核醫(yī)學(xué)儀器與方法

NuclearMedicineInstrumentsandMethods

清華大學(xué)劉亞強(qiáng)Cell:Email:參考書〖PhysicsinNuclearMedicine〗,JamesA.Sorenson&MichaelE.Phelps,W.B.SaundersCompany,1987〖RadiologicalImagingTheTheoryofImageFormation,DetectionandProcessing〗,HarrisonH.Barrett&WilliamSwindell,AcademicPress,Inc.,1981〖放射成像－圖象形成、檢測和處理的理論〗，HarrisonH.Barrett&WilliamSwindell著，張萬里、王維道譯，科學(xué)出版社〖NuclearMedicine〗,RobertE.Henkinetl.,Mosby-YearBook,Inc,1996〖DigitalImageProcessing〗,WilliamK.Pratt,JohnWiley&Sons,Inc.,1978相關(guān)網(wǎng)站（大學(xué)和公司）勞倫茲伯克利國家實(shí)驗(yàn)室核醫(yī)學(xué)和功能成像部：哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院核醫(yī)學(xué)：

約翰霍普金斯大學(xué)放射學(xué)系：

北卡羅萊那大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系：

賓夕法尼亞大學(xué)放射學(xué)系：

亞利桑那大學(xué)放射學(xué)系：

芝加哥大學(xué)放射學(xué)系：

匹茲堡大學(xué)放射學(xué)系：

通用電氣公司醫(yī)療系統(tǒng)：

飛利浦醫(yī)學(xué)系統(tǒng)：

西門子公司：

1核醫(yī)學(xué)及其技術(shù)基礎(chǔ)2同位素及輻射測量3放射配體結(jié)合分析4臟器功能測量儀5核醫(yī)學(xué)平面成像設(shè)備6閃爍圖像的數(shù)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(xué)儀器的新發(fā)展11圖像融合與多模式復(fù)合成像12分子核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備核醫(yī)學(xué)(NM)臨床NM基礎(chǔ)NM診斷NM治療NM體內(nèi)invivo體外Invitro顯像imaging非顯像nonmaging體內(nèi)診斷，把放射性核素引入活體內(nèi)，進(jìn)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(jìn)行放射性免疫測量或活化分析?；A(chǔ)核醫(yī)學(xué)為臨床核醫(yī)學(xué)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。它以研究正常的和病態(tài)的生命現(xiàn)象為主要內(nèi)容，在免疫學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳工程等新興學(xué)科的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。核醫(yī)學(xué)的工作領(lǐng)域2.核醫(yī)學(xué)的基本原理及特點(diǎn)（1）同位素示蹤原理放射性核素及其標(biāo)記物構(gòu)成放射性藥物。它們保持著對應(yīng)穩(wěn)定核素或被標(biāo)記藥物的生物學(xué)特性，能夠正常參與機(jī)體的物質(zhì)代謝。將放射性藥物引入人體以后，它所產(chǎn)生的γ射線能穿出機(jī)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(yùn)、攝取和排泄的過程，獲得病人的生理學(xué)和臟器功能方面的信息，揭示細(xì)胞中的新陳代謝過程，洞悉生命現(xiàn)象的本質(zhì)、疾病的發(fā)病原因和藥物的作用機(jī)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(diǎn)，成為影像醫(yī)學(xué)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(guān)組織與器官先發(fā)生生化、代謝、血流與功能性改變，在經(jīng)過一定的功能代償期或潛伏期后，才發(fā)展成器質(zhì)性病變，出現(xiàn)組織與器官形態(tài)學(xué)變化（如出現(xiàn)異常結(jié)節(jié)、腫塊，密度改變，器官體積增大或縮小）和其它臨床癥狀。核醫(yī)學(xué)能在發(fā)生臟器形態(tài)改變之前發(fā)現(xiàn)功能的變化。與疾病發(fā)生時的情況相對應(yīng)，當(dāng)疾病治愈、康復(fù)時，相關(guān)組織與器官的功能恢復(fù)也往往滯后于疾病的治愈。在疾病的康復(fù)期，監(jiān)測和確認(rèn)病愈組織與器官的功能恢復(fù)情況，對于疾病的康復(fù)指導(dǎo)和愈后評價是十分有效和重要的。核醫(yī)學(xué)對于心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、腫瘤等嚴(yán)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(yù)后估價中起著十分重要的作用。核素輻射的α、β、γ能導(dǎo)致物質(zhì)電離，損傷細(xì)胞分子，破壞特定細(xì)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(biāo)記物引入病灶，進(jìn)行內(nèi)照射，達(dá)到抑制或破壞病變組織的目的。作為非手術(shù)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(biāo)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(nèi)照射治療。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(xì)胞或部分“割除”亢進(jìn)的甲狀腺組織，達(dá)到治療功能自主性甲狀腺腺瘤、功能性甲狀腺癌轉(zhuǎn)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(yīng)和內(nèi)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(yīng)，將發(fā)射β-粒子或α粒子的放射性核素導(dǎo)向腫瘤抗原部位，實(shí)現(xiàn)對瘤體的內(nèi)照射治療。例如用131I抗腫瘤壞死單克隆抗體（TNT）治療肝癌、肺癌和淋巴瘤。受體介導(dǎo)的靶向放射性核素治療和基因介導(dǎo)的靶向放射性核素治療是當(dāng)今核素治療的發(fā)展方向，如用90Y-Octrotide治療神經(jīng)內(nèi)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(nèi)照射治療的生物物理學(xué)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(nèi)照射治療的放射性藥物，研究施予的放射性核素活度與細(xì)胞水平上的輻射吸收劑量的關(guān)系，估量輻射的生物學(xué)效果，對核素靶向內(nèi)照射治療的安全性和有效性是非常重要的。除靶向內(nèi)照射治療外，放射性膠體腔內(nèi)治療將放射性膠體注入病人體腔（如胸腔、腹腔、膀胱、關(guān)節(jié)腔等），使膠體顆粒附著在體腔內(nèi)壁和腫瘤組織表面，所發(fā)射的β-粒子對滲出液內(nèi)的游離癌細(xì)胞和散播在漿膜表面的腫瘤結(jié)節(jié)進(jìn)行照射，達(dá)到預(yù)防手術(shù)后腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)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(nèi)，進(jìn)行局部照射。通過導(dǎo)管將核素送入冠狀動脈內(nèi)進(jìn)行照射，可以防止PTCA支架等介入治療導(dǎo)致的血管再狹窄。前列腺增生放射性核素尿道內(nèi)置入治療是近年發(fā)展起來的新技術(shù)。最近美國有人證實(shí)18F-FDG在腫瘤中滯留明顯，認(rèn)為腫瘤局部注射18F-FDG是抑制腫瘤生長的有效方法。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(jìn)入μCi級，并能進(jìn)行幅度分析。定標(biāo)器，單道、多道脈沖幅度分析技術(shù)導(dǎo)致功能測量儀和掃描機(jī)的誕生。產(chǎn)生了影像核醫(yī)學(xué)，大大提高了診斷的準(zhǔn)確性。1953年美國首先成立了核醫(yī)學(xué)學(xué)會（SocietyofNuclearMedicine），從而確立了核醫(yī)學(xué)這門學(xué)科。大量的物理、化學(xué)工作者進(jìn)入核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，與醫(yī)生們共同研究開發(fā)核醫(yī)學(xué)的診斷、治療方法和設(shè)備。飛越（五十年代末～六十年代末）1958年HalO.Anger發(fā)明單晶體γ相機(jī)，它靈敏度高，分辨率好，可以拍攝動態(tài)影像，從而把形態(tài)和功能結(jié)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(jì)算機(jī)技術(shù)引入核醫(yī)學(xué)，使得測量、分析自動化，還實(shí)現(xiàn)了多門控?cái)?shù)據(jù)采集等方法。掃描機(jī)、γ相機(jī)使用了圖像處理系統(tǒng)以后提高了圖像質(zhì)量，核醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)—功能性顯像得到更充分發(fā)揮?，F(xiàn)代化（八十年代末～今）建立了放射性核素的發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層重建術(shù)，顯像從二維進(jìn)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(rèn)識思維的本質(zhì)，進(jìn)行分子生物學(xué)和分子核醫(yī)學(xué)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(biāo)記的顯像劑、受體、抗體、多肽廣泛應(yīng)用，201Tl、123I、113In、和11C、13N、15O、18F進(jìn)入臨床。4.核醫(yī)學(xué)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的地位

隨著尖端技術(shù)向醫(yī)學(xué)滲透，產(chǎn)生了影像醫(yī)學(xué)這一強(qiáng)有力的手段。在影像醫(yī)學(xué)的四大分支中（X光、超聲、核醫(yī)學(xué)、核磁共振），核醫(yī)學(xué)占據(jù)著其他方法不可替代的位置，它使人們能得到體內(nèi)分子水平的早期病變的圖像。在發(fā)達(dá)國家里，γ相機(jī)、SPECT已是醫(yī)院的常規(guī)設(shè)備，PET也全面進(jìn)入臨床，住院病人中1/3以上使用核醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)。當(dāng)前，核醫(yī)學(xué)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。在美國，立法規(guī)定每年舉行一次核醫(yī)學(xué)周；病床在250張以上的醫(yī)院，如果沒有核醫(yī)學(xué)人員和設(shè)備就不準(zhǔn)開業(yè)。5.我國的核醫(yī)學(xué)的概況

目前，核醫(yī)學(xué)已經(jīng)成為我國醫(yī)學(xué)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(xué)科或核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，上千家醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用同位素技術(shù)。全國現(xiàn)有核醫(yī)學(xué)工作者5600多人，核醫(yī)學(xué)會會員達(dá)4500多人，還有一支從事核醫(yī)藥研究和應(yīng)用的隊(duì)伍。我國核醫(yī)學(xué)己經(jīng)成為一個獨(dú)立的二級醫(yī)學(xué)學(xué)科，核醫(yī)學(xué)的整體水平有了很大提高。據(jù)05年統(tǒng)計(jì)，3我國現(xiàn)有510臺SPECT、65臺PET或PET/CT、50臺回旋加速器。10年，SPECT和PET裝機(jī)量都超過百臺。我國的大型核醫(yī)學(xué)設(shè)備擁有量在亞太地區(qū)僅次于日本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過居第三、四位的澳大利亞和韓國。6.核醫(yī)學(xué)的技術(shù)基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)綜合了核物理、放射化學(xué)、藥學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科，它與工程技術(shù)的關(guān)系比其它醫(yī)學(xué)專業(yè)都密切。核醫(yī)學(xué)在技術(shù)上以放射性藥物和核醫(yī)學(xué)儀器為基礎(chǔ)，它們的發(fā)展是推動核醫(yī)學(xué)進(jìn)步的動力。核醫(yī)學(xué)儀器放射性藥物核醫(yī)學(xué)臨床醫(yī)學(xué)隨著衰變進(jìn)行，樣品中放射性核素逐漸減少，放射性強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)規(guī)律下降A(chǔ)=Aoe-λt，λ為核素的衰變常數(shù)（一個放射性原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率）。放射性強(qiáng)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(zhì)子和兩個中子構(gòu)成的氦原子核；β-輻射就是電子流；γ射線的本質(zhì)電磁波，由于它的波長比可見光更短，有更強(qiáng)烈的粒子性表現(xiàn)，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·伏特（electronvolt）來量度，1eV就是電子經(jīng)過1伏特的電場加速所獲得的能量。核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同，而處在不同能量狀態(tài)的核素互稱同質(zhì)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(zhì)異能躍遷（isomerictransition，IT）。2.同質(zhì)異能素與γ輻射

(5)放射性藥物應(yīng)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(xué)狀態(tài)中的放射性核素占總放射性的比例）和化學(xué)純度（無其他化學(xué)物質(zhì)，包括輻射分解產(chǎn)物的存在）。為了保證病人的安全，放射性核素及其衰變產(chǎn)物的生理、生化作用應(yīng)該對機(jī)體無害，毒理效應(yīng)小，作為藥物還應(yīng)符合藥典或國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。(6)放射性藥物的生化特性應(yīng)適合被測器官或組織顯像：在聚集在靶器官以前，在體內(nèi)不發(fā)生代謝；藥物引入體內(nèi)后，應(yīng)給出較高的靶對非靶的活度比值。99mTc（technetium锝），經(jīng)IT衰變產(chǎn)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(xué)研究。131I（iodine，碘），衰變產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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）。5.醫(yī)學(xué)放射性核素的制備方法

利用反應(yīng)堆（nuclearreactor）(1)將穩(wěn)定核素置于反應(yīng)堆的孔道中受中子流照射，經(jīng)中子活化反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素。有兩類反應(yīng)：一類過程用表示，靶與產(chǎn)物是同一元素的同位素。另一類過程用表示，靶與產(chǎn)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(chǎn)物，如99Mo、131I、133Xe、等。利用回旋加速器（cyclotron）許多重要的核素、尤其是“缺中子”核素必需用回旋加速器產(chǎn)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（babycyclotron）已成為PET的配套設(shè)備，國外有十余種規(guī)格醫(yī)用小型回旋加速器生產(chǎn)。

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(jīng)過衰變產(chǎn)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(jīng)一定時間達(dá)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近似認(rèn)為是無窮大，那么在足夠長時間內(nèi)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(dá)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(jì)算得到22.8小時，而達(dá)到過渡平衡后，99mTc與99Mo的活度比為0.9636。6.射線與物質(zhì)的作用α、β是帶電粒子，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(zhuǎn)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(dǎo)致熒光輻射，而電子由光電效應(yīng)獲得的動能在與周圍物質(zhì)的作用中迅速耗散。γ光子的本質(zhì)為電磁波，它與物質(zhì)作用的機(jī)理主要有以下三種：(1)光電效應(yīng)（photo-electriceffect）PhotoelectricEffectphoto-electronphotonhvKLMTheincidentphotonisabsorbedbytheatom,anelectron(e.g.K-shell)isejectedwithakineticenergyequaltohv–EK.Thevacancyisfilledbyanoutershellelectron(e.g.L-shell),therebyemittingacharacteristicx-raywithenergyEK-EL.Alternatively,insteadofthecharacteristicx-ray,anAugerelectron(e.g.M-shell)isejected,withkineticenergyofEK-EL-EM.Characteristicx-rayAugerelectronPhotoelectricmassattenuationcoefficient

1100.10.01Photonenergy(MeV)0.010.1110100photoelectricmassattenuationcoefficient(,cm2/g)K-shellbindingenergy~88keVL-shellbindingenergy~15keVleadwater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(shù)Z高的吸收體（如鉛、鎢）發(fā)生光電效應(yīng)的幾率相當(dāng)大，Z低的物質(zhì)（如鋁）發(fā)生光電效應(yīng)的幾率十分小。光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與電子能量的3次方成反比。(2)康普頓散射（Comptonscattering）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(yùn)動方向改變，能量減少。ComptonScatteringhv’Incidentphotoninteractswitha‘free’electron.TheelectronisejectedatanglewithkineticenergyT.Thephotonisscatteredatanglewithareducedenergyhv’.hve-(Comptonelectron)TKinematics: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E0=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(zhì)量，c為光速，m0c2=0.511MeV。γ射線穿過物質(zhì)時，因康普頓散射引起的強(qiáng)度減弱正比于單位體積內(nèi)的電子數(shù)，即正比于原子序數(shù)Z和單位體積內(nèi)的原子數(shù)N的乘積Z×N。(3)電子對生成（pairproduction）能量大于1.022MeV的光子經(jīng)過原子核場，轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負(fù)電子，γ光子消失。PairProductionintheNuclearFieldThephotoninteractswiththeelectromagneticfieldofthenucleusandgivesupallitsenergyintheprocessofcreatingapairofelectron(e-)andpositron(e+).hv>1.022MeVe-(electron)Sincetherestmassenergyofeachparticleis0.511MeV,thephotonenergymustbegreaterthan1.022MeVforthisinteractiontohappen.Thetotalkineticenergycarriedbythepairis(hv–1.022)MeV.e+(positron)T-T+PairProduction–distributionT+

+T-

=hn–

1.022MeVDuetothenuclearrepulsionofthepositronandattractionoftheelectron,theaverageenergyofthepositron(T+)isslightlygreaterthanthatoftheelectron(T-).EnergyDistribution:AngularDistribution:Forhn>>2m0c2,theaverageanglebetweentheincidentphotonandthecreatedelectronis<>~m0c2/<T>PairProduction–crosssectionPairproductioncoefficientincreaseswithphotonenergy.1010010.10.11PairproductioncoefficientPhotonenergy(MeV)akZ2Theatomicattenuationcoefficient(cm2/atom):/r=akNA/A Z2/A ZThemassattenuationcoefficient(cm2/g):發(fā)生電子對生成的幾率隨物質(zhì)的原子序數(shù)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(zhì)，而且能量越高的γ射線穿透物質(zhì)的能力越強(qiáng)。對于能量為140keV的γ射線來說，46mm厚的人體組織才使它的強(qiáng)度衰減一半，0.9mm的鉛便可使它的強(qiáng)度衰減10倍。強(qiáng)度為I0的γ光子束流穿過物質(zhì)時，一部分光子與物質(zhì)發(fā)生作用，被散射或吸收掉，穿出厚度為x的物質(zhì)后，γ光子流強(qiáng)度被衰減為I=I0e-μx。其中μ線衰減系數(shù)（linearattenuationcoefficient，單位cm-1

），它與吸收物質(zhì)的密度ρ（單位g/cm3）有關(guān)，定義/為質(zhì)量衰減系數(shù)m（massattenuationcoefficient，單位cm2/g）。7.物質(zhì)對γ射線的衰減質(zhì)量衰減系數(shù)主要是上述三種效應(yīng)的衰減系數(shù)之和，μm＝τ+σ+κ。光電效應(yīng)衰減系數(shù)τ∝Z3~4/E3，低能γ光子和重元素原子作用時光電效應(yīng)顯著。康普頓散射效應(yīng)衰減系數(shù)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(shù)的物質(zhì)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(shù)κ∝Z2×lnE，高能光子經(jīng)過重元素核場時才有電子對生成效應(yīng)。右圖表示不同能量（E）的γ光子在不同原子序數(shù)（Z）的吸收物質(zhì)中主要的作用機(jī)制。核醫(yī)學(xué)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(jī)制是光電效應(yīng)。RelativeImportanceof

VariousTypesofInteractions1100.10.01Photonenergy(MeV)0.010.1110100Massattenuationcoefficient(cm2/g)K-shellbindingenergy~88keVL-shellbindingenergy~15keVleadwater3MeV~50MeVTheInteractionofPhotonswithMatterInradiologicalphysics,therangeofenergiesofinterestisfrom1keVto~50MeV.Withinthisrange,thefollowingtypesofinteractionwithmatterarerelevant.IncreasingenergyoftheincomingphotonTypeofinteractionPhotoelectriceffect()ScatteringPairproduction()Coherent(coh)Compton(inc)Outgoingparticles1electron,characteristicx-raysoraugerelectrons1photon1electron,1photon(reducedenergy)1positron,1electronRemarksDominanteventfordiagnosticapplicationsNoenergyloss,smallanglescatteringDominanteventfortherapeuticapplicationsOnlyimportantforhigh-Zmaterialscoh+inc+PhotonBeamAttenuation(narrowbeam)Incidentphotonfluencetransmittedphotonfluencescatteredphotons

detectorcollimator

isthelinearattenuationcoefficient.Itrepresentsthefractionofphotonsthatinteractperunitthicknessofattenuator,ortheprobabilityofinteractionperunitpathlengthintheattenuator.(1/m)dependsonthephotonenergyandthematerial.8.γ射線探測器NaI(Tl)晶體鋁殼反光粉光學(xué)窗磁屏蔽γ射線光電倍增管閃爍探測器的構(gòu)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(chǎn)生可見光，其強(qiáng)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(zhuǎn)換成電流脈沖。電流脈沖幅度與閃光的強(qiáng)度成正比，也與入射的γ光子的能量成正比。光電倍增管(1)閃爍晶體（scintillationcrystal）NaI(Tl)的密度大（ρ=3.67g/cm3），又含有高原子序數(shù)（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(zhuǎn)變成可見光，光產(chǎn)額高（30～40photons/keV），探測靈敏度高。NaI(Tl)晶體對它產(chǎn)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(dá)10-6s，能滿足高計(jì)數(shù)率的要求，因此核醫(yī)學(xué)儀器廣泛使用NaI(Tl)閃爍探測器。γ光子在閃爍晶體中發(fā)生光電效應(yīng)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（photomultipliertube）PMT是一種電子管。光學(xué)光子在