核醫(yī)學儀器與方法nmim劉亞強

1、核醫(yī)學儀器與方法Nuclear Medicine Instruments and Methods清華大學,劉亞強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、檢測和處理的理論〗，Harrison H. Barrett & William Swindell著，張萬里、王

3、維道譯，科學出版社〖Nuclear Medicine〗, Robert E. Henkin etl., Mosby-Year Book,Inc, 1996〖Digital Image Processing〗, William K. Pratt, John Wiley & Sons,Inc., 1978,相關網站 （學術組織）,中國國家原子能機構：http://www.caea.gov.cn 中華核醫(yī)學專業(yè)網：http://

4、www.csnm.com.cn 中華放射醫(yī)學網：http://www.med618.com.cn/zkw/fs/ 國際原子能機構（IAEA）：http://www.snm.org，其Division of human Healt，核醫(yī)學項目網址是：http://www.iaea.or.at/programmes/nahunet/e1/index.html 亞洲地區(qū)核醫(yī)學協作理事會(The Asian Regional Cooper

5、ative Council for Nuclear Medicine，ARCCNM) ：http://www.arccnm.org 美國核醫(yī)學協會：http://www.snm.org 美國核醫(yī)學雜志：http://jnm.snmjournals.org/current.shtml 北美放射學會：http://www.rsna.org 加拿大核醫(yī)學協會：http://www.csnm.medical.org 歐洲核醫(yī)學聯合會：

6、http://www.eanm.org 英國核醫(yī)學會：http://www.bnms.org.uk/bnms.htm,相關網站（大學和公司）,勞倫茲伯克利國家實驗室核醫(yī)學和功能成像部：http://www.lbl.gov/lifesciences/departments/nmfi.html哈佛大學醫(yī)學院核醫(yī)學：http://radiology.bidmc.harvard.edu//kinds_of_exams/nuclear/nuc

7、med.html 約翰霍普金斯大學放射學系：http://www.rad.jhmi.edu/ 北卡羅萊那大學生物醫(yī)學工程系：http://www.bme.unc.edu 賓夕法尼亞大學放射學系：http://www.med.upenn.edu/radiology.html 亞利桑那大學放射學系：http://www.radiology.arizona.edu 芝加哥大學放射學系：http://www.radiology.uch

8、icago.edu 匹茲堡大學放射學系：http://www.radiology.upmc.edu/ 通用電氣公司醫(yī)療系統：http://www.gems.com.cn/ 飛利浦醫(yī)學系統：http://www.medical.philips.com/ 西門子公司：http://www.siemens.com/index.jsp,1 核醫(yī)學及其技術基礎2 同位素及輻射測量3 放射配體結合分析4 臟器功能測量儀5 核醫(yī)學平面

9、成像設備6 閃爍圖像的數字化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)學儀器的新發(fā)展11圖像融合與多模式復合成像12分子核醫(yī)學成像設備,第一章 核醫(yī)學及其技術基礎,1.什麼是核醫(yī)學核醫(yī)學（Nuclear Medicine，NM）采用放射性同位素來進行疾病的診斷、治療及研究。它是核技術與醫(yī)學相結合的產物。與放射醫(yī)學不同，核醫(yī)學通常將開放型放射性同位素，以放射性藥物的形式引人體內。核醫(yī)學是現代醫(yī)學

10、的重要組成部分，是醫(yī)學現代化的標志之一。,核醫(yī)學(NM),,,臨床NM,基礎NM,,,診斷NM,治療NM,,,體內in vivo,體外In vitro,,顯像imaging,,非顯像nonmaging,體內診斷，把放射性核素引入活體內，進行臟器功能測量或顯像。體外診斷，將放射性核素放在試管中，進行放射性免疫測量或活化分析。,,基礎核醫(yī)學為臨床核醫(yī)學提供理論依據和技術支持。它以研究正常的和病態(tài)的生命現象為主要內容，在免疫學、

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

12、悉生命現象的本質、疾病的發(fā)病原因和藥物的作用機制。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，成為影像醫(yī)學不可缺少的組成部分。,在疾病的發(fā)生、發(fā)展過程中，往往是相關組織與器官先發(fā)生生化、代謝、血流與功能性改變，在經過一定的功能代償期或潛伏期后，才發(fā)展成器質性病變，出現組織與器官形態(tài)學變化（如出現異常結節(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)學能在發(fā)生臟器形態(tài)改變之前發(fā)現功能的變化。與疾病發(fā)生時的情況相對應，當疾病治愈、康復時，相關組織與器官的功能恢復也往往滯后于疾病的治愈。在疾病的康復期，監(jiān)測和確認病愈組織與器官的功能恢復情況，對于疾病的康復指導和愈后評價是十分有效和重要的。核醫(yī)學對于心血管系統、神經系統、腫瘤等嚴重威脅人類健康的疾病的早期診斷、治療決策、療效判斷和預后估價中起著十分重要的作用。,抗原和抗體互相結合的免疫反應具有很強的特異性

14、，一種抗原只與一種特定的抗體結合。核測量具有很高的靈敏度，甚至可以測到單個原子。綜合了這兩種技術的放射免疫測量，能夠檢測人體中10-9～10-12克的微量生物活性物質。放免分析僅需從病人取少量血樣或尿樣，即可測量其中某種物質的含量。它可測定血液成份（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。,（2）放射免疫分析,核素輻射的α、β、γ能導致物質電離，損傷細胞分子，破壞特定細胞的功能（包括分裂或增生）。核素治療是將放射性核素或其標記物引入病灶，進行內照射，達到抑制或破壞病變組織的目的。作為非手術治療方法，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照射治療。

16、例如，給病人服用的適量131I會在甲狀腺聚集。131I發(fā)射的β-粒子能夠殺死癌細胞或部分“割除”亢進的甲狀腺組織，達到治療功能自主性甲狀腺腺瘤、功能性甲狀腺癌轉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，對周圍組織影響很小。,（3）電離輻射的生物效應和內照射治療,放射免疫治療則利用特異性抗體作載體，利用免疫反應，將發(fā)射β-粒子或α粒子的放射性核素導向腫瘤抗原部位，實現對瘤體的內照射治療。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。 受體介導的靶向放射性核素治療和基因介導的靶向放射性核素治療是當今核素治療的發(fā)展方向，如用90Y-Octrotide治療神經內分泌腫瘤。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照射治療的生物物理學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照射治療的放射性藥物，研究施予的放射性核素活度與細胞水平上的輻射吸收劑量的關系，估量輻射的生物學效果，對核素靶向內照射治療的安全

18、性和有效性是非常重要的。,除靶向內照射治療外，放射性膠體腔內治療將放射性膠體注入病人體腔（如胸腔、腹腔、膀胱、關節(jié)腔等），使膠體顆粒附著在體腔內壁和腫瘤組織表面，所發(fā)射的β-粒子對滲出液內的游離癌細胞和散播在漿膜表面的腫瘤結節(jié)進行照射，達到預防手術后腫瘤細胞的擴散，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，進行局部照射

19、。通過導管將核素送入冠狀動脈內進行照射，可以防止PTCA支架等介入治療導致的血管再狹窄。前列腺增生放射性核素尿道內置入治療是近年發(fā)展起來的新技術。最近美國有人證實18F-FDG在腫瘤中滯留明顯，認為腫瘤局部注射18F-FDG是抑制腫瘤生長的有效方法。,3.核醫(yī)學的發(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在小白鼠體內的分布與排泄，開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，成為臨床應用的開端。1942年Hertz和Hamilton開始用131I治療甲抗。當時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，它們的探測效率低，計數率也低，不能做能量分析。,確立（五十年代初）1950年閃爍探測器問世，核輻射的測量靈敏度從mCi級進入μCi級，并能進行幅度分析。定標器，單

21、道、多道脈沖幅度分析技術導致功能測量儀和掃描機的誕生。產生了影像核醫(yī)學，大大提高了診斷的準確性。1953年美國首先成立了核醫(yī)學學會（Society of Nuclear Medicine），從而確立了核醫(yī)學這門學科。大量的物理、化學工作者進入核醫(yī)學領域，與醫(yī)生們共同研究開發(fā)核醫(yī)學的診斷、治療方法和設備。,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，它靈敏度高，分辨率好，可以拍攝動態(tài)影像，從而把形態(tài)

22、和功能結合起來。這個時代還誕生了性能極好的核素99mTc。六十年代末計算機技術引入核醫(yī)學，使得測量、分析自動化，還實現了多門控數據采集等方法。掃描機、γ相機使用了圖像處理系統以后提高了圖像質量，核醫(yī)學的特點—功能性顯像得到更充分發(fā)揮。,現代化（八十年代末～今）建立了放射性核素的發(fā)射型計算機斷層重建術，顯像從二維進入三維，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效

23、率大大提高，它使用的輕核素為組織器官的功能測定提供廣泛的可能，對認識思維的本質，進行分子生物學和分子核醫(yī)學研究具有重大價值。在這個時代，新型放射藥物層出不窮，各種99mTc標記的顯像劑、受體、抗體、多肽廣泛應用，201Tl、123I、113In、和11C、13N、15O、18F進入臨床。,創(chuàng)新（二十一世紀）生命科學研究已經從機體、器官、組織進入細胞、染色體、DNA的微觀水平，醫(yī)學正在從傳統的疾病表征觀察、常規(guī)的生化實驗室檢測，過渡到

24、從人體全身顯像分析基因、蛋白質表達水平來認識疾病的病因，并提供全新的預防、診斷和治療手段。新誕生的分子核醫(yī)學（Molecular NM）把核醫(yī)學的方法用于分子生物學和分子醫(yī)學的研究，又將分子生物學和分子醫(yī)學的方法和成果引人核醫(yī)學。它將在基因學、遺傳工程、干細胞治療技術、免疫學、腦科學等新興學科中發(fā)揮重要的作用。分子核醫(yī)學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)學在現代醫(yī)學中的地位,隨著尖端技術向醫(yī)學滲透，產生了影像醫(yī)學這一強有力的手段。在影像醫(yī)學的四大分支中（X光、超聲、核醫(yī)學、核磁共振），核醫(yī)學占據著其他方法不可替代的位置，它使人們能得到體內分子水平的早期病變的圖像。在發(fā)達國家里，γ相機、SPECT已是醫(yī)院的常規(guī)設備，PET也全面進入臨床，住院病人中1/3以上使用核醫(yī)學診斷技術。當前，核醫(yī)學已經成為醫(yī)學現代化的重要標志之一。在美國，立法規(guī)定每年舉行一次核醫(yī)學周；病床在250張

26、以上的醫(yī)院，如果沒有核醫(yī)學人員和設備就不準開業(yè)。,5.我國的核醫(yī)學的概況,目前，核醫(yī)學已經成為我國醫(yī)學的一個重要分支，衛(wèi)生部規(guī)定：三級甲類醫(yī)院必須有SPECT。全國有800多個醫(yī)院和科研單位有核醫(yī)學科或核醫(yī)學實驗室，上千家醫(yī)療機構使用同位素技術。全國現有核醫(yī)學工作者5600多人，核醫(yī)學會會員達4500多人，還有一支從事核醫(yī)藥研究和應用的隊伍。我國核醫(yī)學己經成為一個獨立的二級醫(yī)學學科，核醫(yī)學的整體水平有了很大提高。據05年統計，3我國現有

27、510臺SPECT、65臺PET或PET/CT、50臺回旋加速器。10年，SPECT和PET裝機量都超過百臺。我國的大型核醫(yī)學設備擁有量在亞太地區(qū)僅次于日本，遠遠超過居第三、四位的澳大利亞和韓國。,6.核醫(yī)學的技術基礎,核醫(yī)學綜合了核物理、放射化學、藥學、電子學、計算機等學科，它與工程技術的關系比其它醫(yī)學專業(yè)都密切。,核醫(yī)學在技術上以放射性藥物和核醫(yī)學儀器為基礎，它們的發(fā)展是推動核醫(yī)學進步的動力。,第二章 同位素及輻射測量,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，這個過程稱為放射性衰變（decay）。放射性衰變的發(fā)生是隨機的，用單位時間內平均發(fā)生衰變的次數來衡量樣品的放射性衰變能力，稱做放射性強度或放射性活度（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、,隨著衰變進行，樣品中放射性核素逐漸減少，放射性強度呈負指數規(guī)律下降A=Aoe-λt，λ為核素的衰變常數（一個放射性原子核在單位時間內發(fā)生衰變的概率）。放射性強度減弱一半所需的時間稱為半衰期T1/2=ln2/λ≈0.693/λ。α粒子是兩個質子和兩個中子構成的氦原子核；β-輻射就是電子流；γ射線的本質電磁波，由于它的波長比可見光更短，有更強烈的粒子性表現，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）來量度，1eV就是電子經過1伏特的電場加速所獲得的能量。,核內質子數和中子數都相同，而處在不同能量狀態(tài)的核素互稱同質異能素（isomer）。處于亞穩(wěn)態(tài)的原子核在回到基態(tài)時會放出γ光子，這種原子核能態(tài)的改變稱為同質異能躍遷（isomeric transition，IT）。,2.同質異能素與γ輻射,3.正負電子對湮滅,正電子是普通電子的反粒子。它從原子核放出來以后，與周圍物質的原子發(fā)生碰撞，迅速損失能量，

31、一般在幾個毫米距離內就停止下來。然后，正電子與普通電子發(fā)生湮滅反應（annihilation），它們的質量轉變?yōu)槟芰?，以兩個向相反方向運動的511keV的湮滅光子的形式釋放出來。,許多“缺中子”核素會發(fā)生質子轉變成中子，并放出一個正電子的β+蛻變，結果變成原子序數少1的核素。,,4.臨床使用的放射性核素,醫(yī)學臨床的放射性藥物應符合以下要求：(1) 半衰期合適。 (2) 射線的能量恰當。 (3) 產生的射線種類及能量單一;核素的衰

32、變產物應該是穩(wěn)定核素，不再產生次級射線。(4) 放射性藥物的比放射性（或放射性比度，即單位質量藥物所具有的放射性強度，Ci/g，mCi/g，μCi/g）要恰當。,(5) 放射性藥物應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（指處于特定化學狀態(tài)中的放射性核素占總放射性的比例）和化學純度（無其他化學物質，包括輻射分解產物的存在）。為了保證病人的安全，放射性核素及其衰變產物的生理、生化作用應該對機體無害，毒理效應小，作為藥物

33、還應符合藥典或國家的有關標準。(6) 放射性藥物的生化特性應適合被測器官或組織顯像：在聚集在靶器官以前，在體內不發(fā)生代謝；藥物引入體內后，應給出較高的靶對非靶的活度比值。,99mTc（technetium锝），經IT衰變產生140keV的γ光子，半衰期T1/2=6.02h?？梢宰鏊衅鞴俚娘@像和血流動力學研究。131I（iodine，碘），衰變產生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，以及功能測量和治療。,臨床常用的放射性核素,133Xe（xenon，氙），衰變產生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。內照射治療用的放射性藥物，以半衰期較長的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)學放射性核素的制備方法,利用反應堆（nuclear reactor）(1)將穩(wěn)定核素置于反應堆的孔道中受中子流照射，經中子活化反應產生放射性核素。有兩類反應：一類過程用 表示，靶與產物是同一元素的同位素。另一類過程用 表示，靶與產物不屬于同一元素。(2)從使用過的核燃料中分離提取裂變產物，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生的正離子與穩(wěn)定核素作用來生成。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的配套設備，國外有十余種規(guī)格醫(yī)用小型回旋加速器生產。,利用放射性核素發(fā)生器（generator） 利用半衰期長的放射性核素為母體，經過衰變產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或提取出來。子體分離出來以后，隨著母體的放射性衰變，新的子體不斷生長，經一定時間達到平衡。子體生長到一定量時又可分離，猶如母牛不斷生成牛奶，故俗稱“母?！?。,如果父核素的半衰期大于子核素但不能

38、近似認為是無窮大，那么在足夠長時間內可以觀察到父核素的活度在下降。此時，子核素的活度從t=0時刻開始先是上升，至超過父核素的活度并達到最大值，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小時和6小時，由99Mo生成99mTc的分支比為0.876，可計算得到 22.8小時，而達到過渡平衡后，99mTc與99Mo的活度比為0.9636。,,6.射線與物質的作用,α、β是帶電粒

39、子，它們在人體組織中會與各種分子、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導致熒光輻射，而電子由光電效應獲得的動能在與周圍物質的作用中迅速耗散。,γ光子的本質為電磁波，它與物質作用的機理

40、主要有以下三種：,(1)光電效應（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Z高的吸收體（如鉛、鎢）發(fā)生光電效應的幾率相當

44、大，Z低的物質（如鋁）發(fā)生光電效應的幾率十分小。光電效應的發(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，而光子運動方向改變，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為電子的靜止質量，c為光速，m0c2=0.511MeV。γ射線穿過物質時，因康普頓散射引起的強度減弱正比于單位體積內的電子數，即正比于原子序數Z和單位體積內的原子數N的乘積Z×N。,(3)電子對生成（pair production）能量大于1.022MeV的光子經過原子核場，轉化為一個正電子和一個負電子，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)生電子對生成的幾率隨物質的原子序數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，而且能量越高的γ射線穿透物質的能力越強。對于能量為140keV的γ射線來說，46mm厚的人體組織才使它的強度衰減一半，0.9mm的鉛便可使它的強度衰減10倍。強度為I0的γ光子束流穿過物質時，一部分光子與物質發(fā)生作用，被散射或吸收掉，穿出厚度為x的物質后，γ光子流強度被衰減為I=I0e-

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

54、效應衰減系數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的物質作用時，康普頓散射是主要因素。在E>1.022MeV時才發(fā)生電子對生成，其衰減系數κ∝Z2×lnE，高能光子經過重元素核場時才有電子對生成效應。,右圖表示不同能量（E）的γ光子在不同原子序數（Z）的吸收物質中主要的作用機制。核醫(yī)學使用的能量范圍為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的鉛主要作用機制

55、是光電效應。,,,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射線探測器,NaI(Tl)晶體,鋁殼,,反光粉,,光學窗,,磁屏蔽,,γ射線,,光電倍增管,閃爍探測器的構造,,,,,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,產生可見光，其強度與入射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轉換成電流脈沖。,電流脈沖幅度與閃光的強度成正比，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（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。退激能量大部分轉變成可見光，光產額高（30～40photons/ keV ），探測靈敏度高。NaI(Tl)晶體對它產生的閃光是透明的，自吸收損失很小。它的熒光持續(xù)時間短，時間分辨率達10-6s，能滿足高計數率的要求，因此核醫(yī)學儀器廣

61、泛使用NaI(Tl) 閃爍探測器。,γ光子在閃爍晶體中發(fā)生光電效應和康普頓散射，把能量傳給電子，通過電離或激發(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光的形式釋放出來。,(2) 光電倍增管（photomultiplier tube）,PMT是一種電子管。光學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，在其上產生多個二次電子。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。經過8～12個打拿

62、極的連續(xù)倍增，二次電子最后被陽極收集，形成電流脈沖。每個打拿極的倍增因子一般為3～6，總倍增因子可以達到105～108。,(3) 光電倍增管的高壓供電,正高壓被R1～R8電阻分壓。最后幾個打拿極級流過的脈沖電流較大，C1和C2可以保持脈沖發(fā)生時打拿極電位穩(wěn)定，減少信號噪聲和畸變。陽極負載電阻RL給陽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，而讓脈沖信號通過。由于RL下端不接地，輸出信號

63、容易引入干擾。但是正高壓供電時光陰極是接地的，這對光陰極的安全有利，而且暗電流小，輸出噪聲低。,負高壓供電也能給各個打拿極和陽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，可以克服干擾問題。但因為緊貼PMT的金屬支架或磁屏蔽套通常是接地的，負高壓供電會使電子撞擊光電倍增管內壁，產生噪聲。,高壓的1％改變會造成輸出脈沖幅度10％以上的變化，因此要求電源的長期穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性都非常好。其輸出應該不受電源電壓和負載電流變

64、化的影響，交流紋波應該小于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/噪聲比。,9.γ射線的能譜,γ光子與閃爍晶體作用產生閃光，由于作用過程不同，各次閃光的強度不盡相同，有一定的分布。光電效應產生右端的光電峰（photopeak）。由于γ光子把全部能量轉換成可見光，所以光電峰的橫坐標對應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反沖電子傳遞給閃爍晶體

65、，因此探測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光子接著又被探測器吸收，產生的脈沖也在光電峰里。,,由于γ射線在NaI(Tl)晶體中產生可見光光子的數目、可見光光子到達PMT光陰極的數目、光陰極釋放光電子的數目、打拿極的倍增因子都有隨機的統計漲落，此外PMT光陰極各處靈敏度的不均勻、加在PMT上的高壓的波動、PMT的電子學噪聲、都會造成雖然γ光子的沉積在NaI(Tl)晶體中的能量相同，但是閃爍探測器輸出的

66、脈沖幅度參差不齊的現象。這在脈沖幅度譜上表現為光電峰有一定的寬度，也就是說探測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來描述探測器的能量分辨率，稱為半高寬（full width at half maximum，FWHM），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生更多的可見光光子，相對的統計漲落較小，探測器的能量分辨率也較