放疗的物理学基础1课件

放射治疗的物理学基础江苏省肿瘤医院放疗科何侠放射治疗概述

●放射治疗是应用放射性物质或放射能治疗疾病

●1895年伦琴发现X线及1896年居里夫人、贝克勒尔发现镭为放射治疗奠定了基础。

●1905年第一例镭插植治疗舌癌成功开创了放射治疗的先河

●20世纪40年代有了深部X线机,50年代有了60钴远距离治疗,放射治疗成了一个独立的学科,60年代更有了直线加速器,80年代有了现代遥控后装近距离治疗机,20世纪末,调强放射治疗(IMRT)应用于临床。

●当前约有45%的恶性肿瘤可以治愈,其中22%为手术治愈,18%为放射治疗治愈,5%为药物治愈。

放射治疗概述

●放射治疗是当今治疗恶性肿瘤最常用的方法之一,在肿瘤患者中约有70%接受放疗。放射治疗可单独或与其他治疗方式联合应用。

●放射治疗的目的在于对确定的肿瘤体积给予精确的辐射剂量,同时应使病变周围的正常组织仅受到极小的损伤,在根治肿瘤的同时以最小的代价取得患者长期高质量的存活。放疗对某些患者则可作为有效的姑息治疗手段,如缓解疼痛和减轻症状。放疗亦可使一些未闭合的腔道闭合,保持机体构架和器宫功能的完整,当然应尽力减少并发症的发生。

●放射治疗使用的放射源主要有三类：放射性同位素放出的α、β、γ线；X线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X线；各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束以及其它重粒子束。

放射治疗概述

●放射治疗的两种基本照射方式：远距离照射和近距离照射。外照射最常用的分割剂量为每次2Gy（戈瑞），每周连续放疗5天

●放射治疗禁忌症：放射治疗的绝对禁忌证少见,一般可将晚期肿瘤病人处于恶液质的情况视为放疗的禁忌证。过去将食管癌出现穿孔列为放疗禁忌证,近年来由于食管支架的使用,出现穿孔也可以放疗。凡属于放射不敏感的肿瘤,应视为相对禁忌证。中度敏感的肿瘤,但已出现广泛扩散或足量放疗后复发者,也应视为相对禁忌证。

肿瘤放射物理学

研究放疗设备的结构、性能以及各种射线在人体内的分布规律，探讨提高肿瘤剂量、降低正常组织受量的物理方法。相当于内科学中的药理学，指导我们正确选择放射源和治疗方式。

核物理基础

●原子结构：原子大小：10-10m数量级；原子核10-14m；电子电荷量e=1.60219×10-19C。

●原子序数：核外电子数、核内质子数、核电荷数。（原子为电中性）●核素：具有确定质子数和中子数的原子的总体。元素：具有相同原子序数（质子数）的原子的总体。同位素：原子序数相同而质子数不同的核素。核物理基础

●原子的基本特征：AZX；X为元素符号，Z是原子序数，A是原子质量数。

●核外电子数为Z：分层从内到外：K、L、M、N、O等。每层电子数为2n2。

●原子能级：基态；结合原子根据外围电子所处的不同壳层状态而呈不同的能量级别。当一个自由电子填充壳层时会以发射一个光子的形式释放能量，能量值的大小等于壳层能级能量的绝对值称为结合能。对于同一个能级，结合能将随原子序数的增大而增加。核物理基础

●原子能级：激发态；激发态回到基态的能量差值以电磁辐射的形式发出。又称特征辐射。如能量传给外层电子而使该电子成为俄歇电子———能量等于跃迁能量减结合能。

核物理基础

●光子：自由电子填充壳层时以光子的形式释放能量。能量为相应壳层的结合能。具有一定能量而无质量。

●特征辐射：不同能级的电子跃迁的能量差值以电磁辐射的形式发出。●原子核获得能量可以从基态跃迁到某个激发态。当它再跃迁回基态时以r射线形式辐射能量。称为韧致辐射。

核物理基础

●eV是一个电子在真空中通过1V电位差所获得的动能。KeV千电子伏特。MeV为兆电子伏特。1eV=1.602192×10-19J。●

电磁辐射：X线、r线、光波、热波、无线电波、紫外线、红外线。E=h.v。h为普朗克常数：6.61×10-27尔格.秒。波长λ=C/v。C为光速3×108米/秒●质能关系式：E（焦耳）=mc2。C为光速

核物理基础

●放射性活度：一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。贝可勒尔（Bq）。T=0.693/λ（衰变常数）●放射性比活度：单位质量放射源的放射性活度，衡量纯度指标。

●人工放射性核素：利用核反应堆生产：一是利用反应堆中的强中子束照射耙核，耙核俘获中子而生成放射性核，二是利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取为丰中子核素，具有β-衰变。

核物理基础

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放射性同位素-指数衰变规律：影响核稳定性的因素：中子数与质子数之间的比例关系；核子数的奇偶性；重核的不稳定性。（82）衰变类型：α衰变：原子核自发地放射出α粒子（氦的原子核）的转变过程。衰变后质量减4，电荷减2。镭Ra-氡Rn。β衰变：原子核自发地放射出电子e-或正电子e+或俘获一个轨道电子的转变过程。γ跃迁和内转换：α和β衰变后的子核很可能处于激发态，会以γ射线形式释放能量跃迁到较低的能态或基态。钴-60、铯-137、铱192。原子核能级的间隔在10-3MeV以上，为γ线能量低限。

电子与物质的相互作用●电子与物质（原子）的相互作用：作用方式：弹性散射（高能电子散射向前，角分布锐利，而低能较钝）。非弹性散射：能量和方向发生变化。一是作用在外层电子上：激发（退激发以光和热的方式释放能量）；电离：将电子打出原子之外。不产生X线。二是作用于内层电子：将内层激发到外层，外层电子补充，释放光子，为特征辐射。能量取决于原子序数和能级差。三是作用于原子核：激发到返回稳态释放γ线。称为韧致辐射。

电子与物质的相互作用●

碰撞损失、辐射损失：碰撞损失发生在低能产生热，辐射损失发生在高能产生X线。碰撞损失/辐射损失=816MeV/（T.Z）（T为动能，Z为原子序数）。如X线机的冷却处理。●平均电离功、电子射程：射线在气体中电离出一对正负离子所消耗的功为平均电离功。入射电子在经过激发、电离、辐射以及核反应作用后，不断损失能量，最后终止于介质的深度。●X线的特征：没有质量不受重力影响；没有电荷不受电场影响；和光线一样直接穿插；穿过物质强度按指数衰减；不能被聚焦。

射线与物质的相互作用●

X（γ）线与物质的相互作用：光子与物质作用的三个过程：一是光电效应：光子与原子内层电子作用产生。效应与能量的1/E3成正比。与原子序数有关。二是康普顿效应：光子与外层电子作用：相干散射与反冲电子。与原子序数无关，（骨与软组织）。三是电子对效应：光子与原子核的作用在>1.02MeV产生。质量吸收系数与原子序数Z成正比。射线与物质的相互作用●三种吸收的相对重要性：低能光电，>2MeV几乎全部康普顿，>50MeV主要电子对。骨组织原子序数高,不适合低能X线。放疗中适合能量为200keV～7MeV。治疗机所标为峰值能量，而平均能量约为其1/3-1/4。故1～22MeV。

●指数吸收定律：能量、吸收物质、吸收物质厚度。I=I0e-Μx。半价层HVT：使射线强度衰减至一半所需的吸收体的厚度。HVT=0.693/μ。

放射线的质与量●放射线的质：表示电离辐射贯穿物质的能力，即所谓的射线的硬度，用能量表示。对于2MV以下的X线用它的管电压值表示X线的峰值能量，如200KV的X线,最大能量220keV。X线的能谱连续，平均能量难算，一般用半价层（HVL）表示，即减弱射线一般强度所需吸收材料的厚度。如1mmCu；对于2MV以上的X线，通常以MV数表示；对于r线用同位素表示，如钴-60r线。X、r的质表示穿透能力，而快中子等表示生物效应。

放射线的质与量●

射线质的测量：目的:根据质的大小选择相应的百分深度剂量表；测量吸收剂量时使用不同的效准因子、转换因子将读数转换成吸收剂量。组织的不均匀性效正对质的影响；不同质不同的生物效应。400kV以下在固定照射条件下用不同厚度的吸收片叠加。高能X线能量用10×10射野在固定SSD的基础上测量50%或80%剂量水深度来表示射线的质。电子束能量：测量10×10射野束轴上80%剂量深度d80%，或50%的剂量深度、或电子水射程等方法。

放射线的质与量●

放射性核素：放射性活度：A=dN/dt。只表示放射性元素的蜕变情况，不表示蜕变方式、粒子种类以及粒子能量。贝可勒尔。以前为居里。半衰期:特定能态的放射性核素的活度衰减一半所需时间.放射线的质与量●

剂量单位：吸收剂量：D=De/dm戈瑞照射量：X=dQ/dm光子电离产生的全部电子被阻隔产生的离子总电荷库伦/千克●建成效应：射线照射介质时，介质内的吸收剂量随介质表面下的深度的增加而增加的现象。电子建成：吸取介质中电子通量随深度增加；光子建成：宽束射线通过介质，其散射线引起的吸收剂量随深度的增加X线射野剂量学●几个名词：源皮距（SSD）：表示射线源到体模表面中心点的距离源瘤距（STD）：射线源沿照射野中心轴到肿瘤内所考虑点的距离源轴距（SAD）：射线源到机架旋转轴的距离百分深度剂量（PDD）：体模内照射野中心轴上任一深度的吸收剂量率与照射野中心轴上参考点吸收剂量率的比的百分率组织最大剂量比（TMR）；体模内照射野中心轴上任一点吸收剂量率与空间同一点体模中最大剂量点处的吸收剂量率之比。●半影：几何半影（与放射源大小、源限距离有关）、穿射半影（与准直器有关）、散射半影（与射线质有关）●平坦度：最大剂量点与最小剂量点剂量植之差与其两者平均值之比均匀性：偏离射野中心轴等距离的两点处的最大和最小剂量值之差与射野中心轴的剂量之比。X线射野剂量学●影响源皮距（SSD）因素：射线能量、照射野面积、组织深度、源皮距离●等剂量分布(连接相同深度量的点)的影响因素：能量：造成边缘连续性的差异；源皮距离和放射源大小对钴-60剂量分布的影响；射野斜入射的影响；●人体曲面和组织不均匀性的校正：均匀体模与实际病人的差别：形状和大小、组织结构与密度人体曲面校正：肿瘤空气比法、有效源皮距法、同等剂量曲线移动法组织不均匀性校正：肿瘤空气比法、有效衰减系数法、同等剂量曲线移动法、肿瘤空气比的指数校正（电子密度法）X线射野剂量学●组织补偿：填充块对于高能X线或钴-60应离开皮肤一定距离；补偿滤过用重金属来修正倾斜、弯曲、不均匀、不规则●楔形滤过板：使50%等剂量曲线与中心轴的垂直线呈一定的角度。注意使用的方向。高能用铅，低能用铜。●等效方野：S=2ab/（a+b）高能电子束●

高能电子束始用于50年代初.15%的患者在治疗中要使用电子束.特点是避免对靶区后深部组织的照射.●

高能电子束的产生:电子在加速管中经加速和偏转后引出的电子束,束流发散角很小,需要改造:一是用散射箔,利用散射原理展宽.二是为减少X线污染,利用电磁偏转原理.●

高能电子束的缺点:一是易于散射致皮肤剂量高;二是限光筒与皮肤距离增加会使均匀性变劣半影增宽;三是百分深度量在射野较小时变化明显;四是不均匀组织对对百分深度量影响显著;拉长源皮距时输出量不遵守平方反比定律;五是不规则野输出剂量计算仍存在问题●

高能电子束适应征:表浅,偏心,浅表侵润淋巴结.高能电子束●

剂量分布特点：从表面到一定距离剂量分布均匀，建成区窄，能量与表面剂量成正比；在一定深度之后剂量突然下跌，医用80%-90%区域内,但能量选在35MeV内；入射面处曲线集中，随深度增加而散开(旁向散射)；不同机器剂量分布可能不同。每单位厚度(1cm)的组织吸收2MeV电子能量.●骨肺校正：射程依赖电子密度和散射。而散射依赖于原子序数。一般1cm肺组织等于0.5cm的软组织。有效深度=实际深度-0.5xcm肺厚。●高能电子束对表浅及偏位肿瘤的治疗有独特的优越性照射技术和射野设计原理●

临床剂量学四原则：肿瘤剂量要求准确；靶区剂量分布要求均匀（变化梯度不能超过±5%）；提高靶区剂量减少治疗区正常组织受量；保护肿瘤周围重要器官。●放射源的选择：高能X线将肿瘤放在最大剂量点之后●体外照射技术的分类：SSD、SAD、ROT●SSD转角及病人体位要求准确，SAD保证升床准确●高能电子束：建成区、治疗区、跌落区●高能X线：靶区范围很小可用单野照射，两野照射中心处深度剂量（PDD）大于75%。

治疗计划设计步骤●

四个环节：体模阶段、计划设计、计划确认、计划执行●影响剂量准确性的三个要素：病人材料（轮廓、位置、密度）、射野的物理条件、肿瘤周围重要器官和范围确定的不准确。

适形放射治疗

●定义：高剂量区分布的形状在三维方向上与病变的形状一致，又称三维适形放射治疗（3DCRT）。●必要条件：一是在照射方向上，照射野的形状