Ядерная медицина или нуклеология [1] — это медицинская специальность , связанная с применением радиоактивных веществ для диагностики и лечения заболеваний . Ядерная визуализация, в некотором смысле, представляет собой « радиологию , сделанную наизнанку», поскольку она регистрирует излучение, испускаемое изнутри тела, а не излучение , которое передается через тело от внешних источников, таких как генераторы рентгеновского излучения . Кроме того, сканирование в ядерной медицине отличается от радиологии, поскольку упор делается не на анатомию изображения, а на функцию. По этой причине его называют модальностью физиологической визуализации . Однофотонно-эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) являются двумя наиболее распространенными методами визуализации в ядерной медицине. [2]
При визуализации ядерной медицины радиофармпрепараты принимаются внутрь, например, ингаляционно, внутривенно или перорально. Затем внешние детекторы ( гамма-камеры ) фиксируют и формируют изображения излучения, испускаемого радиофармпрепаратами. Этот процесс отличается от диагностического рентгена, при котором внешнее излучение проходит через тело для формирования изображения. [ нужна 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 традиционных анатомических изображений, таких как КТ или МРТ. Визуализирующие исследования в ядерной медицине, как правило, в большей степени 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 радиологической визуализации, которые фокусируются на определенного участка тела (например: рентгенография грудной клетки, КТ живота/таза, КТ головы и т. д.). Кроме того, существуют исследования ядерной медицины, которые позволяют получать изображения всего тела на основе определенных клеточных рецепторов или функций. Примерами являются ПЭТ-сканирование всего тела или ПЭТ/КТ- сканирование, сканирование с галлием , сканирование лейкоцитов с индием , сканирование MIBG и октреотида .
Хотя способность ядерного метаболизма отображать болезненные процессы по различиям в метаболизме непревзойденна, она не уникальна. Некоторые методы, такие как фМРТ, позволяют получить изображение тканей (особенно тканей головного мозга) по кровотоку и, таким образом, показать метаболизм. Кроме того, методы контрастного усиления как при КТ, так и при МРТ показывают участки ткани, которые по-разному обрабатывают фармацевтические препараты из-за воспалительного процесса.
Диагностические тесты в ядерной медицине используют то, как организм по-разному обращается с веществами при наличии заболевания или патологии. Радионуклид, попадающий в организм, часто химически связан с комплексом, который действует в организме характерно; это широко известно как трассировщик . При наличии заболевания индикатор часто распределяется по организму и/или обрабатывается по-другому. Например, лиганд метилендифосфонат ( МДФ ) может преимущественно усваиваться костями. Путем химического присоединения технеция-99m к MDP радиоактивность может быть перенесена и прикреплена к кости через гидроксиапатит для визуализации. Любое усиление физиологической функции, например, вследствие перелома кости, обычно означает повышенную концентрацию индикатора. Это часто приводит к появлению «горячей точки», которая представляет собой очаговое увеличение накопления радиоизлучения или общее увеличение накопления радиоизлучения во всей физиологической системе. Некоторые болезненные процессы приводят к исключению индикатора, что приводит к появлению «холодного пятна». Многие комплексы индикаторов были разработаны для визуализации или лечения множества различных органов, желез и физиологических процессов.
В некоторых центрах снимки ядерной медицины можно накладывать 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 ОФЭКТ/КТ и ПЭТ/КТ. Техника слияния изображений в ядерной медицине предоставляет информацию об анатомии и функциях, которая в противном случае была бы недоступна или потребовала бы более инвазивной процедуры или хирургического вмешательства.
Хотя риски низкого уровня радиационного облучения не совсем понятны, повсеместно принят осторожный подход, согласно которому все радиационные воздействия на человека должны поддерживаться на настолько низком уровне, насколько это практически осуществимо (ALARP). (Первоначально это было известно как «Настолько низко, насколько разумно достижимо» (ALARA), но в современных проектах законодательства это изменилось: больше внимания уделяется «Разумному», а не «Достижимому».)
Используя принцип ALARP, прежде чем пациент подвергнется обследованию ядерной медицины, необходимо определить пользу от обследования. При этом необходимо учитывать особые обстоятельства конкретного пациента, где это возможно. Например, если маловероятно, что пациент сможет выдержать достаточное количество процедуры для постановки диагноза, то было бы нецелесообразно приступать к инъекции пациенту радиоактивного индикатора.
Если польза оправдывает процедуру, тогда радиационное воздействие (количество облучения, получаемое пациентом) также должно поддерживаться на настолько низком уровне, насколько это практически возможно. Это означает, что изображения, полученные в ядерной медицине, никогда не должны быть лучше, чем требуется для уверенной диагностики. Увеличение дозы облучения может уменьшить шум на изображении и сделать его более привлекательным с фотографической точки зрения, но если на клинический вопрос можно ответить без такого уровня детализации, то это неуместно.
В результате доза радиации при визуализации ядерной медицины сильно варьируется в зависимости от типа исследования. Эффективная доза радиации может быть ниже, сопоставима или значительно превышать общую ежедневную годовую дозу радиационного фона окружающей среды . Аналогичным образом, она также может быть меньше, примерно такой же или выше дозы радиации при компьютерной томографии 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 приема определенных лекарств. Пациентам рекомендуется проконсультироваться с отделением ядерной медицины перед сканированием.
Результатом процесса визуализации ядерной медицины является набор данных, содержащий одно или несколько изображений. В наборах данных из нескольких изображений массив изображений может представлять собой временную последовательность (т. е. кинофильм или фильм), часто называемую «динамическим» набором данных, временную последовательность, синхронизированную с кардиологической синхронизацией, или пространственную последовательность, в которой гамма-камера перемещается относительно пациента. ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компьютерная томография) — это процесс, при котором изображения, полученные с помощью вращающейся гамма-камеры, реконструируются для получения изображения «среза» тела пациента в определенном положении. Набор параллельных срезов образует стопку 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. [ нужна цитата ]
Временные последовательности можно дополнительно проанализировать с помощью кинетических моделей, таких как модели с несколькими отсеками или график Патлака .
Радионуклидную терапию можно использовать для лечения таких заболеваний, как гипертиреоз , рак щитовидной железы , рак кожи и заболевания крови.
В терапии ядерной медицины доза лучевой терапии вводится внутрь (например, внутривенно или перорально) или снаружи непосредственно над областью лечения в форме соединения (например, в случае рака кожи).
Радиофармацевтические препараты, используемые в терапии ядерной медицины, излучают ионизирующее излучение, которое распространяется лишь на небольшое расстояние, тем самым сводя к минимуму нежелательные побочные эффекты и повреждение неповрежденных органов или близлежащих структур. Большинство методов ядерной медицины можно проводить амбулаторно, поскольку у лечения мало побочных эффектов, а облучение населения можно удерживать в безопасных пределах.
Обычные методы ядерной медицины (открытый источник)
В некоторых центрах отделения ядерной медицины также могут использовать имплантированные капсулы изотопов ( брахитерапия ) для лечения рака.
Обычно используемые источники излучения (радионуклиды) для брахитерапии [4]
История ядерной медицины включает в себя вклад ученых из разных дисциплин в области физики, химии, техники и медицины. Междисциплинарный характер ядерной медицины затрудняет историкам медицины определение даты рождения ядерной медицины. Вероятно, лучше всего это соотнести между открытием искусственной радиоактивности в 1934 году и производством радионуклидов Окриджской национальной лабораторией для использования в медицине в 1946 году. [5]
Истоки этой медицинской идеи восходят к середине 1920-х годов во Фрайбурге , Германия, когда Джордж де Хевеши проводил эксперименты с радионуклидами, вводимыми крысам, тем самым показывая пути метаболизма этих веществ и устанавливая принцип индикатора . Возможно, зарождение этой медицинской области произошло в 1936 году, когда Джон Лоуренс , известный как «отец ядерной медицины», взял отпуск со своей преподавательской должности в Йельской медицинской школе , чтобы навестить своего брата Эрнеста Лоуренса в его новом радиационная лаборатория (ныне известная как Национальная лаборатория Лоуренса Беркли ) в Беркли , Калифорния . Позже Джон Лоуренс впервые применил искусственный радионуклид у пациентов, применив фосфор-32 для лечения лейкемии . [6] [7]
Многие историки считают открытие Фредериком Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри в 1934 году искусственно полученных радионуклидов важнейшей вехой в ядерной медицине. [5] В феврале 1934 года они сообщили о первом искусственном производстве радиоактивного материала в журнале Nature после обнаружения радиоактивности в алюминиевой фольге, которая была облучена препаратом полония. Их работа основывалась на более ранних открытиях Вильгельма Конрада Рентгена в области рентгеновских лучей, Анри Беккереля в отношении радиоактивных солей урана и Марии Кюри (матери Ирен Кюри) в отношении радиоактивного тория и полония, а также на создании термина «радиоактивность». Таро Такеми изучал применение ядерной физики в медицине в 1930-х годах. История ядерной медицины не будет полной без упоминания этих первых пионеров.
Ядерная медицина получила общественное признание как потенциальная специальность, когда 11 мая 1946 года в журнале Американской медицинской ассоциации (JAMA) доктор Сол Герц из Массачусетской больницы общего профиля и доктор Артур Робертс из Массачусетского технологического института опубликовали статью, в которой описывались успешные исследования. была опубликована информация о лечении болезни Грейвса радиоактивным йодом (RAI). [8] Кроме того, Сэм Сейдлин. [9] представили дальнейшее развитие в области, описывающее успешное лечение пациента с метастазами рака щитовидной железы с использованием радиоактивного йода ( I-131 ). Многие историки считают эти статьи самыми важными статьями, когда-либо опубликованными в области ядерной медицины. [10] Хотя самое раннее использование I-131 было посвящено терапии рака щитовидной железы, позже его использование было расширено и теперь включает визуализацию щитовидной железы, количественную оценку функции щитовидной железы и терапию гипертиреоза. Среди многих радионуклидов, которые были открыты для медицинского использования, ни один не имел такого значения, как открытие и разработка технеция-99m . Впервые он был открыт в 1937 году К. Перье и Э. Сегре как искусственный элемент, заполняющий место под номером 43 в Периодической таблице. Разработка генераторной системы для производства технеция-99м в 1960-х годах стала практическим методом медицинского использования. Сегодня технеций-99m является наиболее используемым элементом в ядерной медицине и применяется в самых разных исследованиях в области 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. Новаторские работы Бенедикта Кассена по разработке первого прямолинейного сканера и сцинтилляционной камеры Хэла О. Энгера ( камера Ангера ) расширили молодую дисциплину ядерной медицины до полноценной специальности медицинской визуализации.
К началу 1960-х годов на юге Скандинавии Нильс А. Лассен , Дэвид Х. Ингвар и Эрик Скинхой разработали методы, которые позволили получить первые карты кровотока головного мозга, которые первоначально включали вдыхание ксенона-133 ; [11] вскоре после этого был разработан внутриартериальный эквивалент, позволяющий измерять локальное распределение мозговой активности у пациентов с нервно-психическими расстройствами, такими как шизофрения. [12] Более поздние версии будут иметь 254 сцинтиллятора , поэтому двумерное изображение можно будет создавать на цветном мониторе. Это позволило им построить изображения, отражающие активацию мозга в результате разговора, чтения, зрительного или слухового восприятия и произвольных движений. [13] Этот метод также использовался для исследования, например, воображаемых последовательных движений, мысленных вычислений и мысленной пространственной навигации. [14] [15]
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. [16] В 1972 году был создан Американский совет ядерной медицины , а в 1974 году — Американский остеопатический совет ядерной медицины , закрепивший ядерную медицину как самостоятельную медицинскую специальность.
В 1980-х годах радиофармпрепараты были разработаны для использования в диагностике заболеваний сердца. Развитие однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) 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 сканера позитронно-эмиссионной томографии ( ПЭТ ). Концепция эмиссионной и трансмиссионной томографии, позже развитая в однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ), была представлена Дэвидом Э. Кулем и Роем Эдвардсом в конце 1950-х годов. [ нужна цитата ] Их работа привела к проектированию и созданию нескольких томографических инструментов в Пенсильванском университете. Методы томографической визуализации получили дальнейшее развитие в Медицинской школе Вашингтонского университета . Эти инновации привели к созданию совмещенной визуализации с помощью ОФЭКТ и КТ Брюса Хасэгавы из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и первого прототипа ПЭТ/КТ, созданного Д. У. Таунсендом из Университета Питтсбурга в 1998 году .
В первые годы своего развития ПЭТ и ПЭТ/КТ развивались медленнее из-за стоимости метода и необходимости наличия циклотрона на месте или поблизости. Однако административное решение утвердить медицинское возмещение ограниченного количества применений ПЭТ и ПЭТ/КТ в онкологии привело к феноменальному росту и широкому признанию за последние несколько лет, чему также способствовало создание меченных 18F индикаторов для стандартных процедур, позволяющих работать на площадки, не оборудованные циклотроном. ПЭТ/КТ в настоящее время является неотъемлемой частью онкологии для диагностики, определения стадии и мониторинга лечения. Полностью интегрированный МРТ/ПЭТ-сканер появится на рынке с начала 2011 года .
99m Tc обычно поставляется в больницы через радионуклидный генератор , содержащий исходный радионуклид молибден-99 . 99 Mo обычно получают в виде продукта деления 235 U в ядерных реакторах, однако глобальный дефицит поставок привел к изучению других методов производства . Около трети мировых поставок медицинских изотопов и большая часть поставок в Европу производится на ядерном реакторе Петтен в Нидерландах . Еще одна треть мировых поставок и большая часть поставок в Северной Америке производилась в лабораториях Чок-Ривер в Чок-Ривер , Онтарио , Канада, до их окончательного закрытия в 2018 году. [17]
Наиболее часто используемый в ПЭТ радиоизотоп, 18 F , производится не в ядерном реакторе, а в кольцевом ускорителе, называемом циклотроном . Циклотрон используется для ускорения протонов для бомбардировки стабильного тяжелого изотопа кислорода 18 O. 18 O составляет около 0,20% обычного кислорода (в основном кислорода -16 ), из которого его извлекают. Затем 18 F обычно используется для изготовления ФДГ .
Типичное исследование ядерной медицины включает введение радионуклида в организм путем внутривенной инъекции в жидкой или агрегатной форме, прием внутрь в сочетании с пищей, ингаляцию в виде газа или аэрозоля или, реже, инъекцию радионуклида, подвергшегося микроинкапсуляции . Некоторые исследования требуют мечения радионуклидом собственных клеток крови пациента ( сцинтиграфия лейкоцитов и сцинтиграфия эритроцитов ). Большинство диагностических радионуклидов испускают гамма-лучи либо непосредственно в результате своего распада, либо косвенно посредством электрон-позитронной аннигиляции , в то время как повреждающие 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 короткими периодами полураспада, или используют процессы естественного распада в специальных генераторах. т.е. молибден/технеций или стронций/рубидий.
Наиболее часто используемыми внутривенными радионуклидами являются технеций-99m, йод-123, йод-131, таллий-201, галлий-67, фтордезоксиглюкоза фтора-18 и меченные индием-111 лейкоциты . [ нужна ссылка ] Наиболее часто используемыми газообразными/аэрозольными радионуклидами являются ксенон-133, криптон-81m, ( в аэрозольном виде ) технеций-99m. [22]
Пациент, проходящий процедуру ядерной медицины, получит дозу радиации. В соответствии с действующими международными рекомендациями предполагается, что любая доза радиации, даже небольшая, представляет риск. Доза радиации, полученная пациентом в ходе исследования ядерной медицины, хотя и не доказана, обычно считается, что она представляет очень небольшой риск возникновения рака. В этом отношении он аналогичен риску, связанному с рентгеновскими исследованиями, за исключением того, что доза доставляется внутрь, а не из внешнего источника, такого как рентгеновский аппарат, и дозы обычно значительно выше, чем при рентгеновских лучах.
Доза радиации при ядерном медицинском исследовании выражается как эффективная доза в зивертах ( обычно измеряется в миллизивертах, мЗв). На эффективную дозу, полученную в результате исследования, влияет количество введенной радиоактивности в мегабеккерелях ( МБк), физические свойства используемого радиофармпрепарата , его распределение в организме и скорость его выведения из организма.
Эффективные дозы могут варьироваться от 6 мкЗв (0,006 мЗв) для измерения скорости клубочковой фильтрации 3 МБк хрома -51 ЭДТА до 11,2 мЗв (11 200 мкЗв) для процедуры визуализации миокарда с таллием -201 80 МБк . Обычное сканирование костей с 600 МБк технеция-99m MDP имеет эффективную дозу примерно 2,9 мЗв (2900 мкЗв). [23]
Раньше единицами измерения были кюри (Ки), составлявший 3,7Е10 Бк, а также 1,0 грамм радия ( Ra-226 ); рад (поглощенная доза радиации), теперь замененная на серый ; и рем ( рентгеновский эквивалент человека ), теперь замененный на зиверт . [24] Рад и бэр по существу эквивалентны почти для всех процедур ядерной медицины, и только альфа-излучение дает более высокое значение Рэм или Зв 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 радиационным воздействием на человека, рассматриваются в области физики здоровья ; Разработка и применение безопасных и эффективных методов ядерной медицины является ключевым направлением медицинской физики .
В разных странах мира существуют нормативно-правовые базы, отвечающие 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 рекомендации, которым больницы должны следовать. [25] В случае с NRC, если радиоактивные материалы не задействованы, например, рентгеновские лучи, они не регулируются агентством, а вместо этого регулируются отдельными штатами. [26] Международные организации, такие как Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), регулярно публикуют различные статьи и рекомендации по передовому опыту в области ядерной медицины, а также сообщают о новых технологиях в ядерной медицине. [27] [28] Другие факторы, которые учитываются в ядерной медицине, включают историю болезни пациента, а также ведение пациентов после лечения. Такие группы, как Международная комиссия по радиологической защите, опубликовали информацию о том, как контролировать выписку пациентов из больниц с открытыми радионуклидами. [29]
