第二章放射性測量

第二章放射性測量

§1放射性測量儀器

用放射性核素進行醫(yī)學研究和診斷疾病是通過探測其放出的射線來實現(xiàn)的，凡在醫(yī)學中探測和記錄放射性核素放出射線的種類、能量、活度及隨時間變化、空間分布的儀器，統(tǒng)稱為放射性測量儀器。

一、基本原理放射性測量儀器是核醫(yī)學工作中的必備條件，各種核醫(yī)學儀器探測的基本原理都是以射線與物質的相互作用為基礎，將輻射量轉化為其他可測量的物理量，現(xiàn)代的探測器，多數(shù)最后是轉化為電學量，然后用電子儀器測量和紀錄。

具體分為以下幾種類型：

1.電離作用

2.熒光現(xiàn)象

3.感光作用二、基本結構放射性測量儀器一般可分為兩部分：（1）探測器（探頭）：將輻射量轉化為其他可觀察量的轉換器。（2）后續(xù)電子線路：對脈沖信號進行分析和記錄。（3）計算機系統(tǒng)和輔助設備。

按射線探測器探測原理的不同可分為三大類：①氣體電離探測器：僅用于某些防護監(jiān)測儀，如GM計數(shù)管等。②閃爍探測器：是目前核醫(yī)學中最常用的射線探測器。③半導體探測器：主要用于活化分析時分析γ譜。

（一）固體閃爍計數(shù)器整體結構由固體閃爍探測器、后續(xù)電子線路、計算機系統(tǒng)和輔助結構組成。1、固體閃爍探測器是將γ射線轉化為電信號的裝置，既可探測射線強度，又可測定射線的能量。由閃爍體、光收集系統(tǒng)、光電倍增管、前置放大器和外周屏蔽組成。固體閃爍計數(shù)器結構示意圖（1）閃爍體主要有無機晶體、有機晶體和塑料有機閃爍體三類。無機晶體閃爍體是人工加入少量雜質（激活劑）的無機鹽晶體，如NaI(Tl)晶體。NaI(Tl)晶體對γ射線探測效率可高達80%，是目前γ射線樣品測量中探測效率最理想、最常用的一種探測器。（2）光收集系統(tǒng)

包括反射層、光學偶合劑和光導。反射層把閃爍體向四周發(fā)射的光有效地收集在一個方向上，同時起密封作用。光學偶合劑可以有效地把光傳遞給光電倍增管的光陰極，以減少全反射，比如甲基硅油等。光導的作用也是有效地把光傳遞給光電倍增管的光陰極，比如聚四氟乙烯等。（3）光電倍增管（PMT）

是光-電信號轉換和倍增的器件。（4）前置放大器對光電倍增管輸出端的信號進行跟蹤放大，同時與后續(xù)分析電路的阻抗匹配，以減少信號在傳輸過程中的畸變和損失。（5）外周屏蔽（鉛屏蔽）減少外界射線引起的本底計數(shù)率。2、固體閃爍計數(shù)器后續(xù)電子線路（1）主放大器對脈沖信號進行放大和整形。（2）甄別器和脈沖高度分析器探測器輸出的脈沖信號保存射線的能量信息，脈沖高度正比于射線的能量，脈沖高度分析器（PHA)的作用就是有選擇地讓需要記錄的脈沖通過。甄別器是一種只允許超過一定高度的脈沖通過而將低于這一高度的脈沖“甄別”掉的觸發(fā)線路。這個設置的限制電壓值稱為甄別閾。利用甄別器可將輸入脈沖改造成高度和寬度一致的輸出脈沖，以適應下一級電路工作的要求。

PHA是由上、下兩個甄別器和一個反符合線路組成，其工作原理是：兩個甄別器分別設上閾值V上和下閾值V下，上下閾值之差稱為道寬。反符合線路的功能是選擇脈沖幅度在上下甄別閾之間的信號通過，并送至下級電路。可見PHA實際上是射線能量范圍的選擇器。通過這種功能，PHA可較有效地排除儀器噪聲的小脈沖和宇宙射線的大脈沖本底，并可探測射線的能量分布（能譜）。3、計算機系統(tǒng)、輔助結構和電源計算機系統(tǒng)的主要作用是適時采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)并對儀器進行自動控制。

由于儀器使用的目的、運行的方式不同而具有不同的輔助結構，比如全自動γ計數(shù)器的自動換樣裝置。放射性測量儀器的電源分為兩類，一類是直流高壓電源，對于閃爍探測器，主要用于光電倍增管各極分壓供電；一類是低壓電源，主要供電子學線路、計算機、輔助設備運行使用。（二）液體閃爍計數(shù)器由探測器、后續(xù)電子線路、計算機系統(tǒng)和輔助結構等組成。其特點是：閃爍體是裝在測量杯中的閃爍液，放射性樣品溶解或懸浮于閃爍液中或分散吸附在固體支持物上再浸于閃爍液中進行測量，樣品與閃爍液接觸緊密，樣品的自吸收大大減少，提高了對低能β射線的探測效率。1、液體閃爍探測器（1）液體閃爍體液體閃爍體由溶劑和溶于溶劑中的有機閃爍劑裝在特制的容器中組成。（2）光電倍增管兩只光電倍增管。水平放置端窗相對，中間為樣品室。（3）光收集系統(tǒng)同固體閃爍探測器2、后續(xù)電子線路（1）符合電路：降低光電倍增管噪音水平，提高儀器的信噪比，有效降低本底。（2）相加電路：將兩個光電倍增管輸出的同步信號疊加，使脈沖高度增高和相對穩(wěn)定。（3）線性門電路：防止脈沖信號畸變（4）主放大器：同固體閃爍探測器（5）脈沖幅度分析器：為多道脈沖幅度分析器，同時記錄幅度不同的脈沖。道數(shù)越多，對幅度不同的脈沖分辨率越高。3、計算機系統(tǒng)和輔助結構和電源除與固體閃爍探測器相似外，還包括淬滅校正的軟件和一個外標準源。所謂外標準源是一個固體γ源，有足夠長的半衰期和放射性活度，作淬滅校正用。§2γ射線的測量γ射線的測量包括γ射線的能量測量和計數(shù)測量，核醫(yī)學的測量對象一般都是已知核素，要求也主要是計數(shù)測量，因此，這里主要討論γ射線的計數(shù)測量。一、絕對測量和相對測量

絕對測量(absolutecounting)：

不借助中間手段直接測量放射性活度。相對測量(relativecounting)：

用所測計數(shù)率的多少來反映放射性活度的大小，或先測定儀器的探測效率，將計數(shù)率轉化為放射性活度，是生物醫(yī)學中普遍采用的測量方法。具體步驟為：（1）測定儀器的探測效率：設標準源的放射性活度為As（dpm），探測的計數(shù)率為Ns(cpm)，本底為Nb(cpm)，則探測效率E為：（Ns-Nb）/As×100%（2）測量樣品的衰變率：設樣品在相同的條件下測量的計數(shù)率為Nx(cpm)，則樣品的衰變率為：Ax=(Nx-Nb)/E(dpm)計數(shù)率：

指射線探測器在單位時間內(nèi)測量得到的脈沖信號數(shù)，用每秒計數(shù)(cps)或每分計數(shù)(cpm)表示。衰變率：單位時間內(nèi)核衰變的次數(shù)，用dps或dpm表示。二、積分測量與微分測量

積分測量：用單道脈沖幅度分析器，把上甄別閾調在無窮大，將幅度大于下甄別閾的全部脈沖記錄下來。微分測量：用單道脈沖幅度分析器，將幅度在上下甄別閾之間的脈沖記錄下來。可以除去大部分本底，有利于提高測量的精密度，所以，絕大多數(shù)測量都選用微分測量的方式。三、γ射線測量的主要影響因素

影響γ射線測量的主要因素有：

1、幾何位置；樣品和探測器之間的相對位置叫作幾何位置。樣品與探測器的相對位置不同，所測得的計數(shù)率也不同，因此，相對測量時，只有保持樣品放射性分布均勻，形狀、大小、高低以及與探測器的相對位置嚴格一致，結果才具可比性。

2、樣品體積；樣品體積增加，漏計角增大，自吸收也增大，計數(shù)效率下降。因此，測量時需嚴格使樣品體積一致。3、射線的能量；一般來說能量越高，穿透力越強，與閃爍體作用產(chǎn)生光子的幾率越低，因此計數(shù)率也越低。4、儀器分辨時間；測量儀能分別記錄兩個相鄰脈沖之間的最短時間叫做分辨時間，若輸入的脈沖信號間期小于該分辨時間，儀器來不及反應而漏計。漏計在測量較高放射性活度時的幾率更大。因此，高活度樣品測量，宜先取出部分稀釋后再測，所得結果需經(jīng)過體積校正，換算為原始樣品的計數(shù)率。一般井型計數(shù)器不宜測量超過5000cps的樣品。

5、儀器的本底儀器的本底是指在沒有放射性樣品存在時所得到的計數(shù)率。固體閃爍計數(shù)器的本底主要來自外界的γ射線，包括周圍環(huán)境中的放射源和宇宙射線，其次還包括儀器的熱噪聲。6、其他：如閃爍體的體積和厚度等?！?液體閃爍測量技術一、閃爍液與測量瓶（一）閃爍液主要由有機溶劑和閃爍劑組成。1、溶劑溶劑分子占閃爍液總分子數(shù)的99%左右，基本作用是溶解閃爍劑和待測放射性樣品，同時起能量傳遞作用。常用的有：甲苯、二甲苯、二氧六環(huán)（可容納大量的水）等。2、閃爍劑是閃爍液中的發(fā)光物質，能有效地接受溶劑分子傳遞的能量并在很短的時間內(nèi)發(fā)生激發(fā)和退激，退激時釋放熒光光子。閃爍劑的化學名稱及化學結構復雜，通常都用縮寫名稱，常用的有：TP、PPO等。如果閃爍劑的發(fā)光光譜不能與PMT很好匹配，還可以考慮添加第二閃爍劑，最常用的是POPOP,使發(fā)射光子的波長向長波方向轉移，又稱為“移波劑”，使用第二閃爍劑可提高閃爍液的淬滅耐受性，改進探測效率。3、助溶劑和添加劑常用的助溶劑有乙醇、乙二醇等，能促進水與二甲苯等非極性溶劑的互溶，其用量為總體積的20-40%。常用的添加劑是萘，起能量的中間傳遞作用，可顯著提高探測效率，使用濃度為60-150g/L。4、溶劑純化和配伍禁忌溶劑純化的主要目的是除去有淬滅作用和化學發(fā)光的雜質；一些溶劑的互溶會導致顏色淬滅等，要注意配伍禁忌。（二）樣品測量瓶是被測物和閃爍液的容器，測量瓶加被測物和閃爍液組成了液體閃爍計數(shù)器的中心部件。對測量瓶的基本要求是：低鉀、對閃爍光有很好的透光度、化學性能穩(wěn)定、低成本易加工。常用的材料有：低鉀玻璃、聚乙烯類塑料、聚四氟乙烯和石英等。二、樣品的測量方式和樣品制備（一）樣品的測量方式1、均相測量：樣品以真溶液形式存在于閃爍液中，測量誤差小，計數(shù)效率高，是理想的測量方式，特別適合脂溶性樣品的測量。

1）脂溶性樣品的測量含0.4%PPO的甲苯閃爍液。2）水溶性樣品的測量二甲苯︰乙二醇甲醚=7︰3含0.8%PPO應該注意很多生物樣品有顏色，特別是黃色，會影響測量的效率，最好用H2O2等氧化劑脫色。2、非均相測量：測量瓶內(nèi)存在兩個相系，閃爍體存在于一相，而放射性樣品則存在于另一相。這兩個相可以是固-液相或液-液相。目前最常用的是固相測量和乳化液測量，用于非脂溶性樣品。1）固相測量用玻璃纖維濾片或纖維素脂濾膜收集細胞或其碎片等等，含0.4%PPO的甲苯閃爍液1~3ml。2）乳狀液測量適用于低水平大體積的水溶性樣品，常用乳化劑如TritonX-100，制成透明或半透明狀。（二）樣品制備：將樣品制備成適合放射性測量的形式。常用的方法有淋洗法、提取法、分離法、酸性消化法、堿溶解法和燃燒法（使樣品氧化或燃燒，無化學發(fā)光和明顯的淬滅）等。三、淬滅及其校正（一）淬滅產(chǎn)生的因素及其影響1、淬滅(quenching)：液體閃爍測量過程中，從射線能到光能，從光能到電能轉換的任何一步，受各種因素影響，總有部分能量損失，導致光子輸出量減少，這種現(xiàn)象稱為淬滅。2、淬滅種類：(1)相淬滅或局部淬滅：在非均相測量中，樣品發(fā)出的β射線先被微小水珠或固相支持物所吸收，使能量減弱，產(chǎn)生光子的能力降低，稱之相淬滅。固相樣品量過多時，樣品本身對射線有不同程度的自吸收作用，導致光子產(chǎn)生額減少，稱為局部淬滅。(2)閃爍液的自淬滅：發(fā)生在閃爍劑或溶劑分子內(nèi)部的分子內(nèi)淬滅，與閃爍劑或溶劑分子結構及分子濃度有關。(3)化學淬滅：樣品中的各種成分或制備樣品時添加的一些成分（如消化物、助溶劑等）會吸收部分能量。化學淬滅的程度還與淬滅物化學結構有關。(4)顏色淬滅：激發(fā)的閃爍劑分子退激時發(fā)出的熒光光子被液體閃爍系統(tǒng)內(nèi)(包括樣品)的有色物質吸收而減少稱為顏色淬滅。不同的顏色淬滅影響不同，以紅、黃色最為明顯，藍色相對影響較小。（二）淬滅校正的方法產(chǎn)生淬滅的原因很多，導致不同樣品的探測效率不一致。需作淬滅校正才能相互比較計數(shù)率。淬滅校正就是要求出每一樣品的實際探測效率，再將其計數(shù)率cpm換算成衰變率dpm，從而將淬滅程度不同的因素消除掉。常用的方法有：內(nèi)標準源法、樣品道比法、外標準道比法、H數(shù)法等。

(1)內(nèi)標準源法：在待測樣品的閃爍系統(tǒng)內(nèi)加入已知放射性活度的同種標準源，并借助其測量效率來確定待測樣品的放射性活度。

該方法較為準確，特別適用于嚴重化學或顏色淬滅的樣品，以及乳狀液和低水平樣品的校正。但樣品較多時，非常麻煩、費時，且不能自動化，樣品加入內(nèi)標準源后不能再使用，因此不作常規(guī)使用，通常只作為其他淬滅校正方法的對照。

(2)樣品道比法(samplechannelratomethod,SCR)：(3)外標準道比法(Externalstandardchanneleratiomethod,ESCR)：(4)H數(shù)法(Hnumber)：

這三種方法均需要作淬滅校正曲線，比較復雜煩瑣，這里不作詳細敘述。(三)、化學發(fā)光和磷光1、化學發(fā)光(chemiluminescence)是由測量杯內(nèi)容物發(fā)生某些化學反應所引起，持續(xù)時間可達數(shù)天。應避免使用堿性或含過氧化物的物質；在樣品處理過程中加入還原劑除去剩余的過氧化物；放置樣品衰減化學發(fā)光等方法來消除化學發(fā)光。2、磷光(phosphorescence)是閃爍體系受光照后產(chǎn)生的一種發(fā)光現(xiàn)象。