放射性核素基本原理

放射性核素基本原理第1页/共100页235U核裂变（原子弹）第2页/共100页1986年切尔诺贝利核电站事故30人当场死亡320万人受到核辐射侵害，9万多人死于核辐射引起的癌症。6万多平方公里的土地受直接污染30公里以内的地区被辟为隔离区……第3页/共100页第二章放射性核素在医学中的应用原理基本概念核辐射生物学效应放射卫生防护医学放射性仪器第4页/共100页原子Atom原子核结构:X为元素符号Z为质子数N为中子数A为质量数126C6第5页/共100页核素Nuclide质子数、中子数均相同，并处于同一能量状态的原子，称为一种核素(nuclide)。核素用AZX表示，X为元素符号、Z为质子数、A为质量数，质量数即质子数与中子数（N）之和。常简写为AX，如235U。如果核素处于激发态，则在右上角加m，AZXm。稳定核素：原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素。放射性核素：原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素，称为放射性核素（radionuclide）。第6页/共100页同位素Isotope与同质异能素Isomer基本概念同位素Isotope

具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为“同位素”。如235U与238U。同质异能素Isomer

具有相同质量数和原子序数，但处于不同核能态的一类核素称同质异能数。如60Com(或60Co*)与60Co。第7页/共100页什么是核衰变？放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程,

称为核衰变(nucleardecay)

。31H发生β-衰变，衰变为32He。第8页/共100页核衰变方式α衰变

不稳定的原子核自发地从核内放出α粒子的过程为α衰变。β衰变

核衰变时放射出β粒子或俘获轨道电子的衰变称为β衰变。

β-衰变、β﹢衰变、电子俘获（EC）又称K俘获Γ衰变

处于激发态的原子核，通过放出γ光子而回到基态这个过程称γ衰变。第9页/共100页衰变核衰变释放出射线的衰变方式称为衰变(a

decay)。放射线为42He。第10页/共100页β-衰变核衰变释放出β-射线的衰变方式称为

β-衰变(β-

decay)。β-衰变发生于富中子核素，实质上是原子核的一个中子转化为质子，同时释放出电子。β-射线本质是高速运动的电子流与反中微子。第11页/共100页β+衰变核衰变释放出β+粒子的衰变方式称为β+衰变(β+decay)。β+粒子即带一个单位正电荷、质量与电子相同的粒子，也叫正电子(positron)。β+射线含有正电子和ν中微子。β+衰变：11C11B++第12页/共100页电子俘获衰变核衰变电子俘获(electroncapture)是指原子核从核外俘获一个轨道电子。电子俘获也发生在贫中子核素，由于核内中子相对不足而从核外内层的电子轨道上俘获一个电子，使其一个质子转化为中子。电子俘获衰变主要发射特征X射线，同时伴有γ射线和俄歇电子。电子俘获：7Be(铍)7Li(锂)第13页/共100页γ衰变核衰变原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出γ射线的衰变过程称为γ衰变。发生γ衰变(γ

decay)时，原子核的激发能也可以直接传递给核外的内层电子，使之脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换(internalconversion)，发射的电子叫做内转换电子(internalconversionelectron)。发生内转换后该层轨道的空缺随后由外层电子填补，从而发射特征

X射线(characteristicXray)和俄歇电子(Augerelectron)

。衰变：99mTc99Tc第14页/共100页αβγ衰变的对比核衰变

αβγ带电氦原子流电子流γ光流能谱单能连续能谱单能射程（空气）3~4cm10~20cm无限大电离能力（空气）1万~7万对/cm60~7千对/cm很小穿透力弱中大内照射危害大中小外照射危害无中大第15页/共100页αβγ的穿透能力核衰变第16页/共100页放射性衰变规律与半衰期（T1/2）

通常以物理半衰期（T1/2）来表示放射性核素的衰变速率，物理半衰期是指在单一的衰变方式中，放射性强度减弱一半所需要的时间。生物半衰期（Tb）指生物体内的放射性核素由于生物代谢过程，减少到原来的一半所需要的时间。有效半衰期（Teff）指放射性核素由于放射性衰变和生物代谢过程共同的作用，减少到原来的一半所需的时间。第17页/共100页time半衰期Halftime第18页/共100页第19页/共100页常用的放射性核素的T1/2

名称T1/2名称T1/2131碘

（131I）8.4天99m锝

(99mTc)6小时32磷

（32P）14.3天113m铟

(113mIn)1.6小时51铬

（51Cr）27天125碘

(125I）60天18氟

（18F）110分67镓

(67Ga)78小时第20页/共100页放射性核素的放射性强度单位放射性核素单位时间内核的衰变数称为放射性活度(radioactivity)，简称活度。放射性活度是描述放射性核素特征的一个重要参数，它反映的是放射性核素的核衰变率，即每秒种发生衰变的次数。国际制单位的专门名称为贝可勒尔（Becquerel），简称为贝可，符号为Bq。1贝可（Bq）＝1次衰变／秒即1Bq＝1S-1

第21页/共100页原有单位为居里(Ci)，1Ci=3.7×1010Bq第22页/共100页第二章放射性核素在医学中的应用原理基本概念核辐射生物学效应放射卫生防护医学放射性仪器第23页/共100页

辐射种类按与物质作用分类：

电离辐射（IonizingRadiation）非电离辐射（Non-IonizingRadiation）按本质和性质分类：

电磁辐射(ElectromagneticRadiation)

粒子辐射(ParticleRadiation)第24页/共100页电离辐射与非电离辐射

电离辐射是指一切能引起物质电离的辐射总称。电磁辐射（无形）

以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波。电离辐射(如X射线和γ射线)

非电离辐射(如无线电波、微波等)粒子辐射（有形）

高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质。高速粒子、带电粒子。第25页/共100页电磁辐射电离辐射粒子辐射X,γ射线α、β、中子质子、负π第26页/共100页电磁辐射--波谱第27页/共100页辐射量及其单位衡量辐射与物质相互作用时能量的传递关系以及反映与辐射效应相关的量和单位，具有法律效力的法定单位。医学中常用的辐射量有照射量、吸收剂量、当量剂量、有效剂量等。第28页/共100页照射量exposure

——反映X，在空气中的电离能力光子在质量为dm的空气中释放出来的全部电子（负电子和正电子）完全被空气所阻止时，在空气中产生任一种符号的离子总电荷的绝对值dQ，与空气质量dm之比。

X=dQ/dm（库仑/千克）(C·kg-1）旧单位伦琴（R），1伦琴相当于在1cm3标准状况的空气（质量为0.001293克）中产生的正、负离子电荷各为1静电单位的X或γ射线的照射量。换算关系为1R=2.58×10-4C/kg。第29页/共100页吸收剂量absorbeddose

——说明受照物质吸收能量多少单位质量被照射物质吸收任何电离辐射的能量大小。

D=dE/dm（J·Kg-1）SI单位戈瑞（Gy），1戈瑞等于1千克受照物质吸收1焦耳的辐射能量，即1Gy=1J·Kg-1

。旧单位拉德（Rad），1rad=10-2Gy。第30页/共100页当量剂量equivalentdose

——衡量受照点生物效应的严重程度或发生概率为了比较不同射线引起生物效应的严重程度或者发生概率，引入当量剂量的概念。组织中某点处的当量剂量是吸收剂量D与相应的辐射权重因子WR乘积的总和。

HT=Σ

WR•

DT，R

（J·Kg-1

）SI单位希沃特/西弗（Sv），1Sv=1J·Kg-1

。旧单位雷姆（rem），1rem=10-2Sv。第31页/共100页辐射种类辐射权重因子WR值光子1

电子1

质子5α粒子20第32页/共100页有效剂量effectivedose

——衡量随机性生物效应的发生率全身非均匀性照射当量剂量HT与相应的组织权重因子WT乘积的总和。

E=Σ

WT•

HT

（Sv）组织权重因子表示受照组织或器官的相对危险度，是从受照组织或器官的危险度与全身受照总危险度之比计算出来的。第33页/共100页组织权重因子WT第34页/共100页辐射量与单位

第35页/共100页辐射量名

称SI单位专用单位名

称

换

算通名专名放射性活度A1/秒S－1贝克Bq居里Ci１

Ci＝3.7×1010Bq１

Bq＝2.7×10-11Ci照射量X库仑/千克C·Kg-1

伦琴R１

R＝2.58×10-4C·Kg-1１

C·Kg-1＝3.83×103R吸收剂量D焦耳/千克J·Kg-1戈瑞Gy拉德rad１

rad＝0.01Gy１

Gy＝100rad剂量当量H焦耳/千克J·Kg-1西沃特Sv雷姆rem１

rem＝0.01Sv１

Sv＝100rem辐射量与单位第36页/共100页作用于人体的电离辐射源

Naturalbackground

天然本底：宇宙射线，环境中的天然放射性核素，人体内的放射性核素。三种来源的本底辐射，在一般地区使人体受到年累积当量剂量约为1mSv。Artificialradioactivity人工辐射源：①核试验对全球的环境污染；

②核工业、核动力对环境的污染；

③职业照射和医疗照射；④日常生活中接触的放射源。第37页/共100页全世界医用X射线检查有效剂量第38页/共100页生活中的放射性辐射剂量第39页/共100页公众所受辐射照射比例（1993年）第40页/共100页电离辐射生物效应是指电离辐射将辐射能量传递给有机体所引起的任何改变的总称。研究电离辐射对人体的影响（发生、发展、转归、机理），这些影响包括机体受照射后产生的一系列生化、病理生理及形态变化进而引起的一些生物效应。第41页/共100页基本原理生物大分子的电离、激发射线能量的转换

物理学化学生物学生物分子细胞组织器官机体第42页/共100页电离辐射生物效应的分类确定性效应与随机效应外照射效应与内照射效应局部照射效应和全身照射效应躯体效应与遗传效应近期效应与远期效应第43页/共100页确定性效应

与

随机性效应第44页/共100页1.确定性效应（deterministiceffect）：指发生生物效应的严重程度随着电离辐射剂量的增加而增加的生物效应。这种生物效应存在剂量阈值，只要照射剂量达到或超过剂量阈值效应肯定发生。

如照射后的白细胞减少、白内障、皮肤红斑脱毛等辐射皮肤损伤均属于确定性效应。2.随机性效应（stochasticeffect）：指生物效应的发生概率（而不是其严重程度）与照射剂量的大小有关的生物效应。这种效应在个别细胞损伤（主要是突变）时即可出现，不存在剂量阈值。

如辐射致癌、遗传效应。第45页/共100页外照射、内照射效应

局部照射、全身照射效应第46页/共100页1.外照射（externalirradiation）：

辐射源从体外对机体进行的照射。γ射线、中子、X射线等穿透力强，外照射的生物学效应强。2.内照射（internalirradiation）：

放射性核素通过各种途径进入机体，在机体内发射出射线产生的生物效应。

内照射效应主要发生在放射性核素通过的途径和沉积部位的组织器官，但其效应可波及全身。内照射效应一般以射程短、电离强的

α、β

射线为主。第47页/共100页3.局部照射（localirradiation）：当外照射的射线照射身体某一部位，引起局部组织的反应者称局部照射。当照射剂量和剂量率相同时，身体各部位的辐射敏感性依次为：

腹部>盆腔>胸部>头部>四肢。4.全身照射（totalbodyirradiation）：当全身均匀地或非均匀地受到照射而产生全身效应时称全身照射。如照射剂量较小者为小剂量效应，如照射剂量较大者

(>1Gy)则发展为急性放射病。根据照射剂量大小和不同敏感组织的反应程度，辐射所致全身损伤分为骨髓型、肠型、脑型三种类型。第48页/共100页

躯体效应与

遗传效应第49页/共100页1.躯体效应（somaticeffect）：受照射个体体细胞损伤而致本身发生的各种效应称为躯体效应。又可区分为全身效应（totalbodyeffect）和局部效应（localeffect）。如辐射所致的骨髓造血障碍、白内障等。2．遗传效应（geneticeffect）：受照射个体生殖细胞突变，而在子代身上表现出的效应称遗传效应。

这是由于电离辐射造成受照者生殖细胞遗传物质的损伤，引起基因突变和染色体畸变，导致后代先天畸形、流产、死胎和某些遗传性疾病。第50页/共100页

近期效应与

远期效应第51页/共100页1.近期效应（earlyeffect）或者早期效应：指电离辐射作用于生物机体后，辐射损伤效应在照射后短期(数周内)就出现的那些效应。

如急性放射病，急性皮肤损伤等。2.远期效应（lateeffect）或者远后效应：指电离辐射作用于生物机体后，辐射损伤效应在照射后数月至数年才出现的那些效应（一般6个月以上）。

如慢性放射病、致癌效应、放射性白内障、辐射遗传效应等。第52页/共100页

辐射旁效应（了解）电离辐射引起受照细胞损伤或功能激活，产生的损伤或激活信号可导致其共同培养的未受照射细胞产生同样的损伤或激活效应，称辐射旁效应。机制尽管不清楚，但与受照细胞产生的活性氧、细胞因子和细胞间缝隙连接通信（GJIC）关系密切。第53页/共100页辐射旁效应传统辐射效应：只有被照射的细胞才会有变化…？未直接受照射的细胞表现出与直接受照射细胞相类似的生物学终点变化第54页/共100页辐射诱导的旁效应因照射剂量和其它条件不同，可以是损伤性效应，也可以是保护性效应。IR旁效应细胞间隙连接抑制剂可减弱或消除某些辐射旁效应转化的细胞与邻近的正常细胞可通过细胞间通讯而引起前者凋亡组织细胞共培养体系的研究表明，受照射细胞与未受照射细胞共培养时，因受照射剂量不同，未受照射细胞可出现不同的改变。第55页/共100页用共培养的上清培养液处理未照射的细胞，也发生同样的旁效应增殖反应

EL-4（T淋巴细胞株）IRJ774A.1（巨噬细胞株）EL-4第56页/共100页

影响电离辐射生物效应的主要因素

重点第57页/共100页（一）与辐射有关的因素1.辐射的种类：电离密度和穿透能力2.辐射剂量：一般情况存在剂量效应关系（非线性）3.辐射的剂量率：单位时间接受的照射剂量4.分次照射：效应低于一次照射5.照射部位：腹部>盆腔>头颈>胸部>四肢6.照射面积：照射面积越大，效应越显著7.照射方式：内照射、外照射（单向或多向）第58页/共100页（二）与机体有关的因素放射敏感性生物系统对辐射作用的反应性或灵敏性。当一切照射条件严格一致时，机体组织、器官、细胞和分子对辐射作用反应强弱或速度快慢不同，若反应强、速度快，则敏感性高。反之亦然。第59页/共100页（二）与机体有关的因素

1、种系的放射敏感性种系演化越高，机体组织结构越复杂，放射敏感性越高。2、个体发育的放射敏感性

敏感性随个体发育过程而逐渐降低。

十日法规：对育龄妇女下腹部的X射线检查都应当在月经周期第1天算起的10天内进行，以避免对妊娠子宫的照射。3、不同器官、组织和细胞的放射敏感性

Bergonie和Tribondeau定律4、亚细胞和分子水平的放射敏感性细胞核的敏感性高于胞浆。

DNA>mRNA>rRNA>tRNA>蛋白质。第60页/共100页

Bergonie和Tribondeau定律：

一种组织的放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。1.高度敏感组织：淋巴组织、胸腺、骨髓、胃肠上皮、性腺、胚胎组织。2.中度敏感组织：感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮。3.轻度敏感组织：中枢神经系统；内分泌腺、心脏。4.不敏感组织：肌组织、软骨和骨等。第61页/共100页（三）与介质有关的因素1.温度：机体受照射时，其內外环境温度的改变，可直接影响辐射生物学效应，称其为温度效应。进行放射治疗之前，先提高肿瘤组织局部温度，其放疗疗效有明显提高。其原因：①温度造成动物体內氧状況的改变；

②温度引起体内新陈代谢水平的改变；

③在低温或冰冻状況下，溶液中自由基扩散受阻。2.氧：受照组织、细胞或溶液系统的辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加，这种现象称为氧增强效应。目前为提高肿瘤组织对辐射的敏感性，利用辐射“氧效应”这一特性提高放射治疗效果。第62页/共100页3.化学物质

在溶液体系中，由于其它物质的存在而使一定剂量的辐射对溶质的损伤效应降低称为防护效应。细胞的培养体系中或机体体液中在照前含有辐射防护剂，可减轻自由基反应，促进损伤生物分子修复，能减弱生物效应。反之，如含有辐射增敏剂（radiosensitizer），可增强自由基化学反应，阻止损伤分子和细胞修复，能提高辐射效应。第63页/共100页低剂量辐射有益论既然一些地区的天然本底辐射高出一般地区许多倍，与辐射有关的肿瘤疾病发病率是否增高？其调查的结果是否定的。因而，近几年产生了“低剂量辐射有益论”的观点，认为低水平辐射可在一定条件下刺激机体的免疫系统，增强抵抗疾病的能力，使肿瘤发生率反而降低,即低剂量辐射的兴奋效益。但此种观点尚有待进一步论证。第64页/共100页

右侧取自NCRP136号报告对同一资料的分析，X轴高度压缩，以致阈值和兴奋效应被掩盖。左侧取自UNSCEAR1994报告，在200mSv以下可见明显的兴奋效应。对日本原爆幸存者白血病资料的两种分析第65页/共100页66高本底地区健康调查

广东阳江高本底辐射地区是两块分开的区域，总面积约为500km2，放射性来源于附近山上的花岗岩，经过长期雨水冲刷，独居石微粒不断地沉积在附近两片洼地，使这两块地区的放射性本底升高。第66页/共100页67

长期居住人口：8万多人

高本底程度：约为邻近的恩平县的3倍

调查结果：该地区人群中40-70岁的癌症高发年龄段的居民癌症死亡率显著低于相应对照地区。调查结果第67页/共100页低水平辐射的免疫兴奋效应

一，对免疫细胞的刺激：

主要提高T淋巴细胞的反应性二，促进抗体形成：

脾脏PFC反应增强三，整体调节反应：下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴功能下调，减轻对免疫系统的张力性抑制

第68页/共100页细胞免疫和体液免疫杀伤肿瘤细胞的协调作用

第69页/共100页70适应性反应：先给予机体（细胞）低剂量辐射，随后给予大剂量辐射时，其有害作用减轻。保护剂量：D1低剂量免疫兴奋作用攻击剂量：D2高剂量杀伤肿瘤

低剂量辐射兴奋效应在肿瘤放疗中的应用LDRHDR第70页/共100页低剂量辐射抑癌效应机制

照射结束后1个月检查

对照75mGy×41.75Gy×4(75mGy+1.75Gy)×4NK100116.563.7(1)93.2(2)

IL-2100119.156.2(1)77.9(2)

IFNγ100101.675.0(1)94.5(2)

Mφ100162.8(1)97.2147.9(1,2)(1)与对照组比较P<0.01~0.001；

(2)与1.75Gy×4组比较P<0.05~0.01

李秀娟等，1999第71页/共100页C57BL/6小鼠低剂量辐射抑癌实验

（照射结束后6个月观察结果）HDR=1.75Gyx4(李修义等，1998)第72页/共100页第二章放射性核素在医学中的应用原理基本概念核辐射生物学效应放射卫生防护医学放射性仪器第73页/共100页放射卫生防护目的

防止有害的非随机效应；将随机效应的发生机率降低到被认为是可以接受的水平。第74页/共100页基本原则

实践的正当化（justification）放射防护最优化（optimization）个人剂量的限制

（doselimit）第75页/共100页放射卫生防护的基本标准

放射性工作人员的剂量限值：

<50mSv/年

连续5年内的受照剂量平均值：<20mSV/年第76页/共100页放射卫生的防护措施

防护方法外照射：时间防护距离防护屏蔽防护内照射：防止放射性物质摄入体内第77页/共100页第78页/共100页越远越好！第79页/共100页屏蔽防护第80页/共100页技术措施预防性措施安全操作技术去污染技术发生场所、地面、设备污染时，要在确定污染的核素、范围、水平后，再采取相应的去污染措施。放射性废物的处理

对于放射性“三废”处理方法，可归纳为