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作者:尹大一,周绿漪,单保慈

出版社:人民卫生出版社

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现代核医学技术及相关原理

现代核医学技术及相关原理试读:

前言

文化是一种精神价值和集体人格。一种文化的形成需要一定时间的“积累”,期间不乏有识之士的正确引导,在这个反复对比、修复的动态过程中逐渐沉淀为某个行业的集体共识。核医学专业经过近百年、几代人的艰苦努力,终于形成能够提供解剖、功能和分子信息的医学影像专业的集大成者。确保诊断信息的客观正确,为社会大众提供一道健康保障就是核医学工作者的共识。

一项技术的表现形式可以千变万化,但其主线必定紧系在根基上。本书从核物理起步,逐渐过渡到电子学、计算机技术、仪器设备、成像过程、成像质量保证、示踪剂进展等方面,最终落脚在核医学的强项:定量分析技术以及保证定量分析可靠性的相关方法。此外,人文关怀方面的辐射防护以及保驾核素治疗效果的射线生物学也穿插其中。本书适用于有5年以上核医学工作经历、具有中级职称的核医学技师和医师。

随着SPECT/CT、PET/CT、PET/MR一体机的引进,CT与MR的专业知识已成为核医学工作者的必要储备,本书单列两个章节,对CT和MR的基础与应用作了深入浅出的介绍。

本书重在阐述原理,对内容的要求是经得住时间的检验。所有作者本着大国工匠精神,以自身知识为主,借助于必要的参考资料,认真撰写,杜绝抄袭。每个章节均有本专业三个以上的行家多次修改。在当下社会,科技进展神速,发展是硬道理,更新是硬实力。尽管本书的初衷要求很高,但是鉴于作者的能力所限,本书存在不够详尽、完善之处,甚或错误之处也在所难免,敬请读者谅解。

中国医师协会第二届核医学分会会长田嘉禾教授、第三届会长王铁教授,从核医学系统平衡发展的大局考虑,几经努力把核医学技师队伍纳入医师协会核医学分会,在本书的撰写过程中给予了高屋建瓴式的指点,谨代表核医学技术系列以此书致谢。中国医学科学院肿瘤医院的吴文凯教授非常关注此书的撰写,并给予了细致的亲授。在图像制作与仪器参数方面,西门子医疗德国培训中心的施逸优先生、中国培训中心的李贵进先生、中国客户服务部的张复生先生,沈阳军区总医院核医学科的左峰先生,中国人民解放军总医院核医学科的孙亚兵先生,周晖女士,给予了多方位的具体帮助,在此,一并致谢。尹大一2017年12月第一章 核物理基础

随着科学技术的发展,核医学的技术手段也在与时俱进,在研究和应用新设备、新技术、新药物的时候,必须对核医学涉及的原子核物理基本概念有清楚的认识。第一节 原子和原子核一、原 子(一)原子的组成和结构

原子由带正电荷的原子核(nucleus)和带负电荷的核外电子组成。自然存在的原子呈电中性,即核内电荷数和核外电荷数相等。

原子结构(玻尔模型,Bohr model):核外电子按一定轨道运动,这些轨道又叫壳层(shell)。壳层的直径由量子数决定。量子数具有整数值(n=1,2,3…)。壳层由里到外分别称为 K 层(n=1),L 层(n=2),M 层(n=3)。

泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)决定了每个壳层最2多可容纳的电子数为2n。最外层最多为8个,次外层最多为18个。(二)电子结合能和能级

在最稳定的情况下,电子占据原子最里面的壳层。在接收到适当能量时,电子可以运动到更外面的壳层或完全脱离原子(分别称为激发和电离)。

从某一壳层使一个电子完全脱离原子的能量称为该壳层的结合能(binding energy)。

K层的结合能用K表示,L层用L表示…BB

结合能还随原子序数(Z)的增加而增大。将电子从内部壳层移动到外部壳层所需的能量等于两个壳层的结合能之差。结合能和壳层间结合能的差别可用能级(energy level)图来表示。(三)原子的发射(atomic emission)

当一个电子从内壳层移走时,另一个外层电子立即移入以填补空缺,电子从外壳层移到内壳层时释放能量,其大小等于两个壳层的结合能之差。

能量释放有两种形式,一是发射特征X射线(characteristic X-ray),即电子从外壳层移到内壳层时放出X射线,射线能量等于两个壳层的结合能之差。二是俄歇效应(Auger effect),即外层电子向内层移动时放出的能量传给一个轨道电子,使该电子带着动能离开原子,在这个过程中不发射特征X射线。俄歇效应发生后,壳层出现两个空缺,外层电子将予以填充,这样就会放射新的特征X射线或出现另一次俄歇效应。二、原 子 核(一)组成和表示方法

原子核由质子(proton)和中子(neutron)组成,质子和中子统称核子(nucleon)。质子带一个单位的正电荷(+e),重量为1.007 277u;中子为电中性,不带电荷,重量为1.008 665u;电子带一个负12-24电荷(-e),重量为0.000 549u。(1u=1/12C质量=1.660 43×10 g,原子质量单位)

质子和中子是由夸克(quark)构成的:一个上夸克(up quark)有+2/3的电子电荷,而一个下夸克(down quark)有-1/3的电子电荷。质子由两个上夸克和一个下夸克构成,有一个电子电荷。中子由两个下夸克和一个上夸克构成,电荷为0。

原子核的表示方法:

X:元素符号;

Z:原子序数,核内质子数,中性原子的轨道电子数;

A:原子核的质量数,即核内的核子数;

N:核内中子数,N=A-Z。

简化表示法:因为元素符号即代表了原子序数且N=A-Z,可简化A131表示为 X或X-A。如可表示为 I或I-131。(二)核素及其分类

核素(nuclide):具有确定的质量数A和原子序数Z,核内的核子-121216按一定规律排列,并有可测量的寿命(>10秒)。如C、O、131-12 I。10秒为人为划分,当时间测量手段提高时,这个划分时间可能进一步缩短。

同位素(isotope):具有同样的原子序数Z,但质量数不同的核125127131素称为某一元素的同位素。(如 I、 I、 I称为碘的同位素)。

同质异能素(isomer):两种核素,如果它们的区别仅在于一个9999m是另一个的亚稳态,则它们称为同质异能素(如 Tc和 Tc)。

核素分为稳定核素和放射性核素。稳定核素能够稳定存在,不会自发变化。放射性核素不稳定,能自发放出射线而转变为另一种核素。

放射性核素分为天然和人工两种。人工放射性核素可由核反应堆、加速器和放射性核素发生器生制而成。(三)核子的相互作用

原子核内的质子和中子统称为核子。核内核子受两种力的作用,一是静电力,二是核力,它们各自的特点如下:

1.静电力,或称库仑力(1)在带静电的质子之间起同性相斥的作用,因此它有使核分裂的作用(排斥力)。(2)作用距离远(远程力)。(3)同核内所有质子相互作用(不饱和力)。(4)幅度较小(对应的能量为电子伏特)。

2.核力,或称交换力(1)在核子之间起相吸的作用中,使核稳定(吸引力)。-13(2)作用距离近(短程力,作用范围<10 cm)。(3)同核内有限个数的核子起作用(饱和力)。(4)幅度很大(对应的能量为百万电子伏特)。

由于核力的强大的吸引作用,原子核的体积非常小,密度非常高。(四)核的能级和同质异能态

核内核子之间的相互作用虽然和核与轨道电子的相互作用不同,但在一定条件下仍可把核内核子看成是在其他核子形成的中心核力场中作类似轨道电子的运动,即认为核也有壳层和能级存在。这样,与原子类似,原子核可以处在以下三种状态之一:

1.基态,是最稳定的状态。-12

2.激发态,这种状态极不稳定,在很短时间内(<10秒)变化到其他状态。

3.亚稳态,如果核在某一激发态下可以较长时间稳定,即有可测量的寿命,则称这一激发态为亚稳态,或称同质异能态。因而,常把处在这种状态的核认为是另一种不同的核,称为同质异能素。(五)原子核的结合能

核子结合成原子核时要放出能量,把原子核分解为核子时需要输入能量。把一种原子核分解为构成它的质子和中子所需要的最小能量称为原子核的结合能。结合能来自于原子核形成时核子质量的减少,即核子结合成原子核后,核的质量小于构成它的所有单个核子质量的总和。

按核子数平均,每个核子所具有的结合能称为平均结合能。质量数在60左右的核结合能最大,当质量数增大时,结合能缓慢减少;当质量数减少时,结合能也要减少,如图1-1所示。轻核结合生成更重的核时要放出能量,重核分裂成较轻的核时也要放出能量。图1-1 原子核的结合能第二节 核的衰变及其方式一、有关的几个基本概念

1.衰变(decay)

衰变是不稳定的核通过发射粒子或光子放出核能成为其他核的过程。

2.母核和子核

衰变前的不稳定核称为母核;衰变产生的核称为子核。

3.放射性核素和放射性同位素

放射性核素是指具有一定的衰变特性(如衰变方式,发射类型)的核素。把某一元素的全部放射性核素统称为该元素的放射性同位素。

4.核衰变的自发性(spontaneity)是指(1)不可能预测某个核在何时衰变。(2)核外发生的任何事件都不会对核的衰变产生丝毫影响。

一种核素是否衰变,与其核结构和核能态有关。质子或中子过多的核,有放出多余的质子和中子,或使质子和中子相互转换的趋势,而处于较高能态的核也有向较低核能态转换的趋势。因此,核衰变是由原子核内部因素决定的,不受核外因素的影响。232

天然放射性核素:Z>83(如 U)自然界中天然存在。

人工放射性核素:用人工方法通过核反应产生。二、核衰变的形成-(一)β衰变

不稳定的核发射出一个电子,一个中微子,一定的能量。本身的原子序数增加1变为别的核素。

上式称为衰变公式(standard nuclear notation of decay),式中:

X表示衰变前的核素,称为母核;

Y表示衰变后的核素,称为子核;

Q表示衰变能,单位是MeV;

ν:中微子,不带电,无静止质量,很难和物质发生相互作用。-

β衰变的本质简单地说就是核内的一个中子变成一个质子和一个电子。用公式表示为:14

如C的衰变:

衰变图(decay scheme diagram):衰变也可用衰变图表示,图141-2为 C的衰变图。在衰变图中,箭头由左上向右下(↘)表示质子数增加;由右上向左下(↙)表示质子数减少;由上向下(↓)表示质子数不变;水平线间的距离与能量成正比;有时还用粗线标明最可能的衰变方式(图 1-3)。14图1-2  C的衰变图图1-3 β粒子能谱--

能量Q的分配:β和ν占绝大部分,其余可忽略不计,Q在β和ν之间随机分配。-

β的能谱特点:-

1.β的能量(动能)在0到之间连续分布。-

2.能量为最大的β粒子很少。-

3.能量约为的β粒子最多。--

在β衰变中,一个下夸克变成一个上夸克,发射一个W玻色子---(Wboson,一种中间玻色子),W玻色子衰变为一个电子(β粒子)和一个反中微子。-(二)(β,γ)衰变-

在有些情况下,β产生的子核不是处在基态,而是处在激发态或亚稳态。子核通过发射γ射线变到更稳定的状态。这个过程称为-(β,γ)衰变。用公式表示为:

其中的能量分配情况为:-

Q由β和ν带走;1

Q由γ光子带走。2-133-133(β,γ)衰变的一个例子是 Xe,通过β发射衰变到Cs的三个激发态之一,然后跃迁到基态或能量较低的激发态,并发射γ射线。如果是跃迁到另一个激发态,则还要通过发射γ射线跃迁到基态-或能量较低的激发态。因此,在(β,γ)衰变中,可能有多次γ射线发射,如图1-4所示。133图1-4  Xe衰变图

γ射线的能谱特点:在γ跃迁中,能量完全由γ射线带走。这个能量是子核的激发态与基态或激发态与较低能量的激发态之间的能量差。因此γ射线的能量是不连续的,从γ射线的能量的分布可以分析是何种核素发射的γ射线。在已知核素种类的情况下,也可通过测量其133特定的γ射线来确定其数量及分布。图1-5为 Xe的γ和γ射线的能12量分布情况。图1-5 γ射线能谱(三)同质异能衰变和内转换

1.同质异能衰变

处于同质异能态的核素通过发射γ射线,跃迁到基态或较低能态,称为同质异能衰变。从本质上看,同质异能衰变只是一次γ跃迁,与其他情况下的γ跃迁相同。但是,我们既然认为处于同质异能态的核素不同于处于基态的核素,则它的变化只能定义成衰变。

2.内转换

处于激发态或亚稳态的原子核把跃迁能量传递给本原子的一个核外轨道电子,使其脱离原子。转换电子的能量(动能)等于跃迁能量-减去电子所在原子壳层的结合能,因而是不连续的,与β粒子的能谱不同。除转换电子外,内转换还会引起特征X射线的发射或俄歇效应。(四)轨道电子俘获和电子俘获-γ衰变

原子核俘获一个本原子的核外轨道电子,与核内的一个质子结-合,形成一个中子。轨道电子俘获(EC)又被称为反β衰变。电子俘获使原子壳层出现空缺,引起特征X线发射或俄歇效应。衰变后的子核如果处于激发态,则通过γ跃迁回到基态或较低能态。

轨道电子俘获的公式表示为:

电子俘获-γ衰变(EC,γ)的公式表示为:125

如 I的衰变(图1-6):125图1-6  I的衰变图++(五)β衰变和(β,γ)衰变

不稳定的核发射出一个正电子,一个中微子,一定的能量。本身的原子序数减少1变为别的核素。衰变后的子核如果处于激发态,则通过γ跃迁回到基态或较低能态。

或18

如 F的衰变,用衰变公式表示为:15O的衰变,用衰变图表示,如图1-7所示。15图1-7 O的衰变图+

β粒子称为正电子,它在离开原子核后与周围原子发生碰撞,最后动能耗尽停止下来,与一个电子发生湮灭反应。生成两个能量各为511keV的γ光子向相对180°的方向飞出。

利用这一特点开发了正电子发射断层(PET)。++

在β衰变中,一个上夸克变成一个下夸克,发射一个W玻色子+++(Wboson),W玻色子衰变为一个正电子(β粒子)和一个中微子。(六)α衰变和核裂变

1.α衰变

核衰变时放出α粒子的衰变称为α衰变(alpha decay)。经α衰变后的核素,质量数减少4,原子序数减少2,放出的α粒子实质是氦核,发射时其能量也是不连续的。

用公式表示为:

或:226

如 Ra的衰变(图1-8):

2.核裂变(nuclear fission)

重核自发地分裂,生成两个较轻核和中子,放出大量的能量。两个轻核大致按6∶4的比例分别得到裂变重核的核子。226图1-8  Ra的衰变图

按产生射线或粒子的不同将衰变分类如下:(1)产生α射线:

α衰变。(2)产生 β 射线:-+

β衰变,β衰变。(3)产生 γ 射线:-+(α,γ)衰变,(β,γ)衰变,(β,γ)衰变,同质异能衰变,(EC,γ)。(4)不产生三种射线,而产生电子或X射线:

1)轨道电子俘获(单纯EC):产生特征X射线或俄歇电子。2)内转换:产生转换电子、特征X射线或俄歇电子。第三节 放射性核素的衰变规律

上一节是单独的不稳定的核在微观上的变化形式。本节说明当大量不稳定的核在一起时,它们的数量在宏观上的变化。一、放射性活度的定义和单位

1.放射性核素的活度(radioactivity)

指一定范围内的某种放射性核素在单位时间内发生核素衰变的次数。常用dps(decay per second)或 dpm(decay perminute)表示。

2.活度的单位

SI制——贝克勒尔(Bq),每秒一次衰变(1dps)=1Bq;10

常用——居里(Ci),3.7×10 dps=1Ci;10

1Ci=3.7×10 MBq;-10

1Bq≈0.27×10Ci;

在实用中 Ci太大,因此常用毫居里(mCi),微居里(μCi)等。-37

1mCi=10 Ci=3.7×10 Bq;-6-34

1μCi=10 Ci=10mCi=3.7×10 Bq;

同样,Bq 太小,因此常用 kBq、MBq、GBq 等;369

1kBq=10 Bq;1MBq=10 Bq;1GBq=10 Bq。

3.比放射性(放射性比度)

单位质量的物质内的放射性活度(如0.5Ci/g)。

4.放射性浓度

单位体积的溶液内的放射性活度(如0.5Ci/ml)。二、指数规律

实验和理论计算均表明,单独存放的放射性核素的数量及放射性活度的变化服从指数衰变规律。单独存放是指只考虑某种核素的衰变,13199m13199m例如, I和 Tc同时存在于患者体内,我们只考虑 I或 Tc的数量或活度的改变。

如用N表示某一时刻放射性核素的数量,用A表示某一时刻放射性核素的活度,则指数规律可表示为:

其中N为t=0时的放射性核素数量,A为t=0时的放射性核素活00度,λ为衰变常数。

用图描绘放射性核素数量和活度的变化,直线坐标下,衰变曲线是指数曲线;在半对数坐标下是直线,如图1-9所示(设λ=0.1/s)。图1-9 衰变曲线图三、衰变常数、半衰期、平均寿命(一)衰变常数λ

放射性活度是指放射性核素单位时间内衰变的次数,即放射性核素数量N随时间的减少率,也就是负的变化率,而变化率可用导数表示,即:

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