試驗(yàn)核醫(yī)學(xué)與核藥學(xué)

1、實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)與核藥學(xué)Experimental nuclear medicine and Nuclear pharmacy,,緒 論,一、定義與內(nèi)容 (一)核醫(yī)學(xué)定義： 研究核技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用及其理論的科學(xué)稱(chēng)之。 (二)核醫(yī)學(xué)的內(nèi)容： 包括實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)(基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué))、臨床核醫(yī)學(xué)與核藥學(xué)三部分 (三)實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)的定義： 研究核技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及其理論的科學(xué)(或在 實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)

2、中應(yīng)用核技術(shù)的科學(xué)就叫實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué))。 (四)核藥學(xué)的定義： 研究核素標(biāo)記藥物的制備、理化特性及其在人體內(nèi)的生理、病理過(guò)程，為實(shí)驗(yàn)和臨床核醫(yī)學(xué)提供各種診斷和治療的放射性藥物或穩(wěn)定核素標(biāo)記化合物稱(chēng)之。,核醫(yī)學(xué)的內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)（基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)） 1.核電子學(xué) 2.標(biāo)記化合物 3.示蹤技術(shù) 4.電離輻射生物效應(yīng)與放射衛(wèi)生防護(hù) 臨床核醫(yī)學(xué) 1.診斷 2.治療,二、實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)的特點(diǎn),(一)

3、 兼容性好； (二) 方法學(xué)多； (三) 應(yīng)用面廣； (四) 探索度深； (五) 綜合性強(qiáng)。,三、發(fā)展與動(dòng)向,實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)與核藥學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科，與其他學(xué)科一樣，有其自身的發(fā)生和發(fā)展歷史。1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性鈾，1898年，居里夫人發(fā)現(xiàn)天然放射性鐳(Ra226)，此后在很短時(shí)間內(nèi)，核物理學(xué)家和放射化學(xué)家很快陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了大量的天然放射性核素，直到1934年小居里夫婦首次證明用天然的α粒子轟擊輕元素(鋁箔)產(chǎn)生人工

4、放射性核素，1942年核反應(yīng)堆的誕生以及后來(lái)加速器的問(wèn)世，解決了人工放射性核素的大量生產(chǎn)，還有核儀器的研制與應(yīng)用，從而使人類(lèi)逐漸認(rèn)識(shí)和應(yīng)用放射性核素及核技術(shù)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：,(一)示蹤技術(shù)的發(fā)展：,著名核醫(yī)學(xué)家Wagner教授認(rèn)為“核醫(yī)學(xué)是將示蹤原理應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)及生物醫(yī)學(xué)研究的一門(mén)分支學(xué)科”。由此看來(lái)，示蹤技術(shù)在核醫(yī)學(xué)中所占的地位多么重要。實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)與核藥學(xué)的先驅(qū)者Hevesy早在1923年就開(kāi)始了示蹤實(shí)驗(yàn)。30年代初期到4

5、0年代中期是用穩(wěn)定核素開(kāi)展大量示蹤研究的活躍時(shí)期。在這15年時(shí)間內(nèi)，大量研究工作者把醫(yī)學(xué)理論研究從靜態(tài)觀察為主推向動(dòng)態(tài)觀察為主，使人們對(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)明顯地前進(jìn)了一大步。在示蹤研究中，一開(kāi)始使用天然放射性核素，然后用穩(wěn)定性核素，最后用人工放射性核素。由于Hevesy的劃時(shí)代貢獻(xiàn)，1943年，他獲得了諾貝爾獎(jiǎng)?，F(xiàn)在示蹤技術(shù)越來(lái)越引起醫(yī)學(xué)界的重視和廣泛應(yīng)用，幾乎滲透到所有醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科及臨床學(xué)科。目前示蹤技術(shù)已發(fā)現(xiàn)到從體內(nèi)到體外，從整體到局部

6、，從組織到細(xì)胞，從細(xì)胞到分子，從定性到定量再到定位，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，從平面到斷層等，這些都反應(yīng)了示蹤技術(shù)的重要性?？梢赃@樣說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)中，凡是重要的研究成果都離不開(kāi)示蹤技術(shù)。,(二)核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展：,如多功能的γ能譜儀，匹配計(jì)算機(jī)的γ放射免疫測(cè)量?jī)x，由50管到200管或更多管，自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)換樣、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，打出標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)及結(jié)果。又如液體閃爍測(cè)量?jī)x能測(cè)能量較低的軟β射線(xiàn)(3H、14C)，匹配計(jì)算機(jī)，也是會(huì)自動(dòng)的，使用方便、科學(xué)。

7、還如核磁共振儀(NMR)、活化分析儀、化學(xué)發(fā)光儀等都是核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的現(xiàn)代化儀器，這些儀器在國(guó)外比較普及，國(guó)內(nèi)一些大中型醫(yī)院或?qū)嶒?yàn)室也已應(yīng)用。,(三)標(biāo)記化合物及放射性藥物的發(fā)展：,核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，標(biāo)記化合物及放射性藥物或放射性試劑是重要的先決條件之一，它們的制備已經(jīng)向深度和廣度發(fā)展，深度就是質(zhì)量，廣度就是種類(lèi)和數(shù)量。這主要是標(biāo)記技術(shù)的提高。近年來(lái)由于這方面專(zhuān)家的努力，在一些活性物質(zhì)及細(xì)胞方面的標(biāo)記獲得了重大進(jìn)展和成功，如：WBC、RBC

8、、BPC及單克隆抗體等的標(biāo)記。,(四)人才培養(yǎng)及技術(shù)力量的組織：,鑒于核醫(yī)學(xué)是一門(mén)多學(xué)科的綜合性專(zhuān)業(yè)，它與物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、生理、生化、病理、微生物、免疫、藥理等基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)系比任何醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)都更密切。因而國(guó)外各類(lèi)專(zhuān)家都把核醫(yī)學(xué)作為大顯伸手的領(lǐng)域。所以國(guó)外一些高水平的實(shí)驗(yàn)室能夠做出創(chuàng)造性的工作，主要是他們把醫(yī)學(xué)、生物、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等各方面知識(shí)綜合于核醫(yī)學(xué)，上述人員共同研究、共同攻關(guān)，設(shè)備昂貴的儀器由政府資助，各個(gè)研究項(xiàng)目，首先

9、考慮是應(yīng)用核醫(yī)學(xué)技術(shù)。 (五)我國(guó)實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)情況,四、學(xué)習(xí)要求,,第一章,核射線(xiàn)及其與物質(zhì)的相互作用,（一）核外電子,（一）中性原子 （二）核外電子的運(yùn) 轉(zhuǎn)軌道 （三）核外電子的能級(jí),,二、原子核,（一）核能態(tài) 1、定態(tài)：電子在軌道上運(yùn)行既不放出不吸收能量的狀態(tài)； 2、基態(tài)：能量最低的定態(tài)稱(chēng)之； 3、激發(fā)態(tài)：能量最高的定態(tài)稱(chēng)之。,,（二）幾個(gè)概念1、核素 凡原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù).中子

10、數(shù)和能量狀態(tài)均相同 的一類(lèi)原子，統(tǒng)稱(chēng)為核素。2、同位素 凡核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同(原子序數(shù)相同),而中子 數(shù)(N)不同的一類(lèi)原子，彼此互稱(chēng)同位素, 1H、2 H 、 3H。3、同質(zhì)異能素 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均相同，但所處 能量狀態(tài)不同的核素。如99Tc與99mTc 。,,4、穩(wěn)定性核素與放射性核素（1）穩(wěn)定性核素 （2）放射性核素 （3）放射性核素的原子核為什么不穩(wěn)定？ 1、核子總數(shù)過(guò)多（＞83），主要發(fā)生

11、α衰變； 2、中子質(zhì)子比例不平衡，主要發(fā)生β衰變； 3、核子間的平均結(jié)合能小。,§2 核衰變方式,一、α衰變(alpha decay) 二、β衰變(beta decay) 三、γ躍遷(γ Transition),α衰變(alpha decay),核衰變時(shí)放射出α粒子的衰變。 變化通式： AZX→A-4Z-2Y+42He+Q 22688Ra(鐳)衰變式： 22688Ra→22286R

12、n+42He+4.86 Mev,,,,γ,,? 4He,β衰變,核衰變時(shí)放射出β粒子或俘獲軌道電子的衰變?chǔ)滤プ兒蠛怂氐脑有驍?shù)可增加或減少，但質(zhì)量數(shù)不變。分β－衰變（核內(nèi)中子過(guò)多）、β＋衰變 （核內(nèi)中子過(guò)少） 和電子俘獲三種類(lèi)型。β粒子的速度為20萬(wàn)km/s。,β衰變(beta decay),(一) β-衰變： 衰變時(shí)放射出β－粒子。核內(nèi)中子過(guò)多造成的不平衡。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子的過(guò)程。 變化通式及3315P(磷)衰變式如下

13、 AZX→AZ+1Y+β-++Q 是反中微子 3215P→3216S+0-1e++1.711 Mev,,,,,β－,γ,N ? p+e-,β－粒子特性,β－粒子實(shí)質(zhì)是負(fù)電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１。β－粒子的能量分布從0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大；電離能量比a粒子弱，能被鋁和有機(jī)玻璃吸收。,β衰變(beta decay),(二)β+衰變： 變化通式及137N(氮)衰變

14、式如下： AZX→AZ-1Y+β++υ+Q υ是中微子 137N→136C+β++υ+1.190 Mev,,,,,β＋,γ,p n+e+,,β＋粒子的特性,β＋粒子實(shí)質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減１； β＋也為連續(xù)能譜； 天然核素不發(fā)生β＋衰變，只有人工核素才發(fā)生。,β衰變(be

15、ta decay),電子俘獲(electron capture decay,EC) 核衰變時(shí)俘獲一個(gè)軌道電子。它是核內(nèi)中子數(shù)相對(duì)不足所致。從內(nèi)層軌道（K）俘獲一個(gè)電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子。 變化通式 ： AZX+-e→AZ-1Y+υ+Q 12553I(碘)衰變式： 12553I+-e→12552Te(碲)+υ+0.0355 Mev。,γ躍遷(γ

16、Transition),(一)同質(zhì)異能躍遷(isomeric transition)： 變化通式及99m43Tc(锝)衰變式如下： AmZX→AZY+γ 4942MO→99m43TC→9943TC+γ (二)內(nèi)轉(zhuǎn)換(internal conversion)： 以上幾種衰變圖及模式圖如下圖：,γ射線(xiàn)特性,γ射線(xiàn)為光子流，不帶電，穿透力強(qiáng)，電離能力弱；γ射線(xiàn)在真空中速度為30萬(wàn)km/s。,,&#

17、167;3 核衰變規(guī)律,作為放射性原子核的個(gè)體，其衰變是獨(dú)立的隨機(jī)事件，相互間沒(méi)有制約，衰變先后沒(méi)有規(guī)定的次序，也不是同時(shí)發(fā)生衰變。表面看似乎雜亂無(wú)章，毫無(wú)規(guī)律可言。但是，作為有很多個(gè)核組成的放射性物質(zhì)而言，核衰變卻表現(xiàn)為具有一定的規(guī)律性：對(duì)一定量的放射性物質(zhì)測(cè)其計(jì)數(shù)率n , 發(fā)現(xiàn) n的數(shù)值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減少。,,精確的實(shí)驗(yàn)證明，在時(shí)間間隔為 t到 t十△t內(nèi)，衰變的原子核數(shù)目△N是和△t及在該時(shí)刻尚未衰變的總核數(shù)N成正比，即

18、 △N∝N△t，寫(xiě)成等式：dN∕N=―λN 式中：λ是比例常數(shù)，稱(chēng)為衰變常數(shù)（Decay constant），符號(hào)右側(cè)的負(fù)號(hào)表示N值隨t增加而減少，即△N是負(fù)的（衰變掉的）。若時(shí)間間隔極微小，用dt表示，上式可寫(xiě)成微分式： dN∕dt=―λN dN∕N=―λN 經(jīng)積分與代入演變得： Nt =N0e—λt 這就是放射

19、性衰變公式。它指出，N值按時(shí)間的指數(shù)函數(shù)而衰減。,二、半衰期,(一) 物理半衰期(T1/2)：放射性核由于衰變,其原子核數(shù)目或活度減少到原來(lái)一半所需的時(shí)間,用T1/2表示 （二）生物半衰期(Tb)：由于生物機(jī)體的代謝…… （三）有效半衰期(Te)：由于放射性核素自身衰變及生物機(jī)體代謝的共同作用…… 三者的關(guān)系可用下式表示： Te=（T1/2·Tb）/（T1/2+Tb）,三、放射性活度及

20、其單位,(一)放射性活度（radiativity）指樣品在單位時(shí)間內(nèi)的 衰變次數(shù)。 A = dN/dt根據(jù)核衰變規(guī)律公式及放射性活度定義A與N成正比關(guān)系可寫(xiě)成下式： At = Aoe-λt = Aoe-0.693t / T1/2,,(二)放射性活度單位： 在國(guó)際單位制(SI)中，專(zhuān)名是貝可勒爾(Bequeral)，簡(jiǎn)稱(chēng)貝可，符號(hào)是Bq單位是秒-1(s-1)其派生單位有KBq(千Bq)M

21、Bq(兆Bq)、GBq(吉咖Bq)和TBq(大拉Bq) 1TBq = 103GBq = 106MBq = 109KBq 舊的專(zhuān)用單位是居里，符號(hào)Ci,1Ci=3.7×1010 dps=2.22×1012 dpm Ci的常用派生單位是mCi,μCi 新舊單位換算如下： 1ci = 3.7×1010Bq = 37GBq 1mci = 3.7×10

22、7Bq = 37MBq 1μci = 3.7×104Bq = 37KBq 1Bq = 2.7×10-11Ci,,四、放射性比活度 定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的固體或單位體積的液體放射性物質(zhì)的放射性活度 單位：MBq/mg、GBq/mg、TBq/g 或 MBq/mmol、GBq/mmol、MBq/ml; 舊單位是 mci/g、μci/g 或 mci/ml,,五、連續(xù)衰

23、變 當(dāng)衰變后的子體核素也為放射性核素時(shí)，子體核素也會(huì)發(fā)生繼續(xù)衰變，直至變成穩(wěn)定性核素,六、衰變公式的應(yīng)用,例題1，某實(shí)驗(yàn)室有某年9月27日出廠(chǎng)的Na131I溶液，其放射性濃度為3182 MBq/ml，當(dāng)年10月14日使用時(shí)，其放射性濃度是多少?現(xiàn)要吸取370 MBq該溶液，需吸取多少ml? 解：① 已知Ao=3182MBq 131I的T1/2=8.04D，t=17D 先算t/T1/2=17/8.04≈

24、2.11查通用放射性衰變表(P8) 得e-λt=0.232代入衰變公式： A=Aoe-λt=3182×0.232=738.15(MBq/ml) ② 370÷738.15≈0.5(ml) 答：①此時(shí)濃度是738.15MBq/ml；②需吸0.5ml。,例題2 3H-正十六烷標(biāo)準(zhǔn)源，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)介紹是1997年11月，測(cè)得的比活度為1.60MBq/g，取用時(shí)間為1999年11

25、月，問(wèn)①取用時(shí)的比活度是多少?②相當(dāng)于每ml多少dpm(室溫18°)?(3H-正十六烷溶點(diǎn)18℃時(shí)，密度為0.775g/ml) 解①：已知Ao=1.6MBq/ml t=2y 3H T1/2=12.33y 方法一：t/T1/2=2÷12.33=0.1622查通用放射性核素衰變表 得 e-λt=0.895代入衰變公式 A=Aoe-λt=1.6

26、5;0.895=1.432(MBq/g) 方法二：A = Aoe-λt = Aoe-0.693t / T1/2 =1.60X(0.693/12.33)×2=1.60e-0.1124 查ex指數(shù)表或用ex指數(shù)功能計(jì)數(shù)器求e-0.1124=0.8937 代入上面衰變公式A=1.60×0.8937=1.43(MBq/g) 解②：已知3H-正十六烷溶點(diǎn)18℃時(shí)，密度為0.775g/ml

27、 ∴ 1g相當(dāng)于1/0.775=1.29(ml) ∵ 1MBq=1×106dps=60×106dpm每秒計(jì)數(shù)換成每分計(jì)數(shù) 根據(jù)①所得結(jié)果的比活度是1.43MBq/g ∴ 1.43MBq=(1.43×60×106)/1.29=6.65×107(dpm/ml) 答: ①取用時(shí)的比活度是1.43MBq/g； ②相當(dāng)于每ml6

28、.65×107dpm.,,§4 核射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用,一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 （一）電離與激發(fā)(ionization and excitation) （二）彈性散射 （三）韌致輻射 （四）契侖可夫輻射 （五）湮沒(méi)輻射 （六）射程,,(一)電離與激發(fā)(ionization and excitation) 1.電離 ：指帶電粒子使物質(zhì)中的中性原子變成離子對(duì)過(guò)程。 2.激發(fā) ：

29、如果核外電子所獲動(dòng)能不足以使之成為自由電子，只是從 內(nèi)層躍遷到外層，從低能級(jí)躍遷到高能層稱(chēng)之。 3.電離密度 ：?jiǎn)挝宦窂缴闲纬傻碾x子對(duì)的數(shù)目。它表示的是射線(xiàn)電離作用強(qiáng)弱的量。α＞β＞γ。,,（二）彈性散射 帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)因受原子核庫(kù)侖電場(chǎng)作用而改變本身運(yùn)動(dòng)方向，但帶電粒子與原子核在相互作用前后總動(dòng)能保持不變，這一過(guò)程稱(chēng)為彈性散射或彈性碰撞。,（三）韌致輻射,帶電粒子還可與原子核發(fā)生非彈性碰撞。高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子經(jīng)過(guò)原

30、子核附近時(shí)，受到原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用而急劇減速，其部分或全部動(dòng)能可轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的電磁輻射，稱(chēng)為韌致輻射（Bremsstrahlung）。 韌致輻射的發(fā)生機(jī)率，與帶電粒子質(zhì)量的平方成反比，與帶電粒子的能量成正比．與所通過(guò)的物質(zhì)的原子序數(shù)的平方呈正比?？梢?jiàn)a粒子的韌致輻射可忽略不計(jì)（與帶電粒子質(zhì)量的平方呈反比），高能β射線(xiàn)的韌致輻射效應(yīng)顯著（與入射粒子的能量呈正比），并且對(duì)放射性核素按其來(lái)源可分為天然和人工兩大類(lèi)。但其中天然放射性

31、核素種類(lèi)僅數(shù)十種。致輻射的防護(hù)宜采用原子序數(shù)低（與物質(zhì)原子序數(shù)的平方呈正比）的屏蔽材料（如有機(jī)玻璃、鋁）。,（四）契侖可夫輻射,高能電子通過(guò)折射率較大（n＞1）的透明介質(zhì)時(shí)，若其速度大于光在該介質(zhì)中的相速度，在粒子經(jīng)過(guò)之處，將沿一定方向發(fā)出接近紫外線(xiàn)波長(zhǎng)范圍的微弱可見(jiàn)光。這種輻射稱(chēng)為契侖可夫輻射（Cerenkov radiation）。契侖可夫輻射具有連續(xù)光譜，輻射強(qiáng)度與帶電粒子靜止質(zhì)量無(wú)關(guān)，而僅取決于粒子的電荷及速度。生物醫(yī)學(xué)中常利用

32、契侖可夫輻射測(cè)量中、高能β-射線(xiàn)（如32P）。,（五）湮沒(méi)輻射,β+粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，其動(dòng)能完全消失后，可與物質(zhì)中的自由電子相結(jié)合而轉(zhuǎn)化為一對(duì)發(fā)射方向相反、能量各為0.5llMeV的γ光子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為湮沒(méi)輻射（anhihilatioh ralllation）。正電子斷層掃描（PET）就是通過(guò)測(cè)定正電子發(fā)射體湮沒(méi)輻射所產(chǎn)生的 一對(duì)γ光子，從而將核醫(yī)學(xué)顯像技術(shù)發(fā)展到新的高度。,,(六)射程 射線(xiàn)從入射到完全消失所經(jīng)過(guò)的直線(xiàn)

33、距離 射程： α＜β＜γ,帶電粒子與物質(zhì)相互作用 （激發(fā)、電離、軔致輻射 ）,,激發(fā) 電離 軔致輻射,二、γ射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用,(一) 光電效應(yīng)(photoelectric effect) (二) 康普頓一吳有訓(xùn)效應(yīng)(Compton-Wu effect) (三)電子對(duì)生成效應(yīng)(pair production),光電效應(yīng)(photoelectric ef

34、fect),多發(fā)生在低能量：<0.5MeV；光子被物質(zhì)原子完全吸收后發(fā)射軌道電子；脫離軌道的電子稱(chēng)光電子，還可產(chǎn)生次級(jí)電離；原子因電子空位處于激發(fā)態(tài),退激時(shí)發(fā)射標(biāo)識(shí)X線(xiàn)或俄歇電子。,康普頓一吳有訓(xùn)效應(yīng)(Compton-Wu effect),多發(fā)生在中等能量：0.5-1.02MeV入射光子將部分能量轉(zhuǎn)移給物質(zhì)核外電子,其余部分能量被散射光子帶走；入射光子多為與外層軌道電子彈性碰撞，光子與電子的相互作用。,電子對(duì)生成效應(yīng)（el