1、第二章第二章 放射性测量放射性测量 1 放射性测量仪器放射性测量仪器 用放射性核素进行医学研究和诊断疾病是通过探测其放出的射线来实现的，凡在医学中探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度及随时间变化、空间分布的仪器，统称为放射性测量仪器。一、基本原理一、基本原理 放射性测量仪器是核医学工作中的必备条件，各种核医学仪器探测的基本原理都是以射线与物质的相互作用为基础，将辐射量转化为其他可测量的物理量，现代的探测器，多数最后是转化为电学量，然后用电子仪器测量和纪录。l具体分为以下几种类型：1.电离作用 2.荧光现象 3.感光作用二、基本结构二、基本结构放射性测量仪器一般可分为两部分：（1）探测
2、器（探头）：将辐射量转化为其他可观察量的转换器。（2）后续电子线路：对脉冲信号进行分析和记录。（3）计算机系统和辅助设备。按射线探测器探测原理的不同可分为三大类：气体电离探测器：仅用于某些防护监测 仪，如GM计数管等。闪烁探测器：是目前核医学中最常用的 射线探测器。半导体探测器：主要用于活化分析时分 析谱。（一）固体闪烁计数器（一）固体闪烁计数器 整体结构由固体闪烁探测器、后续电子线路、计算机系统和辅助结构组成。1 1、固体闪烁探测器、固体闪烁探测器 是将射线转化为电信号的装置，既可探测射线强度，又可测定射线的能量。由闪烁体、光收集系统、光电倍增管、前置放大器和外周屏蔽组成。固体闪烁计数器结构
3、示意图（1 1）闪烁体）闪烁体 主要有无机晶体、有机晶体和塑料有机闪烁体三类。无机晶体闪烁体是人工加入少量杂质（激活剂）的无机盐晶体，如NaI(Tl)晶体。NaI(Tl)晶体对射线探测效率可高达80%，是目前射线样品测量中探测效率最理想、最常用的一种探测器。（2 2）光收集系统）光收集系统 包括反射层、光学偶合剂和光导。反射层把闪烁体向四周发射的光有效地收集在一个方向上，同时起密封作用。光学偶合剂可以有效地把光传递给光电倍增管的光阴极，以减少全反射，比如甲基硅油等。光导的作用也是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极，比如聚四氟乙烯等。（3 3）光电倍增管（）光电倍增管（PMTPMT）是光-电信号
4、转换和倍增的器件。（4 4）前置放大器）前置放大器 对光电倍增管输出端的信号进行跟踪放大，同时与后续分析电路的阻抗匹配，以减少信号在传输过程中的畸变和损失。（5 5）外周屏蔽（铅屏蔽）外周屏蔽（铅屏蔽）减少外界射线引起的本底计数率。2 2、固体闪烁计数器后续电子线路、固体闪烁计数器后续电子线路（1）主放大器 对脉冲信号进行放大和整形。（2）甄别器和脉冲高度分析器 探测器输出的脉冲信号保存射线的能量信息，脉冲高度正比于射线的能量，脉冲高度分析器（PHA)的作用就是有选择地让需要记录的脉冲通过。甄别器是一种只允许超过一定高度的脉冲通过而将低于这一高度的脉冲“甄别”掉的触发线路。这个设置的限制电压值
5、称为甄别阈。利用甄别器可将输入脉冲改造成高度和宽度一致的输出脉冲，以适应下一级电路工作的要求。PHA是由上、下两个甄别器和一个反符合线路组成，其工作原理是：两个甄别器分别设上阈值V上和下阈值V下，上下阈值之差称为道宽。反符合线路的功能是选择脉冲幅度在上下甄别阈之间的信号通过，并送至下级电路。可见PHA实际上是射线能量范围的选择器。通过这种功能，PHA可较有效地排除仪器噪声的小脉冲和宇宙射线的大脉冲本底，并可探测射线的能量分布（能谱）。3 3、计算机系统、辅助结构和电源、计算机系统、辅助结构和电源计算机系统的主要作用是适时采集数据和处理数据、分析数据、显示数据并对仪器进行自动控制。由于仪器使用的
6、目的、运行的方式不同而具有不同的辅助结构，比如全自动计数器的自动换样装置。放射性测量仪器的电源分为两类，一类是直流高压电源，对于闪烁探测器，主要用于光电倍增管各极分压供电；一类是低压电源，主要供电子学线路、计算机、辅助设备运行使用。（二）液体闪烁计数器（二）液体闪烁计数器 由探测器、后续电子线路、计算机系统和辅助结构等组成。其特点是：闪烁体是装在测量杯中的闪烁液，放射性样品溶解或悬浮于闪烁液中或分散吸附在固体支持物上再浸于闪烁液中进行测量，样品与闪烁液接触紧密，样品的自吸收大大减少，提高了对低能射线的探测效率。1 1、液体闪烁探测器、液体闪烁探测器（1）液体闪烁体 液体闪烁体由溶剂和溶于溶剂中
7、的有机闪烁剂装在特制的容器中组成。（2）光电倍增管 两只光电倍增管。水平放置端窗相对，中间为样品室。（3）光收集系统 同固体闪烁探测器2 2、后续电子线路、后续电子线路（1）符合电路：降低光电倍增管噪音水平，提高仪器的信噪比，有效降低本底。（2）相加电路：将两个光电倍增管输出的同步信号叠加，使脉冲高度增高和相对稳定。（3）线性门电路：防止脉冲信号畸变（4）主放大器：同固体闪烁探测器（5）脉冲幅度分析器：为多道脉冲幅度分析器，同时记录幅度不同的脉冲。道数越多，对幅度不同的脉冲分辨率越高。3 3、计算机系统和辅助结构和电源、计算机系统和辅助结构和电源 除与固体闪烁探测器相似外，还包括淬灭校正的软件
8、和一个外标准源。所谓外标准源是一个固体源，有足够长的半衰期和放射性活度，作淬灭校正用。2 射线的测量射线的测量 射线的测量包括射线的能量测量和计数测量，核医学的测量对象一般都是已知核素，要求也主要是计数测量，因此，这里主要讨论射线的计数测量。一、绝对测量和相对测量一、绝对测量和相对测量 绝对测量(absolute counting)：不借助中间手段直接测量放射性活度。相对测量(relative counting)：用所测计数率的多少来反映放射性活度的大小，或先测定仪器的探测效率，将计数率转化为放射性活度，是生物医学中普遍采用的测量方法。具体步骤为：（1）测定仪器的探测效率：设标准源的放射性活度
9、为As（dpm），探测的计数率为Ns(cpm)，本底为Nb(cpm)，则探测效率E为：（Ns-Nb）/As100%（2）测量样品的衰变率：设样品在相同的条件下测量的计数率为Nx(cpm)，则样品的衰变率为：Ax=(Nx-Nb)/E (dpm)计数率：计数率：指射线探测器在单位时间内测量得到的脉冲信号数，用每秒计数(cps)或每分计数(cpm)表示。衰变率：衰变率：单位时间内核衰变的次数，用dps或dpm表示。二、积分测量与微分测量二、积分测量与微分测量 积分测量：积分测量：用单道脉冲幅度分析器，把上甄别阈调在无穷大，将幅度大于下甄别阈的全部脉冲记录下来。微分测量：微分测量：用单道脉冲幅度分析器
10、，将幅度在上下甄别阈之间的脉冲记录下来。可以除去大部分本底，有利于提高测量的精密度，所以，绝大多数测量都选用微分测量的方式。三、三、射线测量的主要影响因素射线测量的主要影响因素 影响射线测量的主要因素有：1、几何位置；样品和探测器之间的相对位置叫作几何位置。样品与探测器的相对位置不同，所测得的计数率也不同，因此，相对测量时，只有保持样品放射性分布均匀，形状、大小、高低以及与探测器的相对位置严格一致，结果才具可比性。2、样品体积；样品体积增加，漏计角增大，自吸收也增大，计数效率下降。因此，测量时需严格使样品体积一致。3、射线的能量；一般来说能量越高，穿透力越强，与闪烁体作用产生光子的几率越低，因
11、此计数率也越低。4、仪器分辨时间；测量仪能分别记录两个相邻脉冲之间的最短时间叫做分辨时间，若输入的脉冲信号间期小于该分辨时间，仪器来不及反应而漏计。漏计在测量较高放射性活度时的几率更大。因此，高活度样品测量，宜先取出部分稀释后再测，所得结果需经过体积校正，换算为原始样品的计数率。一般井型计数器不宜测量超过5000cps的样品。5、仪器的本底 仪器的本底是指在没有放射性样品存在时所得到的计数率。固体闪烁计数器的本底主要来自外界的射线，包括周围环境中的放射源和宇宙射线，其次还包括仪器的热噪声。6、其他：如闪烁体的体积和厚度等。3 液体闪烁测量技术液体闪烁测量技术一、闪烁液与测量瓶（一）闪烁液 主要
12、由有机溶剂和闪烁剂组成。1、溶剂 溶剂分子占闪烁液总分子数的99%左右，基本作用是溶解闪烁剂和待测放射性样品，同时起能量传递作用。常用的有：甲苯、二甲苯、二氧六环（可容纳大量的水）等。2、闪烁剂 是闪烁液中的发光物质，能有效地接受溶剂分子传递的能量并在很短的时间内发生激发和退激，退激时释放荧光光子。闪烁剂的化学名称及化学结构复杂，通常都用缩写名称，常用的有：TP、PPO等。如果闪烁剂的发光光谱不能与PMT很好匹配，还可以考虑添加第二闪烁剂，最常用的是POPOP,使发射光子的波长向长波方向转移，又称为“移波剂”，使用第二闪烁剂可提高闪烁液的淬灭耐受性，改进探测效率。3、助溶剂和添加剂 常用的助溶
13、剂有乙醇、乙二醇等，能促进水与二甲苯等非极性溶剂的互溶，其用量为总体积的20-40%。常用的添加剂是萘，起能量的中间传递作用，可显著提高探测效率，使用浓度为60-150g/L。4、溶剂纯化和配伍禁忌 溶剂纯化的主要目的是除去有淬灭作用和化学发光的杂质；一些溶剂的互溶会导致颜色淬灭等，要注意配伍禁忌。（二）样品测量瓶 是被测物和闪烁液的容器，测量瓶加被测物和闪烁液组成了液体闪烁计数器的中心部件。对测量瓶的基本要求是：低钾、对闪烁光有很好的透光度、化学性能稳定、低成本易加工。常用的材料有：低钾玻璃、聚乙烯类塑料、聚四氟乙烯和石英等。二、样品的测量方式和样品制备（一）样品的测量方式1、均相测量：样品
14、以真溶液形式存在于闪烁液中，测量误差小，计数效率高，是理想的测量方式，特别适合脂溶性样品的测量。l1）脂溶性样品的测量 含0.4%PPO的甲苯闪烁液。l2）水溶性样品的测量 二甲苯乙二醇甲醚=7 3 含0.8%PPO 应该注意很多生物样品有颜色，特别是黄色，会影响测量的效率，最好用H2O2等氧化剂脱色。2、非均相测量：测量瓶内存在两个相系，闪烁体存在于一相，而放射性样品则存在于另一相。这两个相可以是固-液相或液-液相。目前最常用的是固相测量和乳化液测量，用于非脂溶性样品。l1）固相测量 用玻璃纤维滤片或纤维素脂滤膜收集细胞或其碎片等等，含0.4%PPO的甲苯闪烁液13ml。l2）乳状液测量 适
15、用于低水平大体积的水溶性样品，常用乳化剂如Triton X-100，制成透明或半透明状。l（二）样品制备：将样品制备成适合放射性测量的形式。常用的方法有淋洗法、提取法、分离法、酸性消化法、碱溶解法和燃烧法（使样品氧化或燃烧，无化学发光和明显的淬灭）等。三、淬灭及其校正（一）淬灭产生的因素及其影响1、淬灭(quenching)：液体闪烁测量过程中，从射线能到光能，从光能到电能转换的任何一步，受各种因素影响，总有部分能量损失，导致光子输出量减少，这种现象称为淬灭。2、淬灭种类：(1)相淬灭或局部淬灭：在非均相测量中，样品发出的射线先被微小水珠或固相支持物所吸收，使能量减弱，产生光子的能力降低，称之
16、相淬灭。固相样品量过多时，样品本身对射线有不同程度的自吸收作用，导致光子产生额减少，称为局部淬灭。l(2)闪烁液的自淬灭：发生在闪烁剂或溶剂分子内部的分子内淬灭，与闪烁剂或溶剂分子结构及分子浓度有关。l(3)化学淬灭：样品中的各种成分或制备样品时添加的一些成分（如消化物、助溶剂等）会吸收部分能量。化学淬灭的程度还与淬灭物化学结构有关。(4)颜色淬灭：激发的闪烁剂分子退激时发出的荧光光子被液体闪烁系统内(包括样品)的有色物质吸收而减少称为颜色淬灭。不同的颜色淬灭影响不同，以红、黄色最为明显，蓝色相对影响较小。（二）淬灭校正的方法 产生淬灭的原因很多，导致不同样品的探测效率不一致。需作淬灭校正才能
17、相互比较计数率。淬灭校正就是要求出每一样品的实际探测效率，再将其计数率cpm换算成衰变率dpm，从而将淬灭程度不同的因素消除掉。常用的方法有：内标准源法、样品道比法、外标准道比法、H数法等。(1)内标准源法：在待测样品的闪烁系统内加入已知放射性活度的同种标准源，并借助其测量效率来确定待测样品的放射性活度。该方法较为准确，特别适用于严重化学或颜色淬灭的样品，以及乳状液和低水平样品的校正。但样品较多时，非常麻烦、费时，且不能自动化，样品加入内标准源后不能再使用，因此不作常规使用，通常只作为其他淬灭校正方法的对照。(2)样品道比法(sample channel rato method,SCR)：(3
18、)外标准道比法(External standard channele ratio method,ESCR)：(4)H数法(H number)：这三种方法均需要作淬灭校正曲线，比较复杂烦琐，这里不作详细叙述。(三)、化学发光和磷光 1、化学发光(chemiluminescence)是由测量杯内容物发生某些化学反应所引起，持续时间可达数天。应避免使用碱性或含过氧化物的物质；在样品处理过程中加入还原剂除去剩余的过氧化物；放置样品衰减化学发光等方法来消除化学发光。2、磷光(phosphorescence)是闪烁体系受光照后产生的一种发光现象。为减少磷光，须避免测量瓶直接受日光暴晒，加毕闪烁液后需经一定
19、时间暗适应再测量。4 放射性测量的计数误差及其控制放射性测量的计数误差及其控制一、放射性衰变的统计涨落一、放射性衰变的统计涨落 放射性核素在总体上衰变速率正比于原子核的数目，但是一个放射源在单位时间内衰变掉的原子核数目不一定和理论值完全一致。在放射性测量中，尽管测量条件完全相同，每次测量结果并不绝对相同，而总是围绕着平均值上下波动，当均数不是很大时，大多数呈泊松(Poisson)分布规律，当均数较大时接近高斯(Gauss)分布，即正态分布规律。二、放射性测量的统计误差二、放射性测量的统计误差 由于核衰变过程中存在着统计涨落，要想知道样品真正的放射性活度，就需要进行无数次定时测量或无限长时间的测
20、量，经衰变校正后求出均值，这显然是不可能的。但是衰变具有统计涨落的规律性，实践中放射性测量是计数资料，绝大多数情况是每个样品通过单次测定来确定计数的水平及离散范围，这就是放射性测量的统计误差。设单次测量的总计数率为N，那么计数N的统计误差为N的平方根。三、测量误差的控制三、测量误差的控制(一)提高计数率N1.延长测量时间：测量时间越长，计数越高；2.适当增加测量次数：在实际工作中一般以3次为宜；3.减少测量系统的影响因素，调整仪器的最佳工作条件，提高测量效率。(二)控制本底计数的影响 尤其对放射性水平低的样品，本底高将影响甚至淹没放射性计数。(三)先设置样品测量的相对测量误差，如5%或3%，然后再去确定本底和样品所需测量的最短时间。
