第二章放射物理學(xué)5678

1、第二章：放射物理學(xué)（放療學(xué)重點(diǎn)影像學(xué)只需了解）昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院放射治療科物理師：羅富源 第一節(jié)、放射線物理特性放療中常用的射線有：醫(yī)用直線加速器產(chǎn)生的高能X線（放療主要使用）、高能電子線，伽瑪?shù)队玫腃O-60放射源的線，質(zhì)子刀的質(zhì)子線，中子加速器或放射源產(chǎn)生的中子線，其他重粒子線、原子的結(jié)構(gòu)物質(zhì)由分子和原子組成，分子又由原子組成原子由原子核和核外電子組成，原子核帶+電（在原子中心），核外電子帶-電（在原子外圍）。原子符號(hào)ZAX，要理解（核外電子數(shù)）、（質(zhì)量數(shù)）、（中子）的關(guān)系中子質(zhì)量數(shù)核外電子數(shù)、了解電子從內(nèi)層到外層規(guī)律、電磁輻射（電磁波）包含哪些：、線、光波、無(wú)線電波、紫外線、紅外線

2、等、同位素是什么？活度單位（居里）？半衰期 ci（居里）.x1010Bq（貝克）5、光子（、線）物質(zhì)的相互作用主要有三種：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)（放射治療主要用這個(gè)效應(yīng)治療）、電子對(duì)效應(yīng)、射線的質(zhì)、量、吸收劑量（戈瑞）、劑量當(dāng)量，單位及表示，教材沒(méi)有提，但學(xué)習(xí)放射治療一定要知道這些，不然后面可能聽(tīng)不懂，有興趣的同學(xué)可以自己去學(xué)習(xí)，這里就不花時(shí)間講了。 特征輻射特征輻射：入射電子將原子內(nèi)層軌道上的電子撞擊出去，任一外層軌道上的電子，可立即填補(bǔ)這個(gè)空穴，其多余能量以光子的形式釋放出來(lái)而產(chǎn)生特征輻射。 韌致輻射韌致輻射：入射電子穿過(guò)原子核附近，使原子核受激。當(dāng)它退激發(fā)返回穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其多余能量以X()

3、射線的形式放射出來(lái)，這種輻射稱為韌致輻射。1、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)：光子高速前進(jìn)，在物質(zhì)中與電子相撞，光子將全部能量用于擊出電子，并賦予電子高速前進(jìn)的動(dòng)能，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。(光電效應(yīng)主要發(fā)生在低kV級(jí)的 X線，骨吸收高于肌肉和脂肪)2 2、康普頓效應(yīng)、康普頓效應(yīng)：隨著入射光子能量的增加 ( 200kV-2 MV)，光子與軌道上電子相撞，光子將部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使電子快速前進(jìn)(反沖電子)，而光子本身則以減低之能量，改變方向，繼續(xù)前進(jìn)(散射光子)，這種現(xiàn)象叫做康普頓效應(yīng)。 3 3、電子對(duì)效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)：入射光子能量大于1.02MV時(shí)，光子可以與原子核相互作用，使入射光子的全部能量轉(zhuǎn)化成為具

4、有一定能量的正電子和負(fù)電子，這就是電子對(duì)效應(yīng)。 是指次級(jí)粒子徑跡單位長(zhǎng)度上的能量傳遞，即帶電粒子傳給其徑跡物質(zhì)上的能量。 常用單位：KeV/um LET分為兩類：低LET射線 (X 、射線)，LET值10KeV/um；高LET射線 (快中子、負(fù)介子、重粒子)，LET值100KeV/um 輻射生物效應(yīng)與LET值有重要關(guān)系。在相同吸收劑量下，射線LET值越大，其生物效應(yīng)越大。X線特點(diǎn)：不管高能、中能、低能X線都具有穿透、電離、熒光、熱和干涉、衍射，反射，折射等作用1、穿透作用：就是說(shuō)穿透物質(zhì)時(shí)不被吸收的能力，穿透能力強(qiáng)弱和能量大小、物質(zhì)厚度、密度都有關(guān)。、電離作用：物質(zhì)受到線照射時(shí)，核外電子被打出

5、脫離原子軌道，主要有三種表現(xiàn)方式光電、康普頓、電子對(duì)效應(yīng)、熒光作用：也就是感光作用，射線打到物質(zhì)上會(huì)有光，如打到膠片上會(huì)有不同的變化，很多放療設(shè)備驗(yàn)證都用射線的這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)劑量或準(zhǔn)度校準(zhǔn)。、熱及干涉、衍射，反射，折射等作用，初、高中物理學(xué)過(guò)這里就不講了。1、o60（不穩(wěn)定）是一種人工放射源，用中子打在o59（穩(wěn)定）產(chǎn)生的。2、能量：衰變產(chǎn)生1.17Mev,和1.33Mev兩個(gè)能量的線，平均能量為1.25Mev。3、穿透力強(qiáng)，凡是射線都有穿透力4、保護(hù)皮膚，它的最大吸收劑量在皮下0.5cm處，意思就是皮下0.5cm能量開始釋放，皮膚表面劑量很小。給同樣的治療劑量時(shí)CO-60引起的皮膚反應(yīng)比普通X

6、線低的很多。如果治療室在皮膚表面放置一層吸收體或填充物，它的這個(gè)優(yōu)勢(shì)就失去。因此在使用CO-60作為放射源治療時(shí)必須保證鉛塊或準(zhǔn)直器底端離開皮膚一定的距離（一般為15CM以上）。目的：使得最大劑量點(diǎn)不發(fā)生在皮膚上。5、對(duì)骨、軟組織具有相等吸收劑量，主要是康普頓效應(yīng)作用，照射時(shí)骨和軟組織比低能X線吸收較少，起到保護(hù)避免損傷。原因：低能X線主要為光電效應(yīng)為主，骨每單位劑量的吸收要比軟組織大很多。CO-60主要為康普頓效應(yīng)為主，使之在照射骨頭組織時(shí)不會(huì)引起損傷；另個(gè)方面骨組織和軟組織對(duì)線的吸收劑量相同。6、旁向散射小射線幾何線束以外的旁向散射比普通X線小很多，劑量下降很快，因此保護(hù)了射野邊緣外的正常

7、組織和降低了全身的積分劑量。但由于CO-60治療或現(xiàn)用的伽瑪?shù)对谠O(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，幾何半影、穿射半影很大的話，這種優(yōu)勢(shì)就失去。準(zhǔn)直器大小、形狀，放射源的尺寸大小、準(zhǔn)直器到皮膚的距離、源皮距（SSD）等等。 7、經(jīng)濟(jì)、可靠。o60半衰期為5.27年，一般可以用5-6年，換一次大約100-200萬(wàn)，而加速器的球管為100-150萬(wàn)一個(gè)，大約1年更換一次，如果病人量多或經(jīng)常使用高壓可能壽命更短。o60治療機(jī)、伽瑪?shù)?、陀螺刀就是用o60放射源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)比加速器便宜。加速器產(chǎn)生多檔能量的高能電子線，一般為 4 MeV 、6 MeV 、9 MeV 、12 MeV 、 16 MeV 、20 MeV 或 5

8、 MeV 、7 MeV、 10 MeV、 14 MeV、 16 MeV、 19 MeV、 22 MeV1、高能電子線容易散射皮膚劑量相對(duì)較高，皮膚劑量隨著能量增加而增加。2、由于容易散射，利用治療時(shí)必須使用限光筒加以收集，加之射線打在限光筒出來(lái)的射線雜亂無(wú)章，有半影必須再配散射箔改變射線寬度，使之均勻方可利用，打到散射箔的電子線會(huì)產(chǎn)生無(wú)法使用的X線，叫X線污染，為了避免這些現(xiàn)象發(fā)生，現(xiàn)在生產(chǎn)的直線加速器工藝水平，功能都克服了，加多葉光（MLC），動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)、多級(jí)準(zhǔn)直器等技術(shù)，這些東西都不是手工完成，是直線加速器設(shè)備里自帶有的。現(xiàn)在時(shí)下用的3DCRT（三維適形）、IMRT（調(diào)強(qiáng)）、IGRT（圖像引

9、導(dǎo)）、TOMO（斷層放射治療）3、高能電子束具有有限的射程，可以有效保護(hù)病變后的正常組織；4、隨著電子束限光筒到患者皮膚距離的增加，射野的劑量均勻性迅速變劣、半影增寬；5、百分深度劑量隨射野大小特別在射野較小時(shí)變化明顯；6、不均勻組織對(duì)百分深度劑量影響顯著；7、基于高能電子束的上述特點(diǎn)，單野并適當(dāng)采用組織等效物，可滿意地治療表淺及偏位腫瘤和浸潤(rùn)的淋巴結(jié)放射治療的最理想效果是給予腫瘤細(xì)胞根治劑量，而不損傷正常組織。然而，傳統(tǒng)放射治療技術(shù)所使用的X射線或射線在治療腫瘤的同時(shí)，正常組織不可避免地?fù)p傷到，腫瘤無(wú)法得到根治性治療。質(zhì)子以其優(yōu)越的物理特性，使腫瘤放射治療效果基本達(dá)到了放射治療的理想目標(biāo)。1

10、 1、治愈率極高、治愈率極高傳統(tǒng)放射治療中的射線隨機(jī)體組織的深入，能量逐漸衰減，而質(zhì)子作為帶正電荷的離子，以極高的速度進(jìn)入人體，在體內(nèi)與正常組織或細(xì)胞發(fā)生作用的機(jī)會(huì)極低，當(dāng)?shù)竭_(dá)癌細(xì)胞的特定部位時(shí)，速度突然降低并停止，釋放最大能量，產(chǎn)生Bragg峰，將癌細(xì)胞殺死。2 2、副作用極小、副作用極小目前放射治療技術(shù)雖在腫瘤治療中已取得了明顯的療效，但由于X射線或射線是以指數(shù)形式衰減，其射程無(wú)法控制，所以對(duì)淺層組織和腫瘤后的正常組織損傷較大;而質(zhì)子治療時(shí)腫瘤前端的組織僅受到極小量的照射，對(duì)腫瘤后面和側(cè)面的正常組織照射為零，幾乎不會(huì)損傷正常組織。3 3、精確度極高、精確度極高由于質(zhì)子的質(zhì)量大，在物質(zhì)內(nèi)散射

11、少，在照射區(qū)周圍只有很小的半影，減少了對(duì)周圍正常組織的照射劑量，從而提供了腫瘤治療的精確度。傳統(tǒng)放療射線無(wú)法控制射程，而質(zhì)子射線可運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)認(rèn)為控制其能量釋放的方向、部位和射程，可將Bragg峰控制在腫瘤靶區(qū)的邊界，實(shí)現(xiàn)“定向爆破”。4 4、穿透性能強(qiáng)。 質(zhì)子束以高能高速進(jìn)入人體，穿透力強(qiáng)，能量可以自由控制調(diào)節(jié)使射束達(dá)到人體組織任意深度。5、劑量分布好高輻射劑量集中于腫瘤部位，腫瘤后面與側(cè)面的正常組織區(qū)域幾乎無(wú)劑量分布，腫瘤前面的正常組織也僅有極小劑量。利于保護(hù)周邊正常組織不受損傷。部劑量高。 Bragg峰的優(yōu)越物理學(xué)特性使質(zhì)子束在組織內(nèi)局灶高能釋放，對(duì)腫瘤及病變組織實(shí)施精確范圍最大殺傷。

12、6、旁散射少,半影小。由于質(zhì)子的質(zhì)量大，在物質(zhì)內(nèi)散射少，在照射區(qū)周圍只有很小的半影，因此減少了周邊正常組織的照射劑量。 物理特點(diǎn)明顯：較好的物理特性，Bragg峰作用 高RBE，低OER1、能量很大很難獲得、設(shè)備太大，成本太高2、壽命時(shí)間短，自由中子是不穩(wěn)定的粒子，可通過(guò)弱作用衰變?yōu)橘|(zhì)子，放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，平均壽命為896秒 3、中子的電中性讓它不僅很難偵測(cè)，也很難被控制 4、主要用于核反應(yīng)堆、核武器（中子彈），殺傷力強(qiáng)，貫穿作用很強(qiáng)殺傷力強(qiáng)，貫穿作用很強(qiáng)5 5、檢測(cè)、探測(cè)用：中子探測(cè)器、檢測(cè)、探測(cè)用：中子探測(cè)器1、和質(zhì)子、高LET射線、中子一樣具有很高的RBE（生物效應(yīng)），低的OE

13、R（氧增強(qiáng)比）2、很難獲得和控制3、防護(hù)要求很高，不適合臨床需要兩個(gè)慨念氧增強(qiáng)比（OER）：是指在缺氧條件下引起一定放射生物學(xué)效應(yīng)所需輻射的劑量與有氧條件下引起同樣生物學(xué)效應(yīng)的所需輻射劑量的比值。相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）：是指要達(dá)到相同生物效應(yīng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)射線（250kv X射線）所用劑量和某種射線所用劑量的比值。一、放射線的臨床運(yùn)用原則(劑量4原則)要求：靶區(qū)劑量高、分布均勻、盡可能減少正常組織受照范圍和劑量，保護(hù)正常組織在照射范圍之內(nèi)。好的放射治療計(jì)劃要達(dá)到以下幾點(diǎn)：1、腫瘤治療范圍、處方劑量、設(shè)備精度要求準(zhǔn)確2、治療劑量分布要均勻，劑量梯度不超正負(fù)5%，也就是腫瘤靶區(qū)要求有90%的劑量打在上面

14、。3、盡量提高靶區(qū)內(nèi)照射劑量4、保護(hù)腫瘤周圍重要器官免受照射，至少不能超過(guò)允許的耐受照射劑量。1、放療中要用到的相關(guān)名詞放射源（S）：產(chǎn)生輻射的靶面中心（其實(shí)就是能產(chǎn)生射線，或不穩(wěn)定的同位素）照射中心軸：放射源于穿過(guò)照射野中心的連線照射野：經(jīng)準(zhǔn)直器照射后，照射的范圍。定義為：體模內(nèi)50%等劑量線的延長(zhǎng)線交于體模表面的區(qū)域定義為照射野大小。參考點(diǎn)：中心軸上任意一點(diǎn)作為劑量參考校準(zhǔn)點(diǎn)：中心軸上指定任意一點(diǎn)作為劑量校準(zhǔn)源皮距（SSD）：放射源到體模表面照射野中心的距離源軸距（SAD）：放射源到機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸或等中心點(diǎn)的距離源瘤距（STD）：放射源沿射野中心軸到腫瘤病灶中心的距離 能量劑量學(xué)名詞粒子注量：

15、能量注量：X/線照射量：光子在單位質(zhì)量dm空氣中釋放的所有次級(jí)電子 dQm，單位c.kg-1,用倫琴表示（R）X/線照射量率：照射量除于時(shí)間吸收劑量(D)：電離輻射向無(wú)限體積內(nèi)授予的平均能量與該體積內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量比 de dm,單位j. kg-1 ,專用名為戈瑞，符號(hào)Gy表示，即1 Gy=1 j. kg-1 ，1 Gy=100cGy, 1 Gy=100拉德，1cGy=1拉德，拉德是90年代以前的表示方法，現(xiàn)在部分醫(yī)生還在使用吸收劑量率：吸收劑量除于時(shí)間比釋動(dòng)能（K）：不帶電的電離粒子在質(zhì)量為dm的介質(zhì)中釋放的全部帶電粒子的初、始動(dòng)能之和。K=dE/dm單位和吸收劑量一樣單位j. kg-1 ,專用

16、名為戈瑞，符號(hào)Gy表示劑量當(dāng)量：防護(hù)學(xué)上的定義參數(shù)，單位j. kg-1 專用名：希福特表示（Sv） 1 Sv=1 j. kg-1 日常說(shuō)要擋住射線要用多少鉛當(dāng)量的玻璃，或有多大鉛當(dāng)量的防護(hù)以上只是常見(jiàn)在放療中使用到的單位名詞，以后接觸在做解釋，還有很多，這里就不一一列舉。定義： 百分深度劑量百分深度劑量 ( (PDDPDD) )：模體內(nèi)照射野中心軸上任意深度 d 處的吸收劑量Dd與參考點(diǎn)深度Dd0之比的百分?jǐn)?shù) PDD = Dd / DdPDD = Dd / Dd0 0100%100% 基本特性基本特性 曲線大致可分為四個(gè)區(qū)段：曲線大致可分為四個(gè)區(qū)段： 劑量建成區(qū)、劑量建成區(qū)、 高劑量坪區(qū)、高劑

17、量坪區(qū)、 劑量跌落區(qū)、劑量跌落區(qū)、 和和X X射線污染區(qū)射線污染區(qū)劑量建成區(qū)劑量建成區(qū)高劑量坪區(qū)高劑量坪區(qū)劑量跌落區(qū)劑量跌落區(qū)X射線污染區(qū)射線污染區(qū)（臨床放療時(shí)使用的射線能量主要為）建臨床放療時(shí)使用的射線能量主要為）建成效應(yīng)：成效應(yīng)：當(dāng)高能光子入射到體模表面后，產(chǎn)生次級(jí)電子，通過(guò)電離和激發(fā)將能量沉積在稍遠(yuǎn)于它產(chǎn)生位置的徑跡上，使電子的通量和吸收劑量由表面到深層呈遞增累積過(guò)程，直至達(dá)到最大值。從表面到最大劑量深度區(qū)域稱為劑量建成區(qū)。 組織深度的影響：在同一照射條件下，百分深度劑量在最大劑量點(diǎn)前，隨深度的增加而增加；在最大劑量點(diǎn)后，隨深度的增加，百分深度劑量逐漸減少。 射線能量的影響：同一深度，百

18、分深度劑量隨射線能量的增加而增大。 照射面積的影響：照射面積增大，同一深度的百分深度劑量隨之加大。(但受射線能量的影響) 源皮距的影響：不同的源皮距，PDD不同。 因?yàn)檎丈湟皩?duì)PDD有影響，所以要用到等效野，讓射線質(zhì)量更穩(wěn)定更均勻。常用方法有：（1）、面積周長(zhǎng)比（2）、圓形野等效法先學(xué)習(xí)幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)，半影是 CO-60特有的特點(diǎn)半影的定義：射野邊緣劑量隨離開中心軸距離增加而急劇變化的范圍，用P90-10%或P80-20%表示。用CO-60放射源治療時(shí)必須保證準(zhǔn)直器到人體表面大于15Cm,才能保證皮膚不受損傷。1、 CO-60的半影有三種：幾何半影幾何半影：由于鈷60放射源具有一定尺寸，射線被準(zhǔn)直

19、器限束后，照射野邊緣諸點(diǎn)受到劑量不均等的照射，造成劑量漸變分布?？梢詼p少源的尺寸，但當(dāng)減少到一定程度其活性受影響，故臨床上可以延長(zhǎng)源到準(zhǔn)直器的距離穿射半影穿射半影：由于放射源線束穿過(guò)準(zhǔn)直器端面厚度不等而造成的劑量漸變分布，這種半影消除方法是采用球面限光筒。散射半影散射半影：即或是點(diǎn)狀源和球面限光筒，是幾何，穿射半影消失。照射野邊緣仍存在劑量漸變分布，這是由于組織中的散射線造成的。這種散射線隨能量增高而減少，這種半影無(wú)法消除，始終存在。 注意：半影于照射面積大小無(wú)關(guān)2、 CO-60 PDD的特點(diǎn)A、一定的深度半影隨照射野增大而增大B、皮下1cm處90%-10%劑量半影主要由散射半影造成，穿射半影

20、影響很小。C、拉長(zhǎng)放射源到準(zhǔn)直器的距離可以減小半影，但不是越長(zhǎng)越好，越長(zhǎng)散射越大，增加電子污染，導(dǎo)致腫瘤處劑量低，皮膚散射及量較大?，F(xiàn)有常用的距離為15-39Cm1、百分深度劑量曲線高能電子線的百分深度劑量曲線分為：劑量建成區(qū)、高劑量坪區(qū)、低劑量區(qū)、X線污染區(qū)，劑量曲線特點(diǎn)：（1）表面劑量都在75%-80%以上，隨能量增加而增加，深度到一定范圍內(nèi)劑量很快達(dá)到最高（2）高能電子線在劑量跌落時(shí)，后部會(huì)有長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，叫X線污染2、電子線PDD的影像因素(1)能量：能量增加，表面劑量增加，高劑量坪區(qū)變寬，劑量梯度減小，X線污染增加。使用的能量范圍為4-25Mev(2)射野：射野小時(shí)PDD隨治療深度增加

21、而迅速減小 射野大時(shí)PDD和射野加大無(wú)明顯變化射野的界限為照射野直徑為電子射程的一半（低能射野影響不大，高能射野影響較大）（3）源皮距（SSD）一般限光筒居皮膚表面為5cm。增大SSD時(shí)，表面劑量降低，最大劑量點(diǎn)深移，劑量梯度變陡，X線污染會(huì)增加（1）能量對(duì)電子束百分深度）能量對(duì)電子束百分深度劑量的影響劑量的影響 隨著射線能量的增加，隨著射線能量的增加， 表面劑量增加，表面劑量增加， 高劑量坪區(qū)變寬，高劑量坪區(qū)變寬， 劑量剃度減小，劑量剃度減小， X射線污染增加，射線污染增加， 臨床劑量學(xué)優(yōu)點(diǎn)逐漸消失臨床劑量學(xué)優(yōu)點(diǎn)逐漸消失。 （2）照射野對(duì)電子束百分深度劑量的影響）照射野對(duì)電子束百分深度劑量的

22、影響 一般條件下，當(dāng)照射野的直徑大于電子束射程的二分之一般條件下，當(dāng)照射野的直徑大于電子束射程的二分之一時(shí)，百分深度劑量隨照射野增大而變化很小。一時(shí)，百分深度劑量隨照射野增大而變化很小。 低能時(shí)，因射程較短，射野對(duì)百分深度劑量的影響較?。坏湍軙r(shí)，因射程較短，射野對(duì)百分深度劑量的影響較?。?對(duì)較高能量的電子線，因射程較長(zhǎng)，使用較小的照射野對(duì)較高能量的電子線，因射程較長(zhǎng)，使用較小的照射野時(shí)，因相當(dāng)數(shù)量的電子被散射出照射野，中心軸上百分深時(shí)，因相當(dāng)數(shù)量的電子被散射出照射野，中心軸上百分深度劑量隨深度增加而迅速減小。度劑量隨深度增加而迅速減小。 五、等劑量曲線分布五、等劑量曲線分布離軸比（OAR）慨念

23、：定義為照射野內(nèi)任意一點(diǎn)的吸收劑量率與照射野中心軸上同一深度點(diǎn)的吸收劑量率的比值。 高能電子束等劑量分布的高能電子束等劑量分布的顯著特點(diǎn)為：顯著特點(diǎn)為： 隨深度的增加，隨深度的增加， 低值等劑量線向外側(cè)擴(kuò)張，低值等劑量線向外側(cè)擴(kuò)張， 高值等劑量線向內(nèi)側(cè)收縮，高值等劑量線向內(nèi)側(cè)收縮， 并隨電子束能量而變化。并隨電子束能量而變化。 例：表面射野為例：表面射野為7cm7cm7cm,7cm,模體下模體下3cm3cm深度處，深度處，90%90%等等劑量線的寬度僅有劑量線的寬度僅有4cm4cm左左右。右。內(nèi)收內(nèi)收外擴(kuò)外擴(kuò)電子線的物理半影： 平面內(nèi)80%-20%等劑量曲線之間的距離。一般小于10Mev為10-12mm,能量10-20ev為8-10mm。半影隨限光筒下端到體表距離的增大而增