放射治疗技术第二章

放射物理学基础放射治疗学基础PhysicalBasisofRadiotherapy

掌握内容：放射治疗的临床计量学原则和高能X射线、Co60γ射线、高能电子线的物理特性以及等剂量曲线分布及其影响因素。熟悉内容：核物理基础，电离辐射的相互作用及人体曲面、不均匀组织的修正和辐射防护特点。了解内容：电离辐射的剂量量度、测量及临床处方剂量的计算方法学习目标第一节核物理基础一、原子结构

原子由：原子核、核外电子组成原子核由：质子（Proton；P)、

中子（Neutron；N）组成

质子和中子统称为核子（Nucleon）。质子带一个单位的正电荷，中子不带电荷。核内的质子数称为原子序数，用符号Z表示；核内质子和中子数之和即原子质量数，用A表示。

目前通常用AX表示各种核素。z二、原子核能级

原子核具有一定的能量。最低能量状态，即“基态”；原子核获能，处于较高的能量状态，为激发态。当处于激发态的原子核回到基态时，以释放γ光子的形式辐射能量，称为轫致辐射。三、放射性核素核素：稳定性核素、不稳定核素

(放射性核素）

把核外电子数（z）相同，质量数不同（A）。的一类原子，称为一种核素。下面是六种不同的核素

123I,125I,127I,131I,99mTc,99Tc

放射性核素发生核内结构或能级的变化，同时自发地放出一种或一种以上的射线而转变成另一种核素的过程为“核衰变”。四、核衰变方式衰变是放射性核素的一种属性，衰变必然伴随着放射。5种衰变方式:α衰变、β─衰变、β╋衰变、电子捕获、γ衰变和内转换。衰变过程中可产生3种射线:α射线、β─射线、β╋射线、γ射线。

核衰变时放射出α粒子的衰变。

AZX--A-4Z-2Y+42He+Q1、α衰变

α粒子实质上是He原子核α衰变发生在原子序数大于８２的重元素核素α粒子的速度约为光速的1/10，即２万km/s，2s绕地球１周。在空气中的射程约为３－８cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm。因其质量大，射程短，穿透力弱，一张纸即可阻挡但α粒子的电离能力很强。α粒子特性：原子核发射出β粒子或俘获轨道电子的衰变为β衰变。β衰变发射的射线分为β━射线或β+射线2、β衰变β衰变的特性β衰变后核素的原子序数可增加或减少但质量数不变。分β－衰变、β＋衰变和电子俘获三种类型。β粒子的速度为20万km/s。β－粒子实质是负电子；衰变后质量数不变，原子序数加１；其能量分布具有连续能谱，穿透力比a粒子大；电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收，β－粒子在软组织中的射程为厘米水平。β－粒子的特性β＋粒子实质是正电子；衰变后子核质量数不变，但质子数减１；

β＋也为连续能谱；天然核素不发生β＋衰变，只有人工核素才发生。β＋粒子的特性3、电子俘(electroncapture,EC)核衰变时原子核从内层轨道（K）俘获一个电子，使核内一个质子转化为一个中子。它是核内中子数相对不足所致。P+e-n4、γ衰变γ衰变是伴随其它衰变而产生；上述四种衰变形成的子核可能处于激发态

核素由激发态向基态或高能态向低能态跃迁时放出γ射线的过程也称为γ跃迁(γtransition)；γ衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变。五、核衰变规律放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新元素的核。放射性原子核并不是同时衰变的，对于某一个原子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于某一种原子核的群体而言，它的衰变是有规律的，即原子核数目随时间增长按指数规律减少。第二节电离辐射的作用与测量一、电离辐射与物质的相互作用

核射线可分为带电粒子与不带电的γ光子,它们对物质作用的情况有一定差别。（一）带电粒子与物质的相互作用1、带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞电离与激发：（ionizationandexcitation）电离：带电粒子→靠近物质→核外电子获能→e-脱离轨道→自由电子；失去e-的原子核带正电荷，变为一个正离子。自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离激发：α、β→物质→轨道电子获能→由低能级→高能级，使整个原子处于激发态。激发或电离是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式，此种能量损失称为电离损失。2、带电粒子与原子核发生非弹性碰撞轫致辐射

bremsstrahlung

高速带电粒子通过物质原子核电场时受到突然阻滞，运动方向发生偏转，部分或全部动能以X射线的形式辐射出来称为轫致辐射；产生几率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大。穿过物质时损失动能的主要方式，此种方式引起的带电粒子的能量损失称为辐射损失。3、带电粒子与原子核发生弹性碰撞

当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用，尽管带电粒子的运动方向和速度发生了变化，但不辐射光子也不激发原子核。（满足动能、动量守恒，也称弹性散射）

α粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少。β粒子轻，运动为曲线，散射明显。4、带电粒子与核外电子发生弹性碰撞

带电粒子与核外电子也可发生弹性碰撞，但这种相互作用只在极低能量（<100eV）的电子入射时才会考虑。

（二）光子与物质的相互作用

光子不带电，光子与物质相互作用与其起源无关，只与其能量有关。光子与物质发生一次碰撞后损失大部分或全部能量。当光子能量在30MeV以下时，它对物质的作用有以下几种表现形式：

（1）光电子效应（photoelectriceffect）（2）康普顿效应（Comptoneffect)（3）电子对效应(electronpairproduction)光电子效应(photoelectriceffect)：

γ光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给对方，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射特征X射线或俄歇电子的形式很快回到基态。多发生在低能量：<0.5MeV；光子被物质原子完全吸收后发射轨道电子；脱离轨道的电子称光电子，还可产生次级电离；原子因电子空位处于激发态,退激时发射标识X线或俄歇电子。康普顿效应（Comptoneffect）

当入射光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而挣脱原子。多发生在中等能量：0.5-1.0MeV入射光子将部分能量转移给物质核外电子,其余部分能量被散射光子带走；入射光子多为与外层轨道电子弹性碰撞。能量和运动方向发生改变的光子称为散射光子。

被发射出的电子称反冲电子，能继续与介质发生相互相互作用。

散射光子与入射光子的方向间夹角称为散射角，一般记为θ。反冲电子反冲方向与入射光子的方向间夹角称为反冲角。当散射角θ=0°，散射光子的能量为最大值，这时反冲电子的能量为0，光子能量没有损失；当散射角θ=180°时，入射光子和电子对头碰撞，沿相反方向散射回来，而反冲电子沿入射光子方向飞出，这种情况称反散射，此时散射光子的能量最小。电子对效应（electronpairproduction）当光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场作用下，光子转化形成一个正电子和一个负电子。发生在能量足够大的光子：>1.02MeV（两个电子的静止质量）；光子在电场作用下被完全吸收，产生一对正负电子；光子的能量一部分转变成正负电子的静止能量(1.02MeV)，其余(超过1.02MeV的)就作为它们的动能。被发射出的电子还能继续与介质产生激发、电离等作用；正电子在损失能量之后，将与物质中的负电子相结合而变成γ射线，即湮没(annihilation)。光核反应

大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子，例如（γ，n）反应。但这种相互作用的大小与其它效应相比是小的，所以可以忽略不计。

光核反应的阈能在5MeV或更高，这种过程类似于原子光电效应，但在这一过程中光子为原子核所吸收而不是由围绕核转动的壳层电子，光核吸收一般会引起中子的发射。所发射的中子比入射的光子在重核中具有更大的穿透性。在辐照技术中引起的放射性显得更重要。前三种相互作用影响最大★对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；★对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优势；★对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。第三节临床放射治疗剂量学一、放射治疗的临床剂量学原则1、肿瘤剂量要求准确，放射治疗是一种局部治疗手段，照射野应对准所要治疗的肿瘤即靶区；2、治疗的肿瘤区域内剂量分布均匀，剂量梯度变化不能超过±5%，即要达到95%的剂量分布；3、照射野设计应尽量提高治疗区域内的照射剂量，降低照射区正常组织的受量；4、保护肿瘤周围重要器官免受照射，至少不能使它们接受超过其耐受量的照射。二、高能X射线的物理特性和剂量分布特点

（一）高能X射线的物理特性（1）穿透作用:X射线通过物质时不被吸收的能力，X射线能穿透一般可见光所不能穿透的物质。

X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。

X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，密度大的物质，对X射线的吸收多，穿透少；而密度小者，则吸收少，穿透多。利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。X射线透视和摄影的物理基础。

（2）电离作用：物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电子脱离其原子的过程称为一场电离。这些光电子或反冲电子在行进中又与其它原子碰撞，使被击原子逸出电子，称为二次电离。

在固体和液体中，电离后的正负离子将很快复合，不易收集。但在气体中的电离电荷很容易收集起来，利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。X射线损伤和治疗的物理基础

（3）荧光作用

X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，由于电离或激发使原子处于激发状态，在原子回到基态的过程中，由于价电子的能级跃迁而辐射出可见光或紫外线，这就是荧光。

荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。X射线透视的物理基础（4）热作用

物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。（5）干涉、衍射、反射、折射作用这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。（二）照射野及相关名词定义：1.放射源（S）：在无特殊说明的情况下，一般规定为放射源前表面的中心，或产生辐射的靶面中心。2.照射野中心轴：射线束的中心对称轴线，临床上一般用放射源S与穿过照射野中心连线作为照射野中心轴。3.照射野(field):射线束经准直器后垂直通过模体的范围，用模体表面的截面大小表示照射野的面积；临床剂量学中规定模体内50%等剂量曲线的延长线交于模体表面的区域定义为照射野的大小。4.参考点（referencepoint)：规定模体表面下照射野中心轴上的某一点作为剂量计算或剂量测量的参考点。体模表面到参考点的深度记为d0,400KV以下的X射线，其参考点取在模体表面（d0=0),对高能量X射线或γ射线的参考点则取在模体表面下照射野中心轴上最大剂量点的位置（d0=dm），该位置能随能量而变化，并由能量决定。5.校准点：在照射野中心轴上指定的用于校准的测量点，模体表面到校准点深度记为dc。6.源皮距（SSD）：放射源到模体表面照射野中心的距离。7.源瘤距（STD）：放射源沿照射野中心轴到肿瘤病灶中心的距离。8.源轴距（SAD）：放射源到机架旋转轴或机器等中心的距离。（三）百分深度剂量（PDD）百分深度剂量（PDD）

定义：射野中心轴上，模体内深度d处的吸收剂量率Dd与参考深度d0处的吸收剂量率Dd0之比。PDD=Dd/Ddo×100%参考深度d0的选择是任意的，一般来说，对于深部X射线的参考点深度选择在模体表面（d0=0),对高能量X射线或γ射线的参考点则取在模体表面下照射野中心轴上最大剂量点的位置（d0=dm）。

建成效应：从机体表面到最大剂量深度区域称为剂量建成区域。在此区域内剂量随深度而增加。高能射线一般都有建成区域存在。建成区形成的物理原因①当高能X（γ）射线入射到人体或模体时，在体表或皮下组织中产生高能次级电子；②这些高能次级电子要穿过一定的组织深度直至其能量耗尽后才停止；③由于①，②两个原因，造成在最大电子射程范围内，由高能次级电子产生的吸收剂量随组织深度增加而增加，并约在电子射程附近达到最大；④但是由于高能X（γ）射线的强度随组织深度增加而按指数和平方反比定律减少，造成产生的高能次级电子数随深度增加而减少，其总效果，在一定深度（建成区深度）以内，总吸收剂量随深度增加。（四）百分深度剂量的影响因素（课本P27）1、放射线的质由于射线与物质的相互作用与放射线的性质及物质的性质有关，故相同物质对不同放射线的吸收是有差异的。2、照射野的大小在其它相同条件下，随着照射剂量的增大，百分深度剂量变大。3、源皮距由于临床上使用的百分深度剂量是在标准源皮距下测量的，故对于非标准源皮距下的百分深度剂量需要实际测量或校正。三、Co60γ射线的物理特性和剂量分布特点Co60γ射线的物理特性：（一）穿透力强（二）保护皮肤（三）骨和软组织具有同等吸收（四）旁向散射小（五）经济、可靠（六）缺点：

1、能量单一2、深度剂量偏低3、半衰期短，需定期更换放射源4、放射性核素不断有射线释放，防护复杂，工作人员受量相对较大5、存在半影问题，使野外的正常组织受一定的剂量影响1.几何半影2.穿射半影3.散射半影

在钴治疗机中，最要注意的是几何半影，但因钴源的直径是无法改变的，故设计治疗计划时，要了解几何半影区的大小，既要使肿瘤边缘也达到预定剂量，又要注意正常组织的防护问题。这可通过计算了解半影区大小，并设法尽量减小之。Co60γ射线的百分深度剂量及影响因素几何半影、穿射半影、散射半影钴源四、高能电子线的物理特性和剂量分布特点（一）高能电子线的物理特性（1）对于x(γ)射线，沿射线入射方向靶体积后方的正常组织，不可避免的会接受到一定程度的辐射剂量，高能电子束则由于具有有限的射程，而可以有效地避免对靶区后深部组织的照射。这是高能电子束最重要的剂量学特点。（2）但对于高能电子束，因易于散射，皮肤剂量相对较高，且随电子能量的增加而增加；

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；百分深度剂量随射野大小特别在射野较小时变化明显；不均匀组织对百分深度剂量影响显著；拉长源皮距照射时，输出剂量不能准确按平方反比定律计算；不规则射野输出剂量的计算，仍存在问题。基于高能电子束的上述特点，它主要用于治疗表浅或偏心的肿瘤和浸润的淋巴结对于医用直线加速器，经加速和偏转后引出的电子束，束流发散角很小，基本是单能窄束，必须加以改造，才能用于临床。方法之一是利用散射箔展宽电子束。根据电子束易于散射的特点，将其射束展宽。所用散射箔材料的原子序数和厚度，要依据电子束能量选择。散射箔可以有效地将电子束展宽到临床所需要的最大射野范围。电子束通过散射箔展宽后，先经x射线治疗准直器，再经电子束限光筒形成治疗用射野。

电子束经x射线准直器及电子限光筒壁时，也会产的散射电子，从而改变电子束的角分布并使其能谱变宽，从而改善射野均匀性。它会使其剂量建成区的剂量显著增加，但随限光筒到表面的距离的增加而影响减少。将单一散射箔改用为双散射箔系统，可进一步改善电于束的能谱和角分布。第一散射箔的作用，是利用电子穿射时的多重散射，将射束展宽宽；第二散射箔类似于x射线系统中的均整器，增加射野周边的散射线，使整个射线束变得均匀平坦。使用双散射箔系统，电子束限光筒可不再使用单一散射箔通常采用的封闭筒壁式结构而改用边框式，此时边框式限光筒仅起确定射野大小(几何尺寸)的作用。高能电子线的百分深度剂量曲线

包括四个部分：剂量建成区高剂量坪区：表面剂量高，75%-80%以上，并随深度的增加剂量很快达到最大点，形成“高剂量坪区”。剂量跌落区：“剂量跌落”对保护正常组织有利X射线污染区基本特点a.表面剂量高，一般在75%～80%以上，随能量增加而增加。b.随深度增加很快达到最大剂量点。c.形成高剂量坪区电子线是带电粒子，由加速器产生。具有以下临床剂量学特点：①在组织中具有一定的射程，射程深度与电子能量呈正比，从加速器中引出的电子能量可以调节，可以根据病变的不同深度选择合适的电子能量作治疗。②剂量曲线：从表面到一定深度，剂量分布均匀，达到一定深度后，剂量迅速下降，可保护病变后面的正常组织。③不同组织如骨、肌肉、脂肪对电子束的吸收差别不显著，但对组织中气腔应进行剂量效正。④单野照射治疗表浅及偏心部位的肿瘤。影响高能电子线的百分深度剂量的因素1.能量对深度剂量的影响

临床用电子线能量4━25MeVa.随着射线能量的增加，表面剂量DS增加。b.能量增加，高坪区变宽，剂量梯度减小。c.能量增加，X射线污染增加。正是由于上述特点，导致随着能量的增加，电子束的临床剂量学优点漫漫消失，不能很好的保护靶区后面的正常组织。（2）照射野大小对深度剂量影响a.射野较小时，百分深度剂量随深度增加而迅速变化。b.射野较大时，增大射野面积，百分深度剂量不随射野面积的变化。3.源皮距对百分深度剂量的影响

医用直线加速器电子束照射时，为了保持电子束的剂量分布特点，治疗时，限光筒贴近皮肤表面或保留5cm的距离。当照射曲面时或进行全身电子线照射时，源皮距离增大，百分深度剂量变化规律一般为：表面剂量降低，最大剂量深度变深，剂量剃度变陡，X线污染略有增加，而且高能电子线较低能电子线变化显著。电子线等剂量曲线的分布特点高能电子束等剂量分布的显著特点为：随深度的增加，低值等剂量线向外侧扩张，高值等剂量线向内侧收缩，并随电子束能量而变化。同能量的电子束，照射野从3cm×3cm到20cm×20cm,其90%等剂量线的低部形状，由弧形变得平直。造成原因：主要是电子束易于散射的特点。五、等剂量曲线分布特点及影响因素我们将射野内百分深度剂量相同的点连结起来，即成为等剂量曲线。(图2-4-10)用于描述一个2D平面内或三维空间中的剂量分布情况。将一个平面内剂量相等的相邻点连接起来，就构成了等剂量线；将三维空间中剂量相等的相邻点连接起来，就构成了等剂量面。Co60γ射线固定源皮距时的等剂量曲线的特点：（1）同一深度处，射野中心轴上的剂量最高，向射野边缘剂量逐渐减少。（2）在射野边缘附近（半影区），剂量随离轴距离增加而逐渐减少。由几何半影、准直器漏射和侧向散射引起的射野边缘的剂量渐变区，称为物理半影，通常用80％和20％等剂量线间的侧向距离表示物理半影的大小。（3）射野几何边缘以外的半影区的剂量主要由模体的侧向散射、准直器的漏射线和散射线造成。（4）准直范围外较远处的剂量由机头漏射线引起。等剂量曲线的影响因素

（1）放射线的质