核醫學基礎物理/輻射與物質的相互作用

在前面的章節中，我們重點關注了輻射的來源和輻射的型別。現在，我們可以考慮這種輻射與物質相互作用時會發生什麼。我們這樣做的主要原因是為了找出輻射在穿過物質時會發生什麼，以及為考慮它如何與活組織相互作用以及如何檢測輻射做準備。由於所有輻射探測器都是由某種形式的物質製成的，因此首先了解輻射如何相互作用是有用的，以便我們能夠在本書後續章節中利用這些效應來設計此類探測器。

在我們進行此操作之前，讓我們首先提醒自己主要型別的輻射的物理特性。我們已經詳細介紹了這些資訊早些時候，為了方便起見，在下表中進行了總結。

現在，我們將考慮每種型別的輻射穿過物質的情況，其中大部分注意力將集中在伽馬射線上，因為它們是核醫學中最常用的型別。您會注意到，無論輻射型別如何，其中一個主要影響是產生離子，當輻射與物質相互作用時。正是由於這個原因，它被稱為電離輻射.

輻射	質量	電荷	速度
α 粒子	相對較重	雙正電荷	相對較慢
β 粒子	大約輕 8,000 倍	負電荷	小於光速
γ 射線	無	無	3 x 10⁸ m/s（在自由空間中）

在我們開始之前，您可能會發現一個類比有助於您的思考。這個類比基於將物質想象成巨大的原子團（即具有軌道電子的原子核），而輻射是穿過這種環境的粒子/光子。因此，要考慮的類比是宇宙飛船穿過流星雨，就像您在科幻電影中看到的那樣，宇宙飛船代表輻射，流星代表輻射穿過的物質的原子。但是，要加入的一個附加功能是，根據它所代表的輻射型別，我們的宇宙飛船有時會帶電。

α 粒子

從上表可以看出α 粒子帶有雙正電荷，因此我們可以很容易地理解，它們會對經過的原子外層軌道電子施加相當大的靜電吸引力。結果是，一些電子會被吸引離開它們所屬的原子，從而產生離子。換句話說，會發生電離。

我們還可以從表中瞭解到，與其他型別的輻射以及與它們穿過的物質原子的電子相比，α 粒子的質量相當大。因此，它們以直線穿過物質，除了在它們路徑上與原子核發生罕見的直接碰撞之外。

這裡相關的第三個特徵是它們發射的能量。在 α 粒子的情況下，這種能量始終是不同的。例如，²²¹Ra 發射的 α 粒子能量為 6.71 MeV。從這種放射性核素發射的每個 α 粒子都具有這種能量。另一個例子是²³⁰U，它發射的三個 α 粒子能量分別為 5.66、5.82 和 5.89 MeV。

最後值得注意的是，α 粒子在生物學上具有很強的破壞性，這也是它們不用於體內診斷研究的原因之一。因此，我們在這本書中不會詳細討論它們。

β 粒子

從表中可以看出β 粒子帶有負電荷。請注意，這裡沒有考慮正電子，因為正如我們在第 2 章中提到的那樣，這些粒子在物質中停留的時間並不長，它們在湮滅之前不會持續很長時間。β 負粒子持續的時間要長得多，因此是我們這裡關注的重點。

由於它們的負電荷，它們在穿過物質時會被原子核吸引，被電子雲排斥。結果再次沒有詳細說明，就會發生電離。

β 粒子在物質中的路徑通常被描述為曲折的，因為它們往往會從一個原子彈射到另一個原子。

最後要指出的一點是，與上面的 α 粒子相比，β 粒子的能量永遠不會是不同的。從放射性源發射的 β 粒子的能量形成一個光譜，直到最大能量 - 參見下圖。從圖中可以看出，存在一系列能量，並且會引用諸如平均能量 E_mean 或最大能量 E_max 之類的特徵。

我們將在這裡考慮的問題是：為什麼會出現能量光譜？當然，如果 β 粒子是在中子轉化為質子的過程中在原子核內產生的，那麼應該產生單一的、不同的能量。答案在於，β 衰變實際上產生了兩個粒子。為了避免在本書的這個階段使事情變得過於複雜，我們在第 2 章的論述中沒有提到這一點。但為了完整起見，我們將在這裡簡要介紹一下。

β 衰變產生的第二個粒子被稱為中微子，由恩里科·費米命名。它是一個相當神秘的粒子，幾乎沒有質量，也不帶電，儘管我們今天仍在研究它的特性。它們難以捉摸的原因是，它們非常難以探測，這極大地限制了我們迄今為止對它們的瞭解。

β 粒子能譜可以透過考慮中子轉化為質子時產生的能量在 β 粒子和反中微子之間共享來解釋。有時，所有的能量都會被 β 粒子獲得，它會獲得最大能量 E_max。但更常見的情況是能量在它們之間共享，例如，β 粒子具有平均能量 E_mean，而中微子具有剩餘的能量。

最後值得注意的是，β 粒子在生物學上具有很強的破壞性，這也是它們不用於體內診斷研究的原因之一。因此，我們在這本書中不會詳細討論它們。

γ 射線

既然我們一直在談論上面的能量，讓我們首先注意到從放射性源發射的γ 射線的能量總是不同的。例如，^99mTc 發射的 γ 射線能量都為 140 keV，而⁵¹Cr 發射的 γ 射線能量為 320 keV。

γ 射線與物質的相互作用方式很多。那些與核醫學成像關係不大的是

我們將在本文中不做介紹。

那些對核醫學成像非常重要的，是光電效應和康普頓效應。我們將在下面依次考慮每種效應。請注意，這裡描述的效應也與 X 射線與物質的相互作用有關，因為正如我們之前提到的，X 射線和 γ 射線本質上是相同的實體。因此，下面的論述也與放射照相相關。

光電效應

當 γ 射線與穿過物質的原子軌道電子發生碰撞時，它可以將其所有能量傳遞給電子並停止存在 - 參見下圖。根據能量守恆原理，我們可以推斷出電子離開原子的動能等於 γ 射線的能量減去軌道結合能。這個電子被稱為光電子。

請注意，當光電子離開原子時，會產生一個離子。還要注意，γ 射線能量在該過程中被完全吸收。

需要注意兩點。首先，光電子在其路徑中引起電離的方式類似於β粒子。其次，當光電子留下的空位被來自原子外殼的電子填充時，就會發生X射線發射。請記住，我們在第2章處理電子俘獲時遇到過這種現象。

康普頓效應

這種效應有點類似於檯球桌上的母球撞擊彩色球。在這裡，伽馬射線僅將部分能量傳遞給一個本質上是自由的價電子，見下圖。請注意，電子離開原子並可能像β粒子一樣，並且伽馬射線以與它接近原子時不同的方向偏轉。這種偏轉或散射的伽馬射線可以在材料中經歷進一步的康普頓效應。

請注意，這種效應有時被稱為康普頓散射。

我們剛剛描述的這兩種效應導致輻射束的吸收和散射。總效應被稱為伽馬射線的衰減。我們將在下一章從分析的角度研究這一特徵。在我們這樣做之前，我們將簡要考慮輻射與生物體的相互作用。

輻射生物學

眾所周知，暴露於電離輻射會導致活組織損傷。我們已經描述了最初的原子相互作用。在輻射生物學中重要的是，這些相互作用可能會觸發複雜的生物分子事件鏈，並導致生物損傷。

我們已經看到，電離輻射在物質中損失能量的主要方式是彈出軌道電子。原子中軌道電子的損失使其帶正電。其他相互作用過程會導致原子的激發而不是電離。在這裡，外層價電子獲得足夠的能量來克服其殼層的結合能，並遠離原子核，移動到一個通常不被佔據的軌道上。這種效應會改變將原子結合成分子的化學力，並且受影響的原子重新組合成不同的分子結構會導致。也就是說，激發是透過改變單個原子鍵來間接誘導化學變化的一種方法。

電離和激發會導致稱為自由基的不穩定化學物質。這些是原子和分子，其中有未配對的電子。它們在化學上非常活潑，並透過與其他原子和分子結合來尋求穩定。由於它們的產生，附近的分子可能會發生變化。

但是，讓我們暫時回到相互作用本身……

在 X 射線和伽馬射線相互作用的情況下，光子的能量通常透過與軌道電子的碰撞轉移，例如透過光電效應和康普頓效應。這些輻射能夠穿透組織深處，因為它們的相互作用取決於與電子的隨機碰撞。事實上，核醫學成像只有在伽馬射線的能量足以從體內完全發射出來，但又足夠低以被探測到時才有可能。

另一方面，帶電粒子（例如α粒子、β粒子）的相互作用可以透過與原子電子的碰撞，以及透過吸引力和排斥靜電力來實現。因此，帶電粒子在其路徑中損失能量的速率取決於該粒子的電荷的平方。也就是說，粒子電荷越大，它在其路徑上產生離子對的可能性越大。此外，當帶電粒子緩慢移動時，靜電力作用的時間更長，因此電離機率隨著時間的推移而增加。

下圖說明了這種情況，其中帶電粒子在水中的軌跡被描繪出來。請注意，相對較重的α粒子的軌跡是一條直線，正如我們在本章前面討論的那樣，每單位長度有大量的相互作用（用星號表示）。還要注意，電子的軌跡是曲折的，正如我們也在前面討論的那樣，每單位長度的相互作用數量要少得多。

LET (線效能量轉移) 被定義為電離粒子軌跡每單位長度釋放的能量。因此，緩慢移動的、高電荷的粒子比快速移動的、單電荷的粒子具有更高的 LET。例如，一個能量為 5 MeV 的α粒子，一個能量為 1 MeV 的電子，它們的 LET 分別為 95 keV/μm 和 0.25 keV/μm。與較重的帶電粒子相關的電離密度以及能量沉積模式遠大於電子產生的電離密度，如上圖所示。

沿著帶電粒子軌跡轉移的能量將會有所不同，因為粒子的速度可能一直在下降。每次相互作用都會從粒子中帶走少量能量，因此 LET 沿著粒子軌跡逐漸增加，並在粒子即將靜止時發生急劇增加（稱為布拉格峰）。

國際輻射單位和測量委員會 (ICRU) 建議線能量是相對生物效應 (RBE) 的更好指標。儘管線能量與 LET 具有相同的單位（例如 keV/μm），但它被定義為

沉積在組織體積中的能量與該體積平均直徑的比率。

由於能量的微觀沉積可能是相當各向異性的，因此線能量應該是衡量潛在損傷的更合適的指標，而不是 LET。因此，ICRU 和ICRP 建議特定輻射型別的輻射效力應基於 1 μm 直徑的組織球體內的線能量。可以針對任何給定的輻射型別和能量計算線能量，然後可以根據沿輻射軌跡的線能量的積分值確定輻射加權因子 (w_R)。

地球上所有生物體自古以來就一直暴露於電離輻射。人類的現狀總結在下表中

經許可改編自Applied Imaging Technology.
來源	有效劑量 (mSv/年)	評論
宇宙輻射	~0.4	大約每小時有 100,000 個宇宙射線中子和 400,000 個次級宇宙射線穿透我們的身體——並且隨著海拔高度的增加而增加！
地面輻射	~0.5	每小時有超過 2 億個伽馬射線從土壤和建築材料等來源穿過我們的身體
內部輻射	~0.3	大約每小時有 1500 萬個⁴⁰K 原子和大約 7000 個天然鈾原子在我們體內發生衰變，主要來自我們的飲食
氡和其他氣體	~1.3	由於呼吸，大約每小時有 30,000 個原子在我們肺部發生衰變

這種自然背景輻射的總和約為每年 2.5 mSv，根據海拔高度和飲食攝入量以及地質和地理位置而有很大差異。

通常認為，活體中存在修復機制，這些機制可以在生物分子水平上的輻射損傷後被呼叫。這些機制很可能具有進化基礎，作為對自然背景源在漫長歲月裡產生的輻射通量的反應而出現。眾所周知，即使在醫療照射中，組織也會在相當高的輻射通量下發生相當大的損傷。細胞死亡和向惡性狀態的轉化會導致許多年的潛伏期，然後癌症或白血病的臨床跡象才會顯現。然而，對這個輻射生物學廣闊領域的進一步處理超出了我們在這裡的範圍。

輻射安全實踐

輻射危害的產生是因為核醫學涉及放射性物質的處理。儘管這種風險可能很小，但保持職業暴露儘可能低仍然很重要。實現這一目標的基本做法包括

管理

維護所有放射源購買、使用、移動和儲存的綜合記錄。
確保遵守所有安全操作規程，並制定合理的書面操作規程和工作規則，用於處理放射性同位素。
必須建立處理環境或工作人員輕微汙染事件的規程。請記住，無論工作實踐多麼良好，都可能發生涉及放射性同位素洩漏的輕微事故或事件。

設施

在安全遮蔽的環境中儲存放射源。儲存、安全處理、操作和分配未密封放射源需要專門的設施。儲存區域應為散裝放射性同位素和放射性廢物而設計。此外，放射性患者應被視為未密封源。
任何工作區域的充分通風。這對於最大限度地減少吸入技術氣體和可能揮發性放射性同位素（如 I-125 和 I-131）尤為重要。在處理揮發性物質時，最好使用通風櫃。
工作臺應採用光滑、堅硬、不滲透的表面，並配有適當的防濺板，以便在發生任何放射性同位素洩漏後便於進行去汙。實驗室工作應在不鏽鋼托盤中進行，托盤內襯吸水紙。
患者可能透過糞便、尿液、唾液、血液、撥出的氣體或皮膚排洩放射性物質。必須採取措施處理所有或任何這些潛在的汙染途徑。
在某些情況下，可能需要提供收集和可能儲存液體和固體放射性廢物的措施。大多數短壽命的水溶性液體廢物可以衝入下水道，但壽命較長的同位素（如 I-131）可能需要儲存以進行衰變。此類廢物在儲存期間必須妥善密封並貼上標籤。

裝置

確保有適當的測量儀器可用於確定是否發生任何汙染，並協助進行去汙程式。必須對可能被汙染的區域進行例行監測。
確保所有可能暴露的工作人員都配有個人監測儀。
應提供並穿著防護服，例如長袍、罩衫、套靴和手套，以防止處理放射性物質的人員被汙染。特別是，在口服或靜脈注射放射性物質給患者時，必須戴上手套。應注意，在處理某些碘化合物時，手套可能會被穿透，因此建議戴第二雙。無論如何，應經常更換手套，並應將廢棄的手套視為放射性廢物。

行為

在使用未密封源的實驗室中，禁止食用和飲用食物、吸菸和塗抹化妝品。
嚴停用嘴吸取任何放射性物質。
應採取預防措施，避免穿刺、割傷、擦傷和任何其他開放性皮膚傷口，否則可能會導致放射性藥物進入血液。

最佳化

始終確保患者手術有淨效益。是否可以透過使用非電離輻射的替代方法進行診斷或治療？
確保所有參與核醫學實踐的工作人員，包括醫師、技術人員、護士、實習生和其他學生，都接受與他們分配的任務相關的培訓和教育。培訓計劃可以採取研討會、進修課程和非正式教程的形式。
應實施實質性的質量保證（QA）計劃，以確保劑量校準器、伽瑪相機、計算機和其他輔助裝置的功能得到最佳化。

核醫學環境中工作人員面臨的潛在危害包括

擠壓 ^99mTc發生器，在給藥前抽取和測量放射性同位素的量。
透過注射或其他方式將放射性物質輸送到患者體內，並將現在具有放射性的患者定位在成像裝置中。
將患者從成像裝置中取出並將其送回病房，在那裡他們可能會繼續構成輻射危害一段時間。對於短壽命的放射性核素 Tc-99m，危險期僅為幾個小時，但對於治療性同位素，危險期可能為幾天。
處理放射性廢物，包括體液，如血液和尿液，以及棉籤、注射器、針頭、紙巾等。
在手術後清潔成像區域。
汙染。

下表列出了接受核醫學檢查的患者的劑量率。一般來說，處理或處理放射性患者的危害分為兩個部分

外部危害：當放射性同位素發射穿透性伽馬射線時，就會出現這種情況。通常，可以透過採用遮蔽和合理的工作實踐來最大限度地降低這種危害。
放射性汙染：這可能更令人擔憂，因為它可能導致工作人員吸入或攝入放射性物質。可能的汙染來源是患者體內放射性血液、尿液和唾液，或空氣中的放射性蒸汽。合理的工作實踐，包括高度的個人衛生，應確保汙染不是一個主要問題。

最常見的核醫學診斷程式之一是使用同位素 Tc-99m 進行骨骼掃描。典型患者距離 1 米處的暴露率將在注射後立即達到峰值，約為每小時 3 μSv，由於放射性衰變和排洩，暴露率會穩定下降，因此 2 小時後將約為每小時 1.5 μSv。如果一個人在患者 1 米處站立 24 小時，忽略任何進一步的排洩，那麼這個人接受的總暴露量將約為 17 μSv。對於距離患者 3 米的人，這個數字將減少到 1.7 μSv，而對於 5 米的距離，這個數字將約為 0.7 μSv。這些值是根據平方反比定律估算的。

應鼓勵患者在掃描後喝大量液體，因為這將改善排洩，並有助於最大限度地減少他們的輻射劑量以及護理人員的輻射劑量。