雙探頭WIZARD2 2470型伽馬計(jì)數(shù)儀定量性能研究

趙富寬，徐希杰，王 燕,2

(1.國家衛(wèi)生健康委員會核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所，江蘇 無錫 214063；2.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院，江蘇 蘇州 215006)

伽馬計(jì)數(shù)儀是利用放射性同位素示蹤技術(shù)的靈敏度、特異性、不受內(nèi)源性物質(zhì)影響等特性對微量放射性進(jìn)行精確定量分析的專用儀器之一，主要適用于放射免疫檢測、放射性藥物質(zhì)控、放射性藥物在生物體內(nèi)吸收、分布、代謝及排泄(ADME)等過程的研究。根據(jù)儀器的自動化程度可分為半自動型和全自動型兩種, 并有單探頭和多探頭的區(qū)別，多探頭如雙探頭、4探頭、10探頭以及16或20探頭等。無論哪種類型, 其儀器探測原理基本相同[1]，即待測樣本中的γ射線射入到閃爍體(NaI晶體)，通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)產(chǎn)生次級電子，再由這些次級電子去激發(fā)閃爍體發(fā)光，所產(chǎn)生的光被光電倍增管接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及倍增過程，最后從光電倍增管的陽極輸出電脈沖，分析和記錄這些脈沖就能測定射線的強(qiáng)度和能量。

近年來, 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和軟硬件開發(fā)升級，該儀器發(fā)展迅速，市場上不同類型的產(chǎn)品較多，進(jìn)口儀器，如芬蘭Hidex全自動伽馬計(jì)數(shù)儀，國產(chǎn)產(chǎn)品，如主要用于放射免疫分析的安徽中科中佳伽馬放射免疫計(jì)數(shù)器等。美國Perkin Elmer生產(chǎn)的WIZARD2自動伽馬計(jì)數(shù)儀，因配備井式探測器、自動化進(jìn)樣器及高效的鉛屏蔽等，在科研和臨床同位素檢測方面應(yīng)用較多[2-4]，具有檢測能窗寬(最大為0～2 000 keV)，探測器靈敏度高、定量范圍廣等特點(diǎn)，可檢測四五十種核素，包括正電子核素，如18F、68Ga、89Zr和11C等，單光子核素，如131I、125I和99mTc等，以及治療核素177Lu、188Re和90Y等。

利用伽馬計(jì)數(shù)儀進(jìn)行微量放射性同位素精確定量的前提和基礎(chǔ)是確定不同探頭探測效率、儀器檢測限、穩(wěn)定性以及確定與放射性測量儀器(如活度計(jì))之間的定量性能。盡管新裝機(jī)伽馬計(jì)數(shù)儀在投入使用前需采用已知活度的標(biāo)定放射性核素(如目前常用的129I)對探測效率、伽馬計(jì)數(shù)檢測限、檢測穩(wěn)定性以及與放射性測量線性范圍等性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，但由于待測核素與標(biāo)定核素具有不同特性，如衰變特點(diǎn)、射線類型、射線能量等，不同核素的探測效率并不完全一致，因此在正式使用前，需要利用待測核素進(jìn)行儀器性能的系統(tǒng)研究，尤其是對于目前軟硬件較先進(jìn)，探測效率高數(shù)倍，對于短半衰期核素更適用的多探頭伽馬計(jì)數(shù)儀。本研究除利用常用正電子核素18F外，還采用目前研究較多和臨床轉(zhuǎn)化潛力較大的兩種新型正電子核素68Ga和89Zr[5-8]，對江蘇省原子醫(yī)學(xué)研究所新裝機(jī)的Perkin Elmer公司雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀進(jìn)行定量性能研究，以期為本實(shí)驗(yàn)室和同類實(shí)驗(yàn)室提供有借鑒意義的儀器定量研究方法和使用規(guī)范。

1 儀器與試劑

1.1 主要儀器

HM-7型回旋加速器：日本住友重機(jī)械工業(yè)株式會社；740 MBq68Ge-68Ga發(fā)生器：德國ITG公司；CRC-15R放射性活度計(jì)：美國CAPINTEC公司；雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀：美國Perkin Elmer公司；Milli-qadvantagea10型Q Advant超純水系統(tǒng)：德國Milipore公司。

1.2 主要試劑

1 mol/L鹽酸：德國默克公司；89Zr-oxalate：荷蘭Perkin Elmer公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 定量性能

2.1.1樣品制備 首先，根據(jù)68Ge/68Ga發(fā)生器使用說明書，結(jié)合文獻(xiàn)[9]利用4 mL 0.05 mol/L HCl以1 mL/min的速度淋洗，收集中間1.5～3 mL的68Ga淋洗液用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)；其次，用超純水配制成80～100 μCi/mL的活度濃度作為最高濃度，利用活度計(jì)準(zhǔn)確測量總活度并記錄測量時(shí)間；隨后5倍梯度稀釋樣品，配制8組68Ga核素的標(biāo)準(zhǔn)溶液以及1組超純水空白溶媒對照；最后，從每種溶液中各取100 μL至放免管中，每個(gè)濃度均5個(gè)復(fù)孔，并利用活度計(jì)準(zhǔn)確測量每個(gè)復(fù)孔的活度，記錄測量活度的時(shí)間后利用伽馬計(jì)數(shù)儀進(jìn)行逐一計(jì)數(shù)檢測，檢測方法為選擇68Ga測量程序，在2 h內(nèi)間隔0.5～1 h重復(fù)計(jì)數(shù)三次，其中每次計(jì)數(shù)時(shí)對應(yīng)的放射性活度根據(jù)第一次活度計(jì)測量結(jié)果衰變校正得到。

2.1.2兩個(gè)探頭探測效率比較 在利用雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀進(jìn)行檢測時(shí)，兩個(gè)探頭同時(shí)工作，為考察雙探頭的探測效率，本研究隨機(jī)選擇68Ga核素檢測50～1 200 nCi范圍內(nèi)5組數(shù)據(jù)中的每個(gè)探頭檢測所得的伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)除以相應(yīng)檢測管衰變校正到伽馬計(jì)數(shù)時(shí)刻的活度(nCi)，計(jì)算該核素放射性活度計(jì)和雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀之間的歸一化系數(shù)，即單位活度(nCi-1)的計(jì)數(shù)率(min-1)，通過該參數(shù)衡量雙探頭探測效率和定量性能。

2.1.3實(shí)際噪聲影響 盡管使用雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀進(jìn)行測量時(shí)，程序中已設(shè)置扣除環(huán)境本底，但由于雙探頭是并列放置于鉛屏蔽中，中心間距<5 cm，故雙探頭的實(shí)際噪聲計(jì)數(shù)比無源噪聲(環(huán)境本底)多，因此在對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析前，需考察實(shí)際噪聲對于伽馬計(jì)數(shù)儀計(jì)數(shù)率(min-1)的影響。具體分析方法是對如上三次68Ga核素伽馬計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)計(jì)算扣除和未扣除實(shí)際噪聲(超純水空白溶媒對照)兩種情況下68Ga核素單位活度(nCi-1)的計(jì)數(shù)率(min-1)，以便考察實(shí)際噪聲對于儀器定量性能的影響。

2.1.4定量限檢測 理論上，在儀器定量限內(nèi)單位活度核素的伽馬計(jì)數(shù)率值應(yīng)該是一個(gè)定值，對如上三次68Ga核素單位活度的計(jì)數(shù)率值進(jìn)行分析可確認(rèn)儀器定量準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)率值范圍。

2.1.5檢測穩(wěn)定性 分析如上三次68Ga核素伽馬計(jì)數(shù)時(shí)檢測限內(nèi)的單位活度(nCi-1)的計(jì)數(shù)率，即68Ga核素CRC-15R放射性活度計(jì)和雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀之間的歸一化系數(shù)可判斷儀器的檢測穩(wěn)定性。

2.2 三種核素線性范圍研究

2.2.168Ga核素 對2.1部分定量限內(nèi)扣除實(shí)際噪聲后的伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)與相應(yīng)的衰變校正到測量時(shí)的放射性活度(nCi)進(jìn)行線性擬合，考察該儀器中68Ga核素的定量線性范圍，并根據(jù)線性方程進(jìn)一步確認(rèn)68Ga核素CRC-15R放射性活度計(jì)和雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀之間的歸一化系數(shù)。

2.2.218F核素 首先，利用超純水將加速器生產(chǎn)的18F離子溶液配制成50～80 μCi/mL的活度濃度作為最高濃度；隨后利用超純水進(jìn)行5倍梯度稀釋，配制6組18F核素的標(biāo)準(zhǔn)溶液以及1組超純水空白溶媒對照；再次，從每種溶液各取100 μL至放免管中，每個(gè)濃度5個(gè)復(fù)孔，并利用活度計(jì)準(zhǔn)確測量每個(gè)復(fù)孔的活度，記錄測量活度的時(shí)間；最后，2 h內(nèi)間隔0.5～1 h利用伽馬計(jì)數(shù)儀測量兩次計(jì)數(shù)，并對定量限內(nèi)扣除實(shí)際噪聲后的伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)與相應(yīng)的檢測管衰變校正到測量時(shí)的放射性活度(nCi)進(jìn)行線性擬合，考察該儀器18F核素的定量線性范圍，并根據(jù)線性方程進(jìn)一步確認(rèn)18F核素CRC-15R放射性活度計(jì)和雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀之間的歸一化系數(shù)。

2.2.389Zr核素 首先，利用超純水將購買的89Zr-oxalate溶液配制成50～80 μCi/mL的活度濃度作為最高濃度；隨后利用超純水進(jìn)行5倍梯度稀釋，配制6組89Zr核素的標(biāo)準(zhǔn)溶液以及1組超純水空白溶媒對照；再次，從每種溶液中各取100 μL至放免管中，每個(gè)濃度5個(gè)復(fù)孔，并利用活度計(jì)準(zhǔn)確測量每個(gè)復(fù)孔的活度，記錄測量活度的時(shí)間；最后，90 h內(nèi)間隔12～24 h利用伽馬計(jì)數(shù)儀測量三次計(jì)數(shù)，并對定量限內(nèi)扣除實(shí)際噪聲后的伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)與相應(yīng)的檢測管衰變校正到測量時(shí)的放射性活度(nCi)進(jìn)行線性擬合，考察該儀器中89Zr核素的定量線性范圍，并根據(jù)線性方程進(jìn)一步確認(rèn)89Zr核素CRC-15R放射性活度計(jì)和雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀之間的歸一化系數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

3 結(jié)果與討論

3.1 雙探頭探測效率

根據(jù)核素特性，將68Ga放射性劑量校正到檢測時(shí)，根據(jù)1#探頭和2#探頭分別測得的伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)計(jì)算兩個(gè)探頭的68Ga核素單位活度(nCi-1)的計(jì)數(shù)率(min-1)為雙探頭探測效率，如圖1所示，兩探頭探測效率一致，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。

圖1 雙探頭探測效率定量結(jié)果Fig.1 Quantitative results of two probes detection efficiency

3.2 實(shí)際噪聲的影響

在不扣除實(shí)際噪聲的情況下，實(shí)際噪聲對低活度(低于54.60 nCi)計(jì)數(shù)影響較大，且活度越低，影響越大(如圖2所示)，在277.21 nCi時(shí)單位活度伽馬計(jì)數(shù)率為1 995±41 min-1，而活度為54.60、10.75、2.12和0.42 nCi時(shí)比值分別為2 178±7、2 819±41、6 598±180和10 419±8 693，各組間均存在極顯著差異，P<0.000 1；在扣除實(shí)際噪聲的情況下，放射性活度從2.12～1 407.54 nCi的范圍內(nèi)，伽馬計(jì)數(shù)率/放射性活度的比值均基本一致，為1 910±77，因此本研究中數(shù)據(jù)處理均采用扣除實(shí)際噪聲的方式，并建議使用雙(多)探頭的同類儀器時(shí)要隨行檢測空白對照管，并在數(shù)據(jù)處理時(shí)考慮實(shí)際噪聲對定量結(jié)果的影響。

圖2 實(shí)際噪聲對于伽馬計(jì)數(shù)儀定量性能的影響Fig.2 Effect of actual noise on the quantitative performance of the gamma counter

3.3 定量檢測限

理論上，對于同一核素在儀器定量限內(nèi)單位活度核素的伽馬計(jì)數(shù)為定值，本部分利用活度范圍為0.037～7 146.7 nCi的68Ga核素進(jìn)行伽馬計(jì)數(shù)以確認(rèn)儀器定量限。結(jié)果如圖2所示，伽馬計(jì)數(shù)率在1×103～6×106min-1范圍時(shí)，伽馬計(jì)數(shù)率/活度(min-1/nCi)基本一致(圖3a)，為1 884±117，其中，1×103～1×105min-1范圍內(nèi)，比值為1 848±150(圖3b)。

a——檢測范圍為0～1.11×107；b——檢測范圍為0～1×105圖3 伽馬計(jì)數(shù)儀定量限檢測結(jié)果Fig.3 The results of the quantitative limit of gamma counter

當(dāng)計(jì)數(shù)率小于1×103min-1時(shí)，單位活度伽馬計(jì)數(shù)率組內(nèi)差異較大且較低，如計(jì)數(shù)率為651 min-1和330 min-1時(shí)，伽馬計(jì)數(shù)率/活度比值分別為1 562±236和1 023±690，低于計(jì)數(shù)率1 700 min-1的比值為1 804±497；當(dāng)計(jì)數(shù)率大于6×106min-1時(shí)，單位活度伽馬計(jì)數(shù)率降低，且計(jì)數(shù)率越大，該值就越低，如計(jì)數(shù)率為8×106、9×106和1.1×107min-1時(shí)，伽馬計(jì)數(shù)率/活度(min-1/nCi)比值分別為1 731±19、1 663±17和1 551±15，與5.8×106的比值1 839±19相比，均存在顯著性差異，P<0.000 1。

綜上，本儀器伽馬計(jì)數(shù)率的檢測限為1×103～6×106min-1，定量范圍較寬。

3.4 定量穩(wěn)定性

在儀器定量范圍內(nèi)，利用68Ga核素對伽馬計(jì)數(shù)儀的定量穩(wěn)定性進(jìn)行考察，結(jié)果如圖4所示，三次測量所得單位活度核素的伽馬計(jì)數(shù)率分別為(1 904±104) min-1(n=25)、(1 842±73) min-1(n=25)和(1 873±123) min-1(n=30)，組間并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P>0.05，因此該儀器批次間定量穩(wěn)定性好。

圖4 伽馬計(jì)數(shù)儀定量穩(wěn)定性檢測結(jié)果Fig.4 Quantitative stability results of the gamma counter

3.5 三種核素定量線性分析

在儀器定量限范圍內(nèi)，三種正電子核素均隨放射性劑量增加伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)呈線性增加的趨勢。如圖5所示，對三種核素的檢測結(jié)果以放射性活度(nCi)為橫坐標(biāo)，以伽馬計(jì)數(shù)率(min-1)為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)線性均較理想(R2>0.999)，結(jié)合伽馬計(jì)數(shù)儀計(jì)數(shù)率定量范圍1×103～6×106min-1可得到68Ga、18F和89Zr三種核素可定量檢測的活度范圍分別為：0.5～3 200 nCi、0.4～2 400 nCi和1.5～8 800 nCi。

a——68Ga核素伽馬計(jì)數(shù)率與放射性劑量線性關(guān)系； b——18F核素伽馬計(jì)數(shù)值與放射性劑量線性關(guān)系；c——89Zr核素伽馬計(jì)數(shù)率與放射性劑量線性關(guān)系；d——三種正電子核素CRC-15R放射性活度計(jì)和雙探頭WIZARD2 2470伽馬計(jì)數(shù)儀歸一化系數(shù)圖5 三種正電子核素伽馬計(jì)數(shù)儀定量線性結(jié)果(單位活度伽馬計(jì)數(shù)率)對比Fig.5 Quantitative linear results of gamma counter for three positronium nuclides (namely the gamma count rate(min-1) per radioactivity (nCi)

由于各正電子源的分支比差異和正電子初始能量不同，導(dǎo)致雙探頭測量系統(tǒng)的效率有明顯差異，所以2個(gè)探測系統(tǒng)的歸一化系數(shù)對每個(gè)源不同。本研究中三種核素(68Ga、18F和89Zr)的單位活度核素的伽馬計(jì)數(shù)率如圖5d所示，其中18F核素最高，為2 544 min-1；其次為68Ga核素，為1 862 min-1；最低的為89Zr核素，為683.8 min-1。

盡管不同核素有不同單位活度核素的伽馬計(jì)數(shù)率，但通常待研究的放射性藥物由一種特定核素進(jìn)行標(biāo)記，且用于表征放射性濃度的數(shù)值，如單位組織注射劑量百分比(%ID/g)和標(biāo)準(zhǔn)攝取值(SUV)等均為比值的形式，因此，在檢測樣品時(shí)隨行檢測標(biāo)準(zhǔn)管和空白管的情況下并不影響該儀器用于放射性藥物微量精確定量的研究。

4 小結(jié)

本研究探討了三種常用正電子核素在新型伽馬計(jì)數(shù)儀上的定量性能，為后續(xù)利用該儀器開展同位素示蹤藥物體內(nèi)分布、代謝、藥效評價(jià)等實(shí)驗(yàn)提供方法學(xué)支持。同時(shí)，本研究中建立的伽馬計(jì)數(shù)儀定量性能研究的方法，包括如何進(jìn)行雙(多)探頭探測效率、伽馬計(jì)數(shù)檢測限、檢測穩(wěn)定性以及與放射性測量線性范圍等，有望為其他實(shí)驗(yàn)室的同類儀器的規(guī)范使用提供有借鑒意義的參考方法。

由于儀器靈敏度高以及雙探頭同時(shí)檢測，在使用伽馬計(jì)數(shù)儀進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議隨時(shí)檢測實(shí)際噪聲的計(jì)數(shù)率，尤其是在放射性劑量較低的情況下，需要在最終定量計(jì)算時(shí)考慮實(shí)際噪聲的影響；該儀器定量范圍較寬，計(jì)數(shù)率在1×103～6×106min-1范圍內(nèi)，即三種核素68Ga、18F和89Zr的活度范圍分別為0.5～3 200 nCi、0.4～2 400 nCi和1.5～8 800 nCi時(shí)，伽馬計(jì)數(shù)率與放射性活度線性關(guān)系良好、定量精度高，穩(wěn)定性佳；需要注意的是在實(shí)際檢測時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)率高于檢測限時(shí)，可稀釋或衰變后再行檢測。