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xii
8.3.4.3 Preamplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.3.4.4 Linear Amplier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8.3.4.5 Pulse-Height Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.3.4.6 Display or Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.4 Gamma-Ray Spectrometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.4.1 Photopeak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8.4.2 Compton Valley, Edge, and Plateau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.4.3 Characteristic X-Ray Peak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.4.4 Backscatter Peak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.4.5 Iodine Escape Peak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.4.6 Positron Annihilation Peak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.4.7 Coincidence Peak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.5 Liquid Scintillation Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.5.1 Quenching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.6 Characteristics of Counting System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.6.1 Energy Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.6.2 Detection Efciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.6.2.1 Intrinsic Efciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
8.6.2.2 Photopeak Efciency or Photofraction . . . . . . . . . 109
8.6.2.3 Geometric Efciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8.6.3 Dead Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8.7 Gamma Well Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.7.1 Calibration of Well Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.7.2 Counting in Well Counter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.7.3 Effects of Sample Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.8 Thyroid Probe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.8.1 Thyroid Uptake Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.9 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Contents
9 Gamma Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.1 Gamma Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9.1.1 Principles of Operation of a Gamma Camera . . . . . . . . . . . 119
9.1.2 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.1.3 Collimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.1.4 Photomultiplier Tube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.1.5 X-, Y-Positioning Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.1.6 Pulse-Height Analyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.1.7 Display and Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2 Digital Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2.1 Solid State Digital Camera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.3 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Contents
xiii
10 Performance of Gamma Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.1 Performance Parameters of Gamma Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.1.1 Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.1.1.1 Intrinsic Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
10.1.1.2 Collimator Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
10.1.1.3 Scatter Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
10.1.2 Evaluation of Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
10.1.2.1 Bar Phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
10.1.2.2 Line-Spread Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
10.1.2.3 Modulation Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . 136
10.1.3 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.1.3.1 Collimator Efciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
10.1.4 Uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.1.5 Pulse-Height Variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.1.6 Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.1.7 Edge Packing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.2 Gamma Camera Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.3 Effects of High Counting Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.4 Contrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4.1 Count Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4.2 Image Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4.3 Choice of Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.4.4 High Count Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.4.5 Size of Lesion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.4.6 Patient Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.5 Quality Control Tests for Gamma Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.5.1 Daily Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.5.1.1 Positioning of Photopeak . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.5.1.2 Uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.5.2 Weekly Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
10.5.2.1 Spatial Resolution and Linearity . . . . . . . . . . . . . 150
10.5.3 Monthly Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.5.3.1 High-Count Uniformity Calibration . . . . . . . . . . 151
10.5.3.2 Collimator Integrity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.5.4 Annual, Semiannual, or As-Needed Checks . . . . . . . . . . . 151
10.6 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
References and Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
11 Digital Computer in Nuclear Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.1 Basics of a Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.1.1 Central Processing Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
11.1.2 Computer Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.1.3 External Storage Device. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.1.4 Input/Output Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.1.5 Operation of a Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
xiv
Contents
11.1.6 Digitization of Analog Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.1.7 Digital-to-Analog Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.1.8 Digital Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.2 Application of Computer in Nuclear Medicine . . . . . . . . . . . . . . . 161
11.2.1 Digital Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
11.2.2 Static Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
11.2.3 Dynamic Study. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
11.2.4 Gated Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.2.5 Reconstruction of Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11.2.6 Fusion and Subtraction of Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11.2.7 Display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
11.3 Software and DICOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.3.1 PACS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.4 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
12 Single Photon Emission Computed Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
12.1 Tomographic Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
12.2 Single Photon Emission Computed Tomography . . . . . . . . . . . . . 172
12.2.1 Data Acquisition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
12.2.2 Image Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
12.2.2.1 Simple Backprojection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
12.2.2.2 Filtered Backprojection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
12.2.2.3 The Convolution Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
12.2.2.4 The Fourier Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
12.2.2.5 Types of Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
12.2.2.6 Iterative Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
12.3 SPECT/CT Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
12.4 Factors Affecting SPECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
12.4.1 Photon Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
12.4.2 Attenuation Correction Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
12.5 Partial-Volume Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
12.5.1 Center of Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.5.2 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.5.3 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.6 Performance of SPECT Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.6.1 Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.6.2 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.6.3 Other Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.7 Quality Control Tests for SPECT Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.7.1 Daily Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
12.7.1.1 Photopeaking and Uniformity . . . . . . . . . . . . . . . 203
Contents
xv
12.7.2 Weekly Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12.7.2.1 Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12.7.2.2 Center of Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12.8 Quality Control Tests for CT Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12.9 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
References and Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
13 Positron Emission Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13.2 PET Radiopharmaceuticals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
13.3 Detectors in PET Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13.3.1 Conguration in PET Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.3.2 Block Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
13.4 PM Tubes and Pulse-Height Analyzers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
13.5 Coincidence Timing Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
13.6 PET/CT Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
13.7 PET/MR Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.7.1 Principles of MR Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.7.2 MR Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
13.7.3 Commercial PET/MR Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
13.8 Mobile PET or PET/CT Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
13.9 Micro-PET Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
13.10 Dual- and Triple-Head Gamma Cameras in PET Imaging . . . . . . 227
13.11 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
13.11.1 Time of Flight Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
13.11.2 Two-Dimensional Versus Three-Dimensional Data
Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
13.12 Image Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
13.13 Factors Affecting PET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
13.13.1 Normalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
13.13.2 Photon Attenuation Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
13.13.3 Attenuation Correction in PET/MR . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
13.13.4 Random Coincidences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
13.13.5 Scatter Coincidences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
13.13.6 Dead Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
13.13.7 Radial Elongation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
13.14 Performance of PET Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
13.14.1 Spatial Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
13.14.2 Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
13.14.2.1 Noise Equivalent Count Rate . . . . . . . . . . . . . 242
13.15 Quality Control Tests for PET Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
13.15.1 Daily Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
13.15.1.1 Sinogram Check . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
13.15.2 Weekly Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
13.15.2.1 Normalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
xvi
Contents
13.16 Quality Control Tests for MR Scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
13.17 Accreditation of Nuclear Medicine and PET Facilities . . . . . . . . . 244
13.18 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
References and Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
14 Basics of Artificial Intelligence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
14.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
14.2 Data Collection and Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
14.3 Database Versus Dataset in AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
14.4 Choosing the Right AI Database for a Project . . . . . . . . . . . . . . . . 253
14.5 Articial Neural Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
14.6 Common Models of AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
14.6.1 Training, Validation and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
14.7 Machine Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
14.7.1 Decision Tree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
14.7.2 Random Forest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
14.7.3 Support Vector Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
14.7.4 Computer Vision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
14.8 Deep Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
14.8.1 Convolutional Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
14.8.2 Recurrent Neural Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
14.8.3 Generative Adversarial Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
14.8.4 Transfer Learning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
14.9 Radiomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
14.10 Natural Language Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
14.11 Large Language Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
14.12 Generative Articial Intelligence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
14.13 Additional Terms of Interest in AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
14.13.1 Prompt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
14.13.2 Token . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
14.13.3 Hallucination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
14.13.4 Deepfake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
14.13.5 Overtting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
14.13.6 Encoder and Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
14.14 Computer and Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
14.15 Chatbot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
14.15.1 Example of ChatGPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
14.16 Benets of AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
14.17 Disadvantages of AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
14.18 Legal Implication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
14.19 Future of AI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
14.20 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Contents
xvii
15 Application of Artificial Intelligence in Nuclear Medicine . . . . . . . . . 277
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.2 Workow in Nuclear Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
15.2.1 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
15.2.2 Image Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
15.2.3 Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
15.2.4 Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
15.2.5 Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
15.3 Application of AI in Different Diseases in Nuclear Medicine . . . . 282
15.3.1 Oncology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
15.3.2 Cardiovascular Disease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
15.3.3 Bone Scintigraphy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
15.3.4 Thyroid Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
15.4 Use of ChatGPT in Nuclear Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
15.5 Drug Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
15.6 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
References and Suggested Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
16 Internal Radiation Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
16.1 Radiation Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
16.1.1 Roentgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
16.1.2 Rad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
16.1.3 Gray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
16.1.4 Rem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
16.1.5 Radiation Weighting Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
16.1.6 Quality Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
16.1.7 Sievert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
16.2 Dose Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
16.2.1 Radiation Dose Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
16.2.2 Cumulative Radiation Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
16.2.3 Factors Affecting à . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
16.2.4 The S Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
16.3 Radiation Dose in SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
16.3.1 Effective Dose Equivalent and Effective Dose . . . . . . . . . 301
16.4 Pediatric Dosage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
16.5 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
References and Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
17 Radiation Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
17.1 The Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
17.2 Effects of Radiation on Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
17.2.1 DNA Molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
17.2.2 Chromosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
17.3 Direct and Indirect Actions of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
17.4 Radiosensitivity of Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
xviii
17.5 Cell Survival Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
17.6 Factors Affecting Radiosensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
17.6.1 Dose Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
17.6.2 Linear Energy Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
17.6.3 Stage of Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
17.6.4 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
17.7 Radiosensitizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
17.7.1 Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
17.7.2 Pyrimidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
17.7.3 Others . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
17.8 Radioprotector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
17.9 Apoptosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
17.10 Classication of Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
17.11 Sources of Radiation Exposure in the United States . . . . . . . . . . . 335
17.12 Stochastic and Deterministic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
17.13 Acute Effects of Total Body Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
17.13.1 Hematopoietic Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
17.13.2 Gastrointestinal Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
17.13.3 Cerebrovascular Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
17.14 Long-Term Effects of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
17.14.1 Somatic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
17.14.1.1 Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
17.14.1.2 Epidemiologic Evidence
of Carcinogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
17.14.1.3 Dose–Response Relationship . . . . . . . . . . . . 341
17.14.1.4 Risk Estimates of Excess Cancer . . . . . . . . . 342
17.14.1.5 Leukemia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
17.14.1.6 Breast Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
17.14.1.7 Other Cancers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
17.14.1.8 Radiation Damage to Skin . . . . . . . . . . . . . . 343
17.14.1.9 Radiation Damage to Reproductive
Organs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
17.14.1.10 Nonspecic Life-Shortening . . . . . . . . . . . . 344
17.14.1.11 Cataractogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
17.14.1.12 Radiation Damage to Embryo and Fetus . . . 345
17.14.2 Genetic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
17.14.2.1 Spontaneous Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
17.14.2.2 Doubling Dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
17.14.2.3 Genetically Signicant Dose . . . . . . . . . . . . 346
17.15 Risk Versus Benet in Diagnostic Radiology and Nuclear
Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
17.16 Risks to Pregnant Women . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
17.17 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
References and Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Contents
Contents
xix
18 Radiation Protection and Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
18.2 Radiation Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
18.2.1 Denition of Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
18.2.2 Caution Signs and Labels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
18.2.3 Occupational Dose Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
18.2.4 ALARA Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
18.2.5 Principles of Radiation Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
18.2.5.1 Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
18.2.5.2 Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
18.2.5.3 Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
18.2.5.4 Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
18.2.6 Personnel Monitoring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
18.2.6.1 Film Badge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
18.2.6.2 Thermoluminescent Dosimeter . . . . . . . . . . 361
18.2.6.3 Optically Stimulated Luminescence
Dosimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
18.2.7 Dos and Don’ts in Radiation Protection Practice . . . . . . 363
18.3 Radiation Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
18.3.1 License . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
18.3.1.1 General License . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
18.3.1.2 Specic License of Limited Scope . . . . . . . . 363
18.3.1.3 Specic Licenses of Broad Scope . . . . . . . . 364
18.3.2 Radiation Safety Committee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
18.3.3 Radiation Safety Ofcer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
18.3.4 Medical Uses of Radioactive Materials . . . . . . . . . . . . . . 365
18.3.4.1 Applications, Amendments,
and Notications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
18.3.4.2 Authority and Responsibilities
of the Licensee
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
18.3.4.3 Supervision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
18.3.4.4 Mobile Nuclear Medicine Service . . . . . . . . 367
18.3.4.5 Written Directives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
18.3.4.6 Measurement of Dosages . . . . . . . . . . . . . . . 367
18.3.4.7 Calibration, Transmission,
and Reference Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
18.3.4.8 Requirement for Possession of Sealed
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
18.3.4.9 Labeling of Vials and Syringes . . . . . . . . . . 368
18.3.4.10 Survey of Ambient Radiation Exposure
Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
18.3.4.11 Calibration of Survey Instruments . . . . . . . . 369
18.3.4.12 Training and Experience Requirements
for Medical Uses of Byproduct Materials . . 369
18.3.4.13 Report and Notication of a Medical
Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
xx
18.3.4.14 Report and Notication of a Dose
to an Embryo/Fetus or a Nursing Child . . . . . 371
18.3.4.15 Release of Patients Administered with
Radiopharmaceuticals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
18.4 Bioassay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
18.5 Receiving and Monitoring of Radioactive Packages . . . . . . . . . . . 375
18.6 Radioactive Waste Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
18.6.1 Decay in Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
18.6.2 Release into Sewerage Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
18.6.3 Transfer to Authorized Recipient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
18.6.4 Other Disposal Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
18.7 Radioactive Spill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
18.8 Recordkeeping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
18.9 Transportation of Radioactive Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
18.10 Dirty Bombs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
18.11 Types of Accidental Radiation Exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
18.12 Protective Measures in Case of Explosion of a Dirty Bomb . . . . . 383
18.13 Verication Card for Radioactive Patients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
18.14 Radiation Phobia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
18.15 European Regulations Governing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
18.16 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
References and Suggested Readings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Contents
Appendix A: Units and Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
Appendix B: Terms Used in Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Appendix C: Abbreviation Used in Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
Appendix D: Answers to Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
Emc
Structure of Matter
1.1 Matter andEnergy
The existence of the universe is explained by two entities: matter and energy. These
two entities are interchangeable and exist in different forms to make up all things
visible or invisible in the universe. Whereas matter has a denite size, shape, and
form, energy has different forms but no size and shape.
Matter is characterized by its quantity, called the mass, and is composed of the
smallest unit, the atom. In atomic physics, the unit of mass is the atomic mass unit
(amu), which is equal to 1.66×10
Energy is the capacity to do work and can exist in several forms: kinetic energy
(which is due to the motion of matter); potential energy (which is due to the position
and conguration of matter); thermal energy (which is due to the motion of atoms
or molecules in matter); electrical energy (which is due to the ow of electrons
across an electric potential); chemical energy (which is due to chemical reaction);
and radiation energy (energy in motion). Energy can change from one form to
another. Of all these forms, radiation is of great importance in nuclear medicine, and
therefore, will be discussed in detail.
Mass and energy are interchangeable, and one is created at the expense of the
other. This is predicted by the Einstein’s mass–energy relationship:
where E is energy in ergs, m is the mass in grams, and c is the velocity of light in a
vacuum given as 3×1010cm/s. This relationship states that everything around us
can be classied as matter or energy.
−27
kg.
2
=
(1.1)
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G. B. Saha, Physics and Radiobiology of Nuclear Medicine,
https://doi.org/10.1007/978-1-0716-4816-2_1
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