医学物理 电离辐射及其医学应用课件

第八章电离辐射及其医学应用第一节电离辐射基础物理学第二节电离辐射与物质的相互作用第三节电离辐射的生物效应8.3.6相关计量概念(1)依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射两大类电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量而无静止质量，频率由低到高分为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线等。如:粒子、粒子、内转换电子、俄歇电子、中子、质子、重离子等。粒子辐射既有能量,又有静止质量

辐射的分类：(1)依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射。(2)依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。(2)依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。非电离辐射不引起物质电离，只引起分子能级改变，电离辐射则引起物质电离，直接电离：粒子、粒子、电子、质子、重离子等。间接电离：X射线、射线、中子。包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等。第一节电离辐射基础物理学电离辐射产生过程：(1)非核过程，(2)核过程。(1)非核过程核外电子碰撞过程(例如X射线)，或电离后加速输出(例如电子束、质子束、重离子束)。(2)核过程与原子核本身密切相关，产生于核反应或核衰变

(例如射线、中子束、射线、射线)。8.1.1基于非核过程的电离辐射一、X射线(1)X射线发生装置普通X射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场和阳靶。碰撞损失热量辐射损失X射线T:高速电子动能(~100keV)Z:靶原子序数(W74,Mo42)(2)X射线的强度和硬度X射线的强度(intensity)是指单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积的辐射总能量。强度调节：X射线的硬度(hardness)是指X射线的贯穿本领。硬度调节：调节管电压，千伏率。(1)调节管电压，(2)调节管电流，毫安率。表8-1X射线按硬度的分类和用途名称管电压/kV最短波长/nm主要用途极软X射线软X射线硬X射线极硬X射线5~2020~100100~250250以上0.25~0.0620.063~0.0120.012~0.0050.005以下组织摄影,表皮治疗透视和摄影较深组织治疗深部组织治疗(b)X射线标识谱原子壳层结构模型X射线标识谱的特征与阳靶材料有关，与管电压无关。8.1.2基于核过程的电离辐射基于核衰变:射线、粒子、粒子、俄歇电子等。一、原子、原子核与放射性1.质子和中子核素:具有相同质子数Z、中子数N的同一类原子核，同质异能素:Z同A同,能态不同,同位素:Z同,如:2.电子电子及“轨道”基于核反应:快中子束、-介子束等。如(1)衰变(decay)放射性核素放射出射线(即粒子)的衰变过程。射线就是高速运动的24He原子核。衰变方程:衰变包括：-衰变、+衰变和轨道电子俘获。(2)衰变(decay)①

-衰变②

+衰变③轨道电子俘获(EC)湮灭(3)跃迁与内转换电子①

跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态直至基态，发射出射线。②

内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子，使该电子脱离原子束缚成为自由电子。｛

射线占89%内转换占11%(4)俄歇电子在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核外内层电子轨道出现空穴，当高能级(外壳层)的电子跃迁至低能级(内壳层)时，把多余的能量直接转移给同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨道成为自由电子—俄歇电子。二、放射性衰变基础概念1.半衰期N=N0e-t半衰期:放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。T1/2=ln2/=0.693/平均寿命:=1/=T1/2/ln22.放射性活度一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔。A=-dN/dt=N=N0e-t=A0e-t单位:1Bq=1s-1,1Ci=3.71010Bq

常用单位：mCi、Ci-dN=Ndt三、核反应1.核反应概念核反应是原子核与粒子、质子、中子、重离子等粒子相互作用引起的变化。2.核反应类型(1)中子核反应[(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)]

(2)质子核反应[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)]

(3)离子核反应[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)](4)光核反应[(,n)、(,d)、(,)]核反应方程简写：X表示靶核，a入射粒子，b出射粒子，Y剩余核2.粒子粒子用于治疗包括近距离放射治疗和核医学中的体内药物治疗。常用的放射性核素有32P,89Sr,90Y,131I,153Sm,186Re等等。基本上均通过反应堆制备。3.粒子释放粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。4.中子束①

快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应；质子和铍(p+Be)的核反应。②超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的快中子慢化成为超热中子。第二节电离辐射与物质的相互作用8.2.1X射线、射线与物质的相互作用作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应一、光电效应出射光电子能量=入射光子能量-电子结合能光电效应是低能X射线、射线与物质相互作用的主要机制。X射线、射线撞击一个原子内层轨道电子时，其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出，而X射线、射线本身消失，这种过程称为光电效应。三、电子对效应当高能量(大于1.022MeV)的X射线或射线通过物质时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。E+

+E-

=E0-2mec2E0=2mec2+E++E-四、物质对X射线的吸收规律当X射线通过物质时，与物质的原子发生以上三种相互作用，X射线的能量降低，强度随着X射线深入物质的程度而减弱，这种现象叫做物质对X射线的吸收。朗伯—比尔定律I=I0exp(-L)(1)

线性吸收系数(2)半价层=KZ43L1/2=ln2/(3)质量吸收系数和质量半价层m=/Lm=LI=I0exp(-mLm

)8.2.4中子与物质的相互作用(2)中子与物质的相互作用散射核反应：弹性散射&非弹性散射(1)中子分类慢中子(0~1keV)、中能中子(1keV~500keV)、快中子(0.5MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。慢中子:又可分为热中子(平均能量0.025eV)、超热中子(能量1~10eV)、共振中子(1eV~1keV)。(a)弹性散射中子损失的能量与相互作用原子核的质量有关。原子核质量越小，获得能量越大。通常采用含氢的水、含氘的重水、石墨或有机化合物作为中子的慢化剂。中子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。(b)非弹性散射非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。(c)中子核反应慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应,(n,)反应。快中子主要发生散射，其次诱发(n,),(n,p),(n,)。高能中子则除以上反应外，还可能发生(n,2n)反应。中子活化分析:中子俘获反应产生放射性物质的性质可用于定性及定量检测微量或痕量元素，应用范围：环境、地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。(d)医学应用(i)中子活化分析——痕量金属元素检测。(ii)中子刀利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中子射线近距杀死癌细胞．中子射线的生物作用比X、射线强2~8倍，适用于敏感性较差的肿瘤或复发性肿瘤．(iii)硼中子俘获疗法把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能迅速浓聚于病灶部分，此时用超热中子射线照射，可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死肿瘤细胞而不损伤周围组织．该疗法被认为是目前治疗脑胶质瘤的最好方法．8.3.6相关计量概念一、照射量X射线或射线在质量为dm的空气中释放出来的全部电子完全被空气阻止时，在空气中产生任一种符号的离子总电荷的绝对值dQ除以dm，即=dQ/dm照射量仅适用于X或射线和空气介质。专用单位R(伦琴)1R=2.58×10-4C／kg二、吸收剂量D吸收剂量D反映受照物质吸收辐射能量的程度，定义为单位质量的物质从电离辐射中吸收的平均能量。吸收剂量的专用单位是戈瑞(Gy,Gray)，单位符号为Gy。1Gy等于1kg受照物质吸收1J的辐射能量，即1Gy=1J·kg-1（1rad＝0.01Gy）吸收剂量的概念适用于任何种类的核辐射及任何受照射的介质。在提到吸收剂量时，必须指明物质的种类和所在的位置。三、吸收剂量D与照射量之间的关系位于空气中同一点处的生物组织中的吸收剂量D和空气中该点照射量间的关系为：D＝

f如:对于X射线照射空气介质，f=8.69×10-3Gy/R对于能量大于0.15MeV光子照射肌肉和骨骼，f在9~10×10-3Gy/R,故一般取

f=

0.01Gy/R表8-4各种能量的光子在骨骼和肌肉中的f值临床上，当使用不同射线，即使吸收剂量相同，产生的生物效应不同；或者说，要达到同一生物效应（杀伤同一肿瘤），所需不同射线的吸收计量不同。四、有效剂量E(effectivedose)为了比较不同辐射对机体不同组织的损伤效应,评估辐射引起的确定性效应概率,引入有效剂量E(生物拉德当量),定义为组织内某一点处D、WR、WT三个量的乘积,E=DWRWT

=HTWTD

:该点的吸收剂量,WR:射线在该点的辐射权重因子WT:射线在该点的组织权重因子，HT：当量剂量意义：用机体组织受损伤的程度,来反应吸收剂量大小,相同有效剂量E(当量剂量)产生相同生物效应。有效剂量的专用单位为希沃特(西弗

),Sv,1Sv=1J·kg-1如：快中子，DI=1Gy，WR=20,EI＝1Gy20WT

X射线，DX=20Gy,WR=1,EX＝20Gy1WT会导致相同程度的损伤。1.解释：电磁辐射，粒子辐射，电离辐射，非电离辐射，X射线:连续谱/标识谱/强度/硬度2.核衰变的类型。3.电离辐射与物质相互作用的形式。4.照射量、吸收剂量D、有效剂量E及其三者之间的关系。第八章电离辐射及其医学应用---Additions光子能量MeV骨骼f10-3Gy·R-1肌肉f10-3Gy·R-1光子能量MeV骨骼f10-3Gy·R-1肌肉f10-3Gy·R-10.01035.49.250.209.799.630.01539.79.160.309.389.570.02042.39.160.409.289.540.03043.99.100.509.259.570.04041.49.190.609.259.570.05035.89.260.809.209.560.06029.19.291.09.229.560.08019.19.391.59.209.580.1014.59.482.09.219.540.1510.59.563.09.289.54表8-4各种能量的光子在骨骼和肌肉中的f值种类与能量范围辐射权重因子WRX射线,射线1电子1中子,能量<10keV10~100kev>100keV~2MeV>2MeV~20MeV>20MeV51020105质子,能量>2MeV5粒子,重离子20表8-5辐射权重因子组织或器官权重因子WT组织或器官权重因子WT性腺结肠胃乳腺食道皮肤其余器官或组织

0.20.120.120.050.050.010.05红骨髓肺膀胱肝甲状腺骨表面0.120.120.050.050.050.01表8-6组织权重因子AppendixI短时间受到大剂量辐射的临床反应常见的辐射剂量剂量/mSv后果剂量/mSv射线源或限度>4000死亡0.003天然背景值4000-2000产生严重辐射疾病：骨髓和骨密度遭到破坏，红细胞和白细胞极度减少，内出血、腹泻等症状0.03乘10小时飞机2000-1000轻微辐射疾病，疲劳、呕吐、食欲减退0.1-0.2X射线医学检查累积量500-100没有疾病感觉，但血液中白细胞含量减少1-2来自自然放射源一年的剂量(如空气中的氡)<100对人体无危害1-5平均每人一年的积累量50放射行业工人一年的积累量2011-03-27福岛第一核电站周边检测到的辐射剂量为每小时1.015mSv，人员在附近暴露6小时即会受到平时一年的辐射。AppendixTableIINaturalbackgroundradiations