人类发展与核科学第4章

第4章放射诊断治疗与核医学第一节放射诊断学第二节X射线计算机断层(XCT)第三节放射治疗学第四节核医学概述1人类已进入21世纪，经济将高度发展，人民生活水平进一步提高，人民渴望有一个好的生活环境和健康的身体，所以需要提高医疗技术和水平，更新医疗设备，提高全民族的健康，使人民的平均寿命提高到新的水平。核科学与医学、生物学、放射学和剂量学等结合，产生了放射诊断学、放射治疗学和核医学等学科。概述2现代医学总是包括四个方面：预防医学、诊断医学、治疗医学和康复医学。核科学可用于预防、诊断和治疗，已成为医学领域中不可缺少的部份。例如：预防领域需开展普查，如乳腺癌普查、骨密度普查、X光定期检查等；诊断领域，现代化医院中的高当设备都和核科学有关，如XCT、ECT、MRI和PET等；治疗领域，现代癌症有70％需要放射性治疗，还有X刀、γ刀、质子刀等都是目前最先进的治疗设备。第二节X射线计算机断层(XCT)1972年英国EMI公司的Hounsfield研制成世界上第一台XCT机。CT（ComputedTomography）是计算机断层的缩写。克服了X光机平面图像在深度方向的重叠，可以得到人体脏器的断层（即一薄层）图像，许多断层像可以重建成三维的立体像。2.2XCT对X射线的测量(1)1、X射线的五个物理量：波长、频率、能量、强度和剂量。一个光子的能量/chhEX2.2XCT对X射线的测量(2)2、X射线与人体的相互作用弹性散射：光子与电子碰撞只改变进行方向而能量不变。康普顿散射：光子与自由电子或原子中束缚得不太紧的电子碰撞，将一部份能量传递给电子，使之脱出原子成为反冲电子，光子则因损失能量成为能量更小的光子，且改变运动方向。光电效应：光电作用导致X射线光子及其能量在作用处被吸收。2.2XCT对X射线的测量(3)3、X射线的衰减X射线穿过人体后，强度成指数衰减，如下式所示：其中μ是组织的线性衰减系数，W是组织的厚度。WeII02.3XCT建像原理和方法建像方程如下：)()(02121nnnlWeeII＝IIWn021ln1＋＋＋3．CT数在CT建立图像的理论中，人们感兴趣的是用数值描述人体的组织。线性衰减系数μ是区分不同组织的物理量，为了鉴别组织的线性衰减系数的微小差别，并使组织特性定量化，采用了CT数这一概念。CT数定义为：3．CT数我们知道，水的线性衰减系数（或称吸收系数）μ水为1；骨骼的衰减系数μ骨近似为2；空气的衰减系数μ空气为0.0013。因此计算可得水的CT数为0，骨的CT数为+1000，空气的CT数近似为-1000。这样我们可把一个重建的CT图像看成一个CT数的矩阵，每一个CT数代表一个像素。人体组织的CT数界限有2000个分度，上界为骨的CT数，为+1000H，下界为空气的CT数，为-1000H。3．CT数一些常用CT数：脂肪的CT数为-100软组织的CT数大约为+20～+40。第三节放射治疗学3.1概述放射治疗的原理放射治疗学是利用核射线（X、γ、β和中子流等）对疾病进行辐射治疗的学科。放射治疗的基本原理是当射线达到一定剂量时，射线照射对病变细胞有抑制和杀伤作用。射线通过直接效应和间接效应置癌细胞于死地。3.1概述肿瘤放射治疗的方法和疗效放射治疗的方法有三种：贴敷法、腔内照射法和体外照射法。据有关报道：如子宫癌手术前放射治疗的治愈率可从70％提高到90％；膀胱癌手术前放射治疗的治愈率可提高10％以上；肺癌手术后放射治疗5年生存率从0提高到20％。单独放射治疗恶性肿瘤5年治愈率可达50%3.4立体定向放射治疗一、概述1949年瑞典神经科学家Leksell首先提出了放射外科学理论，设想利用立体定向技术，使用大剂量的高能量射线束（X、、质子、中子等）一次性摧毁靶点的病变组织。此后近二十年有许多科学家进行了研究和实验，于1968年建造了世界上第一台刀，并于1972年－1974年成功地做了二十多例脑动静脉畸形和癌症手术。从此刀开始用于治疗各种神经外科和癌症疾病。3.4立体定向放射治疗(1)二、－刀－刀和X－刀并非通常意义上的有利刃、有把柄、能切割的金属刀。称其为“刀”是因为它能象手术刀那样切除肿瘤，冠以“X”或“”是因为原动力来自X射线和射线，所以也是一种放射治疗。3.4立体定向放射治疗(2)1．－刀的基本原理和概况－刀是将多个放射源静止性照射到一点上，使该点的剂量很大，从而到达治疗的目的。1968年第一台－刀在瑞典问世，用179个钴60源；1974年第二代－刀用201个钴60源，照射直径达4－30mm；八十年代发展了第三代－刀，用多个等剂量3.4立体定向放射治疗(3)中心，更换各种准直器头盔，应用范围扩大到颅内肿瘤和血管畸形。1984年后－刀受到世界各国关注和推广，在英国和阿根廷安装了第三台和第四台－刀。1987年在美国安装了北美第一台－刀，每个钴源达30居里，适用于治疗面积更大、位置更深的病变。1992年美国已有10台－刀，日本有8台。近年来，我国已引进5台。3.4立体定向放射治疗(4)2、－刀的组成－刀由六部分组成，它们是：放射系统；校准系统（头盔）；手术台；控制台；液压系统和计算机治疗计划系统。3.4立体定向放射治疗(5)3、－刀的特点①无手术治疗，病人无痛苦；②手术精确，误差小（±0.1mm）；③简便省时,每次治疗只需3-小时；④新一代－刀配合CT、MRI及计算机，使治疗过程自动化和程序化。3.4立体定向放射治疗(6)4、－刀的临床应用伽玛刀、X刀治疗适应症：1.所有的脑内良、恶性肿瘤：脑膜瘤、垂体瘤、脑转移瘤、松果体瘤、三叉神经瘤、听神经瘤、血管网织细胞瘤、脊索瘤、雪旺氏神经鞘瘤、NPH癌等2.癫痫；3.脑血管畸形、脑血管瘤；4.五官肿瘤：鼻咽癌、颅咽管瘤、鼻血管纤维瘤、内耳肿瘤、眼球后肿瘤；5.功能性脑神经疾病：三叉神经痛、顽固性头痛、帕金森氏病。3.4立体定向放射治疗(7)三、X－刀1、概述以产生硬X射线的医用直线加速器为放射源的立体定位定向装置，称为X－刀。其原理是通过Linac机架旋转控制射线的输出剂量，照射野的再次准直和治疗床的角度变化来使高辐射剂量照射源集中在靶点，而靶区周围X射线剂量很小，取得与－刀相同的治疗效果。3.4立体定向放射治疗(8)2、X－刀的特点和评价⑴无痛手术，病人痛苦极小⑵设备简单，只需对标准直线加速器稍加修改，就非常接近－刀⑶操作简单，技术容易掌握⑷造价比－刀低，容易推广⑸对环境污染小⑹可对多种癌（肝、肾、肺及骨癌等）进行立体放射治疗。3.4立体定向放射治疗(10)评价：预测X－刀将成为未来立体放射治疗的主要设备，比－刀更易推广。在美国X－刀治疗中心有80多个，而－刀治疗中心只有8个。3、X－刀的临床应用我国从1991年研制第一台X刀，两年中就完成了160多病例。第四节核医学核科学用于经济技术的发展，为生产力的发展、社会的进步和人类和平的伟大事业作贡献。同时，科学技术，包括核物理、核探测、核辐射、核材料、核化学和核医药等都已广泛应核科学技术也不断地为人类健康，提高人民的生活水平服务。除了放射诊断和放射治疗，在本世纪30年代开创的临床核医学就是一门核科学技术与医学相结合的新兴学科。几十年来核医学已得到相当大的发展，在医院中放射科和核医学科都已成为现代化医院中的重要部门。什么是核医学？核医学的定义：核医学是核技术与医学相结合的学科核医学的任务是用放射性核素及核技术来诊断、治疗及研究疾病。核医学涉及的学科：核物理、核电子、核探测、计算机控制及图像处理、数学、放射化学、医学的各科等基因突变☻表达失控☻代谢异常☻功能失调结构改变症状体征DiseaseisnotaTHING,butaPROCESS现代医学认为：疾病的发生起源于基因改变→表达物改变→代谢改变→形态改变现代医学影像技术名称成像参数性质X线CT衰减系数、CT值解剖结构B超超声波反射解剖结构MRI质子密度、T1、T2、解剖、功能化学位移SPECT放射性浓度代谢功能PET放射性浓度代谢功能PET/CT放射性浓度代谢功能衰减系数、CT值和解剖SPECT、PET——ECT(emissioncomputedtomography)核医学内容核医学发展的两大支柱放射性药物---诊断、治疗关键点是特异性其次是稳定性如：11C-胸腺嘧啶-DNA合成金标准，不稳定；18F-FLT氟标胸腺嘧啶。稳定，但由于3‘端的置换，其磷酸化后不能进一步参与DNA合成，又不能通过细胞膜返回，被局限在细胞内。核探测技术---影像定位、定量核医学诊断核医学的右手核医学诊断--示踪原理示踪剂：参与体内某一生理代谢过程的物质+发射可探测射线的核素=形成示踪剂。例如：脱氧葡萄糖DG+发射正电子的18F=18F-FDG代谢过程：静脉注入后，通过毛细血管壁进入组织。对不同的示踪剂，有些直接参与体内代谢，有些则被限制在某些特定的组织区域。由于示踪剂在体内的分布与代谢过程是动态的，所以体内各组织部位的示踪剂浓度是不断地变化的。探测：在示踪剂注入体内后的整个过程中，都可使用扫描仪在体外探测示踪剂发出的辐射信号，从而确定示踪剂在体内的位置，由此得到示踪剂在体内的代谢过程与分布图像。核医学显像原理利用放射性药物用放射性核素标记的示踪剂引入体内参加特定生物活动被特定的组织摄取→定位，定性,定量反映体内代谢情况探测显像显像设备,显像条件,操作程序活体,分子水平活体内示踪剂分子行为核医学显像设备核医学显像设备探测射线相机(scintillationgammacamera)1958年H.Anger发明，Anger相机SPECT(singlephotoemissioncomputedtomography)20世纪80年代，单光子发射断层扫描仪PET(positronemissiontomography)20世纪90年代，正电子发射断层扫描仪PET/CT21世纪，功能图像和解剖图像有机融合SPECT–singlephotoemissioncomputedtomographyγ相机---发射，平面图像（透射X平片）SPECT---发射，断层图像（透射CT）γ相机探头绕人体旋转获得各个方向的投影（平面）像图像重建---滤波反投影、迭代获得断层图像图像重建算法---使图像更接近真实一直是核医学中的一个重点研究方向。γ相机SPECTγ相机、SPECT诊断项目灌注显像动态血池显像静态肿瘤阳性显像全身骨扫描……数十种项目，数十种放射性药物骨扫描肿瘤阳性显像PET---positronemissiontomography正电子核素18F、15O、13N、11C，人体基本元素，更能反映体内代谢发射出正电子，与一个负电子发生湮灭辐射e++e-→2γ（511keV，E=mc2)探测正电子湮灭辐射发出的双光子不加准直器符合探测，探测环灵敏度、分辨率↑PET设备电子对湮没PET探测原理PET1964年环状头部PET2001年GEDISCOVERY-LSPET脑部CT头部MRIPET????SPECT与PET的区别放射性核素SPECT99mTc、131I.PET15O、11C、13N、18F人体基本元素探测信号SPECT:单光子PET:双光子空间定位SPECT:准直器PET:符合探测电路空间分辨率SPECT:8~12mmPET:3~5mm灵敏度:PETSPECT扫描时间:PETSPECTPET/CT的发明是医学影像学的又一次革命PET/CTCT与PET比较CTPET透射断层TCT发射断层ECTX射线γ射线空间分辨1mm空间分辨5mm图像重建图像重建解剖功能PET/CT的特点CT与PET硬件、软件同机融合解剖图像与功能图像同机融合同一幅图象既有精细的解剖结构又有丰富生理、生化分子功能信息可用于肿瘤诊断、治疗及预后随诊全过程高灵敏