放射剂量学简介

放射剂量学简介第1页/共90页第一节肿瘤放射治疗学总论第2页/共90页定义与组成利用放射性射线的物理特性及生物特性来治疗恶性肿瘤即为放射治疗，作为一门临床学科来说即称为放射治疗学。包括临床放射治疗学、放射物理学、放射生物学。放射剂量学是放射物理学的一个分支。第3页/共90页放射治疗发展史1896年

居里夫人发现镭α、β、γ线1899年

第一例用放射治愈病人被报告，但仅限于浅表疾病（包括肿瘤），主要近距离放射1913年

Coolidge发明千伏X线球管。当时仅用于诊断摄片。1922年

产生了千伏X线治疗机，由此，开始了深部疾病的放疗，但治疗结果不能重复同年的巴黎国际放射会议，Coutard和Hautant报导了放射治疗喉癌获得成功第4页/共90页放射治疗发展史1934年

Coutard创造了长疗程多次分割照射的放疗方法一直至今沿用30年代产生更高能量的X线50年代产生60Co治疗机70年代产生直线加速器80年代出现中子治疗机第5页/共90页放射治疗属于局部治疗，它对肿瘤无选择性作用，而对肿瘤周围的健康组织却有损害。提高肿瘤治愈率就使要减轻正常健康组织的损伤，同时要增加肿瘤杀死的效应。为此掌握电离辐射产生和吸收的物理基础，掌握放射生物效应，以及了解肿瘤生长和正常组织的愈合，对于从事肿瘤治疗工作者来说是更为重要。第6页/共90页临床采用的射线类型及治疗设备

射线分类：光子射线→不带电⑴低能X线：深部X线治疗机⑵高能X线：直线加速治疗机⑶γ射线：６０Co治疗机第7页/共90页非光子射线（粒子）1)

电子线（β）：加速器治疗机产生2)

中子治疗机（原子裂变）3)

负Л介子：4)

α粒子5)

质子、重离子He、C、O第8页/共90页治疗设备１、X线治疗机特点：优点（１）、产生低能X线，穿透能力弱（２）、适于治疗浅表病灶缺点（３）、骨组织中吸收增多（４）、产生皮肤高剂量区域第9页/共90页Co-６０治疗机

特点：（１）、产生γ射线，穿透能力高于深部X线（２）、最高剂量在皮下０.5厘米，产生皮肤减免作用（３）、骨组织吸收明显低（４）、适于治疗深部肿瘤缺点（５）、半衰期5.26年，需要换源（６）、半影较大第10页/共90页第11页/共90页直线加速器原理：电子在加速管内直线运行，不断加速，使得能量不断加大，当电子速度加大到一定程度后-→与金属板碰撞（如金）→产生高能X线直接引出→电子束特点：（１）产生高能X线，穿透能力强于６０Co（２）最高剂量在皮下某一深度（３）表面量（如皮肤量）低（４）半影小（５）适于治疗大部分肿瘤，尤其是深部肿瘤（6）电子线特性，使其产生特殊用法，如治疗偏心的浅表肿瘤，结合其它射线使剂量分布均匀等第12页/共90页第13页/共90页第14页/共90页4、感应加速器：电子回旋加速5、中子加速器：由中子直线加速6、其它放射治疗机:质子加速器等第15页/共90页第16页/共90页放射治疗辅助设备1.

CT：分为诊断性和治疗性二种使用价值2.

模拟机：模拟治疗机下的X透视机主要目的：⑴.定出射野部位、设野、布置其大小，然后反映于体表⑵.摄片以核对用，及后装治疗中计算机的剂量优化第17页/共90页第18页/共90页3.

TPS（治疗计划系统）：

CT片上画出肿瘤范围--→将图象输入电脑--→医生要求达到的剂量分布方案及布野设计--→优化出最佳布野方案剂量分布，各照射野所给以的剂量比例--→打印和绘图机--→治疗病人第19页/共90页第20页/共90页第21页/共90页第二节

放射物理学基础

原则：最佳的临床治疗要求使放射线的焦点集中在原发肿瘤区和局部侵犯区。临床剂量学要求：剂量准确；治疗区域内剂量分布均匀；尽力提高肿瘤区剂量；降低正常组织剂量；保护重要器官（如脊髓等）。第22页/共90页常用的放射性射线的种类（1）射线发生器产生的：电子线（e）X线(x)中子射线(n)质子射线(p)重离子射线负π介子射线(π-)（2）放射性同位素产生的：

α射线β射线γ射线第23页/共90页常用的放射性同位素有钴-60（60Co)

铯-137(137Cs)铱-174(174Ir)

碘-131(131I)

镭-226(226Ra)锎-252(252Cf)第24页/共90页电磁波（光子）线。包括X射线和γ射线，连续的电磁光谱尚包括无线电波和光。X射线是通过一种装置将电子加速到高能状态，并冲击合适的靶（钨和铜）而产生。靶所阻挡的能量一部分以热能方式释放，另一部分转换X线射线。γ射线是放射性同位素的原子核释放出来的，γ射线和X射线在组织中被吸收，其作用方式是通过与外周电子发生相互作用并使外周轨道电子发生移动。在放射肿瘤学中常用的能量范围内，常常以康普顿效应的方式被吸收。第25页/共90页第26页/共90页中子线回旋加速器常能产生。对于快中子的深度—剂量特性（7～14MeV）类似于钴60。中子是高LET射线，但是中子是不带电粒子，在组织，水或其他介质中以指数方式衰减，不具有其他高LET射线的物理特点。快中子治疗的优点主要在生物学方面。快中子OER值低，约1.5～1.6，相对生物效应不仅随着能量变化，而且随着介质深度和分次照射而变化，比较复杂，应用时要做实际测量。第27页/共90页重粒子辐射

质子在物理上有一个Bragg峰，根据能量变化Bragg峰位置可发生改变。是高LET（线性能量传递LinearEnergyTransfer）电离性辐射低LET：由于次级电子少、稀。虽然有些高能X线穿透力强，但能量传递水平很低。包括低能X线光子束，高能X线，电子线等。高LET：次级电子多、密。如中子、α粒子、负π介子等。第28页/共90页第29页/共90页放射物理的基本物理量及单位1.照射量（χ）1）照射量定义：照射量是指X线或γ线的光子在单位质量空气中释放出来的所有次级电子，当它们完全被空气阻止时，在空气中所形成的任何一种符号离子的总电荷量的绝对值。

Χ=dQ/dm第30页/共90页2）照射量的单位国际制单位：库仑千克-1（C.Kg-1）暂时沿用的专用单位：伦琴（R）1R=2.58x10-4C.Kg-11R=103mR=106μR第31页/共90页2.照射量率1).照射量率定义：照射量率是单位时间内照射量的增量χ=dX/dt2).照射量率的单位国际制单位：库仑千克-1秒-1（C.Kg-1S-1）暂时沿用的专用单位：伦琴秒-1（RS-1）第32页/共90页3.吸收剂量（D）1）.吸收剂量定义：吸收剂量是任何电离辐射与质量为dm的物质的平均能量dε除以dm所得的商D=dε/dm2）.吸收剂量的单位：国际单位制单位：焦耳千克-1（JKg-1)专名：戈瑞（Gy)1Gy=100cGy第33页/共90页5.吸收剂量与照射量的关系：吸收剂量（D）和照射量（X）是两个概念完全不同的辐射量，但在两个量之间，在相同的条件下又存在下述关系：D=f.Xf--照射量—吸收剂量转换系数第34页/共90页第35页/共90页测量单位

放射活性元素是表达为每秒蜕变的数量。放射活性单位过去是居里（Ci），相等于3.7×1010每秒蜕变数（很粗等于1G镭的活性）。代替Ci的SI单位是Becquere（Bq），确定为每秒1次蜕变。1个Ci（居里）等于3.7×1010Bq。放射防护单位集合了物理吸收剂量（Gy）和有关放射生物作用的限制因素（Q）。雷拇rem（rad×Q）已经被Sievert（Sv）所代替；1Sv等于100rem。第36页/共90页放射治疗的物理基础放射性射线的穿透性放射性射线的电离性第37页/共90页放射性射线的穿透性放射性射线的穿透性就是指射线与物质相互作用时能穿透到物质内一定深度。射线的穿透深度，穿透曲线的形状与射线的种类，射线的能量及被穿透物质的性质有关。第38页/共90页第39页/共90页放射性射线的电离性放射性射线能使受照物质的分子，原子电离。故称作为“致电离辐射射线”，这是放射性射线的重要物理性质，构成了放射治疗的物理基础。第40页/共90页1）电离性的生物效应I）间接效应间接效应就是指放射性射线使水电离所引起的生物效应“水的原发辐射产物”如下式：

射线照射

H2O————H++OH_+e_ag+H2+H2O+H3O+第41页/共90页Ⅱ）直接效应直接效应就是指放射性射线直接对生物物体作用所产生的生物效应射线照射RH_____________RH++e_→R++H++e_第42页/共90页2）空气电离性的物理效应I=e·N0

·ε/ωe电子电荷，1.6×10-19库仑N0单位时间内进入电离室的辐射粒子数ε电离辐射在某种气体中损失的能量ω该种气体的平均电离能第43页/共90页第44页/共90页第45页/共90页第三节

照射野剂量学

在放射治疗中，患者所接受的辐射剂量，一般不能在患者的体内直接测量，通常是在人体组织替代材料。如水模体中，对各种类型的外照射治疗机进行剂量校准，剂量分布测定等，并将水模体中的吸收剂量转换为患者所接受的剂量。为此需要利用和发展外照射照射野剂量学系统。以下将简要介绍照射野剂量分布的描述和X(γ)射线及高能电子束剂量分布的特点。第46页/共90页一、照射野及照射野剂量分布的描述

射线束(beam)从放射源出发沿着光子或电子等辐射粒子传输方向，其横截面的空间范围称为射线束。射线束中心轴(beamaxis)定义为射线束的对称轴，并与由光阑所确定的射线束中心，准直器的旋转轴和放射源的中心同轴。第47页/共90页名词定义照射野(fleld)由准直器确定射线束的边界，并垂直于射线束中心轴的射线束平面称为照射野。照射野的大小一般有两种定义方法。一是几何学照射野，即放射源的前表面经准直器在模体表面的投影；再一为物理学照射野，这是剂量学概念，即以射线束中心轴剂量为100％，照射野相对两边50％等剂量线之间的距离，为照射野的大小。

第48页/共90页名词定义源皮距(SSD)从放射源前表面沿射线束中心轴到受照物体表面的距离。源轴距(SAD)从放射源前表面沿射线束中心轴到等中心的距离。参考点(referencepoint)模体中沿射线束中心轴深度剂量确定为100％的位置。对于势能低于400kV的X射线，该点定义为模体表面，高能X()射线，定义为最大剂量点位置。

第49页/共90页名词定义校准点(calibrationpoint)国家技术监督部门颁布的剂量学规程所规定的放射治疗机剂量校准的测量点。射线质(beamquality)用于表示射线束在水模体中穿射本领的术语，该质是带电和非带电粒子能量的函数。第50页/共90页剂量学参数(一)平方反比定律(inversesquarelaw，ISL)平方反比定律是放射源在空气中放射性强度(可表示为照射量率和吸收剂量率)随距离变化的基本规律。第51页/共90页(二)百分深度剂量(percentagedepthdose，PDD)百分深度剂量是最常用的照射野剂量学参数之一，定义为水模体中以百分数表示的，射线束中心轴某一深度处的吸收剂量，与参考深度的吸收剂量的比值。第52页/共90页第53页/共90页

(三)组织空气比(tissueairratio，TAR)组织空气比是加拿大物理学家Johns于20世纪50年代初提出的，目的是解决钴-60和中低能量等光子射线束旋转治疗的剂量计算。组织空气比定义为水模体中射线束中心轴某一深度的吸收剂量，与空气中距放射源相同距离处，在一刚好建立电子平衡的模体材料中吸收剂量的比值。第54页/共90页(四)组织模体比(tissuephantomratio，TPR)和组织最大剂量比(tissuemaximumratio，TMR)对于高能量光子，不依赖于源皮距离变化而改变的剂量学参数是组织模体比，定义为水模体中，射线束中心轴某一深度的吸收剂量，与距放射源相同距离的同一位置，校准深度处吸收剂量的比值。第55页/共90页(五)散射空气比(scatterairratio，SAR)和散射最大剂量比(scattermaximumratio，SMR)应用散射空气比和散射最大剂量比是为了计算模体中的散射线的剂量。分别计算原射线和散射线的剂量在不规则形状照射野的剂量学中具有特别意义。第56页/共90页散射空气比定义为水模体中某一深度的散射线剂量，与空间同一点空气中吸收剂量的比值。因模体中某一点的散射线剂量影等于该点的总剂量减去原射线剂量。用实验方法可以测量得到照射野中某一位置原射线剂量，这一照射野定义为零野。则某一照射野的散射空气比可以用该照射野的组织空气比与零野的组织空气比计算得出。第57页/共90页

散射最大剂量比定义为水模体中某一深度的散射线剂量，与空间同一点刚好位于最大剂量点的有效原散射线剂量的比值。第58页/共90页(六)准直器散射因子(collimatorscatterfactor，Sc)和模体散射因子(phantomscatterfactor，Sp)模体中某一点的吸收剂量是由接受两部分射线造成的，一是经由治疗机准直器准直入射的射线束，另一部分是由其在模体中产生的散射线。前一部分射线束中包括从放射源辐射的原射线，和经准直器后产生的散射线。为与模体中的散射线相区别，并在剂量计算中分别考虑，定义原射线和经准直器产生的散射线之和为有效原射线。第59页/共90页准直器散射因子也称为输出因子(outputfactor)，定义为空气中某一大小照射野的输出剂量与一参考照射野(通常为10cmXl0cm)的输出剂量之比。准直器散射因子反映的是有效原射线随照射野变化的特点。第60页/共90页模体散射因子定义为保持准直器开口不变，模体中最大剂量点处某一照射野的吸收剂量与参考照射野(通常为10cmX10cm)吸收剂量之比。根据定义，模体散射因子反映的是固定准直器开口条件下，随模体受照射体积的改变，散射线变化的特点。Sc，p称为总散射因子(totalscatterfactor)，定义为模体中参考深度处某一照射里吸收剂量与参考照射野吸收剂量的比值。第61页/共90页第62页/共90页二、X(γ)射线射野剂量分布的特点X(γ)射线百分深度剂量的特点等剂量曲线的特点楔形滤过板人体曲面和不均匀组织对剂量分布的影响第63页/共90页1、X(γ)射线百分深度剂量的特点能量和深度的影响照射野的影响源皮距离的影响第64页/共90页能量和深度的影响

第65页/共90页照射野的影响第66页/共90页源皮距离的影响第67页/共90页2、等剂量曲线的特点

第68页/共90页照射野离轴比

第69页/共90页离轴比曲线的意义利用离轴比曲线，可以描述和评价照射野的平坦度和对称性。照射野平坦度定义为标准源皮距条件或等中心条件下，模体中10cm深度处，照射野80％宽度内，最大或最小剂量与中心轴剂量的偏差值，应好于±3％。照射野对称性定义为与平坦度同样条件下，中心轴对称任一两点的剂量差与中心轴剂量的比值，应好于±3％。第70页/共90页半影照射野内均匀的剂量相比，照射野边缘剂量变化剧烈，迅速跌落，形成所谓的半影区。即80％与20％等剂量曲线之间的宽度，表示物理半影的大小。半影分为几何半影、穿射半影和散射半影。几何半影主要指钴—60治疗机，是由放射源的大小、源到准直器的距离和源皮距离形成的。穿射半影受准直器漏射线影响。散射半影是准直器和模体内的散射线形成。第71页/共90页等剂量曲线不同能量射线束的深度，随能量的增加而增加。低能射线束的等剂量曲线较为弯曲，而能量增加时，等剂量曲线逐渐变得平直。低能射线束的等剂量曲线在边缘中断，形成断续的分布，而对于高能射线束，其穿透力比较强，准直器不能完全吸收，等剂量曲线基本是连续分布。在照射野边缘，低能射线束的旁向散射份额较大，使低值等剂量曲线向外膨胀。钴—60射线，具有较大的半影区第72页/共90页第73页/共90页3、楔形滤过板

楔形