2025年大学《核物理》专业题库- 核医学影像技术在癌症治疗中的应用

2025年大学《核物理》专业题库——核医学影像技术在癌症治疗中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述放射性同位素发生β⁻衰变和β⁺衰变时，原子核的质量数和电荷数如何变化。请分别写出相应的衰变方程。二、在核医学影像中，正电子发射断层显像（PET）和单光子发射计算机断层显像（SPECT）都利用了放射性核素的衰变特性。请分别说明PET和SPECT所依赖的核衰变类型及其基本成像原理。三、氟-18（¹⁸F）是PET显像中最常用的放射性核素之一，其半衰期为110分钟。假设在一次PET显像之前，需要制备100毫居里的¹⁸F标记药物。如果制备过程的效率为80%，那么在开始制备前，需要投入多少活度的¹⁸F同位素？四、简述γ射线在穿透物质时会发生的主要相互作用形式（至少列举三种）。请解释这些相互作用如何影响SPECT成像的质量（如空间分辨率、灵敏度）。五、放射性药物通常需要具备哪些关键特性？以锝-99m（⁹⁹mTc）标记的甲氧基异丁基异腈（MIBI）为例，说明其作为肿瘤显像剂的原理和适用范围。六、什么是放射治疗？简述近距离放射治疗（Brachytherapy）的基本原理和主要特点。与远距离放射治疗相比，它有哪些优势？七、在核医学实践中，个人剂量监测是保障工作人员安全的重要措施。请解释什么是有效剂量，并说明在实施癌症放射治疗时，需要特别关注哪些方面的辐射防护，以降低工作人员的受照剂量。八、核医学影像技术不仅用于肿瘤的诊断和分期，也广泛应用于治疗计划的制定和疗效评估。请分别说明在治疗计划制定和疗效评估中，核医学影像技术（如PET、SPECT）提供的信息与哪些物理或生物学参数相关，并解释其作用。九、简要比较PET和MRI在癌症诊断中的应用优势和局限性。结合核物理和医学成像的知识，说明PET-CT融合成像技术如何克服单一成像方式的不足。十、随着科技发展，核医学领域不断涌现新的技术和方法。请就核医学影像或癌症治疗方面的一个具体前沿方向（如新型核药物、基因治疗结合放射治疗、人工智能辅助诊断等），概述其基本原理、潜在应用价值以及可能面临的挑战。试卷答案一、β⁻衰变时，原子核的质量数保持不变，电荷数增加1。衰变方程的一般形式为：²ⁿX→²ⁿ₊₁Y+β⁻+ν̅ₑ。例如：³²P→³³S+β⁻+ν̅ₑ。β⁺衰变时，原子核的质量数保持不变，电荷数减少1。衰变方程的一般形式为：²ⁿX→²ⁿ₋₁Y+β⁺+νₑ。例如：¹¹C→¹¹B+β⁺+νₑ。二、PET依赖正电子（β⁺）衰变。其基本成像原理是：放射性核素（如¹⁸F）引入体内后，在病灶部位聚集，发生β⁺衰变产生正电子，正电子与体内电子相遇发生湮灭，产生一对能量为511keV的γ光子，沿几乎相反的方向射出。探测器阵列同时探测到这对γ光子，记录其到达时间差和位置，经过计算机处理重建出病灶的分布图像。SPECT依赖β⁻衰变产生的正电子或直接利用发射γ射线的核素。其基本成像原理是：将放射性核素（如⁹⁹mTc）引入体内，该核素在衰变过程中发射出特定能量的γ射线。体外放置的γ照相机围绕病人旋转或病人固定在特定位置，探测器依次探测来自不同方向的γ射线，记录其数量和角度信息，经过计算机处理重建出放射性核素在体内的分布图像。三、所需活度=所需最终活度/效率=100mCi/0.80=125mCi。半衰期T₁/₂=110分钟。初始活度A₀=A/(e^(λt))，其中A是最终活度，λ是衰变常数，t是时间，λ=ln(2)/T₁/₂。所需投入活度A₀=125mCi/e^(ln(2)*(制备时间)/110)。假设制备时间为T₀，A₀=125/e^(0.693*T₀/110)mCi。若按半衰期计算近似值，制备时间T₀=110分钟，则A₀≈125/(1/2)=250mCi。精确计算需知道具体制备时间T₀。四、主要相互作用形式包括：光电效应（photoelectriceffect）、康普顿效应（Comptoneffect）、正电子湮灭（positronannihilation）。这些相互作用影响SPECT成像质量：*光电效应：主要发生在能量较低的γ射线与原子序数高的探测器材料相互作用。导致高能量分辨率，但显著降低探测器效率和系统灵敏度，尤其是在近探测器的区域。*康普顿效应：发生在较软的γ射线与探测器材料相互作用。产生散射光子，改变方向并损失能量，导致散射噪声增加，降低图像信噪比和空间分辨率。*正电子湮灭：是PET成像的基础。湮灭产生的γ光子对成对探测至关重要。若湮灭发生在探测器外或γ光子对分离度过大，将导致计数损失，影响图像质量和定量准确性。五、放射性药物通常需要具备：①放射化学纯度高；②在靶器官有足够的浓集能力且滞留时间适宜；③能通过血液循环到达靶器官；④对非靶器官的毒副作用小；⑤易于制备和纯化。MIBI作为肿瘤显像剂原理：MIBI能被亲神经组织摄取，尤其在恶性肿瘤细胞中也能积聚。肿瘤细胞可能因代谢旺盛或血脑屏障破坏而摄取更多MIBI。在SPECT成像中，可观察到肿瘤部位的放射性分布。它主要用于脑肿瘤、黑色素瘤和甲状腺癌等的诊断及分化诊断。六、放射治疗是利用放射线（如X射线、γ射线、粒子束等）照射肿瘤，使其细胞损伤或死亡，达到治疗目的的方法。近距离放射治疗（Brachytherapy）基本原理：将放射源直接或间接植入肿瘤内部或邻近区域，使高剂量的放射线集中在肿瘤组织，同时最大限度地减少对周围正常组织的照射。主要特点：①剂量分布高度集中，适形性好；②总治疗时间短（通常几分钟到十几分钟）；③对周围组织的全身性剂量贡献小；④可作为单独治疗或与远距离放疗、手术联合应用。优势：①提高了治疗的局控率；②缩短了整个治疗周期，提高了患者的生活质量；③对于某些晚期或复杂病例，提供了更多治疗选择。七、有效剂量是用于评估电离辐射对整个身体随机性效应（如致癌风险）的当量剂量。它等于身体各组织或器官的当量剂量乘以相应的权重因子之和，单位为希沃特（Sv）。癌症放射治疗时需关注的辐射防护方面：①治疗室屏蔽：为阻挡治疗设备产生的散射线和漏射线，保护周围环境和人员；②工作人员防护：医生、护士、技师等需佩戴个人剂量计（监测外照射），在操作放射源或进行近距离治疗时需穿戴防护服、手套、口罩等（减少直接接触和吸入）；③患者防护：尽量减少非治疗部位受照射，对于孕妇患者需特别评估；④放射源管理：确保放射源安全储存和运输，防止丢失或意外照射。八、在治疗计划制定中，核医学影像（如PET、SPECT、SPECT-CT）提供肿瘤的精确解剖位置、体积、形态和功能代谢信息。这些信息与肿瘤的分期（TNM分期）、分级、治疗反应预测、治疗计划靶区（PTV）勾画、放射剂量分布验证等物理或生物学参数相关。例如，PET的FDG摄取量可反映肿瘤代谢活性，用于判断恶性程度和预测治疗敏感性。在疗效评估中，通过比较治疗前后的核医学影像（如PET、SPECT）数据（如病灶大小变化、放射性摄取量变化），可以直观、定量地评估肿瘤对治疗的反应（完全缓解、部分缓解、稳定、进展），这些变化与肿瘤负荷减少、肿瘤细胞活性降低等生物学效应相关。九、PET优势：提供病灶的代谢、血流等功能性信息，灵敏度高，可早期发现病变；局限：空间分辨率相对较低，成本较高，对运动敏感，需要使用放射性药物。MRI优势：提供优异的软组织对比度，空间分辨率高，无电离辐射，可多平面成像，适用于观察解剖结构和形态；局限：对功能代谢信息显示较差，对钙化、金属伪影敏感，部分序列对运动敏感，检查时间较长，禁忌症较多（如体内有金属植入物）。PET-CT融合成像优势：将PET提供的功能代谢信息与CT提供的高分辨率解剖结构信息精确融合，实现“一站式”检查，提高了诊断的准确性和特异性。例如，在肿瘤学中，可精确定位PET显示的代谢异常区域，并清晰显示其解剖位置、周围结构关系和淋巴结转移情况，有助于更准确的诊断、分期和治疗计划制定。克服了单一成像方式的不足，实现了信息互补。十、前沿方向：基因治疗结合放射治疗（RadiationTherapy-ImmunotherapyConvergence）。基本原理：利用基因工程技术修饰患者自身的免疫细胞（如T细胞），使其表达特定的肿瘤相关抗原识别分子（如CAR），增强其识别和杀伤肿瘤细胞的能力。这些修饰后的免疫细胞（CAR-T