核医学仪器放射性药物

核医学仪器与放射性药物,通大附院核医学科 葛呈春,第二章 核医学仪器,在医学中用于探测和记录放射性核素发出射线的种类、能量、活度以及随时间变化规律和空间分布的仪器，统称为核医学仪器。,核医学显像仪器的发展历程,扫描仪 1951年美国加州大学Cassen照相机 1958年H.Anger SPECT 1979年 Kuhl等 PET 正电子发射型计算机断层仪（positron emission tomography, PET），2001年时代周刊21世纪最具有创意且已商业化的三大发明之一SPECT/CT; PET/CTMicro PET、Micro SPECT、Micro PET/CTPET/MRI,第一节 核探测仪器的基本原理,一、核探测仪器的基本原理：（一）电离作用：利用射线可引起物质电离的原理而产生了电离室等仪器。例如：电离室、正比计数管、盖格计数管。（二）激发-荧光现象：荧光现象是由于射线可引起一些物质发出荧光，荧光可以转变成电信号。电信号的大小与此同时射线数量有关， 闪烁探测器就是利用这种原理制成。（三）感光作用：利用射线可使感光材料形成“潜影”的原理来进行射线的探测。依据这一原理，放射性自显影技术得以发展。,二、放射性探测仪器的基本构成和工作原理：通常由两大部分组成：放射性探测器、后续电子学单元 放射性探测器通常被称为 探头，实质上它是一个可以将射线能量转换为电能的换能器。 后续电子学单元是由一系列电子学线路和外部显示装置构成，可以将探头传过来的电信号进行相关处理，并加以记录和显示，从而完成对射线的探测、分析过程。,固体闪烁计数器是目前核医学中最常用的的核探测仪器之一，主要由下列部分构成：,晶体光学耦合剂光电倍增管前置放大器后续电子学电路显示记录装置,晶体、耦合剂、光电倍增管、前置放大器等部件共同组成探测器的探头，是探测仪器最重要的部分。,三、 照相机基本结构 照相机是核医学最基本的仪器，是一种能对脏器中放射性核素的分布进行一次成像和连续动态成像的仪器。 它由探头、电子学线路、显示记录装置、显像床四部分组成。探头是照相机的核心部件。 （一）准直器 （二）闪烁探测器：1、晶体 2、光电倍增管 3、定位电路和能量电路,闪烁探测器实际上是一种能量转换器，其作用是将射线能量转换成可记录的电脉冲信号。主要部件由碘化钠（铊）晶体、光电倍增管和前置放大器组成。 光电倍增管由光阴极、10多个联极和阳极组成。,准直器：位于病人与晶体之间，只有垂直入射的射线才能通过准直器而被晶体探测到。晶体：碘化钠（NaI）将射线能量转换成荧光光子，铊的作用是转换光子波长（将NaI发出的光子吸收，重新释放出波长与光电倍增管的吸收峰范围相匹配的光子，以增加探测效率）。光电倍增管：阴极吸收晶体发出的荧光光子后通过光电效应产生光电子，在高压电场作用下光电子加速射到下一联极时产生放大作用，电子数可增加3-6倍，经过10多个联极的作用，电子数可增加到106-108倍，形成一个强大的电子流射入阳极并产生一个电压降而形成一个负电压脉冲。,准直器（collimator）,准直器位于探头的最前端它是由铅或铅钨合金铸成的机械装置，它的作用是把人体内四面八方分散的伽玛射线定向准直到闪烁晶体的一定部位上。这种采用准直器的方法称作机械准直，以确别于电子准直。,准直器(collimator)的分类,孔的形状： 针孔型、平行孔型、发散型、会聚型及斜孔型。能量范围：低能（ 350Kev）。灵敏度和空间分辨：高灵敏、高分辨及通用型。,光电倍增管,射线,很微弱的电信号,脉冲信号只有几毫伏几百毫伏,探测仪器记录,照相机工作原理 ： 照相机探测人体内的放射性核素发出的光子，光子经准直器选择性地到达晶体后产生的信号被晶体后的光电倍增管吸收。位置电路根据各个光电倍增管的位置和脉冲幅度定出位置并输出相应的位置信号，形成显像图像。三、应用 相机是大晶体一次性成像，可以完成各种脏器的静态显像，又可进行快速连续的动态显像。通过探头和床的配合运动，还可以进行全身显像。,相机,探头是照相机的核心，其性能的好坏决定了整台机器性能机图像性能的好坏。,第二节 SPECT、SPECT/CT及双探头符合探测一、 SPECT基本结构 SPECT其结构相当于大视野的相机并多了脏器断层的功能（增加了探头旋转装置和图像重建的计算机软件系统）。主要由探头、旋转运动机架、计算机、检查床和图像重建软件等组成。其探头可围绕躯体旋转180o或360o采集。主要有单探头和双探头两种。SPECT是在照相机的基础上发展而来。,二、SPECT工作原理 SPECT工作原理类似于相机，是利用引入人体内的放射性核素发出的射线经碘化钠晶体产生闪烁光子，闪烁光子再与光电倍增管的光阴极发生光电效应产生光电子，经联极放大后在阳极产生电脉冲，其经过放大后再经位置电路处理后形成X、Y位置信号，并进一步形成闪烁影像。借助计算机的处理系统可重建成横断层、矢状断层和冠状断层影像。,SPECT和CT都是用计算机断层技术构成图像，但两者的射线来源不同，SPECT接受的光子由体内发射出来，为发射型CT（ECT），反映器官组织的功能代谢；而X线CT是由X线从体外穿透人体而成像，为穿透型CT（TCT），主要反映器官的解剖形态。近来将核医学功能代谢影像和主要反映形态解剖的CT、MRI图像进行融合，成为医学影像学发展的又一亮点，已有SPECT/CT、PET/CT问世，并广泛应用于临床，为病变的定性和定位提供了一种有用的手段。,三、SPECT成像特点 SPECT的图象是反映放射性药物在体内的断层分布图。放射性药物能够选择性地聚集在特定脏器、组织或病变部位，使其与邻近组织的放射性分布形成浓度差，SPECT在体外可探测、记录到这种放射性浓度差，从而显示脏器、组织或病变部位和形态、位置大小及脏器功能变化。,四、SPECT数据采集和断层图象重建 SPECT数据采集，实质上是用大视野照相机探头通过可旋转机架围绕患者旋转，每隔一定角度采集一帧图象，然后通过计算机处理、重建成断层图象。,五、SPECT/CT图像融合技术 SPECT/CT是将SPECT和CT这两种设备安装在同一个机架上，两次扫描期间保持体位不变，两种检查的影像进行实时融合，达到功能和解剖结构影像的完美融合。 CT还可以给SPECT提供衰减校正，可以有效提高SPECT的图像质量。,SPECT/CT,nuclear medicineunclear medicine解剖图像与功能图像融合nuclear medicine clear medicine软件融合硬件同机融合,SPECT探头X线管球、探测器,六、双探头符合探测 近来用互成180o的无准直器的双探头对正电子湮灭辐射产生的两个方向相反的 511keV 光子进行符合探测成像，称之为符合线路SPECT。可用于18F这一发射正电子核素的显像，但其空间分辩率低于PET，且不能快速动态采集。六、应用 SPECT是我国三级甲等医院核医学科的必备仪器，目前已广泛应用于全身各系统的各种显像。,SPECT（单探头）,SPECT特点,可采集有关脏器的血流、代谢等随时间变化的动态信息；一次采集可得到平面和断层影像；可任意选择断层角度等。,第三节 PET、PET/CT、 PET/MRI及小动物PET一、 PET基本结构及原理（一）基本结构 PET主要由探测系统（包括晶体、电子准直、符合线路和飞行时间技术）、图像显示和断层床等组成。探头是PET的最重要的组成部分，它由成百上千个相对排列的由晶体、光电倍增管及电子线路组成的闪烁探测器排成多层环形装置组成。,（二）工作原理 PET显像使用的放射性核素是发射正电子的核素，其发射的正电子在体内经湮灭辐射产生两个方向相反但能量均为511 keV的光子几乎同时入射至互成180o环绕人体的探测器所接收，再置换成空间位置和能量信号，经计算机处理可重建成三个断面的断层图像，一次断层可获得几个甚至几十个断层图像，高精度地显示活体内功能代谢活动，并可用于精确的定量分析。,二、PET/CT及图象融合技术 图象融合技术是将相同或不同成像方式的图像进行处理，使它们间空间位置、空间坐标达到匹配的一种技术。PET显示的是一种功能图象，解剖位置不清晰，CT图象解剖结构清晰，但不能反映脏器功能。将两者结合，可将优势互补。图象融合包括异机图象融合和同机图象融合，但是它绝不是二者功能的简单叠加。,三、PET/MRI PET/MRI是最新研制成功的高端影像融合设备，目前尚未广泛应用于临床。由于MRI不存在辐射损伤，因此可以反复多次进行检查。四、小动物PET 小动物PET目前主要应用于生命科学基础研究。,应用 PET可进行静态和动态断层显像，并能进行定量分析，是肿瘤、神经系统和心血管疾病诊断和医学研究的重要设备。 与SPECT相比较，PET具有（1）分辨率高；（2）采用电子准直符合计数，灵敏度比SPECT高10-20倍；（3）常用的正电子核素如11碳、 13氮、15氧和18氟为人体生命元素，是参于机体代谢的重要物质，能准确显示受检脏器的代谢影像和定量参数；（4）易于衰减校正，可进行定量分析等。,PET,PET-CT,GE discovery-ST PET/CT,Micro PET,第四节 脏器功能测定仪,一、甲状腺功能仪 包括探头和定标器。二、肾图仪 普通肾图仪包括两个探头、两套计数率仪和记录仪。三、多功能仪 多功能仪可同时测定一个脏器多个部位或多个脏器的功能。,二、体外样本测量仪器及辐射防护仪器（一） 闪烁计数器与手持式探测仪1.闪烁计数器 测量样品射线的装置是井型闪烁计数器 。井型闪烁计数器 的探测效率高，本底低。电子线路通常有放大器、单道或多道脉冲幅度分析器、定时器、打印机等。2.手持式探测仪 手持式探测仪由探头和信号处理显示器组成。可用于手术中的探测。,（二）医用核素活度计 医用核素活度计的射线探测器是电离室，可用于测量各种常用放射性核素的活度。（三）液体闪烁计数器 主要用于测量低能射线。（四）辐射防护和剂量监测仪器1.表面污染和工作环境剂量监测仪。用于监测工作中是否有污染。2.个人剂量监测仪。 用于监测工作中个人所受到的照射剂量。,表面污染监测仪,井型闪烁计数器,活度计,14碳-幽门螺杆菌呼气试验仪,第三章 放射性药物,第一节 基本概念 放射性药物：是指能引入体内用于诊断和治疗的放射性核素及其标记物。分类：1. 诊断用放射性药物：包括显像剂（成像）和示踪剂（功能测定），如131I、99Tcm-DTPA等；2. 治疗用放射性药物：如131I、89Sr、32P等。*注：用于放免体外分析药物的属放射性试剂。,放射性药物是一类特殊药物，有以下特点：1.具有放射性：放射性药物中放射性核素发出的射线是医学诊疗的基础，但也会产生一定的辐射损害，应加强防护。2.具有物理半衰期和有效半衰期。3.计量单位和使用量：放射性药物以放射性活度为计量单位，而不是用化学量，放射性药物引入的化学量极少。4.脱标及辐射自分解。,二、 放射性药物靶向作用原理,核医学显像是以分子水平的靶向作用为基础，将放射性药物引入人体后，在体外进行放射性核素显像，可在活体内直接观察到疾病起因、发生、发展等一系列的病理生理变化和特征。 核医学显像属于核素示踪法的范畴，可以显示人体某一系统、脏器和组织的形态、功能和代谢的变化，达到对疾病进行定位、定性、定量的诊断目的。,三、 诊断用放射性药物,诊断用放射性药物用于获得体内靶器官或病变组织的影像或功能 的一类放射性药物，也称为显像剂或示踪剂。其共性要求如下：1.衰变方式： 要求发射或X射线。2.光子能量： 适合SPECT显像的光子能量范围100-250KeV。3.有效半衰期： 诊断用放射性药物的有效计衰期 不能太短也不能太长。4.靶/非靶比值 （T/NT）： 平面显像要求靶/非靶比值在5：1以上，断层显像靶/非靶比值在2：1左右。,四、 治疗用放射性药物,治疗用放射性药物：指能选择性地浓聚在病变组织产生局部电离生物效应，对病变组织产生抑制或破坏作用的一类放射性药物。对此类药物的共性要求如下：1.衰变方式 目前主要用发射-射线的核素。2.射线能量 一般认为-射线最大能量在1MeV以上较理想。3.有效半衰期 治疗用放射性药物的有效半衰期 不能太长，也不能太短。4.靶/非靶比值 治疗用放射性药物靶/非靶比值 越高越好。,PET放射性药物,PET放射性药物属于诊断用放射性药物。常用发射正电子的核素，主要是用加速器生产，少数可从发生器得到。 PET常用的核素11C、13N、15O、18F都是组成生物机体的固有元素，不会影响该药物原有的生物活性。且其半衰期短，患者受的辐射剂量较小。,第二节 放射性药物中的核素来源,回旋,1.核反应堆生产：如99Mo、131I、113Sn 、125I、14C、3H、89Sr（锶）、 133Xe 、32P、 153Sm（钐）等；2. 回旋加速器生产：如、11C、13N、15O、 18F 、123I 、111In 、201Tl（铊）、67Ga（镓）等。 3. 发生器生产 ：如99Tcm（锝）、113Inm（铟）、188Re（铼）等；,放射性核素发生器： 指从长半衰期的母体核素中分离短半衰期的子体核素的装置，又称为“母牛”。,发生器类型（99Mo-99Tcm发生器）,1. 裂变型99Mo-99Tcm发生器（干柱）：吸附剂为三氧化二铝（Al2O3）色层柱；2. 凝胶型99Mo-99Tcm发生器（湿柱）：吸附剂为钼酸锆酰（ZrOMoO4）凝胶，是阳离子交换剂。,99Mo-99Tcm发生器的优点： 1.操作简便、使用安全、有较好的价格-效果比。2.可得到较高放射性核素纯度。3.母体核素99Mo半衰期为66小时，可用一周。淋洗液的质量控制：99Mo含量98%。,放射性核素标记技术,一、99Tcm的标记1. 直接标记：以氯化亚锡为还原剂，将99TcmO4-中的锝从稳定的+7价还原到+3、+4或+5价，在适当的pH下与配体化合物络合完成标记；2. 配体交换：先标记络合能力弱的配体，再与要标记的络合能力强的配体反应，后者可取代前者而与99Tcm结合；3. 间接标记：对于不含络合基团的化合物，可通过双功能螯合剂（既含有与99Tcm络合的基团又含有与待标记化合物结合的基团）将99Tcm与待标记化合物耦联。,二、放射性碘的标记1. 亲电取代标记（氧化法）I-在氧化剂作用下氧化为碘分子（或原子），经亲电取代反应机制替换蛋白质或多肽的酪氨酸、组氨酸残基苯环上的氢而完成标记，目前常用氯胺T法和固相氧化法（Iodogen法）。2. 联接标记先用碘以上述方法标记前体（含苯环），再将标记前体与待标记物连接。,第三节、放射性药物的质量控制,1.物理鉴定 包括包装、外观现状、颜色、透明度、颗粒度、比活度及放射性核纯度。 比活度(Specific activity)是指单位质量的某种放射性物质的放射性活度。 放射性核纯度（radionuclide purity），也称放射性纯度(radioactive purity)是指所指定的放射性核素的放射性活度占药物中总放射性活度的百分比。放射性核素的放射性纯度只与其放射性杂质的量有关，与非放射性杂质的量无关,该指标主要用于监测其他放射性核素的沾染程度。,2.化学鉴定 包括离子强度、pH值、化学纯度及放射化学纯度。 放射化学纯度（简称放化纯度，radiochemical purity）是指特定化学结构的放射性药物的放射性占总放射性的百分比。该指标是衡量放射性药物质量的最重要的指标之一，是常规质控项目。 化学纯度（chemical purity）是指特定化学结构化合物的含量，与放射性无关。化学成分的杂质存在可能对病人产生毒、副反应，在放射性标记过程中还可能产生放射性杂质而影响放化纯度。,3.生物学