原子物理的基本概念.doc

第一章：核物理的基本知识一：原子物理的基本概念：1、 原子的基本结构： 质子（正电荷）原子： 原子核 中 子 核外电子（负电荷）原子的表示：ZAXX：元素符号；Z：原子序数，A原子质量数，即原子核内的核子数原子结构示意图2、原子、原子核能级电子在原子核库仑场中具有的势能变化构成了分立的原子能级。1） 基态和激发态：2） 特征辐射（特征X射线）；钨原子的能级示意图：3、原子量：定义：4、 基本粒子电子、质子、中子、光子、介子和其他一些粒子认为是物质结构的基本单元。其中，光子、电子广泛应用与放射治疗中，质子、中子也可用于放射治疗二、放射性1、原子核衰变：不稳定的核素自发地放出射线，转变成另一种核素，这种现象称为放射性。这个过程称为放射性衰变。衰变类型主要有：1） 衰变：原子核自发地放射出粒子（氦的原子核）的转变过程称为衰变。2） 衰变：原子核自发地放射出电子-或+正电子或俘获一个轨道电子的转变过程称为衰变。3） 跃迁：和衰变后的子核很可能处于激发态，会以射线的形式释放能量跃迁到低能态或基态，这种过程称为跃迁。钴-60、铯-137、铱-192具有衰变同时具有射线2、放射性度量放射性衰变公式：为衰变常数，表示单位时间内每个原子核衰变的概率 放射性活度：一定量的放射性核素在一个很短时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商，公式为：单位：贝克勒尔（Bq），A和A0分别是t时刻和初始时刻的放射性活度放射性核素的半衰期：放射性核素其原子衰变到初始数目一半是所需的时间称为放射性核素的半衰期（T1/2），半衰期与衰变常数的关系为：平均寿命：放射性原子核平均生存的时间。可表示为：第二章：电离辐射与物质的相互作用基本概念：直接电离：由带电粒子通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离。间接电离：不带电粒子通过与物质相互作用产生的带电粒子引起的原子的电离，称为间接电离电离辐射：由直接电离粒子或间接电离粒子、或者两者混合组成的辐射称为电离辐射一：带电粒子与物质的相互作用作用方式： 1）与核外电子发生非弹性碰撞 2）与原子核发生非弹性碰撞 3）与原子核发生弹性碰撞 4）与原子核发生核放应二：X（）射线与物质的相互作用1、X（）射线与物质相互作用的特点： （1）X（）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子； （2）X（）光子与物质的一次相互作用可以损失起能量的全部或很大一部分，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量； （3）X（）光子束入射到物体时，其强度岁穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，射程之外观察不到带电粒子。2、X（）射线与物质相互作用的主要过程：光电效应，康普顿散射，电子对效应1）几个概念：截面，线性衰减系数（u），质量衰减系数，线性能量转移系数，质能转移系数半价层：X（）射线束流衰减到其初始值一半时所需的某种物质的衰减块厚度。2）相互作用方式：光电效应： 康普顿散射： 电子对效应： 3） 几种相互作用的相对重要性：临床上相同质量厚度的三种组织对X（）射线不同的能量吸收差别。（1） 对于60-150 kev低能X射线，骨的吸收比肌肉和脂肪的高得多。（2） 对于150-250 kev低能X射线，骨的吸收比肌肉和脂肪的高。（3） 对于钴-60射线和222 Mv高能X射线，单位厚度的骨的吸收仍然比肌肉和脂肪的高（4） 对于22-25 MV的高能X射线，骨的吸收比肌肉和脂肪的哨高。第三章：X（r）线射野剂量学一：人体模型：1、 组织的替代材料（tissue substitutes）(模体(phantom)2、 组织填充模体（bolus）二：百分深度剂量分布：1、 相关概念：1） 照射野：临床剂量学中规定模体内50%同等剂量曲线的延长线交于模体表面的区域定义为照射野的大小。2） 源皮距（SSD）：放射源到模体表面照射野中心的距离3） 源轴距（SAD）：放射源到机架旋转轴或机器等中心的距离4） 源瘤距（STD）：放射源沿射野中心到肿瘤内所考虑的点的距离2、百分深度剂量（PDD）：射野中心轴上某一深度d处的吸收剂量率Dd与参考点深度 d0处剂量率Dd0的百分比 3、 建成效应：从表面到最大剂量深度区域称为剂量建成区域，此区域内，剂量随深度的增加而增加，高能射线一般都有建成区域存在。4、 以下物理原因造成剂量建成区百分深度剂量的变化：1) 百分深度剂量随射线能量变化；2) 射野面积和形状对百分深度剂量影响：设矩形野的长、宽分别为a,b；方形野的边长为s，根据面积/周长比相同的方法有：3) 源皮距对百分深度剂量的影响：对于不同源皮距下的百分深度剂量的比值为： 两百分深度剂量比，称为F因子。F为源皮距，dm为最大百分深度剂量处的源距。D为某点的源距。对于低能X射线，一般用 (F+1)/2代替F因子。近似将一种源皮距的百分深度剂量换算为另一种源皮距的百分深度剂量。第三节 组织空气比1、 组织空气比及影响因素：组织空气比定义： TAR=Dt/Dta式中Dt为肿瘤中心（旋转中心）处小体积软组织中的吸收剂量率；Dta为同一空间位置空气中一小体积软组织内的吸收剂量率。组织空气比的影响因素2、 反散因子：定义为射野中心轴上最大剂量深度处的组织空气比：BSF=TAR(dm, FSZdm) 或 BSF=Dm/Dma式中FSZdm为深度dm处的射野大小；Dm，Dma 分别为射野中心轴上最大剂量深度处模体内和空气中的吸收剂量率。反向散射决定于患者身体的厚度、射线能量及射野面积和形状。但与源皮距无关。反向散射影响因素3、 组织空气比与百分深度剂量的关系；4、 不同源皮距百分深度剂量的计算组织空气比法5、 旋转治疗剂量计算6、 散射空气比（SAR）：模体内某一点的散射剂量率与该点空气中吸收剂量率之比。第四节 组织最大剂量比1、 原射线和散射线模体中任一点的剂量为原射线和散射线剂量贡献之和。2、 射野输出因子和模体散射因子射野输出因子定义为射野在空气中的输出剂量率与参考射野（一般为10cm*10cm）在空气中的输出剂量率之比。此处定义的射野输出因子就是准直器散射因子Sc模体散射因子（Sp）定义为：射野在模体内参考点（一般在最大剂量点）深度处的剂量率与准直器开口不变时参考射野（10cm*10cm）在同一深度处剂量率之比。总散射校正因子（C,P）：准直器和模体的散射线造成的总散射校正因子。Sp（FSZ）C,P /OUF=C,P / Sc因上述Sc 和Sp的测量只对方形野，矩行野通过转换为方型野，对于钴机，这种转换是完全正确的，对于直线加速器，则需考虑其他影响后，有：s=(1+K)ab / (Ka+b) ，其中，K=Kx / KY = (L1x / L2x) / (L2Y / L1Y)，s为方形射野的边长。对于不规则射野，可用投影原理和Clarkson积分方法求得。、组织模体比和组织最大剂量比组织模体比(TPR)定义为模体中射野中心轴上任意一点的剂量率与空间同一点模体中射野中心轴上参考深度(t0) 处同一射野的剂量率之比式中Dd为模体中射野中心轴上深度d处的剂量率; Dt0 为空间中同一位置参考深度处的剂量率率;参考深度t0通常取5cm或10cm.相应的散射线部分定义为散射模体剂量比(SPR).。由于TPR，SPR的定义形式与前述的TAR,SAR的类似，所以性质相同。组织最大剂量比：4、散射最大剂量比（SMR）：定义：模体中射野中心轴上任意一点的散射线剂量率与空间同一点模体中射野中心轴上最大剂量点处 有效原射线剂量率之比，第五节 等剂量分布与射野离轴比1、 等剂量分布：将模体中百分深度剂量相同的点连接起来，即成等剂量曲线。等剂量分布曲线特点：源皮距和放射源大小对钴60射线剂量分布的影响：射野平坦度和对称性：是描述射野剂量分布特性的一个重要指标射野平坦度：射野对称性：加速器X射线束射线质变化规律；射线质在准直器轴线上最硬,随离轴距离增大逐渐变软。射野离轴比（OAR）：对钴-60治疗机，认为剂量率稳定，处方剂量通过SSD或SAD处的剂量率表示表示成时间，单位为s。加速器剂量计算：SSD照射（通常SSD=100cm）：当标定的刻度为1MU=1cGy时，有靶区剂量DT计算处方剂量Dm，单位为MU，式中FSZ为表面射野大小，FSZ 0为等中心处的射野大小，二者的关系为FSZ =FSZ 0（SAD/SSD），如果射野输出因子OUF在SAD测量，同时，SSD=SAD时，则式中的FSZ =FSZ 0。SSD因子则表示为式中SCD为校准测量时源到电离室中心的距离，如果测量是在标称源皮距处进行，则SSD因子=1等中心给角照射；等中心照射，一般用TMR值，如果加速器测量仍按上述方法校准，则SAD技术的处方剂量Dm由下式计算：式中SAD因子定义为：（其中，SCD为源到电离室中心的距离）1、 钴-60剂量计算：上述方法适用于任何类型的治疗机。2、 离轴点剂量计算Day氏法： 第七节：不规则射野除方形射野、矩形野和圆形野以外的其他任何形状的射野，称之为不规则射野。不规则射野是根据病变部位的形状或保护重要器官等治疗的需要，在规则射野中加射野挡块形成的。挡块对射野剂量影响有：（1）挡块的漏射和散射（散射贡献很小）改变了规则射野原射线和有效原射线的剂量分布；（2）改变了模体内散射线的范围和散射条件。对于挡块的第一项影响，可用它的穿射因子对原射线和有效原射线的离轴比因子进行修正，对于第二项影响，则可用第四节中的方法计算。第八节：楔形照射野为适应临床治疗的需要，通常在射线束的途径上加特殊滤过器或吸收挡块，对线束进行修整，获得特定形状的剂量分布。楔形滤过板（简称楔形板）是最常用的一种滤过器。图：1、 楔形野等剂量分布与楔形角按照ICRU50号报告，楔形板对平野剂量的修正作用，用楔形角a表示。并且楔形角应定义在某一参考深度处。楔形角a随深度增加愈来愈小，入射线能量愈低，a随深度变化愈大，反之，a随深度变化愈小。图：定义的楔形角在临床上应该有一定的意义，即应选定适当的深度作为参考深度，但这个深度没有统一意见。ICRU 24 号报告建议用10 cm作为楔形角的定义深度。传统用的楔形角为150， 300 ，450， 6002、 楔形因子：楔形板不仅改变了平野的剂量分布，也使射野的输出剂量率减少，楔形因子（Fw）定义为加和不加楔形板时射野中心轴上某一点剂量率之比：楔形因子一般用测量方法求得加入楔形板后，楔形野的百分深度剂量等于相同大小射野的不加楔形板时平野的百分深度剂量PDD平与楔形因子Fw 之比。3、一楔合成：由于楔形板的用途的扩展，传统的四种楔形板不够用，现代新型直线加速器上均装有一楔合成楔形板。所谓一楔合成，就是将一个楔形角较大如取楔形角等于600的楔形板作为主楔形板，按一定的剂量比例与平野轮流照射。合成00-600间任意楔形角的楔形板。设主楔形板的楔形角为an合成后的楔形角为a，则二者的关系为：其中 由此可得合成后的楔形因子：平野和主楔形野在处方剂量中所占的剂量分额配比为：4、楔形板临床应用方式和计算公式：楔形板在临床上适用主要有三个方面：图：相应的计算公式：（a）（b）(c)3、 动态楔形板：4、第九节：不对称射野和多叶准直器射野处方剂量计算1、 不对称射野：独立准直器已成为医用直线加速器的标准配置，准直器的叶片由四个独立电机驱动，可形成射野中心轴线偏离线束中心轴（即准直器旋转轴线）的射野，此类射野称为不对称射野或偏轴射野。独立准直器的优点2、 不对称射野处方剂量计算目前主要有边界因子和原、散射线分别计算两种方法。3、 多叶准直器射野处方剂量计算（1）面积周长比法；（2）Day氏法第十节：人体曲面和组织不均匀性的修正1、 均匀模体和人体之间的差别（1） 形状和大小与实际病体有差别（2） 模体的组织替代材料的成份、密度与实际病体存在差别2、 人体曲面的校正（1） 组织空气比或组织最大剂量比方法（2） 有效源皮距方法（3） 同等剂量曲线移动法3、 不均匀组织对剂量分布影响的校正方法：组织不均匀性对剂量分布的影响：（1）改变了原射线的吸收和散射线的分布；（2）改变了次级电子的主量分布。它们对剂量影响的相对重要性取决于吸收剂量点所在位置的情况。1） 射线衰减和散射的修正2） 不均匀组织中的吸收剂量4、 组织补偿1） 组织填充物2） 组织补偿器第十一节：乳腺切线照射剂量计算第十二节：X（r）射线全身照射剂量计算第四章：近距离治疗近距离照射是将封装好的放射源，通过施源器或源导管直接植入患者的肿瘤部位进行照射。近距离照射一般作为外照射的辅助治疗手段。近距离照射分为： （1）腔内照射（intracavitary irradiation） （2）组织间插植照射（interstitial irradiation） （3）管内照射（intraluminal irradiation ） （4）表面施源器照射（surface application）一：近距离照射剂量学的基本特点：1、 平方反比定律： 2、 广泛采用的剂量学系统有：曼彻斯特系统（Manchester System）， 巴黎系统（Paris System）。3、 剂量率效应目前在国内，随着后装机的广泛使用，系统的低剂量率治疗基本被高剂量率治疗所代替剂量率为0.42 Gy：低剂量率照射剂量率为12 Gy：高剂量率照射介于两者之间：中剂量率照射第二节：放射源的校准：1、 放射源强度的表示方法：最先使用的是毫克镭当量，现在使用的国际单位是空气比释动能强度Sk放射源的校准：。空气中测定放射源的空气比释动能强度Sk的数学表达式及相关因子为：M：经温度和气压校准的静电计读数，NK为电离室对放射源的空气比释动能校准因子；RG为电离室的剂量梯度修正因子；RS为环境的散射修正因子，d为电离室的有效测量点到放射源距离；t为每次测量的时间因子（剂量计数时间的倒数）。第三节：放射源周围的剂量分布：近距离照射所使用的放射源，多为点状源和线状源1） 放射源周围剂量分布的特点：对于相同核素的点源和线源，其周围的剂量变化有所不同。现代近距离照射，基本采用后装技术。2） 放射源周围剂量分布计算的传统方法及推荐算法。第四节：放射源的定位技术：在近距离照射中，肿瘤及正常组织的受量直接决定于放射源在组织中的几何分布。准确测定每个放射源的位置，是计算剂量分布的前提。放射源的定位，通常采用X射线照像技术。1） 正交技术：2） 立体-平移技术3） 立体变角技术放射源定位技术中，利用胶片作放射源位置重建时会产生误差，对于放射源定位，误差主要来源于对影象片源投影位置数据的准确测量和拍摄胶片过程中患者的运动。第五节：腔内照射剂量学：腔内照射应用最广泛的是对妇科宫颈癌的治疗，且疗效显著。根据妇科肿瘤放射治疗学原则及妇科骨盆的解剖特点，腔内照射宫颈、宫体及宫旁组织，而骨盆两侧用外照射。宫颈癌腔内照射方法，通常采用两组放射源施源器：一是直接植入宫腔内，称为宫腔管；另一是植入阴道内，紧贴在宫颈部，称为阴道容器。一：腔内照射的经典方法：从治疗方式和施源器的不同物理特点（源强、几何方法和剂量计算方法等），腔内照射的经典方法基本分为三大剂量学系统，即斯德哥尔摩系统（Stockholm system），巴黎系统（Paris system）和曼彻斯特系统（Manchester system）曼彻斯特系统（Manchester system）：是在巴黎系统的基础上发展起来的。根据宫腔的不同深度和阴道的大小，分为长、中、短三种宫腔管和大、中、小三种尺寸的阴道卵形容器。典型的方式为：宫腔管的强度为20-35mgRa，每个阴道卵形容器的强度为15-25mgRa。该系统强调：1）阴道源的分布要尽量宽；2）宫腔及阴道源强度为不同的比例；3）对某些特定点的剂量要准确，特定点为A点和B点。按解剖位置确定，A点为宫颈口上2cm，宫腔轴线旁2cm的位置，B点为过A点横截面并距宫腔轴线旁5cm的位置（A、B点也有按相对施源器位置来确定）。治疗方式为分两次照射，每次72h，间隔一星期，总的照射时间约为140h，A点“剂量”（照射量）为8000R。二：腔内照射的ICRU方法1） 腔内照射的剂量学描述：（1） 治疗技术的描述：放射源的各项技术参数（2） 总参考空气比释动能：所以放射源（包括宫腔和阴道源）的参考空气比释动能率与照射时间的乘积之和，正比于患者所受的积分剂量。（3） 参考区：参考等剂量线面所包括的房屋，参考等剂量线面即 处方剂量所在的等剂量线面。（4） 参考点剂量：参考点指相关的重要器官和盆腔淋巴引流区。相对重要器官的参考点剂量主要为膀胱和直肠的剂量。2） 腔内照射的剂量模式：（图）腔内照射的吸收剂量模式不同于外照射。第六节：组织间照射剂量学组织间照射或称插植照射，是近距离照射中应用较为广泛和灵活的一种治疗方式，它的基本作法是根据靶区的形状和范围，将一定规格的多个放射源直接插入人体组织，对肿瘤组织（或瘤床部位）进行高剂量照射。为使治疗部位获得满意的剂量，必须根据放射源周围剂量分布特点，按一定规则排列这些放射源。一：组织间照射的术语和概念：（ICRU第58号报告）1） 技术治疗区的描述：组织间照射可分为暂时性插植(temporary implants)和永久性插植(permanent implants),根据放射源的排列方式,又可将其分为单平面插植或双平面多平面插植，以及直接用插植的几何形状如圆柱形插植等予以叙述。组织间照射使用的放射源长度通常相等，且相互平行。定义中心平面是一个重要描述，在临床实践中，由于局部解剖位置的限制或操作难易程度的影响，中心平面的定义较为复杂。组织间照射主要需要明确肿瘤区、临床靶区和治疗区，对于计划靶区则少有重视，其次，在确定插植方式之前，需定义临床靶区，具体方法是在三为方向上，以其最大径描述临床靶区的长度、宽度和高度。）剂量模式近距离照射剂量学的特点是：剂量分布不均匀，剂量梯度大和每一放射源周围存在高剂量区。但在组织间照射的插植平面内，也有剂量梯度近似平缓的区域，即坪剂量区（plateau dose），坪剂量区一般与相邻放射源的距离相等。描述组织间插植照射的相关剂量学参数：（） 最小靶剂量（minimum target dose, MTD）：临床靶区内所接受的组小剂量。在巴黎剂量学系统中，MTD即为参考剂量（Reference dose, RD），曼彻斯特剂量学系统中，MTD约等于90%的处方剂量。（） 平均中心剂量（mean central dose, MCD）：中心平面内相邻放射源之间最小剂量的算术平均值。（） 高剂量区（high dose volumes）中心平面内或平行于中心平面内或平行于中心平面的任何平面内的150%平均中心剂量曲线所包括的最大体积（） 低剂量区（low dose volumes）在临床靶区内，由90%处方剂量曲线所包括的任一平面中的最大体积。应用低剂量区的概念，需根据不同剂量学系统和临床实际给予特别说明。（） 剂量分布的描述和评价：最小剂量离散度（spread in individual minimum dose ）：在中心平面，放射源之间每一最小剂量相对于平均中心剂量的变化范围。剂量均匀指数（dose homogeneity index）：最小靶剂量与平均中心剂量的比值。3） 时间-剂量模式组织间照射中，暂时性插植照射可分为以下几类方式：连续照射（continuous irradiation），间断照射（non-continuous irradiation），分次照射（fractionated irradiation），超分割照射（hyperfractionated irradiaton），脉冲式照射（pulsed irradiation） 照射时间（irradiation time）放射源对患者直接照射的持续时间总治疗时间（overall treatment time）从第一次照射开始，到最后一次照射结束的总时间。瞬时剂量率（instantaneous dose rate）分次照射或脉冲式照射时，剂量与照射时间的比值。治疗平均剂量率（average overall treatment dose rate） 总剂量与总时间的比值二：剂量学系统：世界范围内有较大影响的主要有曼彻斯特系