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核 医 学

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  1. 核 医 学 昆明医科大学第一临床学院 核医学教研室 朱高红 2014/02/28

  2. Personal resume • Gaohong Zhu, Associate Professor , Master of Medicine. • Director of the department of Nuclear Medicine • Visiting scholar in US (last year)

  3. Nuclear medicine diagnosis treatment Diagnosis in vivo Diagnosis in vitro Non-imaging (function) SPECT/CT, PET/CT imaging Category of NM 是应用放射性核素诊断、治疗患者疾病并进行基础医学科学研究的一门医学学科;广义则是核素和核射线在医学上的应用及其理论研究的总称。

  4. DiscoveryTM PET/CT Elite Scaner

  5. 第一章 核物理基础知识 第一节 核物理基本概念 第二节 核衰变及衰变规律 第三节 射线和物质的相互作用 第四节 常用的辐射剂量及其单位

  6. 第一节 核物理基本概念 核 爆 炸

  7. 一、原子结构 原子核 位于原子的中央,内含电中性的 中子及带正电荷的质子;     原子 电 子 带负电荷,质量为中子 1/1837, 围绕原子核沿轨道运行,情况就 好像行星环绕太阳运行一样。 质子数(Z)=原子序数=核外电子数 质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N) 表示: AZХN ,AХ

  8. 原子核的 能级 把原子核外分成七个运动区域,又叫电子层,分别用n=1、2、3、4、5、6、7…表示,分别称为K、L、M、N、O、P、Q…,n值越大,说明电子离核越远,能量也就越高。 电子能量 原子核由于不断运动而具有一定的能量。一般 情况下,原子核都处于能量最低的状态,称为 基态(ground state);在一定条件下,如在某些核反应、核裂变及放射性衰变后,原子核可以暂时处于较高的能量状态称为激发态(excited state)。

  9. 激发态的原子核可表示为Amx,如99mTc。处于激 发态的核素都很不稳定,要释放过剩的能量而回 到基态。 在工厂的核反应堆中,中子流(n)轰击靶核钼 (98Mo),98Mo释放γ射线后转变成99Mo,再把99Mo装在发生器(层析柱)内运到使用部门。 99Mo的半衰期67小时,释放β-射线后衰变成激 发态的99mTc,放射性药房或核医学科工作人员 用生理盐水淋洗发生器就可得到99mTc,见下图

  10. 99Mo/99m Tc generator

  11. 二、几个基本概念 1、元素(element) 2、同位素(isotope) 3、同质异能素(isomer) 4、核素(nuclide) 5、稳定性核素(stable nuclide) 6、不稳定性核素(unstable nuclide)

  12. 1、元素(element):Z相等的一类原(核外电   子数和最外层电子数相等,化学性质相同)   如C、H、O为不同元素; 2、同位素(isotope):某一元素含有不同的   中子数目,则称为该元素的同位素(Z相等, N不等)如:123I、125I、131I; 3、同质异能素(isomer): Z、N相等,能量  (E)状态不等,如:99mTc/99Tc,113mIn/113In;

  13. 4、核素(nuclide):凡具有一定原子序数(Z)   、原子质量(A)和处于特定能量(E)状态  (特定核特征)的原子称为核素; 5、稳定性核素(stable nuclide):是指原   子核不会自发地发生核变化的核素,已发现   的仅有274种,它们的质子和中子处于平衡   状态。 6、不稳定性核素(unstable nuclide)又称放   射性核素,能按照自身的规律、自发地核衰   变;衰变时放出核射线并变为新核素;有特定   半衰期的核素。*

  14. 第二节 核衰变及衰变规律 一、核衰变(nuclear decay)  原子核只有在中子和质子的数目之间保持一定的比例时,才能稳定,当原子核(母核,parent nuclide)中质子数过多或过少,或者中子数过少或过多,原子核便不稳定。这时的原子核就会自发地放出射线,转变成另一种核素(子核,daughter nuclide),同时释放出一种或一种以上的射线。这个过程又称为放射性衰变(radiation decay)或蜕变。核衰变是由原子核内部的矛盾运动决定的。

  15. α β γ χ ν 二、核衰变的类型 放射性核素主要衰变方式有 1、α衰变 2、β-衰变 3、β+衰变 4、γ衰变 5、核外电子俘获衰变

  16. 1、α衰变(alpha decay) 不稳定原子核自发地放射出α粒子(alpha particle)而变成另一个核素的过程称为α衰变。质量数减少4,质子数减少2,在元素周期表中前移2位。 机制: 核子总数过多,而致斥力>引力而发生。大多见于A>200 、Z>83的天然、长T1/2 的放射性核素。

  17. + + + + + + + + + + + + + + α衰变图示和衰变方程 daughter nuclide parent nuclide helium-4 nucleus + AZΧ → A-4Z-2 Y+ α(42He)+Q(energy) α衰变(从母核中射出的4He原子核)

  18. 2、 -衰变( -minus decay) 衰变主要发生在质量较轻、中子相对过剩的核素。核中一个中子转化为质子,总核子数不变,同时释出一个负电子(来自核的负电子negation称粒子即-)及一个反中微子故子核的原子序数比母核增加1,原子质量数不变。反中微子是一种质量极小的不带电基本粒子,穿透性极强,一般探测器不能测知。

  19. + + + electron proton -衰变图示和衰变方程 proton neutron Antineutrino AZΧ → AZ+1Y+ β-(0-1e)+ ⊽+ Q 9038Sr → 9039Y + β- + ⊽ + 2.28Mev

  20. 3、+衰变( -plus decay) 衰变主要发生在中子相对不足的核素,可以看作是-衰变相反的过程,即核中一个质子转化为中子,同时释出一个正电子(positron,称粒子)及一个中微子(neutrino,υ),故核子总数也不变,原子序数减少1而原子质量数不变。υ也是质量极小的不带电基本粒子,穿透性极强而很难测知。

  21. + + +衰变图示衰变方程 γ=0.51Mev neutrino positron γ=0.51Mev AZΧ → AZ-1Y+ β+(01e)+ V + Q 189F → 188O + β+ + v + 0.663MeV

  22. 4、电子俘获衰变(electron capture,EC) EC发生在中子相对不足的核素。原子核先从核外较内层的电子轨道俘获一个电子,使之与一个质子结合转化为中子,同时发射出一个中微子。故原子质量数不变而原子序数减少1。

  23. 电子俘获衰变方程 机制:见于某些贫中子放射性核素。在EC基础上,按 Bohr理论,外层电子将跃迁填补内层轨道,多于能量以标识(特征)X-ray发射或传给更外层电子使之脱出为自由电子,即俄歇电子( Auger electron)。 AZΧ + 0-1e → AZ-1Y + V + Q 12553I(碘)+ 0-1e → 12552Te(碲) + v + 0.036Mev

  24. + + + 核外电子轨道空位 7铍(Be)7锂(Li) + υ + Q 4 3 中微子 特征X射线 γ射线 电子俘获衰变图 俄歇电子 + + + + 核外电子

  25. 5、γ衰变(gamma decay 或γ transition) • 上述四种衰变的子核可能先处于激发态,在不到1微秒的时间内回到基态并以γ光子的形式释出多余的能量。此过程称γ衰变或γ跃迁。

  26. 如果γ跃迁释出的能量传给一个核外电子(K层电子几率最高),使之脱离轨道而发射出去这过程就是内转换。发射的电子称内转换电子(internal conversion electron) • 发生内转换后K层轨道的空缺和EC的空缺相似,随后可由外层电子补缺,从而又发射X线和俄歇电子( Auger electron)

  27. 常用核射线及其性质

  28. 射线的穿透力

  29. 三、核衰变规律 1.放射性衰变规律(radiation decay rule) 2.物理半衰期* (physical half life;T1/2) 3.生物半衰期* (biological half life; 有效半衰期* (effective half life;Teff) 4、放射性活度*(radioactivity;A)

  30. 1、放射性核素衰变规律 任何放射性核素其放射性活度随时间减弱的速度虽然各不相同,但都服从指数规律,亦即其原子数随时间t按指数函数的规律而减少:放射性活度的自然对数值对t是直线关系。只是直线的斜率(λ,衰变常数)值各不一样,衰减愈快,则λ值也愈大。 λ值表示了在单位时间内衰变的原子数占当时存在的原子总数的百分比。

  31. 放射性核素衰变规律(接) 遵循衰变定律: 即单位时间内衰变的原子数与当时存在的原子总数成正比 dN∝Ndt 积分后得 N=N0e-λt 各种放射性核素的总放射性活度都随时间按指数函数规律而减少:It = I0e-λt

  32. Ι 小时 6 12 18 24 lnΙ 1 放射性活度 0.5 原子数随时间t按指数函数的规律而减少:放射性活度的自然对数值对t是直线关系。只是直线的斜率(λ,衰变常数)值各不一样,衰减愈快,则λ值也愈大。 λ值表示了在单位时间内衰变的原子数占当时存在的原子总数的百分比。 0 时间t

  33. 0.693 λ= T½ 2.物理半衰期*(physical half life;T1/2) 在实际工作中我们常以物理半衰期来表示各种 放射性核素的衰减速度。物理半衰期就是放射 性活度(强度)减弱一半所需经过的时间,用 (T1/2或Tp )表示 。 T½和λ值之间可以互相换算 0.693 T½ = λ

  34. N=N0e-λt N=N0e-0.693×t/T½ ∵ ∴ N=100×e-0.693×7/2.7 N=100×0.165=16.5 计算实例* 198Au放射性核素,5月20日从北京发货时间测得活度 为100mCi。如果运到昆明到5月27日才实际使用,试 计算此时还有多少毫居里198Au? 198Au半衰期2.7天。 也可以7/2.7=2.59≈2.6通过查通用衰变计算表得0.165×100=16.5

  35. T1/2·Tb Te= T1/2+ Tb 3、 生物半衰期(Tb )*有效半衰期 (Teff) • 放射性核素通过生物代谢从体内排出原来一半所需的时间,称为生物半衰期。 • 物理衰变与生物的代谢共同作用而使体内放射性核素减少一半所需要的时间,称有效半衰期。 • Te、Tb、T1/2三者的关系为:

  36. 4、放射性活度(radioactivity, A) 放射性核素在单位时间内发生衰变的原子核的次数称为放射性活度(即衰变率)。 放射性活度的国际制单位的专用名称为贝可勒尔(Becquerel),简称贝可,符号为Bq,即每秒钟发生1次衰变。常用单位是居里(Ci)等于每秒钟发生3.7×1010次衰变。 1Bq= 2.703×10-11 Ci 1Bq= 2.703×10-8m Ci 1Bq= 2.703×10-5 µ Ci

  37. 放射性比活度:单位质量或单位摩尔物质中 含有的放射性活度,单位是 Bq/g,MBq/g、MBq/mol。 放射性浓度*:单位体积溶液中所含的放射性 活度,单位是Bq/ml、mCi/ml等。

  38. 第三节 射线和物质的相互作用 一、带电粒子与物质的相互作用 二、光子与物质的相互作用 三、

  39. 什么是放射线? • 放射线是指波长较短的电磁波和微小粒子的流动现象。 • 放射线通常简称为射线; • 在放射防护领域,不包括可见光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)、通信用无线电波等非电离辐射 。

  40. 一、带电粒子与物质的相互作用 1.电离与激发 (ionization and excitation) 2.散射 (scattering) 3.韧致辐射 (bremsstrahlung radiation) 4.湮没辐射 (annihilation radiation) 5.吸收(absorption)

  41. 1、电离与激发 带电粒子(charged particles)通过物质时和物质原子的核外电子发生静电作用,使壳层电子获得能量脱离原子轨道形成自由电子而产生正负离子对的过程称电离。 如果原子的电子所获得的能量还不足以使其脱离原子,而只能从内层轨道跳到外层轨道。这时,原子从稳定状态变成激发状态,这种作用称为激发。激发的原子不稳定,退激时可释放出光子或能量。

  42. 电离图示 Change the motion direction of the incident electron Incident electron Ionization electron

  43. 激发图示 Change the motion direction of the incident electron Incident electron Excited electron 如果原子的电子所获得的能量还不足以使其脱离原子,而只能从内层轨道跳到外层轨道。这时,原子从稳定状态变成激发状态,这种作用称为激发。激发的原子不稳定,退激时可释放出光子或能量。

  44. 电离和激发是一些探测器测量射线的物质基础,是射线引起物理、化学变化和生物效应的机制之一。电离和激发是一些探测器测量射线的物质基础,是射线引起物理、化学变化和生物效应的机制之一。

  45. 2、散射(scattering) • β射线由于质量小,行进途中易受介质原子核电场力的作用而改变原来的运动方向,这种现象称为散射, 其中运动方向改变而能量不变者称弹性散射。而α粒子由于质量较大,散射一般不明显。

  46. 散射图示 Incident electron Scattered electrons

  47. 3、韧致辐射(bremsstrahlung radiation) 快速电子通过物质时,在原子核电场作用下,急剧减低速度,电子的一部分或全部动能转化为连续能量的X射线发射出来,这种现象称韧致辐射。

  48. 3.韧致辐射 (bremsstrahlung ) 韧致辐射释放的能量与所通过介质的原子序数的平方成正比,韧致辐射的强度随屏蔽物质的原子序数增大而增大。因此,β射线的屏蔽要用原子序数低的材料制成,如铝、塑料、有机玻璃等。 X-ray