# 核医学成像

> 物理 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u28-nuclear-medicine-imaging/

核医学成像利用体内的放射性示踪剂生成器官和组织的功能图像，与只能显示结构细节的X射线不同。本子主题涵盖核心技术、其工作原理和诊断应用。

**先修:** [放射性衰变与半衰期](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u27-radioactive-decay/); [伽马辐射与物质的相互作用](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u27-interaction-radiation-matter/)

## 学习目标

- 描述成像用放射性药物的作用与特性
- 解释伽马相机的工作原理
- 比较伽马成像和正电子发射断层扫描（PET）
- 解释PET成像中正电子湮灭的过程

## 放射性药物：理想成像特性

**放射性药物** — 标记有放射性核素的生物活性化合物，注射入人体后会聚集在特定靶组织中。检测放射性核素发射的辐射即可生成图像。

*例:* 锝-99m（Tc-99m）是用于骨骼和器官扫描最广泛使用的放射性药物。

要适合成像，放射性药物的放射性核素必须满足特定标准：它必须发射能穿出人体的穿透性辐射，半衰期与扫描时长匹配，并最大限度降低患者受到的辐射剂量。

**例题:** Tc-99m的半衰期为6小时。制备的初始活度为600 MBq，距离患者扫描提前了12小时。扫描开始时活度是多少？

1. 首先计算已经过的半衰期数量：
2. $$n = \frac{\text{time elapsed}}{t_{1/2}} = \frac{12}{6} = 2$$
3. 使用放射性衰变的活度关系：
4. $$A = A_0 \times (\frac{1}{2})^n$$
5. 代入数值求出最终活度：
6. $$A = 600 \times (\frac{1}{2})^2 = 600 \times \frac{1}{4} = 150 \text{ MBq}$$

## 伽马相机平面成像

**伽马相机** — 检测注射入的示踪剂发射的伽马辐射，生成示踪剂在体内分布的二维平面图像的设备。

伽马相机有三个核心部件：铅准直器、闪烁晶体和光电倍增管阵列。准直器是保证图像空间分辨率的关键部件。

**例题:** 解释为什么铅准直器是伽马相机的必需部件。

1. 1. 伽马光子从患者体内任意位置的示踪剂分子向所有随机方向发射。
2. 2. 如果没有准直器，体内任何位置发射的光子都可能击中探测器的任意点，导致图像完全模糊，没有可用的空间信息。
3. 3. 铅准直器有窄孔，会吸收所有不垂直于探测器传播的光子。只有从体内某点直接传播到探测器对应点的光子才能穿过准直器。
4. 4. 这保留了空间分辨率，生成了能映射示踪剂分布的清晰图像。

> **考试提示:** 当被问及准直器功能时，CIE考官始终希望你说明准直器吸收不需要的伽马光子，而非聚焦它们。

## 正电子发射断层扫描（PET）

PET是一种三维功能成像技术，使用通过正电子（β+）衰变的放射性核素。正电子发射后，会在组织中传播短距离，然后与电子碰撞引发湮灭。

$$e^+ + e^- \rightarrow 2\gamma$$

湮灭产生两个能量为511 keV的伽马光子，沿完全相反的方向运动。患者周围的探测器环同时检测到两个光子（符合探测），从而可以三维重建示踪剂的分布。

**例题:** 为什么PET比二维伽马相机成像产生灵敏度更高的三维图像？

1. 1. 传统伽马相机需要铅准直器吸收大多数入射伽马光子，导致灵敏度低（单位活度检测到的光子少），且只能生成二维图像。
2. 2. PET不需要铅准直器：对两个反向运动湮灭光子的符合探测，不需要阻挡光子就能确定事件的起源线。
3. 3. 这意味着能检测到多得多的光子，提高了灵敏度，完整的探测器环可以对整个身体体积进行三维重建，生成高分辨率三维图像。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称用于成像的放射性药物发射α或β粒子
  - 原因: α和β粒子会在人体组织中快速被吸收，无法逸出被检测，还会给患者带来不必要的高辐射剂量
  - 正确做法: 成像用放射性药物发射伽马光子，或正电子，正电子湮灭后产生伽马光子，这些辐射能穿出人体供检测
- **错误做法:** 称准直器像光学透镜一样聚焦伽马射线
  - 原因: 准直器不会折射或聚焦辐射，它们只透射或吸收
  - 正确做法: 准直器通过铅吸收阻挡离轴伽马光子，只允许垂直光子到达探测器以保留分辨率
- **错误做法:** 声称PET探测器直接检测示踪剂衰变产生的正电子
  - 原因: 正电子在组织中仅传播几毫米就会发生湮灭，永远不会穿出人体
  - 正确做法: PET探测器检测电子-正电子湮灭产生的两个511 keV伽马光子，而非正电子本身
- **错误做法:** 假设放射性示踪剂的半衰期越长越好
  - 原因: 半衰期远长于扫描时长会不必要地增加患者的总辐射剂量
  - 正确做法: 理想的半衰期略长于整个扫描流程，在成像时间和患者剂量之间取得平衡

## 速查表

| 特性 | 伽马相机（平面） | PET |
| --- | --- | --- |
| 示踪剂发射 | 伽马光子 | 正电子（β+衰变） |
| 检测方法 | 带准直的单探测器 | 符合探测，探测器环 |
| 图像类型 | 二维平面 | 三维体成像 |
| 常用示踪剂 | 锝-99m | F-18 FDG |
| 常见用途 | 骨扫描、器官功能检查 | 癌症分期、脑部成像 |
| 大致分辨率 | ~10 mm | ~4 mm |

## 下一步

核医学成像是一种核心功能成像技术，可补充X射线、CT等结构成像方法，是CIE A-Level物理试卷4中频繁考察的主题。理解此处的示踪剂选择、辐射检测和图像形成原理，也有助于你理解更广泛的放射性和辐射安全概念。掌握本子主题后，你可以复习其他医学成像技术，加深对整个单元相关辐射相互作用知识的理解。点击下方链接探索相邻主题。

- [X射线成像](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u28-x-ray-imaging/)
- [天文学与宇宙学](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u29-overview/)
- [恒星距离与星等](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u29-stellar-distances-and-magnitudes/)

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