醫(yī)學(xué)影像成像原理-核醫(yī)學(xué)課件

萬丹1醫(yī)學(xué)影像成像原理核醫(yī)學(xué)緒

論一、概述二、核醫(yī)學(xué)的定義及內(nèi)容三、我國核醫(yī)學(xué)發(fā)展?fàn)顩r2核醫(yī)學(xué)是原子能和平利用的一個重要

組成部分，它是人類發(fā)現(xiàn)了放射性核素之

后，把放射性核素及其在衰變時產(chǎn)生的核

射線應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中而逐漸形成的一門學(xué)科。原子彈可以毀滅人類,核醫(yī)學(xué)卻可以拯救生靈一、概

述3什么是核醫(yī)學(xué)？核醫(yī)學(xué)是利用放射性核素及其在衰變時產(chǎn)生的核射線來進(jìn)行醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論研究及臨床診斷和治療的一門學(xué)科。二、核醫(yī)學(xué)的定義和內(nèi)容4核醫(yī)學(xué)的內(nèi)容核醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)基礎(chǔ) 臨床核醫(yī)學(xué)診斷治療體內(nèi)檢查法體外檢查法放射性核素顯像 非顯像5三、我國核醫(yī)學(xué)發(fā)展?fàn)顩r6我國核醫(yī)學(xué)起源于1956年，50年來經(jīng)歷了從無到有和從落后到在世界上占有一席之地的歷程。第一節(jié) 核醫(yī)學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)一、核外電子與原子核二、幾個基本概念三、放射性核素的衰變規(guī)律四、射線與物質(zhì)的相互作用7一、原子核與核外電子原子的結(jié)構(gòu)是由位于原子中心的原子核及按一定軌道圍繞原子核運(yùn)行核外電子組成。8Atomneutronsprotonsnucleon+electronsK

L

M

shell

-原子的結(jié)構(gòu)9圖1原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子1。0圖211A

X

表示各種核素。ZAXAmX如99mTcA

X

→Z3

31H

→

H32

P→

32P15131I→131I53中子和質(zhì)子的轉(zhuǎn)換以下式子表示：中子過多時:1n →

1p

+

0e

+

v0

1

-1中子過少時：11p→01n

+

+10e

+

v12原子核中存在一種極強(qiáng)的作用力—

核力，使核子緊密的結(jié)合在一起。13

二、幾個基本概念(一)核素(二)同位素(三)同質(zhì)異能素(四)穩(wěn)定性核素與放射性核素

(五)半衰期14（一） 核素15凡是具有一定原子序數(shù)、一定質(zhì)量數(shù)和一定能量狀態(tài)的各種原子，統(tǒng)稱為核素。例如1

H 、6

C、88

Ra 、53

I等。3

12

226

125核素包括兩種情況32同種核素：Z、

A 、E 相同。如1532P 、15

P……核素Z、A、E完全不同。如13H

、12C

、6

53125I不同種核素Z相同，A、E不同。如53

I、53

I等125

12816(二) 同位素17具有相同原子序數(shù)，但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為同位素。 （圖4）如53125I、

127I、53

53131I……互為碘的同位素。（三）同質(zhì)異能素18凡具有相同的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)，處于不同能量狀態(tài)的一類核素，它們彼此稱為同質(zhì)異能素。（圖5）99mTc和99Tc圖419圖420（四）穩(wěn)定性核素和放射性核素211、穩(wěn)定性核素（非放射性核素）2、放射性核素（不穩(wěn)定性核素）1、穩(wěn)定性核素：原子核能夠穩(wěn)定的存在于自然界中，不會自發(fā)地產(chǎn)生變化，這種核素通常稱

為非放射性核素（穩(wěn)定性核素）。N/Z

=

1

—

1.5222、放射性核素（不穩(wěn)定性核素）原子核即使沒有任何外來因素作用下，也會自發(fā)地放出射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。這個過程則稱為放射性核衰變。23天然放射性核素放射性核素人工放射性核素核衰變放射性核素特點(diǎn)特定的半衰期24（五）半衰期1、物理半衰期（physical

half

life）2、生物半衰期(biological

half

life)3、有效半衰期（effective

half

life）251、物理半衰期：符號T1/226在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原有值一半時所需要的時間，稱為物理半衰期，簡稱半衰期（T1/2）。238U226Ra125I198Au135CsT1/2

為4.8×109年T1/2

為1560年T1/2

為60天T1/2

為2.7天T1/2

為2.8×10-10秒半衰期和衰變常數(shù)（λ）的關(guān)系為：0.693

0.693T1/2

=或

λ=λT1/2衰變常數(shù)：是指某種放射性核素的一個原子核在單位時間內(nèi)進(jìn)行自發(fā)衰變的比率。272、生物半衰期：符號Tb生物半衰期是指進(jìn)入生物機(jī)體內(nèi)的放射性核素，由于生物代謝的作用，放射性活度減少一半所需要的時間。283、有效半衰期：符號Te有效半衰期是指進(jìn)入生物機(jī)體內(nèi)的放射性核素，由于放射性衰變和生物代謝共同的作用，使放射性活度減少到原來的一半時所需要的時間。物理半衰期、生物半衰期、有效半衰期三者的關(guān)系為：T1/2×TbTe

=T1/2+Tb（圖6）29圖6

例：I-131在甲狀腺的Te計算，I-131物理T1/2為8.1天，設(shè)Tb為７天；Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。30三、 核衰變的類型及規(guī)律（一）核衰變的類型（二）核衰變規(guī)律（三）核射線及其性質(zhì)（四）放射性活度及其單位31（一）核衰變的類型1、α衰變2、β衰變①

β-

衰變②

β+衰變③

電子俘獲3、γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換32放射性核素自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的過程稱為核衰變。33α衰變（alpha

decay）1、定義：放射性核素的原子核放出α粒子后變成另一種核素的衰變過程，稱為

α衰變。α粒子實(shí)質(zhì)上是氦核

(4He)342、通式：α衰變反應(yīng)式表示為AX

=

A-4Y

+

4He

+

QZ

Z-2

2經(jīng)α衰變后，子核質(zhì)量數(shù)減少4，原子序數(shù)減少2。35圖836β衰變核衰變時放射出β粒子或俘獲軌道電子的衰變稱為β衰變。β

衰變可分為

β

-

衰變、β+變和電子俘獲三種。371、β-衰變n

p+e-γ（

1

）

定義：放射性核素的原子核放出β-粒子變成另一種核素的核

衰變過程，稱為β-衰變。β-β-衰變模式圖38Z

Z+1（2）通式：AX→

AY+β-

+

v

+

Q經(jīng)β-衰變后，子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加1。39圖9402、β+衰變n

p+e+γβ+衰變模式圖（1）定義：放射性核素的原子核放出β+粒子，變成另一種核素的核衰變過程稱為β+衰變。β+41（2）通式：AX

→

AY

+

β+

+

v

+

Qz

z-1經(jīng)β+衰變后，子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)減1。42圖10433、電子俘獲（1）定義：放射性核素的原子核在衰變時不放出粒子，由核外俘獲一個軌道電子而變成另一種原子核的放射性轉(zhuǎn)變過程稱為電子俘獲。44，電子俘獲是核內(nèi)中子數(shù)不足時從核外靠內(nèi)層的電子軌道（即K層）上俘獲一電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子同時放射出一個中微子的過程。P+e-

n45（2）

通式：AX

+

0e→

AY

+

v46Z

-1

Z-1經(jīng)電子俘獲后，子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)減1。由于K層最靠近原子核，因此K層的電子被俘獲的幾率最大，故電子俘獲又常稱為K層電子俘獲。P+e-

n標(biāo)識X射線俄歇電子γ47γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換1、

γ衰變（gamma

decay）（1）定義：放射性核素原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放射出γ射線的衰變過程稱為γ衰變。γray48Z49（2）

通式：AmX

→AX(Y)

+

γZγ衰變子核的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均不變，只是核素的能量狀態(tài)發(fā)生改變。如：

49

113mIn→113In49+

γ圖13502、內(nèi)轉(zhuǎn)換（internal

conversion）放射性核素原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時，將多余的能量直接傳給核外電子（主要是K層電子）,使該電子獲得足夠的能量后脫離軌道成為自由電子，這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換。由于內(nèi)轉(zhuǎn)換放射出的自由電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子51放出γ射線和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子是原子核從激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時的兩種可能方式。5253（二）核衰變規(guī)律54核衰變公式：

Nt=N0e

–λt物理意義：各種放射性核素核衰變中，其原子核數(shù)目是隨著時間的增長而按照指數(shù)規(guī)律減少。（圖

14）圖1455（三） 核射線及其性質(zhì)1、電性

（圖15）2、本質(zhì)3、電離能力4、穿透力

（圖16）性

質(zhì)αβγ電

性++

或

-不帶電本

質(zhì)粒子流電子流光子流電離能力大中小穿透力小中大NE5X6

T圖1557圖165859（四）放射性活度及其單位601、放射性活度（又稱放射性強(qiáng)度）定義：一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)。也就是單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核

數(shù)。2、放射性活度的單位（1）貝克勒爾（Becquerel):簡稱貝克（Bq）1Bq表示:放射性核素在一秒內(nèi)發(fā)生一次核衰變。61即

1Bq=1S-1Bq衍生單位有MBq、GBq、TBq（2）居里（Curie,符號Ci）Ci是放射性活度的舊有單位。1Ci表示：放射性核素在1秒內(nèi)發(fā)生3.7×1010次核衰變。1Ci=103mCi=106μCi居里與貝可的換算關(guān)系：

1Ci=3.7×1010Bq=37GBq1mCi=

3.7×107Bq

=37MBq1μCi

=

3.7×104Bq

=37KBq1Bq=2.703×10-11Ci62(3)比放射性活度（簡稱比活度）單位質(zhì)量或容積放射性制劑中的放射性活度稱為比放射性活度，如Bq/mg、

Bq/ml、Bq/mol等。63四、 射線與物質(zhì)的相互作用64（一）帶電粒子與物質(zhì)的相互作用（二）光子與物質(zhì)的相互作用（三）中子與物質(zhì)的相互作用（一）帶電粒子與物質(zhì)的相互作用65Interaction

of

charged

particleandmatter1、電離與激發(fā)2、 軔致輻射3、 散射Ionization

and

excitation

電離與激發(fā)激發(fā)：帶電粒子與物質(zhì)原子的核外電子發(fā)生作用時，僅給了它部分能量，使這個電子從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，而使整個原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，這種現(xiàn)象稱為激發(fā)。這個過程并不產(chǎn)生自由電子。Charged

particleparticleγ(deexcitation)66電離：當(dāng)帶電粒子具有足夠大的能量時，它可以使核外電子脫離軌道形成一個帶負(fù)電荷的自由電子； 失去e-

的核帶正電荷，兩者形成一對離子。自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級電離。Charged

particlee-IonpairsSecondary67ionization33.85eVmatterIonization

density

電離密度68單位路徑形成的離子對數(shù)目稱為:電離密度。表示帶電離子電離能力大?。浑婋x密度取決于帶電粒子能量、速度與物質(zhì)密度。帶電粒子能量大、速度慢、物質(zhì)密度低，電離密度則大。Bremsstrahlung

軔致輻射帶電粒子通過物質(zhì)時，由于受到物質(zhì)原子核電場作用，運(yùn)動速度突然變慢，帶電粒子能量的一部分或全部以光子形式輻射出來，這種現(xiàn)象稱為軔致輻射。particle69X-rayScattering

散射帶電粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動方向與能量的過程稱為散射。僅改變運(yùn)動方向能量不變者為彈性碰撞。α粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散射較少。β粒子輕，運(yùn)動為曲線，散射明顯。particle70particle（二）光子與物質(zhì)的相互作用71Interaction

of

photon

and

matter1、光電效應(yīng)2、康普頓效應(yīng)3、電子對效應(yīng)（電子對生成）光電效應(yīng)：光子與物質(zhì)原子相互作用時，將全

部能量交給原子中較內(nèi)層的核外電子，核外電

子獲得能量后，脫離原子而發(fā)射出來，光子本

身則整個被吸收。所發(fā)射出來電子稱為光電子。X

rayAuger

electronPhotoelectric

effect光電效應(yīng)Electron

vacancy

filledK

L

Me-photoelectronγIncident

photon72圖1973Compton

effect

康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)：當(dāng)光子和物質(zhì)原子相互作用時，

把一部分能量傳給原子中較外層的核外電子，

獲得一定能量的電子，脫