核医学绪论、核物理基础

DefinitionMaincontentNuclearmedicineandmedicaldevelopmentHistoryreviewPresentsituationDept.ofNMinUnionHospitalIntroduction第1页，共78页。Definition核医学(Nuclearmedicine)是一门研究核技术在医学中的应用及其理论的学科，为临床医学的二级学科。核医学是应用放射性核素或核射线诊断、治疗疾病和进行医学研究的学科。按照我国医学专业学位点的设置，核医学属于“影像医学与核医学”学位点。核医学又不是单纯的影像学科，它还包含功能检测、体外分析以及治疗等内容，有独立的门诊和核素治疗病房。第2页，共78页。MainContentsExperimentalNuclearMedicineClinicalNuclearMedicine

Basicknowledge第3页，共78页。ExperimentalNuclearMedicine实验核医学主要是以实验核技术为手段，研究生命现象的本质和物质代谢的变化规律，广泛应用于基础医学、生物学的各学科；它同时侧重核医学技术的方法学探讨，为实验核医学和临床核医学创立和发展新的研究手段和诊疗方法。第4页，共78页。ClinicalNuclearMedicine

临床核医学是临床医学的重要组成部分，它是利用核医学的各种原理、技术和方法来研究疾病的发生、发展，研究机体的病理生理、生物化学和功能结构的变化，达到探讨病因和诊治疾病的目的。其核心技术是放射性核素示踪技术。第5页，共78页。实验核医学临床核医学放射性核素示踪技术动力学分析技术体外放射分析技术放射自显影技术活化分析技术诊断核医学体内诊断体外诊断脏器显像功能测定治疗核医学体内治疗体外治疗RIAIRMAECL131I188Re89Sr153Sm32P90Sr-90Y60Co核医学的主要组成部分第6页，共78页。Configurationofatom核素（nuclide）

原子核的质子数、中子数和原子核所处的能量状态均相同的原子属于同一种核素。如123I、125I和131I，99mTc与99Tc，3H、14C和32P等，都是各不相同的核素。Basicconcepts元素（element）

是具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称。元素又称化学元素，用一般的化学方法不能使之变得更为简单。第7页，共78页。BasicconceptsConfigurationofatom

同位素（isotope）

凡原子核具有相同的质子数而中子数不同的元素互为同位素。如123I、125I和131I等。kkk第8页，共78页。Configurationofatom同质异能素（isomer）

核内中子数和质子数都相同但能量状态不同的元素彼此称为同质异能素，其中处于激发态的原子在原子质量数的后面加一小写的“m”来表示。例如99mTc与99Tc互为同质异能素。Basicconcepts99mTc99Tc第9页，共78页。StabilityofnucleusPatternofnucleardecayThelawofnucleardecayNucleardecay第10页，共78页。StabilityofnucleusNucleardecay库仑斥力（coulombforce）短程核力（nuclearforce）核的稳定性 轻核：N/Z≈1 中核：N/Z≈1.3～1.4 重核：N/Z≈1.5～1.6

20983Bi：N/Z=1.52中子数过少或过多，都会导致核不稳定。第11页，共78页。Basicconcepts放射性核素（radionuclide）

是指原子核自发地发生衰变并释放出射线，由一种核转变成另一种核的核素。稳定性核素（stablenuclide）

是指原子核能稳定存在，不会自发地发生核转变的核素。放射性衰变（radiationdecay）

是指放射性核素的原子核自发地放出射线并转变成另一种核素的过程。第12页，共78页。Basicconcepts第13页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayαdecay

β-

decay

βdecay

β+

decay

Electroncapture,EC

γdecay

第14页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecaydecay

不稳定的原子核自发地发射出粒子而转变成另一种核素的过程称为衰变。粒子由两个质子和两个中子组成，实质是氦原子核。Sg：Seaborgium（钅喜）Rf：Rutherfordium（钅卢）第15页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay第16页，共78页。CharacteristicofAlphaparticleNucleardecay粒子由两个质子和两个中子组成，带有两个正电荷，其本质是氦的原子核

衰变发生在原子序数大于82的重元素核素粒子的速度约为光速的1/10，即２万km/s,2s绕地球１周

在空气中的射程约为３-８cm，在水中或机体内为0.06

-

0.16mm。因其射程短，一张纸即可阻挡

粒子的电离能力很强，能量单一第17页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayβ-

decay

放射性核素的原子核发射出β-粒子的衰变方式称为β-衰变。β-粒子实质上是一个带负电荷的电子。第18页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay第19页，共78页。CharacteristicofbetaparticleNucleardecayβ粒子实质是带负电荷的电子

衰变后质量数不变，原子序数加１β粒子的能量分布从0～Qmax，具有连续能谱，其平均能量约为最大能量的三分之一

β粒子的穿透力比

粒子强，电离能量比粒子弱，能被铝和机体吸收

v’表示反中微子（antineutrino），是一种静止质量近似地看作为零的中性粒子第20页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayβ+

decay

放射性核素的原子核发射出β+粒子的衰变称为β+衰变。β+粒子的本质就是带正电荷的电子，因而又称为正电子衰变。189F9188O10At1/2=109.8min+第21页，共78页。Characteristicofβ+particleNucleardecay

β+粒子实质是带正电荷的电子

衰变后子核质量数不变，但质子数减１β+也为连续能谱，能量范围0～Qmax天然核素不发生β+

衰变，只有贫中子的人工放射性核素才发生v表示中微子（neutrino），也是一种静止质量近似地看做为零的中性粒子第22页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay正电子的射程仅1~2mm，在被物质阻止而失去动能时，与物质中的自由电子结合转化为电磁辐射，形成两个方向相反、能量均为511keV的γ光子，这个过程称为湮灭辐射，又称为光化辐射（actinicradiation）。PET显像正是通过探测方向相反的511keV光子而进行显像。湮灭辐射（annihilationradiation）第23页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay第24页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayElectroncapture,EC电子俘获是指母体放射性核素的原子核俘获其轨道上的一个电子而使核中的一个质子转变为一个中子，同时放出中微子的过程。p+e-→n+v+Q发生电子俘获后，轨道上缺少一个电子，留下空位。此时，外层轨道上的电子将发生跃迁来填补空位，其多余的能量或以特征X射线（characteristicXray）发射，或传给另一电子使之获得足够能量而脱离轨道的束缚成为自由电子，该现象称为俄歇效应（Auger’seffect），该电子称为俄歇电子（Auger’selectron）。第25页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay特征X射线第26页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayγdecayγ衰变是指原子核从激发态回复到基态，通过发射γ光子释放多余能量的过程。γ射线的本质是电磁辐射。在放射性核素发生α衰变、β衰变或核反应后，形成的子体核素处于激发态，当其跃迁到基态或较低能级状态时，多余的能量以γ射线的方式发射，这个过程也称为γ跃迁（γtransition）。当处于激发态的子体核素的半衰期大于10-11s时，这种γ跃迁又称为同质异能跃迁（isomerictransition）。第27页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay第28页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayX线与γ射线的性质基本上相同第29页，共78页。Characteristicofγ-rayNucleardecay

γ衰变是伴随其它衰变而产生γ衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变γ射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱γ射线在真空中速度为300000km/s第30页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay

处于激发态的原子核在向较低能态跃迁时，也可把多余的能量直接交给核外的壳层电子，使轨道上的电子获得足够的能量而脱离轨道成为自由电子，这种现象称为电子内转换。这种电子称为内转换电子（internalconversionelectron）。 在发生内转换之后，由于轨道上出现了空位，外层电子在跃迁过程中还会发生标志X射线或俄歇电子。内转换（internalconversion）第31页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay第32页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay9942Mo57Vβ-66.02hh99m43Tc56o6.02hj9943Tc56第33页，共78页。Nucleardecayα衰变质量、质子数都变β衰变质子数变，质量数不变γ衰变质子、质量数都不变，而能量改变Comparisonofthreedecay第34页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecayα

粒子第35页，共78页。PatternofnucleardecayNucleardecay第36页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecayDecaylawanddecayconstant(λ)HalftimeRadiationseriesRadioactivity

第37页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecayDecaylaw

放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新的核素。放射性核素的衰变与周围环境如温度、压力、湿度等无关。 放射性原子核并不是同时衰变的。对于某一个原子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于某一种原子核的群体而言，它的衰变是有规律的，即原子核数目随时间增长按指数规律减少。第38页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay第39页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecayDecayconstant(λ)

衰变常数（decayconstant，λ）的物理意义是表示在放射性核衰变过程中，每个原子核在单位时间内发生衰变的机率。 如果说呈指数递减的衰变规律反映了放射性原子核衰变的“共性”，那么衰变常数，则反映了每种放射性核素的“个性”。因为，迄今尚未发现任何两种放射性核素具有相同的衰变常数值。因此λ值也就成为放射性核素的一个特征参数。λ值不受任何因素影响。第40页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecayHalftime

放射性核素的衰变速率通常以物理半衰期（physicalhalftime,T1/2）表示，系指在单一的放射性核素衰变过程中，放射性核素的原子核数目衰变原有的一半所需要的时间。T1/2和λ都是描述放射性核素衰变速率的特征量，两者关系如下：

T1/2=0.693/λ

T1/2长者可达1010a，短者仅有10-10s。T1/2<10h的核素称为短半衰期核素。第41页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay

生物半衰期（biologicalhalf-life，Tb）是指生物体内的放射性核素由于生物代谢过程从体内排除一半所需要的时间。

有效半衰期（effectivehalflife，Te）是指放射性核素由于放射性衰变和生物代谢过程两者共同的作用，使体内的放射性减少一半所需要的时间。第42页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay例：I-131在甲状腺的Te计算，I-131物理T1/2为8.1天，

设Tb为7天：

Te=（8.1×7）/（8.1+7）=3.75天第43页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecayRadiationseries

当衰变的子体核素也为放射性核素时，子体核素也会继续衰变，直至变成稳定核素，这种过程称为连续衰变，即级联衰变（cascadedecay）。级联衰变的核素目前在临床上常用，如：99Mo(T1/2=66h)→99mTc(T1/2=6.02h)→

99Tc(T1/2=2.12×105a)→

99Ru113Sn(T1/2=115d)→

113mIn(T1/2=1.66h)→

113In第44页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay9942Mo57Vβ-66.02hh99m43Tc56o6.02hj9943Tc56第45页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay第46页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay第47页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay第48页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecayRadioactivity

放射性活度（Radioactivity，A）是指在单位时间内衰变掉的原子数目，即A=dN/dt

其国际制单位贝可（Bq，Becquerel），1Bq表示样品所含的放射性核素在1秒内发生1次核衰变。旧的专用单位是居里(Curie，Ci)。新旧单位的换算如下：

１Ci=3.7×1010Bq=37GBq

１mCi=3.7×107Bq=37MBq

１μCi=3.7×104Bq=37kBq

１Bq=2.703×10-11Ci第49页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay

放射性活度的计算

A=A0·e-λt

放射性活度也随时间的增长而呈指数规律减弱。至于减弱的快慢，则随衰变常数λ的大小而定，衰变常数大即半衰期短的放射性核素，放射性活度减弱得很快。

第50页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay第51页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay

值得注意的是

两种放射性核素的放射性活度相等，只表示它们在单位时间内发生的核衰变数目相等，并不表示两种放射性核素所发射的射线类型及数目相等，也不表示两者所拥有的放射性原子核数目相等。如：

90Sr β-衰变 T1/228.0a 单一能量β射线

89Sr β-衰变 T1/250.5d 二组β，一组γ射线

85Sr EC T1/265.2d 三组γ射线第52页，共78页。ThelawofnucleardecayNucleardecay

放射性比活度（specificradioactivity）,简称比活度，是指单位摩尔的放射性物质中所含的放射性活度。常用单位有Bq·mol-1，mCi·mmol-1。当分子量无法确定时，也可用单位质量的放射性物质所含有的放射性活度来表示，如Bq/g，mCi/g等。

放射性浓度（radioactiveconcentration）是指单位容积的放射性物质中所含有的放射性活度，多用于液体或气体。常用单位有Bq/ml，mCi/ml等。第53页，共78页。Interactionofchargedparticle

andmatterInteractionofphotonandmatterInteractionofneutronandmatterInteractionofrayandmatter第54页，共78页。ChargedparticleandmatterInteraction

电离作用Ionization

激发作用Excitation

散射作用Scattering

韧致辐射Bremsstrahlung吸收作用Absorption第55页，共78页。ChargedparticleandmatterInteractionIonization

电离作用是指带电粒子作用于物质，与轨道电子产生静电作用，使其获得能量从原子中逸出，成为带负电荷的自由电子，而原子则变成带正电荷的离子，形成正负离子对。Chargedparticlee-IonpairsSecondaryionization33.85eV第56页，共78页。ChargedparticleandmatterInteraction

在电离过程中，带电粒子本身动能减少，但继续在物质中行进，还可发生第二次、第三次乃至多次类似的效应直到动能消耗完毕。这是带电粒子的初级电离或直接电离效应。 初级电离所形成的电子称作δ电子，通常有较高的动能，可在物质中行进继续引起物质电离，称为次级电离。 通常，次级电离占总电离的60%~80%。第57页，共78页。ChargedparticleandmatterInteraction

带电粒子引起电离作用的结果是在它经过的路径四周形成许多离子对。 在单位路径长度上形成的离子对数目称为电离密度（ionizationdensity）或称比电离（specificionization），它是衡量射线粒子电离能力的指标。 决定电离密度大小的因素有三个方面：带电粒子所带的电荷量、粒子行进的速率和被带电粒子作用的物质密度。第58页，共78页。ChargedparticleandmatterInteractionExcitation

带电粒子作用于物质时，如果轨道电子获得的能量不足以克服原子核对它的束缚，只能从内层轨道跃迁到外层轨道，使原子从稳定状态变成激发状态，这种效应称为激发作用（excitation）。被激发的原子很不稳定，退激时可释放光子或热量。 电离和激发是射线探测器测量射线的物质基础，也是射线引起辐射生物效应的主要机制。第59页，共78页。ChargedparticleandmatterInteractionChargedparticleXray(deexcitation)第60页，共78页。ChargedparticleandmatterInteractionScattering

当入射粒子通过介质的原子时，受原子核静电场的作用，使入射粒子的运动方向发生偏转，这种现象称为散射（scattering）。 散射有两种情况，一种是在带电粒子引起电离或激发时，物质向带电粒子发出的反作用，使带电粒子的继续行进偏离了原来的方向。另一种是由原子核的库仑电场引起，入射粒子的动能不变但是行进路线却改变方向，即所谓的弹性散射(elasticscattering)。第61页，共78页。ChargedparticleandmatterInteractionBremsstrahlung

当快速运动的入射粒子通过介质时，由于受到原子核静电场的作用，运动速度突然降低，这时入射粒子的运动方向发生偏转，部分或全部动能转变为具有连续能谱的电磁辐射，称为韧致辐射（bremsstrahlung）。 韧致辐射的发生率除了与带电粒子的能量有关外，还与吸收物质的原子序数的平方成正比，与带电粒子质量的平方成反比。第62页，共78页。ChargedparticleandmatterInteraction第63页，共78页。ChargedparticleandmatterInteractionAbsorption

带电粒子引起电离和激发的同时逐步损失能量，当其动能全部或接近全部消失时，会与周围物质发生一些特殊的作用，如β+湮没、β-韧致辐射或成为自由电子等，其结果是原来的射线不再存在，这一现象称为射线的吸收(absorption)。 射线从入射到完全消失所行经的直线距离称为射线的射程（range）。第64页，共78页。ChargedparticleandmatterInteraction α粒子失去全部动能后，俘获两个自由电子而成为中性的氦原子。α粒子质量大，电荷多，初速度小，电离能力极强，故在物质中射程极短。（3MeVα:RA16mm,RT0.02mm）

β-粒子最终成为自由电子停留在物质中；β+粒子则通过湮没辐射作用而消失。由于β能谱是0→Emax的连续能谱，故各粒子的射程也不一致。所谓β射线的射程即是其最大射程，用Rm表示。第65页，共78页。PhotonandmatterInteraction γ射线、湮没辐射、韧致辐射和特征X射线等，虽然它们的起源不一，能量大小不等，但都属电磁辐射，都是中性光子流。电磁辐射与物质相互作用的机制，一般与这些电磁辐射的来源无关，只与它们的能量有关。 光子与物质相互作用，主要通过光电效应、康普顿效应和电子对形成所产生的次级电子，引起次级电离和激发。第66页，共78页。PhotonandmatterInteractionPhotoelectriceffect

当入射光子与物质原子中的轨道电子作用时，光子把全部能量移交给某个轨道电子(主要是K层电子)使之成为光电子，然后脱离轨道发射出去成为自由电子，而γ光子本身消失，这种现象称为光电效应（photoelectriceffect）。 光电子具有一定的动能，可引起其他原子发生次级电离。同时，发射光电子的原子内层电子出现空位，故可发射特征性X线。第67页，共78页。PhotonandmatterInteractionγ光子的能量一部分消耗于光电子脱离原子束缚（即克服核外电子的结合能），另一部分就作为光电子的动能。K层电子发生光电效应的几率最大，其他层也可发生。自由电子不能吸收入射光子能量成为光电子。当光子的能量小于0.5MeV时，在高原子序数的材料中产生光电效应的可能性最大，很容易屏蔽电磁辐射。第68页，共78页。PhotonandmatterInteraction第69页，共78页。PhotonandmatterInteractionComptoneffect

当入射光子和原子中的一个电子发生弹性碰撞时，入射光子只将部分能量交给轨道电子并使其脱离轨道而释放，而入射光子本身则成为能量较低的散射光子并与自己初始运动方向成θ角而运动，这种现象称为康普顿效应（Comptoneffect），所产生的电子称为康普顿电子。 康普顿效应总是发生在束缚最松的外层电子上。康普顿效应发生的几率与光子的能量和介质的密度有关。第70页，共78页。PhotonandmatterInteraction第71页