核医学技术

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核医学技术(nuclear medicine technology),利用非天然核素(包括放射性核素和稳定性核素)及核射线进行生物医学研究和疾病诊断治疗的一项新技术。自1896年H.贝克勒尔发现铀的放射性和1898年居里夫妇发现镭以来,核医学技术经历了半个多世纪的发展,到1960年代已进入全面的成熟阶段,得到广泛应用,成为现代医学的重要技术之一。本技术在中国起步于1956年。

核医学技术主要有以下四大类。

目录

生物示踪技术

通过追踪非天然核素来揭示天然元素及其化合物在生物体内或离体组织内的变化规律的方法。生物体内的物质从表面上看是一成不变的,实际上却存在着不断的吸收、消化、转化、排出等一系列新陈代谢变化。但外源物质和内源物质、新的物质和旧的物质混杂在体内,由于它们的物理化学性质皆相同,很难对它们进行区分和分别研究,因此新陈代谢的研究相当困难。放射性核素和稳定性核素与相应的天然元素的原子核内质子数相同,互为同位素,具有相同的化学特性,但原子核内中子数不同,物理特性可以有某些差异,用适当的方法能够加以识别和定量。如放射性核素发射核射线,可用核射线探测器加以探测;稳定性核素的质量可用质谱仪等方法精确测量。因此用非天然核素或其标记化合物作为外源物质或新的物质引入体内或新陈代谢某一环节中去,用适当方法对它在体内或组织内的运动径路和变化进行跟踪测量,便可获得它们(亦即相应天然元素或其化合物)的吸收、消化、运转、聚集和排泄等的重要信息。利用这种技术已经在分子水平上揭示出许多重要的生理生物化学过程。如在蛋白质生物合成研究中,以3H-胸腺嘧啶核苷标记噬菌体T2的DNA,以32P标记T2-特异性RNA(mRNA)进行示踪研究,结果表明mRNA是由DNA复制而来,DNA的遗传信息核苷酸排列顺序)被转录到mRNA上,由它带进细胞质浆控制蛋白质的合成。在临床医学中可利用甲状腺吸收131I和分泌131I -甲状腺素的速度和量来诊断甲状腺功能亢进或减退;用 51Cr50Cr(稳定性核素) 标记的红细胞来测定红细胞在体内的寿命;用13C标记的脂肪酸和糖类来测定脂肪和糖的吸收、氧化等的速率,可借此灵敏地诊断消化道肝脏的功能异常。

生物示踪技术要求有良好的示踪剂,其物理性能、生物学性质都要达到特定的实验要求。应用于人体者还必须符合药学和卫生要求,需经严格的质量鉴定和批准手续方可使用。利用放射性核素进行动物生物化学示踪研究时,多选用放射β射线或能量很低的γ射线的核素,如3H、14C、125I等,进行生理或人体示踪研究和诊断时,则多选用发射γ射线且物理半衰期较短者,如18F、123I、99mTC等。有的示踪剂为简单的化合物,有的则非常复杂。

生物示踪技术另一不可缺少的手段是核射线和稳定性核素探测仪器。

常用的核射线探测仪器有:①固体闪烁测量仪。用固体闪烁体作为探测γ射线的探头再连接电子线路,可以显示测量结果,若对接上计算机则更加自动化,可对数据进行加工处理。根据用途有三种主要类型:样品测量仪(如放射免疫测量仪等),脏器功能测量仪(如甲状腺功能测量仪等,用以获得脏器内放射性随时间变化的曲线,从而计算出许多脏器的功能参数),全身计数器(用以测定生物整体内微弱的放射性总含量)。②液体闪烁测量仪。用液态闪烁体探测溶于或悬浮于其间的样品发射的软β射线。③放射自显影。核射线可使照相乳胶中的银颗粒感光显像。将样品与照相乳胶紧贴一定时间,达足够的感光量,经过照相加工即可显示出样品中放射性的分布。现在已从动物整体宏观自显影发展成电子显微镜自显影,放射性分布定位已达到亚细胞水平。

稳定性核素可以利用质谱仪、发射光谱分析仪、红外光谱分析仪、磁共振谱仪和活化分析技术等进行分析测量。

超微量放射分析技术

放射性测量的灵敏度很高,探测极限常可比一般物理化学方法小3~6个数量级。同时在大多数情况下,被测样品常不需化学分离和提纯,众多非放射性杂质的存在并不一定影响测量精度,故放射分析方法十分灵敏简便。常用技术主要有以下两种:

竞争放射分析

又称饱和分析。S.A.贝尔松及R.S.耶洛于1959年创立了这种技术,首先用于胰岛素血浓度测定,耶洛因此与人共获诺贝尔生理学或医学奖。其工作原理是利用某种特异结合试剂与被测物和放射性标记的被测物标准品进行竞争结合反应,放射性标记标准品被结合的量与被测物的量成反比,根据放射性标记标准品被结合量的测定值可反推出被测物的量。

进行这种分析必须具备高纯度高精度的被测物标准品及其放射性标记物,合格的特异结合试剂,能够分离结合的及游离的被测物的可靠技术,以及放射性测量仪器。一般所用物品皆由工厂集装成标准化药盒 (kit)供应,使用极为方便。用几个不同量的被测物标准品进行试验,得出结合放射性(B)与游离放射性(F)比值与被测物标准品量的关系(称剂量反应曲线,也称标准曲线),同时进行未知被测物试验,根据其结合放射性,便可从标准曲线上查出被测物的量。本技术要求严格的方法考核和质量监督以确保结果的可靠。具体控制指标为:精密度,指分析结果的重复性;准确性,指测定值与真值的符合程度;效度,指被测物标准品与被测物的免疫化学性质相同的程度;灵敏度,指最小检出量;特异性,指所用特异结合试剂与被测物类似物的交叉反应程度;稳定性,实际上准确性和精密度都反映方法的稳定性,还可以从标准曲线的稳定性来验证方法的稳定性。日常工作中常规的质量控制的具体方法包括:测定质量控制样品;绘制质控图;计算每批放射分析的平行样品的总精密度-反应误差关系(RER),此值应小于0.04;画出每批放射分析的精密度图。世界卫生组织等国际组织对此都有十分明确的规定和要求。

竞争放射分析最常用的方法有三:①放射免疫分析(RIA),所用特异性结合试剂为被测物相应的抗体标记物为标记的被测物。此法应用得最广,现在已可测定300多种体内微量物质,包括肽类及非肽类激素蛋白类激素、维生素、酶、肿瘤相关抗原病毒核酸及其衍生物环核苷酸前列腺素、药物等等,成为医学(包括中国传统医学)研究、疾病诊断、药物血浓度监测、计划生育等不可缺少的重要技术。②免疫放射分析(IRMA),与放射免疫分析不同,在这一方法中用标记抗体而不用标记的被测物。它比RIA更加灵敏而特异,并且更为简便快速,随着杂交瘤技术的推广,这项技术必将迅速发展。③放射受体分析(RRA)和受体的放射分析,前者的分析对象是能与受体发生特异结合的物质(配体),后者分析对象为受体本身的数量和性质。

活化分析

是用中子或带电粒子轰击被测样品或身体某局部甚至全身,使其中某些元素转变为放射性核素,根据此核素发射的射线的性质可以鉴别元素的种类,根据射线的量可以求出该元素的量。已用于某些疾病诊断、微量元素与疾病的关系研究和法医学检查。

核素稀释法

也是一种放射分析技术,但灵敏度不很高。常用于测定全身水、细胞外液血浆、红细胞容量,和体内电解质等含量。当标记物在标本中的量很少并混有杂质,只要知道标记物的比放射性,用本法可以定量。

放射性核素显像

是一种以脏器内、外或正常组织与病变之间的放射性浓度差别为基础的脏器或病变显像方法。其基本条件是:①具有能选择性地聚集在特定脏器或病变的放射性核素或其标记化合物(称显像剂),能使该脏器或病变与邻近组织之间的放射性浓度差达到一定程度;②利用核医学显像装置探测到这种放射性浓度差,根据需要以一定方式将它们显示成像,即为脏器或病变的影像。影像的浓淡(即放射性的高低)直接与显像剂的聚集量有关,聚集量的多少又取决于血流量、细胞功能、细胞数量、代谢率和排泄引流等因素。因此,放射性影像不仅显示脏器或病变的位置、形态、大小等解剖结构,更重要的是同时提供有关脏器和病变的血流、功能、代谢和引流等方面的信息。众所周知,血流、功能和代谢异常,常是疾病的早期变化,出现在形态结构发生变化之前。因此放射性核素显像有助于疾病的早期诊断,并广泛应用于脏器代谢和功能状态的研究,有其独特的价值。

显像剂在脏器或病变中选择性聚集的机理有:①区域分布,②选择性摄取,③化学吸附,④栓塞、拦截,⑤特异性结合,如抗体与抗原结合(这种显像称放射免疫显像,RII),受体与配体结合(称放射受体显像,RRI)。

显像装置有以下几种:

①  扫描机。以固体闪烁体为探头,探头在体表作规律运动,依次逐点采集体内的放射性信息,记录并显示出体内和脏器内放射性分布平面图像。这种仪器灵敏度低、分辨率差、显像速度缓慢,不能作快动态显像,但在中国尚在大量应用。

②  照相机。以直径为300~500mm的固体闪烁体为探头,对准拟显像的部位,一次同时采集该部位各点的放射性信息,经过复杂的电子线路,记录和显示该时该部位放射性分布的平面图像。由于是一次成像,速度可达帧/1.0秒,甚至帧/0.1秒,故可以进行连续快速采集显像,观察体内脏器或病变部位放射性随时间的变化,将脏器形态显示与功能分析结合起来,配上计算机对数据进行处理,本机的功能便极大地扩展。γ-照相机应用价值很大,是当前临床核医学最主要和最重要的仪器。

③  发射型计算机断层照相机。利用电子计算机 X射线断层照相机的原理和类似方法,对从人体内放射性核素发射出来的γ射线进行采集和影像重建,可以得到放射性在体内的三维分布图像,分别以横断面、失状面、冠状面或其他任意选择的剖面进行多层显示,克服了扫描机和γ-照相机所显示的放射性平面分布图像所具有的前后上下放射性相互重叠的固有缺点,能够显示各个部位,特别是深在部位的放射性分布情况,并据以进行真正的定量计算,从而使人体示踪方法向真正的活体定量的方向发展,是为代谢显像。ECT分为两类:一类是单光子ECT(SPECT),需以发射γ射线(单光子)的核素作为显像示踪剂,这种显像剂易得、较便宜,仪器也较为简单和便宜,故可望普遍使用;一类是正电子ECT(PECT),需以发射正电子的核素作为显像示踪剂,它是加速器生产,且半衰期极短,很难广泛应用,但是心、脑代谢和功能研究必不可少的技术。

④  磁共振计算机断层照相机。目前不需向人体内引入非天然核素,只根据体内天然物质成像。但现在已开始研究将稳定性核素或其标记化合物引入人体后进行磁共振成像的技术,结果将与放射性核素或其标记化合物引入人体后用ECT显像相似,这展示了在不同放射性核素的情况下也可进行活体生理、生化、代谢和功能研究的可能性,并能同时获得精细的解剖结构信息。

内照射治疗技术

利用核射线的生物效应杀伤生长活跃的癌细胞和其他病理细胞,以达到治疗目的。放射性核素作为辐射源,可以置于体外对病变进行外照射,最常用的是60Co,其作用方式和治疗方法与X射线、直线加速器和电子感应加速器产生的高能电子束和高能射线、回旋加速器产生的质子和中子等外照射治疗一样,属于放射治疗学。放射性核素也可引入体内对病变进行内照射,因其作用方式、治疗方法和技术管理等都与外照射不同,故不属于放射治疗学,而属核医学范畴。内照射治疗主要利用放射性核素的β射线,由于它的射程短,可以对病变进行近距离有效照射,而对病变以外的正常组织损伤较小。现在常用的方法有两种:①特异性内照射:将一种能够特异性浓聚在病变部位的放射性药物引入人体,可着重对病变进行照射,这是比较理想的治疗方法。如用Na131I治疗甲状腺功能亢进和甲状腺癌转移灶,用Na2H32PO4治疗真性红细胞增多症,用 131I标记的间位碘代苄胍(131I-MIBG)治疗恶性嗜铬细胞瘤转移灶,用某些亲骨放射性药物治疗骨转移疼痛等。将某些肿瘤特异性抗体标记上适宜的放射性核素,引入人体后将与肿瘤相关抗原相结合,致使病变部位放射性浓聚,这种方法不仅可以用作诊断肿瘤,并且可以治疗肿瘤,称放射免疫治疗(RIT),现正得到广泛的研究,是一种很有希望的肿瘤治疗方法。②腔内照射:将放射性胶体引入有病变的体腔内,因放射性胶体可以较长时间存留在体腔内,故可对腔内或腔壁的病灶进行有效照射治疗,常用于治疗或抑制癌细胞播散引起的胸水腹水卵巢癌术后的预防性腹腔内照射,有时也用于膀胱腔、滑膜囊腔、心包腔和颅咽管腔等腔内治疗。经动脉导管将放射性微球等灌注到病变的微小血管中造成栓塞,不仅可以阻断肿瘤的供血,而且可以发挥局部照射作用,提高疗效。

核医学技术的主要优点是能够简便而灵敏地提供生物化学、代谢和脏器功能的信息,并且可与形态结合起来观察。无创性。为进行示踪研究和疾病诊断而引入体内的放射性核素的量极微,人体的辐射吸收剂量一般远低于X射线检查

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