放射药理学概论：第二讲PPT课件

.,1,核物理和同位素基本知识,廖建民,.,2,1.原子核（nucleus）结构,原子（atom）,中子（neutron）,质子（proton）,电子（electron）,AZN,A,13153I78,131I,A是质量数。A=Z+N,.,3,基态（groundstate）,激发态（excitedstate）,核反应、核裂变、放射性衰变,A,Am,99Tc,99mTc,很快放出过剩能量,.,4,2、质能转换定律、质量亏损和结合能：质量和能量都是物质必具的属性，任何物体都同时具有质量和能量，并且它们之间存在着一定关系:E=mC2这就是著名的爱因斯坦质能相互联系定律，它指出：任何m克质量的物质，一定具有mc2erg的能量。E为物质的能量，m为物质的质量，C为光在真空中的速度。1g静止质量的能量为：E=mC2=1g(299792lOlOcms)2=8.9875l020erg根据狭义相对论，m与物质的运动有关，对速度为V的物质：,.,5,式中m0为物质静止(V=O)时的质量，C为光在真空中的速度(2.9979241010cms-1)Erg（尔格）：质能当量单位。1erg=670amu=6.24105MeV=2.3910-8cal在核物理中常采用的电子伏(ElectronVolt；eV)作为能量单位。leV是电压为1伏特的两点间移动一个电子时，电场力所作的功。1eV=l.60218910-12erg,.,6,精确实验测得的各种原子的质量总是小于组成它的全部中子、质子和电子的质量总和。这个差值称为质量亏损(MassDefect)。质量亏损与核子(Nucleon)(即中子和质子的总和)的结合能有密切关系。在原子核中，核子间互相吸引的力很强，而任何两个相互吸引的物体在相互靠近时都放出能量(因为势能变小)。所以核子结合成原子核时便释出大量的能量，这能量称为结合能，其量E与质量亏损m相当，变即EmC2。,.,7,3.核素（nuclide）：具有特定质量数、原子序数与核能态的一类原子。,4.同位素（isotope）：具有相同原子序数，而质量数不同的核素。,5.同质异能素(isomer)：有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的一类核素。,.,8,6.稳定核素（stablenuclide)原子核能够稳定存在，不会自发地发生核内成份或能级的变化，或者发生的几率非常小，半衰期超过十亿年。这类原子核称为稳定性原子核。相应的核素称为稳定核素(StableNuclide)。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,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,.,9,7.放射性核素(radionuclide)原子核不稳定，会自发地转变为别的原子核，或自发地发生核能态变化，变化时伴有射线的发射。这类原子核称为放射性原子核，相应的核素称为放射性核素(RadioactiveNuclide)。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,.,10,8、放射性：某些核素自发地放出粒子或射线，或在发生轨道电子俘获后放出X射线，或发生自发裂变的性质。,.,11,9.放射性衰变（radiationdecay）放射性核素的原子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原子的过程称为放射性衰变。,.,12,10、人工放射性核素：用人工方法改变稳定核素中子与质子的组成比例也会造成核的不稳定。这种核素称为人工放射性核素。,.,13,核衰变类型（nucleardecay),衰变（alphadecay）-衰变（betadecay）正电子衰变电子俘获（electroncapture）衰变（gammadecay）,.,14,1）衰变AZX-A-4Z-2Y+42He+Q,42He,.,15,不稳定核自发地从核内放射出粒子(AlphaPharticle)而变成另一种核的过程称为衰变(AlphaDecay)。粒子实际上是两个质子两个中子组成的氦原子核。式中X为母核(ParentNucleus)，Y为子核(DaughterNucleus)，Q是衰变时原子核释放出的能量。可以看出，子核与母核相比，原子质量少4，原子序数少2。,.,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；但粒子的电离能力很强。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,对衰变来说，衰变时的质量亏损mz是：mz=mz-(mz-2+2me+m)其中mz是母体原子质量mz-2是子体原子质量，me是电子质量，m是粒子质量。任何衰变都伴有能量释放，这部分能量Q称为衰变能(DecayEnergy)，来自质量亏损。若质量以amu为单位，Q以MeV为单位，并取1amu=931MeV，则Q931mzMeV(12)衰变能分配给子体核素和发射的粒子(射线)。有些核素衰变时还有一部分留在核内使子核暂时处于激发态。由于m和mz-2是既定的，每种放射性核素的衰变能也是固定的，因此可以通过测定射线的能量来判断是何种核素。,.,18,226Ra(镭)的衰变,.,19,226Ra衰变为222Rn（氡）。释放的粒子有两组：一组能量为4777MeV，占943；另一组能量为4598MeV，伴有01888MeV的线，占57。Q值的计算如下：mz=mRa-(mRn+2me+mHe-2me)=mRa-mRn-mHe=226.025438-222.017610-4.002603=0.005225amuQ=0.005225931=4.86MeV,.,20,该能量按质量分配：QRn=486=0086MeVQ=486=4774MeV,此值与实测结果基本相符。226Ra衰变中有57的222Rn先处于激发态，退激时以光子形式释出多余能量，故这部分衰变释出的粒子能量稍低。,.,21,(二)-衰变原子核内中子相对过多造成不平衡，导致核内一个中子转变为质子，同时释出一个负电子的过程称为-衰变(-Decay，NegatronDecay)。核内释出的负电子通常称为-粒子或-射线(-Particleor-Ray)。-衰变时还同时形成一个反中微子(Antineutrino，)。是一种质量极小的中性基本粒子，穿透性极强，一般探测器不能探测。,.,22,由于核内的基本变化是一个中子转变为一个质子，故-衰变的子体与母体相比，其A不变而Z增加1，可用下式表示：-衰变的变能Q可计算如下：Q931mzmz-(mz+1-me+m+m)MeV反中微子的质量极小，仅为电子的5/10，000，可忽略不计，故：Q931mz931（mz-mz+1）MeV,.,23,-衰变有三个生成物(Z+1Y、-和)，Q就由这三个粒子带走。子核的质量远大于-和，故带走的能量相对很小，实际上Q主要分配给-和，形成它们的动能。这种分配是随机的，因此-粒子的动能可从零(E-0，EEmax)到一最大值Emax(E-Emax，E0)，形成一个连续的能量分布，称为-能谱(-EnergySpectrum).通过计算质量亏损或检阅各种手册得到的-线能量常是各核素-粒子的最大能量Emax。实际计算-线辐射剂量时往往需用平均能量E，它约等于Emax的l3。,.,24,.,25,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a粒子大；电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收；在软组织中的射程仅为几厘米，可用于治疗，如碘治疗甲亢。,.,26,(三)+衰变：核内中子相对缺少时，一个质子转变为一个中子，同时从核内释出一个正电子的过程，称为+衰变(PositronDecay，+Decay)正电子亦称+粒子或+线(Positronor+Ray)，它的质量与负电子完全相等，但所带电荷相反。+衰变时也同时发射一个穿透性极强、质量极小的中性基本粒子，称为中微子(Neutrino，)。+衰变的核素都是人工放射性核素。+衰变的子核与母核相比，A不变而Z减少1，可用下式表示:,.,27,质量亏损mz：mzmz-(mz-1+me+me+m)=mz-mz-1-2me+衰变时质量亏损较大。这是因为质子转变为中子时需一个负电子，核内有如下过程：部分质量亏损转化为1.022MeV能量，该能量转化为一对正负电子，负电子与质子中和形成中子，正电子释出，剩余的质量亏损则转变为发射粒子的动能。衰变的条件是mzmz-1+2me。2me的质量亏损正好是核内形成一对正负电子所必须的1022MeV能量的来源。,.,28,粒子的能谱与粒子相似，也是连续的，也有一个近似等于Q的Emax。粒子全部动能损失后，便和周围物质中的自由负电子结合，转变为两个方向相反而能量均为0.5llMeV的光子，电子本身的质量则消失。这一现象称为电子湮没（Annihilation）,其辐射则称湮没辐射。,.,29,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；天然核素不发生衰变，只有人工核素才发生；应用：PET成像。,.,30,(四)电子俘获衰变：电子俘获衰变(ElectronCaptureDecay)是指缺中子核从核外俘获一个轨道电子，使核内一个质子转变为中子的衰变过程。电子俘获衰变常简称EC衰变，它和衰变一样，子核的原子序数比母核减少1，原子质量数不变，由于K层电子被俘获的几率最高，这种衰变有时也叫K电子俘获。该过程也伴有中微子发射，可用下式表示：,.,31,EC衰变时的衰变能Q除提供的动能外，主要用于使核处于激发态，并随即发射线。提供衰变能的质量亏损mz是：mz=mz-mz-1-iC2某一壳层(例如K层)的一个电子被俘获后，该壳层就出现一个空位。于是处于较高能级的壳层电子就可跃迁到该空位，同时将多余的能量(相当于跃迁前后两壳层能级的差)以X线形式辐射出来。应当注意，此时由于核的变化，壳层电子已相当地“改造”成子体核素的壳层电子，所以释出的子体核素的特征X线。,.,32,有时，电子跃迁多余的能量也可不以特征X线的形式释出，而是传递给另一壳层电子，一部分用以克服该电子的结合能使之成为自由电子，其余部分则成为该电子的动能。这样释出的电子称为俄歇电子(AugerElectron)。Ec衰变时释出的X线和俄歇电子都不是直接来自核内，而是次级辐射。它们在能量方面的特点是:1)能量都较低，通常是KeV级；2)能量都是定值而不是连续谱，3)能量因被俘获的电子和跃迁电子所处壳层不同而不同，所以每种核素EC衰变都可发射几种不同能量的X线和俄歇电子，各有一定的机率；4)俄歇电子的能量一般都略低于相应的X线衰变和EC衰变都发生在缺中子的核素，所以同一种核素有时可同时进行这两种衰变。,.,33,(五)跃迁和同质异能跃迁；有些核素在进行、或EC等衰变时，产生的子核可能暂时处于激发态核能级，再很快过渡到能量较低的激发态或基态在这个过渡过程中，多余的能量以光子(Photon)的形式即线的形式发射出来。这种伴有光子发射的核能级跃迁称为跃迁(GammaTransition)。激发态子体YY基态+h每一激发态的原子核退激时，可以不只释出一个光子。大多数有跃迁的核素，子体处于激发态的时间约为10-13秒，因此，跃迁常被看作与母体核衰变同时发生。,.,34,有些核素激发态存在时间较长，常被看作一种单独的核素，称为同质异能素。它本身又作为母体，经跃迁后变成Z和A都相同，但是能级不同的子体核。这种特殊的跃迁称为同质异能跃迁(IsomericTransition)，其过程如下：有时原子核发生跃迁时不发射光子，而是把多余的能量交给核外绕行的电子(主要为K层，也有其它壳层电子)，使它脱离原子而放射出来。这种电子称为内转换电子，能量是固定的，近似于光子的能量。光子和内转换电子都是核从激发态跃迁至较低激发态或基态时可能产生的。由于内转换电子的发射，核外壳层电子出现空位，较高能级壳层的电子就进行填补。因此发射内转换电子后，还会放射特征X线或俄歇电子，所以衰变时释出的射线是较复杂的。,.,35,射线特性,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。,.,36,三种衰变的比较,衰变质量、质子数都变；衰变质子数变，质量数不变；衰变质子、质量数都不变，而能量改变。,.,37,射线-射线正电子电子俘获射线,氦核（42He）,发生于原子序数82的核素粒子质量大，带电核射程短、穿透力弱，不适合显像,射程短、能量单一，对局部的电离作用强，引入体内后，对其局部的生物组织产生严重损伤，而不影响远处组织。因此对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在优势,应用,特征,组成,高速运动的电子流,穿透力弱,治疗，如32P-真性红细胞增多症，131I甲状腺疾病,+粒子,发生于贫中子核素射程仅12mm,PET显像,光子,发生于衰变、衰变或核反应之后不带电荷，运动速度快（等于光速），穿透力强，对组织的局部作用较-射线和射线弱,体外显像,射线俄歇电子内转换电子,发生于贫中子核素,核医学显像、体外分析、放射性核素治疗,.,38,衰变规律,放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新元素的核。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。,.,39,11.半衰期，T1/2(half-life)物理半衰期（physicalhalflife）:放射性核素减少至一半，所需的时间。越短说明核素衰变越快。生物半衰期（biologicalhalflife）:生物体内的放射性核素由于机体代谢从体内排出一半所需的时间。有效半衰期（effectivehalflife）:生物体内的放射性核素由于机体代谢从体内和物理衰变两个因素作用，减少至原有放射性活度的一半所需的时间。,.,40,T1/2为每一放射性核素所特有。测定T1/2可确定核素种类，甚至可推断放射性核素混合物中核素种类。例如：99mTc6Hr153Sm47Hr131I8Day186Re90Hr32P14Day125I60day,.,41,12.放射性活度（radioactivity）单位时间内原子核的衰变数量。衰变常数：某种放射性核素的核在单位时间内自发衰变的比率；它反映该核素衰变的速度和特性；值大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响。,.,42,衰变公式,衰变公式：Nt=Noe-t；A=Aoe-t特性：不同的放射性核素有不同的；共性：任何放射性核素的衰变原子核数目随时间增长按指数规律减少；,t,N,logN,t,.,43,贝克（Bq）为放射性活度的国际单位，1Bq表示放射性核素每秒衰变1次；居里（Ci）为旧的单位，1Ci表示每秒衰变3.7x1010次。1Ci=3.7x1010Bq,即1mCi=37MBq,.,44,1Ci=3.71010Bq=37GBq1mCi=110-3Ci=3.7107Bq=37MBq1MBq=1106Bq=27.03uCi1GBq=1109Bq=27.03mCi1TBq=11012Bq=27.03CilBq=60DPM13、源：可以通过诸如发射电离辐射或释放放射性物质而引起辐射照射的一切。14、放射源：拟用作致电离辐射源的任何剂量的放射性物质。Bq数相同的两个放射源，只是表示它们在每秒钟内衰变的次数相同，并不表示发射的粒子数相同。,.,45,15、放射性比活度(SpecificActivity)：是指一纯的元素或化合物中，单位质量所含该元素中某一种放射性核素的放射性活度，也称比活度。单位是Bqg或Bqmmol。它实质上表示样品内放射性核素在其所属的元素的全部原子中所占比例的一种参数。16、放射性浓度：指单位体积溶液中所含的放射性活性，单位为Bqml。放射性浓度和放射性含量不仅取决于所含放射性样品的比活度，还取决于样品的化学量，是与比活度完全不同的参数。,.,46,实际上，一种放射性核素中常常混有一种或几种稳定性核素(包括同位素或非同位素)，这种稳定性核素称为载体(包括同位素载体和非同位素载体)。无载体放射性核素(核素所有原子均为放射性核素)的比活性可用下述方程计算：由于ANoNo：亚伏加德罗常数若比活性为S，M为克原子量(分子量)则有：S=AM=NoM(Bq克)以秒-1表示。,.,47,中国计量科学研究院生产,RM-905型医用活度计（2000年）推出采用RS-232接口与计算机通讯，随机提供Windows9x管理软件光盘。可测99mTc、131I等。可测153Sm、186Re及18F、15O、13N等正电子药物。量程范围：1Ci-10Ci（99mTc）,.,48,普通核医学仪器可测1Bq，约为10-16g。天平：10-5g微量化学分析：10-9g荧光分析：10-11g10-12g光谱分析：10-10g,.,49,17、母牛即核素发生器，较长寿命的放射性核素衰变产生短寿命核素。常用：钼-锝发生器（90Mo-99Tcmgenerator）,.,50,三、射线与物质的相互作用,人们进行射线探测、防护和利用射线进行诊治疾病的基础。,.,51,1、带电粒子,A)电离与激发：（ionizationandexcitation）电离：、物质核外电子e-脱离轨道自由电子；失去e-的核带正电荷，两者形成一对离子。自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离,带电粒子,e-,正负离子对,次级电离,.,52,激发：、物质轨道电子获能由低能级高能级，使整个原子处于激发态；退激时可释放出光子或热量。,带电粒子,粒子,(退激),.,53,带电粒子通过物质时，引起物质的电离和激发，而损失能量，前进速度变慢。而在所经过的路径周围，留下了许多离子对。在单位径迹长度上所产生的离子对数称为电离密度。电离密度是反映射线对物质电离作用程度的一个物理量，其单位是离子对cm或离子对mm。,.,54,电离密度与带电离子的速度平方成反比，与带电离子电荷量和物质的密度有关。离子速度小，带电荷量大，物质密度大，则电离密度大，反之则小。粒子比粒子所带的电荷多，且速度慢，因此，粒子的电离作用比粒子大的多。传能线密度：定义为单位长度径迹上粒子能量的损失。其度量单位是Mevcm-1。常用来反映射线通过物质时的能量损失，亦称线性能量传递(LinearEnergyTransfer，LET)。电离密度和传能线密度均与辐射引起的生物效应有关。,.,55,B)、轫致辐射bremsstrahlung,高速带电粒子通过物质原子核电场时受到突然阻滞，运动方向和速度都发生变化，能量减低，多余的能量以X射线的形式辐射出来称为轫致辐射；产生几率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大。,粒子,X,.,56,单位路程产生轫射辐射的机率与下述几点有关：(1)与带电粒子质量的平方成反比。粒子质量大产生轫致辐射的机率极小，可忽略不计。-粒子质量小，速度大，产生的轫致辐射就不可忽略。(2)随带电粒子的能量增大而增大，因此高能量-射线的轫致辐射效应显著。(3)与物质原子序数的平方成正比。因此，高原子序数物质(如钨、铅等重金属)比低原子序数物质的轫致辐射效应要显著得多。故对-射线的防护应采用原子序数较低的材料，如有机玻璃、塑料、铝等。,.,57,C)、散射scattering,入射粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向与能量的过程。仅改变运动方向能量不变者为弹性碰撞。粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少。粒子轻，运动为曲线，散射明显。,粒子,粒子,.,58,只改变方向而能量不变者称弹性散射(ElasticScattering)。粒子动量大，散射现象不显著；粒子动量小，易被偏折，散射角度大，因此散射比粒子显著得多，而且在物质中往往是一种多次散射的混合过程。粒子被散射时，散射角大于90者称为反散射(Backscattering)。反散射往往造成探测时计数的增加。,.,59,D)契伦科夫辐射：高能量电子(或其它带电粒子)通过折射率较大的透明介质时，若其速度大于光在该介质中的相对速度，在粒子经过之处，将沿一定方向发射出接近紫外波长范围的可