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10.8：核辐射的医学应用和生物效应

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    202223

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    学习目标

    在本节结束时，您将能够：

    • 描述核技术的两种医疗用途
    • 解释核辐射引起的生物效应的起源
    • 列出常见的辐射源及其影响
    • 使用常用剂量单位估算核辐射的暴露量

    核物理学是我们日常生活中不可或缺的一部分（图\(\PageIndex{1}\)）。 放射性化合物用于识别癌症、研究古代文物和为我们的城市供电。 核聚变还为太阳提供动力，太阳是地球上的主要能量来源。 本章的重点是核辐射。 在本节中，我们将提出以下问题：如何利用核辐射造福社会？ 它有哪些健康风险？ 普通人一生中暴露于多少核辐射？

    一张女人在扫描机中设置木乃伊的照片。
    图\(\PageIndex{1}\)：圣地亚哥人类博物馆馆长托里·兰德尔博士利用核辐射研究了一个 500 岁的秘鲁儿童木乃伊。 这种辐射的起源是一个原子核向另一个原子核的转变。 （来源：萨曼莎 ·A· 刘易斯）

    医疗应用

    在当今的医院和诊所中，核辐射的医疗用途非常普遍。 核辐射最重要的用途之一是定位和研究患病组织。 此应用需要一种称为放射性药物的特殊药物。 放射性药物含有不稳定的放射性同位素。 当药物进入人体时，它往往会集中在人体发炎的区域。 （回想一下，药物与人体的相互作用并不取决于给定的原子核是否被其同位素之一所取代，因为这种相互作用是由化学相互作用决定的。） 体外使用的辐射探测器使用来自放射性同位素的核辐射来定位患病组织。 放射性药物之所以被称为放射性标签，是因为它们允许医生追踪药物在体内的移动。 放射性标签有多种用途，包括识别骨骼中的癌细胞、脑肿瘤和阿尔茨海默病（图\(\PageIndex{2}\)）。 放射性标签还用于监测人体器官的功能，例如血流、心肌活动和甲状腺中的碘摄取。

    显示了两张大脑图像。 左边有许多红色和橙色区域以及一些蓝色区域。 右边的大部分是蓝色的，红色和黄色的区域很小。
    图：这些\(\PageIndex{2}\)大脑图像是使用放射性药物生成的。 颜色表示相对的代谢或生化活性（红色表示高活性，蓝色表示低活性）。 左图显示个体的正常大脑，右图显示被诊断患有阿尔茨海默病的人的大脑。 正常大脑的大脑图像显示新陈代谢活性要大得多（红色和橙色区域的比例更大）。 （来源：国立卫生研究院）

    表中\(\PageIndex{1}\)列出了放射性药物的一些医学诊断用途，包括同位素和典型活性（A）水平。 一种常见的诊断测试使用碘对甲状腺进行成像，因为碘集中在该器官中。 另一种常见的核诊断是心血管系统的钍扫描，它显示冠状动脉阻塞并检查心脏活动。 可以使用 tlCl 盐，因为它的作用与 NaCl 类似，会跟随血液。 请注意，该表\(\PageIndex{1}\)列出了许多诊断用途\(^{99m}Tc\)，其中 “m” 代表氘核的亚稳态。 这种同位素在许多化合物中用于成像骨骼、心脏、肺部和肾脏。 几乎\(80\%\)所有放射性药物\(^{99m}Tc\)之所以使用，是因为它会产生单一的、易于识别的 0.142 兆电子伏\(\gamma\)射线，半衰期短 6.0 小时，从而减少了辐射暴露。

    桌子\(\PageIndex{1}\)
    程序，同位素 活动 (mCi)，其中\(1mCi = 3.7 \times 10^7 Bq\) 程序，同位素 活动 (mCi)，其中\(1mCi = 3.7 \times 10^7 Bq\)
    \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” rowspan= “1" style= “text-align: center; 垂直对齐:中间;” class= “lt-phys-4947” > 脑部扫描 \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” rowspan= “1" style= “text-align: center; 垂直对齐:中间;” class= “lt-phys-4947” > 甲状腺扫描
    \(^{99m}Tc\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >7.5 \(^{131}I\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >0.05
    \(^{15}O (PET)\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >50 \(^{123}I\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >0.07
    肺部扫描 \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” > 肝脏扫描 \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >
    \(^{133}Xe\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >7.5 \(^{198}Au\)胶体 \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >0.1
    \(^{99m}Tc\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >2 \(^{99m}Tc\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >2
    \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” rowspan= “1" style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” > 心血管血库 \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” rowspan= “1" style= “text-align: center; 垂直对齐:中间;” class= “lt-phys-4947” > 骨扫描
    \(^{131}I\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >0.2 \(^{85}Sr\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >0.1
    \(^{99m}Tc\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >2 \(^{99m}Tc\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >10
    \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” rowspan= “1" style= “text-align: center; 垂直对齐:中间;” class= “lt-phys-4947” > 心血管动脉流动 \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” rowspan= “1" style= “text-align: center; 垂直对齐:中间;” class= “lt-phys-4947” > 肾脏扫描
    \(^{201}Tl\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >3 \(^{197}Hg\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >0.1
    \(^{24}Na\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >7.5 \(^{99m}Tc\) \ (1mcI = 3.7\ times 10^7 Bq\)” style= “text-align: center; vertical-align: middle;” class= “lt-phys-4947” >1.5

    放射性药物的诊断用途

    第一批辐射探测器产生二维图像，例如从相机拍摄的照片。 但是，可以旋转的圆形探测器阵列可用于生成三维图像。 这种技术类似于 X 射线计算机断层扫描 (CT) 扫描中使用的技术。 这种技术的一个应用称为单光子发射 CT (SPECT)（图\(\PageIndex{3}\)）。 该技术的空间分辨率约为 1 cm。

    一张躺在成像机里的人的照片。
    图\(\PageIndex{3}\)：SPECT 机器使用放射性药物化合物生成人体图像。 该机器利用了核节拍衰变和电子-正电子碰撞的物理特性。 （来源：á€woldoá€/Wikimedia Commons）

    通过一种称为正电子发射断层扫描 (PET) 的技术来提高图像分辨率。 该技术使用会因\(\beta^+\)辐射而衰变的放射性同位素。 当正电子遇到电子时，这些粒子会被消灭以产生两个伽玛射线光子。 这种反应表示为

    \[e^+ + e^- \rightarrow 2\gamma. \nonumber \]

    这些\(\gamma\)射线光子具有相同的0.511兆电子伏能量，并且直接相互移动（图\(\PageIndex{4}\)）。 这种易于识别的衰变特征可用于识别放射性同位素的位置。 P\(\beta^+\) ET 中使用的发射同位素的示例包括\(^{11}C\)\({13}N\)、\(^{15}O\)、和\(^{18}F\)。 原子核的优点是能够充当天然体化合物的标签。 其 0.5 厘米的分辨率比 SPECT 的分辨率要好。

    一个人头躺在圆形房间里的身影。 两条标有 gamma 的射线从他的头部向外辐射。 他们的起源点被标记为 e 正加上 e 负面歼灭。
    图\(\PageIndex{4}\)：PET 系统利用正电子歼灭产生的两个相同\(\gamma\)射线光子。 这些\(\gamma\)射线朝相反的方向发射，因此可以确定每对射线的发射线。

    PET 扫描对于检查大脑的解剖结构和功能特别有用。 例如，PET 扫描可用于监测大脑对氧气和水的使用情况，识别新陈代谢下降的区域（与阿尔茨海默病有关），并定位负责视力、言语和精细运动活动的大脑不同部位

    是肿瘤吗？ 观看简化磁共振成像 (MRI) 的动画，看看你能否分辨出来。 你的脑袋里满是微型无线电发射机（水分子氢核的核自旋）。 在核磁共振成像单元中，可以用这些小型收音机广播它们的位置，详细描述你的脑部内部。

    生物效应

    核辐射可以对生物系统产生正面和负面影响。 但是，它也可以用于治疗甚至治愈癌症。 我们如何理解这些影响？ 要回答这个问题，请考虑细胞内的分子，特别是 DNA 分子。

    细胞有长长的双螺旋DNA分子，其中含有控制细胞功能和过程的化学密码。 核辐射可以改变DNA链的结构特征，导致遗传密码的改变。 在人体细胞中，我们每天每个细胞的DNA受损可能多达一百万次。 DNA 包含用于检查 DNA 是否受损并能自行修复的密码。 DNA的这种修复能力对于维持遗传密码的完整性和整个生物体的正常功能至关重要。 它应该持续活跃，需要迅速作出反应。 DNA修复率取决于各种因素，例如细胞的类型和年龄。 如果核辐射破坏了细胞修复 DNA 的能力，则细胞可以

    1. 退回到不可逆转的休眠状态（称为衰老）；
    2. 自杀（称为程序性细胞死亡）；或
    3. 发展为不受管制的细胞分裂，可能导致肿瘤和癌症。

    核辐射也可以通过许多其他方式伤害人体。 例如，高剂量的核辐射会导致烧伤甚至脱发。

    核辐射的生物效应由许多不同的物理量和许多不同的单位表示。 表示核辐射生物效应的常用单位是 rad 或辐射剂量单位。 一 rad 等于每千克组织沉积的一焦耳核能的 1/100，写成：

    \[1 \, rad = 0.01 \, J/kg. \nonumber \]

    例如，如果一个 50.0 千克的人暴露于全身的核辐射并且她吸收了 1.00 J，那么她的全身辐射剂量为

    \[(1.00 \, J)/(50.0 \, kg) = 0.0200 \, J/kg = 2.00 \, rad. \nonumber \]

    当细胞通过细胞时，核辐射会电离细胞中的原子，从而破坏细胞（图\(\PageIndex{5}\)）。 电离辐射的影响取决于以拉德为单位的剂量，也取决于辐射的类型（α、β、伽玛或 X 射线）和组织类型。 例如，如果辐射范围很小，就像射\(\alpha\)线一样，那么电离和造成的伤害就会更加集中，生物体更难修复。 为了考虑这些影响，我们定义了相对生物学有效性（RBE）。 表中给出了几种类型的电离核辐射的样本 RBE 值\(\PageIndex{2}\)。

    显示了两行，每行九个单元格。 低电离密度的伽玛射线穿过上排。 两个细胞受损。 高电离密度的 alpha 射线穿过下排。 五个细胞受损。
    图\(\PageIndex{5}\)：该图显示了\(\gamma\)辐射在细胞中产生的电离。\(\alpha\) 由于射程较短，\(\alpha\)射线产生的电离和伤害更加集中，生物体更难修复。 因此，\(\alpha\)射线的 RBE 大于\(\gamma\)射线的 RBE，尽管它们在相同的能量下产生相同数量的电离。
    表\(\PageIndex{2}\)：相对生物学有效性
    辐射的类型和能量 RBE [1]
    X 射线 1
    \(\gamma\)-射线 1
    \(\beta\)射线大于 32 keV 1
    \(\beta\)射线小于 32 keV 1.7
    中子，热变慢（<20 keV） 2-5
    中子，快速（1—10 兆电子伏） 10（身体）、32（眼睛）
    质子 (1—10 兆电子伏) 10（身体）、32（眼睛）
    放射性衰变产生的射线 10—20
    来自加速器的重离子 10—20
    [1] 数值为近似值。 很难确定。

    与生物组织效应关系更密切的剂量单位称为伦琴等效人（rem），其定义为剂量（以拉德为单位）乘以相对生物有效性（RBE）。 因此，如果一个人的全身\(\gamma\)辐射剂量为2.00 rad，则全身的剂量为\((2.00 \, rad)(1) = 2.00\)雷姆。 如果该人的全身\(\alpha\)辐射剂量为2.00 rad，则全身的剂量为\((2.00 \, rad)(20) = 40.0\)雷姆。 对于相同的沉积能量，\(\alpha\)射线对人的影响是\(\gamma\)射线的20倍。 rem 的 SI 等价物，更标准的项是 s ievert (Sv) 是

    \[1 \, Sv = 100 \, rem. \nonumber \]

    表中给出的 RBE\(\PageIndex{3}\) 是近似值，但反映了对核辐射及其与活组织相互作用的理解。 例如，众所周知，中子比\(\gamma\)射线造成的伤害更大，尽管由于二次辐射，两者都是中性的，射程很大。 任何小于 100 mSv（10 rem）的剂量都称为低剂量，0.1 Sv 至 1 Sv（10 至 100 rem）的剂量称为中等剂量，任何大于 1 Sv（100 rem）的剂量都称为高剂量。 很难确定一个人是否接触了少于 10 mSV。

    表\(\PageIndex{3}\)中给出了不同水平的核辐射对人体的生物影响。一个人暴露于辐射的第一个线索是血细胞计数的变化，这并不奇怪，因为血细胞是人体中繁殖速度最快的细胞。 在较高的剂量下，会观察到恶心和脱发，这可能是由于干扰细胞繁殖造成的。 消化系统内膜中的细胞也会迅速繁殖，它们的破坏会导致恶心。 当毛细胞的生长减慢时，毛囊变薄并脱落。 高剂量会导致所有系统的严重细胞死亡，但导致死亡的最低剂量会因白细胞流失而削弱免疫系统。

    表\(\PageIndex{3}\)：辐射的直接影响（成人、全身、单次暴露）
    剂量，单位为 Sv [1] 效果
    0—0.10 没有明显的效果。
    0.1—1 白细胞计数轻微至中度下降。
    0.5 暂时不育；女性0.35，男性0.50。
    1—2 血细胞计数显著减少，短暂的恶心和呕吐。 很少致命。
    2—5 恶心、呕吐、脱发、严重血液损伤、出血、死亡。
    4.5 如果不进行\(50\%\)治疗，在暴露后32天内对人群造成致命伤害。
    5—20 由于小肠和血液系统的故障，影响最严重。 存活率有限。
    >20 由于中枢神经系统衰竭，数小时内死亡。

    [1] 乘以 100 得出以雷姆为单位的剂量。

    辐射源

    人类还暴露于许多核辐射源。 表中汇总了按国家划分的不同来源的平均辐射剂量\(\PageIndex{4}\)。 地球发射辐射是由于铀、钍和钾的同位素造成的。 来自这些来源的辐射水平取决于位置，可能相差10倍。 肥料含有钾和铀的同位素，我们在吃的食物中消化这些同位素。 肥料的放射性超过3000 bQ/kg，而碳14的放射性仅为66 bQ/kg。

    表\(\PageIndex{4}\)：背景辐射源和平均剂量
    来源 剂量 (msV/y) [1]
    澳大利亚 德国 我们 世界
    自然辐射-外部
    宇宙射线 0.30 0.28 0.30 0.39
    土壤、建筑材料 0.40 0.40 0.30 0.48
    氡气 0.90 1.1 2.0 1.2
    自然辐射-内部
    \(^{40}K\),\({14}C\),\(^{226}Ra\) 0.24 0.28 0.40 0.29
    人工辐射
    医疗和牙科 0.80 0.90 0.53 0.40
    TOTA L 2.6 3.0 3.5 2.8
    [1] 乘以 100 得到 mrem/y 中的剂量。

    医疗访问也是核辐射的来源。 表中给出了常见核辐射剂量的样本\(\PageIndex{5}\)。 这些剂量通常很低，可以通过改进的技术和更灵敏的探测器进一步降低。 除了常规牙科X光检查可能的例外，只有在风险收益有利的情况下才使用核辐射的医疗用途。 胸部 X 光片给出的剂量最低，受影响的组织约为 0.1 mSv，少于\(5\%\)散射到未直接成像的组织中。 其他 X 射线手术在 CT 扫描中范围上升到大约 10 mSv，每次牙科 X 光检查大约 5 mSv（0.5 rem），同样两者都只影响成像的组织。 含有放射性药物的医学图像给出的剂量介于 1 到 5 mSv 之间，通常是局部的。

    表\(\PageIndex{5}\)：X射线诊断检查期间接受的典型剂量
    程序 有效剂量 (mSv)
    胸部 0.02
    牙科 0.01
    骷髅头 0.07
    腿 0.02
    乳房 X 光检查 0.40
    钡剂灌肠 7.0
    上消化道 3.0
    电脑断层扫描头 2.0
    腹部 CT 10.0
    示例\(\PageIndex{1}\): What Mass of \(\ce{^{137}Cs}\) Escaped Chernobyl?

    乌克兰（以前在苏联）的切尔诺贝利事故通过衰变使周围人口暴露于大量辐射下\(^{137}Cs\)。 最初的放射性水平约为\(A = 6.0 \, MCi\)。 计算这次事故\(^{137}Cs\) 涉及的总质量。

    策略

    原子核的总数 N 可以根据已知的半衰期和活性\(^{137}Cs\) (30.2 y) 确定。 质量可以使用摩尔概念从 N 中计算。

    解决方案

    求解 N 的方\(A = \frac{0.693 \, N}{t_{1/2}}\)程得出

    \[N = \frac{At_{1/2}}{0.693}. \nonumber \]

    输入给定值会产生

    \[N = \frac{(6.0 \, MCi)(30.2\, y)}{0.693}. \nonumber \]

    为了将居里转换为贝克勒尔斯，将年转换为秒，我们写道

    \[N = \frac{(6.0 \times 10^6 \, Ci)(3.7 \times 10^{10} Bq/Ci) (30.2 \, y)(3.16 \times 10^7 \, s/y)}{0.693} = 3.1 \times 10^{26} \nonumber \]

    一摩尔核素的质量\(^AX\)为 A 克，因此一摩尔的质量为 137 g。一摩尔有\(6.02 \times 10^{23}\)核。\(^{137}Cs\) 因此，大量\(^{137}Cs\) 获释者是

    \[m = \left(\frac{137 \, g}{6.02 \times 10^{23}\right)(3.1 \times 10^{26}) = 70 \times 10^3 \, g = 70 \, kg. \nonumber \]

    意义

    与核反应堆使用的典型燃料量相比，切尔诺贝利事故所\(\ce{^{137}Cs}\)涉及的质量是一种很小的材料。 但是，大约有250人在事故发生后立即被送进当地医院，并被诊断为患有急性辐射综合症。 他们接受的外部辐射剂量介于 1 到 16 Sv 之间。 参照表中的生物效应\(\PageIndex{3}\)，这些剂量极其危险。 据估计，最终死亡人数约为4000人，主要是由于辐射诱发的癌症。

    练习\(\PageIndex{1}\)

    辐射从其来源向各个方向传播，就像来自灯泡的电磁辐射一样。 活动概念是否更类似于力量、强度或亮度？

    回答

    权力