Физико-технические основы ядерной медицины

Министерство образования и науки Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный университет
факультет прикладной математики – процессов управления
Рассмотрено и рекомендовано на
УТВЕРЖДАЮ
заседании кафедры теории систем
декан факультета
управления электрофизической
__________ Л.А.Петросян
аппаратурой
протокол от ___________№______
Заведующий кафедрой
__________________ Д.А.Овсянников
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
СД . 511658.03 “Физико-технические основы ядерной медицины”
направление 511600 – Прикладные математика и физика
Дополнительная образовательная программа «Медицинская физика и
информационные технологии»
Разработчики:
Профессор, доктор физ.-мат. наук _________________ Н.В. Егоров
Доцент, кандидат физ.-мат. наук _________________ В.В. Гребенщиков
Рецензент:
Профессор, доктор физ.-мат. наук _________________
Санкт-Петербург
2006
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным
стандартом высшего профессионального образования ГОС-2000 от 10 марта
2002г., №123 ЕН/МАГ и учебным планом дополнительной образовательной
программы «Медицинская физика и информационные технологии».
Программу составили:
Егоров Николай Васильевич, профессор, доктор физ.-мат. наук, зав. кафедрой
моделирования электромеханических и компьютерных систем СПбГУ
Гребенщиков Владимир Витальевич, канд. физ.-мат. наук, доцент, доцент
кафедры экспериментальной ядерной физики СПбГТУ
Программа одобрена на заседании Методической комиссии факультета
прикладной математики и процессов управления « 26 » октября 2006г.,
протокол №2
Председатель Методической комиссии
А.Ю. Утешев
АННОТАЦИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина посвящена изучению физических и технических основ
ядерной медицины. Рассматриваются вопросы физики визуализации
радионуклидных изображений. Изучаются принципы устройства приборов,
применяющихся в ядерной медицине. В рамках курса изучается прохождение
ионизирующего излучения через вещество на уровне элементарных актов
взаимодействия. Рассматриваются методы расчета угловых и энергетических
распределений ионизирующих частиц. Рассматриваются принципы построения,
характеристики и область применения ионизационных детекторов различных
типов – газоразрядных, сцинтилляционных, полупроводниковых. В результате
обучения студент овладевает навыками расчета параметров, характеризующих
взаимодействие излучения с веществом, получает представление о физических
принципах построения и особенностях применения детекторов различных
типов. Методика изучения курса предполагает проработку лекционного
материала, изучение рекомендованной литературы, выполнение практических
заданий (упражнений) и лабораторных работ.
1. Цель и задачи дисциплины:
Введение студентов в круг задач, связанных с ядерной медициной, с ее
физико-техническими аспектами. Изучение вопросов взаимодействия
ионизирующего излучения с веществом, радиационной защиты и
дозиметрии. Направление основного внимания на методы использования
ионизирующих
излучений
в
медицине,
рассмотрение
методов
радионуклидной визуализации. Детальное изучение современных
аппаратных средств ядерной медицины.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
Студент должен:
– знать содержание и структуру дисциплины “Физикоматематические основы ядерной медицины ” и иметь достаточно
полное представление о современном уровне ее развития;
– иметь представление о физических принципах построения и
особенностях применения детекторов различных типов;
– знать параметры и функциональные возможности современных
установок для ядерной медицины;
– иметь
практические
навыки
расчета
параметров,
характеризующих взаимодействие излучения с веществом при
решении конкретных задач радионуклидной диагностики.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Виды учебной работы
Всего
часов (не
менее
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Лабораторные работы и практические занятия (ЛР и ПЗ)
108
72
32
36
Самостоятельная работа
Итоговая аттестация (экзамен)
36
4
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1
Раздел дисциплины
Всего
Лекции
С
(часы)
ЛР и
ПЗ
2
Виды медицинской визуализации.
12
4
6
2
Взаимодействие
ионизирующего
излучения с веществом
22
8
6
8
3
Радиационная защита. Дозиметрия.
22
6
8
8
4
Радионуклидные
визуализации
методы
22
8
8
6
5
Аппаратные средства для ядерной
медицины.
26
6
8
12
Итоговая аттестация (экзамен)
4
32
36
36
Итого:
108
4.2 Содержание разделов дисциплины
1. Виды медицинской визуализации. Исторический обзор. Виды
медицинской визуализации. Основные термины и понятия,
используемые в ядерной медицине. Развитие отечественной
радионуклидной диагностики. Периоды развития. Перспективы
развития.
2. Взаимодействие
ионизирующего излучения с веществом.
Введение, основные понятия и определения. Закон радиоактивного
распада. Источники ионизирующих излучений. Кинематика
упругого соударения. Системы отсчета: система центра инерции
(СЦИ) и лабораторная система координат (ЛСК). Рассеяние в
центральном поле. Полное и дифференциальное сечения рассеяния.
Рассеяние в кулоновском поле, формула Резерфорда. Потери
энергии быстрых тяжелых заряженных частиц (БТЗЧ) в актах
однократного взаимодействия с ядрами и электронами. Теория
многократного рассеяния Вильямса. Энергетические потери частиц,
прошедших сквозь тонкие мишени, флуктуации энергетических
потерь. Тормозная способность вещества для БТЗЧ, формула БетеБлоха. Пробеги БТЗЧ. Особенности процесса прохождения
электронов через вещество, обусловленные малой массой электрона.
Дифференциальное сечение рассеяния электронов на атомных
ядрах.
Рассеяние
электронов
на
атомных
электронах.
Ионизационные и радиационные потери энергии. Тормозная
способность вещества для быстрых электронов. Линейная передача
энергии. Флуктуации энергетических потерь. Многократное и
диффузное рассеяние электронов. Обратное рассеяние. Пробеги
электронов. Рассеяние плоской электромагнитной волны на
свободном электроне. Комптоновское рассеяние, формула КлейнаНишины-Тамма.
Фотоэффект.
Когерентное (релеевское) и
некогерентное рассеяние электромагнитного излучения на атомах.
Рождение электрон - позитронных пар на ядре и на электроне.
Ослабление
узкого
пучка
гамма-излучения.
Зависимость
коэффициента ослабления от энергии квантов и химического
состава мишени, фактор накопления.
3. Радиационная защита. Дозиметрия. Ионизирующие излучения.
Доза излучения и ее единицы. Биологическое действие
ионизирующих излучений. Определение и учет лучевых нагрузок
при использовании диагностических РФП.
4. Радионуклидные
методы
визуализации.
Радионуклиды,
применяемые при визуализации. Получение радионуклидов.
Циклотронные и генераторные методы получения радионуклидов.
Ультракороткоживущие (УКЖ) радионуклиды с позитронным
распадом. Радиофармпрепараты (РФП) и их синтез. Выбор
радиоизотопа для получения изображения.
5. Аппаратные средства для ядерной медицины. Общая
характеристика приборов. Движение электронов и ионов в газах.
Ионизационная камера. Энергетическое разрешение ионизационной
камеры. Газовое усиление. Пропорциональный счетчик. Коронный
разряд, Газоразрядные счетчики. Принцип действия детектора на
основе р-п перехода. Люминесценция в неорганических и
органических
сцинтилляторах.
Основные
характеристики
сцинтилляторов. Фотоэлектронные умножители: принцип действия,
конструкция, схема включения. Функция отклика и энергетическое
разрешение сцинтилляционного детектора. Аппаратура для
визуализации распределения радиофармпрепаратов. Гамма-камера.
Позитронный эмиссионный томограф.
1. Рекомендуемая литература.
a) основная литература
1. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика - М., Физматгиз, 1965
2. Романов А.В., Стародубцев С.В. Прохождение заряженных частиц
через вещество - Ташкент, "Фан", 1966.
3. Сегре Э. Экспериментальная ядерная физика. Т1 .- М., "Иностр.
лит.",1961
4. Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений - М.,
Энергоатомиздат, 1987, 407с.
5.
Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы
экспериментальных методов ядерной физики - М. Атомиздат, 1970
559с.
6. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц
М. Наука, 1966, 407с.
7. Радионуклидная диагностика. Под ред. Лясса Ф.Н. – М.: Медицина,
1983. –304с.
8. Физика визуализации изображений в медицине. Пер с англ.. В 2-х
томах. Под ред. С. Уэбба. М., Мир, 1991. Том 1 –407с., том 2 – 406с.
9. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в атомную физику, М., 1969.
–303с.
10. Кравчук А.С. Вычислительная томография. М., МГАПИ, 1996. 146с.
11. Федоров Г.А., Терещенко С.А. Вычислительная эмиссионная
томография. М., Энергоатомиздат, 1990. 183 с.
12. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я., Тимонов А.А. Математические задачи
компьютерной томографии. М., Наука, 1987. 158с.
13. Руководство по ядерной медицине: Учеб. Пособие/ Т.П. Сиваченко,
Д.С. Мечев, В.А. Романенко и др.; Под ред. Сиваченко Т.П.. – К.:
Вища шк., 1991.-535.
б) дополнительная литература
1. Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество - М.,ИЛ, 1950
2. Зигбан К. Альфа-бета-гамма спектроскопия. Т.1 - М., Атомиздат,
1969
3. Горн Л.С., Костылев В.А., Наркевич Б.Я. и др. Приборы для
радиоизотопной диагностики в медицине. – М.: Атомиздат, 1978. –
296 с.
4. Калашников С.Д. Физические основы проектирования
сцинтилляционных гамма-камер. М.: Энергоатомиздат, 1985. – 120с.
5. .Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений - М.,
Энергоатомиздат,1987, 407с.
6. 2. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И., Кушнирук В.Ф.
Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике
М.,Энергоатомиздат,1989, 344с.
7. Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные
фотоэлектронные приборы - М.,"Радио и связь",1988, 272с.
6. Средства обеспечения освоения дисциплины.
Наличие читальных залов и современного библиотечного фонда (включая
электронный доступ к современным научным журналам), наличие классов
компьютеров, объединенных в сети с выходом в Интернет с
персональными
рабочими
местами
для
каждого
слушателя
самостоятельных занятиях. Использование на занятиях (в том числе
самостоятельных) компьютеров с характеристиками не ниже Pentium II,
установка операционных систем Windows, Unix, Linux и соответствующих
пакетов прикладных программ.
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Стандартно лекционная аудитория, оборудованная дополнительно
мультимедийными средствами и средствами для компьютерных
демонстрационных программ. Наличие доступа в лаборатории,
оснащенные современным оборудованием в ходе самостоятельной учебной
работы. Обеспеченность учебниками, учебно-методическими пособиями и
доступом слушателей к компьютерным классам, информационным
ресурсам, в том числе к Интернет-ресурсам.
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
К обучению слушателей привлекаются преподаватели, имеющие ученые
степени, активно работающие в различных областях прикладной
математики и других разделах современного естествознания, участвующие
в международных и российских научных конференциях, имеющие
публикации в ведущих отечественных и зарубежных изданиях,
обладающие высокой научной квалификацией и профессиональными
знаниями.