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核技术在医学领域的应用
发布日期:2022-04-21      信息来源:核安保中心     【字体 分享:
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核技术在医学领域的应用
发布时间:2022-04-21 来源: 核安保中心  字号:

  核医学是放射性同位素在医学领域的应用,利用放射性同位素产生的电离辐射来进行诊断和治疗。它集合了核技术、电子技术、计算机技术、化学、物理和生物学等现代科学技术,是放射诊疗的重要组成部分。核医学诊疗方法还是重要的医学研究手段,通常新药在试用于临床之前,都要用放射性同位素加以标记,以研究药物代谢的规律。

  传统医学影像

  传统医学影像技术主要包括电子内窥镜、传统X线,超声等系统,能够有效对人体内部脏器、形态、功能进行探测。

  内窥镜:

  内窥镜是集中了传统光学、人体工程学、精密机械、现代电子、数学、软件等于一体的检测仪器。一个具有图像传感器、光学镜头、光源照明、机械装置等,它可以经口腔进入胃内或经其他天然孔道进入体内。利用内窥镜可以看到X射线不能显示的病变,因此它对医生非常有用。例如,借助内窥镜医生可以观察胃内的溃疡或肿瘤,据此制定出最佳的治疗方案。

LED电子医疗内窥镜

  传统X线:

  X线透射成像是基于人体内不同结构的脏器对X线吸收的差别。一束能量均匀的X线投射到人体的不同部位,由于各部位对X线吸收的不同,透过人体各部位的X线强度亦不同,最后投影到一个检测平面上,即形成一幅人体的X线透射图像。

X射线成像过程

  超声:

  超声医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科,包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程。超声成像是利用超声声束扫描人体,通过对反射信号的接收、处理,以获得体内器官的图象。常用的超声仪器有多种:A型(幅度调制型)是以波幅的高低表示反射信号的强弱,显示的是一种“回声图”。M型(光点扫描型)是以垂直方向代表从浅至深的空间位置,水平方向代表时间,显示为光点在不同时间的运动曲线图。以上两型均为一维显示,应用范围有限。B型(辉度调制型)即超声切面成象仪,简称“B超”。是以亮度不同的光点表示接收信号的强弱,在探头沿水平位置移动时,显示屏上的光点也沿水平方向同步移动,将光点轨迹连成超声声束所扫描的切面图,为二维成象。至于D型是根据超声多普勒原理制成.C型则用近似电视的扫描方式,显示出垂直于声束的横切面声象图。近年来,超声成象技术不断发展,如灰阶显示和彩色显示、实时成象、超声全息摄影、穿透式超声成像、超声计并机断层圾影、三维成象、体腔内超声成像等。

  超声成像方法常用来判断脏器的位置、大小、形态,确定病灶的范围和物理性质,提供一些腺体组织的解剖图,鉴别胎儿的正常与异常,在眼科、妇产科及心血管系统、消化系统、泌尿系统的应用十分广泛。

超声图像

  放射性药物

  放射性药物指含有放射性核素供医学诊断和治疗用的一类特殊药物。用于机体内进行医学诊断或治疗的含放射性核素标记的化合物或生物制剂。除了和一般药物一样必须符合药典,如无菌、无热源、化学毒性小等要求,放射性药物还应根据诊治需要而对其发射的核射线种类、能量和放射性半衰期有一定要求。

  诊断放射性药物:

99TRADOT-1

  诊断药物主要有99mTc标记的各种化合物,占核医学诊断用药的80%以上,其次是201Tl,67Ga,123I,75Se,51Cr,113mIn等核素标记的化合物,通过体外监测γ射线装置记录它们在体内的位置和变化。治疗药物是对病者提供体内器官的放射性照射,有131I,32P,198Au,186Re等核素标记的化合物。当今医用放射性核素主要由反应堆和加速器生产,部分可通过放射性核素发生器和核燃料后处理获得。

99mTc-MIBI心肌血流灌注显像

  核射线中以γ光子(能量以100~300keV为宜)穿透力强,引入体内后容易被核医学探测仪器在体外探测到,从而适用于显像;同时γ光子在组织内电离密度较低,从而机体所受电离辐射损伤较小,因此,诊断用放射性药物多采用发射γ光子的核素及其标记物。

  99Tcm标记放射性药物99Tcm核性能优良,为纯γ光子发射体,能量140keV,T1/2为6.02h、方便易得、几乎可用于人体各重要脏器的形态和功能显像。99Tcm是显像检查中最常用的放射性核素,目前全世界应用的显像药物中,99Tcm及其标记的化合物占80%以上,广泛用于心、脑、肾、骨、肺、甲状腺等多种脏器疾患的检查,并且大多已有配套药盒供应。

  2.131I、201Tl、67Ga、111In、123I等放射性核素及其标记药物这类γ光子的核素及其标记药物也有较多应用,在临床中发挥着各自的特性和作用。

  3.正电子放射性药物11C、13N、15O和18F等短半衰期放射性核素(表1-2)在研究人体生理、生化、代谢、受体等方面显示出独特优势,其中氟[18F]脱氧葡萄糖(18F-FDG)是目前临床应用最为广泛的正电子放射性药物。

  治疗放射性药物:

  适宜的射线能量和在组织中的射程是选择性集中照射病变组织而避免正常组织受损并获得预期治疗效果的基本保证,各种常用治疗放射性药物包括:发射纯β-射线的放射性治疗药物32P、89Sr、90Y等,发射β-射线时伴有γ射线的放射性治疗药物131I、153Sm、188Re、117mSn、117Lu等。

治疗放射性药物进入人体

  131I目前仍是治疗甲状腺疾病最常用的放射性药物;89SrCl2、153Sm-EDTMP、117Snm-DTPA和177Lu-EDTMP等放射性药物在骨转移癌的缓解疼痛治疗中也取得了较为满意的效果。近年来可由188W-188Re发生器获得188Re作为治疗用放射性药物受到重视,它发射的β-射线能量为2.12MeV;γ射线能量为155keV,T1/2为16.9h。通过发射β-射线产生电离辐射生物效应破坏病变组织,并可利用其发射的γ射线进行显像,估算内照射吸收剂量和评价治疗前后病变范围变化。目前188Re-HEDP已用于治疗恶性肿瘤骨转移骨痛、188ReO4-治疗或预防血管成型术后再狭窄和188Re-碘油介入治疗肝癌等。

  放射诊断

  放射诊断是指利用X线、超声和核素的γ线等,透过人体后,使人体内部结构和器官在荧光屏上或胶片上显出影像,从而了解人体形态结构、生理功能及病理变化。放射诊断技术主要包括 x光机 、CR和DR 、CT 、乳腺机 、牙片机 、DSA 、PET/CT 和SPECT等。

  X光成像原理:

  X线透射成像是基于人体内不同结构的脏器对X线吸收的差别。一束能量均匀的X线投射到人体的不同部位,由于各部位对X线吸收的不同,透过人体各部位的X线强度亦不同,最后投影到一个检测平面上,即形成一幅人体的X线透射图像。

X射线成像过程

  CR的工作原理:

  入射X光子被荧光层内的荧光体吸收,释放出电子,其中部分电子散布在荧光体内呈半稳定态,形成潜影,完成X线影像信息的采集和存储。潜影电荷数量与入射光子能量成正比 ;当用激光扫描已有潜影的IP时,IP表现出PSL(光激励发光/光致发光)现象,完成X线影像信息的读取, PSL(光激励发光)荧光强度与潜影电荷数量成正比。

  CR的工作流程图如下所示

CR流程

  DR:

  DR(Digital Radiography),即直接数字化X射线摄影系统,是由电子暗盒、扫描控制器、系统控制器、影像监示器等组成,是直接将X线光子通过电子暗盒转换为数字化图像,是一种广义上的直接数字化X线摄影 。

  DR是计算机数字图像处理技术与X射线放射技术相结合而形成的一种先进的X线摄影技术,它在原有的诊断X线机直接胶片成像的基础上,通过A/D转换和D/A转换,进行实时图像数字处理,进而使图像实现了数字化。它的出现打破了传统X线机的观念,实现了人们梦寐以求的模拟X线图像向数字化X线图像的转变。

  CT成像原理:

  X线束对人体某部一定厚度的层面扫描,由探测器接收被该层面部分吸收的剩余X线;探测器将接收到的X线信号由光电转换器转变为电信号,再经模/数转换器转变为数字信号,传送到计算机的数据采集系统;计算机将采集的数字信息经运算处理,得出扫描层面各点的数字,排列成数字矩阵;数字矩阵可存储于硬盘或光盘中,再经数/模转换器将数字矩阵中的每个数字转化为由黑到白不同灰度的小方块,按矩阵排列,即构成CT图像,最后调节窗宽、窗位,经显示器或照相机输出,用于临床诊断。

  乳腺机原理:

  利用软X线对乳腺组织进行投照,通过胶片进行感光,经过显影,定影等程序进行成像。

  牙片机:

牙片机原理

  牙片机,即口腔X线机,用于牙科门诊,做治疗前的检查,治疗中的治疗效果对比,以及治疗后治疗效果的确认。对于拔牙,想了解牙床内部组织结构,牙根的深度,牙髓的发炎度,甚至断牙的内部情况等等,是诊所日常工作中不可缺少的设备。由于剂量微小,无须防护,有的医院购买用于床旁检测的手指和脚指的拍摄。

  DSA:

  DSA(Digital Subtraction Angiography )全称数字减影血管造影,简称DSA。DSA技术是20世纪80年代继CT之后兴起的一项新的医学影像技术,是影像增强技术、电视技术和计算机技术相结合的产物。在数字减影血管造影开发之前,减影的精确性还不能分辨影像内1%以下的影像对比。DSA的问世,解决了医学影像学领域中血管造影的数字化成像问题,是医学影像学领域中的一个重要发展。

  PET/CT工作原理:

  PET(Positron Emission Tomography):正电子发射断层显像,是一种射线断层显像技术,可以实现功能代谢显像的分子影像学设备。CT( Computed Tomography):利用X射线对人体进行体层检查。PET/CT:将PET和CT有机的结合在一起,使用同一个检查床合用一个图像工作站,PET/CT同时具有PET,CT及将PET图像与CT图像融合等功能。

  每个探测器接收到γ光子后产生一个定时脉冲,这些定时脉冲分别输入符线路进行符合甄别,挑选真符合事件。符合线路设置了一个时间常数很小的时间窗(通常≤15ns),同时落入时间窗的定时脉冲被认为是同一个正电子湮灭事件中产生的γ光子对,从而被符合电路记录。时间窗排除了很多散射光子的进入。

  PET -CT采用正电子放射性药物测定糖、蛋白质及核酸代谢的过程,具有生物活性的放射性药物能发射正电子,正电子在体内可以与周围的负电子相结合而产生湮没辐射,湮没辐射时产生两个能量相同、方向相反的γ光子。PET通过探测γ光子的位置与数量,来判断组织的代谢情况,从而获得机体正电子核素的断层分布图,显示病变的位置、形态、大小和代谢功能,对疾病进行诊断。

  SPECT工作原理:

  SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography):单光子发射计算机断层显像。能给出脏器的各种断层图像,也具有一般γ相机的功能,可以进行脏器的平面和动态(功能)显像。

  SPECT检测通过放射性原子(称为放射性核,如TC-99m 、TI-201)发射的单γ射线。放射性核附上的放射性药物可能是一种蛋白质或是有机分子,选择的标准是它们在人体中的吸收特性。比如,能聚集在心肌的放射性药物就用于心脏SPECT成像。这些能吸收一定量放射性药物的器官会在图像中呈现亮块。如果有异常的吸收状况就会导致异常的偏亮或偏暗,表明可能处于有病的状态。

  放射治疗

  肿瘤放射治疗是利用放射线治疗肿瘤的一种局部治疗方法。放射线包括放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线、电子线、质子束及其他粒子束等。大约70%的癌症患者在治疗癌症的过程中需要用放射治疗,约有40%的癌症可以用放疗根治。放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出,已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。

  放射疗法虽仅有几十年的历史,但发展较快。在CT影像技术和计算机技术发展帮助下,现在的放疗技术由二维放疗发展到三维放疗、四维放疗技术,放疗剂量分配也由点剂量发展到体积剂量分配,及体积剂量分配中的剂量调强。现在的放疗技术主流包括立体定向放射治疗(SRT)和立体定向放射外科(SRS)。立体定向放射治疗(SRT)包括三维适形放疗(3DCRT)、三维适形调强放疗(IMRT);立体定向放射外科(SRS)包括X刀(X-knife)、伽玛刀(Y刀)和射波刀(Cyber Knife),X刀、伽玛刀和射波刀等设备均属于立体定向放射治疗的范畴,其特征是三维、小野、集束、分次、大剂量照射,它要求定位的精度更高和靶区之外剂量衰减的更快。

放射治疗

 
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