第一章 核物理基础1

核物理基础基本概念元素(Element)核素(Nuclide)

同位素(Isotope)

同质异能素(Isomer)原子核的不稳定性及衰变方式本底(Background)元素（Element）：

具有相同核电荷数的同一类原子的总称。只要原子具有相同的原子序数，则这类原子的化学性质基本相同。核物理基础核物理基础核素

(Nuclide)具有一定原子序数及质量数的原子称为一种核素。如1H，2H，3H，12C，198Au表示不同的核素。zAX，其中X为化学符号，A代表核的质量数，Z原子序数。核物理基础同位素

(Isotope)核内质子数相同而中子数不同的核素称为同位素。如1H，2H，3H互称为同位素。核物理基础同质异能素

(Isomer)具有相同核内中子数和质子数，所处不同核能态的核素互为同质异能素。如99m43Tc和9943Tc，两者的能级不同，前者处于激发态，后者处于基态。其中上角所示m，表示核素处于激发态。

核素的分类或自发的发生核能态的变化并伴有射线的发射。稳定性核素：原子核稳定,不会发生衰变的核素质子和中子数一直不变。不稳定性核素（放射性核素）：原子核处于不稳定状态,需要通过核内结构或能级调整才趋于稳定的核素，能自发的转变为其它原子核核物理基础核的不稳定性及衰变方式

α衰变(Alphadecay)

138n88p136n86p2n2pRa镭22688Rn氡22286zAXZ-2A-4X+24He+Qα粒子质量大、带电荷、射程短（几厘米），穿透力弱、容易屏蔽不合适作显像电离作用强对附近的生物组织损伤严重β-衰变(Betadecay)8n6p7n7pC146N147核物理基础β-中子转化为质子β-高速运动的电子流β-粒子穿透力不强，厘米水平，多用于治疗正电子(β+)衰变5n6p6n5pC116B115β+

核物理基础β+是释放正电子的衰变射程仅为1-2mm，正电子发生湮没辐射,用于PET显像俘获核外轨道电子使核内质子转变成一个中子和放出一个中微子的过程轨道之间的能量差转化成特征X线释放出来,或者传给更外层轨电子,使之脱离轨道而释出,这种电子称俄歇电子γ衰变(γdecay)

78n53p77n54pI13153Xe氙13154β-γ核物理基础原子核从激发态回复到基态，以发射γ光子释放过剩的能量。γ光子不带电荷，运动速度快，穿透力强，局部组织作用较弱，适合体外显像衰变规律放射性活度以单位时间内的核衰变数来表示(A)。单位：贝可勒尔(Becquerel,Bq)，1Bq表示放射性核素在1秒内发生一次核衰变。

原有单位为居里(Ci)，1Ci=3.7×1010Bq

KBqMBqmCiuCiA=λN,λ为衰变常数,表示单位时间内衰变核数目占当时放射性数目的比率。λ＝0.02/s=2%/s,表示1秒钟内有2%的核衰变。半衰期

(halflife)

物理半衰期(physicalhalflife,T1/2)：放射性活度减弱一半所需要的时间。半衰期

(halflife)生物半衰期(bioloicalhalflife,Tb)：

因生物代谢过程致使该元素在此系统中的量减少一半所需要的时间。半衰期

(halflife)有效半衰期(effectivehalflife,Te)：

放射性核素活度由于放射性衰变和生化代谢过程共同作用减少到原来的一半所需的时间。它们之间有如下关系：物理半衰期 T1/2生物半衰期 Tb有效半衰期 Te射线与物质的相互作用带电子与物质的相互作用

1.电离与激发2.散射3.韧致辐射4.湮没辐射：正电子衰变产生的正电子具有一定动能能在介质中运行一定的距离，当其能量耗尽时与物质中的自由电子结合，而转化成两个方向相反、能量为0.511MeV的r光子而只身消失。X、γ射线与物质的相互作用

1.光电效应2.康普顿效应3.电子对生成核药学基础

什么是放射性药物放射性药物的特点放射性核素的生产方式常用的放射性药物的种类

放射性药物

Radiopharmaceutical药物分子内含有放射性核素的化学制剂或生物制剂称为放射性药物

放射性核素显像和治疗时利用射线可被探测及其辐射作用；具有一般药物所具有的特性，生物学性能决定其在体内分布而达到靶向作用，能选择性聚集在病变组织。放射性药物的特点

1．具有放射性

放射性药物具有放射性，因而它具有特定的核物理如物理半衰期，核放射化学如放射化学纯度等特征。

2．载体量少

被标记的载体如化学物质、药物、抗体等量少,但决定了该放射性药物的生理、化学特性。放射性核素的生产方式医用放射性核素都是通过人工核反应来制备的简单化合物，通常由①反应堆(Reactor)：131I，99Mo②加速器(Accelerator)：201Tl③从裂变产物中提取和放射性核素发生器(Generator)淋洗:99mTc,188Re三种途径生产。原子反应堆回旋加速器(Cyclotron)发生器(母牛)放射性药物的聚集取决于所观察部位的血流、细胞功能、细胞的数量、代谢和排泄引流的情况。不仅反应形态变化，更重要的是提供了脏器或器官的血流、功能、代谢和受体等方面的信息，所以有分子核医学之称。有助于疾病的早期诊断。放射性核素显像的特点理想的生物学特性定位性能生物半排期γ光子（100-300kev），穿透力强，容易被仪器在体外探测到；γ光子电力密度低，对机体电离辐射小99mTc：140kev，T1/26.02h诊断用放射性药物具备的条件理想的核物理性能射线的种类：具有穿透力γ射线γ射线能量：100~300keV为宜物理半衰期：几个小时为宜易于标记和获得基于以上条件临床上广泛使用的是99mTc诊断用放射性药物具备的条件常用的放射性药物的种类99mTc-ECD

用于脑显像99mTc-MDP

用于骨显像99mTc-MIBI用于心肌显像201Tl用于心肌显像99mTc-DTPA用于肾小球率过肾像99mTc-DMSA用于肾静态显像99mTc(V)-DMSA软组织肿瘤显像99mTc-RBC血池显像99mTc-MAA

肺灌注显像99mTc-SC肝、脾、骨髓、淋巴系统显像理想的核物理性能半衰期较长的β-粒子为宜理想的生物学性能定位性能排泄治疗用放射性药物具备的条件载体定位的机制1、特异性底物同位素化合物Na131I代谢性陷入18F-FDG酶抑制剂或酶底物神经介质或受体结合的生化物质抗原抗体特异性结合2、非特异性底物通道、灌注和生物分布区弥散与外漏特殊价态物质化学吸附微血管栓塞和拦截排泄和排除放射性核素的安全防护临床核医学所使用的放射性核素直接暴露在工作环境中，称开放型放射性工作。工作人员既可能受工作环境射线照射（外照射），也可能因污染使放射性核素误入体内，而受到射线的内照射。因此放射性核素安全防护的基本要求在于一方面要防止射线的外照射，另一方面要避免放射性核素误入体内引起射线的内照射。

放射性核素的安全防护

外照射防护内照射防护外照射防护措施照射量（X）与放射源的活度（A）、受照时间（T）成正比，与照射距离（R）的平方成反比。式中γ为放射性核素的照射率常数外照射的三大防护措施采用屏蔽缩短操作时间

增加操作距离

屏蔽防护设置一定厚度屏蔽物以减少机体受到放射性物质辐射的能量，称为屏蔽防护。不同的射线应选择不同密度的物质作屏蔽材料，并具有一定厚度。时间防护人员受照的累积剂量与照射时间成正比关系。故一切操作应力求熟练、迅速与正确。距离防护照射量（X）与离辐射源的距离平方成反比关系。故离辐射源的距离增加一倍，受到的照射量减为原来的1/4。所以在实际工作中常用长柄钳、机械手进行操作。内照射防护措施内照射防护措施的要点是防止放射性物质通过食入、吸入或经过损伤的皮肤或粘膜进入体内。正确使用原则1、正当性判断2、最优化分析3、在确保显像或治疗效果前提下使用放射性剂量尽量小：（1）诊断检查时尽量采用先进的测量和显像设备。

（2）采用必要的保护。（3）对小儿、孕妇、哺乳妇女、育龄妇女应用放射性药物要从严考虑。小儿原则育龄妇女原则放射性药物与其他药物相互作用不良反应核医学显像仪器概述核医学仪器

核医学诊疗、防护需要的各种核辐射或射线探测仪器,主要由射线探测器、电子测量装置和计算机等组成。常用仪器

各种放射性探测仪器、显像仪器、剂量仪和防护用仪器等。发展史

盖革弥勒计数器

扫描机

相机

发射型计算机断层显像仪(ECT)ECT+CT核医学显像仪器

NMImagingInstrumentsγ照相机Gammacamera（γ光子使碘化钠晶体分子激发产生荧光）单光子发射计算机断层（SPECT）

SinglePhotonEmissionComputedTomography（γ照相机和计算机系统组成）正电子发射计算机断层（PET）

PositronEmissionTomograghy

电子准直：利用湮没辐射和两个相对探头做符合测量对射线进行限束的技术PET/CT

第一节

闪烁探测器

scintillationdetector

一、结构与原理

NaI(Tl)crystal,photomultiplier(PMT),pre-amplitier

为能量转换器，将探测到的射线能量转换成可以记录的电脉冲信号闪烁荧光photoelectriceffect电子数倍增电子流(电位降)

一个入射光子产生一个闪烁事件产生一个脉冲

Basicprincipleofscintillationdetector二、应用

主要应用于血、尿等各类组织样品及体外分析标本的放射性测量1957年Anger研制出第一台γ照相机，称之为Anger照相机，1963年在日内瓦原子能和平会议上展出。它克服了逐点扫描打印的不足，使核医学显像走向现代化阶段

（一）结构与原理

组成：探头,机架,电子学线路,计算机,显示系统装置

原理：探测到光子经电子学线路分析形成脉冲信号，经计算机采集,

处理,最后以不同灰度或色阶显示二维脏器显影或放射性分布

（二）应用

各种脏器静态显像，快速连续动态显像，附有特殊装置，可进行全身显像

第二节

显像仪器一、相机

二、SPECTDavidKuhl1959年用双探头的扫描机进行断层扫描，并进一步研制和完善断层显像仪器，使得SPECT和PET成为核医学显像的主要方法单光子计算机发射断层显像仪singlephotonemissioncomputedtomography（一）结构与原理

组成：在高性能相机上增加了支架旋转的机械部分、断层床、图像重建软件原理：探头围绕受检对象或部位呈180和/或360旋转， 从多角度、多方位采集一系列平面投影像，经计算 机图像处理系统重建获 得横断层面、冠状面和 矢状面影像。目前已发展到双探头、三探头，且增加了新的功能（二）应用

各种脏器动静态断层显像及全身显像

为核医学最广泛应用的显像仪器符合线路SPECT

GEHawkEye利用正电子湮灭辐射(annihilationradiation)时产生的两个方向相反(180)、能量各为511keV的光子在瞬间被两个互相朝向或多个探头的探测，进行符合探测正电子成像。多探头接收电子准直符合窗时间一、结构与原理主要由可变角双或三探头SPECT系统、符合线路探测技术和衰减校正装置，可以进行正电子显像二、应用

SPECT功能和半衰期较长的正电子符合探测断层显像电子准直：利用湮没辐射和两个相对探头做符合测量对射线进行限束的技术图像融合是指不同图像(SPECT,PET,CT,MRI)之间的空间配准或结合。利用各种成像方式的特点，为不同的影像提供互补信息，增加图像质量，以期对临床诊断和治疗的定位、观察提供有效的方法。SPECT配置高能准直器一种单光子探测方式。主要用于心肌锝[99mTc]-MIBI

心肌血流灌注和氟[18F]-FDG心肌代谢断层显像。SPECT配置1英寸晶体技术

1英寸厚碘化钠晶体特殊切割小槽优势

最大限度提高高能灵敏度提高中能灵敏度最大限度减少低能探测的散射作用1英寸切割晶体符合线路SPECT18F-FDG显像（冠状面）

1英寸切割晶体符合线路SPECT99mTc-MDP全身骨显像

前位后位肺部肿物SPECT/CT同时提供功能血流灌注、代谢影像和解剖形态结构影像，为临床提供科学诊断依据三、PET发射

+正电子放射性核素在体内经湮灭辐射产生两个能量相同、方向相反的511keV

光子同时入射至互成180环绕人体的多个探测器而被接收，把这些光子对按不同的角度分组，可获得放射性核素分布在各个角度的投影。常用发射正电子核素主要有：18F、碳[11C]、氧[15O]、氮[13N]、嗅[76Br]等。511KeVGammaRay511KeVGammaRay+-

DD（一）结构与原理

PET主要由探测系统包括晶体、电子准直、符合线路和飞行技术，计算机数据处理系统，图像显示和断层床等组成。正电子发射计算机断层显像仪，positronemissiontomography（二）应用动静态断层显像、定量分析，是肿瘤、神经和心血管疾病诊断与临床医学研究应用的重要设备。目前最先进的PET是探头多环型、模块和3D结构。探头晶体除外经典锗酸铋（BGO），已推出硅酸镥（LSO）硅酸钆（GSO）和混合型晶体，如LYSO。近年来，PET与CT合二为一的显像设备问世，称之PET/CTPET/CT以PET特性为主，同时将PET影像叠加在CT图像上，使得PET影像更加直观，解剖定位更加准确。

女性患者，50yr，非霍奇金病8年。CT(上):左腋下腺病；PET-FDG(中):CT见病变部位呈明显局限性异常FDG摄取增高；PET/CT(下):病变组织的功能代谢状况和定位明确功能测定仪甲状腺功能测定仪肾图仪第三节功能测定仪功能测定仪由一个或多个探头、电子线路、计算机和记录显示装置组成。其对射线的探测原理见上述闪烁探测器。（一）甲状腺功能测定仪采用带张角型准直器的闪烁探头和定标器组合的装置。应用

甲状腺摄碘功能测定。a：正常志愿者b：甲亢c：甲亢高峰前移d：甲低（二）肾图仪

肾图仪由带铅屏蔽壳和准直器的闪烁探头和计数率仪的微机组成。将检查时获得肾图曲线相应计数率和参数结果记录并打印在报告纸上。应用

对上尿路通畅情况和肾功能作出判断。第四节其他一、液体闪烁计数器

液体闪烁计数器（liquidscintillationcounter）是使用液体闪烁体（闪烁液）接受射线并转换成荧光光子的放射性测量仪。主要测量3H、14C等发射低能β-射线的放射性核素，例如用于14C-尿素呼气试验测幽门螺杆菌和由于实验核医学研究。

液体闪烁计数器二、活度计活度计（radioactivitycalibrator）是用于测量并直接给出放射性药物或试剂所含放射性活度的一种专用放射性计量仪器。它主要由探头、后续电路、显示器及计算机系统组成。

活度计国家规定惟一强制检定的计量工具三、污染、剂量监测仪主要用于放射防护。表面污染监测仪用于对工作人员体表、衣物表面和工作场所有无放射性沾染的检测。剂量监测仪用于测量工作场所的照射剂量和放射性工作人员的吸收剂量。

个人剂量监测仪是用来测量个人接受外照射剂量的仪器，其射线探测器部分体积较小，以佩带在人体的适当部位。主要有

①笔式剂量仪，又称个人剂量笔，是一种专门用于监测个人接受剂量的袖珍剂量仪。

②胶片剂量计使受照射胶片产生潜影，经显影、定影处理后用黑度计测量胶片的变黑程度，黑度与受照射剂量成正比，以此度量受照射剂量的大小。

③热释光剂量仪称为热致发光体的固体发光材料作为射线探测元件。扫描机核医学史上最早的扫描机最早的伽玛相机伽玛相机单探头双探头SPECTPET原理：以脏器内、外或脏器与病变之间的放射性浓度差为基础的脏器或病变的显像方法。条件：显像设备能够分辨其差别放射性药物能够选择性的分布放射性核素显像的原理具有多种动态显像方式，使脏器和病变的血流情况得以动态而定量的显示，有助于疾病的早期诊断。因为一些放射性药物可以与病变或脏器可以特异性的结合，所以诊断具有特异性。放射性核素显像的特点功能显像化学显像代谢显像分子显像显像剂浓聚机制组织代谢细胞吞噬循环通路（流经通道；血流灌注；微血管暂时性栓塞；血池分布）选择性摄取浓聚特异性结合选择性排泄通透弥散细胞拦截化学吸附和离子交换显像的方式和种类静态显像与动态显像（前者反应形态学改变后者反应血流和排泄等信息）局部与全身显像平面与断层显像阳性与阴性显像早期与延迟显像静息与负荷显像静态显像与动态显像平面与断层显像图像分析方法目测法静态显像：位置形态大小放射性分布对称性动态显像：显像顺序时相变化断层显像：各断层解剖结构形态大小放射性分布半定量分析方法定量分析方法体外检查法体外放射分析是一组超微量体外分析技术，称为“放射配体结合分析”。它是利用某特异性结合剂与被测物和标记物进行竞争或非竞争的结合反应，以便对极微量物质进行定量分析的一类分析技术。具有灵敏度高、特异性强、操作简便等优点，已被广泛用于临床诊断和医学研究。配体结合分析配体结合分析的基本原理是结合分析。分成竞争性结合和非竞争性结合两大类。竞争性结合竞争性结合是经典的放射免疫分析法的基本原理。标记抗原和非标记抗原对抗体具有相同的结合能力，但是当抗体的量有限时，这种结合就会出现相互竞争、相互抑制。放射免疫分析法（RIA)原理：以放射性核素标记的抗原为失踪剂，以非标记抗原为检测对象，共同与限量的特异性抗体进行竞争性结合反应。竞争性结合竞争性结合以下式表示:+*Ag*Ag·AbAg+AbAg·Ab竞争性结合该反应遵循质量作用定律，即标记抗原和非标记抗原与抗体结合能力决定与两者的浓度的比例。标记抗原的结合率，将随未标记抗原量的增加而减少，呈负相关关系。测定一系列已知浓度的标记抗原值后绘成标准曲线，就可以读出未知抗原的浓度。非竞争性结合结合剂的结合位点是过量的，反应是在非竞争状态下进行的，待测配体全量参与反应，其灵敏度更高。主要有免疫放射分析（IRMA)、受体放射分析、酶的放射化学测定等肿瘤标志物（TumorMarkers）:

指在正常人体内仅微量或在出生后某一特定时期存在，而在出现肿瘤时其浓度可增加的物质，在已知其特异性及敏感性后，可作为肿瘤的监测的指标。测定方法

放射免疫分析酶免疫分析发光免疫分析荧光免疫分析

常用肿瘤标志物

胚胎性抗原1、AFP:AFP显著升高一般提示原发性肝癌，70％以上的患者AFP升高，但未发现与肿瘤大小，恶性程度有关。此外，AFP与原发肝癌的预后密切相关，越是晚期，升高越明显。在酒精性肝硬化、急肝炎均可升高，但为中度升高。孕妇血清AFP升高明显提示胎儿脊柱裂、无脑征或多胎，降低（结合孕妇年龄）提示胎儿有Downs综合症的危险。2、癌胚抗原CEA：结肠癌患者大多阳性与肿瘤大小、有无转移存在一定关系。结肠癌（60－90％）、胃癌（66－90％）、胰腺癌（70－80％）、肺癌（50－80％）、肝癌（60－70％）、乳腺癌（40－70％）。但在溃疡性结肠炎、酒精性肝硬化、长期吸烟者均可升高糖类抗原（CA）：是游离于细胞膜表面及存在细胞间液的糖链，遍布体内许多肿瘤组织中。CA19-9：是一种低聚类糖，类似从胎盘或某些肿瘤中所得到的糖脂，是肿瘤病人血清中一种类粘蛋白的糖蛋白成份，在消化道肿瘤上皮含量最高，是胃肠道恶性肿瘤的相关抗原。对胰腺癌及胆系恶性肿瘤特异性较好，检出率分别为75％、72％CA19-9测定可有助于对胰腺癌与胰腺炎的诊断鉴别，可作为胰腺癌诊断指征及术后预后和复发有重要临床意义。CA-50：是现在使用最多的糖类抗原肿瘤标志物，它是从结肠癌细胞株经杂交瘤技术获得的单克隆抗体，主要由唾液糖酯和唾液酸糖蛋白组成，可从不同组织的原发或转移癌中分离出来，而正常组织中不存在。CA-50在各种上皮类恶性肿瘤中常出现升高。CA15-3：是人类乳房肿瘤相关抗原，有较强的器官特异性，乳腺癌患者血清可明显升高，敏感性优于CEA，CA15-3水平与患者生存期无关，但对乳腺癌疗效监测及复发转移判断有价值。对术后复发CA15-3阳性检出率较高（75.9%）可早期发现复发患者。CA125：是胚胎发育期腺上皮表达的一种糖蛋白，在正常成人的上皮组织中（如子宫内膜）存在微量，但正常卵巢中不存在CA125。CA125对卵巢癌诊断特异性高，灵敏度好，且CA125的水平与患者病情密切相关，术后CA125水平仍大于35U/ml，提示有残留病灶，术后CA125再度升高，应视为复发转移。乳腺癌患者中血清CA125升高可达40%。CY21-1（非小细胞肺癌抗原）：是细胞角蛋白19的片段，可用2种特异单克隆抗体Ks19.1和BM19.21对CK19进行测定。细胞角蛋白CK19是一种酸性多肽，主要分布在单层上皮细胞，如肺泡，肠，胰，胆囊，子宫内膜及输卵管。对早期诊断非小细胞肺癌（尤其鳞癌）、疗效观测、预后监测有重要意义，检出率为49%，也可以监测横纹肌浸润性膀胱癌的病程。。NSE（神经元特异性烯醇化酶）：升高见于小细胞肺癌、神经母细胞癌、支气管癌、精原细胞癌、良性肺病和中枢神经系统疾病。是监测小细胞肺癌的首选标志物。前列腺酸性磷酸酶（PAP）及前列腺特异抗原（PSA）PAP是肿瘤产生的酶标志物，系由成熟的前列腺上皮细胞所合成分泌的糖蛋白，前列腺癌时癌细胞产生的PAP由于无导管或腺体导管为癌细胞所破坏而直接入血，导致血清PAP升高。

PSA是一种单体糖蛋白。tPSA一般提示前列腺（前列腺炎、前列腺增生、前列腺癌等）存在病变。fPSA和t

PSA联合检测鉴别前列腺良恶性疾病。f

PSA和tPSA比值﹤10%要考虑前列腺癌的可能。PSA是前列腺癌诊断，分期，疗效监