снабжению Евратома (Euratom Supply Agency) за 2022 год, медицинские учреждения по всему миру, включая более 10 000 больниц, используют радиоизотопы в почти 100 различных процедурах ядерной медицины. Ежегодно это приводит к проведению почти 49 миллионов медицинских процедур во всем мире. Только в Европейском Союзе более 1 500 центров ядерной медицины ежегодно оказывают помощь примерно 10 миллионам пациентов. Ожидается, что рынок новых радиофармацевтических препаратов значительно возрастет в ближайшие годы, ведь применение медицинских радиоизотопов в лечении рака быстро расширяется.

Новые технологии в медицине соответствуют каждому этапу промышленной революции. Во время первой промышленной революции произошел переход от ручного к механизированному производству, а в медицине Рене Лаеннеком изобретен стетоскоп в 1816 году. Вторая промышленная революция произошла в результате появления электричества, коммерческой лампочки, телеграфа и современной фабричной производственной линии. В медицине же она знаменовалась изобретением электрокардиограммы Августом Воллером в 1887 году, который спроецировал сердцебиение, зафиксированное капиллярным электрометром Липпмана, на фотопластинку, что позволило записывать сердцебиение в реальном времени.

Движущей силой третьей промышленной революции, известной как цифровая революция, стало распространение и широкое применение вычислительной техники, в частности персональных компьютеров. Зато в медицинской отрасли в 1960-х годах Дэвид Куль и Рой Эдвардс разработали поперечную компьютерную томографию и реализовали ее в ОФЭКТ-сканере, который позже взяли за основу Годфри Хаунсфилд и Алан Кормак в 1972 году. Четвертой промышленной революции, которая происходит сейчас, присущи большие объемы данных, гиперсвязь, нейронные сети, что привело к созданию самоуправляемых автомобилей и развитию искусственного интеллекта, в частности в ядерной медицине.

Использование искусственного интеллекта в ядерной медицине

В прошлом, 2023, году впервые состоялась конференция “Искусственный интеллект и информатика в ядерной медицине”, посвященная обсуждению текущих достижений, вызовов и будущего искусственного интеллекта и информатики в ядерной медицине. Согласно информации, озвученной во время конференции, ядерная медицина на несколько шагов отстает от радиологии в развитии коммерчески доступных алгоритмов. Хотя перспективность искусственного интеллекта (ИИ) и технологий на основе нейронных сетей в ядерной медицине для обработки изображений и распознавания образов была признана еще в начале 1990-х годов, однако для внедрения этой технологии в ядерной медицине потребовалось более 20 лет.

Инструменты ИИ, машинного обучения и дистанционного обучения могут использоваться для совершенствования программного обеспечения, оборудования, что будет способствовать сокращению продолжительности съемки, уменьшению количества введенной дозы и получению более точного пространственного и временного разрешения, что приведет к созданию четких изображений.

Использование ИИ также изменит способ считывания и интерпретации изображений в ядерной медицине. Утомительные и трудоемкие задачи, такие как выделение необходимых структур, вскоре будут полностью автоматизированы благодаря алгоритмам ИИ. Снимки будут отображаться с предварительно определенными подозрительными областями, что значительно ускорит их визуальный анализ специалистами по ядерной медицине и радиологами. Кроме того, ИИ сможет выявлять заболевания, делать прогнозы и классифицировать их на основе молекулярных особенностей изображений с низким уровнем ошибок. Тем не менее, прежде чем ИИ получит широкое применение, необходимо продемонстрировать их надежность и клиническую или экономическую ценность для пациентов.

Также ИИ необходим для того, чтобы помочь в процессе интеграции данных. Автоматизированный анализ сложных данных необходим, чтобы обрабатывать большое количество сложных данных различного типа и выделять закономерности, которые затем станут основой для биологических гипотез.

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) обнародовало в 2021 году первый план действий по разработке программного обеспечения на основе искусственного интеллекта и машинного обучения для медицинского оборудования, который определяет целостный подход, основанный на полном надзоре за жизненным циклом продукта, для дальнейшего развития огромного потенциала, который имеют эти технологии для улучшения ухода за пациентами, обеспечивая при этом безопасную и эффективную функциональность программного обеспечения, повышающего качество медицинской помощи.

План действий определяет пять мер, которые FDA намерена принять, в частности:

1. Обновление нормативной базы путем разработки проекта руководства по заранее определенному плану управления изменениями (для машинного обучения программного обеспечения);
2. Поддержку развития надлежащих практик машинного обучения для оценки и совершенствования алгоритмов машинного обучения;
3. Содействие пациентоориентированному подходу, включая обеспечение прозрачности работы устройств для пользователей;
4. Разработку методов оценки и совершенствования алгоритмов машинного обучения;
5. Продвижение пилотных проектов по мониторингу эффективности в реальных условиях.

Итак, в настоящее время искусственный интеллект используется в оборудовании и программном обеспечении для автоматизации некоторых параметров получения изображений (например, позиционирование пациента и времени сканирования); создание высококачественных количественных изображений (например, использование ИИ для коррекции рассеивания, затухания и движения, реконструкции изображений или устранения шума); анализа и интерпретации изображений.

Роботы изменят производство радиоактивных изотопов

В США исследования и производство медицинских изотопов проводятся в национальных лабораториях и университетских ускорителях. Ученые создают нужные радиоизотопы путем ядерной трансмутации, облучая мишени, состоящие из обогащенных стабильных изотопов. Однако после облучения мишеней ученым необходимо химически отделить маленькое количество произведенных радиоизотопов от основной массы материала мишени и примесей.

Радиохимическое отделение может осуществляться двумя способами:

• настольная ручная обработка в перчатках, что грозит облучением исследователей, участвующих в процессе, и ограничивает пропускную способность производственных партий;
• обработка в хорошо защищенных специальных горячих камерах, однако они до сих пор используют механические манипуляторы 1940-х годов, которые требуют значительных затрат на техническое обслуживание, дорогие и имеют ограниченные механические возможности.

С целью модернизации и совершенствования производства медицинских изотопов, ученые Аргонской национальной лаборатории Министерства энергетики США начали проект, в рамках которого будет создана телекоммуникационная роботизированная система, которая введет новый тип станции обработки радиоизотопов. С этой целью ученые разрабатывают двуручного робота, который будет выполнять операции в горячих камерах. Система будет использовать систему виртуальной реальности, которая позволит ученым видеть внутреннее пространство боксов. Кроме того, точная визуализация в реальном времени удаленной радиохимической обработки в горячем боксе требует сложного 3D рабочего процесса, интегрированного с робототехнической системой.

Разработанная технология позволит безопасно работать с образцами, которые в 10 раз радиоактивнее, не используя при этом горячие камеры, и повысит способность производить необходимые изотопы.

Совершенствование способов доставки радиофармпрепаратов

По информации ГП “УГПП ИЗОТОП”, почти все радиофармпрепараты (за исключением незначительной части диагностических) и 100% соответствующего оборудования поставляются из-за рубежа, однако полномасштабное вторжение рф в Украину привело к закрытию авиапространства, что усложнило пути поставки и увеличило время ожидания пациентами лекарств и препаратов для диагностики.

Чтобы упростить пути поставки радиофармпрепаратов и ускорить получение их больницами и пациентами, в мире, кроме традиционных способов авиатранспортом, автомобилем и т.д., применяют способ доставки трубами, дронами.

Способ поставки радиоизотопов трубами не новый, однако обычно трубы используются для меньших масштабов, например в больницах или почтовых системах.

В Канаде этот способ, так называемая “кроличья линия”, применяется с начала 1980-х годов. Это пневматическая труба протяженностью около 2,5 км, пролегающая между канадским центром ускорителей элементарных частиц TRIUMF и больницей Университета Британской Колумбии, которая доставляет изотопы (углерод-11, фтор-18 и азот-13) из центра в больницу для дальнейшего использования в медицинской визуализации, в частности ПЭТ-сканировании. Труба расположена на глубине 1,5 км под землей, над которой находится 0,5 м радиационно-защитного бетона.

Технология использует сжатый воздух для доставки изотопов из центра в больницу. Когда пакет отправляется из TRIUMF, воздушный клапан остается открытым около минуты, чтобы прогнать его по трубе. Со средней скоростью 60 км/ч капсула преодолевает расстояние примерно за 2,5 минуты, в конце замедляется и прибывает в вертикальном положении на приемную станцию, расположенную под больницей.

Важно отметить, что технология придерживается строгих ограничений Комиссии по ядерной безопасности, в которых четко определено, какие именно изотопы и в каком количестве можно доставлять таким образом.

Главным преимуществом этой технологии является скорость доставки, кроме того этот метод является безопасным и существует низкая вероятность возникновения аварийной ситуации или радиационного облучения или загрязнения.

Доставка радиоизотопов дронами может быть перспективным направлением в ядерной медицине, особенно в ситуациях, когда скорость поставки и доступ к препаратам являются критическими. Хотя, конечно же, использование дронов для поставки радиофармпрепаратов имеет как преимущества, так и вызовы, которые могут возникнуть в процессе.

Среди преимуществ использования дронов стоит отметить быструю доставку в больницы, особенно в отдаленных труднодоступных районах, где доступ для людей может быть ограничен. Также, по сравнению с методом доставки автотранспортом, дроны могут облетать препятствия и менять маршруты, в зависимости от условий, что позволяет им доставлять радиофармпрепараты даже в условиях непредсказуемых ситуаций. Кроме того, использование дронов может уменьшить транспортные расходы и минимизировать трафик на дорогах.

Однако при использовании дронов компании могут столкнуться с такими вызовами как обеспечение безопасности при доставке радиоизотопов дронами и потенциальное влияние на здоровье людей и окружающую среду, поскольку радиоактивные материалы могут быть опасными при неправильном использовании или в случае аварий; технические ограничения дронов, в частности грузоподъемность и дальность полета, что уменьшит эффективность для доставки больших объемов радиоизотопов на большие расстояния.

Первой страной, которая апробировала использование дронов для поставки радиоизотопов, стала Канада. Так, в 2023 году компания “Drone Delivery Canada” получила разрешение от Министерства транспорта Канады на полеты за пределами прямой видимости и перевозки опасных грузов, в частности медицинских радиоизотопов, с помощью дронов. Это стало возможным благодаря реализации проекта “Care by Air” – коммерческого маршрута расстоянием 13,4 км для перевозки медицинских радиоизотопов с помощью дронов. Первый тестовый полет в рамках проекта с использованием беспилотника “Sparrow” состоялся в октябре 2022 года. Перед этим процедуры, практика и персонал компании были проверены Канадской комиссией по ядерной безопасности и Министерством транспорта Канады, чтобы гарантировать соблюдение строгих требований безопасности, необходимых как для выполнения полетов за пределами визуальной видимости, так и для транспортировки медицинских радиоизотопов.

За Канадой технологию доставки радиофармпрепаратов дронами начала апробировать Великобритания. В этом, 2024, году финансирование от Института физики и инженерии в медицине получил проект Pioneering, предусматривающий использование дронов для доставки радиофармацевтических препаратов между больницами в Западном Мидленде. Сейчас более 59 радиофармацевтических аптек предоставляют услуги учреждениям ядерной медицины в Великобритании, которые могут использовать дроны для обеспечения отделений в радиусе 80 км. Дроны также могут расширить доступ к таким мишеням, как галий-68, которые сейчас ограничены автомобильным транспортом, тем самым расширяя возможности ядерной медицины на общенациональном уровне. Транспортировка радиофармацевтических препаратов с помощью дронов в Великобритании ранее не осуществлялась, поэтому Управление гражданской авиации еще не прошло соответствующего процесса сертификации.

Итак, хотя доставка радиоизотопов дронами имеет значительный потенциал, важно тщательно учитывать все преимущества и вызовы для обеспечения безопасности, эффективности и соблюдения регуляторных требований.

Вместо выводов

Ядерная медицина имеет огромный потенциал для диагностики и лечения пациентов. Однако, по информации Европейской промышленной ассоциации ядерной медицины и молекулярного здравоохранения (Nuclear Medicine Europe), перед ядерной медициной стоят вызовы, важные для дальнейшего развития и связанные с безопасным и надежным снабжением имеющихся и будущих радиоизотопов, регулированием отрасли, поддержкой инноваций и технического развития; повышением осведомленности и пониманием преимуществ ядерной медицины среди медицинских работников, пациентов и общественности.

Но это не все вызовы, которые приходится преодолевать специалистам отрасли ядерной медицины. В частности, в ЕС сейчас больше всего внимания требует преодоления зависимости от россии в цепочке поставок медицинских радиоизотопов.

Во-первых, некоторые исследовательские реакторы ЕС, производящие жизненно важные медицинские радиоизотопы, зависят от российского топлива и материалов. Высокопробный низкообогащенный уран (HALEU) пока не производится в ЕС, а импортируется из США и России. Однако запасов США, по оценкам, хватит до 2035-2040 года, в зависимости от фактического потребления имеющихся запасов. Сейчас некоторые операторы исследовательских реакторов ЕС, которые уже получили лицензии на альтернативное топливо, постепенно прекратили поставки топлива из россии. Некоторые активно участвуют в исследовательских проектах Евратома по разработке альтернативного топлива и разрушению российской монополии на поставку топлива для исследовательских реакторов.

Во-вторых, ЕС также зависит от россии в обогащении стабильных изотопов, необходимых для производства нескольких важных медицинских радиоизотопов, в частности итербия-176, необходимого для производства лютеция-177. Обогащенные изотопы также понадобятся в долгосрочной перспективе для разработки альтернативных путей производства технеция-99m, молибдена-98 и молибдена-100.

Но несмотря на это, Еврокомиссия продолжает поддерживать безопасное, высококачественное и надежное использование радиационных и ядерных технологий в сфере здравоохранения. В 2022 году была заложена основа для реализации плана действий SAMIRA в трех приоритетных сферах:

• обеспечение поставок медицинских радиоизотопов;
• улучшение радиационной защиты и безопасности в медицине;
• содействие инновациям и технологическому развитию применения ионизирующего излучения в медицине.

Редакция вебсайта Uatom.org