През 1896 г. Анри Бекерел открива ново загадъчно лъчение. За разлика от рентгеновите лъчи , които изчезвали, когато рентгеновата тръба била изключвана, това ново лъчение, наблюдавано при урана, се излъчвало непрекъснато. По-нататъшни изследвания на Пиер и Мария Кюри показват, че и други елементи притежават същото свойство. По-специално те откриват тези свойства при полония и радия през 1898 г.

Пиер и Мария Кюри бързо намират приложение на това свойство и още през 1901 г. радият се използва в болниците. Признава се, че лъчението на радия има благотворно въздействие върху много кожни заболявания, включително рак.

Пиер и Мария Кюри в тяхната лаборатория, Париж 1898 г.

Новото лъчение е с ядрен произход. Някои ядра спонтанно излъчват α частици (ядра на хелий), β частици – те могат да бъдат електрони (β^-) или позитрони (β⁺) – и/или γ (гама) лъчи (т.е. високоенергийни фотони). Такъв атом с нестабилно ядро, характеризиращо се с излишък от енергия, се нарича радионуклид или радиоактивен нуклид, а също и радиоизотоп или радиоактивен изотоп.

Природни радиоизотопи са например ²³⁸U (уран), ⁴⁰K (калий), ²³²Th (торий) и техните дъщерни ядра ²²⁶Ra (радий), ²²²Rn (радон), ²¹⁸Po (полоний). Някои радиоизотопи се произвеждат непрекъснато от действието на космическите лъчи върху горните слоеве на нашата атмосфера, като например ¹⁴C (въглерод), ³H (тритий) или ⁷Be (берилий).

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри са първите, които произвеждат изкуствени радиоизотопи през 1933 г., като използват естествен α източник за бомбардиране на алуминий-27 и получаване на радиоелемента фосфор-30, който чрез β разпадане преминава в силиций-30. Това е резултат от това, че ядрата на алуминиевите атоми получават допълнителни протони от ядрата на хелия (α частици).

Оттогава са произведени много нови радиоизотопи, което открива редица нови приложения и води до по-добро разбиране на ядрената материя и ядрените сили. До 1936 г. са произведени около 200 радионуклида. Днес са известни около 250 стабилни нуклида . Те се произвеждат с помощта на снопове от частици, вариращи от протони до ²³⁸U, ускорени в циклотрони или линейни ускорители.

Първият ускорител (циклотрон) е построен в Бъркли, САЩ, през 1932 г. от Ърнест О. Лоурънс. Той и брат му Джон Лоурънс, лекар, скоро осъзнават много важните медицински приложения и произвеждат радиоактивни изотопи за биологични и медицински изследвания, както и за лечение на рак. Първият европейски циклотрон е построен от Фредерик Жолио (1939 г.) в Колеж дьо Франс, Париж.

Карта на ядрения пейзаж. Линиите на изтичане очертават границата на ядрената стабилност спрямо излъчване на n или p .

Физиците са произвели много нови изотопи, които са все по-далеч от естествената долина на ядрената стабилност. Понастоящем съществуват множество съоръжения, използващи снопове от радиоактивни йони. Търсенето на медицински радиоизотопи е световно явление и в развитите страни расте експоненциално от 1995 г.

Нобеловата награда за химия за 1943 г. е присъдена на Г. де Хевеши за това, че пръв използва естествени (а по-късно и изкуствени) радиоактивни елементи като трасьори за изследване на стабилни елементи в биологични системи. Много малко количество от радиоактивен елемент може лесно да бъде проследено в човешкото тяло. Това може да се постигне и с химични трасьори, но биха били необходими далеч по-големи количества химикали, което би направило процедурата много по-рискована за пациента.

При типично изследване в нуклеарната медицина на пациента се въвежда трасьор и γ лъчите, излъчени от трасьорния нуклид , се регистрират с матрица от детектори на лъчение. Това се нарича емисионна томография. Трасьорът обикновено се избира така, че да се отлага избирателно в определен орган, а регистрираните γ лъчи дават подробно изображение на интересуващата ни област. За опитното око изображенията могат да разкрият структурни или метаболитни отклонения и да доведат до по-добри диагнози. В нуклеарната медицина се използва голямо разнообразие от изотопи, всеки от които е насочен специално към отделни органи на човешкото тяло.

Изображение горе: приложение на ПЕТ в неврофизиологията (вербална работна памет в мозъка), болница „Сан Рафаеле“, Милано.

Туморите могат да бъдат локализирани с техники като еднофотонна емисионна компютърна томография (ОФЕКТ) или позитронно-емисионна томография (ПЕТ) (при която се използват ядра, излъчващи позитрони (β+), за да се получат – чрез процес на анихилация – високоенергийни γ лъчи). Техниките ОФЕКТ и ПЕТ са стандартни при диагностиката на тумори, както и при функционални изследвания на нормалния здрав мозък.

Изображение от компютърна томография с рентгенови лъчи и йоден трасьор (болница „Еразъм“, Брюксел).

Сред радиоактивните елементи йодът (I) играе изключителна роля, тъй като се свързва с тъканта на щитовидната жлеза с голям афинитет и избирателност. В ниски дози той може да се използва за диагностични цели, а лъчението, излъчвано от радиоактивен йод, свързан изключително с тъканите на щитовидната жлеза, може да лекува рак на щитовидната жлеза.

¹³¹I (β и γ активност, с период на полуразпад 8 дни) се използва повече от 50 години за изследване на функцията на щитовидната жлеза. Tc-99m ( метастабилно възбудено състояние на ядрото технеций-99 с период на полуразпад 6 часа) също е много добър трасьор, използван за изследване на органи като мозък, черен дроб и бели дробове. Радият и стронцият се използват за изследване на костите и скелета.

Физиологично най-интересните химични елементи като C (въглерод), N (азот) и O (кислород) имат късоживеещи изотопи, излъчващи β⁺, които се използват в ПЕТ техниките. Обичайно използваните бета-излъчващи нуклиди са ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O и ¹⁸F (флуор).

Изображение вдясно: сцинтиграфия на функцията на щитовидната жлеза с технеций.

ОФЕКТ означава еднофотонна емисионна компютърна томография. При тази процедура органите се визуализират чрез измерване на разпределението на инжектиран радиотрасьор с помощта на гама „камера“, свързана с компютър. Образната диагностика с ОФЕКТ включва въртене на матрица от гама детектори около пациента, за да се получат измервания от много ъгли. С тази техника се търсят положението и концентрацията на разпределението на радионуклида. ОФЕКТ използва радиоизотопи като ^99mTc или ¹²³I, при които се излъчва един-единствен γ квант (от 140 keV).

Изображение вляво: мозъчна лезия е ясно локализирана чрез ОФЕКТ сканиране (вляво). Глиомът (вид мозъчен тумор) е слабо очертан при рентгеновата томография (вдясно), но се вижда като ясно тъмно петно на ОФЕКТ изображение, направено с Tc-99m.

Има много приложения на ОФЕКТ както в диагностиката, така и като помощно средство при терапия. Сканиранията с ОФЕКТ, използващи радиоизотоп, който не се поглъща от тъканите, а се движи в кръвообращението, могат да покажат как кръвта достига до определени тъкани и органи. Това е особено полезно при изследване на мозъка и сърцето.

При техниката позитронно-емисионна томография (ПЕТ) обичайно използваните изотопи са ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C и ¹⁸F. Те имат кратки периоди на полуразпад – съответно около 2, 10, 20,4 и 110 минути, така че радиоизотопите трябва да се произвеждат близо до мястото на употреба. По тази причина много болници разполагат с малък циклотрон наблизо или дори в самата болница, специално построен за производството на тези изотопи. След това изотопът се свързва с естествено химично вещество като глюкоза, вода или амоняк, което се въвежда в човешкото тяло чрез инжекция или евентуално чрез вдишване като газ. Радиоизотопът се придвижва към частта от тялото, която използва веществото, с което е свързан – затова се използват много различни вещества.

Схематично представяне на техниката ПЕТ. Пръстеновидна матрица от детектори регистрира двата гама лъча, произхождащи от анихилация e⁺ - e^- .

Елементарните частици имат съответни античастици. Античастицата на дадена частица е практически същата частица, но с противоположен електричен заряд. Когато частица и нейната античастица се сблъскат, те се анихилират с излъчване на чиста енергия.

Изотопите, които обикновено се използват при ПЕТ сканиране, са β⁺ излъчватели. Когато изотопът се разпадне в тялото на пациента, всеки излъчен позитрон (β⁺) изминава само късо разстояние в тъканта (обикновено по-малко от 1 mm, но това зависи от изотопа), преди да се анихилира с електрон (β^-). Освободената при анихилацията енергия се появява под формата на двойка гама (γ) фотони, излъчени под 180° един спрямо друг, всеки с енергия 511 keV. Регистрирането на двата γ лъча в съвпадение от два детектора позволява събитието на разпадане да бъде локализирано върху правата, свързваща двата детектора.

ПЕТ сканиранията обикновено се използват за диагностика на ракови заболявания, сърдечни състояния и някои мозъчни разстройства като епилепсия или болестта на Алцхаймер. ПЕТ се използва и за оценка на отговора към противораковата терапия. Освен това ПЕТ сканиранията се използват в научните изследвания, например при изследвания на въздействието на злоупотребата с наркотици или на стареенето.

Рисковете, свързани с ПЕТ сканиране, са много малки, но както при повечето видове сканирания, то не винаги е подходящо за бременни или кърмещи жени. Поради наличието на радиоактивно вещество в тялото болниците съветват пациентите да избягват близък контакт с бременни жени или малки деца поне няколко часа след ПЕТ сканиране.

Изображение от ПЕТ сканиране, показващо рак на костите на скелета (болница „Еразъм“, Брюксел).

В сравнение с други образни диагностични техники като рентгеновото сканиране или ЯМР, ПЕТ изследва функцията на тялото, а не неговата анатомия. Досега нито една образна диагностична техника не може да се сравнява с нея по отношение на динамичното взаимодействие. Тази техника за медицинско изобразяване дава възможност да се проследява в различни моменти количествена информация за фармакокинетиката и фармакодинамиката на белязана биомолекула, инжектирана (или вдишана) при живо животно или човек. ПЕТ е полезна при изследване на метаболизма (усвояване на захари, включване на аминокиселини в белтъци и др.), на ензимни реакции и на молекулни взаимодействия. ОФЕКТ, подобно на ПЕТ, събира информация за концентрацията на радионуклидите, въведени в тялото на пациента.

Образната диагностика с ОФЕКТ отстъпва на ПЕТ по отношение на постижимата разделителна способност и чувствителност. При ПЕТ най-добрата постижима понастоящем пространствена разделителна способност е около 6 mm, тоест 2 до 3 пъти по-добра, отколкото при ОФЕКТ. Поради бързото си разпадане практически всички ПЕТ изотопи трябва да се произвеждат на място (с изключение на ¹⁸F с период на полуразпад 110 min). За разлика от тях ОФЕКТ изотопите като ¹²³I имат достатъчно дълъг период на полуразпад (13,2 часа), за да позволят централизирано производство на отдалечени места с последваща доставка чрез експресна поща.

Друга техника, използвана за медицинска диагностика, е ядрено-магнитният резонанс (ЯМР). Първите клинични апарати за ЯМР (първоначално наричани NMR, от Nuclear Magnetic Resonance) са построени през 80-те години на XX век.

Основното предимство на ЯМР е, че не използва никакво радиоактивно вещество. ЯМР изображенията показват разпределението на водата (H₂O) в тялото и органите, в които тя се съдържа. ЯМР по същество представлява голяма тръба с мощни магнити вътре. Това е така, защото протоните в ядрата на водорода се държат като мънички магнитчета. Когато около пациента се приложи външно магнитно поле (което не е вредно), всички тези мънички магнитчета във водата се подреждат в една посока. Когато протонът се върне рязко в изходно положение, той излъчва радиовълни, които ЯМР скенерът може да регистрира и измери, за да създаде двумерно изображение на тялото. ЯМР се използва често за диагностика на мозъка или сърцето, но може да се приложи за сканиране на почти всяка част от тялото.

Технологията ЯМР продължава да се развива, за да обхване по-широк кръг от проблеми на клиничната диагностика. Например поляризиран Xe-129 или He-3 може да се използва за изобразяване на дихателните пътища в белите дробове с висока пространствена и времева разделителна способност. ЯМР на кръвоносните съдове и органите в главата и торса.

Нобеловата награда за медицина за 2003 г. е присъдена на Пол Лотербър и сър Питър Мансфийлд за тяхната работа и принос към ядрено-магнитния резонанс.

Повечето съвременни и университетски болници днес използват ЯМР и ПЕТ наред с други образни техники. В много институти по ядрена физика има групи, чиято дейност и изследвания са посветени на конкретни медицински приложения, както и на лечението на пациенти, например в GSI (Германия), PSI (Швейцария), GANIL (Франция), HMI (Германия) или LARN (Белгия).

Терапията с частици включва насочване на йонизирани частици към набелязания тумор. Йонизацията уврежда без разлика ДНК на клетките. Раковите клетки обаче са по-малко способни да се възстановяват и са по-силно засегнати от тези увреждания.

Използваните частици включват протони, неутрони или положително заредени йони. Всеки вид частица има различна енергия и следователно може да прониква в човешкото тяло на различна дълбочина. Затова за различни процедури се използват различни видове частици. Най-разпространеният вид терапия с частици е протонната терапия.

Основен проблем на лъчетерапията е необходимостта да се максимизира дозата, доставена в тумора, като същевременно се сведе до минимум увреждането на здравата тъкан около него. При електромагнитните лъчения (рентгенови или γ лъчи) голяма част от дозата засяга здравата тъкан по протежение на снопа пред и зад тумора.

Подобрение в лъчетерапията днес се постига чрез снопове от високоенергийни частици (p, тежки йони), защото при йонните снопове дозата нараства с дълбочината на проникване до максимум в края на пробега на частицата. Терапията с йонни снопове позволява в тумора да се отложи по-голяма и по-ефективна доза, отколкото при всеки друг вид външна терапия.

Изображението горе вдясно показва сравнение на две процедури. Терапията с фотони (a) отлага висока доза лъчение в здравата тъкан пред тумора. При сноп от частици (b) по-голямата част от дозата остава ограничена в тумора.

Изображението вляво показва сканиране на рак на мозъка преди и шест седмици след лъчетерапия с фотони и въглеродни йони.

Досега над 50 000 пациенти по света са лекувани с протонни снопове. Лечението на очни тумори с протонни снопове дава далеч най-добрите клинични резултати. Протонната терапия е идеална и когато туморът е близо до критичен орган, тъй като може да бъде насочена много точно. Колкото по-добро е съответствието между облъчения обем и целевия обем, толкова по-добри са резултатите. Това важи и за сноповете от тежки йони, при които може да се постигне по-добро съответствие, отколкото с протони. Терапията с тежки йони започва през 1974 г. в Lawrence Berkeley Laboratory. При първите лечения са използвани йони на Ar (аргон), а по-късно на Si (силиций) и Ne (неон). Облъчените тумори са били близо до критични органи в мозъка, главата или шията. Резултатите са отлични и стимулират изграждането на специализирани медицински ускорители за тежки йони.

Брахитерапията е вид лъчетерапия, при която радиоактивен материал се поставя вътре в тялото, близо до тумора. Предимствата на тази процедура са, че лъчението не трябва да преминава от външната страна на тялото през здрава тъкан, за да достигне тумора, и вместо това засяга само ограничена област. Това означава, че могат да се прилагат сравнително високи дози с минимален риск. Освен това пациентът е подвижен през цялото времетраене на лечението. Цялостното лечение обикновено приключва за по-кратко време, отколкото при други процедури, така че остава по-малко време за размножаване на раковите клетки между сеансите.

Брахитерапията е стандартна техника при някои гинекологични ракови заболявания, като рак на маточната шийка или на простатата, и при определени стадии на карцином на главата и шията. При заболявания на простатата са използвани различни подходи, определяни главно от избрания изотоп. ¹²⁵I (с период на полуразпад 60 дни) и ¹⁰³Pd (с период на полуразпад 17 дни) се използват за постоянни импланти. Тези изотопи могат да се получат чрез улавяне на неутрони в реактори. ¹⁰³Pd може да се произвежда по-ефективно в циклотрони (с протонни снопове от 14 MeV). В САЩ съществуват над 10 години клинични данни за употребата на ¹⁰³Pd в брахитерапията на простатата. Този клиничен успех, съчетан с липсата на странични ефекти, го превърна в много предпочитан избор за терапия.

Слънцето осигурява енергията, от която Земята се нуждае, за да поддържа живот. Енергията на Слънцето се произвежда в ядрото, където протичат ядрени реакции при температури около 15 милиона °C. Енергията, произведена във веригата p-p, се отнася от фотони и от неутрина , които излизат, без да бъдат погълнати. На тези фотони може да са им нужни 2 милиона години, за да преминат от ядрото на Слънцето до повърхността, но след това достигат Земята за около 8 минути.

Слънцето излъчва видима светлина, инфрачервено лъчение, което усещаме като топлина, и ултравиолетово лъчение, което за съжаление може да бъде опасно. Ултравиолетовото лъчение може да предизвика кожен меланом (рак на кожата). Кожният меланом е една от най-честите причини за рак и например през 2008 г. е причинил смъртта на около 46 000 души по света.

Микроскопски изглед на здрава кожа (вляво) и на кожа, увредена от лъчение (вдясно).

Броят на диагнозите злокачествен меланом се е учетворил през последните 30 години. Той се среща най-често при хора със семейна история на рак на кожата, при светлокоси и светлокожи хора и при хора над 40 години. Всеки обаче може да развие рак, независимо от произход, възраст или генетика. Повечето увреждания на кожата настъпват преди 20-годишна възраст, но често се проявяват едва към 40-годишна възраст, така че дори и да не виждате как изгаряте, вие все пак увреждате кожата си. Затова е толкова важно да използвате слънцезащитен крем и да стоите далеч от слънцето, когато то е най-силно (между 11 и 15 часа).