核医学基础与放射防护医学辐射防护学教学课件

核医学基础与放射防护 金 问 森 第一章 绪论 核医学是核技术在医学领域中的应用 。 核医学的内容及其特点： 临床核医学 诊断 X线检查(radiology) 超声检查(ultrasound) MRI检查 (magnetic resonance image) 解剖成像 SPECT/CT PET/CT 功能成像 器官功能测定、体外放射分析(RIA)等。 治疗： 甲状腺机能亢进（hyperthyreosis） 甲状腺癌(thyroid carcinoma ) 转移性骨痛(multisite metastatic pain) 骨肿瘤(bone cancer) 实验核医学 核素示踪技术 (radionuclide tracer technique) 体外放射分析法 (radioimmunoassay) 放射自显影术 (radioautogram) 影像医学、核医学和放射医学三 个不同的研究和应用方向难以截然分 开，共同点均为利用核技术在医学领 域中进行临床诊疗和基础研究工作。 这些研究工作均需要进行放射防 护安全方面的理论知识。 核医学与放射防护发展简史 1895年 Wilhelm Roentgen发现X线 1896年 Henri Becquerel发现放射性核素 1898年 Marie curie 和Pierre Curie提取 polonium和radium 1934年 Joliet 和Curie发现人工放射性核素 1938年 32P治疗白血病、1941年131I治疗 甲亢、1946年131I治疗甲癌。 核医学方面 1949年 发明了第一台闪烁扫描仪 1949年 有了商品-照相机 1964年 David Kuhl和Edwards研制了 第一台SPECT 1975年 研制了第一台PET 放射防护方面 惨痛的代价 Marie curie和女儿均死于放射引 起的白血病 20世纪初的镭(Ra)事件 多次核事故以及核灾难的发生 放射防护事业的发展历程 1913年德国首先成立伦琴学会发布了有关指南 1925年召开了第一届国际放射学大会，并成 立国际辐射单位与测量委员会 （international commission on radiation units and measurements，ICRU） 1928年成立了第一个国际组织“X线和镭的防 护委员会” 1950年成立国际辐射防护委员会 （international commission on radiological protection，ICRP） 之后相继成立了IAEA、UNSCEAR、ICNIRP 、ABCC-RERF等国际性组织和研究机构 联合国 United Nations IAEAUNSCEAR 独立的非政府国际组织 ICRP 辐射剂量 出版物机构 环境保护 医疗照射防护 放射生物效应 ICRU 推荐剂量和单位 测量方法 提供有关参数 ICNIRP 提供健康指导 推荐曝露限值值 发布出版物 辐射防护相关国际组织 我国放射防护事业的发展 法 行政法规 部门规章 技术标准 技术报告 导则指南 国家标准化管理局 全国各有关专业 标准化技术委员会 全国人民代表大会 国务院 各部委 我国放射防护法规与标准体系结构图 法律 中华人民共和国职业病防治法 中华人民共和国放射性污染防治法 行政法规 放射性同位素与射线装置安全和防护条例 中华人民共和国民用核设施安全监督管制条例 中华人民共和国核材料管理条例 核电厂核事故应急管理条例 突发公共卫生事件应急条例 部门规章 卫生部、国家环境保护总局、国防科工委，以及公 安部等，这些有关部委局先后制定颁发了一批有关放射 工作许可制度及放射防护管理办法、核与放射事故管 理规定、放射工作人员职业健康管理办法、放射防 护器材与含放射性产品管理办法、核动力厂设计及运 行安全规定、城市放射性废物管理办法、放射环境管 理办法、放射性物质运输管理办法等等 放射性同位素与射线装置安全许可管理办法 放射诊疗管理规定 放射工作人员职业健康管理办法 技术标准 以我国电离辐射防护与辐射源安全基本 标准（GB 188712002）最重要，派生出了 一大批各种放射防护次级专项标准，包括国家 职业卫生标准、各类行业标准等。 技术报告和导则指南没有强制性效力，乃是有关 机构、组织和专家所撰写的，属于进一步具体诠释各 有关法规与标准，以增加对法律、法规的理解。 第二章 核辐射的物理基础 原子结构、X射线与核素 元素（element）的基本单位是原子，原子 由原子核和核外电子构成。 原子核内有不同数目的质子（proton，P）和 中子（neutron，N） ，统称为核子（nucleon）。 原子核内质子数目和中子 数目之和为原子核的质量数， 用“A”表示，因此，整个原子核 内中子数目N=AZ。 原子结构原子结构 核素、同位素和同质异能素核素、同位素和同质异能素 一般情况下原子核处于最低能量状态，称为基 态（ground state）。当受到高能量粒子轰击或核内 部发生结构改变，原子可暂处于高能量状态，称之 为激发态（excited state）。激发态不会持久，将迅 速释放能量，而恢复至基态，这种能量的释放过程 称为跃迁（transition）。 基态和激发态 ground state excited state 核素、同位素和同质异能素的概念 p 质子数相同，中子数相同，能量状态相 同的一类原子的集合称为核素（nuclide）。 p 核内质子数相同，即在元素周期表中处于 同一位置，但中子数不同的核素互称为某元 素的同位素（isotope） 。 p 质子数、中子数均相同，但能量状态不 同的核素称为同质异能素（isomer） 。 稳定性核素和放射性核素 原子核内的核子之间存在着引力，称为核 力（nuclear force），为短程力，受核子数目 的影响 。 除了核力外，还存在静电斥力，该力为长 程力，不受核子数目影响，但与电荷量有关 。 PN=101.5时，核力与静电斥力基本 平衡，原子核处于稳定状态。处于稳定状态 的核素称为稳定性核素（stable nuclide）。 当原子核内部处于不稳定状态，产生了能级 的变化，转化为另一种核素。这种自发的核内 结构或能量的变化过程称为核衰变（nuclear decay），变化过程中释放的具有一定能量的 粒子称为放射线（radiation）。释出放射线的 核素称为放射性核素（radio-nuclide）。 原子核的衰变、裂变与聚变 核衰变类型与规律 1.衰变（alpha decay） 原子核内要释释放2个质质子和2个中子组组成的 称之为为“”粒子。 2.衰变（beta decay） 当核内质质子、中子比例不当时时，质质子和中子将 产产生相互转换转换 ，达到核内调调整结结构的目的。其特点 是原子的质质量数不变变，只有原子序数改变变（相差1 ），分为为-和+ 和电子俘获三种形式。 （1） 衰变 主要发生在中子相对过多的核素。中子转化 为质子，释放负电子，称为 粒子。 （2）+衰变 主要发生在中子数相对不足的核素，核内 由质子转化为中子，释放正电子，称为 +粒子 。 （3）电子俘获（electron capture，EC ） 对于中子数相对较少某些核素，原子核从核外内 层的电子壳层俘获一个电子，使核内的一个质子转化 为中子，同时释放一个中微子，随后较外层的电子跃 入内层轨道填补空穴。由于外层能级高于内层能级， 因此，多余能量以电磁辐射（即特征X射线）形式释 放。或者该能量传递给另一壳层电子，使之脱离轨道 逸出，称为俄歇电子（auger electron）。 （4）跃迁与内转换现象 经过或衰变的核素，在衰变的过程中可能导 致原子核处于高能的激发态，核内多余能量以电 磁辐射形式释放后返回基态，该过程称为跃迁。 有时在核内多余能量释放过程中，也可能将 能量传递给核外壳层电子，使之脱离其运行轨道 而逸出，这种现象称为内转换现象。逸出的电子 称为内转换电子（internal conversion electron） X射线和射线都是光子，它们的不同之处： 射线来源于核内能量释放，而X射线为核外电子 跃迁过程中的能量释放。 放射性核素衰变规律及其度量 核衰变是随机性的，单位时间衰变的原子核数目与核核衰变是随机性的，单位时间衰变的原子核数目与核 的总数成正比，并且随着时间的增长，遵循一定的规律而的总数成正比，并且随着时间的增长，遵循一定的规律而 减少。减少。 物理半衰期物理半衰期(physical half life(physical half life，T T1/2 1/2): ):指放射性核素的 指放射性核素的 原子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。原子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。 称为衰变常数（称为衰变常数（decay constantdecay constant），是放射性核素），是放射性核素 衰变的特征参数，表征单位时间原子核发生衰变的速率衰变的特征参数，表征单位时间原子核发生衰变的速率 。 放射性活度、放射性比活度与放射性浓度放射性活度、放射性比活度与放射性浓度 放射性活度（放射性活度（A A）是指在一定的时间（是指在一定的时间（dtdt）内处于特定）内处于特定 能态的一定量的放射性核素发生自发衰变（能态的一定量的放射性核素发生自发衰变（dNdN）的期望值。）的期望值。 国际制单位为国际制单位为BqBq，BqBq其表示每秒内核衰变的次数，其表示每秒内核衰变的次数，1Bq1Bq表示表示 每秒有每秒有1 1次衰变。旧有单位为居里（次衰变。旧有单位为居里（CiCi），），1Ci = 3.7101Ci = 3.71010 10Bq Bq 单位质量中所含的放单位质量中所含的放 射性活度称为比活度或比射性活度称为比活度或比 放射性。一般用放射性。一般用BqBq/kg/kg或或 BqBq/mol/mol为单位。为单位。 单位容积溶液中所含单位容积溶液中所含 放射性活度称为放射性浓放射性活度称为放射性浓 度，以度，以BqBq/ml/ml或或BqBq/L/L为单为单 位。位。 核裂变与核聚变反应 原子核的核裂变反应是目前获得核能的主要途径原子核的核裂变反应是目前获得核能的主要途径 一些重核如果一些重核如果 分裂成二个中分裂成二个中 等质量的原子等质量的原子 核时，会同时核时，会同时 释放出中子和释放出中子和 能量，这一过能量，这一过 程称为原子核程称为原子核 裂变（裂变（nuclear nuclear fissionfission）。）。 自发裂变是原子核自发裂变是原子核 在没有入射粒子轰在没有入射粒子轰 击的情况下自行发击的情况下自行发 生的核裂变。生的核裂变。 诱发裂变是在入射粒诱发裂变是在入射粒 子的轰击下重核发生子的轰击下重核发生 的裂变。的裂变。 由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚变。由两个氢原子合为一个氦原子，就叫核聚变。 放射线与物质作用的物理基础 电离与激发作用电离与激发作用 带电粒子与物质的核外电子发生静电作用，如果 导致物质中的原子失去轨道电子形成正负离子对，称为 电离（ionization）作用。 传能线密度(linear energy transfer，LET)是指带电 粒子穿过物质时，在其单位长度径迹上所转移的能量。 如果带电粒子使照射物质轨道电子从内层跃迁至外层， 整个原子处于能量较高的激发态，此过程称为激发（ excitation）作用。 带电粒子与物质的相互作用 散射与吸收散射与吸收 带电粒子受到物质原子核库仓电 场作用而发生方向偏折和能量的改变 ，称为散射（scattering），只改变运 动方向而能量不变者称为弹性散射（ elastic scattering）。 如果射线通过物质时，由于各种作用的 机制，导致带电粒子的动能全部丧失而不复 存在的过程称为吸收（absorption）。 粒子在介质中受到阻滞而急剧减速，部分能量甚至全 部能量转化为电磁辐射，称为轫致辐射（bremsstrahlung） 。其发生的几率与能量及介质的原子序数成正比。因此在 放射防护中要注意，粒子吸收体和屏蔽应采用低密度材料 ，如有机玻璃、铝或塑料等。 轫致辐射与湮没辐射轫致辐射与湮没辐射 +通过物质时和核外电子相互作用，消耗能量而相互结 合，同时转化为两个方向相反，能量各为0.511MeV的光子 而自身消失，这种过程称为湮没辐射（annihilation radiation） X、 射线与物质的相互作用 光电效应：光子与介质原子的轨道电子碰撞，把能量 全部交给轨道电子，使之脱离原子，光子消失，这一作用 能够过程称为光电效应(photoelectric effect)。脱离轨道的 电子称为光电子。 康普顿效应：能量较高的光子与核外电子碰撞，将一 部分能量传递给电子，使之脱离原子轨道成为高速运行的 电子，而光子本身能量降低，运行方向发生改变，成为康 普顿效应(Compton effect)。 电子对生成：当光子能量大于1.022MeV时，在物质 原子核电场作用下转化为一个正电子和一个负电子，称为 电子对生成(electron pair production)。 第三章 人体辐射计量学 辐射的基本概念 辐射是不需要介质参与而进行能量传递的一种 现象。 性质分类： 电磁辐射 其本质是电磁波，X射线、 射线和紫外线等 。 粒子辐射 如粒子、粒子、中子等。 作用分类： 电离辐射 可以产生电离作用 非电离辐射 不产生电离作用 狭义的辐射仅指电离辐射。 电离辐射计量学 X射线或射线照射dm质量空气时便与空气中的原 子相互作用，部分放射线损失的能量被原子中的电子 获得而使原子电离，当这些获能电子被完全吸收时所 产生的同种符号离子（或带电荷原子）的总电荷量（ dQ）称为照射量（exposure，X）。 p 照射量(X) 照射量的国际单位(SI)是库仑/千克(C/kg)，目前照 射量的测量仅适用能量在10keV3MeV范围内的X射 线和射线，其他放射性粒子不能用照射量来度量。单 位时间内的照射量称为照射量率(exposure rate)。 p 吸收剂量(D) 吸收剂量(absorbed dose，D)指单位质量物质所 接受的电离辐射的平均能量。 dm为被照射物质的质量，dE为其吸收的辐射能 。 吸收剂量(D)是放射领域内一个非常重要的量， 它适用于任何类型的电离辐射和任何被照射的物质， 并适用于内、外照射。吸收剂量的国际单位(SI)为： J/kg，专用名称：戈瑞(gray, Gy), 1Gy=1J/kg。旧制 单位是拉德(rad)。1Gy=100rad 同样也存在吸收剂量率(Gy/s ) p 比释动能（K） 比释动能(kinetic energy released in mass， kerma，K)指不带电致电离粒子与物质相互作用时 ，在单位质量的物质中产生的带电粒子的初始动能 的总和。 dEtr是不带电致电离粒子在特定物质的体积内 释放出来的所有带电粒子的初始动能总和；dm为 所考虑的物质质量。 比释动能的单位与吸收剂量相同 当量剂量(equivalent dose，HT, R)就是吸收剂量与 辐射权重因数(radiation weighting factor, WR)的乘积 。 p 当量剂量(HT, R) HT, R为R类辐射在组织或器官T中所受到的当量 剂量；DT, R为R类辐射在组织或器官中所致的平均吸 收剂量；WR为R类辐射的辐射权重因数。 专用单位 希沃特(Sievert，Sv) 表3-2 不同辐辐射类类型的辐辐射权权重因数WR 辐辐射类类型 能量范围围 WR 光子 所有能量 1 电电子和介子 所有能量 1 中子 10keV 5 10 keV100keV 10 100keV2MeV 20 2 MeV20MeV 10 20MeV 5 质质子(反冲质质子除外) 2MeV 5 粒子、裂变变碎片、重核 20 有效剂量（E） 是指全身受到均匀照射或不均匀照射时，将不同 组织当量剂量（H T，R ）与组织权重因数加权的平均值 。 表3-3 组织权重因数(WT) 专用单位 希沃特(Sievert，Sv) p 待积剂量 待积剂量（committed dose）指放射性核素 进入体内的剂量积分估算，根据待积剂量的概念 还可以推倒出待积吸收剂量、待积当量剂量和待 积有效剂量等。 待积当量剂量（committed equivalent dose, HT（）指单次摄入的放射性物质在其后的年内 对所关心的器官或组织所造成的总剂量累积值。 待积有效剂量(committed effective dose，E() 如果单次摄入R类放射性核素对人体器官或组织（ T）造成的待积当量剂量HT（）乘以相应的权重因子WT ，随后对所涉及的器官或组织（T）求积， HT（）为积分至时间时组织（T）的待积当量 剂量；WT为组织T的组织权重因数。 比释动能K 当量剂量H 辐射场 (照射量X) 空气 待积剂量 核素进入体内 待积当量 剂量 待积有效 剂量） 吸收剂量D 有效剂量E 电离辐射源 常用电离辐射量间相互关系 非电离辐射计量学 p 电磁辐射计量 电磁辐射来源 自然界，如雷电、台风、 太阳的黑子活动与黑体辐 射等 人工电磁辐射,如一些医疗 设备、电脑、微波炉、手机 、收音机、电视广播发射机 和卫星通讯装置等。 无线电波、微波、红外线、可见光和紫外线等 一般称为非电离辐射或称电磁辐射。 频率极高的X射线和射线可造成人体组织的间 接电离，归在电离辐射的范畴。 公式： 电磁波频率（frequency，f）、波长（wave length，）与波速（wave velocity，c），h为 Plank常数。 Z E H 平面电磁波空间传播图 电场中某点的电荷受到的电场力与它所带电 量的比值称为电场强度(electric field intensity， E) ，电场强度的国际单位是牛顿/库仑(N/C)或 伏特/米(V/m)。 磁场强度（magnetic field intensity，H）指 磁场中单位磁极所受到的力。它的国际单位 制（SI）是安培/米（A/m）。 电场强度和磁场强度 电磁波能流密度 电磁波传播的能量称为电磁辐射能，在单位时间内 通过垂直于传播方向的单位面积上的电磁波能量称为电 磁波能流密度（energy flow density，S），能流密度是 矢量，如果在一个时间周期内求得能流密度的平均值又 称为平均能流密度 。 它的国际单位是瓦（特）/米2，W/m2。 S=E H 电磁辐射场所 远区场（感应场） S= E H = E2/377 近区场（辐射场） 电场强度与磁场强度的大小没有 确定的比例关系。 比吸收率 比吸收率（specific absorption rate，SAR）指单 位受照组织吸收的电磁辐射能量，它的国际单位是瓦 特/千克（W/kg）， p 核磁共振计量 磁感应强度 描述静磁场常用磁感应强度 （magnetic induction，B）表 示，磁感应强度指在磁场中垂 直于磁场方向的通电导线，所 受的安培力F跟电流I和导线长 度L乘积的比值。 B=F/IL 磁感应强度的国际单位是特斯拉(T)，T的含 义是牛顿/安培米(N/A m)。 1T=1N/A m 在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯 (Gauss，Gs)，高斯与特斯拉（T）的关系为： 1T=104Gs。 第四章 电离辐射生物学作用原理 p 电离辐射对生物体作用的化学基础 自由基等活性基团 自由基(free radical)是指能够独立存在、 具有一个或多个未配对电子的原子、分子、离 子或原子团。如 较分子氧的化学性质更为活泼的氧衍生物 或其代谢产物统称为活性氧(reactive oxygen species)。如 等 等 概括说大部分含氧自由基是活性氧，但活性氧 不一定都是自由基。 u 氧的单电子还原物，如O2- 和O-，及HO2和HO； u 氧的双电子还原物H2O2； u 烷烃过氧化物ROOH及其均裂产物RO和 ROO； u 处于激发态的氧、单线态氧和羟基化合物。 自由基作用的化学基础 u 抽氢反应 (hydrogen abstraction)； u 加成反应(addition reaction); u 电子俘获(electron capture); u 还原反应(reduction reaction); u 过氧化反应(peroxidation reaction); u 歧化反应(dismutation reaction)。 NO及氮的其他氧化物或含氮的自由基（硝酸盐 氮、亚硝酸盐氮和氨氮等）统称活性氮（reactive nitrogen species, RNS），左旋精氨酸(L-Arg)与氧分 子在一氧化氮合酶作用下 ,分步骤产生NO。 活性氮的概念 生物体的各类抗氧化体系 (略) 自由基等活性基团对生物分子的损伤作用 u 破坏细胞膜，使膜脂质过氧化，引起膜结构的破 坏； u 使细胞蛋白质氧化、脱氢，造成蛋白质的失活、 结构改变、化学链的断裂，或使蛋白质交联和聚 合，从而影响蛋白质的正常功能； u 使糖链的断裂和失活； u 引起核酸的损伤，造成细胞死亡。 水的辐射分解 水的辐射分解和水分子的自发性电离有本质 的区别。前者产生 OH和H ，后者形成OH+和H+。 除电离和激发外，在有些例子中激发所需的能 量超过电离所需的能量。这种能量状态称为超激发。 水分子的原初变化中27%电离，26%激发，47%超激 发。 不断与水分子碰撞，使水分子放出电子，产生次 级电离，这些电子在自身运动中逐步丧失能量而被水 分子俘获，生成水负离子H2O-，不稳定的H2O-在水中 解离成氢自由基H和OH-。 当电子能量降到100eV以下而未被俘获时，会 吸收若干水分子形成水合电子 eaq_，自由基和水合 电子统称为水的原发辐射降解产物 。 水的原发辐射降解产物常在小体积内成簇发生， 这种小反应体积称为刺团（spur）。 电离辐射生物学作用时间效应 时间时间 （s）发发生过过程 物理阶阶段 10-18 10-1610-17 10-15 10-14 快速粒子通过过原子 电电离作用H2OH2O+e- 电电子激发发H2OH2O* 离子分子反应应，如H2O+ H2O+ HO+ H3O+ 物理化学阶阶段 10-14 10-12 化学阶阶段 CAG n 糖基的破坏 n DNA链上不稳定位点的形成 特异性的核酸内 切酶识别和切割碱基或糖基损伤部位形成DNA 链断裂。 n DNA链的断裂 SSB和DSB的形成。 n DNA交联 链内交联和链间交联。 DNA损伤的特点 n 染色质损伤 n DNA损伤的非随机性 嘧啶二聚体和链断裂在DNA上的非随机分布 DNA蛋白质交联的组分选择性 染色体的脆性部位 n DNA损伤的复杂性 辐射所引起的膜损伤 n 可引起膜的脂质过氧化，产生新的自由基，造 成级联式反应，加重膜的损害。 n 造成膜蛋白和膜结合酶的变性与失活。 n 氧化糖蛋白上的羟基，产生毒性物质。 n 使膜的流动性和导电性发生改变。 靶数学模型 细胞存活曲线描述辐射剂量与细胞存活分数之间 的关系。 1.0 0.1 0.037 12345 Dose (Gy) D0 Dq D0是使SF下降63%所需的剂 量，代表平均致死剂量或平均 灭活剂量。表示细胞内在放射 敏感性的主要参数。 Dq是克服曲线肩部所需剂量。 也称阈剂量，表示细胞损伤修 复能力的大小。 n 单靶单击模型（one target and one-hit model） n 多靶单击模型（more target and one-hit model） n 线性平方模型（linear quadratic mode，简称 LQ模型） 相对生物效能与辐射敏感性 n 相对生物效能(relative biological effectiveness， RBE)是以250keV X射线或固定能量的射线引发某种 生物效应所需剂量与所研究的辐射引发相同生物效应 (种类与程度均同)需要的剂量的比值。 或 通常情况下，RBE与LET呈正相关关系 。 n 辐射敏感性 辐射敏感性(ionizing radiation sensitivity， IRS)指各种生物有机体对辐射敏感的程度。 组织辐射敏感性与其细胞的分裂活动成正比而与 其分化程度成反比。 影响因素： 细胞： 细胞种类、细胞所处细胞周期时相、细胞周 期调控、细胞内染色质结构与DNA构象、细胞对 自由基的清除或耐受能力和对辐射损伤的修复能 力有关。 M期 G2期 G1期S期 生物体 辐射敏感性受生物体的进化程度、种属、不同 的发育阶段、不同的组织器官等因素的影响。 种系辐射敏感性与进化程度成正比，结构越 复杂的生物体对辐射越敏感。脊椎动物，哺乳类 辐射敏感性高于鸟类、鱼类、两栖类和爬行类； 哺乳动物，人、狗、豚鼠辐射敏感性高于兔、大 鼠、小鼠。 随个体发育趋向成熟而逐渐降低，胚胎、幼体 、成体的辐射敏感性依次降低。 同一生物有