重医大核医学讲义

核医学供五年制医学、儿科、预防医学专业使用

目录绪论第一章核医学物理基础第一节原子结构第二节放射性核衰变第三节射线与物质的相互作用第二章核医学常用仪器第一节脏器显像仪器第二节功能测定仪器第三节放射性计数测量仪器第三章放射性药物第一节基本概念第二节放射性核素的来源第三节放射性药物的制备与质量要求第四节诊断用放射性药物第五节治疗用放射性药物第四章放射性核素示踪技术与脏器显像第一节放射性核素示踪原理与特点第二节放射性核素显像技术第五章体外分析技术第一节体外放射分析第二节非放射标记免疫分析第三节体外分析技术的临床应用第六章分子核医学概论第七章神经系统第一节脑血流灌注显像第二节脑代谢显像第三节神经递质和受体显像第四节脑脊液间隙显像第五节血脑屏障功能第八章内分泌系统第一节甲状腺第二节甲状旁腺、肾上腺显像第九章心血管系统第一节心肌灌注显像第二节心脏功能测定第三节心脏负荷试验第四节心肌细胞活性测定第五节急性心肌梗死显像第六节下肢静脉显像与深静脉血栓探测第七节心脏神经受体显像第十章胃肠道第一节胃肠道出血显像第二节异位胃粘膜显像第三节胃排空功能测定第四节小肠通过功能测定第五节胃-食管反流测定第六节食管通过功能测定第七节十二指肠-胃反流显像第八节唾液腺显像第九节14C-尿素呼气试验第十一章肝胆与脾脏第一节肝胶体显像第二节肝血流灌注和肝血池显像第三节肝胆动态显像第四节肝脏肿瘤显像第五节脾脏显像第十二章呼吸系统第一节肺灌注显像第二节肺通气显像第三节临床应用第十三章骨、关节显像第一节骨静态显像第二节骨动态显像第三节关节显像第四节骨密度测定第十四章造血与淋巴显像第一节骨髓显像第二节淋巴显像第十五章泌尿生殖系统第一节肾动态显像第二节肾功能检查介入试验第三节肾静态显像第四节膀胱反流显像第五节阴囊显像第六节肾小球滤过率和肾有效血浆流量第七节肾图第十六章肿瘤与炎症第一节非特异性肿瘤阳性显像第二节PET肿瘤代谢显像第三节放射免疫显像第四节肿瘤受体显像第五节前哨淋巴结显像第六节炎症显像第十七章放射性核素治疗的生物学基础及进展第一节放射性核素治疗的生物学基础第二节放射性核素治疗的进展第十八章甲状腺及肾上腺疾病的治疗第一节131I治疗甲状腺功能亢进症第二节131I治疗分化型甲状腺癌第三节131I治疗自主功能性甲状腺瘤第四节神经内分泌肿瘤的131I-MIBG治疗第十九章骨转移癌核素的治疗第二十章32P治疗血液病第一节32P治疗真性红细胞增多症第二节32P治疗原发性血小板增多症第三节32P治疗慢性白血病第二十一章放射性核素介入治疗第一节腔内介入治疗癌性胸腹水第二节放射性种子组织间质植入治疗第三节动脉介入治疗肝癌第四节冠状动脉再狭窄的预防与治疗第二十二章其它治疗第一节β射线敷贴治疗第二节前列腺增生90Sr-90Y治疗第三节类风湿性关节炎的99Tc-MDP治疗第四节131I治疗脊髓空洞症第二十三章核医学的放射卫生防护第一节辐射量及其单位第二节放射防护的目的及基本原则第三节外照射防护第四节内照射防护第五节放射防护监测和工作人员健康管理第六节放射防护法规简介主要参考文献附录一常用体外分析项目和临床意义附录二核医学常用词中英文对照索引（按英文字母顺序排列）附录三核医学常用放射性核素主要参数表附录四常用剂量单位换算附录五国际单位制（SI）词头附录六核医学教学计划安排参考表

绪论

核医学(NuclearMedicine)是研究核技术在医学中的应用及其理论的学科。核医学是应用放射性核素或核射线诊断、治疗疾病和进行医学领域研究的学科。核医学又是一门涉及多学科领域的综合性、边缘性医学学科，它是核物理学、电子学、化学、生物学、计算机技术等相关学科与医学相互融合的结晶。核医学的诞生为解决医学中某些疑难问题提供了安全、有效的重要手段，也为医学科学的进步作出了重要贡献。核医学涉及领域之多、应用范围之广、技术手段之先进、方法学内涵之丰富，而被誉为现代医学的重要组成部分是当之无愧的。从应用领域讲，核医学不仅包括了临床诊断和治疗，而且也广泛应用于医学科学研究，核医学的应用范围几乎涉及医学的各个学科和专业；从技术手段来讲，核医学不仅代表了当今核技术尖端科技发展产物，而且融入了生命科学等相关学科研究的重要成果；从学科内容上讲，核医学不仅包括有影像诊断技术、功能测定技术，还包括了体外分析实验技术和治疗方法。因此，可以说核医学不是一项简单的技术，而是涉及范围和研究领域都十分广泛的一门独立医学学科。

一、核医学的学科内容核医学以其应用和研究的范围侧重点不同，可大致分为实验核医学和临床核医学两部分，其中实验核医学主要包括放射性药物学、放射性核素示踪技术、放射性核素动力学分析、体外放射分析、活化分析、放射自显影以及稳定性核素分析等。实验核医学的主要任务是发展、创立新的诊疗技术和方法，利用其示踪技术进行医学研究，包括核医学自身理论与方法的研究以及基础医学理论与临床医学的研究，促进医学科学的进步。实验核医学既是核医学的理论基础，某些技术本身又是临床核医学的重要诊断手段，就像外科医师必需掌握解剖学和生理学知识一样，为正确的应用核医学技术提供理论依据和方法学基础。临床核医学是利用核医学的各种原理、技术和方法来研究疾病的发生、发展，研究机体的病理生理、生物化学和功能结构的变化，达到诊治疾病、提供病情、疗效及预后的信息。临床核医学是核医学的重要部分，根据其应用目的不同，临床核医学又分为诊断核医学和治疗核医学两大部分，其中诊断核医学包括脏器或组织影像学检查、脏器功能测定和体外微量物质分析等；治疗核医学分为内照射治疗和外照射治疗两类，在外照射治疗中，尽管应用60Co以及后装机等进行的治疗也是应用放射性核素或核射线治疗疾病，但这类大剂量的封闭放射源治疗已划归肿瘤学科范畴，只有部分应用低剂量辐射源进行的外照射治疗仍属于核医学的内容；内照射治疗是治疗核医学的主要内容，随着新的治疗药物和治疗方法的研究进展，治疗核医学必将成为临床上治疗某些疾病的重要方法之一。临床核医学又是一门发展十分迅速的新兴学科，随着学科的不断发展和完善，临床核医学又逐步形成了各系统核医学，如心血管核医学（又称核心脏病学）、内分泌核医学、神经系统核医学、肿瘤核医学以及消化系统核医学、呼吸系统核医学、造血系统核医学、泌尿系统核医学等系统学科，它反映了核医学不断成熟与完善的过程。实际上，实验核医学与临床核医学之间的划分是相对的，二者并没有明确的界限，其研究内容和应用领域是相互融合贯通的。

二、核医学与医学的发展核医学是现代医学的重要内容，也是医学现代化的重要标志之一，核技术在医学中的应用，促进了医学科学的发展。大家都知道，显微镜的出现是人类历史上的一大创举，因为它使人们第一次看到了细胞，对物质世界的认识由宏观进入微观世界。然而，核技术在医学上的应用，则使人们的眼界又更进一步由细胞水平进入到分子水平。通过放射性核素示踪法，可以在生理情况下，从分子水平动态地研究机体内各种物质的代谢变化，细致的揭示体内及细胞内代谢的内幕，这是迄今为止其它技术仍还难以实现的。在历史上，应用核医学的示踪技术阐明了医学中许多重大的问题，如RNA-DNA逆转录、遗传密码、胆固醇的合成与代谢研究、细胞周期以及细胞膜受体、人体各种激素与微量物质的定量分析等，为20世纪医学的发展作出了巨大贡献，也成为多学科合作研究的典范，为此，也获得了多项诺贝尔奖。可以想象，如果没有核医学的技术，医学的发展将会晚很多年，甚至在某些领域也许还在经历漫长的探索之路。当然，医学本身的进步也促进了核医学的发展，例如，免疫学的发展，导致了闻名于世的放射免疫分析技术的诞生，同时也促进了放射免疫显像与放射免疫治疗技术的形成，并由早期的多克隆抗体法发展为现今的单克隆抗体法。放射免疫分析技术自20世纪50年代末期诞生以来，至今仍然广泛应用于临床，测定的物质达数百种之多，直到20世纪90年代中期其它非放射性免疫分析技术的相继发展，才结束了唯有放射免疫分析才能常规测定人体内微量物质的历史，这是一个了不起的创举。可以说，放射免疫分析的应用，至少使得人类对内分泌激素的定量分析及其相关疾病的认识提前了近40年。近几年来，随着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，形成了核医学又一新的分支学科，即分子核医学，使得核医学的影像学诊断从细胞水平进入分子水平阶段，为21世纪“分子影像”时代的到来，迈出了可喜的第一步。核医学之所以成为现代医学的重要组成部分，就是因为该学科在发展中不断融入相关学科特别是医学科学最先进的研究成果，从而不断更新和完善自身的理论和方法，反过来又服务于相关学科。可以说，除了计算机技术以外，没有哪个学科像核医学技术应用如此之广泛，无论是基础医学，还是临床医学、药学、环境医学、法医学等，都与核医学技术有密切的联系。

三、核医学的发展与诺贝尔奖核医学与其它学科相比，又是一门非常年轻的学科，从1896年首次发现放射现象至今也只有100余年的发展历史，而真正形成核医学学科的历史则更短。核医学的发展史是无数科学家为科学而奋斗甚至为科学而献身的不平凡历史，我们重温核医学的发展史，旨在激发人们在平凡的工作实践中，要勇于开拓、善于思维、敢于创新。在科学发展的历史上，许多重大发明和发现，都是在平凡的工作中所取得的。1896年法国物理学家贝可勒尔在研究铀矿时，发现铀矿能使包在黑纸内的感光胶片感光，无论将它放在阳光下或是抽屉里，他发现冲洗后的感光片都有了蒙翳（潜影），由此断定铀能不断地自发地放射出某种肉眼看不见的、穿透力强的射线，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，但当时还没有“放射性”这一概念，直到两年后波兰化学家玛丽•居里(Marie•S•Curie)夫妇发现了镭，居里夫人将这种化合物放出的辐射现象取名为“放射性”，称铀的射线为贝可勒尔射线。1898年玛丽·居里与她的丈夫皮埃尔•居里共同发现了镭(88号元素)，他们从30吨沥青铀矿中提取了2毫克镭。此后又发现了钚(Pu)和钍(Th)等天然放射性元素。1903年居里和贝可勒尔共获诺贝尔物理学奖；1911年居里夫人又获得诺贝尔化学奖，成为世界上第一位两次获得诺贝尔奖（NobelPrize）的科学家。1899年曼彻斯特大学的卢瑟福（Rutherford）教授发现铀能发射α和β粒子，于1908年获诺贝尔化学奖。1921年英国科学家FrederickSoddy在放射性物质的化学和天然同位素研究中获化学奖，“同位素”一词也是他1913年与苏格兰物理学家MargaretTodd在一次午餐谈话中提出的；1921年，AlbertEinstein发现了光电效应的定律获物理奖；1922年，英国科学家Aston发现了大量同位素及其质谱获化学奖；1923年,Millikan在元素的光电效应电荷研究方面获物理学奖；1927年，Compton发现了以他本人名字命名的“Compton效应”获物理学奖；1935年，法国Joliot和他的妻子IrèneJoliot-Curie（即：玛丽·居里的女儿）用人工方法合成了新的放射性元素获化学奖，他们用α粒子照射铝元素生成了半衰期只有两分钟的放射性30磷，第一次用人工核反应方法生产了放射性核素；同年，Chadwick发现了中子获物理学奖。1936年，Anderson发现了正电子获物理学奖；1938年，芝加哥大学的Fermi应用中子辐照和慢中子核反应生产出新的放射性核素获得物理学奖，1942年Fermi等人又建立了世界上第一座核反应堆，使得人工放射性核素的大批量生产成为可能，为核医学的发展提供了必要的条件。1930年美国加州大学的Berkeley校园里，物理学家劳伦斯（ErnestOrlandoLawrence）生产出第一台回旋加速器，为人工生产短半衰期放射性核素创造了条件，于1939年获得物理学奖。1923年，物理化学家Hevesy应用天然的放射性同位素212铅研究植物不同部位的铅含量，后来又应用32P研究磷在活体的代谢途径等，他是第一位应用放射性物资来进行生命科学示踪研究的科学家，并首先提出了“示踪技术”的概念，被后人尊称为“基础核医学之父”，并于1943年获诺贝尔化学奖。1944年，德国科学家Hahn在原子核裂变研究方面获化学奖；1960年，Libby发明了放射性14C测龄技术获化学奖；1959年美国科学家Berson和Yalow建立了放射免疫分析法,并首先用于测定血浆胰岛素浓度,后来人们将其逐步发展到能测定人体各种激素或微量物质，阐明了人体各种激素的分泌、调节及其规律，由于该技术对医学的巨大贡献，1977年Yalow获得了诺贝尔医学奖。放射免疫分析技术从20世纪60年代应用于临床至今近半个世纪。1984年，Jerne等科学家在免疫系统的控制以及单克隆抗体的研究中获医学奖。从核医学的起源到发展成熟的100余年时间里，与核医学密切相关的领域就有数十位科学家获得了诺贝尔奖，然而也有许多科学家并没有这样的机遇，但是他们同样为核医学的创立和发展作出了许多开创性的工作。1901年，法国医师亨利·亚利山大·丹拉斯（HenriAlexanderDanlos）将放射性镭与结核性的皮肤病变接触，试图达到治疗目的，可以说是第一次尝试用放射性物质治疗疾病；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，布卢姆加特也被誉为“临床核医学之父”。1938年塞格瑞（Segre）和西博格（Seaborg）发现了99m锝，并于1957年由特克尔（Tucker）等人制造成发生器，使得这种性能优良的短半衰期核素能广泛应用于医学领域至今。核医学仪器的研制取得了巨大成功。1951年美国加州大学的卡森（Cassen）研制第一台扫描机，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，为此美国核医学协会专门设立了“Cassen奖”。1952年美国宾夕法尼亚(Pennsylvania)大学的一年级医学生戴维·库赫(DavidKuhl)设计了扫描机光点打印法，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重建断层的技术，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年库赫博士作为主要成员应用三维显示法和18F-脱氧葡萄糖(18F-FDG)测定了脑局部葡萄糖的利用率，因而，打开了18F-FDG检查的大门。可以认为，如果没有他的远见卓识，核医学将不可能发展到今天成为具有特色的学科。正是由于他的发明成为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，故人们称库赫博士为“发射断层之父”；1957年安格（Anger）研制出第一台γ照相机，称安格照相机，核医学逐步走向现代化，并使得核医学的显像由单纯的静态步入动态阶段，20世纪60年代初广泛应用临床，可以说，此时是核医学走向现代阶段的转折点。由于放射性同位素不包括同质异能素，1953年罗伯特•纽厄尔（RobertNewell）首先提出了“Nuclear”这个名称。1968年美国霍普金斯医学院的瓦格纳（Wagner）教授在他的教科书中广泛地确立了“核医学”，从而取代了使用多年的“同位素”与“放射性物质”。1969年，“核医学”正式在一本“术语学手册”中作为放射性同位素在疾病诊断和治疗中应用的医学分支被确立，至此，同位素科也逐步更名为核医学科。进入70年代以后，核医学发生了几个根本变化：一是电子计算机广泛应用于核医学领域，使得核医学成像由定性分析进入定量分析，由平面影像进入断层影像阶段；二是计算机的应用使得发射式计算机断层显像(ECT)的发展，并逐步广泛应用于临床；三是以99m锝为代表的短半衰期核素广泛应用于显像诊断；四是放射免疫分析技术得到普及，不仅扩大了核医学的学科领域，更促进了医学科学的发展。

四、核医学的现状与进展核医学的发展经历了初创阶段、发展阶段和现代阶段三个时期。可以说当今的核医学既是发展的鼎盛时期，也是竞争最为激烈的关键时刻。随着医学技术及其相关科学领域的迅猛发展，核医学的许多优势正在被其它技术取代，有些方法已不再是诊断某些疾病的唯一手段，然而核医学的某些新的诊疗技术也在不断诞生，并不断完善自身的研究手段和方法，向着更深、更新的领域迈进。1.显像仪器的发展核医学的显像仪器从早期的直线扫描机，发展成为γ照相机和目前广泛使用的单光子发射计算机断层（SPECT）和正电子发射断层（PET），仪器的功能和质量都发生了根本改变。在几年前，人们谈起PET还有点天方夜谈的感觉，巨额的设备投资和昂贵的检查费用着实让人望而生畏，但在短短的几年，该设备在国内已经发展到近20台，近年还有迅速增加的趋势。我国已拥有SPECT400多台，不仅计算机的性能和软件有了明显改善，而且从过去的单探头发展成为双探头和三探头SPECT，与发达国家基本同步，仪器的发展不仅改善了图像的质量，也提高了显像的效率；配备有符合线路或高能准直器的双探头SPECT还可进行正电子成像，弥补没有PET不能作正电子代谢显像的不足。由于核医学的ECT以显示脏器或组织血流、代谢和功能为优势，但解剖分辨率相对较差，而放射学的CT和MRI虽然具有较好的解剖分辨率，但对于代谢与功能的评价存在不足，因此，新型的集PET与CT于一体（CT-PET）或SPECT与CT与一体(CT-SEPCT)的多功能成像仪器问世，并已相继应用于临床。以CT-PET为代表的多功能成像仪一次显像不仅能清楚显示病变部位的解剖学结构的细微改变，同时还能观察该部位的代谢或血流变化，从而帮助判断病变性质，最大限度的发挥不同显像方法的优势，克服各自的劣势，从而使得反映解剖学结构的影像与反映代谢与血流为主的功能影像成功地实现了同机图像融合(imagefusion)。CT-PET的应用使医学影像技术进入了一个新的阶段，目前的机型均配备了高速螺旋CT或多排CT，并可单独使用。该复合仪器的问世不仅是不同的医学影像实现了融合，也使医学影像学科中不同专业相互融合，是新世纪医学影像技术新的里程碑。2．分子核医学(molecularnuclearmedicine)的形成分子核医学是应用核医学示踪技术从分子水平认识疾病，阐明病变组织受体密度与功能的变化、基因的异常表达、生化代谢变化及细胞信息传导等，为临床诊断、治疗和疾病的研究提供分子水平信息甚至分子水平的治疗手段。这些伴随生物学技术的发展而建立起来的新的显像方法，不仅促进了分子核医学的形成，也为医学影像技术走向“分子影像”时代迈出了第一步。3．治疗核医学的形成与发展1901Danlos应用放射性镭试图治疗结核性皮肤病灶，从而揭开了核素治疗的序幕。1903年AlexanderGrahamBell利用镭进行近距离肿瘤治疗。1905RobertAbbe利用镭来治疗突眼性甲状腺肿。1913FredericProescher经静脉注射镭进行各种疾病治疗的研究。进入20世纪30年代，随着人工放射性核素的研制成功，核素治疗得到了进一步发展，1939年，32P用于白血病的治疗，1942年131I用于治疗甲状腺功能亢进症，至此，核素治疗得到了迅速发展。尽管核素治疗不像核素诊断的发展那样迅速，但随着核医学发展方向的转移、新的治疗药物的研制以及新的治疗方法的建立，核素治疗的应用范围不断扩大，治疗核医学在整个核医学中的地位在不断提高。在某些疾病，核素治疗方法已经占有重要地位，如甲状腺功能亢进症的治疗等。目前，应用核素治疗的疾病已达数十种之多，核素治疗与常规化学药物治疗或放疗有其本质的区别。一是核素治疗是利用核射线治疗疾病；二是核素治疗药物对病变组织具有选择性；三是核素治疗作用持久；四是方法安全、简便。治疗核医学的发展方向主要集中在放射性核素的研究和携带放射性核素的载体研究两个方面。尤其是靶向性放射性药物载体是治疗核医学研究的重点课题。目前具有前景的研究领域主要有：放射免疫靶向治疗、受体介导的靶向治疗、放射性核素基因治疗以及放射性核素微粒肿瘤组织间定向植入治疗等。可以预料，未来治疗核医学的发展，将会改变过去传统的治疗疾病的思维与规范，尤其是肿瘤疾病，核素治疗将成为化学治疗、手术治疗及放射治疗等综合治疗中必不可少的手段之一，在某些方面可代替外照射治疗或化疗，而具有特异性、靶向性的治疗方法以及介入性局部治疗手段终将取代全身损伤性治疗方法。治疗核医学的发展有可能超过诊断目的的应用，并将成为现代治疗学的重要分支。综上所述，核医学既是一个独立的医学学科，也是一门医学技术，它为人类探索生命现象的本质提供了一项十分有效的工具，同时也为人类观测机体内物质代谢和生命活动的变化规律提供了一个窗口。核医学是一门正在逐步走向成熟的年轻学科，随着相关学科的迅猛发展，核医学也面临激烈的竞争与严峻的挑战，某些曾经是临床或研究的重要方法正在被其他技术所取代，也有一些方法其临床重要性正在减弱，这是历史发展的必然规律，科学的发展就是在不断的探索和激烈的竞争中向前迈进。核医学的发展也一样，需要不断探索、推陈出新、扬长避短，不断吸取相关学科的先进成果，丰富其学科内容。一项技术即使获得过诺贝尔奖，也不能说明该技术永远先进，不被淘汰；先进是相对的，是有时效性的。20世纪90年代以来，可以说每年都有新的科学名词在诞生，从PCR技术、细胞凋亡、克隆技术，直到纳米技术、干细胞移植等，同时又有许多名词又逐步被人们冷落和遗忘，这就是现代科学的象征，犹如不可阻挡的巨浪推动历史的前进。（张永学）

名词索引

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第一章核医学物理基础

第一节原子结构

一、原子和原子结构

地球上所有的物质都是由一百多种元素组成。到目前为止人们已经发现了118种元素，其中92种是天然存在的，26种是人造元素。原子（atom）是构成元素的基本单位，不同元素的原子具有不同的性质，但是原子的基本结构大致相同。 原子由带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子（electrons）组成。电子环绕着原子核在一定的轨道上不断高速地旋转着。这些确定的轨道组成一系列壳层，不同壳层上的电子所具有的能量不同。壳层用字母K、L、M、N、O、P、Q……来表示，一般说来，各壳层里能容纳的最大电子数目可以用2n2来表示，其中n=1代表K壳层，n=2代表L壳层，依次类推（图1-1）。不同壳层上的电子所具有的能量不同。K层电子离核最近，与原子核的相互吸引力最强，其电子带有的位能最低，L层次之，愈外层受到原子核的吸引力愈小，故其位能也愈高。核外电子都首先占据着能量低的状态，即称为基态（groundstate）。当原子在加热或受射线照射时，内层电子就可能获得能量而跳跃到能量较高的外层上，这样的状态称为激发态（excitedstate）。处于激发态的原子一般不稳定，会通过放出光子释放能量，使外层电子跃迁到内层、整个原子即从激发态回到基态。

图1-1钠原子的核外电子分布 原子核由质子（protons）和中子（neutrons）组成，它们统称为核子（nucleon）。通常采用表示原子的结构，其中X代表元素符号，Z代表质子数，N代表中子数，A代表原子的质量数（massnumber），因为元素符号本身就确定了质子数，故原子结构亦可简便地只记元素符号和质量数AX，如131I、18F。 质子带一个正电荷，中子不带电荷，核外电子带负电荷，原子核的正电荷数目与核外电子数相等，所以原子本身呈电中性。

二、同位素同质异能素核素 1．同位素 凡原子核具有相同的质子数而中子数不同的元素互为同位素（isotope）。如125I、131I、123I均有53个质子，在元素周期表中处于同一位置，是同一元素——碘元素。一种元素往往有几种到几十种同位素。一个元素所有同位素的化学和生物性质几乎都一样，但物理性质却不同。2．同质异能素 核内中子数和质子数都相同但能量状态不同的核素彼此就称为同质异能素（isomer）。原子核与核外电子一样，也可以处于不同的能量状态，最低能量状态称基态。激发态是继发于某些核反应、核裂变及放射性衰变后形成的，原子核可暂时处于较高的能量状态。对于激发态的核素，在原子质量数的后面加一小写的“m”来表示，例如99mTc是99Tc的激发态，99mTc与99Tc互为同质异能素。3．核素原子核的质子数、中子数和原子核所处的能量状态均相同的原子属于同一种核素（nuclide）。例如1H、12C、198Au表示不同的核素。

第二节放射性核衰变

原子核只有在中子和质子的数目之间保持一定的比例，才能稳定结合，不会自发地发生变化而稳定地存在。对于原子量较小的核素，Z/N=1时原子核是稳定的。当质子数较多时（一般为Z＞20），随着质子数增多，斥力增大，必须有更多的中子使核力增强，才足以克服斥力，保持核稳定。如果原子核中子、质子数过多或过少，或者中子数过少或过多，原子核便不稳定。 凡原子核自发地发生衰变，释放出射线而转变成另一种不稳定的核素，称为放射性核素（radionuclide），放射性核素的原子核自发地放出射线，同时转变成别的原子核的过程称为放射性衰变（radiationdecay）。而原子核能稳定地存在，不会自发地发生变化的核素称为稳定性核素（stablenuclide）。

一、核衰变的方式（一）α衰变（αdecay）不稳定原子核自发地放射出α粒子（alphaparticle）而变成另一个核素的过程称为α衰变。α粒子是由两个质子和两个中子组成，实际上就是氦原子核。质量较重的放射性核素多数能放出α射线。α衰变可用下式表示：

式中X为母核，Y为子核。母核放出α粒子后，原子序数减少2，质量数减少4。如果子核仍然是不稳定的，则它将以一定形式再发生衰变，最终变成稳定性原子核。 α粒子的质量大且带2个单位正电荷，穿透力弱、射程短，很容易被物质吸收，一张纸就能阻挡α粒子的通过，因而不能用于核医学显像。由于其能量容易传递给物质，所以要特别注意防止α衰变的放射性物质进入体内。但α射线射程短，能量单一，对局部组织的电离作用强，有目的地引入体内后，可以对核素附近的生物组织产生破坏而不损害远处组织，故在肿瘤的内照射治疗方面具有潜在的优势。 （二）βˉ衰变（βˉdecay）放射性核素的核内放射出βˉ粒子的衰变称为βˉ衰变。发生在质量较轻、中子过多的原子核。βˉ衰变时放出一个β－粒子（电子）和反中微子（cantineutrino，），核内一个中子转变为质子。因而子核比母核中子数减少1；原子序数增加1，原子质量不变，例如32P衰变（图1-2），可用下式表示： 例如：

32P(T1/2=14.3d)Q=1.71MeV

3216S图1-232P衰变图 反中微子（）是一种质量较小的中性粒子，在β－衰变中总是有反中微子伴随放射出来。 β－射线的本质是高速运动的负电子流。衰变能量Q主要分配给β－粒子和反中微子，因而β－粒子的能量分布从零到最大形成连续的能谱。一种β－衰变核素发射β－粒子的平均能量约等于其最大能量的三分之一。β－粒子穿透力弱，不能用于核素显像。核素治疗常用的放射性核素多是β－衰变核素，例如131I、32P、89Sr等核素。 （三）正电子衰变由于核内中子缺乏致使放射出正电子的衰变，称为正电子衰变，也叫β+衰变。衰变时发射一个正电子（positron）和一个中微子（neutrino，），原子核中一个质子转变为中子。β+衰变时母核和子核的质量数无变化，但子核的核电荷数减少一个单位，例如18F衰变（图1-3），β+衰变可用下式表示：例如： EC,β+Q=1.655MeV 图1-318F正电子衰变图正电子衰变的核素，都是人工放射性核素。正电子的射程仅1～2mm，在较短时间内与其邻近的电子（β－）碰撞而发生湮灭辐射（annihilationradiation），在二者湮灭的同时，失去电子质量，转变成两个方向相反、能量皆为511keV的γ光子。正电子发射断层仪（positronemissiontomography，PET）能探测方向相反的511keV光子，进行正电子断层显像。（四）电子俘获衰变电子俘获衰变（electroncapture，EC）发生在缺中子的原子核，与正电子衰变时核结构的改变相似。一个质子俘获一个核外轨道电子转变成一个中子和放出一个中微子。子核的原子序数比母核减少一个单位，质量数不变。其衰变过程可用下式表示。 例如： 电子俘获时核结构的改变可能伴随下列射线的放出： 由于原子核外的内层轨道的电子被俘入核内，外层电子向内层补充，两层轨道之间的能量差转换成特征X射线（characteristicXray），或者将能量传递给一个更外层轨道的电子，使之脱离轨道而释出，成为自由电子，这种电子称为俄歇电子（Augerelectrons）。电子俘获后，有时原子核还具有较高能量，处于激发态，放射出γ射线而回复到基态。有的情况下原子核把能量转给一个核外电子，使之发射出去，称为内转换电子（internalconversionelectron）。因此，电子俘获衰变核素所发射的特征X射线、γ射线可用于核素显像（如111In、123I、67Ga、201Tl等），内转换电子可用于核素治疗（如125I等）。电子俘获衰变核素125I广泛用于体外放射分析中。 （五）γ衰变（γ-decay）原子核从激发态回复到基态通过发射γ光子释放过剩能量的过程称γ衰变。有些放射性核素在发生α衰变、β衰变或核反应之后，核仍处于不稳定的激发态，并即刻向基态或低能态跃迁，并以γ光子的形式放出多余的能量。γ射线的本质是中性的光子流，电离能力很小，穿透能力强。在γ衰变的过程中核的原子序数和质量均不改变，仅能级改变，所以又称为同质异能跃迁（isonmerictransition，IT），用下式表示： 例如β－衰变核素99Mo，衰变时放出β－射线，半衰期为66.02小时，产生子体放射性核素99mTc，99mTc发射γ射线回复到基态99Tc，半衰期为6.03h，(图1-4)。在多数情况下，原子核处在激发态的时间不到1微秒，甚至无法测出其时间间隔，可以认为这两种衰变是同时进行的，例如131I衰变可同时放出β－射线和γ射线。放出能量合适的、纯γ射线的核素最适合单光子发射显像。例如99mTcγ衰变时，发射-能量为141keV的纯γ射线，已广泛用来标记各种显影剂。

142.7keV142.7keV140.5keV（T1/2=6.03h）

0.0keV0.0keV

（基态）图1-499mTc衰变图

二、核衰变规律 （一）衰变规律（decaylaws）与半衰期 放射性核素的衰变与周围环境如温度、压力、湿度等无关，也不是瞬间同时完成的，而是遵循一定的指数规律衰减的。核衰变速度完全由核子组成不稳定程度和不稳定核数目的多少决定。不同放射性核素每个原子核在单位时间内发生衰变的几率不同，即有不同的衰变常数，以λ表示。对整个放射源，λ表示发生衰变的原子核数占当时总核数的百分数；对单个原子核，λ表示原子核发生衰变的几率，即可能性。 放射性核素单位时间内衰变的原子核数（即衰变率）与现有的原子核总数N成正比，即=－λN将上式积分，得N=N0e－λt（1-1） 式中N、N0分别是经过时间t衰变后剩下的原子核数和t=0时的原子核数。 单位时间内衰变的原子核数量称放射性活度（radioactivity，A），放射性活度等于衰变常数与处于某一特定能态的该核素的原子核数目之乘积，即A=λN故（1－1）式也可写成A=A0e－λt（1-2） 放射性核素的衰变速率常以物理半衰期（physicalhalflife，T1/2）表示，T1/2系指放射性核素数从No衰变到No的一半所需的时间。则λ与T1/2之间的关系为： λ=或T1/2=0.693/λ半衰期较长的核素衰变慢，半衰期较短的核素衰变快；衰变常数大的放射性核素衰变快，衰变常数小的衰变慢。两者都是描述放射性核素衰变速率的特征量。物理半衰期是每一种放射性核素所特有的，可通过测定半衰期确定核素种类，甚至推断放射性核素混合物中核素种类。 进入生物体内的放射性核素或其化合物，由于生物代谢从体内排出到原来的一半所需的时间，称为生物半衰期（biologicalhalflife,Tb）；由于物理衰变与生物的代谢共同作用而使体内放射性核素减少一半所需要的时间，称有效半衰期（effectivehalflife，Te）。三者关系如下：（二）放射系列和放射平衡有些放射核素衰变后形成的子核（daughternuclide）仍为放射性核素，子核又以本身的规律继续衰变，直至衰变成稳定性核素，即所谓连续衰变。这样放出射线而形成衰变的系列称为放射系列。自然界天然存在的铀系、锕系、钍系三种放射系列，分别以238U、235U、232Tb为母核，经过若干次衰变，最终变成稳定性铅。如238U→234Pu+He+Q，经14次系列衰变后，最终变成稳定性的206Pb。天然系列衰变是环境中天然本底辐射的来源之一。临床核医学使用的99Mo-99mTc发生器等也是系列衰变之一。99Mo（T1/2=67h）→99mTc（T1/2=6.02h）→99Tc（T1/2=2.12×105y）→99Ru。 当母核半衰期很长，而子核的衰变远比母核快，经过一定时间衰变后，子体核素与母体核素的原子核数以一定的比例达到平衡，两者的衰变率基本相等，称为长期平衡（secularequilibrium）。例如113Sn-113mIn发生器等属于这一类。 113Sn（T1/2=115d）→113mIn（T1/2=1.66h）→113In。 当母核的半衰期比子体长，但相差不大时经过一定时间衰变后，母核数逐渐减少，子核数先是逐步增加到最大值，以后随母核减少而减少，子体原子核数与母体原子核数在比例上保持不变，故称暂时平衡（transientequilibrium）。若时间再长，经一定时间后，达到子体与母体以相同衰变率衰变。故这种情况也可以是长期平衡与暂时平衡共存，有利于核医学应用。99Mo-99mTc发生器就属于这一类。 （三）放射性活度放射性活度（radioactivity,A）是表示单位时间内发生衰变的原子核数。过去惯称放射性强度。 在新的国际制单位（SI）中，放射性活度的单位是贝可（becqueredQuerel，Bq），定义为每秒一次衰变。即1Bq=1S-1放射性活度的旧制单位是居里（Curie，Ci），1居里表示每秒3.7×1010次核衰变。居里与贝可的换算关系是1Ci=3.7×1010Bq1Bq≈2.7×10－11Ci 对核医学通常使用的放射源的活度，“居里”的单位较大，为方便使用，通常采用较小的单位，如毫居里（mCi，1mCi=10－3Ci）、微居里（μCi，1μCi=10-3mCi）等；而“贝可”相对太小，通常用KBq（103Bq，kilobecquerel），MBq（106Bq，mega-becquerel），GBq（109Bq，gigabecquerel）等。1mCi=37MBq1μCi=37KBq为了表示各种物质中的放射性核素含量，通常还采用比活度（specificradioactivity）及放射性浓度（radiactivityconcentration）。 比活度定义为单位质量或单位摩尔物质中含有的放射性活度，单位是Bq/g，MBq/g、MBq/mol。 放射性浓度定义为单位体积溶液中所含的放射性活度，单位是Bq/ml、mCi/ml等。临床核医学使用放射性浓度较多。第三节射线与物质的相互作用

射线的运动空间充满介质，射线就会与物质发生相互作用，这种相互作用亦称射线的物理效应，是我们了解辐射生物效应、屏蔽防护和放射性检测、核素显像和治疗的基础。

一、带电粒子与物质的作用1．电离作用（ionization）是指带电粒子（chargedparticles）作用于物质使其物质原子失去轨道电子而形成自由电子和正离子。入射粒子的电荷量越大，电离作用越强。所以，α粒子的电离本领比β粒子大得多。由于电子的飞出，原子中某一电子壳层有空位产生，此空位立刻被外层电子所填充，同时发射特征X射线。2．激发作用（excitation）带电粒子通过物质时，如果原子的电子所获得的能量还不足以使其脱离原子，而只能从内层轨道跳到外层轨道。这时，原子从稳定状态变成激发状态，这种作用称为激发作用。被激发的原子极不稳定，很快由激发态退回到稳定的基态，同时以发射特征X线的形式释放出多余的能量。电离和激发作用是一些探测器工作的物质基础，是射线引起物理、化学变化和生物效应的机制之一。3．散射作用（scattering）β射线由于质量小，行进途中易受介质原子核电场力的作用而改变原来的运动方向，这种现象称为散射。一般情况下，带电粒子在物质中通过可能经过多次散射。4．韧致辐射（bremsstrahlung）快速电子通过物质时，在原子核电场作用下，急剧减低速度，电子的一部分或全部动能转化为连续能量的X射线发射出来，这种现象称为韧致辐射。韧致辐射的强度和β粒子的反向散射的几率随屏蔽物质的原子序数增大而增大，还随β粒子的能量增加而增加。因此，β射线的屏蔽要用原子序数低的材料制成，如铝、塑料、有机玻璃等。α射线由于自身质量数大、运行速度慢，较少产生韧致辐射。5．吸收作用（absorption）射线使物质的原子发生电离和激发的过程中，射线的能量全部耗尽，射线不再存在，称作吸收。吸收前所经的路程称为射程。

二、光子与物质的相互作用γ射线和X射线属于电磁辐射，都是中性光子流，与物质相互作用方式相同。主要产生三个效应：光电效应、康普顿效应和电子对效应。1．光电效应（photoelectriceffect）γ光子和原子中内层壳层（如K、L层）电子相互作用，将全部能量交给电子，使之脱离原子成为自由的光电子的过程称为光电效应（图1-5）。放出光电子的原子，由于电子壳层有空位产生，原子处于不稳定状态，此空位立即被外层电子跳入填充，随即发射出特征X射线。当光子的能量小于1MeV时，在高原子序数的材料中产生光电效应的可能性最大，即很容易屏蔽电磁辐射。图1-5光电效应2．康普顿效应（Comptoneffect）随着光子能量的增加，γ光子与原子中的电子作用时，只将部分能量传递给核外电子，使之脱离原子核束缚成为自由电子发射出来，该电子称为Compton电子，而γ光子本身能量减少，改变方向继续运行。当光子能量在0.8～4MeV之间时，对任何物质来说康普顿效应的发生几率都占主导地位（图1-6）。

图1-6康普顿效应对于软组织而言，光子能量为50～90keV时，光电效应与康普顿效应同等重要，光子能量为200keV～2MeV时仅有康普顿效应。康普顿效应的发生率还与材料的Z/A比值和被照射面积成正比，与距离的平方成反比。3．电子对形成（electronpairproduction）光子穿过物质时，光子与介质原子核电场的相互作用过程中突然消失而产生一对正、负电子。这种作用被称为电子对生成。这只有在γ射线的能量大于1.02MeV时才可能发生。当光子能量为5～10MeV时软组织中的主要效应为电子对效应。电子对效应的发生率与物质的原子序数的平方成正比，随光子的能量增大而增大，到极高能时趋于一个稳定值(图1-7)。

图1-7电子对效应 当光子通过物质时，因为发生光电效应，康普顿效应和电子对效应，引起射线的吸收或减弱。γ射线与物质相互作用产生光电子、康普顿电子、生成电子对等次级电子,这些次级电子也如β射线等带电粒子一样能引起物质的电离和激发。（梁昌华）

中英文索引atom原子electrons核外电子groundstate基态excitedstate激发态protons质子neutrons中子nucleon核子massnumber质量数isotope同位素isomer同质异能素nuclide核素radionuclide放射性核素stablenuclide稳定性核素radiationdecay放射性衰变αdecayα衰变alphaparticleα粒子βˉdecayβˉ衰变cantineutrino,反中微子positron正电子neutrino，υ中微子annihilationradiation湮灭辐射positronemissiontomography，PET正电子发射断层仪electroncapture，EC电子俘获衰变characteristicXray特征X射线augerelectrons俄歇电子internalconversionelectron内转换电子γ-decayγ衰变isonmerictransition，IT同质异能跃迁decaylaws衰变规律radioactivity，A放射性活度physicalhalflife，T1/2物理半衰期biologicalhalflife,Tb生物半衰期effectivehalflife，Te有效半衰期secularequilibrium长期平衡transientequilibrium暂时平衡radioactivity,A放射性活度becqueredQuerel，Bq贝可curie，Ci居里specificradioactivity比活度radiactivityconcentration放射性浓度ionization电离作用chargedparticles带电粒子excitation激发作用scattering散射作用bremsstrahlung韧致辐射absorption吸收作用photoelectriceffect光电效应comptoneffect康普顿效应pairproduction电子对形成

第二章核医学常用仪器根据核医学使用目的不同，核医学常用的仪器分为脏器显像仪器、脏器功能测量仪器和计数测量仪器等几种主要类型。第一节脏器显像仪器一、概况核医学显像仪器是从人体外探测体内放射性核素分布，在体外观察体内组织器官的病理或生理变化情况的一种特殊的探测装置。1951年美国加州大学的Cassen研制成功扫描机，实现了核医学静态显像。1958年，Anger发明了g照相机（g-camera），它使核医学显像从静态进入了动态研究。1963年Kull和Edwards首次采用Angerg照相机做出了放射性核素断层图像。上世纪80年代初制造出了以Angerg相机为基础的单光子发射型计算机断层仪（singlephotonemissioncomputedtomography,SPECT），明显提高了放射性核素图像的对比度，并将放射性核素的临床应用提高到了新的水平。进入1990年代后探测正电子的显像设备——正电子发射型计算机断层仪（positronemissiontomography，PET）问世。SPECT、PET显像设备所获得的核医学影像也有其不足，即图像的解剖结构不如CT、MRI清晰。1999年SPECT/CT、PET/CT诞生，这样就可以采用CT图像对SPECT、PET图像进行解剖定位，这种新的技术从根本上改变了SPECT、PET图像的不足，将核医学影像技术在临床上的应用提高到了一个新的阶段，是核医学发展史上的一个重要的里程碑。按照探测人体内放射性核素分布的探测器原理、外形、探测脏器种类不同将显像设备分为探测脏器平面图像的g照相机和探测人体三维断面图像的计算机断层仪。按照探测单光子或正电子的不同，将断层仪又分为单光子发射型计算机断层仪（SPECT）和正电子发射型计算机断层仪（PET）两种。

二、g照相机（一）基本结构g照相机是一种采用大型晶体、一次成像的核医学仪器，它由探头、电子学线路及显示装置三部分组成。1.探头（detector）探头是将核医学使用的放射性药物所发射的射线转化为能被计算机处理的电信号的设备，是整个核医学显像设备的重点。探头是g相机的核心，它的性能好坏，决定了整台仪器的性能好坏，也决定了图像质量的好坏。探头一般由准直器、晶体、光导、光电倍增管及前置电子学线路组成，如图2-1所示。（1）准直器（collimator）准直器位于探头最前端，一般制作材料为铅，是探头中首先与g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。它的作用是限制散射光子，允许特定方向的g光子通过并与晶体发生作用，即把来自人体四面八方的g射线定向准直到闪烁晶体的一定部位上。准直器按照其外形分为针孔准直器、平行孔准直器、扩散孔准直器、斜孔准直器和扇型准直器五类。平行孔准直器又可按照其孔径的大小分为高灵敏度准直器、通用准直器和高分辨准直器。按照准直器能够接受的最佳能量又将其分为低能准直器（150keV以下）、中能准直器（150-300keV）、高能准直器（350keV以上）和超高能准直器。准直器孔径大小和准直器的分辨率成反比，即准直器的孔径越大，灵敏度越高，它的分辨率就越小。各种准直器的性能见表2-1和表2-2。根据需要，一般首选平行孔低能通用型准直器，其次是高分辨准直器，再次是高能准直器。电子学线路显示装置PHAPMT晶体准直器计算电路光导图2-1g照相机结构示意图电子学线路显示装置PHAPMT晶体准直器计算电路光导图2-1g照相机结构示意图

表2-1不同种类准直器的物理性能准直器类型孔径(mm)壁厚(mm)系统灵敏度(kps/mCi)系统分辨率(mm)低能通用型1.90.22708.7低能高分辨型1.50.2160i7.9中能通用型2.31.519010.7高能通用型2.62.614010.4（2）晶体晶体紧贴准直器，是探头的主要部件，一般为碘化钠晶体[NaI（Tl）]，它在探头中主要将放射性脉冲转换成光脉冲，即将g光子转换成可见光。晶体种类不同，与g射线作用发生光电效应的效率也明显不同（见表2-3）。

晶体的形状可为方形、矩形和圆形等几种，其规格有280~500mm、400×400mm2、640×400mm2等几种，其厚度最薄者为6.2mm，最厚者为12.5mm，通用的厚度为9.3mm。一般晶体越薄，分辨率越高，但对高能射线的探测率则降低。表2-2按能量不同区分准直器准直器类型适用能量范围(keV)临床应用低能通用/高分辨率型75-170Tc-99m类显像剂中能通用/高分辨率型170-300Ga-67类显像剂高能通用型270-360I-131类显像剂超高能型511F-18类显像剂超高能双核素型120-520脏器的血流灌注和代谢显像

表2-3不同晶体材料的性能比较晶体材料发射波长衰减时间折射率密度g闪烁效率（%）NaI(Tl)410nm0.23mS1.853.67g/cm2100Cs(Tl)565nm1.0mS1.794.51g/cm285BGO480nm0.3mS2.157.13g/cm27~14

（3）光电倍增管（photo-multiplierTube,PMT）光电倍增管是将射线和晶体相互作用后产生的光能转变为电信号的装置。光电倍增管将在阴极端接收到的光子转换成极其微量的电子,微量电子在光电倍增管内经过多次倍数放大后,在光电倍增管的阳极端形成电信号输出。由此可见光电倍增管在g相机探头内起着将收集成的信号放大、集中的重要作用。其形状（见表2-4）一般为圆柱状，直径7.5mm或50mm，PMT的个数因视野大小和PMT的大小而异，排列形状依晶体的形态而定，如圆形视野PMT呈六角形排列，最少19个，最多91个，增加PMT个数可以改善空间分辨率，但影响探头的均匀性。表2-4光电倍增管外型分类及其性能PMT形状优点不足圆形制造简单,性能稳定,价格较低。光电倍增管之间有间隙，减少了g射线计数率；探头周边均匀度差。六边形光电倍增管之间无间隙，可以提高g射线计数率。探头周边均匀度差。正方形光电倍增管之间无间隙，可以提高g射线计数率。探头周边均匀度明显高于圆形和六边形光电倍增管。（4）光导光导位于晶体和PMT之间，由塑料材料制成，用以提高光的传输效应，改善光的空间分布；也有用硅油作为光导材料。2．电子线路（1）放大器由光电倍增管输出的信号是非常弱的，要使由光电倍增管输出的信号变为有用的信号必须经过一系列的处理，或者说放大器的目的就是将探头的信号成形和放大。放大器分为前置放大器和信号放大器，前置放大器在探头内，其作用是放大由光电倍增管输出的信号，对光电倍增管输出的信号波形进行整形，使由光电倍增管输出的信号和后续电路处理系统相匹配，并尽量减少信号的传输损失；信号放大器的作用则在于对前置放大器输出的信号进一步进行放大和整形。（2）单道脉冲高度分析器（pulsehighanalysis,PHA）其作用是将放大器输出的信号按照预先设置的条件分成一定的档次，对信号进行统计学分析。用来选择放射性核素的能量和能谱范围，由上、下阈和中心构成。上、下阈之间为道宽，一般为20%。中心线又称基线，位于窗的中间，不同的放射性核素选用不同的基线，即光电峰的位置。（3）取样线路即缓冲库，把探头送来的信号先存起来然后再分批的输入后面的处理电路，它决定了信号的处理快慢。（4）均匀性校正电路计算机的均匀性校正由一微处理器对原始数据进行实时校正。3．显示装置可为监视器、荧光屏、显示装置、照相机、打印机等。（二）成像原理注入人体的放射性药物发射出的g射线，首先经过准直器的准直作用，然后打在碘化钠晶体上，碘化钠晶体产生的闪烁光由一组光电倍增管收集。任何一次闪烁将在各个光电倍增管上产生不同的响应，响应的强弱与光电倍增管距闪烁点的位置有关，距闪烁点越近，产生的响应越强，将所有的光电倍增管的响应加起来可以产生位置信号和能量信号。位置信号确定闪烁事件发生的位置，能量信号确定哪些闪烁事件该启辉，哪些闪烁事件不该启辉。有了位置信号和能量启辉信号，在显示器上就可以显示出一个闪烁点，众多的闪烁点就可以产生一幅图像。（三）g照相机的分类因设计和临床需要不同，g照相机有许多类型。常用的有以下几种：1．移动式g照相机该类照相机小而薄，体积小，主机与计算机合为一个整体，适用于99mTc、201Tl低能核素，主要用于核心脏病学的影像诊断。2．模拟式和数字式g照相机模拟式照相机的信号是模拟信号，数字式照相机的信号是数字式信号，目前两种分界尚不明确。现在使用的多为模拟-数字式照相机（混合式）。它既有模拟信号，又有数字信号，将控制台和计算机合为一体。3．全身显像g照相机由床和探头配合运动，在显示器上得到一幅缩小的全身放射性分布图像。该类照相机由探头移动结构、位置编码线路、图像衰减及显示跟踪器四部分组成。实际上现在的g照相机几乎都具有全身显像功能。

三、单光子发射计算机断层仪（一）基本结构1．探头及电子学线路SPECT的探头和电子学线路的结构与g照相机相似。SPECT的探头结构一般由准直器、晶体、光导、光电倍增管组成，其外形可以是圆形、方形或矩形，有单探头、双探头和三探头之分（见图2-2,2-3）；其电子学线路的数字化程度比g照相机更高。

图2-2矩形单探头SPECT图2-3矩形可变角双探头SPECT

2．机架探头是获得平面图像的基础，机架则是获得SPECT断层图像的基础。SPECT机架类型及其用途见表2-5。随着探头技术的不断发展，SPECT整体对机架要求也发生了本质的变化。SPECT机架应具有重量轻、大环孔径大、体积小等特点，还应具有切向运动和滑环等新功能。表2-5SPECT机架类型及其用途分类临床应用符合电路技术悬臂机架单探头或双探头可以使用平衡机架单探头不能使用双环闭式机架单探头或双探头可以使用开放式机架单探头或双探头可以使用开放式滑环机架单探头或双探头可以充分使用

3．病人检查床病人检查床是SPECT系统不可缺少的部分，特别是核医学检查中全身显像、全身断层显像以及心脏门控断层显像对检查床均有非常高的要求。随着符合电路系统、全身断层显像等新技术的应用，要求SPECT成像系统的检查床至少具有二维运动功能，检查床水平移动的精度也要非常高。4．工作站与普通g照相机不同的是，计算机工作站与发射型断层仪是不可分割的整体，对于发射型断层仪来讲，如果没有计算机工作站就无法获得真正的断层图像。核医学工作站和CT、MRI等工作站的结构基本相同，它包括图像采集系统和图像处理系统。随着网络技术的不断普及，图像采集和处理相分离的技术越来越多的被采用。（1）采集工作站采集工作站的常见配置包括PentiumII或III以上的CPU，64Mb以上的内存，1.0Gb以上的硬盘，操作系统一般为Windows。采集工作站的常用软件：平面图像有静态、动态、表模式、门控及全身显像等采集方式；断层图像有普通断层、门控断层、全身断层等采集方式；符合电路含心脏、肿瘤符合电路采集方式；双核素心肌血流和代谢同时采集等。采集工作站要求采集速度特别快，具有非常强的网络功能；一个采集工作站能够同时控制两台以上的机架和探头的采集功能；采集工作站一般都具有彩色图像显示功能。（2）处理工作站核医学图像处理工作站在核医学影像诊断中具有重要的功能。平面图像工作站应具有图像局部放大、局部定量分析等功能；动态图像工作站的处理需要对动态序列图像制作出动态时间放射性曲线进行分析，以及振幅和相位分析。由于临床对图像处理功能的要求越来越高，不但要求具有网络功能、高分辨率的迭代图像重建功能等，同时要求其处理速度更高。核医学图像处理工作站中除常规的临床软件如局部定量、产生时间放射性曲线、全部或局部放大、图像平移、图像旋转、常规投影数据重建、均匀性衰减校正等以外，还有心肌定性分析、心肌门控定量分析、三维显示等特殊软件。核医学图像处理工作站的发展方向是PC工作站和采用与PC机兼容的文件格式。（三）SPECT成像原理SPECT的成像原理与X线CT是相同的，都要用图像重建的方法得到断层图像。用已知不同方向的放射性计数的投影值来求物体内各点的放射性计数分布称图像重建。在数字图像中，图像单元的大小、每一个图像单元的计数都不是连续的模拟量，而是用二进制单位比特（bit）表示的数字量。图像可划分成许多小的方块或单元。常用的图像矩阵有64×64、128×128、256×256。显然，知道了图像矩阵中每一个单元的值，一幅图像的性质也就知道了。在SPECT中，常用的图像重建方法是滤波反射投影法（filterbackprojection,FBP）和迭代法(iterative)。FBP快速、准确，适用于完全角度的重建；迭代法适用于不完全角度的重建，但费时。（四）SPECT与X-CT的异同SPECT和X-CT在成像技术、图像重建方法等方面具有一致性，但二者在射线来源、射线性质、成像参数、成像剂量、图像质量、空间分辨率、各自优势等方面却有许多不同之处。二者间的比较见表2-6。表2-6SPECT与X线CT的异同参数SPECTX-CT备注成像技术计算机断层计算机断层

图像重建方法FBPFBP

射线源放射性核素射线管

射线性质g射线X射线均属电磁辐射射线入射方式体内向体外发射体外穿过人体

成像参数放射性活度衰减值

成像剂量g光子部分能量大光子量

图像质量结构粗糙，属功能影像细微清晰，属形态影像光子量不同空间分辨率低于X-CT好

各自优势形态与功能结合重在代谢功能研究形态结构研究

四、正电子发射计算机断层仪（一）PET探测原理PET临床显像是将从回旋加速器得到的发射正电子的放射性核素（如18F等），标记到能够参与人体组织血流或代谢过程的机体代谢底物或类似物上，给受检者静脉注射标记化合物后，让受检者在PET的有效视野范围内进行显像。带有正电子的放射性药物发射出的正电子在体内移动大约1mm后和负电子结合发生湮灭反应，正负电子消失并同时产生两个能量相等（511keV），方向相反的g光子，被PET探头内两个相对应的探测器分别探测到。在两个探测器探测到光子后就可以确定体内放射性药物的分布投影，然后进行图像重建确定体内药物的分布状况。探测器探测到的两个光子由于在体内经历的路径不同，分别到达两个探测器的时间也有一定的差别。通常把探测到这两个光子的过程称为探测符合事件过程，这两个光子产生的过程称为符合事件。发射正电子的放射性核素及特性见表2-7。表2-7发射正电子的放射性核素核素半衰期(min)最大正电子能量(MeV)在水中移动的范围(FWHM,mm)产生方法11C20.30.961.1加速器13N9.971.191.4加速器15O2.031.701.5加速器18F109.80.641.0加速器68G67.81.891.7发生器82Rb1.263.151.7发生器（二）PET探测系统PET探测系统由闪烁探头以及后续电路系统组成。探头仍然是整个正电子发射显像系统中最主要的部分。1．闪烁探头闪烁探头最主要的作用是将高能光子通过闪烁物质转换成可见光，这和单光子探测系统一样，要经历射线和闪烁物质通过光电效应或康普顿效应丢失部分能量转换成可见光的过程。理想的闪烁物质应该是闪烁物体的原子系数大，射线在闪烁体中能够产生大量而且尽可能强的光，闪烁体对由射线产生的光吸收最小，闪烁体具有和玻璃对光相近的折射率。目前应用较多的闪烁晶体有锗酸铋（BGO）晶体、碘化钠（NaI）晶体、硅酸镥（LSO）晶体和GSO晶体等。2．脉冲处理由闪烁体产生的光子经过PMT转换成电信号被进一步用于产生时间信号，而经过数字化、通过常分鉴别器后的脉冲信号被用于符合电路信号处理。鉴别器被分为低能鉴别器和高能鉴别器，低能鉴别器用来消除散射射线，但是该方法并不能完全消除散射射线，因为有一些散射线的能量接近于511keV。3．符合电路系统通过符合电路系统（图2-4）处理获得湮灭反应产生的信号后，就能够确定有无正负电子符合发生。时间序列处理时间序列处理门控发生器时间记录时间记录探头2探头1

时间序列处理时间序列处理门控发生器时间记录时间记录探头2探头1

图2-4符合电路处理系统示意图4．死时间（deadtime）校正符合电路系统的计数率是SPECT系统计数率的10倍以上，因此死时间对计数率的影响是非常严重的，这要求整个电子系统具有高速处理功能，这样能够减少计数的丢失。5．PET系统PET系统并不是一个环两个探头的符合电路探测系统，因为一个环探测的有效视野非常小，没有实际意义。临床上常常采用十几个至几十个环成百上千个、多者可达上万个探测器结合在一起形成临床型的PET（图2-5）。在环和环之间是环间隔，它对消除散射具有重要作用。

图2-5PET探测器示意图（三）PET采集方式PET采集方式有2D和3D两种方法。2D采集是在环和环之间放置铅或钨间隔以减少散射对图像质量的影响，符合仅仅使用环内探测器或临近几个环，符合计算是将临近几个环（一般2～3个环）的计数进行相加计算或是在轴向通过数据重组成环数乘2加1个平面的数据，以便采用常规方法进行图像重建。3D采集是取消环之间的间隔后在所有的环内进行符合计算的过程。3D采集明显提高计数率，但是数据重组时需要花费非常多的运算。2D采集分辨率高，但是计数率低；3D采集计数率非常高，但是散射非常严重，图像的分辨率较低。2D和3D采集时另一个重要区别是灵敏度不同。3D采集时视野中心的灵敏度最高，这是3D采集的特点。无论是2D采集还是3D采集探头的有效视野（FOV）对灵敏度均有影响，FOV大，系统的灵敏度就高。（四）PET校正技术在PET图像处理过程中，为了达到体外定量分析的目的就需对影响图像质量的许多因素进行校正。1．衰减校正PET图像的衰减校正比单光子断层图像衰减校正重要。这主要是因为两个光子同时受到组织衰减的影响，假如光子1的衰减是P1，光子2的衰减P2，两个光子的衰减是P1´P2。常用衰减校正方法有计算方法衰减校正和测量方法衰减校正两种。计算方法衰减校正是假设人体组织的衰减是均匀的，不存在差异，选择阈值确定人体轮廓后就能进行衰减校正计算。测量方法衰减校正是采用两个68Ge（一般5～10mCi）放射源穿透人体后得到人体组织衰减系统图，用该衰减系统图进行衰减校正。2．散射校正散射是影响图像质量又一个重要因素。在常规PET采集数据中有35-40%的计数是散射来的计数。目前仍然采用和单光子相同的方法进行散射校正，即卷积相减方法，直接测量方法和模型基础方法。3．死时间校正2D和3D采集方法中，均有大量的计数丢失。为了达到定量目的需要对采集的计数进行死时间校正。4．探头系统正常校正在PET探头系统由于每个块以及每个环之间均存在均匀性的差异，直接影响的是系统每个LOR存在差异，而且这种差异比单光子发射断层仪更严重。常采用标准的穿透源进行系统LOR校正，但是这种方法对3D采集均匀性校正的程度是有限的。

四、多探头符合电路探测系统正电子发射型探测仪（PET）在临床显像上费用昂贵，而在常规的SPECT设备上探测正电子能够明显扩大SPECT临床应用范围，降低正电子显像的费用，但图像分辨率远不如PET。1996年，采用双探头符合电路技术探测正电子发射型放射性核素分布的符合电路探测系统（coincidencedetector）诞生了。双探头SPECT正电子符合成像（见图2-6，2-7，2-8）是在原双探头SPECT基础上进行改进后而成的。常规的双探头SPECT必须对探头屏蔽、电子线路、图像校正和图像重建方法进行改进后才能进行正电子符合成像。

图2-6符合电路探测系统

图2-7符合电路探测系统

图2-8符合电路探测系统临床应用图像（第一、二、三竖排分别为CT影像、FDG代谢影像和融合影像）

1．探头常规SPECT采集的能量范围大多数小于400keV，而正电子符合成像的能量是511keV。SPECT探头首先要扩展探头脉冲高度分析器（PHA）的能量范围，使其探测范围在55-550keV之间。在探测能量范围扩展后，须重新进行511keV高能均匀性和线性校正。探头使用的铅屏蔽也将增厚，这样才能保证正电子符合图像的质量。常规SPECT成像时每个探头是独立采集，而双探头正电子符合成像时两个探头探测的数据需要进行符合后才能进行采集，因此必须有高性能的符合电路。一般设置符合窗的时间为15纳秒（nSec）。晶体厚度对图像质量的影响也非常明显，厚晶体使探测效率提高却使分辨率降低。一般说来，3/8英寸厚度以下的晶体更适宜于常规的SPECT成像，而厚的晶体对正电子符合成像更实用。表2-8为不同晶体厚度的探测效率和分辨率。表2-8不同晶体厚度的探测效率和分辨率晶体厚度3/8'晶体5/8'晶体140keV光电峰效率85%94%固有分辨率3.8mm4.3mm511keV光电峰效率1%3%固有分辨率