核技术与核技术与 核医学 核医学陈英茂陈英茂

解放军总医院核医学科解放军总医院核医学科20062006 年年 1010 月月 2121 日日

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什么是核医学？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

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基因突变☻表达失控☻代谢异常☻功能失调

结构改变

症状体征 Disease is not a Disease is not a THINGTHING, but a , but a PROCESSPROCESS

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

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现代医学影像技术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(emission computed

tomography)

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院核医学内容核医学内容

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核医学发展的两大支柱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中国人民解放军总医院核医学诊断核医学诊断核医学的右手

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院核医学诊断核医学诊断---- 示踪原理示踪原理

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。

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核医学显像原理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

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核医学显像设备核医学显像设备核医学显像设备探测射线

相机 (scintillation gamma camera) 1958 年 H. Anger 发明， Anger 相机– SPECT (single photo emission computed tomography) 20 世纪 80年代，单光子发射断层扫描仪– PET ( positron emission tomography) 20 世纪 90年代，正电子发射断层扫描仪– PET/CT 21世纪，功能图像和解剖图像有机融合

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γγ相机相机

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院γγ相机构成相机构成

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院探测原理探测原理 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中国人民解放军总医院准直器、闪烁晶体、光准直器、闪烁晶体、光电倍增管的作用电倍增管的作用

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院脉冲幅度分析器脉冲幅度分析器pulse height analyzer(PHA)pulse height analyzer(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

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信号记录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

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SPECT-- SPECT-- single photo emission computed tomographysingle photo emission computed tomography

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中国人民解放军总医院图像重建图像重建 ------迭代算法迭代算法

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院图像重建图像重建 ------ 滤波反投影法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中国人民解放军总医院SPECTSPECT

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γγ 相机、相机、 SPECTSPECT 诊断项目诊断项目灌注显像

– 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

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肾肾动动态态

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门门控控心心血血池池

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骨骨扫扫描描

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前哨淋前哨淋巴结巴结

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肿肿瘤瘤阳阳性性显显像像

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PETPET------positron emission tomographypositron emission tomography

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中国人民解放军总医院PETPET 设备设备

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电电子子对对湮湮灭灭

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PETPET探探测测原原理理

PETPET

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PETPET 探测器晶体环探测器晶体环

PETPET

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符符合合探探测测原原理理

PETPET

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探测器信号定位探测器信号定位PETPET

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SPECTSPECT 与与 PETPET 的区别的区别 放射性核素放射性核素

– SPECT SPECT 99m99mTcTc 、、 131131I . PET I . PET 1515OO 、、 1111CC 、、 1313NN 、、 1818F F 人体基本元素人体基本元素

探测信号探测信号– SPECT: SPECT: 单光子 单光子 PET: PET: 双光子双光子

空间定位空间定位– SPECT: SPECT: 准直器 准直器 PET: PET: 符合探测电路符合探测电路

空间分辨率空间分辨率– SPECT: 8~12 mm PET: 3~5 mmSPECT: 8~12 mm PET: 3~5 mm

灵敏度灵敏度 : PET >SPECT: PET >SPECT 扫描时间扫描时间 : PET<SPECT: PET<SPECT

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PET/CTPET/CT 的发明是医学影像的发明是医学影像学的又一次革命学的又一次革命

PET/CTPET/CT

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PET/CTPET/CT 中的中的 PETPET 、、 CTCT

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

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中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院兼容型 兼容型 PET/CTPET/CT

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PET/CTPET/CT 的特点的特点 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

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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-CTPET-CT 融合示意图融合示意图CT图像

何处有病灶？

PET-CTPET-CT 融合示意图融合示意图PET图像

病灶在何处？

PET-CTPET-CT 融合示意图融合示意图PET-CT 图像融合

病灶原来在这里

PET

PET

图像有放射性浓聚，头颈部

图像有放射性浓聚，头颈部CCTT

、、MR

MR

及鼻咽镜检未见异常。

及鼻咽镜检未见异常。PPE

T-C

TE

T-C

T定位于右上腭。

定位于右上腭。隐匿性上腭癌

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院PETPET 、、 PET/CT PET/CT 的临床应的临床应用用肿瘤学 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中国人民解放军总医院PETPET 、、 PET/CT PET/CT ---- 在肿瘤学中的应用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中国人民解放军总医院PETPET 、、 PET/CT PET/CT ---- 在在神经系统疾病诊断中的应神经系统疾病诊断中的应用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中国人民解放军总医院PETPET 、、 PET/CTPET/CT

—— 认知定位认知定位

中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院PETPET 、、 PET/CT PET/CT ------ 在心血管系统在心血管系统疾病诊断中疾病诊断中的应用的应用冠心病： 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

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核医学的左手

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核医学治疗原理核医学治疗原理 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

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核医学治疗的优点核医学治疗的优点

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

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核医学治疗的一些项目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

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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核医学中最需要解决的------ 两个问题两个问题

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中国人民解放军总医院部分容积效应部分容积效应partial volume effect, PEVpartial volume effect, 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中国人民解放军总医院部分容积效应的校正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中国人民解放军总医院核素治疗中的难题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中国人民解放军总医院吸收剂量计算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

“The difficulty lies not in new ideas, but

in escaping the old ones”

( 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