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114年:核醫診療(2)

經迴旋加速器製造的核種，下列何者半衰期最短？

A以質子射束轟擊¹⁶O靶，進行（ p,α）反應
B以質子射束轟擊¹⁴N靶，進行（ p,α）反應
C以質子射束轟擊¹⁵N靶，進行（ p, n）反應
D以質子射束轟擊¹⁸O靶，進行（ p, n）反應

詳細解析

本題觀念：

本題測驗正子發射斷層掃描（PET）中，由迴旋加速器（Cyclotron）製造常見醫用放射性同位素的核反應途徑及其物理半衰期（Physical half-life）。PET 影像技術仰賴發射正子（β+\beta^+）的短半衰期核種，臨床上最常見的四大 PET 核種包含碳-11（11C^{11}C）、氮-13（13N^{13}N）、氧-15（15O^{15}O）以及氟-18（18F^{18}F）。身為醫事放射師，必須熟記這些核種的生產反應式與對應的半衰期。

選項分析

  • 選項 A：以質子（p）射束轟擊氧-16（16O^{16}O）靶，會釋放出阿法粒子（α\alpha），進行 16O(p,α)13N^{16}O(p, \alpha)^{13}N 反應。此反應產生的放射性核種為氮-13（13N^{13}N），其半衰期約為 9.97 分鐘。
  • 選項 B：以質子射束轟擊氮-14（14N^{14}N）靶，釋放出阿法粒子，進行 14N(p,α)11C^{14}N(p, \alpha)^{11}C 反應。此反應產生的放射性核種為碳-11（11C^{11}C），其半衰期約為 20.4 分鐘。
  • 選項 C：以質子射束轟擊氮-15（15N^{15}N）靶，釋放中子（n），進行 15N(p,n)15O^{15}N(p, n)^{15}O 反應。此反應產生的放射性核種為氧-15（15O^{15}O），其半衰期約為 2.03 分鐘（約 122 秒）。
  • 選項 D：以質子射束轟擊氧-18（18O^{18}O）靶，釋放中子，進行 18O(p,n)18F^{18}O(p, n)^{18}F 反應。此反應產生的放射性核種為氟-18（18F^{18}F），其半衰期約為 109.8 分鐘。

答案解析

經由上述各核種生產反應分析，所對應產生的核種半衰期長短依序為：

  • 氟-18 (18F^{18}F)：約 110 分鐘
  • 碳-11 (11C^{11}C)：約 20 分鐘
  • 氮-13 (13N^{13}N)：約 10 分鐘
  • 氧-15 (15O^{15}O)：約 2 分鐘

其中，15O^{15}O 的半衰期最短，僅大約 2 分鐘。因此，選項 C 所描述的反應產生的核種具有最短的半衰期，為正確答案。

核心知識點

醫事放射師國考常考四大 PET 常用核種統整，考生必須精熟對應的核反應與半衰期：

  1. 18F^{18}F：核反應 18O(p,n)18F^{18}O(p, n)^{18}F；半衰期約 110 分鐘（臨床應用最廣，如 18F^{18}F-FDG）。
  2. 11C^{11}C：核反應 14N(p,α)11C^{14}N(p, \alpha)^{11}C；半衰期約 20 分鐘。
  3. 13N^{13}N：核反應 16O(p,α)13N^{16}O(p, \alpha)^{13}N；半衰期約 10 分鐘（常用於心肌血流灌注掃描，如 13N−NH3^{13}N-NH_3）。
  4. 15O^{15}O：核反應 15N(p,n)15O^{15}N(p, n)^{15}O 或 14N(d,n)15O^{14}N(d, n)^{15}O；半衰期約 2 分鐘（常用於腦血流測量，如 [15O]H2O[^{15}O]H_2O）。

臨床重要性

由於氧-15 (15O^{15}O) 半衰期極短，臨床上常將其製成放射性水 [15O]H2O[^{15}O]H_2O 或是氣態藥物用於定量測量局部腦血流量 (rCBF) 與心肌血流量。正因為其半衰期極度短暫，這類藥物完全無法進行長途商業運輸，必須在醫療機構內部自設的迴旋加速器與放射化學實驗室進行「即產即用」（on-site production），且通常藉由自動化管線直接連通至 PET 掃描室進行給藥。

參考資料

  1. The Radiopharmaceutical Chemistry of Nitrogen-13 and Oxygen-15 (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30891632/)
  2. Development of an Experimentally Validated MCNP6 Model for 11C Production via the 14N(p,α) Reaction (https://www.researchgate.net/publication/307166133_Development_of_an_Experimentally_Validated_MCNP6_Model_for_11_C_Production_via_the_14_Np_Reaction_Using_a_GE_PETtrace_Cyclotron)
  3. Synthesis of Oxygen-15 Water ([15O]H2O) (https://www.researchgate.net/publication/225890787_Synthesis_of_Oxygen-15_Water_15_OH_2_O)
  4. Fluorine-18 Radiochemistry, Labeling Strategies and Synthetic Routes (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bc500436d)
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