第二章核医学仪器

第二章核医学仪器核医学仪器是指在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间分布等一大类仪器设备的统称，它是开展核医学工作的必备要素，也是核医学发展的重要标志。根据使用目的不同，核医学常用仪器可分为脏器显像仪器、功能测定仪器、体外样本测量仪器以及辐射防护仪器等，其中以显像仪器最为复杂，发展最为迅速，在临床核医学中应用也最为广泛。核医学显像仪器经历了从扫描机到γ照相机、单光子发射型计算机断层仪（singlephotonemissioncomputedtomography，SPECT）、正电子发射型计算机断层仪（positronemissioncomputedtomography，PET）、PET/CT、SPECT/CT及PET/MR的发展历程。1948年Hofstadter开发了用于γ闪烁测量的碘化钠晶体；1951年美国加州大学Cassen成功研制第一台闪烁扫描机，并获得了第一幅人的甲状腺扫描图，奠定了影像核医学的基础。1957年HalAnger研制出第一台γ照相机，实现了核医学显像检查的一次成像，也使得核医学静态显像进入动态显像成为可能，是核医学显像技术的一次飞跃性发展。1975年M.M.Ter-Pogossian等成功研制出第一台PET，1976年JohnKeyes和RonaldJaszezak分别成功研制第一台通用型SPECT和第一台头部专用型SPECT，实现了核素断层显像。PET由于价格昂贵等原因，直到20世纪90年代才广泛应用于临床。近十几年来，随着PET/CT的逐渐普及，实现了功能影像与解剖影像的同机融合，使正电子显像技术迅猛发展。同时，SPECT/CT及PET/MR的临床应用，也极大地推动了核医学显像技术的进展。第一节核射线探测仪器的基本原理一、核射线探测的基本原理核射线探测仪器主要由射线探测器和电子学线路组成。射线探测器实质上是一种能量转换装置，可将射线能转换为可以记录的电脉冲信号；电子学线路是记录和分析这些电脉冲信号的电子学仪器。射线探测的原理是基于射线与物质的相互作用产生的各种效应，主要有以下三种。1．电离作用射线能引起物质电离，产生相应的电信号，电信号的强度与射线的种类、能量及射线的量存在一定关系，记录并分析这些电信号即可得知射线的种类及放射性活度。如，电离室（ionizationchamber）、盖革计数器（Geiger-Müllercounter）等。2．荧光现象带电粒子能使闪烁物质发出荧光。γ光子在闪烁体中通过产生光电子、康普顿电子和电子对激发闪烁物质发出荧光。荧光光子经过光电倍增管转换为电信号并被放大，由后续的电子学单元分析、记录下来。如，闪烁计数器等。3．感光作用射线可使感光材料中的卤化银形成潜影，在进行显影处理时，将潜影中的感光银离子还原为黑色的金属银颗粒，感光材料形成黑色颗粒的数量与射线的量成正比。根据感光材料产生黑影的灰度及位置判断放射性存在的量及部位。如，放射自显影等。二、核射线探测器的种类核射线探测仪器根据探测原理主要分为闪烁型探测器（scintillationdetector）、电离型探测器（ionizationdetector）、半导体探测器和感光材料探测器。闪烁型探测器主要用于核医学显像仪器、功能测定仪器，体外β、射线测量仪器等；电离型探测器主要用于测定放射源活度和辐射防护仪器。（一）闪烁型探测器闪烁型探测器是利用射线使荧光物质分子激发，激发态（excitedstate）的荧光物质分子回复到基态（groundstate）时发射荧光光子的原理设计的探测器。闪烁型探测器由闪烁体、光导、光电倍增管等组成。是核医学仪器中应用最广泛的探测器。1．闪烁体（scintillator）闪烁体吸收射线能量后，闪烁体内的分子或原子被激发，并在回复到基态时发射荧光光子。闪烁体依据形态又分为固体闪烁探测器和液体闪烁探测器，其中晶体闪烁探测器（crystalscintillationdetector）是核医学仪器最常用的固体闪烁探测器。液体闪烁探测器主要用于低能β射线、低能射线及契伦科夫效应等测量，称为液体闪烁测量。晶体闪烁探测器的材料选择，单光子探测多选用碘化钠晶体（NaI），在碘化钠晶体内按0.1%~0.4%分子比加入铊（Tl）可以增加能量转换效率，提高探测效率。因此，碘化钠晶体通常表示为NaI（Tl）。碘化钠晶体透明度高、对射线吸收性能好、探测效率高，对核医学单光子显像最常用的核素99mTc的射线的探测效率可达到70%~90%。正电子探测选用锗酸铋（bismuthgermaniumoxide，BGO）晶体，硅酸镥（lutetiumoxyorthosilicate，LSO）晶体及硅酸钇镥（lutetiumyttriumorthosilicate，LYSO）晶体等。2．光导（lightguide）光导主要有硅油和有机玻璃两种，填充于晶体闪烁探测器与光电倍增管之间，减少空气对荧光光子的全反射，提高荧光光子进入光电倍增管的效率。3．光电倍增管（photomultipliertube，PMT）是一种能量转换装置，可将微弱的光信号转换成电流脉冲（图2-1）。闪烁体发射的荧光光子经光学窗进入光电倍增管，在光阴极上打出光电子，离光阴极不远处的第一倍增极上加有200~400V的正电压，光电子被它吸引和加速，高速光电子撞在倍增极上会产生多个二次电子；二次电子又被加有更高电压（+50~+150V）的第二倍增极吸引和加速，并在它上面撞出更多二次电子，然后第三倍增极使电子进一步倍增。经过9~12个倍增极的连续倍增，二次电子簇流最后被阳极收集起来形成电流脉冲，每个倍增极的倍增因子一般为3~6，总倍增因子可以达到105~108。从阳极上得到的电子簇流与进入光电倍增管的闪光强度成正比，因而也与入射闪烁晶体的γ光子的能量成正比，所以闪烁探测器是一种能量灵敏探测器。外界磁场能影响在倍增极之间飞行的二次电子的运动轨迹从而使倍增因子发生变化，因此在光电倍增管外面通常包裹着高导磁系数材料制造的磁屏蔽层以降低外界磁场的影响。图2-1光电倍增管工作原理随着科学技术的飞速发展，光电倍增管也出现了全新设计，通过将低功耗数字电路集成到硅光电倍增管芯片，这种硅光电倍增管可以将探测到的光子直接转换成可通过芯片计数的超高速数字脉冲。硅光电倍增管可以实现更快、更准确的光子计数，以及更好的时间分辨率，对于改善核医学影像仪器的性能具有重要意义。（二）电离型探测器电离型探测器是利用射线能使气体分子电离的原理设计的探测器，常采用玻璃、塑料或石墨等材料构成一个充满惰性气体的密闭的圆柱形管，管子的中央有一个金属丝为阳极（anode）与电源的阳极相连，管壁内衬一层薄金属为阴极（cathode）与电源阴极相连。电离型探测器的工作原理是：射线使气体分子电离，在电场作用下，带正电荷的离子向阴极移动，带负电荷的离子向阳极移动，在电路中就可产生一次电压变化，形成一个电脉冲。电脉冲的数量及电信号的强弱与射线的数量及能量呈一定关系。电离型探测器主要有电离室、盖革计数器及正比计数器（proportionalcounter）等类型。（三）半导体探测器半导体探测器是20世纪60年代开始发展起来的探测器，主要采用半导体材料，如硅、锗等。探测原理是晶体内部产生电子和空穴对，产生的电子和空穴对的数量和入射光子的能量成正比。带负电的电子和带正电的空穴分别向正负电极移动，形成的电脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。目前，国外新研制出半导体探测器为碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）探测器。CZT探测器探测效率高，与传统的碘化钠闪烁体探测器相比，具有更高的能量分辨率。在常温下，CZT半导体探测器可以直接将γ射线转化成电信号。目前，CZT探测器已经用于心脏专用型SPECT、乳腺专用γ照相机、小动物PET、小动物SPECT等核医学仪器。（四）感光材料探测器利用射线可使感光材料感光的原理探测射线，根据感光材料产生黑影的灰度及位置判断射线的量及部位。主要用于实验核医学的放射自显影。三、核探测器的电子学线路核探测器输出的电脉冲必须经过一系列电子学单元线路处理才能被记录和显示。最基本的电子学线路有放大器、脉冲高度分析器、计数定量、记录、显示及供电线路等。（一）放大器放大器包括前置放大器（preamplifier）和主放大器（mainamplifier）两部分。由探测器输出的电脉冲信号很弱小，而且形状也多不规整，需要放大整形后才能被有效的记录和显示。放大器就是对电脉冲进行放大、整形、倒相的电子学线路。（二）脉冲高度分析器脉冲高度分析器的基本电路是甄别器（discriminator），其作用是将幅度超过一定阈值的输入脉冲转化为标准的数字脉冲输出，而把幅度小于阈值的脉冲“甄别”掉，这个阈值就称为甄别阈（discriminatorthreshold），甄别阈的电位是连续可调的。仪器的暗电流及本底计数也可产生脉冲信号，但其高度明显低于射线所产的脉冲信号，因此设置适当的阈值可减少本底对测量的影响。甄别器的测量方式为积分测量。实践中常将两个或多个甄别器联合使用，其中最简单、最常用的是单道脉冲高度分析器（singlechannelPHA）（图2-2），它由上、下两路甄别器和一个反符合电路（anti-coincidencecircuit）组成。如果下限甄别器的阈电压为V，上限甄别器的阈电压为V+∆V，只有当输入脉冲的高度大于V同时小于V+∆V时，才能触发反符合线路而输出，不符合这一条件者，就不能触发符合线路而不能输出。这种测量方式称为微分测量。如果将下限阈值V与上限阈值V+∆V之间形成的阈值差∆V看成一个通道，上下两路甄别阈的差值称为道宽（channelwidth），也称为能量窗宽。根据待测放射性核素射线的能量调节脉冲高度分析器的高度和“道宽”或“窗宽”，选择性地记录目标脉冲信号，排除本底及其他干扰，可提高探测效率，脉冲高度分析器也可以用于测量射线的能谱。图2-2单道脉冲高度分析器工作原理核射线探测仪器是由上述核射线探测器和电子学线路组成（图2-3）。图2-3放射性测量仪器的组成示意图第二节γ照相机γ照相机（γcamera）于1957年由HalAnger研制成功，因此也称为Anger型γ照相机。γ照相机可以显示放射性药物在机体内的分布及代谢状况，获取放射性药物在特定脏器或组织内的转运和分布信息，以二维图像的方式反映特定脏器或组织功能及代谢变化。γ照相机主要由准直器（collimator）、闪烁晶体、光电倍增管（PMT）、前置放大器、放大器、X-Y位置电路、总和电路、脉冲高度分析器（PHA）及显示或记录器件等组成（图2-4）。图2-4γ照相机示意图一、准直器准直器位于探头的最前面，介于闪烁晶体与患者之间，主要由铅或钨合金等重金属制成，其中贯穿有为数不等、类型不同的孔。准直器只允许特定方向γ光子和晶体发生作用，屏蔽限制散射光子，以保证γ照相机的分辨率和信号定位的准确性。准直器的性能在很大程度上决定了探头的性能。准直器的主要参数包括孔数、孔径、孔长（或称孔深）及孔间壁厚度，这些参数决定了准直器的空间分辨率、灵敏度和适用能量范围等性能。1．准直器的空间分辨率空间分辨率表示对两个邻近点源加以分辨的能力，通常以准直器一个孔的线源响应曲线的半峰值全宽度（FullWidthatHalfMaximum，FWHM），简称半高宽，作为分辨率的指标。准直器孔径越小，分辨率越好。准直器越厚，分辨率也越高。2．准直器的灵敏度灵敏度定义为配置该准直器的γ照相机探头测量单位活度（如1MBq）的放射性核素的计数率（计数／s）。准直孔越大，灵敏度越高；准直器越厚，灵敏度越低；孔间壁越厚，灵敏度越低。3．适用能量范围主要与孔间壁厚度有关，厚度0.3mm左右者适用于低能（＜150keV）γ射线探测，1.5mm左右者适用于中能（150~350keV）γ射线探测，2.0mm左右者适用于高能（＞350keV）γ射线探测。4．准直器的类型按几何形状分为针孔型、平行孔型、扩散型和会聚型四类。按适用的