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115年:放射器材(1)

下列何項儀器元件名稱，不會出現在臨床PET/CT儀器系統內？

A光電倍增管（ photomultiplier tubes ）
B碘化鈉晶體（ NaI crystal ）
C互毀偶合偵檢線路（ annihilation coincidence detection circuit ）
D脈高分析儀（ pulse height analyzer ）

詳細解析

本題觀念：

本題測驗的是正子斷層造影/電腦斷層掃描儀（PET/CT）的偵測器構造與物理原理。PET 的主要功能是偵測放射性同位素發生正子衰變後，正子與電子發生互毀反應（annihilation）所產生的兩顆 511 keV 高能光子。為了精準、高效地捕捉這些高能光子，PET 系統在閃爍晶體（scintillation crystals）的選擇以及後端電子元件的設計上，與傳統的單光子放射電腦斷層掃描儀（SPECT）有顯著的不同。

選項分析

A. 光電倍增管（photomultiplier tubes, PMTs）

  • 功能與應用：光電倍增管的作用是將閃爍晶體吸收高能光子後所發出的微弱可見光，透過光電效應轉換為電子訊號並將其放大。
  • PET/CT 關聯性：傳統的類比臨床 PET/CT 掃描儀中，光電倍增管是極為核心的光電轉換元件。雖然最新一代的數位 PET/CT 已逐漸採用矽光電倍增管（SiPM）來取代傳統 PMT，但在現役與廣泛定義的臨床 PET/CT 系統內，PMT 絕對是標準且常見的元件。

B. 碘化鈉晶體（NaI crystal）

  • 功能與應用：添加鉈的碘化鈉晶體（NaI(Tl)）具有極佳的發光產率（light yield），是傳統伽馬攝影機（Gamma Camera）與 SPECT 最廣泛使用的閃爍晶體。
  • PET/CT 關聯性：NaI(Tl) 晶體的密度較低（約 3.67 g/cm³）且有效原子序不大，這導致它對 PET 所產生的 511 keV 高能光子阻擋力（stopping power）及偵測效率極差。此外，NaI(Tl) 的發光衰減時間長達約 230 奈秒（ns），無法滿足 PET 執行精確互毀偶合偵檢（要求極短的時間解析度）的需求。現代臨床專用的 PET/CT 系統會採用高密度、高原子序且衰減時間短的晶體，如 BGO、LSO 或 LYSO。因此，NaI 晶體不會出現在現代臨床專用的 PET/CT 系統中。

C. 互毀偶合偵檢線路（annihilation coincidence detection circuit）

  • 功能與應用：這亦稱為符合偵檢電路。當正子與電子互毀產生兩顆 511 keV 光子並以接近 180 度方向射出時，這套電路會判斷相對兩側的偵測器是否在極短的時間窗（coincidence timing window，通常為幾奈秒）內同時接收到訊號。
  • PET/CT 關聯性：這是 PET 能夠執行「電子準直儀（electronic collimation）」以定義反應線（Line of Response, LOR）的核心技術，為 PET 系統中不可或缺的專屬元件。

D. 脈高分析儀（pulse height analyzer, PHA）

  • 功能與應用：脈高分析儀用來測量並篩選來自 PMT 放大後的電壓脈衝高度（其高度正比於光子在晶體內沉積的能量）。
  • PET/CT 關聯性：在 PET 影像收集中，有許多光子在人體內會發生康普頓散射而損失能量。PET 系統必須配備脈高分析儀（或其數位等效元件），設定特定的能量窗（例如針對 511 keV 光峰），藉此剔除散射光子的雜訊，提升影像對比度。因此這也是 PET/CT 系統中的必備元件。

答案解析

現代臨床專門的 PET/CT 系統為了捕捉高達 511 keV 的互毀光子並精確定位，需要具備高密度、高吸收效率及短衰減時間特性的閃爍晶體（主要為 BGO、LSO、LYSO 等）。NaI(Tl) 晶體雖然是 SPECT 的標準配備，但因其密度低、衰減時間太長，並不適用於 PET 的符合偵檢（coincidence detection）需求，故不會出現在臨床 PET/CT 儀器系統中。

正確答案為 B. 碘化鈉晶體（NaI crystal）。

核心知識點

醫事放射師在準備核子醫學儀器學時，必須熟記以下觀念：

  1. 各類閃爍晶體的物理特性與適用儀器：
    • SPECT / 伽馬攝影機：使用 NaI(Tl) 晶體（高發光產率，但密度與原子序較低，衰減時間長，容易受潮需密封）。
    • PET / PET-CT：使用 BGO、LSO、LYSO 等晶體（高密度、高有效原子序以利吸收 511 keV 光子；LSO/LYSO 具有極短的衰減時間，非常適合飛時測距 Time-of-Flight (TOF) PET 技術）。
  2. PET 基礎物理與電路原理：
    • 互毀效應（Annihilation）：正電子與電子結合轉換為兩顆 511 keV 光子。
    • 符合計數（Coincidence detection）：取代了傳統的實體鉛準直儀，實現電子準直效應。
    • 脈高分析儀（PHA）：能量窗的設置用於減少散射（scattered events）對影像品質的影響。

參考資料

  1. Detectors in positron emission tomography - PMC - NIH (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5400516/)
  2. Comparative analysis of PET image characteristics using two types of crystals BGO and LYSO - OICC Press (https://ojbbe.oiccpress.com/article_713175_7dbdb31fbd33ee9a795f5905bc35166b.pdf)
  3. 核子醫學影像簡介Nuclear Medicine (https://www.csmu.edu.tw/var/file/183/1183/img/1206/232491176.pdf)
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