核医学基础物理/辐射与物质的相互作用

在前面的章节中，我们重点关注了辐射的来源和辐射的类型。现在，我们可以考虑这种辐射与物质相互作用时会发生什么。我们这样做的主要原因是为了找出辐射在穿过物质时会发生什么，以及为考虑它如何与活组织相互作用以及如何检测辐射做准备。由于所有辐射探测器都是由某种形式的物质制成的，因此首先了解辐射如何相互作用是有用的，以便我们能够在本书后续章节中利用这些效应来设计此类探测器。

在我们进行此操作之前，让我们首先提醒自己主要类型的辐射的物理特性。我们已经详细介绍了这些信息早些时候，为了方便起见，在下表中进行了总结。

现在，我们将考虑每种类型的辐射穿过物质的情况，其中大部分注意力将集中在伽马射线上，因为它们是核医学中最常用的类型。您会注意到，无论辐射类型如何，其中一个主要影响是产生离子，当辐射与物质相互作用时。正是由于这个原因，它被称为电离辐射.

辐射	质量	电荷	速度
α 粒子	相对较重	双正电荷	相对较慢
β 粒子	大约轻 8,000 倍	负电荷	小于光速
γ 射线	无	无	3 x 10⁸ m/s（在自由空间中）

在我们开始之前，您可能会发现一个类比有助于您的思考。这个类比基于将物质想象成巨大的原子团（即具有轨道电子的原子核），而辐射是穿过这种环境的粒子/光子。因此，要考虑的类比是宇宙飞船穿过流星雨，就像您在科幻电影中看到的那样，宇宙飞船代表辐射，流星代表辐射穿过的物质的原子。但是，要加入的一个附加功能是，根据它所代表的辐射类型，我们的宇宙飞船有时会带电。

α 粒子

从上表可以看出α 粒子带有双正电荷，因此我们可以很容易地理解，它们会对经过的原子外层轨道电子施加相当大的静电吸引力。结果是，一些电子会被吸引离开它们所属的原子，从而产生离子。换句话说，会发生电离。

我们还可以从表中了解到，与其他类型的辐射以及与它们穿过的物质原子的电子相比，α 粒子的质量相当大。因此，它们以直线穿过物质，除了在它们路径上与原子核发生罕见的直接碰撞之外。

这里相关的第三个特征是它们发射的能量。在 α 粒子的情况下，这种能量始终是不同的。例如，²²¹Ra 发射的 α 粒子能量为 6.71 MeV。从这种放射性核素发射的每个 α 粒子都具有这种能量。另一个例子是²³⁰U，它发射的三个 α 粒子能量分别为 5.66、5.82 和 5.89 MeV。

最后值得注意的是，α 粒子在生物学上具有很强的破坏性，这也是它们不用于体内诊断研究的原因之一。因此，我们在这本书中不会详细讨论它们。

β 粒子

从表中可以看出β 粒子带有负电荷。请注意，这里没有考虑正电子，因为正如我们在第 2 章中提到的那样，这些粒子在物质中停留的时间并不长，它们在湮灭之前不会持续很长时间。β 负粒子持续的时间要长得多，因此是我们这里关注的重点。

由于它们的负电荷，它们在穿过物质时会被原子核吸引，被电子云排斥。结果再次没有详细说明，就会发生电离。

β 粒子在物质中的路径通常被描述为曲折的，因为它们往往会从一个原子弹射到另一个原子。

最后要指出的一点是，与上面的 α 粒子相比，β 粒子的能量永远不会是不同的。从放射性源发射的 β 粒子的能量形成一个光谱，直到最大能量 - 参见下图。从图中可以看出，存在一系列能量，并且会引用诸如平均能量 E_mean 或最大能量 E_max 之类的特征。

我们将在这里考虑的问题是：为什么会出现能量光谱？当然，如果 β 粒子是在中子转化为质子的过程中在原子核内产生的，那么应该产生单一的、不同的能量。答案在于，β 衰变实际上产生了两个粒子。为了避免在本书的这个阶段使事情变得过于复杂，我们在第 2 章的论述中没有提到这一点。但为了完整起见，我们将在这里简要介绍一下。

β 衰变产生的第二个粒子被称为中微子，由恩里科·费米命名。它是一个相当神秘的粒子，几乎没有质量，也不带电，尽管我们今天仍在研究它的特性。它们难以捉摸的原因是，它们非常难以探测，这极大地限制了我们迄今为止对它们的了解。

β 粒子能谱可以通过考虑中子转化为质子时产生的能量在 β 粒子和反中微子之间共享来解释。有时，所有的能量都会被 β 粒子获得，它会获得最大能量 E_max。但更常见的情况是能量在它们之间共享，例如，β 粒子具有平均能量 E_mean，而中微子具有剩余的能量。

最后值得注意的是，β 粒子在生物学上具有很强的破坏性，这也是它们不用于体内诊断研究的原因之一。因此，我们在这本书中不会详细讨论它们。

γ 射线

既然我们一直在谈论上面的能量，让我们首先注意到从放射性源发射的γ 射线的能量总是不同的。例如，^99mTc 发射的 γ 射线能量都为 140 keV，而⁵¹Cr 发射的 γ 射线能量为 320 keV。

γ 射线与物质的相互作用方式很多。那些与核医学成像关系不大的是

我们将在本文中不做介绍。

那些对核医学成像非常重要的，是光电效应和康普顿效应。我们将在下面依次考虑每种效应。请注意，这里描述的效应也与 X 射线与物质的相互作用有关，因为正如我们之前提到的，X 射线和 γ 射线本质上是相同的实体。因此，下面的论述也与放射照相相关。

光电效应

当 γ 射线与穿过物质的原子轨道电子发生碰撞时，它可以将其所有能量传递给电子并停止存在 - 参见下图。根据能量守恒原理，我们可以推断出电子离开原子的动能等于 γ 射线的能量减去轨道结合能。这个电子被称为光电子。

请注意，当光电子离开原子时，会产生一个离子。还要注意，γ 射线能量在该过程中被完全吸收。

需要注意两点。首先，光电子在其路径中引起电离的方式类似于β粒子。其次，当光电子留下的空位被来自原子外壳的电子填充时，就会发生X射线发射。请记住，我们在第2章处理电子俘获时遇到过这种现象。

康普顿效应

这种效应有点类似于台球桌上的母球撞击彩色球。在这里，伽马射线仅将部分能量传递给一个本质上是自由的价电子，见下图。请注意，电子离开原子并可能像β粒子一样，并且伽马射线以与它接近原子时不同的方向偏转。这种偏转或散射的伽马射线可以在材料中经历进一步的康普顿效应。

请注意，这种效应有时被称为康普顿散射。

我们刚刚描述的这两种效应导致辐射束的吸收和散射。总效应被称为伽马射线的衰减。我们将在下一章从分析的角度研究这一特征。在我们这样做之前，我们将简要考虑辐射与生物体的相互作用。

辐射生物学

众所周知，暴露于电离辐射会导致活组织损伤。我们已经描述了最初的原子相互作用。在辐射生物学中重要的是，这些相互作用可能会触发复杂的生物分子事件链，并导致生物损伤。

我们已经看到，电离辐射在物质中损失能量的主要方式是弹出轨道电子。原子中轨道电子的损失使其带正电。其他相互作用过程会导致原子的激发而不是电离。在这里，外层价电子获得足够的能量来克服其壳层的结合能，并远离原子核，移动到一个通常不被占据的轨道上。这种效应会改变将原子结合成分子的化学力，并且受影响的原子重新组合成不同的分子结构会导致。也就是说，激发是通过改变单个原子键来间接诱导化学变化的一种方法。

电离和激发会导致称为自由基的不稳定化学物质。这些是原子和分子，其中有未配对的电子。它们在化学上非常活泼，并通过与其他原子和分子结合来寻求稳定。由于它们的产生，附近的分子可能会发生变化。

但是，让我们暂时回到相互作用本身……

在 X 射线和伽马射线相互作用的情况下，光子的能量通常通过与轨道电子的碰撞转移，例如通过光电效应和康普顿效应。这些辐射能够穿透组织深处，因为它们的相互作用取决于与电子的随机碰撞。事实上，核医学成像只有在伽马射线的能量足以从体内完全发射出来，但又足够低以被探测到时才有可能。

另一方面，带电粒子（例如α粒子、β粒子）的相互作用可以通过与原子电子的碰撞，以及通过吸引力和排斥静电力来实现。因此，带电粒子在其路径中损失能量的速率取决于该粒子的电荷的平方。也就是说，粒子电荷越大，它在其路径上产生离子对的可能性越大。此外，当带电粒子缓慢移动时，静电力作用的时间更长，因此电离概率随着时间的推移而增加。

下图说明了这种情况，其中带电粒子在水中的轨迹被描绘出来。请注意，相对较重的α粒子的轨迹是一条直线，正如我们在本章前面讨论的那样，每单位长度有大量的相互作用（用星号表示）。还要注意，电子的轨迹是曲折的，正如我们也在前面讨论的那样，每单位长度的相互作用数量要少得多。

LET (线性能量转移) 被定义为电离粒子轨迹每单位长度释放的能量。因此，缓慢移动的、高电荷的粒子比快速移动的、单电荷的粒子具有更高的 LET。例如，一个能量为 5 MeV 的α粒子，一个能量为 1 MeV 的电子，它们的 LET 分别为 95 keV/μm 和 0.25 keV/μm。与较重的带电粒子相关的电离密度以及能量沉积模式远大于电子产生的电离密度，如上图所示。

沿着带电粒子轨迹转移的能量将会有所不同，因为粒子的速度可能一直在下降。每次相互作用都会从粒子中带走少量能量，因此 LET 沿着粒子轨迹逐渐增加，并在粒子即将静止时发生急剧增加（称为布拉格峰）。

国际辐射单位和测量委员会 (ICRU) 建议线能量是相对生物效应 (RBE) 的更好指标。尽管线能量与 LET 具有相同的单位（例如 keV/μm），但它被定义为

沉积在组织体积中的能量与该体积平均直径的比率。

由于能量的微观沉积可能是相当各向异性的，因此线能量应该是衡量潜在损伤的更合适的指标，而不是 LET。因此，ICRU 和ICRP 建议特定辐射类型的辐射效力应基于 1 μm 直径的组织球体内的线能量。可以针对任何给定的辐射类型和能量计算线能量，然后可以根据沿辐射轨迹的线能量的积分值确定辐射加权因子 (w_R)。

地球上所有生物体自古以来就一直暴露于电离辐射。人类的现状总结在下表中

经许可改编自Applied Imaging Technology.
来源	有效剂量 (mSv/年)	评论
宇宙辐射	~0.4	大约每小时有 100,000 个宇宙射线中子和 400,000 个次级宇宙射线穿透我们的身体——并且随着海拔高度的增加而增加！
地面辐射	~0.5	每小时有超过 2 亿个伽马射线从土壤和建筑材料等来源穿过我们的身体
内部辐射	~0.3	大约每小时有 1500 万个⁴⁰K 原子和大约 7000 个天然铀原子在我们体内发生衰变，主要来自我们的饮食
氡和其他气体	~1.3	由于呼吸，大约每小时有 30,000 个原子在我们肺部发生衰变

这种自然背景辐射的总和约为每年 2.5 mSv，根据海拔高度和饮食摄入量以及地质和地理位置而有很大差异。

通常认为，活体中存在修复机制，这些机制可以在生物分子水平上的辐射损伤后被调用。这些机制很可能具有进化基础，作为对自然背景源在漫长岁月里产生的辐射通量的反应而出现。众所周知，即使在医疗照射中，组织也会在相当高的辐射通量下发生相当大的损伤。细胞死亡和向恶性状态的转化会导致许多年的潜伏期，然后癌症或白血病的临床迹象才会显现。然而，对这个辐射生物学广阔领域的进一步处理超出了我们在这里的范围。

辐射安全实践

辐射危害的产生是因为核医学涉及放射性物质的处理。尽管这种风险可能很小，但保持职业暴露尽可能低仍然很重要。实现这一目标的基本做法包括

管理

维护所有放射源购买、使用、移动和储存的综合记录。
确保遵守所有安全操作规程，并制定合理的书面操作规程和工作规则，用于处理放射性同位素。
必须建立处理环境或工作人员轻微污染事件的规程。请记住，无论工作实践多么良好，都可能发生涉及放射性同位素泄漏的轻微事故或事件。

设施

在安全屏蔽的环境中储存放射源。储存、安全处理、操作和分配未密封放射源需要专门的设施。储存区域应为散装放射性同位素和放射性废物而设计。此外，放射性患者应被视为未密封源。
任何工作区域的充分通风。这对于最大限度地减少吸入技术气体和可能挥发性放射性同位素（如 I-125 和 I-131）尤为重要。在处理挥发性物质时，最好使用通风柜。
工作台应采用光滑、坚硬、不渗透的表面，并配有适当的防溅板，以便在发生任何放射性同位素泄漏后便于进行去污。实验室工作应在不锈钢托盘中进行，托盘内衬吸水纸。
患者可能通过粪便、尿液、唾液、血液、呼出的气体或皮肤排泄放射性物质。必须采取措施处理所有或任何这些潜在的污染途径。
在某些情况下，可能需要提供收集和可能储存液体和固体放射性废物的措施。大多数短寿命的水溶性液体废物可以冲入下水道，但寿命较长的同位素（如 I-131）可能需要储存以进行衰变。此类废物在储存期间必须妥善密封并贴上标签。

设备

确保有适当的测量仪器可用于确定是否发生任何污染，并协助进行去污程序。必须对可能被污染的区域进行例行监测。
确保所有可能暴露的工作人员都配有个人监测仪。
应提供并穿着防护服，例如长袍、罩衫、套靴和手套，以防止处理放射性物质的人员被污染。特别是，在口服或静脉注射放射性物质给患者时，必须戴上手套。应注意，在处理某些碘化合物时，手套可能会被穿透，因此建议戴第二双。无论如何，应经常更换手套，并应将废弃的手套视为放射性废物。

行为

在使用未密封源的实验室中，禁止食用和饮用食物、吸烟和涂抹化妆品。
严禁用嘴吸取任何放射性物质。
应采取预防措施，避免穿刺、割伤、擦伤和任何其他开放性皮肤伤口，否则可能会导致放射性药物进入血液。

优化

始终确保患者手术有净效益。是否可以通过使用非电离辐射的替代方法进行诊断或治疗？
确保所有参与核医学实践的工作人员，包括医师、技术人员、护士、实习生和其他学生，都接受与他们分配的任务相关的培训和教育。培训计划可以采取研讨会、进修课程和非正式教程的形式。
应实施实质性的质量保证（QA）计划，以确保剂量校准器、伽玛相机、计算机和其他辅助设备的功能得到优化。

核医学环境中工作人员面临的潜在危害包括

挤压 ^99mTc发生器，在给药前抽取和测量放射性同位素的量。
通过注射或其他方式将放射性物质输送到患者体内，并将现在具有放射性的患者定位在成像设备中。
将患者从成像设备中取出并将其送回病房，在那里他们可能会继续构成辐射危害一段时间。对于短寿命的放射性核素 Tc-99m，危险期仅为几个小时，但对于治疗性同位素，危险期可能为几天。
处理放射性废物，包括体液，如血液和尿液，以及棉签、注射器、针头、纸巾等。
在手术后清洁成像区域。
污染。

下表列出了接受核医学检查的患者的剂量率。一般来说，处理或处理放射性患者的危害分为两个部分

外部危害：当放射性同位素发射穿透性伽马射线时，就会出现这种情况。通常，可以通过采用屏蔽和合理的工作实践来最大限度地降低这种危害。
放射性污染：这可能更令人担忧，因为它可能导致工作人员吸入或摄入放射性物质。可能的污染来源是患者体内放射性血液、尿液和唾液，或空气中的放射性蒸汽。合理的工作实践，包括高度的个人卫生，应确保污染不是一个主要问题。

最常见的核医学诊断程序之一是使用同位素 Tc-99m 进行骨骼扫描。典型患者距离 1 米处的暴露率将在注射后立即达到峰值，约为每小时 3 μSv，由于放射性衰变和排泄，暴露率会稳定下降，因此 2 小时后将约为每小时 1.5 μSv。如果一个人在患者 1 米处站立 24 小时，忽略任何进一步的排泄，那么这个人接受的总暴露量将约为 17 μSv。对于距离患者 3 米的人，这个数字将减少到 1.7 μSv，而对于 5 米的距离，这个数字将约为 0.7 μSv。这些值是根据平方反比定律估算的。

应鼓励患者在扫描后喝大量液体，因为这将改善排泄，并有助于最大限度地减少他们的辐射剂量以及护理人员的辐射剂量。