《原子核与放射性》PPT课件.ppt

1 第十一章原子核和放射性 2 原子核物理学 nuclearphysics 原子核物理学内容 研究核力 核结构和核反应等有关物质结构的基本问题 研究放射性和射线是原子核应用的基础 研究原子核的结构 特性和相互转变等问题的一门学科 原子核技术与医学相结合 已成为一门新兴的学科 核医学 今后的能源问题已成为各国所关心的问题 在煤和石油逐渐用竭后 除继续利用水力外 原子能和太阳能将会更广泛地利用起来 而原子能目前已经在国防上有重要应用 人类长期利用自然能量 绝大部分间接来自太阳 今后将更多地直接取自太阳辐射 太阳怎能长期不断地输出强大的能量呢 从原子核的理论知识知道这是来自太阳内部不断的原子核反应 所以原子核的研究在理论上和应用都有重要性 3 1 原子核的组成 一 原子核的组成 质量和大小 核子 质子 中子 A核子数 质量数 Z电荷数 质子数 原子序数 X相应原子的元素符号 N中子数 A Z 第一节原子核的基本性质 4 2 原子核的质量 原子核的质量通常是通过测量原子的质量来推得原子核的质量 原子的质量等于原子核的质量加上核外电子的质量减去相当电子全部结合能的数值 但是一般电子组成原子的结合能很小 可以忽略不计 在原子核物理中 常把12 原子质量的1 12作为质量单位即原子质量单位 atmoicmassunit 记作amu或u 1u 1 66055 10 27kg 5 核素 1 同位素 isotope 3 同量异位素 2 同中子异位素 核素 nuclide 核子组分不同 不同 也不同 的各种原子核的统称 目前已知的元素 包括人工合成的 共107种 而核素却有2300多种 质子数相同而中子数不同的一类核素 在元素周期表中处于相同的位置 中子数相同而质子数不同的一类核素 质量数相同 质子数不同的一类核素 6 3 原子核的大小 通过 粒子散射实验 证明原子核的形状近似球形 其半径小于10 15m 通过精确测定 原子核的半径同质量数的关系为 其中R0是一个常数 为1 2 10 15m 原子核的体积为 原子核的密度为 因此 原子核的体积与核子数成正比 而各种原子核密度相同 与核子数无关 7 二 原子核的自旋和磁矩 正如原子中的电子处于运动中一样 原子核中的粒子也处于运动之中 原子和也像陀螺仪一样在旋转着 因而存在着转动角动量 通常称之为原子核的自旋 其自旋角动量为Sn 其中I为表征原子核自旋角动量的量子数 其取值为整数或半整数 当原子核的质量数为偶数时取整数 当为奇数时取半整数 原子核具有电荷 所以在旋转时 会产生磁矩 这磁矩称为核磁矩 其中gI称为原子核的g因子 uN是常数 通常称为核磁矩的单位 即磁子 原子核的自旋和磁矩可以从原子光谱的超精细结构 核磁共振等许多实验中测定 8 实验测定表明 原子核的质量总小于组成它的核子质量之和 其质量差 即损失了一部分质量 通常把这部分损失的质量 称为质量亏损 massdefect 质能方程 为1 原子的质量 这个能量称为原子核的结合能 bindingenergy 三 原子核的结合能及质量亏损 9 2mol个质子 2g 和2mol中子 2g 结合成一个1mol4 e核时释放的能量为 相当于100吨优质煤燃烧时所释放的化学能 因此 原子核的结合能是非常巨大的 两个质子和中子结合成一个4 e核时释放的能量为 科学上把含有6 02 10 23个微粒的集体作为一个单位 叫摩 摩尔是表示物质的量 符号是n 的单位 简称为摩 单位符号是mol 1mol的碳含6 02 10 23个碳原子 质量为12g 1mol的硫含6 02 10 23个硫原子 质量为32g 1摩任何原子的质量都是以克为单位 数值上等于该种原子的相对原子质量 10 原子核的稳定性 核子在结合成原子核时要放出大量的结合能 反之 如果想要使原子核内的核子重新分裂出来 需要供给同样多的能量 因此 核子结合过程释放的能量越大 其核就越稳定 能量越低越稳定 对于不同的原子核其稳定性不相同 通常用每个原子的平均结合能来反映原子核的稳定程度 即 从图上可得出下列规律 30时 曲线呈上升趋势 但在 为4的整数倍的地方出现了峰值 说明4个核子 个质子和 个中子 可构成稳定的原子核 30时 约为 近似为常数 即原子核的结合能差不多与 成正比 说明原子核之间的作用力具有饱和性 曲线中间高 两边低 说明 在40 120之间的原子核较稳定 其它稳定性较差 11 由核子构成的原子核 虽然质子间存在静电排斥力 却结合得非常紧密 因此核子间必然存在强大的吸引力 这种使核子紧密结合在一起的力称为核力 现在某些方面至今还未认识清楚 从目前的理论和实事 可以说明核力具有以下性质 4 核力与电荷无关 1 核力是短程力 因为核力既能把带电的质子束缚在原子核中 也能把不带电的中子束缚在原子核中 促成质子和中子成双成对地结合 核力的作用范围只有10 15m的数量级 一个核子所能相互作用的其他核子的最大数目是有限制的 2 核力是强相互作用 3 核力具有饱和性 5 核力极短程内存在斥心力 核子不能无限靠近 12 稳定核素 stablenuclide 原子核的稳定性与核内质子数和中子数的比例有关 当原子核内引力与排斥力平衡时 原子核稳定 不会自发衰变的核素称为稳定核素 引力静电排斥力核子 质子和中子统称为核子 之间质子之间 放射性核素 radionuclide 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 如99Tcm 131I 32P 90Sr 153Sm 188Re 125I 60Co等 引力静电排斥力核子 质子和中子统称为核子 之间质子之间 第二节原子核的衰变类型 13 核素中 原子序数很高的重元素 如铀 镭 a 等 不稳定的原子核自发地过渡到稳定的原子核的变化过程称为原子核的衰变 质能守恒定律动量守恒定律电荷守恒定律核子数守恒定律 衰变过程遵守的定律 定义 1 衰变2 衰变3 衰变和内转换 衰变的类型 14 一 衰变 1 定义 衰变方程 某些原子核 由于核子数过多 在衰变过程中 放出一个 粒子而变成另一种原子核的过程称为 衰变 衰变能 用 代表衰变前的母体原子核 代表衰变后形成的子体原子核 42He 15 由于 衰变过程是不稳定的原子核变成稳定的原子核的自发过程 因此Q 0即 16 粒子特性 粒子实质上是He原子核 衰变发生在原子序数大于82的重元素核素 在空气中的射程约为 cm 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 射线是大量放射性核素进行 衰变的产物 是高速的He原子核组成的粒子束流 对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势 17 二 衰变 三种形式 衰变 衰变轨道电子俘获 1 衰变 1 定义某些原子核 由于中子数过多 放出一个 粒子和一个反中微子而变成另一种原子核的过程称为 衰变 2 条件 a 中子数过多 b 粒子 1e 负电子 n p e 反中微子 中微子的反粒子 反中微子是中微子对应的反物质粒子 其性质跟中微子正好相反 它是一种非常轻的中性带电粒子 18 3 衰变方程 由于是自发过程 因此Q 0即 19 粒子的特性 粒子实质是负电子 衰变后质量数不变 原子序数加 粒子的能量分布从0 最大具有连续能谱 穿透力比 粒子大 电离能量比 粒子弱 能被铝和机体吸收 通常说的 放射性核素就是 放射性核素 医学中常用32P 3H 14C等 射线是大量放射性核素进行 衰变的产物 并且其能谱是连续的 在软组织中的射程仅为几厘米 可用于治疗 如碘治疗甲亢 20 2 衰变 1 定义某些原子核 由于质子数过多 放出一个 粒子和一个中微子而变成另一种原子核的过程称为 衰变 2 条件 a 质子数过多 b 粒子 1e 正电子 21 3 衰变方程 由于是自发过程 因此Q 0即 医学中常用11C 13N 15O 15F 52Fe等 22 粒子的特性 粒子实质是正电子 衰变后子核质量数不变 但质子数减 也为连续能谱 射线是正电子组成的粒子束流 停下来后会与电子发生湮没反应 转化成一对 光子 天然核素不发生 衰变 只有人工核素才发生 应用 PET成像 正电子发射型计算机断层成像 23 1 定义某些原子核可以俘获一个轨道电子使核内的一个质子转换成中子和一个中微子的过程称为轨道电子俘获 2 条件 质子数过多 3 轨道电子俘获 标识X射线 Auger电子 24 3 衰变方程 轨道电子俘获使原子处于激发态 如 在 电子俘获中 壳层少了一个电子出现空位 当 壳层的电子跃迁到 壳层填补该空位时就会发射标识 射线 壳层就出现两个空位 一个电子跃迁到 壳层 一个发射出原子 俄歇电子 25 三 衰变和内转换 1 衰变 1 定义 2 条件 a 同质异能跃迁 b 粒子 光电子 处于激发态的原子核跃迁至稳定的基态 同时放出 粒子的过程 3 衰变方程 注 衰变通常伴随着 衰变和 衰变 26 2 内转换 处于激发态的原子核跃迁至稳定的基态时 将其衰减能直接传递给核外壳层电子 使该壳层的电子脱离原子成为自由电子 这种衰变方式称为内转换 由此发射的电子叫内转换电子 内转换主要发生在 壳层电子 注 内转换使原子处于激发态 伴有 射线或俄歇电子 发射 射线和发射内转换电子是原子核从激发态回到基态的两种方式 内转换电子 27 粒子特性 粒子就是光子 是从原子核内发射出来的电磁波 衰变后子核质量数和质子数不变 只是能量状态从激发态到了基态 射线为光子流 不带电 穿透力强 电离能力弱 射线在真空中速度为30万km s 应用 体外成像 28 一 衰变规律 注 1 N0为t 0时的核子数 2 由积分形式可知 核子数N以指数形式随时间减少 通过精确的实验证明 若在 时刻原子核的数目为 经过dt dt 0 时间后 其中有 dN个发生了衰变 即 dN Ndt 其中 为核衰变的衰变常数 N N0e t 微分形式 积分形式 第三节原子核的衰变规律 29 二 半衰期和平均寿命 1 半衰期 放射性原子核数目中有一半发生衰变所需要的时间叫做核素的半衰期 常用 表示 30 例 32P 磷 的半衰期为14 3天 问经过多长时间后 它变为原来的1 64 解 例 131I 碘 的半衰期为T天 经过32天后变为N 又经过96天 还剩余 1 4 N 求T 解 据题意有 31 T 和 都是表示原子核衰变快慢的物理量 2 平均寿命 放射性原子核的平均生存时间叫做核素的平均寿命 常用 表示 dN 个核的寿命都是t 总寿命为 dN t Ntdt 则t 0时的原子数N0的总寿命为 所以平均寿命为 32 三 放射性活度 radioactivity 1 定义 2 公式 1 微分形式A dN dt 2 积分形式A N N0e t A0e t dN dt 表示 时刻单位时间内发生衰变的核数目 称为 时刻放射性物质的衰变率 通常称为放射性活度 简称活度常用A表示 3 单位 1 SI制单位 1Bq 贝克勒尔 1核衰变 秒 2 专用单位 1Ci 居里 3 7 1010Bq 33 最佳挤奶使用时间间隔任何一种母体半衰期T1大于子体半衰期T2的放射性核素发生器 两次挤奶之间的最佳时间间隔Tm 即子体的放射性由零重新增长到最大值的时间 99Mo 99mTc发生器的最佳挤奶时间间隔约为22 9小时 但考虑到子体核素增长速率随时间的变化是由快到慢的 故采取比22 9小时短一些的时间间隔来再次淋洗99mTc较为经济 每种放射性核素发生器都有自己的最佳挤奶时间间隔 应用时须计算选择 四 放射性平衡 34 放射性核素发生器可以为人们多次地 安全方便地提供核纯 无载体 高比活度和高放射性浓度的短半衰期核素 所以它在医学 工业 科研等领域中应用得相当多 从放射性核素发生器中取得的短半衰期核素 可以直接应用或者制成多种多样标记化合物 包括药物 来应用 由于短半衰期核素的应用是医学检查诊断的一个方向 所以放射性核素发生器在医学上用得最多 除了已有的医用放射性核素发生器132Te 132I 99Mo 99mTc 113Sn 113mIn 87Y 87mSr 68Ge 68Ga之外 又需要一些新的 半衰期更短的超短寿命的放射性核素发生器 在已有的放射性核素发生器中用得最多的是99Mo 99mTc发生器 用99Mo 99mTc发生器的洗脱液99mTc高锝酸盐或用99mTc高锝酸盐为原料标记的各种含99mTc药物 已广泛用于脑 甲状腺 涎腺 肺 心 血池 肝 胆 脾 肾 骨 骨髓等的扫描显像和功能检查 99mTc的用量相当大 其用量已占医学诊断用放射性核素总用量的80 以上 35 射线通过物质时 都要与物质发生作用 研究射线与物质的相互作用的基本规律是人们进行射线探测 射线防护 射线分析 射线诊断和治疗等的基础 第四节射线与物质的相互作用 根据射线与物质相互作用的特性可以分为四类 重带电粒子 如 粒子 轻带电粒子 如负电子和正电子 3 光子组成的射线 如 射线和 射线 中性粒子 如中子 36 一 带电粒子与物质的相互作用 带电粒子与物质发生相互作用一般有如下四种方式 与原子核外电子发生弹性碰撞 与原子核外电子发生非弹性碰撞 与原子核发生非弹性碰撞 与原子核发生弹性碰撞 此外 带电粒子可能进入原子核 引起核反应 本质上是带电粒子与原子核和核外电子之间的库仑力相互作用 37 当带电粒子 从原子附近经过时 其与核外电子之间的库仑力作用 吸引或排斥 使电子获得一部分能量 若传递给电子的能量足以克服原子核的束缚 而脱离原子核成为自由电子 失去一个自由电子的核带正电荷 两者形成离子对 这种过程称为电离 电离和激发 电离和激发是带电粒子与被作用物质的核外电子发生非弹性碰撞的结果 带电粒子 e 正负离子对 自由电子还可使其它原子发生电离 次级电离 如果是内层电子被电离时 外层电子就会向内层跃迁 从而会产生标识 射线和俄歇电子 38 若入射带电粒子传递给电子的能量较少 不足以使电子脱离原子核而成为自由电子 但可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态 这种过程称为激发这时整个原子处于激发态 不稳定要跃回基态 即退激 从而放出来的能量以光的形式发射出来 即是受激原子的发光现象 带电粒子 粒子 退激 39 当带电粒子通过物质时 与原子核外电子发生非弹性碰撞 将一部分能量传给电子 而本身的速度将逐渐减少而损失一部分能量 带电粒子消耗在原子的电离和激发上的能量 称为电离损失 补充 带电粒子在物质中通过单位长度路径的电离损失 称为电离损失率 它描述了带电粒子使物质的电离或激发程度 40 由于带电粒子的电离作用 在它经过的路径上留下许多离子对 通常把单位长度上产生的离子对的数目 称为电离密度或比电离 记作Ip 带电粒子速度小 比电离大带电粒子的电荷数多 与原子壳层电子的作用力大 比电离大物质的密度大 单位体积的电子数多 与带电粒子作用的机会多 比电离大 粒子的比电离比 粒子大 41 2 散射和韧致辐射 带电粒子通过物质时 因受到原子核静电场的作用而改变运动方向 这种现象称为散射 散射分为 弹性散射 非弹性散射 产生机率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大 带电粒子 X射线 韧致辐射是带电粒子与原子核发生非弹性碰撞的结果 当带电粒子接近原子核 受到原子核电场的作用 产生加速度 速度大小和方向均会发生改变 能量减低 多余的能量以X射线的形式辐射出来 称为韧致辐射 42 射程和吸收 带电粒子在物质中运动时 不断损失能量 能量耗尽后停留在物质中 此时 粒子被物质吸收了 被作用的物质叫做吸收物质或吸收体 当带电粒子束从进入物质到完全被吸收沿入射方向穿过的最大距离称为射线在物质中的射程 带电粒子的能量损失率与粒子能量和吸收体的性质有关 故射程也与粒子的能量有关 由此 粒子的能量越高 射程越大 密度大和高Z的物质 射线在其中射程就会越小 或者说 这样的物质对射线的阻止本领大 43 射程是比较直观地描述射线贯穿能力的物理量 对于重带电粒子和轻带电粒子有很大的差别减弱规律和射程 在人体组织中有Rm 1 22 10 3R 如图 为 粒子在空气中的平均射程 如图为电子的强度近似成指数关系衰减 mm MeV 铝 44 4 正电子与物质的相互作用 高能正电子进入物质后 将很快速度减小 遇到负电子发生湮没 同时发出两个发射方向相差180 的光子 45 二 光子与物质的相互作用 光子既不带电 又无静止质量 因此光子与物质的作用和带电粒子与物质的作用有很大的差别 光子趋于在一次碰撞中失去大部分或全部能量 不是直接使物质电离或激发 而是通过产生次级电子使物质电离或激发 对于单色光子束通过物质时 它的强度精确地按指数衰减 光子与物质的作用方式主要有三种 光电效应 康普顿散射 电子对效应 此外 还可能发生相干散射 E30MeV 46 多发生在低能量 0 5MeV 光子被物质原子完全吸收后发射轨道电子 脱离轨道的电子称光电子 还可产生次级电离 原子因电子空位处于激发态 退激时发射标识X线或俄歇电子 X 俄歇e 光电子 K L 1 光电效应 47 2 康普顿效应 多发生在中等能量 0 5 1 0MeV入射光子将部分能量转移给物质核外电子 并使之脱离原子轨道成为高速运行的康普顿电子 其余部分能量被散射光子带走 入射 康普顿e 散射 48 3 电子对效应 发生在能量足够大的光子 1 02MeV 两个电子的静止质量 光子在电场作用下被完全吸收 产生一对正负电子 光子能量被正 负电子任意分配带走 超过1 02MeV Er转化为正负电子动能 入射 511keV 511keV e e 自由e 49 光电效应 康普顿散射和电子对效应在物质吸收中的相对重要性 为物质的原子序数 50 三 中子与物质的相互作用 中子本身不带电 因此通过物质时与电子发生碰撞的几率很小 主要与原子核相互作用 不是直接使物质电离或激发 而是通过产生次级电子使物质电离或激发 中子与物质的作用方式只有两种 中子与原子核的弹性碰撞 能量较低 相互作用的本质是核子与核子直接的相互作用 中子与原子核非弹性碰撞 能量较高 中子对机体组织的危害相当大造成造血器官衰竭 消化系统损伤 中枢神经损伤 还可以造成恶性肿瘤 白血病 白内障等 中子辐射还会产生遗传效应 影响受辐射者后代发育 51 辐射效应 生物效应 研究清楚辐射效应的作用机制的意义 2 为放射治疗和人体辐射损伤提供医学诊断和治疗提供可靠的科学依据 1 对射线进行有效防护 第五节辐射剂量与防护及测量原理 52 一 辐射剂量及单位亦简称剂量 在放射医学和人体辐射防护中 用来表示人体接受电离辐射的物理量 1 照射量照射量 描述X射线和 射线在空气中电离能力的量 照射量只对空气而言 仅适用于X或 射线 2 吸收剂量收剂量 单位质量物质接收电离辐射的平均能量 吸收剂量是一个适用于任何类型电离辐射和任何类型受照物质的辐射量 必须注意的是 在应用此量度时 要指明具体涉及的受照物质 诸如空气 肌肉或者其他特定材料 3 当量剂量把乘上了适当的修正系数后的吸收剂量称为当量剂量 53 二 辐射防护辐射防护的三原则 指实践的正当性 防护水平的最优化和个人受照的剂量限值 发生核事故或放射事故 总的防护原则是 内外兼修 主要包括体外照射防护原则和体内照射防护原则两方面 外照射体外辐射源对人体的照射称外照射 外照射防护方法有哪三种 一是受照射时间的控制 二是增大与辐射源间的距离 三是采用屏蔽三种方法 具体措施 当放射性物质释放到大气中形成烟尘通过时 要及时进入建筑物内 关闭门窗和通风系统 避开门窗等屏蔽差的部位隐蔽 内照射进入人体内的放射性核素作为辐射源对人体的照射称内照射 控制内照射的基本原则是 防止或减少放射性物质进入体内 对于放射性核素可能进入体内的途径要予以防范 54 放射防护的基本原则为保护工作人员免受射线的伤害 国家制定的放射防护条例规定最大允许量为5Rem 测量放射人员受量单位 放射防护的基本原则是 1 减少受照剂量照射量与源的放射性强度成正比 在不影响工作的情况下 应尽量减少操作人员的受量 使其在国家制定的允许标准之内 2 缩短受照时间照射量随接触时间而增加 在保证医疗质量条件下 工作宜迅速 减少在其周围的停留时间 3 增加辐射距离照射量与距离的平方成反比 可利用长柄工具或机械手远距离操作 减少放射量 从而起到保护工作人员的作用 4 增加防护屏蔽利用防护屏障可有效地减低照射量 此外 放射工作人员应接受剂量监督 定期做保健检查 55 自然界存在着三种射线 阿尔法 贝塔 伽玛 射线 人类接受的辐射有两个途径 称为内照射和外照射 三种射线由于其特征不同 其穿透物质的能力也不同 他们对人体造成危害的方式不同 粒子只有进入人体内部才会造成损伤 这就是内照射 射线主要从人体外对人体造成损伤 这就是外照射 射线既造成内照射 又造成外照射 防护 射线 由于 粒子穿透能力最弱 一张白纸就能把它挡住 因此 对于 射线应注意内照射 其进入体内的主要途径是呼吸和进食时 其防护方法主要是 一防止吸入被污染的空气和食入被污染的食物 二防止伤口被污染 防护 粒子 粒子 其穿透能力比 射线强 比 射线弱 因此 射线是比较容易阻挡的 用一般的金属就可以阻挡 但是 射线容易被表层组织吸收 引起组织表层的辐射损伤 因此其防护就复杂的多 方法有 1 避免直接接触被污染的物品 以防皮肤表面的污染和辐射危害 2 防止吸入被污染的空气和食入被污染的食物 3 防止伤口被污染 4 必要时应采用屏蔽措施 防护 粒子 射线穿透力强 可以造成外照射 其防护的施 方法主要有以下三种 1 尽可能减少受照射的时间 2 增大与辐射源间的距离 因为受照剂量与离开源的距离的平方成反比 3 采取屏蔽措施 在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽物 可以降低外照射剂量 屏蔽的主要材料有铅 钢筋混凝土 水等 我们住的楼房对外部照射来说是很好的屏蔽体 56 1 气体电离探测器 3 半导体探测器 2 闪烁探测器 4 热释光剂量计 多数探测器是根据射线使物质的原子或分子电离或激发的原理制成 把射线的能量转换为电流或电压等信号以供电子仪器获取 因此 射线探测器也是一种能量转换器件 据射线在探测器内产生的效应和探测器的工作的介质 主要可分为四种 三 射线的测量原理 57 1 气体电离探测器 电离室 盖革计数管 正比计数管 气体电离探测器是通过诱导的电离电流和电荷来探测射线 原理 通常在密闭的容器中充入一定量的气体 同时在容器中置入两个电极 并在电极上加上电压 使其在两级间形成电场 在正常情况下 气体是绝缘体 在两极之间无电荷移动即无电流或电压 气体电离探测器包括三个部分 当有射线时 气体被电离而产生电子和正离子 在电场的作用下 产生定向移动 从而形成电流或电压 58 2 闪烁探测器 某些物质在射线的作用下能发光 这些物质称为闪烁体 利用闪烁体制成的射线探测器称为闪烁探测器 主要特点 分辨时间短对 射线的探测效率高通常用于测定射线的能量 单个粒子在闪烁体中产生的闪光极弱 必须和光电倍增管配合才能将射线的能量转换成电子信号 因此 闪烁体探测器由闪烁体和光电倍增管组成 核医学中应用最广泛的闪烁体是NaI晶体 59 3 半导体探测器 主要特点 具有优良的能量分辨率 与气体中的情况类似 一定能量的入射粒子 在半导体中产生的电子 空穴对总数有涨落 但是 由于产生电子 空穴对的平均电离能 3eV 远小于在气体中产生离子对的平均电离能 30eV 因此同样能量的带电粒子 在半导体中产生的电子 空穴对比在空气中产生的离子对多得多 核医学中常应用于同时使用多种放射性核素的示踪研究 放射性药物的纯度检测 荧光分析和中子活化分析等方面 60 4 热释光剂量计 主要特点 而发光强度与晶体所受的剂量成正比 因此测量发光的强度就可以推算出剂量 利用该原理就可以制成热释光剂量计 具有晶格结构的固体 常因含有杂质或晶格缺陷形成一些亚稳态能级 当晶体受到射线照射时 电子获得足够的能量 就可能跃迁到这些亚稳态能级上被束缚起来 有大约 的射线能量可以存储在晶体内部 当晶体被加热时 这些束缚在亚稳态能级上的电子通过热运动获得能量到达不稳定的激发态能级上 立即跃迁回基能级而发射蓝绿色的可见光 这个现象称为热释光现象 通常用于测量 射线 射线及较高能量的 射线的吸收剂量 热释光剂量元件一经加热 其内部存储的辐照信息随即消失 因而是一种可反复使用的测量元件 61 放射治疗 射线分析 射线成像 放射治疗是治疗肿瘤的一种有效方法 主要是高比电离的粒子对癌细胞有很大的杀伤力 60Co 利用放射性核素作为示踪剂 从不同角度获得数据 通过计算机建立图像 如利用中子活化分析技术对患者的血 尿液和组织样品作常规分析 利用离子散射技术对牙和骨表面层微量元素及其随深度分布情况等的分析 第六节放射性核素在医学上的应用 62 一 示踪的原理 示踪原子法 临床诊断 主要是脏器的显像与功能检查方面 其基本原理为放射性核素的示踪作用 当用某种特定的放射性核素标记的放射性药物进入人体某种脏器后 其所发射的 射线能穿出体外 通过显像仪器可观察放射性核素在人体脏器中的分布情况 以诊断脏器的病变情况 还可以测量在脏器中或血管中药物浓度随时间的变化 以检查病人的脏器功能 63 2 诊断的依据 1 核素成像 正常脏器有选择性地浓集某种放射性药物的能力 而病变组织的浓集能力很差 于是在显像仪器图上所观察到的放射性缺损区即为病变区 2 体外标本测量 脏器发生病变后 对放射性药物的浓集和清除速度也将发生变化 即代谢能力的变化 从而影响到标记物在血 尿或粪便中的动态过程 补充 放射性药物用于诊断 1 对放射性药物的要求对核素的要求除了寿命短 还要 射线的能量较低 一般以100 300千电子伏为宜 64 1 外照射 2 内照射 4 放射性药物用于治疗的两种方法 3 放射性药物用于治疗 放射性药物在治疗方面 主要是利用射线对肌体组织的生物效应 抑制和破坏病变组织 如抑制肿瘤细胞的生长和扩散来达到治疗的目的 65 1 照相机 准直器 闪烁体 NaI晶体片 光电倍增管阵列 4 数据处理系统 显示系统 二 放射诊断 成像原理 通过向人体适当部位注射放射性示踪剂 使带有放射性的示踪原子进入要成像的组织 然后测量人体内部放射性核素的三维分布 并在成像平面上投影而获得图像 图像中 每个像素的亮度表示在该像素位置垂直于成像平面方向上含有的放射性核的总和 66 EmissionComputedTomography 计算机断层扫描仪 是一种利用放射性核素的检查方法 ECT成像的基本原理 放射性药物引入人体 经代谢后在脏器内ECT外或病变部位和正常组织之间形成放射性浓度差异 将探测到这些差异 通过计算机处理再成像 ECT的显像方式十分灵活 能进行平面显像和断层显像 静态显像和动态显像 局部显像和全身显像 除此之外 它还能提供脏器的多种功能参数 如时间 放射性曲线等 为肿瘤的诊治提供多方位信息 主要用于甲状腺癌 骨骼等部位肿瘤的检查 尤其常用于骨转移性肿瘤的检测 比普通X线拍片可提前3 6个月发现病变 因此 对一些较易发生骨转移的癌症 如乳腺癌 肺癌 前列腺癌 食管癌等 即使没有骨痛 也可作术前或术后检查 以期早期发现转移灶 2 发射型计算机断层成像 67 1 SPECT 单光子发射型计算机断层成像 成像方法分为两种 纵断面成像法和横断面成像法 具体与 照相机类似 单光子发射计算机断层扫描利用发射单光子的核素药物如99mTc 133I 67Ca 153Sm等进行检查 SPECT的基本结构分3部分 即旋转探头装置 电子线路 数据处理和图像重建的计算机系统 SPECT除显示肿瘤病灶外 尚可显示局部脏器功能的变化 如 化疗后左心功能 肾功能的改变等 68 SPECT是单光子发射型断层扫描仪通过静脉注射放射性药物标记的化合物 观察此化合物在体内的分布情况 来判断脏器的功能情况及疾病的特征 其特点是能较高特异性地显示脏器或病变的血流 功能和代谢的改变 有利于疾病的早期诊断及特异性诊断 例如 骨显像能早于 射线半年以上诊断肿瘤骨转移 前哨淋巴结显像能确定肿瘤转移的第一站淋巴结 肾脏动态显像对肾功能诊断的灵敏度明显高于 射线肾盂静脉造影 甲状腺形态和功能的诊断及对甲状腺结节的良恶性质的鉴别具有相当的优势 肝脏胶体 血流及血池显像诊断肝海绵状血管瘤的特异性达100 等 特异性指某生物存在其他生物所不具备的某些特征的现象 69 前哨淋巴结是原发肿瘤引流区域淋巴结中的特殊淋巴结 是原发肿瘤发生淋巴结转移所必经的第一批淋巴结 前哨淋巴结作为阻止肿瘤细胞从淋巴道扩散的屏障 其临床意义已受到人们的重视 在20世纪90年代 乳腺癌前哨淋巴结活检技术就成为乳腺外科领域里程碑式的进展 这一技术的应用使腋窝淋巴结阴性的乳腺癌病人避免腋窝淋巴结清扫 今年10月底在葡萄牙里斯本召开的欧洲肿瘤学会议上 有关前哨淋巴结的研究报告已不限于乳腺癌 对其他早期恶性肿瘤施行扩大切除范围的根治性手术也正受到挑战 进一步缩小手术范围 减少手术给患者带来的创伤 提高患者生活质量的癌症治疗发展方向正受到人们的关注 例如前哨淋巴结是乳腺癌淋巴转移的第一站 乳腺区段切除术加前哨淋巴结活检术术中在腋下作一小切口并准确地将前哨淋巴结切除 活检 若病理阴性则结束手术 若阳性则作腋窝淋巴结清扫 因此寻找到前哨淋巴结便成了手术中的一个重要环节 70 西门子SPETCT2台 71 2 正电子发射断层成像 PET 原理 利用一些放射性核素 如14 13N 15O 18F等能发射出正电子 当正电子与负电子相遇时会发生电子对湮灭 产生一对能量为511KeV的光子 其方向相反 在患者身体两边相对放置两个探测器 并连接重合电路 只有当两个探测器都探测到光子时重合电路才有输出 这就能准确地探测到正电子湮灭的位置 利用扫描来建立图像 72 正电子发射型计算机断层扫描 PET 主要用于病灶组织的葡萄糖代谢 蛋白质代主向和氧代谢的研究 在肿瘤学领域应用最为广泛 目前应用最多的是肿瘤的早期诊断和治疗后残留肿块的鉴别 脑肿瘤和鼻咽癌放疗或淋巴瘤化疗后残存肿块及肺部和纵隔肿块的鉴别等常常十分困难 但利用18F flurodeoxyglucose 目前最常用的PET显像剂为18F标记的FDG FDG是fluorodeoxyglucose脱氧葡萄糖的缩写 18F FDG氟化脱氧葡萄糖 进行PET显像 区分其性质则十分容易 如病灶摄取18F FDG 表明病灶残留存活的癌细胞 提示为复发 如18F FDG检查为阴性则为纤维化 73 PET的应用 测量局部脑血流量使用PET 根据核素显像剂在组织中动态分布能显示出局部脑血容量 局部脑血流量 rCBF 局部脑糖代谢和脑局部耗氧量情况 这些内容都是相互联系的 由于测量rCBF简便 易操作 并与脑代谢密切相关 因此许多研究采用rCBF作为观察指标 rCBF多用77Kr 氪 C15O H215O 13NH3示踪标记 一定量的标记核素吸入 77Kr 或静脉注入 H215O 人体后 立即用PET以一定的时间间隔收集数据6 10min 贮存在存贮器中 通过计算机计算出脑内各层面的局部血流量 再处理成彩色功能图像 得出脑局部血流量和局部脑功能状态 放射性核素进入脑细胞的量与局部脑血流量成正比 因此PET也可对局部脑血流量进行定量分析 1 3 在PET对脑功能研究的稳定性实验表明 不同时日 静态或动态活动时 PET显像变化很稳定 由于PET可以使用直接参与细胞代谢的核素 也可观察脑细胞的活动 甚至观察大脑在思维活动中的兴奋与抑制 使得它的研究达到了细胞和分子水平 74 放射治疗的相关知识 肿瘤与癌症肿瘤分两种 有良性和恶性之分 良性的叫肿瘤 恶性的就叫做癌 简单的说良性的称为肿瘤 一旦发展到恶性的就称为癌 肿瘤细胞肿瘤一词在医学专著中的定义为 肿瘤是人体器官组织的细胞 在外来和内在有害因素的长期作用下所产生的一种以细胞过度增殖为主要特点的新生物 这种新生物与受累器官的生理需要无关 不按正常器官的规律生长 丧失正常细胞的功能 破坏了原来器官结构 有的可以转移到其它部位 危及生命 肿瘤可以分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类 而癌症则是一类恶性肿瘤 肺癌细胞 肿瘤细胞 三 肿瘤放射治疗 75 恶性肿瘤从组织学上可以分为两类 一类由上皮细胞发生恶变的称为癌 如肺上皮细胞发生恶变就形成肺癌 胃上皮细胞发生恶变就形成胃癌等等 另一类由间叶组织发生恶变的称为肉瘤 如平滑肌肉瘤 纤维肉瘤等 人们对癌听得较多 而对肉瘤听得较少 这与癌病人远比肉瘤病人为多有关 临床上 癌与肉瘤之比大约为9 1 癌作为一类恶性肿瘤 是由人体内正常细胞演变而来的 正常细胞变为癌细胞后 就像一匹脱缰的野马 人体无法约束它 产生所谓的 异常增生 异常增生是相对于细胞的正常增生而言的 人体细胞有一个生长 繁殖衰老 死亡的过程 老化的细胞死亡后就会有新生的细胞取代它 以维持机体组织和器官的正常功能 可见 人体绝大部分细胞都可以生 但是这种正常细胞的增生是有限度的 而癌细胞的增生则是无止境的 正是由于这种恶性增生 使人体大量营养物质被消耗 同时 癌细胞还能释放出多种毒素 使人体产生一系列症状 如果发现和治疗不及时 癌细胞还可转移到全身各处生长繁殖 最后导致人体消瘦 无力 贫血 食欲不振 发热及脏器功能受损等 其后果极为严重 76 放射治疗的概述肿瘤放射治疗是利用放射线如放射性同位素产生的 射线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线 电子线 质子束及其它粒子束等治疗恶性肿瘤的一种方法 肿瘤放射治疗 简称放疗 就是用放射线治疗癌症 放射治疗已经历了一个多世纪的发展历史 在伦琴发现X线 居里夫人发现镭之后 很快就分别用于临床治疗恶性肿瘤 直到目前放射治疗仍是恶性肿瘤重要的局部治疗方法 大约70 的癌症病人在治疗癌症的过程中需要用放射治疗 约有40 的癌症可以用放疗根治 放射治疗在肿瘤治疗中的作用和地位日益突出 放射治疗已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一 放射疗法仅有几十年的历史 但发展较快 由于超高压治疗机的使用 辅助工具的改进和经验的积累 治疗效果得到显著提高 目前已成为癌症治疗中的最重要手段之一 我国约有70 以上的癌症需用放射治疗 美国统计也有50 以上的癌症需用放射治疗 放射治疗几乎可用于所有的癌症治疗 对许多癌症病人而言 放射治疗是唯一必须用的治疗方法 77 放射治疗 成千上万的人单用放射治疗或并用放射治疗 手术治疗 化学治疗和生物治疗后 治愈了他们的癌症 医生在病人手术前 可以用放射治疗来皱缩肿瘤 使之易于切除 手术后 用放射治疗来抑制残存癌细胞的生长 78 体内照射体内照射又称为近距离放射治疗 这种治疗技术把高强度的微形放射源送入人体腔内或配合手术插入肿瘤组织内 进行近距离照射 从而有效地杀伤肿瘤组织 治疗技术涉及腔管 组织间和术中 敷贴等多种施治方式 这一技术发展很快 它可使大量无法手术治疗 外照射又难以控制或复发的病人获得再次治疗的机会 并有肯定的疗效 而正常组织不受到过量照射 以避免严重并发症 成为放射治疗技术上的一个焦点 过去 后装技术仅能用于妇科肿瘤治疗 最新一代后装治疗机已把这种技术扩大应用到鼻咽 食管 支气管 直肠 膀胱 乳腺 胰腺 脑等肿瘤 这种新技术与其他治疗方法配合 逐步形成了很有发展前途的综合治疗手段 在应用中均取得了明显的效果 放射治疗的种类放射治疗主要有两种形式 体外和体内 某些病人接受两种形式的放射治疗 使某种放射性药物浓集到病变处 79 放射性粒子植入治疗肿瘤 是指在B超或CT引导下 可精确地将放射性粒子均匀地置入肿瘤周围 通过放射性粒子持续释放射线来达到最大限度地杀伤肿瘤细胞的作用 肿瘤放射性粒子置入治疗由三个部分组成 放射性粒子 如198Au 125I和103pd 三维治疗计划系统 保证粒子置人后在空间分布上与肿瘤形状 大小一致 粒子置入装置 包括特殊的置人枪 导管和同位素储存装置等 放射性粒子可通过术中置入 也可通过B超或CT引导下穿刺置入 放射性粒子置入具有创伤小 肿瘤靶区剂量分布均匀和对周围正常组织损伤小 价格低廉 操作简便等特点 临床上有广阔的应用前景 将造福于肿瘤病人 美国Cooper大学医学中心放射治疗学院用大分子白蛋白 MAA 作为 生物胶 可使注入瘤体内32p安全地潴留在肿瘤内 此方法操作很简单 在CT指导下医生用带有1cm塑料护手板的活检穿刺针插入肿瘤中心 然后用两套注射器 先注人生物胶MAA 再注入32P 借助于压力使注入物从肿瘤中心向边缘扩散 此技术用于失去手术机会的胰腺癌 大肠癌肝内转移和晚期头颈部恶性肿瘤 可使肿瘤 融化消失 达数月之久 80 体外照射 体外照射又称为远距离放射治疗 这种照射技术是治疗时 放疗机将高能射线或粒子来瞄准癌肿 用于体外照射的放射治疗设备有X线治疗机 Co60治疗机和直线加速器等 60钴治疗机和直线加速器一般距人体80 100cm进行照射 单纯从身体外部进行放射治疗有一定的局限性 即使在足量照射的情况下 总有一部分肿瘤局部复发 1 钴 60治疗机 60钴是一种人工生产的放射性核素 钴炮 是以60钴做放射源 用 射线杀伤癌细胞 对肿瘤实施治疗的装置 60钴机由下列部分组成 一个密封的放射源 一个源容器及防护机头 具有开关的遮线器装置 具有定向限束的限光筒 支持机头的机械系统及其附属的设备和一个操纵台构成 利用的射线从体外照射 可治疗体内和浅表的肿瘤 用制成膏状的敷贴剂 贴在病变处 利用 射线 可治疗体表疾病 81 其优点是 1 射线穿透力强即可治疗相当深度的肿瘤2 保护皮肤60钴射线在皮下4 5毫米处能量的吸收最大 表皮剂量相对较小 3 骨和软组织有同等的吸收剂量即当射线穿过时 骨和软组织对射线吸收基本相同 不像普通X线 骨比软组吸收多 对骨造成危害大 4 旁向散射小保护周边外的正常组织 5 经济 可靠 结构简单 维修方便 缺点是 1 60钴能量单一 而加速器可有多种能量的X线和电子线 2 60钴深度剂量偏低 为了提高深处的剂量 必须提高外照射剂量 造成全身受量增加 加速器深度剂量高 全身受量少 3 60钴半衰期短 约5 3年 需定期更换放射源 4 60钴属放射线核素 不断有射线释放 防护复杂 工作人员受量大 5 60钴存在半影问题 使野外的正常组织受一定的剂量影响 总之 钴机造价低 维修方便 使其比其它放疗设备发展快 目前仍是放射治疗的主要设备 82 医疗上主要是利用电子直线加速器产生的高能电子束或利用由电子打到靶上所产生的X射线来治疗癌症 1 电子束治疗的特点 1 一定能量的电子束 在进入人体后有一定的射程 即有一个最大的距离 在射程外 人体组织对电子的吸收剂量迅速衰减 2 利用电子直线加速器的电子打到重元素靶上所产生的X射线 它的能量比放出的射线能量高很多 具有较强的穿透能力 表皮吸收少 2 射线治疗的基本原则 即射线能量和照射剂量的选定 以达到对癌细胞有最大的杀伤力 而对人体正常细胞的损伤作用最小的目的 2 医用直线加速器 8