同步辐射医学的应用课件

1、人类的健康问题同步辐射的优势和能力同步辐射的医学应用同步辐射医学应用的前景1人类的健康问题1科学院的定位国家需求科学前沿国家需求安全问题：领土、网络、粮食能源问题：新能源、节能技术新材料：纳米、毒理环境问题：修复、保持健康问题：新的诊断、治疗手段2科学院的定位国家需求科学前沿2人口与健康问题健康是人最大的财富“以人为本，全面、协调地可持续发展。”传染性疾病 X三大手段化学、免疫、抗生素疗法两大杀手肿瘤心脑血管疾病3人口与健康问题健康是人最大的财富3心、脑血管疾病生活水平提高，食物结构变化；人均寿命延长；吸烟！每年夺走1200万人生命，14。诊断的“金标准”选择性冠状动脉X光造影术死亡率约0.1

2、0.2%，并发后遗症约1.53%第一杀手4心、脑血管疾病第一杀手4癌症恶性肿瘤人口老龄化；生活方式城市化；工业化进程空气污染吸烟！肺癌为我国发病率和死亡率最高的恶性肿瘤，并将在今后30年内大幅度增加；随着农村城市化的趋势、动物及油脂类食物比重的增大，乳癌患者的死亡率也将逐步增加。第二杀手5癌症恶性肿瘤第二杀手5肿瘤生长的三个时期：无血管期或称为血管前期，此时肿瘤细胞主要靠弥散获得营养，生长缓慢；血管期也称为血管浸润性生长期，此时肿瘤组织有新血管形成，这些血管不断为肿瘤组织提供营养和排除代谢产物，使肿瘤得以迅速增长；转移期， 当肿瘤生长到一定程度就向周围组织侵袭及发生转移扩散。 6肿瘤生长的三个

3、时期：677健康的生活方式预防为主肿瘤疫苗：太空瘤苗早期诊断可以治疗中期治疗为时未晚晚期？ 早期诊断是关键！看到并确认病变的性质！战胜癌症8健康的生活方式 早期诊断是关键！看到并确认病变的性质！战极高的光通量波长可调谐高度准直多种实验手段SR作为检测手段SR介入实际治疗9极高的光通量SR作为检测手段SR介入实际治疗9同步辐射技术的优势方法常规方法SR的优势同步辐射微束治疗X刀、刀、调强适形放疗术进一步减小辐照损伤脑瘤同步辐射心血管造影术选择性冠状动脉X光造影术安全、无并发后遗症同步辐射肺部支气管成像术X光透视，1 cm1 cm，提高患者五年生存率。衍射增强成像技术乳癌Mammography1

4、cm1 cm，早发现。10同步辐射技术的优势方法常规方法SR的优势同步辐射微束治疗X刀活体诊断 高强度、宽能谱 高度准直体外检测11活体诊断体外检测11自从1894年伦琴发现X射线，X射线透视和成像技术在医学诊断和放射治疗中就扮演了十分重要的角色。 X射线透视早已经成为一般医院进行骨骼、胸部透视和放射治疗的常规手段，基于X射线的医疗诊断和治疗方法也在不断发展，如X射线大脑CT术、乳腺肿瘤成像术、选择性心血管造影术等等，为人类的健康作出了积极的贡献。 12自从1894年伦琴发现X射线，X射线透视和成像技术在医学诊断 同步辐射的高通量和亮度、可调谐、时间结构和偏振性为医学科学的许多应用提供一个理想

5、的光源。 1976年底美国斯坦福大学就提出并于1979年在SSRL启动了同步辐射人体心血管造影计划。随后许多国家相继开始了以心血管造影术为主的同步辐射医学应用计划。 近年来，在法国的欧洲同步辐射装置（ESRF）和日本的SPring-8光源分别提出了庞大的医学应用计划。 13 同步辐射的高通量和亮度、可调谐、时间结构和偏人体组织的实验室检测病毒的结构测定已经测定了人体感冒病毒、爱滋病病毒等重要病毒的结构；各种人体组织的显微成像研究；辐射细胞生物学等。14人体组织的实验室检测病毒的结构测定已经测定了人体感冒病毒活体检测、诊断及治疗观察冠状动脉狭窄的静脉注射心血管造影术；观察大脑和颈部肿瘤的单色光计

6、算机断层扫描术观察早期肺癌的肺部支气管成像术观察早期乳房肿瘤的胸部成像术副作用极小的同步辐射微束放射治疗光激活治疗15活体检测、诊断及治疗观察冠状动脉狭窄的静脉注射心血管造影术；人体研究人体研究动物研究动物研究体外组织16人体研究人体研究动物研究动物研究体外组织16尽早发现心脏冠状动脉狭窄17尽早发现心脏冠状动脉狭窄17同步辐射心血管造影术原理安全、无痛苦非侵入性静脉注射造影剂在碘的K吸收边(33.17 keV)两侧碘原子的质量吸收系数分别为6.5cm2/g和37.0 cm2/g，相差5.7倍；而骨、肌肉和脂肪的吸收系数几乎相等。E1、E2单色光对注射了碘造影剂的心脏透视成像双色减影术18同步

7、辐射心血管造影术原理安全、无痛苦非侵入性静脉注射造影NIKOS-II19NIKOS-II19NIKOS-II20NIKOS-II20ESRF医学应用束线21ESRF医学应用束线21ESRF医学应用 病人座椅 探测器22ESRF医学应用 病人座椅 线列探测器电子学基本参数有效长度 150mm空间分辨率 0.4mm读出时间 0.8msec动力学范围 380000:123线列探测器电子学基本参数23日本光子工厂采用的动态造影术24日本光子工厂采用的动态造影术24现状NSLS/BNL1996年底完成了22个人体心血管造影研究 HASYLAB/DESY1997年底已完成276个病人测量 完成研究，技术封

8、存，等待投资ESRF2000年开始人体研究PF/KEK人体研究志愿者25现状NSLS/BNL25常规手段观测不到 直径小于1厘米的肿瘤 吸入氙气（Xe） K吸收边上下减影成像增加5年存活期NSLS/BNL26常规手段观测不到NSLS/BNL26同步辐射肺部支气管成像术肺癌实施方案与同步辐射心血管造影术类似；患者吸入含Xe气的混合气体（80%的Xe气、20%的O2气）；选择光子能量在Xe的K吸收边（34.56keV）上下的单色X射线束进行减影成像，从而获得肺泡的清晰图象。人体研究27同步辐射肺部支气管成像术肺癌27大脑、颈部成像，发现早期肿瘤目标定位，开展后续放射治疗 吸收，荧光，双光子，吸收边

9、减影，相位衬度28大脑、颈部成像，发现早期肿瘤2829293030早期诊断+适当治疗：有效延长患者寿命达20年ELETRRA. Italy31早期诊断+适当治疗：有效延长患者寿命达20年ELETRRA.乳癌的早期诊断技术衍射增强成像技术乳癌分析晶体单色器对来自样品的吸收和折射射信号进行分别成像；对样品产生的折射效应敏感，大大提高生物软组织中密度的微小差别产生的成像衬度。 32乳癌的早期诊断技术衍射增强成像技术乳癌32NSLS,APS33NSLS,APS33同步辐射微束放射治疗同步辐射高度准直性大小约10微米、间隔约100微米的许多微线条或微点光束三维方向的立体放射治疗微光束路径上辐射造成的正常

10、组织的损伤将会被附近健康的组织迅速修复进一步减少射线照射路径上正常组织的辐照损伤和副作用。 34同步辐射微束放射治疗同步辐射高度准直性34梳状光束、交叉照射： 20-50微米宽、间隔75-200微米 高度几毫米ESRF果蝇的复眼35梳状光束、交叉照射：ESRF果蝇的复眼35光激活治疗方法常规手段对严重的神经胶质瘤效果很差很低的长期生存率在肿瘤DNA中引入含铂化合物的药物选择铂元素的电子激发和电离78keV的X光，Pt吸收边上激发的俄歇电子携带高能量，在10纳米左右的近邻释放能量36光激活治疗方法常规手段对严重的神经胶质瘤效果很差36动物实验老鼠 It showed that after a y

11、ear of this treatment, three rats out of 10 were considered cured, whereas without treatment, all would be dead. Cancer Res. 2004 64: 2317-2323 37动物实验老鼠 It showed that after ESRF的医学应用束线ESRF6.0GeV，1.5T,21极扭摆器心血管造影术人体研究支气管成像术模型研究多能量CT 体外组织乳腺成像术体外组织光激活辐射治疗动物研究衍射增强成像动物研究38ESRF的医学应用束线ESRF6.0GeV，1.5T,28所大

12、学和研究机构，三条束线全面开展医学应用成像有关的研究398所大学和研究机构，三条束线39拟开展的研究方面SPring-88.0GeV：弯铁、扭摆器、波荡器心血管造影术计划微心血管造影术动物研究支气管成像术计划多能量CT 计划荧光CT 计划散射CT 计划相位增强成像动物研究乳腺成像术计划辐射治疗计划衍射增强成像计划40拟开展的研究方面SPring-88.0GeV：弯铁、扭摆常规X射线影像动脉注入Ba造影剂SR影像：24微米6微米41常规X射线影像SR影像：24微米6微米41同步辐射医学应用的前景心血管造影术期待突破三个地方已经完成人体实验DESY技术封存，等待投资没有非同步辐射不可的因素？辐射治疗竞争十分激烈常规、加速器成像诊断方面面临突破相位衬度技术：局限性衍射增强成像：一枝独秀42同步辐射医学应用的前景心血管造影术期待突破42干涉法相位技术复杂尺寸限制衍射增强相位梯度相对简单图像直观类同轴相位二阶简单图像复杂三种相位衬度成像方法 43干涉法三种相位衬度成像方法 43我们可以做什么？BSRF医学研究（切片、小动物）类同轴成像DEIDEI-CT人体诊断的先导研究极高空间分辨率的追求细胞生物学