核医学教学课件：核物理基础

1、核物理基础核医学是一门典型的边缘交叉学科核医学的出现与近代物理学重要发现有关核医学的发展依赖于近代科学技术的不断发展核科学技术的迅速发展和应用是20世纪人类取得的重大成就核物理在核医学中占有基础性重要的位置1803年，道尔顿（Dolton）创立原子论1869年，门捷列夫（Mendelev）发现元素周期表1895年，伦琴（Roentgen）发现X射线1896年，贝克勒尔（Becquere）发现放射性物质1911年，卢瑟福（Ruthorford）提出原子的核式结构模型1913年，玻尔（Bohr）创立量子论1934年，卢瑟福等人首次发现了核聚变反应1937年，放射性核素首次应用于人体核物理学大事记M

2、arie Curie原子核及核外轨道电子核衰变类型及其规律核射线与物质的相互作用辐射量及其单位核医学辐射防护原子核及核外轨道电子核衰变类型及其规律核射线与物质的相互作用辐射量及其单位核医学辐射防护原子核、核外轨道电子核子nucleon、质子proton、中子neutron原子序数atomic number、质量数mass number元素、定态、基态、激发态核素(nuclide)：具有特定的质子数、中子数记一定的能量状态的一类原子。同位素(isotope)：具有相同的质子数，而中子数不同的核素互称同位素。同质异能素(isomer)：具有相同的质量数和原子序数，但处于不同核能态的一类核素。同质异

3、能素第二激发态第一激发态基 态142keV140keV099Tc99mTcA shorthand notion of atomXAZNNXAZNXAZmm如：18O; 99mTc ; 99Tcm原子核及核外轨道电子核衰变类型及其规律核射线与物质的相互作用辐射量及其单位核医学辐射防护核素可分为稳定性核素和放射性核素库仑力核力原子核内核子数比例核子数的奇偶性核衰变(nuclear decay)：这种由放射性核素自发地放出一种或几种射线并转变为另一种核素的过程称之为核衰变。医用放射性核素来源：放射性核素发生器(radionuclide generator)、加速器(accelerator)及核反应堆

4、(nuclear reactor)放射性核素衰变的规律 核衰变的方式及速率取决于原子核的固有特征。放射性核素衰变的类型 衰变、衰变、 衰变、电子俘获、衰变及内转换衰变主要发生于Z大于82及A大于209的核素衰变中子质子反中微子-ZZ+1转变能形成辐射的转变图粒子数粒子能量转变能平均中微子能量平均能量辐射连续能谱质子中子ZZ-1正电子中微子 衰变特征X射线俄歇电子质子中子电子电子俘获的转变图电子俘获(electron capture；EC)中微子ZZ-180%20%20%60%能级 1能级 2300kev500kev300500800204060百分数光子能量kev衰变-正电子N/P高N/P低K

5、壳层电子俘获X射线俄歇电子内转换电子产生辐射的不同核素转变组合图内转换及总图放射性衰变规律: 按指数规律减少 放射性的基本特点是对于所有的原子核来说，即使是同种放射性核素的原子核，都没有相同的寿命，我们是没有办法测定或预测一个原子核的寿命的。然而能够测出特定的放射性核素的原子核的平均寿命。平均寿命是每种给定的核素的独特特征。时间T放射性核寿命的差异衰变常数：半衰期：0.693/物理半衰期：Tp生物半衰期：Tb有效半衰期：Teffepb在器官上的活度放射性衰减Tp=5h生物排泄Tb=3h0相对性活度0.5时间放射性衰减生物排泄有效有效半衰期的计算TpTbTp+TbTe=1.9hepbepbTe-

6、1Tp-1Tb-1放射性活度: 单位时间内原子核衰变的数目。1 Ci = 3.71010Bq1 mCi = 37 MBq1 Ci = 37 KBq比放射性活度：单位质量或容积的放射性制剂中的放射性活度。单位：Bq/mg； Bq/ml放射系列：放射性母体-放射性子体 铀、锕、钍、镎四系长期平衡：母核半衰期远大于子核-平衡时二者放射性强度相等暂态平衡：母核半衰期略大于子核(几倍) -平衡时子核放射性强度随母核衰减而不断减少连续放射性衰变：放射系列及放射平衡活度母体发生器中钼和锝的活度暂态平衡示意图原子核及核外轨道电子核衰变类型及其规律核射线与物质的相互作用辐射量及其单位核医学辐射防护带电粒子与物质

7、的相互作用： 电离、激发、散射nucleus入射粒子nucleus次级电子带电粒子与物质的相互作用： 韧致辐射（bremsstrahlung）nucleus韧致辐射韧致辐射发生概率随带电粒子能量的增大而增大，与受阻物质的原子序数平方呈正比。湮没辐射：(annihilation radiation) 正电子在介质中能量耗尽时与物质中的自由电子结合，正负电荷抵消，转化为两个方向相反、能量各为511Kev的光子而自身消失。带电粒子与物质的相互作用： 淹没辐射光子与物质的相互作用：nucleusnucleus入射光子康谱顿电子散射光子入射光子光电子光电效应nucleus康普顿效应+e入射光子电子对效应

8、原子核及核外轨道电子核衰变类型及其规律核射线与物质的相互作用辐射量及其单位核医学辐射防护放射性活度（A）是用来度量放射性核素的核衰变快慢，即表示单位时间内核衰变数目的物理量。定义为：一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔，即A= dN/dt。 国际单位为贝可勒尔，简称贝可（Bq），1 Bq表示放射性核素在1秒内发生1次核衰变。旧单位是居里（Ci），1Ci = 3.71010Bq。照射量（exposure X）是用来度量辐射场强弱的一种物理量。定义：X射线或射线在单位质量（dm）的空气中完全被阻止时，与原子作用所产生的同种符号离子的总电荷（dQ）绝对值与空气质量之比

9、即： X = dQ/dm。 国际单位为库仑每千克（Ckg-1），旧单位为伦琴（R），1R=2.5810-4Ckg-1。 吸收剂量（absorbed dose D）是用来反映受照射物质吸收电离辐射能量大小的物理量。定义为电离辐射授予单位质量dm物质的平均能量dE与该单位质量物质质量dm之比。 D= dE / dm。国际单位为戈瑞（Gy），1 Gy即1Jkg-1。旧的单位为拉德（rad）,1Gy=100rad。 当量剂量（equivalent dose）是反映各种射线被吸收后引起的生物效应及危险度的物理量。它是在吸收剂量的基础上引入与辐射类型有关的权重因子计算出来的，是按照辐射权重因子加权的吸收剂

10、量 。通常以Q表示不同射线引起的生物效应的品质因素，X、射线及正电子的Q1，粒子Q=20，快中子的Q=10。国际单位为希沃特（Sv），旧的单位为雷姆（rem）, 1Sv=100rem。 有效剂量（effective dose）是用于评价全身受到非均匀照射情况下，发生随即效应几率的物理量。即：在全身受到非均匀照射情况下，受照组织或器官的当量剂量与相应的组织权重因子乘积的总和。单位当量剂量在受照组织或器官中引起随机效应的几率称为危险度。受照组织或器官的危险度与全身受照总危险度之比即为该受照的组织或器官的组织权重因子。单位同当量剂量。 举例：例如有甲、乙2人，甲的骨表面接受0.3Sv当量剂量的照射，

11、而乙的骨表面接受0.1Sv当量剂量的照射，同时肝脏又受到0.1Sv的照射，哪个人危险更大些？(骨的组织权重因子为0.01，肝的组织权重因子为0.05)？答：E甲= 0.010.3 = 0.003 Sv甲相当于全身均匀照射0.003Sv 的危险性。E乙= 0.010.1 + 0.050.1 = 0.006 Sv乙相当于全身均匀照射0.007Sv的危险性。显然乙受到辐射的危害大于甲。 原子核及核外轨道电子核衰变类型及其规律核射线与物质的相互作用辐射量及其单位核医学辐射防护“水能载舟，亦能覆舟”，辐射防护的目的就是要把放射线对人的影响减少到最低限度。只有掌握有关射线对人体影响的知识和防护措施，才能趋

12、利避害，化害为利。Radiation need not be feared, but it must be respected。 Morgan辐射防护(radiation protection)天然本底辐射在人类生存的环境中，天然存在着多种射线和放射性物质，这被称为天然本底辐射。天然本底辐射主要来自宇宙射线(cosmic radiation)和地球辐射(earth radiation)。本底当量时间 表示在临床核医学防护工作中，病人所受的辐射剂量的大小可以用相当于在多长时间（几月或几年）内受的天然本底辐射的剂量。 例如，一般病人在一次普通的核医学显像过程中全身接受的平均辐射剂量约为3.6 mS

13、v ，大约相当于世界上多数地区一年的平均天然本底辐射剂量(1-6 mSv)。 电离辐射对人体的影响从放射卫生防护的需要考虑，根据国际放射防护委员会（International Commission of Radiation Protection，ICRP） 26号出版物按剂量效应关系把辐射生物效应分为确定性效应(determinate effect)和随机效应(stochastic effects) 。确定性效应和随机效应确定性效应(determinate effect) 确定性效应是指辐射损伤的严重程度与所受剂量呈正相关，有明显的阈值，剂量未超过阈值不会发生有害效应。一般是在短期内受较大剂量

14、照射时发生的急性损害。 确定性效应随机效应(stochastic effects) 随机效应研究的对象是群体，是辐射效应发生的几率（或发病率而非严重程度）与剂量相关的效应，不存在具体的阈值。 辐射防护的原则和措施 辐射防护的目的 防止有害的确定性效应，限制随机效应的发生率，使之达到可以接受的水平。总之是使一切具有正当理由的照射保持在可以合理做到的最低水平。辐射防护的原则 实践的正当化 放射防护最优化 个人剂量限值 放射工作人员剂量限制标准连续5年的年平均有效剂量为20mSv。任何一年的年有效剂量为50mSv。眼晶体的年当量剂量为150mSv。四肢或皮肤的年当量剂量为500mSv。外照射防护措施

15、 经典的外照射防护的三原则时间(time)防护 距离(distance)防护 屏蔽(shielding)防护对病人主要是内照射（即放射性核素进入人体内产生的照射），对医务人员主要是外照射（即放射性核素从人体外发射的射线对人体产生的照射），但管理不当也可产生内照射。由于放射性药物在体内的特殊分布，病人全身受照剂量小，个别器官、组织受照剂量高。核医学辐射的特点内照射防护 开放性放射源可能通过口、呼吸道、皮肤伤口等途径进入人体，造成对人体的内照射。内照射防护的关键及原则是尽一切可能防止放射性核素进入体内。具体措施包括：尽量减少实验场所及环境污染，定期进行污染检查和监测，把放射性核素的年摄入量控制在国

16、家规定的限值以内。 按照辐射危害将放射性核素分为极毒性组、高毒组、中毒组和低毒组。根据等效年用量大小将放射性工作场所分为3级。场所不同制度不同。 围封：放射性工作必须在指定的区域进行，避免放射性向环境扩散。保洁和去污：严格遵守操作规程，避免发生污染个人防护、环境监测及按规定处理放射性废物内照射防护的措施按原则处理放射性废物 放置衰变 稀释排放 浓缩储存内照射防护的措施核医学工作人员和患者受辐射剂量比较 临床核医学检查患者受照剂量与天然本底辐射比较 据报道在美国一次普通的核医学显像全身接受的平均辐射剂量约为3.6 mSv，大约相当于世界上平均天然本底辐射剂量（3.7 mSv）。 国内调查的剂量略高于国外，若扣除放射性药物剂量因素，一次核医学检查患者接受的辐射剂量大概与平均天然本底辐射剂量接近。核医学检查患者受照剂量与其它放射检查项目比较核医学检查中脑、骨、心脏显像检查给药剂量较大，所受的有效当量剂量辐射剂量超过5.0 mSv，其余有效当量剂量均较低。X线检查仅有少数部位的摄片检查所受辐射剂量略低于核医学检查，大多数检查均远远高于核医学检查。 核医学工作人员所受的辐射剂量分析 核医学工作人员外照射当量