医学影像成像原理——核医学课件.ppt

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绪绪 论论一、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 述述二、核医学的定义和内容二、核医学的定义和内容核医学的内容核医学的内容 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诊断断 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。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一、原子核与核外电子一、原子核与核外电子 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 MAtomneutronsprotonsnucleon+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。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、15153232PP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、53128I等等(二二)同位素同位素 具有相同原子序数，但质量数不同具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为的核素称为同位素同位素。（图图4 4）如如5353125125I I、5353127127I I、5353131131II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中，原子核能够稳定的存在于自然界中，不会自发地产生变化，这种核素通常称不会自发地产生变化，这种核素通常称为为非放射性核素（稳定性核素）非放射性核素（稳定性核素）。N/Z=1 1.5 N/Z=1 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)biological 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4.8104.8109 9年年 226226Ra TRa T1/2 1/2 为为15601560年年 125125I TI T1/2 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2.8102.810-10-10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：0.6930.693T1/2=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 生生物物半半衰衰期期是是指指进进入入生生物物机机体体内内的的放放射射性性核核素素，由由于于生生物物代代谢谢的的作作用用，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有有效效半半衰衰期期是是指指进进入入生生物物机机体体内内的的放放射射性性核核素素，由由于于放放射射性性衰衰变变和和生生物物代代谢谢共共同同的的作作用用，使使放放射射性性活活度度减减少少到到原原来来的的一一半时所需要的时间。半时所需要的时间。物物理理半半衰衰期期、生生物物半半衰衰期期、有有效效半半衰衰期期三三者者的的关系为：关系为：T1/2TbTe=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。三、三、核衰变的类型及规律核衰变的类型及规律 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放射射性性核核素素自自发发地地释释放放出出一一种种或或一一种种以以上上的的射射线线并并转转变变为为另另一种核素的过程称为一种核素的过程称为核衰变核衰变。衰变（衰变（alpha decayalpha decay）1 1、定定义义：放放射射性性核核素素的的原原子子核核放放出出粒粒子子后后变变成成另另一一种种核核素素的的衰衰变变过过程程，称称为为衰变衰变。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 核核衰衰变变时时放放射射出出粒粒子子或或俘俘获获轨道电子的衰变称为轨道电子的衰变称为衰变衰变。衰衰变变可可分分为为-衰衰变变、+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）定定义义：放放射射性性核核素素的的原原子子核核放放出出-粒粒子子变变成成另另一一种种核核素素的的核核衰变过程，称为衰变过程，称为-衰变衰变。np+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）定定义义：放放射射性性核核素素的的原原子子核核放放出出+粒粒子子，变变成成另另一一种种核核素素的的核衰变过程称为核衰变过程称为+衰变衰变 。np+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）定定义义：放放射射性性核核素素的的原原子子核核在在衰衰变变时时不不放放出出粒粒子子，由由核核外外俘俘获获一一个个轨轨道道电电子子而而变变成成另另一一种种原原子子核核的的放放射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，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。由由于于K K层层最最靠靠近近原原子子核核，因因此此K K层层的的电电子子被被俘俘获获的的几几率率最最大大，故故电电子子俘俘获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 decay）（1 1）定定义义：放放射射性性核核素素原原子子核核由由激激发发态态向向基基态态或或由由高高能能态态向向低低能能态态跃跃迁迁时时放放射射出出射射线线的的衰衰变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）放放射射性性核核素素原原子子核核由由激激发发态态向向基基态态跃跃迁迁时时，将将多多余余的的能能量量直直接接传传给给核核外外电电子子（主主要要是是K K层层电电子子）,使使该该电电子子获获得得足足够够的的能能量量后后脱脱离离轨轨道道成成为为自自由由电电子子，这这一一过过程程称称为为内内转转换换。由由于于内内转转换换放放射射出出的的自自由由电电子子称称为为内内转转换换电电子子。内转换电子内转换电子 放放出出射射线线和和内内转转换换电电子子是是原原子子核核从从激激发发态态向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）核衰变规律 核衰变公式：核衰变公式：N Nt t=N=N0 0e e t t物物理理意意义义：各各种种放放射射性性核核素素核核衰衰变变中中，其其原原子子核核数数目目是是随随着着时时间间的的增增长长而而按按照指数规律减少。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15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）定定义义：一一定定量量的的放放射射性性核核素素在在一一个个很很短短的的时时间间间间隔隔内内发发生生的的核核衰衰变变数数。也也就就是是单单位位时时间间内内发发生生衰衰变变的的原原子子核核数。数。2 2、放射性活度的单位、放射性活度的单位 （1 1）贝贝 克克 勒勒 尔尔（BecquerelBecquerel):):简简 称称 贝贝 克克（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 BqBq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3.7103.7101010 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=3.710=3.7101010Bq=37GBqBq=37GBq 1 1mCimCi=3.710=3.7107 7Bq=37MBqBq=37MBq 1 1CiCi=3.710=3.7104 4Bq=37KBqBq=37KBq 1Bq=2.70310 1Bq=2.70310-11-11CiCi(3)(3)比放射性活度比放射性活度（简称比活度）（简称比活度）单单位位质质量量或或容容积积放放射射性性制制剂剂中中的的放放射射性性活活度度称称为为比比放放射射性性活活度度，如如BqBq/mg/mg、BqBq/ml/ml、BqBq/mol/mol等。等。四、四、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 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（一）（一）带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用Interaction of charged particle and matterl1 1、电离与激发电离与激发l2 2、轫致辐射轫致辐射l3 3、散射散射 lIonization and excitation 电离与电离与激发激发l激激发发：带带电电粒粒子子与与物物质质原原子子的的核核外外电电子子发发生生作作用用时时，仅仅给给了了它它部部分分能能量量，使使这这个个电电子子从从能能量量较较低低的的轨轨道道跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的轨轨道道，而而使使整整个个原原子子处处于于能能量量较较高高的的激激发发态态，这这种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电电离离：当当带带电电粒粒子子具具有有足足够够大大的的能能量量时时，它它可可以以使使核核外外电电子子脱脱离离轨轨道道形形成成一一个个带带负负电电荷荷的的自自由由电电子子；失失去去e-e-的的核核带带正正电电荷荷，两两者者形形成成一一对对离离子子。自自由由电电子子还还可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-IonpairsSecondary ionization33.85eVmatterIonizationdensity 电离电离密度密度l单单位位路路径径形形成成的的离离子子对对数数目目称称为为:电电离离密密度。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电电离离密密度度取取决决于于带带电电粒粒子子能能量量、速速度度与与物质密度物质密度。l带带电电粒粒子子能能量量大大、速速度度慢慢、物物质质密密度度低低，电离电离密度密度则大。则大。BremsstrahlungBremsstrahlung 轫致轫致辐射辐射 带带电电粒粒子子通通过过物物质质时时，由由于于受受到到物物质质原原子子核核电电场场作作用用，运运动动速速度度突突然然变变慢慢，带带电电粒粒子子能能量量的的一一部部分分或或全全部部以以光光子子形形式式辐辐射射出出来来，这这种种现现象称为象称为轫致辐射轫致辐射。particleparticleX-rayScattering 散射散射l带带电电粒粒子子与与粒粒子子或或粒粒子子系系统统碰碰撞撞而而改改变变运运动动方方向向与与能能量量的的过过程程称称为为散散射射。仅仅改改变运动方向能量不变变运动方向能量不变者为者为弹性弹性碰撞碰撞。l粒粒子子的的质质量量较较大大，径径迹迹基基本本呈呈直直线线，发发生生散散射射较较少少。粒粒子子轻轻，运运动动为为曲曲线线，散散射射明明显。显。particleparticle（二）光子与物质的相互作用（二）光子与物质的相互作用 Interaction 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。XrayAugerelectronphotoelectronKLPhotoelectric effect 光电效应光电效应Electron vacancy filledMe-Incident photon图19Comptoneffect 康普顿效应康普顿效应 l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20Electron pair production 电子电子对生对生成成效应效应 电电子子对对效效应应：当当光光子子能能量量大大于于1.021.02MevMev，光光子子与与物物质质相相互互作作用用时时，在在原原子子核核电电场场作作用用下下，转转化化为为一一对对正正负负电电子子，而而光光子子本本身身消消失失了，这个效应产生了一对电子。了，这个效应产生了一对电子。incidence511keV511keV+e-free electrone-e+图21X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（三）中子与物质的相互作用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 中中子子与与物物质质相相互互作作用用时时，中中子子将将一一部部分分能能量量传传给给被被碰碰撞撞的的原原子子核核，使使其其脱脱离离电电子子层层而而运运动动形形成成反反冲冲核核，反反冲冲核核使使物物质质的的其其他他原原子子发发生生电电离离和和激激发发，而而中中子子本本身身速速度度减减慢慢并并改改变变运运动动方向，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 高高能能中中子子与与物物质质的的原原子子核核作作用用，放放出出带带电电粒粒子子而而形形成成新新核核，这这种种现现象象称称核核反反应应，新新核核可可能能是是稳稳定定的的核核素素，也可能是放射性核素也可能是放射性核素。思考题思考题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。