人体辐射计量学

人体辐射计量学第1页，共38页，2023年，2月20日，星期三参考书目：《放射物理与防护学》，洪洋编著，人民军区出版社《放射物理与防护》，李迅茹主编,人民卫生出版社《医学影像物理学》，张泽宝主编,人民卫生出版社《辐射防护技术与管理》，张丹枫赵兰才广西民族出版社《医用核辐射物理学》，魏志勇主编，苏州大学出版社《肿瘤放射物理学》，胡逸民主编，原子能出版社《肿瘤放射治疗学》(第四版)，谷铣之名誉主编，殷蔚伯等主编，中国协和医科大学出版社第2页，共38页，2023年，2月20日，星期三教学要求：1.掌握电离辐射的常用的辐射量和单位2.掌握辐射防护中使用的辐射量和单位3.熟悉射线质的测定4.了解照射量和吸收剂量的测量国际上选择和定义辐射量及单位的权威组织是：国际辐射单位和测量委员会(Internationalcommissiononradiologicalunitsandmeasurements,ICRU)

国际放射防护委员会（ICRP）。第3页，共38页，2023年，2月20日，星期三第三章人体辐射计量学发生核反应产生新的粒子入射粒子能量传递给靶分子辐射物质相互作用粒子与物质间辐射能量传递和分布规律的学科辐射生物效应放射防护放射治疗放射损伤是人体辐射计量学研究从剂量估算的基础放射生态学等领域非电离辐射估算精度不断提高单纯的电离辐射剂量到涉足第4页，共38页，2023年，2月20日，星期三第1节电离辐射计量学放射诊断计量学医用电离辐射物理计量学立体定向放射治疗剂量学远距离治疗剂量学近距离治疗剂量学放射性核素治疗剂量学放射治疗计量学

立体定向放射治疗(SRS)，俗称X刀,γ刀治疗。它是通过立体聚焦装置限定小的辐射束给病人病灶区施行一次(或多次)大剂量照射而且对临近健康组织不产生大的损伤。第5页，共38页，2023年，2月20日，星期三1.放射治疗剂量学

放射治疗需要详细的剂量学资料,以便在治疗效果与正常组织防护上提出一个平衡方案。放射治疗的剂量学方法取决于核素的种类和靶区大小。

1.器官(宏观)水平:在这个水平(线性几何尺寸大于1cm)剂量计算的基本方法是基于1968年医学内辐射剂量(MIRD)委员会推荐的方法和其后发表的一系列补充报告。

2.半微观(毫米)水平:这个水平主要是使用β粒子和α粒子发射体去治疗非常小的肿瘤。根据能量沉积的范围,放射剂量学大概可划分为4个水平：第6页，共38页，2023年，2月20日，星期三

3.细胞水平(微剂量学):在这个水平一般考虑能量沉积范围相当于细胞核大小。当核素分布是非均匀的,微剂量学方法最适用于α粒子和Auger电子发射核素,但微剂量学方法所得到的结果很难直接应用于临床治疗。

4.DNA(纳米)水平:这个水平主要考虑α粒子和Auger电子对DNA的损伤。DNA水平的微剂量学研究，促进了径迹结构方法和MonteCarlo计算理论的发展。有人已报道了在1～100nm直径的靶体积内能量沉积绝对频率分布的MonteCarlo计算结果并与RBE(相对生物效应)联系起来。这方面的研究已逐渐从简单的圆柱或球形模型向实际的DNA体积过渡。第7页，共38页，2023年，2月20日，星期三

虽然剂量计算本身的准确度在不断改进。但应用到临床实际，特别是针对个体病人还有很多问题。这是因为源的实际分布和靶分布在很多情况下是不明确的，估计的靶大小和几何形状可能造成剂量估算中的很大误差。诊断剂量学大致包括以下3个方面:2.放射诊断计量学1.常规X射线摄影和透视2.CT检查3.乳腺检查和介入检查

使用不同的诊断方法，用于计量学的物理量和检测仪以及检测方法均有差异。第8页，共38页，2023年，2月20日，星期三一、X()射线的照射量

1.

照射量X的定义指X()射线的光子在单位质量dm空气中释放出的所有次级电子，当它们完全被阻止在空气中时，在空气中产生的同种符号的离子的总电荷量的绝对值(不包括因吸收次级电子发射的韧致辐射而产生的电离)dQ与dm的比值，即：照射量的单位是：曾用单位：伦琴R(Roentgen)

照射量是度量X()射线对空气电离本领的物理量，他反映的是空气辐射场的性质，间接反映射线的强弱。第9页，共38页，2023年，2月20日，星期三

注意:

①照射量描述放射源的输出量；②在空气中，而不在其它物质(如组织等)中；③适用于光子，而不能用于其它类型辐射(如中子或电子束)等。④因现有技术不能对低能和高能的X(γ)射线的照射量精确测量，因此照射量实际仅对光子能量介于几千keV至几兆keV范围内的X(γ)射线适用。第10页，共38页，2023年，2月20日，星期三

当用X射线或射线照射0.001293g空气(相当于在0℃，760毫米汞柱大气压的1cm³的干燥空气的质量)中造成1静电单位()正负离子的辐射强度=1伦琴。2.伦琴的概念

一个离子的电荷量为静电单位。因此，产生一静电单位电荷量的离子对为：第11页，共38页，2023年，2月20日，星期三带电粒子在空气中形成一个离子对需消耗平均能量为33.97eV

1伦琴X()射线的折射量相当于在0.001293g空气中交给次级电子的能量为：照射量率的单位：3.照射量率

单位时间内照射量的增量称为照射量率(exposurerate),表达式为：第12页，共38页，2023年，2月20日，星期三

二、吸收剂量D1.吸收剂量D的概念指电离辐射授予单位质量靶物质(或单位质量物质所吸收的)任何电离辐射的平均能，表达式为：

由于照射量不能适用于光子以外的其他粒子的射线，而且不能描述人体真实组织受到辐射剂量的大小，因此引入吸收剂量。吸收剂量D的国际单位：

的专用名为：戈瑞Gray，符号为Gy，也有用cGy,弃用名拉德rad。1Gy=100cGy=100rad第13页，共38页，2023年，2月20日，星期三

注意：适用于任何类型、任何能量的电离辐射以及受照射的任何物质。但谈及吸收剂量时，必须指明哪种辐射对何种物质的特定位置造成的吸收剂量。

授予能是指电离辐射以电离、激发方式传递给某一体积内物质的能量。授予能是一个随机的量，只能通过测量去确定它的几率分布。2.吸收剂量率的概念平均授予能是各种授予能与其出现的几率乘积之和。

吸收剂量率是指单位时间dt内物质吸收剂量的增量dD，即dD/dt，单位是Gy/s。第14页，共38页，2023年，2月20日，星期三

粒子注量：在辐射场中以某一点为球心的小球，进入该小球的粒子数dN与垂直于每个粒子入射方向的截面积dS之比，称之为粒子注量。

能量注量：在辐射场中进入截面积dS的球体内的所有粒子的总能量dE（总动能，不包括静止能量）与截面积dS之比，称之为能量注量。单位时间内粒子注量的变化，称为粒子注量率。单位时间内能量注量的变化，称为能量注量率。粒子注量和能量注量

粒子数N：由辐射源发出的，或在辐射场内传播的，或被有关物质接收的粒子数目称作粒子数。第15页，共38页，2023年，2月20日，星期三3.空气吸收剂量与照射量的换算换算公式为：

D采用Gy，X采用C/Kg为单位时，的换算系数为33.97类别吸收剂量D照射量X适用靶范围物理含义使用辐射源量度含义测量限制国际单位专名任何被照射物质靶物质吸收的辐射能任何电离辐射源直接反映受照人体组织无限制戈瑞Gy仅适用于空气空气中的离子总电荷量仅适用于X(γ)射线源间接反映受照人体组织能量在10KeV~3MeV的X(γ)射线无国际单位专名(R为曾用名)吸收剂量和照射量的区别和联系表第16页，共38页，2023年，2月20日，星期三三、比释动能K(Kerma)

比释动能K是指不带电粒子在质量为dm的介质中释放的全部带电粒子的初始动能总和，即比释动能K的单位为：比释动能的原意是：物质中释放的动能

应包括带电粒子在轫致辐射中辐射的能量和发生在dm介质中二次效应产生的所有带电粒子和俄歇电子的能量。注意区别：

照射量是以电离电量的形式间接反映射线在空气中辐射强度的量，不反映射线被物质吸收而使能量转移的过程。第17页，共38页，2023年，2月20日，星期三不带电粒子物质相互作用用比释动能K表示这一阶段的结果释放出次级带电粒子(获得能量)使用物质电离、激发用用吸收剂量D表示这一阶段的结果发生韧致辐射这部分能量不参与把组织的电离或激发，与辐射效应无关，应从初始能量中扣除。

比释动能只适用于间接致电离辐射，但适用于任何物质。使用时也必需指明相关物质和所在位置。

单位时间dt内的比释动能增量dK，即为dK/dt——该物质该时刻该处的比释动能率，单位Gy/s第18页，共38页，2023年，2月20日，星期三

四、当量剂量(equivalentdose)

当同一物质受到不同的放射源照射时，即使吸收剂量相同产生的生物效应也可能不一样，因此引入当量剂量的概念。它是辐射防护剂量学的基本量，是在严格意义上的吸收量。

当量剂量等于某一组织或器官T所接受的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积，即：

吸收剂量仅用来反映单位靶物质吸收辐射能量的多少，不能反映所产生生物效应的差别。实验表明相同吸收剂量的不同的电离辐射，对生物组织的破坏作用差异较大。评价指标就必须考虑生物效应，这样需要对吸收剂量加以适当的修正。第19页，共38页，2023年，2月20日，星期三为R类辐射在组织或器官T中所受的当量剂量为R类辐射在组织或器官T中所的平均吸收剂量为R类辐射的辐射权重因数，与辐射的“质”有关

辐射生物效应与吸收剂量、辐射种类和射线能量有关，所以权重因子是根据内外照射的辐射种类和能量而确定的。

当辐射场是由具有不同值的不同类型的辐射所组成时，当量剂量为：第20页，共38页，2023年，2月20日，星期三

当量剂量率：单位时间dt内当量剂量的增量，即,单位是Sv/s。

因无量纲，当量剂量与吸收剂量的单位相同是J/kg，为了区别，给当量剂量单位起了一个专用名为西沃特(Sievert)，符号为Sv，1Sv=1J/kg。当量剂量只限于在辐射防护所涉及的剂量范围内使用。

辐射权重因数代表特定辐射在小剂量照射时诱发随机性效应的相对生物效应(RBE)的数值。

注意：当量剂量只限于在辐射防护所涉及的剂量范围内在单个器官或组织受辐照时使用。第21页，共38页，2023年，2月20日，星期三第22页，共38页，2023年，2月20日，星期三五、有效剂量E

(effectivedose)

「组织权重因子」，它反映在全身均匀受照下各组织或器官对总危害的相对贡献。

当量剂量是针对了不同的辐射类型产生的不同生物效应的评价指标，但人体不同器官或组织对辐射的敏感程度不同，对应的危险度有不同的数值。如果有多个器官或组织受照时，应考虑分器官危险度的加权归一化。第23页，共38页，2023年，2月20日，星期三

当体内全身受到均匀或不均匀照射时，体内各组织与器官的当量剂量与相应的组织权重因数乘积的和——有效剂量。

组织权重因子用于表示各组织器官对辐射的敏感程度。例如，骨髓和性腺对辐射敏感程度高，权重因子就大；皮肤对辐射不敏感，权重因子就小。

因WT没有量纲，所以有效剂量E和当量剂量的单位一样，也用希沃特Sv。第24页，共38页，2023年，2月20日，星期三WT0.010.050.120.20组织器官骨表面皮肤膀胱、乳腺肝、食道甲状腺、其余组织红骨髓结肠肺、胃性腺总计权重0.020.300.480.20器官或组织的权重因数WT

有效剂量可以解决全身脏器受到不均匀照射或局部不同组织照射以及内外混合照射同时存在时的危险评价。六、待积剂量(committeddose)指放射性核素进入体内的剂量积分运算。

放射性核素加入体内的剂量估算与核素在体内的蓄积、衰变、排泄等复杂因素有关。第25页，共38页，2023年，2月20日，星期三

每时刻的衰变都会对靶器官产生剂量，估算需要按一定规律拟合核素-剂量数学模型。

待积当量剂量：单次摄入的放射性物质在其后的年内所关心的器官或组织所造成的总剂量累计值，即：单次摄入R类放射物质后t时刻对器官或组织造成的当量剂量率待积当量剂量摄入放射性物质后经过的时间

在待积当量剂量的基础上乘以相应的权重因数WT，再求积，可导出待积有效剂量(committedeffectivedose,)。第26页，共38页，2023年，2月20日，星期三常用群体剂量：集体剂量、集体当量剂量和集体有效剂量等。1.集体剂量(collectivedose)

是集体所受的总辐射剂量的一种表示方法

定义为：受某一辐射源照射的群体成员数与他们所受的平均辐射剂量的乘积。单位：人.西沃特(man．Sv).七、涉及群体的剂量主要用于在辐射流行病研究中涉及群体剂量的评价2.集体当量剂量(collectiveequivalentdose，ST)

集体当量剂量也就是受照群体每个成员的当量剂量之和。第27页，共38页，2023年，2月20日，星期三

3.集体有效剂量(collectiveeffectivedose，S)

指某一给定的辐射源受照群体所受的总有效剂量S，单位：人.西沃特(man.Sv).群体分组i中成员的平均有效剂量该分组成员数群体分组i中成员的平均当量剂量该分组成员数第28页，共38页，2023年，2月20日，星期三八、常用电磁辐射剂量之间的相互关系

X(γ)射线在空气中形成的辐射场——照射量X

靶物质组织对辐射源能量的吸收——吸收剂量D

X(γ)射线等非带电粒子吸收剂量的一种特殊描述——比释动能K

由于不同的生物体和组织对同一辐射的敏感程度不同——有效当量剂量E

由于不同辐射粒子造成的不同损伤——当量剂量放射性核素进入人体的剂量积分估算——待机剂量第29页，共38页，2023年，2月20日，星期三电离辐射源辐射场（照射量X）待积剂量Committeddose比释动能K吸收剂量D当量剂量H有效剂量E空气核素进入体内任何靶任何靶辐射敏感性待积当量剂量待积有效剂量图3-1常用电离辐射剂量之间的相互关系第30页，共38页，2023年，2月20日，星期三一、电磁辐射计量第2节非电离辐射计量学

电磁辐射：能量以电磁波的形式由辐射源发射到地球空间的一种现象。空间共同传送电能和磁能。电磁辐射的来源来自人工来自自然界放电型射频型工频型频率>105Hz,周围形成高频的电场和磁场——射频电磁场或射频

极高频的X(γ)可造成人体组织的间接电离——电离辐射频率<105Hz，周围形成的电场和磁场——电磁波特高频率>109Hz，的电磁辐射——微波辐射无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等——非电离辐射第31页，共38页，2023年，2月20日，星期三

电磁波的频率在30~3000MeV的射频和微波段——非电离辐射第32页，共38页，2023年，2月20日，星期三电磁环境：存在于给定场所的所有电磁现象的总和。人体外——布满了天然的和人工辐射源发出的电磁波内——肌肉和神经活动是伴有电现象和磁现象1.电场强度E和磁场强度H的概念2.电磁波能流密度与功率密度的概念

单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积上的电磁波能量称为电磁波能流密度S。如果在一个周期内求得能流密度的平均值称为平均能流密度。单位为：超高频电磁辐射的能量目前也用功率密度P表示，单位：第33页，共38页，2023年，2月20日，星期三3.比吸收率的概念

近区场的电磁场强度>>远区场的，是电磁场防护的重点区，但它随距离的变化比较快，空间内的不均度较大，E和H没有确定的比例关系。根据感应场和辐射场的不同分为：远区场(感应场)近区场(辐射场)远区场：指观察点在三个波长以外的区域。远区场电磁波能流密度与电场强度和磁场强度的关系：第34页，共38页，2023年，2月20日，星期三

使用比吸收率来评价生物靶组织吸收的电磁辐射能量，使生物组织吸收的辐射能量定量化。描述静磁场常用磁感应强度B表示。单位：特斯拉(T)

比吸收率(spicificabsorptionrate,SAR)：单位受照组织吸收的电磁辐射能量。其单位：二、核磁共振计量核磁共振成像(MRI)对人体造成伤害的可能因素：静电场、时间梯度磁场、射