本文是參考 TUM – Aided I 撰寫的
與CT不同，核成像主要是將放射性試劑注入人體，然后通過(guò)檢測(cè)人體內(nèi)的放射源和輻射積累來(lái)判斷病變的癥狀； 同時(shí)，該方法還可用于病理治療。 好在這一章并沒(méi)有太多數(shù)學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，主要是物理相關(guān)的知識(shí)。 本章知識(shí)要點(diǎn)如下：
核成像基礎(chǔ)物理及其應(yīng)用
示蹤劑的概念在高中生物里已經(jīng)講過(guò)，這里不再重復(fù)。 作為一種內(nèi)源性輻射檢測(cè)方法，它與CT有顯著不同，如圖：
CT 和核成像比較
放射性試劑照射過(guò)程中，粒子普遍受到康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)的影響。 這里展示的圖表再次強(qiáng)化了這一印象，因?yàn)檫@些效應(yīng)是核成像技術(shù)的基礎(chǔ)。 光電效應(yīng)主要是原子吸收光子能量，迫使部分電子進(jìn)入激發(fā)態(tài)而被射出，而康普頓效應(yīng)是指原子不完全吸收光子能量：部分光子被吸收，部分電子被激發(fā)逃逸，而康普頓效應(yīng)是指原子不完全吸收光子能量：部分光子被吸收，部分電子被激發(fā)逃逸。其他一些光子會(huì)彈開。 下圖更好地說(shuō)明了這種關(guān)系：
光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)
下圖展示了康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的關(guān)系：
光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的關(guān)系，圖片來(lái)自：und für LMU
在較高的比能量下，康普頓效應(yīng)更有可能發(fā)生。
這種效應(yīng)也是接收機(jī)接收核成像的基礎(chǔ)。 一般我們期望將伽馬射線束轉(zhuǎn)換成光束，再轉(zhuǎn)換成電流來(lái)測(cè)量相應(yīng)的電信號(hào)，從而獲得核成像的具體內(nèi)容。
2.準(zhǔn)直器()
準(zhǔn)直器用于收集伽馬信號(hào)束。 伽馬射線不直接測(cè)量，而是轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行量化。 準(zhǔn)直器的橫截面如圖所示：
準(zhǔn)直器截面圖
隔板的間距和隔板的高度是影響測(cè)量結(jié)果的兩個(gè)概念：
分區(qū)間距：在一定分區(qū)高度下，分區(qū)距離越小、分區(qū)分布越密，分辨率越高； 隔板的高度：在一定的隔板間隔下，隔板越低，則隔板間接接收到射線的概率越高，準(zhǔn)直器越靈敏。
以上解釋了收集伽馬射線進(jìn)行核成像的原理。 通過(guò)準(zhǔn)直器的轉(zhuǎn)換和后續(xù)操作，我們最終可以接收到電信號(hào)。
3. 單光子發(fā)射斷層掃描（SPECT）
操作算法與CT基本相同。 SPECT通過(guò)不斷的投影和誤差修正可以得到滿意的結(jié)果。 只不過(guò)接收板需要接收的不是X射線，而是伽馬射線。 常用的示蹤劑有碘123、锝99m、氙133、鉈201、氟18等。
4. 正電子發(fā)射斷層掃描（PET）
與 SPECT 相比，PET 是一種更準(zhǔn)確但更昂貴的解決方案。 一般PET采用氟脫氧葡萄糖（FDG）和F18作為示蹤劑，F(xiàn)DG可以出現(xiàn)在一些代謝活躍的部位。 發(fā)生的非常重要的物理現(xiàn)象之一稱為正β衰變。 這種衰變產(chǎn)生一種稱為正電子的反粒子（電子本身帶負(fù)電荷）。 當(dāng)正電子在人體組織中移動(dòng)時(shí)，它會(huì)減慢并湮滅常見的負(fù)電子，產(chǎn)生向相反方向發(fā)射的伽馬射線。 這種伽馬射線的意義非同尋常。 這是一個(gè)例子：
PET圖
由于接收器1和接收器2之間的距離已知，并且可以計(jì)算出伽馬射線到達(dá)兩個(gè)接收器的時(shí)間差，因此可以更準(zhǔn)確地定位湮滅發(fā)生的位置，即示蹤劑所在的位置。 區(qū)域。 目前重建PET的技術(shù)有很多，上面提到的一種是Time-of-(TOF)方法，該方法可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，并且具有較高的信噪比。
補(bǔ)充：輻射劑量計(jì)算
因?yàn)楣妼?duì)核成像關(guān)心的是輻射劑量（CT也是如此）。 這里有一個(gè)通用的計(jì)算方法，有3個(gè)概念：
吸收劑量：組織吸收的輻射劑量除以體重； 器官吸收劑量：設(shè)D_T為器官吸收的劑量除以器官質(zhì)量，即器官的吸收劑量康普頓效應(yīng)，一般可表示為：
D_T=Acdot
后者中，A為成像中的輻射活度測(cè)量系數(shù)，為示蹤劑的劑量系數(shù)，由蒙特卡羅方法計(jì)算得到；
3.有效劑量：E=sum_{T}w_Tcdot D_T，其中w_T主要是根據(jù)不同器官和組織的加權(quán)系數(shù)。
5、結(jié)合CT、MRI
PET和SPECT提供的圖像可以反映人體組織的功能和生理活動(dòng)，但分辨率較低； CT雖然可以提供更高精度的人體解剖結(jié)構(gòu)，但難以反映人體內(nèi)部的生理活動(dòng)。 MRI本身可以檢測(cè)人體的軟組織結(jié)構(gòu)。 如果能與核成像相結(jié)合，可以更好地反映病灶的位置及其生理代謝活動(dòng)。
PET與MRI的結(jié)合可以更好地檢測(cè)軟組織的生理和病理活動(dòng)。 但MRI的工作原理比較特殊（下一節(jié)將詳細(xì)解釋）。 它需要使用強(qiáng)大的電磁場(chǎng)來(lái)偏轉(zhuǎn)電子狀態(tài)以獲得軟組織信息。 但這種檢測(cè)方式會(huì)極大地影響PET或SPECT中信號(hào)轉(zhuǎn)換的正常進(jìn)行，因此前面提到的光電倍增管成像在這里并不可行。 下一章將具體講解PET/MRI技術(shù)。
6. 超強(qiáng)磁場(chǎng)下PET/MRI
雪崩光電二極管 (APD)
這里主要使用類似于光電倍增管的技術(shù)。 一般以硅晶體為原料，并施加一定程度的偏壓。 當(dāng)伽馬射線照射時(shí)，會(huì)發(fā)生雪崩擊穿（指的是當(dāng)向半導(dǎo)體施加增加的電流時(shí)）。 ，因?yàn)榘雽?dǎo)體不能承受大的電壓而被擊穿，導(dǎo)致電流突然增大），可以獲得很大的電流增益。 其增益影響因子為：
M=frac{1}{1-int_{0}^{L}alpha(x)dx}
其中L是APD的電荷空間間隔，α是乘法系數(shù)。 這樣，伽馬射線就可以直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，避免了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)中間電子的影響。
2.硅光電倍增管SiPM
上述APD可以組成數(shù)千個(gè)微元件陣列。 當(dāng)接收到伽馬射線時(shí)，某些APD會(huì)產(chǎn)生雪崩擊穿，輸出很強(qiáng)的電流，然后恢復(fù)，從而輸出脈沖波。 該脈沖波可以形成電信號(hào)以獲得成像。
七、申請(qǐng)
SPECT/PET 在檢測(cè)人體病理變化方面特別有用。 下圖為癌癥轉(zhuǎn)移的核成像。 深色區(qū)域是病變。 以下是使用我們之前提到的FDG作為示蹤劑（如圖d所示）來(lái)追蹤癌癥轉(zhuǎn)移等病理活動(dòng)的樣本：
康普頓效應(yīng)，＆帕斯庫(kù)，索菲亞。 （2018）。 PET的值為-89。 。 47. 10.1039/。
圖c使用Zr J591示蹤，病灶較多，說(shuō)明該示蹤劑在本病例的診斷和治療中具有優(yōu)勢(shì)。