核物理基礎(chǔ) 醫(yī)學(xué)專業(yè)課學(xué)習(xí)資料

核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備簡單回顧1.核醫(yī)學(xué)功能代謝顯像是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像的重要組成內(nèi)容之一，其顯像原理與X線、B超、計算機體層攝影（CT）和核磁共振（MR）等檢查截然不同。它通過探測接收并記錄引入體內(nèi)靶組織或器官的放射性示蹤物發(fā)射的γ射線，并以影像的方式顯示出來，這不僅可以顯示臟器或病變的位置、形態(tài)、大小等解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，更重要的是可以同時提供有關(guān)臟器和病變的血流、功能、代謝甚至是分子水平的化學(xué)信息，有助于疾病的早期診斷。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)及成像原理

影像學(xué)技術(shù)成像原理性質(zhì)X射線（CT）衰減系數(shù)（CT值）形態(tài)解剖B超超聲波反射（回聲）形態(tài)解剖MR質(zhì)子密度（T1T2）解剖功能γ照相機放射性濃度（平面）血流功能SPECT放射性濃度（半定量）血流代謝功能PET放射性濃度（定量）血流代謝功能2.放射性核素顯像為無創(chuàng)性檢查，所用的放射性核素物理半衰期（physicalhalflife，T1/2）短，顯像劑化學(xué)量極微，病人所接受的輻射吸收劑量（absorbeddose）低，因此發(fā)生毒副作用的幾率極低。3.但本法受引入放射性活度及儀器分辨率的限制，其影像的清晰度不如CT、MR，影響對細微結(jié)構(gòu)的精確顯示。近年來圖像融合（fusionimaging）技術(shù)可將CT、MR解剖結(jié)構(gòu)影像與核醫(yī)學(xué)SPECT和PET獲得的功能代謝影像相疊加，更有利于病變精確定位和準確定性診斷。頭部CT圖像頭部MRI圖像SPECT圖像-腦部SPECT圖像-骨骼SPECT圖像-腦部

2例癲癇患者SPECT圖像:發(fā)作間期低灌注(A圖)，發(fā)作期高灌注(B圖)。

癲癇灶發(fā)作間期在SPECT上呈低灌注暗影，發(fā)作期變?yōu)楦吖嘧⒘劣啊PECT圖像-腦部

Siemens的SPECT系統(tǒng)ECT美國菲利普三探頭ECTSPECTSPECTSPECT1.核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的發(fā)展歷史1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾在研究鈾礦時發(fā)現(xiàn)，鈾礦能使包在黑紙內(nèi)的感光膠片感光，這是人類第一次認識到放射現(xiàn)象，也是后來人們建立放射自顯影的基礎(chǔ)。1898年，馬麗·居里與她的丈夫皮埃爾·居里共同發(fā)現(xiàn)了鐳，此后又發(fā)現(xiàn)了钚和釷等許多天然放射性元素。1923年，物理化學(xué)家Hevesy應(yīng)用天然的放射性同位素鉛-212研究植物不同部分的鉛含量，后來又應(yīng)用磷-32研究磷在活體的代謝途徑等，并首先提出了“示蹤技術(shù)”的概念。1926年，美國波士頓內(nèi)科醫(yī)師布盧姆加特（Blumgart）等首先應(yīng)用放射性氡研究人體動、靜脈血管床之間的循環(huán)時間，在人體內(nèi)第一次應(yīng)用了示蹤技術(shù)。1951年，美國加州大學(xué)的卡森（Cassen）研制出第一臺掃描機，通過逐點打印獲得器官的放射性分布圖像，促進了顯像的發(fā)展。1957年，安格（HalO.Anger）研制出第一臺γ照相機，稱安格照相機，使得核醫(yī)學(xué)的顯像由單純的靜態(tài)步入動態(tài)階段，并于60年代初應(yīng)用于臨床。1959年，他又研制了雙探頭的掃描機進行斷層掃描，并首先提出了發(fā)射式斷層的技術(shù)，從而為日后發(fā)射式計算機斷層掃描機—ECT的研制奠定了基礎(chǔ)。1972年，庫赫博士應(yīng)用三維顯示法和18F-脫氧葡萄糖（18F-FDG）測定了腦局部葡萄糖的利用率，打開了18F-FDG檢查的大門。他的發(fā)明成為了正電子發(fā)射計算機斷層顯像（PET）和單光子發(fā)射計算機斷層顯像（SPECT）的基礎(chǔ)，人們稱庫赫博士為“發(fā)射斷層之父”。2.當(dāng)前核醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的應(yīng)用概況目前廣泛使用的單光子發(fā)射計算機斷層（SPECT），已從單探頭、雙探頭和三探頭，直至現(xiàn)在發(fā)展為帶衰減校正的能進行符合線路成像的SPECTPET-CT的出現(xiàn)使醫(yī)學(xué)影像技術(shù)進入了一個新的階段分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展以及與核醫(yī)學(xué)技術(shù)的相互融合，形成核醫(yī)學(xué)又一個新的分支學(xué)科—分子核醫(yī)學(xué)（molecularnuclearmedicine）把兩種設(shè)備的圖像融合起來進行分析

核物理基礎(chǔ)原子：最小的不可分割的化學(xué)結(jié)構(gòu)

原子由原子核及核外軌道電子組成。原子核由質(zhì)量基本相同的質(zhì)子和中子（兩者統(tǒng)稱核子）組成。原子半徑10-10m，原子核半徑10-15m，原子內(nèi)部大部分是空的空間，原子的大小一般是核外電子云的分布范圍?，F(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)原子核中子質(zhì)子電子(電子云)+++核素（Nuclide）同位素（Isotope）同質(zhì)異能素（Isomer）

Z，A及能態(tài)均相同的一類原子如：Z同A不同，周期表上同位如：A、Z相同，能態(tài)不同，如：一、核素、同位素、同質(zhì)異能核1、核素：有特定的質(zhì)子數(shù)Z和中子數(shù)N及核能態(tài)的一類原子。包括放射性核素RN和穩(wěn)定性核素SN。2、放射性核素：亦稱不穩(wěn)定性同位素。指原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需經(jīng)過核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級的變化才能趨于穩(wěn)定的核素，它能自發(fā)的釋放出核射線和能量而轉(zhuǎn)化為另一種核素。3、穩(wěn)定性核素：能夠穩(wěn)定的存在，如沒有外界因素（如高能粒子的轟擊），不發(fā)生核內(nèi)成分或核能級的改變，即不發(fā)生自發(fā)的產(chǎn)生核變化的核子。4、同質(zhì)異能素：凡是具有相同的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)而核能態(tài)不同的一類核素，是同位素的一種特殊類型。以AZX或AX表示各種核素。如12C、16O、14N等。X—元素符號，A—質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)）Z—原子序數(shù)（核內(nèi)質(zhì)子數(shù)），中子數(shù)＝A-Z。

穩(wěn)定性核素（Stablenuclide）

放射性核素（radionuclide）

原子核會自發(fā)地發(fā)生結(jié)構(gòu)或能級的變化（核衰變）并放出射線（放射性）而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素。核素的穩(wěn)定性取決于原子核內(nèi)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的比例。研究表明只要元素的核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)保持在一定的比例范圍內(nèi)，核素就能穩(wěn)定，比值過大或過小都將不穩(wěn)定。通常在質(zhì)子數(shù)小于20的核素中，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比為1的核素是穩(wěn)定的;質(zhì)子數(shù)大于20的核素，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比需大于1才是穩(wěn)定的核素。一般原子序數(shù)大于83的元素均是放射性核素，原子序數(shù)在82以下的天然放射性核素較少?，F(xiàn)今使用的放射性核素要用人工方法制備，如核反應(yīng)堆、加速器或中子源等產(chǎn)生的高能中子、帶電粒子或γ光子轟擊穩(wěn)定性核素，引起核反應(yīng)，使之成為富中子(即中子相對過多)或貧中子(中子相對過少)的放射性核素。核衰變類型衰變規(guī)律放射性核素衰變：放射性核素因核內(nèi)成分或能級改變而自發(fā)的轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，同時釋放出核射線。（一）α衰變：放射性核素從原子核自發(fā)的釋放出α粒子的衰變，大多發(fā)生在Z大于82的放射性核素，α粒子本質(zhì)是He的原子核，由兩個質(zhì)子與兩個中子組成。（二）β衰變：原子核自發(fā)的放射出電子或俘獲一個軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。3、電子俘獲（EC）：放射性核素的原子核從核外的軌道俘獲一個軌道電子，使核內(nèi)的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，同時放射出中微子的過程。故子核Z－1，A不變，這種衰變只放出一個中微子，故能量是單色的，K層電子被俘獲稱為K電子俘獲。γ衰變、同質(zhì)異能躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換核素（高能態(tài)→低能態(tài)）γ躍遷同質(zhì)異能躍遷（激發(fā)態(tài)→基態(tài)）多余能量γ光子核外電子自由電子（內(nèi)轉(zhuǎn)換電子）γ衰變：有些放射性核素的原子核在發(fā)生β-、β+、α、β或EC等衰變過程中，所產(chǎn)生的子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)（激發(fā)態(tài)）立即向基態(tài)或低能態(tài)躍遷，多余的能量以γ光子射出，核內(nèi)的成分不變，子核的Z、A不變，只是核素的能態(tài)發(fā)生變化。伴隨γ光子釋出的核能級躍遷稱為γ衰變，也是γ躍遷或γ輻射。核醫(yī)學(xué)診斷利用γ相機或SPECT機進行臟器或病變的核素顯像，檢測γ射線在臟器中放射性分布情況。α、β、γ三種核射線的性質(zhì)核衰變定律

衰變常數(shù)（λ）指各種放射性核素固有的單位時間內(nèi)衰變百分數(shù)。核衰變公式現(xiàn)存核總數(shù)（N）隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減。衰變速率隨λ值而定。N=N0·e-λt放射性活度（radioactiviy）放射性活度：每單位時間內(nèi)的核衰變率，簡稱活度。

單位時間內(nèi)核衰變的數(shù)量I=I0·e-λt半衰期

物理半衰期（Physicalhalflife;T1/2）

生物半衰期

（biologicalhalflife;Tb）

有效半衰期

（effectivehalflife;Teff）半衰期(T1/2)定義：一定量的某種放射性原子核衰變至原來的一半所需要的時間。時間t(T1/2)012345n放射性原子核數(shù)目N0N0/2N0/4N0/16N0/32N0/64N0/2n經(jīng)過n個半衰期后，未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目是原有的1/2n放射性衰變規(guī)律二、半衰期：反映核素衰變速率的指標。物理半衰期生物半衰期有效半衰期1、半衰期：放射性核素由于自身的自然衰變，活度減少到原來一半需要的時間。2、生物半衰期：生物體內(nèi)的放射性核素因從體內(nèi)代謝排出而衰減到原來一半的量所需時間。3、有效半衰期：存在于生物體內(nèi)的放射性核素由于生物代謝和放射性衰變的共同作用，使放射性活度減為原來一半所需時間。射線與物質(zhì)的相互作用γ光子與物質(zhì)的相互作用

光電效應(yīng)

（photoelectriceffect）

康普頓效應(yīng)

（Comptoneffect）

電子對生成

（electronpairprocduction）γ照相機特點

）二.γ照相機的成像原理利用“隨機逐點并行”探測方式快速一次成像。成像過程：受檢者輻射的γ射線

準直器

閃爍晶體產(chǎn)生光子

光電倍增管PMT

電信號放大器放大

電子學(xué)系統(tǒng)計算反映γ射線入射的水平位置X與垂直位置Y的信號，并把各光電倍增管的輸出相加

Z信號

脈沖幅度分析器確認每一個γ光子事件

示波器和監(jiān)視器顯示。γ照相機的結(jié)構(gòu)組成γ照相機的結(jié)構(gòu)和主要部件核探測器電子線路顯示系統(tǒng)三.γ相機準直器準直器位于晶體之前，是探頭中首先和γ射線相接觸的部分。準直器的性能在很大程度上決定了探頭的性能。準直器能夠限制散射光子,允許特定方向γ光子和晶體發(fā)生作用。因為整形使得絕大多數(shù)射線被準直器吸收阻擋掉，所以核醫(yī)學(xué)圖像比X射線圖像質(zhì)量差，成像時間長的主要原因。準直器的作用準直器的作用：1）是它只允許沿特定方向前進的γ射線到達NaI(Tl)晶體，把放射源的三維分布投影成二維平面圖像，而向其他方向前進的γ射線則在到達NaI(Tl)晶體之前被準直器完全吸收掉。缺陷：因為整形使得絕大多數(shù)射線被準直器吸收阻擋掉，所以這種技術(shù)對γ射線利用率是很低(只有1%---3%)。這就是核醫(yī)學(xué)圖像比X射線圖像質(zhì)量差(粒子數(shù)少),成像(采集)時間長(計數(shù)率低)的主要原因，這是它的先天不足。準直器的分類平行孔型擴散型聚焦型針孔型平行孔準直器①鉛板上很多軸線互相平行的細長準直孔，可以形成1：1的投影圖像。②它的視野等于探頭尺寸，在不同深度上的空間分辨力基本不變。③平行孔準直器是最常用的準直器類型。擴散型準直器①它的準直孔軸線指向探頭后400-500mm處某一點，可形成縮小的圖像。②它的視野大于探頭尺寸，并隨臟器到準直器距離的增加而增大，常用于小探頭對大臟器顯像。③所成圖像的空間分辨力不如平行孔準直器，探頭效率也較平行孔準直器低。匯聚型準直器①它的準直孔軸線匯聚在探頭前400-500mm處一點上，可形成放大的圖像。②它的視野小于探頭尺寸，用于大探頭對小臟器顯像。③所成圖像的中間分辨力好于平行孔準直器，對小臟器的探測效力也比平行孔準直器高。針孔型準直器它與小孔成像照相機一樣，利用光的直線傳播原理，在NaI晶體上成倒置的圖像。根據(jù)像距和物距的比例，即可以投影成放大的圖像，又可投影成縮小的圖像。隨著物距的增加，針孔準直器的視野加大，探測效率急速地降低，對于厚度較大的臟器，所成圖像是變形的，在臟器貼近準直器的時候更加嚴重。準直器臨床應(yīng)用準直器Anger照相機定位入射γ射線點的方法在Anger照相機中，NaI晶體的背面完全被PMT陣列所覆蓋。為使間隔最小，通常按蜂房式排列，數(shù)目為7、19、37、61等，PMT越多分辨力越好。PMT除了把微弱的閃爍光轉(zhuǎn)變成電信號并加以放大以外，還擔(dān)負著定位的任務(wù)。光電倍增管通常按蜂房式排列光電倍增管每7到10個光子入射到光電陰極上，就會產(chǎn)生一個電子。從陰極來的電子聚焦到倍增管電極上被吸收后會放出更多的電子（一般是6到10個）。這些電子再聚焦到下一個倍增管電極上，這個過程在倍增管電極陣列上不斷重復(fù)。PMT構(gòu)成光電倍增管是一種電真空光電器件,它由光電陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)及陽極構(gòu)成。當(dāng)光子入射在光電陰極上時，，由于光子的轟擊產(chǎn)生光電子，光電子通過電子光學(xué)輸入系統(tǒng)進入倍增系統(tǒng)；電子得到倍增，最后在陽極上收集電子，形成陽極電流或電壓。光電倍增管工作原理示意圖

一、光電陰極1、光電陰極的作用：光電倍增管的光電陰極是一個接收光子而釋放出光電子的電極，陰極吸收光的能量使光陰極的電子獲得足夠的能量并溢出產(chǎn)生光電子的發(fā)射，是光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。2、光電陰極的組成：（1）它的結(jié)構(gòu)有半透明(入射光與光電子同一方向)的端窗（2）四面窗陰極（3）不透明(入射光方向與光電子方向相反)陰極。二、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)1、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)組成：由