在生物醫學方面套用的核電子儀器。
基本介紹
- 中文名：生物醫學核電子儀器
- 外文名：Biomedical nuclear electronic instrument
- 時間：1923年
- 人物：G.C.赫維西
正文,
正文
發展概況 1923年，匈牙利化學家G.C.赫維西開始用放射性核素來示蹤化學反應和植物生理過程。不久，他又把這一方法推廣到生化反應、動物和人體生理過程的示蹤上去。基本方法是將生化分子中的某個原子用其放射性同位素取代，並使之參與生理活動，再通過測量放射性來示蹤這種生理過程。由於放射性γ輻射有貫穿性，這種測量可在體外進行，從而開闢了一個研究活體生命現象的新途徑。但是，由於當時放射性探測技術水平較低，這一方法沒能得到推廣。1947年，德國物理學家H.卡爾曼發明有機閃爍體和閃爍計數器。1948年，美國物理學家R.L.霍夫斯塔特發明高靈敏度和能測γ能量的閃爍體碘化鈉 (鉈)【NaI(Tl)】晶體並研究出相應的核電子學方法。60年代，醫院中廣泛採用這類碘化鈉型閃爍核電子儀器進行診斷，並發展成一門後來稱為“核醫學”的科別，出現了核醫學電子儀器的工業部門。美國物理學家R.S.耶洛用這種 NaI(Tl)核電子儀器發明了放射免疫診斷法，並獲得1977年諾貝爾獎。在這段時期中，美國物理學家 A.M.科馬克和英國電子工程師G.N.亨斯菲爾德也利用這類NaI(Tl)閃爍核電子儀器發明了X透視的計算機輔助橫斷層方法，他們為此獲得1979年諾貝爾獎。80年代,出現了對X和γ射線探測效率更高的鍺酸鉍(BGO)晶體和兼有 γ能量分辨和亞納秒時間分辨能力的氟化鋇(BaF2)晶體,更加豐富了以有機液體和NaI(Tl)晶體為基礎的核醫學電子儀器和方法。從50年代初開始，中國開展核電子學和核探測技術的研究，不久即開始生產核電子儀器。1976年，中國試製成功第一台γ照相機（圖1）。 類別 生物醫學核電子儀器分為四大類。
基礎生物醫學核電子儀器 主要用於測量14C、3H、P等基礎研究中常用的生命過程示蹤核素。這些核素放射低能β射線，一般穿不過探測器的壁，因而需要用薄窗探測器，或把樣品放入探測器中來測量。常用的有以下四種儀器。
① 液體閃爍計數器：包括各種性能的液體閃爍體，低螢光器皿，高靈敏、低噪聲、高解析度、高穩定性的雙鹼陰極光電倍增管，雙道脈沖幅度比分析電路，測量結果自動校正（如淬滅校正等）電路，大量樣品自動轉換機構和數據處理、測量控制的微計算機系統。
② 放射性層析掃瞄器：通過測量示蹤核素如3H、I等在層析紙上的分布,能快速分析放射性標記化合物各組分的含量。探測器有薄窗或無窗2π式、4π式的氣流正比計數管。此外，還有放射性薄層色譜自動掃瞄器等。
③ 中子活化γ譜多道分析儀：用小型靜電或倍壓加速器進行氘氚反應，產生中子束去活化生物樣品，根據γ能譜分析微量元素。γ能譜用鍺（鋰）【Ge(Li)】探測器和多道脈衝分析器測定，一般用1024道，4096道或16384道，由微型計算機進行數據處理和顯示。
④ 質子感生X射線分析儀:用小型回旋加速器產生的質子束去激發生物樣品，產生X射線。據此X譜能分析痕量的原子序數小於11的元素。
臨床離體分析儀器 主要是取血樣或體液樣作放射性分析,供臨床診斷之用。這類儀器所依據的方法中,最主要的是放射免疫法。它是根據抗體和抗原或專一結合蛋白之間的高度專一性識別結合，將這種結合體用常規方法分離出來，如對其中一種蛋白標記上γ放射性核素，用NaI(Tl)閃爍核電子儀器進行高靈敏測量,就可對特定的分子（包括多鈦及蛋白激素、非肽激素、維生素、酶、血液成分、核酸衍生物和藥物）進行極微量分析，方法非常簡便，可在臨床上大量套用。所用儀器包括以下幾個組成部分,即NaI(Tl)閃爍晶體、雙鹼光電倍增管、γ能量在 10～800千電子伏（相當於I到Fe的γ能量範圍）內的自動穩譜電子裝置、雙道測量裝置、500～2000個樣品自動換測系統，以及測量數據自動處理和列印系統等。
醫用保健物理儀器 臨床示蹤核素用藥量必須嚴格標定，因此專門設計出放射性活度計，用來可靠而準確地測定藥瓶中放射性核素的毫居里數。為了保持診室和環境的清潔，不被放射性污染，專門設計有放射性沾污儀。為了對醫生和病人所受的放射性劑量進行監督，還設計有劑量儀。
臨床活體診斷核電子系統 這是將放射性核素示蹤藥物注入病人體內，參與生理病理過程，在體外用核電子方法探測這一過程進行診斷。按終端顯示的信息特點，這類核電子系統可分為以下幾種。
① 功能儀：定點測量一維時間過程的儀器，測量點可以是一點或多點。典型的儀器有:甲狀腺功能儀,用於測定甲狀腺吸碘功能；腎圖儀，用於測腎功能；多功能儀,在腎圖儀基礎上增加路數和運算電路,使過程測量和記錄速率的量程範圍加寬，可測腦血流、肺功能、肢體血流、心血流等；核聽診器，用NaI(Tl)準直探頭,經放大、單道脈衝幅度分析，把計數送入一微計算機。利用一套專用程式可測心血容量、左心射血分數等；腦血流儀，測量局部腦血流的動態功能。
② 縱向斷層掃描機：通過掃描得到一張能反映內臟形態的靜態兩維縱向斷層圖。有單探頭和雙探頭兩種，探頭用 NaI(Tl)晶體，配以各種與γ能量匹配的聚焦型準直器，對人體作機械的直角掃描。電子學線路仍是放大、單道、計數電路,再加上單板機對圖像進行處理,用黑白和七色列印出內臟的核素分布圖。
③ 橫向斷層掃描機：1963年發明，可以掃描出人體橫截面核素分布圖（圖2），同X射線透射型斷層掃描機(XCT)的斷層原理相同，它是一種γ射線發射型計算機斷層圖(ECT)。 ④ γ照相機：採用動態縱向二維積分圖像序列方法。例如自動螢光鏡法，用200多個NaI(Tl)晶陣列組成二維探頭；還有多絲正比室(MWPC)二維探頭和γ照相機。後者的原理是通過成像準直器把內臟的γ圖像送到一個大而薄的熱鍛多晶NaI(Tl)晶體（用作二維探測器）,用光電倍增管陣列對每個γ光子激發的閃爍點的二維坐標進行模擬量編碼，由此讀出電路解碼。其中有一觸發判選電路選取載有坐標信息的閃爍點，通過模-數變換,以數碼方式把閃爍點坐標送入小型或大容量微計算機中形成圖像。同時，配以核醫學診斷應用程式和專家程式等進行診斷。
⑤ 單光子發射斷層照相機：使用γ照相機圍繞病人轉一周便得到很多個斷層的動態圖集，即一套大視野的四維圖或大視野單光子發射斷層圖(LFOV-SPECT)（圖3）。 ⑥ 正電子發射斷層照相機：利用正電子和組織中電子湮滅時放出一對能量為0.51兆電子伏的相反方向飛出γ光子的現象進行斷層測量。測出這兩個γ光子的坐標，就可推算出湮滅點的坐標，從而可省去成像準直器。
⑦ 核磁共振斷層照相機：美國物理學家F.布洛赫和E.M.珀塞耳發現核磁共振現象，並獲1952年諾貝爾獎。1971年，人們利用這個現象測定活體中的含氫或其他奇數原子核的量。於是，美國物理學家R.達梅迪安用此法診斷腫瘤，因為腫瘤組織和正常組織中的含水量不同。1971年，美國的R.C.勞特布爾製成第一台核磁共振斷層照相機。利用電子學方法使核磁共振區掃描式地發生，可得四維核磁共振斷層照相圖(NMRCT)（圖4）。 ⑧ 核磁共振譜儀：用於活體生化分子的測定。
⑨ 斷層圖像重組算法：上述各種斷層圖，都是由各投影方向上的測量值用重組算法在計算機上進行斷層圖像再現。
基礎生物醫學核電子儀器 主要用於測量14C、3H、P等基礎研究中常用的生命過程示蹤核素。這些核素放射低能β射線，一般穿不過探測器的壁，因而需要用薄窗探測器，或把樣品放入探測器中來測量。常用的有以下四種儀器。
① 液體閃爍計數器：包括各種性能的液體閃爍體，低螢光器皿，高靈敏、低噪聲、高解析度、高穩定性的雙鹼陰極光電倍增管，雙道脈沖幅度比分析電路，測量結果自動校正（如淬滅校正等）電路，大量樣品自動轉換機構和數據處理、測量控制的微計算機系統。
② 放射性層析掃瞄器：通過測量示蹤核素如3H、I等在層析紙上的分布,能快速分析放射性標記化合物各組分的含量。探測器有薄窗或無窗2π式、4π式的氣流正比計數管。此外，還有放射性薄層色譜自動掃瞄器等。
③ 中子活化γ譜多道分析儀：用小型靜電或倍壓加速器進行氘氚反應，產生中子束去活化生物樣品，根據γ能譜分析微量元素。γ能譜用鍺（鋰）【Ge(Li)】探測器和多道脈衝分析器測定，一般用1024道，4096道或16384道，由微型計算機進行數據處理和顯示。
④ 質子感生X射線分析儀:用小型回旋加速器產生的質子束去激發生物樣品，產生X射線。據此X譜能分析痕量的原子序數小於11的元素。
臨床離體分析儀器 主要是取血樣或體液樣作放射性分析,供臨床診斷之用。這類儀器所依據的方法中,最主要的是放射免疫法。它是根據抗體和抗原或專一結合蛋白之間的高度專一性識別結合，將這種結合體用常規方法分離出來，如對其中一種蛋白標記上γ放射性核素，用NaI(Tl)閃爍核電子儀器進行高靈敏測量,就可對特定的分子（包括多鈦及蛋白激素、非肽激素、維生素、酶、血液成分、核酸衍生物和藥物）進行極微量分析，方法非常簡便，可在臨床上大量套用。所用儀器包括以下幾個組成部分,即NaI(Tl)閃爍晶體、雙鹼光電倍增管、γ能量在 10～800千電子伏（相當於I到Fe的γ能量範圍）內的自動穩譜電子裝置、雙道測量裝置、500～2000個樣品自動換測系統，以及測量數據自動處理和列印系統等。
醫用保健物理儀器 臨床示蹤核素用藥量必須嚴格標定，因此專門設計出放射性活度計，用來可靠而準確地測定藥瓶中放射性核素的毫居里數。為了保持診室和環境的清潔，不被放射性污染，專門設計有放射性沾污儀。為了對醫生和病人所受的放射性劑量進行監督，還設計有劑量儀。
臨床活體診斷核電子系統 這是將放射性核素示蹤藥物注入病人體內，參與生理病理過程，在體外用核電子方法探測這一過程進行診斷。按終端顯示的信息特點，這類核電子系統可分為以下幾種。
① 功能儀：定點測量一維時間過程的儀器，測量點可以是一點或多點。典型的儀器有:甲狀腺功能儀,用於測定甲狀腺吸碘功能；腎圖儀，用於測腎功能；多功能儀,在腎圖儀基礎上增加路數和運算電路,使過程測量和記錄速率的量程範圍加寬，可測腦血流、肺功能、肢體血流、心血流等；核聽診器，用NaI(Tl)準直探頭,經放大、單道脈衝幅度分析，把計數送入一微計算機。利用一套專用程式可測心血容量、左心射血分數等；腦血流儀，測量局部腦血流的動態功能。
② 縱向斷層掃描機：通過掃描得到一張能反映內臟形態的靜態兩維縱向斷層圖。有單探頭和雙探頭兩種，探頭用 NaI(Tl)晶體，配以各種與γ能量匹配的聚焦型準直器，對人體作機械的直角掃描。電子學線路仍是放大、單道、計數電路,再加上單板機對圖像進行處理,用黑白和七色列印出內臟的核素分布圖。
③ 橫向斷層掃描機：1963年發明，可以掃描出人體橫截面核素分布圖（圖2），同X射線透射型斷層掃描機(XCT)的斷層原理相同，它是一種γ射線發射型計算機斷層圖(ECT)。 ④ γ照相機：採用動態縱向二維積分圖像序列方法。例如自動螢光鏡法，用200多個NaI(Tl)晶陣列組成二維探頭；還有多絲正比室(MWPC)二維探頭和γ照相機。後者的原理是通過成像準直器把內臟的γ圖像送到一個大而薄的熱鍛多晶NaI(Tl)晶體（用作二維探測器）,用光電倍增管陣列對每個γ光子激發的閃爍點的二維坐標進行模擬量編碼，由此讀出電路解碼。其中有一觸發判選電路選取載有坐標信息的閃爍點，通過模-數變換,以數碼方式把閃爍點坐標送入小型或大容量微計算機中形成圖像。同時，配以核醫學診斷應用程式和專家程式等進行診斷。
⑤ 單光子發射斷層照相機：使用γ照相機圍繞病人轉一周便得到很多個斷層的動態圖集，即一套大視野的四維圖或大視野單光子發射斷層圖(LFOV-SPECT)（圖3）。 ⑥ 正電子發射斷層照相機：利用正電子和組織中電子湮滅時放出一對能量為0.51兆電子伏的相反方向飛出γ光子的現象進行斷層測量。測出這兩個γ光子的坐標，就可推算出湮滅點的坐標，從而可省去成像準直器。
⑦ 核磁共振斷層照相機：美國物理學家F.布洛赫和E.M.珀塞耳發現核磁共振現象，並獲1952年諾貝爾獎。1971年，人們利用這個現象測定活體中的含氫或其他奇數原子核的量。於是，美國物理學家R.達梅迪安用此法診斷腫瘤，因為腫瘤組織和正常組織中的含水量不同。1971年，美國的R.C.勞特布爾製成第一台核磁共振斷層照相機。利用電子學方法使核磁共振區掃描式地發生，可得四維核磁共振斷層照相圖(NMRCT)（圖4）。 ⑧ 核磁共振譜儀：用於活體生化分子的測定。
⑨ 斷層圖像重組算法：上述各種斷層圖，都是由各投影方向上的測量值用重組算法在計算機上進行斷層圖像再現。
