Door een storm van ionen in dienst van de geneeskunde

Een speldenknop vinden

"Het ontdekken van de moedertumor is normaal gesproken vrij goed te doen door middel van vele technieken. Maar alle metastasen ontdekken, die vaak even groot als een speldenknopje zijn, is erg moeilijk", legt Martin Pärnaste, hoofdingenieur in de afdeling Cyclotron Systems van GE Healthcare in de Zweedse stad Uppsala, uit. PET (positron emissie tomografie) helpt dergelijke metastasen op te sporen. Dit kan van doorslaggevend belang zijn voor de vervolgtherapie.
Net als röntgen- en computertomografie (CT) genereert PET zijn beelden met behulp van een kleine dosis radioactieve straling. De straling wordt echter niet uitgezonden door een apparaat dat het van buitenaf op het lichaam richt. In plaats daarvan is het afkomstig van radioactieve deeltjes die eerder aan de patiënt zijn toegediend. Ze worden meestal gemengd met glucose in een zogenaamd radiodiagnostisch middel of "tracer" en in de bloedbaan geïnjecteerd.

Korte halveringstijd

Voor de PET tracer worden relatief onschadelijke, weinig stralende stoffen gebruikt. Ze vergaan snel en laten geen kritische residuen achter. In ongeveer 90% van de gevallen wordt isotoop 18F van het halogeen fluor gebruikt. Dit heeft een korte halveringstijd van ongeveer 110 minuten, wat betekent dat het na één dag bijna al zijn radioactiviteit heeft verloren. Ook andere isotopen met een vergelijkbare korte halveringstijd worden gebruikt.
Omdat de PET tracers zo snel vergaan, kunnen ze niet op voorraad worden gehouden. Ze moeten vers worden geproduceerd in een deeltjesversneller – de cyclotron – kort voordat ze worden gebruikt. Deze mag niet te ver verwijderd zijn van de plaats waar ze gebruikt worden. Elke minuut telt, zelfs tijdens het transport.

Deeltjesrace op een spiraalvormige baan

De eerste cyclotrons werden gebouwd in de jaren 1930 door pioniers in de deeltjesfysica. Hun functionele principe is sindsdien vele malen gewijzigd en verder ontwikkeld - zo ook 's werelds grootste deeltjesversneller, CERN, gevestigd in Genève. De technologie heeft zich echter ook in de medische technologie bewezen. Om isotopen voor PET te produceren worden negatief geladen waterstofionen versneld in een vacuümkamer in de cyclotron. De ionen worden versneld door elektrische velden en op een spiraalvormig pad gehouden door een sterk magnetisch veld.
Aan het einde van dit pad vliegen ze door dun grafietfolie, waardoor ze hun elektronen verliezen en positief geladen protonen worden. Als gevolg van deze omkering van de lading verandert hun baan van de vorige spiraalvormige beweging in een rechte lijn. De oriëntatie van het folie bepaalt de richting van de protonenbundel. Deze is gericht op een reactiekamer, het zogenaamde doelwit, waarin zich het bronmateriaal voor de isotoop bevindt. Daar activeert de protonenbundel een kernreactie en produceert de benodigde isotopen uit de doelinhoud.
Een aantal jaren geleden kregen Pärnaste en zijn team de opdracht om de reactie verder te verbeteren en een zo klein en economisch mogelijke machine te ontwikkelen. Ze wilden klinische toegang tot PET-isotopen vergemakkelijken en deze beeldvormingstechniek op grotere schaal beschikbaar maken. Het resultaat van de ontwikkeling kreeg de naam GENtrace en werd in 2017 met groot succes gelanceerd.

Magneetvrije aandrijftechniek

Om een zo groot mogelijke hoeveelheid isotopen of isotopen uit verschillende elementen in één keer te produceren, heeft de nieuwe cyclotron drie doelen. De oriëntatie van de bundel moet variabel zijn, zodat hij alle drie de doelen kan raken. Om dit te bereiken wordt de drager met het grafietfolie motorisch verplaatst.

Binnenin een cyclotron zijn er echter omstandigheden waar standaard elektromotoren nauwelijks tegenop kunnen: magnetische velden, vacuüm, elektrische velden en straling interfereren met hun functie of maken ze onbruikbaar. De motor voor het richten van de bundel bevindt zich daarom normaal gesproken buiten de cyclotron. De beweging wordt dan overgebracht op de foliedrager door middel van een complexe mechanische constructie. Dit heeft aanzienlijke nadelen, waaronder de mechanische speling en de uitgebreide afdichting die nodig is op plaatsen waar bewegende delen door de wand van de vacuümkamer gaan.

Deze nadelen verdwijnen bij gebruik van een piëzomotor. Het functionele principe maakt het immuun voor de onvriendelijke omstandigheden in de cyclotron. Omdat het, in tegenstelling tot een klassieke elektrische motor, noch magnetische componenten, noch roterende onderdelen nodig heeft om elektrische stroom om te zetten in beweging. Het werkingsprincipe is afgeleid van het principe dat een piëzo-keramisch element van vorm verandert wanneer het onder spanning wordt gezet.
Daarom kan de piëzomotor direct op het afbuigpunt worden geplaatst, omdat noch de velden, noch de straling of het vacuüm zijn functie beïnvloeden. Er moet alleen plaats gemaakt worden zodat de kabels voor de voedingsspanning en de besturing de vacuümkamer in kunnen. Omdat de kabels niet bewegen, is afdichten in dit geval eenvoudig

Technologie van de buurman

De experts van GE Healthcare werden zich bewust van de technologie van PiezoMotor door een artikel in een technisch tijdschrift. Een bijkomend voordeel was dat beide bedrijven in Uppsala gevestigd bleken te zijn. "Na het testen van verschillende micromotoren en bewegingsoplossingen hadden we eindelijk een doorbraak. In het uiteindelijke ontwerp gebruiken we twee aandrijvingen van PiezoMotor – een 20N lineaire motor om de protonbundel te bewegen en een niet-magnetische roterende motor met een koppel van 50 mNm om de ionenextractie aan te passen", besluit Pärnaste.

Deze tweede aandrijving binnen de cyclotron is verantwoordelijk voor de positionering van de ionenbron. Om zoveel mogelijk ionen te extraheren met behulp van een elektrode, moet de relatieve positie van de bron en de elektrode herhaaldelijk worden aangepast. Dankzij de piëzomotor is dit nu mogelijk tijdens de werking, wat ook de onderhoudstijd voor het kalibreren van het systeem aanzienlijk verkort.

"PiezoMotor biedt een breed productaanbod en modulair ontwerp. We hebben vele opties gevonden voor zowel lineaire als roterende motoren met verschillende kenmerken waaruit we de juiste modellen kunnen kiezen", legt Pärnaste uit. "Bovendien beschikt PiezoMotor over een zeer bekwaam team van ingenieurs en zij hebben veel bijgedragen tijdens ons productontwikkelingsproces."