核 子 醫 學 影 像 Nuclear Medicine 莊 子 肇 副 教 授 中 山 電 機 系 1
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 2
放 射 性 的 發 現 Henri Becquerel (1852-1908) : Uranium U i 鈾 的 radioactivity it (1896) Pierre/Marie Curie (1858-1906, 1867-1934) : Radium 鐳 (1898) 3
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 4
貝 克 勒 爾 與 鈾 的 放 射 性 Henri Becquerel 硫 酸 鈾 的 曝 光 照 片 5
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 65mg 6.5 鐳 還 不 包 括 更 多 倍 的 水 與 化 學 藥 物 6
居 禮 夫 婦 的 貢 獻 Pierre/Marie Curie 當 時 的 瀝 青 鈾 礦 槽 7
社 會 對 鐳 所 寄 予 的 厚 望 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... 8
鐳 射 線 的 腫 瘤 治 療 (1906) 突 出 性 angioma 鐳 射 線 治 療 後 9
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 10
鐳 射 線 的 穿 透 性 (1907) 60 mg 溴 化 鐳 鉛 字 曝 光 三 天 後 11
Radiumgraphs (1904) 老 鼠 的 鐳 射 線 影 像 手 (10 mg Ra, 6 hr) 12
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 差 僅 放 射 治 療 方 面 仍 有 持 續 研 究 13
鐳 影 像 與 X 光 的 比 較 (1911) 鐳 影 像 ( 劑 量 高 ) X 光 ( 劑 量 低 ) 14
Sluys Kessler Radium Bomb (1925) 聚 焦 式 腫 瘤 治 療 實 體 圖 (1.3g Ra) 15
穿 透 性 射 線 的 來 源 Gamma ray ( 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 16
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, electron capture ( 射 線 ) 衰 變 ( 核 醫 中 最 重 要 者 ) 17
原 子 核 的 中 子 質 子 比 遠 離 穩 定 區 的 核 種 皆 傾 向 產 生 衰 變 18
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 為 人 體 吸 收, 因 此 核 醫 中 儘 量 不 使 用 19
衰 變 ray : 能 量 高 於 紫 外 線 之 電 磁 波 X ray : 源 自 於 電 子 產 生 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 --> 99m --> 99 42 Tc 43 Tc 43 20
電 磁 波 頻 譜 X 光 與 射 線 基 本 上 性 質 相 同 21
Gamma ray 的 產 生 高 能 量 不 穩 定 原 子 核 釋 放 能 量 所 產 生 22
核 醫 影 像 的 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 23
核 醫 影 像 的 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 24
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 6h 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 有 點 複 雜 27
99 Mo/ 99m Tc 的 主 要 衰 變 途 徑 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 59.4 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 製 造 後 長 途 運 送 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 (l (elute) 醫 院 大 多 是 一 天 一 次 elution 32
99 Mo 99m Tc Generator 構 造 簡 圖 實 體 照 片 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
核 醫 影 像 的 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 35
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 似 曾 相 識? 亦 為 X-ray 的 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 Conduction band Valence band 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) ~ 1 in 5000 photons passes > 99.9% 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 18cm 1.8 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 ht i 物 質 (CsSb, 銫 銻 化 合 物 ) 將 可 見 光 轉 為 電 子 (photocathode) 高 電 壓 (~ 100V x 10) 多 極 放 大 45
光 電 倍 增 管 示 意 圖 每 一 dynode 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 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
多 通 道 訊 號 的 計 算 到 目 前 為 止 Scintillator 先 將 每 一 個 光 子 轉 變 成 數 千 可 見 光 子 scintillation photon) 各 PMT 通 道 再 把 接 收 到 的 可 見 光 子 轉 換 成 電 子, 並 放 大 電 流, 轉 成 電 壓 輸 出 想 得 到 影 像, 就 得 知 道 訊 號 到 底 從 哪 裡 來? 50
Gamma Camera 功 能 構 造 簡 圖 Position logic circuits or Anger logic 51
位 置 邏 輯 線 路 從 有 限 的 PMT 通 道 計 算 影 像 理 論 上 最 靠 近 訊 號 源 的 通 道, 光 子 數 目 最 多, 輸 出 電 壓 最 大 Higher pulse height 更 精 確 一 些, 以 訊 號 大 小 為 權 重, 分 別 朝 水 平 垂 直 方 向 疊 加 Summing matrix circuit 52
Position Logic Circuit 原 理 53
Position Logic Circuit 通 道 數 目 越 多, 空 間 解 析 度 越 好 成 本 越 高 維 護 不 易. 除 了 可 以 了 解 訊 號 的 分 佈, 還 可 以 計 算 每 次 衰 變 釋 出 的 總 能 量 Z pulse: total light output of a single scintillation event 54
Gamma Camera 功 能 構 造 簡 圖 Pulse height analyzer 55
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 56
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 57
Gamma Camera 功 能 構 造 簡 圖 58
於 是 就 組 成 了 Gamma Camera 1980 近 代 www.nuclearcardiology.com 59
典 型 的 核 醫 影 像 ( 什 麼 器 官?) Planar scintigraphy 60
核 子 醫 學 影 像 Nuclear medicine? Unclear medicine i? 沒 那 麼 嚴 重 啦! 清 不 清 晰 不 是 醫 學 影 像 最 重 要 的 考 量 61
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 等 一 下 會 再 提 到 62
Gamma 斷 層 掃 瞄 從 projection imaging 邁 向 tomographic imaging 沒 什 麼, 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 CT (SPECT) 63
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 不 同 深 度 產 生 的 ray 衰 減 程 度 不 同 : attenuation correction 64
SPECT systems Dual head Triple head 65
SPECT images single projection single slice 66
SPECT: coronary artery disease 冠 狀 動 脈 血 管 攝 影 67
核 醫 影 像 的 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 68
化 學 標 記 的 重 要 性 不 是 有 了 放 射 性 同 位 素 就 可 以 趕 快 注 入 人 體! 你 要 看 什 麼? 適 當 選 擇 代 謝 物, 放 上 放 射 標 記 69
許 許 多 多 的 例 子 99m Tc-HMPAO : 腦 血 流 99m Tc-MAA : 肺 微 灌 流 99m Tc-RBC : splenosis 99m Tc-DTPA : 腎 功 能 70
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 71
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 在 擴 散 出 腦 組 織 外 99m Tc-HMPAO : 大 腦 血 流 72
Tc 99m HMPAO 大 腦 血 流 SPECT Axial Coronal Sagittal SPECT with 99m Tc-HMPAO CT scan 73
核 醫 最 重 要 的 目 的 功 能 性 檢 測, 不 是 只 看 器 官 形 態 代 謝 物 的 空 間 資 訊 能 看 到 何 種 功 能, 決 定 於 化 合 物 標 記 過 程 儀 器 發 展 反 而 有 減 緩 趨 勢 74
正 子 放 射 斷 層 掃 瞄 Positron Emission Tomography 75
什 麼 是 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 76
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 : cyclotron 77
Cyclotron 原 理 持 續 加 速 帶 電 粒 子, 撞 擊 靶 物, 使 產 生 不 穩 定 + 衰 變 同 位 素 加 速 方 式 : 電 場 加 速, 磁 場 偏 向 78
醫 院 中 的 Cyclotron Siemens Gammasonics 79
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) 80
Annihilation of Positron and Electron 動 量 守 恆 角 度 約 呈 180 度 81
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) Detector 製 造 與 核 種 無 關! 82
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 83
Coincidence Detection 偵 測 同 時 發 生 的 兩 個 events 表 示 正 子 發 生 源 位 於 直 線 上 (line of response, LOR) Projection! 已 達 到 定 位 功 能, 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! 84
Annihilation Coincidence Detection Coincidence line 原 理 PET 內 部 構 造 85
當 然 可 能 有 False coincidence Coincidence time window: 6~12 ns 86
軸 向 仍 需 要 準 直 儀! Coincidence detection Axial collimation 87
軸 向 仍 需 要 準 直 儀? Multi-slice 2D 3D 88
PET system Siemens PET system 89
影 像 重 建 原 理 同 X-ray CT 與 SPECT Filtered back projection 訊 號 校 正 可 增 進 影 像 品 質 Attenuation Multiple coincidence Scattered coincidence 90
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, 但 在 phosphoration 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 91
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 高 代 謝 : tumor malignancy 92
Frontal lobe epilepsy p T1-MRI 18 F-FDGFDG PET 93
腦 部 的 葡 萄 糖 代 謝 率 (PET) Pituitary Tumor 94
Maximum intensity projection (MIP) of a typical 18 F-FDG whole body PET http://en.wikipedia.org/wiki/positron_emission_tomography 95
其 他 PET 使 用 藥 物 11 C-acetate : 鼻 咽 癌 6-18 F-L-FDOPA FDOPA : 多 巴 胺 代 謝 18 F- 胺 基 酸 H 2 15 O : 大 腦 血 流 2 15 O-O : 組 織 含 氧 量 96
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 跟 SPECT 比 較 起 來? 97
SPECT and PET Line source response function (LSRF) 98
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 遠 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 99
大 腦 血 流 影 像 SPECT Perfusion MRI 100
結 合 型 態 與 功 能 Siemens Symbia SPECT/CT scanner Colon cancer and multiple metastases (PET/CT fusion) 101
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 > MRI > CT > Xray 第 一 線 診 斷? 追 加 檢 查? 102
醫 學 影 像 系 統 : 核 子 醫 學 影 像 103