医学精品课件：第一章核物理基础和电离辐射生物学效应

1、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(定义）：.放射性核素诊断和治疗疾病 实验核医学 SPECT（单光子发射计算机断层） 影像核医学 临床核医学 PET（正电子发射计算机断层 ） 治疗核医学：放射性核素内照射治疗疾病,核物理基础和电离 辐射生物效应 温州医科大学核医学科 李焕斌,核物理基础,一、原子和原子核 二、核素的基本概念 三、稳定性核素和放射性核素 四、 核的衰变及其规律 五、射线与物质的相互作用 六、常用的辐射剂量及单位,原子的基本结构,一、原子结构： 原子核 原子核外电子分层排布2n2 核外电子 原子核外电子运动区域与电子能量的关系,

2、二、原子核结构 构成： 原子（atom) 质子(proton)、 中子(neutron)、 电子(electron) A=Z+N (A:质量数,Z:质子数,N:中子数) 元素可表示为 能级,元素、同位素、核素和同质异能素,元素(element) 具有相同质子数的同一类原子称为一种元素.原子序数相同,所以化学性质相同;中子数可以不同,所以,物理性质可以存在差异. 核素(nuclide) 具有相同核特征,核内质子数、中子数及核能态完全相同的原子的集合称为核素;目前已知的核素有2300多种,同位素(isotope) 具有相同质子数、但中子数及质量数不同的元素,在周期 表中处于同一位置,如125I,1

3、31I和123I互为同位素. 同质异能素(isomer) 原子的原子序数、质子数和中子数相同而能级状态不同的核素称为同质异能素,如99Tcm和99Tc,m 表示激发态或亚稳定态. 99mTc、 99Tc 图15：99mTc、99Tc互为同质异能素,射线,稳定性核素与放射性核素,稳定性核素 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)定义：当核内质子和中子的数目保持一定比例时，核子间的相互作用力平衡时，核就稳定，不会发生核成分及能级变化 放射性核素 核衰变放出一

4、种或一种以上的射线,称为放射性. :带正电 :带负电 :中性不带电 放射性核素来源:天然和人工,核衰变和放射性活度,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。 一、核衰变类型 衰变（主要发生与Z82时） AZX A-4Z-2Y+42He+Q,母 核,子 核,粒子，即氦核,衰变,衰 变 富中子核素，中子数过多， 转换为质子,衰 变,贫中子核素内质子转换为中子 位移规律: AZX AZ-1Y+ +Q+ 189F 188O + +0.66MeV,电子俘获(EC,贫中子核素从核外内层电子轨道俘获一个轨道电子，使核内质子转换为

5、中子,外层轨道电子向内层跃迁. 标识X射线 俄歇电子 AZX +-1e AZ-1Y + Q,衰变和同质异能跃迁 衰变 核素由高能态向低能态或激发态向基态跃迁的过程中释放出射线或称光子.单纯衰变时子核的质量和原子序数均不变,只是能量状态的改变. 内转换电子 原子核由激发态向基态跃迁时,将多余的能量直接传给核外电子,使之获得足够的能量脱离轨道成为自由电子 ,这过程称内转换.内转换放射出的自由电子称内转换电子,同质异能跃迁 衰变母核和子核的原子序数相同,只是母 核和子核的能级不同,总结,二、核衰变规律 （一）衰变规律 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

6、-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。 表示单位时间内某种放射性核素自发衰变掉的母核数和当时存在的母核总数之比,半衰期 物理半衰期 某一放射性核素在衰变过程中,原有的放射性活度减少至一半所需要的时间称物理半衰期(T1/2). T1/2短于10h的为短半衰期核素. A=A0e-t, T1/2=0.693 A=A0e-0.693t/T1/2,生物半衰期和有效半衰期 生物半衰期是指进入生物体内的放射性活度经由各种途径从体内排出原来一半所需要的时间。 有效半衰期是指生物体内的放射性活度由从体内排出

7、核物理衰变的双重作用，在体内减少到原来一半所需要的时间,放射性活度 单位时间内发生的核衰变次数.Bq, kBq, MBq,GBq,TBq,Ci,比放射性活度和放射性浓度 比放射性活度 单位质量物质内含有的放射性活度，简称比活度，单位是Bq/g 放射性浓度 单位体积溶液内含有的放射性活度，单位是Bq/L,射线与物质的相互作用,带电粒子和物质的相互作用 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 电离（ionization) 带电粒子和物质原子中的电子发生相互作用,使轨道电子获得足够的能量脱离原子,形成正负离子对的过程. 因素:电荷量大小和经过的

8、物质密度,入射电子,入射电子改变运动方向,电离 电子,激发（excitation) 当核外轨道电子从入射的带电粒子所获得的能量比较小时,只能使低能级的轨道电子跃迁到高能级轨道上去,使整个原子处于能量较高的状态,入射电子,入射电子改变运动方向,激发 电子,轫致辐射(bremsstrahlung) 高速带电粒子通过原子核电场时受到突然的阻滞,运动方向发生了大的偏移,将一部分动能转化为连续能谱的X射线.产生轫致辐射的能量与带电粒子的能量成正比,也与被作用物质的原子序数Z成正比,与带电粒子的质量平方成反比.主要发生于-粒子与物质相互作用时,湮没辐射(annihilation radiatio) +粒子

9、的平均寿命仅有10-9s,它与物质相互作用并完全耗尽其动能前,与物质中的自由电子相结合,正负两个电子的静止质量转化为方向相反、能量各为0.511MeV的两个光子,吸收作用(absorption) 带电粒子与物质相互作用产生电离和激发等效应,使射线的能量逐渐消耗,当能量全部耗尽,该射线则不再存在, 称为被吸收. 吸收前射线在物质中运动走行的距离称射程,光电效应: 光子与原子的内壳层轨道电子发生作用，把其全部能量交给电子，使它脱离原子而成为自由电子，光子被吸收，这种过程称为光电效应,光子与物质的相互作用,康普顿-吴有训效应: 光子与外层电子发生弹性碰撞，将其部分能量传递给电子，使其脱离原子而运动，

10、此电子称为康普顿电子，光子本身能量减少，改变其运动方向而射出，称为康普顿散射,电子对形成 当入射光子的能量高于1.02MeV时，光子在原子核电场的作用下，转化为一对正、负电子，称为电子对生成。 前两者发生在光子能量较低时,后者发生在光子能量必须大于1.02MeV,光子与物质的相互作用,射线,第 1 步 初级作用,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,第 2 步 次级作用,电离效应 次级电子使 物质原子电离,中子与物质的相互作用 中子不带电，它和射线一样都不能直接使物质电离，要通过与物质相互作用时产生的次级粒子才能使物质发生电离。中子与原子核的作用方式有弹性散射和核反应等

11、。中子将一部分能量传递给被碰撞的原子核，使它作反冲核运动，从而引起物质的电离和激发,电离辐射量及其单位,辐射能和照射量 照射量定义：或射线在单位质量为dm的空气中，与原子相互作用释放出来的次级电子完全被阻止时，所产生的同一种符号离子的总电荷的绝对值dq，与空气质量dm之比。 库仑/千克（C/Kg），非许用单位伦琴（R） 1R=2.58*10-4 C/Kg,吸收剂量、剂量当量和有效剂量 吸收剂量是指单位质量的被照射物质所吸收任何电离辐射的平均能量。 D=dE.dm-1 （dE是质量为dm的被照射物所吸收的剂量。） 单位：1Gy=1J/Kg=100rad(拉德） 单位时间内的吸收剂量，称为吸收剂量

12、率,当量剂量： 即使在吸收剂量相同的情况下，不同辐射类型所产生的生物效应的严重性各不相同，为了便于比较，引入了剂量当量的概念，它是用适当的修正因子对吸收剂量进行加权，从而使修正后的吸收剂量更能反应辐射对机体的危害程度。 H=D*Q*N(单位：Sv，希沃特） H为剂量当量，D为吸收剂量，Q为辐射品质因素，N是其他任何修正因素的乘积,有效剂量 有效剂量用于评价全身受到非均匀性照射情况下，发生随机效应几率的物理量。即：在全身受到非均匀性照射的情况下，受照组织或器官的当量剂量与相应的组织权重因子乘积的总和。 ETWTHT E：有效剂量 WT：组织T的组织权重因子（tissue weighting fa

13、ctor，WT） 定义：WT代表组织T接受的照射所导致的随机效应的危险系数与全身受到均匀照射时的总危险系数的比值。表示组织或器官的辐射敏感性，反应了在全身均匀受照下各该组织或器官对总危害的相对贡献。 HT：组织T的当量剂量,放射性活度(A) 吸收剂量(D)当量剂量 (H) 有效剂量（E,吸收剂量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克 1 Gy = 1 J/kg,放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒,当量剂量 (H) 有效剂量（E） 1希沃特 = 1 焦耳/千克,三者意义和区别,任何物质,有机体,小 结,剂量是指辐射与物质作用后，释放或吸收能量的量度。 不同种类、能量的核辐射，对生物体造成的辐射

14、损伤不同。 辐射所致生物效应中的随机性效应可以通过有效剂量进行估算,电离辐射生物效应及射线作用原理 一、电离辐射生物效应 概念: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。 基础：电离和激发,二、电离辐射作用机制,一）电离辐射的原发作用 直接作用 间接作用,二）电离辐射的继发作用,神经体液失调 细胞膜和血管壁的通透性改变 毒血症,电离辐射对细胞的作用 细胞的辐射敏感性 高度敏感的组织：淋巴组织、胸腺、骨髓、胃肠上皮、性腺和胚胎组织 中度敏感组织：感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮、唾液腺和肾、肝、肺的上皮细胞 轻度敏感组织：中枢神经系统、内分泌腺、心脏等 不敏感组织：肌肉组织、软骨、

15、骨组织和结缔组织,电离辐射组织器官的作用 高度敏感的组织器官 造血系统、胃肠道、免疫器官、性腺,MG2SG1G0,三、辐射生物效应分类和影响因素 辐射生物效应分类 （一）按照射方式分 外照射（射线、射线和中子等） 与内照射（射线和射线,局部照射与全身照射 外照射的射线照射身体某一部位，引起局部细胞的反应称局部照射。 身体各部位的辐射敏感性依次为：腹部胸部头部四肢 当全身均匀或非均匀地受到照射而产生全身效应称全身照射,二）按效应出现时间分 早期效应与远期效应 受照射后数小时至几周内出现的效 应称早期效应，如急性放射病。 8Sv胃肠道为主，10Sv脑型放射病 受照射后数月至数年发生的效应称远 期效

16、应，如放射性白内障等。 （三）按照射剂量率分 急性效应 慢性效应 低剂量辐射的兴奋效应,四）按效应表现的个体分 躯体效应和遗传效应 受照射个体本身所发生的各种效应称为躯体效应。如辐射所致的骨髓造血障碍、白内障。 受照射个体生殖细胞突变，在子代表现出的效应称为遗传效应。如先天畸形、流产、死胎、某些遗传性疾病,五）按效应表现的个体分 随机效应：（stochastic effect）即生物效应的发生率与照射剂量线性相关，不存在剂量阈值，且效应的严重程度与剂量无关，如致畸、致癌效应等。 确定性效应：（旧称非随机效应，ICRP建议改称，determinister effect）辐射剂量超过阈值时效应发生

17、，此后效应的严重程度与所受辐射剂量正相关，如骨髓损伤，晶状体损伤等,剂量,随机效应,发生几率,剂量,确定性效应,严重程度,阀,影响辐射生物学效应的因素 （一）辐射因素 辐射类型： 不同种类的电离辐射产生的生物效应的严重性不同，其主要决定因素是射线穿透能力的强弱和电离密度的大小,剂量和剂量率 照射剂量大小是决定辐射生物效应强弱的首要因素，剂量越大，效应越强。在一定剂量范围内，同等剂量照射时，剂量率越高，效应越强,照射方式 在同等剂量照射下，一次照射比分次照射效应强，内照射比外照射效应强，全身照射比局部照射效应强,二）机体因素： A 生物种类的敏感性 B 个体敏感性：性别、年龄、生理状态、健康状况

18、 C 组织器官的敏感性,三）介质因素 A 温度 B 氧 C 化学物质 辐射防护剂 辐射增敏剂,作用于人体的电离辐射,天然辐射源 人工辐射源 核爆炸 核能生产 医疗照射 其它人工辐射,放射卫生防护,目的 * 防止一切有害的确定性效应，即避免一切不必 要的照射 * 将随机效应的发生几率降低到认为可以接受的 水平，即与其他职业性危害发生几率相仿的水平,一、放射卫生防护的目的和基本原则 实践正当化 所致辐射危害和个人从中获益相比是可以接受的 防护最优化 用最小的代价获得最大净利益，使一切必要照射保持在合理的最低水平 个人剂量和危险度的限制 在实践中要保证个人所受剂量不超过规定的限值,个人剂量限值：个人在任何一年受到的外照射所产生的有效剂量与在这一年内摄入的放射性核素所产生的待积有效剂量两者之和的限值,放射防护标准,剂量限制 （一）职业照射个人剂量限制 * 连续5年内个人平均有效剂量应低于20mSv, 任何单一年份不超过50mSv;一年内晶状体的当量 剂量应小于150mSv,四肢和皮肤小于500mSv。 * 16-18周岁，年有效剂量应低于6mSv; 晶状体的年当量剂量应小于50mSv,四肢和皮肤为150mSv,二）