物理科學導論/複習
< 物理科學導論
這是名為核醫學基礎物理的華夏公益教科書的最後一章，最初由Kieran Maher於 1997 年撰寫。
- 原子由兩個部分組成 - 一個原子核（帶正電）和一個電子雲（帶負電）；
- 原子核的半徑大約是原子的 10,000 倍；
- 原子核可以有兩個組成粒子 - **中子**（不帶電）和 **質子**（帶正電） - 總稱為 **核子**；
- 質子的質量大約等於中子的質量 - 大約是電子的 1,840 倍；
- 在一個孤立的原子中，質子的數量等於電子的數量；
- **原子序數**指定原子核中質子的數量；
- **質量數**指定原子核中核子的數量；
- 元素的 **同位素** 具有相同的原子序數，但質量數不同；
- 同位素的分類方法是，用元素的化學符號表示，並在其前面加上一個上標表示質量數，並在其後面加上一個下標表示原子序數；
- **原子質量單位** 定義為碳穩定、最常見的同位素（即 C-12）質量的 1/12；
- **結合能** 是將核子結合在原子核中的能量，用 **電子伏特** (eV) 測量；
- 為了抵消質子數量增加導致靜電排斥力增加的影響，中子的數量增加得更快 - 從而產生了 **核穩定性曲線**；
- 大約有 100 種元素的 2450 種同位素，不穩定的同位素位於核穩定性曲線之上或之下；
- 不穩定的同位素試圖透過分裂成碎片（**裂變**）或發射粒子/能量（**放射性**）來達到穩定性曲線；
- 不穩定的同位素 <=> 放射性同位素 <=> 放射性核素 <=> 放射性核素；
- 大約 2450 種同位素中有 300 種存在於自然界中 - 其餘的則是人工合成的。
- **裂變**：一些重原子核透過分裂成 2 或 3 個碎片加上一些中子而衰變。這些碎片形成了新的原子核，這些原子核通常是放射性的；
- **α 衰變**：兩個質子和兩個中子以一個稱為 **α 粒子** 的組合形式離開原子核；
- α 粒子是 He-4 原子核；
- **β 衰變 - 電子發射**：某些中子過剩的原子核可以透過將一箇中子轉化為質子併發射一個 **β 負粒子** 來達到穩定性；
- β 負粒子是電子；
- **β 衰變 - 正電子發射**：當原子核中的質子數量過剩時，原子核可以透過將一個質子轉化為中子併發射一個 **β 正粒子** 來達到穩定性；
- β 正粒子是 **正電子**；
- 正電子與電子 **湮滅**，產生兩個背對背的伽馬射線；
- **β 衰變 - 電子俘獲**：一個內層軌道電子被吸引到原子核中，在那裡它與一個質子結合形成一箇中子；
- 電子俘獲也稱為 **K 俘獲**；
- 電子俘獲後，激發的原子核可能會發射一些伽馬射線。此外，當空缺的電子位置被填補時，會發射 X 射線；
- **γ 衰變 - 同質異能躍遷**：處於激發態的原子核可以透過發射伽馬射線達到基態；
- 伽馬射線是高能量的電磁光子；
- **γ 衰變 - 內轉換**：激發態原子核的激發能被賦予一個原子電子。
- 放射性衰變定律的方程形式；
- 放射性是指單位時間內發生的放射性衰變次數；
- **衰變常數** 定義為單位時間內衰變的初始放射性原子核的比例；
- **半衰期**：樣品中放射性原子核的數量減少一半所需的時間；
- 半衰期 = (0.693)/(衰變常數)；
- 放射性的 SI 單位是 **貝克勒爾** (Bq)
- 1 Bq = 每秒一次放射性衰變；
- 放射性的傳統單位是 **居里** (Ci)；
- 1 Ci = 每秒 3.7 x 1010 次放射性衰變。
- **照射量** 表示 X 射線或伽馬射線束的強度；
- 照射量的 SI 單位是 **庫侖每千克** (C/kg)；
- 1 C/kg = X 射線或伽馬射線量，使得與之相關的電子在標準狀況下每千克空氣中發射出的電子產生的空氣的離子所帶的電荷為 1 庫侖；
- 照射量的傳統單位是 **倫琴** (R)；
- 1 R = X 射線或伽馬射線量，使得與之相關的電子在標準狀況下每千克空氣中發射出的電子產生的空氣的離子所帶的電荷為 2.58 x 10-4 庫侖；
- **照射率** 是單位時間內的照射量，例如 C/kg/s；
- **吸收劑量** 是吸收物質單位質量吸收的輻射能量；
- 吸收劑量的 SI 單位是 **戈瑞** (Gy)；
- 1 Gy = 每千克物質吸收 1 焦耳的輻射能量；
- 吸收劑量的傳統單位是 **拉德** (rad)；
- 1 rad = 每千克物質吸收 10-2 焦耳的輻射能量；
- **比伽馬射線常數** 表示放射性同位素發射的伽馬射線產生的照射率；
- 比伽馬射線常數在 SI 單位中表示為 1 米處 C/kg/s/Bq；
- X 射線或伽馬射線源的照射量遵循 **平方反比定律**，並隨著與源的距離的平方而減少。
- α 粒子:
- 對它們經過的附近原子的外層軌道電子施加很大的靜電吸引力，並引起電離；
- 沿直線傳播 - 除了它們路徑中與原子核的罕見直接碰撞；
- 能量總是離散的。
- β 負粒子:
- 當它們穿過物質時，它們被原子核吸引，被電子雲排斥，並引起電離；
- 具有曲折的路徑；
- 具有能量範圍；
- 能量範圍是由於發射了兩個粒子 - β 粒子和 **中微子**。
- 伽馬射線:
- 能量總是離散的；
- 具有多種與物質相互作用的方式；
- 對核醫學成像（以及放射照相術）重要的相互作用是光電效應和康普頓效應。
- 光電效應:
- 當伽馬射線與一個軌道電子碰撞時，它可能會將所有能量傳遞給電子，並隨之消失；
- 電子可以以等於伽馬射線能量減去軌道結合能的動能離開原子；
- 當電子離開原子時，會形成一個正離子；
- 電子被稱為 **光電子**；
- 光電子可以引起進一步的電離；
- 軌道空缺被填補時，隨後會發射 X 射線。
- 康普頓效應:
- 伽馬射線可能會將部分能量傳遞給一個本質上是自由的價電子； **產生散射的伽馬射線；**
- 有時稱為康普頓散射；
- 會產生一個正離子；
- **衰減** 是用來描述輻射的吸收和散射的術語。
- 狹束伽馬射線的衰減隨著吸收體的厚度、密度和原子序數的增加而增加；
- 狹束伽馬射線的衰減隨著伽馬射線能量的增加而減小；
- 狹束衰減可以用一個方程來描述；
- 線性衰減係數定義為入射強度在吸收體單位距離內被吸收的比例；
- 線性衰減係數通常以 cm-1 為單位表示；
- 半值層是指使輻射束強度減弱一半所需的吸收體厚度；
- 半值層 = (0.693)/(線性衰減係數)；
- 質量衰減係數由線性衰減係數除以吸收體的密度得到；
- 質量衰減係數通常以 cm2 g-1 為單位表示。
- 氣體探測器包括電離室、正比計數器和蓋革計數器；
- 它們的工作原理是入射輻射使氣體原子電離，產生的正離子與電子被電極收集；
- 離子對用於描述一個正離子和一個電子；
- 氣體探測器的執行高度依賴於所施加的直流電壓的大小；
- 電離室的輸出電壓可以根據電離室的電容來計算；
- 需要一個非常靈敏的放大器來測量電離室產生的電壓脈衝；
- 電離室中的氣體通常是空氣；
- 電離室通常用於測量輻射照射量（在一個稱為照射計的裝置中）和放射性（在一個稱為同位素校準儀的裝置中）；
- 正比計數器中收集的總電荷可能是輻射最初產生的電荷的 1000 倍；
- 初始電離在蓋革計數器中觸發了完全的氣體擊穿；
- 蓋革計數器中的氣體通常是惰性氣體；
- 必須透過一個稱為猝滅的過程來停止氣體擊穿，以便為蓋革計數器準備一個新的事件；
- 兩種猝滅方式是可能的：電子猝滅和使用猝滅氣體；
- 蓋革計數器存在死時間，這是氣體擊穿後一小段時間，在此期間計數器處於失靈狀態；
- 可以使用一個方程根據實際計數率和死時間確定真實計數率；
- 蓋革計數器中施加的直流電壓值至關重要，但不需要高穩定性。
- NaI(Tl) 是一種閃爍晶體，廣泛應用於核醫學；
- 該晶體與光電倍增管耦合，以產生代表輻射沉積在晶體中的能量的電壓脈衝；
- 需要一個非常靈敏的放大器來測量這些電壓脈衝；
- 電壓脈衝的幅度範圍取決於輻射與晶體相互作用的方式，即脈衝形成一個頻譜，其形狀取決於所涉及的相互作用機制，例如，對於體核心醫學中使用的中能伽馬射線：康普頓效應和光電效應；
- 中能單能伽馬射線發射體的伽馬射線能量譜（簡單地）由康普頓散射和光峰組成；
- 脈衝高度分析用於區分電壓脈衝的幅度；
- 脈衝高度分析器 (PHA) 由下限鑑別器（透過其設定高於其設定的電壓脈衝）和上限鑑別器（透過其設定低於其設定的電壓脈衝）組成；
- 結果是可變寬度視窗，可以放置在頻譜的任何位置，或用於掃描頻譜；
- 單通道分析器 (SCA) 由一個具有標度器和速率計的單一 PHA 組成；
- 多通道分析器 (MCA) 是一種計算機控制的裝置，可以同時從多個視窗採集資料。
- 伽馬相機由一個大直徑（25-40 釐米）的 NaI(Tl) 晶體組成，厚度約為 1 釐米；
- 該晶體由 37-91 個光電倍增管陣列觀察；
- 光電倍增管的訊號由一個位置電路處理，該電路產生 +/- X 和 +/- Y 訊號；
- 這些位置訊號被求和形成一個Z 訊號，該訊號被送入脈衝高度分析器；
- +/- X、+/- Y 和鑑別的 Z 訊號被髮送到計算機進行數字影像處理；
- 準直器用於提高伽馬相機的空間解析度；
- 準直器通常由一塊鉛板組成，其中包含大量小孔；
- 最常見的型別是平行多孔準直器；
- 解析度最高的區域位於準直器的正前方；
- 平行孔準直器在孔的數量、孔徑、每個孔的長度和隔板厚度方面存在差異——這些組合影響著成像系統的靈敏度和空間解析度；
- 其他型別包括發散孔準直器（產生縮小的影像）、會聚孔準直器（產生放大的影像）和針孔準直器（產生放大的倒置影像）；
- 使用伽馬相機進行的傳統成像被稱為平面成像，即二維影像描繪了三維物體，給出了疊加的細節，沒有深度資訊；
- 單光子發射計算機斷層掃描 (SPECT) 生成透過人體的切片影像；
- SPECT 使用伽馬相機在患者周圍一系列角度記錄影像；
- 可以使用濾波反投影方法處理所得資料；
- SPECT 伽馬相機可以有一個、兩個或三個相機頭；
- 正電子發射斷層掃描 (PET) 也生成透過人體的切片影像；
- PET 利用正電子湮滅過程，該過程產生兩個背對背的 0.51 MeV 伽馬射線；
- 如果檢測到這些伽馬射線，它們的來源將位於圍繞患者的環形探測器中的兩個探測器連線線的線上；
- 可以使用飛行時間方法來定位它們的來源；
- PET 系統需要現場或附近的迴旋加速器來產生短壽命的放射性同位素，例如 C-11、N-13、O-15 和 F-18。
- 天然存在的放射性同位素通常具有很長的半衰期，屬於相對重的元素——因此不適合醫學診斷應用；
- 醫學診斷放射性同位素通常是人工產生的；
- 可以利用裂變過程，以便可以從裂變產物中化學分離出感興趣的放射性同位素；
- 迴旋加速器可以用來加速帶電粒子到高能量，使它們與要活化的材料的靶標發生碰撞；
- 醫院通常使用放射性同位素發生器來生產短壽命的放射性同位素；
- 鎝-99m 發生器由一個包含 Mo-99 的氧化鋁柱組成，Mo-99 衰變成 Tc-99m；
- 將生理鹽水透過發生器來洗脫 Tc-99m——得到的溶液被稱為高鎝酸鈉；
- 正壓和負壓發生器都在使用中；
- 當使用 Tc-99m 發生器時，需要一個同位素校準儀，以便確定患者劑量的製備活性，並檢查收集到的溶液中是否存在任何 Mo-99。