医学物理 电离辐射及其医学应用

直接电离：粒子、 粒子、电子、质子、重离子等。 间接电离： X射线、 射线、中子。
电离辐射的医学应用 ：放射学、核医学、放射免疫分析 (1) 放射学：包括诊断用的放射影像技术、治疗用的放射
治疗技术，以及作为介入手术导引的数字减影技术。
(2) 核医学：利用含放射性核素的放射性药物，通过其在
人体内不同组织器官及肿瘤的分布或放射性强度的变 化来进行诊断 (影像与非影像) 或治疗。
4. 中子束 ① 快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；
氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应； 质子和铍(p+Be)的核反应。 ② 超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的 快中子慢化成为超热中子。
第二节
电离辐射与物质的相互作用
8.2.1 X射线、 射线与物质的相互作用 作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应 一、光电效应 光电效应是低能 X射线、 射线与物质相互 作用的主要机制。 X 射线、 射线撞击一 个原子内层轨道电子时， 其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出， 而X射线、射线本身消失，这种过程称为光电效应。 出射光电子能量 =入射光子能量-电子结合能
1 N N0 2
t / T1 / 2
1 A= -dN/ dt =N =N0 =A0 A0 2 单位: 1Bq=1s-1, 1Ci=3.71010Bq 常用单位：mCi、Ci
e-t e-t
t / T1 / 2
三、核反应 1. 核反应概念 核反应是原子核与粒子、质子、中子、重离子等粒子 相互作用引起的变化。 核反应方程简写： A1 X(a,b) A2 Y X 表示靶核，a 入射粒子，b 出射粒子，Y 剩余核 2. 核反应类型 (1) 中子核反应 [(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)] (2) 质子核反应[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)] (3) 离子核反应[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)] (4) 光核反应[(,n)、(,d)、(,)]
(4) X射线基本特性 ①电离作用 ②荧光作用 ③光化学作用
④生物效应 二、高能电子束
⑤贯穿本领
电子加速器高能电子束
三、质子束和重离子束 质子加速器高能质子束 离子加速器高能离子束
8.1.2 基于核过程的电离辐射 基于核衰变: 射线、 粒子、 粒子、俄歇电子等。 基于核反应: 快中子束、 - 介子束等。 一、原子、原子核与放射性 1. 质子和中子
(b) Biblioteka 弹性散射非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。 (c) 中子核反应
慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应, (n,)反应。 快中子主要发生散射，其次诱发(n, ) , (n, p) , (n, )。 高能中子则除以上反应外，还可能发生(n, 2n)反应。
中子活化分析: 中子俘获反应产生放射性物质的性质可 用于定性及定量检测微量或痕量元素，应用范围：环境、 地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。
β β 2γ
A Z A 0 X e Z Y+ 1 0 ν E0
A Z
③ 轨道电子俘获(EC)
(3) 跃迁与内转换电子
① 跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态 直至基态，发射出 射线。
Am Z A XZ X0 0γ
② 内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较 低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子， 使该电子脱离原子束缚成为自由电子。
(3) X射线谱
X射线谱是指X射线光子强度与
光子能量(波长或频率)的关系。
(a) X射线连续谱 管电压<70KV 轫致辐射(bremsstrahlung)
h max
hc
min
eU
min
hc 1 e U 12.42 o 1.242 A nm U (kV) U (kV)
(b) X射线标识谱 X射线标识谱的特征 与阳靶材料有关，与管电压无关。 原子壳层结构模型
表8－2 医学上最常用的几种发射射线的放射性核素性质
2. 粒子 粒子用于治疗包括近距离放射治疗和核医学中的体内 药物治疗。常用的 放射性核素有 32 P, 89 Sr, 90 Y, 131 I, 153Sm, 186Re等等。基本上均通过反应堆制备。
3. 粒子
释放粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。
(d) 医学应用
(i) 中子活化分析——痕量金属元素检测。
(ii) 中子刀 利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中 子射线近距杀死癌细胞．中子射线的生物作用比 X、 射线强2~8倍，适用于敏感性较差的肿瘤或复 发性肿瘤．
(iii) 硼中子俘获疗法
把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能 迅速浓聚于病灶部分，此时用超热中子射线照射， 可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死 肿瘤细胞而不损伤周围组织．该疗法被认为是目前 治疗脑胶质瘤的最好方法．
频率由低到高分为: 无线电波、微波、红外线、 可见光、紫外线、X射线和 射线等。 粒子辐射既有能量, 又有静止质量 如 : 粒子、 粒子、内转换电子、俄歇电子、中 子、质子、重离子等。
(2) 依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。
非电离辐射不引起物质电离，只引起分子能级改变， 包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等。 电离辐射则引起物质电离，
表8-1 X射线按硬度的分类和用途
名称 极软X射线 管电压/kV 最短波长/nm 5~20 0.25~0.062 主要用途 组织摄影,表皮治疗
软X射线
硬X射线 极硬X射线
20~100
100~250 250以上
0.063~0.012
0.012~0.005 0.005以下
透视和摄影
较深组织治疗 深部组织治疗
(3) 放射免疫分析：是利用标记了放射性核素的抗原与 非标记的抗原对特异性抗体进行竞争免疫反应，从
而进行体外超微量分析。
第一节
电离辐射基础物理学
电离辐射产生过程 ：(1) 非核过程，(2) 核过程。 (1) 非核过程 核外电子碰撞过程(例如X射线)，或电离后加速输出(例 如电子束、质子束、重离子束)。 (2) 核过程 与原子核本身密切相关，产生于核反应或核衰变 (例如 射线、中子束、 射线、 射线)。
天然稳定核素约280种，天然放射性核素约30种， 人工放射性核素(人造核素/人工核素)超过2000多种， 核衰变类型: 衰变、 衰变、衰变. 核衰变过程遵守的守恒定律: ① 质量能量守恒, ③ 核子数守恒,
② 动量守恒,
④ 电荷守恒.
(1) 衰变 ( decay)
放射性核素放射出射线(即粒子)的衰变过程。射线 就是高速运动的24He原子核 。 衰变方程:
A Z
X
A-4 Z -2
Y + α + E0
226 88
4 Ra(镭)222 Rn( 氡 ) 86 2 He(氦) 4.78MeV
(2) 衰变( decay)
衰变包括：-衰变、 +衰变和轨道电子俘获。 ① -衰变 ② +衰变 湮灭
A Z A 0 X Z Y + β +0 ν E 0 1 A 0 X Z Y + β +0 ν E0 1
二、放射性衰变基础概念 1. 半衰期 N=N0e-t 半衰期: 放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。 T1/2= ln2/ = 0.693/ 平均寿命: = 1/ = T1/2 / ln2 2. 放射性活度 一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核 衰变数除以该时间间隔。 -dN =N dt
二、康普顿效应
康普顿效应是中能X射线、 射线与物质相互作用主要 机制。
当X射线、 射线与物质相互作用时，将部分能量转移 给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。
三、电子对效应
当高能量(大于1.022MeV) 的X射线或 射线通过物质 时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一 个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。
8.1.1 基于非核过程的电离辐射 一、X射线 (1) X射线发生装置 普通 X 射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场 和阳靶。
碰撞损失 861 MeV 100 ＝ 1 辐射损失 T Z T:高速电子动能(~100keV)
Z:靶原子序数(W74, Mo42) 碰撞损失 热量 辐射损失 X射线
四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源 1. 射线 ① 放射治疗中射线来源
60 27
59Co(n,)60Co
Co60 Ni β 28
② 核医学的诊断中，由放射性药物释放射线
SPECT成像常用 99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，
PET成像采集的射线源于电子对湮灭，β β 2γ （11C ， 13N ， 15O ，18F）
E0=2mec2+E++E-
E+ +E- =E0 - 2mec2
四、物质对X射线的吸收规律 当X射线通过物质时，与物质的原子发生以上三种相互 作用， X射线的能量降低，强度随着 X射线深入物质的 程度而减弱，这种现象叫做物质对X射线的吸收。 朗伯—比尔定律 (1) 线性吸收系数 I=I0exp(- L )
A 核素: 具有相同质子数Z、中子数N的同一类原子核， ZX
99m Tc, 同质异能素: Z 同 A 同, 能态不同, 如 99 43 43Tc
2 3 同位素: Z同, 如: 1 H , H , 1 1 1H
2. 电子
电子及 “ 轨道 ”
3. 放射性核素衰变及其类型
放射性核衰变(nuclear decay): 不稳定的放射性核素能够 自发地以各种方式转变成另外的核。 衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。