De aller fleste radiofarmaka benyttet i nukleærmedisinen er diagnostika som benyttes i meget lav stoffmengde (2-20 nanomol = 10^-9 mol) og er således uten farmakologisk effekt. Radiofarmaka er likevel definert som legemidler, og må godkjennes av Statens legemiddelverk som andre legemidler. Ofte bruker man benevnelsen sporstoff om radiofarmaka til diagnostisk bruk. 

Et radiofarmakon er enten et radioaktivt grunnstoff som ¹³³Xe, en enkel radioaktiv forbindelse som ¹³¹I-natriumjodid eller et mer komplekst farmasøytisk preparat med en påkoblet radionuklide, som eksempelvis deoksiglukose påkoblet ¹⁸F (2-deoksi-2[18F]fluoro-D-glukose; FDG). Det overveiende flertall av radiofarmasøytiske preparater brukes til bildediagnostikk. En liten, men viktig andel benyttes til terapi, og det er da hovedsakelig partikkelstråling (f.eks. β- ved ¹³¹I og ¹⁷⁷Lu eller α ved ²²³Ra og ²²⁵Ac) som gir den terapeutiske effekt der det radiofarmasøytiske preparatet er tatt opp. Eksempler på radiofarmasøytiske legemidler for terapi er foruten ¹³¹I-NaI, ¹⁷⁷Lu-DOTATATE og ²²³RaCl₂. Det er vanlig å dele nukleærmedisinske undersøkelser inn i konvensjonell nukleærmedisin, hvor man benytter et gammakamera, og i positronemisjonstomografi (PET)-undersøkelser. De mest anvendte radiofarmaka i bruk i konvensjonell nukleærmedisin leveres som ikke-radioaktive preparater. De leveres gjerne som tørrstoff i sterilt hetteglass, og som tilsettes radionuklid i vandig løsning før bruk. Den vanligste radioaktive nukliden som tilsettes for tradisjonelle nukleærmedisinske avbildningsprosedyrer er ^99mTc. Denne radionukliden utvinnes på hver enkelt nukleærmedisinsk avdeling fra en ⁹⁹Mo/^99mTc-generator, og merking foregår på lokal «hot-lab». De vanligste radiofarmaka som benyttes til PET-undersøkelser er syklotronprodusert (f.eks. ¹⁸F, ¹¹C, ¹⁵O), mens ⁶⁸Ga utvinnes fra en ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga-generator. Sporstoff til PET-undersøkelser leveres ferdig merket fra spesiallaboratorium i Norge eller fra utlandet, eller produseres lokalt i høyspesialisert radiofarmasøytisk laboratorium (syklotronsenter).

Ved konvensjonelle nukleærmedisinske undersøkelser benyttes gammakamera med åpent gantry med ett, to eller tre kamerahoder. De fleste gammakamera kan foreta helkroppsavbildninger, enkeltbilder og dynamiske opptak, og i tillegg snittavbildning ved hjelp av computertomografi (singlefotonemisjonscomputertomografi: SPECT). Nyere gammakamera har i tillegg til et flerhodet kamera (oftest tohodet) kamera i et åpent gantry, en innebygget fullverdig CT. Det foreligger da et lukket gantrysystem (tunnel) med CT med ettohodet gammakamera montert foran gantry. Gammakamera med innbygget CT (SPECT/CT) foretar attenueringskorreksjon og bildefusjonering av SPECT og CT. Et SPECT/CT-system har høyere sensitivitet pga. attenueringskorreksjon, og det har høyere diagnostisk spesifisitet (nøyaktighet) sammenlignet med et vanlig SPECT-kamera pga. integrert CT for morfologisk korrelasjon av funn. «Arbeidshesten» på en nukleærmedisinsk avdeling er i dag SPECT/CT-kamera. Tradisjonelle gammakamera har scintillasjonsdetektorer hvor interaksjon mellom gammastråler og detektormaterialet resulterer i lysglimt (scintillasjon), som omformes til elektriske signaler. Nyere gammakamera har detektorer basert på halvledermateriale (eks. kadmium-sink-tellurid). Ved halvlederteknologi omdannes de radioaktive strålene som treffer detektoren direkte til elektriske impulser, altså ingen overføring via scintillasjon. I denne versjonen av Legemiddelhåndboka er derfor «scintigrafi erstattet» med «nukleærmedisinsk undersøkelse». Således skriver vi ikke «skjelettscintigrafi» eller «tyreoideasintigrafi», men «nukleærmedisinsk skjelettundersøkelse» og «nukleærmedisinsk tyreoideaundersøkelse». Dog bemerkes at begrepet «scintigrafi» er så godt innarbeidet klinisk (f.eks. skjelettscintigrafi, tyreoideascintigrafi) at det vil bli benyttet i mange år fremover.

PET-kamera har integrert fullverdig CT eller MR for attenueringskorreksjon, morfologisk og anatomisk korrelasjon, samt for morfologisk diagnostikk. Ved PET/CT benyttes oftest lavdose CT uten kontrast, men PET/CT kan også utføres med fulldose (diagnostisk) CT med intravenøs kontrast. Slike CT-undersøkelse med kontrast brukes rutinemessig f.eks. i stråleterapiplanlegging. I løpet av de senere år er også PET/MR tatt i klinisk bruk på flere nukleærmedisinske avdelinger i Norge. PET/CT med intravenøs kontrast og PET/MR har en logistisk fordel i form one-stop-shop, men viktigst er at nukleærmedisinere og radiologer tvinges til integrert tolkning av PET, CT og MR.

Mengde radioaktivitet måles i becquerel (Bq), hvor 1 Bq = 1 desintegrasjon/sekund. (37 MBq = 1 mCi. Ci = Curie). 1 MBq = 1 000 000 Bq.

Med stråledose mener man den mengde energi som deponeres per masseenhet i et materiale, eksempelvis biologisk vev, som følge av ekstern eller intern bestråling. Enheten for stråledose er gray (Gy), hvor 1 Gy = 1 J/kg. Noen typer stråling gir større biologisk effekt enn andre. Eksempelvis gir alfastråling 10–20 ganger høyere effekt i form av DNA skade per Gy enn beta-, gamma- og røntgenstråler.

Stråledose korrigert for stråletypen kalles ekvivalent dose (også kalt organdose) og beregnes ved å multiplisere stråledosen med en kvalitetsfaktor. For beta-, gamma- og røntgenstråling er denne kvalitetsfaktor = 1, mens den for alfastråling er 20. Enheten for ekvivalent dose er sievert som forkortes Sv.

Forskjellige typer vev har forskjellig strålefølsomhet, slik at grad av skade ved en gitt stråledose vil være avhengig av hvilken vevsstype som er bestrålt. Her er det viktig å skille mellom skader etter store stråledoser (hovedsakelig celledød) og latente skader som kan komme til uttrykk først mange år senere (f.eks. kreft). For å kunne sammenligne samlet risiko for kreftutvikling og genetisk skade etter en stråleeksponering benytter man målet effektiv dose (også kalt totaldose). Effektiv dose til et individ beregnes ved å ta hensyn til fordelingen av absorbert dose, strålekvalitet og forskjell i risiko for latent skade på forskjellige organer. Enheten for effektiv dose er også Sv. Selv om benevningen er lik for ekvivalent dose (organdose) og effektiv dose (totaldose) er størrelsen oftest høyst ulik. Eksempelvis vil en terapeutisk tilførsel av en aktivitet på 100 MBq ¹³¹I kunne gi en ekvivalent dose til tyreoideakjertelen på 50 Sv, mens den effektive dosen er 2,4 Sv. For øvrig bemerkes at det for angivelser av effektiv dose etter tilførsel av radioaktivt jod vanligvis er forutsatt en normal tyreoideakjertel.

Ved terapeutisk bruk av radiofarmaka er vevsødeleggelse tilsiktet. Ved diagnostisk bruk forekommer tilnærmet ingen vevsskade (beskrevet etter ekstravasal injeksjon av tallium, men tallium brukes ikke i Norge). Teoretisk senrisiko er stråleindusert kreft og genetisk skade. Stråleindusert genetisk skade er ikke påvist hos mennesker. Kreftutvikling har man kunnet påvise ved effektive doser over 50–500 mSv. Ingen diagnostiske nukleærmedisinske undersøkelser gir slike høy effektiv dose. Den gjennomsnittlige effektive dose ved tradisjonelle nukleærmedisinske undersøkelser er ca. 4 mSv. Ved SPECT/CT vil den inkluderte CT-undersøkelsen bidra til stråledosen. Den effektive dose for en kombinert FDG PET/CT utført med lavdose CT er ca. 12 mSv hos en voksen person. Dersom det utføres en integrert diagnostisk CT, vil stråledosen bli høyere. Strålebelastning må sammenlignes med den naturlige bakgrunnsstråling, som i Norge gir en effektiv dose på 3,5 mSv per år. Dosegrensen for yrkeseksponert personale er på 20 mSv per år.

Bivirkninger relatert til radiofarmasøytiske preparater brukt for diagnostikk er sjeldne, og de er gjerne av lett immunologisk eller uspesifikk natur. Hyppigst er hudreaksjoner, mens anafylaktoide reaksjoner praktisk talt ikke forekommer. Det foreligger noen rapporter på mulig alvorlig allergisk reaksjon etter injeksjon av makroaggregert albumin (MAA). Stråleindusert nekrose kan forekomme etter ekstravasal injeksjon av radiofarmasøytiske preparater gitt terapeutisk.

Forskjellige grader av bivirkninger i forbindelse med radionuklidterapi er vanlig. Se under de enkelte behandlingene.

Det er ingen absolutte kontraindikasjoner mot nukleærmedisinske undersøkelser. Pga. strålebelastningen bør man være restriktiv med undersøkelse hos gravide, ammende, unge voksne og barn. Radionuklidbehandling er generelt kontraindisert ved graviditet.

Når en ammende er til nukleærmedisinsk undersøkelse må ammingen oftest stoppes midlertidig. I denne perioden bør brystet pumpes for å sikre fortsatt melkeproduksjon og for å redusere stråledosen til det strålefølsomme brystvevet. Utpumpet melk kan lagres og strengt tatt brukes når den ikke lenger er radioaktiv, typisk 10 fysiske halveringstider for radionukliden, for 99mTc 60 timer. Tid før amming kan gjenopptas avhenger både av radionuklid og i hvilken grad det radiofarmasøytiske preparat skilles ut i melken.

Den internasjonale kommisjon for strålevern (International Commission on Radiological Protection, ICRP) anbefaler ikke stopp i amming etter injeksjon av FDG fordi utskillelsen av FDG i melk er meget lav. Derimot anbefaler de fleste at kontakt mellom mor og barn bør reduseres til et minimum i 12 timer etter FDG-injeksjon. Det anbefales at barnet ammes rett før injeksjon for å maksimere tid til neste amming.