核物理基础

核医学影像设备,简单回顾,1.核医学功能代谢显像是现代医学影像的重要组成内容之一，其显像原理与X线、B超、计算机体层摄影（CT）和核磁共振（MR）等检查截然不同 。它通过探测接收并记录引入体内靶组织或器官的放射性示踪物发射的射线，并以影像的方式显示出来，这不仅可以显示脏器或病变的位置、形态、大小等解剖学结构，更重要的是可以同时提供有关脏器和病变的血流、功能、代谢甚至是分子水平的化学信息，有助于疾病的早期诊断。,现代医学影像学技术及成像原理,2.放射性核素显像为无创性检查，所用的放射性核素物理半衰期（physical half life，T1/2）短，显像剂化学量极微，病人所接受的辐射吸收剂量（absorbed dose）低，因此发生毒副作用的几率极低。 3.但本法受引入放射性活度及仪器分辨率的限制，其影像的清晰度不如CT、MR，影响对细微结构的精确显示。近年来图像融合（fusion imaging）技术可将CT、MR解剖结构影像与核医学SPECT和PET获得的功能代谢影像相叠加，更有利于病变精确定位和准确定性诊断。,头部CT图像,头部MRI图像,SPECT图像-脑部,SPECT图像-骨骼,SPECT图像-脑部,2例癫痫患者SPECT图像:发作间期低灌注(A图)，发作期高灌注(B图)。癫痫灶发作间期在SPECT上呈低灌注暗影，发作期变为高灌注亮影。,SPECT图像-脑部,Siemens的SPECT系统,ECT,美国菲利普三探头ECT,SPECT,SPECT,SPECT,1. 核医学影像设备的发展历史1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀矿时发现，铀矿能使包在黑纸内的感光胶片感光，这是人类第一次认识到放射现象，也是后来人们建立放射自显影的基础。1898年，马丽居里与她的丈夫皮埃尔居里共同发现了镭，此后又发现了钚和钍等许多天然放射性元素。1923年，物理化学家Hevesy应用天然的放射性同位素铅-212研究植物不同部分的铅含量，后来又应用磷-32研究磷在活体的代谢途径等，并首先提出了“示踪技术”的概念。1926年，美国波士顿内科医师布卢姆加特（Blumgart）等首先应用放射性氡研究人体动、静脉血管床之间的循环时间，在人体内第一次应用了示踪技术。,1951年，美国加州大学的卡森（Cassen）研制出第一台扫描机，通过逐点打印获得器官的放射性分布图像，促进了显像的发展。1957年，安格（Hal O. Anger）研制出第一台照相机，称安格照相机，使得核医学的显像由单纯的静态步入动态阶段，并于60年代初应用于临床。1959年，他又研制了双探头的扫描机进行断层扫描，并首先提出了发射式断层的技术，从而为日后发射式计算机断层扫描机ECT的研制奠定了基础。1972年，库赫博士应用三维显示法和18F-脱氧葡萄糖（18F-FDG）测定了脑局部葡萄糖的利用率，打开了18F-FDG检查的大门。他的发明成为了正电子发射计算机断层显像（PET）和单光子发射计算机断层显像（SPECT）的基础，人们称库赫博士为“发射断层之父”。,2. 当前核医学影像设备的应用概况目前广泛使用的单光子发射计算机断层（SPECT），已从单探头、双探头和三探头，直至现在发展为带衰减校正的能进行符合线路成像的SPECT PET-CT的出现使医学影像技术进入了一个新的阶段分子生物学技术的迅速发展以及与核医学技术的相互融合，形成核医学又一个新的分支学科分子核医学（molecular nuclear medicine）把两种设备的图像融合起来进行分析,核 物 理 基 础,原子：最小的不可分割的化学结构 原子由原子核及核外轨道电子组成。原子核由质量基本相同的质子和中子（两者统称核子）组成。原子半径10-10m，原子核半径10-15m，原子内部大部分是空的空间，原子的大小一般是核外电子云的分布范围。,现代原子结构,核素（Nuclide）,同位素（Isotope）,同质异能素（Isomer）,Z，A及能态均相同的一类原子 如：,Z同A不同，周期表上同位如：,A、Z相同，能态不同，如：,一、核素、同位素、同质异能核1、核素：有特定的质子数Z和中子数N及核能态的一类原子。包括放射性核素RN和稳定性核素SN。2、放射性核素：亦称不稳定性同位素。指原子核处于不稳定状态，需经过核内结构或能级的变化才能趋于稳定的核素，它能自发的释放出核射线和能量而转化为另一种核素。3、稳定性核素：能够稳定的存在，如没有外界因素（如高能粒子的轰击），不发生核内成分或核能级的改变，即不发生自发的产生核变化的核子。4、同质异能素：凡是具有相同的质量数和原子序数而核能态不同的一类核素，是同位素的一种特殊类型。,以AZX或AX 表示各种核素。如12C、16O、14N等。X元素符号，A质量数（质子数+中子数）Z原子序数（核内质子数），中子数A-Z。,稳定性核素（Stable nuclide） 放射性核素（radionuclide）,原子核会自发地发生结构或能级的变化（核衰变）并放出射线（放射性）而转变为另一种核素。,核素的稳定性取决于原子核内中子数与质子数的比例。研究表明只要元素的核内中子数和质子数保持在一定的比例范围内，核素就能稳定，比值过大或过小都将不稳定。通常在质子数小于20的核素中，中子数与质子数之比为1的核素是稳定的;质子数大于20的核素，中子数与质子数之比需大于1才是稳定的核素。,一般原子序数大于83的元素均是放射性核素，原子序数在82以下的天然放射性核素较少。现今使用的放射性核素要用人工方法制备，如核反应堆、加速器或中子源等产生的高能中子、带电粒子或光子轰击稳定性核素，引起核反应，使之成为富中子(即中子相对过多)或贫中子(中子相对过少)的放射性核素。,核 衰 变 类 型,衰变规律,放射性核素衰变：放射性核素因核内成分或能级改变而自发的转变为另一种核素，同时释放出核射线。（一） 衰变：放射性核素从原子核自发的释放出粒子的衰变，大多发生在Z大于82的放射性核素， 粒子本质是He的原子核，由两个质子与两个中子组成。（二） 衰变：原子核自发的放射出电子或俘获一个轨道电子而发生的转变。,3、电子俘获（EC）：放射性核素的原子核从核外的轨道俘获一个轨道电子，使核内的一个质子转化为中子，同时放射出中微子的过程。故子核Z1，A不变，这种衰变只放出一个中微子，故能量是单色的，K层电子被俘获称为K电子俘获。,衰变、同质异能跃迁和内转换,核 素,（高能态低能态）,跃迁,同质异能跃迁,（激发态基态）,多余能量,光子,核外电子,自由电子,（内转换电子）,衰变：有些放射性核素的原子核在发生- 、+ 、或EC等衰变过程中，所产生的子核处于不稳定状态（激发态）立即向基态或低能态跃迁，多余的能量以光子射出，核内的成分不变，子核的Z、A不变，只是核素的能态发生变化。伴随光子释出的核能级跃迁称为衰变，也是跃迁或辐射。核医学诊断利用相机或SPECT机进行脏器或病变的核素显像，检测射线 在脏器中放射性分布情况。,、三种核射线的性质,核衰变定律,衰变常数（） 指各种放射性核素固有的单位时间内衰变百分数。,核衰变公式,现存核总数（N）随时间按指数规律衰减。衰变速率随值而定。,N=N0e-t,放射性活度（radioactiviy）,放射性活度：每单位时间内的核衰变率，简称活度。 单位时间内核衰变的数量,I=I0e-t,半衰期,物理半衰期 （Physical half life;T1/2） 生物半衰期 （biological half life;Tb） 有效半衰期 （effective half life; Te f f）,半衰期 (T1/2)定义：一定量的某种放射性原子核衰变至原来 的一半所需要的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,放射性衰变规律,二、半衰期：反映核素衰变速率的指标。物理半衰期生物半衰期有效半衰期1、半衰期：放射性核素由于自身的自然衰变，活度减少到原来一半需要的时间。2、生物半衰期：生物体内的放射性核素因从体内代谢排出而衰减到原来一半的量所需时间。3、有效半衰期：存在于生物体内的放射性核素由于生物代谢和放射性衰变的共同作用，使放射性活度减为原来一半所需时间。,射线与物质的相互作用,光子与物质的相互作用,光电效应 （photoelectric effect） 康普顿效应 （Compton effect） 电子对生成 （electron pair procduction）,照相机特点,）,二. 照相机的成像原理,利用“随机逐点并行”探测方式快速一次成像。成像过程：受检者辐射的射线 准直器 闪烁晶体产生光子 光电倍增管PMT 电信号 放大器放大 电子学系统计算反映射线入射的水平位置X与垂直位置Y的信号，并把各光电倍增管的输出相加 Z信号 脉冲幅度分析器确认每一个光子事件 示波器和监视器显示。,照相机的结构组成,照相机的结构和主要部件,核探测器电子线路显示系统,三. 相机准直器,准直器位于晶体之前，是探头中首先和射线相接触的部分。准直器的性能在很大程度上决定了探头的性能。准直器能够限制散射光子,允许特定方向光子和晶体发生作用。因为整形使得绝大多数射线被准直器吸收阻挡掉，所以核医学图像比X射线图像质量差，成像时间长的主要原因。,准直器的作用,准直器的作用：1）是它只允许沿特定方向前进的射线到达NaI (Tl) 晶体，把放射源的三维分布投影成二维平面图像，而向其他方向前进的 射线则在到达NaI (Tl)晶体之前被准直器完全吸收掉。缺陷：因为整形使得绝大多数射线被准直器吸收阻挡掉，所以这种技术对 射线利用率是很低(只有1%-3%)。这就是核医学图像比X射线图像质量差(粒子数少),成像(采集)时间长(计数率低)的主要原因，这是它的先天不足。,准直器的分类,平行孔型扩散型聚焦型针孔型,平行孔准直器, 铅板上很多轴线互相平行的细长准直孔，可以形成1：1的投影图像。 它的视野等于探头尺寸，在不同深度上的空间分辨力基本不变。 平行孔准直器是最常用的准直器类型。,扩散型准直器, 它的准直孔轴线指向探头后400-500mm处某一点，可形成缩小的图像。 它的视野大于探头尺寸，并随脏器到准直器距离的增加而增大，常用于小探头对大脏器显像。 所成图像的空间分辨力不如平行孔准直器，探头效率也较平行孔准直器低。,汇聚型准直器, 它的准直孔轴线汇聚在探头前400-500mm处一点上，可形成放大的图像。 它的视野小于探头尺寸，用于大探头对小脏器显像。 所成图像的中间分辨力好于平行孔准直器，对小脏器的探测效力也比平行孔准直器高。,针孔型准直器,它与小孔成像照相机一样，利用光的直线传播原理，在NaI晶体上成倒置的图像。根据像距和物距的比例，即可以投影成放大的图像，又可投影成缩小的图像。随着物距的增加，针孔准直器的视野加大，探测效率急速地降低，对于厚度较大的脏器，所成图像是变形的，在脏器贴近准直器的时候更加严重。,准直器临床应用,准直器,Anger照相机定位入射射线点的方法,在Anger照相机中，NaI晶体的背面完全被PMT阵列所覆盖。为使间隔最小，通常按蜂房式排列，数目为7、19、37、61等，PMT越多分辨力越好。PMT除了把微弱的闪烁光转变成电信号并加以放大以外，还担负着定位的任务。,光电倍增管通常按蜂房式排列,光电倍增管,每7到10个光子入射到光电阴极上，就会产生一个电子。从阴极来的电子聚焦到倍增管电极上被吸收后会放出更多的电子（一般是6到10个）。这些电子再聚焦到下一个倍增管电极上，这个过程在倍增管电极阵列上不断重复。,PMT构成光电倍增管是一种电真空光电器件,它由光电阴极、电子光学输入系统、二次发射倍增系统及阳极构成。当光子入射在光电阴极上时，由于光子的轰击产生光电子，光电子通过电子光学输入系统进入倍增系统；电子得到倍增，最后在阳极上收集电子，形成阳极电流或电压。,光电倍增管工作原理示意图,一、光电阴极,1、光电阴极的作用：光电倍增管的光电阴极是一个接收光子而释放出光电子的电极，阴极吸收光的能量使光阴极的电子获得足够的能量并溢出产生光电子的发射，是光电转换的关键部件。,2、光电阴极的组成：（1）它的结构有半透明(入射光与光电子同一方向)的端窗（2）四面窗阴极（3）不透明(入射光方向与光电子方向相反)阴极。,二、电子光学输入系统,1、电子光学输入系统组成：由光电阴极和第一倍增极之间的电极结构以及所加的电位构成。2、电子光学输入系统作用它使光电子尽可能多地聚集在第一倍增极的有效面积上。,三、二次发射倍增系统,1、二次倍增系统构成：则由若干倍增极组成，倍增管的入射光窗决定了其光谱响应短波部分。2、工作过程：工作时各电极间依次加上递增的电位(如100V-200V)。从光电阴极发射的光电子经过电子光学输入系统入射到第一倍增极上，产生一定数量的二次电子，这二次电子在电场作用下再人射到第二倍增极，二次电子又得到倍增，如此不断进行下去，直到电子流被阳极收集吸收。,3、二次倍增系统构成：倍增极材料要求有足够大的二次发射系数，热电子发射要少，工作稳定。常用SbCs 、CuBe (BeO) 或AgMg 等，它们的倍增系数约在3-6 之间。CuBe、AgMg 等合金倍增极材料允许的发射电流密度较大，有利于在大的表