核醫(yī)學物理簡介課件

1、核醫(yī)學物理簡介核醫(yī)學物理簡介核醫(yī)學物理簡介第五章 核醫(yī)學物理 核醫(yī)學影像 (nuclear medicine imaging)是核醫(yī)學診斷中的重要技術手段。原子核物理學是它的物理學理論基礎 。一是研究核力、核結構和核反應等基本問題；二是研究放射性和射線。 研究內(nèi)容 核醫(yī)學物理簡介核醫(yī)學物理簡介核醫(yī)學物理簡介第五章 核醫(yī)學物第五章 核醫(yī)學物理 核醫(yī)學影像 (nuclear medicine imaging)是核醫(yī)學診斷中的重要技術手段。原子核物理學是它的物理學理論基礎 。原子核物理學+醫(yī)學=核醫(yī)學物理一是研究核力、核結構和核反應等基本問題；二是研究放射性和射線。 研究內(nèi)容 第五章 核醫(yī)學物理 核

2、醫(yī)學影像 (nuc第一節(jié) 原子核的基本性質第二節(jié) 原子核衰變的類型 第三節(jié) 原子核衰變的宏觀規(guī)律第四節(jié) 原子核反應第五節(jié) 醫(yī)用放射性核素的來源第五章 核醫(yī)學物理 第一節(jié) 原子核的基本性質第二節(jié) 原子核衰變的類型 第三節(jié) 原第一節(jié) 原子核的基本性質 第一節(jié) 原子核的基本性質 一、核素及分類二原子核的穩(wěn)定性第一節(jié) 原子核的基本性質 一、核素及分類二原子核的穩(wěn)定性第一節(jié) 原子核的基本性質 1. 核素 一、核素及分類 將具有確定數(shù)目的中子和質子狀態(tài)的原子核稱為核素(nuclide) 是兩種不同的核素，它們的A相同，但Z不同是兩種獨立的核素，它們的Z相同，但N不同（1）同位素(isotope)（2）同量

3、異位素(isobar)（3）同質異能素(isomer)99.756%, 0.039%,0.205%1. 核素 一、核素及分類 將具有確定數(shù)目的中子和質子狀態(tài)的影響原子核穩(wěn)定的因素放射性核素(radionuclide):會自發(fā)的衰變，放出一些射線.（1）中子數(shù)與質子數(shù)之間的比例關系一般排在周期表最前面的“輕核”的質子數(shù)和中子數(shù)相等二、原子核的穩(wěn)定性“重核”一般中子數(shù)多于質子數(shù)影響原子核穩(wěn)定的因素放射性核素(radionuclide):二、原子核的穩(wěn)定性二、原子核的穩(wěn)定性二、原子核的穩(wěn)定性近300種穩(wěn)定核素，大多數(shù)是偶偶核；質子數(shù)和中子數(shù)各自成對時，原子核穩(wěn)定（2）核子數(shù)的奇偶性（3）重核的不穩(wěn)定

4、性超過83號元素鉍的原子核都不穩(wěn)定超過92號元素鈾的原子核十分不穩(wěn)定二、原子核的穩(wěn)定性近300種穩(wěn)定核素，大多數(shù)是偶偶核；（2第二節(jié) 原子核衰變的類型 第二節(jié) 原子核衰變的類型 第二節(jié) 原子核衰變的類型 放射性核素自發(fā)放出射線變?yōu)榱硪环N核素的過程稱為原子核衰變，簡稱核衰變。放射性核素衰變類型衰變衰變衰變 核衰變過程將遵守質量、能量、動量、電荷和核子數(shù)守恒定律。第二節(jié) 原子核衰變的類型 放射性核素自發(fā)放出用 代表母核， 代表子核，則衰變反應式為式中Q是衰變時所放出的能量，稱為衰變能。 實驗表明，發(fā)生衰變的核素中，少數(shù)幾種核素能夠放射出單能的粒子，大多數(shù)核素將放射出幾種不同能量的粒子，使子核處于激

5、發(fā)態(tài)或基態(tài)。射線的能譜是不連續(xù)的線狀譜，常伴有射線。一、衰變用 代表母核， 代表子核，則衰變反應式為式中Q 核衰變過程可以用衰變能級圖，鐳 放出粒子變成氡 ，其過程為鐳的衰變一、衰變 核衰變過程可以用衰變能級圖，鐳 放出粒子變成氡二、衰變 原子核內(nèi)釋放出電子或正電子的衰變過程統(tǒng)稱為衰變過程。子核與母核是相鄰的同量異位素。衰變衰變+衰變電子俘獲EC衰變的三種形式 二、衰變 原子核內(nèi)釋放出電子或正電子的衰變過程統(tǒng)稱為其一般過程為 反中微子與其他粒子的相互作用極其微弱，它沿地球直徑穿過能量幾乎沒有損失。 式中， 是反中微子，它不帶電，其靜止質量基本為零。子核與母核是相鄰的同量異位素。二、衰變1-衰變

6、其一般過程為 反中微子與其他粒子的相互作用極其微 和 的衰變二、衰變1衰變 和 的衰變二、衰變1 +粒子是帶1個單位正電荷且靜止質量與電子相等的粒子。這種衰變只有在人工放射性核素才能發(fā)生。 +衰變實際上是核內(nèi)質子數(shù)偏多而中子數(shù)偏少，母核中的一個質子（ ）同時發(fā)出一個正電子和中微子轉變?yōu)橐粋€中子（ ）的過程。其一般過程為 式中 是中微子，它不帶電，其靜止質量基本為零。子核和母核也是相鄰的同量異位素。二、衰變2+衰變QAZAZ+e011-eYX +粒子是帶1個單位正電荷且靜止質量與電子相等的粒子 +粒子是不穩(wěn)定的，只能存在短暫時間，當它被物質阻礙失去動能后，可與物質中的電子相結合而轉化成一對沿相反

7、方向飛行的光子，每個光子的能量為0.511MeV，正好與電子的靜止質量相對應。 核醫(yī)學診斷所用的正電子ECT(簡稱PET)影像設備就是利用該原理而成像。二、衰變2+衰變 +粒子是不穩(wěn)定的，只能存在短暫時間，當它被 和 的+衰變圖二、衰變+ 和 的+衰變圖二、衰變+3.電子俘獲EC 發(fā)生衰變的原子核俘獲一個核外電子，同時放出一個中微子，使核內(nèi)一個質子轉變?yōu)橹凶拥乃プ冞^程稱為電子俘獲(electron capture, EC)。 衰變時母核俘獲一個K層電子稱K俘獲。有L俘獲和M俘獲。K層最靠近原子核，K俘獲的發(fā)生概率最大。二、衰變3.電子俘獲EC 發(fā)生衰變的原子核俘獲一個核其過程為 一個內(nèi)層電子被

8、原子俘獲后，原子核的外層電子會立即將這一空位填充這個能量以標識X射線的形式放出；或者使另一外層電子電離，成為自由電子，這種被電離出的電子稱為俄歇電子(Auger electron)。二、衰變3.電子俘獲其過程為 一個內(nèi)層電子被原子俘獲后，原子核的 的電子俘獲衰變圖二、衰變右圖放射性核素發(fā)生衰變或電子俘獲后，母核和子核的質量數(shù)并未發(fā)生變化，只是電荷數(shù)改變了。母核與子核屬于同量異位素3.電子俘獲 的電子俘獲衰變圖二、衰變右圖放射性核素發(fā)1. 衰變 原子核從激發(fā)態(tài)(excited state)回復到基態(tài)(ground state)，以發(fā)射光子釋放過剩的能量，這一過程稱為衰變。 激發(fā)態(tài)的原子核常是在衰

9、變、衰變或核反應之后形成。 射線的本質是中性的光子流。 射線是一種電磁輻射。在放出射線過程中，原子核的質量數(shù)和電荷數(shù)都不改變，只是核的能量狀態(tài)發(fā)生變化，故躍遷是屬于同質異能躍遷。三、 衰變1. 衰變 原子核從激發(fā)態(tài)(excited s 例如, 是衰變核素。衰變時放出射線，產(chǎn)生子體放射性核素 ，其半衰期為66.02h。然后， 發(fā)射射線回到基態(tài) ，其半衰期為6.02h。的衰變?nèi)?衰變 例如, 是衰變核素。衰變時放出射線，產(chǎn)生 在多數(shù)情況下，原子核處于激發(fā)態(tài)的時間很短暫，無法測出其時間間隔?？烧J為這兩種衰變是同時進行的。 例如， 衰變同時放出射線和 射線。放出一定能量的、單純衰變核素是核醫(yī)學顯像的

10、最佳選擇。 如果用 表示的同質異能素 ， 衰變可用下式表示QAZAZ+XXm三、 衰變 在多數(shù)情況下，原子核處于激發(fā)態(tài)的時間很短暫，無法2. 內(nèi)轉換IC 原子核從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時，并不能夠輻射光子，而是將多余能量直接傳遞給核外內(nèi)層電子，使其成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)轉換(internal conversion, IC)。所放出的電子叫內(nèi)轉換電子(internal conversion electron) 參與內(nèi)轉換的主要是K層電子，偶然也有L層或其他層電子。內(nèi)轉換發(fā)生后，將在原子的K層或L層留下空位，因此，還會有標識X射線或俄歇電子出現(xiàn)，這與電子俘獲的情況相同。三、 衰變2. 內(nèi)轉換IC

11、 原子核從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)躍遷時第三節(jié) 原子核衰變的宏觀規(guī)律 第三節(jié) 原子核衰變的宏觀規(guī)律 第三節(jié) 原子核衰變的宏觀規(guī)律 一、放射性指數(shù)衰變規(guī)律二、核衰變有關的物理量三、放射平衡四、放射性計數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律第三節(jié) 原子核衰變的宏觀規(guī)律 一、放射性指數(shù)衰變規(guī)律二、核一、放射性指數(shù)衰變規(guī)律放射性核素在衰變時都遵循著共同的宏觀基本規(guī)律 它表明放射性核素衰變是按照指數(shù)衰減的規(guī)律減少的。時，tNNddl-=teNNl-=01、衰變常數(shù) 一、放射性指數(shù)衰變規(guī)律放射性核素在衰變時都遵循著共同的宏觀基二、核衰變有關的物理量2、半衰期 (half life) T1/2 特定能態(tài)放射核的數(shù)量自發(fā)核衰變減少到原來核數(shù)一半

12、所需的時間單位常用年(a)、天(d)、小時(h)、分(min)和秒(s)表示不同的放射性核素半衰期的差別可能很大例如，天然鈾中的核素,其半衰期為T1/2=4.47109a核素 的半衰期為T1/2=13h二、核衰變有關的物理量2、半衰期 (half life) T二、核衰變有關的物理量 半衰期 與衰變常量成反比。顯然大， 就短，衰變就快 1/2 1/22、半衰期 (half life) T1/2T0.693ln221=二、核衰變有關的物理量 半衰期 與衰變常量成二、核衰變有關的物理量3、生物衰變常數(shù)b 假定由于人體的排泄作用使核素數(shù)量的減少也按指數(shù)規(guī)律變化，這樣它也對應一個衰變常數(shù)，稱為生物衰變

13、常數(shù)b 人體內(nèi)放射性核素總的減少量dN = -(p + b) N dt= - e N dtp 為物理衰變常數(shù)， e= p + b為有效衰變常數(shù)二、核衰變有關的物理量3、生物衰變常數(shù)b 二、核衰變有關的物理量物理半衰期生物半衰期有效半衰期 有效半衰期比物理半衰期和生物半衰期都短。幾種常見的放射性核素的半衰期如下表所示。p2/p2lnl=Tb2/b2lnl=Te2/e2lnl=T2/b2/p2/e111TTT+=二、核衰變有關的物理量物理半衰期生物半衰期有效半衰期 二、核衰變有關的物理量幾種放射性核素半衰期放射性核素符 號半衰期鎵-6868.3min锝-996.02h金-1982.7d碘-1318

14、.04d磷-3214.3d汞-20346.9d鈷-605.27a鍶-9028a銫-13730a碘-12560d二、核衰變有關的物理量幾種放射性核素半衰期放射性核素符 號二、核衰變有關的物理量4、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(mean life)，以表示。 它具體反映的是某種放射性核素平均存在的時間，SI單位是秒(s)。 若t時刻母核數(shù)為N，則在dt內(nèi)母核衰減數(shù)為-dN，可認為這“-dN”個母核中每個核的壽命都是 。二、核衰變有關的物理量4、平均壽命 原子核總數(shù)它們的壽命總和平均壽命T =0時，N=N0，t時，N0它們的壽命總和平均壽

15、命T =0時，N=N0，t時，單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)5、放射性活度單位貝可(勒爾) Bq 1Bq=1s-1居里（1Ci=3.71010Bq）毫居里(mCi) 微居里(Ci) 二、核衰變有關的物理量ttANNtNAllll-=-=eedd00單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)5、放射性活度單位貝可(勒爾) (1)當核素一定，一定 AN在體外測得活度值正比于體內(nèi)對應位置放射性核素數(shù)目，核素顯像基本原理之一(2)兩種核素N相同不同短壽命核素的活度大(3) A一定滿足體外測量一定活度放射性核素壽命越短，所需數(shù)量N越少臨床應用短壽命核素的原因二、核衰變有關的物理量1A=1N=(1)當核素一定，一定 AN在體外測

16、得三、放射平衡(radioactive equilibrium)A B C遞次衰變與放射系(radioactive series)對于多代的情況，只要母核半衰期遠大于子核，則會出現(xiàn)這種長期平衡。整個系列達到長期平衡時，各代活度均相等。放射平衡 母核半衰期比子核長得多T1T2，觀察時間足夠長 t 7T2，子核數(shù)目及活度達到飽和，其活度與母核相等。ANNN=nn2211.lll三、放射平衡(radioactive equilibrium計數(shù)測量對象、環(huán)境不變，多次計數(shù)測量數(shù)值大小在一個數(shù)值上下起伏的現(xiàn)象1.放射性計數(shù)的統(tǒng)計漲落2.放射性計數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律放射性計數(shù)是大量隨機事件統(tǒng)計平均的一種結果計數(shù)較

17、大趨向高斯分布計數(shù)頻數(shù)呈泊松分布偶然誤差的對稱分布四、放射性計數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律 計數(shù)測量對象、環(huán)境不變，多次計數(shù)測量數(shù)值大小在一個數(shù)值上下起四、放射性計數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律 變異系數(shù)CV一次測量計數(shù)N標準差ss和CV反映測量值離散程度重復測量結果68出現(xiàn)在N-s到N+s之間一次性計數(shù)表示Ns=NNNCV1=2.放射性計數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律四、放射性計數(shù)的統(tǒng)計規(guī)律 變異系數(shù)CV一次測量計數(shù)N標準差s第四節(jié) 原子核反應第四節(jié) 原子核反應第四節(jié) 原子核反應一、核反應的一般概念 二、中子及分類 三、中子核反應 第四節(jié) 原子核反應一、核反應的一般概念 二、中子及分核反應具有一定能量的粒子如氦核3He或4He()、 氘核2H

18、(d)、質子(p)、中子(n)、光子()等轟擊原子核(靶核)，使之轉變?yōu)榱硪辉雍酥睾肆炎?n,f)和核反應堆重原子核經(jīng)中子轟擊分裂為質量大致相等兩部分和到個中子，同時放出大量熱量中子轟擊235U反應一、核反應的一般概念 bYaX+AZAZQ+n2SrXenU109538139541023592+pOHeN1117842147核反應具有一定能量的粒子如氦核3He或4He()、 氘按入射粒子種類分中子核反應、質子核反應、光核反應、輕離子核反應、重離子核反應按入射粒子能量分按靶核的質量分輕核反應(A30)、中核反應(3090)低能核反應(140MeV)、中能核反應(1GeV)2. 核反應的類型一、

19、核反應的一般概念 按入射粒子種類分中子核反應、質子核反應、光核反應、輕離子核反3.電子對湮滅 衰變中產(chǎn)生的大約在1.5mm之內(nèi)的范圍內(nèi)與電子發(fā)生湮滅。據(jù)能量守恒和動量守恒，電子對湮滅過程中，必然產(chǎn)生一對飛行方向相反、能量為0.511MeV的光子即雙光子。 所有核反應過程同核衰變一樣嚴格遵守質量(能量)守恒、動量守恒、電荷數(shù)守恒等守恒定律一、核反應的一般概念 3.電子對湮滅 衰變中產(chǎn)生的大約在1.5mm二、中子及分類 不帶電 穿透強 易衰變(T=12min) 熱中子(E1eV) 中能中子(1eVE0.1MeV) 快中子可由易裂變核素 如233U、235U、239Pu 、 241Pu等產(chǎn)生。 熱中

20、子的產(chǎn)生:快中子同含有一定量輕原子核(1H、2H、12C、9Be)的物質中的輕原子核碰撞，通過能量傳遞、速度減慢，直至與周圍介質分子熱運動達到平衡。 中子性質分類二、中子及分類 不帶電 穿透強 易衰變(T=12三、中子核反應 中子與原子核相互作用中子核反應首先獲得中子源自然界不存在自由中子 利用反應堆提供高通量中子流照射靶材料，引起中子核反應?？梢陨a(chǎn)放射性核素三、中子核反應 中子與原子核相互作用中子核反應首先獲得中子源第五節(jié) 醫(yī)學放射性核素的來源 第五節(jié) 醫(yī)學放射性核素的來源 第五節(jié) 醫(yī)學放射性核素的來源 一.反應堆生產(chǎn)放射性核素 二.回旋加速器生產(chǎn)醫(yī)用放射性核素 三.放射性核素發(fā)生器生產(chǎn)醫(yī)用