簡易核醫原理

前言

核子醫學造影是應用放射製劑來追蹤體內的各項生理生化反應,並以閃爍攝影機取得放射製劑在體內分佈及代謝的情況,來做為是否有疾病的診斷。以下我們用簡單的影片介紹,來給大家說明成像的原理。其中說明檢查的步驟包括: 注射放射藥物,等待藥物在血液循環,最後利用掃描機進行造影或取影像。 (updated on 2014-05-10)
(PS: 您如果位於長庚內部網路,可能無法欣賞到YouTube影片!)

放射性同位素

臨床上使用的放射製劑所標定的放射核種主要分為兩類:
  1. 是目前最普遍使用的伽傌射線放射核種 (或稱為單光子放射核種),如99mTc , 131I , 67Ga , 及201Tl 等,這些核種在蛻變中放射出各種不等能量的伽傌射線以進行造影;
  2. 是林口長庚醫院最近引進的正子放射核種,如18F , 15O , 13N , 及11C 等,這些核種在蛻變過程中放射出正子(positron) , 正子從原子核射出之後與環境中的電子撞擊,產生兩個方向相反的511KeV 能量的光子以進行造影。氟18 (F-18),半衰期110分鐘,發出正電子輻射(β+),能量0.64MeV,迴旋加速器生產,反應18O(P,N)18F。正電子輻射 (β) 在組織中的射程為4~5mm,隨後與周遭的電子互毀,並射出180度成對的511KeV 的γ 射線。 化學性質活潑、類似氫元素,主要的放射性藥物有18F-FDG(去氧葡萄糖)。
  3. 由於這兩類核種蛻變產生的放射線不同,因此造影的方式也不一樣。 常用的單光子放射核種可以進行平面 (plannar) 造影,也可以進行單光子斷層掃描 (single photon emission computer tomography , SPECT),這兩種造影方法基本上都能觀察放射製劑在體內分佈、代謝的情況,不同的是 SPECT 造影能得到立體三度空間的影像,對體內深部的病灶能更清楚的偵測出來。至於正子放射核種則進行正子斷層掃描 (positron emission tomography , PET ),利用兩個方向相反的511KeV 光子進行斷層掃描,能得到立體三度空間的影像,且影像解析力更佳。
  4. 以下列舉幾種常見的放射性同位素:
    • 鎝99m (Tc-99m)半衰期6.02小時,發射單純低能γ射線,能量140keV,由99Mo-99mTc發生器獲得,化學形態 Na99mTcO4。由於99mTc的化學性質非常活潑,容易標記各種化合物,射線能量合適,產生的核醫造影品質較好,因此被臨床核醫學廣泛應用。 Na99mTcO4可供製備各種含99mTc放射性藥物,直接靜脈注射則可用於甲狀腺、唾液腺、胃粘膜等造影和體內標記自體紅血球。
    • 放射碘 (radioiodine)碘的穩定性核素只有127I,其他同位素都有放射性,常用123I、124I、125I和131I,化學形式為NaI。123I和124I皆加速器生產,前者半衰期13.2小時,放出159keV的γ射線;後者半衰期4.2天,發出的正子輻射與周遭的電子互毀後發出成對以180度相對射出的511KeV 的γ 射線。125I和131I均由反應爐生產,前者半衰期60天,放出27~35keV的γ射線;後者半衰期8天,發出334和606 keV的β-、364和637keV的γ射線。 123I和131I可供直接口服,用於甲狀腺功能測定和甲狀腺及其腫瘤SPECT造影,其中123I因為半衰期短,能量適中,特別運用於兒童和孕婦,131I則多用於治療甲狀腺功能亢進和甲狀腺分化型癌。124I、123I和131I可供製備各種含碘的放射性藥物,分別用於PET和SPECT造影、診斷、和治療。125I標記免疫活性物質後用於體外微量分析(放射免疫分析RIA),也可以直接封裝,插入腫瘤作為近接放射治療(Brachytherapy)使用。
    • 鉈201 (Thallium-201) 半衰期73小時,經電子捕獲衰變釋放135167keVγ射線,加速器生產,化學形式為201TlCl201Tl的生物特性類似鉀離子(K+),在細胞膜的膜電位和Na+/K+-ATP酶泵作用下進入高代謝的心肌和腫瘤細胞,用於相應的核醫造影。
    • 鎵67 (Gallium-67) 半衰期78小時,發射93184296393keV四種γ射線,由迴旋加速器生產。放射性藥物主要為67Ga-citrate67Ga的生物特性類似3價鐵離子,靜脈注射後主要與攜鐵蛋白結合成攜鐵蛋白複合物,經鐵蛋白受體進入細胞,沉積於胞漿溶酶體中。主要用於腫瘤與炎症核醫造影。
    • 鍶89 (Sr-89) 半衰期50.6天,發射單純的β-射線,最大能量1.46MeV,反應爐生產。化學形式為89SrCl2,靜脈注射後用於治療多發轉移性骨腫瘤患者的骨性疼痛。   

放射藥物 

核醫藥物指的是將放射性同位素或是放射性同位素結合追蹤劑藥物的合成物,顧名思義,放射追蹤劑包括了兩個成分,意即放射性核種,以及用作追蹤特定目標的追蹤藥劑。而放射核種(放射性同位素isotope)依照衰變的方式不同可區分為單光子放射核種,以及正子放射核種,這些放射核種所發出的放射線強度也各有不同。依照檢查的目的不同,所使用的追蹤劑也不同,其中,選擇的要點依追蹤劑可以到達的不同的器官或蛋白而不同。

放射藥物進到人體後,會隨著該藥物的特性聚集在病灶或是欲觀察的組織器官中!
  1. 首先,追蹤劑在進入人體後會全身分佈,慢慢的隨時間的推演,會逐漸累積在該追蹤劑原先設計好可以標記的器官或是組織,而影片中追蹤劑最後進入體的骨骼位置。
  2. 經過依段時間等待後,其他沒有標記到特定器官或組織的追蹤劑會慢慢的自血液中經腎臟或肝臟排除,而部分放射藥物會停留在目標器官或組織中,此時再請受檢者躺上檢查台,由於放射藥物裡的放射同位素會發出輕微的放射線訊號,我們可以掃瞄機來收集病患身上的放射訊號,重組成立體影像供醫師判讀。
  3. 藉由核醫造影,醫師可以從體外判斷體內該放射藥物累積在該器官或是組織的位置以及數量,以判定受檢者身體功能是否正常。 
核醫掃描機   
  1. 來自病人身上的放射線訊號,進入偵測器,首先經由鉛板製作的準直儀(collimator)篩檢,只讓垂直於掃瞄機的放射線進入偵測器。
  2. 接著,放射線與掃瞄機中的閃爍晶體(scintillator)交互作用產生光,該微弱的光經由數十個光電倍增管(photomultipliers)將光轉換成電的訊號,其中愈接近光源處所產生的電訊號愈強(圖中比較深的紅色),較遠離光源處所產生的電訊號愈弱(圖中比較淺的紅色)。
  3. 藉由不同光電倍增管發出的電訊號強弱不同,且已經知道各個光電倍增管的位置,所以可以計算出光源產生的位置在何處(紅色的路徑, X, Y),如影片中的光源位置為(X=3, Y=5)
  4. 由於所有光電倍增管的電訊號總和等比於射入掃瞄機的放射線強度(藍色的路徑, Z),所以可以換算出射入掃瞄機的放射線強度,如果該放射線強度為我們欲偵測追蹤劑的放射線強度,則該訊號會被記錄下來;相反的,如果該放射線強度,並不是我們欲偵測追蹤劑的放射線強度,則該訊號有可能是背景輻射偶然被掃瞄機偵測所得,則該訊號不會被紀錄。
  5. 所有被紀錄的訊號可組合成一張影像供醫師判讀。
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