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在甲状腺癌的诊断方面，常用核素有锝-99m和碘-131。锝和碘属于同族元素，具有相似的特性，均可被甲状腺组织特异性地摄取和浓聚，从而达到显像的目的；不同点是锝-99m不参与甲状腺激素的合成。两者各有优缺点，锝-99m的半衰期较短，约为6小时，γ射线能量适中，为140千电子伏特，这些特性均适合进行常规的甲状腺显像；碘-131的半衰期偏长，约为8天，γ射线能量高，约为364千电子伏特，导致组织器官吸收剂量较高，从显像特性来看并不是很理想，但在寻找和定位功能性甲状腺癌复发转移灶方面却是不可替代的。PET显像用的核素氟-18，在甲状腺癌诊断方面也有独特的应用，主要用于血清Tg升高而碘-131显像阴性时寻找和定位不摄碘病灶。
在甲状腺癌的治疗方面，碘-131的应用已有80余年的历史，其疗效及安全性均得到了大量临床数据的证实。碘-131在衰变时除了发出γ射线外，还可以发出β射线，电离辐射作用强而穿透力弱，因此可以集中火力消融残余甲状腺组织或杀伤癌细胞，对周围正常组织影响较小。
对于不摄碘或虽摄碘但病情仍进展的甲状腺癌，其他治疗靶点的研发和诊疗一体化核素的应用正逐渐走向临床，如镓-68和镥-177等，可以为这些病情复杂难治的患者带来新的选择。
