核医学绪论、核物理基础

1、Introduction 绪绪 论论p核医学是应用放射性核素或核射线诊断核医学是应用放射性核素或核射线诊断、治疗疾病和进行医学研究的学科。、治疗疾病和进行医学研究的学科。p按照我国医学专业学位点的设置，核医按照我国医学专业学位点的设置，核医学属于学属于“影像医学与核医学影像医学与核医学”学位点。学位点。p核医学又不是单纯的影像学科，它还包核医学又不是单纯的影像学科，它还包含功能检测、体外分析以及治疗等内容，含功能检测、体外分析以及治疗等内容，有独立的门诊和核素治疗病房。有独立的门诊和核素治疗病房。 Experimental Nuclear Medicine Clinical Nuclear M

2、edicine Basic knowledgekkk99mTc99Tc 是指原子核自发地发生衰变并释放出射线，由一是指原子核自发地发生衰变并释放出射线，由一种核转变成另一种核的核素。种核转变成另一种核的核素。不稳定的原子核自发地发射出不稳定的原子核自发地发射出 粒子而转变成另一种粒子而转变成另一种核素的过程称为核素的过程称为 衰变。衰变。 粒子由两个质子和两个中子组粒子由两个质子和两个中子组成，实质是氦原子核。成，实质是氦原子核。Sg：Seaborgium（钅喜）（钅喜）Rf：Rutherfordium （钅卢）（钅卢）QYXAZAZ42n 粒子由两个质子和两个中子组成，带有两个正电荷，粒子由

3、两个质子和两个中子组成，带有两个正电荷，其本质是氦的原子核其本质是氦的原子核n 衰变发生在原子序数大于衰变发生在原子序数大于82的重元素核素的重元素核素n 粒子的速度约为光速的粒子的速度约为光速的 1/10，即万，即万km/s, 2s绕地球周绕地球周n 在空气中的射程约为在空气中的射程约为-cm，在在水中或机水中或机 体内为体内为0.06 - 0.16mm。因其射程短，一张纸即可阻挡。因其射程短，一张纸即可阻挡n 粒子的电离能力很强，能量单一粒子的电离能力很强，能量单一放射性核素的原子核发射出放射性核素的原子核发射出- 粒子的衰变方式称为粒子的衰变方式称为- 衰变。衰变。- 粒子实质上是一个带

4、负电荷的电子。粒子实质上是一个带负电荷的电子。QYXAZAZ1n 粒子实质是带负电荷的电子粒子实质是带负电荷的电子n 衰变后质量数不变，原子序数加衰变后质量数不变，原子序数加n 粒子的能量分布从粒子的能量分布从 0 Qmax，具有连续能，具有连续能谱谱，其，其平均能量约为最大能量的三分之一平均能量约为最大能量的三分之一n 粒子的穿透力比粒子的穿透力比 粒子强，电离能量比粒子强，电离能量比 粒子弱，粒子弱，能被铝和机体吸收能被铝和机体吸收n v表示反中微子（表示反中微子（antineutrino），是一种静，是一种静止止质量质量近似地看作为零的中性粒子近似地看作为零的中性粒子放射性核素的原子核发

5、射出放射性核素的原子核发射出粒子的衰变称为粒子的衰变称为衰变。衰变。 粒子的本质就是带正电荷的粒子的本质就是带正电荷的 电子，因而又称为正电子电子，因而又称为正电子衰变。衰变。189F9188O10At1/2 = 109.8 min+QYXAZAZ1n +粒子实质是带正电荷的电子粒子实质是带正电荷的电子n 衰变后子核质量数不变，但质子数减衰变后子核质量数不变，但质子数减 n +也为连续能谱，能量范围也为连续能谱，能量范围 0 Qmax n天然核素不发生天然核素不发生+ 衰变，只有贫中子的人衰变，只有贫中子的人工工放射性放射性核素才发生核素才发生nv 表示中微子（表示中微子（neutrino），

6、也是一种静止质量近似，也是一种静止质量近似地看做为零的中性粒子地看做为零的中性粒子电子俘获是指母体放射性核素的原子核俘获其轨道电子俘获是指母体放射性核素的原子核俘获其轨道上的一个电子而使核中的一个质子转变为一个中子，同上的一个电子而使核中的一个质子转变为一个中子，同时放出中微子的过程。时放出中微子的过程。 p + e- n + v + Q 发生电子俘获后，轨道上缺少一个电子，留下空位。发生电子俘获后，轨道上缺少一个电子，留下空位。此时，外层轨道上的电子将发生跃迁来填补空位，其多此时，外层轨道上的电子将发生跃迁来填补空位，其多余的能量或以余的能量或以特征特征X射线射线（characteristi

7、c X ray）发射，）发射，或传给另一电子使之获得足够能量而脱离轨道的束缚成或传给另一电子使之获得足够能量而脱离轨道的束缚成为自由电子，该现象称为为自由电子，该现象称为俄歇效应俄歇效应（Augers effect），），该电子称为该电子称为俄歇电子俄歇电子（Augers electron）。）。特征特征X射线射线衰变是指原子核从激发态回复到基态，通过发射衰变是指原子核从激发态回复到基态，通过发射光子释放多余能量的过程。光子释放多余能量的过程。射线的本质是电磁辐射。射线的本质是电磁辐射。在放射性核素发生在放射性核素发生衰变、衰变、衰变或核反应后，形成衰变或核反应后，形成的子体核素处于激发态，当

8、其跃迁到基态或较低能级状的子体核素处于激发态，当其跃迁到基态或较低能级状态时，多余的能量以态时，多余的能量以射线的方式发射，这个过程也称为射线的方式发射，这个过程也称为跃迁（跃迁（ transition ）。当处于激发态的子体核素的半衰）。当处于激发态的子体核素的半衰期大于期大于10-11s时，这种时，这种跃迁又称为跃迁又称为同质异能跃迁同质异能跃迁（isomeric transition）。）。X线与线与射线的性质基本上相同射线的性质基本上相同n 衰变是伴随其它衰变而产生衰变是伴随其它衰变而产生n 衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变改变n

9、 射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱弱n 射线在真空中速度为射线在真空中速度为 300 000 km/s9942Mo57V -66.02hh99m43Tc56o6.02hj9943Tc56Comparison of three decay 粒子粒子 放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新的核素。放射性核素的衰变与周围环境如温度、变成新的核素。放射性核素的衰变与周围环境如温度、压力、湿度等无关。压力、湿度等无关。 放射性原子核并不是同时衰变的。对于某一个原放射性原子核并不是同时衰变的。对于某一个原

10、子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于子核而言，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。原子核数目随时间增长按指数规律减少。衰变常数（衰变常数（decay constant，）的物理意义是表示）的物理意义是表示在放射性核衰变过程中，每个原子核在单位时间内发在放射性核衰变过程中，每个原子核在单位时间内发生衰变的机率。生衰变的机率。 如果说呈指数递减的衰变规律反映了放射性原子如果说呈指数递减的衰变规律反映了放射性原子核衰变的核衰变的“共性共性”，那么衰变常数，则反映了

11、每种放，那么衰变常数，则反映了每种放射性核素的射性核素的“个性个性”。因为，迄今尚未发现任何两种。因为，迄今尚未发现任何两种放射性核素具有相同的衰变常数值。因此放射性核素具有相同的衰变常数值。因此值也就成为值也就成为放射性核素的一个特征参数。放射性核素的一个特征参数。值不受任何因素影响。值不受任何因素影响。 放射性核素的衰变速率通常以放射性核素的衰变速率通常以物理半衰期物理半衰期（physical half time, T1/2）表示，系指在单一的放射性）表示，系指在单一的放射性核素衰变过程中，放射性核素的原子核数目衰变原有核素衰变过程中，放射性核素的原子核数目衰变原有的一半所需要的时间。的一

12、半所需要的时间。 T1/2和和都是描述放射性核素衰都是描述放射性核素衰变速率的特征量，两者关系如下：变速率的特征量，两者关系如下： T1/2 = 0.693/ T1/2长者可达长者可达1010a，短者仅有，短者仅有10-10s。 T1/2 10h的的核素称为短半衰期核素。核素称为短半衰期核素。（biological half-life，Tb）是指）是指生物体内的放射性核素由于生物代谢过程从生物体内的放射性核素由于生物代谢过程从体内排除一半所需要的时间。体内排除一半所需要的时间。（effective half life，Te）是指放）是指放射性核素由于放射性衰变和生物代谢过程两射性核素由于放射性

13、衰变和生物代谢过程两者共同的作用，使体内的放射性减少一半所者共同的作用，使体内的放射性减少一半所需要的时间。需要的时间。例：例：I-131在甲状腺的在甲状腺的Te计算，计算，I-131物理物理T1/2为为8.1天，天， 设设Tb为为7天天： Te = （8.17）/（8.1 + 7） = 3.75天天当衰变的子体核素也为放射性核素时，子体核素也当衰变的子体核素也为放射性核素时，子体核素也会继续衰变，直至变成稳定核素，这种过程称为连续衰会继续衰变，直至变成稳定核素，这种过程称为连续衰变，即级联衰变（变，即级联衰变（cascade decay）。）。 级联衰变的核素目级联衰变的核素目前在临床上常用

14、，如：前在临床上常用，如：99Mo(T1/2=66h) 99mTc(T1/2=6.02h) 99Tc(T1/2=2.12105a) 99Ru113Sn(T1/2 = 115d) 113mIn(T1/2 = 1.66h) 113In9942Mo57V -66.02hh99m43Tc56o6.02hj9943Tc56放射性活度放射性活度（Radioactivity，A）是指在单位时间）是指在单位时间内衰变掉的原子数目，即内衰变掉的原子数目，即A = dN/dt其国际制单位贝可（其国际制单位贝可（Bq，Becquerel），），1Bq表示样品表示样品所含的放射性核素在所含的放射性核素在1秒内发生秒内

15、发生1次核衰变。旧的专用次核衰变。旧的专用单位是居里单位是居里(Curie，Ci)。新旧单位的换算如下：。新旧单位的换算如下：Ci = 3.7 1010Bq = 37 GBqmCi = 3.7 107Bq = 37 MBqCi = 3.7 104Bq = 37 kBqBq = 2.703 10-11Ci放射性活度的计算放射性活度的计算 A = A0 e-t 放射性活度也随时间的增长而呈指数规律减弱。至放射性活度也随时间的增长而呈指数规律减弱。至于减弱的快慢，则随衰变常数于减弱的快慢，则随衰变常数 的大小而定，衰变的大小而定，衰变常数大即半衰期短的放射性核素，放射性活度减弱常数大即半衰期短的放射

16、性核素，放射性活度减弱得很快。得很快。 值得注意的是值得注意的是 两种放射性核素的放射性活度相等，只表示它们两种放射性核素的放射性活度相等，只表示它们在单位时间内发生的核衰变数目相等，并不表示两种在单位时间内发生的核衰变数目相等，并不表示两种放射性核素所发射的射线类型及数目相等，也不表示放射性核素所发射的射线类型及数目相等，也不表示两者所拥有的放射性原子核数目相等。如：两者所拥有的放射性原子核数目相等。如：90Sr- -衰变衰变 T1/2 28.0a单一能量单一能量射线射线89Sr- -衰变衰变 T1/2 50.5d二组二组，一组，一组射线射线85Sr ECT1/2 65.2d三组三组射线射线

17、 放射性比活度放射性比活度（specific radioactivity）,简称简称比活比活度度，是指单位摩尔的放射性物质中所含的放射性活度。，是指单位摩尔的放射性物质中所含的放射性活度。常用单位有常用单位有Bqmol-1，mCimmol-1。当分子量无法确。当分子量无法确定时，也可用单位质量的放射性物质所含有的放射性活定时，也可用单位质量的放射性物质所含有的放射性活度来表示，如度来表示，如Bq/g，mCi/g等。等。 放射性浓度放射性浓度（radioactive concentration）是指单位）是指单位容积的放射性物质中所含有的放射性活度，多用于液体容积的放射性物质中所含有的放射性活度

18、，多用于液体或气体。常用单位有或气体。常用单位有Bq/ml，mCi/ml等。等。电离作用电离作用是指带电粒子作用于物质，与轨道电子产是指带电粒子作用于物质，与轨道电子产生静电作用，使其获得能量从原子中逸出，成为带负电生静电作用，使其获得能量从原子中逸出，成为带负电荷的自由电子，而原子则变成带正电荷的离子，形成正荷的自由电子，而原子则变成带正电荷的离子，形成正负离子对。负离子对。Charged particlee-Ion pairsSecondary ionization33.85 eV 在电离过程中，带电粒子本身动能减少，但继续在电离过程中，带电粒子本身动能减少，但继续在物质中行进，还可发生第

19、二次、第三次乃至多次类在物质中行进，还可发生第二次、第三次乃至多次类似的效应直到动能消耗完毕。这是带电粒子的似的效应直到动能消耗完毕。这是带电粒子的初级电初级电离离或直接电离效应。或直接电离效应。 初级电离所形成的电子称作初级电离所形成的电子称作电子，通常有较高电子，通常有较高的动能，可在物质中行进继续引起物质电离，称为的动能，可在物质中行进继续引起物质电离，称为次次级电离级电离。 通常，次级电离占总电离的通常，次级电离占总电离的60%80%。 带电粒子引起电离作用的结果是在它经过的路径带电粒子引起电离作用的结果是在它经过的路径四周形成许多离子对。四周形成许多离子对。 在单位路径长度上形成的离

20、子对数目称为在单位路径长度上形成的离子对数目称为电离密电离密度度（ionization density ）或称）或称比电离比电离（specific ionization），它是衡量射线粒子电离能力的指标。），它是衡量射线粒子电离能力的指标。 决定电离密度大小的因素有三个方面：带电粒子决定电离密度大小的因素有三个方面：带电粒子所带的电荷量、粒子行进的速率和被带电粒子作用的所带的电荷量、粒子行进的速率和被带电粒子作用的物质密度。物质密度。带电粒子作用于物质时，如果轨道电子获得的能量带电粒子作用于物质时，如果轨道电子获得的能量不足以克服原子核对它的束缚，只能从内层轨道跃迁到不足以克服原子核对它的束缚

21、，只能从内层轨道跃迁到外层轨道，使原子从稳定状态变成激发状态，这种效应外层轨道，使原子从稳定状态变成激发状态，这种效应称为称为激发作用激发作用（excitation）。被激发的原子很不稳定，）。被激发的原子很不稳定，退激时可释放光子或热量。退激时可释放光子或热量。 电离和激发是射线探测器测量射线的物质基础，也电离和激发是射线探测器测量射线的物质基础，也是射线引起辐射生物效应的主要机制。是射线引起辐射生物效应的主要机制。Charged particleX ray (deexcitation)当入射粒子通过介质的原子时，受原子核静电场的当入射粒子通过介质的原子时，受原子核静电场的作用，使入射粒子的

22、运动方向发生偏转，这种现象称为作用，使入射粒子的运动方向发生偏转，这种现象称为散射散射（scattering ）。）。 散射有两种情况，一种是在带电粒子引起电离或激散射有两种情况，一种是在带电粒子引起电离或激发时，物质向带电粒子发出的反作用，使带电粒子的继发时，物质向带电粒子发出的反作用，使带电粒子的继续行进偏离了原来的方向。另一种是由原子核的库仑电续行进偏离了原来的方向。另一种是由原子核的库仑电场引起，入射粒子的动能不变但是行进路线却改变方向，场引起，入射粒子的动能不变但是行进路线却改变方向，即所谓的即所谓的弹性散射弹性散射(elastic scattering)。当快速运动的入射粒子通过介

23、质时，由于受到原子当快速运动的入射粒子通过介质时，由于受到原子核静电场的作用，运动速度突然降低，这时入射粒子的核静电场的作用，运动速度突然降低，这时入射粒子的运动方向发生偏转，部分或全部动能转变为具有连续能运动方向发生偏转，部分或全部动能转变为具有连续能谱的电磁辐射，称为谱的电磁辐射，称为韧致辐射韧致辐射（bremsstrahlung）。）。 韧致辐射的发生率除了与带电粒子的能量有关外，韧致辐射的发生率除了与带电粒子的能量有关外，还与吸收物质的原子序数的平方成正比，与带电粒子质还与吸收物质的原子序数的平方成正比，与带电粒子质量的平方成反比。量的平方成反比。带电粒子引起电离和激发的同时逐步损失能

24、量，当带电粒子引起电离和激发的同时逐步损失能量，当其动能全部或接近全部消失时，会与周围物质发生一些其动能全部或接近全部消失时，会与周围物质发生一些特殊的作用，如特殊的作用，如+湮没、湮没、-韧致辐射或成为自由电子等，韧致辐射或成为自由电子等，其结果是原来的射线不再存在，这一现象称为射线的其结果是原来的射线不再存在，这一现象称为射线的吸吸收收(absorption)。 射线从入射到完全消失所行经的直线距离称为射线射线从入射到完全消失所行经的直线距离称为射线的的射程射程（range）。）。 粒子失去全部动能后，俘获两个自由电子而成为粒子失去全部动能后，俘获两个自由电子而成为中性的氦原子。中性的氦原

25、子。 粒子质量大，电荷多，初速度小，电粒子质量大，电荷多，初速度小，电离能力极强，故在物质中射程极短。（离能力极强，故在物质中射程极短。（3MeV : RA 16mm, RT 0.02mm） - -粒子最终成为自由电子停留在物质中；粒子最终成为自由电子停留在物质中；+ +粒子粒子则通过湮没辐射作用而消失。由于则通过湮没辐射作用而消失。由于能谱是能谱是 0 Emax的的连续能谱，故各粒子的射程也不一致。所谓连续能谱，故各粒子的射程也不一致。所谓射线的射射线的射程即是其最大射程，用程即是其最大射程，用Rm表示。表示。 射线、湮没辐射、韧致辐射和特征射线、湮没辐射、韧致辐射和特征X射线等，虽射线等，

26、虽然它们的起源不一，能量大小不等，但都属电磁辐射，然它们的起源不一，能量大小不等，但都属电磁辐射，都是中性光子流。电磁辐射与物质相互作用的机制，都是中性光子流。电磁辐射与物质相互作用的机制，一般与这些电磁辐射的来源无关，只与它们的能量有一般与这些电磁辐射的来源无关，只与它们的能量有关。关。 光子与物质相互作用，主要通过光子与物质相互作用，主要通过光电效应光电效应、康普康普顿效应顿效应和和电子对形成电子对形成所产生的次级电子，引起次级电所产生的次级电子，引起次级电离和激发。离和激发。当入射光子与物质原子中的轨道电子作用时，光子当入射光子与物质原子中的轨道电子作用时，光子把全部能量移交给某个轨道电

27、子把全部能量移交给某个轨道电子(主要是主要是K层电子层电子)使之成使之成为光电子，然后脱离轨道发射出去成为自由电子，而为光电子，然后脱离轨道发射出去成为自由电子，而光光子本身消失，这种现象称为子本身消失，这种现象称为光电效应光电效应（photoelectric effect）。）。 光电子具有一定的动能，可引起其他原子发生次级光电子具有一定的动能，可引起其他原子发生次级电离。同时，发射光电子的原子内层电子出现空位，故电离。同时，发射光电子的原子内层电子出现空位，故可发射特征性可发射特征性X线。线。n光子的能量一部分消耗于光电子脱离原子束缚（即光子的能量一部分消耗于光电子脱离原子束缚（即克服核外

28、电子的结合能），另一部分就作为光电子的克服核外电子的结合能），另一部分就作为光电子的动能。动能。nK 层电子发生光电效应的几率最大，其他层也可发生。层电子发生光电效应的几率最大，其他层也可发生。n自由电子不能吸收入射光子能量成为光电子。自由电子不能吸收入射光子能量成为光电子。n当光子的能量小于当光子的能量小于0.5MeV时，在高原子序数的材料中时，在高原子序数的材料中产生光电效应的可能性最大，很容易屏蔽电磁辐射。产生光电效应的可能性最大，很容易屏蔽电磁辐射。当入射光子和原子中的一个电子发生弹性碰撞时，当入射光子和原子中的一个电子发生弹性碰撞时，入射光子只将部分能量交给轨道电子并使其脱离轨道而入

29、射光子只将部分能量交给轨道电子并使其脱离轨道而释放，而入射光子本身则成为能量较低的散射光子并与释放，而入射光子本身则成为能量较低的散射光子并与自己初始运动方向成自己初始运动方向成角而运动，这种现象称为角而运动，这种现象称为康普顿效康普顿效应应（Compton effect），所产生的电子称为康普顿电子。），所产生的电子称为康普顿电子。 康普顿效应总是发生在束缚最松的外层电子上。康康普顿效应总是发生在束缚最松的外层电子上。康普顿效应发生的几率与光子的能量和介质的密度有关。普顿效应发生的几率与光子的能量和介质的密度有关。当入射光子的能量大于两个电子的静止质量（即大当入射光子的能量大于两个电子的静止

30、质量（即大于于1.02MeV）时，在原子核静电场作用下，入射光子的）时，在原子核静电场作用下，入射光子的能量可全部被吸收而产生一对电子（正电子和负电子），能量可全部被吸收而产生一对电子（正电子和负电子），光子本身消失，这一过程称为光子本身消失，这一过程称为电子对形成电子对形成（electron pair production）。超过）。超过1.02MeV的多余能量将转化为正、负的多余能量将转化为正、负电子的动能。电子的动能。 电子对形成的几率与原子序数的平方成正比。一般电子对形成的几率与原子序数的平方成正比。一般常用的常用的射线和射线和X线能量较低，几乎不发生电子对生成。线能量较低，几乎不发生电子对生成。 射线与物质的原子一旦发生上述三种相互作用，射线与物质的原子一旦发生上述三种相互作用，光子或者给出全部能量而消失，或者散射后能量减少，光子或者给出全部能量而消失，或者散射后能量减少，直至最后能量完全消失。由于物质中各原子间存在间隙，直至最后能量完全消失。由于物质中各原子间存在间隙，而而 射线又必须直接和电子碰撞才发生效应，所以理论射线又必须直接和电子碰撞才发生效应，所以理论上它的射程是无穷远，只是在行进过程中逐步减