淺談核物理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、淺談核物理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 吉林大學(xué) 核物理專業(yè) 淺談核物理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要： 原子核物理的不斷發(fā)展和完善極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展, 為醫(yī)學(xué)研究與實(shí)踐提供了全新的思想理論和現(xiàn)代化的診療手段與設(shè)備。綜述了核物理在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)發(fā)展中的作用及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞：放射性；核物理；醫(yī)學(xué)應(yīng)用 0 引言自1895年德國(guó)物理學(xué)家Roentgen發(fā)現(xiàn)X射線并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來(lái),原子核物理理論與技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如, X射線成像、計(jì)算機(jī)斷層成像( C T ) 、核磁共振成像、核醫(yī)學(xué)成像和放射治療等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,不僅極大地促進(jìn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展,提高了疾病診治水平,而且將醫(yī)

2、學(xué)研究推向了一個(gè)新的高度。1 放射性 科學(xué)研究表明，穩(wěn)定性核素對(duì)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(yīng)保持一定的比例(一般為N/Z = 1 1 .5也有個(gè)別例外)。任何含有過多核子或N/Z不適當(dāng)?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(dāng),其核內(nèi)的中子與質(zhì)子會(huì)自發(fā)地相互轉(zhuǎn) 變，從而改變N/Z的值，并同時(shí)放出一個(gè)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(gè)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(shí)，都有其特定的規(guī)律。理論和實(shí)驗(yàn)均表明 ，任何一種放射性物質(zhì)，在單獨(dú)存放時(shí)，其核數(shù)量的變化都是按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)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(jìn)行的越快。上式是一個(gè)統(tǒng)計(jì)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(shí)際中，常用半衰期來(lái)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(shí)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(guān)系。T和A是反映放射性物質(zhì)衰變快慢的兩個(gè)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(wú)論是化合物還是單質(zhì)，也不論外界環(huán)境溫度和壓強(qiáng)如何變化，其放射性衰變規(guī)律是不變的 。2 核物理在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用 發(fā)病機(jī)制是疾病防治的基礎(chǔ),發(fā)病機(jī)制不清楚,就很難采取切實(shí)有效的防治措施。1960年,Perutz等和Kendrew等利用X射線衍射技術(shù)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(xué)獎(jiǎng)。該 項(xiàng)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(cè)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(duì)同晶型置換法。近年來(lái),科學(xué)家應(yīng)用熒光分析和核磁共振 ( NM R)等技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)癌變過程中細(xì)胞及其質(zhì)膜發(fā)生了明顯變化,如表面電荷改變、膜流動(dòng)性增大和細(xì)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(lái)對(duì)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(guān)的結(jié)論。 自1895年德國(guó)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(lái),隨著物理科學(xué)及其相關(guān)科學(xué)的發(fā)展,以X射線成像、C T成像、NM R成像和核醫(yī)學(xué)成像等為代表的 許多物理學(xué)技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)

6、醫(yī)學(xué)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(xué)、生理學(xué)特點(diǎn)等。目前,各種成像技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)三維重建技術(shù)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(dāng)前醫(yī)學(xué)成像研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。 正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像儀( P E T)的突出優(yōu)勢(shì)是,能在體外無(wú)創(chuàng)性探測(cè)活體內(nèi)生理和病理變化過程,并能對(duì)生化過程進(jìn)行準(zhǔn)確定量分析。這對(duì)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(jī)理非常有用。例如,用短壽命的放射性核素標(biāo)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(wú)創(chuàng)

7、、定量、動(dòng)態(tài)地觀察這些物質(zhì)進(jìn)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(duì)腦的血流和代謝等活動(dòng)進(jìn)行判斷,對(duì)研究腦的生理和精神活動(dòng)等提供了一個(gè)重要手段,其絕妙之處,在于它“打開了一個(gè)揭示大腦奧秘的窗口”。因?yàn)槿梭w不同組織的代謝狀態(tài)不同,所以這些被核素標(biāo)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(diǎn)能通過圖像反映出來(lái),從而可對(duì)病變進(jìn)行診斷和分析。 NM R成像技術(shù)以無(wú)輻射損傷、無(wú)破壞性、無(wú)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(dòng)態(tài)過程等這樣一些突出的優(yōu)點(diǎn)受到科學(xué)界的高度重視, 發(fā)展

8、相當(dāng)迅速。 在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域( 如基因表達(dá)監(jiān)測(cè)) 也日益顯露鋒芒。 以 NM R 為基礎(chǔ)的藥物篩選技術(shù)是國(guó)際上近幾年發(fā)展起來(lái)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(dāng)?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(dǎo)化合物。目前,國(guó)外很多生物制藥公司和研究機(jī)構(gòu)紛紛建立了相關(guān)的技術(shù)平臺(tái),利用 NM R技術(shù)篩選、發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)先導(dǎo)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(jì)效益。 以 NM R為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)主要利用 NM R技術(shù)和模式識(shí)別方法對(duì)生物體液和組織進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量和分析,對(duì)生物體中隨時(shí)間改變的代謝物進(jìn)

9、行動(dòng)態(tài)跟蹤檢測(cè)、定量和分類,分析這些代謝信息與機(jī)體病理生理特征的關(guān)系,確定發(fā)生這些變化的靶器官、作用位點(diǎn)和相關(guān)生物標(biāo)志物。代謝組圖譜不僅能同時(shí)反映代謝網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)生物化學(xué)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(dòng)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(dòng)物模型。“代謝指紋圖譜”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(xué) 過程和狀態(tài)的變化)。通過對(duì)體液“代謝指紋圖譜暠變化原因的探討闡明藥物作用靶點(diǎn)或受體。 腦是人體內(nèi)最重要的器官,是接受外界信號(hào),產(chǎn)生感覺、意識(shí)和邏輯思維并發(fā)出指

10、令的 中樞。當(dāng)代科學(xué)技術(shù)雖然可使人們?cè)谡w、系統(tǒng)、環(huán)路、細(xì)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(diǎn)等,但是至今對(duì)語(yǔ)言、記憶、注意、意識(shí)和思維等腦的高級(jí)功能的確切機(jī)制知之甚少。無(wú)創(chuàng)傷性腦功能成像技術(shù)的發(fā)展,極大地推動(dòng)了腦科學(xué)研究,使人類可以 對(duì)活著的人腦的生命活動(dòng)進(jìn)行研究。對(duì)人腦工作機(jī)制的了解,不僅有助于探討人類智慧的形成機(jī)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(lái)看,在各種無(wú)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(duì)象,而且可以直接觀察各種行為狀態(tài)時(shí)腦內(nèi)的變化,是腦科學(xué)研究和認(rèn)知神經(jīng)科

11、學(xué)研究的重要手段之一。利用該技術(shù)已經(jīng)可以在幾毫米的空間分辨率下對(duì)大腦工作時(shí)的血流變化、血氧水平、葡萄糖的有氧和無(wú)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(shí)現(xiàn)成像,加上對(duì)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(jí)認(rèn)知工作機(jī)制的研究方面取得了很大的進(jìn)展。3 核物理在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像技術(shù)包括X射線成像、磁共振成像( M R I ) 和核醫(yī)學(xué)成像等。這些醫(yī)學(xué)成像技術(shù)可以在無(wú)創(chuàng)條件下,提供機(jī)體解剖學(xué)信息,有些技術(shù)還可以提供反映機(jī)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(yīng)

12、用于臨床醫(yī)學(xué)。2 0世紀(jì)4 0年代中葉,醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在世界上還只是個(gè)別醫(yī)院的奢侈品。7 0年后的今天,醫(yī)學(xué)影像設(shè)備也已在發(fā)展中國(guó)家普及。目前, X射線成像已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)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(jì)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(zhǔn)確地診斷與定位腦瘤,對(duì)腦出血、腦梗塞、顱內(nèi)出血、腦挫傷等疾病是一種準(zhǔn)確可靠的無(wú)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于X線膠片,對(duì)腦瘤 的確診率可達(dá) 9 5 %,對(duì)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(shù)已發(fā)展成為可以對(duì)心臟實(shí)施動(dòng)態(tài)顯像的多層螺旋 C T 技術(shù)。 以單光子計(jì)算機(jī)斷層成像( S P E C T) 和 P E T 為主的核醫(yī)學(xué)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(xué)改變之前,亦即疾病的早期( 甚至超早期) 。此外, P E T 還能進(jìn)行三維立體動(dòng)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(duì)大多數(shù)腫瘤進(jìn)行早期診斷、分期、療 效 觀 察 和預(yù)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(lái)鑒定心功能,鑒別不同心臟器質(zhì)的病變。核醫(yī)學(xué)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(yīng)用核醫(yī)學(xué)分子成像技術(shù)可通過放射性核素標(biāo)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(xué)分子在人體內(nèi)的相互作用 (機(jī)制) 。與普通的 X 射線( 1 9 0 1年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)) 或計(jì)算機(jī)斷層照相術(shù) ( 1 9 7 9年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)) 診察法相比, M R I擁有許多優(yōu)點(diǎn)。它彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)

15、 X射線斷層照相 術(shù)( C T 掃 描 術(shù)) 的不足,對(duì)檢 測(cè)組織壞死、局部缺血和各種惡性病變特別有效,并能對(duì)其進(jìn)行早期診斷;對(duì)人體各循環(huán)系統(tǒng)的代謝過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),其成像對(duì)比度優(yōu)于 C T 掃描術(shù)。M R I技術(shù)特別適于腦和脊髓的詳細(xì)成像,幾乎所有的神經(jīng)錯(cuò)亂都會(huì)導(dǎo)致水含量的變動(dòng),這一點(diǎn)能夠在 M R I成像中得到反映。水含量小于1 % 的變動(dòng)足以檢測(cè)到病變。腦和脊髓的局部炎癥引起與多發(fā)性硬化癥有關(guān)的癥狀,在多發(fā)性硬化癥中,M R I檢查對(duì)于疾病的診斷和隨訪是具有優(yōu)勢(shì)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(shù)是否必要。在顯微外科腦手術(shù)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(yùn)動(dòng)失調(diào)。 M R I圖像不僅能準(zhǔn)確地顯示腫瘤的界限,有助于更加準(zhǔn)確的手術(shù)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(yīng)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(jìn)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(jìn)入的自然腔道的腫瘤,而且對(duì)體積較大腫瘤

17、的放射劑量分布不佳,最大缺點(diǎn)是對(duì)醫(yī)護(hù)人員的輻射量較大。2 0世紀(jì)30年代發(fā)明了kV X線治療機(jī), 50 年 代 發(fā) 明了6 0C o 放療機(jī),放射治療便成為一個(gè)獨(dú)立的放射腫瘤學(xué)科。20世紀(jì)60 70年代加速器問世,隨著外照射放療設(shè)備的出現(xiàn),近距離放療的應(yīng)用逐漸減少。 然而, 20世紀(jì)80年代起, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,由計(jì)算機(jī)控制的近距離后裝放療機(jī)問世,使近距離放療再次應(yīng)用于臨床。現(xiàn)代后裝放療機(jī)不僅使放射源放置的位置和劑量計(jì)算完全精確,而且完全避免了對(duì)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(tái)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(shù)刀一樣將顱內(nèi)病灶消除,因此,簡(jiǎn)稱“刀”;其后各國(guó)又出現(xiàn)了X刀, 開創(chuàng)了立體定向放射外科技術(shù)。由于放射物理學(xué),特別是電子計(jì)算機(jī)和C T技術(shù)的高速發(fā)展, 推動(dòng)了放療飛速發(fā)展, 使2 0世紀(jì)6 0年代日本放療學(xué)家高橋的原體治療( 適形放射治療)得以實(shí)現(xiàn),并且更進(jìn)一步達(dá)到了適形調(diào)強(qiáng)放療(IMRT) 。這些先進(jìn)技術(shù)可 在最大限度保護(hù)周圍正常組織的前提下,對(duì)靶區(qū)實(shí)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(shù)、藥物配合治療) 地接受放射治療。目前用于放療的設(shè)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(jī)。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)