第九章 原子核物理及核医学成像的物理原理课件

原子核物理及核医学成像的物理原理第九章原子核物理及核医学成像的物理原理本章要求：1、掌握原子核的基本性质和衰变类2、掌握原子核的衰变规律和应用3、认识了解核医学成像的物理原理第九章原子核物理及核医学成像的物理原理原子中存在一个带正电的核心，即原子核。原子的绝大部分质量集中在原子核。1.原子核（atomicnucleus)一.原子核的组成(Formationofatomicnucleus)1第一节原子核的基本性质实验和理论证明了原子核是由质子和中子组成的。质子和中子统称为核子(nucleon)。2.质子和中子

（protonandneutron)第九章原子核物理及核医学成像的物理原理3.核素（nuclide)一.原子核的组成(Formationofatomicnucleus)2第一节原子核的基本性质具有确定的质子数和中子数所对应的原子统称为核素

。通常用来表示核素。X表示元素的化学符号，A表示核的质量数（核子总数），Z表示核内质子数（正电荷数或原子序数），因此,（A－Z）为核内的中子数。例如，第九章原子核物理及核医学成像的物理原理3第一节原子核的基本性质1.原子质量单位二.原子核的质量(Thequalityofthenucleus)原子质量单位：（等于原子质量的1/12

）质子用p表示，其质量：中子用n表示，其质量

：第九章原子核物理及核医学成像的物理原理4第一节原子核的基本性质核力与电荷无关

核力是短程强吸引力

核力具有饱和性2.核力（nuclearforce）核力是将质子和中子结合在一起的特殊力，具有如下重要特征第九章原子核物理及核医学成像的物理原理三.原子核的组成原子核的核半径R与核质量数A的近似关系:5第一节原子核的基本性质核半径是指核力的作用范围或核内电荷分布的范围，而不是几何半径。通常取R约为10-15m~10-14m第九章原子核物理及核医学成像的物理原理6第一节原子核的基本性质原子核的平均密度:原子核的质量Au近似为原子质量m，原子核的体积，原子核的平均密度ρ为:第九章原子核物理及核医学成像的物理原理已发现的核素已超过1600种，其中绝大部分都是不稳定的放射性核素(radioactivenuclide)。7第一节原子核的基本性质四.原子核的稳定性

平均结合能：1.原子核的稳定性式中，分别表示质子数和中子数，，，分别表示质子、中子和原子核的质量。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理8第一节原子核的基本性质1.原子核的稳定性平均结合能的大小表示原子核结合的松紧程度，平均结合能越大，则原子核分解为单个核子所需的能量就越大，原子核就越稳定。天然存在的原子核中，质量数较小的轻核和质量数较大的重核，其平均结合能比质量数中等的核小。重核分裂成中等质量的核，会放出能量。轻核聚变为较重质量的核，也会放出大量的能量来。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理9第一节原子核的基本性质质量亏损：1.原子核的稳定性原子核的结合能在数值上等于质量亏损释放出的能量

第九章原子核物理及核医学成像的物理原理10第一节原子核的基本性质同位素(isotope)：具有质子数(Z)相同而质量数

（A）不同的核素2.核素、同位素、丰度、同量异位素、同核异能素

丰度（isotopeabundance）：同位素占该元素

总量的百分数同量异位素(isobar)：质量数（A）相同而质子

数(Z)不同的原子核同核异能素（isomer）：质量数（A）和质子数(Z)均相同而处于不同能量状态的核素第九章原子核物理及核医学成像的物理原理11第一节原子核的基本性质中子数与质子数之间的比例关系3.影响原子核稳定性的主要因素

核子数的奇偶性重核的稳定性)第九章原子核物理及核医学成像的物理原理1第二节原子核的衰变

放射性核素自发地放出射线或粒子变为另一种核素的过程称为原子核衰变，简称核衰变。衰变类型主要有三种：α衰变β衰变

γ衰变第九章原子核物理及核医学成像的物理原理2第二节原子核的衰变一.α衰变

放射性核素放出α粒子而衰变为另一种核素的衰变过程，称为α衰变如镭衰变成氡

的过程：第九章原子核物理及核医学成像的物理原理3第二节原子核的衰变二.β衰变

原子核内释放出电子或正电子的衰变过程统称为β衰变过程。β衰变包括三种形式：

β－衰变、β＋衰变、电子俘获。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理4第二节原子核的衰变例如：一般过程为：1.β－衰变

衰变时，母核X放出一个负电子而转变成子核Y，子核的电荷数比母核增加1，质量数不变。是中微子，它不带电，其静止质量基本为零第九章原子核物理及核医学成像的物理原理5第二节原子核的衰变例如：一般过程为：2.β＋衰变

衰变时，母核X放出一个正电子而转变成子核Y，子核的电荷数比母核减少1，质量数不变。是中微子，它不带电，其静止质量基本为零第九章原子核物理及核医学成像的物理原理6第二节原子核的衰变例如：一般过程为：3.电子俘获

衰变时，原子核俘获一个核外电子，同时放出一个中微子，使核内一个质子转变为中子电子俘获过程会辐射标识X射线或俄歇电子。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理7第二节原子核的衰变三.γ衰变和内转换一般过程为：

处于高能态的原子核跃迁到低能态或基态时放出γ射线的过程称为γ衰变，又叫γ跃迁。

有些原子核从激发态向较低能态或基态跃迁时，将多余的能量直接传递给核外的内层电子，使其成为自由电子，称为内转换(internalconversion)

核素发射内转换电子时也会辐射标识X射线或俄歇电子。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理8第二节原子核的衰变四.衰变纲图（decayscheme）

图中最下面的横线表示原子核的基态，上面的各横线分别表示子核的激发态。相应的衰变类型、能量和半衰期等分别标在能级的两侧，两能级之间的能量差表示衰变能。斜线上标示衰变类型、粒子的动能和衰变百分比。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理9第二节原子核的衰变四.衰变纲图（decayscheme）第九章原子核物理及核医学成像的物理原理10第二节原子核的衰变四.衰变纲图（decayscheme）第九章原子核物理及核医学成像的物理原理1第三节放射性核素的衰变规律一.衰变规律在t时刻原子核数目为N，经dt时间后，因衰变而减少的原子核为－dN。实验和理论都证明λ是比例常数，称为衰变常数(decayconstant)对上式积分，代入初始条件t=0时,原子核数目N0，可得衰变定律的表达式第九章原子核物理及核医学成像的物理原理2第三节放射性核素的衰变规律二.半衰期和平均寿命1.半衰期放射性核素因衰变而减少到原来的一半所需的时间，称为半衰期(halflife)。用T1/2表示。上式表明：半衰期T1/2与衰变常量λ成反比。λ大，T1/2就短，衰变就快。当t＝T1/2时，N=N0/2，代入衰变定律可得第九章原子核物理及核医学成像的物理原理3第三节放射性核素的衰变规律1.半衰期利用换底公式可得到用半衰期表示的衰变定律为可以看出:经过1个半衰期T1/2

，

N=

N0/2，经过2个半衰期T1/2

，

N=

N0/4，经过3个半衰期T1/2

，

N=

N0/8‥‥‥第九章原子核物理及核医学成像的物理原理4第三节放射性核素的衰变规律几种放射性核素半衰期核素符号半衰期核素符号半衰期镓-6868.3min汞-20346.9d锝-996.1h钴-605.27d金-1982.7d锶-9028y碘-1318.04d铯-13730y磷-3214.3d碘-12560d第九章原子核物理及核医学成像的物理原理5第三节放射性核素的衰变规律当放射性核素进入生物体或人体时，其原子核的数目除按自身的衰变规律减少外，还会由于生物体或人体的代谢而使原子核的数目减少。假定因代谢而减少的原子核数目也按指数规律衰减，并由此引入生物衰变常数（biologicaldecayconstant）λb和生物半衰期（biologicalhalflife）Tb。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理6第三节放射性核素的衰变规律有效衰变常数（effectivedecayconstant）λe有效半衰期（effectivehalflife）Te第九章原子核物理及核医学成像的物理原理7第三节放射性核素的衰变规律2.平均寿命原子核总数一定的放射源，原子核在衰变过程中的平均存在时间称为放射性核素的平均寿命(meanlife)，以τ表示半衰期与平均寿命的关系第九章原子核物理及核医学成像的物理原理8第三节放射性核素的衰变规律放射性核素在单位时间内衰变的原子核数称为该物质的放射性活度放射性活度也是随时间作指数变化，有：或：三.放射性活度(radioactivity)第九章原子核物理及核医学成像的物理原理9第三节放射性核素的衰变规律放射性活度的SI制单位是贝克勒尔（Bq）。它表示每秒钟发生一次核衰变，即：

1Bq＝1次核衰变／秒常用的旧单位为居里（Ci）1Ci＝3.7×1010Bq第九章原子核物理及核医学成像的物理原理10第三节放射性核素的衰变规律式中λ1N1是母体衰变导致子体在单位时间内增多的原于核的数目，λ2N2是子体本身衰变在单位时间内减少的原子核数目1.暂时平衡四.两级串连衰第九章原子核物理及核医学成像的物理原理11第三节放射性核素的衰变规律求解上述微分方程并带入初始条件（t=0时，N2=0），则得将代入前式子体和母体放射性活度的关系式第九章原子核物理及核医学成像的物理原理12第三节放射性核素的衰变规律当母体的半衰期T1不是很长，但比子体的半衰期T2长（即λ1<λ2）时，又t足够长时，有

，则和第九章原子核物理及核医学成像的物理原理13第三节放射性核素的衰变规律利用串连衰变的暂时平衡用长半衰期的母体生产半衰期短的放射性核素。这种装置称为放射性核素发生器(radioactivenuclidegenerator)，俗称“母牛”。2.放射性核素发生器

使用最普遍的医用的放射性核素发生器有99mTc(99Mo→99mTc)113mIn(113Sn→113mIn)第九章原子核物理及核医学成像的物理原理1直接电离1.电离和激发一.带电粒子与物质的相互作用第四节射线与物质的相互作用间接电离第九章原子核物理及核医学成像的物理原理22.散射第四节射线与物质的相互作用3.轫致辐射4.射程和吸收第九章原子核物理及核医学成像的物理原理4第四节射线与物质的相互作用三种射线在空气中的射程及电离密度2MeV的射线空气中的射程（m）每毫米行程上的离子对α射线0.016000β射线1.0060γ（或X）射线100.000.6第九章原子核物理及核医学成像的物理原理5光子与原子的电子发生相互作用，将其全部能量传递给这个电子，使其成为自由电子，而光子消失1.光电效应二.光子与物质的相互作用第四节射线与物质的相互作用内层空位被外层电子填补，它将通过发射标识x射线或俄歇电子的形式回到基态。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理6光子与原子核的外层电子发生非弹性碰撞，光子损失一部分能量并将其转移给电子，使其成为反冲电子，光子的能量减少和运动方向发生变化2.康普顿效应第四节射线与物质的相互作用损失能量后的光子成为散射光子，具有一定动能的反冲电子可以引起次级电离。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理7当能量大于1.022的光子从原子核旁经过时，光子在原子核的库仑场作用下使一个入射光子消失并转化为一对正、负电子，这个过程称为电子对效应(electronpairingeffect)。3.电子对效应第四节射线与物质的相互作用损失能量后的光子成为散射光子，具有一定动能的反冲电子可以引起次级电离。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理8第四节射线与物质的相互作用能量低的光子和高原子序数的物质，以光电效应为主，中等能量的γ射线以康普顿散射为主；电子对效应主要发生在高能光子和高原子序数的物质中第九章原子核物理及核医学成像的物理原理91.弹性散射：中子受到原子核的散射，将部分能量传递给原子核，改变自身运动的方向和速度，同时引起原子核发生反冲，中子和原子核系统的动能和动量守恒二.中子与物质的相互作用第四节射线与物质的相互作用2.非弹性散射：中子受到原子核的散射，反应前后的中子和原子核系统的能量和动量不再守恒。（原子序数越低的物质，中子越容易被吸收）第九章原子核物理及核医学成像的物理原理10二.中子与物质的相互作用第四节射线与物质的相互作用3.发生核反应：中子与原子核发生核反应，反应的产物有稳定核素和放射性核素，并伴随着各种射线产生。中子对机体组织的危害是相当大的第九章原子核物理及核医学成像的物理原理1一.放射治疗第五节原子核技术在医学上的应用60Co放射源，它的半衰期为5.27y，衰变时发出γ射线，射线的平均能量为1.25Mev。1.60Co治疗机2.γ－刀（gammaknife）是立体放射神经外科（SRNS）中利用γ射线定向照射，通过射线聚焦使焦点处聚集高能量，从而实现杀灭该部位的肿瘤的非手术治疗的设备。适于直径小于3cm的病灶。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理2第五节原子核技术在医学上的应用

131I放射源引入体内，会很快地集中在甲状腺中,有效半衰期约为4～6天，其放射出的β射线能破坏部分甲状腺组织，减少甲状腺激素的合成和分泌，起到治疗作用。3.131I治疗4.质子放射治疗使用质子加速器将质子加速到接近光速，在精确控制下射入人体并将能量准确地集中到病变部位，可以用于全身癌症或一般肿瘤治疗。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理3第五节原子核技术在医学上的应用中子线是一种高能粒子射线，由于它不带电，能直接作用于细胞核，高能中子射线对肿瘤细胞DNA破坏更彻底，它使肿瘤细胞更难自我修复。现在临床使用最多的是锎(Cf252)中子刀5.中子放射治疗第九章原子核物理及核医学成像的物理原理4二.射线分析第五节原子核技术在医学上的应用1.放射免疫分析技术：同位素标记与免疫反映巧妙地结合2.中子活化分析是一种灵敏度高、非破坏性多元素分析技术

3.离子反射技术可得出元素的含量与深度的分布情况，是物质表面层元素分析的有效手段之第九章原子核物理及核医学成像的物理原理5三.核医学成像第五节原子核技术在医学上的应用引入人体的放射性核素，称为示踪原子（traceratom），根据不同部位放射性核素的密度不同，在体外对放射性核素发射的射线进行跟踪，就可以探测到反映放射性核素在体内的浓度分布及随时间的变化图像，这就是核素成像（radionuclideimaging,RI）。第九章原子核物理及核医学成像的物理原理钼－锝发生器第九章原子核物理及核医学成像的物理原理1一.放射诊断及示踪原理第六节核医学成像的物理原理核素显像（radionucliedimaging，RI）。是把放射性核素示踪剂引入体内,这些示踪剂具有一定的生理生化特征，借此可了解人体器官的功能和复杂的生理、生化方面的变化。1.放射诊断2.示踪的原理放射性核素与稳定性核素一起在体内参与各种过程和变化，在体外探测由放射性核素放出的射线就可得到该元素的行踪，使该元素无形中携带上一种特殊的标记

第九章原子核物理及核医学成像的物理原理2第六节核医学成像的物理原理2.示踪的原理跟踪示踪原子的方法直接探测外标本测量放射自显影第九章原子核物理及核医学成像的物理原理3二.

γ照相机第六节核医学成像的物理原理体外的探测器中的闪烁晶体检测器接收被检测体内发出的光子，经过设备处理后，在成像平面上投影而获得一幅二维的闪烁图像。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。1.γ照相机成像的物理原理第九章原子核物理及核医学成像的物理原理4第六节核医学成像的物理原理主要部件有探头（包括准直器、闪烁晶体、光导、光电倍增管矩阵等）、位置电路、能量电路、数据处理系统、显示系统和成像装置等组成。2.γ照相机的基本组成多孔准直器闪烁晶体光电倍增管第九章原子核物理及核医学成像的物理原理6第六节核医学成像的物理原理γ照相机的基本组成γ射线源位置信号能量信号多孔准直器光电倍增管闪烁晶体CRT探头第九章原子核物理及核医学成像的物理原理7第六节核医学成像的物理原理γ照相机设备图第九章原子核物理及核医学成像的物理原理7第六节核医学成像的物理原理γ照相机设备图第九章原子核物理及核医学成像的物理原理8三.单光子发射型计算机断层成像(SPECT）第六节核医学成像的物理原理

SPECT探头扫过一个断面后旋转一定角度，再重复前一过程，直到旋转3600，将探头沿直线采集到的投影值经计算机处理得到放射性核素在一个断面上的分布图像。SPECT的成像算法类似与X-CT，也是滤波反投影法，即可建立三维图像信息，又可建立任意方位的断层图像，SPECT在许多性能方面远优于γ照相机1.成像原理第九章原子核物理及核医学成像的物理原理9三.单光子发射型计算机断层成像(SPECT）第六节核医学成像的物理原理γ照相机型SPECT实际上是γ照相机的一种改进，它有γ照相机探头、旋转扫描支架及成像软件构成，整机在计算机控制下完成成像过程。探头可以是两个或三个，以步进式或连续旋转方式采集信号。

2.成像方法第九章原子核物理及核医学成像的物理原理10第六节核医学成像的物理原理SPECT设备图双探头可变角SPECT第九章原子核物理及核医学成像的物理原理SPECT图像-脑部

第九章原子核物理及核医学成像的物理原理SPECT图像-心脏第九章原子核物理及核医学成像的物理原理SPECT图像-骨骼第九章原子核物理及核医学成像的物理原理10四.正电子发射型计算机断层成像(PET)第六节核医学成像的物理原理

PET是将某些放射性核素（如11C、13N、15O、18F等贫中子核素，这些核素是人体自身分子的主要元素）注入体内，这些核素能放射出正电子。正电子与负电子相遇时会产生一对能量为0.511MeV、飞行方向相反的一对光子，探测器