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生物医学核电子仪器

2023-03-16 20:41自然百科人已围观

[拼音]：shengwu yixue hedianzi yiqi

[外文]：biomedical　nuclear electronic instrument

在生物医学方面应用的核电子仪器。

发展概况

1923年，匈牙利化学家G.C.赫维西开始用放射性核素来示踪化学反应和植物生理过程。不久，他又把这一方法推广到生化反应、动物和人体生理过程的示踪上去。基本方法是将生化分子中的某个原子用其放射性同位素取代，并使之参与生理活动，再通过测量放射性来示踪这种生理过程。由于放射性γ辐射有贯穿性，这种测量可在体外进行，从而开辟了一个研究活体生命现象的新途径。但是，由于当时放射性探测技术水平较低，这一方法没能得到推广。1947年，德国物理学家H.卡尔曼发明有机闪烁体和闪烁计数器。1948年，美国物理学家R.L.霍夫斯塔特发明高灵敏度和能测γ能量的闪烁体碘化钠 (铊)[NaI(Tl)]晶体并研究出相应的核电子学方法。60年代，医院中广泛采用这类碘化钠型闪烁核电子仪器进行诊断，并发展成一门后来称为“核医学”的科别，出现了核医学电子仪器的工业部门。美国物理学家R.S.耶洛用这种 NaI(Tl)核电子仪器发明了放射免疫诊断法，并获得1977年诺贝尔奖。在这段时期中，美国物理学家 A.M.科马克和英国电子工程师G.N.亨斯菲尔德也利用这类NaI(Tl)闪烁核电子仪器发明了X透视的计算机辅助横断层方法，他们为此获得1979年诺贝尔奖。80年代，出现了对X和γ射线探测效率更高的锗酸铋(BGO)晶体和兼有 γ能量分辨和亚纳秒时间分辨能力的氟化钡(BaF₂)晶体，更加丰富了以有机液体和NaI(Tl)晶体为基础的核医学电子仪器和方法。从50年代初开始，中国开展核电子学和核探测技术的研究，不久即开始生产核电子仪器。1976年，中国试制成功第一台γ照相机（图1）。

类别

生物医学核电子仪器分为四大类。

基础生物医学核电子仪器

主要用于测量¹⁴C、³H、公式符号 P等基础研究中常用的生命过程示踪核素。这些核素放射低能β射线，一般穿不过探测器的壁，因而需要用薄窗探测器，或把样品放入探测器中来测量。常用的有以下四种仪器。

（1）液体闪烁计数器：包括各种性能的液体闪烁体，低荧光器皿，高灵敏、低噪声、高分辨率、高稳定性的双碱阴极光电倍增管，双道脉冲幅度比分析电路，测量结果自动校正（如淬灭校正等）电路，大量样品自动转换机构和数据处理、测量控制的微计算机系统。

（2）放射性层析扫描仪：通过测量示踪核素如³H、公式符号 I等在层析纸上的分布，能快速分析放射性标记化合物各组分的含量。探测器有薄窗或无窗2π式、4π式的气流正比计数管。此外，还有放射性薄层色谱自动扫描仪等。

（3）中子活化γ谱多道分析仪：用小型静电或倍压加速器进行氘氚反应，产生中子束去活化生物样品，根据γ能谱分析微量元素。γ能谱用锗（锂）[Ge(Li)]探测器和多道脉冲分析器测定，一般用1024道，4096道或16384道，由微型计算机进行数据处理和显示。

（4）质子感生X射线分析仪:用小型回旋加速器产生的质子束去激发生物样品，产生X射线。据此X谱能分析痕量的原子序数小于11的元素。

临床离体分析仪器

主要是取血样或体液样作放射性分析，供临床诊断之用。这类仪器所依据的方法中，最主要的是放射免疫法。它是根据抗体和抗原或专一结合蛋白之间的高度专一性识别结合，将这种结合体用常规方法分离出来，如对其中一种蛋白标记上γ放射性核素，用NaI(Tl)闪烁核电子仪器进行高灵敏测量，就可对特定的分子（包括多钛及蛋白激素、非肽激素、维生素、酶、血液成分、核酸衍生物和药物）进行极微量分析，方法非常简便，可在临床上大量应用。所用仪器包括以下几个组成部分，即NaI(Tl)闪烁晶体、双碱光电倍增管、γ能量在 10～800千电子伏（相当于公式符号 I到Fe的γ能量范围）内的自动稳谱电子装置、双道测量装置、500～2000个样品自动换测系统，以及测量数据自动处理和打印系统等。

医用保健物理仪器

临床示踪核素用药量必须严格标定，因此专门设计出放射性活度计，用来可靠而准确地测定药瓶中放射性核素的毫居里数。为了保持诊室和环境的清洁，不被放射性污染，专门设计有放射性沾污仪。为了对医生和病人所受的放射性剂量进行监督，还设计有剂量仪。

临床活体诊断核电子系统

这是将放射性核素示踪药物注入病人体内，参与生理病理过程，在体外用核电子方法探测这一过程进行诊断。按终端显示的信息特点，这类核电子系统可分为以下几种。

（1）功能仪：定点测量一维时间过程的仪器，测量点可以是一点或多点。典型的仪器有:甲状腺功能仪，用于测定甲状腺吸碘功能；肾图仪，用于测肾功能；多功能仪，在肾图仪基础上增加路数和运算电路，使过程测量和记录速率的量程范围加宽，可测脑血流、肺功能、肢体血流、心血流等；核听诊器，用NaI(Tl)准直探头，经放大、单道脉冲幅度分析，把计数送入一微计算机。利用一套专用程序可测心血容量、左心射血分数等；脑血流仪，测量局部脑血流的动态功能。

（2）纵向断层扫描机：通过扫描得到一张能反映内脏形态的静态两维纵向断层图。有单探头和双探头两种，探头用 NaI(Tl)晶体，配以各种与γ能量匹配的聚焦型准直器，对人体作机械的直角扫描。电子学线路仍是放大、单道、计数电路，再加上单板机对图像进行处理，用黑白和七色打印出内脏的核素分布图。

（3）横向断层扫描机：1963年发明，可以扫描出人体横截面核素分布图（图2），同X射线透射型断层扫描机(XCT)的断层原理相同，它是一种γ射线发射型计算机断层图(ECT)。

（4）γ照相机：采用动态纵向二维积分图像序列方法。例如自动荧光镜法，用200多个NaI(Tl)晶阵列组成二维探头；还有多丝正比室(MWPC)二维探头和γ照相机。后者的原理是通过成像准直器把内脏的γ图像送到一个大而薄的热锻多晶NaI(Tl)晶体（用作二维探测器），用光电倍增管阵列对每个γ光子激发的闪烁点的二维坐标进行模拟量编码，由此读出电路解码。其中有一触发判选电路选取载有坐标信息的闪烁点，通过模-数变换，以数码方式把闪烁点坐标送入小型或大容量微计算机中形成图像。同时，配以核医学诊断应用程序和专家程序等进行诊断。

（5）单光子发射断层照相机：使用γ照相机围绕病人转一周便得到很多个断层的动态图集，即一套大视野的四维图或大视野单光子发射断层图(LFOV-SPECT)（图3）。

（6）正电子发射断层照相机：利用正电子和组织中电子湮灭时放出一对能量为0.51兆电子伏的相反方向飞出γ光子的现象进行断层测量。测出这两个γ光子的坐标，就可推算出湮灭点的坐标，从而可省去成像准直器。

（7）核磁共振断层照相机：美国物理学家F.布洛赫和E.M.珀塞耳发现核磁共振现象，并获1952年诺贝尔奖。1971年，人们利用这个现象测定活体中的含氢或其他奇数原子核的量。于是，美国物理学家R.达梅迪安用此法诊断肿瘤，因为肿瘤组织和正常组织中的含水量不同。1971年，美国的R.C.劳特布尔制成第一台核磁共振断层照相机。利用电子学方法使核磁共振区扫描式地发生，可得四维核磁共振断层照相图(NMRCT)（图4）。