γ能譜多時段檢測推定18F活度的方法初探

馮江平,張金帆,郭鍵鋒

(廣東省深圳生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 深圳 518049)

β+衰變是放射性衰變的一種形式,進(jìn)行該種衰變的核素有18F、68Ga、22Na、11C、13N等。β+衰變的核素大多半衰期較短,沒有伴隨明顯特征γ射線,正電子在極短時間湮滅后會產(chǎn)生0.511 MeV的正電子湮滅峰。因自然界存在大量放射性核素能夠以康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)在0.511 MeV能量峰形成計數(shù),造成被測樣品中0.511 MeV能量峰的計數(shù)無法確定來源,β+衰變的放射性核素難以通過γ能譜進(jìn)行活度測量。

現(xiàn)階段對于18F活度的測量主要是利用活度計進(jìn)行放射性總活度測量,進(jìn)而推算樣品中18F活度,但是活度計不能分辨樣品中的核素種類,僅適用于樣品成分確定的放射性藥物[1]。對于核醫(yī)學(xué)PET/CT中18F活度測量則主要還是采用放射化學(xué)純度分析方法[2-3]。此外,18F活度可采用測量β射線的方法進(jìn)行分析,但β射線的測量方法無法區(qū)別其它β衰變核素造成的影響且測量方法較為繁瑣[4-5]。對于核醫(yī)學(xué)PET/CT中18F輻射影響研究主要還是集中在輻射工作人員的外照射有效劑量[6-7]以及眼晶體和手部當(dāng)量劑量等外照射劑量方面[8-9],關(guān)于測量方法創(chuàng)新的研究較少。本文擬利用18F半衰期較短的特點(diǎn),結(jié)合γ能譜的多時段檢測計數(shù),推算得到樣品中18F等短壽命正電子核素的活度。本研究將此方法命名為“衰減法”。

1 原理

當(dāng)樣品中無其他短壽命核素且特征γ射線能量低于1.02 MeV時,通過高純鍺γ能譜分析通用方法[10]對18F樣品在半衰期同一數(shù)量級(18F半衰期為109.8 min)的間隔時間范圍內(nèi)進(jìn)行多時段測量,對0.511 MeV能峰進(jìn)行計數(shù),利用衰變規(guī)律,結(jié)合多時段測量修正,可得樣品γ能譜中0.511 MeV能峰的多時段計數(shù),從而換算得到其他來源造成的干擾計數(shù)(包含樣品中長壽命核素產(chǎn)生的正電子峰及高能射線產(chǎn)生的康普頓散射計數(shù)等),最后得到樣品中18F等短壽命正電子核素的活度。

2 算法及推導(dǎo)

令首次測量時間起止點(diǎn)為t0、t1,二次測量時間起止點(diǎn)為t2、t3。按照t1-t0=t3-t2測量時長來進(jìn)行測量:

A2=A1·e-λ(t2-t0)

(1)

式中,A1為首次測量得到的活度,Bq;A2為二次測量得到的活度,Bq;n1、n2分別為首次和第二次測量得到的計數(shù)率,s-1;nb為樣品中非18F產(chǎn)生的511 keV能峰干擾計數(shù)率,s-1。

氣體樣品采樣時

(2)

廢液樣品

(3)

式中,t1為測量時長,s;t2為樣品運(yùn)輸時長,s;t3為采樣時長,s;η為0.511 MeV全能峰探測效率,%;E為能量分支比,%;F為測量修正因子,F=λt1/(1-e-λt1);G為氣體采樣修正因子,G=λt3/(1-e-λt3);A0為采樣時的活度,Bq;M為運(yùn)輸時長修正因子,M=eλt2;V為采樣體積,L。

3 應(yīng)用實例

某醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科使用18F-FDG進(jìn)行PET-CT顯像,病人注射18F-FDG后,產(chǎn)生的排泄物將會排入廢液衰變池,采集廢液衰變池的樣品并使用HPGe能譜儀進(jìn)行伽馬能譜分析。18F的β+衰變概率為100%,該衰變過程0.511 MeV能量的分支比為200%,半衰期為109 min。用于測量的樣品量為300 mL。

利用本文方法并按照以下步驟進(jìn)行測量:

(1) 運(yùn)送樣品到實驗室花費(fèi)1 h,利用HPGe γ能譜對采集的樣品進(jìn)行第一次測量,得到511 keV全能峰計數(shù)率為92.18 s-1,測量時長2 h;

(2) 放置1 h后,繼續(xù)利用HPGe γ能譜對采集的樣品進(jìn)行第二次測量,得到511 keV全能峰計數(shù)率為64.32 s-1,測量時長2 h;

(3) 重復(fù)(2),進(jìn)行第三次測量,得到511 keV全能峰計數(shù)率為55.18 s-1;

(4) 利用無源效率刻度軟件,對HPGe γ能譜儀的測量進(jìn)行效率刻度,可以得到測量效率曲線,其511 keV全能峰的探測效率為7.76%;

(5) 將三次測量的全能峰計數(shù)率、測量時長等參數(shù)兩兩組合帶入公式(1),可以分別得到3個511 keV全能峰干擾計數(shù)率,代入公式(3),得到采樣時樣品中18F活度濃度的3個測量結(jié)果,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表1。

表1 18F活度濃度測量結(jié)果比對

4 結(jié)論

針對18F此類以β+衰變方式為主且在檢測周期內(nèi)活度有明顯變化的核素,當(dāng)樣品中無其他短壽命核素時,可根據(jù)其半衰期較短的特點(diǎn),通過多時段的能譜檢測計數(shù),推算得到樣品能譜中0.511 MeV能峰的干擾計數(shù)率,進(jìn)而直接用γ能譜測量并計算得出樣品中18F此類核素的活度。本研究將此方法命名為“衰減法”。本研究通過對某醫(yī)院中采集的18F樣品進(jìn)行“衰減法”分析,結(jié)果表明多時段測量得到的三次結(jié)果相對不確定度為3.1%。初步判定結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi),該方法正確,可用于18F活度的推定。

由于受到實驗條件的限制,本研究并未通過直接測量18F進(jìn)行驗證,在下一步研究工作中,將通過直接測量18F進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。