Contents 什麼是核醫影像? 核醫影像成像要素 - 放射性同位素的產生 - 放射藥物化學標記 - 器官功能診斷原理 - 影像偵測儀器 2

核子醫學影像 Nuclear Medicine 彭旭霞副教授國立清華大學生醫工程與環境科學系 1

Contents 什麼是核醫影像? 核醫影像成像要素 - 放射性同位素的產生 - 放射藥物化學標記 - 器官功能診斷原理 - 影像偵測儀器 2

什麼是核子醫學檢測? 人體原本不具放射性 外加放射性物質送入人體 放射線穿透人體至外界偵測器 檢測局部放射性得知體內狀況 3

放射性的發現 Henri Becquerel (1852-1908) : - Uranium 鈾的 radioactivity (1896) Pierre/Marie Curie (1858-1906, 1867-1934) : - Radium 鐳 (1898) 4

Becquerel 的實驗 螢光與磷光物質特性的偶然發現 硫酸鈾經日曬引發螢光使底片曝光 - 天氣好也只有一點點曝光 - 天氣不好也可以曝光 5

貝克勒爾與鈾的放射性 Henri Becquerel 硫酸鈾的曝光照片 6

居禮夫人的研究 居禮夫人對鐳的放射性的描述 : - 類似侖琴射線, 但更具穿透性... 兩噸瀝青鈾礦提煉出 6.5 mg 鐳 - 還不包括更多倍的水與化學藥物 7

居禮夫婦的貢獻 Pierre/Marie Curie 當時的瀝青鈾礦槽 8

社會對鐳所寄予的厚望 ( 與想像?) 輻射線蘊藏的無限能量 透視人體 ( 診斷 ) 盲人重見光明 腫瘤放射治療... 9

鐳射線的腫瘤治療 (1906) 突出性血管瘤 ( angioma) 鐳射線治療後 10

放射線蘊藏的無限能量? 釷與鐳的化妝品 放射性原子能汽水 11

鐳射線的穿透性 (1907) 60 mg 溴化鐳鉛字曝光三天後 12

Radiumgraphs (1904) 老鼠的鐳射線影像 手 (10 mg Ra, 6 hr) 13

醫用鐳射線的衰退 提煉不易 ( 製造昂貴 ) 難以隨意控制 (X 光可開可關 ) 曝光時間過久 ( 對比較不易調整 ) 僅放射治療方面仍有持續研究 14

鐳影像與 X 光的比較 (1911) 鐳影像 ( 劑量高 ) X 光 ( 劑量低 ) 15

Sluys-Kessler Radium Bomb (1925) 聚焦式腫瘤治療 實體圖 (1.3g Ra) 16

穿透性射線的來源 Gamma ray ( 射線 ; 加瑪射線 ) 來自不穩定原子核衰變 原子核高能態轉至低能態 能量差異以電磁波形式釋出 17

放射性元素的原子核衰變 Radioactive decay - ( 氦原子核 ) 衰變 - - ( 電子 ) 衰變 - + ( 正子 ) 衰變 - ( 射線 ) 衰變 ( 核醫中最重要者 ) 18

原子核的中子質子比 遠離穩定區的核種皆傾向產生衰變 19

粒子衰變 (, -) 蛻變成不同元素 也經常伴有能量釋放 帶電粒子穿透性低 易被人體吸收 核醫中儘量不使用 ( 避免過高劑量被人體吸收 ) 20

衰變 ray : 能量高於紫外線之電磁波 - X ray : 源自於電子產生 ( 高速電子撞擊陽極靶 ) - ray : 源自於原子核 核醫多採用 metastable 核種產生 - 核衰變過程中的中間產物 - 原子核仍處於高能量不穩定狀態 - 如 99 Mo 42 --> 99m Tc 43 --> 99 Tc 43 ( 鉬 ) ( 鎝 ) 21

電磁波頻譜 X 光與 射線基本上性質相同 22

Gamma ray 的產生 高能量不穩定原子核釋放能量所產生 23

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適合的放射性同位素 適當的半衰期長度 射線能量與充足性 無其他射線產生 ( 如 -) 易於生產與標記 25

99m Tc (Technetium 鎝 ) 目前最廣泛使用於核醫的核種 6 hr 半衰期 ( 99m Tc 99 Tc) - 適合十幾分鐘到小時的核醫影像 - 回家也不會對家人亂放 ray 140 KeV 單一射源 26

99 Mo/ 99m Tc 的衰變途徑 看起來有點複雜 27

99 Mo/ 99m Tc 的 主要 衰變途徑 簡化一下 比較容易瞭解了 28

註 : 半衰期長短 太長 : 射線產生慢 - 影像差 劑量高 對環境影響 - 例 : 125 I : 電子攫取 + 35 KeV - 半衰期 65 天 29

註 : 半衰期長短 太短 : 衰減太快 - 無法儲存運輸 甚至無法掃瞄 - 例 : 81m Kr : 190 KeV - 半衰期 13 秒 30

註 : 射線能量 能量太高 - 穿透能力過強 偵測器難與反應 能量太低 - 人體吸收過多 徒增輻射劑量 31

99m Tc 的製造方式 6 hr 半衰期 : 無法在 A 地製造後再長途運送至 B 地使用 由鉬元素 99 Mo 經 - 蛻變後產生 - 67 hr 之半衰期已可製造後運送 99 Mo- 99m Tc 產生器 - 99 Mo 蛻變之後生成鉬鎝混合物 - 以生理食鹽水將鎝沖洗分離 (elute) - 醫院大多是一天一次 elution 32

99 Mo- 99m Tc Generator 實體照片 構造簡圖 33

99m Tc 一週內經過 Elution 的活性曲線 為何 99 Mo- 99m Tc 最受歡迎? 34

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Gamma Camera Hal Anger, 1958 (Anger camera) 核醫影像目前最重要的儀器 閃爍計數器 + 準直儀 + 光電倍增管 + 波高分析器 + 位置邏輯線路 36

Hal Anger 與 Gamma Camera 1958 37

Gamma Camera 功能構造簡圖 Scintillator or Scintillation crystal 38

閃爍計數器 Scintillator 作用 : 感測器 碘化鈉 (NaI) 晶體摻入鉈 (Tl) Gamma ray 的游離性輻射激發電子 電子回到低能量時釋放可見光 39

Gamma Camera 功能構造簡圖 Collimator 40

偵測之前還需準直儀 :Collimator ray : 各方向隨機射出 - 接收器無從測知 source 位置 - 不經過 collimator 得不到影像! 構造 : 平行鉛壁 (septa) - about only 1 in 5000 photons passes - 沒錯!! > 99.9% 的 ray 被浪費了! 41

幾種不同方式的 Collimators 42

More about collimator 基本上決定了 Gamma Camera 的空間解析度 - Thickness of collimator, size of hole - 現今的機器 : 距離標的物 5 cm 遠解析度約可達 1.8 cm 核醫影像不清晰的主要因素 43

Gamma Camera 功能構造簡圖 Photomultiplier tubes (PMT) 44

光電倍增管 Photo multiplier tube; PMT 由 photo-emissive 物質 (CsSb, 銫銻化合物 ) 將可見光轉為電子 (photocathode) 高電壓 (~ 100V) 加速電子 多極 (multiple dynode, ~10) 放大 45

光電倍增管示意圖 每一 dynode (BeO, MgO ) 放大倍率約 3~6 倍 (typically 5) 46

光電倍增管 左邊為 卸裝 後的內部構造 47

其實這樣就完成了非影像核醫儀器 ( 類似單一通道儀器 ) 甲狀腺探測系統 (1950 s) 48

要做影像就必須多通道了 37~91 個光電倍增管排成六角形 49

Gamma Camera 功能構造簡圖 Pulse height analyzer 50

波高分析器 Pulse height analyzer; PHA 選擇性濾除低能量散射 ray - 99m Tc : 140 KeV 單一射源 降低散射以提高空間解析度 51

波高分析器過濾原理 NaI 閃爍晶體釋出之可見光強度, 正比於入射 ray 能量 CsSb 釋出電子正比於入射光強度 篩選各個 single event 電壓高低 52

Gamma Camera 功能構造簡圖 Position logic circuits or Anger logic 53

位置邏輯線路 從有限的 PMT 通道計算影像 通道數目越多, 空間解析度越好 - 成本越高 維護不易. 根據 gamma ray event 發生位置, 朝水平垂直方向疊加 - Summing matrix circuit (SMC) 54

Position Logic Circuit 原理 55

Gamma Camera 功能構造簡圖 56

於是就組成了 Gamma Camera www.nuclearcardiology.com 1980 近代常見儀器 57

典型的核醫影像 ( 什麼器官?) 58

核子醫學影像 Nuclear medicine? Unclear medicine? 清不清晰 未必是醫學影像最重要的考量 59

核醫的重要目的 功能性檢測, 不是只看器官形態 能看到何種 功能 並非完全取決於影像清晰程度 60

Gamma 斷層掃瞄 把 gamma camera 繞病人一圈 其餘就和 CT 一樣 單光子射出式斷層掃瞄 Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) 61

既然原理其實一樣 儀器部分也幾乎完全相同 - Gamma camera 都可做 SPECT 影像重建 : 同 X-ray CT - Filtered back projection 62

SPECT systems Dual head Triple head 63

SPECT images single projection single slice 64

核醫另一有力儀器 : PET? PET: Positron emission tomography 什麼是 positron? - 帶正電的電子 - 電子的 反物質 回想一下放射性元素的衰變 65

會產生 + 衰變的核種 Neutron poor nuclei 自然界幾乎找不到 PET 中常用者 ( 半衰期 ): - 18 F (~110 min), 15 O (~2 min), 11 C (~20 min), 13 N (~10 min), 產生這些核種的方式 - 大多 : cyclotron ( 迴旋加速器 ) - generator 也有 ( 82 Rb), 但不多 66

Cyclotron 原理 持續加速帶電粒子, 撞擊靶物, 產生不穩定 + 衰變同位素 加速方式 : 電場加速, 磁場偏向 67

醫院中的 Cyclotron Siemens Gammasonics 68

但是 PET 並不偵測正子 PET 偵測正子下一步的反應 正子在 1 mm 以內與電子產生互毀 - Annihilation 質量完全消失 => 轉化為能量 ( ray) 69

Annihilation of Positron and Electron 動量守恆角度約呈 180 度 70

Gamma Ray 能量 Einstein relationship : E = mc 2 正子與電子質量固定, 故產生之 gamma ray 能量亦固定 (511 KeV) 因此,detector 之製造就與核種特性無關! 71

PET Signal Detection Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) : 高密度高原子序 (Bi : 83) 適合 511 KeV 偵測 BGO 閃爍計數器 + 光電倍增管 + 同步偵測線路 + 波高分析器 72

Coincidence Detection 偵測同時發生的兩個 events - 表示正子發生源位於直線上 - Projection! 已達到定位功能, 原則上不需要準直儀 PET 劑量可低, 但影像仍能與 SPECT 同樣清晰的最重要原因! 73

Annihilation Coincidence Detection 原理 PET 內部構造 74

PET 只有軸向需要準直儀 Coincidence detection Axial collimation 75

PET system Siemens PET system 76

當然也可能有 false coincidence Coincidence time window: 4~20 ns 77

影像重建 方法同 X-ray CT 與 SPECT - Filtered back projection 也可以 iteration - 略微精確, 耗時較久 78

PET 的放射藥物化學標記 18 F-Fluorodeoxyglucose (FDG) 最為常用 代謝過程類似一般葡萄糖 在 phosphorylation 之後形成 FDG 6-phosphate 便停止 吸附於組織中 18 F 半衰期約 110 min - 勉強可製造完成後送到醫院 ( 但是要飆車 ) 79

FDG for PET 靜脈注射 FDG 組織 18 F 活性 = 葡萄糖代謝率 低代謝 : epileptogenic foci ( 與癲癇有關 ) 高代謝 : tumor malignancy 80

Frontal lobe epilepsy T1WI-MRI 18 F-FDG PET 81

腦部的葡萄糖代謝率 (PET) Pituitary Tumor 82

Maximum intensity projection (MIP) a typical 18 F-FDG whole body PET http://en.wikipedia.org/wiki/positron_emission_tomography 83

其他 PET 使用藥物 11 C-acetate : 鼻咽癌 6-18 F-L-FDOPA : 多巴胺代謝 18 F- 胺基酸 H 15 2 O : 大腦血流 15 O-O : 組織含氧量 84

PET 引人矚目的幾項原因 一般民眾 : FDG 癌症早期篩檢 自然科學學生 : 聽起來像高科技 正電子同位素多半是低原子序核種 - 生物體所富含的有機質 85

學工程者最易犯的毛病 不要告訴我說 PET 可以做影像 and that s all for PET!!! 放射化學合成角色非常重要 - 只用 FDG 做癌症篩檢??? 那喝葡萄糖水可不可以?? 86

但是也有強力競爭者 CT - 顯影劑 + 快速動態影像 = 血流 - 空間解析度勝核醫影像 MRI - 功能性 MR 影像診斷日新月異 - 血流 含氧量 氣體交換 代謝 - 而且還沒有輻射性 87

大腦血流影像 SPECT Gd-MRI 88

結合型態與功能 Siemens PET-CT Colon cancer and multiple metastases 89

Contents 什麼是核醫影像? 核醫影像成像要素 - 放射性同位素的產生 - 放射藥物化學標記 - 器官功能診斷原理 - 影像偵測儀器 90

化學標記的重要性 有了放射性同位素就可以趕快注入人體嗎? 你想要 看 什麼? 適當選擇代謝物, 標定上放射標記 91

許許多多的例子 99m Tc-HMPAO : 腦血流 (cerebral blood flow, CBF) 99m Tc-MAA : 肺微灌流 99m Tc-RBC : splenosis 99m Tc-DTPA : 腎功能 92

更多的例子 123 I-NaI : 甲狀腺功能 133 Xe : pulmonary ventilation 81m Kr : pulmonary ventilation 111 In-WBC : 潛在發炎反應 93

拿其中一個來說 :HMPAO for CBF Hexamethyl propylamineoxime 親脂性 (lypophilic) 迅速由血流帶入腦組織中 並立刻轉為極性分子不再擴散出腦組織外 99m Tc-HMPAO : 觀察大腦血流 94

Tc-99m HMPAO 大腦血流 SPECT Axial Coronal Sagittal SPECT with 99m Tc-HMPAO CT scan 95

核醫最重要的目的 功能性檢測, 不是只看器官形態 能看到何種 功能, 決定於化合物標記過程 96

各式醫學影像 : 取代還是互補? 絕對各有千秋 - 雖有消長, 但仍難互相取代 醫療成本 ($$) : PET( 還有加速器的費用 ) > MRI > CT > Xray 別忘了還有 Ultrasound!! 第一線診斷? 追加檢查? 97

仔細回想分辨一下 X-ray/CT 與 NM(SPECT, PET ): - signal source 之相異之處? - 解析度優劣? - 應用? 98