医用同位素示踪的基本知识.doc

医用同位素示踪的基本知识
一 概念
1 放射性示踪（radioactive trace）：利用放射性核素或其标记物作为示踪剂在生物体内外研究各种物质或现象的运动规律。应用辐射检测仪器进行物质动态变化规律的追踪、定位或定量分析。
2 放射性核素（radionuclide）：指可自发地发生核衰变并可发射一定类型和能谱的射线，由一种核衰变成另一种核的核素。例如：61147Pm →β 62 147Sm 。核衰变以其特有的方式和速度进行，不受任何化学和生物作用的影响。
3 同位素（isotope）：具有相同原子序数但质量数不同的核素。如11H，12H，13H。（分为稳定性同位素stability isotope和放射性同位素radioactive isotope）。
4 同质异能素（isomer）：具有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的一类核素，处于亚稳态或激发态的原子与其相应的基态原子互称为同质异能素。如99mTc具有的能量高于99Tc。
5 放射性示踪剂（radioactive tracer）：是以放射性为其鉴别特性的示踪剂，它是化合物分子中，同一位置上的稳定同位素的原子被同一元素的放射性同位素的原子所取代，在分子的性质和结构上没有任何变化。
二 核衰变类型（type of radioactive disintegration）：
1.α衰变：原子核放射α粒子的放射性衰变。α粒子即氦原子核（24He）。由2个质子和2个中子组成，带2个正电荷，质量较大。
如 88226Ra → 86222Rn + α + 4.785MeV（衰变能）
2MeV a粒子，空气射程0.01m，软组织中0.01m，体内电离密度6000/mm，行经末端形成Bragg peak。
2.β衰变：原子核放射出β粒子或俘获轨道电子的放射性衰变。分为β-衰变和β+衰变。
（1） β-衰变：是母体原子核一个中子放出一个负电子（e-）而转变为质子。故子体原子序数增加1，但质量数不变。如：1532P → 1632S +β- + v（反中微子）+1.71MeV（衰变能）
β-粒子是从零到全部衰变能的连续能谱组成的粒子流，质量很小。
（2） β+衰变：是母体原子核一个质子放出一个正电子（e+）而转变为中子。故子体原子序数减1而质量数不变。如：713N → 613C +β- + v（正中微子）+1.19 MeV
2MeV β粒子：空气射程1.0m，软组织1.0m，体内电离密度6/mm。
（3） 电子俘获（EC）：母体原子核俘获其轨道上的一个电子，使核中一个质子转变为一个中子，同时放出正中微子。如：2655Fe + e- → 2555Mn + v + Q（衰变能）。 俘获电子后的空位由外层轨道电子跃迁来填补，多余能量①以标志X射线发出或②将能量传给另一电子，使其获得足够能量脱离轨道成为自由电子，该电子称俄歇电子。
2. γ衰变：原子核发射γ射线的衰变过程。γ是一种电磁辐射，不带电，具有一定的质量和能量。当不稳定的核分裂或衰变成稳定的核时，多余能量以γ线放出。某些核素放出α，β射线后，子核处于激发态，当它回到基态或较低能级时，多余能量以γ射线释放出来，该过程称为跃迁。也可将能量交给核外壳层电子，使其获能脱轨为自由电子，该现象称内转换。该电子称内转换电子。在发生内转换后，由于轨道上留下了空位，外层电子在跃迁过程中还会发生标志X射线或俄歇电子：见电磁辐射谱。
2MeV γ射线：空气射程：100.0m，自由通过人体，体内电离密度0.1/mm。
三、衰变规律（disintegration rule）：
放射性核素在单位时间内衰变的原子核数（即放射性活度）与在该时间内未衰变的原子核数呈正比，而放射性活度以指数规律随时间而减少。可用公式表示：N=N0e-入t 。入是衰变常数，即表示每一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。核衰变越快，则入越大。
物理半衰期（Tp）：指放射性核素原子核数目衰变到原有的一半的需要的时间。Tp=0.693/入 入=0.693/Tp
核素在体内的消失速度尚与生物半排期（Tb）和有效半减期（Te）有关。
Tb：指进入体内的核素通过生物体自然排除一半所需的时间。
Te：由于放射性衰变和生物排除共同作用，使体内核素原始放射性活度减少一半所需的时间。
三者的关系为 Te=Tb·Tp/（Tb+Tp）
如 131I的Tp=8.04天 ，Tb=138天
所以 Te=138×8.04/（138+8.04）=7.6天
当Tb和Tp 相差悬殊时，Te由短者决定.
四、放射性活度
1．放射性活度：指放射性核素在单位时间内发生核衰变的原子数目。国际制单位是贝可勒尔（Becqueral。简称贝可，Bq）：定义为一次衰变／s，即１Ｂq＝１s-1
因此，①衡量某放射性活度的放射性强弱，不能用拥有放射性总原子数目来表示，而应当用放射性活度表示。②两种不同核素的放射性活度相等，只表示它们单位时间内发生的核衰变数目相等，并非表示它们所发射的射线数目相等，因为不同核素的核衰变类型不一定相同。
放射性活度的专用单位是居里（Ci）：
1Ci=3.7×1010Bq
1mCi=3.7×107Bq
1uCi=37KBq=37000×60s=2.22×106dpm
1Bq≈2.703×10-11Ci 注：cpm=dpm×计数器效率
2．比活度：指在单位质量的某种物质的放射性活度。常用单位为Bq·mol-1及Bq·g-1
3．放射性浓度：指某种物质单位体积的放射性活度。常用单位为Bq·ml-1
4．放射性活度的计算：
核素的放射性活度随时间的增长而呈指数规律减弱。放射性活度减弱的快慢，随衰变常数λ的大小而定，凡衰变常数大的亦即半衰期短的放射性核素，其放射性活度就减弱地快。反之则慢。放射性活度的计算公式如下：
A=Ao·e-λt=Ao·e-0.693/Tp·t天
例： 370 MBq的32P一月后的放射性活度。32P的Tp=14.3天
A=370×e-0.693/14.3×30=370×0.233=86.21 MBq
五、放射性剂量单位
1. 吸收剂量(absorbed dose)D：表征物质吸收射线能量的电离辐射量。吸收剂量D由下列关系式定义：
D=dε/dm
式中，dε是电离辐射授与某一体积元中物质的平均能量，而dm是该体积元中物质的质量。吸收剂量的国际制（SI）单位为焦耳每千克（J·kg-1）,它的专用名称是戈瑞（Gy）。1Gy=1J·kg-1=100cGy=1000mGy。专用单位是拉德(rad) 。
1 rad =100 erg / g =0.01J·kg -1=0.01 Gy；
1 Gy =100 rad , 1 cGy = 1 rad 。
2．当量剂量（equivalent dose）HT：HT 电离辐射对组织或器官效应的一种度量。某一组织或器官的吸收剂量的平均值（而不是某一点上的剂量），并按辐射的性质加权。不同种类和能量的辐射诱发随机效应的概率也不同。采用HT（单位是Sv），可把各种辐射对机体的有害效应用共同尺度来衡量，并且可以相加，用以估计有害效应的严重程度。组织或器官的当量剂量HT可表示为
HT·R=wR·DT•R
式中DT•R为按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量，其单位为焦耳每千克（J·kg-1），专用名称为希沃特(Sv)。
1Sv＝１J·kg –1。 其专用单位是雷姆（rem），1rem=0.01 Sv； wR为辐射权重因子，根据机体所受辐射的种类和能量选定。

辐射权重因子WR
------------------------------------------------
辐射类型和能量范围 WR
光子 所有能量 1
电子 所有能量 1
中子 能量，〈10 Kev 5
10-100 Kev 10
100 Kev-2 MeV 20
2-20 MeV 10
〉20 MeV 5
质子（反冲质子除外）能量〉2 MeV 5
α粒子，裂变碎片，重核 20
---------------------------------------------------

例如：A：肺受α照射，吸收剂量D为2mGy
B：肺受α照射，吸收剂量D为1mGy；同时受β照射，D为1mGy，比较两者哪一个受到的辐射影响比较大？
解： A ：HT = ∑RWR· DT，R
=2×10-3×20=40×10-3 Sv =40 mSv
B：HT =1×10-3×20 + 1×10-3×1=21×10-3 Sv =21 mSv
有效剂量E（effective　dose，E）：随机性效应概率与当量剂量的关系还与受照组织或器官有关。对组织或器官T的当量剂量加权的因子称为组织权重因子wT (tissue weighting facter)，它反映在全身均匀受照下各组织或器官对总危害的相对贡献。有效剂量E是人体所有组织与器官加权后的当量剂量之和。由下式给出，
E=wT·HT
式中HT为组织或器官T的当量剂量，WT为组织T的组织权重因子，（见表P19）。有效剂量也可表示为各组织或器官双重加权的吸收剂量之和。
E适用于体内外均匀或非均匀各种照射，表示当机体受到不同照射时对一个平均个体诱发随机性效应（癌症和遗传效应）的平均几率（危险程度）。单位当量剂量辐射诱发随机性效应的发生几率为辐射危险度。（见表P19）。不同组织器官的危险度是不同的，为了表示不同器官组织在受到相同当量剂量条件下对人体导致随机性效应的差异，采用组织权重因子wT，见表2-3。
wT = RT / R0，其中，RT是组织接受1Sv照射时的危险度，R0是全身均匀接受1 Sv照射时的总危险度（1.65×10-2）。
例如：某工作人员一年内累积照射使性腺受到200 mSv，甲状腺受到500 mSv照射，求有效剂量E。
E=wT·HT =200×0.25+500×0.03=65 mSv
全世界年有效剂量2.4 mSv，其中外照0.8mSv ，内照1.6 mSv。
随机性效应：效应几率与剂量大小有关，严重程度与剂量无关，不存在剂量阈值的效应。
确定性效应：严重程度随剂量变化，可能存在剂量阈值的效应。0.2Sv/年限值。
六、放射性核素示踪测量技术
放射性测量的目的是对示踪样品进行放射性活度的测定，进而通过样品的比活度进行数据处理及分析，得出结果。最常用的测量技术包括：γ闪烁测量技术，液体闪烁测量技术，放射自显影测量技术。
㈠ 放射性样品测量类型：
1．根据测量目的分类：
① 定性测量：对有无示踪物，核素的种类进行定性。每种核素衰变释放的射线能量不同，有其特定的能谱。通过对放射性样品射线能谱分析，测定样品的核素种类。以达到对样品定性的目的。
② 定量测量：通过测量样品的放射性活度，根据标记物的放射性比活度，而求出示踪物在待测样品中的含量。
③ 定位测量：通过放射自显影，在形态学基础上观察机能变化，定位精确，灵敏度高，并可同时进行定量测量。
2．根据射线类型分类：
① α测量：亦称α计数，测量仪器有ZnS（Ag）荧光体（薄层）组成的闪烁计数器、盖革计数管等电离室脉冲探测器，液闪，放射自显影。由于α射程短，标记物辐射自分解现象严重，样品制备要求严格。较少应用α辐射体示踪剂。
② β测量：最常用的测量方式。常用β辐射体。放射性核素有：3H，14C，3P，35S等。多用于离体示踪或各种代谢转变的研究。主要应用液闪计数器测量或用放射自显影进行定位，定量分析。
③ γ测量：放射示踪研究中常用的测量方式。γ射线穿透力强，样品制备简单，特别用于体内示踪，体外显像研究。常用放射性核素如：125I，131I，51Cr，99mTc，113mIn。主要应用NaI（TL）固体闪烁计数器进行测量。
㈡ 放射性核素的绝对测量和相对测量
1． 绝对测量：指不需借助中间手段而可直接测量放射性活度的测量方法。常用方法有固室立体角法，4π立体角法，量热法和符合法。需要对许多固 进行校正，要求严格。校正固 尚 需实验确定。如对射线的吸收和散射，样品自吸收，几何形状，测量的几何位置，探测效率等。故主要用于计量工作，如标准源的测量等。
2． 相对测量：是医学放射性示踪研究中常用的测量方法，测量方法简便，探测仪器给出的结果以每分钟计数率（cpm）表示。样品与标准源的几何条件，样品状态等相同的测量条件下，使用同一台测量仪器进性比较测量。用以下公式求出样品的放射性活度（dpm）实际工作中通常使用。
A样品=（n样品-n本底）/E，
E=（n标准-n本底）/A标准 →1μCi=37KBq=2.22×106dpm
E：探测效率 n：计数率cpm A ：放射性活度dpm
㈢ 放射性示踪测量结果分析
核仪器测量的结果是放射性数据，至少必须注意以下几点：
1 精密度要高：首先测量仪器的状态要稳定，这是保证高精密度的必要条件。由于示踪实验是微量操作，操作技术要求准确，减少操作误差，要采用高精度仪器，量要准确，重复性要好。
2 防止样品的放射性污染：采集的样品要纯净，避免由于器具引起样品间的放射性污染，造成样品的放射性假性增高。
3 放射性测量不同于其他量度，放射性衰变是一个偶然事件，这种偶然事件出现几率具有统计学规律，称为放射性衰变的统计涨落，这种统计涨落服从统计学的泊松分布和高斯分布。因而样品必须要有足够的放射性活度，测量的数据才能达到统计要求，实验结果才能有意义。
放射性计数（N）的相对标准误差σN=1/ΓN
4 淬灭校正：由于样本来源和制备方法不同，样品间淬灭程度不同。实验结果必须在进行淬灭校正后，用样品的dpm值进行比较，淬灭相同可用cpm比较。
5 结果表示：
① 放射性含量：dpm或（cpm）/mg组织（或ml液体），或dpm（或 cpm）/细胞数。
② 示踪物含量：cpm/计数效率=dpm ，dpm /比活度 = mol或mg示踪物/mg组织（或ml液体或细胞数）。