电离辐射剂量学(final)rev

电离辐射剂量学：研究电离辐射能量在物质中的转移和沉积的规律，特别是转移和沉积的度量（量的定义、测量、计算等）的科学。剂量计算或测量两种基本途径：（1）辐射场本身测量—辐射场粒子数、辐射的能谱分布、辐射能量沉积本领（2）直接或间接测量沉积能量当前1页，总共87页。第一部分回顾1、辐射的分类i.电离辐射：通过初级和次级过程引起物质电离，如α粒子、β粒子、质子、中子、X射线和γ射线等。ii.非电离辐射：与物质作用不产生电离的辐射，如微波、无线电波、红外线等。当前2页，总共87页。2、辐射场的描述粒子注量定义：单向辐射场：粒子注量，数值上等于通过与粒子入射方向垂直的单位面积的粒子数。θda┴da当前3页，总共87页。da┴=dacosθ定义：Φu=dN/da┴为单向辐射场的粒子注量。一般情况：各向辐射场定义：Particlefluence(粒子注量)Φ：Φ=dN/da，m-2Energyfluence（能量注量）Ψ：Ψ=dR/da，j.m-2Pda当前4页，总共87页。按能谱分布：能量注量：能量注量与粒子注量的关系当前5页，总共87页。3、相互作用系数A、带电粒子（e、、重带电粒子）总阻止本领: 总线阻止本领带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。－dE是dl距离上损失能量的数学期望值。总线阻止本领与带电粒子的性质（电荷、质量、能量）和物质的性质（原子序数、密度）有关。去除物质密度的影响可得到总质量阻止本领公式：当前6页，总共87页。总质量阻止本领描述带电粒子在物质中穿过单位路程时，因各种相互作用而损失的能量。它可分解为各种相互作用阻止本领之和。质量辐射阻止本领（由非弹性辐射相互作用导致的初级带电粒子的能量损失决定）质量碰撞阻止本领（包括电离和激发对能量损失的贡献）当前7页，总共87页。定限碰撞阻止本领（L∆/ρ）（1）δ粒子δ粒子定义：能够产生分支径迹的次级电子（2)L∆/ρ定义：L∆/ρ=(dE/dl)∆/ρdE为带电粒子在密度为ρ的介质中穿行距离为dl时，由传递能量小于指定值∆的碰撞而损失的能量的数学期望值。L∆称为传能线密度LET（Linearenergytransfer）。LET:特定能量的带电粒子在介质中穿行单位长度路程时，由能量转移小于某一指定值的历次碰撞所造成的平均能量损失。L∞=Sc，L∞/ρ=(S/ρ)c当前8页，总共87页。X、射线与物质作用类型：光电效应康普顿效应电子对生成5MeVr=1mm栅元0.2×1mm25MeVnr=1mm栅元0.2×1mm2笔形束辐射在水模中的纵向能量沉积当前9页，总共87页。中子与物质相互作用类型:

弹性散射（Elastic-scattering）：总动能守恒。非弹性散射（In-elasticscattering）：总能量、动量守恒，动能不守恒。去弹性散射（Non-elasticscattering）：（n.p）（n.）等。俘获（Capture）：（n.γ）。散射（Spallation）以上均属与原子核的相互作用。当前10页，总共87页。B、不带电粒子（X、、中子）质量减弱系数（/）：描述物质中入射不带电粒子数目的减小，不涉及具体物理过程。质量能量转移系数（tr/）：描述不带电粒子穿过物质时，其能量转移给带电粒子数值。只涉及带电粒子获得的能量，而不涉及这些能量是否被物质吸收。质量能量吸收系数（en/）：描述不带电粒子穿过物质时，不带电粒子被物质吸收的能量。当次级带电粒子动能较小、物质原子序数较低时，轫致辐射弱，g值接近于零，此时en/值近似tr/值。数值上：质量减弱系数（/）>质量能量转移系数（tr/）>质量能量吸收系数（en/）当前11页，总共87页。4、辐射剂量学中使用的量A、比释动能（K）同转移能（tr）相联系，不带电粒子在质量dm的物质中释放出的全部带电粒子的初始动能总和的平均值。单位Gy。针对不带电粒子，对受照物质整体，而不对受照物质的某点而言。实用时可先查比释动能因子表（国际上给出比释动能因子的推荐值），进而求得比释动能。

当前12页，总共87页。比释动能率(Kermarate)(1)定义单位：JKg-1s-1或Gys-1或rads-1对单能不带电粒子的辐射，有：当前13页，总共87页。空气比释动能率常数Γδ（AirKerma-rateconstant）

单位活度的指定放射性核素点源在空气中1m处释放的光子产生的比释能动率。对于点源，活度为A，各粒子产额为ni,能量为hυi，则定义则有当前14页，总共87页。不同介质中的比释动能(1)含义(2)关系

rWVVrVK(V中r点）K（V中r点）当前15页，总共87页。B、照射量（X）

X或射线在单位质量的空气中，释放出来的全部电子完全被空气阻止时，在空气中产生一种符号的离子的总电荷的绝对值。单位C/kg。针对X或射线、空气。空气中各点的照射量不同。空气中某点的照射量X与同一点处的能量注量的关系：若粒子为单能的，则照射量与粒子注量有如下关系：当前16页，总共87页。X和值得说明的问题含义:自由空间或不同于空气的材料内某一点的照射量或照射量率的概念可以用空气碰撞比释功能Kc,a来取代照射量原因：a.由电离电荷量到能量的换算（乘以(w/e)a因子）很不方便b.Exposure的含义容易混c只适用于X、γ射线；d只对空气；e测量时必须满足电子平衡；f不能作为剂量的单位，历史误会。当前17页，总共87页。C比转换能（C）比转换能（cema）dEc(T,r)是T时间内，辐射场r点，在质量为dm的物质中，因电离、激发过程，重带电粒子(c)自身(包括其释出的δ粒子）损失的能量。根据图3-1和图3-2，比转换能[C(T,r)]为：ηc,δ(T,r)——T时间内相关位置上，单位质量物质中，由重带电粒子(c)释放出的所有δ粒子的初始动能的总和。

ηc,D(T,r)——单位质量物质中，带电粒子产生电离、激发时，为克服结合能而被“就地”吸收的那部分能量。当前18页，总共87页。比转换能（C）与重带电粒子注量（Φ）的关系特定时间内，受照射物质V中的r点处，重带电粒子的谱分布为ΦE，重带电粒子总注量Φ（V中r点处），则同一点处物质V中的比转换能[C（V中的r点）]V为：是以r点处重带电粒子注量谱分布的权平均，物质V对重带电粒子的质量碰撞阻止本领的平均值：当前19页，总共87页。受约束的比转换能(CΔ)单位质量物质内电子在电离、激发过程中损失的能量分成三部分：（1）为克服电子结合能，因而被“就地”吸收的ηδ,D；（2）动能不大于特定Δ（eV）值的δ粒子动能的总和ηδ,δ，这部分能量仅能在与Δ值相应的电子射程范围内局部转移；（3）动能大于特定Δ值的δ粒子动能的总和ηδ,δ>Δ，这部分δ粒子视同原来的电子一样，可能参与又一次的能量递减。比转换能（C）包括以上三部分，若仅包括（1）和（2），即扣除（3）释出的动能大于特定Δ值的δ粒子动能，其为受约束的比转换能CΔ。当前20页，总共87页。D、吸收剂量（D） 同授与能（）相联系，单位质量受照物质中所吸收的平均辐射能量。单位Gy。适用于任何类型的辐射和受照物质，与一个无限小体积相联系的辐射量。受照物质中每一点都有特定的吸收剂量数值。当前21页，总共87页。E辐射平衡E、完全辐射平衡（Completeradiationsequilibrium,CRE）定义辐射平衡dVRinRout条件:介质和源的均匀分布当前22页，总共87页。电离辐射场不带电粒子辐射场带电粒子辐射场(带电粒子平衡）次级带电粒子辐射场次级δ粒子辐射场（δ电子平衡）初始动能大于Δ的δ粒子辐射场初始动能不大于Δ的δ粒子辐射场（初始动能不大于特定值Δ的部分δ粒子平衡）当前23页，总共87页。带电粒子平衡带电粒子平衡

不带电粒子在某一体积元的物质中，转移给带电粒子的平均能量，等于该体积元物质所吸收的平均能量。发生在物质层的厚度大于次级带电粒子在其中的最大射程深度处。5MeVr=1mm栅元0.2×1mm2当前24页，总共87页。比释动能与吸收剂量在物质中的变化：当前25页，总共87页。带电粒子平衡的条件：（1）离介质边界有一定距离，dRmax；（2）均匀照射条件；（3）介质均匀条件：介质对次级带电粒子的阻止本领，对初级辐射的质能吸收系数不变。带电粒子平衡不成立：（1）辐射源附近；（2）两种物质的界面；（3）高能辐射。当前26页，总共87页。带电粒子平衡条件下，空气中照射量（X）和同一点处空气吸收剂量(Da)的关系为：吸收剂量与物质的质量吸收系数成正比，即故空气中同一点处物质的吸收剂量Dm为：照射量换算到某物质吸收剂量的换算因子，可查表得到。当前27页，总共87页。带电粒子准平衡受照物质中，入射辐射总有衰减。如物质受到均匀照射，暂且忽略散射光子影响，则随物质深度增加，其比释动能（K）、碰撞比释动能（Kc）和吸收剂量（D）变化如图3-10所示。当前28页，总共87页。吸收剂量、比释动能和照射量的区别当前29页，总共87页。且电子平衡时当前30页，总共87页。吸收剂量与比释动能的关系带电粒子平衡下D=K（1-g）g是次级电子在慢化过程中，能量损失于轫致辐射的能量份额。对低能X或射线，可忽略轫致辐射能量损失，此时D＝K当前31页，总共87页。本部分概念一、名词解释

电离辐射粒子注量粒子注量率比释动能吸收剂量照射量传能线密度当前32页，总共87页。二、填空题完整描述辐射场性质的5个要素是()、（）、（）、（）和（）。三、选择题带电粒子在物质中以下列哪种形式沉积能量。（a）a、电离和激发b、光电效应c、康普顿散射d、弹性散射四、简答题什么叫带电粒子平衡？当前33页，总共87页。五、计算题1、设在3min内测得能量为14.5MeV的中子注量为1.5×1011m-2。求在这一点处的能量注量和能量注量率。当前34页，总共87页。2、一个137Csγ点源活度为3.7×107Bq，能量为662keV的产额为100%。求在离点源10m处γ光子的注量和能量注量率，以及在这些位置持续10min照射的γ光子注量和能量注量。当前35页，总共87页。第四、五章回顾一、剂量与效应的关系随机性效应（Stochasticeffect）随机性效应特征“线性无阈”。“无阈”指任何微小的剂量都可能诱发随机性效应。“线性”指随机性效应发生几率与所受剂量成线性关系，但其后果的严重程度不一定与所受剂量有关系。剂量有害效应的发生率当前36页，总共87页。确定性效应有阈值。超过阈值，效应肯定会发生，且其严重程度与所受剂量大小有关，剂量越大，效应越明显。

ICRP在其建议书草案(征求意见稿,2006)中将确定性效应也称为组织反应。剂量有害效应的严重程度阈值当前37页，总共87页。辐射防护中使用的量一、与个体相关的辐射量1、当量剂量（H）：与辐射生物效应相联系，用同一尺度描述不同类型和能量的辐射对人体造成的生物效应的严重程度或发生几率的大小。WR辐射权重因子——与辐射种类和能量有关；DT，R按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量；HT单位Sv。当前38页，总共87页。WR值大致与辐射品质因子Q值一致。所谓辐射品质，是指电离辐射授予物质能量在微观空间分布上的特征，传能线密度LΔ是描述加射品质的方法之一。当前39页，总共87页。2、有效剂量（E）：与人体各器官对辐射的敏感度相联系。描述辐射照射人体，给受到照射的有关器官和组织带来的总的危险。在非均匀照射下随机效应发生率与均匀照射下发生率相同时所对应的全身均匀照射的当量剂量。有效剂量单位Sv。WT——组织权重因子，在全身均匀受照射下各器官对总危害的相对贡献。当前40页，总共87页。组织权重因子（WT）——器官或组织受照射所产生的危害与全身均匀受照射时所产生的总危害的比值。即反映了在全身均匀受照射下各器官对总危害的相对贡献。组织权重因子当前41页，总共87页。有效剂量表示为表示了非均匀照射条件下随机效应发生率与均匀照射下发生率相同时所对应的全身均匀照射的当量剂量。评价危险时，当量剂量、有效剂量，只能在远低于确定性效应阈值的吸收剂量下提供随机性效应概率的依据。当前42页，总共87页。3、待积当量剂量H50,T、待积有效剂量H50，E描述内照射情况下，放射性核素进入人体内对某一器官或个人在一段时间内（50y）产生的危害。也可用来估计摄入放射性核素后将发生随机性概效应的平均几率。当前43页，总共87页。4、用于环境和个人监测的ICRU量外照射监测中使用的剂量当量在外照射情况下，为了将个人监测和环境监测中得到的结果，与人体的有效剂量及皮肤当量剂量联系起来，国际辐射单位与测量委员会（ICRU）定义四个运用量是很有用的，即周围剂量当量、定向剂量当量、深部个人剂量当量和浅表个人剂量当量。这些量都是基于ICRU球中某点处的剂量当量概念而不是以当量剂量的概念为依据[辐射在器官或组织中的当量剂量定义为

式中，WR辐射权重因子，是与辐射品质相对应的加权因子，无量纲]。

当前44页，总共87页。环境监测周围剂量当量H*(d)：辐射场中某点处的周围剂量当量H*(d)是相应的扩展齐向场在ICRU球内、逆齐向场的半径上深度d处产生的剂量当量。对于强贯穿辐射，推荐d＝10mm。(ambientdoseequivalent)当前45页，总共87页。定向剂量当量H(d,Ω)：(directionaldoseequivalent)辐射场中某点处的周围剂量当量H(d,Ω)是相应的扩展场在ICRU球内、沿指定方向Ω的半径上深度d处产生的剂量当量。对于弱贯穿辐射，推荐d＝0.07mm。值取0.07mm，这相当于皮肤基底层的深度。

当前46页，总共87页。个人监测深部个人剂量当量和浅表个人剂量当量统称个人剂量当量。这是两个用于个人监测的剂量当量。它们是在人体上预定佩带剂量计的部位深度d处定义的。深部个人剂量当量Hp(d)：深部个人剂量当量也称作贯穿性个人剂量当量，是人体表面某一指定点下面深度d处的软组织内的剂量当量，它适用于强贯穿辐射。推荐的d值为10mm，故Hp(d)写为Hp(10)。(individualdoseequivalent,penetrating)当前47页，总共87页。浅表个人剂量当量Hs(d)：(individualdoseequivalent,superficial)浅表个人剂量当量，是人体表面某一指定点下面深度d处的软组织内的剂量当量，它适用于弱贯穿辐射。推荐的d值为0.07mm，故Hs(d)写为Hs(0.07)。个人剂量当量是在人体组织中定义的，因而既不能直接测量，也不可能从一种普遍的刻度方法推导出来。但是，佩带在身体表面的探测器覆盖以适当厚度的组织等效材料，可以用于个人剂量当量的测量。

当前48页，总共87页。辐射防护的基本原则辐射防护的目的

防止有害的确定性效应，并限制随机性效应的发生率，使它们达到被认为可以接受的不平。辐射实践正当化

涉及照射的实践，除非对受照个人或社会能够带来足以补偿其所产生的辐射危害的利益，否则不得采用。当前49页，总共87页。防护与安全的最优化

对一项实践中的任一特定辐射源，个人剂量的大小、受照人数以及照射发生的可能性，在考虑了经济和社会因素之后，应当全部保持在合理可行的最低程度（ALARAAsLowAsReasonablyAchievable）。为了保证公平性，应当在这个过程中考虑个人剂量约束或个人危险约束。

当前50页，总共87页。剂量限制

个人剂量限值

个人受到所有有关实践联合产生的照射，应当遵守剂量限值。

当前51页，总共87页。剂量限值应用职业人员公众有效剂量20mSv·a-1

连续5年内平均1mSv·a-150mSv·a-1在任一年年当量剂量眼睛150mSv15mSv皮肤500mSv50mSv四肢500mSv辐射防护标准和各种限值当前52页，总共87页。本章试题举例1、确定性效应、随机性效应2、当量剂量、有效剂量3、待积当量剂量4、辐射防护三原则5、周围剂量当量、定向剂量当量6、浅表个人剂量当量、深部个人剂量当量当前53页，总共87页。第六章回顾第一节外照射防护的一般方法1.1、外照射防护的基本原则

尽量减少或避免射线从外部对人体的照射，使之所受照射不超过国家规定的剂量限值。内、外照射的特点照射方式辐射源类型危害方式常见致电离粒子照射特点内照射外照射多见开放源多见封闭源电离、化学毒性电离、高能、电子、、X、n持续间断当前54页，总共87页。射线的剂量计算点源的照射量率计算点源：辐射场中某点与辐射源的距离，比辐射源本身的几何尺寸大5倍以上，即可把辐射源看成是点状的，称其为点状源，简称点源。非点源：辐射场中某点与辐射源的距离，比辐射源本身的几何尺寸小于5倍，且辐射源有一定的大小和形状，因而该辐射源不能视为简单的点源。当前55页，总共87页。点源辐射场任何两点处空气比释动能率，存在如下关系：各向同性点源向所有空间方向发散出的粒子的类型、能量都相同的点源。各向同性点源下当前56页，总共87页。1、X射线剂量的计算：（1）X射线机的发射率常数X：当管电流为1mA时，距离靶1m处，由初级射线束产生的空气比释动能率，单位：mGy·m2·mA-1·min-1。（2）X射线剂量率的计算：单位：mGy·min-1发射率常数与X光机工作管电压、X射线出口过滤条件有关。当前57页，总共87页。2、点源的照射量率计算若γ放射性核素的放射性活度为A（Bq），则距离该源r（m）处的剂量率[Q（r）]可按下式计算：计算时，根据需要，选择合适的Γ常数，Q（r）可以是空气比释动能率、周围剂量当量率、定向剂量当量率、照射量。当前58页，总共87页。3、X、γ辐射人体组织吸收剂量计算计算方法包括两大类理论计算经验计算当前59页，总共87页。理论计算受照人体内任一深度d处的吸收剂量D（d）可按下式计算：D0体表剂量；e-μd在深度d处的人体组织的误减因子B(d)深度d处组织吸收剂量的积累因子（buildupfactor）。积累因子，数值上等于特定位置包括散射线在内的吸收剂量与经人体组织误减的原射线在同一位置上产生的吸收剂量的比值。当前60页，总共87页。经验分析方法该方法涉及大量数学运算，实际中常采用基于实验测量的经验分析方法。当前61页，总共87页。固定射野治疗有两种实施方法：固定源皮距方法（constantsource-skindistancemethod），简称“SSD”，体表的照射野面积及其到辐射源的距离保持不变，但患者体内病灶位置上的射野大小，取决于射野在皮下所处的深度。固定源轴距方法（constantsource-axisdistancemethod），简称“SAD”，相当于“旋转照射”中，射线束固定在某一特定位置，辐射源到患者病灶某一特定点（“旋转中心”）的距离保持不变；此时，源皮距、体表照射野大小、病灶区域内射野所处的深度取决于患者的身围和轮廓以及射线束的入射方向，然而病灶区域内的照射野面积，则不因这些因素的改变而变化。当前62页，总共87页。放射治疗中，推算相同照射条件下患者体内的吸收剂量，可借助以下量获得参考点（referencepoint)和参考点剂量百分深度剂量（PDD）组织—空气比（TAR）当前63页，总共87页。参考点固定SSD：在人体内，沿射线束中心轴参考深度dm处一点。参考点吸收剂量即射线束在体内的峰值剂量（Dm）。固定SAD：参考点位于射线束旋转中心。当前64页，总共87页。如果射线束光子能量不超过钴-60γ光子，参考点剂量是自由空气中旋转中心所在处“小块组织的吸收剂量”。而“小块组织的吸收剂量”是借助同一位置上空气比释动能的实测值或计算值。为准确测量自由空气中的空气比释动能，必须满足次级电子平衡条件：自由空气（实际就是用于测量的仪器探头中的空气）周围必须围以厚度相当于入射光子次级电子射程的空气替代物。当前65页，总共87页。反散射因子（backscatterfactor，BSF）

体模内，沿射线束中心轴，参考深度(dm)处的吸收剂量[Dm(Wm)]，与体模不在时同一位置上空气中小块组织吸收剂量[Dm,a(Wm)]的比值：

以上,W-是参考深度(dm)处的射野大小；如果,人体（或体模）衷面的射野尺寸是W0，则当前66页，总共87页。对于相同线质、相同的射野面积，因射野形状不同造成的BSF值的差异并不显著。反散射因子（BSF）主要了决于辐射品质（Q）和参考深度处的射野面积（Wm），可记为BSF（Q，Wm）。当前67页，总共87页。百分深度剂量（percentagedepthdose,PDD）实质是体模内沿射线束中心轴两个不同深度上的吸收剂量的比值。影响百分深度剂量的因素有：特定的皮下深度（d）参考深度上射野（Wm）的大小和形状源皮距（SSD）及辐射的线质（Q）PDD（Q，SSD，Wm，d）当前68页，总共87页。组织空气比（tissue-airratio,TAR）

体膜内，沿射线束中心轴所关注的深度d处的吸收剂量[Dd(Wd)]与体模不在时同一位置上空气中小块组织吸收剂量[Dd,a(Wd)]的比值：当前69页，总共87页。组织－最大比（TMR）

体膜内沿射线束中心轴，与源的距离相同，且射野形状、尺寸也相同，组织厚度为d时的吸收剂量[Dd(Wd)]与组织厚度等于参考深度dm时的吸收剂量[Dm(Wd)]的比值：当前70页，总共87页。4、发散射束垂直入射时人体组织剂量的计算对于固定SSD治疗，剂量计算的参考点位于沿射线束中心轴的参考深度处。参考剂量即为峰值剂量[Dm(Wm)]。按百分深度剂量（PDD）定义，沿射线束中心轴任一深度d[射野面积(Wd)]上的组织吸收剂量[Dd(Wd)]为：（6.37）当前71页，总共87页。对旋转照射或固定SAD治疗方法，剂量计算的参考点则在旋转中心。按组织－空气比（TAR）或组织最大比（TMR）定义，沿射线束中心轴任一深度上的组织吸收剂量[Dd(Wd)]为：（6.38）（6.39）当前72页，总共87页。若拟用计算方法取得公式（6.27）、（6.39）中参考点处的吸收剂量Dm(Wm)或Dm(Wd)，则可利用反散射因子（BSF），通过同一点处自由空气中的“小块组织吸收剂量”Dm,a(Wm)或Dm,a(Wd)加以估计：当前73页，总共87页。自由空气中“小块组织的吸收剂量”Dd,a(Wd)、Dm,a(Wd)或Dm,a(Wm)则可由沿射线束中心轴上同一位置（Wm或Wd）上空气的比释动能（Ka）推算。例如Dd,a(Wd)为：相关位置上空气比释动能则为：当前74页，总共87页。要点：P109习题P107例6.5当前75页，总共87页。第七章放射性药物内照射剂量估算的基本方法1、隔室（Compartment）

根据物质代谢的动力学数据，能加以区分、且以特定速率（λb）廓清滞留物质的“代谢池”。可以为一个器官也可以是器官的一部分。特定速率（λb）又称为生物廓清速率常数。（7.1）ΔA/A(t)是在t至t+Δt时间内滞留物质量减少的份额。当前76页，总共87页。如果单次吸收后，摄入物质在隔室中的初始滞留量为A(0)，则到t时刻，隔室中的物质滞留量[A(t)]为：半廓清时间或生物半排期平均滞留时间当前77页，总共87页。滞留分数R(t)

单次吸收后，隔室中物质的初始滞留量[A(0)]到t时刻留下的份额。若摄入物质是放射性的，相应的衰变常数为λr,半衰期为Tr，则单次吸收后t时刻，隔室中的物质滞留量还需进行放射性衰变修正：（7.4）（7.5）有效廓清速率：有效半减期：当前78页，总共87页。有效滞留分数单次吸收后，隔室中放射性物质的初始放射性活度[A(0)]到t时刻留下的份额。（7.8）当前7