核醫(yī)學(xué)儀器與方法nmim劉亞強(qiáng)

1、核醫(yī)學(xué)儀器與方法Nuclear Medicine Instruments and Methods清華大學(xué),劉亞強(qiáng)Cell: 13601390718Email: liuyaqiang@tsinghua.edu.cn,參考書,〖Physics in Nuclear Medicine〗, James A. Sorenson & Michael E. Phelps, W.B. Saunders Company, 1987

2、〖Radiological Imaging The Theory of Image Formation, Detection and Processing〗, Harrison H. Barrett & William Swindell, Academic Press,Inc., 1981〖放射成像－圖象形成、檢測(cè)和處理的理論〗，Harrison H. Barrett & William Swindell著，張萬(wàn)里、王

3、維道譯，科學(xué)出版社〖Nuclear Medicine〗, Robert E. Henkin etl., Mosby-Year Book,Inc, 1996〖Digital Image Processing〗, William K. Pratt, John Wiley & Sons,Inc., 1978,相關(guān)網(wǎng)站 （學(xué)術(shù)組織）,中國(guó)國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)：http://www.caea.gov.cn 中華核醫(yī)學(xué)專業(yè)網(wǎng)：http://

4、www.csnm.com.cn 中華放射醫(yī)學(xué)網(wǎng)：http://www.med618.com.cn/zkw/fs/ 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）：http://www.snm.org，其Division of human Healt，核醫(yī)學(xué)項(xiàng)目網(wǎng)址是：http://www.iaea.or.at/programmes/nahunet/e1/index.html 亞洲地區(qū)核醫(yī)學(xué)協(xié)作理事會(huì)(The Asian Regional Cooper

5、ative Council for Nuclear Medicine，ARCCNM) ：http://www.arccnm.org 美國(guó)核醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)：http://www.snm.org 美國(guó)核醫(yī)學(xué)雜志：http://jnm.snmjournals.org/current.shtml 北美放射學(xué)會(huì)：http://www.rsna.org 加拿大核醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)：http://www.csnm.medical.org 歐洲核醫(yī)學(xué)聯(lián)合會(huì)：

6、http://www.eanm.org 英國(guó)核醫(yī)學(xué)會(huì)：http://www.bnms.org.uk/bnms.htm,相關(guān)網(wǎng)站（大學(xué)和公司）,勞倫茲伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室核醫(yī)學(xué)和功能成像部：http://www.lbl.gov/lifesciences/departments/nmfi.html哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院核醫(yī)學(xué)：http://radiology.bidmc.harvard.edu//kinds_of_exams/nuclear/nuc

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8、icago.edu 匹茲堡大學(xué)放射學(xué)系：http://www.radiology.upmc.edu/ 通用電氣公司醫(yī)療系統(tǒng)：http://www.gems.com.cn/ 飛利浦醫(yī)學(xué)系統(tǒng)：http://www.medical.philips.com/ 西門子公司：http://www.siemens.com/index.jsp,1 核醫(yī)學(xué)及其技術(shù)基礎(chǔ)2 同位素及輻射測(cè)量3 放射配體結(jié)合分析4 臟器功能測(cè)量?jī)x5 核醫(yī)學(xué)平面

9、成像設(shè)備6 閃爍圖像的數(shù)字化7 斷層成像方法,8 單光子發(fā)射斷層成像9正電子發(fā)射斷層成像10核醫(yī)學(xué)儀器的新發(fā)展11圖像融合與多模式復(fù)合成像12分子核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備,第一章 核醫(yī)學(xué)及其技術(shù)基礎(chǔ),1.什麼是核醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)（Nuclear Medicine，NM）采用放射性同位素來(lái)進(jìn)行疾病的診斷、治療及研究。它是核技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。與放射醫(yī)學(xué)不同，核醫(yī)學(xué)通常將開(kāi)放型放射性同位素，以放射性藥物的形式引人體內(nèi)。核醫(yī)學(xué)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)

10、的重要組成部分，是醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。,核醫(yī)學(xué)(NM),,,臨床NM,基礎(chǔ)NM,,,診斷NM,治療NM,,,體內(nèi)in vivo,體外In vitro,,顯像imaging,,非顯像nonmaging,體內(nèi)診斷，把放射性核素引入活體內(nèi)，進(jìn)行臟器功能測(cè)量或顯像。體外診斷，將放射性核素放在試管中，進(jìn)行放射性免疫測(cè)量或活化分析。,,基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)為臨床核醫(yī)學(xué)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。它以研究正常的和病態(tài)的生命現(xiàn)象為主要內(nèi)容，在免疫學(xué)、

11、分子生物學(xué)、遺傳工程等新興學(xué)科的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。,核醫(yī)學(xué)的工作領(lǐng)域,2.核醫(yī)學(xué)的基本原理及特點(diǎn),（1）同位素示蹤原理放射性核素及其標(biāo)記物構(gòu)成放射性藥物。它們保持著對(duì)應(yīng)穩(wěn)定核素或被標(biāo)記藥物的生物學(xué)特性，能夠正常參與機(jī)體的物質(zhì)代謝。將放射性藥物引入人體以后，它所產(chǎn)生的γ射線能穿出機(jī)體，被置于體外的探測(cè)器測(cè)量到，使醫(yī)生能夠觀察藥物分子在活體中被輸運(yùn)、攝取和排泄的過(guò)程，獲得病人的生理學(xué)和臟器功能方面的信息，揭示細(xì)胞中的新陳代謝過(guò)程，洞

12、悉生命現(xiàn)象的本質(zhì)、疾病的發(fā)病原因和藥物的作用機(jī)制。核素成像以藥物分子的（molecular）、代謝的（metabolic）、生物的（biological）、功能的（functional）顯像為特點(diǎn)，成為影像醫(yī)學(xué)不可缺少的組成部分。,在疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中，往往是相關(guān)組織與器官先發(fā)生生化、代謝、血流與功能性改變，在經(jīng)過(guò)一定的功能代償期或潛伏期后，才發(fā)展成器質(zhì)性病變，出現(xiàn)組織與器官形態(tài)學(xué)變化（如出現(xiàn)異常結(jié)節(jié)、腫塊，密度改變，器官體積增大

13、或縮小）和其它臨床癥狀。核醫(yī)學(xué)能在發(fā)生臟器形態(tài)改變之前發(fā)現(xiàn)功能的變化。與疾病發(fā)生時(shí)的情況相對(duì)應(yīng)，當(dāng)疾病治愈、康復(fù)時(shí)，相關(guān)組織與器官的功能恢復(fù)也往往滯后于疾病的治愈。在疾病的康復(fù)期，監(jiān)測(cè)和確認(rèn)病愈組織與器官的功能恢復(fù)情況，對(duì)于疾病的康復(fù)指導(dǎo)和愈后評(píng)價(jià)是十分有效和重要的。核醫(yī)學(xué)對(duì)于心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、腫瘤等嚴(yán)重威脅人類健康的疾病的早期診斷、治療決策、療效判斷和預(yù)后估價(jià)中起著十分重要的作用。,抗原和抗體互相結(jié)合的免疫反應(yīng)具有很強(qiáng)的特異性

14、，一種抗原只與一種特定的抗體結(jié)合。核測(cè)量具有很高的靈敏度，甚至可以測(cè)到單個(gè)原子。綜合了這兩種技術(shù)的放射免疫測(cè)量，能夠檢測(cè)人體中10-9～10-12克的微量生物活性物質(zhì)。放免分析僅需從病人取少量血樣或尿樣，即可測(cè)量其中某種物質(zhì)的含量。它可測(cè)定血液成份（如肌紅蛋白、心肌球蛋白、鐵蛋白）、激素（如甲狀腺激素、前列腺素、生長(zhǎng)激素、促性腺激素、胰島素、胃泌素、胰泌素）、病原體（如肝炎病毒）、腫瘤相關(guān)抗原（如癌胚胎性抗原、血清鐵蛋白、單克隆抗

15、體）等多種重要的生物活性物質(zhì)。,（2）放射免疫分析,核素輻射的α、β、γ能導(dǎo)致物質(zhì)電離，損傷細(xì)胞分子，破壞特定細(xì)胞的功能（包括分裂或增生）。核素治療是將放射性核素或其標(biāo)記物引入病灶，進(jìn)行內(nèi)照射，達(dá)到抑制或破壞病變組織的目的。作為非手術(shù)治療方法，核素治療可以減少病人的痛苦。 選擇合適的放射性核素或其標(biāo)記物，使其有選擇性地濃聚于病變組織，令病變部位的局部受到大劑量的照射，而周圍正常組織所受輻射量很低，損傷較小，這種方法稱為靶向內(nèi)照射治療。

16、例如，給病人服用的適量131I會(huì)在甲狀腺聚集。131I發(fā)射的β-粒子能夠殺死癌細(xì)胞或部分“割除”亢進(jìn)的甲狀腺組織，達(dá)到治療功能自主性甲狀腺腺瘤、功能性甲狀腺癌轉(zhuǎn)移灶和甲亢等疾病的目的。131I發(fā)射的β-粒子射程只有2～3mm，對(duì)周圍組織影響很小。,（3）電離輻射的生物效應(yīng)和內(nèi)照射治療,放射免疫治療則利用特異性抗體作載體，利用免疫反應(yīng)，將發(fā)射β-粒子或α粒子的放射性核素導(dǎo)向腫瘤抗原部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)瘤體的內(nèi)照射治療。例如用131I抗腫瘤壞死單克

17、隆抗體（TNT）治療肝癌、肺癌和淋巴瘤。 受體介導(dǎo)的靶向放射性核素治療和基因介導(dǎo)的靶向放射性核素治療是當(dāng)今核素治療的發(fā)展方向，如用90Y-Octrotide治療神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤。由于治療的效果取決于所選擇的放射性核素是否具有適合內(nèi)照射治療的生物物理學(xué)特性以及在病變處特異性聚集的程度，因此尋找和研制適用于靶向內(nèi)照射治療的放射性藥物，研究施予的放射性核素活度與細(xì)胞水平上的輻射吸收劑量的關(guān)系，估量輻射的生物學(xué)效果，對(duì)核素靶向內(nèi)照射治療的安全

18、性和有效性是非常重要的。,除靶向內(nèi)照射治療外，放射性膠體腔內(nèi)治療將放射性膠體注入病人體腔（如胸腔、腹腔、膀胱、關(guān)節(jié)腔等），使膠體顆粒附著在體腔內(nèi)壁和腫瘤組織表面，所發(fā)射的β-粒子對(duì)滲出液內(nèi)的游離癌細(xì)胞和散播在漿膜表面的腫瘤結(jié)節(jié)進(jìn)行照射，達(dá)到預(yù)防手術(shù)后腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散，控制惡性腫瘤引起的腹水之目的。目前主要使用32P-膠體磷酸鉻、198Au-膠體金等，它們僅發(fā)射β-粒子。 核素種子治療則將125I、103Pa顆粒種植在腫瘤內(nèi)，進(jìn)行局部照射

19、。通過(guò)導(dǎo)管將核素送入冠狀動(dòng)脈內(nèi)進(jìn)行照射，可以防止PTCA支架等介入治療導(dǎo)致的血管再狹窄。前列腺增生放射性核素尿道內(nèi)置入治療是近年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。最近美國(guó)有人證實(shí)18F-FDG在腫瘤中滯留明顯，認(rèn)為腫瘤局部注射18F-FDG是抑制腫瘤生長(zhǎng)的有效方法。,3.核醫(yī)學(xué)的發(fā)展歷程,初創(chuàng)（三十～四十年代）1934年Frederic Joliot Curie和Irene Curie第一次獲得30P。第二年，Chiewetz和Hevesy就觀察

20、了32P在小白鼠體內(nèi)的分布與排泄，開(kāi)始了放射性示蹤研究。1936年Hamilton用24Na為示蹤劑觀察了Na在人體中的吸收與排泄，成為臨床應(yīng)用的開(kāi)端。1942年Hertz和Hamilton開(kāi)始用131I治療甲抗。當(dāng)時(shí)放射性核素種類有限，使用的核儀器只是一般的GM管和率表，它們的探測(cè)效率低，計(jì)數(shù)率也低，不能做能量分析。,確立（五十年代初）1950年閃爍探測(cè)器問(wèn)世，核輻射的測(cè)量靈敏度從mCi級(jí)進(jìn)入μCi級(jí)，并能進(jìn)行幅度分析。定標(biāo)器，單

21、道、多道脈沖幅度分析技術(shù)導(dǎo)致功能測(cè)量?jī)x和掃描機(jī)的誕生。產(chǎn)生了影像核醫(yī)學(xué)，大大提高了診斷的準(zhǔn)確性。1953年美國(guó)首先成立了核醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)（Society of Nuclear Medicine），從而確立了核醫(yī)學(xué)這門學(xué)科。大量的物理、化學(xué)工作者進(jìn)入核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，與醫(yī)生們共同研究開(kāi)發(fā)核醫(yī)學(xué)的診斷、治療方法和設(shè)備。,飛越（五十年代末～六十年代末）1958年Hal O.Anger發(fā)明單晶體γ相機(jī)，它靈敏度高，分辨率好，可以拍攝動(dòng)態(tài)影像，從而把形態(tài)

22、和功能結(jié)合起來(lái)。這個(gè)時(shí)代還誕生了性能極好的核素99mTc。六十年代末計(jì)算機(jī)技術(shù)引入核醫(yī)學(xué)，使得測(cè)量、分析自動(dòng)化，還實(shí)現(xiàn)了多門控?cái)?shù)據(jù)采集等方法。掃描機(jī)、γ相機(jī)使用了圖像處理系統(tǒng)以后提高了圖像質(zhì)量，核醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)—功能性顯像得到更充分發(fā)揮。,現(xiàn)代化（八十年代末～今）建立了放射性核素的發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層重建術(shù)，顯像從二維進(jìn)入三維，定量分析更精確。單光子發(fā)射斷層儀（SPECT）普遍用于常規(guī)臨床檢查。正電子發(fā)射斷層儀（PET）的空間分辨率及探測(cè)效

23、率大大提高，它使用的輕核素為組織器官的功能測(cè)定提供廣泛的可能，對(duì)認(rèn)識(shí)思維的本質(zhì)，進(jìn)行分子生物學(xué)和分子核醫(yī)學(xué)研究具有重大價(jià)值。在這個(gè)時(shí)代，新型放射藥物層出不窮，各種99mTc標(biāo)記的顯像劑、受體、抗體、多肽廣泛應(yīng)用，201Tl、123I、113In、和11C、13N、15O、18F進(jìn)入臨床。,創(chuàng)新（二十一世紀(jì)）生命科學(xué)研究已經(jīng)從機(jī)體、器官、組織進(jìn)入細(xì)胞、染色體、DNA的微觀水平，醫(yī)學(xué)正在從傳統(tǒng)的疾病表征觀察、常規(guī)的生化實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，過(guò)渡到

24、從人體全身顯像分析基因、蛋白質(zhì)表達(dá)水平來(lái)認(rèn)識(shí)疾病的病因，并提供全新的預(yù)防、診斷和治療手段。新誕生的分子核醫(yī)學(xué)（Molecular NM）把核醫(yī)學(xué)的方法用于分子生物學(xué)和分子醫(yī)學(xué)的研究，又將分子生物學(xué)和分子醫(yī)學(xué)的方法和成果引人核醫(yī)學(xué)。它將在基因?qū)W、遺傳工程、干細(xì)胞治療技術(shù)、免疫學(xué)、腦科學(xué)等新興學(xué)科中發(fā)揮重要的作用。分子核醫(yī)學(xué)給儀器提出了更高的要求，顯微正電子發(fā)射斷層儀（microPET）、顯微microSPECT的空間分辨率在1mm左右

25、。,4.核醫(yī)學(xué)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的地位,隨著尖端技術(shù)向醫(yī)學(xué)滲透，產(chǎn)生了影像醫(yī)學(xué)這一強(qiáng)有力的手段。在影像醫(yī)學(xué)的四大分支中（X光、超聲、核醫(yī)學(xué)、核磁共振），核醫(yī)學(xué)占據(jù)著其他方法不可替代的位置，它使人們能得到體內(nèi)分子水平的早期病變的圖像。在發(fā)達(dá)國(guó)家里，γ相機(jī)、SPECT已是醫(yī)院的常規(guī)設(shè)備，PET也全面進(jìn)入臨床，住院病人中1/3以上使用核醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)。當(dāng)前，核醫(yī)學(xué)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。在美國(guó)，立法規(guī)定每年舉行一次核醫(yī)學(xué)周；病床在250張

26、以上的醫(yī)院，如果沒(méi)有核醫(yī)學(xué)人員和設(shè)備就不準(zhǔn)開(kāi)業(yè)。,5.我國(guó)的核醫(yī)學(xué)的概況,目前，核醫(yī)學(xué)已經(jīng)成為我國(guó)醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要分支，衛(wèi)生部規(guī)定：三級(jí)甲類醫(yī)院必須有SPECT。全國(guó)有800多個(gè)醫(yī)院和科研單位有核醫(yī)學(xué)科或核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，上千家醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用同位素技術(shù)。全國(guó)現(xiàn)有核醫(yī)學(xué)工作者5600多人，核醫(yī)學(xué)會(huì)會(huì)員達(dá)4500多人，還有一支從事核醫(yī)藥研究和應(yīng)用的隊(duì)伍。我國(guó)核醫(yī)學(xué)己經(jīng)成為一個(gè)獨(dú)立的二級(jí)醫(yī)學(xué)學(xué)科，核醫(yī)學(xué)的整體水平有了很大提高。據(jù)05年統(tǒng)計(jì)，3我國(guó)現(xiàn)有

27、510臺(tái)SPECT、65臺(tái)PET或PET/CT、50臺(tái)回旋加速器。10年，SPECT和PET裝機(jī)量都超過(guò)百臺(tái)。我國(guó)的大型核醫(yī)學(xué)設(shè)備擁有量在亞太地區(qū)僅次于日本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)居第三、四位的澳大利亞和韓國(guó)。,6.核醫(yī)學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ),核醫(yī)學(xué)綜合了核物理、放射化學(xué)、藥學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科，它與工程技術(shù)的關(guān)系比其它醫(yī)學(xué)專業(yè)都密切。,核醫(yī)學(xué)在技術(shù)上以放射性藥物和核醫(yī)學(xué)儀器為基礎(chǔ)，它們的發(fā)展是推動(dòng)核醫(yī)學(xué)進(jìn)步的動(dòng)力。,第二章 同位素及輻射測(cè)量,1.同位素

28、和放射性衰變自然界中存在的核素的一些同位素（isotope）是不穩(wěn)定的，會(huì)自發(fā)地蛻變成其他的核素或改變其能態(tài)，并伴隨α、β、γ輻射，這個(gè)過(guò)程稱為放射性衰變（decay）。放射性衰變的發(fā)生是隨機(jī)的，用單位時(shí)間內(nèi)平均發(fā)生衰變的次數(shù)來(lái)衡量樣品的放射性衰變能力，稱做放射性強(qiáng)度或放射性活度（activity）。單位是貝克爾（Bq）或居里（Ci），1Bq=次核衰變/秒，1Ci=3.7×1010次核衰變/秒。因此，1mCi=37MBq。

29、,隨著衰變進(jìn)行，樣品中放射性核素逐漸減少，放射性強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)規(guī)律下降A(chǔ)=Aoe-λt，λ為核素的衰變常數(shù)（一個(gè)放射性原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率）。放射性強(qiáng)度減弱一半所需的時(shí)間稱為半衰期T1/2=ln2/λ≈0.693/λ。α粒子是兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成的氦原子核；β-輻射就是電子流；γ射線的本質(zhì)電磁波，由于它的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光更短，有更強(qiáng)烈的粒子性表現(xiàn)，所以我們也常稱之為γ光子（photon）。這些粒子所具有的能量用電子·

30、伏特（electron volt）來(lái)量度，1eV就是電子經(jīng)過(guò)1伏特的電場(chǎng)加速所獲得的能量。,核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同，而處在不同能量狀態(tài)的核素互稱同質(zhì)異能素（isomer）。處于亞穩(wěn)態(tài)的原子核在回到基態(tài)時(shí)會(huì)放出γ光子，這種原子核能態(tài)的改變稱為同質(zhì)異能躍遷（isomeric transition，IT）。,2.同質(zhì)異能素與γ輻射,3.正負(fù)電子對(duì)湮滅,正電子是普通電子的反粒子。它從原子核放出來(lái)以后，與周圍物質(zhì)的原子發(fā)生碰撞，迅速損失能量，

31、一般在幾個(gè)毫米距離內(nèi)就停止下來(lái)。然后，正電子與普通電子發(fā)生湮滅反應(yīng)（annihilation），它們的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚詢蓚€(gè)向相反方向運(yùn)動(dòng)的511keV的湮滅光子的形式釋放出來(lái)。,許多“缺中子”核素會(huì)發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，并放出一個(gè)正電子的β+蛻變，結(jié)果變成原子序數(shù)少1的核素。,,4.臨床使用的放射性核素,醫(yī)學(xué)臨床的放射性藥物應(yīng)符合以下要求：(1) 半衰期合適。 (2) 射線的能量恰當(dāng)。 (3) 產(chǎn)生的射線種類及能量單一;核素的衰

32、變產(chǎn)物應(yīng)該是穩(wěn)定核素，不再產(chǎn)生次級(jí)射線。(4) 放射性藥物的比放射性（或放射性比度，即單位質(zhì)量藥物所具有的放射性強(qiáng)度，Ci/g，mCi/g，μCi/g）要恰當(dāng)。,(5) 放射性藥物應(yīng)具有盡可能高的核純度（很少混有其他放射性核素）、放化純度（指處于特定化學(xué)狀態(tài)中的放射性核素占總放射性的比例）和化學(xué)純度（無(wú)其他化學(xué)物質(zhì)，包括輻射分解產(chǎn)物的存在）。為了保證病人的安全，放射性核素及其衰變產(chǎn)物的生理、生化作用應(yīng)該對(duì)機(jī)體無(wú)害，毒理效應(yīng)小，作為藥物

33、還應(yīng)符合藥典或國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。(6) 放射性藥物的生化特性應(yīng)適合被測(cè)器官或組織顯像：在聚集在靶器官以前，在體內(nèi)不發(fā)生代謝；藥物引入體內(nèi)后，應(yīng)給出較高的靶對(duì)非靶的活度比值。,99mTc（technetium锝），經(jīng)IT衰變產(chǎn)生140keV的γ光子，半衰期T1/2=6.02h。可以做所有器官的顯像和血流動(dòng)力學(xué)研究。131I（iodine，碘），衰變產(chǎn)生364keV的γ光子，半衰期T1/2=8.04h。適于作甲狀腺、腎、肝、腦、肺、膽的

34、顯像，以及功能測(cè)量和治療。,臨床常用的放射性核素,133Xe（xenon，氙），衰變產(chǎn)生814keV的γ光子，半衰期T1/2=5.29d。用于肺通氣—灌注顯像。正電子衰變類放射性核素：11C（20.3m）、13N（10m）、15O（123s）、18F（110m）可用于正電子顯像。內(nèi)照射治療用的放射性藥物，以半衰期較長(zhǎng)的β-粒子為宜。目前常用的治療用放射性核素是：131I（iodine，碘）。32P（phosphorus，磷）。,

35、5.醫(yī)學(xué)放射性核素的制備方法,利用反應(yīng)堆（nuclear reactor）(1)將穩(wěn)定核素置于反應(yīng)堆的孔道中受中子流照射，經(jīng)中子活化反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素。有兩類反應(yīng)：一類過(guò)程用 表示，靶與產(chǎn)物是同一元素的同位素。另一類過(guò)程用 表示，靶與產(chǎn)物不屬于同一元素。(2)從使用過(guò)的核燃料中分離提取裂變產(chǎn)物，如99Mo、131I、133Xe、等。,利用回旋加速器（cyclotron）許多重要的核素

36、、尤其是“缺中子”核素必需用回旋加速器產(chǎn)生的正離子與穩(wěn)定核素作用來(lái)生成。例如：147N(p,α)116C、168O(p,α)137N、 157N(p,n)158O、 188O(p,n)189F、105B(d,n)116C、126C(d,n)137N、147N(d,n)158O、2010Ne(d,α)189F、12452Te(p,2n)12353I、20281Tl(p,2n)20182Pb→20181Tl。醫(yī)用小型回旋加速器（baby

37、cyclotron）已成為PET的配套設(shè)備，國(guó)外有十余種規(guī)格醫(yī)用小型回旋加速器生產(chǎn)。,利用放射性核素發(fā)生器（generator） 利用半衰期長(zhǎng)的放射性核素為母體，經(jīng)過(guò)衰變產(chǎn)生適合臨床診斷用的、半衰期短的子體，如：,,裝置可以把子體從母體中分離出來(lái)或提取出來(lái)。子體分離出來(lái)以后，隨著母體的放射性衰變，新的子體不斷生長(zhǎng)，經(jīng)一定時(shí)間達(dá)到平衡。子體生長(zhǎng)到一定量時(shí)又可分離，猶如母牛不斷生成牛奶，故俗稱“母牛”。,如果父核素的半衰期大于子核素但不能

38、近似認(rèn)為是無(wú)窮大，那么在足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可以觀察到父核素的活度在下降。此時(shí)，子核素的活度從t=0時(shí)刻開(kāi)始先是上升，至超過(guò)父核素的活度并達(dá)到最大值，然后隨父核素的活度下降而一同下降，且父核素與子核素的活度比值保持恒定。99Mo和99mTc的半衰期分別為66小時(shí)和6小時(shí)，由99Mo生成99mTc的分支比為0.876，可計(jì)算得到 22.8小時(shí)，而達(dá)到過(guò)渡平衡后，99mTc與99Mo的活度比為0.9636。,,6.射線與物質(zhì)的作用,α、β是帶電粒

39、子，它們?cè)谌梭w組織中會(huì)與各種分子、原子發(fā)生碰撞，減慢速度，失去能量，最后被吸收掉。而被碰撞的分子、原子則被電離和激發(fā)，獲得的能量最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊?。由于α和β粒子很快就失去了能量，所以它們很難穿過(guò)人體組織。,γ光子與原子殼層電子相互作用，把能量全部交給電子，使之成為自由電子的過(guò)程。γ光子喪失全部能量后消失，殼層電子逸出造成的空缺會(huì)導(dǎo)致熒光輻射，而電子由光電效應(yīng)獲得的動(dòng)能在與周圍物質(zhì)的作用中迅速耗散。,γ光子的本質(zhì)為電磁波，它與物質(zhì)作用的機(jī)理

40、主要有以下三種：,(1)光電效應(yīng)（photo-electric effect）,,Photoelectric Effect,,,,,,,,,,,,,,,,,,,photo-electron,photonhv,K,L,M,The incident photon is absorbed by the atom, an electron (e.g. K-shell) is ejected with a kinetic energy equa

41、l to hv – EK.The vacancy is filled by an outer shell electron (e.g. L-shell), thereby emitting a characteristic x-ray with energy EK-EL.Alternatively, instead of the characteristic x-ray, an Auger electron (e.g. M-shel

42、l) is ejected, with kinetic energy of EK-EL -EM.,,Characteristic x-ray,,Auger electron,Photoelectric mass attenuation coefficient,,,,,,,,,,,1,10,0.1,0.01,Photon energy (MeV),0.01,0.1,1,10,100,photoelectric mass attenuati

43、on coefficient (???, cm2/g),,K-shell binding energy ~88 keV,,L-shell binding energy ~15 keV,,,發(fā)生光電作用的首要條件是光子能量大于殼層電子的束縛能，逸出電子的動(dòng)能等于入射光子能量與束縛能之差。不同殼層（K、L、M等）有不同的束縛能，所以光電吸收截面－光子能量曲線有鋸齒形的“吸收邊” 。原子序數(shù)Z高的吸收體（如鉛、鎢）發(fā)生光電效應(yīng)的幾率相當(dāng)

44、大，Z低的物質(zhì)（如鋁）發(fā)生光電效應(yīng)的幾率十分小。光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與電子能量的3次方成反比。,(2)康普頓散射（Compton scattering）γ光子與原子最外殼層電子發(fā)生彈性碰撞，將部分能量交給電子，使之脫離原子核的束縛，從原子中逸出，而光子運(yùn)動(dòng)方向改變，能量減少。,,,Compton Scattering,hv’,Incident photon interacts with a ‘free’ electron.The el

45、ectron is ejected at angle ? with kinetic energy T.The photon is scattered at angle ? with a reduced energy hv’.,hv,,,e- (Compton electron),?,?,,T,,Kinematics:,康普頓散射是入射γ光子與弱束縛電子之間的作用，可按照彈性碰撞處理，用動(dòng)量守恒和能量守恒定律分析。如果入射光子的能量是E

46、0=h0v0，電子的束縛能為0（自由電子），散射光子的能量是E=hv，散射角為θ，可以得出：,其中m0為電子的靜止質(zhì)量，c為光速，m0c2=0.511MeV。γ射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，因康普頓散射引起的強(qiáng)度減弱正比于單位體積內(nèi)的電子數(shù)，即正比于原子序數(shù)Z和單位體積內(nèi)的原子數(shù)N的乘積Z×N。,(3)電子對(duì)生成（pair production）能量大于1.022MeV的光子經(jīng)過(guò)原子核場(chǎng)，轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，γ光子消失。,,,P

47、air Production in the Nuclear Field,The photon interacts with the electromagnetic field of the nucleus and gives up all its energy in the process of creating a pair of electron (e-) and positron (e+).,hv>1.022 MeV,,e-

48、 (electron),,Since the rest mass energy of each particle is 0.511 MeV, the photon energy must be greater than 1.022 MeV for this interaction to happen. The total kinetic energy carried by the pair is (hv – 1.022) MeV.,e+

49、 (positron),T-,T+,Pair Production – distribution,T+ + T- = hn – 1.022 MeV,Due to the nuclear repulsion of the positron and attraction of the electron, the average energy of the positron (T+) is slightly greater than that

50、 of the electron (T-).,Energy Distribution:,Angular Distribution:,For hn >> 2m0c2, the average angle between the incident photon and the created electron is ~ m0c2/,Pair Production – cross section,Pair production

51、coefficient increases with photon energy.,,,,,,,,10,100,1,0.1,0.1,1,Pair production coefficient,Photon energy (MeV),,ak???Z2,The atomic attenuation coefficient (cm2/atom):,/r = akNA/A ???Z2/A??Z,The mass attenuation

52、coefficient (cm2/g):,發(fā)生電子對(duì)生成的幾率隨物質(zhì)的原子序數(shù)Z和γ光子的能量E加大而增加。,與α、β相比，γ光子能夠穿透更厚的物質(zhì)，而且能量越高的γ射線穿透物質(zhì)的能力越強(qiáng)。對(duì)于能量為140keV的γ射線來(lái)說(shuō)，46mm厚的人體組織才使它的強(qiáng)度衰減一半，0.9mm的鉛便可使它的強(qiáng)度衰減10倍。強(qiáng)度為I0的γ光子束流穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，一部分光子與物質(zhì)發(fā)生作用，被散射或吸收掉，穿出厚度為x的物質(zhì)后，γ光子流強(qiáng)度被衰減為I=I0e-

53、μx。其中μ線衰減系數(shù)（linear attenuation coefficient，單位cm-1 ），它與吸收物質(zhì)的密度ρ（單位g/cm3）有關(guān)，定義?/? 為質(zhì)量衰減系數(shù)?m（mass attenuation coefficient，單位cm2/g）。,7.物質(zhì)對(duì)γ射線的衰減,質(zhì)量衰減系數(shù)主要是上述三種效應(yīng)的衰減系數(shù)之和，μm＝τ+σ+κ。光電效應(yīng)衰減系數(shù)τ∝Z3~4/E3，低能γ光子和重元素原子作用時(shí)光電效應(yīng)顯著?？灯疹D散射

54、效應(yīng)衰減系數(shù)σ∝Z/E，隨Z、E變化不大，中等能量的γ光子與中等原子序數(shù)的物質(zhì)作用時(shí)，康普頓散射是主要因素。在E>1.022MeV時(shí)才發(fā)生電子對(duì)生成，其衰減系數(shù)κ∝Z2×lnE，高能光子經(jīng)過(guò)重元素核場(chǎng)時(shí)才有電子對(duì)生成效應(yīng)。,右圖表示不同能量（E）的γ光子在不同原子序數(shù)（Z）的吸收物質(zhì)中主要的作用機(jī)制。核醫(yī)學(xué)使用的能量范圍為50～500keV的γ光子與Z≤20的人體組織的主要作用是康普頓散射，與Z＝82的鉛主要作用機(jī)制

55、是光電效應(yīng)。,,,Relative Importance of Various Types of Interactions,,,,,,,,,,,1,10,0.1,0.01,Photon energy (MeV),0.01,0.1,1,10,100,Mass attenuation coefficient (cm2/g),K-shell binding energy ~88 keV,L-shell binding energy ~15

56、keV,,lead,,water,,,3 MeV,~50 MeV,The Interaction of Photons with Matter,In radiological physics, the range of energies of interest is from 1 keV to ~50 MeV. Within this range, the following types of interaction with matt

57、er are relevant.,,Increasing energy of the incoming photon,? ? ? ? ?coh + ?inc + ?,Photon Beam Attenuation (narrow beam),,,,,,Incident photon fluence,transmitted photon fluence,scattered photons,,detector,,,collimator,is

58、 the linear attenuation coefficient.It represents the fraction of photons that interact per unit thickness of attenuator, or the probability of interaction per unit path length in the attenuator. (1/m)? depends on the

59、photon energy and the material.,,,,,8.γ射線探測(cè)器,NaI(Tl)晶體,鋁殼,,反光粉,,光學(xué)窗,,磁屏蔽,,γ射線,,光電倍增管,閃爍探測(cè)器的構(gòu)造,,,,,e-,,,,,閃爍探頭主要由閃爍晶體和光電倍增管組成。,γ光子射入閃爍晶體,產(chǎn)生可見(jiàn)光，其強(qiáng)度與入射γ光子的能量成正比。,與晶體緊密耦合的光電倍增管把微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流脈沖。,電流脈沖幅度與閃光的強(qiáng)度成正比，也與入射的γ光子的能量成正比。,

60、光電倍增管,,(1) 閃爍晶體（scintillation crystal）,NaI(Tl)的密度大（ρ=3.67g/cm3），又含有高原子序數(shù)（Z=53）的碘，有一定厚度就能將γ光子的全部能量沉積在晶體中。退激能量大部分轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光，光產(chǎn)額高（30～40photons/ keV ），探測(cè)靈敏度高。NaI(Tl)晶體對(duì)它產(chǎn)生的閃光是透明的，自吸收損失很小。它的熒光持續(xù)時(shí)間短，時(shí)間分辨率達(dá)10-6s，能滿足高計(jì)數(shù)率的要求，因此核醫(yī)學(xué)儀器廣

61、泛使用NaI(Tl) 閃爍探測(cè)器。,γ光子在閃爍晶體中發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射，把能量傳給電子，通過(guò)電離或激發(fā)作用將能量沉積在晶格中。然后晶體發(fā)生退激，其中一部分能量以可見(jiàn)光的形式釋放出來(lái)。,(2) 光電倍增管（photomultiplier tube）,PMT是一種電子管。光學(xué)光子在光陰極上打出光電子，并被第一打拿極上的正電壓加速，在其上產(chǎn)生多個(gè)二次電子。二次電子又被加有更高電壓的第二打拿極加速，撞出更多二次電子。經(jīng)過(guò)8～12個(gè)打拿

62、極的連續(xù)倍增，二次電子最后被陽(yáng)極收集，形成電流脈沖。每個(gè)打拿極的倍增因子一般為3～6，總倍增因子可以達(dá)到105～108。,(3) 光電倍增管的高壓供電,正高壓被R1～R8電阻分壓。最后幾個(gè)打拿極級(jí)流過(guò)的脈沖電流較大，C1和C2可以保持脈沖發(fā)生時(shí)打拿極電位穩(wěn)定，減少信號(hào)噪聲和畸變。陽(yáng)極負(fù)載電阻RL給陽(yáng)極電流脈沖提供通路，由于它連在正高壓上，必須有高耐壓的電容Ca把直流高壓與后續(xù)電路隔離開(kāi)，而讓脈沖信號(hào)通過(guò)。由于RL下端不接地，輸出信號(hào)

63、容易引入干擾。但是正高壓供電時(shí)光陰極是接地的，這對(duì)光陰極的安全有利，而且暗電流小，輸出噪聲低。,負(fù)高壓供電也能給各個(gè)打拿極和陽(yáng)極提供依次遞增的電位。由于RL下端接地，故不需要高耐壓的隔直電容，可以克服干擾問(wèn)題。但因?yàn)榫o貼PMT的金屬支架或磁屏蔽套通常是接地的，負(fù)高壓供電會(huì)使電子撞擊光電倍增管內(nèi)壁，產(chǎn)生噪聲。,高壓的1％改變會(huì)造成輸出脈沖幅度10％以上的變化，因此要求電源的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性都非常好。其輸出應(yīng)該不受電源電壓和負(fù)載電流變

64、化的影響，交流紋波應(yīng)該小于0.1V。讓PMT工作在坪區(qū)（靈敏度受高壓變化影響最小的區(qū)域），不但有利于提高增益的穩(wěn)定度，而且常常能獲得較佳的信號(hào)/噪聲比。,9.γ射線的能譜,γ光子與閃爍晶體作用產(chǎn)生閃光，由于作用過(guò)程不同，各次閃光的強(qiáng)度不盡相同，有一定的分布。光電效應(yīng)產(chǎn)生右端的光電峰（photopeak）。由于γ光子把全部能量轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，所以光電峰的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)γ光子的能量Er。在康普頓散射中，γ光子只把部分能量通過(guò)反沖電子傳遞給閃爍晶體

65、，因此探測(cè)器的輸出脈沖幅度有很寬的分布，在光電峰左邊形成康普頓坪。如果被散射的γ光子接著又被探測(cè)器吸收，產(chǎn)生的脈沖也在光電峰里。,,由于γ射線在NaI(Tl)晶體中產(chǎn)生可見(jiàn)光光子的數(shù)目、可見(jiàn)光光子到達(dá)PMT光陰極的數(shù)目、光陰極釋放光電子的數(shù)目、打拿極的倍增因子都有隨機(jī)的統(tǒng)計(jì)漲落，此外PMT光陰極各處?kù)`敏度的不均勻、加在PMT上的高壓的波動(dòng)、PMT的電子學(xué)噪聲、都會(huì)造成雖然γ光子的沉積在NaI(Tl)晶體中的能量相同，但是閃爍探測(cè)器輸出的

66、脈沖幅度參差不齊的現(xiàn)象。這在脈沖幅度譜上表現(xiàn)為光電峰有一定的寬度，也就是說(shuō)探測(cè)器有一定的能量分辨率。我們可以用光電峰高度一半處的寬度△E來(lái)描述探測(cè)器的能量分辨率，稱為半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），通常FWHM表示為△E與光電峰能量Er的百分比：FWHM(％)=(△E /Er)×100％。能量高的γ射線在閃爍晶體中可以產(chǎn)生更多的可見(jiàn)光光子，相對(duì)的統(tǒng)計(jì)漲落較小，探測(cè)器的能量分辨率也較