核技术与核医学-中国科学院高能物理研究所电子邮件系统

核技术与核医学陈英茂解放军总医院核医学科2006年10月21日中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院什么是核医学？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、医学的各科等中国人民解放军总医院基因突变☻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→形态改变中国人民解放军总医院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)中国人民解放军总医院核医学内容中国人民解放军总医院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、定量中国人民解放军总医院核医学诊断核医学的右手中国人民解放军总医院核医学诊断--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。中国人民解放军总医院核医学显像原理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中国人民解放军总医院核医学显像设备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中国人民解放军总医院γ相机中国人民解放军总医院γ相机构成中国人民解放军总医院探测原理射线入射到晶体上，使晶体原子激发。退激回到基态，发射荧光。一个光子产生多个荧光光子。光电倍增管接受这些荧光，并将之转换为电信号。经过定位电路确定出入射光子的位置放大、甄别后，记录一个计数。中国人民解放军总医院准直器、闪烁晶体、光电倍增管的作用中国人民解放军总医院脉冲幅度分析器pulseheightanalyzer(PHA)经放大的电脉冲幅度∝入射γ射线能量只选择一定能量范围，剔除散射、噪声——甄别例如，99mTc,能窗135—145keV单道脉冲分析器---单能窗多道脉冲分析器---多能窗中国人民解放军总医院信号记录核医学影像记录的是坐标和光子数和X照像有何不同？缺点？死时间中国人民解放军总医院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。中国人民解放军总医院图像重建---迭代算法中国人民解放军总医院图像重建---滤波反投影法理论依据—二维傅立叶分片定理：任意函数f(x,y)沿任意方向平行投影，得到与该方向垂直的一维投影函数。此投影函数的傅立叶变换，就等于f(x,y)的二维傅立叶空间平面上过原点的一条线，并且这条线与一维投影函数同方向中国人民解放军总医院SPECT中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院γ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，数十种放射性药物中国人民解放军总医院肾动态中国人民解放军总医院门控心血池中国人民解放军总医院骨扫描中国人民解放军总医院前哨淋巴结中国人民解放军总医院肿瘤阳性显像中国人民解放军总医院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↑中国人民解放军总医院PET设备中国人民解放军总医院电子对湮灭中国人民解放军总医院PET探测原理PET中国人民解放军总医院PET探测器晶体环PET中国人民解放军总医院符合探测原理PET中国人民解放军总医院探测器信号定位PET中国人民解放军总医院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:PETSPECT中国人民解放军总医院PET/CT的发明是医学影像学的又一次革命PET/CT中国人民解放军总医院PET/CT中的PET、CTPET——PET/CT的主体CT的作用：–为PET提供衰减校正–为PET提供解剖位置信息–提供诊断信息中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院兼容型PET/CT中国人民解放军总医院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高灵敏度、高特异性、高准确性CT图像兼做衰减校正PET、CT单独能实现的，PET/CT一定能实现；PET/CT能实现的，PET或CT不一定能实现中国人民解放军总医院PET显像特点功能显像敏感性、特异性较高缺乏精确的解剖定位PET-CT融合示意图CT图像何处有病灶？PET-CT融合示意图PET图像病灶在何处？PET-CT融合示意图PET-CT图像融合病灶原来在这里PET图像有放射性浓聚，头颈部CT、MR及鼻咽镜检未见异常。PET-CT定位于右上腭。隐匿性上腭癌中国人民解放军总医院PET、PET/CT的临床应用肿瘤学75％－90％心脏病学10％－20％神经系统10％－30％其他（器官移植、感染、创伤、发育…）生理及药理实验中国人民解放军总医院PET、PET/CT--在肿瘤学中的应用早期发现肿瘤鉴别肿瘤良恶性治疗前分期治疗中疗效观察改进放疗计划治疗后随诊、复发、转移评估病人生存期中国人民解放军总医院PET、PET/CT--在神经系统疾病诊断中的应用癫痫病灶的诊断与定位；痴呆：AD、MID、PDD、……认知定位中国人民解放军总医院PET、PET/CT—认知定位中国人民解放军总医院PET、PET/CT---在心血管系统疾病诊断中的应用冠心病：13N-NH3心肌存活测定：血流-代谢图像血流灌注显像（99mTc-MIBI,13NH3）代谢显像18F-FDG“不匹配”（有代谢，无血流）→心肌存活“匹配”（无代谢，无血流）→心肌不存活——心肌存活“金标准”→决定是否手术中国人民解放军总医院核医学治疗核医学的左手中国人民解放军总医院核医学治疗原理将放射性核素引入体内–使用特异性的载体(如RIT）•放射性核素标记载体•载体参与体内生物活动，带着核素定位到靶器官–直接利用核素与靶器官的亲和定位作用•131I、153Sm、89Sr–定位施放放射性核素（如125I种子源）•将放射性核素直接放到靶器官依靠放射性核素发射的射线杀死病变细胞中国人民解放军总医院核医学治疗的优点短射程的α、β射线放射性核素局限在靶器官，对正常组织损伤小中国人民解放军总医院核医学治疗的一些项目甲状腺疾病：131I骨转移瘤：89Sr、153Sm、32P肿瘤放射免疫治疗（RIT）：标记抗体–α核素、β核素、俄歇电子及内转换电子核素肿瘤间质核素治疗：32P肿瘤介入治疗皮肤病敷贴治疗粒子植入治疗：125I中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院核医学中最需要解决的---两个问题图像部分容积效应校正体内核素治疗的吸收剂量测量或估算中国人民解放军总医院部分容积效应partialvolumeeffect,PEV•根源：有限的分辨率，点源→球像•结果：病灶失真，定量误差，小病灶被噪声淹没中国人民解放军总医院部分容积效应的校正目前还没有适合临床使用的校正部分容积效应的方法期待在座的各位专家中国人民解放军总医院核素治疗中的难题现状：“拳头”治疗项目少原因：吸收剂量分布的不可知中国人民解放军总医院吸收剂量计算并不缺少算法•MIRD方法•蒙特卡罗法•剂量点核函数卷积法缺少的是前提条件：–体内核素空间分布及时间变化“Thedifficultyliesnotinnewideas,butinescapingtheoldones”(困难不在于创造新的观念,而在于摆脱旧习惯的影响)—J.M.Keynes