核醫儀器及物理原理

偵測器

• Extrinsic efficiency
  • 代表從source到detector中的影響，基本上與距離平方成正比
• Intrinsic efficiency
  • 代表放射線粒子與detector作用的效率。
  • 影響因素
    • 放射線粒子的能量
    • 放射線粒子的種類
    • Detector的材質與厚度
• 相較Nonparalyzable，Paralyzable的detector會有Dead time的問題。若dead time為4µs，代表每素最多可測到250,000 countes。
• 常見的偵測器有三種
  • Gas detector
  • Scintillator
  • Semiconductor
• Gas detector
  • 常用於偵測汙染或是檢查放射線物質的包裝完整性。
  • 因為空氣的密度小，故敏感度不高，不適合用於攝影。
  • Pulse mode會偵測單次的事件。
  • Current mode，用電流代表時間內的事件平均數。
  • 從電壓低到高有三種常見工作區域
    • Ionization chamber region
    • Proportional counter region
    • Geiger-Muller region
  • Ionization chamber region通常是current mode，用在dose calibrator上。
  • Geiger-Muller region相較Ionization可以用在較低activity的環境。
  • Proportional counter通常是pulse mode，醫學用途較少。
• Scintillation
  • 傳統核醫使用NaI晶體
  • 較新的LSO(lutetium oxyorthsilicate)、LYSO(Lutetium-yttrium oxyorthosilicate)會用在PET。
  • 非造影用scintillator
    • well counter
      • 與dose calibrator不同，測量放射物質的包裝完整
      • 病人注射Tc-99m DTPA，抽血測量放射線推算eGFR
      • 測量範圍小於1µCi。與dose callibrator使用情境不同，一般使用dose calibrator，大約是mCi的範圍。
    • thyroid probe
• 半導體
  • CZT解析度可到2.5mm，相較傳統機器的5-6mm。
  • GeLi(Lithium-drifted Germanium)的energy resolution可以到1%，相較NaI的10%，但需要在低溫下運作以避免雜訊產生。
  • CdTe (Cadmium Telluride)、CZT(Cadmium Zinc Telluride)，兩者皆可以在室溫運作，但energy resolution是5%。
• Tc-99m的主要能峰是140keV，往下會有一個Iodine escape能峰，是因為K層電子與L層差異24keV。再往下會有一個Back-scatter的peak，代表撞到鉛屏蔽的反射。 再往下是Compton edge，代表是光子180度反射，剩下Compton電子的能量。

光電倍增管

• Gamma camera的晶體通常直徑25-60公分，厚度6-12mm。
• 一個gamma camera大概有40-100個光電倍增管(PMT, photomultiplier)。
• PMT中的photocathode被光子撞擊時有機率產生光電子，光電子再碰撞其中的Dynode多次，每一次一個碰撞可產生2-4個電子，若碰撞10次可產生2^10~4^10個電子，以達到倍增的效果。
• Avalanche photo-diodes (APD)亦可進行光電轉換，相較PMT的20%光電子產生率，APD可達80%。
• 另外Silicon Photomultipliera也可以取代光電倍增管，其產率約為50%，SiPM與APD都不怕磁場，故可用在PET/MR機器中。

準直儀

• Collimator會阻擋超過99%的光子，剩下不到1%的方向正確的光子才能通過collimator
• Collimator的孔洞間會以鉛做間隔並稱之為septa，高能量的光子有機會穿過septa，通常不超過10-25%。
• Converging collimator，是向object(病人)收斂，故影像會放大。
• 扇型collimator只有一個軸向收斂，故只有一個方向平行伸長，而Convergin collimator通常是X軸與Y軸兩個方向都放大。

QC

• Geometry
  • 不同容器的形狀與位置會造成光子逃脫量不同，例如比較細高的瓶子可能會有較多光子從上方逃脫。
  • 機器維修、安裝或移動後須測量，差異必需小於10%。
• Accuracy
  • 用長半衰期的Cs-137(half life 30 years)或Co-57 (half life 270 days)來做測量。
  • 安裝、檢修、移動、每年必須測量，差異必需小於10%。
• Linearity
  • Tc-99m在6、24、30、48、96小時重複測量。
  • 為了減少時間，現在常用鉛套筒來模擬衰減。
  • 安裝、檢修、移動、每季必須測量。
• Constancy
  • 每天都要測量

• Frame mode
  • 將一段時間內所有訊號位置記錄到一個陣列中，同一位置的訊號加總記錄，故會損失部份時間資訊。
• List mode
  • 每一個訊號單獨記錄位置，每一固定時間以時間標記隔開
  • (X1, Y1), (X2, Y2), (X3, Y3), T’, (X4, Y4), T”, T”’, (X5, Y5), (X6, Y6)…….
• word mode
  • 2 bytes = 16 bits
• byte mode
  • 1 byte = 8 bits