[医学]2-核医学仪器1基础知识.ppt

核医学仪器1 基础知识,课程内容,基本原理 放射性药物制备 射线与物质的相互作用,Email:,1.基本原理,放射性相关概念 核衰变的类型 放射性核素的生产,1.1放射性相关概念-1) 衰变(Decay),许多元素的原子核都是不稳定的，它们能够通过放射出某种射线而变成另外一种元素的原子核。 放射性衰变是一个随机过程 大量放射性原子核在单位时间内平均衰变的比例为一个常数。这个常数称为衰变常数，用表示。 N：放射性原子核总数,2)活度(Radioactivity),A=-dN/dt A：活度；N：t时刻放射性核素数目 国际单位制单位为贝克勒尔(Becquerel, Bq) 1Bq1 decay/s 常用单位为居里(Curie, Ci) 换算 1Ci =3.71010Bq 1mCi =3.7107 Bq 1Ci =3.7104 Bq,3)半衰期(half life)T1/2,放射性原子核数衰变掉一半所需要的统计期望时间。 是放射性核素的固有特性，不会随外部因素而改变。,核医学中常用的核素,1.2核衰变的类型,放射性核素可以通过自发衰变、发射射线使得自身的质量不断减少。 如果这个核素经过衰变之后仍然是不稳定的核素，衰变过程还会继续下去，直到生成稳定的核素为止。这个过程称为衰变链。 衰变过程中发射的射线包括、-、+、电子俘获、同质异能衰变。,衰变,只有质量数A大于150的核素才可能 自发衰变中发射的粒子能量范围大约48MeV之间，少数非常重的核的长程衰变中发射的粒子能量也有10MeV以上的，但是几率非常小。,衰变的例子,通过衰变，N/Z更靠近稳定线。 衰变本身并没有在医学上有直接的应用，射程较短，空气中的射程是1cm/MeV ，在人体组织中的射程小于30m。 但是，如果通过穿透本领大的射线，在人体内产生的粒子具有很高的电离密度，对癌细胞有很强的杀伤力。,-衰变,中子/质子比高的原子核处于稳定线之上，通过-衰变而趋于稳定。-衰变是弱相互作用，是原子核内中子和质子之间的电荷交换过程中发射-粒子，同时还有中微子的发射和能量E的释放,衰变,衰变是衰变的相反物理过程，是缺中子的不稳定原子核内质子通过弱相互作用向中子转换的物理过程,电子俘获衰变,不稳定的缺中子核俘获一个轨道电子(一般K,L壳层电子)，使得质子转换成中子的过程。而K,L轨道上由于有被俘获的电子而出现空缺，由外层电子来补充。这种电子之间的跃迁，必然伴随特征X-射线的发射。,原子核的同质异能态(Isometric state),质量数和基态相同，但是处于激发态的原子核称为同质异能态。例如：99mTc是99Tc的同质异能态。发生同质异能态的核衰变也称为同质异能衰变。,1.3放射性核素的生产,反应堆生产-中子俘获,反应堆生产-裂变副产品,富中子产物,核衰变，子产品,99Mo -99mTc 母牛发生器,湿柱,即凝胶柱,柱子装的是反应堆通过核反应照射的钼-98,有大量的钼-98存在。 由于柱子是凝胶,使用中不能产生“断裂,使用过程中需用水保护。 凝胶型发生器采用的柱填料是Mo与Zr(锆gao)化合物反应形成的钼酸金属盐胶体，淋洗时不能淋干，也叫湿柱。,“干式”的发生器,裂变型,即钼是从铀的裂变碎片中分离出来, 比活度高 。每次使用后需用一空真空瓶将柱上的水抽干,目的防止射线电离产生自由基,影响淋洗液的性质及淋洗效率 (干柱会发生星期五效应,即周一送到的柱子在周五有可能效率明显下降,但下周会正常)。吸附剂为三氧化二铝,NaCl溶液流过钼柱，NaCl溶液中的Na离子和99mTcO4而不是99MoO4结合，把两者分开,淋洗活度曲线,2.放射性药物,放射性药物要通过注射、口服、吸入等方式引入体内。因此对这类核素的基本要求是对机体无害和易于体外探测。 对放射性核素的要求 1）能发射中等能量的射线（最好是单能） 这是适用于SPECT显像的放射性核素的先决条件。由于射线具有很强的穿透能力，体外探测才能得以进行。射线的能量以100-400 keV为佳。能量太低时射线易被机体所吸收，使得探测效率降低；能量太高则探测器的准直效果不好，降低了仪器的空间分辨率。此外，最好选用不发射或少发射生物效应较高的射线的药物等，以减少人体的辐射剂量。,对放射性核素的要求,2）具有合适的生物半衰期 并非所有能发射中等能量射线的放射性核素都能作为放射性药物注入人体内，还必须具备合适的物理半衰期。只有半衰期在数十分钟至数天之间的放射性核素才能适合体内使用。 低辐射剂量(low radiation dose) 3）具有合适的化学价态和较强的化学活性(元素) 以便将它们制成供临床使用的各种放射性标记化合物。 4）这些放射性核素本身以及它们的衰变产物对人体应是无毒无害的 若具有一定毒性，则临床使用的化学量必须控制在对人体无害的水平以下。,锝99m是目前最优的选择,对放射性药物的要求,绝大多数情况下，放射性核素和它们的初始制备状态尚不能直接用于核医学显像，而需要通过一些物理的、化学的或生物学的方法，将放射性核素的原子“引入”特定的化合物的分子结构中，这个过程称为标记。由此而后制成的放射性核素标记化合物即为放射性药物 1）具有良好的显像性能（特异性） 良好的显像剂引入体内后，应在靶器官有特异性浓聚，而本底尽可能的低。此外，还要求显像剂在靶器官的正常组织与病变组织之间的浓聚率有较大的差异。一般说来，在靶器官与邻近的非靶器官之间放射性药物浓聚量的比值在5倍以上时，才能认为显像剂在靶器官的浓聚是特异性的。在阴性显像时，要求显像剂在病变部位不浓聚或很少浓聚，我们称之为放射性稀疏或缺损；而阳性显像时，则要求显像剂在病变部位的浓聚量多于或明显多于正常部位，我们称之为放射性浓聚。,2）具有合适的生物体内存留时间,放射性显像剂在靶器官中应有合适的存留时间，以保障体外各时相的探测足以采集必要的数据。在显像完成后，放射性药物应能较快地被从体内清除，即具有较短的生物半衰期，以减少受检者接受的不必要的辐射剂量。 物理半衰期是指放射性核素历经核衰变，其放射性强度或放射性原子数减弱或减少到一半所需要的时间；生物半衰期是指由于生物代谢，生物体内的放射性核素从体内排泄到原来引入量的半数所需要的时间；有效半衰期是指由于放射性衰变和生物代谢的共同作用，生物体内的放射性核素减少到原来引入量的一半所需要的时间。它们之间的关系是：,对放射性药物的要求（续）,3）放射性药物的制备过程应简单、快速，不需要复杂的设备和反应条件 最理想的制备方法是一步法，即预先将标记过程中所需要的除放射性核素以外的所有物质通过简单混合或使其产生预反应而制成放射性药物的半合成品药盒，需要标记时，只需要将放射性核素加入，即可一步标记成功。目前，已有数十种商品化的半成品药盒供给临床使用。 4）具有良好的稳定性 放射性药物的稳定性的含义包括：化学稳定性、辐射稳定性、标记稳定性和体内稳定性。 化学稳定性是指放射性药物具有确定的较为稳定的化学结构，使其在制备过程和药物储存过程中，不易发生分解、氧化、还原等化学变化，否则由此而生成复杂的副产物将影响药物的使用性能和有效使用期。,辐射稳定性是指药物对自身辐射作用的耐受能力。辐射自分解是影响放射性药物稳定性的一个重要因素。一般说来，辐射自分解作用的强弱与放射性药物的比活性和射线的性质有关。比活性越高，射线程越短，电离密度越大，自分解作用就越强。 标记稳定性是指放射性核素的原子或基团与化合物结合的牢固程度，只有那些牢固的不易因时间、温度、介质等条件的影响而脱落的标记物，才适用于核医学的显像。标记稳定性与核素的原子同标记物分子结合方式及位置等因素有关。 体内稳定性是指当放射性药物引入机体后，不会因为介质条件的改变或生物活性物质的改变(如酶的作用等)而发生分解、变性或标记核素的脱落，一般通过动物体内试验来鉴定。,99Tcm的标记方法,从99Mo99Tcm发生器获得的99Tcm以Na99TcmO4形式存在于洗脱液中。99Tcm的氧化态可以从+1价到+7价。99Tcm高氧化态(+7价)既不能与络合剂络合，也不被颗粒所吸附，因此不能用它直接制备供临床使用的标记药物。 欲制备99Tcm标记用药物必须使用还原剂，首先将高氧化态锝还原为低氧化态，这是99Tcm标记络合物的第一步。因为99TcmO4是一种酸根阴离子，而根据络合理论，阴离子只能作为络合物的配位体，而不能成为中心离子。最常用的还原方法是采用氯化亚锡(SnCl2.2H2O)作还原剂。Sn2+在标记过程中可能具有两方面的作用：一是把99TcmO4-还原成可被络合剂络合的低价态99Tcm，再者可作为双金属鳌合物中的第二种金属离子。,在酸性介质中反应如下: 299TcmO4- + 16H+ + 3Sn2+ = 299Tcm4 + 3Sn4 8H2O 此处99Tcm自+7价还原为+4价。在其他物理化学条件下，99Tcm还可能被还原为+3价或+5价。 在低氧化态99Tcm化学性质活泼，在一定pH条件下可以和许多含O、N、S等有机或无机物产生作用形成络合物。这些99Tcm络合物无论在体内或体外均比较稳定，是目前临床应用最广泛的放射性药物，几乎占全部SPECT显像剂的90%以上。,常用的99Tcm的标记化合物及其用途,99Tcm的标记物一般可分为3类： 标记微粒：99TcmMAA、99TcmRBC等； 形成络合物:99TcmMIBI、99TcmECD、99TcmDTPA等。 通过功能基团络合配基：99TcmDTPAHSA等 目前常用的99Tcm放射性药物均能很方便地获得发生器配套药盒，其中包含待标记物、还原剂SnCl22H2O、抗氧剂及支持物等组成的冻干品，按说明书加入一定量的淋洗液即可。,常用的99Tcm标记的脏器显像剂,放射性药物的浓集机制 Radiophamaceutical Mechanisms of Localization),分割定位(Compartmental Location) 通过隔膜等人体内自然的分割结构把药物限制在体内一定的范围内。例如133Xe气的肺部灌注限制133Xe于肺泡之内。但是最近用得比较少，主要是得到这种气体状态的放射性同位素不容易，而且控制操作也很困难。最近的肺灌注方法是使用MAA药物(99mTc大颗粒聚合的人血清白蛋白：99mTcmacroaggresated albumin)一次注射大约10万个这种颗粒，栓塞的毛细血管大约占毛细血管总数的几十万分之一，对肺功能不造成问题。其中，偏大的颗粒可能堵塞毛细血管前动脉。所有颗粒最后在人体内很快被降解为小分子并被吞噬细胞吞食。,自体细胞放射性标记法(Cell Sequestration),该方法从病人身上取出一些红血球，用99mTc标记之后在体外用水浴煮30分钟，使得被标记过的血红蛋白细胞受到伤害。把受过伤、并被标记过的血红蛋白重新注入人体后， 人体的脾(spleen)可以重新认识这些细胞并对受伤的细胞企图进行修复，在这个过程中使之得到浓集。利用这种特性可以对脾的解剖学结构和功能进行显像 。,对病变细胞的自动吞噬(Fagocytosis)功能,人的网状内皮系统的细胞的85分布在肝脏，10分布在脾脏，5分布在骨髓中。这些细胞能够辨认血液中的很小的外来异物并吞噬它们。 硫的胶体(sulfur colloid)（100nm）是比细胞小的物质，能够被这些干细胞辨认并很快被清除出循环系统。利用这种特性把经过放射性标记的硫的胶体注入人体，浓集在被检测的脏器上，并很快被清除干净，达到对这些组织显像之后自动消除的目的 。,放射性药物的扩散(Passive diffusion),扩散是物质从浓度高的地方自由地向浓度低的方向运动的过程。 在大脑和相关的脑血管的解剖和生理过程中，允许神经递质、代谢物质(例如葡萄糖等)，以及可溶性脂肪性化合物(例如脂肪酸等)在脑组织和血奖之间自由通过。 但是，很多这些可溶性物质都被健康人体的血脑屏障(Blood Brain Barrier: BBB)所阻止。血脑屏障是用于保护人脑处于正常工作状态。但是如果因为某种疾病把BBB破坏，从而可以用99mTc-DTBA可以对浓度梯度经过的组织路径上的组织，以及受到感染的大脑组织进行显像,放射性的输运(activity transport),放射性的输运发生在细胞的代谢过程中。主要指葡萄糖代谢或者乳酸代谢。这些代谢过程可浓集进入脑组织的放射性药物。例如：神经细胞主要消耗葡萄糖，所以标记葡萄糖可以实现该药物在被显像区域和脏器上的浓集。碘的输运是在代谢过程中被甲脏腺素浓集。它发生在阻止由于氧化酶被高度激活、碘离子被氧化形成的浓度梯度。另外一个例子用201Tl对心脏灌注成像检查心机缺损的诊断。201Tl的浓度是由Na/K泵进行调节(mediate)的。它的浓度的局部非均匀性表明心脏的缺陷。,毛细血管阻塞(Capillary Blockade),当放射性标记过的药物比红细胞略大时，用经脉注射进入人体血管的放射性药物就有可能被狭窄的毛细血管壁所阻塞。这种方法的一个例子就是前面提到的用MAA(99mTc大颗粒聚合人血清白蛋白：99mTcmacroaggresated albumin)对肺部的灌注。主要功能是检查肺部毛细血管的灌注功能，被阻塞地方的显像。,细胞的趋化性(Chenmotasis)的放射性药物的浓集,这是细胞对外来物质自动防御系统的一部分。 例如白血球细胞可以对外来的化学物质自动做出反应。用放射性标记白细胞之后重新注入人体，对人体免疫防御系统功能进行检测。,单克隆抗体,北京大学医学同位素研究中心研制了用于核磁共振和核医学显像的双功能分子探针Fe3O4-3H11-125I(顺磁性Fe3O4用于核磁共振成像，125I用于核医学成像，单克隆抗体3H11为靶向分子)，目的是发挥核磁共振高空间分辨率和核医学高灵敏度的特点，从而获得更佳的影像学诊断结果用于肿瘤的早期诊断和转移灶的诊断。下图为我们在荷瘤裸鼠上的实验结果，核磁共振信号变化与核医学信号变化具有一致性，说明双功能分子探针的可行性。,3.射线与物质的相互作用,光电效应 光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子（多发生于内层电子）。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子的能量等于入射光子的能量减去电子的结合能。 光电子与普通电子一样，能继续与介质产生激发、电离等作用。 由于电子壳层出现空位，外层电子补空位并发射特征X射线。,光电效应,康普顿效应,光子与原子外层电子（可视为自由电子）发生弹性碰撞，光子只将部分能量传递给原子中外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中射出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互相互作用。当散射角=0，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有