第五章 放射源与放射治疗机

第五章

放射源与放射治疗机一、放射源的种类与照射方式放疗使用的放射源主要有三类：放出α、β、γ射线的放射性同位素产生不同能量的X射线的X射线治疗机和各类加速器产生电子束、质子束、中子束、负π介子束，以及其它重粒子束的各类加速器两种基本照射方式：外照射：位于体外一定距离，集中照射人体某一部位，叫体外远距离照射，简称外照射；近距离照射：将放射源密封直接放入被治疗的组织内或放入人体的天然腔内，如舌、鼻咽、食管、宫颈等部位进行照射，叫做组织间照射和腔内照射，简称近距离照射还有一种情形，利用人体某种器官对某种反射性同位素的选择性吸收，将该种放射性同位素通过口服或静脉注入人体内进行治疗，如利用碘-131治疗甲状腺癌、磷-32治疗癌性胸水等，称为同位素治疗。近距离照射与体外照射的四个基本区别：1、近距离照射，其放射源的活度较小，由几十个MBq（几个mCi）到大约400GBq（10Ci），而且治疗距离较短，约在5mm到5cm之间；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，只有少部分能达到组织。近距离则相反，大部分能量被组织吸收。近距离照射与体外照射的四个基本区别：3、体外照射，其放射线必须经过皮肤和正常组织才能达到肿瘤，肿瘤剂量收到皮肤和正常组织耐受量的限制，为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射野照射技术。4、由于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，距放射源远的组织剂量较低，靶区剂量分布的均匀性远比外照射的差。二、常用放射性同位素源放射性同位素放射α、β、γ三种射线。放疗主要使用β和γ两种射线，而且应用γ射线较多。放疗中使用的放射性同位素，除镭以外都是人工放射性同位素，并且除了钴－60和铯－137以外，所有这些同位素只用于近距离照射。1、镭－226源(226Ra)镭－226是一种天然放射性同位素，不断衰变为放射性气体氡，然后再经过一系衰变，最后变成铅的稳定同位素。镭的半衰期为1590年，氡的半衰期为3.8天，在衰变过程中放出α、β、γ三种射线。临床使用的是镭的硫酸盐，装在各种形状的铂铱合金封套内。由于镭源的各种缺点，已经在医学上禁用，由其它人工放射性同位素取代。镭石：含有镭元素的天然矿石。居里夫妇居里夫人在实验室镭的能谱复杂，最高能量达3.8MeV，需要厚的防护层；半衰期长，衰变过程中产生氡气，如操作不小心使镭管破损，氡气逸出，会造成污染；并且镭的生物半衰期长，体内停留时间长，短时间内不能消除，特别是使骨髓损伤严重，因此原则上镭在医学上应该禁用。2、铯－137源(137Cs)铯－137源是人工放射性同位素，是由核反应堆的副产品加工得到的。它发出的射线是0.662MeV的单能γ射线，半衰期为33年。无论从源本身的物理特点或从放射防护的观点上看，铯-137比镭优越。铯－137源主要应用于低剂量率(LDR)后装机。3、钴－60源(60Co)钴－60源也是一种人工放射性同位素，是用无放射性的金属钴－59在反应堆中经过热中子轰击生成的不稳定的放射性同位素。钴－60核内的中子不断转变为质子并放出能量为0.31MeV的β射线，核中过剩的能量以γ辐射的形式释放出来。钴－60的γ射线能量有1.17MeV和1.33MeV两种，平均能量为1.25MeV，它的半衰期是5.27年。钴-60放出的β射线能量低，易于被容器吸收；γ射线平均能量为1.25MeV，比镭略高，可作为镭的代用品。由于它与铯－137相比半衰期短且能量高，所以作腔内照射辐射源不如铯－137。4、铱－192源(192Ir)铱－192也是一种人工放射性同位素，是由铱－191在反应堆中经热中子轰击生成的。铱－192的能谱比较复杂，γ射线平均能量为0.36MeV。铱－192粒状源可以做得很小，使其点源的特性好，便于剂量计算。其半衰期为74.2天。37~370GBq（1~10Ci）的高活度的铱-192普遍用于高剂量率(HDR)的后装治疗。铱-192高剂量率后装治疗机三、X线治疗机产生X射线一般需要以下几个条件：①电子源②真空盒③加速电场④靶可以把X射线机简化成以下模型：①X射线球管，里面包括阳极靶和阴极灯丝，真空度为10-6～10-7托，真空的目的是为了避免电子在打击靶前损失能量，真空被破坏则X线球管也会损坏；②阳极由粗大的铜棒和小钨靶组成。钨原子序数大，熔点高，作X射线靶很合适。铜散热快，能及时传走靶上的热。③用钨作灯丝，发射电子的能力强。调节灯丝电流可以改变X射线管电流mA。X射线机的管电流是指由阳极通向阴极的电流，用mA表示，代表X射线的强度。④X射线机的阳极加有几百kV的高压作为电子的加速电场。高压用kV表示，代表X射线的峰值能量。⑤控制系统可以看作是一系列的开关。X射线机示意图1、特征辐射和韧致辐射韧致辐射：当运动的电子靠近原子核时由于库仑引力的吸引可能会偏离其原来的路径，并以韧致辐射的形式丢失能量。高速运动的电子与原子核之间相互作用的结果。韧致辐射的光子的能谱是连续的，最高达到电子的初始能量，它是X射线谱中主要成分。韧致辐射光子的发射方向取决于入射电子能量。当电子动能增大时，X射线的发射方向越趋向前。特征X射线具有动能E0的电子与靶原子相互作用，可能从不同的壳层击发出轨道电子，由此损失能量。击出壳层电子后轨道中产生空位，外层轨道电子将下跳、并填充空位同时以电磁辐射形式辐射能量，这就是所谓的特征辐射。特征辐射是以不连续方式辐射能量的。如果跃迁涉及从L层到K层的电子，那么所发射的光子能量将等于hv＝EK－EL，式中EK、EL分别为K层L层的电子结合能。韧致辐射和特征辐射示意图未经滤过的X射线能谱2、滤过板的作用从X射线机中产生的X射线有从零到峰值(X射线机管电压)的一系列能量，其低能部分对治疗毫无用处并且产生高的皮肤剂量。要适应治疗需要，就必须改进X射线能谱，去掉低能部分，保留有用的高能X射线。滤过板就可以起到这样的作用，经过滤过的X射线比原来的平均能量高。适当选择滤过板才能达到预期的光束硬度和可接受的强度。使用滤过板时应注意的问题：不同能量范围的X射线用不同的滤过板，140kV以下的用铝，140kV以上的用铜或铜加铝复合滤过；同一管电压的X射线，滤过板不同，所得X射线半价层也不同；③使用复合滤过板时要注意放置的次序，沿射线方向，应先放置原子序数大的，后放置原子序数小的；这样放置的主要目的是为了滤掉滤板本身产生的特征谱线，同时也滤掉低能部分X射线；④从理论上来说，滤过越多，谱线分布对治疗越好，但是过多的滤过会大大降低射线强度，不经济，应该综合考虑。3、半价层一般用半价层(HVL)来表示中低能X射线质，它可以通过X(γ)射线光子束贯穿某种介质时减弱的程度来定义和确定。临床上使用的半价层定义为使入射X射线光子的强度或注量率减低一半时所需要的某种材料吸收体的厚度，它与线性吸收(线性衰减)系数的关系：HVL＝0.693/μ因为μ依赖于射线质和吸收体的材料，所以用某种材料的半价层值就可以表示射线穿射介质的本领，即可以用它表示X(γ)射线的射线质。临床剂量学中，一般应结合X射线机管电压的大小和所使用的滤过板，用铝或铜材料的厚度来表示半价层，如2mmAl，0.5mmCu等。半价层相同的射线质，其X射线的能谱不一定相同，百分深度剂量分布也可能不同。因此，中低能X射线质除半价层表示外，还应给出管电压。为了获得临床需要半价层的X射线质，用改变X射线机管电压和相应滤过板的不同组合通过测量达到。四、钴－60治疗机1、组成①一个密封的钴－60放射源②一个源容器和防护机头③具有开关的遮线器装置④具有定向限束的准直器⑤支持机头的治疗机架，用来调节线束方向⑥治疗床⑦计时器及运动控制系统⑧辐射安全及联锁系统钴－60治疗机的组成结构2、钴－60射线的特点钴－60源射线的半衰期为5.27年，平均每月大约衰变1%。钴－60射线平均能量为1.25MeV。优点：穿透力强：高能射线通过吸收介质时的衰减率比低能X线低，因此高能射线剂量随深度变化比低能X线慢，就是说比低能X线有较高的的百分深度剂量，由于百分深度剂量高，所以钴-60治疗时射野设计比低能X线简单，剂量分布也比较均匀。保护皮肤：钴-60射线最大能量吸收发生在皮肤下4-5mm深度，皮肤剂量相对较小，引起的皮肤反应比X线轻的多。骨和软组织有同等的吸收剂量：低能X线，由于光电效应占主要优势，骨中每伦琴剂量吸收比软组织大得多。而对于钴-60射线，康普顿效应占主要优势，因此每单位剂量的吸收在每克骨中与软组织近似相同。钴-60这一优点保证了当射线穿过正常骨组织时，不引起骨损伤；另一方面，由于骨和软组织有同等吸收能力，在一些组织交界面处，等剂量曲线形状变化较小，治疗剂量较精确。（补充）光电效应总截面phZn/(h)3

（n=4~4.8）康普顿效应截面与z成正比。旁向散射小钴-60射线的次级射线主要向前散射，射线几何线束以外的旁向散射比X线小得多，剂量下降快。因此保护了射野边缘外的正常组织和降低了全身的积分剂量。经济、可靠、结构简单、维护方便。2、钴－60机半影的种类及产生原因半影就是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，通常用P90%~10%或P80%~20%表示。钴－60治疗机的半影包括：①几何半影②穿射半影③散射半影半影：沿射中心轴上80%等剂量线与20%等剂量线之间的距离三种半影的产生和剂量分布几何半影：源有一定尺寸，经准直器限束后，射野边缘各点分别受到面积不等的源的照射，因而产生由高到低的剂量渐变分布。穿射半影:即使是点状源，由于准直器端面与边缘射束不平行，使射束穿透厚度不同，也造成剂量渐变分布。散射半影：即使用点状源和球面准直器消除几何半影和穿透半影，组织中的剂量分布仍然有渐变，这主要是由于组织中的散射造成的。散射半影无法消除，只是随入射线能量的增大而减小。减少几何半影由上式可见，减少几何半影的方法有两个：1、缩小放射源的直径S，但S不能太小，主要受放射源的放射性活度的限制，如果太小的话，射线输出剂量率太低，不经济。2、加大准直器距离，即减少准直器到患者皮肤的距离。若SSD-SDD=0，则皮肤半影等于0.这样做虽然减少了几何半影，但是由于减少了准直器到患者间的距离，却增加了钴-60射线中的电子污染，破坏了射线的剂量建成效应，从而增加了皮肤反应，这是得不偿失的。一般SSD-SDD至少等于15cm。五、电子直线加速器临床使用的医用加速器主要有：电子感应加速器、电子直线加速器、电子回旋加速器和质子加速器。目前电子感应加速器已经被淘汰；由于各种原因，电子回旋加速器和质子加速器使用的人也很少。所以当前医用加速器主要是电子直线加速器。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，其加速管实际上是一个微波波导管。

从加速原理上分，电子直线加速器有行波加速和驻波加速两种。从X射线及电子束能量来看，目前市场上主要有三种机型：低能单光子(4－6MV)直线加速器、低能单光子(6MV)带电子束直线加速器中、高能(单、三)双光子带电子束直线加速器。低能加速器中高能加速器电子直线加速器的重要组成结构微波源(磁控管、速调管)电子枪加速管及靶准直器剂量监测系统偏转系统充气系统(Cl2F2、SF6)；真空系统(钛泵，10-6~10-7托，1标准大气压=760托)温控系统控制系统调制器治疗床加速管加速管也叫加速结构或加速波导，是电子加速器的关键部件，根据其加速原理，分为行波加速器和驻波加速器。行波加速：假设有一电子e在t1适合处于A点，此时波导管内的电场如下图所示：此时，电子正好处于电场加速力的作用下，开始加速向前运动。至t2时刻电子达到B点，此时由于电波也在向前移动（实际上是电场在各点的幅值随时间变化），电子正好处于t2时刻，有处于加速场的作用下。如果波的速度和电子速度一致，那么电子将持续受到加速。这种波的传播速度（相速度）大于光速，即永远大于电子运动速度，因此必须将行波减慢。为此在波导管上加上许多圆盘状光栏，改变圆盘间的间距可以改变波的传播速度（相速）。这种慢波装置叫盘荷波导。在开始阶段电子速度较小，因此间距小些，使波的速度慢些，随着电子速度增大，慢慢增大间距，使波速也随之很快达到光速后，间距保持不变。驻波加速：驻波：频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波。波在介质中传播时其波形不断向前推进，故称行波；上述两列波叠加后波形并不向前推进，故称驻波假设在t1时刻，1号腔处于加速半周，2号腔处于减速半周；在t3时刻，1号腔变成减速半周，2号腔处于加速半周。如果电子在t1时刻进入1号腔，电子将从加速场中获得能量，得到加速，向前运动。在t3时刻，电子进入2号腔，这时2号腔处于加速半周，电子不断的获得能量，得到加速。如果电子进入每个腔时都处于加速半周，则电子可以得到不断加速。微波源医用电子加速器的功率源在低能时用磁控管，高能时用速调管。磁控管磁控管是一种正交场微波管，外形设计成圆形，所加直流磁场方向与电子运动方向相互垂直，电子流将势能转换成微波能量。主要包括：阴极：发射电子，同时与阳极形成作用空间。阳极谐振系统：阳极是绕着阴极的一个大无氧铜块，上面开着若干个圆孔，每个圆孔就是一个圆柱形的谐振腔。阳极谐振系统决定了磁控管的工作频率，工作时，阳极和阴极之间的空间充满高频交变电场，电子在此与其相互作用，交换能量，这些空间称作用空间。磁铁：提供磁控管工作时的磁场。能量输出系统；频率调谐结构；冷却系统速调管速调管是对电子注进行速度调制的一种微波功率放大管，它将电子注直流能量转换为微波能量。双腔速调管是速调管中最简单的一种类型，主要由以下部分组成：电子枪；输入腔；漂移空间；输出腔；收集极。电子枪：产生具有一定速度的均匀电子束。输入谐振腔：也称聚束腔或群聚腔。输入的微波激励信号在此腔激励起高频振荡，建立高频电场，并对穿过腔隙的电子束进行速度调制。漂移空间：也称渡越空间，它是一个金属管，空间内没有高频电场和磁场。已被速度调制的电子束在此空间内实现速度调制到密度调制，由均匀的电子束变成一串串疏密交变的电子束团，也叫电子注。输出谐振腔：当疏密交变的电子注输入输出腔的谐振腔隙缝时，将在腔体内感应出RF电流，在速调管产生RF输出功率。当一系列的电子注通过输出腔时，如果时间间隔等于谐振腔一个谐振周期，就会产生强烈的相互作用，形成RF功率输出。收集极：由于电子的能量传给谐振腔（动能转换为电磁能），速度减慢，所以，电子束到达收集极时能量比它通过输入腔时低，其余的能量在收集极转换为热能。综上所述，速调管中直流转化为微波能量经历了以下4个重要过程：1、电子枪发射的电子流在直流电压作用下加速运动，直流电能转变成电子流的动能；2、在外加微波信号的作用下，电子流在穿过输入腔时受到速度调制；3、通过漂移空间时，电子流由速度调制成密度调制，形成电子注；4、在输出腔由于电流的感应效应，将电子的动能转变成放大了的微波振荡的能量。多腔速调管是在输入腔和输出腔之间增加了一些辅助腔，用于改善群聚效果，提高输出功率，效率。SDC10309.AVI充气系统加速管和微波管道之间是由波导窗来连接的，波导管内充入绝缘气体氟利昂，以防微波电场在传输中打火。恒温冷却系统加速器在运行过程中，消耗的功率较大，为保证加速器正常稳定，需要有恒温冷却系统保持不受环境温度的影响。恒温冷却系统包括内水循环冷却和外水循环冷却。内水循环冷却是由内水泵（用蒸馏水作为循环水），内水管经高功率隔离器，磁控管磁铁和线圈，偏转线圈和电源，聚焦线圈和电源，靶和加速管，RF负载等，然后进入热交换器返回到内水泵作循环冷却。外水循环冷却，由冷冻机制冷来冷却水箱中的水，被冷却的水由外水泵驱动，外水管经脉冲变压器油箱然后进入热交换将内水循环的热量带走，返回到水箱作循环运行。

照射头准直器准直器的目的是限定照射野的大小以适应治疗需要。根据国际放射防护委员会推荐，准直器的厚度应使漏射量不超过有用照射量的5%。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射线剂量的1%，以减少穿射半影。

准直器结构示意图加速器准直器结构示意图准直器的种类在加速器中，X射线要经过两级准直才到达治疗部位。一级准直器位于加速管电子引出窗口下，大小固定不变，是X射线和电子线共用的。二级准直器是可变的。为了减少X射线束的穿射半影，准直器的内端面必须与靶(或虚源位置)为圆心的径向线一致。根据需要，还可以在加速器机头上安装内置或外挂式的多叶准直器，这种准直器有自动和手动两种。各种准直器的功能一级准直器：也叫主准直器，主要用于减少机头的漏辐射；二级准直器：俗称“铅门”，主要用于限定照射野范围和减少漏射线，有上、下两对(分别为Y和X方向)。二级准直器由传统的上、下两对对称运动的形式发展到独立式运动准直器。最早的直线加速器中，二级准直器只用于X射线治疗模式，当转换到电子线治疗时，它自动开到最大射野位置。由于独立准直器的相对铅门能够彼此跨过线束中心轴向对侧运动一段距离(10～20cm)，可以利用它们的运动产生动态或虚拟楔形照射野，即产生一维调强分布。如果两对独立准直器都能跨过对侧的话，可以利用它来产生二维调强分布。六、MLC的基本结构和剂量学考虑MLC的构成：钨或钨合金制成。叶片的宽度叶片长度叶片高度叶片端面：叶片深入射野内形成射野边界的表面。两个相对的叶片组组合在一起构成MLCMLC叶片对数：29～120对内置式：置于加速器机头内的称为内置式，均为电动式外挂式：装在机头外面的称为外挂式，有自动和手动两种MLC每个叶片在等中心处形成一定的野宽度(3mm~10mm)。一般来说，内置的MLC每对小叶片都可以彼此跨过线束中心轴运动到对侧，形成多对独立式准直器，因此具有独立式准直器的一切临床功能。多叶准直器(MLC)分类多叶准直器原初设计主要用于代替铅挡块形成不规则射野，随着放疗技术的发展，它为调强治疗提供了有力的工具。叶片高度必须使原射线的穿射小于原来强度的5%，以代替常规射野挡块，即需要4～5个半价层的高度。叶片纵截面的设计非常重要而且复杂，其形状决定于两个重要因素：1、它的底面和顶面必须在与叶片运动方向垂直的平面内，聚焦于放射源(即X射线靶)。2、相邻叶片组合在一起，必须使叶片间的漏射线剂量最小，也就是说叶片的侧面必须采用凹凸槽的结构。叶片端面有弧形的(Varian和Philips)和直立的(Siemens和Scanditronix)两种，对于直立端面叶片的MLC，必须同时对叶片的端面和截面采