Радионуклидная диагностика. Физические принципы и технологии

В.А. КЛИМАНОВ
РАДИОНУКЛИДНАЯ
ДИАГНОСТИКА

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕХНОЛОГИИ

В.А. Климанов
Радионуклидная диагностика. Физические принципы и технологии: Учебное пособие / В.А. Климанов – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2014. – 328 с.

В учебном пособии изложены: физический фундамент радионуклидной диагностики; методы регистрации и детекторы ионизирующих излучений, применяемые в радионуклидной диагностике;
устройство и основные характеристики гаммакамер и позитронноэмиссионных сканеров, однофотонная эмиссионная и позитронноэмиссионная томография; принципы и методы реконструкции
распределений активности радионуклидов в организме пациентов из
экспериментальных данных. Важное место в пособии занимают также  описания наиболее распространенных технологий получения диагностических радионуклидов и их свойств, основ радиофармацевтики
и механизмов локализации радиофармпрепаратов в исследуемых областях тела пациентов. Большое внимание уделяется вопросам радиационной безопасности и дозиметрии при радиодиагностических
обследованиях.
Пособие предназначено для студентов, преподавателей, аспирантов и научных работников инженернофизических и физикотехнических вузов, специализирующихся в области медицинской физики
и радионуклидной диагностики, а также для работников медицинских учреждений, связанных с этими направлениями фундаментальной и практической медицины.

© 2014, В.А. Климанов
© 2014, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригиналмакет,
оформление

ISBN 9785915591386

ISBN 9785915591386

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14

Глава 1. Ионизирующие излучения и их взаимодействие
с веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17

1.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.1.1. Физические величины и единицы их измерения . . . . . . . .
17
1.1.2. Классификация излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.2. Строение атома и ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.2.1. Основные определения атомной структуры . . . . . . . . . . . .
19
1.2.2. Модель атома Резерфорда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.2.2.1. Модель атома водорода Бора . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.2.2.2. Многоэлектронные атомы . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.2.3. Строение ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.2.4. Ядерные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.2.5. Радиоактивность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.2.6. Виды радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
1.2.7. Генераторные системы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.3. Характеристики поля излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
1.3.1. Флюенс и плотность потока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
1.3.2. Керма и поглощенная доза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1.4. Взаимодействие излучений с веществом. . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.4.1. Сечения взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.4.2. Взаимодействие заряженных частиц с веществом . . . . . . .
38
1.4.2.1. Общее описание взаимодействия . . . . . . . . . . . . .
38
1.4.2.2. Взаимодействие с орбитальными электронами . . . .
39
1.4.2.3. Взаимодействие с ядрами атомов . . . . . . . . . . . . .
40
1.4.2.4. Тормозная способность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
1.4.2.5. Ограниченная массовая тормозная способность и поглощенная доза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44

Оглавление

1.4.2.6. Угловое распределение рассеянных электронов и массовая рассеивающая способность . . . . . . . . . . . . .
46
1.4.3. Взаимодействие фотонов с веществом . . . . . . . . . . . . . . .
47
1.4.3.1. Общее рассмотрение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
1.4.3.2. Фотоэлектрический эффект . . . . . . . . . . . . . . . .
48
1.4.3.3. Комптоновское (некогерентное) рассеяние . . . . . . .
50
1.4.3.4. Когерентное (релеевское) рассеяние . . . . . . . . . . .
53
1.4.3.5. Образование электронно-позитронных пар . . . . . .
54
1.4.3.6. Фотоядерные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
1.4.3.7. Полные микроскопические и макроскопические сечения взаимодействия фотонов . . . . . . . . . . . . . . . .
55
1.5. Биологическое действие излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
1.5.1. Фазы воздействия ИИ на биологические объекты . . . . . . .
58
1.5.2. Радиационно-индуцированное повреждение ДНК . . . . . . .
60
1.5.3. Радиационный мутагенез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
1.5.3.1. Стохастические и детерминистские эффекты . . . . .
62
1.5.3.2. Эпидемиологические данные для людей . . . . . . . .
63
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66

Глава 2. Методы регистрации и детекторы ионизирующего
излучения, применяемые в радионуклидной диагностике . .
68

2.1. Газовые ионизационные детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
2.1.1. Вводные замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
2.1.2. Основы теории работы газонаполненного ионизационного
детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.1.2.1. Область рекомбинации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.1.2.2. Область ионизационного насыщения . . . . . . . . . .
71
2.1.2.3. Область пропорциональности . . . . . . . . . . . . . . .
71
2.1.2.4. Плато Гейгера–Мюллера . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
2.1.2.5. Область непрерывного разряда . . . . . . . . . . . . . .
73
2.1.3. Ионизационные радиационные детекторы в радиоизотопной
диагностике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
2.2. Сцинтилляционные детекторы и системы регистрации . . . . . . . .
76
2.2.1. Общие требования к детекторам. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
2.2.2. Сцинтилляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
2.2.3. Фотоэлектронные умножители и электронные устройства в
сцинтилляционном методе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
2.2.4. Спектрометрия с кристаллом NaI(Tl). . . . . . . . . . . . . . . .
81
2.2.4.1. Аппаратурная форма линии спектрометра . . . . . . .
81
2.2.4.2. Общие характеристики сцинтилляционных детекторов с кристаллом NaI(Tl) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83

Оглавление
5

2.2.4.3. Детектирование совпадений . . . . . . . . . . . . . . . .
87
2.2.4.4. Счетчик с колодцем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
2.3. Полупроводниковые детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
2.3.1. Общие замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
2.3.2. Физика полупроводниковых детекторов . . . . . . . . . . . . . .
91
2.3.3. Захват носителей заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
2.4. Статистика регистрации ионизирующих излучений . . . . . . . . . .
96
2.4.1. Погрешность, точность и воспроизводимость . . . . . . . . . .
96
2.4.2. Распределение вероятности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
2.4.3. Распространение (передача) ошибок . . . . . . . . . . . . . . . .
101
2.4.4. Тестирование гипотез . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
2.4.5. Доверительный интервал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
2.4.6. Тест χ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
105
2.4.7. Статистики и анализ изображения . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
109
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
111

Глава 3. Гамма-камера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112

3.1. Краткая история. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
112
3.2. Принцип работы гамма-камеры Ангера . . . . . . . . . . . . . . . . . .
113
3.3. Основные физические характеристики медицинских гамма-камер.
117
3.3.1. Собственная эффективность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117
3.3.2. Эффективность коллиматора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
3.3.3. Системная чувствительность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
122
3.3.4. Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
123
3.3.5. Собственное энергетическое разрешение . . . . . . . . . . . . .
127
3.3.6. Рассеяние в пациенте и коллиматоре. . . . . . . . . . . . . . . .
128
3.3.7. Пространственная однородность, линейность и энергетическая чувствительность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
129
3.3.7.1. Собственная пространственная однородность . . . . .
129
3.3.7.2. Коррекция энергетической чувствительности . . . . .
130
3.3.7.3. Нелинейность и ее коррекция . . . . . . . . . . . . . . .
130
3.3.7.4. Автоматическая настройка ФЭУ . . . . . . . . . . . . .
132
3.3.7.5. Эффекты высокой скорости счета . . . . . . . . . . . .
132
3.3.8. Многокристальные и полупроводниковые гамма-камеры . . .
136
3.4. Тесты контроля качества работы гамма-камер . . . . . . . . . . . . . .
138
3.4.1. Ежедневные тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
139
3.4.2. Еженедельные тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
140
3.4.3. Ежегодные тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
141
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
142

Оглавление

Глава 4. Получение изображений в гамма-камерах . . . . . .
144

4.1. Представление в компьютере изображений, создаваемых гаммакамерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
144
4.1.1. Дискретизация аналоговых данных . . . . . . . . . . . . . . . . .
144
4.1.2. Структура цифрового изображения . . . . . . . . . . . . . . . . .
145
4.1.3. Сбор цифровых данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
147
4.1.3.1. Фреймовая и листинговая моды. . . . . . . . . . . . . .
147
4.1.3.2. Статическое исследование . . . . . . . . . . . . . . . . .
148
4.1.3.3. Динамическое исследование . . . . . . . . . . . . . . . .
149
4.1.3.4. Ждущий режим обследования . . . . . . . . . . . . . . .
149
4.1.4. Формат DICOM, архивация изображений и система коммуникации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
4.2. Физические факторы, влияющие на качество изображения . . . . .
151
4.2.1. Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
4.2.2. Комптоновское рассеяние фотонов . . . . . . . . . . . . . . . . .
151
4.2.3. Шум изображения и контраст . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
152
4.3. Некоторые математические преобразования, используемые при обработке изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
154
4.3.1. Анализ в частотном пространстве . . . . . . . . . . . . . . . . . .
154
4.3.2. Теория выборки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
156
4.3.3. Свертка функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
157
4.3.4. Дискретные преобразования Фурье . . . . . . . . . . . . . . . . .
158
4.3.5. Графическое изображение дискретного преобразования Фурье
159
4.3.6. Модель процесса визуализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161
4.4. Фильтрация цифрового изображения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
161
4.4.1. Линейная и нелинейная фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . .
162
4.4.2. Стационарные и нестационарные фильтры . . . . . . . . . . . .
162
4.4.3. Низкочастотные и восстанавливающие фильтры . . . . . . . .
162
4.5. Проектирование оптимального фильтра . . . . . . . . . . . . . . . . . .
166
4.5.1. Фильтр Метца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
167
4.5.2. Фильтр Винера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
171

Глава 5. Однофотонная эмиссионная компьютерная
томография (ОФЭКТ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172

5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
172
5.2. Применение планарных изображений для количественного определения активности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
173
5.2.1. Процесс ослабления γ-излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . .
173
5.2.1.1. Метод геометрического среднего . . . . . . . . . . . . .
174
5.2.1.2. Накопление рассеянного излучения . . . . . . . . . . .
177

Оглавление
7

5.3. Системы однофотонной эмиссионной томографии на базе гаммакамер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
179
5.3.1. Получение томографических данных . . . . . . . . . . . . . . . .
179
5.3.2. Разрешение и чувствительность . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
181
5.3.3. Коллиматоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
182
5.3.3.1. Коллиматоры с параллельными каналами . . . . . . .
182
5.3.3.2. Фокусирующие коллиматоры . . . . . . . . . . . . . . . .
183
5.3.4. Типы орбит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
184
5.3.5. Корректировка ослабления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
185
5.4. Трансаксиальная томография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
187
5.5. Реконструкция изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
5.5.1. Простое обратное проецирование . . . . . . . . . . . . . . . . . .
189
5.5.2. Обратное проецирование с фильтрацией . . . . . . . . . . . . .
192
5.5.2.1. Метод свертки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
192
5.5.2.2. Метод преобразований Фурье . . . . . . . . . . . . . . .
194
5.5.3. Метод итеративной реконструкции . . . . . . . . . . . . . . . . .
195
5.6. Количественная ОФЭКТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
197
5.6.1. Количественное определение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
198
5.6.2. Факторы, влияющие на количественную ОФЭКТ . . . . . . .
199
5.6.2.1. Факторы пациента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
5.6.2.2. Физические факторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
5.6.2.3. Технические факторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
199
5.6.3. Методы компенсации ослабления . . . . . . . . . . . . . . . . . .
201
5.6.3.1. Методы компенсации для однородного ослабления .
202
5.6.3.2. Методы компенсации для неоднородного ослабления
203
5.6.4. Методы компенсации отклика детектора . . . . . . . . . . . . .
203
5.6.5. Методы компенсации рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
204
5.7. Тесты контроля качества для ОФЭКТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205
5.7.1. Ежедневные тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
205
5.7.2. Еженедельные тесты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
206
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
207
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
208

Глава 6. Позитронно-эмиссионная томография. . . . . . . . . .
211

6.1. Общее рассмотрение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211
6.2. Позитронный распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212
6.3. Системы ПЭТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
214
6.3.1. Детекторы для ПЭТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
214
6.3.2. Детектирование совпадений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
216
6.3.3. ПЭТ-сканер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
220
6.3.4. Пространственное разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
223
6.3.5. Чувствительность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
225

Оглавление

6.3.6. Энергетическое разрешение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
226
6.3.7. Эквивалентная по шуму скорость счета . . . . . . . . . . . . . .
227
6.3.8. Характеристика скорости счета . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
228
6.3.9. Режимы набора данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229
6.3.10.КТ-визуализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
229
6.4. Коррекция данных ПЭТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
230
6.4.1. Поправка на ослабление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
231
6.4.2. Поправка на распад . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
233
6.4.3. Поправка на случайные совпадения . . . . . . . . . . . . . . . .
233
6.4.4. Поправка на мертвое время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
234
6.4.5. Нормализация данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
235
6.4.6. Поправка на рассеяние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
235
6.4.7. Применение поправок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236
6.5. Накопление данных в ПЭТ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
236
6.6. Реконструкция изображений в позитронно-эмиссионной томографии
239
6.6.1. Накопление данных при двумерной и трехмерной визуализации
240
6.6.2. Детерминистская и стохастическая модели визуализации . .
242
6.6.3. Аналитическая 2-М реконструкция изображений . . . . . . .
243
6.6.3.1. Теорема 2-М центрального сечения . . . . . . . . . . .
243
6.6.3.2. Обратное проецирование . . . . . . . . . . . . . . . . . .
243
6.6.3.3. Реконструкция методом обратного проецирования с
фильтрацией в фурье-пространстве. . . . . . . . . . . .
245
6.6.3.4. Реконструкция методом фильтрованного обратного
проекцирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
245
6.6.3.5. Регуляризация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
246
6.6.4. Аналитическая 3-М реконструкция изображений . . . . . . .
246
6.6.4.1. Алгоритм 3-М обратного проецирования . . . . . . . .
247
6.6.4.2. Методы перегруппировки . . . . . . . . . . . . . . . . . .
247
6.6.5. Итеративная реконструция изображений . . . . . . . . . . . . .
248
6.6.5.1. Основные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
248
6.6.5.2. Алгоритм максимизации ожидания максимального
правдоподобия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
250
6.6.5.3. Алгоритм максимизации ожидания упорядоченных
подмножеств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
252
6.6.5.4. Байесовые штрафные методы . . . . . . . . . . . . . . .
253
6.6.5.5. Трехмерная итеративная реконструкция . . . . . . . .
253
6.7. Компромисс между качеством изображения и шумовым разрешением
254
6.7.1. Определения качества изображения . . . . . . . . . . . . . . . .
254
6.7.2. Количественные оценки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
254
6.8. Тестирование ПЭТ-сканеров по программе контроля качества . . .
257
6.8.1. Ежедневное тестирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
257
6.8.2. Еженедельное тестирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
258
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
260

Оглавление
9

Глава 7. Производство радионуклидов . . . . . . . . . . . . . . . .
263

7.1. Уравнения производства радионуклидов . . . . . . . . . . . . . . . . . .
263
7.2. Производство радионуклидов на ядерных реакторах . . . . . . . . .
265
7.3. Производство радионуклидов на ускорителях . . . . . . . . . . . . . .
269
7.3.1. Циклотрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
269
7.3.2. Линейный ускоритель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
271
7.4. Генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272
7.4.1. Общая концепция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
272
7.4.2. Математические соотношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
273
7.4.2.1. Вековое равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
274
7.4.2.2. Временное равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
274
7.4.2.3. Неравновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
7.4.3. Практическое применение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
275
7.5. Мишени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
7.5.1. Физическая и химическая форма . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
7.5.2. Тепловые свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
277
7.5.3. Химическая стабильность, реактивность и чистота . . . . . .
278
7.5.4. Капсулирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
278
7.6. Химия технеция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
279
7.7. Химия йода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
280
7.8. Химия позитронных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
281
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
284
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
285

Глава 8. Основы радиофамацевтики . . . . . . . . . . . . . . . . . .
286

8.1. Специфика и классификация радиофармпрепаратов . . . . . . . . . .
286
8.2. Свойства «идеального» диагностического РФП . . . . . . . . . . . . .
288
8.3. Методы синтеза и очистки РФП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
292
8.3.1. Методы синтеза РФП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
292
8.3.2. Методы очистки РФП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
295
8.4. Механизмы локализации РФП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
295
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
299
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
299

Глава 9. Дозиметрия в радионуклидной диагностике . . . . .
300

9.1. Историческая справка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
300
9.2. Дозиметрические величины и единицы их измерения. . . . . . . . .
302
9.2.1. Поглощенная доза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
9.2.2. Эквивалентная доза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
304
9.2.3. Эффективная доза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
306
9.3. Дозиметрия на разных этапах разработки и внедрения радиофармпрепаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
308

Оглавление

9.4. Методы расчета доз при внутреннем облучении . . . . . . . . . . . .
309
9.4.1. Главное уравнение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
309
9.4.2. Современные расчетные методы дозиметрии в РНД. . . . . .
311
9.4.2.1. Источники данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
311
9.4.2.2. Метод MIRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312
9.4.2.3. Поглощенная доза, создаваемая тормозным излучением β-частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
316
9.4.2.4. Нормированная кумулятивная активность . . . . . . .
317
9.5. Практическое рассмотрение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
318
9.5.1. S-Факторы для фантома стандартного человека . . . . . . . .
318
9.5.2. Серия педиатрических фантомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
319
9.5.3. Воксельные (томографические) фантомы всего тела . . . . . .
320
9.5.4. Эффективный период полувыведения. . . . . . . . . . . . . . . .
321
9.5.5. Резидентное время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
322
9.6. Программное обеспечение и ресурсы Интернета . . . . . . . . . . . .
322
9.6.1. Програмные комплексы MIRDOSE и OLINDA . . . . . . . . .
322
9.6.2. Система RADAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
323
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
325

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время научной среде и в средствах массовой
информации широкое применение нашел термин ядерная медицина
(ЯМ). Под ним этим понятием понимается совокупность методов, инструментария и технологий изготовления и использования открытых
источников ионизирующих излучений или самостоятельно или в виде
различных препаратов их содержащих (радиофармпрепаратов) с целью
профилактики, диагностики и лечения различных заболеваний органов
и систем человека.
Ядерную медицину принято разделять на два основных направления: радионуклидная диагностика (синоним радиоизотопная диагностика) и радионуклидная терапия. Настоящее учебное пособие посвящено
рассмотрению радионуклидной диагностики (РНД).
Сегодня методы и инструментарий РНД широко используются в
различных областях фундаментальной и практической медицины — в
онкологии, кардиологии, гепатологии, урологии, пульмонологии, иммунологии и др. Ежегодно в мире проводится более 100 000 исследований
с использованием радиофармпрепаратов (РФП). На нужды РНД расходуется около 50% годового мирового производства радионуклидов.
Чтобы лучше уяснить место ЯМ и РНД в современном мире, приведем
некоторые цифры по США.
Более трети пациентам, направляемых в медицинские учреждения
США, назначаются процедуры с использованием РФП. У 28% таких
пациентов полученные результаты радионуклидных исследований вынуждают менять тактику дальнейшего лечения. Продажа РФП приносит около 500 млрд. долл. дохода в год во всем мире, 70% этих
продаж совершается в США. По прогнозам Society of Nuclear Medicine
(SNM) в течение последующих 10 лет ожидается прирост числа проводимых радионуклидных процедур на 7–16% ежегодно. Сегодня в США
сертифицировано 4000 врачей-специалистов по ядерной медицине, и

Предисловие

14 000 технических специалистов, которые планируют и непосредственно проводят инструментальное обследование и лечение больных с помощью методов ядерной медицины.
Несмотря на богатейший потенциал в плане производства различных радионуклидов (р/н) и РФП, развитие ядерной медицины в России
сильно отстало в последние десятилетия от мирового уровня. Однако
недавние решения президента и правительства РФ свидетельствуют,
что плачевное положение с ядерной медициной в нашей стране может в недалеком будущем существенно измениться. В разных регионах России планируется строительство нескольких крупных, хорошо
оснащенных центров ЯМ и лучевой терапии (центр в г. Димитровграде
уже строится) и более 100 центров позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Необходимым условием успешного функционирования этих
центров является наличие высококвалифицированных кадров как медицинского, так и физического профиля. Перед Высшей школы России
встает ответственная задача быстрого увеличения количества специалистов разного профиля, всесторонне подготовленных для работы в
области ЯМ в соответствии с современными стандартами образования.
Возможность решение этой важнейшей задачи в существенной степени зависит от наличия качественной учебной литературы, отвечающей
современному уровню развития ЯМ. К сожалению, в настоящее время
таких учебников по РНД в России практически нет.
В настоящем учебном пособии изложены физические основы, экспериментальные и расчетные методы и аппаратура современной РНД.
Пособие состоит из девяти глав. В первой и второй главах описывается физический фундамент РНД: строение атома и ядра, ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом, биологическое действие излучений, методы, детекторы и статистика регистрации ионизирующих излучений. В третьей и четвертой главах рассматриваются устройство и основные характеристики базового прибора РНД, а
именно, гамма-камеры и методы получения медицинских изображений
с помощью гамма-камеры. Пятая глава посвящена системе однофотонной эмиссионной томографии (ОФЭКТ) и основным принципам реконструкции пространственного плоскостного и объемного распределений
РФП в организме пациентов из экспериментальных данных. В шестой
главе рассматривается устройство и основные характеристики позитронно-эмиссионных сканеров, принцип и методы реконструкции медицинских изображений в позитронно-эмиссионной томографии ПЭТ,
а также вопросы томографической визуализации для комбинированных систем ПЭТ/КТ. В седьмой главе излагаются способы получения
основных радионуклидов (р/н), которыми метятся РФП, и некоторые
вопросы химии этих р/н. Восьмая глава посвящена описанию основ

Предисловие
13

радиофармацевтики, свойств «идеальных» диагностических радиофармпрепаратов, способов приготовления РФП и механизмов локализации
РФП в различных органах человека. В заключительной девятой главе
пособия рассматриваются проблемы радиационной дозиметрии РНД.
В методическом плане пособие построено традиционным способом.
В конце каждой главы приводится список контрольных вопросов и список литературы, часть материала сопровождается конкретными, в том
числе и численными примерами. В пособии имеется большое количество рисунков и графических иллюстраций, помогающих усвоению материала. Пособие полностью отвечает современному состоянию науки
в области ядерной медицины.
Седьмая глава пособия написана автором совместно с научным сотрудником НИЯУ МИФИ Н. Б. Кузьминой. Рукопись подготовлена в
рамках работы Центра ядерной медицины НИЯУ МИФИ по предложению и активном участии его руководителя д.ф.-м.н. А. И. Болоздыни.
Пособие написано на основе лекций, читаемых в НИЯУ МИФИ,
и предназначено для студентов технических вузов, обучающиеся в по
специальностям «Медицинская физика» и «Радиационная безопасность
человека и окружающей среды» (специализация «Медицинская радиационная физика») и по уровневой схеме обучения бакалавр-магистр
в рамках направлений «Медицинская физика», «Ядерная медицина» и
«Биомедицинская инженерия». Пособие будет также полезным для аспирантов и научных работников, работающих в этих областях фундаментальной и практической медицины, и для студентов и выпускников
медицинских вузов, решивших специализироваться в области ядерной
медицины и радионуклидной диагностики в частности.
В заключении автор выражает глубокую благодарность кандидатам
физико-математических наук Д. Э. Петрову и А. Н. Моисееву за неоценимую помощь в получениис зарубежной научной и учебной литературой в области ядерной медицины.

ВВЕДЕНИЕ

Ядерная медицина и ее важнейшая составная часть радионуклидная диагностика являются относительно молодым многодисциплинарным направлением современной науки и практической деятельности человека. Развитие ядерной медицины (ЯМ) все время осуществлялось совместными усилиями физиков, особенно ядерных физиков,
химиков, математиков, специалистов по информационным технологиям
и, конечно, медиков. Ее принципиальная особенность заключается в
широком использовании радиоактивных материалов в виде радиофампрепаратов (РФП) для диагностики и терапии болезней пациентов, а
также для исследования самих заболеваний человека. Отличительной
чертой методов диагностической ядерной медицины является их функциональность. Не обладая столь высоким пространственным разрешением, как изображения, получаемые с помощью рентгеновской компьютерной или магнитно-резонансной томографии, сцинтиграммы способны отображать физиологические и патофизиологические изменения,
происходящие в организме как в статике, так и в динамике. Это дает
возможность выявлять отклонения от нормы на самых ранних стадиях
и точно локализовать патологию.
Рождение радионуклидной диагностики часто относят к 1911 г. и
связывают с именем венгерского ученого Дьердя де Хевеши, который
впервые применил в быту радиоактивные индикаторы, а через 30 лет
в 1943 г. получил Нобелевскую премию за исследования, связанные с
использованием радионуклидов в качестве индикаторов в биологии.
Мощный толчок развитию ЯМ и РНД дал процесс мирного использования атомной энергии, начавшийся в конце 40-х годов и начале 50-х
прошлого века в США, СССР, Великобритании и Франции. Важной вехой на этом этапе можно считать директиву президента США Трумена
(1946 г.) о производстве на реакторе Окриджской национальной лаборатории 131I с целью его использования квалифицированными медиками

Введение
15

в лечебном процессе. Несколько позднее подобные решения были приняты и в СССР. Уже в декабре 1946 г. была опубликована знаменитая
работа Seidlin в Журнале Американской Медицинской Ассоциации, в
которой автор описывал полное исчезновение метастазов в щитовидной
железе в результате лечения радиоактивным йодом. Хотя первоначальное применение 131I произошло в терапии, очень скоро 131I стал использоваться и в диагностических целях. Для автоматизации и убыстрения
процедуры радиоизотопной диагностики состояния щитовидной железы
были созданы в 1950 г. первые подвижные сцинтилляционные сканеры.
В течение нескольких лет после этого события в научных лабораториях
и клиниках наблюдалась высокая активность по изучению возможности
применить радиоизотопное сканирование для решения других клинических проблем кроме болезней щитовидной железы.
Несмотря на успешное использование подвижных сцинтилляционных сканеров, молодой физик H. O. Anger, работавший в Калифорнийском университете, пришел к убеждению, что наилучшим подходом к
визуализации является разработка неподвижного детекторного устройства. В результате своих исследований он создал в 1957 г. стационарную сцинтилляционную камеру, которая имела неподвижный кристалл
NaI(Tl) диаметром 10 см и толщиной 6,2 мм. Используя один пинхольный коллиматор, H. O. Anger успешно визуализировал щитовидную железу. Так родилась знаменитая гамма-камера Ангера, сыгравшая замечательную роль в прогрессе ЯМ и РНД.
Выдающимся достижением этого периода является также открытие для медицины короткоживущего низкоэнергетического радионуклида 99mTc и разработка на его основе первых представителей этого семейства РФП, которые очень скоро стали самыми назначаемыми РФП
в РНД. Сам радионуклид был открыт в 1937 г. C. Perrier и E. Segre,
но так как он является радиоактивным и в природе не существует, то
его можно получить только искусственным путем. Отсюда и название
этого изотопа, которое дали ему первооткрыватели, означающее в переводе с греческого «искусственный» (не существующий в природе). Доступным для использования в медицине этот радионуклид стал после
того, как группа ученых под руководством P. Richards создала в 1960 г.
99Mo/99mTc генераторную систему.
Первые попытки использовать радиоактивные индикаторы для исследования в области кардиологии относятся к 1927 г., когда H. Blumgart
изобрел метод введения радона в кровеносную систему для измерения
скорости крови. Однако широкое применение радионуклидной диагностики началось значительно позднее (в 1975 г.) после работ E. Leibowitz
с коллегами, которые продемонстрировали визуализацию системы кровоснабжения, используя РФП, меченный радионуклидом 201Tl.

Введение

Важнейшим достижением 80-х годов прошлого века явилось внедрение в клиническую практику однофотонной эмиссионной компьютерной
томографии (ОФЭКТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). В
последние десятилетия происходит энергичная разработка и выпуск на
рынок комбинированных систем ПЭТ/КТ, ОФЭКТ/КТ и ОФЭКТ/ПЭТ,
которые очень существенно подняли качество медицинских диагностических изображений за счет объединения изображений от разных модальностей.
Таким образом, формирование РНД как высокотехнологичного направления современной медицины происходило с участием специалистов из разных областей знаний, которые активно внедряли важнейшие
открытия и достижения из своих областей в научную и практическую
медицину.
Параллельно с развитием методов и инструментальной базы ЯМ
происходило и организационное оформление специалистов в области
ЯМ. Наиболее активные участники нарождающейся атомной медицины
организовали в начале 1954 г. Общество Ядерной Медицины США,
первый съезд которого состоялся в мае того же года в Сиетле (США).
Через шесть лет в 1960 г. Общество ЯМ начало публикацию научного
периодического журнала «Journal of Nuclear Medicine». В 1972 г. специальность «ядерная медицина» получила в США официальный статус
с соответствующими экзаменами и сертификацией. Радиоизотопные
методы диагностики и терапии несколько позднее начали развиваться
и в СССР, однако организационное оформление в виде общества, аналогичного американскому обществу ЯМ, произошло только в 1996 г.
Первым президентом Общества ядерной медицины России стал д.м.н.,
профессор, заведующий отделом радиофармацевтических препаратов
ФМБЦ им. А. И. Бурназяна В. Н. Корсунский.

Г Л А В А
1

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ

1.1.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.1.1.
Физические величины и единицы их измерения

Используемая в настоящее время метрическая система
единиц, известная в России как СИ (англ. SI — International System
of units) базируется на семи основных физических величинах:

Длина l:
метр (м)
Масса m:
килограмм (кг)
Время t:
секунда (с)
Электрический ток I:
ампер (а)
Температура T:
кельвин (К)
Количество вещества:
моль (моль)
Сила света:
канделла (кд)

Все остальные величины и единицы их измерения определяются из
семи основных. В то же время на практике нередко используется ряд
внесистемных единиц, причем применение некоторых из них разрешается действующими ГОСТами. Соотношение между этими единицами
приводится в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Соотношение между единицами измерения физических величин

Физическая
величина

Обозначение

Единицы
измерения
в СИ

Единицы,
используемые
на практике

Соотношение
между единицами

Длина
l
м
см, нм,
◦
A, фм
1 м = 102 см = 109 нм =
= 1010
◦
A = 1015 фм

Масса
m
кг
МэВ/с2
1 МэВ/с2 = 1,78 · 1010 кг

Гл. 1. Ионизирующие излучения и их взаимодействие с веществом

Таблица 1.1. (Продолжение)

Физическая
величина

Обозначение

Единицы
измерения
в СИ

Единицы,
используемые
на практике

Соотношение
между единицами

Время
t
с
мс, мкс, нс,
пс

1 с = 103 мс = 106 мкс =
= 109 нс = 1012 пс

Ток
I
a
ма, мка, на,
па

1 а = 103 ма = 106 мка =
= 109 на

Заряд
Q
Кл
e
1 е = 1,602 · 109 Кл

Энергия
E
Дж
эВ, кэВ, МэВ
1 эВ = 1,602 · 10−19 Дж =
= 10−3 кэВ

1.1.2.
Классификация излучений

Излучения в зависимости от их способности ионизировать
вещество разделяются на две основных категории: неионизирующее
и ионизирующее излучение. Ионизационный потенциал атомов, т. е.
минимальная энергия, требуемая для ионизации атома, находится в
интервале от нескольких эВ для щелочных веществ до 24,5 эВ для
гелия (благородный газ). Ионизирующее излучение в свою очередь подразделяется на непосредственно и косвенно ионизирующее излучение
(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Классификация излучения

К непосредственно ионизирующему излучению относится излучение, состоящее из заряженных частиц (электроны, позитроны, протоны,
α-частицы, тяжелые ионы). Это излучение передает свою энергию
в среду, главным образом, через кулоновское взаимодействие между
заряженными частицами и орбитальными электронами среды. Косвенно
ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, например из фотонов или нейтронов, передает свою энергию в среду в два
этапа: