核医学分子影像概要
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影像核医学课件 第三章 分子影像学技术
CT、MRI、PET及SPECT显像探测 的浓度阈值
• 显像设备
探测原素 探测浓度阈值 原子数
CT
I
2mmol
1000×106
MRI
Gd、Fe
40μmol
30×106
PET、SPECT 18F、99mTc、
10pmol
100
131I
第二节 分子影像在疗效监测及肿瘤 个性化治疗中的应用
• 分子影像与诊断 • 分子影像与治疗决策 • 分子影像与早期疗效评价 • 分子影像与肿瘤残余、复发和治疗后纤维
第三章 分子影像学技术
第一节 核医学分子影像概要
• 一、分子影像的定义 • 是在分子和细胞水平，采用2D或3D图像，可视化
的实时、定量的显示，测量人或其它活的生命系 统的生物学过程的影像学方法。 • 方法包括：核素示踪显像（即核医学）、MR显像 /MRS、光学成像、超声成像等方法。 • 其中核医学分子影像是目前最成熟的分子影像学 技术。
报告基因表达显像
• 原理：报告基因显像是指报告基因所表达的蛋白 质与放射性核素标记的报道探针发生反应或特异 结合，局部形成放射性浓聚，通过显像的方法对 报告基因的表达进行监测的一类显像方法。
• 种类：外源性的报告基因显像和内源性的报告基 因显像。 外源性报告基因显像根据报告基因表达生 物的不同，又可分为酶/底物报告基因显像系统和 受体/配基报告基因显像。
报告基因表达显像
二、分子探针
• 可以是内原性的，也可以是外原性的； • 受体的配体、特异性酶的底物， • 抗体、多肽、蛋白等大份子，核苷酸类及
基因表达显像剂等。
三、研究对象及设备
临床设备： • PET、SPECT、MRI 临床前设备主要有： • micro-PET、micro-SPECT、光成像仪
核医学分子影像学
核医学分子影像学是一门高度综合的医学领域，它利用放射性核素和分子成像技术，对生物体内复杂的生理、病理过程进行精确、实时的观察，为疾病的诊断、治疗和预防提供重要的科学依据。
核医学分子影像学具有以下几个关键特点：精确性：核医学分子影像技术，如正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射断层扫描（SPECT），能够提供高分辨率的图像，展示生物体内分子水平的动态变化。
这种精确性使得核医学在许多领域，如肿瘤学、心血管学、神经科学等，具有广泛的应用前景。
多维成像：核医学技术不仅可以提供二维的解剖图像，还可以通过示踪技术获得三维的生理、病理信息。
这种多维成像能力使得医生能够更全面地了解疾病的状况。
实时监测：核医学分子影像技术具有很高的时间分辨率，能够实时观察到体内病变或生理过程的动态变化。
这对于早期诊断、评估治疗效果以及监测疾病进程具有重要意义。
灵活的示踪剂设计：核医学为研究体内生物大分子的功能、代谢和病理过程提供了独特的工具。
通过设计不同类型的示踪剂，可以追踪不同的生物分子和细胞类型。
然而，核医学分子影像学也面临一些挑战，如放射性核素的潜在危害、设备成本高昂、技术复杂等。
此外，核医学分子影像学的研究和应用需要多学科的合作，包括放射化学、生物工程、临床医学等。
未来，随着科技的发展，核医学分子影像学有望在以下几个方面取得重要突破：提高图像质量，包括分辨率和灵敏度；开发新的示踪剂，以适应更多类型的生物分子和细胞研究；提高设备便携性和可移动性，以适应临床的需求；进一步发展数字影像处理技术，提高图像解读的准确性和可靠性。
总之，核医学分子影像学是一个充满挑战和机遇的领域。
通过不断的研究和发展，核医学有望为医学领域的进步做出重要贡献，为人类健康事业带来更多的希望和福祉。
核医学分子影像概论
生理 生化改变
受体变化
?
功能代谢异常
CT，MR
PET/CT MR
解剖结构异常 临床症状体征
molecular nuclear medicine
• 核医学和分子生物学技术进一步发展和相互融 合而形成的新的核医学分支。
• 应用核医学的示踪技术从分子水平认识疾病， 阐明病变组织受体密度与功能的变化、基因的 异常表达、生化代谢变化及细胞信息传导等。
• Antisense probe—carcinoma gene
(Complementary nucleotide核苷酸碱基互补)
• Enzyme—substrate
分子识别是分子核医学重要理论依据
分子核医学的重要研究领域
• 分子核医学研究的内容十分广泛，但最 重要的研究领域有两个方面： 一是受体研究，二是基因研究
放射性核素示踪技术
＋ 生物技术
受体与配体 免疫学技术 基因技术 细胞功能与代谢
受体显像 受体放射分析
放射免疫显像 反义显像 基因显像
代谢显像 凋亡显像
受体功能 异常抗 基因异 显示报 代谢增高 细胞活性 分布密度 原表达 常表达 告基因 与减低 与凋亡
分子核医学起源
• 1995年Reba在美国核医学杂志“分子核医学” 增刊序言中写道：“分子生物学的进展从现在 起将生动地影响今后的医学实践”。
Micro-MRI
Gene expression
Micro-PET
Molecule-anatomy fusion imaging
Optical imaging
PET-CT
医学影像发展
Biology
分子影像为观察机体某一特定病变部 位的生化过程变化提供了一个窗口
放射医学的核医学的分子影像
放射医学的核医学的分子影像放射医学的核医学的分子影像在现代医学领域中扮演着重要的角色。
通过使用核素标记的放射性药物，核医学能够提供全面的生物学信息，从而帮助医生们进行疾病的诊断、治疗和监测。
本文将介绍核医学的基本原理、影像技术以及其在不同疾病领域的应用。
一、核医学的基本原理核医学利用放射性同位素的特性，即放射性同位素通过发射伽马射线产生图像。
这些放射性同位素在体内注射或摄入后，会与特定的细胞、分子或组织发生特异性的相互作用。
通过测量这些放射性同位素发射出的伽马射线的能量和强度，核医学可以获得有关生物体内某一生物过程的信息。
二、核医学的影像技术核医学的影像技术主要包括单光子发射计算机断层摄影（SPECT）和正电子发射计算机断层摄影（PET）。
SPECT利用伽马相机捕捉放射性同位素发射的伽马射线，从而形成二维或三维的图像。
PET则使用正电子发射剂和正电子发射计算机断层摄影机，能够提供更高的空间分辨率和更准确的定量分析。
这些影像技术能够直接反映细胞和分子水平的代谢活动，从而实现疾病的早期诊断和治疗监测。
三、核医学在不同疾病领域的应用1. 心血管疾病核医学可用于评估心肌灌注、心肌代谢和心脏功能。
例如，放射性同位素心肌灌注显像可以检测冠心病和心肌缺血。
2. 肿瘤学核医学在肿瘤学中有广泛的应用。
例如，PET-CT可以用于癌症的早期诊断、分期和治疗监测。
同时，通过标记肿瘤相关的特定分子，核医学还能够实现个体化的抗肿瘤治疗。
3. 神经科学核医学在神经科学中的应用主要集中在脑功能影像学上，如脑血流量和脑代谢的测量。
这些技术对于研究神经系统疾病如阿尔茨海默病和帕金森病等起到重要作用。
4. 内分泌学核医学可以用于评估和治疗内分泌系统的疾病，如甲状腺功能亢进和骨转移性甲状腺癌等。
通过注射放射性同位素，核医学能够提供关于内分泌细胞和组织功能的信息。
5. 感染与炎症核医学能够通过标记白细胞或炎症介质来检测感染和炎症的部位和程度，从而为临床医生提供重要的诊断信息。
第六章核医学影像
以图像形式显示 （功能性显像） 核素数量少
半衰期短
放射性活度 分布的外部测量 灵敏度高
（1）核医学影像技术方便且安全。 特点 （2）核医学影像是一种功能显像，不是组织的密度变 化。
第六章 核医学影像
10
第二节 射线探测
一、射线能谱 二、闪烁计数器
三、脉冲幅度分析器
第六章 核医学影像
11
一、射线能谱
第六章 核医学影像
46
二、照相机的性能指标及质量控制
7.系统灵敏度 系统对射线的探测效率 单位时间内单位活度的计数率
单位
C· min-1·Bq-1
图像质量集中指标 探测灵敏度 图像的线性
第六章 核医学影像
47
三、单光子发射型计算机断层原理
发射型计算机断层（ECT）
图像重建显示放射性核素在断层分布
28
二、准直器的技术参数
2.空间分辨力 半峰宽度(FWHM) 带准直器探测器沿垂直线源方向逐点计数 获得的响应曲线最大值一半处的曲线宽度
F R FWHM d 0 L
F 准直器焦距
相对计数率 D
do
L 100% F 50%
R R
半峰宽度 FWHM
d0 准直器孔径
L 准直器宽度
焦平面
半峰宽度FWHM 多孔聚焦式准直器结构
27
二、准直器的技术参数
2.空间分辨力 两线源分辨距离 R 两线源平行放置，用一带准直器探测器在垂直线源方向
逐点探测计数，获得探测计数与探测位置的响应曲线。
线源相距较远 两个峰值 对应线源位置 线源距离恰可分辨 峰曲线叠加 一峰曲线最小值恰好落在 另一峰曲线最大值位置上
(a)
R (b)
分子影像学概论
分子核医学
分子核医学能提供那些生物学信息
– 代谢 – 增殖 – 缺氧 – 凋亡 – 基因表达 – 血供的优势在于在于可以获得解剖生理信息以极高组织分辨率。一般意义的MR 是以组织的 生理特征、多种物理作为成像对比的参照。
• 分子水平的MR 成像是建立在以上传统成像技术基础上， 以在MR 图像上可显像的特殊分子 作为成像标记物，对这些分子在体内进行具体的定位。"MR 分子成像"可在活体完整的微循环 下研究病理机制,并可提供三维信息。
• MR 的具体应用主要包括基因治疗成像与基因表达、分子水平定量评价肿瘤血管生成、显微 成像、活体细胞及功能性改变等方面。暂时用磁共振技术进行的基因表达显像
MRI分子成像
3.荧光分子成像
• "光学成像"是分子生物学基础研究最常用、最 早的成像方法。
• "光学成像”无射线辐射，对人体无害，可重复 曝光。
2.能够发现疾病早期的分子细胞变异及病理改变过程; 3.可在活体上连续观察药物或基因治疗的机理和效果。通
常，探测人体分子细胞的方法有离体和在体两种，分子 影像技术作为一种在体探测方法，其优势在于可以连续、 快速、远距离、无损伤地获得人体分子细胞的三维图像。 它可以揭示病变的早期分子生物学特征，推动了疾病的 早期诊断和治疗，也为临床诊断引入了新的概念。
18F-FDG 心肌代谢断层显像
SOS！
心肌不存活—灌注-代谢匹配
13NH3－H2O血流灌注显像 18F-FDG代谢显像
匹配
太晚了 ...
国内外现状和发展趋势
目录
• 第一节 分子影像学的产生和定义 • 第二节分子影像学成像基本原理及基本条件 • 第三节分子影像学的分类和研究内容 • 第四节分子影像学的特点 • 第五节分子影像学的应用
第一节 核医学影像概述
第8章 核医学影像
一、成像原理
一、放射性核素显像的技术特点
若将一定量的放射性核素引入人体，它 将参与人体的新陈代谢，或者在特定的脏器 或组织内聚集。RNI的本质就是体内放射性 活度的外部测量，并将测量结果以图像的形 式显示出来。它含有丰富的人体内部功能性 信息，因此，RNI以功能性显像为主。
二、单电子发射型计算机断层(SPECT)
1. 成像的本质与方法 图像是断层图像，成像算法与X-CT类似，先获
得投影函数，再利用卷积运算进行反投影，重建 放射性核素二维的活度分布。
2.单电子发射型计算机断层的技术优势
三、正电子发射型计算机断层（PET）
1.采用具有自准直符合计数方法
2.正电子发射型计算机断层的技术优势
二、核素示踪
核素示踪技术是以放射性核素或其标记化合物为示 踪剂，应用射线探测方法来检测它的行踪，是研究 示踪剂在生物体系或外界环境中运动规律的核技术。
建立放射性核素示踪技术的理论依据： （1）同一元素的同位素有相同的化学性质，进入人体
后所发生的化学变化和生物学变化过程均相同，而 生物体不能区别同一元素的各个同位素，这就有可 能用放射性核素来代替其同位素中的稳定性核素。
闪烁计数器
γ射线 闪烁体
NaI(Tl)
闪烁计数器
光学收集系统
放射层 光学耦合剂
光导
光电倍增管
光-电转换器件
电流 信号
用γ照相机检查时，只需将探头对准检查部位，让准 直器底面尽量靠近人体。由于体内分布的示踪核素 放射的γ射线只有沿平行准直器孔道方向入射，才能 入射到晶体形成闪烁光，并由这些闪烁光在晶体平 面上形成脏器示踪核素分布的二维投影图像。
一般情况下，人体内的某些欲观察的物质在生
一、成像原理
一、放射性核素显像的技术特点
若将一定量的放射性核素引入人体，它 将参与人体的新陈代谢，或者在特定的脏器 或组织内聚集。RNI的本质就是体内放射性 活度的外部测量，并将测量结果以图像的形 式显示出来。它含有丰富的人体内部功能性 信息，因此，RNI以功能性显像为主。
二、单电子发射型计算机断层(SPECT)
1. 成像的本质与方法 图像是断层图像，成像算法与X-CT类似，先获
得投影函数，再利用卷积运算进行反投影，重建 放射性核素二维的活度分布。
2.单电子发射型计算机断层的技术优势
三、正电子发射型计算机断层（PET）
1.采用具有自准直符合计数方法
2.正电子发射型计算机断层的技术优势
二、核素示踪
核素示踪技术是以放射性核素或其标记化合物为示 踪剂，应用射线探测方法来检测它的行踪，是研究 示踪剂在生物体系或外界环境中运动规律的核技术。
建立放射性核素示踪技术的理论依据： （1）同一元素的同位素有相同的化学性质，进入人体
后所发生的化学变化和生物学变化过程均相同，而 生物体不能区别同一元素的各个同位素，这就有可 能用放射性核素来代替其同位素中的稳定性核素。
闪烁计数器
γ射线 闪烁体
NaI(Tl)
闪烁计数器
光学收集系统
放射层 光学耦合剂
光导
光电倍增管
光-电转换器件
电流 信号
用γ照相机检查时，只需将探头对准检查部位，让准 直器底面尽量靠近人体。由于体内分布的示踪核素 放射的γ射线只有沿平行准直器孔道方向入射，才能 入射到晶体形成闪烁光，并由这些闪烁光在晶体平 面上形成脏器示踪核素分布的二维投影图像。
一般情况下，人体内的某些欲观察的物质在生
分子影像技术
意义
分子影像技术与经典的医学影像技术相比，具有“看得早”的特点，经典的影像诊断（X线、CT、MRI、超声 等）主要显示的是一些分子改变的终效应，即器官发生了器质性变化之后才能进行观察，仅能用于具有解剖学改 变的疾病检测。而分子影像技术能够探查疾病过程中细胞和分子水平的异常，在尚无解剖改变的疾病前检出异常， 为探索疾病的发生、发展和转归，评价药物的疗效中，起到连接分子生物学与临床医学之间的桥梁作用。
分子影像涉及的专业领域包括分子生物学、生物医学影像、临床医学、药物化学、生物化学、药学、信息技 术、光电子技术、影像物理学等多学科综合交叉，这也是国际著名大学和科研院所近二十年来争相发展的重要标 志性学科。
分子影像学会
世界分子影像学会是国际分子影像领域唯一的全球性学术组织，也是全球五大洲分子影像学会的总会，每年 主办分子影像领域规模最大、水平最高、影响力最广泛的学术会议——世界分子影像大会，并出版分子影像领域 重要学术期刊《分子影像与生物学》。
产品比较
国外产品状况
国内产品状况
分子影像产品的研究与发展，是伴随着分子影像成像理论和成像算法的发展而逐步发展的。在荧光标记的分 子成像方面，世界上仅有少数实验室研制成功可以对小动物进行跟踪性在体荧光断层分子影像的系统。
近年来，国外某些公司改进了现有的体外荧光成像技术，发展出适用于动物体内的成像系统。荧光发光是通 过激发光激发荧光基团到达高能量状态，而后产生发射光。常用的有绿色荧光蛋白(GFP)、红色荧光蛋白(DsRed) 及其他荧光报告基团，标记方法与体外荧光成像相似。荧光成像具有费用低廉和操作简单等优点。同生物发光在 动物体内的穿透性相似，红光的穿透性在体内比蓝绿光的穿透性要好得多，近红外荧光为观测生理指标的最佳选 择。现有技术采用不同的原理，尽量降低背景信号，获取机体中荧光的准确信息。
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分子影像
早期诊断 早期定性 准确分期 准确预后 更早疗效判断 了解更多生物活性
乏氧 增殖 凋亡 受体 代谢……
早期治疗 早期干预 选择准确治疗方案 早期预防治疗 及时改变治疗方案 给予更多靶向治疗
增氧 超分隔放疗 诱导凋亡 受体调理 代谢抑制……
个体化治疗
分子影像的现状及与学科关系
临床分子影像 设备：
核医学分子影像概要
章英剑 2013.5.10
1).分子影像（ molecule imaging） 2).转化医学（translational medicine）实质：个体化治疗
提供的技术 分子影像诊断 分子影像指导下的治疗
影像学检查种类
光学
PET
分 子
影
SPECT
像
传
US（部分技术）
统
影 像
MR （部分技术）
各种影像的专长和分子探测的灵敏度
分子影像的三大要素
靶向物质 分子影像探针
示踪剂
探测工具
发光物质 正电子核素 单光子核素 磁性物质 含气微球
……
光学成像仪
PET SPECT MRI、MRS US 光声成像仪
高亲和力
高信号扩增
敏感、快速、高分辨率
分子影像的核心
分子影像探针（俗称显像剂）
分子影像的现状 90％用于肿瘤研究，少部分在脑神经和心脏
没有一个学科能像核医学那样 筛选、研究和推出那么多的探针
为什么要个体化治疗？
恶性肿瘤个体化差异无处不在
异质性 多中心性 变异性
肿块内部不同部位，不同的转移灶 不同的病灶 转移灶与原发灶不同
葡萄糖、蛋白质、酶、增殖、氧饱和度、受体….. 恶性、侵润、播撒、转移、复发、预后 治疗方法、治疗敏感性、治疗方法差异
18FES检查适应症
1. 乳腺癌雌激素受体状况判断、决定治疗方案 2. 乳腺癌内分泌疗效判断 3. 子宫肿块定性 4. 乳腺癌伴第二原发病灶定性
18FLT检查适应症
1. 恶性肿瘤增殖状况分析 2. 分级 3. 预后 4. 疗效观察
18FMISO检查适应症
1. 乏氧状况分析 2. 辅助制定治疗方案
神经内分泌肿瘤：99mTc-HYNIC-TOC
18FDG检查适应症
1. 恶性肿瘤分期、分级和预后 2. 肿瘤生物活性分析与定位 3. 鉴别诊断肿瘤残留、复发与治疗后改变 4. 疗效随访 5. 复发者再分期 6. 寻找ATSM原发灶 7. 肿块定性 8. 高危人群的肿瘤普查 9. 活动性炎症定位 10. 心肌活力判断 11. 癫痫定位
CT
普通X线检查
传统影像
看形态、密度、结构， 对比造影后看血供
分子影像 看生物活性，看分子含量
常规检查特点
活检-有创
动物-处死
取材部位 一次性 反映局部
分子影像显示的是疾病的异常分子水平 而不是这些分子改变的最终结果。
恶性肿瘤 基因水平异常→酶蛋白质等生化水平异常→功能异常→形态密度等解剖异常
目前 对个体差异评判手段的不足使得个体化治疗仅是一种概念 未来 分子影像将是评判个体化差异的有效手段
放射性分子影像探针 临床与研究
糖代谢：
18F-脱氧葡糖
氨基酸代谢： 11C-蛋氨酸
脂肪代谢： 11C-乙酸盐 （ 18F- 乙酸 ？）
乏氧：18F-MIFra bibliotekO 、18F-FAZA、64Cu-ATSM
增殖：
向最有效和最合适的疾病诊断、治疗和预防模式转化， 通过多学科交叉，把分子影像研究成果快速转化为临床 实践，为新药开发和新型治疗方法研究开辟一条具有革 命性意义的新途径，并且发挥双通道效应，从实验到临 床，再从临床到实验，以此良性循环，在分子影像研究 与药物研发、临床诊疗间起到桥梁作用。
分子影像与个体化治疗的关系
18F-FLT
骨代谢：
18F-氟化钠
受体显像： 18F-FES（雌激素）、18F-RGD（整合素、EGFR受体）
膜代谢：
11C-胆碱 （ 18F-胆碱 ？）
细胞凋亡： 18F-SFB-Annexin B1、 18F-Annexin V、18F-ML10
基因显像： 18F-FHBG、报告基因显像
放射免疫显像：18F-单抗
11C-乙酸（AC）检查适应症
1. 肝癌生物活性判断 （FDG + ：分化差，AC + ：分化好）
1. 肾脏肿瘤辅助诊断 2. 前列腺癌辅助诊断
临床PET(PET/CT，PET/MR) 临床SPECT（SPECT/CT） 临床MR（部分技术） 临床US（部分技术）
影像医学与核医学
核医学科 放射科 超声科
基础分子影像 设备： 光学成像仪(生物发光、荧光、核素光学检测) 光声成像仪 小动物PET(PET/CT，PET/MR) 小动物SPECT/CT 小动物MR （部分技术） 小动物US（部分技术）
1.寻找疾病靶点、研发相应探针 2.在小动物疾病模型上用合适的影像工具或研发新
型的影像技术证实该探针的作用 3.最后转化为临床患者可用的显像剂进行临床研究
转化医（translational medicine）
“从实验台到病床”（B to B，Bench to Bedside）
核心工程： 将分子影像所揭示的疾病过程、生物学行为和特征
各种检测 不能定位
临床症状体征 非特异性
活检 传统影像
有创，晚期 不能定性
分子影像能看早、看准、看全，动态看
分子影像（ molecule imaging）
活体状态下显示组织、细胞和亚细胞水平上的特 定分子
在分子水平上反映疾病的变化 用影像学的方法定性和定量其生物学特性与过程
分子影像研究的核心工程