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，然后通過檢測人體內(nèi)的放射源和輻射積累來判斷病變的癥狀； 同時，該方法還可用于病理治療。 好在這一章并沒有太多數(shù)學相關的內(nèi)容，主要是物理相關的知識。 本章知識要點如下：
核成像基礎物理及其應用
示蹤劑的概念在高中生物里已經(jīng)講過，這里不再重復。 作為一種內(nèi)源性輻射檢測方法，它與CT有顯著不同，如圖：
CT 和核成像比較
放射性試劑照射過程中，粒子普遍受到康普頓效應和光電效應的影響。 這里展示的圖表再次強化了這一印象，因為這些效應是核成像技術的基礎。 光電效應主要是原子吸收光子能量，迫使部分電子進入激發(fā)態(tài)而被射出，而康普頓效應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。其他一些光子會彈開。 下圖更好地說明了這種關系：
光電效應和康普頓效應
下圖展示了康普頓效應與光電效應的關系：
光電效應與康普頓效應的關系，圖片來自：und für LMU
在較高的比能量下，康普頓效應更有可能發(fā)生。
這種效應也是接收機接收核成像的基礎。 一般我們期望將伽馬射線束轉(zhuǎn)換成光束，再轉(zhuǎn)換成電流來測量相應的電信號，從而獲得核成像的具體內(nèi)容。
2.準直器()
準直器用于收集伽馬信號束。 伽馬射線不直接測量，而是轉(zhuǎn)換成電信號進行量化。 準直器的橫截面如圖所示：
準直器截面圖
隔板的間距和隔板的高度是影響測量結(jié)果的兩個概念：
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，準直器越靈敏。
以上解釋了收集伽馬射線進行核成像的原理。 通過準直器的轉(zhuǎn)換和后續(xù)操作，我們最終可以接收到電信號。
3. 單光子發(fā)射斷層掃描（SPECT）
操作算法與CT基本相同。 SPECT通過不斷的投影和誤差修正可以得到滿意的結(jié)果。 只不過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（電子本身帶負電荷）。 當正電子在人體組織中移動時，它會減慢并湮滅常見的負電子，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，并且可以計算出伽馬射線到達兩個接收器的時間差，因此可以更準確地定位湮滅發(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準確的計算結(jié)果，并且具有較高的信噪比。
補充：輻射劑量計算
因為公眾對核成像關心的是輻射劑量（CT也是如此）。 這里有一個通用的計算方法，有3個概念：
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，一般可表示為：
D_T=Acdot
后者中，A為成像中的輻射活度測量系數(shù)，為示蹤劑的劑量系數(shù)，由蒙特卡羅方法計算得到；
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，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。 MRI本身可以檢測人體的軟組織結(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。
PET與MRI的結(jié)合可以更好地檢測軟組織的生理和病理活動。 但MRI的工作原理比較特殊（下一節(jié)將詳細解釋）。 它需要使用強大的電磁場來偏轉(zhuǎn)電子狀態(tài)以獲得軟組織信息。 但這種檢測方式會極大地影響PET或SPECT中信號轉(zhuǎn)換的正常進行，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。
6. 超強磁場下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。 一般以硅晶體為原料，并施加一定程度的偏壓。 當伽馬射線照射時，會發(fā)生雪崩擊穿（指的是當向半導體施加增加的電流時）。 ，因為半導體不能承受大的電壓而被擊穿，導致電流突然增大），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，避免了強磁場對中間電子的影響。
2.硅光電倍增管SiPM
上述APD可以組成數(shù)千個微元件陣列。 當接收到伽馬射線時，某些APD會產(chǎn)生雪崩擊穿，輸出很強的電流，然后恢復，從而輸出脈沖波。 該脈沖波可以形成電信號以獲得成像。
七、申請
SPECT/PET 在檢測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）來追蹤癌癥轉(zhuǎn)移等病理活動的樣本：
康普頓效應，＆帕斯庫，索菲亞。 （2018）。 PET的值為-89。 。 47. 10.1039/。
圖c使用Zr J591示蹤，病灶較多，說明該示蹤劑在本病例的診斷和治療中具有優(yōu)勢。