淺談核物理在醫(yī)學領域中的應用

1、淺談核物理在醫(yī)學領域中的應用 吉林大學 核物理專業(yè) 淺談核物理在醫(yī)學領域中的應用摘要： 原子核物理的不斷發(fā)展和完善極大地促進了醫(yī)學及其相關學科的發(fā)展, 為醫(yī)學研究與實踐提供了全新的思想理論和現(xiàn)代化的診療手段與設備。綜述了核物理在基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學和預防醫(yī)學發(fā)展中的作用及其應用。關鍵詞：放射性；核物理；醫(yī)學應用 0 引言自1895年德國物理學家Roentgen發(fā)現(xiàn)X射線并應用于醫(yī)學領域以來,原子核物理理論與技術已廣泛應用于醫(yī)學領域。例如, X射線成像、計算機斷層成像( C T ) 、核磁共振成像、核醫(yī)學成像和放射治療等技術的發(fā)展和應用,不僅極大地促進了現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展,提高了疾病診治水平,而且將醫(yī)

2、學研究推向了一個新的高度。1 放射性 科學研究表明，穩(wěn)定性核素對核子總數(shù)有一定限度(一般為 A 2 0 9) ，而且中子數(shù)和質(zhì)子 數(shù)應保持一定的比例(一般為N/Z = 1 1 .5也有個別例外)。任何含有過多核子或N/Z不適當?shù)暮怂?，都是不穩(wěn)定的。A2 0 9的核素，即元素周期表中釙( Po)之后的所有元素的核素都 具有放射性(釙之前的元素中，有的核素也具有放射性)，它們或是自發(fā)地放射出射線，而轉(zhuǎn)變成A較小的新核；或是因核素的N / Z 不適當,其核內(nèi)的中子與質(zhì)子會自發(fā)地相互轉(zhuǎn) 變，從而改變N/Z的值，并同時放出一個粒子。核素衰變后產(chǎn)生的新核，一般都處在激發(fā)態(tài)，這樣的核或是自發(fā)地放射出射線而轉(zhuǎn)

3、變到基態(tài)或較低能態(tài)，或是繼續(xù)發(fā)生衰變或 衰變 ，直到變成一個穩(wěn)定的核素為止。 放射性核衰變的類型有衰變、衰變和衰變?nèi)N，分別放出射線、射線和射線。不論發(fā)生哪一種核衰變，其過程均遵從電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒和能量守恒 。每一種放射性核素在衰變時，都有其特定的規(guī)律。理論和實驗均表明 ，任何一種放射性物質(zhì)，在單獨存放時，其核數(shù)量的變化都是按指數(shù)規(guī)律隨時間t 衰減的。其公式為：這就是放射性核衰變的規(guī)律。式中稱為衰變常數(shù)，它反映核衰變的快慢程度。越大，衰變進行的越快。上式是一個統(tǒng)計規(guī)律，它適用于包含大量放射性核素的放射性物質(zhì)。 在實際中，常用半衰期來描述核衰變的快慢。放射性物質(zhì)中的核數(shù)衰變到原數(shù)的一半所需

4、要的時間，稱為半衰期 ( T )。 由公式可得： 這就是半衰期T與衰變常數(shù)的關系。T和A是反映放射性物質(zhì)衰變快慢的兩個物理量。半衰期是放射性元素的固有屬性，取決于原子核自身的性質(zhì) 。一種核素，無論是化合物還是單質(zhì)，也不論外界環(huán)境溫度和壓強如何變化，其放射性衰變規(guī)律是不變的 。2 核物理在基礎醫(yī)學研究中的應用 發(fā)病機制是疾病防治的基礎,發(fā)病機制不清楚,就很難采取切實有效的防治措施。1960年,Perutz等和Kendrew等利用X射線衍射技術解析了肌紅蛋白和血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu),闡明了這些蛋白質(zhì)在分子氧輸送過程中的特殊作用,他們也因此獲得了1962 年諾貝爾化學獎。該 項工作不僅首次揭示了生物大分

5、子內(nèi)部立體結(jié)構(gòu),還為測定生物大分子晶體結(jié)構(gòu)提供了一 種沿用至今的有效方法多對同晶型置換法。近年來,科學家應用熒光分析和核磁共振 ( NM R)等技術研究發(fā)現(xiàn)癌變過程中細胞及其質(zhì)膜發(fā)生了明顯變化,如表面電荷改變、膜流動性增大和細胞內(nèi)水狀態(tài)的改變等。從射線產(chǎn)生自由基及其具有順磁性和近年來對活性氧的研究得出了許多病理過程(包括輻射損傷、衰老、毒物作用及心血管疾病中的一些環(huán)節(jié)等)都與 自由基有關的結(jié)論。 自1895年德國外科醫(yī)生Roentgen首次利用X射線觀察到人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)以來,隨著物理科學及其相關科學的發(fā)展,以X射線成像、C T成像、NM R成像和核醫(yī)學成像等為代表的 許多物理學技術應用于基礎

6、醫(yī)學的研究。這些研究主要包括正常和病理狀態(tài)下, 人體各系統(tǒng)、 器官和組織的解剖學、生理學特點等。目前,各種成像技術結(jié)合計算機三維重建技術建立正常和病理狀態(tài)下不同水平結(jié)構(gòu)、代謝和功能成像是當前醫(yī)學成像研究的重點和熱點。 正電子發(fā)射計算機斷層成像儀( P E T)的突出優(yōu)勢是,能在體外無創(chuàng)性探測活體內(nèi)生理和病理變化過程,并能對生化過程進行準確定量分析。這對于研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)和各種疾病發(fā)生、發(fā)展的機理非常有用。例如,用短壽命的放射性核素標記人體代謝所必需的物質(zhì)( 如葡萄糖、 蛋白質(zhì)、 核酸和脂肪酸等) 制成顯像劑 ( 如氟代脫氧葡萄糖等) ,然后將其注入人體,我們就可以利用 P E T 從體外無創(chuàng)

7、、定量、動態(tài)地觀察這些物質(zhì)進入人體后的生理、生化變化,從分子水平探討代謝物或藥物在正常人或病人體內(nèi)的分布和生理生化功能等。P E T 還能對腦的血流和代謝等活動進行判斷,對研究腦的生理和精神活動等提供了一個重要手段,其絕妙之處,在于它“打開了一個揭示大腦奧秘的窗口”。因為人體不同組織的代謝狀態(tài)不同,所以這些被核素標記了的物質(zhì)在人體各種組織中的分布也不同。例如,在高代謝的惡性腫瘤組織中分布較多,這些特點能通過圖像反映出來,從而可對病變進行診斷和分析。 NM R成像技術以無輻射損傷、無破壞性、無試劑侵入并能從分子水平到整體臟器系統(tǒng)地研究活體和動態(tài)過程等這樣一些突出的優(yōu)點受到科學界的高度重視, 發(fā)展

8、相當迅速。 在基礎醫(yī)學研究領域( 如基因表達監(jiān)測) 也日益顯露鋒芒。 以 NM R 為基礎的藥物篩選技術是國際上近幾年發(fā)展起來的新藥篩選新方法。它可以高通量地篩選出能與靶蛋白相結(jié)合的化合物小分子。即使在初始階段篩選出的是弱親和的化合物,經(jīng)過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化,有可能發(fā)展成為高效的藥物分子的先導化合物。目前,國外很多生物制藥公司和研究機構(gòu)紛紛建立了相關的技術平臺,利用 NM R技術篩選、發(fā)現(xiàn)和設計先導化合物,已取得了許多鼓舞人心的研究成果,并獲得了巨大的經(jīng)濟效益。 以 NM R為基礎的代謝組學主要利用 NM R技術和模式識別方法對生物體液和組織進行系統(tǒng)測量和分析,對生物體中隨時間改變的代謝物進

9、行動態(tài)跟蹤檢測、定量和分類,分析這些代謝信息與機體病理生理特征的關系,確定發(fā)生這些變化的靶器官、作用位點和相關生物標志物。代謝組圖譜不僅能同時反映代謝網(wǎng)絡中多個生物化學途徑上成百上千種化合物的變化,而且可以區(qū)別不同種屬、不同品系動物模型的代謝狀態(tài),鑒別與人體疾病狀態(tài)的差異, 尋找人類疾病、 藥效和毒性的適宜動物模型?！按x指紋圖譜”的研究不僅可以研究藥物本 身的代謝變化,而且可以研究藥物引起的內(nèi)源性代謝物的變化(更直接地反映體內(nèi)生物化學 過程和狀態(tài)的變化)。通過對體液“代謝指紋圖譜暠變化原因的探討闡明藥物作用靶點或受體。 腦是人體內(nèi)最重要的器官,是接受外界信號,產(chǎn)生感覺、意識和邏輯思維并發(fā)出指

10、令的 中樞。當代科學技術雖然可使人們在整體、系統(tǒng)、環(huán)路、細胞和分子水平等不同層次了解大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生理特點等,但是至今對語言、記憶、注意、意識和思維等腦的高級功能的確切機制知之甚少。無創(chuàng)傷性腦功能成像技術的發(fā)展,極大地推動了腦科學研究,使人類可以 對活著的人腦的生命活動進行研究。對人腦工作機制的了解,不僅有助于探討人類智慧的形成機理及其過程,而且有助于提高人類精神性疾病的診療水平。就目前來看,在各種無創(chuàng)性腦功能成像中,磁共振成像/譜儀( M R I / S ) 和P E T比較成功。這些成像工具不但可以以人類自身作為研究對象,而且可以直接觀察各種行為狀態(tài)時腦內(nèi)的變化,是腦科學研究和認知神經(jīng)科

11、學研究的重要手段之一。利用該技術已經(jīng)可以在幾毫米的空間分辨率下對大腦工作時的血流變化、血氧水平、葡萄糖的有氧和無氧代謝、磷酸化過程等大腦內(nèi)發(fā)生的各種功能性或者代謝性的變化實現(xiàn)成像,加上對這些功能的空間定位的結(jié)構(gòu)成像,已經(jīng)在大腦的很多基本功能、甚至高級認知工作機制的研究方面取得了很大的進展。3 核物理在臨床醫(yī)學中的應用 現(xiàn)代醫(yī)學影像技術包括X射線成像、磁共振成像( M R I ) 和核醫(yī)學成像等。這些醫(yī)學成像技術可以在無創(chuàng)條件下,提供機體解剖學信息,有些技術還可以提供反映機體功能的信息,從而為疾病的臨床診斷和治療提供重要依據(jù)。1 0 0多年前Roentgen發(fā)現(xiàn)X射線后不久, X射線成像就很快應

12、用于臨床醫(yī)學。2 0世紀4 0年代中葉,醫(yī)學影像設備在世界上還只是個別醫(yī)院的奢侈品。7 0年后的今天,醫(yī)學影像設備也已在發(fā)展中國家普及。目前, X射線成像已成為當今醫(yī)學檢查的主要手段之一,大約7 0 %的人每年至少作一次X線檢查,人一生中要做幾十次X射線成像檢查。 2 0世紀7 0年代初誕生的X射線斷層成像( X-C T ) 裝置首先用于腦部,能迅速準確地診斷與定位腦瘤,對腦出血、腦梗塞、顱內(nèi)出血、腦挫傷等疾病是一種準確可靠的無創(chuàng)性檢查方法,幾乎可以代替過去的腦血流圖和血管造影等。C T的靈敏度遠遠高于X線膠片,對腦瘤 的確診率可達 9 5 %,對肝、胰和腎等軟組織器官是否病變有特殊功用,能清

13、楚地顯示腫瘤的 大小和范圍,在一定程度上 X -C T 還可以區(qū)分腫瘤的性質(zhì)。到目前為止, C T 成像技術已發(fā)展成為可以對心臟實施動態(tài)顯像的多層螺旋 C T 技術。 以單光子計算機斷層成像( S P E C T) 和 P E T 為主的核醫(yī)學成像已用于臨床疾病 的診斷,目前,多模式集成的成像裝置,如 P E T / C T,M R I , C T,電子直線加速器 / C T 等也相繼問世。 P E T 特別適用于形態(tài)學改變之前,亦即疾病的早期( 甚至超早期) 。此外, P E T 還能進行三維立體動態(tài)及全身顯像,可發(fā)現(xiàn)其他檢查所不能發(fā)現(xiàn)的問題。 由于P E T 可了解腫瘤組織的代謝情況, 因

14、此可以對大多數(shù)腫瘤進行早期診斷、分期、療 效 觀 察 和預后判斷,從而有利于制訂不同的治療措施。P E T還可以了解心臟功能,通過心肌的血流量、氧代謝和三大代謝等生化內(nèi)容來鑒定心功能,鑒別不同心臟器質(zhì)的病變。核醫(yī)學成像是目前唯一可以從分子和基因配體水平上成像的模式。應用核醫(yī)學分子成像技術可通過放射性核素標記化合物分子在體內(nèi)分布的可視化研究,了解體內(nèi)微觀分子的宏觀分布及體內(nèi)行為等信息,分析該化學分子在人體內(nèi)的相互作用 (機制) 。與普通的 X 射線( 1 9 0 1年諾貝爾物理學獎) 或計算機斷層照相術 ( 1 9 7 9年諾貝爾生理醫(yī)學獎) 診察法相比, M R I擁有許多優(yōu)點。它彌補了計算機

15、 X射線斷層照相 術( C T 掃 描 術) 的不足,對檢 測組織壞死、局部缺血和各種惡性病變特別有效,并能對其進行早期診斷;對人體各循環(huán)系統(tǒng)的代謝過程進行監(jiān)測,其成像對比度優(yōu)于 C T 掃描術。M R I技術特別適于腦和脊髓的詳細成像,幾乎所有的神經(jīng)錯亂都會導致水含量的變動,這一點能夠在 M R I成像中得到反映。水含量小于1 % 的變動足以檢測到病變。腦和脊髓的局部炎癥引起與多發(fā)性硬化癥有關的癥狀,在多發(fā)性硬化癥中,M R I檢查對于疾病的診斷和隨訪是具有優(yōu)勢的。使用 M R I能夠了解神經(jīng)系統(tǒng)中炎癥的部位、病變程度以及治療后的情況。 M R I已經(jīng)取代了以前使人不適的檢查方法,能夠分辨出

16、肌肉疼痛與神經(jīng)或脊髓受到壓迫而產(chǎn)生的疼痛之間的區(qū)別。使用M R I能夠了解腫瘤是否壓迫神經(jīng)以及決定手術是否必要。在顯微外科腦手術中,外科醫(yī)生可 以根據(jù)M R I成像足以在中樞腦核中安置電極,以便于治療劇痛或者是帕金森疾病引起的運動失調(diào)。 M R I圖像不僅能準確地顯示腫瘤的界限,有助于更加準確的手術和放射治療,而且 也提高了確定腫瘤階段的可能性。 1896年居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳并應用于腫瘤治療,腫瘤放療至今已有100多年的歷史。在放 療初期,使用鐳管或鐳模直接貼敷腫瘤,或用鐳針插入腫瘤進行組織間放療,即近距離放療。然 而這些方法只適用于淺表腫瘤的治療,或位于可進入的自然腔道的腫瘤,而且對體積較大腫瘤

17、的放射劑量分布不佳,最大缺點是對醫(yī)護人員的輻射量較大。2 0世紀30年代發(fā)明了kV X線治療機, 50 年 代 發(fā) 明了6 0C o 放療機,放射治療便成為一個獨立的放射腫瘤學科。20世紀60 70年代加速器問世,隨著外照射放療設備的出現(xiàn),近距離放療的應用逐漸減少。 然而, 20世紀80年代起, 隨著計算機技術的發(fā)展,由計算機控制的近距離后裝放療機問世,使近距離放療再次應用于臨床?，F(xiàn)代后裝放療機不僅使放射源放置的位置和劑量計算完全精確,而且完全避免了對工作人員的輻射。因而又形成了近距離放射輔助外放射治療的最佳組合的局面。 1968年,瑞典神經(jīng)外科醫(yī)生Lexell制造了世界上第一臺立體定向放射治

18、療裝置,它是用射線作為放射源,能像手術刀一樣將顱內(nèi)病灶消除,因此,簡稱“刀”;其后各國又出現(xiàn)了X刀, 開創(chuàng)了立體定向放射外科技術。由于放射物理學,特別是電子計算機和C T技術的高速發(fā)展, 推動了放療飛速發(fā)展, 使2 0世紀6 0年代日本放療學家高橋的原體治療( 適形放射治療)得以實現(xiàn),并且更進一步達到了適形調(diào)強放療(IMRT) 。這些先進技術可 在最大限度保護周圍正常組織的前提下,對靶區(qū)實施高劑量均勻照射,改善腫瘤局部控制,以期提高生存率。 放射治療是目前腫瘤治療的3大手段之一,約50 %- 70 % 的腫瘤患者需要不同程度(單純放射治療或與手術、藥物配合治療) 地接受放射治療。目前用于放療的設備主要有電子直線加速器( 使用它的電子束和X射線) 和6 0Co機。目前,電子直線加速器放療已經(jīng)從過去的常規(guī)放療發(fā)