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1、工学核医学仪器与方法优秀,1,核医学仪器与方法 Nuclear Medical Instrument and Method 郑州大学物理工程学院赵书俊,绪论核医学的物理学基础知识照相机单光子发射计算机断层（SPECT）正电子发射计算机断层显像（PET）核医学仪器的质量控制,工学核医学仪器与方法优秀,2,核的衰变及其方式,核的衰变及其方式,一、 有关的几个基本概念1、 衰变2、 母核和子核3、 放射性核素和放射性同位素4、 核衰变的自发性二、核的衰变形式1、 -衰变2、 （-）衰变3、 同质异能衰变与内转换4、 电子俘获5、 +衰变6、 衰变和核裂变,工学核医学仪器与方法优秀,3,一、核素和原子
2、核1核素原子核由质子和中子（统称核子）组成。凡原子核具有特定的质子数、中子数和能量状态的一类原子，称为一种核素。国际上通常采用符号 来表示各种核素。其中X为某种元素的化学符号，Z是原子序数，即核内质子数，A是质量数，即核内核子的总数（质子数和中子数之和）。右上角可另加数字或符号表示化学价、电荷或能态，如 Tc （习惯也常写作 Tc ）的m表示该核素处于激发态。,工学核医学仪器与方法优秀,4,一、核素和原子核2核素与元素同位素，同质异能素凡质子数相同的原子为一种元素，他们的原子序数相同，具有相同的化学性质，但原子核中子数可以不同，因而物理特性有某些差异。 核素的同位素也是不同的概念。凡属于同一种
3、元素的核素，在元素周期表中处于相同的位置，称为核元素的同位素。当两个核素质子数和中子数都相同，而能量状态不同时，互称为同质异能素，如 Tc和 Tc。,工学核医学仪器与方法优秀,5,一、核素和原子核3原子核的能级原子核由于不断运动而具有一定的能量。一般情况下，原子核都处于能量最低的状态，称为基态，在一定条件下，原子核可以暂时处于较高的能量状态称为激发态。处于激发态的核素都很不稳定，要释放过剩的能量而回到基态。,工学核医学仪器与方法优秀,6,二、放射性核素和核衰变1稳定性核素和放射性核素核素按照原子核的稳定程度分为稳定性核素和放射性核素。稳定性核素是指原子核稳定的核素，在没有外来因素（如高能粒子的
4、轰击）干扰时，不发生核内成分或能级的变化。天然放射性核素品种不多，数量也很少，现今广泛应用的医用放射性核素主要由人工方法制备，称人工放射性核素。核医学常用的放射性核素及其物理特性见附录（临床常用放射性核素表）。,工学核医学仪器与方法优秀,7,二、放射性核素和核衰变2核衰变是指放射性核素的原子核不稳定，会自发地变成另一种核素，同时释放出一种或一种以上的射线。这种变化过程称为放射性核素的衰变或蜕变（简称核衰变）。核衰变是由原子核内部的矛盾运动决定的。每种元素的原子核，其质子数和中子数必须在一定的比例范围内才是稳定的，比例过大过小放射性核素都要发生核衰变。,工学核医学仪器与方法优秀,8,二、放射性核
5、素和核衰变3核衰变方式放射性核素主要衰变方式有： 衰变、 衰变、 衰变、核外电子俘获以及跃迁和同质异能跃迁。（1）衰变：主要发生于原子序数82的重元素核素。每次衰变释出一个氦核，称粒子，母核失去二个质子和二个中子，故子核的原子序数较母核减少2，原子质量数减少4。可用下列衰变方程表示。,工学核医学仪器与方法优秀,9,核的衰变及其方式,放射性衰变的基本类型,主要有三种基本类型： 衰变 衰变 衰变,母核 子核 发射射线 衰变能量 226Ra 222Rn + 4He + 4.78MeV ( Z, A ) (Z-2, A- 4) (2,4) (88,226) (86, 222) ( 2,4 ),衰变能在
6、反冲核与 粒子间按动量能量守恒分配 原子核变化发射的载能的亚原子粒子 放射性粒子。,1）衰变, (4He),工学核医学仪器与方法优秀,10,二、放射性核素和核衰变3核衰变方式（2） 衰变：主要发生在中子相对过剩的核素。核中一个中子转化为质子，总核子数不变，同时释出一个负电子（来自核的负电子称 粒子）及一个反中微子（ ）。故子核的原子序数比母核增加1，原子质量数不变。是一种质量极小的不带电基本粒子，穿透性极强，一般探测器不能测知。 衰变可用下列衰变方程表示。,工学核医学仪器与方法优秀,11,发生-衰变的原因 ：原子核中中子数太多,14 C原子核中的中子发生 -衰变，产生一个质子， 一个负电子和一
7、个反中微子 中子-衰变： n p + e- +,p,n,工学核医学仪器与方法优秀,12,二、放射性核素和核衰变3核衰变方式（3） 衰变：主要发生在中子相对不足的核素。可以看作是 衰变相反的过程，即核中一个质子转化为中子，同时释出一个正电子（称 粒子）及一个中微子（ ）故核子总数也不变，原子序数减少1而原质量数不变。 也是质量极小的不带电基本粒子，穿透性极强而很难测知。 衰变可用以下衰变公式表示。,工学核医学仪器与方法优秀,13,二、放射性核素和核衰变3核衰变方式（4）核外电子俘获（EC）：发生在中子相对不足的核素。原子核先从核外较内层的电子轨道俘获一个电子，使之与一个质子结合转化为中子，同时发
8、射出一个中微子。故原子质量数不变而原子序数减少1。随后较外层的轨道上有一个电子跃入内层填补空缺。由于外层电子的能量比内层电子高，多余的能量就以X线的形式释出，该X线为子核的特征X线。或者该多余的能量传给另一轨道电子，使之脱离轨道而释出，称俄歇电子。,工学核医学仪器与方法优秀,14,二、放射性核素和核衰变3核衰变方式（5）跃迁及同质异能跃迁：上述四种衰变的子核可能先处于激发态，在不到1微秒的时间内回到基态并以光子的形式释出多余的能量。此过程称衰变或跃迁。如果 跃迁释出的能量传给一个核外电子（K层电子几率最高），使之间脱离轨道而发射出去这过程就是内转换。发射的电子称内转换电子。发生内转换后K层轨道
9、的空缺和EC的空缺相似，随后可由外层电子补缺，从而又发射X线和俄歇电子。 同质异能跃迁可以以下衰变方程表示：,工学核医学仪器与方法优秀,15,二、放射性核素和核衰变3核衰变方式在以上五种衰变方式中，任何单个原子都只以其中一种方式衰变，但对某些核素的许多原子来说，却可以有两种或两种以上的衰变方式，各有一定的几率。例如 占31%， 占15%，EC占54%。此外，还有一些较少见的核衰变方式，如超铀元素 锎 会自发裂变发射中子而变成较轻的两个核素等。,工学核医学仪器与方法优秀,16,放射性核素的衰变规律,放射性核素的衰变规律,4放射性衰变规律放射性衰变规律 实验证明，放射性衰变是一级反应，即对每种放射
10、性核素来说，单位时间内衰变的原子数只和存在的原子总数呈正比，可用下式表示：,工学核医学仪器与方法优秀,17,放射性核素的衰变规律,放射性核素的衰变规律,式中N0是存在原子总数， 是衰变常数，其含义是单位时间内衰变掉的原子所占当时存在的原子总数的百分比。各种核素衰变常数的不同是核素的重要特征参数。式中N0是原有原子数，Nt是经过时间t后剩余的原子数。所以放射性核衰变服从指数规律，亦即其原子数随时间t按指数函数的规律而减少。从衰变曲线可求出核素的半衰期及衰变常数，也可求出经过任何时间t后，剩余的核素相当于原有核素的百分之几。如果某样品是二种以上放射性核素的混合物，或者样品中含放射性杂质，则衰变曲线
11、呈曲线状，用曲线分解法可求出各自的衰变曲线，并可根据分解曲线求出各自的半衰期及衰变常数。实际工作中还常使用另一特征参数，即半衰期 T1/2 ，即某核素的原子衰变掉一半所需要的时间。数学推导很容易证明。T1/2 =0.693/,工学核医学仪器与方法优秀,18,放射性衰变基本规律,1 指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质 有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快,N = N0e-t,放射性核素的衰变规律,工学核医学仪器与方法优秀,19,半衰期 (T1/2),定义：一
12、定量的某种放射性原子核， 其中有一半发生了衰变所经过的时间。,经过n个半衰期后，未发生衰变的放射性原子核数目是原有的 1/2n,放射性核素的衰变规律,工学核医学仪器与方法优秀,20,N = N0e-t 由半衰期定义 t = T1/2 ， N=N0/2 代入计算得到 T1/2 = ln 2/ T1/2 = 0.693 / , 和 T1/2 两者有一一对应关系 理论研究中多用衰变常数 实际应用中一般用半衰期,半衰期与衰变常数的关系,放射性核素的衰变规律,工学核医学仪器与方法优秀,21,放射性核素的活度,放射性核素的活度,三、放射性活度放射性活度（简称活度）一定量的放射性核素在很短的时间间隔内发生的
13、核衰变数除以该时间间隔，即 A=dN/dtdN是在时间间隔dt内由该能态发生自发核衰变次数。A为放射性活度反映的是放射性核素的核衰变率。活度的单位是秒1，实际含义是每秒衰变次数。其国际制单位的专用名称为贝可勒尔（Becquerel），简称贝可，符号为Bq。数十年来，活度沿用居里（Ci）为其特殊的专用单位。 等于每秒3.710 次衰变。贝可勒尔与居里的换算关系是:1Ci=3.710 Bq,工学核医学仪器与方法优秀,22,放射性核素的活度,放射性核素的活度,三、放射性活度居里单位较大，通常用毫居里 mCi, 微居里Ci 等。有时放射性核素混有该元素的非放射性核素，后者称为载体。为更好表示各种物质中
14、放射性核素的含量，通常还采用比放射性这一参数。比放射性即单位质量物质的放射性活度。同理，将单位体积的溶液内所含的放射性活度称为放射性浓度。,工学核医学仪器与方法优秀,23,1 放射性活度（ A ） 定义：样品中放射性原子核在单位时内发生衰变 的原子核数目。 单位： 1贝可 = 1 次核衰变/秒 1 Bq = 1 次核衰变/秒,2 吸收剂量( D ) 定义： 单位质量受照射物质所吸收的平均电离辐射能 单位： 1 戈瑞 = 1焦耳 / 千克 1 Gy = 1 J/ kg,放射性核素的活度,工学核医学仪器与方法优秀,24,吸收剂量1 戈瑞（1焦耳/千克）时的能量效应,1）水温升高 （比热 4.210
15、3J/千克度） 1 kg水物质吸收剂量 1 Gy 水温度上升 1/（4.2103）= 2.410-4 C,2）转化为物体的动能 m D= (1/2)m v2 运动速度 v = 1.4 m/s,3) 转化为物体的势能 m D = m g h 上升高度 h = 0.1 m,剂量实际上是单位物质吸收电离辐射能 大小的一种量度,放射性核素的活度,工学核医学仪器与方法优秀,25,3 剂量当量（H）,意义：表示电离辐射 引起生物效应 的大小 H = Q DQ 电离辐射的品质因数 生物放大效应D 吸收剂量（戈瑞） 量度单位：1希沃特 = 1焦耳/千克 1 Sv = 1 J/kg,电离辐射的品质因数 Q 数值
16、,放射性核素的活度,工学核医学仪器与方法优秀,26,放射性活度(A) 吸收剂量(D) 剂量当量(H),吸收剂量(D) 1戈瑞 = 1焦耳/千克1 Gy = 1 J/kg,放射源 活度(A) 1贝克=1次核衰变/秒,剂量当量(H) H = Q D 1希沃特 = 1 焦耳/千克,三者意义和区别,任何物质,有机体,放射性核素的活度,工学核医学仪器与方法优秀,27,射线和物质的相互作用,四、射线和物质的相互作用它包括射线对物质的作用（引起物质的电离、激发等）和物质对射线的作用（引起射线的减速、散射及吸收等）两个相互联系的方面。电离作用是指射线使物质中的原子失去轨道电子而形成正负离子对，它是某些探测器测
17、量射线的物质基础，又是射线引起物理、化学变化及生物效应的主要机制。电离作用的强弱常用射线在每厘米路程上产生的离子对数来度量，即电离密度或比电离。,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,28,射线和物质的相互作用,四、射线和物质的相互作用激发作用指射线使某些原子的轨道电子从低能级跃迁至高能级。当该电子退激时，这部分能量以光子或热能形式释出。激发作用是另一些探测器工作的物理基础，也是射线引起物理、化学、生物效应的机制之一。散射作用是指带电粒子受到物质原子核库仑电场的电作用时，或光子与物质的轨道电子碰撞时，射线发射偏离原来的方向而进行。散射作用对测量及防护都有一定影响。吸收作用是由于射线动
18、能全部或将近全部丧失时，会和周围物质发生一些特殊的相互作用，如湮没， 轫致辐射。,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,29,射线和物质的相互作用,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,30,射线和物质的相互作用,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,31,射线和物质的相互作用,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,32,射线和物质的相互作用,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,33,射线通过介质时由于同物质的作用,光子的数量不断的减少,物质层越厚减少得越多，这种现象称做对射线的吸收。,I(x)= I0 e-x,厚 度 X,I0,射线的吸收,
19、I,实验发现：射线强度随通过介质层厚度增加而 减小，服从指数衰减规律。,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,34,指数衰减规律,指数衰减因子 线性吸收系1）射线能量高 值小2） 原子序数高 值大,I(x)= I0 e-x,铅和铝吸收系数,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,35,射线强度减弱1/2 所通过物质层的厚度 射线的防护大都选用重金属铅、水泥等，构成很厚的防护墙。,半吸收厚度 单位：cm,物质层厚度,0 I / I,半吸收厚度(d1/2),射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,36,对物质电离作用的比较,2 MeV 射程(m) 离子对密度/mm 0.0
20、1 6000 2-3 60 10 几个,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,37,1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本,铅,地 下1-2 米深,铅室,n,4580本,中子源,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,38,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,射线和物质的相互作用,工学核医学仪器与方法优秀,39,核射线的探测,核射线的探测,五、核射线的探测核射线的探测是核医学工作的必要组成部分，它包括：探查是否存在天然本底以外的核射线、判断核射线的种类及其能量、以及测量核射线的数量。放射性核素主要通过探测其释出的射线才能进行定性和定量。对核射线的探测是利
21、用射线与物质的相互作用来实现的。随着新的相互作用和效应的发现，各种新型探测技术正在不断出现。,工学核医学仪器与方法优秀,40,核射线的探测,核射线的探测,五、核射线的探测核辐射探测仪器是指对核射线（或粒子）进行定性或定量探测的装置，通常由探测器及后续电子线路组成。探测器亦称探头，其主要作用是把核射线（或粒子）的能量转换成电信号（如电压、电流、电荷脉冲等）以供后续的电子线路进行分析、处理和记录。探测器的工作方式可分电流型和脉冲型两大类。电流型测量的是探测器所产生的平均直流电流，它反映大量相互作用事件造成的平均效应，多用于辐射剂量测量和核反应堆功率监测等仪器仪表中。脉冲型则是记录与探测器发生相互作用的每个个别的辐射粒子（或量子）。在核医学中用得较多的如气体电离探测器、闪烁探测器、半导体探测器等多属后一类。探测也可根据所要探测的射线不同进行分类，如粒子探测器、线探测器、中子探测器。,工学核医学仪器与方法优秀,41,下一章:照相机,一、基本原理和组成（掌握）1、 基本工作过程2、 准直器3、 晶体4、 光导和光电倍增管5、 位置电路和能量电路6、 成像装置二、照相机的性能指标（熟悉）1、 固有性能2、 系统性能三、质控（熟悉）,