核成像技術

核成像技術（nuclear image technique）是核技術科學與現代圖像理論相結合的新技術。包括X射線斷層掃描技術（XCT）、正電子斷層掃描技術（PET）、核磁共振計算機斷層掃描技術（NMR–CT）、單光子發射斷層掃描技術（SPECT）和康普頓散射斷層掃描技術（CST）等。

基本介紹

• 中文名：核成像技術
• 外文名：nuclear image technique
• 特徵：核技術科學與現代圖像理論相結合

原理

各種核成像技術的共同原理是利用與核輻射有關的物理量在被測對象中的衰減規律或分布特性，獲取被研究對象內部的詳細信息，然後利用計算機對這些信息進行高速處理，最終重建被研究物體的內部圖像。各種核成像技術的信息獲取部分，包括所依賴的物理原理以及具體的測定方法，可有所不同，但它們的數據處理部分，則都基於計算機信息處理和圖像重建技術。

①XCT。其原理基於物體對X射線的吸收特性。當一束強度為I₀的X射線穿過密度為ρ、厚度為D的均勻物體後，其強度被減弱為I，則

I=I₀e

式中μ為該物體對X射線的質量吸收係數。若為非均勻物體，則上式變為

I=I₀e

使物體繞由X射線源及探測器組成的裝置旋轉360°時，並在每一定角度處測定該物體某個斷層面的透射強度，即可求得ln(I/I₀)值，稱為該角度的密度投影值。藉此可獲得由所有角度組成的密度投影矩陣，對此矩陣求解，可給出各點的密度，從而確定該斷層內不同組分以及缺陷的具體位置和尺寸，最終繪出被研究物體的斷層圖像。XCT一般由射線源（醫用CT用X射線管、工業CT用電子加速器或高強度同位素源）、探測器、準直器、掃描裝置、電子學系統和計算機等組成。

②PET。其原理基於正電子與電子的湮沒效應。當正電子與電子相遇時，兩者質量湮沒並產生方向相反的一對能量各為511KeV的γ射線，配合符合測量技術，可探測正電子湮沒事件。PET裝置主要部分為正六邊形的探測環，探測器主要用鍺酸鉍（BGO）晶體，它不易潮解，密度高，對511KeV的γ射線線性衰減係數為0.92厘米，因此探測效率高。缺點是發光衰減常數較大，從而導致時間解析度差，也影響了成像的空間解析度。為此，可選用碘化銫晶體，其發光時間極短，僅2.5納秒（BGO為300納秒），足以區別兩條湮沒γ射線到達相對應的兩個探測器的時間差，從而大大提高了空間解析度，使圖像十分清晰。

③NMR–CT。其原理基於測定非零自旋原子核的核磁共振電磁信息。人體中存在的氫原子核便是最簡單的非零自旋核，因此NMR–CT在醫學診斷中極為有用。它採用磁場強度相同的靜磁場和梯度磁場，以確定核磁信號產生點的空間位置，主要由產生靜磁場的主磁體、梯度線圈、射頻線圈、核磁共振譜儀以及圖像重建與顯示系統所組成。NMR–CT成像速度快，可實現三維空間成像，也可用不同的角度作兩維空間的斷層圖像。除了可給出非零自旋核密度的信息外，也可提供非零自旋核的周圍介質的情況，顯示生化功能和代謝過程等信息。隨著磁場強度的提高，除了可測定H外，還有可能測定C、O、F、Na和P等核素，從而提供更多的信息。NMR–CT對軟組織的解析度好，特別適用於腦組織的診斷（見核醫學）。

④SPECT。有兩種類型，一類為多探頭環型，與PET和XCT相似。另一類為γ照相機型，用通用的γ相機圍繞人體旋轉進行全身或有限部分的取樣，實現斷層顯像。常用的放射線核素為Tc，以特定的化學形式進入人體後蓄積在待研究的臟器或組織中，然後用旋轉型γ照相機測定由Tc發射出的γ射線強度，藉助數學方法變換成圖像。SPECT由於價格低廉、使用方便，因此已廣泛用於臨床診斷中。

⑤CST。是利用康普頓散射效應（見康普頓效應）實現斷層圖像顯示的方法。它是基於入射γ光子與電子的康普頓散射作用，在某一給定散射角的散射光子的強度，取決於康普頓散射作用的機率。當入射光子能量和散射角確定時，散射光子的強度只與發生散射處的電子密度相關，由此可推斷被研究物體的質量密度和分布。具體方法是將入射光子束與散射光子束均準直，兩者的交點即為被研究物體內的“聚焦元”，使入射和散射兩部分沿物體上下或左右移動，這樣就可獲取整個物體的密度信息，最後用計算機處理繪出斷層圖像。由於CST裝置無須對被測物體作360°旋轉，因此適用於大型物體的檢測，如機場跑道，房屋構件、大型混凝土部件等。

套用

核成像技術套用極廣，尤以醫學診斷和工業產品的無損檢測為主。醫學診斷方面主要用XCT、PET和NMR–CT方法。在工業方面的套用發展迅速，所用成像方法主要為XCT和CST，簡稱工業CT。由於其檢測速度快、無損、空間解析度和密度解析度高，所以在許多場合下是常規X射線探傷技術和超聲技術所無法取代的。如用XCT測定燃氣輪機葉片中0.25毫米的氣孔和夾質物，直徑達2米的火箭的整體檢測，核燃料元件棒的無損檢測，炮彈中火藥的密度測定，工業生產線上的線上實時檢測並參與自動控制過程等。