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核 医 学 基 础 与 放 射 防 护 第 一 章 绪 论 核 医 学 是 核 技 术 在 医 学 领 域 中 的 应 用 。 核 医 学 的 内 容 及 其 特 点 ： 临 床 核 医 学 诊 断 X线 检 查 (radiology) 超 声 检 查 (ultrasound) MRI检 查 (magnetic resonance image) 解 剖 成 像SPECT/CTPET/CT 功 能 成 像 器 官 功 能 测 定 、 体 外 放 射 分 析 (RIA)等 。治 疗 ： 甲 状 腺 机 能 亢 进 (hyperthyreosis) 甲 状 腺 癌 (thyroid carcinoma ) 转 移 性 骨 痛 (multisite metastatic pain) 骨 肿 瘤 (bone cancer) 实 验 核 医 学核 素 示 踪 技 术 (radionuclide tracer technique)体 外 放 射 分 析 法 (radioimmunoassay)放 射 自 显 影 术 (radioautogram) 影 像 医 学 、 核 医 学 和 放 射 医 学 三 个 不 同 的 研 究 和 应用 方 向 难 以 截 然 分 开 ， 共 同 点 均 为 利 用 核 技 术 在 医 学 领域 中 进 行 临 床 诊 疗 和 基 础 研 究 工 作 。 这 些 研 究 工 作 均 需 要 进 行 放 射 防 护 安 全 方 面 的 理 论 知 识 。 核 医 学 与 放 射 防 护 发 展 简 史 1895年 Wilhelm Roentgen发 现 X线1896年 Henri Becquerel发 现 放 射 性 核 素1898年 Marie curie 和 Pierre Curie提 取 polonium和 radium 1934年 Joliet 和 Curie发 现 人 工 放 射 性 核 素1938年 32P治 疗 白 血 病 、 1941年 131I治 疗 甲 亢 、1946年 131I治 疗 甲 癌 。核 医 学 方 面 1949年 发 明 了 第 一 台 闪 烁 扫 描 仪1949年 有 了 商 品 -照 相 机 1964年 David Kuhl和 Edwards研 制 了 第 一 台 SPECT1975年 研 制 了 第 一 台 PET 放 射 防 护 方 面惨 痛 的 代 价 Marie curie和 女 儿 均 死 于 放 射 引 起 的 白 血 病 20世 纪 初 的 镭 (Ra)事 件 多 次 核 事 故 以 及 核 灾 难 的 发 生 放 射 防 护 事 业 的 发 展 历 程1913年 德 国 首 先 成 立 伦 琴 学 会 发 布 了 有 关 指 南 1925年 召 开 了 第 一 届 国 际 放 射 学 大 会 ， 并 成 立 国 际 辐 射 单位 与 测 量 委 员 会 (international commission on radiation units and measurements， ICRU)1928年 成 立 了 第 一 个 国 际 组 织 “ X线 和 镭 的 防 护 委 员 会 ” 1950年 成 立 国 际 辐 射 防 护 委 员 会 (international commission on radiological protection， ICRP)之 后 相 继 成 立 了 IAEA、 UNSCEAR、 ICNIRP、ABCC-RERF等 国 际 性 组 织 和 研 究 机 构 联 合 国 United NationsIAEA UNSCEAR独 立 的 非 政 府 国 际 组 织ICRP辐 射 剂 量 出 版 物 机 构环 境 保 护医 疗 照 射 防 护放 射 生 物 效 应 ICRU推 荐 剂 量 和 单 位测 量 方 法提 供 有 关 参 数 ICNIRP提 供 健 康 指 导推 荐 曝 露 限 值 值发 布 出 版 物辐 射 防 护 相 关 国 际 组 织 我 国 放 射 防 护 事 业 的 发 展法行 政 法 规部 门 规 章技 术 标 准技 术 报 告 导 则 指 南国 家 标 准 化 管 理 局全 国 各 有 关 专 业标 准 化 技 术 委 员 会 全 国 人 民 代 表 大 会国 务 院各 部 委我 国 放 射 防 护 法 规 与 标 准 体 系 结 构 图 法 律 中 华 人 民 共 和 国 职 业 病 防 治 法 中 华 人 民 共 和 国 放 射 性 污 染 防 治 法 行 政 法 规 放 射 性 同 位 素 与 射 线 装 置 安 全 和 防 护 条 例 中 华 人 民 共 和 国 民 用 核 设 施 安 全 监 督 管 制 条 例 中 华 人 民 共 和 国 核 材 料 管 理 条 例 核 电 厂 核 事 故 应 急 管 理 条 例 突 发 公 共 卫 生 事 件 应 急 条 例 部 门 规 章 卫 生 部 、 国 家 环 境 保 护 总 局 、 国 防 科 工 委 ， 以 及 公安 部 等 ， 这 些 有 关 部 委 局 先 后 制 定 颁 发 了 一 批 有 关 放 射工 作 许 可 制 度 及 放 射 防 护 管 理 办 法 、 核 与 放 射 事 故 管理 规 定 、 放 射 工 作 人 员 职 业 健 康 管 理 办 法 、 放 射 防护 器 材 与 含 放 射 性 产 品 管 理 办 法 、 核 动 力 厂 设 计 及 运行 安 全 规 定 、 城 市 放 射 性 废 物 管 理 办 法 、 放 射 环 境 管理 办 法 、 放 射 性 物 质 运 输 管 理 办 法 等 等 放 射 性 同 位 素 与 射 线 装 置 安 全 许 可 管 理 办 法 放 射 诊 疗 管 理 规 定 放 射 工 作 人 员 职 业 健 康 管 理 办 法 技 术 标 准 以 我 国 电 离 辐 射 防 护 与 辐 射 源 安 全 基 本 标 准 (GB 188712002)最 重 要 ， 派 生 出 了 一 大 批 各 种 放 射 防 护 次 级专 项 标 准 ， 包 括 国 家 职 业 卫 生 标 准 、 各 类 行 业 标 准 等 。 技 术 报 告 和 导 则 指 南 没 有 强 制 性 效 力 ， 乃 是 有 关 机 构 、组 织 和 专 家 所 撰 写 的 ， 属 于 进 一 步 具 体 诠 释 各 有 关 法 规 与 标准 ， 以 增 加 对 法 律 、 法 规 的 理 解 。 第 二 章 核 辐 射 的 物 理 基 础 原 子 结 构 、 X射 线 与 核 素 元 素 （ element） 的 基 本 单 位 是 原 子 ， 原 子 由 原 子 核 和 核 外电 子 构 成 。 原 子 核 内 有 不 同 数 目 的 质 子 (proton, P)和 中 子 (neutron, N)，统 称 为 核 子 (nucleon)。 原 子 核 内 质 子 数 目 和 中 子 数 目 之 和 为原 子 核 的 质 量 数 ， 用 “ A”表 示 ， 因 此 ， 整个 原 子 核 内 中 子 数 目 N=A Z。 一 般 情 况 下 原 子 核 处 于 最 低 能 量 状 态 ， 称 为 基 态 (ground state)。 当 受 到 高 能 量 粒 子 轰 击 或 核 内 部 发 生 结 构 改 变 ， 原 子可 暂 处 于 高 能 量 状 态 ， 称 之 为 激 发 态 (excited state)。 激 发 态不 会 持 久 ， 将 迅 速 释 放 能 量 ， 而 恢 复 至 基 态 ， 这 种 能 量 的 释放 过 程 称 为 跃 迁 (transition)。 基 态 和 激 发 态 AZ X AX AmXground state excited state 核 素 、 同 位 素 和 同 质 异 能 素 的 概 念 p 质 子 数 相 同 ， 中 子 数 相 同 ， 能 量 状 态 相 同 的 一 类 原 子 的集 合 称 为 核 素 （ nuclide） 。 p 核 内 质 子 数 相 同 ， 即 在 元 素 周 期 表 中 处 于 同 一 位 置 ， 但中 子 数 不 同 的 核 素 互 称 为 某 元 素 的 同 位 素 （ isotope） 。 p 质 子 数 、 中 子 数 均 相 同 ， 但 能 量 状 态 不 同 的 核 素 称 为同 质 异 能 素 （ isomer） 。 稳 定 性 核 素 和 放 射 性 核 素 原 子 核 内 的 核 子 之 间 存 在 着 引 力 ， 称 为 核 力 （ nuclear force） ， 为 短 程 力 ， 受 核 子 数 目 的 影 响 。 除 了 核 力 外 ， 还 存 在 静 电 斥 力 ， 该 力 为 长 程 力 ， 不 受 核子 数 目 影 响 ， 但 与 电 荷 量 有 关 。 P N=1 0 1.5时 ， 核 力 与 静 电 斥 力 基 本 平 衡 ， 原 子 核 处于 稳 定 状 态 。 处 于 稳 定 状 态 的 核 素 称 为 稳 定 性 核 素 （ stable nuclide） 。 当 原 子 核 内 部 处 于 不 稳 定 状 态 ， 产 生 了 能 级 的 变 化 ， 转 化为 另 一 种 核 素 。 这 种 自 发 的 核 内 结 构 或 能 量 的 变 化 过 程 称 为核 衰 变 （ nuclear decay） ， 变 化 过 程 中 释 放 的 具 有 一 定 能 量 的粒 子 称 为 放 射 线 （ radiation） 。 释 出 放 射 线 的 核 素 称 为 放 射性 核 素 （ radio-nuclide） 。 原 子 核 的 衰 变 、 裂 变 与 聚 变 核 衰 变 类 型 与 规 律 1.衰 变 （ alpha decay）42A AZ ZX Y Q 原 子 核 内 要 释 放 2个 质 子 和 2个 中 子 组 成 的 42 H e称 之 为 “ ”粒 子 。 2.衰 变 （ beta decay） 当 核 内 质 子 、 中 子 比 例 不 当 时 ， 质 子 和 中 子 将产 生 相 互 转 换 ， 达 到 核 内 调 整 结 构 的 目 的 。 其 特 点是 原 子 的 质 量 数 不 变 ， 只 有 原 子 序 数 改 变 （ 相 差1） ， 分 为 -和 + 和 电 子 俘 获 三 种 形 式 。 （ 1） 衰 变 主 要 发 生 在 中 子 相 对 过 多 的 核 素 。 中 子 转 化为 质 子 ， 释 放 负 电 子 ， 称 为 粒 子 。 1A AZ ZX Y Q （ 2） +衰 变 主 要 发 生 在 中 子 数 相 对 不 足 的 核 素 ， 核 内由 质 子 转 化 为 中 子 ， 释 放 正 电 子 ， 称 为 +粒 子 。 1A AZ ZX Y Q （ 3） 电 子 俘 获 （ electron capture， EC） 对 于 中 子 数 相 对 较 少 某 些 核 素 ， 原 子 核 从 核 外 内层 的 电 子 壳 层 俘 获 一 个 电 子 ， 使 核 内 的 一 个 质 子 转 化为 中 子 ， 同 时 释 放 一 个 中 微 子 ， 随 后 较 外 层 的 电 子 跃入 内 层 轨 道 填 补 空 穴 。 由 于 外 层 能 级 高 于 内 层 能 级 ，因 此 ， 多 余 能 量 以 电 磁 辐 射 （ 即 特 征 X射 线 ） 形 式 释放 。 或 者 该 能 量 传 递 给 另 一 壳 层 电 子 ， 使 之 脱 离 轨 道逸 出 ， 称 为 俄 歇 电 子 （ auger electron） 。 01 1A AZ ZX e Y QX 特 征 线俄 歇 电 子 （ 4） 跃 迁 与 内 转 换 现 象 经 过 或 衰 变 的 核 素 ， 在 衰 变 的 过 程 中 可 能 导致 原 子 核 处 于 高 能 的 激 发 态 ， 核 内 多 余 能 量 以 电磁 辐 射 形 式 释 放 后 返 回 基 态 ， 该 过 程 称 为 跃 迁 。 有 时 在 核 内 多 余 能 量 释 放 过 程 中 ， 也 可 能 将能 量 传 递 给 核 外 壳 层 电 子 ， 使 之 脱 离 其 运 行 轨 道而 逸 出 ， 这 种 现 象 称 为 内 转 换 现 象 。 逸 出 的 电 子称 为 内 转 换 电 子 （ internal conversion electron） X射 线 和 射 线 都 是 光 子 ， 它 们 的 不 同 之 处 ： 射 线 来 源 于 核 内 能 量 释 放 ， 而 X射 线 为 核 外 电 子跃 迁 过 程 中 的 能 量 释 放 。 放 射 性 核 素 衰 变 规 律 及 其 度 量 693.02/1 T 1 / 20 .6 9 30 tTtA A e 核 裂 变 与 核 聚 变 反 应 QnHeHH 432 聚 变 反 应 带 电 粒 子 受 到 物 质 原 子 核 库 仓 电场 作 用 而 发 生 方 向 偏 折 和 能 量 的 改 变 ，称 为 散 射 （ scattering） ， 只 改 变 运 动方 向 而 能 量 不 变 者 称 为 弹 性 散 射（ elastic scattering） 。 如 果 射 线 通 过 物 质 时 ， 由 于 各 种 作 用的 机 制 ， 导 致 带 电 粒 子 的 动 能 全 部 丧 失 而不 复 存 在 的 过 程 称 为 吸 收 （ absorption） 。 粒 子 在 介 质 中 受 到 阻 滞 而 急 剧 减 速 ， 部 分 能 量 甚 至 全部 能 量 转 化 为 电 磁 辐 射 ， 称 为 轫 致 辐 射 （ bremsstrahlung） 。其 发 生 的 几 率 与 能 量 及 介 质 的 原 子 序 数 成 正 比 。 因 此 在 放射 防 护 中 要 注 意 ， 粒 子 吸 收 体 和 屏 蔽 应 采 用 低 密 度 材 料 ，如 有 机 玻 璃 、 铝 或 塑 料 等 。 +通 过 物 质 时 和 核 外 电 子 相 互 作 用 ， 消 耗 能 量 而 相 互 结合 ， 同 时 转 化 为 两 个 方 向 相 反 ， 能 量 各 为 0.511MeV的 光 子而 自 身 消 失 ， 这 种 过 程 称 为 湮 没 辐 射 （ annihilation radiation） dmdQX p 吸 收 剂 量 (D) dmdED dmK dEtr RWRTDRTH , 表 3-2 不 同 辐 射 类 型 的 辐 射 权 重 因 数 WR 辐 射 类 型 能 量 范 围 WR 光 子 所 有 能 量 1 电 子 和 介 子 所 有 能 量 1 中 子 10keV 5 10 keV 100keV 10 100keV 2MeV 20 2 MeV 20MeV 10 20MeV 5 质 子 (反 冲 质 子 除 外 ) 2MeV 5 粒 子 、 裂 变 碎 片 、 重 核 20 RTHT TWE ,专 用 单 位 希 沃 特 (Sievert， Sv) p 待 积 剂 量 待 积 剂 量 （ committed dose） 指 放 射 性 核 素 进 入 体 内 的 剂 量 积 分估 算 ， 根 据 待 积 剂 量 的 概 念 还 可 以 推 倒 出 待 积 吸 收 剂 量 、 待 积 当 量 剂量 和 待 积 有 效 剂 量 等 。 待 积 当 量 剂 量 （ committed equivalent dose, H T（ ） ） 指 单 次 摄 入的 放 射 性 物 质 在 其 后 的 年 内 对 所 关 心 的 器 官 或 组 织 所 造 成 的 总 剂 量 累积 值 。 dtHH tt tTT 00 ,)(, ）（ T THTWE ）（ )( 比 释 动 能 K当 量 剂 量 H辐 射 场(照 射 量 X)空 气 待 积 剂 量核 素 进 入 体 内待 积 当 量剂 量 待 积 有 效剂 量 ） 吸 收 剂 量 D有 效 剂 量 E电 离 辐 射 源常 用 电 离 辐 射 量 间 相 互 关 系 ZEH 平 面 电 磁 波 空 间 传 播 图hfE fC hCE p 电 离 辐 射 对 生 物 体 作 用 的 化 学 基 础 自 由 基 等 活 性 基 团 自 由 基 (free radical)是 指 能 够 独 立 存 在 、 具 有 一 个或 多 个 未 配 对 电 子 的 原 子 、 分 子 、 离 子 或 原 子 团 。 如 较 分 子 氧 的 化 学 性 质 更 为 活 泼 的 氧 衍 生 物 或 其代 谢 产 物 统 称 为 活 性 氧 (reactive oxygen species)。 如OHORORS 2 等 ROOHROOROOOOHOHOHO 22212222 等 。 概 括 说 大 部 分 含 氧 自 由 基 是 活 性 氧 ， 但 活 性 氧 不 一 定都 是 自 由 基 。 u 氧 的 单 电 子 还 原 物 ， 如 O2- 和 O-， 及 HO2和 HO；u 氧 的 双 电 子 还 原 物 H2O2；u 烷 烃 过 氧 化 物 ROOH及 其 均 裂 产 物 RO和 ROO；u 处 于 激 发 态 的 氧 、 单 线 态 氧 和 羟 基 化 合 物 。自 由 基 作 用 的 化 学 基 础 u 抽 氢 反 应 (hydrogen abstraction)；u 加 成 反 应 (addition reaction);u 电 子 俘 获 (electron capture);u 还 原 反 应 (reduction reaction); u 过 氧 化 反 应 (peroxidation reaction);u 歧 化 反 应 (dismutation reaction)。 HOHOHOH *22 激 发 H2O+ e- +H2O+H + +H2O H2O 电 离 H2O - H +OH -H eaq -H+ + HO 除 电 离 和 激 发 外 ， 在 有 些 例 子 中 激 发 所 需 的 能 量 超 过 电 离 所需 的 能 量 。 这 种 能 量 状 态 称 为 超 激 发 。 水 分 子 的 原 初 变 化 中 27%电 离 ， 26%激 发 ， 47%超 激 发 。 _2,2,_,2 OHOaqeOHHOH 辐 射 水 的 原 发 辐 射 降 解 产 物 常 在 小 体 积 内 成 簇 发 生 ， 这 种 小 反 应 体 积称 为 刺 团 （ spur） 。 电 离 辐 射 生 物 学 作 用 时 间 效 应 eaq 时 间 （ s） 发 生 过 程物 理 阶 段10-1810-1610-1710-1510-14 快 速 粒 子 通 过 原 子电 离 作 用 H2OH2O+e-电 子 激 发 H2OH2O*离 子 分 子 反 应 ， 如 H2O+ H2O+ HO+ H3O+物 理 化 学 阶 段10-1410 -12化 学 阶 段10-1210-1010-710-710-3 e-在 水 合 作 用 前 与 高 浓 度 的 活 性 溶 质 反 应 ；e-、 HO、 H及 其 他 基 团 与 活 性 溶 质 反 应 ；刺 团 *（ Spur） 内 自 由 基 相 互 作 用 ， 核 酸 损 伤 ；自 由 基 扩 散 与 均 匀 分 布 ， 脂 质 过 氧 化 开 始 ；eaq-、 HO、 H与 低 浓 度 活 性 溶 质 反 应生 物 化 学 阶 段10-3101 自 由 基 反 应 大 部 分 完 成 、 DNA损 伤 开 始 修 复 ， 潜 在 效 应 形 成早 期 生 物 学 阶 段数 小 时数 天 原 核 和 真 核 细 胞 分 裂 受 抑 制中 枢 神 经 系 统 和 胃 肠 道 损 伤 显 现远 后 生 物 效 应 阶 段数 月 至 数 年 若 干 年 造 血 障 碍 、 晚 期 肾 损 伤 、 肺 纤 维 样 变 性肿 瘤 和 遗 传 效 应 分 子 振 动 导 致 激 发 态 解 离 : H2O* H.+ HO转 动 驰 豫 ， 离 子 水 合 作 用 e- 辐 射 作 用 于 细 胞 的 靶 主 要 有 DNA和 细 胞 膜 。 n 造 成 膜 蛋 白 和 膜 结 合 酶 的 变 性 与 失 活 。 集 落 形 成 率种 植 细 胞 数计 数 的 集 落 数细 胞 存 活 分 数 )(SF1.00.10.037 1 2 3 4 5Dose (Gy) D0Dq Dq是 克 服 曲 线 肩 部 所 需 剂 量 。也 称 阈 剂 量 ， 表 示 细 胞 损 伤 修复 能 力 的 大 小 。 0/ DDeSF nDDeSF )1(1 0/ nDDDD eeSF )1(1 21 / n 线 性 平 方 模 型 （ linear quadratic mode， 简 称 LQ模 型 ） )( 2DDeSF 效 能 的 剂 量所 试 辐 射 产 生 相 同 生 物 的 剂 量标 准 射 线 产 生 生 物 效 能RBE 的 生 物 效 能相 同 剂 量 标 准 射 线 产 生 能所 试 辐 射 产 生 的 生 物 效RBE 有 氧 ）同 种 生 物 效 应 的 剂 量 （ 无 氧 ）某 种 生 物 效 应 的 剂 量 （OER 主 要 的 辐 射 增 敏 剂 辐 射 防 护 的 基 本 方 法 时 间 防 护 缩 短 人 体 接 触 射 线 的 时 间 。 距 离 防 护 远 离 射 线 源 。 屏 蔽 防 护 在 射 源 和 人 体 之 间 加 一 层 屏 蔽物 。 辐 射 防 护 的 基 本 方 法1、 时 间 ： 剂 量 =剂 量 率 时 间 辐 射 防 护 的 基 本 方 法 2、 距 离 ： 在 辐 射 源 一 定 时 ， 照 射 剂 量 或 剂量 率 与 距 离 平 方 成 反 比 ， 即 ： 式 中 ： D1距 射 源 R1处 的 剂 量 或 剂 量 率 D2距 射 源 R2处 的 剂 量 或 剂 量 率 R1距 射 源 到 1点 的 距 离2222112 12221 RDRDRRDD 或 辐 射 防 护 的 基 本 方 法 3、 屏 蔽 根 据 在 人 体 与 射 源 之 间 加 一 层 足够 厚 的 （ d） 的 屏 蔽 材 料 ， 则 人 体 所 受 的射 线 强 度 将 大 大 的 削 弱 ， 直 到 降 到 安 全 剂量 为 止 。 （ 1） 屏 蔽 方 式 ： 固 定 式 和 活 动 式 （ 2） 屏 蔽 材 料 ： 铅 和 混 凝 土 为 优 。dOeII