淺談核物理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

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1、淺談核物理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用吉林大學(xué)核物理專業(yè)淺談核物理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要：原子核物理的不斷發(fā)展和完善極大地促進Y醫(yī)學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為醫(yī)學(xué)研究與實踐提供了全新的思想理論和現(xiàn)代化的診療手段與設(shè)備。綜述了核物理在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)發(fā)展中的作用及其應(yīng)用。放射性;核物理;醫(yī)學(xué)應(yīng)用o引言自1895年德國物理學(xué)家Roentgen發(fā)現(xiàn)X射線并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來，原子核物理理論與技術(shù)己廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，X射線成像、計算機斷層成像(CT)、核磁共振成像、核醫(yī)學(xué)成像和放射治療等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，不僅極大地促進了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，提高了疾病

2、診治水平，而且將醫(yī)學(xué)研究推向了一個新的高度。1放射性科學(xué)研究表明，穩(wěn)定性核素對核子總數(shù)有一定限度（一般為A<209），而且中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)應(yīng)保持一定的比例（一般為N/Z=1?1.5也有個別例外）。任何含有過多核子或N/Z不適當(dāng)?shù)暮怂?，都是不穩(wěn)定的。A彡209的核素，即元素周期表中釙（Po）之后的所有元素的核素都具右放射性（針之前的元素中，右的核素也具有放射性），它們或是自發(fā)地放射出a射線，而轉(zhuǎn)變成A較小的新核；或是因核素的N/Z不適當(dāng)，其核內(nèi)的中子與質(zhì)子會自發(fā)地相互轉(zhuǎn)變，從而改變N/Z的值，并同時放出一個P粒子。核素衰變后產(chǎn)生的新核，一般都處在激

3、發(fā)態(tài)，這樣的核或是自發(fā)地放射出Y射線而轉(zhuǎn)變到基態(tài)或較低能態(tài)，或是繼續(xù)發(fā)生a衰變或e衰變，直到變成一個穩(wěn)定的核素為止。放射性核衰變的類型有a衰變、｛3衰變和Y衰變?nèi)N，分別放出a射線、P射線和y射線。不論發(fā)生哪一種核衰變，其過程均遵從電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒和能量守恒。每一種放射性核素在衰變時，都存其特定的規(guī)律。理論和實驗均表明，任何一種放射性物質(zhì)，在單獨存放時，其核數(shù)量的變化都是按指數(shù)規(guī)律隨時間t衰減的。其公式為:這就是放射性核衰變的規(guī)律。式中X稱為衰變常數(shù)，它反映核衰變的快慢程度。X越大，衰變進行的越快。上式是一個統(tǒng)計規(guī)律，它適用于包含大量放射

4、性核素的放射性物質(zhì)在實際中，常用半衰期來描述核衰變的快慢。放射性物質(zhì)中的核數(shù)衰變到原數(shù)的一半所需要的時間，稱為半衰期（T）。由公式可得：T山-In2這就是半衰期T與衰變常數(shù)的關(guān)系。T和A是反映放射性物質(zhì)衰變快慢的兩個物理量。半衰期是放射性元素的固有屬性，取決于原子核自身的性質(zhì)。一種核素，無論是化合物還是單質(zhì)，也不論外界環(huán)境溫度和壓強如何變化，其放射性衰變規(guī)律是不變的。2核物理在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研宄中的應(yīng)用發(fā)病機制是疾病防治的基礎(chǔ)，發(fā)病機制不清楚，就很難采取切實有效的防治措施。1960年，Perutz等和Kendrew等利用X射線衍射技術(shù)解析了肌紅蛋白和

5、血紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)，闡明Y這些蛋白質(zhì)在分子氧輸送過程中的特殊作用，他們也因此獲得了1962年諾貝爾化學(xué)獎。該項工作不僅首次揭示了生物大分子內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)，還為測定生物大分子晶體結(jié)構(gòu)提供了一種沿用至今的有效方法__多對同晶型置換法。近年來，科學(xué)家應(yīng)用熒光分析和核磁共振（NMR）等技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)癌變過程中細胞及其質(zhì)膜發(fā)生了明顯變化，如表面電荷改變、膜流動性增大和細胞內(nèi)水狀態(tài)的改變等。從射線產(chǎn)生自由基及其具有順磁性和近年來對活性氧的研宄得出了許多病理過程（包括輻射損傷、衰老、毒物作用及心血管疾病中的一些環(huán)節(jié)等）都與自巾基有關(guān)的結(jié)論。自1895年德國外科醫(yī)

6、生Roentgen首次利用X射線觀察到人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)以來,隨著物理科學(xué)及其相關(guān)科學(xué)的發(fā)展，以X射線成像、CT成像、NMR成像和核醫(yī)學(xué)成像等為代表的許多物理學(xué)技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究。這些研究主要包括正常和病理狀態(tài)下，人體各系統(tǒng)、器官和組織的解剖學(xué)、生理學(xué)特點等。目前，各種成像技術(shù)結(jié)合計算機三維重建技術(shù)建立正常和病理狀態(tài)下不同水平結(jié)構(gòu)、代謝和功能成像是當(dāng)前醫(yī)學(xué)成像研究的重點和熱點。正電子發(fā)射計算機斷層成像儀（PET）的突出優(yōu)勢是，能在體外無創(chuàng)性探測活體內(nèi)生理和病理變化過程，并能對生化過程進行準確定量分析。這對于研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)和各種疾病發(fā)生、

7、發(fā)展的機理非常有用。例如，用短壽命的放射性核素標記人體代謝所必需的物質(zhì)（如葡萄糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂肪酸等）制成顯像劑（如氟代脫氧葡萄糖等），然后將其注入人體，我們就可以利用PET從體外無創(chuàng)、定景、動態(tài)地觀察這些物質(zhì)進入人體后的生理、生化變化，從分子水平探討代謝物或藥物在正常人或病人體內(nèi)的分布和生理生化功能等。PET還能對腦的血流和代謝等活動進行判斷,對研究腦的生理和精神活動等提供了一個重要手段，其絕妙之處，在于它“打開了一個揭示大腦奧秘的窗口”。因為人體不同組織的代謝狀態(tài)不同，所以這些被核素標記了的物質(zhì)在人體各種組織中的分布也不同。例如，在高代

8、謝的惡性腫瘤組織中分布較多，這些特點能通過圖像反映出來，從而可對病變進行診斷和分析。NMR成像技術(shù)以無輻射損傷、無破壞性、無試劑侵入并能從分子水平到整