X线、电子线剂量学-医学课件

X线、电子线剂量学

放疗用的X线、电子线如何产生？电子直线加速器：X线与电子线的产生加速器的重要组成结构微波源（磁控管、速调管）电子枪偏转系统电离室准直器加速管靶均整器放疗的整个流程？X线、电子线剂量学在放疗中起什么作用？它是理解放疗的基础！X线、电子线剂量学的主要内容是什么？主要内容第一节带电粒子与物质的相互作用第二节X线与物质的相互作用第三节放疗剂量学基本单位和术语第一节带电粒子与物质相互作用1、主要作用方式2、能量损失的特点3、作用小结4、电子线射野剂量学基础1、主要作用方式1.1与原子核外电子的非弹性碰撞1.2与原子核的非弹性碰撞1.3与原子核的弹性碰撞1.4与原子核发生核反应A.电离

入射带电粒子（如电子）与原子核外电子之间库仑相互作用，传递给原子核外电子一部分能量，使之克服原子核束缚成为自由电子，使原子发生电离。

1.1与原子核外电子的非弹性碰撞B.激发

入射带电粒子传递给原子核外电子较少能量，电子不足摆脱原子核束缚，电子可以向外壳跃迁使原子处于激发状态。此过程称为“激发”，激发原子退激时发光。

1.1与原子核外电子的非弹性碰撞C.作用结果

损失能量（碰撞损失/电离损失）

电离损失和激发引起的入射带电粒子能量损失1.1与原子核外电子的非弹性碰撞韧致辐射

入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用,使入射带电粒子的方向和速度发生改变，运动状态的改变伴随发生电磁辐射，称为“韧致辐射”。作用结果：辐射损失能量。1.2与原子核的非弹性碰撞

入射带电粒子与原子核库仑场相互作用，使入射粒子损失一部分能量。特点：能量损失小，不辐射光子、不激发原子核。满足动能和动量守恒定律。当带电粒子能量很低时，才会有明显弹性碰撞1.3与原子核的弹性碰撞当入射的重带电粒子能量足够大（约100MeV)时，与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时，击出1个或多个核子，原子核处于激发态，通过放射出核子或r射线退激。注：100MeV的质子照射石墨，核反应损失约占总能量损失的2.5%电子束，核反应能量损失可忽略。1.4与原子核发生核反应2、能量损失的特点2.1电离损失的定量计算2.2辐射损失的定量计算2.3电离和辐射缺失的相对重要性

dE

z2

(-)NedXE式中：

z：重带电粒子的电荷数

Ne：靶物质每克电子数

E：入射粒子能量

2.1电离损失的定量计算dEz2Z2

(-)NEdXm2

m:入射粒子静止质量E：入射粒子能量

z：入射粒子电荷Z：靶物质原子序数N：单位质量靶物质中的原子数上述能量损失（电离损失+辐射损失）用“阻止本领”描述2.2辐射损失的定量计算总能量损失=电离损失+辐射损失，忽略其它损失。重带电粒子：辐射损失可以忽略

SS

=()col

电子：辐射损失和电离损失的相对重要性

SSZE

（

）rad/()col

800MeV

其中，Z:靶原子的原子序数E：入射电子的动能2.3

两种能量损失的相对重要性带电粒子与物质相互作用是通过与核外电子的多次非弹性碰撞，使靶物质电离和激发而损失能量—电离损失与靶原子核的非弹性碰撞而损失能量--辐射损失每一次碰撞能量损失很小，因此可用阻止本领及射程描述带电粒子在物质中的行为3、作用小结辐射损失与入射带电粒子的m2成反比，轻带粒子的辐射损失比重带电粒子的损失大得多（如：相同能量电子的辐射损失比质子的大100万倍）辐射损失与Z2成正比，重元素物质中的轫致辐射比轻元素物质大辐射损失与入射粒子能量成正比入射粒子能量越高，辐射损失越大。3、作用小结4、电子线射野剂量学基础电子束限光筒的作用形成不同尺寸照射野产生散射电子，改善电子束的角分布、能谱、射野的均匀性。增加建成区的剂量中心轴百分深度剂量曲线分四个区：剂量建成区高剂量坪区剂量跌落区X射线污染区表面剂量Ds>75%X射线污染水平6-12MeV,0.5%-2%12-20MeV,2%-5%6MeV15MeV中心轴百分深度剂量曲线能量对百分深度剂量的影响随着电子束能量增加：表面剂量增大高剂量坪区变宽剂量梯度(G)减小X射线污染增加电子束剂量学优点逐渐消失。6MeV15MeV4~6MeV电子束，表面剂量约为75%15~25MeV电子束，则高达90%以上低能电子束的剂量跌落要比高能电子束的更陡实际放疗能量范围：

4～15MeV能量对百分深度剂量的影响7MeV13MeV20MeV不同能量、大小的射野中心轴PDD源皮距对PDD的影响随SSD增加：表面剂量降低最大剂量深度变深剂量梯度变陡X射线污染略有增加电子束射野的等剂量分布随深度增加：低值等剂量线向外侧扩张高值等剂量线向内侧收缩电子束能量大于7MeV以上时，情况更突出电子束的输出剂量由于电子易于散射，输出剂量随限光筒大小的变化没有明显的规律；不同厂家的限光筒设计不同，同号限光筒，输出剂量也会不同。斜入射对PDD的影响斜入射增加最大剂量dm的侧向散射，使dm向表面方向移动，电子束穿透能力减弱斜入射的影响可用笔形束模型解释斜入射对剂量分布的影响表面不规则对剂量分布的影响不规则阶梯状体表，因旁散射的失衡在界面附近产生局部的剂量热点和冷点，当台阶突出时，电子由里向射束轴外散射；反之，电子由外向射束轴心方向散射，临床上通常使用组织填充物来减弱电子穿透能力，使其边缘剂量平稳过渡。组织补偿补偿体表不规则的外轮廓，减弱电子束的穿透能力，提高皮肤剂量。补偿材料：石蜡、聚苯乙烯和有机玻璃，密度约1g/cm3。小块不均匀性组织小块不均匀性组织，会在边缘处产生剂量热点和冷点射野衔接技术电子束野衔接技术特殊部位照射，如全脑全脊髓治疗，需用多个相邻野衔接构成大野，要避免靶区内有超/欠剂量。衔接的基本原则是：在皮肤表面相邻野之间，或留有一定的间隙，或使得两野共线，使50%等剂量曲线在所需深度相交，形成较好的剂量分布。建议经常变化其衔接的位置，以避免固定位置衔接出现热点或冷点剂量。1、常用4、6、9、12、15MeV2、约15%患者使用3、电子束射程有限4、能保护靶区后器官、组织5、皮肤剂量较高6、深度剂量在小野变化明显7、不均匀组织影响大8、不符合平方反比定律9、适宜于表浅肿瘤、淋巴结电子线射野剂量学基础小结第二节X射线与物质的相互作用1.X线的作用特点2.X线的主要作用方式各种作用的相对重要性

X线射野的基本剂量特点X射线是电磁辐射，不带电，无静止质量。与物质的相互作用机制与带电粒子完全不同。X射线与物质相互作用是通过一次碰撞损失大部分或全部能量，穿过物质时其强度遵循指数衰减规律:-tI=I0e1.X线的作用特点2.1光电效应2.2康普顿散射2.3电子对效应2.4光致核反应2.X线的主要作用方式（能量小于30MeV）X射线全部能量转移给原子中束缚电子使其从原子中发射出来，光子本身消逝。2.1光电效应

光电子发射特征X射线和俄歇电子光电效应总截面光电效应线性衰减系数光电效应光电子角分布入射光子把全部能量交给束缚电子，电子在原子中的束缚能一部分转化为电子动能，一部分用于原子核反冲（可忽略）

h=Ee+Bi

式中，Ee：电子动能

Bi：电子在壳层中束缚能A.光电子发射2.1光电效应B.特征X射线和俄歇电子发生光电效应时从内壳打出电子，该壳留下空穴使原子处于激发态，有两种退激过程：特征X射线：外壳层电子向内壳层跃迁使原子退激，壳层之间束缚能之差以X射线形式发射俄歇电子：原子的激发能交给外层电子使电子发射出来2.1光电效应C.光电效应总截面

每个原子光电效应总截面与原子序数、光子能量间的关系（h大于K层结合能时）：

phZn/(h)3

式中

h：光子能量

n：取值4~4.8,与原子序数相关

Z：原子序数2.1光电效应D.光电效应线性衰减系数

光电效应线性衰减系数与原子序数、光子能量间的关系（h大于K层结合能时）：

ph

phZn/(h)3

式中h：光子能量

n：取值4~4.8,与原子系数相关

Z：原子序数光电效应随原子序数增加迅速增加光电效应随光子能量增加迅速减少2.1光电效应E.光电效应光电子角分布低能光子电子沿近900方向发射高能光子沿近00方向发射

900

低能光子h

00

高能光子2.1光电效应A、反应机制光子与核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使之脱离原子成为反冲电子。散射光子的能量核方向改变

原子核反冲电子Eeh

~~~~~~~

电子

散射光子h’2.2康普顿效应B、与光电效应的区别：光电效应中光子本身消失，能量全部转移给电子。康普顿效应光子把部分能量转移给电子。光电效应发生在束缚最紧的内壳层电子上。康普顿效应发在束缚最松的外壳层电子上

原子核反冲电子Eeh

~~~~~~~

电子

散射光子h’2.2康普顿效应C、康普顿效应能量分布

入射光子能量h

反冲电子动能Ee和散射光子h’Ee=h-h’入射光子能量一定时，散射光子能量随散射角度增大而减小。散射角一定时，散射光子能量随入射光子能量增大而增大。随入射光子能量增大，散射光子越朝前向散射。=0时，h=h’，Ee=0=90时，Ee<0.511MeV；=180时，Ee<00.256MeV2.2康普顿效应D.康普顿效应

原子散射总截面

E

<<m0c2截面与入射光子能量无关，与Z呈正比。E

>>m0c2与Z成正比，近似与光子能量成反比

c

10-24-10-25-10-26-10-27-

0.11.010.0100

E(MeV)

2.2康普顿效应反应机制光子穿过原子核时与原子核的库仑场相互作用，光子转化为一个正电子和一个负电子特点：入射光子的能量必须E>2m0c2=1.02MeV与光电效应类似，必须有第三者原子核参与，才能维持能量和动量守恒。由于原子核反冲动能小，可以忽略

原子核正电子

h

~~~~~~~

负电子2.3电子对效应正电子在吸收体中慢化使其动能为零，与电子相互作用产生两个

射线，此称为“电子对湮灭”2.3电子对效应正负电子对的能量和角度分布能量分布：E=Ee++Ee-+2m0c2由于Ee++Ee-=常数，正电子和负电子之间能量分配是任意的角度分布：由动量守恒正负电子对沿入射光子方向前角发射。光子能量越大，发射方向越前倾湮灭光子的能量和角度分布能量分布：

E1+E2=2m0c2且E1=E2=m0c2角度分布：湮灭前正负电子的动能和动量为零，因此运动方向相反2.3电子对效应电子对效应

截面E>2m0c2

pZ2EE>>2m0c2

pZ2lnE

p/Z210-25-10-26-10-27-10-28-10100

E

(MV)2.3电子对效应光致核反应：高能光子引起核反应，如（，n)，这是有阈反应，超过阈能1～几MeV时，反应几率随能量增加.2.4光致核反应2.4光致核反应加速器X线能量>10MV时：与铅、钨反应阈能5.7～8.1MeV最大反几率应能量13～18MeV射野内，中子强度约为X线剂量的0.5%射野外，中子强度约为X线剂量的0.1%2.4光致核反应加速器X线能量>10MV发生（，n)时，中子来源：钨靶33%

一级准直器42%X线均整器12%

治疗准直器13%三种作用形式与光子能量、吸收特质原子序数间相互关系3、各种相互作用的相对重要性3、各种相互作用的相对重要性人体骨、肌肉和脂肪相对空气的质能吸收系数人体组织对X射线的吸收差别60～150keV，低能X线，骨的吸收远高于其它150～250keV，深部X线，骨的吸收较高2～22MV，高能X线，三种组织相近22～25MV，高能X线，骨的吸收稍高4、X线射野剂量学基础4.1基本单位和术语4.2百分深度剂量性质4.3等剂量分布曲线1.射线束（Beam)：从放射源发出的，沿着光子的传输方向，其横截面的空间范围称为射线束。2.射线中心轴：定义为射束的对称轴，并与准直器的旋转轴和放射源的中心同轴4.1基本单位和术语一、术语定义3.照射野（Field)：由准直器确定的射线束的边界，并与射线束中心轴垂直的平面称为照射野。4.源皮距（SSD）：由放射源表面沿射中心轴到受照物体表面的距离。4.1基本单位和术语SSD一、术语定义5.源轴距（SAD)：从放射源前表面沿射线中心轴到等中心的距离。4.1基本单位和术语等中心点机头转轴机架旋转轴床绕等中心转轴PDD的定义：

射野中心轴上某一深度处的吸收剂量，与参考深度的吸收剂量之比。即：

PDD=Dd/Dd0*100%

说明：对高能X线，参考深度取最大剂量深度dmax4.2百分深剂量PDD的特性射野中心轴上PDD曲线示意图6MVX线