核医学物理基础.ppt

1,第一章核医学物理基础 福建省立医院核医学科 何品玉,供8年制及7年制临床医学等专业用 核 医 学 NUCLEAR MEDICINE主 编 张永学副主编 匡安仁 黄 钢,2,原子结构,原子核,中子,质子,电子,第一节 原子结构,K,L,M,3,原子由质子、中子和电子组成。质子与中子组成原子核。每个电子都沿着自己的固定轨道围绕着原子核运动，处于不同轨道电子具有不同的能量，电子总是首先占据着位能较低的内层。每层所能容纳的最多电子数为2n2。质子带正电，电子带负电，中子不带电。质子数与电子数相等，整个原子呈中性。,磷原子（15 P17）结构示意图,32,4,X为元素符号Z为质子数(原子序数)N为中子数A为质量数（A=Z+N）,原子核结构表示：AXN，可省略为AX,如：131I 78（131 I）32 P17（32 P）,z,53,15,5,元素、同位素、核素、同质异能素,元素质子数相同的一类原子。化学性质相同，而物理特性可有差异，如131I和127I 核素质子数、中子数相同，且原子核处于相同能量状态的一类原子。,6,同质异能素 具有相同的质量数和质子数，但核能态不同 的原子，彼此称同质异能素。如：基态核素与激发态核素（99Tc与99mTc）基态原子核的最低能量状态（稳定态）激发态比基态高的能量状态（不稳定态）,7,同位素质子数同，中子数不同,在周期表上处于相同 位置的核素，互称为同位素 如：131I78、125I72、123I70、127I74 1H（氕 pie）、2H（氘dao）、3H（氚chuan）同位素具有化学性质相同，生物学特征相同，但物理 性质有差异的特点,53,53,53,53,8,每种元素包括若干种核素，已知核素有2300多种，分别属于100余种元素。核素因物理性质不同，分为：稳定性核素 Z20 N/Z1 Stability 不稳定性核素（放射性核素）Z83 Unstability,9,一、核力与放射性核素1.原子核内存在两种力 库仑斥力质子之间存在相互排斥的力；核力中子与质子之间存在互相吸引的力。2.放射性核素 核内两种力不能保持平衡或核能量处于激发态。原子核不稳定，需通过核内结构或能级调整(自发衰变)才能趋于稳定的核素。3.稳定核素 中子数与质子数的比例在一定范围内能使库仑斥力与核力平衡时或核能量处于基态稳定状态。原子核稳定，不会自发衰变的核素。发生核衰变取决于核内结构特征与能量状态,第二节 放射性核衰变,10,二、放射性衰变及衰变类型 放射性衰变 放射性核素自发地进行核内结构 或能级调整，释放出一种或一种以 上的射线并转化为另一种核素的过程,11,放射性衰变类型 衰变放射性核素自发地从核内放出 射线（粒子）的衰变。粒子实际上是氦核（4He）AXA-4Y+4HeQ 226Ra222Rn4He4.937Mev（镭）（氡）,2,Z,Z-2,2,88,86,2,12,衰变衰变时放出粒子（电子）。因核 内中子数过多，中子转变为质子的过程。AX A YQ 32P32S1.71MeV,Z,Z+1,15,16,13,（正电子衰变）衰变时放出粒子，因 核内中子数过少，由质子转变为中子的过程。A X A YQ 18 F18O0.66MeV,9,8,Z,Z1,14,电子俘获衰变 因核外中子相对不足，从核外最内层（K层）上 俘获一个电子，使核内一个质子转变为一个中子的过程。A X0e A Y 55Fe0 e55 Mn 衰变过程放出：特征X射线、俄歇电子、射线和内转换电子,-1,26,-1,25,Z-1,Z,或,内转换电子,衰变及内转换模式图,15,衰变,衰变往往是继发于衰变或衰变后发生，这些衰变后，原子核还处于较高能量状态，原子核以放出-ray 释放出过剩能量99Mo 99mTc+-99Tc+(T1/2:66.02d;6.02h),原子核从激发态回复到基态时，放出射线的过程。Am XA Y 99m Tc99 Tc,16,三、衰变规律（一）衰变规律：衰变中原子核数目是随着 时间按指数规律减少的。Nt=N0e-t,17,（二）放射性活度与比放射性活度 放射性活度：一定量的放射性核素在单位时间 内发生的核衰变数。放射性活度 也是随时间按指数规律减少。A A0e-t 国 际 单 位：贝克（Bq）：表示一秒内发生 一次核衰变。临床使用剂量常用：KBq=103Bq，MBq=103K Bq，GBq=103 MBq，TBq=103 GBq。,18,旧 制 单 位：居里（Ci）：表示每秒发生 3.71010 次核衰变。居里与贝克换算关系：1Ci=3.71010Bq 比放射性活度：单位质量（容积）放射性制剂 中的放射性活度。Bq/ml，Bq/mg或Ci/ml，Ci/mg。,19,（三）半衰期 1物理半衰期：在单一的放射性衰变过程中，放射性活度降低至原有值的一半时，所需 要的时间。用T1/2表示。是每一种放射性核素所特有的。如：131I（8d）、99Mo（67h）99mTc（6.02h）99Tc（2105y）2生物半衰期：由于生物过程排出使放射性 活度减少一半所需要的时间。用Tb表示。3有效半衰期：由于放射性衰变和生物排出 的综合作用使放射性活度较少一半所需要 的时间。用Te表示。,20,。原子。,n,物质：气体 液体 固体 包括人体 等,第三节 射线与物质的相互作用,21,一 带电粒子与物质的相互作用（一）电离与激发 带电粒子通过物质时，与物质原子的核外电 子发生静电作用，核外电子获得能量，产生两种 作用：,22,电离：核外电子获得足够的能量后:,核外电子脱离了轨道,带负电的自由电子,物质原子失去核外电子,带正电离子,离 子 对,电离作用是射线使物质引起物理、化学变化及生物学效 应的主要机制,23,激发：核外电子获得能量，不足以脱离轨道成为自由电子，只能跃迁到能量高的轨道，使原子处于激发态。电离作用强弱（电离度）在单位路程上产生的离子对数目（电离密度）,24,电离度大小因素：射线带电量 射线速度 物质密度 电离度大 大 慢 大 电离度小 小 快 小射线电离度最大，穿透力小（射程微米级）射线电离度次之，穿透力较大（射程毫米级）射线、射线用于治疗疾病,25,（二）韧质辐射高速带电粒子通过物质时，受到核电场 力的作用，急剧失去能量而释放出X射线。只有能量较高的粒子才产生韧致辐射。韧致辐射发生几率与粒子能量成正比；与通过物 质的原子序数平方成正比。粒子的屏蔽物应用低密度材料 如：有机玻璃,26,（三）散射带电粒子在行进途中，易受物质原子核电场力 的作用，而改变前进方向，这种现象称散射。粒子散射作用明显 粒子散射不明显，行进基本是直线。（四）湮灭辐射正电子衰变产生的正电子，通过物质能量 耗尽时与物质中的自由电子结合，而转变为两个方向相 反、能量各位0.511MeV的光子而自身消失。PET成像原理就是利用湮灭辐射。,27,二 x、射线与物质的相互作用 1.光电效应 射线通过物质时，将全部的能量转移给 物质原子的核外电子（内层），核外电子获得 能量后脱离原子而发射出去成为光电子。低能的射线（0.5MeV以下）在高原子序 数的物质中光电效应显著。电离度最小（次级电离），穿透力最大，用于诊断疾病。,28,2.康普顿散射 能量较大的射线将部分能量转移给轨道电子，使之脱离原子，成为康普顿电子，而光子本身改变 方向继续前进。3.电子对生成 足够大的能量（大于1.022Mev）的射线，在 物质原子核电场的相互作用下，产生一对正负电子。,29,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应次级电子使物质原子电离,射线,第 1 步初级作用,第 2 步次级作用,30,射线的应用与防护,31,第四节 辐射剂量与单位,32,第二章核医学仪器福建省立医院核医学科 何品玉,供8年制及7年制临床医学等专业用 核 医 学 NUCLEAR MEDICINE主 编 张永学副主编 匡安仁 黄 钢,33,一 核医学仪器 在医学中探测和记录放射性核素放出射线的种 类、能量、活度及其随时间变化在空间分布的仪 器。二 放射性探测仪器的结构与作用原理 放射性探测仪器结构包括：射线探测器和分析 与记录脉冲信号的电子测量装置。,34,1、放射性探测器，俗称探头。作用：将射线能量转变为电能量，即将射线转变为电讯号 电离探测器：以气体为媒质，利用电离作用的原理 如：活度计 闪烁探测器：以固体或液体为媒质，利用荧光现象的原理 如：SPECT、PET 闪烁探头组成：闪烁体、光电倍增管及前置放大器 作用原理：射线闪烁体（射线能量变成光能）光电倍增管（光能变电信号并逐级放大）前置放大器（电信号再次放大）主放大器,35,2、分析和记录脉冲信号的电子测量装置 作用：对脉冲信号进行甄别和分析，无用的信号被甄别 掉，有用信号通过脉冲高度分析器送入计数器或相应的记 录仪记录，得出数据。组成：脉冲高度分析器、计数率仪计数器等。,36,+-,PET显像原理：正电子湮灭辐射和符合探测：俘获-形成电子偶 质能转换成光子对 能量相等（511kev）方向相反,37,38,三 核医学显像仪器 1.照相机 2.SPECT（single photon emission computed tomography）3.PET（positron emission tomography）4.SPECT与PET比较 5.TCT与ECT的特点 TCT（transmission computed tomography，穿透型CT）ECT（emission computed tomography，发射型CT）6.SPECT/CT、PET/CT,39,第三章放射性药物福建省立医院核医学科 何品玉,供8年制及7年制临床医学等专业用 核 医 学 NUCLEAR MEDICINE主 编 张永学副主编 匡安仁 黄 钢,40,（一）基本概念 1.放射性药物含有放射性核素的药物。用核标记技术将放射性核素标记在化合物分子结 构上，放射性核素起可被探测的作用或治疗作用，被标记的化合物根据其生物学特性决定放射性药物 在体内的分布。,41,2.类型 放射性核素分子或离子（如，133Xe气体分子、131I离子）放射性核素标记化合物（如，99mTc-ECD、99mTc-RBC）,42,（二）医用放射性核素来源 1.反应堆生产 如：131I 2.加速器生产 如：18F 3.核素发生器 如：99mTcO4,43,放射性核素发生器从放射性核素母子体系中周期性地分离出放射性子体的装置。又称“母牛”。99Mo-99mTc发生器99Mo（T1/2=2.7d）99mTc(T1/2=6h)99Tc母体核素 子体核素,44,（一）裂变型发生器：Al2O3（二）凝胶型发生器：ZrMoO3,45,（三）诊断放射性药物 1.放射性核素选择 合适的半衰期 衰变方式与射线能量 不同仪器有不同的要求,46,2.放射性药物的生物学特性 在靶器官中浓聚快，在血液中清除快。靶/非靶比值高,47,（四）治疗放射性药物 1.放射性药物选择（1）半衰期（2）衰变类型（、）（3）生物学特征 放射性药物引入体内后选择性到病变组织（靶向作用），靶/非靶比值高。核素放出射线能对病变组织产生致死杀伤作用。,48,（五）99mTc标记放射性药物的制备（六）放射性药物的质量控制 1.放射性核素纯度 2.放射化学纯度 3.化学纯度,49,第四章辐射生物效应与辐射防护福建省立医院核医学科 何品玉,供8年制及7年制临床医学等专业用 核 医 学 NUCLEAR MEDICINE主 编 张永学副主编 匡安仁 黄 钢,50,辐射防护(radiation protection)的目的就是要把放射线对人的影响减少到最低限度。只有掌握有关射线对人体影响的知识和防护措施，才能趋利避害，化害为利。,Radiation need not be feared,but it must be respected。,51,（1）对病人主要是内照射（即放射性核素进入人体内产生的照射），对医务人员主要是外照射（2）由于放射性药物在体内的特殊分布，病人全身受照剂量小，个别器官、组织受照剂量高。,核医学辐射的特点,52,第一节 天 然 本 底 辐 射,53,一.宇宙射线,星球碰撞、爆炸等形成的微粒在宇宙空间磁场的作用下形成的高能粒子流，其中主要是质子，其次是粒子和重离子等。,（一）初级宇宙射线,（二）次级宇宙射线,初级宇宙射线从宇宙空间进入大气层后，与空气分子发生核反应形成光子、电子、质子、中子、介子等射线以及产生3H、14C、7Be、22Na、85Kr等放射性核素，形成对地球的天然辐射。,能量范围宽，强度随海拔高度、纬度的不同而变化。对人体产生外照射。,54,系列衰变有铀系、锕系和钍系三种，其共同特征：,二.地球辐射,（一）天然存在的放射性系列衰变,（1）起始衰变的母体核素有可以与地球年龄相比的半衰期。（2）数十次系列衰变直到成为稳定性铅为止衰变产物均是放射性核素，衰变过程中有放射性氡气（222Rn2）产生。（3）最终变成稳定性铅。,地球辐射对人体的影响有外照射和内照射。,（二）40K、14C等单独存在的天然放射性核素,55,三.本底当量时间,表示在临床核医学防护工作中，病人所受的辐射剂量的大小可以用相当于在多长时间（几月或几年）内受的天然本底辐射的剂量。例如，一般病人在一次普通的核医学显像过程中全身接受的平均辐射剂量约为3.6 mSv，大约相当于世界上多数地区一年的平均天然本底辐射剂量(1-6 mSv)。,56,第二节 放射线对人体的影响,57,一.确定性效应和随机效应,（一）确定性效应(determinate effect),确定性效应是指辐射损伤的严重程度与所受剂量呈正相关，有明显的阈值，剂量未超过阈值不会发生有害效应。一般是在短期内受较大剂量照射时发生的急性损害。,58,确定性效应,59,（二）随机效应(stochastic effects),随机效应研究的对象是群体，是辐射效应发生的几率（或发病率而非严重程度）与剂量相关的效应，不存在具体的阈值。,60,二.辐射损伤的化学基础产生放射生物效应的最根本的原因,1.直接作用：放射线与物质的相互作用导致的生物分子的电离和激发2.间接作用：电离和激发产生的自由基导致的继发作用。主要是水自由基对生物分子的损伤作用。,61,自由基（radicals）：有一个或多个不配对电子而能独立存在的原子或分子，具有极高的不稳定性和化学反应性，存在的时间极其短暂。,62,对核酸分子主要作用于碱基、磷酸二酯键、核糖。通过脂质过氧化作用造成体内包括细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜、核膜等生物膜的损伤，使生物膜的能量传递、物质转运、信息识别等功能受到影响。,自由基直接作用于生物大分子,63,一定的低剂量对生物生命活动的辐射兴奋效应(hormesis)。,三.低辐射剂量的兴奋效应,曾报告的低辐射剂量兴奋效应：,增进动物的生长与发育延长寿命改善幼体存活率改善伤口愈合增强对感染的抵抗力降低致癌机率,64,进一步的研究还发现其作用机制方面，有免疫兴奋效应，DNA修复的兴奋效应，诱导自由基和活性氧清除等。实验研究还证实低剂量辐射兴奋效应发生过程中有相应的基因表达和表达产物蛋白质的合成，这些基因及其表达产物通过上调或下调相应的基因的表达来影响上述过程。,65,但由于辐射生物效应是一个复杂的问题，低剂量辐射的兴奋效应还有很多急待解决的问题，与传统的随机效应的理论也相矛盾。还有待于进一步的探索和验证。,低剂量辐射有害?有益?沒有影响?,66,四.辐射对机体组织的损伤,（一）组织的辐射敏感性,自然界中不同种类的动物，同种动物的不同个体以及同一个体的不同组织在受到同样剂量的照射时引起的损伤都是不同的。总的来讲，高等动物比低等动物辐射敏感性高，分裂增殖活跃的细胞、分化程度较低的组织细胞辐射敏感性高。以上的规律也有例外。,67,（二）造血组织的辐射损伤,造血组织的辐射损伤可以通过外周血细胞的变化反映，易于观测，故有生物剂量仪之称。,1.造血组织损伤的特点,血液系统的辐射损伤主要是造血细胞增殖能力的抑制或丧失。造血组织受损伤的程度可以反映受照剂量的大小。血液系统的变化是辐射损伤的临床诊断和预后判断的指针。,68,2.造血干细胞有极高的辐射敏感性，受射线照射后造血干细胞可因辐射致细胞坏死（necrosis）和细胞凋亡(apoptosis)，其数量随受照剂量呈指数规律下降。受较大剂量照射后，造血干细胞被破坏，数量急剧减少，余下的造血干细胞通过自我复制和分化为祖细胞以恢复造血功能。故具有极大的潜在修复能力。在受到极其严重的辐射损伤后，才必须进行干细胞移植，轻度损伤时可采取输血治疗等措施。,69,3.外周血细胞的变化:辐射对外周血细胞的作用不明显，主要是抑制造血细胞的增殖能力使血细胞的来源减少，引起外周血细胞数量的下降，较大剂量的照射则能引起血细胞寿命的缩短。,淋巴细胞,嗜中性细胞,血紅蛋白,Days,0 10 20 30 40 50 60,血小板,70,（三）睾丸和卵巢的辐射损伤,放射线主要抑制精原干细胞和精原细胞的分裂，总的效果就是精子数减少。女性性腺的放射敏感性较男性性腺略低，,据文献报道，男女受照人员全身一次1.5 Gy照射时，可引起短时间的生殖能力降低，5.0 Gy 的全身一次照射可引起12年或更长的无生育，一般8.0 Gy 以上的全身一次照射可引起生殖能力难以恢复的损害。,71,（四）成年人中枢神经系统属放射敏感性不太高的组织，但一旦发生损伤，往往是不可逆的。,1.0 Gy 照射可出现脑电图的异常数十Gy的照射后，可引起脑组织水肿、出血，严重者发生神经细胞坏死等形态学改变，病人出现无力、嗜睡，重者昏迷等症状。50 Gy 以上的一次大剂量照射，引起受照者全身痉挛，乃至死亡。,72,(五)消化道粘膜，特别是小肠绒毛上皮细胞是更新快、增生活跃的组织，辐射敏感性很高，受射线照射后，很快引起上皮细胞的分裂抑制，肠淋巴组织破坏。由于食物残渣等的刺激，易于继发感染。所以受射线照射早期即出现恶心、呕吐、食欲不振，继而出现腹泻、血大便等消化道症状。,73,(六)皮肤也是辐射敏感性较高的组织之一。常见的症状是毛发脱落、指甲发育不良等。较大剂量照射可引起局部红斑、溃疡等。,74,（七）辐射致细胞凋亡,1.辐射致细胞凋亡的特征,辐射引起的细胞凋亡具有一般的细胞凋亡的特征等。辐射所致凋亡还发生生物膜通透性的改变，细胞膜结构和染色质形态结构的变化等。,75,2.辐射所致细胞凋亡主要经历的几个过程,引发性刺激 滞后阶段的调节 死亡反应,76,细胞凋亡过程中表达增加的基因：如ced 1,2,5,6,7,8,10（吞噬作用），c-fos（转录功能），TIMP（蛋白酶抑制剂功能），RP-2、RP-8（转录功能）。促进某些细胞凋亡，例如ces-2,ced-3,c-myc,TNF-等。若阻断这些基因的表达，则可抑制细胞凋亡。少数基因可抑制细胞凋亡，如egl-1、p53、bcl-2、crm A等。,3.凋亡相关基因及其表达,77,辐射致细胞凋亡还与细胞周期、射线的线形能量传递系数（LET）、组织的氧浓度以及辐射剂量和剂量率等有关。细胞凋亡还受到细胞内核酸酶、Ca2+浓度、pH值等的影响。总之，细胞凋亡是一个复杂的过程，是细胞内在的有规律的变化，辐射的影响通过基因表达及体内多种因素的调控而实现。,4.其它影响因素,78,第三节 辐射防护的原则和措施,79,一、辐射防护的目的,防止有害的确定性效应，限制随机效应的发生率，使之达到可以接受的水平。总之是使一切具有正当理由的照射保持在可以合理做到的最低水平。,80,二、辐射防护的原则,实践的正当化 放射防护最优化 个人剂量限值,81,三、外照射防护措施,经典的外照射防护的三原则,时间(time)防护 距离(distance)防护 屏蔽(shielding)防护,82,83,84,四、内照射防护,开放性放射源可能通过口、呼吸道、皮肤伤口进入人体。内照射防护的关键是重在预防。内照射防护的原则是尽一切可能防止放射性核素进入体内，尽量减少实验场所及环境污染，定期进行污染检查和监测，把放射性核素的年摄入量控制在国家规定的限值以内。,85,放射性核素分组和对放射性工作场所分类 围封：放射性工作必须在指定的区域进行，避免放射性向环境扩散 保洁和去污 个人防护 通过严格的环境监测来建立内照射监测系统 放射性废物处理,内照射防护的措施包括以下几方面,86,第四节核医学工作人员和患者受辐射剂量比较,87,一、临床核医学检查受照剂量与其它临床检查项目比较,核医学检查中脑、骨、心脏显像和肾脏功能检查给药剂量较大，所受的有效当量剂量辐射剂量超过5.0 mSv，其余有效当量剂量均较低。,X线检查仅有少数部位的摄片检查所受辐射剂量略低于核医学检查，大多数检查均远远高于核医学检查。,88,二、临床核医学检查受照剂量与天然本底辐射比较,据报道在美国一次普通的核医学显像全身接受的平均辐射剂量约为3.6 mSv，大约相当于世界上平均天然本底辐射剂量（3.7 mSv）。国内调查的剂量略高于国外，若扣除放射性药物剂量因素，一次核医学检查患者接受的辐射剂量大概与平均天然本底辐射剂量接近。,89,三、核医学工作人员所受的辐射剂量分析,不同工种放射工作人员外照射当量剂量水平年人均剂量0.402.38mSv，核医学工作人员是0.65 2.38 mSv,平均1.33 mSv。无论是不同工种放射工作人员还是核医学工作人员个人年均当量剂量均明显低于国家职业照射年剂量限值的1/10。不同工种放射工作人员的个人剂量以介入手术操作人员最高，核医学工作人员与X线诊断，放射治疗等工种人员持平或略低。核医学科与其它放射诊断科室人员年均当量剂量无差异。,90,值得注意的是各分析表明国内放射检查辐射剂量明显高于国外，今后更应严格按照放射防护的原则、措施，认真管理，尽量避免不必要的照射，提高显像灵敏度，降低使用放射性药物用量，把辐射剂量再尽量降低。,91,THANK YOU!,