核物理基础和核医学仪器：01-核物理基础

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1、核物理基础和核医学仪器核医学技师的职责核医学技师的职责 放射性药物的预备、质控测试和给药；进行病人显像检查及相关的计算机图像处理和数据处理等；实验室测定；病人监护与准备；质量控制；辐射防护。什么是核医学医学影像学 放射：X光、CT、MRI（磁共振成像）超声：B超、彩色多普勒超声 核医学：显像：SPECT（单光子发射计算机断层）、PET（正电子发射计算机断层）治疗：放射性核素内照射治疗究竟什么是核医学？放射成像:各种组织吸收性质不同（differential absorption of tissues）超声成像:各种组织反射性质不同（differing reflective properties

2、 of tissues）核医学:?放射性药物:进入人体后，会按一定的生理路径运动，并在特定部位聚积 核医学显像仪器：探测放射性，展示放射性药物在体内的分布情况。例如:99mTc-RBC,静脉注入后主要在血池聚积。通过记录和分析放射性药物的时间和空间分布，就可得到诊断结果。核物理基础和核医学仪器 核医学物理 核物理 核仪器 核医学仪器 高度专门化的核仪器本课程主要内容 一、原子和原子核 二、核的衰变及其方式 三、放射性核素的衰变规律 四、射线与物质的相互作用 五、核医学中的射线探测器 六、核医学射线测量仪器 七、照相机 八、单光子发射计算机断层 九、正电子发射计算机断层显像 十、核医学仪器的发展

3、一、原子和原子核（一）原子l原子：Atom 原子核：Nucleus 电子：Electron 玻尔模型：Bohr Model 壳层：Shell 能级：Energy Level 结合能：Binding Energy 原子发射：Atomic Emissions 特征X射线：Characteristic X Ray 俄歇效应：Auger Effect 能级和结合能 原子发射 特征 X射线 原子发射 俄歇效应（自电离，autoionization）（二）原子核1、组成和表示方法 组成 核子(nucleon)：质子（proton）:一个单位的正电荷（+e）,重量为1.007277u 中子(neutron)

4、:不带电荷，重量为1.008665u*1u=1/12 12C质量=1.6604310-24g*电子带一个负电荷（-e），重量为0.000549u NAZXl表示方法 如 简化表示法：或 X-A XA7813153I或 I-131 I1312、核素及其分类 核素(nuclide)：具有确定的质量数A和原子序数Z，核内的核子按一定规律排列，并有可测量的寿命的一类原子。同位素(isotope)：具有同样的原子序数Z，但质量数不同的核素称为某一元素的同位素。集体名词：如I-125、I-127、I-131 称为碘的同位素 互称：如I-125、I-127互为同位素 同质异能素（isomer）（同量异位素，

5、isobar；同中异荷素，isotone）核素分为稳定核素和放射性核素 放射性核素分为天然和人工两种3、核子间的相互作用 核内核子受两种力的作用，一是静电力，二是核力 静电力：排斥力、远程力、不饱和力、幅度较小(对应的能量为电子伏特)核力：吸引力、短程力、饱和力、幅度很大(对应的能量为百万电子伏特)核内核子间的相互作用力平衡时，核就稳定，否则就要衰变4、核的能态 原子核也有能级存在。可处在三种状态之一 基态（ground state)：是最稳定的状态 激发态(excited state)：极不稳定，在很短时间内变化到其它状态 亚稳态(metastable state)：核在某一激发态下较长时间

6、稳定，即有可测量的寿命，则称这一激发态为亚稳态，或称同质异能态(isomeric state)。同质异能素（isomer）：两种核素，如果它们的区别仅在于一个是另一个的亚稳态，则它们称为同质异能素。（如Tc-99和Tc-99m）5、原子核的稳定与衰变l核内核子间的相互作用力是否平衡l质子数和中子数量l质子和中子相互转换l发射质子和中子（如粒子）l裂变l核能态l跃迁二、核的衰变及其方式（一）有关的几个基本概念 衰变（decay）：不稳定的核素通过发射粒子或光子放出核能成为其它核素的过程。母核(parent)子核(daughter)。放射性核素：是指具有一定的衰变特性（如衰变方式，发射类型）的核素

7、。放射性同位素：某一元素的全部放射性核素的统称。核衰变的自发性(spontaneity)不可能预测某个核在何时衰变。核外发生的任何事件都不会对核的衰变产生丝毫影响。（二）核的衰变形式1、-衰变：不稳定的核发射出一个电子，一个中微子，一定的能量。本身的原子序数增加1变为别的核素。QYXAZAZ1 X：母核 Y：子核 Q：衰变能，单位是MeV：中微子，不带电，无静止质量，很难和物质发生相互作用。史上中微子对人类的两史上中微子对人类的两次惊吓：次惊吓：1、decay：能量不守：能量不守恒？恒？2、2012，the film：neutrinos from a massive solar flare(太

8、太阳耀斑阳耀斑)have mutated and are causing the temperature of the Earths core to increaseCERN：欧洲核子研究中心 衰变图(Decay scheme)：衰变也可用衰变图表示。在衰变图中，由左向右表示原子序数增加，由上向下表示能量的减少，水平线间的距离与能量成正比。如C-14的衰变 MeVNC156.0147146C146N147MeVQ156.0 能量Q的分配：-和占绝大部分，-和之间随机分配。粒子的能谱特点：-的能量（动能）在0到Q之间连续分布；能量为最大的-粒子很少；能量约为1/3 Q的-粒子最多。-粒子的动能（

9、MeV）发射的相对数目05.01.015.0C14粒子能谱 2、（-）衰变-产生的子核不是处在基态，而是处在激发态或亚稳态。子核通过发射跃迁变到更稳定的状态。1*1)1(QYXAZAZ21*1)2(QYYAZAZMeVQ427.0MeV384.0MeV161.0MeV081.0023164Cs13355123Xe133545 133Xe衰变图 射线的能谱特点与应用 射线的能量分布是不连续的。从射线的能量的分布可以分析是何种核素发射射线。在已知核素种类的情况下，可通过测量其特定的射线来确定其数量及分布。发射的相对数目0.050.100.15射线能量（MeV）1(0.080MeV)2(0.081M

10、eV)3、同质异能跃迁与内转换 同质异能跃迁（isomeric transition,IT）处于激发态的同质异能素发射射线，跃迁到基态或较低能态。内转换（internal conversion,IC）处于激发态或亚稳态的原子核把跃迁能量传递给本原子的一个核外轨道电子，使其脱离原子。（较多发生在激发态的同质异能素中）内转换电子4、电子俘获（electron capture,EC）原子核俘获一个本原子的核外轨道电子，与核内的一个质子结合，形成一个中子。轨道电子俘获又被称为反-衰变。衰变后的子核如果处于激发态，则通过跃迁回到基态或较低能态，称为电子俘获-衰变。10Te12552I12553ECMeV

11、Q177.0MeV035.0 125I的衰变5、+衰变 核发射出一个正电子，一个中微子，一定的能量。N157O158MeVQ722.2MeVE7.1max 15O的衰变湮灭反应（annihilation)正电子与一个电子发生结合，生成两个能量各为511keV的光子向相对180的方向飞出。利用这一特点开发了正电子发射断（PET）。6、衰变（alpha decay）和核裂变(nuclear fission)衰变 核衰变时放出粒子。经衰变后的核素，质量数减少4，原子序数减少2，放出的粒子实质是氦核，发射时其能量也是不连续的。核裂变 重核自发地分裂，生成两个较轻核和中子，放出大量的能量。两个轻核大致按

12、6:4的比例分别得到裂变重核的核子。7、按产生射线或粒子的不同将衰变分类 产生射线：衰变；产生射线：-衰变，+衰变；产生射线：（，）衰变，（-，）衰变，（+，）衰变，同质异能衰变，（EC，）；不产生三种射线，而产生电子或X射线：轨道电子俘获（单纯EC）：产生特征X射线或俄歇电子；内转换：产生转换电子、特征X射线或俄歇电子。三、放射性核素的衰变规律（一）放射性活度的定义和单位1、放射性活度的定义和单位，放射性比度和放射性浓度放射性核素的活度（activity）是指一定范围内的某种放射性核素在单位时间内发生核衰变的次数（decay per second,dps)或(decay per minute

13、,dpm)活度的单位 S.I制-贝克勒尔（bequerel,Bq）:每秒一次衰变=1Bq 常用-居里：（curie,Ci）3.71010 dps=1Ci 换算关系1Ci=3.71010 Bq1Bq0.2710-10Ci 1mCi=10-3Ci=3.7107Bq 1Ci=10-6Ci=10-3mCi=3.7104Bq;1KBq=103Bq;1MBq=106Bq;1GBq=109Bq。相关定义放射性比度（specific activity）：单位质量的物质内的放射性活度（如0.5Ci/g）；比放射性放射性浓度(concentration)：单位体积的溶液内的放射性活度（如0.5Ci/ml）;（二）

14、指数规律 放射性核素的数量及放射性活度的变化服从指数衰变规律。N=N0e-t;A=A0e-t;N：t时刻放射性核素的数量，A：t时刻放射性核素的活度N0：t=0时的放射性核素数量A0：t=0时的放射性核素活度。为衰变常数。用图描绘放射性核素数量和活度的变化，直线坐标下，衰变曲线是指数曲线；在半对数坐标下，是直线。(如图所示，设=0.1/s)？这条直线的斜率与什么有关？时间（S）相对数量或活度161601.06.04.03.01.005.09.08.07.012243242080.1时间（S）衰变曲线相对数量或活度161.001.012243242080.128（三）衰变常数、半衰期、平均寿命、

15、有效半衰期1、衰变常数（decay constant）表示单位时间内衰变的核的数目占总的放射性核数目的百分比。不同的核素有不同衰变常数。A=N 例如，设=0.02/s=2%/s,表示单位时间（1秒钟）内有2%的核衰变，如此时N=10000，则A=0.02/s10000=200/s,表明在N=10000的一段时间内，放射性核数目平均每秒减少200个，即平均每秒有200次衰变发生。如果某种核素有一种以上的衰变形式（如18F，有97%+衰变，3%EC），它们的衰变常数分别为1、2、3n，则其总的衰变常数=1+2+3n。2、半衰期放射性核素的数量和活度减少到原来的一半所需要的时间693.02ln2/1

16、T2/12/1693.02lnTT 如99mTc的T1/2=6.02小时，则其=0.693/6.02=0.115/小时。3、平均寿命 2/100000044.11TdteNtdteNNdtNtdttt4、有效半衰期(effective half-life)放射性核素放射性衰变和生物代谢的共同作用下数量和活度减少到原来的一半所需要的时间。核素物理衰变，衰变常数为,半衰期为T1/2，生物代谢，衰变常数为b，生物半衰期为Tb。在两种因素的共同作用下e=+b；ln2/Te=ln2/T1/2+ln2/TbTe=T1/2Tb/(T1/2+Tb)日常应用的放射性核素的物理半衰期是已知的，而有效半衰期可以通过

17、放射性测量获得，利用物理半衰期和有效半衰期可以获得生物半衰期，从而揭示生物代谢的规律。衰变公式总结：放射性核素的数量变化：N=N0e-t放射性核素的活度变化：A=A0e-t放射性核素的活度与数量的关系：A=N放射性核素半衰期与衰变常数的关系：T1/2=0.693/放射性核素平均寿命与衰变常数的关系：=1/放射性核素半衰期与平均寿命的关系：T1/2=0.693说明：N0和A0是指t=0时的放射性核素的数量和活度；t是相对于t=0的时间，对t=0之后的时间，t取正值，t=0之前的时间，t取负值。e=2.71828.2.7（四）递次衰变（母核-子核）衰变 递次衰变(parent-daughter d

18、ecay)如果核素衰变后生成的子核也是放射性核素，由于子核在衰变的同时又在不断生成，因此其衰变规律复杂。母核的活度及数量变化按指数规律 子核的活度及数量变化)1()0(tpppeAA)2()0()()0(tddtdtppddpdeAeeAA 长期平衡（secular equilibrium）：出现在母核的半衰期比子核的半衰期长得多（如100-1000倍）的情况下。例：Sr-90-Y-90子核半衰期数相对活度742.01.03681520.19104.06.08.05.075.097.0母核子核长期平衡 暂时平衡（transient equilibrium）：出现在母核的半衰期比子核的半衰期长不

19、太多（如10-100倍）的情况下。子核半衰期数相对活度442.01.03681520.19104.06.08.0maxt母核子核暂时平衡四、射线与物质的相互作用(interaction)（一）带电粒子与物质的相互作用1.作用的一般过程与轨道电子作用：引起原子的电离和激发 与原子核作用：产生韧致辐射、散射和核反应2、电离 带电粒子(、射线)与物质的原子相互作用，使核外轨道电子获得足够的能量而脱离原子，成为自由电子。原子失去电子成为离子。原电离 入射带电粒子引起的电离。次电离 原电离产生的自由电子有一些能量较高，又可引起电离，称为次电离。总电离 原电离与次电离之和电离密度(ionization d

20、ensity,Specific ionization)带电粒子在单位路程上产生的电子-离子对(ion pair)的数目用表示，它和粒子电荷量q、粒子速度v和物质密度有关。q v 如：粒子（q大，v慢）和粒子相比，粒子的电离能力强。对带电粒子而言，电离密度高说明其电离能力高；对物质而言，电离密度高说明其阻止本领高。（阻止本领，stopping power）3.激发（excitation）如果在带电粒子与原子的相互作用中传递给轨道电子的能量不足以使原子电离，相互作用的结果是轨道电子运动到更高的壳层，即原子激发。激发后的原子放出特征X射线或产生饿歇效应。4.散射(scattering)入射粒子与粒子

21、或粒子系统碰撞而改变运动方向与能量。偏转角度与粒子和物质性质的关系 粒子电荷 物质原子序数 粒子质量 粒子速度 偏转角 q Z m v 反散射：在一次或多次散射后，粒子转向入射方向运动5.韧致辐射（bremsstrahlung）高速带电粒子穿过物质时，受原子核的作用力而改变速度，失去动能，其中的一部分动能以电磁波的形式辐射出来。特点韧致辐射发射的能量分布从0到粒子的最大能量都有。轻元素（H,C）产生韧致辐射较少，而重元素（如铅）产生的韧致辐射多。只有当粒子能量较高时，韧致辐射才显著。轻粒子（如粒子）才有显著的韧致辐射。应用：防护屏的材料应采用原子序数较低的物质作为第一层。6吸收 入射带电粒子经

22、电离、激发和韧致辐射等失去能量后，被物质吸收。粒子俘获周围原子的两个电子成为氦原子-粒子成为自由电子+粒子与电子产生湮灭反应后消失射程：带电粒子在物质中运动从起点到终点的直线距离（二）射线与物质的相互作用 1、射线的本质无静质量、无电荷粒子、波、光子、射线、电离辐射（能量包）2、光电效应（photoelectric effect）1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。也称光电吸收（photoelectric absorption）是指光子在与原子的作用中，把全部能量传递给一个轨道电子，使其脱离原子，成为自由电子，原子被电离，光子本身消失。电子的动

23、能为Epe=E-Eb，其中E为光子能量，Eb为电子所在壳层的结合能。当能量足够时，打出内层电子的几率大 光电效应发生的几率，随原子序数的增加而增加，随光子能量的增加而减少 (Z3/E3)。3、康普顿效应（Compton effect）又称为康普顿-吴有训效应和康普顿散射(scattering)。其过程是光子与物质的电子相互作用，把一部分能量传递给电子，使其脱离原子，光子改变运动方向。)cos1)(511.0/(1/EEE 特点光子的散射与物质的特性基本无关高能光子散射少，低能光子散射多当散射角很小时，光子在散射中几乎不损失能量，当=180度时，称为反散射，此时光子损失的能量最大。散射电子的能量

24、为)2555.0/(2maxEEEe 光子能量与散射角 区分散射光子的方法(1)采用准直器（Collimator）区分散射光子的方法(2)能量窗（能量窗（Energy window）4、电子对生成(electron pair production)当能量大于1.02MeV的光子从核附近穿过时，产生一个正负电子对，而光子本身消失。特点正、负电子的能量分配是随机的。Ee+Ee-=E-1.02MeV（1.02MeV是两个电子的质量所对应的能量。）发生几率与光子的能量和物质的原子序数成正比。5、光子能量在物质中的消耗（Deposition of Photon Energy in Matter）中子不带

25、电，主要与原子核作用 弹性碰撞：中子与核作用，将一部分能量传递给核，引起核的运动（称为反冲）。特点：与轻核碰撞能量损失大；与重核碰撞能量损失小；应用：常用轻物质（含H）吸收中子。设想中子被吸收后的变化？非弹性碰撞、辐射俘获，（n,）反应：中子穿入核内，将一部分能量传递给核，使核处于激发态。激发态的核通过发射射线、发射质子、发射粒子、裂变等方式释放能量。（三）中子与物质的相互作用（四）辐射剂量的基本概念 电离辐射：、n等，它们和物质作用时，都把能量传递给物质，引起原子的电离，因此常把它们统称为电离辐射。1、照射量、照射量率 照射量（exposure）：X射线和光子对空气的电离能力的量度。单位:S

26、.I制为库仑/千克（C/kg）专用单位伦琴（R）、毫伦（mR）、微伦（R）1R=2.5810-4 C.Kg-1 照射量率：单位时间内的照射量 照射量率与放射性样品的活度的关系为：P=KrC/R2 Kr：照射率常数，不同核素的Kr可查手册获得。C：点源的放射性活度 R：距点源的距离 照射量与放射性样品的活度的关系为：X=PT=KrCT/R2 外照射防护中的三个重要因素，即时间T、距离R和屏蔽（KrC）。为了减少照射，应尽量缩短照射时间，增大与源的距离，并采用适当的屏蔽措施。2、吸收剂量（absorbed dose）被照射物质每单位质量所吸收的电离辐射的平均能量单位：格雷(Gy)和拉德(rad)。

27、1Gy=1焦耳.千克-1 1rad=100尔格/克=0.01Gy 1Gy=100rad吸收剂量可从照射量换算获得，D=f.X。f是换算因子，与介质和射线能量有关，可查表获得。3、剂量当量 辐射类型和照射条件不同时，相同的吸收剂量引起的生物效应不同。剂量当量是用适当修正系数对吸收剂量进行修正，把吸收剂量与射线对生物机体的影响统一起来，使修正后的吸收剂量能更好地反映辐射对机体的危害。剂量当量只限于辐射防护中使用，不适用于高水平事故照射剂量的估算。单位：雷姆（rem）、西沃特（SV）1rem=0.01SV剂量当量（dose equivalent）1980，国际辐射单位和测量委员会(ICRU）（4.当

28、量剂量，equivalent dose）1990，国际放射防护委员会(ICRP）4、内照射剂量计算 核医学显像和治疗必然导致内照射 源器官、靶器官 累积活性内照射与活度和时间有关：例：静脉注射3mCi99mTc胶体，假如肝脏聚集注入量的60%。问肝脏的累积活性是多少？0)(dttAA 解：肝脏摄取胶体后无排泄，其活度的变化完全由物理衰变引起：计算：累积活性=1.446.02 0.6 3.0=15.6Ci.hr00/693.00/693.0044.1)(TpAdteAAeAtATptTpt MIRD的基本概念Medical Internal Radiation Dosimetry平常人（average man）S因子 每累积活性的吸收剂量 MIRD方法已计算出核医学中常用的核素的、各种源器官-靶器官对的S因子 用MIRD方法计算吸收剂量的步骤 对每一相关的源器官 计算累积活性 确定S因子（查表、软件）计算吸收剂量：S因子累积活性 对所有相关的源器官 累加吸收剂量 体重校正：70/体重（五）以射线与物质的相互作用探测放射性 1、电离作用收集电离产生的电子-离子对作为电信号，探测射线 电离室、盖革计数管 2、荧光现象 记录闪光的次数或闪光的强度、波形，探测射线性质3、感光效应4、热效应5、化学变化谢谢！