包邮医学影像核医学与分子影像

**章　核医学概述与物理基础 **节　核医学概述 学习要求 记忆：核医学发展简史。 理解：原子核组成和表示方法、核素及其分类、核的衰变及其方式、衰变常数、半衰期。 运用：放射性活度、射线与物质的相互作用。 核医学（nuclear medicine）是一门利用开放型放射性核素进行诊断和治疗疾病的科学。核医学从应用领域上分为临床核医学和实验核医学，其中临床核医学又分为诊断核医学和治疗核医学。诊断核医学方法按放射性核素是否引入受检者体内分为两类。不引入体内者称体外检查法或体外核医学（in vitro nuclear medicine），具有代表性的是放射免疫分析（radioimmunoassay）。引入体内者则称为体内检查法或体内核医学（in vivo nuclear medicine），根据是否成像又分为显像和非显像。利用放射性核素实现脏器和病变显像的方法称为放射性核素显像（radionuclide imaging），这种显像属于一种独特的功能显像。 一、核医学发展简史 核医学是一门新兴的学科，它是伴随着放射性核素的发现及核技术的日趋完善，并与医学有机结合后逐渐发展起来的。1895年德国物理学家伦琴（Roentgen）发现X线，1896年法国物理学家贝可勒尔（Becquerel）在铀盐中发现类似X线的天然放射性，这是人类首次认识到放射现象。1898年由波兰化学家居里夫妇（Marie Curie和Pierre Curie）在法国巴黎发现并成功提取了放射性元素Po和Ra。匈牙利化学家赫维西（de Hevesy）1923年首先应用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移，1935年，用32P对老鼠体内磷代谢状态进行研究，提出骨骼的形成是动态而非静态的观点，并揭示了示踪磷从土壤→植物→动物→土壤的生态循环，建立了同位素示踪方法，1943年获得诺贝尔奖，并被称为“基础核医学之父”。1926年美国波士顿桑代克纪念实验室的内科医师布卢姆加特（Blumgart）首先应用214Bi研究循环时间，**次应用了示踪技术，他将214Bi从一侧手臂静脉注射后，在暗室中通过云母窗观察其在另一手臂出现的时间，以了解动-静脉血管床之间的循环时间，他还进行了多项临床研究，如肺循环时间测定、肺血流量测定等，被誉为“临床核医学之父”。1934年，小居里夫妇（Irene Curie和Joliot Curie）用α粒子轰击Al产生放射性30P，**次用人工核反应的方法制成放射性核素。1937年，应用回旋加速器人工制得放射性元素Tc。1938年，放射性核素131I被发现，并于1941年开始被应用于甲状腺功能亢进症的治疗，1946年被应用于甲状腺癌的治疗。1956年，中国共产党中央军事委员会及卫生部在西安第四军医大学举办了生物医学同位素应用训练班，这是我国**个同位素应用学习班。1957年，又举办了第二期，标志着我国实验核医学的诞生。1958年，在北京举办了1期同位素临床应用训练班，其成为我国核医学进入临床应用的起点，后又在天津、上海、广州举办了2～4期。 核医学成像始于20世纪40年代，科学家采用单晶体单个光电倍增管（photomultiplier tubes，PMT）的探头围绕在人脑的不同位置产生空间分辨力非常低的脑图像，1951年美国加利福尼亚大学的卡森（Cassen）用晶体加准直器成功研制出**台闪烁扫描仪，获得了人体**张甲状腺扫描图。但是由于探头是机械装置驱动进行逐行扫描，图像分辨力很差，扫描速度慢，无法实现快速动态成像。随后安格尔（Anger）采用阵列光电倍增管及用铅作的准直器于1957年研制成功了**台γ照相机，它采用单个4寸（1m=30寸）NaI（Tl）晶体加针孔准直器实现了快速一次成像和快速动态成像。1964年世界上有了商品化γ照相机供应，有多种类型准直器的配置，其开创了核医学显像的新纪元。1963年库尔（Kuhl）和爱德华兹（Edwards）首次采用γ照相机作出了放射性核素断层图像。1977年有人建议使用康普顿效应方法探测体内γ射线分布。在20世纪80年代初制造出了以γ照相机为基础的旋转型单光子γ照相机断层仪。旋转型单光子γ照相机断层仪与γ照相机相比明显提高了放射性核素图像的对比度，并将放射性核素的临床诊断提高到了新的水平。1983年辛格（Manbir Singh）和大卫 多利亚（David Doria）建议开始研究单光子发射型计算机断层仪（single photon emission computed tomography，SPECT）康普顿 γ照相机，随后各SPECT生产厂商均对SPECT设备空间分辨力及计算机图像处理的速度做了很大的改进。进入20世纪90年代后，各生产厂商均开始研究用SPECT探测发射正电子放射性核素。SPECT显像设备所获得的核医学影像也有它的不足，即图像的解剖结构不如CT、MRI清晰。1999年6月GE公司首先在SPECT设备上获得了CT的图像，这样既可以采用CT图像进行SPECT图像的解剖定位，又可以采用人体X线衰减图的衰减系数对γ射线在人体内的衰减进行校正；这种新的技术从根本上改变了SPECT图像的不足，将核医学影像技术在临床上的应用提高到了一个新的阶段，使该技术成为核医学发展史上的里程碑。 二、γ照相机 γ照相机亦称为闪烁照相机，自1957年研制成功以来，它成为此后30多年*基本和*主要的核医学成像仪器。这是因为它采用大型晶体实现了快速一次成像，不仅可作为静态显像，更重要的是能够进行快速连续动态显像，成为脏器动态功能研究必不可少的工具。 γ照相机作为一种无创伤性的诊断手段，其主要优点是：①运用连续显像追踪和记录放射性药物通过某脏器进行动态研究；②由于检查时间相对较短，方便简单，特别适合儿童和危重患者检查；③显像迅速，便于多体位、多部位观察；④通过对图像相应的处理，可获得有助于诊断的数据或参数。但是平面图像也存在着固有的缺点：对微小的深部病变或放射性浓度改变较小的病变难以辨别；不能对病变进行三维定位；不能对放射性分布进行精确的定量计算等。 2001年小型半导体探头型γ照相机投入临床应用。采用碲锌镉的新型γ探头用于小视野成像，直接在手术室中引导外科手术。这些小型化探头视野在30～40mm，能量分辨力达到6.5%，固有分辨力达到2.5mm，灵敏度达到同样视野γ照相机的20～30倍，加上钨材质准直器后的探头重量约1kg。 随着计算机技术的快速发展，SPECT设备迅速进入临床，它的大视野平板探头不仅能够完成传统γ照相机的全部工作，而且能够实现断层成像探测深部微小病灶，因此迅速取代了γ照相机，成为临床*重要的显像设备。目前，临床上仅保留部分专用γ照相机，如甲状腺专用γ照相机等，具有体积小、重量轻、便携、造价低廉的特点。SPECT探头的基本结构和工作原理与γ照相机探头基本一致，只是可探测视野更大、性能更强。因此，在以后的章节中不再对γ照相机作进一步介绍，它的精髓已经完全体现在SPECT探头之中。 三、单光子发射型计算机断层仪 随着计算机技术的快速发展，图像重建技术日臻成熟和完善，使得SPECT断层成像设备自20世纪80年代中期开始广泛应用于临床。为了进一步提高灵敏度，出现过2个、3个、4个甚至环形探头的SPECT，大大提高了断层采集的时间及图像质量。但是为了兼顾平面大视野快速一次成像和性价比，经过大浪淘沙，双探头SPECT以性价比*高、*实用逐渐成为*受欢迎的机型。双探头SPECT是γ照相机型的SPECT，其探头为高性能、大视野的γ照相机探头，加上探头旋转机架可以实现不同角度平面图像的采集，配合计算机图像采集和重建，完成核医学成像。所以一台γ照相机型的SPECT既能完成平面、动态、全身成像，又能进行断层成像，是一专多能型医学成像设备。在双探头SPECT的基础上配合加厚的晶体（5/8英寸以上，1英寸=2.54cm）、增加时间符合线路后还可以进行符合线路正电子显像，增加CT扫描装置后更可以有效地进行衰减校正（attenuation correction）和对病灶的准确解剖定位，大大提高了核医学影像的可读性。 SPECT是核医学的断层成像设备，它克服了平面显像对器官和组织重叠的干扰，提高了深部病变的检出能力和定位的准确性。在心肌血流灌注、脑血流灌注、骨盆显像、全身显像等方面比γ照相机具有明显的优势，具有更好的系统均匀性、线性和稳定性。SPECT是发射式成像设备，射线源是引入人体内部的放射性核素发出的γ射线，根据脏器组织内吸收的放射性药物的浓度构成影像，显示的是正常组织或病变组织的功能代谢信息，可以更早地发现和诊断疾病。 四、正电子发射型计算机断层仪 正电子发射型计算机断层仪（positron emission tomography，PET）显像是将正电子药物引入体内，根据示踪原理和正电子符合探测技术，在组织细胞、亚细胞及分子水平显示人体组织器官的功能和细胞代谢信息。它可以在出现临床症状、体征、组织解剖学形态改变之前发现异常，有利于疾病的早期诊断，因此又被临床称为“活体生物化学显像”。它们使无创性评价活体组织生理状态下细胞代谢活动成为现实。但这种微观分子影像缺乏组织结构的对比度，造成病灶定位准确性下降。将相同体位、相同层面上PET分子影像和解剖结构图像进行融合的PET/CT或 PET/MRI通过CT、MRI精确定位病灶的位置，这种有机结合达到了1+1＞2的倍增临床效果。PET/CT已经在肿瘤、冠心病和脑部疾病诊断、分期及疗效监测上广泛应用于临床，PET/MRI良好的软组织分辨力和MRI无辐射的特点也逐渐被临床接受。 第二节　核物理基础 一、原子结构 1.原子的组成　自然界中分子是物质中*小的单元。分子是由原子通过一定的作用力并且由固定次序和排列方式结合而成。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子核（nucleus）是由质子（proton）和中子（neutron）组成，质子和中子统称为核子（nucleon）。原子直径的数量级大约是10?10m，它的质量极小，主要集中在质子和中子上。原子核外电子按照K、L、M、N、O、P、Q分层。电子先排布在能量*低的电子层内（K→Q，即能量低→高）；**层电子数不超过2个；每层电子数不超过2n2个；*外层电子数不超过8个（如果**层是*外层，那么*外层电子数不超过2个）；次外层电子数不超过18个，倒数第三层电子数不超过32个。 2.原子的表示方法　是把元素符号X写在中间，质量数A置于元素符号的左上角，原子序数Z置于元素符号左下角，中子数N置于元素符号右下角。通常我们都把原子序数及中子数省略掉，只写元素符号及质量数：AX。 3.原子核能级状态　①基态（ground state）：原子能量处于*低的稳定能级状态；②激发态（excited state）：原子核在受到某些作用（核反应、核裂变及放射性衰变等）后仍处于高能状态，表示为AmX，如99mTc。激发态的原子一般不稳定，它很快通过释放过剩的能量再回到基态。 二、基本概念 核素（nuclide）：质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种核素。 同质异能素（isomer）：质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态的原子，如99mTc、99Tc。 同位素（isotope）：凡质子数相同而中子数不同的核素在元素周期表上处于相同位置，互称为该元素的同位素，如碘元素，有131I、125I等。 三、核衰变及其规律 （一）核力和放射性核素　 原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与核内质子数和中子数的比例有关。质子数＜20，中子数和质子数大致相等时，原子核稳定。随着原子序数增加，中子数和质子数比