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第六章 放射性核素显像(RNI),约里奥-居里 法国核物理学家,约里奥-居里 法国核物理学家和化学家,第六章 放射性核素显像(RNI),照相,第六章 放射性核素显像(RNI),第一节 概述,第二节 原子核的放射性,第三节 原子核反应,第四节 射线探测,第五节 准直器,第六节 照相机和SPECT,第七节 正电子发射型计算机断层,第六章 放射性核素显像(RNI),第一节 概述,一、放射性核素显像的技术特点,二、核素示踪,三、放射性制剂,一、放射性核素显像的技术特点,放射核素 引入人体,参与人体新陈代谢,特定脏器组织中聚集,放射性活度 分布的外部测量,以图像形式显示 (功能性显像),半衰期短,核素数量少,灵敏度高,二、核素示踪,基本根据,放射性核素衰变时发射射线,利用高灵敏度放射性测量仪器可对其标记物质进行精确定性、定量及定位测量。,同一元素的同位素有相同化学性质,在生物体内生物化学变化过程完全相同,生物体不能区别同一元素的各个同位素,可用放射性核素来代替其同位素中的稳定性核素。,核素示踪技术的优越性,灵敏度高,测量方法简便,医学科学中应用广泛,射线直接体外测量,放射性示踪物质示踪量极少,不干扰机体正常生理生化过程,准确性高,放射性测量,10-14-10-18g,二、核素示踪,三、放射性制剂,放射性制剂(放射性药物),核医学诊断治疗,显影剂(imaging agent),RNI影像诊断,NaI中的131I,氟l8F脱氧葡萄糖,仅有示踪和辐射粒子作用,性质由其标记物决定,第二节 原子核的放射性,一、放射性衰变规律,二、放射性活度 (radioactivity),三、递次衰变,四、放射平衡,五、放射性核素发生器基本原理,六、放射性计数统计规律,一、放射性衰变规律,指数衰减规律,衰变常数,半衰期 (half life),描述放射性核素衰变快慢物理量,单位 s-1,特定能态放射核的数量自发核衰变减少到原来核数一半所需的时间,有效半衰期,平均寿命,人体内放射性核素总减少量,放射性核素平均存在时间,单位 s,则,一、放射性衰变规律,人体排泄作用使核素数量按指数规律 减少对应一个衰变常数称生物衰变常数,二、放射性活度 (radioactivity),单位时间内衰变的原子核数,放射性活度,单位,贝可(勒尔) Bq 1Bq=1s-1,居里(1Ci=3.71010Bq),毫居里(mCi) 微居里(Ci),核素一定,一定,AN,在体外测得活度值正比于体内对应位置放射性核素数目,核素显像基本原理之一,两种核素N相同不同,短寿命核素的活度大,A一定,满足体外测量一定活度 放射性核素寿命越短,所需数量越少,临床应用短寿命核素的原因,二、放射性活度 (radioactivity),三、递次衰变,第一代子核B衰变速率,递次衰变,第二代子核C稳定,第二代子核C不稳定,第i代子核衰变规律,三、递次衰变,四、放射平衡,1.暂时平衡,子核数量按母核衰变规律变化两者数目保持与t无关的暂时固定的比例。,各代核的数量比与时间无关,放射平衡,且,子核B数目达到最大值,最大值,时刻,四、放射平衡,2.长期平衡 且时间足够长t7T2,1N1=2N2 A1 =A2,四、放射平衡,对于多代的情况,只要母核半衰期远大于子核,则会出现这种长期平衡。整个系列达到长期平衡时,各代活度均相等。,母核半衰期比子核长得多 ,观察时间足够长 ,子核数目及活度达到饱和,其活度与母核相等。,四、放射平衡,3.不成平衡,母核半衰期远小于各代子核,经一定时间后,母核几乎全部转变为子核。其后,子核按自己的方式衰变。,四、放射平衡,五、放射性核素发生器基本原理,1.核素发生器中的放射平衡,母子体核素达到暂时平衡,足够长时间,分离子核获得子核最大放射性活度,当t不是很大时,母子体系会达到长期平衡,五、放射性核素发生器基本原理,1.核素发生器中的放射平衡,2.子核提取,子体核素放射性最大时,对子核进行提取,暂时平衡 时,长期平衡是 时,子核提取后,母子核体系处于不平衡状态下一个 或 又可对子核提取,“母牛” “挤奶”,五、放射性核素发生器基本原理,六、放射性计数统计规律,计数测量对象、环境不变,多次计数测量数值大小在一个数值上下起伏的现象,1.放射性计数的统计涨落,2.放射性计数的统计规律,放射性计数是大量随机事件统计平均的一种结果,计数较大趋向高斯分布,计数频数呈泊松分布,偶然误差的对称分布,第六节 照相机和SPECT,变异系数CV,一次测量,计数N,标准差s,s和CV反映测量值离散程度,重复测量结果68出现在N-s到N+s之间,一次性计数表示,六、放射性计数统计规律,计数率,标准误差,相对标准误差,计数率可表示为,六、放射性计数统计规律,可信度68%,根据误差传递法则,实际测量存在本底计数,净计数率,总计数率 本底计数率,计数率n出现在 到 之间的概率,六、放射性计数统计规律,第三节 原子核反应,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,三、中子核反应,四、医学放射性核素的来源,核反应,具有一定能量的粒子如氦核3He或4He() 氘核2H(d)、质子(p)、中子(n)、光子()等轰击原子核(靶核),使之转变为另一原子核,重核裂变,重原子核经中子轰击分裂为质量大致相等两部分和到个中子,同时放出大量热量,中子轰击235U反应,一、核反应的一般概念,一、核反应的一般概念,按入射粒子种类分,中子核反应、质子核反应、光反应轻离子核反应、重离子核反应,按入射粒子能量分,按靶核的质量分,轻核反应(A30)、中核反应(3090),低能核反应(1GeV),2. 核反应的类型,3.电子对湮灭,衰变中产生的大约在1.5mm之内的范围内与电子发生湮灭。据能量守恒和动量守恒,电子对湮灭过程中,必然产生一对飞行方向相反、能量为0.511MeV的光子即双光子。,所有核反应过程同核衰变一样严格遵守质量(能量)守恒、动量守恒、电荷数守恒等守恒定律,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,不带电 穿透强 易衰变(T=12min),热中子(E1eV),中能中子(1eVE0.1MeV),快中子可由易裂变核素 如233U、235U、239Pu 、 241Pu等产生。,快中子同含有一定量轻原子核(1H、2H、12C、9Be)的物质中的轻原子核碰撞,通过能量传递、速度减慢,直至与周围介质分子热运动达到平衡。,中子性质,分类,三、中子核反应,中子与原子核相互作用,中子核反应,首先获得中子源,自然界不存在自由中子,利用反应堆提供高通量中子流 照射靶材料生产放射性核素,四、医学放射性核素的来源,1.反应堆生产放射性核素,化学处理后生产出医用放射性核素,以235U和239Pu为核 燃料的反应堆,(n,f)裂变反应,裂变过程中产 生的中子(n)来 轰击靶物,(n,)、(n,p)、 (n,)、(n,2n)等 核反应,丰中子核素,第二节 原子核的放射性,2.回旋加速器生产医用放射性核素,短和超短寿命贫中子核素,回旋加速器加速,带电粒子p、d、3 He,轰击靶物质,产生核素,化学分离,高纯度的放射性核素,衰变电子俘获,照相机、SPECT和PET显像,四、医学放射性核素的来源,3.放射性核素发生器生产医用放射性核素,以长半衰期母体核素和短半衰期子体核素的“衰变生长”关系为基本原理,“母牛”装置,最常用,四、医学放射性核素的来源,第四节 射线探测,一、射线能谱,二、闪烁计数器,三、脉冲幅度分析器,射线射在NaI(Tl)晶体上,产生光电子、康普顿 散射电子等次级电子,这些电子在闪烁能谱仪 中形成计数,得到脉冲高度分布曲线(脉冲高度谱),每一种放射性核素都有自己特有的辐射能谱,测出射线能谱鉴定和分析放射性同位素,射线能谱,闪烁体 碘化钠(NaI(Tl)晶体,光电峰 能量最大的峰,表示核素的特征,第二节 原子核的放射性,一、射线能谱,99mTc的射线能谱,一、射线能谱,临床医学测量射线能谱主要意义,测定放射性同位素特定能量射线的计数率,检定放射性同位素或放射性药物,提高诊断结果的准确性,避免康普顿散射射线及其他射线干扰,与标准比较,异常光电峰,混有杂质,一、射线能谱,二、闪烁计数器,射线晶体内产生荧光,光导和反射器组成的光收集器将光子投射到光电倍增管光阴极上,击出光电子,光电子在光电倍增管内倍增、加速在阳极上形成电流脉冲,电流脉冲高度与射线能量成正比,电流脉冲个数与辐射源入射晶体的光子数成正比,即与辐射源的活度成正比。,测量原理,闪烁体 (NaI(Tl)晶体),光电倍增管,闪烁计数器的组成,二、闪烁计数器,光学收集系统,反射层,光学耦合剂,光 导,二、闪烁计数器,光电倍增管,三、脉冲幅度分析器,1.脉冲幅度甄别器,每一种放射性核素都有自己特有的辐射能谱。闪烁计数器产生的电流脉冲幅度和辐射光子能量成正比,测出脉冲幅度与计数关系曲线就等于测出辐射能谱。,高于阈值的脉冲通过并计数,剔出低于阈值的脉冲,逐步改变甄别阈值大小可以得到计数率随甄别阈值的变化曲线。,第二节 原子核的放射性,三、脉冲幅度分析器,脉冲幅度甄别器原理,2.单道脉冲幅度分析器,3.多道脉冲幅度分析器,直接测出幅度在VV+V之间脉冲计数,两个甄别器,差值V叫道宽。,下限甄别器甄别阈值V,上限甄别器阈值V+V,多个脉冲分析器,一次测量得出一个单道脉冲幅度分析器多次测量的结果,三、脉冲幅度分析器,第五节 准直器,一、准直器的作用,二、准直器的技术参数,一、准直器的作用,准直器(collimator),仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器,其他区域射线不得进入,排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空间对应关系。,准直器(collimator),仅局限于某一空间单元的射线能进入闪烁计数器,其他区域射线不得进入,排除干扰成像的射线,建立放射性核素与图像的空间对应关系。,一、准直器的作用,一、准直器的作用,视野(FOV),射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域,视野以外射线不能到达的区域,屏蔽区,视野(FOV),射线在准直器的作用下直接射入晶体的区域,视野以外射线不能到达的区域,屏蔽区,一、准直器的作用,1.灵敏度(sensitivity),射线通过准直器的效率,准直器的探测效率,取决于准直器几何尺寸(孔径、长度、焦距),2.空间分辨力,分辨两线源或点源的最小距离的倒数,定量评价,调制传递函数(MTF),两线源分辨距离R,半峰宽度(FWHM),二、准直器的技术参数,两线源分辨距离 R,两线源平行放置,用一带准直器探测器在垂直线源方向逐点探测计数,获得探测计数与探测位置的响应曲线。,线源相距较远,两个峰值,对应线源位置,线源距离恰可分辨,峰曲线叠加,一峰曲线最小值恰好落在 另一峰曲线最大值位置上,二、准直器的技术参数,2.空间分辨力,2.空间分辨力,二、准直器的技术参数,半峰宽度(FWHM),带准直器探测器沿垂直线源方向逐点计数 获得的响应曲线最大值一半处的曲线宽度,F 准直器焦距,d0 准直器孔径,L 准直器宽度,2.空间分辨力,系统将实物对比度MS转成图像对比度MI的传递效果,调制传递函数,系统将实物对比度MS转成图像对比度MI的传递效果,二、准直器的技术参数,2.空间分辨力,调制传递函数,空间频率较低,投影函数为周期变化的矩形波,
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