第二章放射性測(cè)量

第二章放射性測(cè)量

§1放射性測(cè)量儀器

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

一、基本原理放射性測(cè)量儀器是核醫(yī)學(xué)工作中的必備條件，各種核醫(yī)學(xué)儀器探測(cè)的基本原理都是以射線與物質(zhì)的相互作用為基礎(chǔ)，將輻射量轉(zhuǎn)化為其他可測(cè)量的物理量，現(xiàn)代的探測(cè)器，多數(shù)最后是轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，然后用電子儀器測(cè)量和紀(jì)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(jié)構(gòu)放射性測(cè)量儀器一般可分為兩部分：（1）探測(cè)器（探頭）：將輻射量轉(zhuǎn)化為其他可觀察量的轉(zhuǎn)換器。（2）后續(xù)電子線路：對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分析和記錄。（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和輔助設(shè)備。

按射線探測(cè)器探測(cè)原理的不同可分為三大類：①氣體電離探測(cè)器：僅用于某些防護(hù)監(jiān)測(cè)儀，如GM計(jì)數(shù)管等。②閃爍探測(cè)器：是目前核醫(yī)學(xué)中最常用的射線探測(cè)器。③半導(dǎo)體探測(cè)器：主要用于活化分析時(shí)分析γ譜。

（一）固體閃爍計(jì)數(shù)器整體結(jié)構(gòu)由固體閃爍探測(cè)器、后續(xù)電子線路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和輔助結(jié)構(gòu)組成。1、固體閃爍探測(cè)器是將γ射線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，既可探測(cè)射線強(qiáng)度，又可測(cè)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(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖（1）閃爍體主要有無機(jī)晶體、有機(jī)晶體和塑料有機(jī)閃爍體三類。無機(jī)晶體閃爍體是人工加入少量雜質(zhì)（激活劑）的無機(jī)鹽晶體，如NaI(Tl)晶體。NaI(Tl)晶體對(duì)γ射線探測(cè)效率可高達(dá)80%，是目前γ射線樣品測(cè)量中探測(cè)效率最理想、最常用的一種探測(cè)器。（2）光收集系統(tǒng)

包括反射層、光學(xué)偶合劑和光導(dǎo)。反射層把閃爍體向四周發(fā)射的光有效地收集在一個(gè)方向上，同時(shí)起密封作用。光學(xué)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(dǎo)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(hào)轉(zhuǎn)換和倍增的器件。（4）前置放大器對(duì)光電倍增管輸出端的信號(hào)進(jìn)行跟蹤放大，同時(shí)與后續(xù)分析電路的阻抗匹配，以減少信號(hào)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(jì)數(shù)率。2、固體閃爍計(jì)數(shù)器后續(xù)電子線路（1）主放大器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和整形。（2）甄別器和脈沖高度分析器探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)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(gè)設(shè)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(yīng)下一級(jí)電路工作的要求。

PHA是由上、下兩個(gè)甄別器和一個(gè)反符合線路組成，其工作原理是：兩個(gè)甄別器分別設(shè)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(hào)通過，并送至下級(jí)電路?？梢奝HA實(shí)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(cè)射線的能量分布（能譜）。3、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、輔助結(jié)構(gòu)和電源計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要作用是適時(shí)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(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)控制。

由于儀器使用的目的、運(yùn)行的方式不同而具有不同的輔助結(jié)構(gòu)，比如全自動(dòng)γ計(jì)數(shù)器的自動(dòng)換樣裝置。放射性測(cè)量儀器的電源分為兩類，一類是直流高壓電源，對(duì)于閃爍探測(cè)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(xué)線路、計(jì)算機(jī)、輔助設(shè)備運(yùn)行使用。（二）液體閃爍計(jì)數(shù)器由探測(cè)器、后續(xù)電子線路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和輔助結(jié)構(gòu)等組成。其特點(diǎn)是：閃爍體是裝在測(cè)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(jìn)行測(cè)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(duì)低能β射線的探測(cè)效率。1、液體閃爍探測(cè)器（1）液體閃爍體液體閃爍體由溶劑和溶于溶劑中的有機(jī)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(duì)，中間為樣品室。（3）光收集系統(tǒng)同固體閃爍探測(cè)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(gè)光電倍增管輸出的同步信號(hào)疊加，使脈沖高度增高和相對(duì)穩(wěn)定。（3）線性門電路：防止脈沖信號(hào)畸變（4）主放大器：同固體閃爍探測(cè)器（5）脈沖幅度分析器：為多道脈沖幅度分析器，同時(shí)記錄幅度不同的脈沖。道數(shù)越多，對(duì)幅度不同的脈沖分辨率越高。3、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和輔助結(jié)構(gòu)和電源除與固體閃爍探測(cè)器相似外，還包括淬滅校正的軟件和一個(gè)外標(biāo)準(zhǔn)源。所謂外標(biāo)準(zhǔn)源是一個(gè)固體γ源，有足夠長的半衰期和放射性活度，作淬滅校正用?！?γ射線的測(cè)量γ射線的測(cè)量包括γ射線的能量測(cè)量和計(jì)數(shù)測(cè)量，核醫(yī)學(xué)的測(cè)量對(duì)象一般都是已知核素，要求也主要是計(jì)數(shù)測(cè)量，因此，這里主要討論γ射線的計(jì)數(shù)測(cè)量。一、絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量

絕對(duì)測(cè)量(absolutecounting)：

不借助中間手段直接測(cè)量放射性活度。相對(duì)測(cè)量(relativecounting)：

用所測(cè)計(jì)數(shù)率的多少來反映放射性活度的大小，或先測(cè)定儀器的探測(cè)效率，將計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)化為放射性活度，是生物醫(yī)學(xué)中普遍采用的測(cè)量方法。具體步驟為：（1）測(cè)定儀器的探測(cè)效率：設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源的放射性活度為As（dpm），探測(cè)的計(jì)數(shù)率為Ns(cpm)，本底為Nb(cpm)，則探測(cè)效率E為：（Ns-Nb）/As×100%（2）測(cè)量樣品的衰變率：設(shè)樣品在相同的條件下測(cè)量的計(jì)數(shù)率為Nx(cpm)，則樣品的衰變率為：Ax=(Nx-Nb)/E(dpm)計(jì)數(shù)率：

指射線探測(cè)器在單位時(shí)間內(nèi)測(cè)量得到的脈沖信號(hào)數(shù)，用每秒計(jì)數(shù)(cps)或每分計(jì)數(shù)(cpm)表示。衰變率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)核衰變的次數(shù)，用dps或dpm表示。二、積分測(cè)量與微分測(cè)量

積分測(cè)量：用單道脈沖幅度分析器，把上甄別閾調(diào)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(cè)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?？梢猿ゴ蟛糠直镜祝欣谔岣邷y(cè)量的精密度，所以，絕大多數(shù)測(cè)量都選用微分測(cè)量的方式。三、γ射線測(cè)量的主要影響因素

影響γ射線測(cè)量的主要因素有：

1、幾何位置；樣品和探測(cè)器之間的相對(duì)位置叫作幾何位置。樣品與探測(cè)器的相對(duì)位置不同，所測(cè)得的計(jì)數(shù)率也不同，因此，相對(duì)測(cè)量時(shí)，只有保持樣品放射性分布均勻，形狀、大小、高低以及與探測(cè)器的相對(duì)位置嚴(yán)格一致，結(jié)果才具可比性。

2、樣品體積；樣品體積增加，漏計(jì)角增大，自吸收也增大，計(jì)數(shù)效率下降。因此，測(cè)量時(shí)需嚴(yán)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(qiáng)，與閃爍體作用產(chǎn)生光子的幾率越低，因此計(jì)數(shù)率也越低。4、儀器分辨時(shí)間；測(cè)量儀能分別記錄兩個(gè)相鄰脈沖之間的最短時(shí)間叫做分辨時(shí)間，若輸入的脈沖信號(hào)間期小于該分辨時(shí)間，儀器來不及反應(yīng)而漏計(jì)。漏計(jì)在測(cè)量較高放射性活度時(shí)的幾率更大。因此，高活度樣品測(cè)量，宜先取出部分稀釋后再測(cè)，所得結(jié)果需經(jīng)過體積校正，換算為原始樣品的計(jì)數(shù)率。一般井型計(jì)數(shù)器不宜測(cè)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(shí)所得到的計(jì)數(shù)率。固體閃爍計(jì)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(cè)量技術(shù)一、閃爍液與測(cè)量瓶（一）閃爍液主要由有機(jī)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(cè)放射性樣品，同時(shí)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(zhì)，能有效地接受溶劑分子傳遞的能量并在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生激發(fā)和退激，退激時(shí)釋放熒光光子。閃爍劑的化學(xué)名稱及化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)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(jìn)探測(cè)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(jìn)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(cè)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(xué)發(fā)光的雜質(zhì)；一些溶劑的互溶會(huì)導(dǎo)致顏色淬滅等，要注意配伍禁忌。（二）樣品測(cè)量瓶是被測(cè)物和閃爍液的容器，測(cè)量瓶加被測(cè)物和閃爍液組成了液體閃爍計(jì)數(shù)器的中心部件。對(duì)測(cè)量瓶的基本要求是：低鉀、對(duì)閃爍光有很好的透光度、化學(xué)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(cè)量方式和樣品制備（一）樣品的測(cè)量方式1、均相測(cè)量：樣品以真溶液形式存在于閃爍液中，測(cè)量誤差小，計(jì)數(shù)效率高，是理想的測(cè)量方式，特別適合脂溶性樣品的測(cè)量。

1）脂溶性樣品的測(cè)量含0.4%PPO的甲苯閃爍液。2）水溶性樣品的測(cè)量二甲苯︰乙二醇甲醚=7︰3含0.8%PPO應(yīng)該注意很多生物樣品有顏色，特別是黃色，會(huì)影響測(cè)量的效率，最好用H2O2等氧化劑脫色。2、非均相測(cè)量：測(cè)量瓶內(nèi)存在兩個(gè)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(gè)相可以是固-液相或液-液相。目前最常用的是固相測(cè)量和乳化液測(cè)量，用于非脂溶性樣品。1）固相測(cè)量用玻璃纖維濾片或纖維素脂濾膜收集細(xì)胞或其碎片等等，含0.4%PPO的甲苯閃爍液1~3ml。2）乳狀液測(cè)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(cè)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(xué)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(cè)量過程中，從射線能到光能，從光能到電能轉(zhuǎn)換的任何一步，受各種因素影響，總有部分能量損失，導(dǎo)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(cè)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(shí)，樣品本身對(duì)射線有不同程度的自吸收作用，導(dǎo)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(jié)構(gòu)及分子濃度有關(guān)。(3)化學(xué)淬滅：樣品中的各種成分或制備樣品時(shí)添加的一些成分（如消化物、助溶劑等）會(huì)吸收部分能量?；瘜W(xué)淬滅的程度還與淬滅物化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。(4)顏色淬滅：激發(fā)的閃爍劑分子退激時(shí)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(zhì)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(lán)色相對(duì)影響較小。（二）淬滅校正的方法產(chǎn)生淬滅的原因很多，導(dǎo)致不同樣品的探測(cè)效率不一致。需作淬滅校正才能相互比較計(jì)數(shù)率。淬滅校正就是要求出每一樣品的實(shí)際探測(cè)效率，再將其計(jì)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(biāo)準(zhǔn)源法、樣品道比法、外標(biāo)準(zhǔn)道比法、H數(shù)法等。

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

該方法較為準(zhǔn)確，特別適用于嚴(yán)重化學(xué)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(shí)，非常麻煩、費(fèi)時(shí)，且不能自動(dòng)化，樣品加入內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)照。

(2)樣品道比法(samplechannelratomethod,SCR)：(3)外標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜煩瑣，這里不作詳細(xì)敘述。(三)、化學(xué)發(fā)光和磷光1、化學(xué)發(fā)光(chemiluminescence)是由測(cè)量杯內(nèi)容物發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)所引起，持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)天。應(yīng)避免使用堿性或含過氧化物的物質(zhì)；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(xué)發(fā)光等方法來消除化學(xué)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。