醫(yī)藥輻射成像

1、章節(jié)內(nèi)容15.1 引言15.2 放射成像系統(tǒng)基礎(chǔ)概念基本例子原子結(jié)構(gòu)與放射放射性衰變15.3 儀器與成像裝置15.4 X線成像系統(tǒng)基礎(chǔ)概念 CT技術(shù)習題推薦閱讀在結(jié)束這一章后，學(xué)生應(yīng)該能夠：了解放射現(xiàn)象的基本原理了解一般用于醫(yī)學(xué)成像的電離輻射，或是在體外引發(fā)并在穿透病人后探測的，或是引入人體后使得病人成為放射源。引言長久以來，醫(yī)學(xué)上一個持久的目標是判定病理原因過程取得不斷的進展，因此，尋找一種能夠觀察人體器官的微創(chuàng)工具是非常重要的。然而，直到20世紀下半葉，才有可以用來提供體內(nèi)的正常和患病組織圖像的儀器。今天，基于物理科學(xué)（如X光、核物理、光學(xué)、聲學(xué)）并結(jié)合計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)出來

2、的現(xiàn)代成像儀器，不僅被證明在病人護理中非常有用，它們的出現(xiàn)還使健康護理理念出現(xiàn)革命性的轉(zhuǎn)變。一個多世紀以前（1895年），第一個諾貝爾獎獲得者，物理學(xué)家威廉康納德倫琴，描述了一種新的放射線X光。最終，放射醫(yī)學(xué)這種新的醫(yī)學(xué)專業(yè)和影像產(chǎn)業(yè)得以產(chǎn)生。最開始，X光成像系統(tǒng)主要用來獲取損傷骨和增強結(jié)構(gòu)如泌尿與腸胃系統(tǒng)的圖像，但它們并不成熟。但自20世紀70年代以來，成像技術(shù)的改進，以及電子計算機的應(yīng)用使得用于醫(yī)學(xué)診斷的X光成像技術(shù)發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變。令人興奮的還有倫琴的后繼者艾倫馬克利奧德柯麥科和戈弗雷·紐博爾德豪恩斯弗爾德。TUFT大學(xué)物理系的柯麥科和英國EMI有限公司研究所的豪恩斯弗爾德，

3、相互獨立卻又顯而易見的懷著相同的夢想工作，他們完成了不同的東西?？蔓溈圃谝黄撐闹型昝赖匮菔玖擞跋裰亟ǖ臄?shù)學(xué)模型，這篇出色的論文發(fā)表于1963年。不到十年，豪恩斯弗爾德公布了一個難以置信的工程成就：第一部用于醫(yī)學(xué)，有著高對比度分辨力，獲取軸位數(shù)字圖像的商業(yè)儀器。為了獎勵他們在X線斷層攝影術(shù)計算機化發(fā)展中取得的重大成就，柯麥科和豪恩斯弗爾德分享了1979年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。他們的令人興奮的發(fā)現(xiàn)至今仍未被冷落。一般用于醫(yī)學(xué)成像的電離輻射（有兩種情況：一是射線被引入人體，使得病人成為放射源；二是在外部產(chǎn)生輻射，穿透病人后被靈敏裝置探測到。在細胞或器官系統(tǒng)功能研究中，伽馬射線或X光是在病人體外放

4、射和探測的，它們可以提供生理學(xué)（衰變率或“洗出”）和解剖學(xué)（影像）信息。在核醫(yī)學(xué)中超過90%的診斷步驟中都要使用到放射影像技術(shù)。另一方面，穿透病人的體外制造的射線，是X光機器和計算機化X線斷層攝影術(shù)的實現(xiàn)基礎(chǔ)。這些設(shè)備和程序，被置于放射部門中。本章的目的是介紹每一種放射成像方式的基本原理。核醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)的分支，它運用放射掃描來幫助醫(yī)師正確診斷。第二次世界大戰(zhàn)期間，迎來了原子時代，核物理和技術(shù)方面取得了巨大進展，核醫(yī)學(xué)成為一個強大有效的方法，用來檢測和治療的具體生理異常。核醫(yī)學(xué)是醫(yī)學(xué)學(xué)科中，利用物理科學(xué)概念發(fā)展而來的一個典型例子。作為醫(yī)生和物理學(xué)家之間的“合資企業(yè)”，它已發(fā)展成為一個跨學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)

5、科，擁有自身的學(xué)術(shù)和技術(shù)結(jié)構(gòu)。在這個過程中，核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已發(fā)展到包括以下研究：創(chuàng)造和合理利用可以安全導(dǎo)入人體的放射性示蹤劑用來檢測和演示放射性元素活動的核儀器裝置和系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用放射性示蹤劑活動和具體生理過程之間的關(guān)系的測定基礎(chǔ)概念1895年，當倫琴宣布發(fā)現(xiàn)了一種新的具有穿透能力的射線（這種射線被他稱為X線）時，他開辟了一片新的科學(xué)研究領(lǐng)域。X線是一種電磁能量形式，就像無線電波和光波。它們之間的主要區(qū)別在于頻率和波長不同。表15.1顯示了電磁波的發(fā)射頻譜。值得注意的是X線的波長主要在100納米和0.01納米之間，比無線電和光波要短一些。受倫琴的發(fā)現(xiàn)的刺激，法國物理學(xué)家亨利貝克勒爾研究了已知熒光

6、或磷光物質(zhì)產(chǎn)生一種類似X線的可能性。1896年，貝克勒爾宣布，某種鈾鹽無論是否處于發(fā)光狀態(tài)，都可以發(fā)射出穿透射線。這個結(jié)果令人驚訝，但卻給這個世界呈上一種從未料想到的新的未知性質(zhì)的物質(zhì)。在科學(xué)求知欲的驅(qū)動下，貝克勒爾說服了瑪麗居里巴黎綜合工科學(xué)校最有前途的年輕科學(xué)家之一，她深入研究到底是鈾中的什么物質(zhì)導(dǎo)致了他觀測到的放射現(xiàn)象。后來使用放射能來描述放射物質(zhì)的放射性能瑪麗居里，和她那憑借壓電效應(yīng)研究而成為常設(shè)物理學(xué)家的丈夫皮埃爾，全身心的投入與神秘物質(zhì)的尋找中。在研究過程中，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了一種比鈾更具有放射能力的物質(zhì)，他們稱之為鐳并在1898年宣布了它的發(fā)現(xiàn)。當居里夫婦在研究放射物質(zhì)時，英國科學(xué)家

7、有著極大的積極性開始準備找出原子組成成分。自19世紀初以來，道爾頓原子的化學(xué)理論在對物質(zhì)內(nèi)部組成的看法中居于統(tǒng)治地位，在他的理論中，所有的物質(zhì)都是由不可分割的原子組成的。然而，在1897年，當湯普森確定電子作為一種帶負電荷的粒子比最輕的原子具有小得多的質(zhì)量。一個新的物質(zhì)基本組成的概念必須制定。我們現(xiàn)在的原子云圖是1911年由歐內(nèi)斯特盧瑟福發(fā)展出來的，他證實了原子的主要質(zhì)量集中在高密度區(qū)域，帶正電的核被帶負電荷的電子云圍繞。這種想法將行星系統(tǒng)的概念納入了進來，一個核子被非常輕的具有軌道的電子環(huán)繞，這個想法由尼爾斯·波爾在1913年提出。帶著這種原子基本結(jié)構(gòu)的想法，盧瑟福是第一個認識到放

8、射現(xiàn)象跟原子的自發(fā)性分解有關(guān)。這種觀點被大家接受以后，盧瑟福在1908年獲得了諾貝爾化學(xué)獎，放射物質(zhì)的神秘性得以揭示。通過對在磁場中的放射現(xiàn)象的觀測，居里夫婦發(fā)現(xiàn)有三種來自放射物質(zhì)的不同種類的活性輻射。這三種物質(zhì)被盧瑟福隨意地稱為，和粒子，我們知道的是（1）粒子，帶正電，實質(zhì)上跟氫核相同；（2） 粒子，帶負電的電子；（3）粒子，沒有質(zhì)量和不帶電的純電磁輻射?；纠拥?0年代，這個領(lǐng)域的研究確立了三種基本粒子：電子，質(zhì)子和中子，三者組成原子。粒子的排列顯示在圖15.1，原子通常的結(jié)構(gòu)圖中。這個原子包含了許多粒子：（1） 一個以上的電子，每個的質(zhì)量大約是，帶有大約庫倫的負電荷；（2）至少一個質(zhì)子

9、，質(zhì)子的質(zhì)量為，大約是電子的1800倍；（3）可能存在的中子，具有跟質(zhì)子相同的質(zhì)量但是不帶電。由于單個的原子核粒子非常小，當用克來表示時，需要用到難處理的負數(shù)次冪。原子系統(tǒng)質(zhì)量單位發(fā)展起來，使用作為參考原子。用12個質(zhì)量單位給賦值。其他原子的質(zhì)量基于這種單個單位，一個單位質(zhì)量就是的1/12質(zhì)量。氫的最輕同位素質(zhì)量就大約是一個這種單位。一個數(shù)值上等于它的原子質(zhì)量的同位素，并以克為單位的質(zhì)量被稱為克原子質(zhì)量。物體的克原子質(zhì)量也被稱為摩爾質(zhì)量或者物體等價質(zhì)量。既然克原子質(zhì)量與單個原子的實際質(zhì)量成正比，一摩爾任何物質(zhì)都含有相同數(shù)量的原子。一單位克原子質(zhì)量中原子的數(shù)量等于阿伏加德羅常數(shù)（），數(shù)值為 。這

10、樣以來，通過用阿伏加德羅常數(shù)除同位素的克原子質(zhì)量，可以得到任何以克為單位的原子質(zhì)量。例如，一個原子的質(zhì)量是它的克原子質(zhì)量，用阿伏加德羅常數(shù)（）去除：既然等于12個原子質(zhì)量單位（），那么1的質(zhì)量應(yīng)該是原子質(zhì)量的1/12。跟粒子的質(zhì)量一樣，電子帶有電荷也是物質(zhì)的物質(zhì)的基本性質(zhì)。由于一個電子所帶電荷是能夠存在的最小量的電荷，通常一個電子電荷被表示成為一個負單位（-1）。當在公制單位（米，千克，秒）中表示一個單位電荷時，一個電荷電量為庫倫。因此其他原子的粒子帶有的電荷就是這個值的整數(shù)倍。不可能出現(xiàn)一個粒子帶有2.5倍電子電量的情況。中子和質(zhì)子在原子核中共同存在，都被稱為核子。一種元素原子核中核子的總數(shù)

11、稱為原子質(zhì)量，或者質(zhì)量數(shù)，可以用符號 來表示，而質(zhì)子的質(zhì)量即原子數(shù)用來表示。值相同的不同的原子稱為同量異位素，擁有相同中子素的不同原子稱為同中子異荷素。在自然界中中子和質(zhì)子存在的不同組合，可以通過分析三種氫原子（氕，氘，氚）的原子核組成結(jié)構(gòu)來說明。雖然氫元素有一個只由一個質(zhì)子組成的原子核，但有一個質(zhì)子和一個中子的結(jié)合作為一個粒子存在，這個粒子也就是原子核，被稱為重氫，或者氘。延伸這個概念，兩個質(zhì)子和兩個中子形成一個穩(wěn)定的粒子，即粒子，在自然界中存在于氦原子核中。從放射物質(zhì)從發(fā)射出來的射線就主要包括這樣的粒子。另外，氫的第三種原子氚，擁有一個由一個質(zhì)子和兩個中子組成的原子核。這三種氫元素是具有相

12、同質(zhì)子（也就是說，具有相同的原子數(shù)），但卻有著不同數(shù)目中子，最終有著不同質(zhì)量的原子的例子。原子的這種性質(zhì)被稱為“同位素”。同位素一詞被廣泛的使用在任何原子中，尤其是具有放射性的原子。但是，現(xiàn)在使用中更傾向于“核素”這個詞來表達中子和質(zhì)子的特殊組合。因此同位素和核素具有相同的原子數(shù)。所有原子數(shù)大于83和原子質(zhì)量大于209的元素都具有放射性，也就是說，它們都會自發(fā)地衰變?yōu)槠渌?，并且在衰變過程中發(fā)射活躍粒子。為明確識別每個原子，引入一些符號。在閱讀這個領(lǐng)域的文獻過程中，很有必要熟悉它們。在美國，慣例時把原子數(shù)作為下標寫在前面，并且把原子質(zhì)量作為上標寫在原子的化學(xué)符號后面（如）。由于化學(xué)符號本身就

13、能對應(yīng)原子數(shù)，所以原子數(shù)經(jīng)常被省略簡寫為。但在歐洲，習慣性的把原子質(zhì)量作為商標寫在化學(xué)符號之前（）。為了達成國際標準，1964年一致同意原子質(zhì)量應(yīng)該作為上標寫在化學(xué)符號前面（）。當沒有使用上標時，另外一種書面說明形式，如“鈷60”，也是常用方法。那么，氦原子的一種符號寫為，這里的4等于原子重量（因為是質(zhì)子和中子在原子核中的集合體）。1 原子結(jié)構(gòu)和放射前文中提到，波爾的模型表明了類似于行星系統(tǒng)的原子結(jié)構(gòu)的存在。在這個系統(tǒng)中，原子在離散的軌道或電子層上繞原子核旋轉(zhuǎn)，軌道的直徑由整數(shù)值的量子數(shù)決定。對應(yīng)漸增的量子數(shù)，這些軌道分別用K，L，M和N來表示，這個命名規(guī)則今天仍然在使用。這套模型在1925年

14、由沃爾夫?qū)堇鶕?jù)量子力學(xué)原理修正。泡利在原子結(jié)構(gòu)上的研究解釋了多種觀測到的現(xiàn)象，包括預(yù)測原子內(nèi)部不同軌道上的電子的結(jié)合能。泡利進一步觀測到原子可以用四個量子數(shù)來闡述：（1）是主要量子數(shù)，它是整數(shù)而且是標量；（2）是是角動量量子數(shù)，為整數(shù)，取值從0到1；（3）是磁量子數(shù)，為整數(shù)值，取值從1到 +1；（4）是自旋磁量子數(shù)，取值為1/2或-1/2。根據(jù)泡利不相容原理，一個原子中沒有兩個電子能擁有一套相同的量子參數(shù)。在電中性原子中，軌道電子的數(shù)目正好與原子核所帶的正電數(shù)相同。原子的化學(xué)性質(zhì)是由軌道電子確定的，因為他們是形成分子鍵，輕光譜，熒光和磷光現(xiàn)象的主要原因。另一方面，內(nèi)層電子被牢固地束縛在在軌

15、道上，只有在相當大的能量如輻射互動作用下才能使它脫離軌道。激發(fā)軌道電子所需的能量等于該層軌道的結(jié)合能，最內(nèi)層軌道的這個能量最大。使得電子從軌道上躍遷到外層軌道上所需的能量等于兩層軌道結(jié)合能的差值。這種能量需求反映了元素的一個基本特征。在電子從外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道的情況下，這種特征能量以光子的形式釋放出來，這種能量就是我們所知的特征X線。但是，如果能量傳遞給另外一個軌道電子（稱為俄歇電子）而不以光子形式散發(fā)，它就會從軌道上被激發(fā)出去。在這種躍遷下，特征X線的產(chǎn)能被稱為熒光產(chǎn)量。 質(zhì)子和中子（即核子）存在短程核力，這個力的作用距離比質(zhì)子間的相斥電磁力作用距離要遠一些。核子的運動通常用殼層模型來描

16、述，這與軌道電子類似。但是，核子的運動模型是有限的，并且由一組核量子數(shù)確定。最穩(wěn)定的狀態(tài)稱為基態(tài)。其他兩種常見的狀態(tài)是：（1）亞穩(wěn)態(tài)此狀態(tài)下原子核不穩(wěn)定但在轉(zhuǎn)化為另外一種狀態(tài)前有相當長的壽命；（2）激發(fā)態(tài)此狀態(tài)下原子核非常不穩(wěn)定，以至于它在轉(zhuǎn)化為另外一種狀態(tài)前只能短暫存在。因此，一個原子核有兩種能量級的獨立存在，即異構(gòu)體（兩者有相同的和）。通過吸收或者釋放能量（光子或微粒），不穩(wěn)定的原子核最終會轉(zhuǎn)化為一個更穩(wěn)定的狀態(tài)。這個過程就是我們所知的放射轉(zhuǎn)變或衰變。正如前文中提到，這個現(xiàn)象一般發(fā)生在Z大于83重元素中，它們都是不穩(wěn)定的。估計核結(jié)合能對測定核素的相對穩(wěn)定性是很重要的，結(jié)合能也就是克服核力分

17、離核子所必需的最小能量?？梢酝ㄟ^質(zhì)能方程（）來估計，、分別表示能量、質(zhì)量和光速。這樣，質(zhì)量轉(zhuǎn)化的能量就可以用電子伏來描述了。研究中發(fā)現(xiàn)原子的質(zhì)量通常比單個組成部分（中子，質(zhì)子和電子）的質(zhì)量之和要小一些。明顯缺失的這部分質(zhì)量（），通常被稱為質(zhì)量虧損，跟原子核結(jié)合能有關(guān)系，與能量的變化相符合（）（）（）之間。因此，一個原子質(zhì)量單位（1）。證明1釋放的能量為931。解：質(zhì)能轉(zhuǎn)換用愛因斯坦方程表示為 這里 是以克為單位的質(zhì)量，是以 厘米/秒 為單位的速度。然后，一個原子質(zhì)量單位的等價能量（）如下：）（310）單位在物理上使用很頻繁，可以用 （爾格）來表示，因此另外一個方便的能量單位就是電子伏特。電子伏

18、特是這樣定義的：當一個電子在一個電位差的電場中加速所獲得的動能就是一伏特。既然一個電位差給一個電子帶來的能量為 ，而一個電子的電量為庫倫，計算一電子伏的能量是可行的，如下：11或1電子伏是非常小的能量，通常使用千伏（）或者兆伏（）。11，000，0001 1000現(xiàn)在可以用來表示原子質(zhì)量了。1，且 1 ，1931因此，如果1完全轉(zhuǎn)化，能得到931的能量。可以這樣描述電子伏特的量度，一百萬個電子伏（）只能把一毫克的重量的物體抬高百萬分之一厘米。被稱為放射性核素的不穩(wěn)定核素，通過電離輻射，最終在確定的預(yù)期壽命之后達到穩(wěn)定狀態(tài)。一般來講，放射性核素分為兩類：自然放射和人工放射。自然狀態(tài)的放射元素自發(fā)

19、地輻射，不需要來自外部的任何附加能量。人工放射性核素是人造的，通過高能例子轟擊穩(wěn)態(tài)核素產(chǎn)生。兩類放射性核素在射線掃描核核醫(yī)學(xué)中都有著重要作用。放射性核素的基本特征包括：平均壽命或者半衰期，轉(zhuǎn)化方式或者衰變，發(fā)射特性（電離輻射的類型和能量）。所有的輻射材料，不論是自然存在或是人為制造，都有著相同的衰變過程（也就是說，他們都發(fā)出，以及可能有的輻射）。在前面討論中，和粒子跟元素的分解有關(guān)，這個元素被稱為母核，轉(zhuǎn)變后被稱為子核。核素從不穩(wěn)定態(tài)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程的方式或模式可以分為六個不同種類：（1）衰變/發(fā)射，（2）-（負電子）衰變，（3）+（正電子）衰變，（4）電子捕獲（EC），（5）同核異能躍遷，（6

20、）裂變。衰變粒子是高速運動的電離氦原子（）。如果一個原子核發(fā)射出粒子，它會失去兩個質(zhì)子劾兩個種子，原子數(shù)減少2，質(zhì)量數(shù)減少4。許多自然狀態(tài)下的重元素都有這種衰變現(xiàn)象。例如，母核發(fā)出一個粒子后變?yōu)樽雍耍ㄢQ）。用符號表示這個過程如下：> + 在這個反應(yīng)式中我們可以需要到：（1）左邊的原子數(shù)（質(zhì)子數(shù)）等于右邊（9290+2），因為電荷守恒，（2）左邊質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子加中子）等于右邊（238234+4）。在一種元素變?yōu)榱硗庖环N時，如衰變，這個過程可以被稱為嬗變。對于產(chǎn)生發(fā)射而言，母核的質(zhì)量必須大于子核與粒子之和。在衰變過程中，多余的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為能量，并以子核與粒子的動能形式出現(xiàn)。大多數(shù)動能由粒子獲得，

21、因為它的質(zhì)量比子核小得多。也就是說，由于衰變過程中的動量守恒，較輕的粒子以較高的速度反彈。一般而言，在核衰變中輕的粒子會獲得大多數(shù)能量。鐳，通過發(fā)射衰變后，子核將變成什么？解：衰變過程可以用符號寫為> + 在這里是未知的子核。通過箭頭兩端的質(zhì)量數(shù)和原子數(shù)的平衡計算，我們可以得到，子核的質(zhì)量數(shù)為222，原子數(shù)為86：> + 查元素周期表可以得知原子數(shù)為86的元素為氡，。在例15.2中，我們證實了通過衰變變?yōu)?。計算衰變過程中釋放的能量。，。解：衰變后，子核的質(zhì)量加上粒子的質(zhì)量為用表示母核質(zhì)量，那么衰變過程質(zhì)量損失為（+）使用關(guān)系式1931，可以得到釋放的能量為）/（931/）負電子（-

22、）或（）衰變一個放射性原子核在衰變時，子核得到跟母核相同的核子數(shù)，但是原子數(shù)減少1。典型的衰變?nèi)缦?gt; +碳原子的上標和下標與氮原子符合慣例，需要說明一下的是電子的上下標。1表示電子帶一個單位電荷，數(shù)量與質(zhì)子相同但電性相反。電子質(zhì)量用0來表示，因為電子的質(zhì)量相對于碳原子和氮原子來說幾乎為零。電子從原子核中從射發(fā)出來令人吃驚，因為我們認為原子核只由質(zhì)子和種子組成。這個矛盾可以這樣來解釋：發(fā)射的電子是在中子變?yōu)橘|(zhì)子的過程中，在原子核內(nèi)創(chuàng)造出來的?？梢杂孟旅娴牡仁絹肀硎荆?gt; + 計算率變?yōu)檫^程中釋放的能量。解：，。這里始末狀態(tài)的質(zhì)量差為相當于釋放能量）/（931/）只有小部分電子獲得這個動

23、能。大多數(shù)發(fā)射的電子的動能比預(yù)測值少，如果子核和電子沒有獲得這部分釋放得能量，由于能量守恒，我們不得不問，“這些缺失的能量到哪里去了呢？”1930年，泡利提出必定有第三種例子的存在，這種粒子獲得了“丟失的能量”，并且符合動量守恒。恩里科費米后來把這種粒子命名為中微子，因為它是電中性的并且質(zhì)量微小或者沒有。多年以來中微子（）都沒有被檢測到，直到1950年才最終檢測到它的存在。中微子具有以下特點：1 它不帶電2 它的靜止質(zhì)量比電子小3 它與物質(zhì)發(fā)生的作用很微弱因此很難被檢測到磷32是典型的純發(fā)射器（轉(zhuǎn)變?yōu)椋?，通常用于疾病治療。?jīng)過放射衰變后的原子核通常處于一種能量激發(fā)態(tài)。原子核可以通過發(fā)射一個或更

24、多的質(zhì)子，進行第二次衰變，達到更低的能量狀態(tài)。這個過程與原子發(fā)射光的過程相似。當電子從一種較高的能量狀態(tài)“跳躍”到另外一種較低狀態(tài)時，原子發(fā)出輻射釋放額外的能量。同樣地，原子核主要用這種方法來釋放任何額外能量，這些能量可能通過衰變或者其他核反應(yīng)獲得。在核滅磁過程中，釋放能量的“跳躍”是由原子核中的質(zhì)子或中子從較高能量級運動到較低能量級產(chǎn)生的。在這種滅磁過程中發(fā)射的光子被稱為射線，它具有比可見光更高的能量。大多數(shù)放射性核在-衰變中都幾乎同事發(fā)出射線，例如碘131。下面的時間發(fā)生順序顯示了衰變發(fā)生的主要情況：> + > + 第一個過程說明了轉(zhuǎn)化為的衰變，這里的星號（*）用來說明碳原子核

25、處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的碳原子會通過發(fā)射射線衰變到基態(tài)。需要注意的是射線沒有導(dǎo)致或的變化。正電子（+）或（+，）衰變引入中微子后，衰變過程的正確形式應(yīng)該寫為> + + -的短橫線表示這是一個反中微子。要解釋反中微子的概念，先來看看這個衰變過程：> + + 當衰變?yōu)闀r，產(chǎn)生了一個與電子不同的粒子，它帶有一個單位正電荷。這種粒子被稱為正電子。它除了帶正電荷外，在其他所有方面都跟電子相似，因此正電子被認為是電子的反粒子。值得注意的是正電子（+）是在原子核中產(chǎn)生的，正如質(zhì)子被轉(zhuǎn)換成中子和正電子。正電子衰變結(jié)果產(chǎn)生一個新的元素，和（原子數(shù)和質(zhì)量數(shù)）都增加1。例如，碳11衰變?yōu)樽罘€(wěn)定的同量異位素硼

26、（變?yōu)椋?。正電子的能量被正電子和中微子均分。正電子衰變與射線發(fā)射也有關(guān)系。正電子一旦發(fā)射出就的最小轉(zhuǎn)換能量。衰變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的能量的射線。發(fā)射的粒子的最大能量是多少？解：+放射衰變過程如下：> + + > + 由能量守恒可知，一個原子核要衰變?yōu)橐粋€輕一點的核并發(fā)射一個或者更多個粒子（都用來表示）的話，的質(zhì)量必須比與的質(zhì)量之和還要打。超出的質(zhì)能就是衰變所需的能量，用來表示。這個過程為要計算，我們首先要知道生成的原子核在激發(fā)態(tài)時的質(zhì)量。，因此激發(fā)態(tài)時的質(zhì)量為+-2×/電子捕獲或捕獲通常來自于內(nèi)層（層）的軌道電子可能會被原子核捕獲（如質(zhì)子捕獲一個電子后轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱ｋ娮拥牟东@過程會

27、產(chǎn)生一個不同的元素，它的原子數(shù)減1而質(zhì)量數(shù)不變（跟+衰變相似）。事實上，一些放射性核有一定的概率既會發(fā)生正電子衰變又會發(fā)生電子捕獲（如鐵52，42的部分會發(fā)生衰變，58的部分發(fā)生+放射）。進一步來說，在電子捕獲過程中還會伴隨放射。例如，（鉻51）轉(zhuǎn)變?yōu)椋ㄢC51）時，90會直接達到基態(tài)。剩余的10成為激發(fā)態(tài)的，隨后又通過發(fā)射光子達到基態(tài)。電子捕獲還會導(dǎo)致內(nèi)層電子位的空缺，這會引發(fā)特征射線發(fā)射或者俄歇電子。缺失高能電子會導(dǎo)致組織的低輻射吸收。同質(zhì)異構(gòu)躍遷和內(nèi)部變換亞穩(wěn)態(tài)的放射核僅發(fā)射射線。元素的質(zhì)量數(shù)不變（同質(zhì)異構(gòu)躍遷）。同質(zhì)異構(gòu)體的質(zhì)量數(shù)用來表示。例如，（锝99m）衰變?yōu)?。有一定的概率可能性能?/p>

28、會傳遞給內(nèi)層軌道電子，而不是以光子形式釋放出來。這就是內(nèi)部轉(zhuǎn)換。內(nèi)部轉(zhuǎn)換的電子靠近單能粒子。例如，鋇135m發(fā)射84的內(nèi)部轉(zhuǎn)換電子。他們也造成內(nèi)層電子的空缺，最后引發(fā)特征射線發(fā)射和俄歇電子。核裂變通常情況下，重核會分裂成為兩個核子（差不多相同的兩部分）。這是可以自發(fā)進行的，但在捕獲中子時更有可能發(fā)生。鈾裂變產(chǎn)物大多數(shù)的原子數(shù)在42到56之間。用于醫(yī)學(xué)的許多放射核都是裂變產(chǎn)物，如氙-133，它可以通過合適的核醫(yī)學(xué)過程提取到。 放射性衰變原子核瓦解導(dǎo)致的原子數(shù)量的減少就是放射性衰變，這是所有放射材料的基本特征。它不受溫度、壓力變化或是化合作用的影響，并且，在相同的時間間隔內(nèi)，衰變過程中元素的分解率

29、時保持不變的。另外，衰變過程是隨機事件。所以，放射性元素的每個原子都有相同的分解可能性。衰變過程持續(xù)下去，很明顯能夠分解的原子會越來越少。每個單位時間內(nèi)衰變后剩下的原子的數(shù)量分數(shù)稱為裂變系數(shù)（）。顯然半衰期和裂變系數(shù)是相關(guān)的，這是由于裂變系數(shù)越大，衰變過程就越快，半衰期就會更短。任何情況下，裂變系數(shù)在整個衰變過程中都是不變的。每一種放射性元素都有不同的裂變過程，這是由于內(nèi)在特性即裂變系數(shù)和半衰期。所有核素衰變方式都相同，但卻有著不同的衰變率，因素不能由每個放射元素的獨特性質(zhì)決定?？紤]時間時具有放射性的原子數(shù)量為，轉(zhuǎn)變率可以由（用微分來表示衰變較少量）定義，它與原子數(shù)量成正比，即這里的是常量。把

30、最初原子數(shù)量表示為（當時），可以得到等式這里是時刻的放射性原子數(shù)量，是是自然對數(shù)底數(shù)（圖15.2）。放射性活度單位是居里（Ci），定義如下1每秒衰變的數(shù)量來源于原來的放射性活度單位，這是1g鐳大約的放射性活度。國際制單位為貝克（Bq）：11 所以1。最普遍使用的放射性活度單位是毫居里（）和微居里（）。討論放射物質(zhì)時使用最多的詞語時半衰期，。因為所有的放射物質(zhì)都有相同的衰變模式。在一定的時間間隔后，衰變剩下原有樣品原子核的一半；再過相同的時間，得到剩下的原子核的一半，依此類推。半衰期是放射性核素衰變一半所需的時間。因此半衰期（）可以通過解下面等式中的得到且推導(dǎo)的計算式解：已知。經(jīng)過一段等于半衰期

31、的時間，放射性核素余量為。因此兩邊同時除以得兩邊同時取自然對數(shù)得由 -0.693，我們有-0.693我們假定放射性核素在t=0的時刻數(shù)量為。半衰期后數(shù)量為。第二個半衰期后，剩下的數(shù)量再減少一半。因此，兩個半衰期后，余量為。半衰期的時間長度從到年不等。放射性核素×年。如果一份樣品包含3×個這種原子核，求樣品的放射性活度。解：首先計算衰變常數(shù)，因為×××××s因此，是t=0時刻的放射性活度即衰變率，是放射性核素在t=0時刻的數(shù)量。由于3×，我們有由于1，放射性活度即衰變率為放射掃描和核醫(yī)學(xué)的前提，是要有能夠用在人體對象

32、的放射性核素，這些放射性核素通過適宜的化學(xué)形式作用于人體。對核素的選擇取決于它的物理特性，這些特性與診斷和治療應(yīng)用有關(guān)，而且需要結(jié)合到相宜的化學(xué)物質(zhì)上并適合生物醫(yī)學(xué)研究。放射性藥物包含載入了核素的特種化學(xué)物質(zhì)，可能是簡單的無機鹽也可能是復(fù)雜的有機分子。公認的是元素的化學(xué)性質(zhì)能夠反映一些可能的生物習性，并且在元素周期表中同一組元素性質(zhì)相似。例如，鍶85用來代替骨骼中的鈣元素。表15.2總結(jié)了一些現(xiàn)在在核醫(yī)學(xué)中用到的重要放射性核素。 輻射的測量：單位現(xiàn)在我們知道，所有的放射性物質(zhì)都會衰變，而且在這個過程中會發(fā)射出各種不同的輻射（，以及可能存在的射線）。但由于它們通常出現(xiàn)在不同的化合物中，很難單獨測

33、量每一種輻射。后來，輻射的測量就通過以下的技術(shù)手段來實現(xiàn)：（1）計算放射性材料中每秒的衰變量，（2）記錄生成占有一個正或負的凈電荷的原子的輻射效果，（3）測量攝入輻射的物質(zhì)所吸收的能量。通過這些基本步驟，得到三種輻射單位：局里（Ci），倫琴(R)，以及輻射攝入量（rad）。應(yīng)該注意的是居里定義了每個單位時間的衰變量而不論輻射的類型，這些輻射可能是、或者射線。居里只針對輻射源。倫琴和拉德（rad），是關(guān)于輻射效率和輻射對象的單位。因此，居里定義輻射源，而倫琴和拉德定義輻射源對于物體的效果。X線和輻射的主要作用之一是使得原子電離，也就是說，使得原子攜帶一個凈單位的正電荷或負電荷（離子對）。倫琴是通

34、過測定離子對總數(shù)得到的，這些離子對是在標準條件下（760毫米汞和0攝氏度）的1立方厘米的空氣中， X線或伽馬射線輻射所產(chǎn)生的。由于每個離子對帶有一個單位電荷，這樣就可以跟可以通過儀器檢測的電效應(yīng)聯(lián)系起來。因此，一倫琴是這樣定義的：產(chǎn)生的次級電子在空氣形成總電荷量為1靜電單位×庫倫）的正離子或負離子所需要的X線或伽馬射線輻射總量因此倫琴是輻射量，而不是輻射強度。而拉德（rad）是基于被照射物質(zhì)所吸收的總能量。一拉德意味著每千克材料吸收0.01焦耳的能量。既然在核醫(yī)學(xué)中人體組織暴露在多種放射性物質(zhì)下，可以使用另外一種計量單位雷姆，來衡量輻射的生物效應(yīng)。因此，雷姆是生物制劑暴露在一種或多種

35、電離輻射下的人體生理劑量單位。這些輻射單位在核醫(yī)學(xué)的不同情況下使用。倫琴，或者更常用的毫倫琴，用來表示測量儀的讀數(shù)值單位。拉德使用來描述接受輻射量的單位，例如，通過對木匾器官注入一種放射性藥物。雷姆是用來表示人工檢測設(shè)備的輻射照射值，如膠片劑量計。但是，通過醫(yī)用體內(nèi)輻射劑量(MIRD)委員會的努力，這些經(jīng)典的放射量測定方法已經(jīng)被現(xiàn)代的輻射劑量計算方法取代了。國際認可的組織輻射劑量單位是戈瑞（Gy），1 Gy 相當于每千克組織吸收1焦耳的能量。以前的輻射吸收劑量被表述為輻射吸收劑量（拉德）戈瑞每百萬貝克，1毫戈瑞每百萬貝克等于3.7拉德毫居里。大部分關(guān)于輻射劑量的計算可用于核醫(yī)學(xué)過程，但是得用拉

36、德來表示。對活生物體的輻射照射尤其是哺乳動物達到一定高度的輻射級別就會導(dǎo)致病變甚至死亡。這一特性在惡性疾病的治療中得到利用，通過釋放一個高劑量的局部輻射來破壞不良組織。暴露于較低水平的輻射之下可能不會任何明顯的效果，但長期作用的話它會增加患癌癥的風險。如果性腺也處于輻射照射下，還會增加遺傳缺陷的概率。因此，需要最大限度的減少對工人的輻射照射，并且明確醫(yī)學(xué)應(yīng)用的指導(dǎo)方針。美國核管制委員會（核管理委員會）采納了限額輻射照射的標準。這個標準下，普通人群每年的輻射照射不得超過希韋特（Sv），從事核職業(yè)人員三個月的全身照射量不得超過1.25 Sv并且三個月內(nèi)的四肢照射量不得超過18.75 Sv。這樣下來

37、，最重要的輻射安全程序之一是同時監(jiān)測人員和工作區(qū)。例行人員監(jiān)測的一般是使用膠片劑量計和指環(huán)式劑量計。當有物體受到污染時，輻射探查和清除測試要在特定的時間間隔下進行。通常用的屏蔽材料是鉛，它的厚度取決于伽馬射線的能量。此外，放射性廢料貯存在合適的屏蔽區(qū)域。用來處理放射性廢料的過程因廢料的性質(zhì)和半衰期而異。但它們都需要一個暫時的貯存設(shè)施，通過一系列規(guī)定的步驟，最后在那里被處理掉。15.3 儀器和成像設(shè)備從前面對輻射測量的討論可以清楚地看到，輻射能量只能間接被測量到，也就是說，通過測量輻射的影響來得到。在各種間接測量技術(shù)里，我們用到的測量放射性的辦法如下：攝影術(shù)：當膠片暴露到特種放射性物質(zhì)如X線中時

38、它會變黑。（即相當于伽馬射線，在對外產(chǎn)生輻射那一節(jié)將會繼續(xù)討論） 。 電離化：輻射通過一個有氣體探測器的探頭產(chǎn)生的過量氣體來生成離子對。這種探測器的功能，是由以這種方式搜集的可以被計數(shù)離子對決定的。這種技術(shù)對阿爾法輻射測量是最有效的，但對伽瑪輻射無效。發(fā)光法：光子的發(fā)射跟白熱沒有因果關(guān)系。通過使用穿透輻射來轟擊某一類型的材料得到的閃光能夠被探測和處理，因此這種技術(shù)是非常有用的。事實上，電離輻射產(chǎn)生的熒光效應(yīng)是閃爍探測器（下一節(jié)討論）的基礎(chǔ)。這種類型的間接探測方案對觀察三種輻射的存在是非常有效的。 閃爍探測器既然大多數(shù)現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)探測器系統(tǒng)都使用了基于閃爍原理的探測器，在這里就需要詳細描述一下。閃

39、爍探測器，可用于所有類型的輻射，并取決于使用的特定類型的閃爍體和它的配置。雖然應(yīng)用不同，但所有閃爍探測器總的技術(shù)是一致的。某些材料，如硫化鋅和碘化鈉，當被電離輻射影響時會發(fā)出閃光或閃爍。一般情況下，發(fā)出的光的總量與材料中粒子消耗的能量成正比。當閃爍材料被放置在一個被稱為光電倍增管的電子設(shè)備的敏感表面附近時，閃爍光就轉(zhuǎn)化為一系列的小型電脈沖，這些脈沖的高度與突發(fā)伽馬射線的能量成正比。這些電脈沖可以通過某種方式放大和處理，例如為工作人員提供撞擊閃爍探測器得到的攜帶關(guān)于輻射總量和特性信息。因此閃爍器可用于醫(yī)學(xué)診斷來確定病人一個器官或多個器官內(nèi)核素的總量和分布。展示了閃爍探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。閃爍探測器

40、組成如下：（1）一個含有閃爍晶體的探測器；（2）信號處理設(shè)備，如線性放大器和單道脈沖分析器；以及（3）數(shù)據(jù)顯示器，如計數(shù)器、掃描儀和示波器。當閃爍晶體檢測到輻射并且光電倍增管電路發(fā)出合適的脈沖時，產(chǎn)生的電壓脈沖非常小。為了避免來自無用信號（如噪聲）的失真導(dǎo)致的信息嚴重丟失，并為處理和顯示提供一個足夠強大的信號，需要使用放大器將其乘以一個常數(shù)來增加幅度脈沖。這個過程叫做線性擴增。在這樣一個系統(tǒng)中，由于沖激探測晶體感應(yīng)的伽瑪射線能量的變化很大，顯然線性放大器接受的脈沖在高度上也有著很大的變化，如果對探頭下所有輻射能量感興趣的話，這個方法也是可以利用的。但是如果操作員只對具體放射性核素的活動感興趣的

41、話，就需要其他處理方式了，比如說通過脈沖幅度分析器來完成。使用這個裝置，操作員可以識別出所有的輻射能量而不只是感興趣的部分。這樣一來，對具體的放射性核素的活動的分析，可以通過處理與之相關(guān)聯(lián)的脈沖來進行。因此，單道和多道脈沖幅度分析器在核醫(yī)學(xué)實驗室里是很常用的。處理過的數(shù)據(jù)必須顯示出來，可以通過提供當前輻射能總量和在身體里的位置信息來進行。這些信息對測定研究中的器官狀況是非常重要的。并且，將當前放射能總量作為時間函數(shù)來研究，可以使醫(yī)生確定器官是否運作正常，而對輻射部位的研究可以讓醫(yī)生將器官或病變組織顯示出來。這兩種方法的研究都是很有價值的。實際上，要提出一個在非圖像應(yīng)用中產(chǎn)生的閃光事件的量度標準

42、的話，必須給這些事件計數(shù)并且提供顯示信息的方法。計數(shù)器可以完成這個任務(wù)，它是核醫(yī)學(xué)中最常見的一種電子裝置。計數(shù)器用來記錄脈沖數(shù)，這些脈沖由探測系統(tǒng)產(chǎn)生并用多種電子設(shè)備來處理。因此，計數(shù)器是一種可以接受表征能量級別（入射輻射能量）范圍和并計算它們的脈沖信號電子裝置。設(shè)計的計數(shù)器要讓操作者可以在預(yù)置計數(shù)和預(yù)置時間（超過這個時間則計數(shù)自動積累）兩者中進行選擇。通過預(yù)置時間，計數(shù)裝置可以記錄一個預(yù)定時間內(nèi)發(fā)生事件的次數(shù)，并且自動關(guān)閉，因此計數(shù)是可變的。通過預(yù)置計數(shù)，搜集了預(yù)先設(shè)定的數(shù)量之后，計數(shù)器也自動關(guān)閉。這種情況下，時間是可變的。通過注視計數(shù)器的前板，操作員可以觀測到上面兩種類型的數(shù)據(jù)。不過，這個

43、信息也可以提供給其他儀器進一步分析。在預(yù)置時間模式下操作計數(shù)器時，這個信息可以用多種方式表示出來。例如，（1）通過單位時間（秒，分等）的計數(shù)值來顯示，使得操作者可以持續(xù)觀測；（2）提供給數(shù)碼打印機，以時間函數(shù)的形式做成連續(xù)表格；（3）直接發(fā)送給一臺電腦，這臺電腦可以保存計數(shù)值，當真正搜集到數(shù)據(jù)時（如果這一進程夠慢的話），還可以對接受的數(shù)據(jù)進行各種計算，同時還以放射性衰變圖形式給操作員提供視覺顯示（在示波器屏幕上）。因此，一旦閃爍探測器檢測到輻射并隨后由計數(shù)器測量，操作員就可以得到各種形式的具有臨床應(yīng)用價值的信息。閃爍數(shù)據(jù)輸出可以用圖像設(shè)備進行處理。一般情況下，這些設(shè)備從探測器得到脈沖輸出，電子

44、處理裝置根據(jù)這些脈沖在放射源中的初始點來描述并將它們以空間形式表征。但由于初始點在三維平面中，這個過程中肯定會出現(xiàn)失真，而最常用的方法只可以在二維空間表現(xiàn)這個初始點。但盡管有著這個明顯的缺點，這一技術(shù)仍然被證明是具有巨大的臨床應(yīng)用價值的。最常用的靜態(tài)檢測系統(tǒng)事閃爍照相機或伽馬照相機。這些裝置可以持續(xù)觀測輻射場的所有部分，因此能夠像照相機一樣來快速生成圖像。最初的這種照相機是由Hal Anger于20世紀50年代設(shè)計的，第一部Anger照相機集合了核醫(yī)學(xué)、電子學(xué)和光學(xué)原理，在臨床設(shè)定下進行數(shù)據(jù)處理。它的最終驗收和進一步發(fā)展，對臨床核醫(yī)學(xué)實踐和所有的醫(yī)學(xué)診斷方法都有著深遠影響。Anger最初引入的

45、概念成了具體生理成像技術(shù)的根據(jù)。 伽馬照相機闡明了伽馬照相機器基本原理。伽馬照相機的探測器置于掃描器官上方。將輻射局限于器官的一個指定點，并將其送入探測器上的一個對應(yīng)點，用一個準直器置于閃爍晶體底部上方。一些伽馬射線如果一直按照直線路徑前行，就會在物體那些與器官樣點完全不相關(guān)的地方?jīng)_激探測器，但由于伽馬射線不能被“彎曲”，必須想辦法來選擇性的阻止那些伽馬射線。選擇性的干預(yù)過程是由準直器完成的。為阻止不需要的離軸伽馬射線沖激晶體，準直器通常有大量由重金屬吸收劑制成的窄平行光闌。仔細思考圖中的多孔準直器。在這里，準直器由一個平的鉛板構(gòu)成，鉛板上打了許多很窄的孔?？梢钥吹?，只有伽馬射線直接在每個孔下

46、面發(fā)射時，才會穿過準直器，并且在晶體表面的唯一位置上表征。如果伽馬射線發(fā)出的地方遠離準直器，比如在Y區(qū)域，這時候它會表現(xiàn)在晶體表面的多個部位上。此時，分辨力（可以定義為探測器辨識來自準直器的不同距離的兩種探測源的能力）會大大降低。對于多孔準直器而言，當興趣區(qū)域靠近準直器的時候有最佳分辨力。因此，將物體從Z點向探測器移動可以提高分辨力。顯然，當觀測皮膚下表的器官時，由于對分辨力有要求，適當?shù)慕咏筋^是很重要的。展示的針孔準直儀。針孔準直儀只允許那些瞄準孔縫的射線進入。這些伽馬射線進入準直儀，沿著直線行進到晶體位置，在晶體上以倒置的空間順序被探測到。當探測源與準直器的距離被置成與針孔到晶體的距離相

47、等時，探測源可以精確地以與實際存在相同的尺寸反映出來。而且，通過適當?shù)亩ㄎ?，擴大和減小探測區(qū)域是實際可行的。比如說將探測源移動到離準直儀的縫孔更近的位置，就可以實現(xiàn)擴大操作。因此針孔準直儀可以放大和翻轉(zhuǎn)被置于它下方的探測源的圖像。從這個簡短的討論中可以看到，準直器與閃爍探測器的結(jié)合，基本上可以將發(fā)生在器官一個特定點上的輻射活動“聚焦”到晶體表面的一個點上。輻射穿過準直器后與閃爍晶體相撞或互相作用。一個簡單的伽馬照相機系統(tǒng)是目前存在的最重要和最基本的核醫(yī)學(xué)診斷工具。與計算機接口鏈接使得這個系統(tǒng)功能更為強大。數(shù)字圖像處理系統(tǒng)可以進行數(shù)據(jù)收集，存儲和分析。數(shù)據(jù)獲取需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）實現(xiàn)圖像的數(shù)

48、字化，數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以將矩形圖像分解成小分，即像素，通常用的層次是64×64，128×128，256×256。因此，人們可以選擇一個特定興趣區(qū)域來獲得某些定量信息。數(shù)字計算也提高了動態(tài)研究，這是因為可以很容易的從一系列圖像中對任何區(qū)域進行區(qū)域速率提取和模式清除，這使得一些研究如心室壁運動研究成為可能。 正電子成像通過核素轉(zhuǎn)換發(fā)射出來的正電子只可以在組織中行進很小一段距離（幾毫米），而后湮滅，產(chǎn)生一對511keV的向相反方向運動的光子。用一對閃爍探測器可以通過同時測量兩個光子檢測到正電子發(fā)射。湮滅探測清楚的界定了兩個探測器之間的圓柱曲線路徑。這里沒有必要確定正電子照相

49、機中多孔準直器的位置，因為電子準直器能夠完成這項工作。正電子照相機是有局限性的，但高度改良的結(jié)構(gòu)在正電子發(fā)射橫斷面體層攝影術(shù)和正電子發(fā)射斷層攝影術(shù)（PET掃描）中起著巨大的作用。將大量的碘化鈉（碘化鈦）探測器環(huán)形排列，可以使得探測過程允許湮沒同時生成的光子有180度的偏轉(zhuǎn)。斷層圖像是由電腦輔助重建技術(shù)得到的?；匦铀倨魃傻亩虊勖派湫晕镔|(zhì)（主要是碳11 ，氮13 ，及氟18 ）可以提供人體結(jié)構(gòu)和代謝信息，幾個大型中心都將這個技術(shù)與正電子發(fā)射斷層掃描相結(jié)合起來使用。15.4 射線成像系統(tǒng)本節(jié)將討論穿過人體并由病人后面的輻射敏感器件探測到的外部生成的輻射。這種射線成像系統(tǒng)依賴有衰減特性的X光來生

50、成圖像。最初的系統(tǒng)需要相當數(shù)額的輻射來產(chǎn)生組織的具有較好對比度（即分辨身體的微小密度差異的能力，如脂肪和肌肉之間）的清晰圖像。高對比度表現(xiàn)出的差異，如軟組織和空氣（肺部）之間或者骨頭和肌肉之間，可以使用較小劑量的輻射來區(qū)分。不過，隨著更好的膠片和其他類型探測器的研發(fā)，高、低對比分辨力使用的輻射劑量都減少了。更有意義的，是20世紀七十年代計算機軸向斷層掃描技術(shù)（CAT）的發(fā)展。這種儀器可以生成病人的橫斷面圖像，而不是常規(guī)的X線系統(tǒng)記錄的陰影圖像。理論上，這可以為臨床醫(yī)師提供身體任何部位、任何截面的高對比度斷層圖像。為更好的理解這種成像方式的意義，我們先回顧一下常規(guī)X線成像系統(tǒng)基本概念。 基本概念

51、所有的X線成像系統(tǒng)都是由一個X線源、一個準直器合一個X線探測器構(gòu)成的。X線醫(yī)學(xué)診斷系統(tǒng)使用外部生成的X線，能量為20150keV。自二十世紀初，常規(guī)的X線圖像都是使用廣譜X光束和攝影膠卷的方法得到的。一般來說，X線是由陰極射線管產(chǎn)生的，當有高壓電源時陰極射線管激發(fā)生成X光束。光束由準直器整形后穿透病人，在圖像表面生成潛影。依靠X線成像系統(tǒng)，圖像由X光片、圖像增強器或者一套X線探測器檢測到。使用標準屏片技術(shù)，X線穿過人體，在一張膠片上投射出骨骼、器官、空腔和身體外圍的影像（見圖15.6ac）。陰影圖以這種方式包含了傳輸?shù)腦光束在穿過不同密度的組織和體液后的強度變化結(jié)果信息。這一技術(shù)的好處就是在較

52、少的曝光下，能夠提供高分辨力、高對比度的永記錄的圖像。但是，它也有缺點如明顯的幾何市鎮(zhèn)，無法辨別深度信息，無法提供實時圖像。所以，常規(guī)放射成像一般只用于牙齒、胸部和骨骼的成像。由于骨骼吸收X線能力很強，很容易由標準放射成像技術(shù)識別骨折。操作過程中將三維物體投射到二維平面上，也會遇到一些麻煩。在膠片上顯示的結(jié)構(gòu)組織是重疊的，并且很難分辨各種密度相似組織。因此，常規(guī)X線技術(shù)無法獲得可識別的主要由軟組織構(gòu)成的腦圖像。為了努力克服這一缺陷，人們開始嘗試從多個器官出現(xiàn)的不同的角度來獲得陰影圖（ 在這些角度下，器官的相互位置關(guān)系是不一樣的），同時引入半透明或不透明的介質(zhì)（如空氣或碘溶液）到X線傳輸通道中。

53、但是，這些努力往往很費時，很困難，有危險性，而且還不夠精確。早在20世紀二十年代，就研制出另一種X線技術(shù)來實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)可視化。通過這種被稱為平面體層成像的技術(shù)，可以實現(xiàn)人體特定平面或截面的成像。在平面體層成像技術(shù)中，X線源向一個方向偏移的時候，成像膠片（放在人體的另一側(cè)來接收X線）自動朝相反方向移動（圖15.6b）。這樣的結(jié)果是，X線持續(xù)改變通過人體的路徑的同時，在整個曝光過程中，每條射線都穿過同一個平面即同一個興趣斷層。因此，可以將目標平面的結(jié)構(gòu)得到聚焦，并在膠片上顯示出來，而在其他平面上的結(jié)構(gòu)都被模糊掉并以污點形式顯示。在展現(xiàn)不同組織的位置和細節(jié)時，以及使用二維表達來提供三維信息時，這種方

54、法顯然優(yōu)于常規(guī)方法。然而它也有局限性：首先，由于獲取的深度信息有些錯誤，不能真正地局部化到一個單一平面；其次，放射密度需要有很大的反差，才能獲取到容易理解的高質(zhì)量圖像；另外，用于體層成像的X線劑量要比常規(guī)X線成像所用的要多一些，并且，由于曝光時間更長，病人的動作可能會降低圖像品質(zhì)。 計算機斷層掃描（CT）是一種完全不同方法。它主要由掃描和探測系統(tǒng)，一臺計算機，一個顯示器構(gòu)成。我們把計算機重建技術(shù)結(jié)合到X線吸收測量技術(shù)中，用這種方法，通過二維坐標切片或在三維尺度上對Z軸進行重建，可以方便地展示任何內(nèi)部器官。這種技術(shù)的第一步與常規(guī)射線成像技術(shù)是很相似的。一列X線準直光束直接通過正在被探測器掃描的人

55、體斷層，探測器置于病人的另一邊（圖）。有了一個狹窄的準直光源和探測系統(tǒng)，發(fā)送一束很窄的X線到具體的探測點是可行的。X線的一部分能量被吸收掉，剩下的部分則繼續(xù)前行到探測器后被測量。在計算機斷層掃描中，探測系統(tǒng)通常包括一種晶體（如碘化銫或鎢酸鎘），當被X線轟擊時這種晶體能夠閃耀或發(fā)射光子。光子的密度或“能量束”依次被光子探測器測量到，同時還提供了一種方法來測量X線束穿透過程中被介質(zhì)吸收（或透射）的能量由于X線源和探測系統(tǒng)通常安裝在一個裝置（掃描儀架）里，兩者可以一起在可視化目標周圍移動。在早期的設(shè)計中，舉例來說，每一個由射線源和探測系統(tǒng)經(jīng)過的旋轉(zhuǎn)角度，都進行了X線吸收測量和記錄。其結(jié)果是生成一個該

56、角度的的吸收曲線。為獲得另一個吸收曲線，帶有X線源和探測器的掃描儀架旋轉(zhuǎn)一個很小的角度，這樣另外一組吸收或透射測量結(jié)果就被記錄下來。每一個通過這種方式得到的X線曲線或投影都是一維的。它們跟人體寬度相同但卻只有穿越斷層那么厚。采集周向均勻位置投影的確切數(shù)量，決定了組成顯示信息的圖片元素的表達尺寸。例如，生成一個160×160的圖像矩陣，需要對160個周向均勻的每一個平移位置進行吸收測量。每個一維數(shù)組構(gòu)成一條X線曲線或投影。為獲取下一條曲線，掃描單元圍繞病人旋轉(zhuǎn)一定的角度，從當前的新位置得到160多個線性讀數(shù)。這個過程一再重復(fù)直到掃描單元總共旋轉(zhuǎn)180度。當收集到所有的投影后， 160&

57、#215;180即28800個獨立的X線密度測量結(jié)果就可以對病人的頭部或身體進行斷層重建。在這點上，電腦的優(yōu)勢是很明顯的。前面描述的步驟中獲得的每一個測量結(jié)果都能保存在電腦上。當獲得所有的吸收數(shù)據(jù)并將其置于電腦的存儲器中后，基于圖像重建算法開發(fā)的分析數(shù)據(jù)的軟件包就開始運行。圖像重建技術(shù)是基于已知的用于天文學(xué)的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法建立起來的，在計算機發(fā)展起來之前使用很少，因為需要重建的計算量很大?，F(xiàn)代計算機技術(shù)使得人們可以充分利用這些重建技術(shù)。要從儲存的X線吸收值數(shù)據(jù)中生成一副圖像，計算機最初為感興趣的截面建立一個包含大量小方塊的網(wǎng)格，總的網(wǎng)格尺寸由需要的顯示尺寸決定。這個過程生成的網(wǎng)格就像網(wǎng)球拍上的由

58、繩子交互而成的格子那樣的東西。由于人體的截面有一定的厚度，每個小方塊就代表一定體積的組織，矩形固體的長度由切片厚度決定，寬度由矩陣尺寸決定。這樣的一個三維體積塊被稱作體素（體積元）并且在二維上以像素（圖像元）形式顯示出來（圖15.7）。在掃描過程中，每個體素都用一束窄的X線照射180次。這樣，該體素的吸收量就得到180次不同投影方向的測量。由于每個體素都會有一組唯一的吸收量，電腦會按體素計算所有的吸收量。用總的吸收量和體素的尺寸，可以精確的測定組織的平均吸收系數(shù)，并以灰度像素形式顯示出來。例說明X線在多種射線穿透病人身體截面時是怎樣衰減的。解：可以認為興趣截面是由一組小方塊組成的。每個小方塊會吸收穿過它的X線或光子的一部分