核医学物理基础

核医学物理基础放射性核素·探测成像·剂量防护·临床应用授课对象：医学生医学物理·核医学教研室课程导览01放射物理基础放射性核素、衰变规律与射线性质02探测成像原理探测器、γ相机与成像物理机制03剂量安全防护辐射剂量学与临床防护原则04临床应用物理核医学诊疗中的物理实践01放射物理基础理解核，才能用好核从原子核结构到放射性衰变，筑牢物理根基从原子核结构到放射性衰变，筑牢物理根基原子核的构成与稳定性原子核由质子和中子组成，统称核子。核素符号与稳定区4项核素符号表示Z为质子数，N为中子数，A为质量数轻核稳定区中子质子比接近

1:1重核稳定区比值升至

1.5:1偏离稳定区具有放射性，趋向通过衰变回归稳定核素图稳定带稳定带与核力平衡稳定核素构成一条稳定带核素图按中子数—质子数排布稳定的背后是核力与库仑斥力的平衡核力短程强吸引，库仑力长程排斥放射性衰变的主要类型放射性核素通过不同衰变方式释放能量与粒子，实现向稳定的转变。αα衰变发射氦核，质量数减少

4，主要见于重核粒子能量单一，射程短，穿透力弱ββ衰变β⁻衰变：中子转化为质子，发射电子与反中微子β⁺衰变：质子转化为中子，发射正电子与中微子正电子与电子湮灭产生一对

511keV

光子，是PET成像的物理基础γγ跃迁原子核从激发态退激，发射γ光子，核素种类不变常伴随α、β衰变之后发生，能量特征性强e⁻电子俘获原子核俘获内层轨道电子，质子转化为中子发射特征X射线或俄歇电子衰变定律与半衰期放射性衰变遵循统计规律，单位时间衰变数目与现存原子核数成正比。核素主要射线半衰期Tc-99mγ140keV6.02小时F-18β⁺110分钟I-131β⁻、γ8.04天I-125电子俘获60.1天衰变定律核心公式N=N₀e−λt参数说明λ

为衰变常数半衰期定义·关系式T1/2=ln2/λ定义原子核数衰减至一半所需时间半衰期是放射性核素身份的核心参数，决定其能否用于显像或治疗。射线与物质的相互作用射线进入人体后通过能量沉积产生物理、化学与生物效应，理解相互作用机制是剂量计算与成像的基础。带电粒子α、β粒子电离与激发α、β粒子通过库仑力使原子电离或激发径迹与射程β粒子质量小、径迹曲折，在组织中射程有限γ射线3种效应光电效应光子能量完全转移给内层电子，低能γ主导康普顿散射光子与电子非弹性碰撞，中能γ主导，是γ相机散射噪声的主要来源电子对效应能量超过

1.022MeV

时生成正负电子对中子核医学能量传递通过弹性散射、非弹性散射与核反应传递能量应用场景在核医学中涉及较少，主要用于中子俘获治疗放射性活度与比活度活度描述放射源的强弱，比活度则反映放射性药物的质量特性。活度是放射性药物处方剂量的基本物理量，其准确测定依赖标准源校准。活放射性活度ASI单位活度A=λN，SI单位为贝克勒尔（Bq）传统单位传统单位为居里（Ci）换算关系1Ci=3.7×10¹⁰Bq比活度定义单位质量或单位摩尔物质的活度，直接决定放射性药物的标记效率高比活度价值减少给药中载体物质的竞争结合，利于受体显像02探测与成像原理看见看不见的辐射从射线探测到图像重建，揭示成像背后的物理从射线探测到图像重建，揭示成像背后的物理核辐射探测器原理探测器将射线能量转换为可测量电信号，是核医学仪器的物理核心。探测效率·能量分辨率·空间分辨率·死时间两类探测器通过能量—电信号转换实现射线测量，共同构成核医学成像的物理基础闪烁探测器射线在闪烁晶体中沉积能量，激发原子发出荧光光电倍增管将弱光信号放大为电脉冲，脉冲幅度正比于沉积能量常用晶体

NaI(Tl)，对γ射线探测效率高半导体探测器射线在半导体中产生电子—空穴对，能量分辨率优于闪烁探测器常用材料镉锌碲（CZT），可直接将信号数字化适用于高分辨率的专用小器官成像系统γ相机结构与成像原理整条链路实现了辐射源定位+能量甄别双重功能γ相机成像链路①

准直器只允许特定方向入射的γ射线到达晶体，决定系统空间分辨率与灵敏度常用平行孔准直器，孔径与孔长之比决定分辨率与效率的权衡②

闪烁晶体将γ光子能量转换为荧光③

光电倍增管通过各管输出信号的加权计算，确定闪烁发生位置④

位置计算根据各管信号加权计算确定闪烁发生位置⑤

能量窗通常选取

140keV±10%

范围，剔除康普顿散射光子，改善图像对比度SPECT成像原理探测器绕体旋转采集多角度投影，经重建获得三维断层图像采SPECT断层原理旋转采集探测器绕患者旋转

180°或360°，获取多角度平面投影重建算法滤波反投影

与

迭代重建，后者可更好抑制噪声衰减校正光子被组织吸收或散射导致衰减，使深层结构信号被低估；利用

CT

提供的组织密度信息修正定量偏差散射校正降低散射线对图像对比度的影响适应用适配核素适配主要适配

Tc-99m

等单光子发射核素临床显像广泛应用于

心、骨、甲状腺

等脏器显像PET成像与符合探测PET利用正电子湮灭产生的一对反向

511keV

光子，通过符合探测实现断层成像。01湮灭正电子湮灭产生一对方向相差约

180°

的光子02符合事件符合探测两个探测器在极短时间窗内同时记录到光子03LOR符合线连接两探测器，信号源位于该直线上04TOF飞行时间记录两光子到达时间差，缩小信号源定位范围PET成像核心优势定量三维重建，灵敏度显著高于SPECT分辨率限制：受正电子射程与光子非共线性限制图像重建与质量控制图像重建将投影数据转化为断层图像，质量控制确保重建结果的准确可靠。重建方法决定图像基础，质控保障诊断信息可靠。滤波反投影计算快，但噪声放大明显迭代重建充分考虑统计噪声与物理模型，图像质量更优是当前主流均匀性校正修正各探测器单元灵敏度差异空间分辨率测试定期评估系统成像清晰度能量分辨率校验保证能量窗甄别有效多模态配准精度SPECT/CT、PET/CT

定期校准质控是保证诊断信息可靠性的物理与技术基础。多模态成像的物理整合SPECT/CT与PET/CT将功能显像与解剖显像融合，实现信息互补。成像模态物理原理对照SPECT/PET功能与代谢·放射性核素分布CT解剖结构·X射线衰减系数SPECT/PET提供功能与代谢信息原理为放射性核素分布CT提供解剖结构信息原理为X射线衰减系数多模态融合优势3项衰减校正CT提供组织密度信息，同时用于核医学图像的衰减校正早期检出功能异常往往早于解剖改变，多模态融合可提高病灶定位准确性精准定位两者在同一机架内采集，减少体位移动造成的配准误差VS03剂量学与辐射防护获益与风险的平衡量化辐射剂量，掌握防护原则，确保安全实践量化辐射剂量，掌握防护原则，确保安全实践辐射剂量学基本量剂量学使用一套递进的物理量描述辐射与人体相互作用及生物效应。从吸收剂量到有效剂量，完成了“物理能量沉积”到“人体风险评价”的跨越。剂量学基本量4项照射量表征X、γ射线在空气中的电离能力，单位伦琴（R）吸收剂量单位质量物质吸收的辐射能量，单位戈瑞（Gy），适用所有辐射类型当量剂量吸收剂量×辐射权重因子w_R，反映射线生物效应差异，单位希沃特（Sv）有效剂量各组织当量剂量×组织权重因子w_T后求和，综合反映全身随机性效应风险内照射剂量估算方法放射性药物进入体内后持续衰变，内照射剂量估算需统筹核素物理衰变与生物代谢两方面。核心框架：器官剂量=累积活度

×S值（基于

MIRD

体系）核心参数累积活度反映源器官内核素总衰变数，取决于物理半衰期与生物半衰期的有效组合核心参数S值源器官每次衰变对靶器官的平均吸收剂量，由射线能量与几何关系决定核心参数有效半衰期T_eff：满足

1/T_eff=1/T_phys+1/T_biol内照射剂量估算为放射性药物的安全性与给药活度合理性提供依据。辐射防护三原则国际辐射防护体系以三项原则为基石，平衡辐射应用的利益与风险。正当性原则一实践评估任何引入辐射的实践必须利大于弊诊疗行为须有明确获益利大于弊核医学诊疗前置判断最优化原则二照射水平考虑经济与社会因素下，使照射水平尽可能低（ALARA）剂量的降低以不牺牲诊断信息为限ALARA剂量—诊断质量平衡剂量限值原则三上限约束个人受照剂量不得超过规定限值职业人员与公众限值不同职业/公众分类分级防护要求核医学中的防护实践核医学日常工作中，外照射防护围绕

时间、距离、屏蔽

三个核心变量展开。外照射防护三变量+分区管理+移动源管理构成完整实践框架防护实践的目标是在完成诊疗任务的同时

最大限度控制受照剂量。时间/距离/屏蔽时间缩短接触放射源的时间，熟练操作、优化流程距离增大与放射源的距离，剂量率按距离平方反比迅速下降屏蔽γ射线常用铅屏蔽，β射线优先用低原子序数材料如有机玻璃外照射防护三变量分区管理与移动源分区管理放射性操作区严格分区，监测工作场所表面污染移动放射源患者注射药物后体内成为移动放射源，须指导其减少对他人照射操作规范04临床应用物理从原理走向实践用物理思维理解核医学诊断与治疗的每一个环节用物理思维理解核医学诊断与治疗的每一个环节放射性药物的物理要素放射性药物由放射性核素与载体分子构成，其临床应用受物理特性严格约束。四要素共同决定放射性药物的临床可用性与显像质量Tc-99m凭借适中的半衰期与单一

140keVγ射线成为应用最广的诊断核素。核素半衰期须匹配检查时长与标记过程，过短则难以及时使用，过长则增加受照剂量射线类型与能量诊断显像优先选择单一γ射线或正电子，能量适宜探测比活度影响标记效率与受体结合的竞争关系化学稳定性标记物在体内须保持完整，确保分布反映真实生理过程诊断核医学的物理考量诊断显像方案的设计依赖对物理参数的精细权衡，直接影响诊断信息质量。物理参数的合理决策贯穿从给药到图像解读的全流程，是诊断信息质量的基础。物理参数与图像质量控制的综合权衡决定诊断信息的可靠性细致权衡每一处物理参数，方能在每一次显像中兑现诊断的确定性。物理参数决策给药活度在图像质量与患者剂量之间平衡，遵循最优化原则采集时间与矩阵延长采集改善计数统计，增大矩阵提高空间分辨率但降低信噪比能量窗设置过宽引入散射，过窄损失计数，需结合核素能量特征设定伪影识别与定量校正识别常见伪影衰减不均、散射污染、截断伪影、患者移动定量校正进行衰减、散射与部分容积效应校正治疗核医学的剂量学放射性核素治疗以靶向递送辐射能量为目的，剂量学计算直接决定疗效与安全性。剂量学是将治疗核医学从经验用药推向精准医疗的核心物理工具。1选择治疗核素多发射β粒子，如I-131，射程覆盖毫米级组织范围2推算靶区累积活度由生物分布实验或治疗后显像数据获得3计算肿瘤吸收剂量依据MIRD框架评估疗效4估算关键器官剂量监测骨髓、肾脏等，防止正常组织超限5走向个体化给药从固定活度转向精准剂量调控图像定量与物理前沿定量显像将图像从形态描述升级为数值指标，前沿技术持续拓展核医学物理的边界。定量显像以数值指标刻画示踪剂摄取，以物理校正保障定量精度，