1、 万丹万丹医学影像成像原理医学影像成像原理 核医学核医学 一、概述一、概述二、核医学的定义及内容二、核医学的定义及内容三、我国核医学发展状况三、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。射线应用于医学中而逐渐形成的一门学科。l原子弹可以毁灭人类原子弹可以毁灭人类,核医学却可以拯救核医学却可以拯救生灵生灵一、概一、概 述述 什么是核医学？什么是核医学？核医学核医学是利用放射性
2、核素及其在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础理论研究及临床诊断和治疗的一门学科。门学科。二、核医学的定义和内容二、核医学的定义和内容 核医学核医学 核医学基础核医学基础 临床核医学临床核医学 诊断诊断 治疗治疗 体内检查法体内检查法 体外检查法体外检查法 放射性核素显像放射性核素显像 非显像非显像三、我国核医学发展状况三、我国核医学发展状况 我国核医学起源于我国核医学起源于19561956年，年，5050年年来经历了从无到有和从落后到在世界来经历了从无到有和从落后到在世界上占有一席之地的历程。上占有一席之地的历程。
3、l第一节第一节 核医学物理学基础核医学物理学基础l一、核外电子与原子核一、核外电子与原子核l二、几个基本概念二、几个基本概念l三、放射性核素的衰变规律三、放射性核素的衰变规律l四、射线与物质的相互作用四、射线与物质的相互作用 原子的结原子的结 构构是由位于是由位于 原子中心的原子中心的 原子核原子核及按及按 一定轨道围一定轨道围 绕原子核运绕原子核运 行行核外电子核外电子 组成。组成。K L MAtomneutrons protonsnucleon+electrons -shell原子的结构原子的结构图1原子核由原子核由质子质子和和中子中子组成。质子和中子统称为组成。质子和中子统称为核子核子。
4、图2 Z ZA A X X 表示各种核素。表示各种核素。Z ZA A X X A AX X AmAmX X 如如 9999m mTcTc 3 31 1H H 3 3H H 151532 32 P P 3232P P 5353131131II131131I I 中子和质子的转换以下式子表示：中子和质子的转换以下式子表示：中子过多时中子过多时:0 01 1n n 1 11 1p+p+-1-10 0e+ve+v 中子过少时：中子过少时：1 11 1pp0 01 1n+n+1+10 0e+ve+v 原子核中存在一种极强的作用原子核中存在一种极强的作用力力 核力核力，使核子紧密的结合在一，使核子紧密的结
5、合在一起。起。l二、几个基本概念二、几个基本概念l(一一)核素核素l(二二)同位素同位素l(三三)同质异能素同质异能素l(四四)稳定性核素与放射性核素稳定性核素与放射性核素l(五五)半衰期半衰期（一）（一）核素核素 凡是具有一定原子序数、一定质量数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，统称为和一定能量状态的各种原子，统称为核素核素。例如例如1 13 3H H、6 61212C C、8888226226Ra Ra、5353125125I I等。等。核素包括两种情况核素包括两种情况 同种核素：同种核素：Z Z、A A、E E 相同。如相同。如15153232P P、151532
6、32P P 核素核素 Z、A、E完全不同。如完全不同。如13H、612C、53125I 不同种核素不同种核素 Z 相同，相同，A、E不同。如不同。如53125I、53128 I 等等 (二二)同位素同位素 具有相同原子序数，但质量数不具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为同的核素称为同位素同位素。（图图4 4）如如5353125125I I、5353127127I I、5353131131I I互为碘互为碘的同位素。的同位素。（三）同质异能素（三）同质异能素 凡具有相同的原子序数和质量数，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，它们处于不同能量状态的一类核素，它们彼此称为彼
7、此称为同质异能素同质异能素。（。（图图5 5）9999m mTcTc和和9999TcTc 图4图5（四）稳定性核素和放射性核素四）稳定性核素和放射性核素1 1、稳定性核素、稳定性核素（非放射性核素）（非放射性核素）2 2、放射性核素放射性核素（不稳定性核素）（不稳定性核素）1 1、稳定性核素、稳定性核素：原子核能够稳定的存在于自然界原子核能够稳定的存在于自然界中，不会自发地产生变化，这种核素中，不会自发地产生变化，这种核素通常称为通常称为非放射性核素（稳定性核非放射性核素（稳定性核素）素）。N/Z=1 N/Z=1 1.5 1.52 2、放射性核素放射性核素（不稳定性核素）（不稳定性核素）原子核
8、即使没有任何外来因素作原子核即使没有任何外来因素作用下，也会自发地放出射线而转变为用下，也会自发地放出射线而转变为另一种核素，这类核素称为另一种核素，这类核素称为放射性核放射性核素素。这个过程则称为这个过程则称为放射性核衰变放射性核衰变。天然放射性核素天然放射性核素 放射性核素放射性核素 人工放射性核素人工放射性核素 核衰变核衰变 放射性核素特点放射性核素特点 特定的半衰期特定的半衰期（五）半衰期（五）半衰期1 1、物理半衰期、物理半衰期（physical half lifephysical half life）2 2、生物半衰期、生物半衰期(biological half life)biol
9、ogical half life)3 3、有效半衰期、有效半衰期（effective half lifeeffective half life）1 1、物理半衰期：、物理半衰期：符号符号T T1/21/2 在单一的放射性核素衰变过程中，放射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，称性活度降至原有值一半时所需要的时间，称为为物理半衰期物理半衰期，简称，简称半衰期（半衰期（T T1/21/2）。238238U TU T1/2 1/2 为为4.84.810109 9年年 226226Ra TRa T1/2 1/2 为为15601560年年 125125I TI T1/2
10、 1/2 为为6060天天 198198Au TAu T1/2 1/2 为为2.72.7天天 135135Cs TCs T1/2 1/2 为为2.82.81010-10-10秒秒半衰期和衰变常数（半衰期和衰变常数（）的关系为：的关系为：0.693 0.693 T1/2=或或 =T1/2衰变常数：衰变常数：是指某种放射性核素的一个是指某种放射性核素的一个 原子核在单位时间内进行自原子核在单位时间内进行自 发衰变的比率。发衰变的比率。2 2、生物半衰期：生物半衰期：符号符号T Tb b 生物半衰期生物半衰期是指进入生物机体内是指进入生物机体内的放射性核素，由于生物代谢的作用，的放射性核素，由于生物
11、代谢的作用，放射性活度减少一半所需要的时间。放射性活度减少一半所需要的时间。3、有效半衰期：有效半衰期：符号符号TeTe 有效半衰期有效半衰期是指进入生物机体内的放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。半时所需要的时间。物理半衰期、生物半衰期、有效半衰期三者的物理半衰期、生物半衰期、有效半衰期三者的关系为：关系为：T1/2Tb Te=T1/2+Tb （图图6）图6例：例：I-131I-131在在甲状腺甲状腺的的TeTe计算计算，I-131I-131物
12、理物理T1/2T1/2为为8.18.1天，设天，设TbTb为天；为天；Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。l（一）核衰变的类型（一）核衰变的类型 l（二）核衰变规律（二）核衰变规律l（三）核射线及其性质（三）核射线及其性质l（四）放射性活度及其单位（四）放射性活度及其单位（一）核衰变的类型（一）核衰变的类型 1 1、衰变衰变 2 2、衰变衰变 -衰变衰变 +衰变衰变 电子俘获电子俘获 3 3、衰变和内转换衰变和内转换 放射性核素自发地释放出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一种或一种以上的射线并转变为另一种核素的过程称为另一种核素的过程称为核衰变核衰变。衰变（衰变
13、（alpha decayalpha decay）1 1、定义：定义：放射放射性核素的原子核性核素的原子核放出放出粒子后变粒子后变成另一种核素的成另一种核素的衰变过程，称为衰变过程，称为衰变衰变。粒子实质上是粒子实质上是氦核氦核(2 24 4He)He)2 2、通式：通式：衰变反应式表示为衰变反应式表示为 Z ZA AX=X=Z-2Z-2A-4A-4Y+Y+2 24 4He+QHe+Q 经经衰变后，衰变后，子核质量数减少子核质量数减少4 4，原子序数减少原子序数减少2 2。图8 衰变衰变 核衰变时放射出核衰变时放射出粒子或俘获粒子或俘获轨道电子的衰变称为轨道电子的衰变称为衰变衰变。衰变可分为衰变
14、可分为-衰变衰变、+衰衰变变和和电子俘获电子俘获三种三种。1 1、-衰变衰变 （1 1）定义：定义：放射性核素的原子核放射性核素的原子核放出放出-粒子变成另一种核素的核粒子变成另一种核素的核衰变过程，称为衰变过程，称为-衰变衰变。n p+e-衰变模式图（2 2）通式：通式：Z ZA AXXZ+1Z+1A AY+Y+-+v+Q+v+Q经经-衰变后，衰变后，子核质量数不变，原子核质量数不变，原子序数加子序数加1 1。图92 2、+衰变衰变（1 1）定义：定义：放射性核素的原子核放射性核素的原子核放出放出+粒子，变成另一种核素的粒子，变成另一种核素的核衰变过程称为核衰变过程称为+衰变衰变 。n p+
15、e+衰变模式图+（2 2）通式：通式：z zA AX X z-1z-1A AY+Y+v+Q+v+Q经经+衰变后，衰变后，子核质量数不变，原子子核质量数不变，原子序数减序数减1 1。图103 3、电子俘获电子俘获（1 1）定义：定义：放射性核素的原子核在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轨道电子而变成另一种原子核的放射性转变过程称为性转变过程称为电子俘获电子俘获。电子俘获是核内电子俘获是核内中子数不足时从核中子数不足时从核外靠内层的电子轨外靠内层的电子轨道（即道（即K K层）上俘获层）上俘获一电子，使核内一一电子，
16、使核内一个质子转化为中子，个质子转化为中子，同时放射出一个中同时放射出一个中微子的过程。微子的过程。P+e-n（2 2）通式：通式：Z ZA AX+X+-1-10 0eeZ-1Z-1A AY+vY+v经电子俘获后，经电子俘获后，子核质量数不变，子核质量数不变，原子序数减原子序数减1 1。由于由于K K层最靠近原子核，因此层最靠近原子核，因此K K层的层的电子被俘获的几率最大，故电子俘获电子被俘获的几率最大，故电子俘获又常称为又常称为K K层电子俘获。层电子俘获。P+e-n标识标识X X射线射线俄歇电子俄歇电子 衰变和内转换衰变和内转换1 1、衰变（衰变（gamma decaygamma dec
17、ay）（1 1）定义：定义：放射性核素原子核放射性核素原子核由激发态向基态或由高能态向低由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时放射出能态跃迁时放射出射线的衰变射线的衰变过程称为过程称为衰变衰变。rayray（2 2）通式：通式：Z ZAmAmX X Z ZA AX(Y)+X(Y)+衰变子核的质量数和原子序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数均不变，只是核素的能量状态发生改变。生改变。如：如：49 49 113 113m mIn In 4949113113In +In +图132 2、内转换（内转换（internal conversioninternal conversion
18、）放射性核素原子核由激发态向基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态跃迁时，将多余的能量直接传给核外电子（主要是外电子（主要是K K层电子）层电子）,使该电子使该电子获得足够的能量后脱离轨道成为自由获得足够的能量后脱离轨道成为自由电子，这一过程称为电子，这一过程称为内转换内转换。由于内。由于内转换放射出的自由电子称为转换放射出的自由电子称为内转换电内转换电子子。内转换电子内转换电子 放出放出射线射线和和内转换电子内转换电子是原子核从激发态向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种可能方式基态或由高能态向低能态跃迁时的两种可能方式。（二）核衰变规律（二）核衰变
19、规律 核衰变公式：核衰变公式：N Nt t=N=N0 0e e t t物理意义物理意义：各种放射性核素核衰变中，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其原子核数目是随着时间的增长而按照指数规律减少。照指数规律减少。（图图 14 14）图14 （三）三）核射线及其性质核射线及其性质 1 1、电性、电性 （图（图1515）2 2、本质、本质 3 3、电离能力、电离能力 4 4、穿透力、穿透力 （图图1616）性性 质质 电电 性性 +或或-不带电不带电 本本 质质 粒子流粒子流 电子流电子流光子流光子流电离能力电离能力 大大 中中 小小 穿透力穿透力 小小 中中 大大NEXT图1
20、5图16（四）放射性活度及其单位（四）放射性活度及其单位1 1、放射性活度放射性活度（又称放射性强度）（又称放射性强度）定义定义：一定量的放射性核素在一：一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。个很短的时间间隔内发生的核衰变数。也就是也就是单位时间内发生衰变的原子核单位时间内发生衰变的原子核数。数。2 2、放射性活度的单位、放射性活度的单位 （1 1）贝克勒尔）贝克勒尔（BecquerelBecquerel):):简称简称贝克（贝克（BqBq）1 1BqBq表示表示:放射性核素在一秒内发生一次核衰变放射性核素在一秒内发生一次核衰变。即即 1 1BqBq=1 1S S-1-1 B
21、qBq衍生单位有衍生单位有MBqMBq、GBqGBq、TBqTBq （2 2）居里）居里（Curie,Curie,符号符号CiCi）CiCi是放射性活度的旧有单位。是放射性活度的旧有单位。1 1CiCi表示：表示：放射性核素在放射性核素在1 1秒内发生秒内发生3.73.710101010 次核衰变。次核衰变。1 1CiCi=10=103 3mCi=10mCi=106 6CiCi 居里与贝可的换算关系：居里与贝可的换算关系：1 1CiCi=3.7=3.710101010Bq=37GBqBq=37GBq 1 1mCimCi=3.7=3.710107 7Bq=37MBqBq=37MBq 1 1CiC
22、i=3.7=3.710104 4Bq=37KBqBq=37KBq 1Bq=2.703 1Bq=2.7031010-11-11CiCi(3)(3)比放射性活度比放射性活度（简称比活度）（简称比活度）单位质量或容积放射性制剂中的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，如放射性活度称为比放射性活度，如BqBq/mg/mg、BqBq/ml/ml、BqBq/mol/mol等。等。l（一）带电粒子与物质的相互作用（一）带电粒子与物质的相互作用l（二）光子与物质的相互作用（二）光子与物质的相互作用l（三）中子与物质的相互作用（三）中子与物质的相互作用l1 1、电离与激发电离与激发l2 2、轫
23、致辐射轫致辐射l3 3、散射散射lIonization and excitation 电离与电离与激激发发l激发激发：带电粒子与物质原子的核外电子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，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，这种而使整个原子处于能量较高的激发态，这种现象称为现象称为激发激发。这个过程并不产生自由电子这个过程并不产生自由电子。Charged particleparticle(deexcitation)l电离：电离：当带电粒子具有足够大的能量时
24、，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它可以使核外电子脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子；负电荷的自由电子；失去失去e-e-的核带的核带正电正电荷荷，两者形成一对离子两者形成一对离子。自由电子自由电子还可还可使使其它原子发生其它原子发生电离：电离：次级电离。次级电离。Charged particlee-Ion pairsSecondary ionization33.85eVmatterl单位路径形成单位路径形成的的离子离子对数目对数目称为称为:电离密电离密度。度。l表示带电离子表示带电离子电离电离能力大小能力大小；l电离电离密度取决于带电粒子能量密度取决于带电粒子能
25、量、速度速度与与物质密度物质密度。l带电粒子能量带电粒子能量大、大、速度速度慢、慢、物质密度物质密度低低，电离电离密度密度则大。则大。带电粒子通过物质时，由于受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，这种或全部以光子形式辐射出来，这种现象称为现象称为轫致辐射轫致辐射。particleparticleX-rayl带电带电粒子粒子与与粒子粒子或或粒子粒子系统碰撞而系统碰撞而改变改变运动方向运动方向与与能量能量的的过程过程称为称为散射散射。仅。仅改改变运动方向能量不变变
26、运动方向能量不变者为者为弹性弹性碰撞碰撞。l粒子粒子的的质量较大质量较大，径迹，径迹基本基本呈直线，呈直线，发生发生散射较少散射较少。粒子粒子轻，轻，运动运动为曲线，为曲线，散射散射明明显。显。particleparticleInteraction of photon and matterl1 1、光电效应、光电效应 l2 2、康普顿效应、康普顿效应l3 3、电子对效应（电子对生成）、电子对效应（电子对生成）光电效应：光电效应：光子与物质原子相互作用时，将全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
27、出来，光子本子获得能量后，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身则整个被吸收。所发射出来电子称为光电子光电子。X rayAuger electronphotoelectronKLElectron vacancy filledMe-Incident photon图19l康普顿效应：康普顿效应：当光子和物质原子相互作用时，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，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，获得一定能量的电子，脱离原子而发射出来，而而光子本身由于能量的减低改变运动方向射光子本身由于能量的减低改变运
28、动方向射出，这种光子称为康普顿散射光子。这个效应出，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发射出来的电子称为康普顿电子康普顿电子（反冲电子）反冲电子）。Incidence Compton e-scatteringElastic collisionKLM 图图20 电子对效应：电子对效应：当当光子能量大于光子能量大于1.021.02MevMev，光子与物质相互作用时，在原子核电场作用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。了，这个效应产生了一对电子。incidence511keV
29、511keV+e-free electrone-e+图21X射线的能量较小，一般不发生电子对效应。1 1、弹性散射、弹性散射 2 2、核反应、核反应 l1 1、弹性散射弹性散射l 中子与物质相互作用时，中子将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其脱离电子层而运动形成反冲核反冲核，反，反冲核使物质的其他原子发生电离和激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发，而中子本身速度减慢并改变运动方向，这种现象称为方向，这种现象称为弹性散射弹性散射。l2 2、核反应核反应l 高能中子与物质的原子核作用，高能中子与物质的原子核作用，放出带电粒子而形成新核，这种现象放出带电粒子而形成新核，这种现象称称核反应核反应，新核可能是稳定的核素，新核可能是稳定的核素，也可能是放射性核素也可能是放射性核素。l1、核素、同位素、同质异能素的、核素、同位素、同质异能素的定义。定义。l2、核衰变及其类型。、核衰变及其类型。l3、半衰期与放射性活度的定义。、半衰期与放射性活度的定义。l4、射线与物质的相互作用。、射线与物质的相互作用。
