Ядерная медицина ( ядерная радиология , нуклеология ), [1] [2] является медицинской специальностью , включающей применение радиоактивных веществ в диагностике и лечении заболеваний . Ядерная визуализация, в некотором смысле, является радиологией, сделанной изнутри наружу , поскольку она регистрирует излучение, испускаемое изнутри тела, а не излучение , которое передается через тело от внешних источников, таких как рентгеновские генераторы . Кроме того, сканирование ядерной медицины отличается от радиологии, поскольку акцент делается не на визуализации анатомии, а на функции. По этой причине его называют физиологическим методом визуализации . Сканирование с помощью однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) является двумя наиболее распространенными методами визуализации в ядерной медицине. [3]
В ядерной медицинской визуализации радиофармацевтические препараты принимаются внутрь, например, через ингаляцию, внутривенно или перорально. Затем внешние детекторы ( гамма-камеры ) захватывают и формируют изображения из излучения, испускаемого радиофармацевтами. Этот процесс отличается от диагностического рентгена, где внешнее излучение проходит через тело для формирования изображения. [ необходима цитата ]
Существует несколько методов диагностической ядерной медицины.
Тесты ядерной медицины отличаются от большинства других методов визуализации тем, что сканирование ядерной медицины в первую очередь показывает физиологическую функцию исследуемой системы, в отличие от традиционной анатомической визуализации, такой как КТ или МРТ. Исследования визуализации ядерной медицины, как правило, более специфичны для органов, тканей или заболеваний (например, сканирование легких, сканирование сердца, сканирование костей, сканирование мозга, опухоль, инфекция, болезнь Паркинсона и т. д.), чем исследования в традиционной радиологии, которые фокусируются на определенной части тела (например, рентгенография грудной клетки, КТ брюшной полости/таза, КТ головы и т. д.). Кроме того, существуют исследования ядерной медицины, которые позволяют визуализировать все тело на основе определенных клеточных рецепторов или функций. Примерами являются ПЭТ-сканирование всего тела или ПЭТ/КТ- сканирование, сканирование галлием , сканирование индиевыми лейкоцитами , сканирование MIBG и октреотидом .
Хотя способность ядерного метаболизма визуализировать процессы болезни на основе различий в метаболизме непревзойденна, она не уникальна. Некоторые методы, такие как фМРТ, визуализируют ткани (особенно мозговые ткани) по кровотоку и, таким образом, показывают метаболизм. Кроме того, методы контрастного усиления как в КТ, так и в МРТ показывают области ткани, которые по-разному обрабатывают фармацевтические препараты из-за воспалительного процесса.
Диагностические тесты в ядерной медицине используют способ, которым организм обрабатывает вещества по-разному, когда присутствует болезнь или патология. Радионуклид, вводимый в организм, часто химически связан с комплексом, который действует характерным образом в организме; это обычно известно как трассер . При наличии болезни трассер часто будет распределяться по телу и/или обрабатываться по-другому. Например, лиганд метилендифосфонат ( МДФ ) может преимущественно поглощаться костью. При химическом присоединении технеция-99m к МДП радиоактивность может транспортироваться и прикрепляться к кости через гидроксиапатит для визуализации. Любое увеличение физиологической функции, например, из-за перелома кости, обычно будет означать увеличение концентрации трассера. Это часто приводит к появлению «горячей точки», которая представляет собой очаговое увеличение накопления радиоактивности или общее увеличение накопления радиоактивности во всей физиологической системе. Некоторые болезненные процессы приводят к исключению трассера, что приводит к появлению «холодной точки». Разработано множество комплексов радиоизотопных индикаторов для визуализации или лечения различных органов, желез и физиологических процессов.
В некоторых центрах сканы ядерной медицины могут быть наложены с помощью программного обеспечения или гибридных камер на изображения, полученные с помощью таких методов, как КТ или МРТ, чтобы выделить часть тела, в которой сконцентрирован радиофармпрепарат. Эту практику часто называют слиянием изображений или совместной регистрацией, например, SPECT/CT и PET/CT. Метод слияния изображений в ядерной медицине предоставляет информацию об анатомии и функции, которая в противном случае была бы недоступна или потребовала бы более инвазивной процедуры или хирургического вмешательства.
Хотя риски воздействия низких уровней радиации изучены недостаточно, повсеместно принят осторожный подход, согласно которому все уровни воздействия радиации на человека должны поддерживаться на уровне «настолько низко, насколько это практически осуществимо » («ALARP»). (Первоначально это называлось «настолько низко, насколько это разумно достижимо» (ALARA), но в современных редакциях законодательства это изменилось, чтобы сделать больший акцент на «разумно» и меньший на «достижимом»).
Работая с принципом ALARP, прежде чем пациент будет подвергнут ядерному медицинскому обследованию, необходимо определить пользу от обследования. При этом необходимо учитывать особые обстоятельства конкретного пациента, где это уместно. Например, если пациент вряд ли сможет выдержать достаточное количество процедуры для постановки диагноза, то было бы нецелесообразно продолжать вводить пациенту радиоактивный индикатор.
Если польза оправдывает процедуру, то воздействие радиации (количество радиации, получаемое пациентом) также должно поддерживаться на уровне "ALARP". Это означает, что изображения, полученные в ядерной медицине, никогда не должны быть лучше, чем требуется для уверенной диагностики. Предоставление более высоких уровней воздействия радиации может уменьшить шум на изображении и сделать его более фотографически привлекательным, но если на клинический вопрос можно ответить без такого уровня детализации, то это неуместно.
В результате доза облучения от визуализации ядерной медицины сильно варьируется в зависимости от типа исследования. Эффективная доза облучения может быть ниже или сопоставима или может значительно превышать общую ежедневную фоновую дозу облучения окружающей среды. Аналогично, она может быть ниже, в диапазоне или выше дозы облучения от КТ брюшной полости/таза.
Некоторые процедуры ядерной медицины требуют специальной подготовки пациента перед исследованием для получения наиболее точного результата. Подготовка к визуализации может включать диетическую подготовку или отказ от определенных лекарств. Пациентам рекомендуется проконсультироваться с отделением ядерной медицины перед сканированием.
Результатом процесса визуализации в ядерной медицине является набор данных, состоящий из одного или нескольких изображений. В наборах данных с несколькими изображениями массив изображений может представлять собой временную последовательность (например, кино или фильм), часто называемую «динамическим» набором данных, временную последовательность сердечного стробирования или пространственную последовательность, в которой гамма-камера перемещается относительно пациента. SPECT (однофотонная эмиссионная компьютерная томография) — это процесс, при котором изображения, полученные с вращающейся гамма-камеры, реконструируются для получения изображения «среза» пациента в определенном положении. Набор параллельных срезов образует стек срезов, трехмерное представление распределения радионуклида в организме пациента.
Компьютеру ядерной медицины могут потребоваться миллионы строк исходного кода для предоставления пакетов количественного анализа для каждого из конкретных методов визуализации, доступных в ядерной медицине. [ необходима цитата ]
Временные последовательности можно дополнительно проанализировать с помощью кинетических моделей, таких как многокомпонентные модели или график Патлака .
Радионуклидная терапия может использоваться для лечения таких заболеваний, как гипертиреоз , рак щитовидной железы , рак кожи и заболевания крови.
В ядерной медицинской терапии доза лучевой терапии вводится внутрь (например, внутривенно или перорально) или наружно непосредственно над областью лечения в виде соединения (например, в случае рака кожи).
Радиофармацевтические препараты, используемые в ядерной медицинской терапии, испускают ионизирующее излучение, которое распространяется только на короткое расстояние, тем самым сводя к минимуму нежелательные побочные эффекты и повреждения не вовлеченных органов или близлежащих структур. Большинство видов ядерной медицинской терапии можно проводить в амбулаторных условиях, поскольку побочные эффекты от лечения незначительны, а воздействие радиации на население можно удерживать в безопасных пределах.
В некоторых центрах отделение ядерной медицины может также использовать имплантированные капсулы с изотопами ( брахитерапия ) для лечения рака.
История ядерной медицины содержит вклады ученых из разных дисциплин в области физики, химии, инженерии и медицины. Многопрофильная природа ядерной медицины затрудняет для историков медицины определение даты рождения ядерной медицины. Вероятно, лучше всего ее поместить между открытием искусственной радиоактивности в 1934 году и производством радионуклидов Национальной лабораторией Ок-Ридж для использования в медицине в 1946 году. [6]
Истоки этой медицинской идеи восходят к середине 1920-х годов во Фрайбурге , Германия, когда Джордж де Хевеши проводил эксперименты с радионуклидами, вводимыми крысам, таким образом, показывая метаболические пути этих веществ и устанавливая принцип трассера . Возможно, зарождение этой медицинской области произошло в 1936 году, когда Джон Лоуренс , известный как «отец ядерной медицины», взял отпуск на своей преподавательской должности в Йельской медицинской школе , чтобы навестить своего брата Эрнеста Лоуренса в его новой радиационной лаборатории (теперь известной как Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли ) в Беркли , Калифорния . Позднее Джон Лоуренс сделал первое применение у пациентов искусственного радионуклида, когда он использовал фосфор-32 для лечения лейкемии . [7] [8]
Многие историки считают открытие искусственно созданных радионуклидов Фредериком Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри в 1934 году наиболее значимой вехой в ядерной медицине. [6] В феврале 1934 года они сообщили о первом искусственном производстве радиоактивного материала в журнале Nature , после обнаружения радиоактивности в алюминиевой фольге, облученной препаратом полония. Их работа основывалась на более ранних открытиях Вильгельма Конрада Рентгена для рентгеновских лучей, Анри Беккереля для радиоактивных солей урана и Марии Кюри (матери Ирен Кюри) для радиоактивного тория, полония и введения термина «радиоактивность». Таро Такеми изучал применение ядерной физики в медицине в 1930-х годах. История ядерной медицины не будет полной без упоминания этих ранних пионеров.
Ядерная медицина получила общественное признание как потенциальная специальность, когда 11 мая 1946 года в журнале Американской медицинской ассоциации (JAMA) была опубликована статья доктора Сола Герца из Массачусетской больницы общего профиля и доктора Артура Робертса из Массачусетского технологического института, в которой описывалось успешное применение лечения болезни Грейвса с помощью радиоактивного йода (RAI). [9] Кроме того, Сэм Сейдлин. [10] внес дальнейшее развитие в эту область, описав успешное лечение пациента с метастазами рака щитовидной железы с помощью радиоактивного йода ( I-131 ). Эти статьи считаются многими историками наиболее важными статьями, когда-либо опубликованными в ядерной медицине. [11] Хотя самое раннее использование I-131 было посвящено терапии рака щитовидной железы, позднее его использование было расширено и включило визуализацию щитовидной железы, количественную оценку функции щитовидной железы и терапию гипертиреоза. Среди множества радионуклидов, которые были открыты для медицинского использования, ни один не был столь важным, как открытие и разработка Технеция-99m . Он был впервые открыт в 1937 году К. Перье и Э. Сегре как искусственный элемент для заполнения пространства номер 43 в Периодической таблице. Разработка системы генератора для получения Технеция-99m в 1960-х годах стала практическим методом для медицинского использования. Сегодня Технеций-99m является наиболее используемым элементом в ядерной медицине и применяется в самых разных исследованиях визуализации ядерной медицины.
Широкое клиническое использование ядерной медицины началось в начале 1950-х годов, когда расширились знания о радионуклидах, обнаружении радиоактивности и использовании определенных радионуклидов для отслеживания биохимических процессов. Пионерские работы Бенедикта Кассена по разработке первого прямолинейного сканера и сцинтилляционной камеры Хэла О. Энгера ( камера Энгера ) расширили молодую дисциплину ядерной медицины до полноценной специальности медицинской визуализации.
К началу 1960-х годов в южной Скандинавии Нильс А. Лассен , Дэвид Х. Ингвар и Эрик Скинхой разработали методы, которые предоставили первые карты кровотока мозга, которые изначально включали вдыхание ксенона-133 ; [12] вскоре после этого был разработан внутриартериальный эквивалент, позволяющий измерять локальное распределение мозговой активности у пациентов с нейропсихиатрическими расстройствами, такими как шизофрения. [13] Более поздние версии имели 254 сцинтиллятора , поэтому двумерное изображение могло быть получено на цветном мониторе. Это позволило им создавать изображения, отражающие активацию мозга от речи, чтения, зрительного или слухового восприятия и произвольного движения. [14] Этот метод также использовался для исследования, например, воображаемых последовательных движений, мысленных вычислений и ментальной пространственной навигации. [15] [16]
К 1970-м годам большинство органов тела можно было визуализировать с помощью процедур ядерной медицины. В 1971 году Американская медицинская ассоциация официально признала ядерную медицину медицинской специальностью. [17] В 1972 году был создан Американский совет по ядерной медицине , а в 1974 году был создан Американский остеопатический совет по ядерной медицине , закрепив ядерную медицину как самостоятельную медицинскую специальность.
В 1980-х годах были разработаны радиофармпрепараты для использования в диагностике заболеваний сердца. Развитие однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT) примерно в то же время привело к трехмерной реконструкции сердца и созданию области ядерной кардиологии.
Более поздние разработки в области ядерной медицины включают изобретение первого позитронно-эмиссионного томографа ( ПЭТ ). Концепция эмиссионной и трансмиссионной томографии, позже переросшая в однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (SPECT), была введена Дэвидом Э. Кулем и Роем Эдвардсом в конце 1950-х годов. [ необходима цитата ] Их работа привела к проектированию и созданию нескольких томографических инструментов в Университете Пенсильвании. Методы томографической визуализации получили дальнейшее развитие в Медицинской школе Вашингтонского университета . Эти инновации привели к созданию слияния изображений с SPECT и CT Брюсом Хасегавой из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и первого прототипа ПЭТ/КТ Д. У. Таунсендом из Питтсбургского университета в 1998 году. [ необходима цитата ]
Визуализация ПЭТ и ПЭТ/КТ в первые годы развивалась медленнее из-за стоимости метода и необходимости наличия циклотрона на месте или поблизости. Однако административное решение об одобрении медицинской компенсации ограниченного применения ПЭТ и ПЭТ/КТ в онкологии привело к феноменальному росту и широкому признанию за последние несколько лет, чему также способствовало введение меченых 18F трассеров для стандартных процедур, что позволило работать в местах, не оборудованных циклотроном. Визуализация ПЭТ/КТ теперь является неотъемлемой частью онкологии для диагностики, стадирования и мониторинга лечения. Полностью интегрированный сканер МРТ/ПЭТ появился на рынке с начала 2011 года. [ необходима цитата ]
99m Tc обычно поставляется в больницы через радионуклидный генератор, содержащий материнский радионуклид молибден-99 . 99 Mo обычно получают как продукт деления 235 U в ядерных реакторах, однако глобальный дефицит поставок привел к исследованию других методов производства . Около трети мировых поставок и большая часть поставок Европы медицинских изотопов производится на ядерном реакторе Petten в Нидерландах . Еще треть мировых поставок и большая часть поставок Северной Америки производилась в Chalk River Laboratories в Chalk River , Онтарио , Канада, до ее окончательного закрытия в 2018 году. [18]
Наиболее часто используемый радиоизотоп в ПЭТ, 18F , производится не в ядерном реакторе, а в кольцевом ускорителе, называемом циклотроном . Циклотрон используется для ускорения протонов для бомбардировки стабильного тяжелого изотопа кислорода 18O . 18O составляет около 0,20% обычного кислорода (в основном кислорода-16 ), из которого он извлекается. Затем 18F обычно используется для изготовления FDG .
Типичное исследование ядерной медицины включает введение радионуклида в организм путем внутривенной инъекции в жидкой или агрегатной форме, прием внутрь в сочетании с пищей, вдыхание в виде газа или аэрозоля или, реже, инъекцию радионуклида, прошедшего микроинкапсуляцию . Некоторые исследования требуют маркировки собственных клеток крови пациента радионуклидом ( лейкоцитарная сцинтиграфия и сцинтиграфия эритроцитов ). Большинство диагностических радионуклидов испускают гамма-лучи либо непосредственно при их распаде, либо косвенно через электронно-позитронную аннигиляцию , в то время как разрушающие клетки свойства бета-частиц используются в терапевтических целях. Очищенные радионуклиды для использования в ядерной медицине получают в результате процессов деления или синтеза в ядерных реакторах , которые производят радионуклиды с более длительным периодом полураспада, или циклотронах , которые производят радионуклиды с более коротким периодом полураспада, или используют преимущества процессов естественного распада в специальных генераторах, например, молибден/технеций или стронций/рубидий.
Наиболее часто используемые внутривенные радионуклиды - это технеций-99m, йод-123, йод-131, таллий-201, галлий-67, фтор-18, фтордезоксиглюкоза и лейкоциты , меченные индием-111 . [ необходима ссылка ] Наиболее часто используемые газообразные/аэрозольные радионуклиды - это ксенон-133, криптон-81m, ( аэрозольный ) технеций-99m. [23]
Пациент, проходящий процедуру ядерной медицины, получит дозу облучения . Согласно действующим международным рекомендациям, любая доза облучения, какой бы малой она ни была, представляет риск. Доза облучения, полученная пациентом при исследовании ядерной медицины, хотя и не доказана, как правило, представляет очень небольшой риск возникновения рака. В этом отношении она похожа на риск от рентгеновских исследований, за исключением того, что доза облучения поступает изнутри, а не из внешнего источника, такого как рентгеновский аппарат, и дозы обычно значительно выше, чем у рентгеновских лучей.
Доза облучения от исследования ядерной медицины выражается как эффективная доза в единицах зивертов (обычно указывается в миллизивертах, мЗв). Эффективная доза , полученная в результате исследования, зависит от количества введенной радиоактивности в мегабеккерелях ( МБк), физических свойств используемого радиофармпрепарата , его распределения в организме и скорости его выведения из организма.
Эффективные дозы могут варьироваться от 6 мкЗв (0,006 мЗв) для измерения скорости клубочковой фильтрации с помощью 3 МБк хрома -51 ЭДТА до 11,2 мЗв (11 200 мкЗв) для процедуры визуализации миокарда с помощью 80 МБк таллия -201 . Обычное сканирование костей с помощью 600 МБк технеция-99m MDP имеет эффективную дозу приблизительно 2,9 мЗв (2 900 мкЗв). [24]
Раньше единицами измерения были:
Рад и бэр по сути эквивалентны почти для всех процедур ядерной медицины, и только альфа-излучение даст более высокое значение бэр или зиверта из-за его гораздо более высокой относительной биологической эффективности (ОБЭ). Альфа-излучатели в настоящее время редко используются в ядерной медицине, но широко использовались до появления ядерных реакторов и ускорителей, производящих радионуклиды. Концепции, связанные с воздействием радиации на людей, охватываются областью физики здоровья ; разработка и применение безопасных и эффективных методов ядерной медицины являются ключевым направлением медицинской физики .
В разных странах мира действуют нормативные рамки, которые отвечают за управление и использование радионуклидов в различных медицинских учреждениях. Например, в США Комиссия по ядерному регулированию (NRC) и Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) разработали руководящие принципы, которым должны следовать больницы. [26] В NRC, если радиоактивные материалы не задействованы, например, рентгеновские лучи, они не регулируются агентством, а вместо этого регулируются отдельными штатами. [27] Международные организации, такие как Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), регулярно публикуют различные статьи и руководства по передовой практике в ядерной медицине, а также сообщают о новых технологиях в ядерной медицине. [28] [29] Другие факторы, которые учитываются в ядерной медицине, включают историю болезни пациента, а также управление после лечения. Такие группы, как Международная комиссия по радиологической защите, опубликовали информацию о том, как управлять выпиской пациентов из больницы с незапечатанными радионуклидами. [30]
