核医学

核医学
核医学PETスキャン
ICD-10-PCS	Ｃ
ICD-9	92
メッシュ	D009683
OPS-301 コード	3-70-3-72、8-53
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核医学（核放射線学、核学）^{[1] [2]は、}放射性物質を病気の診断と治療に応用する医療専門分野です。核医学イメージングは​​、X線発生器などの外部発生源から体内に伝達される放射線ではなく、体内から放出される放射線を記録するため、ある意味では放射線学の裏返しと言えます。また、核医学スキャンは、解剖学的構造の画像化ではなく機能に重点が置かれている点で放射線学とは異なります。このような理由から、これは生理学的画像診断法と呼ばれています。単一光子放出コンピュータ断層撮影（SPECT）と陽電子放出断層撮影（PET）スキャンは、核医学で最も一般的な2つの画像診断法です。^[3]

核医学画像診断では、放射性医薬品を吸入、静脈内、経口などにより体内に摂取します。次に、体外検出器 (ガンマカメラ) が放射性医薬品から放出された放射線を捉えて画像を形成します。このプロセスは、体外放射線を体内に通して画像を形成する診断用 X 線とは異なります。^{[引用が必要]}

核医学診断にはいくつかの技術があります。

• 2D:シンチグラフィー（「シント」）は、体内の放射性核種を使用して2次元画像を作成する方法です。^[4]

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  核医学全身骨スキャン。核医学全身骨スキャンは、一般的に、骨痛、疲労骨折、非悪性骨病変、骨感染症、骨への癌の転移など、さまざまな骨関連病変の評価に使用されます。
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  安静時画像（下段）にはタリウム 201を使用し、負荷時画像（上段）にはTc-セスタミビを使用した核医学心筋灌流スキャン。核医学心筋灌流スキャンは、冠動脈疾患の非侵襲的評価において極めて重要な役割を果たします。この検査は、冠動脈疾患の患者を特定するだけでなく、患者の全体的な予後情報や有害な心臓イベントの全体的なリスクも提供します。
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  核医学副甲状腺スキャンでは、甲状腺の左下極に隣接する副甲状腺腺腫が示されています。上記の検査は、テクネチウムセスタミビ (1 列目) とヨウ素 123 (2 列目) の同時イメージングとサブトラクション法 (3 列目) を使用して実施されました。
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  通常の肝胆道スキャン（HIDAスキャン）。核医学肝胆道スキャンは、胆嚢疾患の検出に臨床的に有用です。
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  正常な肺換気および灌流（V/Q）スキャン。核医学 V/Q スキャンは肺塞栓症の評価に役立ちます。
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  甲状腺機能亢進症の評価のためのヨウ素 123 を使用した甲状腺スキャン。

• 3D: SPECT は、多数の投影からのガンマ カメラ データを使用し、さまざまな平面で再構成できる 3D 断層撮影技術です。陽電子放出断層撮影(PET) は、同時検出を使用して機能プロセスを画像化します。

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  テクネチウム 99m で標識した自己赤血球を用いた核医学 SPECT 肝臓スキャン。肝臓内の高集積部位 (矢印) は血管腫と一致します。
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  371 MBq の 18F-FDG を静脈注射した後（測定 1 時間前）、体重 79 kg の女性の全身陽電子放出断層撮影 (PET) 取得の最大強度投影 (MIP)。

核医学検査は、CT や MRI などの従来の解剖学的画像診断とは異なり、主に検査対象のシステムの生理学的機能を示すという点で、他のほとんどの画像診断法とは異なります。核医学画像診断は、身体の特定の部分に焦点を当てる従来の放射線画像診断 (例: 胸部 X 線、腹部/骨盤 CT スキャン、頭部 CT スキャンなど) よりも、一般的に臓器、組織、または疾患に特化しています (例: 肺スキャン、心臓スキャン、骨スキャン、脳スキャン、腫瘍、感染症、パーキンソン病など)。さらに、特定の細胞受容体または機能に基づいて全身の画像診断を可能にする核医学検査もあります。例としては、全身PET スキャンまたはPET/CTスキャン、ガリウム スキャン、インジウム白血球スキャン、MIBGスキャン、オクトレオチド スキャンなどがあります。

核代謝が代謝の違いから病気の過程を画像化する能力は他に類を見ないものですが、唯一のものではありません。fMRI などの特定の技術は、血流によって組織 (特に脳組織) を画像化し、代謝を表示します。また、CT と MRI の両方の造影増強技術は、炎症プロセスにより薬剤を異なる方法で処理している組織領域を表示します。

核医学の診断検査では、病気や病状が存在する場合、体が物質を異なる方法で処理する方法を利用します。体内に取り込まれる放射性核種は、多くの場合、体内で特徴的に作用する複合体に化学的に結合します。これは一般にトレーサーと呼ばれます。病気がある場合、トレーサーは体中に分布したり、異なる方法で処理されることがよくあります。たとえば、リガンドのメチレンジホスホネート ( MDP ) は、骨に優先的に取り込まれます。テクネチウム 99m をMDP に化学的に結合させることで、放射能を輸送し、ハイドロキシアパタイトを介して骨に付着させて画像化することができます。骨折などによる生理機能の増大は、通常、トレーサーの濃度の上昇を意味します。これにより、多くの場合、「ホットスポット」が出現します。これは、放射能の局所的な増加、または生理システム全体の放射能の全体的な増加です。一部の病気のプロセスでは、トレーサーが排除され、「コールドスポット」が出現します。さまざまな臓器、腺、生理学的プロセスを画像化したり治療したりするために、多くのトレーサー複合体が開発されてきました。

一部のセンターでは、ソフトウェアまたはハイブリッド カメラを使用して、CT や MRI などのモダリティからの画像に核医学スキャンを重ね合わせ、放射性医薬品が集中している体の部分をハイライト表示できます。この方法は、SPECT/CT や PET/CT などの画像融合または共登録と呼ばれることがよくあります。核医学の融合イメージング技術は、他の方法では入手できない、またはより侵襲的な手順や手術を必要とする解剖学的構造と機能に関する情報を提供します。

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  FDG -18を使用した通常の全身 PET/CT スキャン。全身 PET/CT スキャンは、さまざまな癌の検出、ステージング、およびフォローアップによく使用されます。
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  がんの多発転移を伴う異常な全身 PET/CT スキャン。全身 PET/CT スキャンは、がんの評価において重要なツールとなっています。

低レベルの放射線被曝のリスクは十分に理解されていないものの、すべての人間の放射線被曝を「合理的に実行可能な限り低く抑える」(ALARP) という慎重なアプローチが広く採用されています。(元々、これは「合理的に達成可能な限り低く抑える」(ALARA) として知られていましたが、最近の法律の起草では「合理的に」に重点が置かれ、「達成可能」に重点が置かれないように変更されました。)

ALARP 原則に従って、患者が核医学検査を受ける前に、検査の利点を特定する必要があります。これには、該当する場合、問題の患者の特定の状況を考慮する必要があります。たとえば、患者が診断を下すのに十分な量の検査に耐えられない可能性がある場合、患者に放射性トレーサーを注入することは不適切です。

利点が処置を正当化する場合には、放射線被曝量 (患者に照射される放射線の量) も「ALARP」に抑える必要があります。つまり、核医学で生成される画像は、確実な診断に必要なレベルを超えてはならないということです。放射線被曝量を増やすと、画像のノイズが減り、写真としての魅力が増しますが、臨床上の疑問にこのレベルの詳細なしで答えられる場合は、これは不適切です。

その結果、核医学画像診断による放射線量は、検査の種類によって大きく異なります。実効放射線量は、一般的な日常の環境年間背景放射線量よりも低い場合もあれば、同等の場合もあれば、はるかに上回る場合もあります。同様に、腹部/骨盤 CT スキャンによる放射線量よりも低い場合、範囲内の場合、または高い場合もあります。

一部の核医学検査では、最も正確な結果を得るために検査前に特別な患者準備が必要です。撮影前の準備には食事の準備や特定の薬剤の服用中止などが含まれます。スキャン前には核医学部門に相談することをお勧めします。

核医学画像処理の結果は、1 つ以上の画像で構成されるデータセットです。複数画像のデータセットでは、画像の配列は、しばしば「動的」データセットと呼ばれる時間シーケンス (映画または動画)、心臓同期時間シーケンス、またはガンマ カメラが患者に対して移動する空間シーケンスを表す場合があります。SPECT (単一光子放出コンピュータ断層撮影)は、回転ガンマ カメラから取得した画像を再構成して、特定の位置で患者の「スライス」画像を作成するプロセスです。平行スライスのコレクションは、患者の放射性核種の分布の3 次元表現であるスライス スタックを形成します。

核医学コンピュータは、核医学で利用可能な特定の画像化技術ごとに定量分析パッケージを提供するために、数百万行のソースコードを必要とする場合があります。^{[引用が必要]}

時間シーケンスは、マルチコンパートメントモデルやパトラックプロットなどの運動モデルを使用してさらに分析できます。

放射性核種療法は、甲状腺機能亢進症、甲状腺がん、皮膚がん、血液疾患などの治療に使用できます。

核医学療法では、放射線治療線量は内部的に（静脈内または経口経路など）投与されるか、化合物の形で外部から治療対象領域上に直接投与されます（皮膚がんの場合など）。

核医学療法で使用される放射性医薬品は、短い距離しか移動しない電離放射線を放出するため、望ましくない副作用や、関係のない臓器や近くの組織への損傷を最小限に抑えることができます。核医学療法のほとんどは、治療による副作用がほとんどなく、一般の人々への放射線被ばくを安全な限度内に抑えることができるため、外来治療として行うことができます。

一部のセンターでは、核医学部門が癌の治療に 同位元素のカプセルを埋め込む（近接照射療法）こともあります。

核医学の歴史には、物理​​学、化学、工学、医学のさまざまな分野の科学者の貢献が含まれています。核医学の学際的な性質により、医学史家が核医学の誕生時期を特定することは困難です。おそらく、1934年の人工放射能の発見と、 1946年のオークリッジ国立研究所による医療関連の用途での放射性核種の生産の間が最適な時期でしょう。 ^[6]

この医学的アイデアの起源は、1920年代半ばのドイツのフライブルクにまで遡ります。ジョージ・デ・ヘベシーがラットに放射性核種を投与する実験を行い、これらの物質の代謝経路を明らかにし、トレーサー原理を確立しました。おそらく、この医学分野の起源は、1936年に「核医学の父」として知られるジョン・ローレンスがイェール大学医学部の教授職を休職し、カリフォルニア州バークレーにある弟のアーネスト・ローレンスの新しい放射線研究所（現在はローレンス・バークレー国立研究所として知られています）を訪れた時に起こりました。その後、ジョン・ローレンスはリン32を使用して白血病を治療し、人工放射性核種を患者に初めて適用しました。^{[7] [8]}

多くの歴史家は、1934年にフレデリック・ジョリオ＝キュリーとイレーヌ・ジョリオ＝キュリーが人工的に生成した放射性核種の発見を核医学における最も重要なマイルストーンとみなしている。 ^[6] 1934年2月、二人はポロニウム製剤で照射したアルミホイルに放射能を発見し、ネイチャー誌で放射性物質の人工生成を初めて報告した。彼らの研究は、ヴィルヘルム・コンラート・レントゲンによるX線、アンリ・ベクレルによる放射性ウラン塩、マリー・キュリー（イレーヌ・キュリーの母）による放射性トリウム、ポロニウム、そして「放射能」という用語の発明などの先行発見を基礎としていた。武見太郎は1930年代に核物理学の医学への応用を研究した。核医学の歴史は、これらの初期の先駆者たちについて言及せずには完結しないだろう。

核医学が将来的な専門分野として一般に認知されるようになったのは、1946年5月11日にマサチューセッツ総合病院のソール・ヘルツ博士とマサチューセッツ工科大学のアーサー・ロバーツ博士が、放射性ヨウ素（RAI）を用いたバセドウ病の治療の成功例を米国医師会雑誌（JAMA）に発表した時でした。^[9]さらに、サム・セイドリン^{[10]は、放射性ヨウ素（} I-131 ）を用いた甲状腺癌転移患者の治療成功例を報告し、この分野をさらに発展させました。これらの論文は、多くの歴史家によって、核医学で発表された論文の中で最も重要なものであると考えられています。^[11] I-131 は最初に甲状腺癌の治療に使用されましたが、後にその用途は甲状腺の画像化、甲状腺機能の定量化、甲状腺機能亢進症の治療にまで拡大されました。医療用に発見された多くの放射性核種の中で、テクネチウム 99mの発見と開発ほど重要なものはありません。テクネチウム 99m は、周期表の 43 番目の空間を埋める人工元素として、1937 年に C. Perrier と E. Segre によって初めて発見されました。1960年代にテクネチウム 99m を生成するジェネレーターシステムが開発され、医療用途の実用的な方法となりました。今日、テクネチウム 99m は核医学で最も利用されている元素であり、さまざまな核医学画像研究に使用されています。

核医学の広範な臨床使用は、放射性核種、放射能の検出、および特定の放射性核種を使用した生化学プロセスの追跡に関する知識が広がるにつれて、1950 年代初頭に始まりました。ベネディクト カッセンによる最初の直線スキャナの開発とハル O. アンガーのシンチレーション カメラ (アンガー カメラ) の先駆的な研究により、核医学という新しい分野が本格的な医療用画像専門分野へと広がりました。

1960年代初頭、スカンジナビア南部で、ニールス・A・ラッセン、デイヴィッド・H・イングヴァル、エリック・スキンホイが、脳の血流マップを作成する最初の技術を開発しました。当初はキセノン133の吸入が用いられました。 ^[12]その後すぐに動脈内同等の技術が開発され、統合失調症などの神経精神疾患患者の脳活動の局所分布を測定できるようになりました。 ^{[13]後期バージョンでは254個の}シンチレーターが使用され、カラーモニターに2次元画像を表示できるようになりました。これにより、話す、読む、視覚または聴覚の知覚、随意運動による脳の活性化を反映する画像を構築できるようになりました。^[14]この技術は、たとえば、想像上の連続動作、暗算、精神的な空間ナビゲーションの調査にも使用されました。^{[15] [16]}

1970年代までに、体のほとんどの臓器は核医学検査で可視化できるようになりました。1971年、アメリカ医師会は核医学を正式に医療専門分野として認めました。^[17] 1972年にアメリカ核医学委員会が設立され、1974年にはアメリカ整骨医学委員会が設立され、核医学は独立した医療専門分野として定着しました。

1980 年代には、心臓病の診断に使用するための放射性医薬品が開発されました。同時期に、単一光子放出コンピュータ断層撮影 (SPECT) が開発され、心臓の 3 次元再構成と核医学の分野が確立されました。

核医学における最近の進歩としては、初の陽電子放出断層撮影装置 ( PET ) の発明が挙げられる。後に単一光子放出コンピュータ断層撮影 (SPECT) へと発展する放出断層撮影と透過断層撮影の概念は、1950 年代後半にDavid E. Kuhlと Roy Edwards によって導入された。 ^[要出典]彼らの研究は、ペンシルバニア大学でのいくつかの断層撮影装置の設計と構築につながった。断層撮影画像化技術は、ワシントン大学医学部でさらに発展した。これらの技術革新は、カリフォルニア大学サンフランシスコ校(UCSF)の Bruce Hasegawa による SPECT と CT の融合画像化と、 1998 年にピッツバーグ大学の DW Townsend による初の PET/CT プロトタイプにつながった。 ^[要出典]

PET および PET/CT イメージングは​​、モダリティのコストと、施設内または近隣にサイクロトロンが必要であることから、初期の成長は緩やかでした。しかし、腫瘍学における限定的な PET および PET/CT アプリケーションの医療費償還を承認するという行政決定により、ここ数年で驚異的な成長と幅広い受け入れが実現しました。これは、標準手順用の 18F 標識トレーサーが確立され、サイクロトロンを備えていない施設でも作業が可能になったことでも促進されました。PET/CT イメージングは​​現在、腫瘍学の診断、ステージング、治療モニタリングに不可欠な要素となっています。完全に統合された MRI/PET スキャナーは、2011 年初頭から市場に出ています。^{[引用が必要]}

^99m Tcは通常、親放射性核種モリブデン-99を含む放射性核種生成器を通じて病院に供給される。⁹⁹ Moは通常、原子炉で²³⁵ Uの核分裂生成物として得られるが、世界的な供給不足により他の製造方法が模索されている。医療用同位元素の世界供給量の約3分の1、およびヨーロッパの供給量の大半は、オランダのペッテン原子炉で生産されている。世界の供給量のさらに3分の1、および北米の供給量の大半は、2018年に永久閉鎖されるまで、カナダのオンタリオ州チョークリバーにあるチョークリバー研究所で生産されていた。 ^[18]

PET で最も一般的に使用される放射性同位元素である¹⁸ Fは、原子炉ではなく、サイクロトロンと呼ばれる円形加速器で生成されます。サイクロトロンは、陽子を加速して酸素の安定した重い同位元素である¹⁸ Oに衝突させるために使用されます。^{18 O は通常の}酸素（主に酸素 16 ）の約 0.20% を構成しており、そこから抽出されます。その後、 ¹⁸ F は通常、FDGの製造に使用されます。

典型的な核医学研究では、放射性核種を液体または凝集体として静脈注射、食物と混合した摂取、ガスまたはエアロゾルとして吸入、またはまれにマイクロカプセル化された放射性核種を注射して体内に投与します。一部の研究では、患者自身の血球を放射性核種で標識する必要があります (白血球シンチグラフィーおよび赤血球シンチグラフィー)。ほとんどの診断用放射性核種は、崩壊によって直接、または電子-陽電子消滅によって間接的にガンマ線を放出しますが、細胞に損傷を与えるベータ粒子の特性は治療に使用されます。核医学で使用するために精製された放射性核種は、半減期の長い放射性核種を生成する原子炉、半減期の短い放射性核種を生成するサイクロトロン、またはモリブデン/テクネチウムやストロンチウム/ルビジウムなどの専用ジェネレータでの自然崩壊プロセスを利用して生成される。

最も一般的に使用される静脈内放射性核種は、テクネチウム99m、ヨウ素123、ヨウ素131、タリウム201、ガリウム67、フッ素18フルオロデオキシグルコース、およびインジウム111標識白血球である。^[要出典]最も一般的に使用されるガス状/エアロゾル放射性核種は、キセノン133、クリプトン81m、（エアロゾル化された）テクネチウム99mである。^[23]

核医学検査を受ける患者は放射線を浴びます。現在の国際ガイドラインでは、どんなに少量でも放射線を浴びるとリスクがあると考えられています。核医学検査で患者に浴びせられる放射線量は、証明されていないものの、がんを誘発する非常に小さなリスクがあると一般に認められています。この点では、X 線検査のリスクと同様ですが、X 線装置などの外部ソースからではなく内部から浴びせられ、線量は通常 X 線よりも大幅に高くなります。

核医学検査による放射線量は、シーベルト（通常はミリシーベルト、mSv）単位の実効線量として表されます。検査による実効線量は、メガベクレル（MBq）単位で投与される放射能の量、使用される放射性医薬品の物理的特性、体内での分布、および体内からの除去率によって影響を受けます。

実効線量は、3MBqのクロム-51EDTAによる糸球体濾過率測定で6μSv（0.006mSv）から、80MBqのタリウム-201による心筋画像検査で11.2mSv（11,200μSv）までの範囲である。600MBqのテクネチウム-99mMDPによる一般的な骨スキャンでは、実効線量は約2.9mSv（2,900μSv）である。^[24]

以前の測定単位は次のとおりです。

• キュリー（Ci）は3.7 × 10 ¹⁰ Bqに等しく、ラジウム（Ra-226）の1.0グラムにも等しい。
• ラド（放射線吸収線量）はグレイに置き換えられました。
• 以前はレム（レントゲン等価人体）と呼ばれていたが、現在はシーベルトに置き換えられている。^[25]

rad と rem は、ほぼすべての核医学処置において本質的に同等であり、相対生物学的効果(RBE) がはるかに高いアルファ放射線のみが、より高い Rem または Sv 値を生成します。アルファ放射体は、今日では核医学ではほとんど使用されていませんが、原子炉や加速器で生成される放射性核種の出現以前は広く使用されていました。人体への放射線被曝に関する概念は、保健物理学の分野で扱われており、安全で効果的な核医学技術の開発と実践は、医療物理学の主要な焦点です。

世界中のさまざまな国が、さまざまな医療現場での放射性核種の管理と使用を担う規制枠組みを維持しています。たとえば、米国では、原子力規制委員会(NRC) と食品医薬品局(FDA) が病院が従うべきガイドラインを制定しています。^[26] NRC では、X 線などの放射性物質が関係しない場合は、同機関によって規制されず、各州によって規制されます。^[27]国際原子力機関(IAEA)などの国際機関は、核医学のベスト プラクティスに関するさまざまな記事やガイドラインを定期的に発表しているほか、核医学の新興技術に関する報告も行っています。^{[28] [29]}核医学で考慮されるその他の要素には、患者の病歴や治療後の管理などがあります。国際放射線防護委員会などの団体は、密封されていない放射性核種を持つ患者を病院から退院させる管理方法についての情報を発行しています。^[30]

• ヒトを対象とした研究
• 核医学学会一覧
• 核医学医師
• 核薬学
• 原子力技術
• 放射線技師

ウィキメディア・コモンズには、核医学に関連するメディアがあります。

ウィキブックスには「核医学の基礎物理学」に関する本があります。

Wikinewsには関連ニュースがあります:

• カナダ、医療用同位元素を生産するための新たな原子炉の開発を推進
• カナダの原子炉停止により世界中で医療用同位元素不足が発生

• 医療用同位元素危機の解決 下院エネルギー・商務委員会エネルギー・環境小委員会公聴会、第 111 回議会、第 1 会期、2009 年 9 月 9 日