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造影： PET 与 SPECT

造影： PET 与 SPECT. 正子射出断层摄影 (Positron Emission Tomography) 单光子射出计算机断层摄影 ( S ingle P hoton E mission C omputed T omography). PET 与 SPECT. 理想造影核种的特性：生物、化学、物理性质 放射核种的制造 核分裂 荷电粒子撞击 Tc-99m 产生器 化学 螯合剂 vs 有机化学 输送策略 血脑障壁 新陈代谢路径 化学亲和力 临床应用 肿瘤造影与分期 心脏造影 基因治疗 脑功能 多巴胺路径 ﹐ 成瘾. 造影.

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造影： PET 与 SPECT

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Presentation Transcript

  1. 造影：PET与SPECT 正子射出断层摄影(Positron Emission Tomography) 单光子射出计算机断层摄影 (Single Photon Emission Computed Tomography)

  2. PET与SPECT 理想造影核种的特性：生物、化学、物理性质 放射核种的制造 核分裂 荷电粒子撞击 Tc-99m产生器 化学 螯合剂 vs 有机化学 输送策略 血脑障壁 新陈代谢路径 化学亲和力 临床应用 肿瘤造影与分期 心脏造影 基因治疗 脑功能 多巴胺路径﹐成瘾

  3. 造影 影像已移除

  4. 放射核种 SI 单位是贝克(Bq) 1 Bq = 1 dps(每秒中的分裂次数) 旧单位是居里(Ci) 1 Ci = 3.7×1010 dps 活度(A) = 蜕变率 N0=在时间t = 0 时的放射核种数目 N( t )是在时间’ t ’时放射核种的数目 λ是蜕变常数 λ= 0.693/T (T = 半衰期) dN/dt = -λN( t ) N( t ) = N0e-λt A( t ) = A0e-λt

  5. 有效半衰期 物理半衰期﹐TP [放射活性蜕变] 生物半衰期﹐TB [从体内清出] A = A0 A = A0 λP＋ λB = λE 或

  6. 有效半衰期 范例：一种有6小时半衰期的同位素附在不同生物半衰期的载体分子上 TP TB TE 6 hr 1 hr 0.86 hr 6 hr 6 hr 3 hr 6 hr 60 hr 5.5 hr 6 hr 600 hr 5.9 hr

  7. 有效半衰期 假设有106 Bq集中在肿瘤所在地﹐不同半衰期

  8. 有效半衰期 假设放射性核种有106 个原子集中在肿瘤所在地﹐不同半衰期T

  9. 放射性核种的制造 反应器产生﹐核分裂 • 重的核种(A > 230)捕获一个中子：倾向分裂 • 子核种约有母核种质量之一半产生 • 无载体(carrier-free)的核种纯化是可行的(化学方法困难) • 一般生成的核种为中子较多且以β-发射的方式蜕变 * carrier-free : 只有放射性核种存在﹐无稳定核种同时存在者

  10. 放射性核种的制造 影像已移除

  11. 放射性核种的制造 影像已移除

  12. 放射性核种的制造 回旋加速器的制造：荷电粒子的撞击 • 加速荷电粒子至高能状态 • 核反应有低限能量 • 产物与靶并不同 • 产生的核种为无载体

  13. 放射性核种的制造 影像已移除

  14. 理想诊断用核医药物的特性 • 纯加马发射体 • 加马能量介于100至250 keV之间 • 有效半衰期= 1.5倍的检验期间 • 靶∕非靶 比值高 • 对病人与核医工作人员的辐射剂量低 • 对病患是安全的 • 化学反应性 • 不昂贵、有实际效用的核医药物 • 制备简单且若在一般院内制造能有质量控制

  15. 理想诊断用核医药物的特性 有一核种接近所谓的理想加马发射体核种 鎝-99m (99mTc) • 半衰期= 6 hr • 几乎是个纯γ射线发射体 • E = 140 keV • 能获得高的比活度与无载体

  16. 核种 99mTc是核分裂产物99Mo的蜕变产物 99mTc 影像已移除

  17. 99mTc 核种表 原始来源：Brookhaven国家实验室 (此网站已不再有人维护-见http://www2.bnl.gov/CoN/)

  18. 99mTc的蜕变图 99Mo以放出β蜕变成99mTc (99Mo：T=67 hrs) 99mTc激态藉由放出γ(140 keV)蜕变到基态99Tc(99mTc：T=6 hrs) 99Tc(基态)藉由放出β蜕变至99Ru(稳定同位素) (99Tc：T=2×105年) 影像已移除

  19. 放射活性平衡 母核N1蜕变成子核N2﹐两者皆具放射性。 特殊例子：瞬时平衡 N1→N2 T1> T2﹐但差不大。[A=λN﹐A=A0e-λt ] =λ1N1–λ2N2 =>=> A2=A10( – ) + A20 简单假设：A20=0：在~10半衰期之后﹐ << 或

  20. 例： 99Mo(T=67 hrs) 99mTc(T=6 hrs) 放射活性蜕变 影像已移除 Fig. 4.5 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995.

  21. 99mTc产生器 99Mo对一氧化铝柱吸收成为钼酸铵(NH4MoO4) 99Mo(T=67 hrs)蜕变(以β蜕变)成99mTc(T=6 hrs) 99MoO4离子变成99mTcO4(过鎝酸盐, pertechnetate)离子(化性上不同) 99mTcO4对氧化铝的键结亲和力较低且可将生理食盐水通过氧化铝柱来作选择性洗涤。 影像已移除

  22. 螯合物 EDPA 乙烯二氨四醋酸 影像已移除 99mTc巯替肽(Mertiatide)键结结构 影像已移除 鎝泮替酸盐(pentetate)键结结构 DTPA

  23. 螯合物 影像已移除

  24. 放射核种的产生 回旋加速器的备制 ．产物为质子较多、中子缺乏 ．以β+蜕变 ．正子发射物 影像已移除

  25. 核素图 “有机”元素 13N [13N]NH3 15O [15O]H2O 11C [11C]..种类繁多 18F [18F]FDG(主要) 原始来源：Brookhaven国家实验室 (网址已不再有人维护-见http://www2.bnl.gov/CoN/)

  26. 靶 O-15：14N(d,n)15O;氘核打击在天然N2气上; 直接产生15O2 或 C15O2, 以5%载体CO2 气体混合。 C-11: 14N(p,α)11C; 质子打击在天然N2气上; 加入2% O2, 产生 11CO2 N-13: 16O(p,α)13N; 质子打击在蒸馏水上 F-18: 18O(p,n)18F; 质子打击在富含18O之水(H218O),。 氟回收为液态溶液。利用亲核取代反应。 F-18: 20Ne(d,α)18F;氘核打击在氖气上。利用亲电取代反应。 回旋加速器的生产

  27. PET核医药物 影像已移除

  28. PET核医药物 • 来自靶的11CO2转换成一高反应性的甲基药剂： 11CH3I或11CH3Tf • 药剂蜕变至消逝时间为12分钟。 • 放射化学产率以11CO2而言约90% • 可获得高于6Ci/μmol (220GBq/μmol) 的比活度。 • 11C-甲基化合物之各类前驱物能在几分钟内于二次反应试管中备制出来。 • 经过甲基化后﹐反应产物经由半备制的放射-HPLC分离出来﹐再经固项萃取设备纯化﹐接着放射性示踪剂形成一可注射的食盐水溶液。

  29. 投药策略 血脑障壁 新陈代谢路径 生物亲和力 影像已移除 19世纪末的德国化学家Paul Ehrlich证实某些染料经静脉注射后无法染于脑中。相同的染料若注射到脑脊髓液﹐会对脑部与脊髓染色﹐但其它组织则否。

  30. 血脑障壁(BBB) 功 能 提供神经元所需的养分 葡萄糖 • 唯一的能量来源(成人脑部消耗量约每天100 g葡萄糖) • 神经元需要在精确地浓度下获得持续的供给 BBB有选择性 • 葡萄糖与其它养分可以穿过 • 蛋白质、碳水复合物、所有其它外来化合物都被排除在外 • 离子浓度被严格调控 影像已移除

  31. 药物传送 肿瘤没有血脑障蔽的机制 影像已移除

  32. 投药策略：新陈代谢路径 FDG 2-氟-2-脱氧葡萄糖 B-D-葡萄糖

  33. 投药策略：新陈代谢路径 Glu → G6P → F6P → FBP ? FDG被运送到细胞中 ? FDG被磷酸化成FDG-6P (带电荷分子不能扩散出去) ? FDG是无法被酵素催化而进一步糖酵解的物质。 影像已移除

  34. 地图化人类脑部功能 18F-FDG PET扫描显示葡萄糖代谢与不同任务之关连的不同图样。 影像已移除

  35. FDG于肿瘤学的应用 • FDG运输进入肿瘤的比例比周围正常组织高。 • FDG已去磷酸化且能离开细胞。 • 去磷酸化肿瘤内发生的速率较慢。 FDG的应用 • 局部未知的原发病灶 • 肿瘤与正常组织的鉴别 • 疾病的术后分期(肺脏, 乳房, 结直肠, 黑色素瘤, 头颈, 胰脏) • 复发 vs 坏疽 • 复发vs 手术后的变化(以FDG受限制) • 监测治疗的反应

  36. PET可提供较高的特定新陈代谢信息。 ?FDG, MET, FLT与运输介质合作 ?摄入程度是肿瘤分期的指标 11C-甲硫胺酸(MET) ?具肿瘤特异性 ?避免如FDG的高脑部背景值问题 ?在慢性发炎或放射线造成的病灶 中并无明显的摄取 ?对低分期的神经胶质瘤而言MEG 比FDG佳 投药策略：新陈代谢路径 FIAU 2’-fluoro-2’-1-B-D-arabinofuranosyl-5-[124I]-uracil FLT 3’deoxy-3-fluoro-[18F]-L-thymidine

  37. 神经胶质瘤的功能性造影 造影目的 • 定位与周围脑部活性的关连 • 生物活性=恶性 • 对治疗的反应 影像已移除

  38. 肿瘤复发 vs 放射治疗后的的变化 有FDG摄入意味着肿瘤复发 左：MRI 中：PET 右：融合影像 影像已移除

  39. 功能性造影 肿瘤 vs 功能性脑部 11C-MET + MRI 描绘肿瘤(绿) [15O]H2O PET 描绘功能(血流) 脑部区域的刺激造成血流增加(红) 轻敲手指(A) 动词产生(B) 手术前分析以引导外科手术 肿瘤造成脑部解剖上的肿胀与变形：勘测功能变得很关键 手术中电子刺激造成失语症：与[15O]H2O PET的勘测地图区域关联性佳。 在手术中可将信息显示在神经导引系统中 影像已移除

  40. 复发肿瘤 vs 坏死 • MRI (右)指出坏死 • 11C-MET (左)显示肿瘤复发 影像已移除

  41. 不同影像类型的影像关联性 高期别神经胶质瘤：三维影像决定出： ? 定位 ? 范围 ? 新陈代谢 上：MRI 中：11C-MET 下：18FDG [注意较下方同一侧的葡萄糖新陈代谢] 影像已移除

  42. 骨骼扫描 骨骼扫描是第二常见的核医检查 临床应用： ?原发与转移骨肿瘤的侦测 ?无法解释的骨痛评估 ?应力骨折或其它肌肉骨骼受伤或疾病之诊断 例如 膀胱癌： ?发生率渐增 ?在许多西方国家中造成多数男性患者死亡 ?膀胱癌死亡者有85%转移到骨骼上 ?新的病例中有60%有转移 ?骨转移会造成疼痛与衰弱 ?骨转移的诊断是进行肿瘤分期以决定治疗方式的程序中一部份 乳癌： ?骨骼是较常发生转移之处 ?所有病例中有8%发展出骨转移 ?重症病例中有70%经历骨转移

  43. 骨骼 骨骼是由在胶原基质中的氢氧碳酸钙Ca5(PO4)3OH的结晶状基质所构成的活组织 成骨细胞：新骨骼形成、受损处的修复、是新 的结晶状氢氧碳酸钙沈降的由来 破骨细胞：骨骼再吸收、溶解骨骼?破骨细胞 在转移肿瘤处中较活跃。

  44. 投药策略 O ∥ O ∥ 焦磷酸盐 ATP水解后的正常代谢物 骨骼中磷酸盐的来源 双磷酸盐 ?对于骨骼成份中的氢氧基磷灰石(hydroxypatite)有亲合力 ?于骨骼再成形或修复期间会并入结晶状基质中 ?用以减缓或避免骨质密度流失而骨质疏松 HO— P— O— P— OH ｜ O– ｜ O– 焦磷酸盐(pyrophosphate) O ∥ R1 ｜ O ∥ HO— P— C— P— OH ｜ R2 ｜ O– ｜ O– 双磷酸盐(biophosphate)

  45. 骨骼扫描 正常儿童骨骼扫描 影像已移除

  46. 骨骼扫描 舟状骨骨折 ?48岁女性﹐在跌倒时伸手撑住后手腕疼痛了两周。 ?X光摄影显示正常 ?血流(13NH3)于左手腕有增加现象(上图) ?左手舟状骨骨折显现在99mTc-MDP影像中(下图) 影像已移除

  47. 活跃的转移性疾病 41岁男性﹐肺癌患者﹐在右上肱骨疼痛﹐两侧肋骨疼痛了2-3个月﹐左膝疼痛了3周 。 扫描检查显示多处有不正常的示踪剂摄入其中 ? 右肱骨 ? 肋骨多处 ? 左股骨 ? 尾椎与腰椎 影像已移除

  48. 惯状动脉疾病 利用PET与/或SPECT造影来获得以下信息： ?灌注 ?新陈代谢 ?鉴别有生存力与无生存力的心肌

  49. 心脏造影 影像已移除

  50. 心脏压力试验 运动造成 ?HR(心搏率)、收缩、BP(血压)增加 ?O2需求增加 ?冠状血管扩张增加心肌血流 影像已移除

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