医学影像成像原理——核医学课件.ppt

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1、万丹,医学影像成像原理 核医学,绪 论,一、概述二、核医学的定义及内容三、我国核医学发展状况,核医学是原子能和平利用的一个重要组成部分，它是人类发现了放射性核素之后，把放射性核素及其在衰变时产生的核射线应用于医学中而逐渐形成的一门学科。原子弹可以毁灭人类,核医学却可以拯救生灵,一、概 述,什么是核医学？ 核医学是利用放射性核素及其在衰变时产生的核射线来进行医学基础理论研究及临床诊断和治疗的一门学科。,二、核医学的定义和内容,核医学的内容,核医学 核医学基础 临床核医学 诊断 治疗 体内检查法 体外检查法 放射性核素显像 非显像,三、我国核医学发展状况,我国核医学起源于1956年，50年来经历了

2、从无到有和从落后到在世界上占有一席之地的历程。,第一节 核医学物理学基础一、核外电子与原子核二、几个基本概念三、放射性核素的衰变规律四、射线与物质的相互作用,一、原子核与核外电子,原子的结 构是由位于 原子中心的 原子核及按 一定轨道围 绕原子核运 行核外电子 组成。,K,L,M,Atom,neutrons,protons,nucleon,+,electrons -,shell,原子的结构,图1,原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子。,图2,ZA X 表示各种核素。 ZA X AX AmX 如 99mTc 31H 3H 1532 P 32P 53131I131I 中子和质子的转换以下式

3、子表示： 中子过多时: 01n 11p + -10e + v 中子过少时：11p01n + +10e + v,原子核中存在一种极强的作用力 核力，使核子紧密的结合在一起。,二、几个基本概念(一)核素(二)同位素(三)同质异能素(四)稳定性核素与放射性核素(五)半衰期,（一） 核素 凡是具有一定原子序数、一定质量数和一定能量状态的各种原子，统称为核素。例如13H 、612C、88226Ra 、53125I等。,核素包括两种情况 同种核素：Z、 A 、E 相同。如1532P 、1532P 核素 Z、A、E完全不同。如13H 、612C 、53125I 不同种核素 Z 相同， A 、E不同。如531

4、25I、53128 I 等,(二) 同位素 具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为同位素。 （图4） 如53125I、53127I、53131I互为碘的同位素。,（三）同质异能素 凡具有相同的原子序数和质量数，处于不同能量状态的一类核素，它们彼此称为同质异能素。（图5） 99mTc和99Tc,图4,图5,（四）稳定性核素和放射性核素1、稳定性核素（非放射性核素）2、放射性核素（不稳定性核素）,1、稳定性核素： 原子核能够稳定的存在于自然界中，不会自发地产生变化，这种核素通常称为非放射性核素（稳定性核素）。 N/Z = 1 1.5,2、放射性核素（不稳定性核素） 原子核即使没有任何外来因素作用

5、下，也会自发地放出射线而转变为另一种核素，这类核素称为放射性核素。这个过程则称为放射性核衰变。,天然放射性核素 放射性核素 人工放射性核素 核衰变 放射性核素特点 特定的半衰期,（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）,1、物理半衰期：符号T1/2 在单一的放射性核素衰变过程中，放射性活度降至原有值一半时所需要的时间，称为物理半衰期，简称半衰期（T1/2）。 238U T1/2 为4.8109年 226Ra T1/2 为1560年 125I T1/2 为

6、60天 198Au T1/2 为2.7天 135Cs T1/2 为2.810-10秒,半衰期和衰变常数（）的关系为： 0.693 0.693 T1/2 = 或 = T1/2衰变常数：是指某种放射性核素的一个 原子核在单位时间内进行自 发衰变的比率。,2、生物半衰期：符号Tb 生物半衰期是指进入生物机体内的放射性核素，由于生物代谢的作用，放射性活度减少一半所需要的时间。,3、有效半衰期：符号Te 有效半衰期是指进入生物机体内的放射性核素，由于放射性衰变和生物代谢共同的作用，使放射性活度减少到原来的一半时所需要的时间。物理半衰期、生物半衰期、有效半衰期三者的关系为： T1/2Tb Te = T1/

7、2+Tb,（图6）,图6,例：I-131在甲状腺的Te计算，I-131物理T1/2为8.1天，设Tb为天； Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。,三、 核衰变的类型及规律,（一）核衰变的类型 （二）核衰变规律（三）核射线及其性质（四）放射性活度及其单位,（一）核衰变的类型 1、衰变 2、衰变 - 衰变 +衰变 电子俘获 3、衰变和内转换,放射性核素自发地释放出一种或一种以上的射线并转变为另一种核素的过程称为核衰变。,衰变（alpha decay）,1、定义：放射性核素的原子核放出粒子后变成另一种核素的衰变过程，称为衰变。,粒子实质上是氦核(24He),2、通式：衰变反应式表示为

8、ZAX = Z-2A-4Y +24He + Q 经衰变后，子核质量数减少4，原子序数减少2。,图8,衰变 核衰变时放射出粒子或俘获轨道电子的衰变称为衰变。 衰变可分为-衰变、+衰变和电子俘获三种。,1、-衰变 （1）定义：放射性核素的原子核放出-粒子变成另一种核素的核衰变过程，称为-衰变。,n p+e-,-,-衰变模式图,（2）通式： ZAXZ+1AY+- + v + Q经-衰变后，子核质量数不变，原子序数加1。,图9,2、+衰变（1）定义：放射性核素的原子核放出+粒子，变成另一种核素的核衰变过程称为+衰变 。,n p+e+,+衰变模式图,+,（2）通式： zAX z-1AY + + + v

9、+ Q经+衰变后，子核质量数不变，原子序数减1。,图10,3、电子俘获（1）定义：放射性核素的原子核在衰变时不放出粒子，由核外俘获一个轨道电子而变成另一种原子核的放射性转变过程称为电子俘获。,电子俘获是核内中子数不足时从核外靠内层的电子轨道（即K层）上俘获一电子，使核内一个质子转化为中子，同时放射出一个中微子的过程。,P+e- n,（2）通式： ZAX +-10eZ-1AY + v经电子俘获后，子核质量数不变，原子序数减1。,由于K层最靠近原子核，因此K层的电子被俘获的几率最大，故电子俘获又常称为K层电子俘获。,P+e- n,标识X射线,俄歇电子,衰变和内转换1、衰变（gamma decay）

10、 （1）定义：放射性核素原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时放射出射线的衰变过程称为衰变。,ray,（2）通式： ZAmX ZAX(Y) + 衰变子核的质量数和原子序数均不变，只是核素的能量状态发生改变。如： 49 113mIn 49113In + ,图13,2、内转换（internal conversion） 放射性核素原子核由激发态向基态跃迁时，将多余的能量直接传给核外电子（主要是K层电子）,使该电子获得足够的能量后脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换。由于内转换放射出的自由电子称为内转换电子。,内转换电子,放出射线和内转换电子是原子核从激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时的两

11、种可能方式。,（二）核衰变规律 核衰变公式： Nt=N0e t物理意义：各种放射性核素核衰变中，其原子核数目是随着时间的增长而按照指数规律减少。（图 14）,图14,（三） 核射线及其性质 1、电性 （图15） 2、本质 3、电离能力 4、穿透力 （图16）,NEXT,图15,图16,（四）放射性活度及其单位1、放射性活度（又称放射性强度） 定义：一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数。也就是单位时间内发生衰变的原子核数。,2、放射性活度的单位 （1）贝克勒尔（Becquerel):简称贝克（Bq）1Bq表示:放射性核素在一秒内发生一次核衰变。 即 1Bq=1S -1 Bq衍生

12、单位有MBq、GBq、TBq （2）居里（Curie,符号Ci） Ci是放射性活度的旧有单位。 1Ci表示：放射性核素在1秒内发生3.71010 次核衰变。 1Ci=103mCi=106Ci,居里与贝可的换算关系： 1Ci=3.71010Bq=37GBq 1mCi= 3.7107Bq =37MBq 1Ci = 3.7104Bq =37KBq 1Bq=2.70310-11Ci,(3)比放射性活度（简称比活度） 单位质量或容积放射性制剂中的放射性活度称为比放射性活度，如Bq/mg、 Bq/ml、Bq/mol等。,四、 射线与物质的相互作用,（一）带电粒子与物质的相互作用（二）光子与物质的相互作用（

13、三）中子与物质的相互作用,（一）带电粒子与物质的相互作用 Interaction of charged particle and matter,1、电离与激发2、 轫致辐射3、 散射,Ionization and excitation 电离与激发激发：带电粒子与物质原子的核外电子发生作用时，仅给了它部分能量，使这个电子从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，而使整个原子处于能量较高的激发态，这种现象称为激发。 这个过程并不产生自由电子。,Charged particle,particle,(deexcitation),电离：当带电粒子具有足够大的能量时，它可以使核外电子脱离轨道形成一个带负电荷的

14、自由电子； 失去e-的核带正电荷，两者形成一对离子。自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离。,Charged particle,e-,Ion pairs,Secondary ionization,33.85eV,matter,Ionization density 电离密度,单位路径形成的离子对数目称为:电离密度。表示带电离子电离能力大小；电离密度取决于带电粒子能量、速度与物质密度。带电粒子能量大、速度慢、物质密度低，电离密度则大。,Bremsstrahlung 轫致辐射,带电粒子通过物质时，由于受到物质原子核电场作用，运动速度突然变慢，带电粒子能量的一部分或全部以光子形式辐射出来，这种现象称

15、为轫致辐射。,particle,X-ray,Scattering 散射,带电粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向与能量的过程称为散射。仅改变运动方向能量不变者为弹性碰撞。 粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少。粒子轻，运动为曲线，散射明显。,particle,particle,（二）光子与物质的相互作用 Interaction of photon and matter,1、光电效应 2、康普顿效应3、电子对效应（电子对生成）,光电效应：光子与物质原子相互作用时，将全部能量交给原子中较内层的核外电子，核外电子获得能量后，脱离原子而发射出来，光子本身则整个被吸收。所发射出来电子称为光电子

16、。,X rayAuger electron,photoelectron,K,L,Photoelectric effect 光电效应,Electron vacancy filled,M,e-,Incident photon,图19,Compton effect 康普顿效应,康普顿效应：当光子和物质原子相互作用时，把一部分能量传给原子中较外层的核外电子，获得一定能量的电子，脱离原子而发射出来，而光子本身由于能量的减低改变运动方向射出，这种光子称为康普顿散射光子。这个效应发射出来的电子称为康普顿电子（反冲电子）。,Incidence ,Compton e-,scattering,Elastic co

17、llision,K,L,M,图20,Electron pair production 电子对生成效应,电子对效应：当光子能量大于1.02Mev，光子与物质相互作用时，在原子核电场作用下，转化为一对正负电子，而光子本身消失了，这个效应产生了一对电子。,incidence,511keV,511keV,+e-,free electron,e-,e+,图21,X射线的能量较小，一般不发生电子对效应。,（三）中子与物质的相互作用,1、弹性散射 2、核反应,1、 弹性散射 中子与物质相互作用时，中子将一部分能量传给被碰撞的原子核，使其脱离电子层而运动形成反冲核，反冲核使物质的其他原子发生电离和激发，而中子本身速度减慢并改变运动方向，这种现象称为弹性散射。,2、 核反应 高能中子与物质的原子核作用，放出带电粒子而形成新核，这种现象称核反应，新核可能是稳定的核素，也可能是放射性核素。,思考题,1、核素、同位素、同质异能素的定义。2、核衰变及其类型。3、半衰期与放射性活度的定义。4、射线与物质的相互作用。,