核技术应用

王德忠教授机械与动力工程学院核医学核农学核分析技术1．什么是核医学核医学是一门利用开放型放射性核素诊断和治疗疾病的学科。放射诊断学（diagnosticradiology）是利用X射线诊断疾病的学科；放射治疗学（therapeuticradiology）是利用核射线（X、γ、β一和中子流等）对疾病进行辐射治疗的学科；放射医学（radiationmedicine）是研究和应用核射线对生物的辐射效应、放射损伤的诊断治疗和放射卫生防护的学科；医学影象学（medicalimaging）是专门研究医学图象处理的学科，包括二维和三维的图象重建等。高灵敏度，目前已可测量300种以上的活体，可探测到10-9—10-15克。无创伤性反映体内的生化和生理过程同时反映组织或脏器的形态与功能动态观察核科学可用于预防、诊断和治疗，已成为医学领域中不可缺少的部份。例如：预防领域需开展普查，如乳腺癌普查、骨密度普查、X光定期检查等；诊断领域，现代化医院中的高当设备都和核科学有关，如XCT、ECT、MRI和PET等；治疗领域，现代癌症有70％需要放射性治疗，还有X刀、γ刀、质子刀和BNCT等都是目前最先进的治疗设备。1.X射线透视：利用X射线的穿透性和荧光作用进行透视检查，X线穿过受检组织或脏器将它们投影到荧光屏上，供医生观察和诊断。2.X线摄影：利用X线的穿透性和感光性，将受检组织或脏器显象在胶片上，称为X线照相。1、X线造影技术：用造影剂注入到受检脏器，以增加它们与周围组织的对比度，提高影像分辨率。2、X线影像增强技术：用增感屏或X线影像增强器使图像提高亮度和清晰度。医用X线机和闭路电视系统配合使用的医用电视系统。采用数字化技术可得到数字图像，便于计算机连网，数字传输，数字化图像的清晰度高。现在有数字化X光机，数字减影血管造影仪，计算机断层XCT等。XCT发展概况1、概述：1972年英国EMI公司的Hounsfield研制成世界上第一台XCT机。CT（ComputedTomography）是计算机断层的缩写。克服了X光机平面图像在深度方向的重叠，可以得到人体脏器的断层（即一薄层）图像，许多断层像可以重建成三维的立体像。2、现代XCT的基本情况XCT已经经历了五代，第六代CT正在研究。单束扫描、窄角束扫描、广角束扫描、反扇束扫描、动态空间扫描和电子束扫描。3、XCT的发展方向扫描方式、检测器数量和扫描时间。XCT扫描系统主要由采样系统和图像处理系统两大部分组成。采样系统：X射线管，探测器图像处理系统：核心是计算机，外设，图象显示器和软件。采样系统图像处理系统1．XCT的采样系统XCT的采样系统包括扫描机架、X射线发生器、准直器、探测器、A/D、计算机接口和冷却系统等。2．XCT的图像处理系统图像处理系统的核心是一台计算机，另外还有硬盘、软盘、打印机、磁带机、D/A、图像显示器、照相机和系统软件等。1、肿瘤放射治疗学的历史1895年伦琴发现X射线1942年原子反应堆问世，制造出多种人工放射性同位素50年代Co60治疗机出现60年代医用电子感应加速器、医用电子直线加速器应用于临床70年代开始对中子、质子、负π介子和重离子等的应用进行研究，出现X-刀和γ-刀80年代后对恶性肿瘤的70％进行放射疗2、放射治疗的原理放射治疗学是利用核射线（X、γ、β和中子流等）对疾病进行辐射治疗的学科。放射治疗的基本原理：当射线达到一定剂量时，射线照射对病变细胞有抑制和杀伤作用。射线通过直接效应和间接效应置癌细胞于死地。3、放射治疗用的放射源有三大类：(1)放射性同位素发射出的α、β、γ线(2)X射线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X射线(3)各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子和重离子束等第一类放射源用作体外照射、腔内照射或组织间照射，也可用口服或静脉注射将放射性核素注入人体，进行内用同位素治疗。第二、三类放射源只能用于体外照射。1.X射线治疗机为获得X射线必须有二个条件：(1)要有足够数量高速运动的电子(2)要有一个能够接受高速电子撞击而产生X射线的靶。Energy:6MeV(X-ray)DoseDate:2GY/minFieldsize:2X2~35X35cm2.CO-60治疗机γ射线，能量1.17Mev，1.33Mev，穿透力强，深部治疗比200千伏的X射线大15％。皮下反应轻，骨骼和软组织吸收剂量相等，旁向散射小，经济可靠，结构简单。3、后装治疗仪后装治疗仪是一种远距离控制小射线源（钴60，铯137等）的治疗装置。4、快中子治疗仪中子源14MeVD-T中子发生器5、负π介子治疗仪放射治疗是癌症治疗的主要手段。最早用于治疗癌症的是X射线，50年代出现了远距离钴60治疗机，进入60年代后，医用加速器技术应运而生。由于医用加速器能产生电子、X、γ等射线，射线定向性好，能量高，穿透性强，并且可以控制，利用率又高，故各种加速器的不断出现很快在医学上得到重视和利用。一、概述1949年瑞典神经科学家Leksell首先提出了放射外科学理论，设想利用立体定向技术，使用大剂量的高能量射线束（X、、质子、中子等）一次性摧毁靶点的病变组织。此后近二十年有许多科学家进行了研究和实验，于1968年建造了世界上第一台刀，并于1972年－1974年成功地做了二十多例脑动静脉畸形和癌症手术。从此刀开始用于治疗各种神经外科和癌症疾病。二、－刀－刀和X－刀并非通常意义上的有利刃、有把柄、能切割的金属刀。称其为“刀”是因为它能象手术刀那样切除肿瘤，冠以“X”或“”是因为原动力来自X射线和射线，所以也是一种放射治疗。－刀的基本原理和概况－刀是将多个放射源静止性照射到一点上，使该点的剂量很大，从而到达治疗的目的。－刀由六部分组成，它们是：放射系统；校准系统（头盔）；手术台；控制台；液压系统和计算机治疗计划系统。①无手术治疗，病人无痛苦；②手术精确，误差小（±0.1mm）；③简便省时,每次治疗只需3-小时；④新一代－刀配合CT、MRI和DSA及计算机，使治疗过程自动化和程序化。以产生硬X射线的医用直线加速器为放射源的立体定位定向装置，称为X－刀。其原理是通过机架旋转控制射线的输出剂量，照射野的再次准直和治疗床的角度变化来使高辐射剂量照射源集中在靶点，而靶区周围X射线剂量很小，取得与－刀相同的治疗效果。1.所有的脑内良、恶性肿瘤：脑膜瘤、垂体瘤、脑转移瘤、松果体瘤、三叉神经瘤、听神经瘤、血管网织细胞瘤、脊索瘤、雪旺氏神经鞘瘤、NPH癌等2.癫痫；3.脑血管畸形、脑血管瘤；4.五官肿瘤：鼻咽癌、颅咽管瘤、鼻血管纤维瘤、内耳肿瘤、眼球后肿瘤；5.功能性脑神经疾病：三叉神经痛、顽固性头痛、帕金森氏病。1、概述BNCT（BoronNeutronCaptureTherapy）中文含义是硼中子俘获治疗，是目前世界最先进的癌症治疗方法之一。到目前为止，世界上用反应堆中子源的（rBNCT）治疗机已经达到二期临床水平，但基于加速器的BNCT世界上还没有，许多发达国家都在研制中。在所有目前可以列举的放射治疗方法中，BNCT具有其它放疗所不具备的突出优点。主要表现在：中子的穿透性比质子和重离子好，容易实现深部癌症治疗；BNCT用的是低能中子，与快中子治疗相比，低能中子对人体正常细胞的伤害要小得多；发挥治疗作用的α粒子和7Li重离子具有局域性好的特点；药物的选择性提高了BNCT治疗癌症方面的优势；对无原发肿块的癌症有潜在的治疗能力等。1932年英国剑桥大学Cavendish实验室的Chad-wich中子。随后，又通过试验证明中子撞击10B将引起蜕变反应，释放α射线和γ射线；1936年，由Locher首次提出用中子俘获治疗（neutroncapturetherapy，NCT）方法治疗肿瘤的设想。此后，许多国家的科学家进行了一系列的细胞和动物实验；二十世纪50年代初，美国Brookhaven国家实验室进行首次临床治疗试验。之后，麻省理工学院也进行了大量的人体临床试验，但副作用严重，治疗结果不够理想；日本学者Hatanaka自1968年以来，一直坚持BNCT的临床研究，研究表明：利用BNCT治疗脑胶质细胞瘤的生存率比传统的手术、放疗和化疗要高，这再度刺激了NCT的复兴；为加强国际合作与交流，1984年NCT国际协作组织成立。此后，日本、美国、荷兰、英国、芬兰、澳大利亚和德国等国制定了BNCT中长期发展计划，主要集中在脑胶质细胞瘤的治疗上；20世纪90年代后，日本的皮肤病专家Mishima开始了BNCT在恶性黑色素瘤治疗方面的研究；意大利、我国台湾省正在研究BNCT治疗肝癌的技术，特别是意大利，已有成功试治的的先例。总体来说，无论在国内还是国外，BNCT已经成为癌症治疗的研究热门；基本原理:将含有硼-10的肿瘤药物注射到癌症患者体内，待药物富集于肿瘤组织后，用中子束照射肿瘤部位，引起强烈的中子俘获反应，用它所产生的次级辐射及反冲粒子去杀死癌细胞将含10B元素的BNCT药物注射到人体中，药物对肿瘤的选择性越高越好，每克肿瘤组织达到30μg的10B；由加速器产生的中子源经慢化后变为1eV－1keV范围内的超热中子,照射到病变组织,与10B发生俘获反应,反应方程如下:10B+1n→4α(1.78MeV)+7Li(1.01MeV)(4%)→4α(1.47MeV)+7Li(0.84MeV)+γ(0.48MeV)(96%)产生的4α粒子和7Li核的射程都很短,分别为5μm和8μm,它们能有效地杀死癌细胞,而对周围正常细胞损伤很小。治疗特点:(1)中子穿透性比质子和重离子好，容易实现深部癌症治疗；(2)与质子和重离子治疗设备相比，BNCT的造价相对低廉;(3)BNCT是一种热中子治癌方法，热中子对人体正常细胞的伤害较小；(4)BNCT最终发挥治疗作用的a粒子和Li离子，它们具有局域性好的特点；(5)BNCT对药物具有可选择性，具有定向治疗的特点；(6)俘获反应后放射性核素的半衰期短及次级辐射射程短,治疗后患者不需要特殊防护；其他治疗方法●迄今神经外科学只能切除30-50%的肿瘤；留下部分采用化疗或多模式治疗都无法抑制肿瘤细胞的迅速生长;●化学疗法:依靠抗癌毒物按比例杀灭体内肿瘤疗程长,药剂毒副作用大;●放射疗法：射线束只能对团块肿瘤具有杀伤作用，对于边界混杂的交织脑瘤无可奈何●其它新疗法：生物疗法、基因疗法等，远不成熟总之，迄今恶性肿瘤仍是人类健康的一大威胁。硼中子俘获疗法一敲响恶性脑瘤的丧钟！中子的穿透性比质子和重离子好，容易实现深部癌症治疗；BNCT用的是低能中子，与快中子治疗相比，低能中子对人体正常细胞的伤害要小得多；发挥治疗作用的α粒子和7Li重离子具有局域性好的特点；药物的选择性提高了BNCT治疗癌症方面的优势；对无原发肿块的癌症有潜在的治疗能力等。目前能够最大程度接近这些要求的中子源只有反应堆中子源，但世界上正全力开拓小型加速器中子源及辅助设备，从90年代初开始，已吸引了几十个研究组在开展研究工作。加速器产生中子的方法一般用7Li(p,n)、9Be(p,n)或9Be(d,n)，高能质子或氘核（能量大于2.4MeV轰击Li靶或Be靶，产生能量大于700keV的中子，再经慢化装置变成超热中子。BNCT中子源●核反应堆中子源目前最为现实的中子源，可以提供高通量的中子束；●加速器的中子源最有前途的中子源，但目前加速器技术还没有达到要求；●自发裂变中子源所提供的中子通量密度较小照射中子束:(1)热中子束中子能量小于0.1ev;治疗深度:距头皮4~5cm，脑内~3cm；照射前外科切除团块肿瘤，开颅照射；可直观病灶部位与状况；难于作深部病灶的照射；照射中子束:(２)超热中子束中子能量：(0.4-1.0)ev~(10-30)Kev；治疗深度:距头皮6-7cm;脑内3-4cm；不开颅切除肿块，不开颅照射；可直观病灶部位与状况；照射时间短，可门诊治疗，不住院或仅住2-3天；可达任何深部肿瘤，并