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第2章 核医学仪器设备
第一节 核医学仪器设备分类
核医学射线探测仪器设备分类方式有多种。可按用途、探测原理及探测器材料分类。
一、按用途分类
按用途分类，核医学射线探测仪器设备可分为活度计、放射防护仪器、显像设备、非显像测定仪器、体外分析仪器等。
1.活度计
用于测定放射性药物的活度。
2.放射防护仪器
用于防护目的，探测环境及工作人员所受的辐射。核医学中常用的有表面沾污检测仪、环境辐射监测仪、个人剂量仪等。
3.显像设备
用于临床显像，测定患者体内放射性药物摄取、分布、清除等，并以图像的形式显示结果。目前，核医学中常用的显像设备有γ相机、SPECT、SPECT/CT、PET、PET/CT。
4.计数和功能测定仪器
用于临床检查，测定患者体内放射性药物摄取、分布、清除等，以计数或曲线的形式显示结果。目前，核医学中常用的计数和功能测定仪器有肾功能测定仪、甲状腺功能测定仪及γ计数器等。
5.体外分析仪器
分析体外样品，用于临床检查及研究。核医学中常用的体外分析仪器有井型γ计数器、晶体闪烁放免探测仪及液体闪烁探测仪等。
二、按探测原理分类
1.核医学射线探测器的基本构成
核医学仪器设备尽管其外形和功能千差万别，但其基本构成由三部分组成。一是探头，这是仪器设备最重要的部分，仪器设备的性能主要由探头决定。探头的功能为：利用射线和物质相互作用产生的各种效应（如电离电荷、激发等），将射线的辐射能转变为电信号。二是电子线路部分，根据不同的测量要求，对探头输出的电信号进行处理（例如，信号放大、能量甄别，信号定位、各种校正等）。三是各种附加部件，该部分起辅助作用，按不同的检测目的和需要而配备的电子计算机数据处理系统、自动控制系统、显示系统和储存系统等，进一步完善了仪器的性能。
按照探头的探测原理，核医学仪器设备可分为闪烁探测、气体电离探测、半导体探测、放射自显影探测等。
2.闪烁探测
（1）闪烁探测原理：
射线使闪烁探测材料的原子激发，原子从激发态回到基态或较低能态时发出荧光，这些荧光为可见光（400nm左右），可用肉眼观察，因此称为闪烁探测。闪烁荧光用光电倍增管探测转换成电信号。入射到闪烁探测材料的一个γ光子或射线粒子（β粒子、电子），可产生多个荧光光子，经光电倍增管转换放大，输出一个电脉冲。电脉冲的幅度取决于荧光光子的数量，与闪烁探测材料吸收的射线能量成正比。记录电脉冲的数量、幅度、地址信息可以获得射线的强度、能量、种类、位置等信息。核医学中大部分仪器设备探测原理为闪烁探测。例如，显像设备：γ相机、SPECT、PET、PET/CT等；计数和功能测定仪器：肾功能测定仪、甲状腺功能测定仪及γ计数器，体外分析仪器井型γ计数器、放免仪及液体闪烁探测仪等。
（2）闪烁探测材料：
闪烁探测材料有固体和液体之分。固体闪烁探测材料又分为有机和无机两类。目前核医学中常用的闪烁探测材料为晶体。按照不同的闪烁探测材料，探测仪器设备又可以分成液体闪烁探测器和晶体闪烁探测器等。
3.气体电离探测
（1）气体电离探测原理：
电离辐射（γ射线、电子、α粒子等）可直接或间接引起气体原子的电离，产生电子-离子对。电离产生的电子-离子对的数目与电离辐射传递给气体的能量成正比。例如，在空气中产生一个电子-离子对平均需34eV的能量。如果用外加电场收集这些电子-离子对，在电场的作用下，电子和离子会分别向电场的两极运动，形成电流。根据电流的大小来测定射线的强度、能量等。这就是气体电离探测的基本原理。
气体电离探测器主要组成部分为一个具有两个电极的容器，其中充以工作气体，通常为惰性气体、氮气和空气。两个电极上加电压，随外加电压的增加，电流的变化有不同的形式，随电压由低向高变化，电流-电压曲线可分为以下三个工作区域：即饱和区、正比区和盖革区（G-M区）。
（2）饱和区：
在饱和区中，随电压的增加，电流保持不变。此时的电流与入射γ光子或粒子的数量成正比。通过适当刻度，电流大小代表放射性样品的活度。工作在这个区域的气体电离探测器称为电流电离室。核医学中常用的活度计工作原理即为电流电离室。
（3）正比区：
随着电压的增加，电流-电压曲线进入正比区。在正比区中，电流随电压的增加呈线性增加。正比计数器工作在这个区域。
（4）盖革区（G-M区）：
在盖革区中，电压的增加使电子和离子的运动速度加快。速度快的电子会引起气体的电离，产生额外的电子-离子对，从而使电流放大。当有一个光子或粒子射入时，就输出一个脉冲信号。工作在这一区域的气体探测器称为G-M计数管。常用的防护用的表面玷污检测仪、多功能辐射检测仪及环境辐射监测仪等探测设备大多采用G-M计数管。
4.半导体探测
（1）半导体探测器的基本原理：
射线在半导体材料中产生电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下，形成电流，这个电流可用作探测射线，通常是测量单个射线粒子产生的脉冲信号。
（2）半导体探测器的特点：
半导体探测器具有能量分辨率高、脉冲时间短、能量线性好、体积适中、工作电压低等特点，目前在核医学射线探测中应用很少，但有良好的应用前景。
5.感光效应
射线对感光材料曝光，形成与射线强度相关的影像，根据影像在被测样品的部位和它的灰度，对被测样品中的放射性做出定位和定量的判断。放射自显影技术及胶片剂量计原理就是依据射线的感光效应。
6.热释光剂量仪
探测材料为热致发光体的晶体。在晶体中，未被照射时，电子处于基态，该能带被填满，称为满带；在高能带上，没有电子填入或尚未填满，称为导带。在靠近导带下面有局部能级，能够吸附电子，称为陷阱，在没有受到辐射照射前，电子陷阱是空着的。当电离辐射照射晶体时，产生电离或激发，使满带中的电子受激而进入导带，同时产生空穴。电子在晶体导带中自由运动，直到它们被陷阱俘获。对晶体加热，俘获的电子受热以后，获得足够的能量摆脱束缚跃回低能态，同时以可见光形式释放多余的能量。晶体受热时发光量越大，表明它接受的累积辐射量越大。
目前常用的个人剂量仪为热释光剂量仪。其优点是体积小、灵敏度高、测量精度高、重复性好、发光材料可重复使用。但不能即时读出辐射量，只能定期在专用设备上测得累积辐射量。