第九章 原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理課件

原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理本章要求：1、掌握原子核的基本性質(zhì)和衰變類2、掌握原子核的衰變規(guī)律和應用3、認識了解核醫(yī)學成像的物理原理第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理原子中存在一個帶正電的核心，即原子核。原子的絕大部分質(zhì)量集中在原子核。1.原子核（atomicnucleus)一.原子核的組成(Formationofatomicnucleus)1第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)實驗和理論證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子(nucleon)。2.質(zhì)子和中子

（protonandneutron)第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理3.核素（nuclide)一.原子核的組成(Formationofatomicnucleus)2第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)具有確定的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)所對應的原子統(tǒng)稱為核素

。通常用來表示核素。X表示元素的化學符號，A表示核的質(zhì)量數(shù)（核子總數(shù)），Z表示核內(nèi)質(zhì)子數(shù)（正電荷數(shù)或原子序數(shù)），因此,（A－Z）為核內(nèi)的中子數(shù)。例如，第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理3第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)1.原子質(zhì)量單位二.原子核的質(zhì)量(Thequalityofthenucleus)原子質(zhì)量單位：（等于原子質(zhì)量的1/12

）質(zhì)子用p表示，其質(zhì)量：中子用n表示，其質(zhì)量

：第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理4第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)核力與電荷無關

核力是短程強吸引力

核力具有飽和性2.核力（nuclearforce）核力是將質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的特殊力，具有如下重要特征第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理三.原子核的組成原子核的核半徑R與核質(zhì)量數(shù)A的近似關系:5第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)核半徑是指核力的作用范圍或核內(nèi)電荷分布的范圍，而不是幾何半徑。通常取R約為10-15m~10-14m第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理6第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)原子核的平均密度:原子核的質(zhì)量Au近似為原子質(zhì)量m，原子核的體積，原子核的平均密度ρ為:第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理已發(fā)現(xiàn)的核素已超過1600種，其中絕大部分都是不穩(wěn)定的放射性核素(radioactivenuclide)。7第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)四.原子核的穩(wěn)定性

平均結(jié)合能：1.原子核的穩(wěn)定性式中，分別表示質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，，，分別表示質(zhì)子、中子和原子核的質(zhì)量。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理8第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)1.原子核的穩(wěn)定性平均結(jié)合能的大小表示原子核結(jié)合的松緊程度，平均結(jié)合能越大，則原子核分解為單個核子所需的能量就越大，原子核就越穩(wěn)定。天然存在的原子核中，質(zhì)量數(shù)較小的輕核和質(zhì)量數(shù)較大的重核，其平均結(jié)合能比質(zhì)量數(shù)中等的核小。重核分裂成中等質(zhì)量的核，會放出能量。輕核聚變?yōu)檩^重質(zhì)量的核，也會放出大量的能量來。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理9第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)質(zhì)量虧損：1.原子核的穩(wěn)定性原子核的結(jié)合能在數(shù)值上等于質(zhì)量虧損釋放出的能量

第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理10第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)同位素(isotope)：具有質(zhì)子數(shù)(Z)相同而質(zhì)量數(shù)

（A）不同的核素2.核素、同位素、豐度、同量異位素、同核異能素

豐度（isotopeabundance）：同位素占該元素

總量的百分數(shù)同量異位素(isobar)：質(zhì)量數(shù)（A）相同而質(zhì)子

數(shù)(Z)不同的原子核同核異能素（isomer）：質(zhì)量數(shù)（A）和質(zhì)子數(shù)(Z)均相同而處于不同能量狀態(tài)的核素第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理11第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間的比例關系3.影響原子核穩(wěn)定性的主要因素

核子數(shù)的奇偶性重核的穩(wěn)定性)第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理1第二節(jié)原子核的衰變

放射性核素自發(fā)地放出射線或粒子變?yōu)榱硪环N核素的過程稱為原子核衰變，簡稱核衰變。衰變類型主要有三種：α衰變β衰變

γ衰變第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理2第二節(jié)原子核的衰變一.α衰變

放射性核素放出α粒子而衰變?yōu)榱硪环N核素的衰變過程，稱為α衰變?nèi)玷D衰變成氡

的過程：第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理3第二節(jié)原子核的衰變二.β衰變

原子核內(nèi)釋放出電子或正電子的衰變過程統(tǒng)稱為β衰變過程。β衰變包括三種形式：

β－衰變、β＋衰變、電子俘獲。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理4第二節(jié)原子核的衰變例如：一般過程為：1.β－衰變

衰變時，母核X放出一個負電子而轉(zhuǎn)變成子核Y，子核的電荷數(shù)比母核增加1，質(zhì)量數(shù)不變。是中微子，它不帶電，其靜止質(zhì)量基本為零第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理5第二節(jié)原子核的衰變例如：一般過程為：2.β＋衰變

衰變時，母核X放出一個正電子而轉(zhuǎn)變成子核Y，子核的電荷數(shù)比母核減少1，質(zhì)量數(shù)不變。是中微子，它不帶電，其靜止質(zhì)量基本為零第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理6第二節(jié)原子核的衰變例如：一般過程為：3.電子俘獲

衰變時，原子核俘獲一個核外電子，同時放出一個中微子，使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶与娮臃@過程會輻射標識X射線或俄歇電子。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理7第二節(jié)原子核的衰變?nèi)?γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換一般過程為：

處于高能態(tài)的原子核躍遷到低能態(tài)或基態(tài)時放出γ射線的過程稱為γ衰變，又叫γ躍遷。

有些原子核從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)或基態(tài)躍遷時，將多余的能量直接傳遞給核外的內(nèi)層電子，使其成為自由電子，稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換(internalconversion)

核素發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子時也會輻射標識X射線或俄歇電子。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理8第二節(jié)原子核的衰變四.衰變綱圖（decayscheme）

圖中最下面的橫線表示原子核的基態(tài)，上面的各橫線分別表示子核的激發(fā)態(tài)。相應的衰變類型、能量和半衰期等分別標在能級的兩側(cè)，兩能級之間的能量差表示衰變能。斜線上標示衰變類型、粒子的動能和衰變百分比。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理9第二節(jié)原子核的衰變四.衰變綱圖（decayscheme）第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理10第二節(jié)原子核的衰變四.衰變綱圖（decayscheme）第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理1第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律一.衰變規(guī)律在t時刻原子核數(shù)目為N，經(jīng)dt時間后，因衰變而減少的原子核為－dN。實驗和理論都證明λ是比例常數(shù)，稱為衰變常數(shù)(decayconstant)對上式積分，代入初始條件t=0時,原子核數(shù)目N0，可得衰變定律的表達式第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理2第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律二.半衰期和平均壽命1.半衰期放射性核素因衰變而減少到原來的一半所需的時間，稱為半衰期(halflife)。用T1/2表示。上式表明：半衰期T1/2與衰變常量λ成反比。λ大，T1/2就短，衰變就快。當t＝T1/2時，N=N0/2，代入衰變定律可得第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理3第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律1.半衰期利用換底公式可得到用半衰期表示的衰變定律為可以看出:經(jīng)過1個半衰期T1/2

，

N=

N0/2，經(jīng)過2個半衰期T1/2

，

N=

N0/4，經(jīng)過3個半衰期T1/2

，

N=

N0/8‥‥‥第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理4第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律幾種放射性核素半衰期核素符號半衰期核素符號半衰期鎵-6868.3min汞-20346.9d锝-996.1h鈷-605.27d金-1982.7d鍶-9028y碘-1318.04d銫-13730y磷-3214.3d碘-12560d第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理5第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律當放射性核素進入生物體或人體時，其原子核的數(shù)目除按自身的衰變規(guī)律減少外，還會由于生物體或人體的代謝而使原子核的數(shù)目減少。假定因代謝而減少的原子核數(shù)目也按指數(shù)規(guī)律衰減，并由此引入生物衰變常數(shù)（biologicaldecayconstant）λb和生物半衰期（biologicalhalflife）Tb。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理6第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律有效衰變常數(shù)（effectivedecayconstant）λe有效半衰期（effectivehalflife）Te第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理7第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律2.平均壽命原子核總數(shù)一定的放射源，原子核在衰變過程中的平均存在時間稱為放射性核素的平均壽命(meanlife)，以τ表示半衰期與平均壽命的關系第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理8第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律放射性核素在單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)稱為該物質(zhì)的放射性活度放射性活度也是隨時間作指數(shù)變化，有：或：三.放射性活度(radioactivity)第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理9第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律放射性活度的SI制單位是貝克勒爾（Bq）。它表示每秒鐘發(fā)生一次核衰變，即：

1Bq＝1次核衰變／秒常用的舊單位為居里（Ci）1Ci＝3.7×1010Bq第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理10第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律式中λ1N1是母體衰變導致子體在單位時間內(nèi)增多的原于核的數(shù)目，λ2N2是子體本身衰變在單位時間內(nèi)減少的原子核數(shù)目1.暫時平衡四.兩級串連衰第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理11第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律求解上述微分方程并帶入初始條件（t=0時，N2=0），則得將代入前式子體和母體放射性活度的關系式第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理12第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律當母體的半衰期T1不是很長，但比子體的半衰期T2長（即λ1<λ2）時，又t足夠長時，有

，則和第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理13第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律利用串連衰變的暫時平衡用長半衰期的母體生產(chǎn)半衰期短的放射性核素。這種裝置稱為放射性核素發(fā)生器(radioactivenuclidegenerator)，俗稱“母?！?。2.放射性核素發(fā)生器

使用最普遍的醫(yī)用的放射性核素發(fā)生器有99mTc(99Mo→99mTc)113mIn(113Sn→113mIn)第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理1直接電離1.電離和激發(fā)一.帶電粒子與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用間接電離第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理22.散射第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用3.軔致輻射4.射程和吸收第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理4第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用三種射線在空氣中的射程及電離密度2MeV的射線空氣中的射程（m）每毫米行程上的離子對α射線0.016000β射線1.0060γ（或X）射線100.000.6第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理5光子與原子的電子發(fā)生相互作用，將其全部能量傳遞給這個電子，使其成為自由電子，而光子消失1.光電效應二.光子與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用內(nèi)層空位被外層電子填補，它將通過發(fā)射標識x射線或俄歇電子的形式回到基態(tài)。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理6光子與原子核的外層電子發(fā)生非彈性碰撞，光子損失一部分能量并將其轉(zhuǎn)移給電子，使其成為反沖電子，光子的能量減少和運動方向發(fā)生變化2.康普頓效應第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用損失能量后的光子成為散射光子，具有一定動能的反沖電子可以引起次級電離。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理7當能量大于1.022的光子從原子核旁經(jīng)過時，光子在原子核的庫侖場作用下使一個入射光子消失并轉(zhuǎn)化為一對正、負電子，這個過程稱為電子對效應(electronpairingeffect)。3.電子對效應第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用損失能量后的光子成為散射光子，具有一定動能的反沖電子可以引起次級電離。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理8第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用能量低的光子和高原子序數(shù)的物質(zhì)，以光電效應為主，中等能量的γ射線以康普頓散射為主；電子對效應主要發(fā)生在高能光子和高原子序數(shù)的物質(zhì)中第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理91.彈性散射：中子受到原子核的散射，將部分能量傳遞給原子核，改變自身運動的方向和速度，同時引起原子核發(fā)生反沖，中子和原子核系統(tǒng)的動能和動量守恒二.中子與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用2.非彈性散射：中子受到原子核的散射，反應前后的中子和原子核系統(tǒng)的能量和動量不再守恒。（原子序數(shù)越低的物質(zhì)，中子越容易被吸收）第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理10二.中子與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用3.發(fā)生核反應：中子與原子核發(fā)生核反應，反應的產(chǎn)物有穩(wěn)定核素和放射性核素，并伴隨著各種射線產(chǎn)生。中子對機體組織的危害是相當大的第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理1一.放射治療第五節(jié)原子核技術(shù)在醫(yī)學上的應用60Co放射源，它的半衰期為5.27y，衰變時發(fā)出γ射線，射線的平均能量為1.25Mev。1.60Co治療機2.γ－刀（gammaknife）是立體放射神經(jīng)外科（SRNS）中利用γ射線定向照射，通過射線聚焦使焦點處聚集高能量，從而實現(xiàn)殺滅該部位的腫瘤的非手術(shù)治療的設備。適于直徑小于3cm的病灶。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理2第五節(jié)原子核技術(shù)在醫(yī)學上的應用

131I放射源引入體內(nèi)，會很快地集中在甲狀腺中,有效半衰期約為4～6天，其放射出的β射線能破壞部分甲狀腺組織，減少甲狀腺激素的合成和分泌，起到治療作用。3.131I治療4.質(zhì)子放射治療使用質(zhì)子加速器將質(zhì)子加速到接近光速，在精確控制下射入人體并將能量準確地集中到病變部位，可以用于全身癌癥或一般腫瘤治療。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理3第五節(jié)原子核技術(shù)在醫(yī)學上的應用中子線是一種高能粒子射線，由于它不帶電，能直接作用于細胞核，高能中子射線對腫瘤細胞DNA破壞更徹底，它使腫瘤細胞更難自我修復?，F(xiàn)在臨床使用最多的是锎(Cf252)中子刀5.中子放射治療第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理4二.射線分析第五節(jié)原子核技術(shù)在醫(yī)學上的應用1.放射免疫分析技術(shù)：同位素標記與免疫反映巧妙地結(jié)合2.中子活化分析是一種靈敏度高、非破壞性多元素分析技術(shù)

3.離子反射技術(shù)可得出元素的含量與深度的分布情況，是物質(zhì)表面層元素分析的有效手段之第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理5三.核醫(yī)學成像第五節(jié)原子核技術(shù)在醫(yī)學上的應用引入人體的放射性核素，稱為示蹤原子（traceratom），根據(jù)不同部位放射性核素的密度不同，在體外對放射性核素發(fā)射的射線進行跟蹤，就可以探測到反映放射性核素在體內(nèi)的濃度分布及隨時間的變化圖像，這就是核素成像（radionuclideimaging,RI）。第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理鉬－锝發(fā)生器第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理1一.放射診斷及示蹤原理第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理核素顯像（radionucliedimaging，RI）。是把放射性核素示蹤劑引入體內(nèi),這些示蹤劑具有一定的生理生化特征，借此可了解人體器官的功能和復雜的生理、生化方面的變化。1.放射診斷2.示蹤的原理放射性核素與穩(wěn)定性核素一起在體內(nèi)參與各種過程和變化，在體外探測由放射性核素放出的射線就可得到該元素的行蹤，使該元素無形中攜帶上一種特殊的標記

第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理2第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理2.示蹤的原理跟蹤示蹤原子的方法直接探測外標本測量放射自顯影第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理3二.

γ照相機第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理體外的探測器中的閃爍晶體檢測器接收被檢測體內(nèi)發(fā)出的光子，經(jīng)過設備處理后，在成像平面上投影而獲得一幅二維的閃爍圖像。每個像素的亮度表示在該像素位置垂直于成像平面方向上含有的放射性核的總和。1.γ照相機成像的物理原理第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理4第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理主要部件有探頭（包括準直器、閃爍晶體、光導、光電倍增管矩陣等）、位置電路、能量電路、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和成像裝置等組成。2.γ照相機的基本組成多孔準直器閃爍晶體光電倍增管第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理6第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理γ照相機的基本組成γ射線源位置信號能量信號多孔準直器光電倍增管閃爍晶體CRT探頭第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理7第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理γ照相機設備圖第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理7第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理γ照相機設備圖第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理8三.單光子發(fā)射型計算機斷層成像(SPECT）第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理

SPECT探頭掃過一個斷面后旋轉(zhuǎn)一定角度，再重復前一過程，直到旋轉(zhuǎn)3600，將探頭沿直線采集到的投影值經(jīng)計算機處理得到放射性核素在一個斷面上的分布圖像。SPECT的成像算法類似與X-CT，也是濾波反投影法，即可建立三維圖像信息，又可建立任意方位的斷層圖像，SPECT在許多性能方面遠優(yōu)于γ照相機1.成像原理第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理9三.單光子發(fā)射型計算機斷層成像(SPECT）第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理γ照相機型SPECT實際上是γ照相機的一種改進，它有γ照相機探頭、旋轉(zhuǎn)掃描支架及成像軟件構(gòu)成，整機在計算機控制下完成成像過程。探頭可以是兩個或三個，以步進式或連續(xù)旋轉(zhuǎn)方式采集信號。

2.成像方法第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理10第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理SPECT設備圖雙探頭可變角SPECT第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理SPECT圖像-腦部

第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理SPECT圖像-心臟第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理SPECT圖像-骨骼第九章原子核物理及核醫(yī)學成像的物理原理10四.正電子發(fā)射型計算機斷層成像(PET)第六節(jié)核醫(yī)學成像的物理原理

PET是將某些放射性核素（如11C、13N、15O、18F等貧中子核素，這些核素是人體自身分子的主要元素）注入體內(nèi)，這些核素能放射出正電子。正電子與負電子相遇時會產(chǎn)生一對能量為0.511MeV、飛行方向相反的一對光子，探測器