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一、实验名称核医学仪器原理与应用实验二、实验日期2023年11月10日三、实验目的1. 了解核医学仪器的基本原理和结构。
2. 掌握核医学仪器的主要应用领域。
3. 学习核医学仪器在临床诊断和治疗中的作用。
4. 培养实验操作技能和数据处理能力。
四、实验原理核医学仪器利用放射性同位素发出的射线（如γ射线、β射线等）对人体进行成像或测量，从而实现对疾病的诊断和治疗。
本实验主要涉及以下原理：1. 闪烁探测原理：利用闪烁晶体将γ射线转换为可见光，再由光电倍增管转换为电信号，最终进行计数和成像。
2. 计数器原理：通过测量放射性同位素发出的射线数量，计算放射性活度。
3. 核医学成像原理：利用γ相机或SPECT等设备，对放射性同位素在体内的分布进行成像。
五、主要仪器与试剂1. 仪器：核医学仪器、闪烁晶体、光电倍增管、计数器、γ相机、SPECT等。
2. 试剂：放射性同位素、闪烁液、NaI(Tl)晶体等。
六、实验步骤1. 准备阶段：- 熟悉实验原理和仪器操作方法。
- 检查仪器设备是否正常。
2. 实验操作：- 将放射性同位素溶液注入闪烁晶体中，观察闪烁现象。
- 将闪烁晶体与光电倍增管连接，进行计数实验，测量放射性活度。
- 利用γ相机或SPECT进行成像实验，观察放射性同位素在体内的分布。
3. 数据处理：- 记录实验数据，包括放射性活度、计数率等。
- 对实验数据进行统计分析，计算相关参数。
4. 实验报告撰写：- 总结实验结果，分析实验现象。
- 讨论实验过程中遇到的问题及解决方法。
- 提出实验改进建议。
七、实验结果1. 观察到闪烁晶体在放射性同位素的作用下产生闪烁现象。
2. 通过计数实验，测得放射性活度为X mCi。
3. 利用γ相机或SPECT进行成像实验，观察到放射性同位素在体内的分布情况。
八、讨论1. 本实验验证了核医学仪器的基本原理，证明了闪烁探测和计数器的有效性。
2. 实验过程中，观察到放射性同位素在体内的分布情况，为进一步的临床诊断和治疗提供了依据。
核医学仪器是用于诊断、治疗和研究核医学领域的设备。
它们基于放射性同位素的放射性衰变和放射性粒子的相互作用，通过测量和检测放射性信号来获取有关组织、器官或生物过程的信息。
以下是几种常见核医学仪器的基本原理：
伽马摄像机（Gamma Camera）：伽马摄像机是一种用于核医学显像的仪器。
它利用放射性同位素释放的伽马射线与探测器（如闪烁晶体）发生相互作用。
当伽马射线通过闪烁晶体时，晶体会发出闪烁光，探测器接收并转换为电信号。
通过分析和处理这些电信号，可以重建出图像，显示出放射性同位素在体内的分布情况。
单光子发射计算机断层摄影（SPECT）：SPECT是一种核医学显像技术，通过使用一台旋转的伽马摄像机来获取多个角度的图像数据。
通过伽马射线与探测器的相互作用，获得关于放射性同位素在体内分布的信息。
然后，通过计算和重建处理，生成三维的断层图像，用于诊断和研究。
正电子发射计算机断层摄影（PET）：PET是一种核医学显像技术，利用正电子放射性同位素与电子相遇时产生的正电子湮灭事件。
正电子与电子相遇后，会发生湮灭，释放出两个伽马射线。
通过在患者体内放置一组环形探测器，可以检测到伽马射线的事件并记录下来。
通过计算和重建处理，生成高分辨率的三维图像，用于诊断和研究。
这些仪器的基本原理是利用放射性同位素的放射性衰变和放射性粒子与物质的相互作用。
通过测量和记录放射性信号，并进行计算和重建处理，可以获得有关组织、器官或生物过程的定量和定位信息，对疾病诊断、治疗和研究提供支持。
核医学仪器探测的基本原理(一)核医学仪器探测的基本核医学仪器在现代医学诊断与治疗中发挥着重要的作用。
它可以利用不同核素的放射性衰变来实现对人体内部疾病的探测和诊断。
本文将从浅入深，介绍核医学仪器探测的基本原理。
1. 核医学仪器的分类核医学仪器可以按照其测量手段的不同进行分类。
主要分为放射性核素探测器和影像形成器。
1.1 放射性核素探测器放射性核素探测器用于检测和测量放射性核素发出的射线。
常见的放射性核素探测器有闪烁探测器、半导体探测器和气体探测器等。
1.2 影像形成器影像形成器是核医学仪器检测结果的可视化工具。
常见的影像形成器有闪烁摄影机、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）等。
2. 核医学仪器的工作原理核医学仪器的工作原理基于放射性核素的衰变特性和射线的相互作用规律。
2.1 放射性核素的衰变特性放射性核素具有不稳定的原子核，会自发地发出射线以转变为稳定的核或其他核素。
常见的射线有阿尔法（α）、贝塔（β）和伽马（γ）射线。
2.2 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用决定了仪器如何检测和测量放射性核素发出的射线。
主要的相互作用过程有闪烁、电离和散射等。
2.3 仪器的工作流程核医学仪器的工作流程一般包括以下步骤： - 放射性核素的制备和标记 - 患者的内部摄取或注射放射性核素 - 探测器的检测和测量- 数据的处理和图像的重建3. 核医学仪器的应用核医学仪器在医学领域有着广泛的应用。
3.1 肿瘤检测与诊断通过给患者注射放射性核素，核医学仪器可以检测到肿瘤的存在并进行定位，提供有关肿瘤的生物学特征和活动状态的信息。
3.2 心血管疾病诊断核医学仪器可以通过检测心肌血液灌注、心肌代谢和心功能等指标，帮助诊断心血管疾病，如冠心病、心肌梗死等。
3.3 神经系统疾病诊断核医学仪器可以通过检测脑代谢、脑血流和神经受体等指标，帮助诊断神经系统疾病，如脑肿瘤、帕金森病等。
3.4 其他应用领域核医学仪器还可应用于骨科、内分泌学、肾脏病等领域的诊断和疾病监测。
第二章核医学仪器核医学仪器是指在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间分布等一大类仪器设备的统称，它是开展核医学工作的必备要素，也是核医学发展的重要标志。
根据使用目的不同，核医学常用仪器可分为脏器显像仪器、功能测定仪器、体外样本测量仪器以及辐射防护仪器等，其中以显像仪器最为复杂，发展最为迅速，在临床核医学中应用也最为广泛。
核医学显像仪器经历了从扫描机到γ照相机、单光子发射型计算机断层仪（single photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射型计算机断层仪（positron emission computed tomography，PET）、PET/CT、SPECT/CT 及PET/MR的发展历程。
1948年Hofstadter开发了用于γ闪烁测量的碘化钠晶体；1951年美国加州大学Cassen成功研制第一台闪烁扫描机，并获得了第一幅人的甲状腺扫描图，奠定了影像核医学的基础。
1957年Hal Anger研制出第一台γ照相机，实现了核医学显像检查的一次成像，也使得核医学静态显像进入动态显像成为可能，是核医学显像技术的一次飞跃性发展。
1975年M. M. Ter-Pogossian等成功研制出第一台PET，1976年John Keyes和Ronald Jaszezak 分别成功研制第一台通用型SPECT和第一台头部专用型SPECT，实现了核素断层显像。
PET由于价格昂贵等原因，直到20世纪90年代才广泛应用于临床。
近十几年来，随着PET/CT的逐渐普及，实现了功能影像与解剖影像的同机融合，使正电子显像技术迅猛发展。
同时，SPECT/CT及PET/MR的临床应用，也极大地推动了核医学显像技术的进展。
第一节核射线探测仪器的基本原理一、核射线探测的基本原理核射线探测仪器主要由射线探测器和电子学线路组成。
射线探测器实质上是一种能量转换装置，可将射线能转换为可以记录的电脉冲信号；电子学线路是记录和分析这些电脉冲信号的电子学仪器。
射线探测的原理是基于射线与物质的相互作用产生的各种效应，主要有以下三种。
1．电离作用射线能引起物质电离，产生相应的电信号，电信号的强度与射线的种类、能量及射线的量存在一定关系，记录并分析这些电信号即可得知射线的种类及放射性活度。
如，电离室（ionization chamber）、盖革计数器（Geiger-Müller counter）等。
2．荧光现象带电粒子能使闪烁物质发出荧光。
γ光子在闪烁体中通过产生光电子、康普顿电子和电子对激发闪烁物质发出荧光。
荧光光子经过光电倍增管转换为电信号并被放大，由后续的电子学单元分析、记录下来。
如，闪烁计数器等。
3．感光作用射线可使感光材料中的卤化银形成潜影，在进行显影处理时，将潜影中的感光银离子还原为黑色的金属银颗粒，感光材料形成黑色颗粒的数量与射线的量成正比。
根据感光材料产生黑影的灰度及位置判断放射性存在的量及部位。
如，放射自显影等。
二、核射线探测器的种类核射线探测仪器根据探测原理主要分为闪烁型探测器（scintillation detector）、电离型探测器（ionization detector）、半导体探测器和感光材料探测器。
闪烁型探测器主要用于核医学显像仪器、功能测定仪器，体外β、?射线测量仪器等；电离型探测器主要用于测定放射源活度和辐射防护仪器。
（一）闪烁型探测器闪烁型探测器是利用射线使荧光物质分子激发，激发态（excited state）的荧光物质分子回复到基态（ground state）时发射荧光光子的原理设计的探测器。
闪烁型探测器由闪烁体、光导、光电倍增管等组成。
是核医学仪器中应用最广泛的探测器。
1．闪烁体（scintillator）闪烁体吸收射线能量后，闪烁体内的分子或原子被激发，并在回复到基态时发射荧光光子。
闪烁体依据形态又分为固体闪烁探测器和液体闪烁探测器，其中晶体闪烁探测器（crystal scintillation detector）是核医学仪器最常用的固体闪烁探测器。
液体闪烁探测器主要用于低能β射线、低能?射线及契伦科夫效应等测量，称为液体闪烁测量。
晶体闪烁探测器的材料选择，单光子探测多选用碘化钠晶体（NaI），在碘化钠晶体内按0.1% ~ 0.4%分子比加入铊（Tl）可以增加能量转换效率，提高探测效率。
因此，碘化钠晶体通常表示为NaI（Tl）。
碘化钠晶体透明度高、对射线吸收性能好、探测效率高，对核医学单光子显像最常用的核素99m Tc的 射线的探测效率可达到70% ~ 90%。
正电子探测选用锗酸铋（bismuth germanium oxide，BGO）晶体，硅酸镥（lutetium oxyorthosilicate，LSO）晶体及硅酸钇镥（lutetium yttrium orthosilicate，LYSO）晶体等。
2．光导（lightguide）光导主要有硅油和有机玻璃两种，填充于晶体闪烁探测器与光电倍增管之间，减少空气对荧光光子的全反射，提高荧光光子进入光电倍增管的效率。
3．光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）是一种能量转换装置，可将微弱的光信号转换成电流脉冲（图2-1）。
闪烁体发射的荧光光子经光学窗进入光电倍增管，在光阴极上打出光电子，离光阴极不远处的第一倍增极上加有200 ~ 400V的正电压，光电子被它吸引和加速，高速光电子撞在倍增极上会产生多个二次电子；二次电子又被加有更高电压（+50 ~ +150V）的第二倍增极吸引和加速，并在它上面撞出更多二次电子，然后第三倍增极使电子进一步倍增。
经过9 ~ 12个倍增极的连续倍增，二次电子簇流最后被阳极收集起来形成电流脉冲，每个倍增极的倍增因子一般为3 ~ 6，总倍增因子可以达到105 ~ 108。
从阳极上得到的电子簇流与进入光电倍增管的闪光强度成正比，因而也与入射闪烁晶体的γ 光子的能量成正比，所以闪烁探测器是一种能量灵敏探测器。
外界磁场能影响在倍增极之间飞行的二次电子的运动轨迹从而使倍增因子发生变化，因此在光电倍增管外面通常包裹着高导磁系数材料制造的磁屏蔽层以降低外界磁场的影响。
图2-1 光电倍Array增管工作原理随着科学技术的飞速发展，光电倍增管也出现了全新设计，通过将低功耗数字电路集成到硅光电倍增管芯片，这种硅光电倍增管可以将探测到的光子直接转换成可通过芯片计数的超高速数字脉冲。
硅光电倍增管可以实现更快、更准确的光子计数，以及更好的时间分辨率，对于改善核医学影像仪器的性能具有重要意义。
（二）电离型探测器电离型探测器是利用射线能使气体分子电离的原理设计的探测器，常采用玻璃、塑料或石墨等材料构成一个充满惰性气体的密闭的圆柱形管，管子的中央有一个金属丝为阳极（anode）与电源的阳极相连，管壁内衬一层薄金属为阴极（cathode）与电源阴极相连。
电离型探测器的工作原理是：射线使气体分子电离，在电场作用下，带正电荷的离子向阴极移动，带负电荷的离子向阳极移动，在电路中就可产生一次电压变化，形成一个电脉冲。
电脉冲的数量及电信号的强弱与射线的数量及能量呈一定关系。
电离型探测器主要有电离室、盖革计数器及正比计数器（proportional counter）等类型。
（三）半导体探测器半导体探测器是20世纪60年代开始发展起来的探测器，主要采用半导体材料，如硅、锗等。
探测原理是晶体内部产生电子和空穴对，产生的电子和空穴对的数量和入射光子的能量成正比。
带负电的电子和带正电的空穴分别向正负电极移动，形成的电脉冲，其强度与入射光子的能量成正比。
目前，国外新研制出半导体探测器为碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）探测器。
CZT探测器探测效率高，与传统的碘化钠闪烁体探测器相比，具有更高的能量分辨率。
在常温下，CZT半导体探测器可以直接将γ射线转化成电信号。
目前，CZT探测器已经用于心脏专用型SPECT、乳腺专用γ照相机、小动物PET、小动物SPECT等核医学仪器。
（四）感光材料探测器利用射线可使感光材料感光的原理探测射线，根据感光材料产生黑影的灰度及位置判断射线的量及部位。
主要用于实验核医学的放射自显影。
三、核探测器的电子学线路核探测器输出的电脉冲必须经过一系列电子学单元线路处理才能被记录和显示。
最基本的电子学线路有放大器、脉冲高度分析器、计数定量、记录、显示及供电线路等。
（一）放大器放大器包括前置放大器（preamplifier）和主放大器（main amplifier）两部分。
由探测器输出的电脉冲信号很弱小，而且形状也多不规整，需要放大整形后才能被有效的记录和显示。
放大器就是对电脉冲进行放大、整形、倒相的电子学线路。
（二）脉冲高度分析器脉冲高度分析器的基本电路是甄别器（discriminator ），其作用是将幅度超过一定阈值的输入脉冲转化为标准的数字脉冲输出，而把幅度小于阈值的脉冲“甄别”掉，这个阈值就称为甄别阈（discriminator threshold ），甄别阈的电位是连续可调的。
仪器的暗电流及本底计数也可产生脉冲信号，但其高度明显低于射线所产的脉冲信号，因此设置适当的阈值可减少本底对测量的影响。
甄别器的测量方式为积分测量。
实践中常将两个或多个甄别器联合使用，其中最简单、最常用的是单道脉冲高度分析器（single channel PHA ）（图2-2），它由上、下两路甄别器和一个反符合电路（anti-coincidence circuit ）组成。
如果下限甄别器的阈电压为V ，上限甄别器的阈电压为V+?V ，只有当输入脉冲的高度大于V 同时小于V+?V 时，才能触发反符合线路而输出，不符合这一条件者，就不能触发符合线路而不能输出。
这种测量方式称为微分测量。
如果将下限阈值V 与上限阈值V+?V 之间形成的阈值差?V 看成一个通道，上下两路甄别阈的差值称为道宽（channel width ），也称为能量窗宽。
根据待测放射性核素射线的能量调节脉冲高度分析器的高度和“道宽”或“窗宽”，选择性地记录目标脉冲信号，排除本底及其他干扰，可提高探测效率，脉冲高度分析器也可以用于测量射线的能谱。
图2-2 单道脉冲高度分析器工作原理 核射线探测仪器是由上述核射线探测器和电子学线路组成（图2-3）。
图2-3 放射性测量仪器的组成示意图 第二节 γ照相机γ照相机（γ camera ）于1957年由Hal Anger 研制成功，因此也称为Anger 型γ照相机。
γ照相机可以显示放射性药物在机体内的分布及代谢状况，获取放射性药物在特定脏器或组织内的转运和分布信息，以二维图像的方式反映特定脏器或组织功能及代谢变化。
