核醫(yī)學基礎與放射防護-醫(yī)學輻射防護學教學課件

1、 核醫(yī)學基礎與放射防護 金 問 森 第一章 緒論核醫(yī)學是核技術在醫(yī)學領域中的應用。核醫(yī)學的內容及其特點： 臨床核醫(yī)學 診斷 X線檢查(radiology) 超聲檢查(ultrasound) MRI檢查 (magnetic resonance image) 解剖成像SPECT/CTPET/CT功能成像器官功能測定、體外放射分析(RIA)等。治療：甲狀腺機能亢進（hyperthyreosis） 甲狀腺癌(thyroid carcinoma )轉移性骨痛(multisite metastatic pain)骨腫瘤(bone cancer)實驗核醫(yī)學核素示蹤技術(radionuclide tracer

2、 technique)體外放射分析法(radioimmunoassay)放射自顯影術(radioautogram) 影像醫(yī)學、核醫(yī)學和放射醫(yī)學三個不同的研究和應用方向難以截然分開，共同點均為利用核技術在醫(yī)學領域中進行臨床診療和基礎研究工作。 這些研究工作均需要進行放射防護安全方面的理論知識。核醫(yī)學與放射防護發(fā)展簡史放射防護方面慘痛的代價 Marie curie和女兒均死于放射引起的白血病 20世紀初的鐳(Ra)事件 多次核事故以及核災難的發(fā)生放射防護事業(yè)的發(fā)展歷程1913年德國首先成立倫琴學會發(fā)布了有關指南 1925年召開了第一屆國際放射學大會，并成立國際輻射單位與測量委員會 （interna

3、tional commission on radiation units and measurements，ICRU）1928年成立了第一個國際組織“X線和鐳的防護委員會” 1950年成立國際輻射防護委員會（international commission on radiological protection，ICRP） 之后相繼成立了IAEA、UNSCEAR、ICNIRP、ABCC-RERF等國際性組織和研究機構部門規(guī)章 衛(wèi)生部、國家環(huán)境保護總局、國防科工委，以及公安部等，這些有關部委局先后制定頒發(fā)了一批有關放射工作許可制度及放射防護管理辦法、核與放射事故管理規(guī)定、放射工作人員職業(yè)健康管理辦

4、法、放射防護器材與含放射性產(chǎn)品管理辦法、核動力廠設計及運行安全規(guī)定、城市放射性廢物管理辦法、放射環(huán)境管理辦法、放射性物質運輸管理辦法等等 放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法放射診療管理規(guī)定放射工作人員職業(yè)健康管理辦法 技術標準 以我國電離輻射防護與輻射源安全基本標準（GB 188712002）最重要，派生出了一大批各種放射防護次級專項標準，包括國家職業(yè)衛(wèi)生標準、各類行業(yè)標準等。 技術報告和導則指南沒有強制性效力，乃是有關機構、組織和專家所撰寫的，屬于進一步具體詮釋各有關法規(guī)與標準，以增加對法律、法規(guī)的理解。 第二章 核輻射的物理基礎 原子結構、X射線與核素 元素（element）的基本單位

5、是原子，原子由原子核和核外電子構成。 原子核內有不同數(shù)目的質子（proton，P）和中子（neutron，N） ，統(tǒng)稱為核子（nucleon）。 原子核內質子數(shù)目和中子數(shù)目之和為原子核的質量數(shù)，用“A”表示，因此，整個原子核內中子數(shù)目N=AZ。 原子結構核素、同位素和同質異能素的概念 質子數(shù)相同，中子數(shù)相同，能量狀態(tài)相同的一類原子的集合稱為核素（nuclide）。 核內質子數(shù)相同，即在元素周期表中處于同一位置，但中子數(shù)不同的核素互稱為某元素的同位素（isotope） 。 質子數(shù)、中子數(shù)均相同，但能量狀態(tài)不同的核素稱為同質異能素（isomer） 。 穩(wěn)定性核素和放射性核素 原子核內的核子之間存在

6、著引力，稱為核力（nuclear force），為短程力，受核子數(shù)目的影響 。 除了核力外，還存在靜電斥力，該力為長程力，不受核子數(shù)目影響，但與電荷量有關。 PN=101.5時，核力與靜電斥力基本平衡，原子核處于穩(wěn)定狀態(tài)。處于穩(wěn)定狀態(tài)的核素稱為穩(wěn)定性核素（stable nuclide）。 當原子核內部處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生了能級的變化，轉化為另一種核素。這種自發(fā)的核內結構或能量的變化過程稱為核衰變（nuclear decay），變化過程中釋放的具有一定能量的粒子稱為放射線（radiation）。釋出放射線的核素稱為放射性核素（radio-nuclide）。 原子核的衰變、裂變與聚變 核衰變類型與

7、規(guī)律 1.衰變（alpha decay）原子核內要釋放2個質子和2個中子組成的稱之為“”粒子。 2.衰變（beta decay） 當核內質子、中子比例不當時，質子和中子將產(chǎn)生相互轉換，達到核內調整結構的目的。其特點是原子的質量數(shù)不變，只有原子序數(shù)改變（相差1），分為-和+ 和電子俘獲三種形式。 （1） 衰變 主要發(fā)生在中子相對過多的核素。中子轉化為質子，釋放負電子，稱為 粒子。 （2）+衰變 主要發(fā)生在中子數(shù)相對不足的核素，核內由質子轉化為中子，釋放正電子，稱為 +粒子。 （3）電子俘獲（electron capture，EC） 對于中子數(shù)相對較少某些核素，原子核從核外內層的電子殼層俘獲一個電

8、子，使核內的一個質子轉化為中子，同時釋放一個中微子，隨后較外層的電子躍入內層軌道填補空穴。由于外層能級高于內層能級，因此，多余能量以電磁輻射（即特征X射線）形式釋放?；蛘咴撃芰總鬟f給另一殼層電子，使之脫離軌道逸出，稱為俄歇電子（auger electron）。 （4）躍遷與內轉換現(xiàn)象 經(jīng)過或衰變的核素，在衰變的過程中可能導致原子核處于高能的激發(fā)態(tài)，核內多余能量以電磁輻射形式釋放后返回基態(tài)，該過程稱為躍遷。 有時在核內多余能量釋放過程中，也可能將能量傳遞給核外殼層電子，使之脫離其運行軌道而逸出，這種現(xiàn)象稱為內轉換現(xiàn)象。逸出的電子稱為內轉換電子（internal conversion electr

9、on） X射線和射線都是光子，它們的不同之處：射線來源于核內能量釋放，而X射線為核外電子躍遷過程中的能量釋放。 放射性核素衰變規(guī)律及其度量 核衰變是隨機性的，單位時間衰變的原子核數(shù)目與核的總數(shù)成正比，并且隨著時間的增長，遵循一定的規(guī)律而減少。 物理半衰期(physical half life，T1/2):指放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來的一半所需要的時間。 稱為衰變常數(shù)（decay constant），是放射性核素衰變的特征參數(shù)，表征單位時間原子核發(fā)生衰變的速率。 放射性活度、放射性比活度與放射性濃度 放射性活度（A）是指在一定的時間（dt）內處于特定能態(tài)的一定量的放射性核素發(fā)生自發(fā)衰變（d

10、N）的期望值。國際制單位為Bq，Bq其表示每秒內核衰變的次數(shù)，1Bq表示每秒有1次衰變。舊有單位為居里（Ci），1Ci = 3.71010Bq 單位質量中所含的放射性活度稱為比活度或比放射性。一般用Bq/kg或Bq/mol為單位。 單位容積溶液中所含放射性活度稱為放射性濃度，以Bq/ml或Bq/L為單位。 核裂變與核聚變反應 原子核的核裂變反應是目前獲得核能的主要途徑 一些重核如果分裂成二個中等質量的原子核時，會同時釋放出中子和能量，這一過程稱為原子核裂變（nuclear fission）。 自發(fā)裂變是原子核在沒有入射粒子轟擊的情況下自行發(fā)生的核裂變。 誘發(fā)裂變是在入射粒子的轟擊下重核發(fā)生的裂

11、變。 由兩個氫原子合為一個氦原子，就叫核聚變。 放射線與物質作用的物理基礎 電離與激發(fā)作用 帶電粒子與物質的核外電子發(fā)生靜電作用，如果導致物質中的原子失去軌道電子形成正負離子對，稱為電離（ionization）作用。 傳能線密度(linear energy transfer，LET)是指帶電粒子穿過物質時，在其單位長度徑跡上所轉移的能量。 如果帶電粒子使照射物質軌道電子從內層躍遷至外層，整個原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，此過程稱為激發(fā)（excitation）作用。帶電粒子與物質的相互作用 散射與吸收 帶電粒子受到物質原子核庫倉電場作用而發(fā)生方向偏折和能量的改變，稱為散射（scattering），只

12、改變運動方向而能量不變者稱為彈性散射（elastic scattering）。 如果射線通過物質時，由于各種作用的機制，導致帶電粒子的動能全部喪失而不復存在的過程稱為吸收（absorption）。 粒子在介質中受到阻滯而急劇減速，部分能量甚至全部能量轉化為電磁輻射，稱為軔致輻射（bremsstrahlung）。其發(fā)生的幾率與能量及介質的原子序數(shù)成正比。因此在放射防護中要注意，粒子吸收體和屏蔽應采用低密度材料，如有機玻璃、鋁或塑料等。 軔致輻射與湮沒輻射 +通過物質時和核外電子相互作用，消耗能量而相互結合，同時轉化為兩個方向相反，能量各為0.511MeV的光子而自身消失，這種過程稱為湮沒輻射（a

13、nnihilation radiation） X、 射線與物質的相互作用 光電效應：光子與介質原子的軌道電子碰撞，把能量全部交給軌道電子，使之脫離原子，光子消失，這一作用能夠過程稱為光電效應(photoelectric effect)。脫離軌道的電子稱為光電子。 康普頓效應：能量較高的光子與核外電子碰撞，將一部分能量傳遞給電子，使之脫離原子軌道成為高速運行的電子，而光子本身能量降低，運行方向發(fā)生改變，成為康普頓效應(Compton effect)。 電子對生成：當光子能量大于1.022MeV時，在物質原子核電場作用下轉化為一個正電子和一個負電子，稱為電子對生成(electron pair pr

14、oduction)。第三章 人體輻射計量學輻射的基本概念 輻射是不需要介質參與而進行能量傳遞的一種現(xiàn)象。 性質分類： 電磁輻射 其本質是電磁波，X射線、 射線和紫外線等 。 粒子輻射 如粒子、粒子、中子等。 作用分類： 電離輻射 可以產(chǎn)生電離作用非電離輻射 不產(chǎn)生電離作用狹義的輻射僅指電離輻射。 電離輻射計量學 X射線或射線照射dm質量空氣時便與空氣中的原子相互作用，部分放射線損失的能量被原子中的電子獲得而使原子電離，當這些獲能電子被完全吸收時所產(chǎn)生的同種符號離子（或帶電荷原子）的總電荷量（dQ）稱為照射量（exposure，X）。 照射量(X) 照射量的國際單位(SI)是庫侖/千克(C/kg

15、)，目前照射量的測量僅適用能量在10keV3MeV范圍內的X射線和射線，其他放射性粒子不能用照射量來度量。單位時間內的照射量稱為照射量率(exposure rate)。 吸收劑量(D) 吸收劑量(absorbed dose，D)指單位質量物質所接受的電離輻射的平均能量。 dm為被照射物質的質量，dE為其吸收的輻射能。 吸收劑量(D)是放射領域內一個非常重要的量，它適用于任何類型的電離輻射和任何被照射的物質，并適用于內、外照射。吸收劑量的國際單位(SI)為：J/kg，專用名稱：戈瑞(gray, Gy), 1Gy=1J/kg。舊制單位是拉德(rad)。1Gy=100rad同樣也存在吸收劑量率(Gy

16、/s ) 比釋動能（K） 比釋動能(kinetic energy released in mass，kerma，K)指不帶電致電離粒子與物質相互作用時，在單位質量的物質中產(chǎn)生的帶電粒子的初始動能的總和。 dEtr是不帶電致電離粒子在特定物質的體積內釋放出來的所有帶電粒子的初始動能總和；dm為所考慮的物質質量。 比釋動能的單位與吸收劑量相同 當量劑量(equivalent dose，HT, R)就是吸收劑量與輻射權重因數(shù)(radiation weighting factor, WR)的乘積。 當量劑量(HT, R) HT, R為R類輻射在組織或器官T中所受到的當量劑量；DT, R為R類輻射在組織

17、或器官中所致的平均吸收劑量；WR為R類輻射的輻射權重因數(shù)。 專用單位 希沃特(Sievert，Sv) 表3-2 不同輻射類型的輻射權重因數(shù)WR 輻射類型 能量范圍 WR 光子 所有能量 1 電子和介子 所有能量 1 中子 10keV 5 10 keV100keV 10 100keV2MeV 20 2 MeV20MeV 10 20MeV 5 質子(反沖質子除外) 2MeV 5 粒子、裂變碎片、重核 20有效劑量（E） 是指全身受到均勻照射或不均勻照射時，將不同組織當量劑量（HT，R）與組織權重因數(shù)加權的平均值。 表3-3 組織權重因數(shù)(WT) 專用單位 希沃特(Sievert，Sv) 待積劑量

18、待積劑量（committed dose）指放射性核素進入體內的劑量積分估算，根據(jù)待積劑量的概念還可以推倒出待積吸收劑量、待積當量劑量和待積有效劑量等。 待積當量劑量（committed equivalent dose, HT（）指單次攝入的放射性物質在其后的年內對所關心的器官或組織所造成的總劑量累積值。 待積有效劑量(committed effective dose，E() 如果單次攝入R類放射性核素對人體器官或組織（T）造成的待積當量劑量HT（）乘以相應的權重因子WT，隨后對所涉及的器官或組織（T）求積， HT（）為積分至時間時組織（T）的待積當量劑量；WT為組織T的組織權重因數(shù)。 比釋動能

19、K當量劑量H輻射場(照射量X)空氣待積劑量核素進入體內待積當量劑量待積有效劑量）吸收劑量D有效劑量E電離輻射源常用電離輻射量間相互關系非電離輻射計量學 電磁輻射計量 電磁輻射來源 自然界，如雷電、臺風、太陽的黑子活動與黑體輻射等 人工電磁輻射,如一些醫(yī)療設備、電腦、微波爐、手機、收音機、電視廣播發(fā)射機和衛(wèi)星通訊裝置等。 無線電波、微波、紅外線、可見光和紫外線等一般稱為非電離輻射或稱電磁輻射。 頻率極高的X射線和射線可造成人體組織的間接電離，歸在電離輻射的范疇。 公式：電磁波頻率（frequency，f）、波長（wave length，）與波速（wave velocity，c），h為Plank常

20、數(shù)。 ZEH平面電磁波空間傳播圖電場中某點的電荷受到的電場力與它所帶電量的比值稱為電場強度(electric field intensity，E) ，電場強度的國際單位是牛頓/庫侖(N/C)或伏特/米(V/m)。磁場強度（magnetic field intensity，H）指磁場中單位磁極所受到的力。它的國際單位制（SI）是安培/米（A/m）。 電場強度和磁場強度電磁波能流密度 電磁波傳播的能量稱為電磁輻射能，在單位時間內通過垂直于傳播方向的單位面積上的電磁波能量稱為電磁波能流密度（energy flow density，S），能流密度是矢量，如果在一個時間周期內求得能流密度的平均值又稱為平

21、均能流密度 。它的國際單位是瓦（特）/米2，W/m2。 S=E H 電磁輻射場所 遠區(qū)場（感應場）S= E H = E2/377 近區(qū)場（輻射場）電場強度與磁場強度的大小沒有確定的比例關系。 比吸收率 比吸收率（specific absorption rate，SAR）指單位受照組織吸收的電磁輻射能量，它的國際單位是瓦特/千克（W/kg）， 核磁共振計量 磁感應強度 描述靜磁場常用磁感應強度（magnetic induction，B）表示，磁感應強度指在磁場中垂直于磁場方向的通電導線，所受的安培力F跟電流I和導線長度L乘積的比值。B=F/IL 磁感應強度的國際單位是特斯拉(T)，T的含義是牛頓

22、/安培米(N/A m)。 1T=1N/A m 在高斯單位制中，磁感應強度的單位是高斯(Gauss，Gs)，高斯與特斯拉（T）的關系為：1T=104Gs。第四章 電離輻射生物學作用原理 電離輻射對生物體作用的化學基礎 自由基等活性基團 自由基(free radical)是指能夠獨立存在、具有一個或多個未配對電子的原子、分子、離子或原子團。如 較分子氧的化學性質更為活潑的氧衍生物或其代謝產(chǎn)物統(tǒng)稱為活性氧(reactive oxygen species)。如等等 概括說大部分含氧自由基是活性氧，但活性氧不一定都是自由基。 氧的單電子還原物，如O2- 和O-，及HO2和HO； 氧的雙電子還原物H2O2

23、； 烷烴過氧化物ROOH及其均裂產(chǎn)物RO和 ROO； 處于激發(fā)態(tài)的氧、單線態(tài)氧和羥基化合物。自由基作用的化學基礎 抽氫反應 (hydrogen abstraction)； 加成反應(addition reaction); 電子俘獲(electron capture); 還原反應(reduction reaction); 過氧化反應(peroxidation reaction); 歧化反應(dismutation reaction)。 NO及氮的其他氧化物或含氮的自由基（硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮等）統(tǒng)稱活性氮（reactive nitrogen species, RNS），左旋精氨酸(L-Ar

24、g)與氧分子在一氧化氮合酶作用下 ,分步驟產(chǎn)生NO?；钚缘母拍?生物體的各類抗氧化體系 (略)自由基等活性基團對生物分子的損傷作用 破壞細胞膜，使膜脂質過氧化，引起膜結構的破 壞； 使細胞蛋白質氧化、脫氫，造成蛋白質的失活、 結構改變、化學鏈的斷裂，或使蛋白質交聯(lián)和聚 合，從而影響蛋白質的正常功能； 使糖鏈的斷裂和失活； 引起核酸的損傷，造成細胞死亡。 水的輻射分解 水的輻射分解和水分子的自發(fā)性電離有本質的區(qū)別。前者產(chǎn)生 OH和H ，后者形成OH+和H+。 除電離和激發(fā)外，在有些例子中激發(fā)所需的能量超過電離所需的能量。這種能量狀態(tài)稱為超激發(fā)。水分子的原初變化中27%電離，26%激發(fā)，47%超

25、激發(fā)。 不斷與水分子碰撞，使水分子放出電子，產(chǎn)生次級電離，這些電子在自身運動中逐步喪失能量而被水分子俘獲，生成水負離子H2O-，不穩(wěn)定的H2O-在水中解離成氫自由基H和OH-。 當電子能量降到100eV以下而未被俘獲時，會吸收若干水分子形成水合電子 eaq_，自由基和水合電子統(tǒng)稱為水的原發(fā)輻射降解產(chǎn)物 。 水的原發(fā)輻射降解產(chǎn)物常在小體積內成簇發(fā)生，這種小反應體積稱為刺團（spur）。 電離輻射生物學作用時間效應 時間（s）發(fā)生過程物理階段10-1810-1610-1710-1510-14快速粒子通過原子電離作用H2OH2O+e-電子激發(fā)H2OH2O*離子分子反應，如H2O+ H2O+ HO+

26、H3O+物理化學階段10-1410-12化學階段10-1210-10CAG 糖基的破壞 DNA鏈上不穩(wěn)定位點的形成 特異性的核酸內切酶識別和切割堿基或糖基損傷部位形成DNA鏈斷裂。 DNA鏈的斷裂 SSB和DSB的形成。 DNA交聯(lián) 鏈內交聯(lián)和鏈間交聯(lián)。 DNA損傷的特點 染色質損傷 DNA損傷的非隨機性嘧啶二聚體和鏈斷裂在DNA上的非隨機分布DNA蛋白質交聯(lián)的組分選擇性染色體的脆性部位 DNA損傷的復雜性輻射所引起的膜損傷 可引起膜的脂質過氧化，產(chǎn)生新的自由基，造成級聯(lián)式反應，加重膜的損害。 造成膜蛋白和膜結合酶的變性與失活。 氧化糖蛋白上的羥基，產(chǎn)生毒性物質。 使膜的流動性和導電性發(fā)生改變

27、。靶數(shù)學模型 細胞存活曲線描述輻射劑量與細胞存活分數(shù)之間的關系。1.00.10.03712345Dose (Gy)D0DqD0是使SF下降63%所需的劑量，代表平均致死劑量或平均滅活劑量。表示細胞內在放射敏感性的主要參數(shù)。Dq是克服曲線肩部所需劑量。也稱閾劑量，表示細胞損傷修復能力的大小。 單靶單擊模型（one target and one-hit model） 多靶單擊模型（more target and one-hit model） 線性平方模型（linear quadratic mode，簡稱LQ模型） 相對生物效能與輻射敏感性 相對生物效能(relative biological ef

28、fectiveness，RBE)是以250keV X射線或固定能量的射線引發(fā)某種生物效應所需劑量與所研究的輻射引發(fā)相同生物效應(種類與程度均同)需要的劑量的比值。 或通常情況下，RBE與LET呈正相關關系 。 輻射敏感性 輻射敏感性(ionizing radiation sensitivity，IRS)指各種生物有機體對輻射敏感的程度。 組織輻射敏感性與其細胞的分裂活動成正比而與其分化程度成反比。 影響因素： 細胞： 細胞種類、細胞所處細胞周期時相、細胞周期調控、細胞內染色質結構與DNA構象、細胞對自由基的清除或耐受能力和對輻射損傷的修復能力有關。 M期 G2期 G1期S期 生物體 輻射敏感性受生物體的進化程度、種屬、不同的發(fā)育階段、不同的組織器官等因素的影響。 種系輻射敏感性與進化程度成正比，結構越復雜的生物體對輻射越敏感。脊椎動物，哺乳類輻射敏感性高于鳥類、魚類、兩棲類和爬行類；哺乳動物，人、狗、豚鼠輻射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。 隨個體發(fā)育趨向成熟而逐漸降低，胚胎、幼體、成體的輻射敏感性依次降低。 同一生物有機體內各種細胞和組織器官的輻射敏感性因其種類與生理機能狀態(tài)不同而差異較大。 1. 高度敏感組織如性腺（卵細胞、生精細胞）、造血淋巴組織（淋巴細胞）、胸腺、胚胎組織、胃腸上皮（小腸隱窩上皮細胞）、骨髓等。2. 中度敏感組織如感覺器官（角膜、晶狀體、結膜）、血管、