核医学仪器与方法NMIM12刘亚强

核医学仪器与方法NuclearMedicineInstrumentsandMethods清华大学,刘亚强Cellmail:liuyaqiang,参考书,PhysicsinNuclearMedicine,JamesA.Sorenson核素的衰变产物应该是稳定核素，不再产生次级射线。(4)放射性药物的比放射性（或放射性比度，即单位质量药物所具有的放射性强度，Ci/g，mCi/g，Ci/g）要恰当。,(5)放射性药物应具有尽可能高的核纯度（很少混有其他放射性核素）、放化纯度（指处于特定化学状态中的放射性核素占总放射性的比例）和化学纯度（无其他化学物质，包括辐射分解产物的存在）。为了保证病人的安全，放射性核素及其衰变产物的生理、生化作用应该对机体无害，毒理效应小，作为药物还应符合药典或国家的有关标准。(6)放射性药物的生化特性应适合被测器官或组织显像：在聚集在靶器官以前，在体内不发生代谢；药物引入体内后，应给出较高的靶对非靶的活度比值。,99mTc（technetium锝），经IT衰变产生140keV的光子，半衰期T1/2=6.02h。可以做所有器官的显像和血流动力学研究。131I（iodine，碘），衰变产生364keV的光子，半衰期T1/2=8.04h。适于作甲状腺、肾、肝、脑、肺、胆的显像，以及功能测量和治疗。,临床常用的放射性核素,133Xe（xenon，氙），衰变产生814keV的光子，半衰期T1/2=5.29d。用于肺通气灌注显像。正电子衰变类放射性核素：11C（20.3m）、13N（10m）、15O（123s）、18F（110m）可用于正电子显像。内照射治疗用的放射性药物，以半衰期较长的-粒子为宜。目前常用的治疗用放射性核素是：131I（iodine，碘）。32P（phosphorus，磷）。,5.医学放射性核素的制备方法,利用反应堆（nuclearreactor）(1)将稳定核素置于反应堆的孔道中受中子流照射，经中子活化反应产生放射性核素。有两类反应：一类过程用表示，靶与产物是同一元素的同位素。另一类过程用表示，靶与产物不属于同一元素。(2)从使用过的核燃料中分离提取裂变产物，如99Mo、131I、133Xe、等。,利用回旋加速器（cyclotron）许多重要的核素、尤其是“缺中子”核素必需用回旋加速器产生的正离子与稳定核素作用来生成。例如：147N(p,)116C、168O(p,)137N、157N(p,n)158O、188O(p,n)189F、105B(d,n)116C、126C(d,n)137N、147N(d,n)158O、2010Ne(d,)189F、12452Te(p,2n)12353I、20281Tl(p,2n)20182Pb20181Tl。医用小型回旋加速器（babycyclotron）已成为PET的配套设备，国外有十余种规格医用小型回旋加速器生产。,利用放射性核素发生器（generator）利用半衰期长的放射性核素为母体，经过衰变产生适合临床诊断用的、半衰期短的子体，如：,装置可以把子体从母体中分离出来或提取出来。子体分离出来以后，随着母体的放射性衰变，新的子体不断生长，经一定时间达到平衡。子体生长到一定量时又可分离，犹如母牛不断生成牛奶，故俗称“母牛”。,如果父核素的半衰期大于子核素但不能近似认为是无穷大，那么在足够长时间内可以观察到父核素的活度在下降。此时，子核素的活度从t=0时刻开始先是上升，至超过父核素的活度并达到最大值，然后随父核素的活度下降而一同下降，且父核素与子核素的活度比值保持恒定。99Mo和99mTc的半衰期分别为66小时和6小时，由99Mo生成99mTc的分支比为0.876，可计算得到22.8小时，而达到过渡平衡后，99mTc与99Mo的活度比为0.9636。,6.射线与物质的作用,、是带电粒子，它们在人体组织中会与各种分子、原子发生碰撞，减慢速度，失去能量，最后被吸收掉。而被碰撞的分子、原子则被电离和激发，获得的能量最终转变为热。由于和粒子很快就失去了能量，所以它们很难穿过人体组织。,光子与原子壳层电子相互作用，把能量全部交给电子，使之成为自由电子的过程。光子丧失全部能量后消失，壳层电子逸出造成的空缺会导致荧光辐射，而电子由光电效应获得的动能在与周围物质的作用中迅速耗散。,光子的本质为电磁波，它与物质作用的机理主要有以下三种：,(1)光电效应（photo-electriceffect）,PhotoelectricEffect,photo-electron,photonhv,K,L,M,Theincidentphotonisabsorbedbytheatom,anelectron(e.g.K-shell)isejectedwithakineticenergyequaltohvEK.Thevacancyisfilledbyanoutershellelectron(e.g.L-shell),therebyemittingacharacteristicx-raywithenergyEK-EL.Alternatively,insteadofthecharacteristicx-ray,anAugerelectron(e.g.M-shell)isejected,withkineticenergyofEK-EL-EM.,Characteristicx-ray,Augerelectron,Photoelectricmassattenuationcoefficient,1,10,0.1,0.01,Photonenergy(MeV),0.01,0.1,1,10,100,photoelectricmassattenuationcoefficient(,cm2/g),K-shellbindingenergy88keV,L-shellbindingenergy15keV,发生光电作用的首要条件是光子能量大于壳层电子的束缚能，逸出电子的动能等于入射光子能量与束缚能之差。不同壳层（K、L、M等）有不同的束缚能，所以光电吸收截面光子能量曲线有锯齿形的“吸收边”。原子序数Z高的吸收体（如铅、钨）发生光电效应的几率相当大，Z低的物质（如铝）发生光电效应的几率十分小。光电效应的发生几率与电子能量的3次方成反比。,(2)康普顿散射（Comptonscattering）光子与原子最外壳层电子发生弹性碰撞，将部分能量交给电子，使之脱离原子核的束缚，从原子中逸出，而光子运动方向改变，能量减少。,ComptonScattering,hv,Incidentphotoninteractswithafreeelectron.TheelectronisejectedatanglewithkineticenergyT.Thephotonisscatteredatanglewithareducedenergyhv.,hv,e-(Comptonelectron),T,Kinematics:,康普顿散射是入射光子与弱束缚电子之间的作用，可按照弹性碰撞处理，用动量守恒和能量守恒定律分析。如果入射光子的能量是E0=h0v0，电子的束缚能为0（自由电子），散射光子的能量是E=hv，散射角为，可以得出：,其中m0为电子的静止质量，c为光速，m0c2=0.511MeV。射线穿过物质时，因康普顿散射引起的强度减弱正比于单位体积内的电子数，即正比于原子序数Z和单位体积内的原子数N的乘积ZN。,(3)电子对生成（pairproduction）能量大于1.022MeV的光子经过原子核场，转化为一个正电子和一个负电子，光子消失。,PairProductionintheNuclearField,Thephotoninteractswiththeelectromagneticfieldofthenucleusandgivesupallitsenergyintheprocessofcreatingapairofelectron(e-)andpositron(e+).,hv1.022MeV,e-(electron),Sincetherestmassenergyofeachparticleis0.511MeV,thephotonenergymustbegreaterthan1.022MeVforthisinteractiontohappen.Thetotalkineticenergycarriedbythepairis(hv1.022)MeV.,e+(positron),T-,T+,PairProductiondistribution,T+T-=hn1.022MeV,Duetothenuclearrepulsionofthepositronandattractionoftheelectron,theaverageenergyofthepositron(T+)isslightlygreaterthanthatoftheelectron(T-).,EnergyDistribution:,AngularDistribution:,Forhn2m0c2,theaverageanglebetweentheincidentphotonandthecreatedelectronism0c2/,PairProductioncrosssection,Pairproductioncoefficientincreaseswithphotonenergy.,10,100,1,0.1,0.1,1,Pairproductioncoefficient,Photonenergy(MeV),akZ2,Theatomicattenuationcoefficient(cm2/atom):,/r=akNA/AZ2/AZ,Themassattenuationcoefficient(cm2/g):,发生电子对生成的几率随物质的原子序数Z和光子的能量E加大而增加。,与、相比，光子能够穿透更厚的物质，而且能量越高的射线穿透物质的能力越强。对于能量为140keV的射线来说，46mm厚的人体组织才使它的强度衰减一半，0.9mm的铅便可使它的强度衰减10倍。强度为I0的光子束流穿过物质时，一部分光子与物质发生作用，被散射或吸收掉，穿出厚度为x的物质后，光子流强度被衰减为I=I0e-x。其中线衰减系数（linearattenuationcoefficient，单位cm-1），它与吸收物质的密度（单位g/cm3）有关，定义/为质量衰减系数m（massattenuationcoefficient，单位cm2/g）。,7.物质对射线的衰减,质量衰减系数主要是上述三种效应的衰减系数之和，m+。光电效应衰减系数Z34/E3，低能光子和重元素原子作用时光电效应显著。康普顿散射效应衰减系数Z/E，随Z、E变化不大，中等能量的光子与中等原子序数的物质作用时，康普顿散射是主要因素。在E1.022MeV时才发生电子对生成，其衰减系数Z2lnE，高能光子经过重元素核场时才有电子对生成效应。,右图表示不同能量（E）的光子在不同原子序数（Z）的吸收物质中主要的作用机制。核医学使用的能量范围为50500keV的光子与Z20的人体组织的主要作用是康普顿散射，与Z82的铅主要作用机制是光电效应。,RelativeImportanceofVariousTypesofInteractions,1,10,0.1,0.01,Photonenergy(MeV),0.01,0.1,1,10,100,Massattenuationcoefficient(cm2/g),K-shellbindingenergy88keV,L-shellbindingenergy15keV,lead,water,3MeV,50MeV,TheInteractionofPhotonswithMatter,Inradiologicalphysics,therangeofenergiesofinterestisfrom1keVto50MeV.Withinthisrange,thefollowingtypesofinteractionwithmatterarerelevant.,Increasingenergyoftheincomingphoton,coh+inc+,PhotonBeamAttenuation(narrowbeam),Incidentphotonfluence,transmittedphotonfluence,scatteredphotons,detector,collimator,isthelinearattenuationcoefficient.Itrepresentsthefractionofphotonsthatinteractperunitthicknessofattenuator,ortheprobabilityofinteractionperunitpathlengthintheattenuator.(1/m)dependsonthephotonenergyandthematerial.,8.射线探测器,NaI(Tl)晶体,铝壳,反光粉,光学窗,磁屏蔽,射线,光电倍增管,闪烁探测器的构造,e-,闪烁探头主要由闪烁晶体和光电倍增管组成。,光子射入闪烁晶体,产生可见光，其强度与入射光子的能量成正比。,与晶体紧密耦合的光电倍增管把微弱的光信号转换成电流脉冲。,电流脉冲幅度与闪光的强度成正比，也与入射的光子的能量成正比。,光电倍增管,(1)闪烁晶体（scintillationcrystal）,NaI(Tl)的密度大（=3.67g/cm3），又含有高原子序数（Z=53）的碘，有一定厚度就能将光子的全部能量沉积在晶体中。退激能量大部分转变成可见光，光产额高（3040photons/keV），探测灵敏度高。NaI(Tl)晶体对它产生的闪光是透明的，自吸收损失很小。它的荧光持续时间短，时间分辨率达10-6s，能满足高计数率的要求，因此核医学仪器广泛使用NaI(Tl)闪烁探测器。,光子在闪烁晶体中发生光电效应和康普顿散射，把能量传给电子，通过电离或激发作用将能量沉积在晶格中。然后晶体发生退激，其中一部分能量以可见光的形式释放出来。,(2)光电倍增管（photomultipliertube）,PMT是一种电子管。光学光子在光阴极上打出光电子，并被第一打拿极上的正电压加速，在其上产生多个二次电子。二次电子又被加有更高电压的第二打拿极加速，撞出更多二次电子。经过812个打拿极的连续倍增，二次电子最后被阳极收集，形成电流脉冲。每个打拿极的倍增因子一般为36，总倍增因子可以达到105108。,(3)光电倍增管的高压供电,正高压被R1R8电阻分压。最后几个打拿极级流过的脉冲电流较大，C1和C2可以保持脉冲发生时打拿极电位稳定，减少信号噪声和畸变。阳极负载电阻RL给阳极电流脉冲提供通路，由于它连在正高压上，必须有高耐压的电容Ca把直流高压与后续电路隔离开，而让脉冲信号通过。由于RL下端不接地，输出信号容易引入干扰。但是正高压供电时光阴极是接地的，这对光阴极的安全有利，而且暗电流小，输出噪声低。,负高压供电也能给各个打拿极和阳极提供依次递增的电位。由于RL下端接地，故不需要高耐压的隔直电容，可以克服干扰问题。但因为紧贴PMT的金属支架或磁屏蔽套通常是接地的，负高压供电会使电子撞击光电倍增管内壁，产生噪声。,高压的1改变会造成输出脉冲幅度10以上的变化，因