放射源和放射治疗机

1、第四章放射源和放射治疗机第一节放射源的种类及其照射方式放射治疗用的放射源主要有三类：(1)放出a、3、丫射线的放射性同位素；(2)产生不同能量的X射线的X射线治疗机和各类加速器；(3)产生电子束、质子束、中子束、负兀介子束及其它重粒子束的各类加速器。基本的照射方式有两种：(1)位于体外一定距离，集中照射人体某一部位，称为体外远距离照射，简称外照射；(2)将放射源密封直接放入被治疗的组织内或放入人体天然腔内，如舌、鼻咽、食管、宫颈等部位进行照射，称为组织间照射和腔内照射，简称近距离照射。第一类放射源可以作为体内近距离、体外远距离两种照射；第二、三类放射源只能作体外照射用。近距离照射和体外照射相比

2、有四个区别：(1)近距离照射，其放射源活度较小(几个mCi1001),而且治疗距离较短(5mmr5cm);(2)体外照射，其放射线的能量大部分被准直器、限束器等屏蔽，只有少部分到达组织。近距离照射则相反，其放射线的能量大部分被组织吸收；(3)体外照射，其放射线必须经过皮肤和正常组织才能到达肿瘤，肿瘤剂量受到皮肤和正常组织耐受剂量的限制，为了得到高的均匀的肿瘤剂量，需要选择不同能量的射线和采用多野照射技术。(4)由于受距离平方反比定律的影响，在腔内组织间近距离照射中，离放射源近的组织剂量相当高，离放射源远的组织剂量较低，因此其靶区剂量分布的均匀性远比体外照射的差，临床应用必须慎重，防止靶区内有剂

3、量过高或过低的情况发生。第二节近距离治疗用放射性同位素源放射性同位素放射“、3、丫三种射线，其中3、丫射线是放射治疗主要使用的两种，且丫射线的应用多于3射线。除镭外，放疗中使用的放射性同位素均为人工放射性同位素，而且除钻-60和葩-137外，所有这些同位素只用于近距离照射。一、镭-226源镭-226是一种天然的放射性同位素，它不断衰变为放射性气体氢。其半衰期为1590年，临床应用的镭是它的硫酸盐，封在各种形状的钳钺合金封套内。1毫克镭经0.5毫米钳钺过虑后，距离镭源1cm处每小时的照射量是8.5R。其能谱复杂，平均能量为0.83MeV。由于镭的获得困难，放射性强度低，只能作近距离照射。长期以来

4、，镭一直用作内照射。但由于其半衰期过长，衰变过程中产生氢气，若氢气逸出会造成环境污染，且其射线最高能量可达3.8MeV,需要厚的防护层等缺点，所以在医学上逐渐被钻-60、葩-137等人工放射性同位素代替。二、葩-137源葩-137是人工放射性同位素，其能量为单能，为0.662MeV,半衰期为33年。距1mCi葩-137源1cm处，每小时照射量为3.26R。因此，1mCi葩-137相当于0.4毫克镭当量。葩-137在组织内具有镭相同的穿透能力和类似的剂量分布，其物理特点和防护方面比镭优越，是取代镭的最好同位素。葩-137是从核反应堆的副产物中经过提纯和加工后得到的，其化学提纯存在两个问题：(1)

5、放射性比活度不能做得太高，所以很少用作远距离治疗机的放射源，只能做成柱状或球状放射源用于中低剂量率的腔内照射。(2)葩-137中混有葩-134同位素，葩-134的能谱复杂，半衰期短，使得葩-137的剂量计算比较困难。三、钻-60源钻-60也是一种人工放射性同位素，其半衰期为5.24年。其放出两种能量的丫射线分别为1.17MeV和1.33MeV,因此丫射线的平均能量为1.25MeVo在组织内的剂量分布也与镭源相似，可以作为镭源的替代物，制成钻针、钻管等。由于其放射性活度高，而且容易得到，因此在作近距离照射时，多用作高剂量率的腔内照射。四、钺-192源钺-192源是一种人工放射性同位素，它是钺-1

6、91在核反应堆中经热中子照射轰击而生成的不稳定的放射性同位素，其能谱比较复杂，平均能量为360KeM由于钺-192的丫射线能量范围使其在水中的指数衰减率恰好被散射建成所补偿，在距离5cm的范围内任意点的剂量率与距离平方的乘积近似不变。此外钺-192的粒状源可以做得很小，使其点源的等效性好，便于计算。半衰期为74.5d,故钺-192源是较好的放射源，主要用于高剂量率的腔内照射和组织间插植。距1mCi的钺-192源1cm处的每小时照射量为4.9R,钺-192源的半价层为24mmpb是较容易防护的放射源。五、碘-125源碘-125,半衰期59.6d,射线能量2735KeV,平均能量28keV,半价层

7、为0.025mmPb由于其丫射线的能量较低，适用于插植治疗。通常做成粒状源，用于高、低剂量率的临时性或永久性插植治疗。其与钺-192源相比，其缺点是制备粒源需要特定设备、价格比钺-192源贵，而且其剂量分布明显依赖于被插植组织的结构。组织的不均匀性将显著影响碘-125插植时的剂量分，表明此时用常规治疗计划系统计算得到的结果将不可靠，因为常规治疗计划系统是假定组织为均一水样。六、近距离治疗用放射源的比较常规和新近发展的近距离治疗用放射源，按其物理特性，能量可分为200keV2MeV60keV200keV、及小于等于50keV三段。(1) 200keV2MeV能量段：所有同位素均为镭的替代同位素，

8、其物理特征是剂量率常数基本不变，不随能量和组织结构的影响；在5cm范围内，剂量分布基本遵守平方反比定律。但半价层随能量降低显著减小。镭疗所建立的剂量学体系可移植到此能量段的同位素。(2) 60200keV能量段：射线与生物组织的相互作用基本上是服从康普顿弹性散射规律，而散射光子的建成基本上补偿了原射线在组织中的衰减，剂量率常数随能量和组织结构变化。(3)低于40keV以下，光电效应占主要地位，剂量率常数随射线能量和组织结构的变化更大，射线的生物效应对能量的依赖性提示我们，镭疗及其镭的替代核素在临床上积累得经验即组织剂量效应数据，不能直接用于这些低能的同位素治疗，同时相应的治疗计划系统应使用相应

9、的剂量计算模型。第三节X射线治疗机一、X射线的产生及其能谱高速电子撞击靶物质时，产生碰撞和辐射两种损失，前者主要是产生热，后者主要是产生X射线。二者之比为：碰撞损失800MeV辐射损失-T|_Z式中T是高速运动的电子的动能（MeV）;Z是靶物质的原子序数。由上式可知，对于250KV的低能X射线治疗机，假定靶为鸨靶，其原子序数为74,由于电子的动能（T=250keV=0.25MeV）很小，辐射损失只占电子能量损失的2%,绝大部分的电子能量（98%）以热量的形式出现，所以一般低能X射线治疗机要有靶的冷却装置。相反对于能量较高的加速器产生的X射线，由于电子的动能很高，电子能量的大部分产生X射线，只有

10、小部分产生热，所以高能电子加速器一般不需要冷却装置。X射线的能谱是指X射线的光子强度随光子能量变化的关系。图47X忖建黄髻从图中可以看出，X射线有两种成分：特征辐射和物致辐射。物致辐射形式的能谱是连续的，是X射线谱中的主要成分，自最大能量以下，在任一能量范围内，光子均有一定强度，而在某些特定能量处最大。X线管的加速电压越高，线谱越向高能方向移动，对治疗越有利。但增加管电压总是有困难的，因此为了获得满意的能谱分布，往往要加些过滤，把低能成分去掉。临床用的X射线机根据能量高低分：临界X射线（610kV）、接触X射线（1060kV）、浅层X射线（60160kV）、深部X射线（180400kV）、高压

11、X射线（400kV1MV以及高能X射线（250MV,高能X射线主要是由各种形式的加速器产生。低能X射线机与钻-60、加速器相比，主要缺点是：百分深度剂量低、能量低、易于散射、剂量分布差等，因此其逐渐被取代。二、X射线质的改进过滤板的作用从X射线治疗机中产生的X射线有从零到峰值（X射线机管电压）的一系列能量，而低能部分对治疗是毫无用处的，且容易产生高的皮肤剂量。为了适应治疗需要，必须对X射线的能谱进行改进，设法去掉低能部分，而保留较高能量的X射线，过滤板可以起到这样的作用。选择合适的过滤板使其对低能部分比高能部分吸收的多，这样改进后的X射线比原来的平均能量要高，即半径层高。使用过滤板时，应注意的

12、几点：（1）不同的X射线能量范围用不同的过滤板，140kV以下的用铝，140kV以上的用铜或铜加铝或用复合滤过。（2）同一管电压的X射线，过滤板不同，所得X射线的半价层不同。（3）使用复合过滤板时，应注意放置次序，沿射线方向，先放原子序数大的，后放原子序数小的。这样放置的目的是为了滤掉滤板本身产生的特征谱线，同时也达到滤掉低能部分的目的。（4）从理论上讲，滤过越多，谱线分布对治疗越好，但过多的滤过会使X射线强度大大降低，不合算，因此必须综合考虑。三、X射线机的一般构造X射线机是产生X射线的机器，那么产生X射线的一般条件是什么？主要是：电子源、靶、真空盒、加速电场。(1)X射线球管里包括阳极靶和

13、阴极灯丝。真空度为10610,Torr(ITorr=13Pa)。抽真空的目的是为了避免电子在打击靶前与空气作用，损失能量。如果真空被破坏，则XJV/嘲射线管被破坏。使用时应注意不要一开机就突然加到高kv,高mA而要从低到高逐渐上升。T中川二一(2)阳极是由粗而大的铜棒和小鸨靶组成。鸨的原子序数kV大，熔点高，作X射线靶很合适。铜散热快，能及时将靶上的,：，!热带走。(3)用鸨丝作灯丝，发射电子能力强。(4)X射线机的阳极加几百kV的高压作为电子的加速电场，它代表X射线的峰值能量。第四节钻-60治疗机1951年，加拿大建成第一台钻-60远距离治疗机。目前，我国已能批量生产性能较好的旋转式钻-60

14、治疗机。一、钻-60丫射线的特点钻-60丫射线的平均能量为1.25MeV,和一般的深部X射线机(200400kV)相比，除能量高外还具有以下优点：(1)穿透力强。高能射线通过吸收介质时的衰减率比低能X射线低。因此高能射线剂量随深度的变化比低能X射线慢，即比低能X射线有较高的百分深度剂量，由于百分深度剂量高，所以在治疗时，其射野设计比低能X射线简单，剂量分布也比较均匀。(2)保护皮肤。当给予同样的肿瘤剂量时，钻-60引起的皮肤反应比低能X射线轻得多。其最大能量吸收发生在皮肤下45mm深度，因而其皮肤剂量相对较小。如果为了保护在皮肤，而在其表面放一薄层吸收体，则其保护皮肤的优点反而会失去。(3)骨

15、和软组织有同等的吸收剂量。低能X射线，由于光电吸收占主要优势(光电效应的质量衰减系数与光子能量的三次方成反比，与靶物质的原子序数的33.8次方成正比)，骨中每伦琴剂量吸收比软组织大得多。而对钻-60丫射线，康普顿吸收占主要优势(康普顿效应的质量衰减系数和质能转移系数与原子序数近似无关)，因此在同等条件下骨和软组织吸收的剂量近似相同。(4)旁向散射小。钻-60丫射线的次级射线主要是向前散射，射线几何线束以外的旁向散射比X射线小的多，剂量下降很快。因此保护了射野边缘外的正常组织和减低了全身的积分剂量。(5)经济、可靠、结构简单、维护方便等。是我国目前放射治疗中的主要设备。二、钻-60治疗机的一般结

16、构一般由以下部分组成：一个密封的钻-60放射源；一个源容器及防护机头；具有开关的遮线器装置；具有定向限束的准直器；支持机头的治疗架，用以调节线束方向；治疗床；计时器和运动控制系统；辐射安全及联锁系统。与结构有关的几个问题：(1)钻-60源防护。根据ICRP推荐，任何远距离钻-60治疗机，当钻-60源处于关闭位置时，距源1m处，各方向的平均照射量应小于2mR/h,且不应有超过10mR/h的地方。根据这个要求，对于千居里级的钻-60治疗机，防护需要将其衰减到10-6或近似20个半价层。通常源容器用鸨或铀合金，源容器周围用铅，外面用钢作套。2宴成到15X10所需材料JF度勃料HVLfcm)厚度Sa)

17、乾电0瞥台金b020.518.5恸k&G13.E表4-22300Ci钻-60源衰减到1.5X10-6所需的材料厚度(2)遮线器。截断钻-60丫射线的装置。遮线器处于开启位置时，射线束通过一定方向射出进行治疗;当处于关闭位置时，射线束被截断，只有少部分射线漏出。图44留-钝治疗机遮线制的甲美图4-6钻-60治疗机遮线器的种类(3)准直器系统。目的是限定照射野大小以适应治疗需要。根据ICRP推荐，准直器的厚度应使漏出的射线量不超过有用照射量的5%,也就是要求准直器的厚度不低于4.5个半价层，对钻-60丫射线来说,铅的半径层HVL1.27cm,故用铅做成的准直器应不低于4.5X1.27=5.7cm,

18、一般取6cm=实际治疗机中，多数准直器厚度比此厚度大，使漏射线剂量不超过有用剂量的1%,以减少穿射半影。334-7黠-6。治疗机加式准直界1清毕爵岐图4-7钻-60治疗机复式准直器(消半影装置)三、钻-60半影半影(penumbra):射野边缘剂量随离开中心轴距离的增加而急剧变化的范围。临床上有三种原因造成钻-60治疗机有半影。图4-8三类半影的产生及剂量分布(1)几何半影囱4I三美耶七的严世乂前加分布由于源具有一定尺寸，射线被准直器限束后，射野边缘诸点分别受到面积不等的源的照射，造成剂量由高到低的渐变分布。要消除这类半影，只有减少源的尺寸，但当减少到一定尺寸时源的活度受到影响，故临床上治疗病

19、人时，可以采用延长源到准直器的距离这一方法。（2）穿射半影即使是点状源，由于准直器端面与线束边缘不平行，使线束穿透厚度不等，造成剂量渐变分布。显然，使用球面聚焦式准直器（球面限光筒）原则上可以消除穿射半影。（3）散射半影即使是用点状源和球面准直器使几何半影和穿射半影“消失”，组织内照射射野的边缘仍存在剂量的渐变分布，这主要是由于组织中的散射线造成的。到达边缘的散射线，主要是由射野内的散射线造成的。显然，边缘的散射线的总量总是低于射野内任意一点的散射线的量，而且射野边缘离射野中心越远，散射线剂量越少。因此，组织中的散射半影是无法消除的，但会随入射射线的能量增大而减少。高能X射线或丫射线，散射线主

20、要是向前的，散射半影小；低能X射线，散射线呈各向同性，散射半影较大。由于上述三种原因，造成照射射野边缘剂量分布不均匀，临床上应设法尽量减少半影。目前新型的钻-60治疗机均带有半影消除装置的复式球面形准直器（图4-7）。消除了穿射半影，几何半影也明显减少。综上所述，半影即依赖于机器的设计，又依赖于射线的能量。图4-10给出了ElderadoA型钻-60治疗机，皮下1cm处，90%剂量至10%剂量半影随射野面积的变化，因几何半影与射野面积无关，因此，变化量主要是由散射半影造成的，其中有少部分由穿射半影造成。对给定的射野，半影随深度的增加而增加。图4-11给出了TheratronB型和Elderad

21、oA型钻-60治疗机，半影随深度变化的情况。可以看出，源至准直器的距离越远，半影越小。四、钻-60源更换钻-60源因不断衰变，放射性活度不断减小，使得患者的治疗时间越来越长，所以一段时间后，需要更换新源。换源需要在专业技术人员指导下进行。换源时，特别注意新源的规格要与旧源的相近，特别是源的直径至少要等于或小于旧源的直径。新源换上后，需要重新确定剂量学参数，主要是源的输出剂量测量、射野平坦度和对称性测定、半影的测定等，同时注意机器本身（特别是机头）的防护检查，获得实际参数后方可交付临床使用。第五节医用电子加速器三、电子直线加速器（一）加速原理电子直线加速器是采用微波电场把电子加速到高能的装置。一

22、般使用的频率3000MHz（波长为10cm）,因此，其加速管实际上是一个微波波导管。波导管由一组圆柱形的谐振腔组成谐振腔组成，每个谐振腔的直径为10cm,长度为2.5cm5cm=建立的电磁场为TM010波，电场沿轴向分布，磁场沿横向分布。一*增设川。，及KMS射貌电/螳如亶营中恒速地审曲型支t1可注加为就基也1恚图4-15射频电子直线加速器中加速电场的建立E4-H射才电子速转值WIB1N淖“攀图4-16射频电子直线加速器加速原理（1）行波加速图14-16,假设有一电子e在t1时刻处于A点，电子正好处于电场加速力的作用下，开始向前运动。至t2时刻电子到达B点，此时由于电波也“向前”移动（实际上是

23、电场在各点的幅值随时间的变化），电子在t2时刻，正好又处于加速电场的作用下。如果波的移动速度和电子的运动速度一致，那么电子将持续受到电场的加速。但由于这种波的传播速度（相速度）大于光束，即永远大于电子的运动速度，为此必须将波速减慢。在波导管内加上许多圆盘状光栏，改变圆盘间的距离可以改变波的传播速度（相速度）。这种以圆盘光栏为负荷来减慢行波相速的波导管称为“盘荷波导管”。在开始阶段，由于电子的速度较小，因此间距小些，使波的传播速度慢些，随着电子速度的增加，慢慢增加间距，使波速也随之加快并到达光速，之后保持间距不变。这种波称为行波，利用这种波加速电子的加速器称为行波电子直线加速器。（2）驻波加速适

24、当调节反射波的相位和速度，可以产生驻波。利用驻波来加速电子的直线加速器称为驻波电子直线加速器。t1时刻电子受到电场的作用向前加速运动；t2时刻电场处处为零，电子此时并不加速；t3时刻电场正好反向，但电子已经运动到它的后半周，又处于加速电场作用下得到加速；t4时刻电场由反向恢复到零，电子不被加速。在t1和t2时刻之间，由于电场由正向零变化（即幅值变小）而相位不变，此时位于t1,t2间的电子仍然受着加速场的作用而累增其能量，在其它时刻的电子也与此类似。由图4-16（b）可看出，有一半腔实际上在所有时间内电场为零，因此可认为它起耦合和输送微波功率的作用，称为耦合腔。另一半起加速作用的腔称为加速腔。由

25、J：劝假含11找林差I*给和汇息期上空W系浣二1】均噌，这种加速器由于利用了行波的反射波，因此功率消耗比行波的要小，所以得到同样能量的加速器其长度可以进一步缩短，这在医疗上是理想的，因此近年来有较大的发展，但其制造工艺较复杂，成本较高。自趾除摩善蒙洲*】占底用苛旋电手孤加速生循出框翱工作原理：脉冲调制器从外部电源获得能量并转换为脉冲宽度为几微秒、电压几十千伏的脉冲，同时加到磁控制管（或速调管）和电子枪。电子枪中的电子经阳极和阴极间的脉冲负高压（45kV左右）的作用进入加速管。与此同时，磁控管或速调管经波导管将高功率的微波送入加速管，电子束被加速到所需要的能量后，经过偏转磁铁偏转，直接引出（电子

26、束治疗）或打靶（X射线治疗）。治疗头包括一系列与X射线治疗机或电子束治疗有关的重要附属设备。对X射线治疗，需要在射线路径上加均整器；对电子束治疗，则换成散射片，以分别扩大和均匀X射线和电子束的射野。输出剂量由薄壁穿射电离室监测，其优点可以减少电子束中的X射线污染和能量损失。（二）X射线、电子束的能量目前市场上主要有三种机型：低能单光子（46MV直线加速器、低能单光子（6MV带电子束直线加速器和（中）高能单（双）光子带电子束直线加速器。临床经验证明，约80%的深部肿瘤6MVX射线可满足要求，因此6MVX射线低能直线加速器仍将是今后肿瘤放射治疗的主流机器，而对某些较深部位（如腹部）的肿瘤，使用较高能量的X射线（如1618MS仍有一定优点。因高能电子束的物理特点适合