Belyaev_Nuclea Physics of Medecine_Study Manual
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
В.Н. Беляев, В.А. Климанов
Физика ядерной медицины
Часть 2
Позитронно-эмиссионные сканеры, реконструкция изображений в позитронно-эмиссионной томографии, комбинированные системы ПЭТ/КТ и ОФЭКТ/ПЭТ, кинетика радиофармпрепаратов, радионуклидная терапия, внутренняя дозиметрия, радиационная безопасность
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2012
УДК 539.07(075)+615.015.3(075) ББК 31.42я+51.2я7 К49
Беляев В.Н., Климанов В.А. ФИЗИКА ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИ-
НЫ. Часть 2. Позитронно-эмиссионные сканеры, реконструкция изображений в позитронно-эмиссионной томографии, комбинированные системы ПЭТ/КТ и ОФЭКТ/ПЭТ, кинетика радиофармпрепаратов, радионуклидная терапия, внутренняя дозиметрия, радиационная безопасность. Учебное пособие. М.:
НИЯУ МИФИ, 2012. 248 с.
Во второй части пособия изложены: устройство и основные характеристики позитронно-эмиссионных сканеров, принцип и методы реконструкции медицинских изображений в позитронно-эмиссионной томографии, комбинированные системы ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ и ОФЭКТ/ПЭТ, кинетика основных радиофармпрепаратов, радионуклидная терапия, внутренняя дозиметрия, радиационная безопасность в ядерной медицине. В основу пособия положен курс лекций, читаемых студентам НИЯУ МИФИ по специальностям "Медицинская физика" и "Радиационная безопасность человека и окружающей среды" (специализация "Медицинская радиационная физика").
Пособие предназначено для студентов, преподавателей, аспирантов и научных работников инженерно-физических и физико-технических вузов, специализирующихся в области ядерной медицины, а также для работников медицинских учреждений, использующих методы ядерной медициной в клиниках.
Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. Е.С. Матусевич
ISBN 978-5-7262-1761-1 |
© Национальный исследовательский |
|
ядерный университет "МИФИ", 2012 |
Редактор Е.К. Коцарева
Подписано в печать 15.11.2012. Формат 60х84 1/16
Уч.-изд. л. 15,5. Печ. л. 15,5. Тираж 100 экз.
Изд. № 25/1. Заказ № 40.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, каширское шоссе, 31.
ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42.
|
Оглавление |
|
Список основных сокращений .................................................... |
9 |
|
Предисловие.................................................................................. |
11 |
|
Глава 1. Позитронно-эмиссионная томография ................... |
14 |
|
1. |
Общее рассмотрение ........................................................... |
14 |
2. |
Позитронный распад ........................................................... |
15 |
3. |
Системы ПЭТ ....................................................................... |
17 |
|
3.1. Детекторы для ПЭТ ................................................... |
17 |
|
3.2. Детектирование совпадений ..................................... |
20 |
|
3.3. ПЭТ-сканер ................................................................. |
25 |
|
3.4. Пространственное разрешение ................................. |
27 |
|
3.5. Чувствительность....................................................... |
30 |
|
3.6. Энергетическое разрешение...................................... |
31 |
|
3.7. Эквивалентная по шуму скорость счета .................. |
33 |
|
3.8. Характеристика скорости счета................................ |
34 |
|
3.9. Режимы набора данных ............................................. |
34 |
|
3.10. КТ-визуализация ...................................................... |
36 |
4. |
Коррекция данных ПЭТ ...................................................... |
37 |
|
4.1. Поправка на ослабление ............................................ |
37 |
|
4.2. Поправка на распад.................................................... |
40 |
|
4.3. Поправка на случайные совпадения......................... |
40 |
|
4.4. Поправка на мертвое время....................................... |
42 |
|
4.5. Нормализация данных ............................................... |
42 |
|
4.6. Поправка на рассеяние .............................................. |
43 |
|
4.7. Применение поправок................................................ |
44 |
5. |
Накопление данных в ПЭТ ................................................. |
44 |
|
3 |
|
6. |
Тестирование ПЭТ-сканеров по программе контроля |
|
|
|
качества ................................................................................ |
|
48 |
|
6.1. Ежедневное тестирование ......................................... |
|
48 |
|
6.2. Еженедельное тестирование ..................................... |
|
48 |
Контрольные вопросы .............................................................. |
|
49 |
|
Список литературы ................................................................... |
|
51 |
|
Глава 2. Реконструкцияизображений в |
позитронно- |
||
эмиссионной томографии ................................................................ |
|
52 |
|
1. |
Сбор данных при 2-мерной и 3-мерной |
визуализации . 52 |
|
|
1.1. Двумерная визуализация ........................................... |
|
53 |
|
1.2. Полный 3-М набор данных ....................................... |
|
55 |
|
1.3. Детерминистская и стохастическая модели |
|
|
|
визуализации ..................................................................... |
|
56 |
2. |
Аналитическая 2-М реконструкция изображений........... |
57 |
|
|
2.1. Теорема 2-М центрального сечения ......................... |
57 |
|
|
2.2. Обратное проецирование .......................................... |
|
58 |
|
2.3. Реконструкция методом обратной проецирования с |
||
|
фильтрацией в Фурье пространстве ................................ |
|
59 |
|
2.4. Реконструкция методом фильтрованного обратного |
||
|
проецирования................................................................... |
|
60 |
|
2.5. Регуляризация............................................................. |
|
61 |
3. |
Аналитическая 3-М реконструкция |
изображений... |
62 |
|
3.1. Алгоритм 3-М обратного проецирования................ |
63 |
|
|
3.2. Методы перегруппировки ......................................... |
|
64 |
4. |
Итеративная реконструция изображений.......................... |
|
65 |
|
4.1. Основные элементы ................................................... |
|
65 |
|
4.2. Алгоритм максимизации ожидания |
|
|
|
максимального правдоподобия........................................ |
|
68 |
|
4 |
|
|
|
4.3. Алгоритм максимизации ожидания |
|
|
упорядоченных подмножеств .......................................... |
70 |
|
4.6. Байесовые штрафные методы ................................... |
73 |
|
4.7. Трехмерная итеративная реконструкция ................. |
74 |
5. |
Компромисс между качеством изображения и шумовым |
|
|
разрешением......................................................................... |
75 |
|
5.1. Определения качества изображения ........................ |
75 |
|
5.2. Количественные оценки ............................................ |
76 |
6. |
Актуальные проблемы ........................................................ |
80 |
Контрольные вопросы .............................................................. |
81 |
|
Список литературы ................................................................... |
82 |
|
Глава 3. Моделирование кинетики трассеров в ОФЭКТ |
и |
|
ПЭТ ...................................................................................................... |
|
85 |
1. |
Введение ............................................................................... |
85 |
2. |
Характеристика трассеров и камерных моделей ............ |
87 |
|
2.1. Характеристики радиотрассеров .............................. |
87 |
|
2.2. Типы моделей ............................................................. |
90 |
3. |
Камерный анализ и транспорт масс .................................... |
90 |
4. |
Допущения камерного моделирования ............................. |
93 |
5. |
Скорости усвоения и выведения, время транзита и объем |
|
|
распределения ...................................................................... |
96 |
|
5.1. Физиологическая значимость параметров модели для |
|
|
камерного анализа [15O]H2O............................................. |
96 |
5.2.Решение уравнений однокамерной модели ткани 101
5.3.Физиологическое значение модельных параметров в
камерном анализе с более сложными моделями........ |
102 |
|
5.4. Общее решение для многокамерных |
моделей |
|
ткани................................................................................. |
|
107 |
Контрольные вопросы ............................................................ |
|
108 |
5 |
|
|
Список литературы ................................................................. |
|
109 |
|
Глава 4. Дозиметрия в ядерной медицине ............................ |
|
111 |
|
1. |
Историческая справка ....................................................... |
|
112 |
2. |
Дозиметрические величины и единицы их измерения .. |
114 |
|
|
2.1. Поглощенная доза ................................................... |
|
114 |
|
2.2. Эквивалентная доза................................................. |
|
116 |
|
2.3. Эффективная доза .................................................... |
|
119 |
3. |
Дозиметрия на разных этапах разработки и внедрения |
|
|
|
радиофармпрепаратов ....................................................... |
|
123 |
4. |
Методы расчета доз при внутреннем |
облучении... |
125 |
|
4.1. Главные уравнения .................................................. |
|
125 |
|
4.2. Дозиметрические системы ..................................... |
|
127 |
|
4.3. Метод Маринелли – Квимби – Хайна ................... |
127 |
|
|
4.4. Современные расчетные методы |
|
|
|
дозиметрии ядерной медицины ..................................... |
|
130 |
5. |
Практическое рассмотрение .............................................. |
|
144 |
|
5.1. S-факторы для фантома стандартного человека 144 |
||
|
5.2. Серия педиатрических фантомов ........................... |
|
146 |
|
5.3. Серия фантомов беременных женщин................... |
148 |
|
|
5.4. Воксельные (томографические) фантомы всего тела |
||
|
........................................................................................... |
|
149 |
|
5.5. Эффективный период полувыведения ................... |
149 |
|
|
5.6. Резидентное время ................................................... |
|
150 |
6. |
Программное обеспечение и ресурсы |
Интернета..... |
151 |
|
6.1. Програмные комплексы MIRDOSE и OLINDA .... |
151 |
|
|
6.2. Система RADAR ...................................................... |
|
152 |
7. |
Нерешенные проблемы ..................................................... |
|
152 |
Контрольные вопросы ............................................................ |
|
153 |
|
|
6 |
|
|
Список литературы ................................................................. |
|
156 |
|
Глава 5. Радионуклидная терапия.......................................... |
|
160 |
|
1. История развития радионуклидной терапии.................... |
160 |
||
2. |
Выбор радионуклида......................................................... |
|
161 |
|
2.1. Общий анализ ........................................................... |
|
161 |
|
2.2. Источники β-излучения ........................................... |
|
162 |
|
2.3. Источники электронов Оже .................................... |
|
166 |
|
2.4. Источники α-частиц ................................................. |
|
167 |
|
2.5. Радионуклиды для визуализации/терапии............. |
168 |
|
3. |
Выбор носителя радионуклида.......................................... |
|
170 |
|
3.1. Общий анализ ........................................................... |
|
170 |
|
3.2. Радиофармпрепараты для мишенной и |
|
|
|
радиоиммунной терапии ................................................ |
|
171 |
4.Сферы клинического применения РФП ............................ |
176 |
||
5. |
Расчет дозы и дозиметрическое |
обеспечение РНТ. 178 |
|
|
5.1. Формализм MIRD..................................................... |
|
178 |
|
5.2. Метод дозового ядра точечного источника ........... |
181 |
|
|
5.3. Применение метода Монте-Карло.......................... |
182 |
|
6. |
Практическое применение формализма MIRD ................ |
182 |
|
7. |
Планирование радионуклидной терапии.......................... |
183 |
|
|
7.1. Предварительное введение РФП ............................ |
183 |
|
|
7.2. Критические органы ................................................ |
|
188 |
|
7.3. Расчеты для конкретного пациента ........................ |
188 |
|
|
7.4. In-vivo дозиметрия ................................................... |
|
189 |
|
7.5. Радиобиологическое рассмотрение ........................ |
190 |
|
8. |
Преимущества, недостатки и актуальные проблемы |
|
|
|
радионуклидной терапии .................................................. |
|
190 |
Контрольные вопросы ............................................................ |
|
193 |
|
|
7 |
|
|
Список литературы ................................................................. |
195 |
Глава 6. Основы радиационной безопасности в ядерной |
|
медицине ........................................................................................... |
199 |
1. Концептуальные основы нормирования в |
радиационной |
безопасности ...................................................................... |
200 |
1.1. Концепция беспорогового действия |
радиации |
........................................................................................... |
200 |
1.2. Концепция приемлемого риска............................... |
201 |
1.3. Фоновое облучение.................................................. |
203 |
1.4. Принципы обеспечения радиационной |
|
безопасности.................................................................... |
206 |
2. Нормы радиационной безопасности ................................. |
207 |
3. Обеспечение радиационной безопасности в ядерной |
|
медицине............................................................................. |
208 |
3.1. Обеспечение радиационной безопасности |
|
пациентов......................................................................... |
211 |
3.2. Обеспечение радиационной безопасности |
|
персонала ......................................................................... |
218 |
3.2.2. Источники облучения ........................................... |
220 |
3.3. Радиоактивные отходы ........................................... |
226 |
3.4. Обеспечение радиационной безопасности |
|
населения ......................................................................... |
228 |
3.5. Обеспечение радиационной безопасности в |
|
радионуклидной терапии................................................ |
231 |
4. Обеспечение радиационной безопасности в |
|
рентгенодиагностике ......................................................... |
236 |
Контрольные вопросы ............................................................ |
241 |
Список литературы ................................................................. |
244 |
8
Список основных сокращений
АЭС – атомная электростанция КТ – компьютерная томография
МАГАТЕ – Международное агентство по атомной энергии МБк – мегабеккерель мкКи – милликюри
МКРЗ – Международная комиссия по радиационной защите ОФЭКТ – однофотонная эмиссионная компьютерная томогра-
фия ПЭТ – позитронно-эмиссионная томография
РАО – радиоактивные отходы РЛП – радиологические процедуры р/н -- радионуклид РНТ – радионуклидная терапия
РФП – радиофармпрепарат ФЭУ – фотоэлектронный умножитель ЯМ – ядерная медицина
A – активность радионуклида
ATT – поправка на ослабление излучения Ben – энергетический фактор накопления BGO – сцинтиллятор германат висмута D – поглощенная доза
D – мощность поглощенной дозы
DC – поправка на распад радионуклида DT – поправка на мертвое время
E – эквивалентная доза
FDG – фтор-2-дезокси-D-глюкоза FOV – поле обзора
GSO – сцинтиллятор силикат гадолиния HT – полная эффективная доза
HTR – эффективная доза, создаваемая конкретным видом ионизирующего излучения
ICRP – Международная комиссия по радиационной защите LSO – сцинтиллятор силикат лютеция
LOR – линия ответа
MIRD – Комитет по медицинской внутренней радиационной до-
зе
9
MLEM – алгоритм максимизации ожидания максимального правдоподобия
NECR – эквивалентная по шуму скорость счета NR – скорость счета случайных совпадений
NS – скорость счета совпадений, обусловленных рассеянием гамма-излучения
NORM – нормировочный фактор
OSEM – алгоритм максимизации ожидания упорядоченных подмножествв
ROC – приемная операционная характеристика
Tp (T1/2) – период (физический) полураспада радионуклида
Tb – период (биологический) полувыведения радионуклида из организма
Te – эффективный период уменьшения активности радионуклида в организме в два раза
TOF – метод времени пролета
WR – взвешивающие коэффициенты при расчете эквивалентной дозы для конкретного вида излучения
WT – взвешивающие коэффициенты при расчете эффективной дозы дозы для конкретного органа или ткани
µ – линейный коэффициент ослабления гамма-излучения λ – постоянная распада
10