核医学物理基础

核医学物理核医学物理基础原子核·放射性衰变·射线作用·探测原理授课对象：医学生DATE2026年08月27日课程导览01原子核物理基础核素、核力与原子核稳定性02放射性衰变规律衰变类型、动力学与核素活度03射线与物质相互作用带电粒子、光子与中子的能量沉积04核医学探测原理闪烁探测器与SPECT/PET物理基础CHAPTER原子核物理基础核素稳定性是理解放射性衰变的第一把钥匙原子核组成、核力特性与核素图景01原子核的组成与核素符号原子核由质子(Z)与中子(N)组成，质量数

A=Z+N；核素符号记作

ᵃᵤX核素符号基础同位素对比Z相同、N不同，如

⁹⁹ᵐ₄₃Tc

与

⁹⁹₄₃Tc核素图坐标Z纵轴、N横轴，稳定核素呈带状分布临床意义衰变方程基础核素符号规范是书写前提，决定核医学诊断与治疗精准度核力特性与核稳定性条件^99mTcZ=43，N=56，处于稳定带外必通过同质异能跃迁释放γ射线核力在飞米尺度上对抗库仑斥力，决定了核素是否稳定存在核力四大特性短程作用范围约1–2fm强相互作用强度远超电磁力电荷无关性p-p、n-n、p-n近似相等饱和性每个核子只与邻近核子作用稳定条件的三层递进轻核区N≈Z库仑斥力尚弱，对称性要求主导重核区N>Z额外中子中和库仑斥力，稳定带右弯幻数核素Z或N=2,8,20,28,50,82,126，满壳异常稳定核素图与核医学核素分布核素半衰期主要射线核医学应用Tc-99m6.02hγ140keVSPECT显像，占诊断

80%

以上F-18109.8minβ⁺635keVPET/CT显像，FDG肿瘤代谢成像I-1318.02dβ⁻606keV+γ364keV甲状腺癌治疗与显像Ga-6867.7minβ⁺1.9MeVPET显像，神经内分泌肿瘤诊断这些核素均位于稳定带外，其衰变特性直接决定临床探测方案的选择核素图分布特征稳定核素约280种，呈带状分布居于核素图中部，构成稳定带带外核素均为放射性核素具有不稳定性，即不稳定核素核医学选药三原则半衰期适宜诊断用数小时至数天射线类型合适γ或β⁺，能量100-511keV易于标记便于药物合成与体内追踪CHAPTER放射性衰变规律衰变不是随机事件，而是统计必然衰变类型、衰变常数与半衰期的物理意义02放射性衰变类型总览五种衰变路径，两类临床价值：治疗vs诊断治疗型衰变α衰变重核（Z>82）发射

⁴₂He核，穿透力极弱（一张纸可阻挡）核医学应用：靶向α核素治疗，如

Ra-223

用于骨转移治疗β⁻衰变中子过剩，核内

n→p+e⁻+ν̄，能量连续谱，穿透力中等核医学应用：I-131

治疗甲状腺癌，利用β⁻射线杀伤病灶诊断型衰变β⁺衰变质子过剩，核内

p→n+e⁺+ν，湮灭产生

511keV光子对核医学应用：PET成像物理基础，F-18、Ga-68等电子俘获（EC）核俘获内层电子，p+e⁻→n+ν，伴特征X射线或俄歇电子核医学应用：剂量计算与内照射评估γ跃迁与同质异能跃迁激发态退激发射

γ光子核医学应用：Tc-99m

发射140keV纯γ射线，理想诊断核素指数衰变定律与半衰期衰变定律：N(t)=N₀e⁻λt，核素数目随时间呈指数衰减衰变常数

λ：单位时间内单个核素发生衰变的概率（s⁻¹），不受温度、压强、化学状态影响参数公式物理意义半衰期

T₁/₂ln2/λ≈0.693/λ核素数目衰减至初始一半所需时间，核医学剂量计算核心参数平均寿命

τ1/λ核素存活时间的统计平均值，T₁/₂=τ·ln2分支衰变λ=λ₁+λ₂+…总衰变常数为各分支之和，分支比

fᵢ=λᵢ/λ临床实例：Tc-99m

半衰期

6.02h，注射后24h活度降至初始的

6.25%需在有效时间内完成扫描放射性活度与平衡关系放射性活度活度公式A=λN=A₀e⁻λt，表示单位时间内衰变次数国际单位：贝克勒尔（Bq）1Bq=1次衰变/秒常用单位：居里（Ci）1Ci=3.7×10¹⁰Bq比活度比活度=A/m，单位质量物质的活度，衡量标记物纯度与效率三种放射性平衡长期平衡T₁>>T₂，子体活度趋近母体活度，可稳定获取；临床应用：Tc-99m发生器，每日淋洗暂时平衡T₁>T₂，子体活度先增后减，与母体平行衰减；峰值时间可控无平衡T₁<T₂，子体活度单调增加后按自身半衰期衰减；临床不利用Mo-99→Tc-99mMo-99（66h）→Tc-99m（6h），长期平衡的典型应用核心核素来源Tc-99m发生器是核医学科日常诊断的核心核素来源CHAPTER射线与物质相互作用射线的能量沉积，决定了探测与治疗的边界带电粒子、光子与中子的作用机制差异03带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质相互作用：电离与激发通过与轨道电子的库仑作用，沿途逐渐损失能量传能线密度LETα粒子：~100keV/μm，高LET，杀伤强β粒子：~0.2keV/μm，低LET，杀伤弱射程对比α粒子：组织射程仅数十微米β粒子：可达数毫米γ射线：无确定射程布拉格峰重带电粒子（质子、α）在射程末端能量损失急剧增大，形成尖锐剂量峰应用于质子重离子治疗，实现肿瘤靶区剂量集中临床关联：Ra-223利用高LET+短射程实现精准杀伤，正常组织损伤小光子与物质的相互作用机制光子与物质相互作用无直接电离，通过三种效应产生次级带电粒子，穿透力远强于带电粒子三种效应对比光电效应作用对象：内层束缚电子能量范围：低能（<100keV）Z依赖：∝Z⁴~Z⁵核医学关联：提高探测效率，γ相机中希望增强康普顿散射作用对象：外层自由电子能量范围：中能（100keV–10MeV）Z依赖：∝Z核医学关联：散射导致图像噪声，SPECT需校正电子对效应作用对象：核库仑场能量范围：高能（>1.022MeV）Z依赖：∝Z²核医学关联：511keV湮灭光子不触发此效应核医学能区（100–511keV）以康普顿散射为主，散射光子在SPECT中造成定位错误，必须进行散射校正；光电效应则是探测器吸收γ光子、产生电信号的关键机制。窄束衰减

I=I₀e⁻μx，宽束存在散射积累因子

B，实际衰减

I=B·I₀e⁻μx，辐射防护计算需考虑宽束条件。CHAPTER核医学探测原理从物理信号到医学图像，只差一个探测器闪烁晶体、光电倍增管与符合探测技术04闪烁探测器结构与工作机制闪烁探测器四级结构01闪烁体吸收γ射线能量后发射荧光光子；NaI(Tl)用于SPECTγ相机，BGO用于PET，LSO/LYSO用于TOF-PET02光导传导荧光光子至光阴极03光电倍增管光阴极光电效应打出光电子，经多级打拿极倍增，增益达

10⁶~10⁸04电子学线路脉冲高度与γ光子沉积能量成正比，经放大后进入脉冲高度分析器实现

能量甄别关键指标关键指标数值/特性能量分辨率（NaI(Tl)，140keV）9%~10%主要影响因素统计涨落、光收集效率能谱形成与能量窗设置γ能谱是探测器输出脉冲高度的统计直方图，包含三大特征结构光电峰（全能峰）γ光子能量全部沉积于闪烁体核医学成像的有效信号来源康普顿坪γ光子部分能量沉积后逃逸连续分布，散射噪声主要来源能量窗光电峰位设置

±10%~±20%脉冲高度接受范围剔除康普顿散射事件，提高图像对比度Tc-99m能窗设置140keV±10%（126–154keV），平衡探测效率与散射抑制PET能窗设置435–650keV（511keV基准），排除散射符合事件，保障图像质量能量窗是散射抑制与图像质量保障的核心技术手段SPECT成像物理基础准直器铅/钨多孔板，筛选特定方向γ光子孔径越细→分辨率↑灵敏度↓投影采集γ相机绕患者旋转180°/360°每3°-6°一帧，二维活度线积分断层重建FBP或OSEM算法还原横断面OSEM支持衰减/散射校正模型核心任务：获取体内放射性核素的三维分布衰减校正CT透射扫描获取衰减系数图，补偿光子体内衰减损失散射校正双能窗或蒙特卡洛模拟扣除康普顿散射，提升对比度准直定位—投影采集—断层重建

构成SPECT完整成像链PET成像物理基础与对比SPECT核素种类丰富、成本低，PET分辨率与灵敏度更优，临床根据需求选择互补01湮灭产生正电子核素（F-18、Ga-68）发射的β⁺与组织电子湮灭，产生一对511keVγ光子，方向相反02符合探测探测器环同时记录时间窗内（约5-15ns）到达的两个光子定义为一次符合事件，湮灭位置位于两探测器连线（LOR）上03TOF技术测量两光子到达时间差，将湮灭位置限定在LOR上约数厘米范围，大幅提升信噪比与图像质量随机符合与散射符合均导致错误LOR分配，通过延迟符合窗与能窗甄别加以抑制对比维度SP