第二章放射物理学5678

1、第二章：放射物理学（放疗学重点影像学只需了解）昆明医科大学第二附属医院放射治疗科物理师：罗富源 第一节、放射线物理特性放疗中常用的射线有：医用直线加速器产生的高能X线（放疗主要使用）、高能电子线，伽玛刀用的CO-60放射源的线，质子刀的质子线，中子加速器或放射源产生的中子线，其他重粒子线、原子的结构物质由分子和原子组成，分子又由原子组成原子由原子核和核外电子组成，原子核带+电（在原子中心），核外电子带-电（在原子外围）。原子符号ZAX，要理解（核外电子数）、（质量数）、（中子）的关系中子质量数核外电子数、了解电子从内层到外层规律、电磁辐射（电磁波）包含哪些：、线、光波、无线电波、紫外线、红外线

2、等、同位素是什么？活度单位（居里）？半衰期 ci（居里）.x1010Bq（贝克）5、光子（、线）物质的相互作用主要有三种：光电效应、康普顿效应（放射治疗主要用这个效应治疗）、电子对效应、射线的质、量、吸收剂量（戈瑞）、剂量当量，单位及表示，教材没有提，但学习放射治疗一定要知道这些，不然后面可能听不懂，有兴趣的同学可以自己去学习，这里就不花时间讲了。 特征辐射特征辐射：入射电子将原子内层轨道上的电子撞击出去，任一外层轨道上的电子，可立即填补这个空穴，其多余能量以光子的形式释放出来而产生特征辐射。 韧致辐射韧致辐射：入射电子穿过原子核附近，使原子核受激。当它退激发返回稳定状态时，其多余能量以X()

3、射线的形式放射出来，这种辐射称为韧致辐射。1、光电效应、光电效应：光子高速前进，在物质中与电子相撞，光子将全部能量用于击出电子，并赋予电子高速前进的动能，这种现象叫做光电效应。(光电效应主要发生在低kV级的 X线，骨吸收高于肌肉和脂肪)2 2、康普顿效应、康普顿效应：随着入射光子能量的增加 ( 200kV-2 MV)，光子与轨道上电子相撞，光子将部分能量转移给电子，使电子快速前进(反冲电子)，而光子本身则以减低之能量，改变方向，继续前进(散射光子)，这种现象叫做康普顿效应。 3 3、电子对效应、电子对效应：入射光子能量大于1.02MV时，光子可以与原子核相互作用，使入射光子的全部能量转化成为具

4、有一定能量的正电子和负电子，这就是电子对效应。 是指次级粒子径迹单位长度上的能量传递，即带电粒子传给其径迹物质上的能量。 常用单位：KeV/um LET分为两类：低LET射线 (X 、射线)，LET值10KeV/um；高LET射线 (快中子、负介子、重粒子)，LET值100KeV/um 辐射生物效应与LET值有重要关系。在相同吸收剂量下，射线LET值越大，其生物效应越大。X线特点：不管高能、中能、低能X线都具有穿透、电离、荧光、热和干涉、衍射，反射，折射等作用1、穿透作用：就是说穿透物质时不被吸收的能力，穿透能力强弱和能量大小、物质厚度、密度都有关。、电离作用：物质受到线照射时，核外电子被打出

5、脱离原子轨道，主要有三种表现方式光电、康普顿、电子对效应、荧光作用：也就是感光作用，射线打到物质上会有光，如打到胶片上会有不同的变化，很多放疗设备验证都用射线的这个特点，对剂量或准度校准。、热及干涉、衍射，反射，折射等作用，初、高中物理学过这里就不讲了。1、o60（不稳定）是一种人工放射源，用中子打在o59（稳定）产生的。2、能量：衰变产生1.17Mev,和1.33Mev两个能量的线，平均能量为1.25Mev。3、穿透力强，凡是射线都有穿透力4、保护皮肤，它的最大吸收剂量在皮下0.5cm处，意思就是皮下0.5cm能量开始释放，皮肤表面剂量很小。给同样的治疗剂量时CO-60引起的皮肤反应比普通X

6、线低的很多。如果治疗室在皮肤表面放置一层吸收体或填充物，它的这个优势就失去。因此在使用CO-60作为放射源治疗时必须保证铅块或准直器底端离开皮肤一定的距离（一般为15CM以上）。目的：使得最大剂量点不发生在皮肤上。5、对骨、软组织具有相等吸收剂量，主要是康普顿效应作用，照射时骨和软组织比低能X线吸收较少，起到保护避免损伤。原因：低能X线主要为光电效应为主，骨每单位剂量的吸收要比软组织大很多。CO-60主要为康普顿效应为主，使之在照射骨头组织时不会引起损伤；另个方面骨组织和软组织对线的吸收剂量相同。6、旁向散射小射线几何线束以外的旁向散射比普通X线小很多，剂量下降很快，因此保护了射野边缘外的正常

7、组织和降低了全身的积分剂量。但由于CO-60治疗或现用的伽玛刀在设备设计时，几何半影、穿射半影很大的话，这种优势就失去。准直器大小、形状，放射源的尺寸大小、准直器到皮肤的距离、源皮距（SSD）等等。 7、经济、可靠。o60半衰期为5.27年，一般可以用5-6年，换一次大约100-200万，而加速器的球管为100-150万一个，大约1年更换一次，如果病人量多或经常使用高压可能寿命更短。o60治疗机、伽玛刀、陀螺刀就是用o60放射源，结构简单，维护费比加速器便宜。加速器产生多档能量的高能电子线，一般为 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、高能电子线容易散射皮肤剂量相对较高，皮肤剂量随着能量增加而增加。2、由于容易散射，利用治疗时必须使用限光筒加以收集，加之射线打在限光筒出来的射线杂乱无章，有半影必须再配散射箔改变射线宽度，使之均匀方可利用，打到散射箔的电子线会产生无法使用的X线，叫X线污染，为了避免这些现象发生，现在生产的直线加速器工艺水平，功能都克服了，加多叶光（MLC），动态旋转、多级准直器等技术，这些东西都不是手工完成，是直线加速器设备里自带有的。现在时下用的3DCRT（三维适形）、IMRT（调强）、IGRT（图像引

9、导）、TOMO（断层放射治疗）3、高能电子束具有有限的射程，可以有效保护病变后的正常组织；4、随着电子束限光筒到患者皮肤距离的增加，射野的剂量均匀性迅速变劣、半影增宽；5、百分深度剂量随射野大小特别在射野较小时变化明显；6、不均匀组织对百分深度剂量影响显著；7、基于高能电子束的上述特点，单野并适当采用组织等效物，可满意地治疗表浅及偏位肿瘤和浸润的淋巴结放射治疗的最理想效果是给予肿瘤细胞根治剂量，而不损伤正常组织。然而，传统放射治疗技术所使用的X射线或射线在治疗肿瘤的同时，正常组织不可避免地损伤到，肿瘤无法得到根治性治疗。质子以其优越的物理特性，使肿瘤放射治疗效果基本达到了放射治疗的理想目标。1

10、 1、治愈率极高、治愈率极高传统放射治疗中的射线随机体组织的深入，能量逐渐衰减，而质子作为带正电荷的离子，以极高的速度进入人体，在体内与正常组织或细胞发生作用的机会极低，当到达癌细胞的特定部位时，速度突然降低并停止，释放最大能量，产生Bragg峰，将癌细胞杀死。2 2、副作用极小、副作用极小目前放射治疗技术虽在肿瘤治疗中已取得了明显的疗效，但由于X射线或射线是以指数形式衰减，其射程无法控制，所以对浅层组织和肿瘤后的正常组织损伤较大;而质子治疗时肿瘤前端的组织仅受到极小量的照射，对肿瘤后面和侧面的正常组织照射为零，几乎不会损伤正常组织。3 3、精确度极高、精确度极高由于质子的质量大，在物质内散射

11、少，在照射区周围只有很小的半影，减少了对周围正常组织的照射剂量，从而提供了肿瘤治疗的精确度。传统放疗射线无法控制射程，而质子射线可运用自动化技术认为控制其能量释放的方向、部位和射程，可将Bragg峰控制在肿瘤靶区的边界，实现“定向爆破”。4 4、穿透性能强。 质子束以高能高速进入人体，穿透力强，能量可以自由控制调节使射束达到人体组织任意深度。5、剂量分布好高辐射剂量集中于肿瘤部位，肿瘤后面与侧面的正常组织区域几乎无剂量分布，肿瘤前面的正常组织也仅有极小剂量。利于保护周边正常组织不受损伤。部剂量高。 Bragg峰的优越物理学特性使质子束在组织内局灶高能释放，对肿瘤及病变组织实施精确范围最大杀伤。

12、6、旁散射少,半影小。由于质子的质量大，在物质内散射少，在照射区周围只有很小的半影，因此减少了周边正常组织的照射剂量。 物理特点明显：较好的物理特性，Bragg峰作用 高RBE，低OER1、能量很大很难获得、设备太大，成本太高2、寿命时间短，自由中子是不稳定的粒子，可通过弱作用衰变为质子，放出一个电子和一个反中微子，平均寿命为896秒 3、中子的电中性让它不仅很难侦测，也很难被控制 4、主要用于核反应堆、核武器（中子弹），杀伤力强，贯穿作用很强杀伤力强，贯穿作用很强5 5、检测、探测用：中子探测器、检测、探测用：中子探测器1、和质子、高LET射线、中子一样具有很高的RBE（生物效应），低的OE

13、R（氧增强比）2、很难获得和控制3、防护要求很高，不适合临床需要两个慨念氧增强比（OER）：是指在缺氧条件下引起一定放射生物学效应所需辐射的剂量与有氧条件下引起同样生物学效应的所需辐射剂量的比值。相对生物效应（RBE）：是指要达到相同生物效应时的标准射线（250kv X射线）所用剂量和某种射线所用剂量的比值。一、放射线的临床运用原则(剂量4原则)要求：靶区剂量高、分布均匀、尽可能减少正常组织受照范围和剂量，保护正常组织在照射范围之内。好的放射治疗计划要达到以下几点：1、肿瘤治疗范围、处方剂量、设备精度要求准确2、治疗剂量分布要均匀，剂量梯度不超正负5%，也就是肿瘤靶区要求有90%的剂量打在上面

14、。3、尽量提高靶区内照射剂量4、保护肿瘤周围重要器官免受照射，至少不能超过允许的耐受照射剂量。1、放疗中要用到的相关名词放射源（S）：产生辐射的靶面中心（其实就是能产生射线，或不稳定的同位素）照射中心轴：放射源于穿过照射野中心的连线照射野：经准直器照射后，照射的范围。定义为：体模内50%等剂量线的延长线交于体模表面的区域定义为照射野大小。参考点：中心轴上任意一点作为剂量参考校准点：中心轴上指定任意一点作为剂量校准源皮距（SSD）：放射源到体模表面照射野中心的距离源轴距（SAD）：放射源到机架旋转轴或等中心点的距离源瘤距（STD）：放射源沿射野中心轴到肿瘤病灶中心的距离 能量剂量学名词粒子注量：

15、能量注量：X/线照射量：光子在单位质量dm空气中释放的所有次级电子 dQm，单位c.kg-1,用伦琴表示（R）X/线照射量率：照射量除于时间吸收剂量(D)：电离辐射向无限体积内授予的平均能量与该体积内物质的质量比 de dm,单位j. kg-1 ,专用名为戈瑞，符号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，现在部分医生还在使用吸收剂量率：吸收剂量除于时间比释动能（K）：不带电的电离粒子在质量为dm的介质中释放的全部带电粒子的初、始动能之和。K=dE/dm单位和吸收剂量一样单位j. kg-1 ,专用

16、名为戈瑞，符号Gy表示剂量当量：防护学上的定义参数，单位j. kg-1 专用名：希福特表示（Sv） 1 Sv=1 j. kg-1 日常说要挡住射线要用多少铅当量的玻璃，或有多大铅当量的防护以上只是常见在放疗中使用到的单位名词，以后接触在做解释，还有很多，这里就不一一列举。定义： 百分深度剂量百分深度剂量 ( (PDDPDD) )：模体内照射野中心轴上任意深度 d 处的吸收剂量Dd与参考点深度Dd0之比的百分数 PDD = Dd / DdPDD = Dd / Dd0 0100%100% 基本特性基本特性 曲线大致可分为四个区段：曲线大致可分为四个区段： 剂量建成区、剂量建成区、 高剂量坪区、高剂

17、量坪区、 剂量跌落区、剂量跌落区、 和和X X射线污染区射线污染区剂量建成区剂量建成区高剂量坪区高剂量坪区剂量跌落区剂量跌落区X射线污染区射线污染区（临床放疗时使用的射线能量主要为）建临床放疗时使用的射线能量主要为）建成效应：成效应：当高能光子入射到体模表面后，产生次级电子，通过电离和激发将能量沉积在稍远于它产生位置的径迹上，使电子的通量和吸收剂量由表面到深层呈递增累积过程，直至达到最大值。从表面到最大剂量深度区域称为剂量建成区。 组织深度的影响：在同一照射条件下，百分深度剂量在最大剂量点前，随深度的增加而增加；在最大剂量点后，随深度的增加，百分深度剂量逐渐减少。 射线能量的影响：同一深度，百

18、分深度剂量随射线能量的增加而增大。 照射面积的影响：照射面积增大，同一深度的百分深度剂量随之加大。(但受射线能量的影响) 源皮距的影响：不同的源皮距，PDD不同。 因为照射野对PDD有影响，所以要用到等效野，让射线质量更稳定更均匀。常用方法有：（1）、面积周长比（2）、圆形野等效法先学习几个知识点，半影是 CO-60特有的特点半影的定义：射野边缘剂量随离开中心轴距离增加而急剧变化的范围，用P90-10%或P80-20%表示。用CO-60放射源治疗时必须保证准直器到人体表面大于15Cm,才能保证皮肤不受损伤。1、 CO-60的半影有三种：几何半影几何半影：由于钴60放射源具有一定尺寸，射线被准直

19、器限束后，照射野边缘诸点受到剂量不均等的照射，造成剂量渐变分布。可以减少源的尺寸，但当减少到一定程度其活性受影响，故临床上可以延长源到准直器的距离穿射半影穿射半影：由于放射源线束穿过准直器端面厚度不等而造成的剂量渐变分布，这种半影消除方法是采用球面限光筒。散射半影散射半影：即或是点状源和球面限光筒，是几何，穿射半影消失。照射野边缘仍存在剂量渐变分布，这是由于组织中的散射线造成的。这种散射线随能量增高而减少，这种半影无法消除，始终存在。 注意：半影于照射面积大小无关2、 CO-60 PDD的特点A、一定的深度半影随照射野增大而增大B、皮下1cm处90%-10%剂量半影主要由散射半影造成，穿射半影

20、影响很小。C、拉长放射源到准直器的距离可以减小半影，但不是越长越好，越长散射越大，增加电子污染，导致肿瘤处剂量低，皮肤散射及量较大。现有常用的距离为15-39Cm1、百分深度剂量曲线高能电子线的百分深度剂量曲线分为：剂量建成区、高剂量坪区、低剂量区、X线污染区，剂量曲线特点：（1）表面剂量都在75%-80%以上，随能量增加而增加，深度到一定范围内剂量很快达到最高（2）高能电子线在剂量跌落时，后部会有长长的尾巴，叫X线污染2、电子线PDD的影像因素(1)能量：能量增加，表面剂量增加，高剂量坪区变宽，剂量梯度减小，X线污染增加。使用的能量范围为4-25Mev(2)射野：射野小时PDD随治疗深度增加

21、而迅速减小 射野大时PDD和射野加大无明显变化射野的界限为照射野直径为电子射程的一半（低能射野影响不大，高能射野影响较大）（3）源皮距（SSD）一般限光筒居皮肤表面为5cm。增大SSD时，表面剂量降低，最大剂量点深移，剂量梯度变陡，X线污染会增加（1）能量对电子束百分深度）能量对电子束百分深度剂量的影响剂量的影响 随着射线能量的增加，随着射线能量的增加， 表面剂量增加，表面剂量增加， 高剂量坪区变宽，高剂量坪区变宽， 剂量剃度减小，剂量剃度减小， X射线污染增加，射线污染增加， 临床剂量学优点逐渐消失临床剂量学优点逐渐消失。 （2）照射野对电子束百分深度剂量的影响）照射野对电子束百分深度剂量的

22、影响 一般条件下，当照射野的直径大于电子束射程的二分之一般条件下，当照射野的直径大于电子束射程的二分之一时，百分深度剂量随照射野增大而变化很小。一时，百分深度剂量随照射野增大而变化很小。 低能时，因射程较短，射野对百分深度剂量的影响较小；低能时，因射程较短，射野对百分深度剂量的影响较小； 对较高能量的电子线，因射程较长，使用较小的照射野对较高能量的电子线，因射程较长，使用较小的照射野时，因相当数量的电子被散射出照射野，中心轴上百分深时，因相当数量的电子被散射出照射野，中心轴上百分深度剂量随深度增加而迅速减小。度剂量随深度增加而迅速减小。 五、等剂量曲线分布五、等剂量曲线分布离轴比（OAR）慨念

23、：定义为照射野内任意一点的吸收剂量率与照射野中心轴上同一深度点的吸收剂量率的比值。 高能电子束等剂量分布的高能电子束等剂量分布的显著特点为：显著特点为： 随深度的增加，随深度的增加， 低值等剂量线向外侧扩张，低值等剂量线向外侧扩张， 高值等剂量线向内侧收缩，高值等剂量线向内侧收缩， 并随电子束能量而变化。并随电子束能量而变化。 例：表面射野为例：表面射野为7cm7cm7cm,7cm,模体下模体下3cm3cm深度处，深度处，90%90%等等剂量线的宽度仅有剂量线的宽度仅有4cm4cm左左右。右。内收内收外扩外扩电子线的物理半影： 平面内80%-20%等剂量曲线之间的距离。一般小于10Mev为10-12mm,能量10-20ev为8-10mm。半影随限光筒下端到体表距离的增大而增